土质土力学

《土质学与土力学》交通部管理干部学院公路系绪论Ș什么是土？Ș土有哪些特点？Ș土质学与土力学有何特点？Ș本课程的任务？Ș本课程的内容与学习要求？Ș为何要学习土质学与土力学？绪论什么是土？土是指：地球表面的整体岩石在大气中经受长期的风化作用而形成的、覆盖在地表上碎散的、没有胶结或胶结很弱的颗粒堆积物。岩石地球风化颗粒堆积物地球绪论本课程的内容与学习要求?研究土的工程性质土质学内容土力学内容土的变形、强度、稳定性问题绪论为何要学习土质学与土力学?地基、建筑材料、介质̰̰地基沉降̰土坡滑动̰̰路基碾压土具有广泛的工程应用存在大量与土有关的工程问题绪论本课程的内容与学习要求?学习要求注意搞清概念掌握原理抓住重点理论联系实际学会设计计算重在工程应用第一章土的物理性质一、土的概念及土的三相组成土：是岩石经强烈风化作用形成的大小不等、未经胶结的一切松散物质。风化：物理风化、化学风化、生物风化第一章土的物理性质及工程分类土的三相组成固相、液相、气相小结：土中的固体矿物构成土的骨架，骨架间贯穿着大量孔隙，孔隙中充满着液体水和气体。随着环境的变化，土的三相比例也发生相应的变化，三相比例不同，土的状态与工程性质也随之而异。固体＋气体＝干土固体＋液体＋气体＝湿土固体＋液体＝饱和土二、土的物理性质试验指标：土的密度、土粒比重（土粒密度）、含水率换算指标：干密度、饱和密度、浮密度、孔隙比、孔隙率、饱和度气水土粒msmwmVsVwVVa质量m体积V土的物理性质指标概念及换算sssvm%100swmmw)(4CwsssVmGvmVVmwvssatVmsdVVmwss'%100VwVVSrsvVVe1deen1wsat几个常用的重要关系(令VS=1)试验指标换算指标物理指标的检测：一、含水率W(%)常用方法：烘干法、酒精燃烧法称量盒（铝盒)干燥器烘箱天平含水率试验操作步骤(烘干法）液塑限.rm(16:55)称湿土重：取土样细粒土1530g,砂类土50g,放入重m0称量盒内，盖上，称出盒与湿土总重m1烘干冷却：打开盒盖放入烘箱(温度105℃－110℃）烘至恒重，取出，盖上盒盖放入干燥箱内冷却，称盒与干土总重m2，烘干时间细粒土不少于8h，砂土不少于6h。数据处理%1000221mmmmw物理指标的检测：二、密度－环刀法、灌砂法环刀灌砂桶密度试验操作步骤（环刀法）录像1.rm(11:18)测环刀容积V和重量m1环刀内涂凡士林，刃口向下放在土样上，用切土刀将土样削平环刀下压，边削边去环刀外的土，至土样伸出环刀为止环刀两端余土削平擦净环刀外壁，称环刀和土的总重m2数据处理：vmm12物理指标的检测：三、土粒密度（比重）——比重瓶法比重试验操作步骤•取过5mm筛的烘干土15g(ms),用玻璃漏斗装入洗净烘干的比重瓶内蒸馏水加入，至瓶一半处摇动比重瓶且进行煮沸（砂土30分，粘土1时）•蒸馏水加近满，等温度稳定和悬液澄清盖紧瓶盖，称瓶、水与土合重m1•倒去悬液，洗净比重瓶，注入与试验温度同的蒸馏水至近满，盖紧瓶盖，称瓶与水合重m2SSSSGmmmmG12三、土的颗粒特征1.粒组及其划分标准粒组：是指在粒径区段内所包含大小比例相似，工程性质基本相同的颗粒。《公路土工试验规程》（JTJ051-93）规定粒组分为：巨粒组粗粒组细粒组粒组划分表2006020520.50.250.0740.002巨粒组粗粒组细粒组漂石(块石)卵石(小块石)砾砂粉粒粘粒粗中细粗中细2.粒度成分分析粒度成分（颗粒级配）：是指各个粒组在土全部质量中各自占有的比例。目前，我国常用的粒度成分分析方法有：筛分法沉降分析法①筛分法适用范围：粒径大于0.074mm的土。原理：将称取的一定质量风干土样放在筛网孔逐渐减小的一套标准筛上摇振，然后分层测定各筛中土粒的质量，并计算出每一粒组占土样总质量的百分数。粒度成分分析②沉降分析法适用范围：粒径小于0.074mm的土。原理：取一定质量的干土制成一定体积的悬液，搅拌均匀后，在刚停止搅拌的瞬间，各种粒径的土粒在悬液中是均匀分布的，即各种粒径的土粒在悬液中的浓度在不同深度处都相等。静置一段时间后，其粒径不同的土粒下沉速度不同，不同深度处悬液浓度不再相等，根据不同深度处悬液浓度可计算出各粒组土粒密度。常用粒度成分表示方法1.表格法－以列表形式直接表达各粒组的相对含量。土的粒度成分粒度成分(以质量%计)粒组（mm）土样1土样2土样310-55-22-11-0.50.5-0.250.25-0.100.10-0.050.05-0.010.01-0.0050.005-0.0020.002-3.160.14.440526.09.0----25.020.012.38.08.24.94.68.14.25.21.5-----8.014.437.611.118.910.02.累计曲线法－通常用半对数坐标绘制，横坐标（按对数比例尺）表示粒径di；纵坐标表示小于某一粒径的累计百分数P。用一条曲线表示一种土的粒度成分，在一张图上能同时表示多种土的粒度成分，便于进行土样的级配设计。描述土的级配的指标：Cu、Cs•为了判别土粒级配是否良好，常用不均匀系数Cu和曲率系数Cc两个指标来描述粒径曲线的坡度和形状。1060ddCu1060230)(dddCsd10、d30、d60分别为粒径曲线纵坐标上小于某粒径含量60％、30％、10％时所对应的粒径曲率系数不均匀系数——土粒的分布范围——粒径分布曲线的形状粒径(通过质量百分数(%)的定义图1-5讨论:曲线平缓，粒径大小相差悬殊，土粒不均匀。对于级配良好的土，较粗颗粒间的孔隙被较细的颗粒所填充，因而土的密实度较好。•Cu大不均匀有细粒土填空密实度大•Cu小均匀无细粒土填空密实度小Cu≥5,Cs=1～3,级配良好3.三角坐标法－可用来表达三种粒组的百分含量。它是利用几何上等边三角形中任意一点到三边的垂直距离和恒等于三角形高的原理，来表达粒度成分。用一点表示一种土的粒度成分，在一张图上能同时表示多种土的粒度成分，便于进行土样的级配设计。四、粘性土的界限含水量1.液限、塑限、塑性指数、液性指数塑性:物体在外力作用下，可被塑成任何形态不产生裂隙，当外力消除后保持现有形状而不恢复原状的性质；半固态塑限ωP可塑状态液限ωL流动状态0ω四、粘性土的界限含水量•塑性指数:----------反映粘性土可塑性的大小。Ip=WL-Wp.液性指数----------反映土所处的状态见书16页液塑限测定（液塑限.rm）五、砂土的密实度e增大最紧密最松散minemaxeemaxdmindd天然1.砂土按孔隙比e的密实度分类密实度密实中密松散Dr1-0.670.67-0.330.33-0minmaxmaxeeeeDr－－－－－相对密实度2.标准贯入试验土的工程分类《公路桥涵地基设计规范》中的分类幻灯片30《公路土工试验规程》中的分类《公路土工试验规程》土的分类标准三角坐标法碎石土分类土的名称颗粒形状粒组含量漂石块石圆形及亚圆形为主棱角形为主粒径大于200mm的颗粒超过全质量50%卵石碎石圆砾角砾圆形及亚圆形为主棱角形为主粒径大于20mm的颗粒超过全质量50%圆形及亚圆形为主棱角形为主粒径大于2mm的颗粒超过全质量50%砂土分类砾砂粗砂中砂细砂粉砂粒径大于2mm的颗粒占全质量25--50%粒径大于0.5mm的颗粒超过全质量50%粒径大于0.25mm的颗粒超过全质量50%粒径大于0.1mm的颗粒超过全质量75%粒径大于0.1mm的颗粒不超过全质量75%土的名称粒组含量细粒土分类《公路土工试验规程》土的分类标准第二章特殊土的工程地质特性软土(淤泥、淤泥质土）处理换土、抛石排淤、反压护道、砂井1、天然含水量大（WWL),高孔隙比(e1)2、高压缩性3、抗剪强度很低4、透水性极弱5、较显著的触变性和流变性适用于软弱土层位于地表，换挖深度不超过2m的场合（一）换填材料法二、地基加固措施1.开挖换填2.抛石挤淤适用于排水困难的洼地，而软弱土层易于滑动，厚度又较薄，表层无硬壳，石料来源充分二、预压固结法在建筑物建造前，先在拟建场地上施加或分级施加与其相当的荷载，使土体中孔隙水排出，孔隙体积变小，土体密实，提高地基承载力和稳定性。堆载预压法处理深度一般达10m左右。真空预压法处理深度可达15m左右。真空堆载预压排水法示意图砂垫层堆载填土砂井/袋装砂井塑料薄膜射流泵有孔管道网络有孔管道网络示意图广泛适用于各类饱和粘土、粉土三、挤密法•砂石桩法•土桩挤密法•灰土桩挤密法四、化学加固法•灌浆法•高压喷射灌浆法•水泥深层搅拌法水泥深层搅拌法•概念•施工过程定位—沉入到底部—喷浆搅拌（上升）—重复搅拌（下沉）—重复搅拌（上升）—完毕水泥搅拌桩在施工五、机械压实法•分层碾压法•振动压实法振动压路机六、强夯法强夯法是法国L·梅纳（Menard）1969年首创的一种地基加固方法。夯击后的地基承载力可提高2～5倍，压缩性可降低200～500％，影响深度在10m以上。1.反压护道法适用于：a.非耕作区和取土不困难的地区；b.路堤高度不大于5/3～2倍极限高度；c.主要用于处理软土，对泥沼有时也可以采用。反压护道七、调整结构法特殊土的工程地质特性黄土1.大孔隙性且有柱状节理2.遇水膨胀，干燥收缩3.湿陷性处理：边坡防护、地基处理、排水注：三合土：石灰：粘土：碎砾石（1：3.3：2.3）在三合土中掺入水泥即为四合土砌石或混凝土护坡膨胀土特殊土的工程地质特性1.浸水显著膨胀，失水显著收缩。2.明显的垂直与水平裂隙处理：边坡防护、排水特殊土的工程地质特性盐渍土1、控制填料含盐量2、设置隔断层3、强夯特殊土的工程地质特性红粘土1、收缩性较膨胀性显著的多2、上硬下软强结合水•排列致密、定向性强•密度1g/cm3•冰点处于零下几十度•具有固体的的特性•温度高于100°C时可蒸发弱结合水•位于强结合水之外，电场引力作用范围之内•外力作用下可以移动•不因重力而移动，有粘滞性结合水第四章土中水的渗透性分布在土粒内部相互贯通的孔隙可以看成许多形状不一、直径互异、彼此连通的毛细管毛细水土中毛细现象•上升高度:rThccos2毛细升高与孔径成反比粘土粉土砂土砾石孔隙水在水头差作用下渗透：水透过土体孔隙的现象渗透性：土允许水透过的性能称为土的渗透性引起土体内部应力状态的变化，从而改变水土建筑物或地基的稳定条件，甚者还会酿成破坏事故土的渗透性概述土的渗透性AhAzwAuLBhhBwuBz水头：单位重量的水所具有的能量。22wuvhzgwuhz水力梯度（坡降）ABhhLhiL总水头线总水头＝势水头＋压力水头＋动水头土的渗透性一、达西定律1856年法国学者达西砂土的渗透性进行研究结论：水在土中的渗透速度与试样的水力梯度成正比v=kJ达西定律水力梯度，即沿渗流方向单位距离的水头损失土的渗透性二、达西定律适用范围与起始水力坡降kiv达西定律讨论：砂土的渗透速度与水力梯度呈线性关系密实的粘土，需要克服结合水的粘滞阻力后才能发生渗透;同时渗透系数与水力坡降的规律还偏离达西定律而呈非线性关系biikvib起始水力坡降虚直线简化达西定律适用于层流，不适用于紊流v=kiivO砂土0iv密实粘土TQLkAth0T101ln()haLkAtth常水头(适用于测定透水性大的砂性土的渗透系数)变水头(测定渗透性很小的粘性土的渗透系数)土的渗透性H1H2H3HΔhk1k2k3xzq1xq3xq2xL五.层状地基的等效渗透系数1122不透水层水平渗流条件:LhJJiixxqqiHH等效渗透系数:qx=vxH=kxJHΣqix=ΣkiJiHiiixHkH1k土的渗透性H1H2H3HΔhk1k2k3xz五.层状地基的等效渗透系数竖直渗流:v承压水条件:qqiihhiHH等效渗透系数:vi=ki(Δhi/Hi)iiikvHhzkvHh