土力学地基基础课程讲解第2章辅导

第2章土的物理性质及分类2土力学地基基础厦门大学土木系2.2土的生成与特性一地质作用概念地质作用——导致地壳成分变化和构造变化。按能量来源不同分为内力地质作用和外力地质作用。1内力地质作用——地球产生的能量引起地壳物质成分、内部构造以及地表形态发生变化的地质作用，如岩浆活动、地壳运动等。2外力地质作用——由太阳辐射能和地球重力位能所引起的地质作用。风化作用是由于气温变化、大气、水分及生物活动等自然条件使岩石破坏的地质作用。3土力学地基基础厦门大学土木系2.2土的生成与特性二风化作用1物理风化——岩石受风、霜、雨、雪的侵蚀，温度、湿度变化，不均匀膨胀与收缩，使岩石产生裂隙，崩解为碎块。只改变颗粒大小与形状，不改变矿物成分。产物：碎石、卵石、砾石、砂土等2化学风化——岩石碎屑与水、氧气、二氧化碳等接触，使岩石碎屑发生化学变化，改变原来矿物成分，产生新的成分（次生矿物）。如：粘土、粉质粘土。3生物风化——生物活动过程中对岩石的破坏作用。4土力学地基基础厦门大学土木系2.2土的生成与特性三土的结构和构造1土的结构定义：土的结构是指由土粒单元的大小、形状、相互排列及其联结关系等因素形成的综合特征。分类：可分为单粒结构、蜂窝结构、絮状结构。（1）单粒结构粗大颗粒下沉而形成的。全部由砂砾或更粗土粒组成的土都具有单粒结构。5土力学地基基础厦门大学土木系2.2土的生成与特性单粒结构可疏松也可紧密。紧密状单粒结构的土，强度大，压缩性小，是较良好的天然地基。疏松状单粒结构的土，强度小，压缩性大，不宜做建筑物的地基。土的单粒结构（a）疏松的（b）紧密的6土力学地基基础厦门大学土木系2.2土的生成与特性（2）蜂窝结构由粉粒(0.075—0.005mm)组成的土的结构形式。沉积过程中颗粒的吸引力大于其重力，逐渐下沉吸引形成蜂窝状土.（3）絮状结构粘粒(0.005mm)集合体组成的结构形式，类似蜂窝且孔隙很大的絮状结构。颗粒之间存在吸力和斥力，长期悬浮，缓慢下沉形成絮凝结构。7土力学地基基础厦门大学土木系2.2土的生成与特性工程性质密实的单粒结构工程性质最好，蜂窝结构与絮状结构如被扰动破坏天然结构，则强度低、压缩性高。不可作天然地基。粘土颗粒沉积结构（a）盐液中絮凝（b）非盐液中絮凝（c）分散型土的蜂窝结构8土力学地基基础厦门大学土木系2.2土的生成与特性2土的构造：同一土层中，土颗粒之间相互作用关系的特征。（1）层状构造土层由不同颜色或不同的粒径的土组成层理，一层一层互相平行。层理一般呈水平方向。（2）分散构造土层中土粒分布均匀，性质相近。如砂与卵石层为分散构造。（3）结核状构造9土力学地基基础厦门大学土木系2.2土的生成与特性（4）裂隙构造土体中有许多不连续的小裂隙。如硬塑或坚硬状态的粘土为裂隙构造。工程性质一般分散构造的工程性质最好。结核状构造工程性质好坏取决于细粒土部分。裂隙构造类土强度低、渗透性大，工程性质差。10土力学地基基础厦门大学土木系2.3土的三相组成一土的固体颗粒土的固体颗粒是三相组成中的主体，是决定土的工程性质的主要成分。1土粒的矿物成分（1）原生矿物矿物成分为：石英、长石、云母、角闪石、辉石等。（2）次生矿物11土力学地基基础厦门大学土木系2.3土的三相组成母岩岩屑经化学风化成为粘土矿物。如：蒙脱石、伊利石、高岭石。其中蒙脱石亲水性最大，伊利石居中，高岭石最小。（3）腐殖质12土力学地基基础厦门大学土木系2.3土的三相组成2土颗粒大小与形状土中固体颗粒的大小和形状、矿物成分及其组成情况是决定土的物理力学性质重要因素。土粒常被分成六组，划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。界限粒径为200，60，2，0.075，0.005mm。粘粒粉粒细0.0050.010.0750.10.250.5252060200砂粒粗极细细中粗细中粗圆砾或角砾卵石碎石漂石块石13土力学地基基础厦门大学土木系2.3土的三相组成3土的粒径级配土的粒径级配——土中各粒组的相对含量，占总质量的百分数来表示。它是粗粒土的分类定名的标准。粒径级配试验方法：（1）粒径大于0.075mm的粗粒组可用筛分法测定。（2）粒径小于0.075mm的粘粉粒用比重法0.075mm0.25mm0.5mm1.0mm2.0mm5.0mm10mm筛底座20mm14土力学地基基础厦门大学土木系2.3土的三相组成（3）绘制颗粒级配累计曲线。有效粒径d10——小于某粒径的土粒质量累计百分数为10%时相应的粒径。限定粒径d60——小于某粒径的土粒质量累计百分数为60%时相应的粒径。中值粒径d30——小于某粒径的土粒质量累计百分数为30%时相应的粒径。15土力学地基基础厦门大学土木系2.3土的三相组成颗粒级配累积曲线图小于某粒径的土重含量％土粒粒径，mm缓粒径大小悬殊，土粒不均匀，级配良好陡粒径大小相差不大，土粒均匀，级配不好由曲线坡度大致判断土的均匀程度16土力学地基基础厦门大学土木系2.3土的三相组成不均匀系数曲率系数不均匀系数越大，土粒大小分布范围越大，级配良好。作为填方土料时，能有较大的密实度。1060ddCu6010230dddCc17土力学地基基础厦门大学土木系2.3土的三相组成二土中的水：结合水（矿物内部）、自由水（孔隙中的水）1结合水——小土粒因表面的静电引力而在其周围吸附的水。分为强结合水和弱结合水.2自由水——存在土粒表面电场影响范围以外的水。能传水压，有溶解能力。(1）重力水(2）毛细水三土中气：主要是空气和水气，有时可能有沼气、二氧化碳、硫化氢等。土中气体对工程性质影响较小。18土力学地基基础厦门大学土木系2.4土的物理性质指标一土的三项基本物理性质指标1土粒比重（土的相对密度）Gs（1）定义——土粒质量与同体积4摄氏度纯水质量之比（2）表达式：无量纲数值上等于土粒密度（3）常见值：2.6—2.8（4）测定方法：比重瓶法或经验法wswsssvmG19土力学地基基础厦门大学土木系2.4土的物理性质指标2土的含水量w（1）定义——土中水的质量与土粒质量之比，%（2）表达式：（3）常见值：砂土（0—40）%；粘性土（20---60）%（4）测定方法：烘干法、炒干法、酒精燃烧法等%100swmmw20土力学地基基础厦门大学土木系2.4土的物理性质指标3土的密度（1）定义——土单位体积的质量，单位g/cm3或t/m3（2）表达式：（3）常见值：砂土1.6—2.0粘性土1.8—2.0（4）测定方法：环刀法、蜡封法等以上三个为土的基本物理指标，均可由实验室直接测定其数值。vm21土力学地基基础厦门大学土木系2.4土的物理性质指标二反映土的松密程度的指标1孔隙比e（1）定义——土中孔隙体积与土粒体积之比（2）表达式：（3）常见值：砂土0.5—1.0，当e0.6时，呈密实状态，良好地基粘性土0.5—1.2，当e1.0时，高压缩性土，软弱地基svvve22土力学地基基础厦门大学土木系2.4土的物理性质指标2孔隙率n（1）定义——土中孔隙体积与总体积之比，%（2）表达式：（3）常见值：n=(30-50)%（4）确定方法：e和n均可据、Gs、w实测值计算%100vvnv23土力学地基基础厦门大学土木系2.4土的物理性质指标三反映土中含水程度的指标1含水量w（前已述）2土的饱和度Sr（1）定义——被水充满的孔隙体积与孔隙总体积之比（2）表达式：（3）常见值：Sr=(0-100)%（4）确定方法：据、Gs、w实测值计算（5）工程应用：砂土与粉土以饱和度划分湿度。%100vwrvvs稍湿很湿饱和80%50%24土力学地基基础厦门大学土木系2.4土的物理性质指标四特定条件下土的密度1土的干密度d、干容重d（1）定义——土单位体积中固体颗粒质量，g/cm3（2）表达式：（3）常见值：1.3—2.0g/cm3（4）工程应用：土的干密度用作填方工程中土体压实质量控制的标准。d越大，土体压得越密实，工程质量越好，但花费的压实费用也越大。vmsd25土力学地基基础厦门大学土木系2.4土的物理性质指标2饱和密度sat、饱和容重sat（1）定义——孔隙中全部充满水时单位体积中的土质量，单位g/cm3或t/m3（2）表达式：（3）常见值：sat1.8—2.3g/cm3vvmvvmmwvswawssat26土力学地基基础厦门大学土木系2.4土的物理性质指标3有效密度、有效容重（1）定义——地下水位以下，土体受水的浮力作用时单位体积中的土质量，单位g/cm3或t/m3（2）表达式：（3）常见值：为0.8—1.3g/cm3wsatwvswssvvvmvvm)(27土力学地基基础厦门大学土木系2.4土的物理性质指标土的物理性质指标共9个，土粒比重Gs、密度、含水量w、干密度d、饱和密度sat、有效密度、孔隙比e、孔隙率n、饱和度Sr。9个指标不是各自独立，其中Gs、、w由实验室测定，其余6个指标可通过三项指标换算求得。28土力学地基基础厦门大学土木系2.4土的物理性质指标五三相草图方法：首先绘制三相草图，据三个已知指标数值和各物理性质指标的定义进行计算。根据情况令V=1或Vs=1可使计算简化。29土力学地基基础厦门大学土木系2.4土的物理性质指标【例2—1】已知某钻孔原状土试样结果为：，w，Gs，求其余6个物理性质指标。气水土颗粒m=Gs(1+w)wmw=wGswms=GswVv=eVs=1V=1+e解：=m/v=Gs(1+w)w/(1+e)则e=Gs(1+w)w/-1e知，n亦可求。n=e/(1+e)Sr=VW/VV=mw/(wVV)=wGs/ed=ms/V=Gs/w(1+e)sat=(ms+Vvw)/V=(Gs+e)/(1+e)30土力学地基基础厦门大学土木系2.5土的物理状态指标一无粘性土的密实度无粘性土为单粒结构，最主要的物理状态指标是密实度。划分密实度的标准是什么？1用孔隙比e（很少用）优点：应用方便。同一种土，密砂孔隙比e1，松砂孔隙比e2，必然e1e2缺点：无法反映土粒级配因素。例如：两种级配不同的砂，一种颗粒均匀密砂e1，一种级配良好的松砂e2，结果e1反而大于e2。31土力学地基基础厦门大学土木系2.5土的物理状态指标2以相对密实度Dr为标准为了克服指标e对级配不同的砂土难以准确判别的缺陷，可用天然孔隙比与同一种砂的最松状态孔隙比emax和最密实状态孔隙比emin进行对比，看e接近emax或接近emin。以此来判断它的密实度，即相对密实度法。minmaxmaxeeeeDr32土力学地基基础厦门大学土木系2.5土的物理状态指标相对密实度Dr判别砂土密实度的优缺点：优点：用Dr来判别，计入土的级配因素，理论上完善缺点：emax、emin测定主观性较大，数值与测试人员等因素有关，难获得科学数据。松散中密密实2/31/3相对密实度判别密实度标准minmaxmaxeeeeDr33土力学地基基础厦门大学土木系2.5土的物理状态指标3以标准贯入试验N为标准方法：一种原位测试，用卷扬机把质量为63.5kg的钢锤，提升76cm高，让钢锤自由下落，打击贯入器，使贯入器入土中深30cm所需的锤击数，记N63.5。N值大小反映土的贯入阻力大小，即密实度大小。N越大，显然土越密实。松散稍密中密密实N101530以标准贯入试验锤击数划分砂土密实度标准34土力学地基基础厦门大学土木系2.5土的物理状态指标二粘性土的物理状态指标1粘性土的界限含水量同一种粘性土随其含水量不同，分别处于固态、半固态、可塑状态及流动状态。（1）定义界限含水量——由一种状态转到另一状态分界含水量。固态半固态可塑