土力学与地基基础

土力学与地基基础昆明冶金高等专科学校冶矿学院地质教研室主讲人:王雅丽刘玉英第一章土的物理性质和工程分类第一节土的生成与基本特征第二节土的组成第三节土的三相比例指标及其计算第四节土的物理状态指标第五节土的压实原理第六节地基土的工程分类1.1土的生成与基本特征1.1.1土的概念土是地壳表层母岩风化后的产物，是各种矿物颗粒(土粒)的集合体，包括岩石经物理风化崩解而成的碎块以及经化学风化后形成的细粒物质，粗至巨砾，细至粘土，统称为土。1.1土的生成与基本特征1.1.2、土的成因土的形成要经历风化、剥蚀、搬运、沉积等作用过程。成土的过程错综复杂，根据地质成因的条件不同有以下几类土：（1）残积土（2）坡积土（3）洪积土（4）冲积土1.1土的生成与基本特征1.1.3、土的结构与构造1、土的结构土颗粒之间的相互排列和联结形式称为土的结构土的构造可分为以下三种类型：A.层理构造;B.分散构造;C.裂隙构造;1.1.3土的结构单粒结构蜂窝结构絮状结构1.1土的生成与基本特征2、土的构造土的构造可分为以下三种类型：A.层理构造;B.分散构造;C.裂隙构造;固体矿物颗粒（固相）土中气体（气相）土中水（液相）2.1土的组成1.2土的组成1.2.1、土的固体颗粒1．粒组的划分按《土的分类标准》（GBJ145-90）的规定，把土划分为6个粒组，即漂石（块石）组、卵石（碎石）组、砾粒组（包括粗砾、中砾、细砾）、砂粒组（包括粗砂、中砂、细砂）、粉粒组、粘粒组。各组的界限粒径分别为200mm、60mm、2mm、0.75mm、0.005mm。筛分法（d0.075mm的土）1.2土的组成2．土的颗粒级配土粒的大小及其组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量（各粒组占土粒总量的百分数）来表示，称为土的颗粒级配。土的颗粒级配是通过土的颗粒分析试验测定的。小于某粒径的试样质量占总质量的百分比，应按下式计算：XBAdmmX1.2土的组成式中：X-小于某粒径的试样质量占试样总质量的百分比（%）；mA-小于某粒径的试样质量（g）；mB-细筛分析时为所取的试样质量，粗筛分析时为试样总质量（g）；dx-粒径小于2mm的试样质量占试样总质量的百分比（%）。1.2土的组成（2）颗粒级配表达方式A.表格法;B.颗粒级配曲线(见图）曲线a、b分别表示两种土样的颗粒级配，级配曲线平缓，表示土中各种粒径的土粒都有，颗粒不均匀，级配良好；曲线陡峻，则表示土粒均匀，级配不良。级配良好的土较密实，级配不良的土密实性差。曲线b与a，哪个土样的级配土样好？。ab小于某粒径土粒重量的百分数（%）大于某粒径土粒重量的百分数（%）颗粒级配曲线图1.2土的组成（3）级配指标1）不均匀系数不均匀系数按下式计算：式中：Cu-不均匀系数；d60-限制粒径，颗粒级配曲线上的某粒径，小于该粒径的土含量占总质量的60%；d10-有效粒径，颗粒级配曲线上的某粒径，小于该粒径的土含量占总质量的10%。1060ddCu1060ddCu1060ddCu1060ddCu1-2土的组成不均匀系数越大，曲线越平缓土粒大小越不均匀。工程上把5的土视为均匀的土；10的土视为不均匀的土，即级配良好，这种土作为填方或垫层材料时，易获得较大的密实度。1.2土的组成2）曲率系数曲率系数按下式计算：曲率系数描写的是累积曲线的分布范围，反映曲线的整体形状。一般地，≥5，且=1～3的土称为级配良好的土。6010230dddCc1.2土的组成1.2.3土中水（1）结合水强结合水、弱结合水（2）自由水重力水、毛细水（3）气态水（4）固态水双电层结合水概念强结合水、弱结合水双电层概念1.2土的组成1.2.3土中的气体土中的气体存在于孔隙中未被水所占据的部分。可分为以下两类：1．自由气体:土孔隙中的气体与大气连通的部分为自由气体。对工程性质影响不大。2．封闭气体:细粒土中的气体与大气隔成绝封闭气泡，对工程性质影响较大。1.3土的物理性质指标1.3.1土的三相比例指标概述土的物理性质直接反映土的松密、软硬等物理状态，也间接反映土的工程性质。土的松密和软硬程度主要取决于土的三相各自在数量上所占的比例。三相指标的定义固相液相气相土颗粒土中水土中气土颗粒水气体smwmamvmmaVwVsVvVV0wm气体1.3土的物理性质指标1.3.2试验直接测的指标(基本指标)１．土的天然密度ρ，一般采用“环刀法”测定。２．土的含水量w，表示土湿度的一个重要指标。３．土粒相对密度（土粒比重）%100%100wssswmmmmmawswsVVVmmVmwswsssVmdsd1.3土的物理性质指标为了加深对土的物理性质指标(基本指标)的理解，掌握基本指标测定的方法，在学完相应的理论课程后，需安排以下实验：实验一含水量试验试验二、密度试验实验三、土粒比重测定具体内容与操作见：一、土的物理性质实验1.3.3换算指标饱和密度公式：ρsat＝(ms+Vv×ρw)/V土的浮密度（有效密度）公式：ρ’=ρsat-ρw土的孔隙比公式：e=Vv/Vs土的孔隙率公式：N=Vv/V×100％土的干密度公式：ρd=Ms/V土的饱和度公式：Sr=Vw/Vv×100％1.3.4、基本指标和其他指标的关系土的密度、含水量和土粒相对密度是直接用试验方法测定的，在工程技术中称为基本指标；其他的指标都可由这三个基本指标导出，故称为导出指标。土的rsat、rd、r’、n、e、sr等指标均可由基本指标求得。wsdvsvv1+e体积质量=e=1气水土粒ρwρdswsdρw(1+w)土的三相指标换算图根据图1．９，可由指标的定义得到下述计算公式：1)1(1wssssvdwmVVVVVewedVmwssd11eedVVmwswvssat1)(计算公式：edgVVmwswss1)1(ewdVVSsvwr【例1.1】一块原状土样，经试验测得土的天然密度，含水量，土粒相对密度ds=2.69。求孔隙比e、孔隙率n、饱和度sr、饱和重度rsat、干重度rd、浮重度r’。（水的重度rw=10kN/m3）【解】解题思路：这种已知一些试验指标，求其它换算指标的问题，是工程实践中及各种土力学测试中经常遇到的问题。对于此类问题，只要记住了各指标的定义式，会画三相指标换算图，各种问题都能迎刃而解。3/9.1mt%28w解题过程；812.019.1)28.01(69.21)1(wsdwe(%)8.44448.0812.01812.01een(%)8.92812.069.228.0ewdSsr（kN/m3）（kN/m3）（kN/m3）33.19)812.01(10)812.069.2(1)(eedwssat55.14)812.01(1069.21edwsd33.91033.19wsat1．4土的物理状态指标土的物理状态，对于粗粒土是指土的密实程度，对于细粒土则是指土的软硬程度或称为粘性土的稠度。1．4．1无粘性土的密实度土的密实度是指单位体积土中固体颗粒的含量。１．砂土的密实度（1）以孔隙比评定密实度孔隙比可以用来表示砂土的密实度。对于同一种土，当孔隙比小于某一限度时，土处于密实状态。孔隙比愈大，则土愈松散。。（2）以相对密度评定密实度为了较好地表明砂土的密实状态可采用将现场土的孔隙比与该种土所能达到最密实时的孔隙比和最疏松时的孔隙比相对比的方法来表示孔隙比为时土的密实度。这种度量密实度的指标称为相对密度Dr。e-砂土在天然状态下或某种控制状态下的孔隙比；emax-砂土在最疏松状态下的孔隙比，即最大孔隙比；emin-砂土在最密实状态下的孔隙比，即最小孔隙比。nianreeeeDmaxmax当Dr=0时，e=emax，表示土处于最疏松状态。Dr=1时，e=emin，表示土处于最密实状态。用相对密度判定砂土密实度的标准如下：0Dr≤0.33疏松0.33Dr≤0.67中密1≥Dr0.67密实(3)根据标准贯入试验锤击数N，可将砂土密实度划分为松散、稍密、中密、密实。1．4．2粘性土的稠度所谓粘性土，就是指具有可塑状态性质的土，在外力的作用下，可塑成任何形状而不发裂，当外力去掉后，仍可保持原形状不变。土的这种性质叫做可塑性。1．粘性土的稠度土软硬程度，称为稠度。稠度是指粘性土在某一含水量下，对外力引起的变形或破坏的抵抗能力，是粘性土最主要的物理状态特征，用坚硬、可塑和流塑等状态来描述。2．粘性土的界限含水量土的物理状态与含水量的关系ws：土由固态转为半固态的界限含水量称为缩限；wp；土由半固态转为可塑状态的界限含水量称为塑限；wL；土由可塑状态变化到流动状态的界限含水量称为液限。流动状态L固态半固态可塑状态wspww３．粘性土的塑性指数和液性指数（1）塑性指数液限与塑限的差值即为塑性指数Ip，Ip=wL-wp塑性指数能综合反映土的矿物成分和颗粒大小的影响，因此，塑性指数常作为工程上对粘性土进行分类的依据。（2）液限指数土的天然含水量与塑限的差值与塑性指数Ip之比即为液性指数IL，即：根据IL值的大小，可将粘性土的状态分为坚硬、硬塑、可塑、软塑、流塑五种。PPLIwwI1.5．土的压实原理实际工程中土的压实方法很多，但可以归纳为碾压、夯实和振动三类。大量工程实践经验表明，只有在适当的含水量范围内，才能使压实效果最好。在一定的压实功能下使土最容易压实，并能达到最大密实度时的含水量称为土的最优（或最佳）含水量，用Wop表示．相对应的干密度则称为最大干密度，以来表示Pdmax。１．5．击实试验击实试验是研究土的压实性能的室内试验方法。试验时，将同一种土配制成5~6份不同含水量的试样，用同样的压实功能分别对每一份试样进行击实[试验方法和试验仪器见《土工试验方法标准》（GB/T50123—1999）]，然后测定各试样击实后的含水量w和干密度pd，从而绘制关系曲线，即击实曲线。它具有如下特点：1、峰值2、击实曲线位于理论饱和曲线左侧3、击实曲线的形态1．5．2影响击实效果的因素影响击实效果最重要的因素是主要有：1．含水量的影响2．击实功能的影响（见图）3．不同土类和级配的影响击数N20151413181920N=1020191817166040302824212223262527S=100%r29w(%)dγ(kN/m?)击实功能对击实曲线的影响1．5．3压实特性在现场填土中的应用工地试验与普氏击实试验的比较用室内击实试验来模拟工地压实是可靠的。为了便于工地压实质量的控制，可采用压实系数图λ来表示：dd16.4222018161412w(%)S=100%γ(kN/m?)17.016.7cb17.617.3ddar1.6地基土的工程分类1．地基土的工程分类土（岩）工程分类就是根据工程实践经验和土（岩）的主要特征，根据工程的用途不同，不同的工程部门有自己的分类方法。下面介绍的是作为建筑物地基土（岩）的工程分类方法，把土划分为：岩石、碎石土、砂土、粉土、粘性土和人工填土。1）．岩石岩石根据成因可分为岩浆岩、沉积岩和变质岩。岩石根据坚硬程度划分为坚硬岩、较硬岩、较软岩、软岩和极软岩岩石按风化程度可划分为未风化、微风化、中风化、强风化和全风化。岩石完整程度按完整性指数划分为完整、较完整、较破碎、破碎和极破碎，岩石坚硬程度的划分表岩体完整程度划分表注：完整性指数为岩体纵波波速与岩块纵波波速之比的平方。选定岩体、岩块测定波速时应有代表性。rkfrkfrkfrkfrkf坚硬程度类别坚硬岩较硬岩较软岩软岩极软岩饱和单轴抗压强度