土力学与基础工程教案.docx

土力学与根底工程绪论一、土力学与根底工程的探讨对象土是在第四纪地质历史时期地壳表层母岩经受剧烈风化作用后所形成的大小不等的颗粒状积累物，是覆盖于地壳最外表的一种松散的或松软的物质。土是由固体颗粒、液体水和气体组成的一种三相体。土在地球外表分布极广，它与工程建立关系亲密。在工程建立中土被广泛用作各种建筑物的地基或材料，或构成建筑物四周的环境或护层。在土层上修建工业厂房、民用住宅、涵管、桥梁、码头等时，土是作为承受上述构造物荷载的地基；修筑土质堤坝、路基等时，土由被用作建筑材料，在我国的遥远和不兴旺地区，目前仍有大量的土木构造类型的农舍存在；土作为建筑环境和护层的状况，在工程地质学中已有阐述，此处不再赘述。总而言之，土的性质对于工程建立的质量、性状等，具有干脆而有重大的影响。受建筑物影响的那部分（承受建筑物荷载的地层）地层称为地基。地基又分为：自然地基、人工地基两类。土的性质极其困难。当地层条件较好、地基土的力学性能较好、能满意地基根底设计对地基的要求时，建筑物的根底被干脆设置在自然地层上，这样的地基被称为自然地基；而当地层条件较差，地基土强度指标较低，无法满意地基根底设计对地基的承载力和变形要求时，常须要对根底底面以下肯定深度范围内的地基土体进展加固或处理，这种部分经过人工改造的地基被称为人工地基。与地基接触并传递荷载给地基的构造物称为根底。根底的构造形式很多，详细设计时应当选择既能适应上部构造、符合建筑物运用要求，又能满意地基强度和变形要求，经济合理、技术可行的根底构造方案。根底底面到地面的间隔 称为根底埋深。根据埋深不同，根底分为浅根底和深根底两大类。通常把埋置深度不大（一般不超过5.0m）只需经过挖槽、排水等一般施工工序就可以建立起来的根底称为浅根底；而把埋置深度较大（一般不小于5.0）并须要借助于一些特殊的施工方法来完成的各种类型根底称之为深根底。地基和根底是建筑物的根基，又属于隐藏工程，它的勘察、设计和施工质量干脆关系着建筑物的安危。工程理论说明，建筑物的事故很多都与地基根底问题有关，而且一旦发生地基根底事故，往往后果严峻，补救特别困难，有些即使可以补救，其加固修复工程所需的费用也特别可观。二、 国内外土木工程事故举例综合分析可以得到，与地基根底有关的土木工程事故可主要概括为以下类型：地基产生整体剪切破坏、地基发生不匀称沉降、地基产生过量沉降以及地基土液化失效。 匀称沉降、地基产生过量沉降以及地基土液化失效，现分别举例如下：地基产生整体剪切破坏 巴西某十一层大厦。1955年始建的巴西某十一层大厦长25m，宽12m，支承在99根21m长的钢筋混凝土桩上。1958年大厦建成后，发觉其背后明显下沉。1月30日，该建筑物的沉降速度高达每小时4mm，晚8时许，大厦在20s内倒塌。后查明该大厦下有25m厚的沼泽土，图0-2 加拿大特朗斯康谷仓的地基事故而其下的桩长仅有21m，为深化其下的坚实土层，倒塌是由于地基产生整体剪切破坏所致。加拿大特朗斯康谷仓。图0-2是建于1914年的加拿大特朗斯康谷仓地基破坏状况。该谷仓由65个圆柱形筒仓构成，高31m，宽23.5m，其下为钢筋混凝土筏板根底，由于事前不理解根底下埋藏有厚达16m的软粘土层，谷仓建成后初次贮存谷物达27000t后，发觉谷仓明显下沉，结果谷仓西侧突然陷入土中7.3m，东侧上抬1.5m，仓身倾斜近27o。后查明谷仓根底底面单位面积压力超过300kPa，而地基中的软粘土层极限承载力才约250kPa，因此造成地基产生整体破坏并引发谷仓严峻倾斜。该谷仓由于整体刚度极大，因此虽倾斜极为严峻，但谷仓本身却完好无损。后于土仓根底之下做了七十多个支承于下部基岩上的混凝土墩，运用了388个50t千斤顶以及支撑系统才把仓体渐渐扶正，单其位置比原来降低了近4.0m。这是地基产生剪切破坏，建筑物丢失其稳定性的典型事故实例。地基产生不匀称沉降 意大利比萨斜塔（图0-3）。比萨斜塔建立，经验了三个时期：第一期，自1173年9月8日开工，至1178年，建至第4层，高度约29m时，因塔倾斜而停工。第二期，钟塔施工中断94年后，于1272年复工，至1278年，建完第7层，高48m，再次停工。第三期，经第二次施工中断82年后，于1360年再复工，至1370年开工，全塔共八层，高度为55m。目前塔北侧沉降一米多，南侧沉降近三米，塔顶偏离中心线约5.54m（倾斜约5.8o）。为使斜塔平安留存，后在国际范围内进展了招标，对斜塔进展了加固处理。我国名胜苏州虎丘塔。苏州虎丘塔建于959961年期间，为七级八角形砖塔，塔底直径13.66m，高47.5m，重63000kN塔建成后由于历经战火沧桑、风雨侵蚀，使塔体严峻损坏，为了使该名胜古迹平安留存，我国于19561957年期间对其进展了上部构造修缮，但修缮的结果使塔体重量增加了约2000 kN，同时加速了塔体的不匀称沉降，塔顶偏离中心线的间隔 由1957年的1. 7m开展到1978年的2.31m，并导致地层砌体产生部分破坏。后于1983年对该塔进展了根底托换，使其不匀称沉降得以限制。因地基 - 意大利比萨斜塔（图0-3） 产生不匀称沉降而导致根底断裂、上部构造破坏的事例数不胜数。地基产生过量沉降 广深铁路k2+150段线路。我国广深铁路k2+150段线路位于广州市，该路段地处山涧流水地带，淤泥覆盖层较厚，通车后路基不断下沉，1975年后，严峻地段每旬下沉量高达1216mm，其它地段每旬下沉量812mm不等，路基的下沉不仅增加了该段铁路的修理保养作业量，更严峻威逼着铁路列车的平安营运。该路段后采纳高压喷射注浆法进展了路基土加固处理。西安某住宅楼。西安某住宅楼位于西安市霸桥区，场地为级自重湿陷性黄土场地，建筑物长18.5m，宽14.5m，为六层点式砖混构造，根底采纳肋梁式钢筋混凝土根底，建筑物修建以前对地基未做任何处理，由于地下管沟积水，致使地基产生湿陷沉降，在沉降发生最为严峻的5天时间里，该建筑物的累计沉降量超过了300mm。后虽经对根底进展托换处理止住了建筑物的接着沉降，但过量沉降严峻影响了该建筑物的运用功能，在门厅处不仅形成了倒灌水现象，而且门洞高度严峻缺乏，人员出入极不便利。地基液化失效 日本新泻地震。日本新泻市于1964年6月16日发生了7.5级大地震，当地大面积的砂土地基由于在地震过程中产生振动液化现象而失去了承载实力，毁坏房屋近2890幢。唐山地震。1976年7月28日发生在我国唐山市的大地震是人类历史上造成损失最严峻的地震之一，震级7.8级，大量建筑物在地震中倒塌损毁，地基土的液化失效是其中的主要缘由之一，唐山矿冶学院图书馆书库因地基液化失效致使其第一层全部陷入地面以下。三、土力学与根底工程课程学习的内容土力学与根底工程分为两部分内容：（1）是关于地基根底设计与施工的学问，即根底工程学的内容；（2）是有关土的物理力学性质以及土的强度理论、浸透理论和变形理论的学问，即解决土力学各种课题的根本理论和试验探讨方法。土是由不同成因的岩石在风化作用（物理风化、化学风化和生物风化）后经重力、流水、冰川和风力等营力搬运、沉积而成的自然历史产物。建筑物的地基根底和上部构造虽然各自功能不同、探讨方法相异，但是无论从力学分析入手还是从经济观点动身，这三部分却是彼此联络、互相制约的有机统一体。目前，要把这三部分完全统一起来进展设计计算还特别困难，但从地基根底上部构造共同工作的概念动身，尽量全面考虑诸方面的因素，运用力学和构造设计方法进展根底工程计算将是土力学的主要探讨内容之一。土的工程性质指标包括物理性质指标和力学性质指标两类。（1） 物理性质指标用于定量描绘土的组成、土的干湿、疏密与软硬程度的指标；（2） 力学性质指标用于定量描绘土的变形规律、强度规律和浸透规律的指标土力学的内容包括土中的地下水的流网分析、土中应力计算、沉降计算、固结理论、地基承载力计算、土压力计算和土坡稳定分析等。土力学学科探讨和解决工程中两大类问题：南昌市市区地层状况大致为：南昌市赣江及其以东地区，地壳表层覆盖着第四系冲积地层，一般厚度为1225m，赣江沿岸和抚河支流之间属一级阶地，由第四系全新统填土层、淤泥、淤泥质土及松散稍密状态的细、中、粗、砾砂组成，桩根底侧阻力较小，城区的大部分地段属于二级阶地，由力学性质较好的第四系上更新统填土、粉质粘土、细、中、粗、砾砂及圆砾层等组成，具有明显的二元构造。下卧基岩为第三系古新统新余群紫红色泥质粉砂岩、细砂岩、灰色钙质泥岩，这几种岩石呈不等厚互层，形成巨厚的红层。四、本学科的开展概况地基根底是一项古老的建筑工程技术。早在史前的人类建筑活动中，地基根底作为一项工程技术就被应用，我国西安市半坡村新石器时代遗址中的土台和石础就是先祖们应用这一工程技术的见证。公元前2世纪修建的万里长城；始凿于春秋末期，后经隋、元等代扩建的京杭运输河；隋朝大业年间李春设计建立的河北赵州安济桥；我国著名的古代水利工程之一，战国时期李冰指导修建的都江堰；遍布于我国各地的巍巍高塔，雄伟壮美的供电、庙宇和寺院；著名遐迩的古埃及金字塔等，都是由于修建在坚固的地基根底之上才能逾千百年而留存于今。据报道，建于唐代的西安小雁塔其下为宏大的船形灰土根底，这使小雁塔经验数次大地震而留存于今。上述一切证明，人类在其建筑工程理论中积累了丰富的根底工程设计、施工阅历和学问，但是由于受到当时的消费理论规模和学问程度限制，在相当长的的历史时期内，地基根底仅作为一项建筑工程技术而停留在阅历积累和感性相识阶段。十八世纪欧洲产业革命以后，水利、道路以及城市建立工程中大型建筑物的兴建，提出了大量与土的力学性态有关的问题并积累了不少胜利阅历和工程事故教训。特殊是这些工程事故教训，使得原来按以往建立阅历来指导工程的做法已无法适应当时的工程建立开展。这就促使人们寻求对很多类似的工程问题的理论说明，并要求在大量理论根底上建立起肯定的理论来指导以后的工程理论。例如，十七世纪末期欧洲各国大规模的城堡建立推动了筑城学的开展并提出了墙后土压力问题，很多工程技术人员发表了多种墙后土压力的计算公式，为库仑（Coulomb,C.A.1773）提出著名的抗剪强度公式和土压力理论奠定了根底。十九世纪中叶开场，大规模的桥梁、铁路和马路建立推动了桩基和深根底的理论与施工方法的开展。路堑和路堤、运输河渠道边坡、水坝等的建立提出了土坡稳定性的分析问题。1857年英国人W.J.M朗肯（Rankine）又从不同途径提出了挡土墙的土压力理论。1885年法国学者J.布辛奈斯克（Boussinesq）求得了弹性半空间体在竖向集中力作用下的应力和位移解。1852年法国的H.达西（Darcy）创立了砂性土的渗流理论“达西定律”。1922年瑞典学者W.费兰纽斯（Fellenius）提出了一种土坡稳定的分析方法。这一时期的理论探讨为土力学开展成为一门独立学科奠定了根底。1925年美国人K.太沙基（Terzaghi）归纳了以往的理论探讨成果，发表了第一本土力学专著，又于1929年与其它学者一起发表了工程地质学。这些比拟系统完好的科学著作的出版，带动了各国学者对本学科各个方面的探讨和探究，从今土力学作为一门独立的科学而得到不断开展。我国著名学者黄文熙教授，陈宗基教授等也为土力学的开展做出了突出奉献。 第一章土的物理性质和工程分类第一节土的三相组成土”一词在不同的学科领域有其不同的涵义。就土木工程领域而言，土是指覆盖在地表的没有胶结和弱胶结的颗粒积累物。土与岩石的区分仅在于颗粒间胶结的强弱。 自然界的土是由岩石经风化、搬运、积累而形成的。包括无机矿物颗粒和有机质。1 物理风化指由于温度变更、水的冻胀、波浪冲击、地震等引起的物理力使岩体崩解、碎裂成岩块、岩屑的过程。物理风化仅使岩石产生量的变更。2 化学风化指岩体(或岩块、岩屑)与空气、水和各种水溶液相接触，经氧化、碳化和水化作用分解为极细颗粒的过程，生物的活动也可助长风化的进程。而化学风化却使岩石产生质的变更。土是由固体颗粒、水、气体三部分组成的三相组成。土土粒（固相）水（液相）空气（气相）1固相包括多种矿物成分组成土的骨架，骨架间的空隙为液相和气相填满，这些空隙是互相连通的，形成多孔介质。2液相主要是水(溶解有少量的可溶盐类)。3气相主要是空气、水蒸气，有时还有沼气等。分类标准名称来  源无机土有机土搬运力残积土运积土坡积土河流冲击土风积土洪积土冰川沉积土冰碛土湿陷土一、土的固相 1、土的矿物成分 土是岩石风化的产物。因此土粒的矿物组成将取决于成土母岩的矿物组成及其后的风化作用。成土矿物可分为两大类即原生矿物和次生矿物。土的固相部分包括无机矿物颗粒和有机质，主要是土粒，有时还有粒间胶结物和有机质，他们构成了土的骨架。原生矿物 由岩石经物理风化生成的颗粒通常是由一种或几种原生矿物所组成，它的成分与母岩的一样，常见的有石英、长石和云母等。 颗粒一般较粗，多呈浑圆形、块状或板状。 吸附水的实力弱，性质比拟稳，无塑性。 次生矿物 由原生矿物经化学风化生成的新矿物，它的成分与母岩的完全不同。次生矿物主要是粘土矿物，即高岭石、伊利石和蒙脱石。 颗粒极细，且多呈片状。 性质活泼，有较强的吸附水实力（尤其是由蒙脱石组成的颗粒），具塑性。遇水膨胀。 2、土的粒度成分自然土是由大小不同的颗粒组成，土粒的大小称为粒度。土是由大小不同的土粒组成的。土粒的粒径由粗到细渐渐变更时，土的性质相应地发生变更。例如土的性质随着粒径的变细可由无粘性变更到有粘性。 界限粒径划分粒组的分界尺寸。 土的颗粒级配土中各个粒组的相对含量(各粒组占土粒总重的百分数)。（本书称之为土的粒度成分） 得到的方法：1、筛分法，粒径mm 2、沉降法，比重计法和移液管法,粒径<mm土的颗粒级配（粒度成分）的表示方法：（1） 表格法（2） 累计曲线法颗粒级配累积曲线颗粒大小分析试验成果，由其横坐标（对数坐标）表示粒径。纵坐标则表示用小于(或大于)某粒径的土重含量(或称累计百分含量) 。 土粒质量累计百分数为10时，相应的粒径称为有效粒径d10。小于某粒径的土粒质量累计百分数为30时的粒径用d0表示。当小于某粒径的土粒质量累计百分数为60时，该粒径称为限定粒径d0。 利用颗粒级配累积曲线可以确定土粒的级配指标，如d0与d10的比值C称 不匀称系数： 曲率系数Cc： 不匀称系数C反映大小不同粒组的分布状况。C越大表示土粒大小的分布范围越大、其级配越良好，作为填方工程的土料时，则比拟简洁获得较大的密实度。曲率系数Cc描写累积曲线的分布范围，反映曲线的整体形态。的土称为匀粒土，级配不良；的土级配良好。级配良好 ：曲线平缓，粒径大小相差悬殊，土粒不匀称。颗粒级配可以在肯定程度上反映土的某些性质。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，因此土的密实度较好，相应的地基土的强度和稳定性也较好透水性和压缩性也较小，可用作堤坝或其它土建工程的填方土料。 （3）三角坐标法颗粒级配（粒度成分）分析方法（1）粗粒土采纳筛分法，（2）细粒土用沉降分析法3土粒的形态体积系数：土粒体积，土粒的最大粒径；形态系数：，分别为土粒的最大、中间、最小粒径二、土的液相 土中的水，土中水处于不同位置和温度条件下，可具有不同的物理状态固态（零度下的冰夹层等）、液态、气态。液态水是土中孔隙水的主要存在状态，因其受土粒外表双电层影响程度的不同可分为结合水、毛细水、重力水。后两者也称为非结合水（自由水）。根据水与土互相作用程度的强弱，可将土中水分为结合水和自由水。液态水是土中孔隙水的主要存在状态，因其受土粒外表双电层影响程度的不同可分为结合水、毛细水、重力水。后两者也称为非结合水（自由水）。 (一)结合水土颗粒外表带有肯定的电荷，当土粒与水相接触时，由于静电作用力，将吸引水化离子和水分子，形成双电层（土粒外表的负电荷，和其形成的电场中有钙、钠、铝等阳离子），在双电层影响下的水膜称为外表结合水。双电层的厚薄也反映了结合水的厚薄，结合水具有与一般自由水不同的性质，其密度较大、粘滞度高、流淌性差、冰点低、比热较大、介电常数较低。这种差异随间隔 增加而减弱。水的正电荷（氧离子）对着土，土的外表是负电荷。1强结合水特性接近固体，完全不能挪动；2. 弱结合水粘滞水膜，能发生变形，但不因重力而流淌（土产生塑性的缘由）（二)非结合水 在双电层影响以外的水为自由液态水，它主要受重力作用的限制，土粒外表吸引力居次要地位，这部分水称为非结合水，它包括毛细水和重力水。(1)毛细水 毛细水是受到水与空气交界面处外表张力作用的自由水。毛管现象是毛细管壁对水的吸力和水的外表张力共同作用的结果。毛细水按其与地下水面是否联络可分为毛细悬挂水(与地下水无干脆联络)和毛细水上升水（与地下水相连）两种。毛细水是受毛细管作用限制的水，可以把土的孔隙看作是连续变截面的毛细管，毛细管放在水中，管中的水位会上升到自由水位以上的肯定高度，毛管直径愈细上上升度愈高。毛细区域内的水压力与一般静水压力的概念一样，它与水头高度特别成正比。负号表示拉力。自由水位以下为压力，自由水位以上，毛细区域内为拉力。颗粒骨架承受水的反作用力，因此自由水位以下。上骨架受浮托力，减小颗粒间的压力。自由水位以上，毛细区域内，颗粒间受压力，毛细压力呈倒三角形分布。弯液面处最大，自由水面处为零。 (2)重力水 重力水是存在于地下水位以下的适水土层中的地下水。它是在重力或压力差作用下运动的自由水，对土粒有浮力作用。重力水只受重力限制，不受土粒外表吸引力的影响三、土的气相分为与大气连通的和不连通的两类。 吸附于土颗粒外表及溶于水的气体 与大气相通的气体可以排出 封闭性的气体不行以排出 存在有封闭气体的土，称为橡皮土，工程中决不允许含气体的土称为非饱和土。【校园现场视察土的特点】【现场提问答疑】【本次课总结】1土是由固体（土粒）、液体（水）和气体（空气）三相所组成；2粒径级配曲线的特点及用处；3常见土的构造及构造形式。【复习思索】1粘土颗粒外表哪一层水膜对土的工程性质影响最大，为什么？2为什么土的级配曲线用半对数坐标？【课后作业】第二节土的三相比例指标土的三相物质在体积和质量上的比例关系称为三相比例指标。所谓土的物理性质指标就是表示土中三相比例关系的一些物理量。  土的物理性质指标可以分为两类：1必需通过试验测定的，如含水率，密度和土粒比重 2可以根据试验测定的指标换算的，如孔隙比，孔隙率和饱和度等。（）-土粒质量()-土中水质量()-土的总质量-土粒体积-土中水体积-土中气体积-土中空隙体积V-土的总体积 一、试验指标（1）土的密度（自然密度）：自然状态下，单位体积土的质量，单位为或即：自然密度变更范围较大。一般粘性土；砂土；腐殖土。自然密度一般用"环刀法"测定，用一个圆环刀（刀口向下）放在削平的原状土样面上，缓缓削去环刀外围的土，边削边压，使保持自然状态的土样压满环刀内，称得环刀内土样质量，求得它与环刀容积之比值即为其密度。（2）土粒密度（比重）：干土粒质量与其体积之比，即：土粒相对密度：土粒质量与同体积的4时纯水的质量之比，一般用或表示，无量纲。即：式中土粒密度（）；纯水在4时的密度（单位体积的质量），等于1或者1。试验测定方法：比重瓶法事实上，土粒比重在数值上就等于土粒密度，但前者无因次。土粒比重确定于土的矿物成分，它的数值一般为2.62.8；有机质土为2.42.5。同一种类的土，其比重变更幅度很小。土粒比重可在试验室内用比重瓶测定。将置于比重瓶内的土样在105-110下烘干后冷却至室温用精细天平测其质量，用排水法测得土粒体积，并求得同体积4纯水的质量，土粒质量与其比值就是土粒比重。由于比重变更的幅度不大，通常可按阅历数值选用。土的名称砂土粉土粘质粉土粘性土粉质粘土 粘土土粒比重2.652.69 2.702.712.712.722.732.742.76（3）土的含水量：土中水的质量与土粒质量之比，一般用表示，以百分数计，即：含水量是反映土的湿度的一个重要物理指标。自然状态下土层的含水量称自然含水量，其变更范围很大，与土的种类、埋藏条件及其所处的自然地理环境等有关。一般干的粗砂土，其值接近于零，而饱和砂土，可达40%；坚硬的粘性土的含水量约小于30%，而饱和状态的软粘性土（如淤泥），则可达60%或更大。一般说来，同一类土，当其含水量增大时，强度就降低。土的含水量一般用"烘干法"测定。先称小块原状土样的湿土质量，然后置于烘干箱内维持100-105烘至恒重，再称干土质量，湿、干土质量之差与干土质量的比值，就是土的含水量。【课堂探讨】相对密度（比重）与自然密度（重度）的区分留意：从公式可以看出，对于同一种土，在不同的状态（重度、含水量）下，其比重不变； 土的含水量w土中水的质量与土粒质量之比，以百分数表示： 试验测定方法：烘干法【探讨】含水量能否超过100？从公式可以看出，含水量可以超出100。二、换算指标（1）土的干密度：土的固相质量与土的总体积之比（土单位体积中固体颗粒部分质量），即： 孔隙比；含水量。在工程上常把干密度作为评定土体密实程度的指标，以限制填土工程的施工质量。2、 土的饱和密度：土孔隙中充溢水时，单位体积质量，即： 式中为水的密度，近似等于。3、 土的有效重度：是扣除浮力以后的固相重力与土的总体积之比（又称为浮重度）有效密度：土体中土粒的质量扣除浮力后，即为单位体积中土粒的有效质量，即：4、土的孔隙比e：是土中孔隙体积与土粒（固相）体积之比，孔隙比用小数表示。即：-土粒比重，土的干密度土的自然密度，土的含水量；水的密度，近似等于。自然状态下土的孔隙比称为自然孔隙比，它是一个重要的物理性指标，可以用来评价自然土层的密度程度。一般的土是密实的低压缩性土，的土是疏松的高压缩性土。5、土的孔隙率：土中孔隙所占体积与总体积之比，空隙率用百分数表示。即： 一般粘性土的孔隙率为3060%，无粘性土为2545%。6、土的饱和度：土中被水充溢的孔隙体积与孔隙总体积之比，以百分率计，即： 土的干密度；水的密度，近似等于；含水量；孔隙率；孔隙比。饱和度可以反映土的干湿程度，砂土根据饱和度Sr的指标值分为稍湿、很湿与饱和三种湿度状态，其划分标准见下表： 砂土湿度状态稍湿很湿饱和饱和度Sr（%）Sr5050<Sr80Sr>80【探讨】孔隙比、孔隙率、饱和度能否超过1或100？三、指标间的互相换算已知：r（g），Gs或（相对密度），we，n，Sr，rsat（gsat），rd（gd），等的表达式。推导间接指标的关键在于：熟识各个指标的定义及其表达式，能娴熟利用土的三相简图。推导公式主要步骤：利用VS作为未知数，将土的三相图中的各相物质的质量用r（g），Gs或（相对密度），w和VS表示出来，填在图中；先将孔隙比e的表达式求出来，然后将其它指标用r（g）， Gs，w和e来表达。依上图，将m（1w）Gs Vsrw和V（1e）Vs代入中可得： 留意：此时e已是“已知”的指标。根据各间接指标的定义，利用三相简图可求得： 或 ， 或 或 【课堂思索】可否用其它简洁方法上述推导公式？如令Vs1。【课堂先自习例题后讲解】【例11】某土样经试验测得何种为1003，湿土质量为187g，烘干后，干土质量为167 g。若土粒的相对密度Gs为2.66，试求该土样的含水量g、密度r、重度g、干重度gd、孔隙比、饱和重度gsat和有效重度g。解题思路：利用定义先求w，r，g ，后根据公式求相关指标。【例21】某完全饱和粘性土的含水量为w=40%，土粒相对密度Gs =2.7，试按定义求土的孔隙比和填密度。解题思路：本题给出的条件是饱和土Sr100利用三相图求出各相的质量和体积用定义求出e和rd。 【现场提问答疑】【本次课小结】1各指标的定义；2利用三相图进展指标间的互相换算。【复习思索】1在土的三相比例指标中，哪些指标是干脆测定的？用何方法？2在三相比例指标中，哪些指标的数值可以大于1，哪些不行？【课后作业】第三节 土的构造土的构造是指土粒的大小、形态、互相排列及联结的特征。（1）单粒构造 以点点接触占优势，这是碎石土和砂土的构造特征。其特点是土粒间没有联结存在，或联结特别微弱，可以忽视不计。（2）片堆构造 （分散构造） 以面面接触为主，以粉粒为主的土的构造特征。（3）片架构造 （絮凝合构） 以点面接触为主，是粘土颗粒特有的构造。第四节 粘性土的界限含水量一、粘性土的状态与界限含水量粘性土由于含水量的不同，分为固态、半固态、可塑状态和流淌状态，这即是粘性土的稠度状态。各稠度状态间的临界含水量称界限含水量，界限含水量随粘粒含量和矿物成份的不同变更较大，也反映出工程地质性质的显著差异。因此界限含水量及界限含水量与自然含水量的关系，即塑性指数和液性指数，流淌状态可塑状态半固体状态固体状态土由半固态到可塑状态的界限含水量称为塑限，用表示，用"搓条法"测定。即用双手将自然湿度的土样搓成小圆球（球径小于10mm），放在毛玻璃板上再用手掌渐渐搓滚成小土条，用力匀称，搓到土条直径为3mm，出现裂纹，自然断开，这时土条的含水量就是塑限值。土由可塑状态到流淌状态的界限含水量称为液限，用表示，我国采纳锥式液限仪来测定。其工作过程是：将粘性土调成匀称的浓糊状，装满盛土杯，刮平杯口外表，将76克重圆锥体轻放在试样外表的中心，使其在自重作用下缓缓沉入试样，若圆锥体经5秒种恰好沉入10mm深度，这时杯内土样的含水量就是液限值。为了避开放锥时的人为晃动影响，可采纳电磁放锥的方法。留意：塑限、液限是一个含水量二、塑性指数塑性指数是指液限和塑限的差值（省去%号），即土处在可塑状态的含水量变更范围，用表示。明显，塑性指数愈大，土处于可塑状态的含水量范围也愈大。塑性指数的大小与土中结合水的可能含量有关，土中结合水的含量与土的颗粒组成、矿物组成以及土中水的离子成分和浓度等因素有关。由于塑性指数在肯定程度上综合反映了影响粘性土特征的各种重要因素，因此，在工程上常按塑性指数对粘性土进展分类。三、液性指数液性指数：粘性土的自然含水量和塑限的差值与塑性指数之比。用表示。即：从式中可见：当土的自然含水量小于时，小于0，自然土处于坚硬状态；当大于时，大于1，自然土处于流淌状态；当在与之间时，即在01之间，则自然土处于可塑状态。因此，可以利用液性指数来表示粘性土所处的软硬状态。值愈大，土质愈软；反之，土质愈硬。建筑地基根底设计标准（GBJ7-89）规定粘性土按液性指数值划分为：状态坚硬硬塑可塑软塑流塑液性指数IL 00<IL0.250.25< IL 0.750.75< IL 1.0IL >1.0【探讨】液性指数是否会出现IL>1.0和IL<0的状况？第五节 砂土的密实度土的密实度单位土体中固体颗粒的含量。无粘性土的密实度与其工程性质有着亲密关系。密实的无粘性土由于压缩性小，抗剪强度高，承载力大，可作为建筑物的良好地基。但如处于疏松状态，尤其是细砂和粉砂，其承载力就有可能很低，因为疏松的单粒构造是不稳定的，在外力作用下很简洁产生变形，且强度也低，很难作自然地基。如它位于地下水位以下，在动荷载作用下还有可能由于超静水压力的产生而发生液化。例如我国海城1975.2.4的7.3级地震，震中区以西25-60km的下辽河平原，发生剧烈砂土液化，大面积喷砂冒水，很多道路、桥梁、工业设施、民用建筑遭遇破坏。1976.7.28唐山的7.8级地震，也引起大区域的砂土液化。因此，凡工程中遇到无粘性土时，首先要留意的就是它的密实度。 密实度的评价方法有三种：1、 室内测试孔隙比确定相对密实度的方法2、 利用标准贯入试验等原位测试方法3、 野外观测方法一、相对密实度孔隙比：孔隙比愈大，则土愈松散。缺陷：取原状砂样和测定孔隙比存在实际困难，故在好用上也存在问题。没有考虑到颗粒级配这一重要因素对砂土密实状态的影响。最大孔隙比与自然孔隙比之差和最大孔隙比与最小孔隙比之差的比值，以表示。即： 最小孔隙比是最严密状态的孔隙比，用符号表示；用"振击法"测定。最大孔隙比是土处于最疏松状态时的孔隙比，用符号表示；用"松砂器法"测定。根据Dr值可把砂土的密实度状态划分为下列三种：1Dr>0.67 密实的0.67Dr>0.33 中密的0.33Dr>0 松散的相对密实度试验适用于透水性良好的无粘性土，如纯砂、纯砾等。一般状况很难保证砂土的原状构造，因此很难测得自然孔隙比e，工程中常用标准贯入击数N确定砂土的密实度。【探讨】相对密度是否会出现Dr>1.0和Dr<0的状况？优点：在理论上比孔隙比可以更合理确定土的密实状态。缺陷：测定e、emax与emin困难，通常多用于填方工程的质量限制中，对于自然土尚难以应用。【例】某砂土试样,通过试验测定土粒相对密度Gs=2.7,含水量w =9.43%,自然自然密度=1.66/3。已知砂样牌最密实状态时称得干砂质量ms1=1.62,牌最疏松状态时称得干砂质量ms2=1.45。试求此砂土的相对密度Dr,并推断砂土所处的密实状态。解题思路：先利用三个根本指标求出自然孔隙比e土最密实时有最大干密度rdmax和最小孔隙比emin，土最疏松时有最小干密度rdmin和最大孔隙比emax。利用公式rd和e求得emin与emax。利用相对密度的定义式求得其密实度。二、标准贯入试验标准贯入试验(SPT)是动力触探的一种，它利用肯定的锤击动能（锤重63.5±0.5kg，落距76±2cm），将肯定规格的对开管式的贯入器(对开管外径51±1mm、内径35±1mm，长度457mm；下端接长度76±1mm、刃角1820、刃口端部厚1.6mm的管靴；上端接一内外径与对开管一样的钻杆接头，长152mm)打入钻孔孔底的士中，根据打入土中的贯阻抗，判别土层的工程性质。贯入阻抗用贯入器贯入土中30cm的锤击数N表示，N也称为标贯击数。该试验的的应用主要有评定砂土的相对密度、评定地基土承载力、估算单桩承载力等。以下供应前两方面的阅历数据。优点：可现场测定土的密实度，得到广泛应用。【工程阅历】在工地现场要判别土料是否在最优含水量旁边时，可按下述方法：用手抓起一把土，握紧后松开，如土成团一点都不散开，说明土太潮湿；如土完全散开，说明土太枯燥；如土部分散开，中间部分成团，说明土料含水量在最优含水量旁边。第六节 粘性土的物理化学性质一、粘土颗粒的矿物成分、形态和比外表积 粘性土的性质与粗颗粒土很不一样，主要是因为矿物成分不同。粘土颗粒则主要由粘土矿物组成。如：高岭石、蒙脱石、伊利石。成分与含量不同形成了土的不同的工程性质。1、 高岭石：具有不活动的双层晶格构造，含高岭石的粘性土具有较好的工程性质。2、 蒙脱石：具有很大活动性的三层晶格构造，含蒙脱石的粘性土呈不良的工程性质。过大的粘着性和可塑性，剧烈的干缩与湿胀，水稳定性很差。3、 伊利石：是一种过渡性的矿物，其性质介是上面两者之间。二、粘性土的胶体性质1、 粘土颗粒的带电性粘土颗粒是带负电的2、 土中水的水化离子3、 双电层和结合水膜土粒外表的负电荷和反离子层合起来称为双电层。扩散层中的离子电荷与土粒外表电荷相反，则称之为反离子层。4、 胶溶和凝合是土粒间引力和斥力互相作用的结果。当引力与斥力互相平衡以后的净作用力为斥力时，互相排挤，处于胶溶状态。当净作用力为引力时，互相吸引，则产生凝合，形成絮状构造。三、粘性土胶体性质对工程性质的影响1、 土在形成过程中的胶体物理化学现象2、 对粘性土可塑性的影响3、 对土的触变性的影响4、 粘性土的胀缩性四、在工程理论中的应用1、 触变性质的利用。2、 离子交换性质的利用。3、 电渗、电泳规律的利用。4、 路基冻胀的机理分析。第七节 土的工程分类地基土的分类是根据不同的原则将其划分为肯定的类别，同一类别的土在工程地质性质上应比拟接近。土的合理分类具有很大的实际意义，例如根据分类名称可以大致推断土的工程特性、评价土作为建筑材料的相宜性及结合其他指标来确定地基的承载力等。作为建筑场地和地基的土的分类一般可按下列原则进展：1、 根据地质成因可分为残积土、坡积土、洪积土、冲积土、风积土等。2、 根据颗粒级配或塑性指数可分为碎石土、砂土、粉土和粘性土。3、 根据土的工程特性的特殊性质可分为一般土和特殊土。一、无粘性土：一般指碎石土和砂土。碎石土是粒径大于2mm的颗粒含量超过全重的50%的土。碎石土根据粒组含量及形态按下表分类。土的名称颗粒形态 颗粒级配 漂石块石圆形及亚圆形为主棱角形为主粒径大于200mm的颗粒超过全重50%卵石碎石圆形及亚圆形为主棱角形为主粒径大于20mm的颗粒超过全重50%圆砾角砾圆形及亚圆形为主棱角形为主粒径大于2mm的颗粒超过全重50%砂土是指粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50%、粒径大于0.075mm的颗粒超过全重50%的土。砂土按粒组含量分类如下表。 土的名称颗粒级配砾砂粒径大于2mm的颗粒占全重25-50%粗砂粒径大于0.5mm的颗粒超过全重50