地基与基础-土的物理性质与工程分类

地基与基础工程SoilMechanicsandFoundationEngineering第一章介绍土的形成及物质组成,从定性和定量两个方面描述土体的物质组成\密实程度及工程应用土的物理性质及工程分类主要内容:知识要点：掌握土体的三相组成、三相比例指标之间的换算及土的基本指标测试方法。了解无粘性土的密实度概念及判别方法。掌握粘性土的塑性指数和液性指数的作用和用途，以及粘性土的物理状态评价。掌握无粘性土和粘性土的分类依据和分类方法。§1.1土的成因土是岩石经过风化、剥蚀、破碎、搬运、沉积等过程后在不同条件下形成的自然历史的产物搬运、沉积一、土体的生成风化岩石地球土地球生物风化物理风化化学风化矿物成分未变无粘性土原生矿物矿物成分改变粘性土次生矿物风化作用分类有机质岩石和土的粗颗粒受各种气候因素的影响产生胀缩而发生裂缝,或在运动过程中因碰撞和摩擦而破碎母岩表面和碎散的颗粒受环境因素的作用而改变其矿物的化学成分，形成新的矿物动植物活动引起的岩石和土体粗颗粒的粒度或成分的变化定义：土体的结构是指土生成工程中所形成土粒的空间排列及其形式。力学特性影响土的结构反映土的成分形成条件分类单粒结构蜂窝结构絮状结构二、土的结构和构造粒间作用力可否作天然地基矿物成分单粒结构示意图重力、毛细力密实的单粒结构是良好的天然地基原生矿物指粗砂粒或更粗大的颗粒在水或空气中沉积形成。粗粒土的结构松散密实粒间作用力形成环境可否作为天然地基矿物成分水中的悬浮力、自重力（斥力减小引力增加）絮状结构(凝聚结构)蜂窝结构(分散结构)示意图颗粒间的引力、自重力（粒间引力占优势）淡水中沉积海水中沉积次生矿物次生矿物注意：天然条件下，可能是多种组合，或者由一种结构过渡向另一种结构。不可不可细粒土的结构是指由粉粒（粒径0.005~0.075mm）在水中下沉时形的。是指由粘粒（粒径≤0.005mm）集合体组成。颗粒形状•原生矿物圆状、浑圆状、棱角状•次生矿物针状、片状、扁平状土的构造：是指土体中各结构单元之间的关系，主是从宏观角度研究土的组成，其主要特点是土的成层性和裂缝性。力学特性影响土的构造类型层状构造分散构造裂隙构造结核状构造通常分散构造土的工程性质最好是理性地基，结核状构造土的工程性质取决于细粒土部分，裂隙构造不连续的裂缝破坏土的整体性故土的工程性质最差。气相固相液相++构成土骨架，起主体作用重要影响土体次要作用土体三相组成示意图§1.2土的组成一、土中的固体颗粒(固相)物理状态力学特性粒组的划分土的颗粒级配土粒的矿物成分①.颗粒级配颗粒大小土中各个粒组的相对含量常用表格法或粒径曲线法表示影响土性质的主因表格法表示的粒组划分土粒粒组的划分粒组统称粒组名称粒径范围(mm)一般特征漂石、块石颗粒≥200巨粒卵石、碎石颗粒60＜d≤200透水性很大，无粘性，无毛细水圆砾、角砾颗粒粗中细20＜d≤605＜d≤202＜d≤5透水性很大，无粘性，毛细水上升高度不超过粒径大小粗粒砂粒粗中细0.5＜d≤20.25＜d≤0.50.075＜d≤0.005易透水，（当混入云母等杂质时透水性减小，而压缩性增加）；无粘性，遇水膨胀小，干燥时松散，毛细水上升高度不大，随粒径变小而增大。粉粒0.005＜d≤0.075透水性小，湿时稍有粘性，遇水膨胀小，干时稍有收缩，毛细水上升高度较大较快，极易出现冻胀现象。细粒粘粒≤0.005透水性很小，湿时有粘性、可塑性，遇水膨胀大，干时收缩显著，毛细水上升高度大，但速度较慢。粒径级配•确定方法筛分法：适用于粒径在0.074~60mm的土㎜～～密度计法：适用于粒径小于0.074mm的土——通常将各粒组的相对含量，用质量百分数来表示•表述方法粒径级配累积曲线105.02.01.00.50.250.1200g10161824223872P%958778665536筛分法原理图筛分法就是用一套标准筛子如孔直径(mm)：20、10、5.0、2.0、l.0、0.5、0.25、0.1、0.075，将烘干且分散了的200g有代表性的试样倒入标准筛内摇振，然后分别称出留在各筛子上的土重，并计算出各粒组的相对含量，即得土的颗粒级配。密度计法(也称比重计法)：是沉降分析法的一种，另外还有移液管法(也称吸管法)。该两法的理论基础都是依据Stokes(司笃克斯)定律，即球状的细颗粒在水中的下沉速度与颗粒直径的平方成正比粒径(mm)0.050.010.005百分数P(%)2613.510典型颗分级配曲线沉降分析结果1009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数P（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)1009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)土的粒径级配累积曲线d60d50d10d30d60d10d30CuCc0.330.0050.063662.41特征粒径:d60—控制粒径d10—有效粒径d30—中值粒径不均匀程度：Cu=d60/d10连续程度:Cc=d302/(d60×d10)—曲率系数—不均匀系数Cu≥5,级配不均匀粗细程度：用平均粒径d50表示1009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)土的粒径级配累积曲线d60d10d30连续程度:Cc=d302/(d60×d10)—曲率系数较大颗粒缺少Cc减小较小颗粒缺少Cc增大Cc=1~3,级配连续性好曲线d60d10d30CuCcL0.330.0050.081663.98M0.0632.41R0.0300.545粒径级配累积曲线及指标的用途：粒组含量用于土的分类定名；工程中用不均匀系数Cu评价土的不均匀程度：Cu≥5,不均匀土；Cu5,均匀土曲率系数Cc用于判定土的连续程度：Cc=1~3,级配连续土；Cc3或Cc1,级配不连续土不均匀系数Cu和曲率系数Cc用于判定土的级配优劣：当Cu≥5且Cc=1~3时，为级配良好的土；当Cu5或Cc3或Cc1时,为级配不良的土②.土粒的矿物成分粗粒土主要是原生矿物（石英、长石、云母等）的产物，一般碎石、砂都属于此类。细粒土主要是次生矿物的产物，主要是粘土矿物，包括三种类型高岭石、伊利石、蒙脱石。三种粘土矿物的亲水性依次减弱。粘土矿物:由硅氧四面体和铝氢氧八面体构成的晶胞所组合而成决定于母岩的矿物成分及风化作用硅氧四面体晶片的结构铝氢氧八面体晶片的结构粘土矿物的晶格构造高岭石蒙脱石伊利石粒径比表面积胀缩性渗透性强度压缩性大10-20m2/g小大大小中80-100m2/g中中中中小800m2/g大小小大二、土中水(液相)根据土体中水分子受到电场力的作用大小,土体中的液态水主要可以分为:结合水借助于电分子引力牢固吸附在土颗粒表面的水自由水电场引力作用范围之外的水重力水毛细水强结合水弱结合水液态水固态水气态水其含量及性质影响土的性质1、土中水分类2、水的性质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强结合水性质稳定强结合水位于强结合水之外，以水膜的形式包围着土粒外力作用下可以移动不因重力而移动，有粘滞性弱结合水固定层扩散层土中毛细现象毛细水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、彼此连通的毛细管重力水是位于地下水位以下的土空隙中，能在重力或压力作用下流动。其性质能传递静水压力并产生浮力。三、土中气体(气相)土体中的气体是指存于土体空隙中未被水占据的部分,存在形式有两种:自由气体:与大气相通,对土的性质影响不大封闭气体:与大气隔绝,增大土体的弹性和压缩性土体中气体§1.3土物理性质指标土的物理状态粗粒土的松密程度粘性土的软硬状态土的物理性质指标(三相间的比例关系)力学特性影响表示一.土的三相图水气土粒VaVwVsVvVWa=0=0个：e、n、ω、Sr、γ、ds、γd、γsat、γ/土的重度awswsVVVWWVWγ+++==土的密度γ=ρg工程上更常用于计算土的自重应力单位:kN/m3或g/cm3单位:kN/m3一般范围:16—22kN/m3定义:土单位体积的质量有时也称土的天然密度表达式:相关指标:三相草图有助于直观理解物性指标的概念各种密度容重之间的大小关系：dsatρρρ≥≥dsat土的重度干重度饱和重度VWγ=天然容重干容重VWγsd=ggddVVγWγvwssat+=gsatsat浮容重SWWsat饱和容重WaterAirSoilVaVwVsVvVWa=0土粒的密度，单位体积土粒的质量sssVWγ=单位:无量纲土粒比重一般范围:粘性土2.70—2.75砂土2.65—2.95wssswW1dV4˚C时纯蒸馏水的密度w=9.8kg/m3定义:土粒的密度与4˚C时纯蒸馏水的密度的比值表达式:土粒比重在数值上等于土粒的密度饱和度wrvVS100%V表达式:定义:土中水的体积与孔隙体积的比值,用百分数表示。饱和度表示孔隙中充满水的程度Sr=0:干土Sr=100%:饱和土土的含水量wsss定义:土中水的质量与土粒重量之比,用百分数表示注意:一般用含水量衡量黏性土潮湿程度。表达式:孔隙比孔隙率(孔隙度)svVVevVn100%V关系:e1enn1ne常用来反映土的密实程度定义:土中孔隙体积与固体颗粒体积之比,无量纲表达式:定义:土中孔隙体积与土的总体积之比,用百分数表示表达式:反映土的密度指标有五个：γγdγsatγ’ds反映土的湿度指标有两个：ωsr反映土的土的孔隙特征有两个：en土的天然重度γ三个指标最基本物理指标，可直接通过实验测定得出天然含水量ω土的相对密度ds注:以上9项物理性质指标，其中常用的物理性质指标间的换算关系换算步骤:①:假设Vs=1(V=1或ms=1),并画出三相草图;②:解出各相物质的质量和体积的换算指标;③:利用换算指标按基本定义列出所求的物理指标换算公式WaterAirSoil0VsVvVe11+e质量体积()ω+1•γ•d=W+W=Wω•γ•d=ω•W=W100×WW=ωγ•d=γ•d•V=Wγ1•VW=dwswswswwswwswssswsss所以得由式得由式%e+1=Ve=VVV=eVSV所以得由式已知关系五个:共有九个参数:VVvVsVaVω/WsWωWaW物性指标是比例关系:可假设任一参数为1对于饱和土,Va=0剩下两个独立变量eeedsγwωdsγwdsγw(1+ω)§1.4土的物理状态指标物理状态力学特性无黏性土密实度黏性土物理特性•例题分析【例1-1】某土样，重量为1.87N，体积为100cm3，烘干后，烘干土质量为1.67N。已知土粒的相对密度ds为2.66，试求：、ω、e、sr、d、sat和【解】%....%9811=671671871=100×WW=ωsω-363mkN8711010010871VWγ/..__=××==3dmkN716119801718ω1γγ/...=+=+=5930107181198016621γγω1deωs..).(.)(=×+=+=1--%....753593066211980edωSsr=×==3wsatmkN41010420γγγ/..===′一、无黏性土的密实度无粘性土的密实程度工程性质影响指具有单粒结构的碎石土与砂土，土粒之间无粘结力，呈松散状态定义:土密实结构稳定、强度高、压缩性低变形小土松散结构不稳定、强度低、压缩性高变形大如何评定无粘性土密实度?碎石土用触探锤击数Ｎ63.5砂土用相对密度