地基基础第一章土的物理性质及工程分类.pptx

第一章、土的物理性质及工程分类第一章、土的物理性质及工程分类第一章、土的物理性质及工程分类第一章、土的物理性质及工程分类 学习基本要求学习基本要求学习基本要求学习基本要求1 1了解土的成因和组成了解土的成因和组成2 2掌握土的物理性质指标掌握土的物理性质指标3 3熟练掌握无粘性土和粘性土的物理性质熟练掌握无粘性土和粘性土的物理性质4 4了解土的结构性和击实性了解土的结构性和击实性5 5掌握土的工程分类原则，土的类别与其工程特性的关系掌握土的工程分类原则，土的类别与其工程特性的关系 1 1.1 1 土的成因与组成土的成因与组成土的成因与组成土的成因与组成 一、一、土的成因土的成因 土是第四纪沉积物，是母岩风化后的产物。土是第四纪沉积物，是母岩风化后的产物。内力外力的地质作用下，原岩经风化、剥蚀、搬运、沉积，形成内力外力的地质作用下，原岩经风化、剥蚀、搬运、沉积，形成沉积岩，而第四纪所形成的沉积物，沉积历史不长未经胶结硬化沉积岩，而第四纪所形成的沉积物，沉积历史不长未经胶结硬化形成土。形成土。二、土的三相组成二、土的三相组成二、土的三相组成二、土的三相组成（一）（一）（一）（一）土的固体颗粒土的固体颗粒土的固体颗粒土的固体颗粒 固体颗粒构成土的骨架，大小、形状、矿物成分及组成情况固体颗粒构成土的骨架，大小、形状、矿物成分及组成情况决定土的物理力学性质。决定土的物理力学性质。1 1 1 1、土的矿物成分、土的矿物成分、土的矿物成分、土的矿物成分固固体体颗颗粒粒物物质质：无无机机矿矿物物颗颗粒粒（原原生生矿矿物物、次次生生物物矿矿）与与有有机质机质原生矿物原生矿物 矿物成分与母岩相同，形成粗粒土，如卵石、圆砾。矿物成分与母岩相同，形成粗粒土，如卵石、圆砾。特点：比表面积小、与水作用能力强。特点：比表面积小、与水作用能力强。比表面积比表面积：单位质量土颗粒所拥有的表面积：单位质量土颗粒所拥有的表面积 As=A/m直径直径0.1mm圆球，圆球，As=0.03m2/g高岭石：高岭石：1020m2/g；伊利石：；伊利石：80100；蒙脱石：；蒙脱石：800次生物矿次生物矿 包括：粘土矿物包括：粘土矿物 氧化物（三氧化二铝、三氧化二铁、次生二氧化硅）氧化物（三氧化二铝、三氧化二铁、次生二氧化硅）水溶性盐类（如碳酸盐）水溶性盐类（如碳酸盐）特点：颗粒小、片状、比表面积大、能发生一系列物理、特点：颗粒小、片状、比表面积大、能发生一系列物理、化学变化。化学变化。2.2.2.2.粘土矿物的结构特征粘土矿物的结构特征粘土矿物的结构特征粘土矿物的结构特征主要由两种原子构成（晶片）：硅氧晶片主要由两种原子构成（晶片）：硅氧晶片，铝氢氧晶片，铝氢氧晶片 硅氧晶片：1个硅离子+4个氧离子配位组成，由6个硅氧四面体组成一个硅体铝氢氧晶片：1个铝离子+6个氧或氢氧离子以相等的距离排列而成，4个铝氢氧八面体组成硅硅氧氧四四面面体体和和铝铝氢氢氧氧八八面面体体的的不不同同组组合合堆堆叠叠，形形成成了了具具有有不同性质的各种粘土矿物。不同性质的各种粘土矿物。蒙脱石：蒙脱石：2个硅片中间夹个硅片中间夹1个铝片所构成。晶胞的两个面个铝片所构成。晶胞的两个面都是氧原子，其间没有氢键，联结力很弱。水分子可以都是氧原子，其间没有氢键，联结力很弱。水分子可以进入晶胞之间，改变晶胞的距离。含有蒙脱石较多时，进入晶胞之间，改变晶胞的距离。含有蒙脱石较多时，土的可塑性和压缩性高，强度低、渗透性小，具有较大土的可塑性和压缩性高，强度低、渗透性小，具有较大的吸水膨胀和脱水收缩的特性。的吸水膨胀和脱水收缩的特性。伊利石伊利石：同蒙脱石蒙脱石，但硅氧四面体中Si+4可被AL+3、Fe+3取代，而在晶胞之间出现若干一价正离子。没有蒙脱石那样活动，其膨胀性和收缩性比蒙拖脱石小。高岭石高岭石：一层硅氧晶片和一层铝氢氧晶片组成的晶胞，晶胞之间具有较强的联结力，水分子不能进入，亲水性比伊利石小。3.3.3.3.土的颗粒分析土的颗粒分析土的颗粒分析土的颗粒分析 （1 1 1 1）粒组）粒组）粒组）粒组 工程上把粒径大小和性质相近的土粒划分为一组-粒组 划分方法：粒径（粒径（土粒大小）土粒大小）三大类：三大类：巨粒巨粒（d60mmd60mm）:粗粒(d200mm)、细粒（20060mm）漂石漂石/块石块石 卵石卵石/碎石碎石 透水性大、无粘性、无毛细水透水性大、无粘性、无毛细水粗粒粗粒（600.075mm600.075mm）：砾粒（：砾粒（602mm602mm）砂粒（砂粒（2020.0.075mm75mm）细粒细粒（0.0750.075粗粒土：筛分法 d 5 及Cc=13 级配良好不同时满足Cu 与Cc这两个要求，级配不良。Cu、Cc是描述土的渗透性的重要指标。（二）土中水和气（二）土中水和气*粘土颗粒表面带负电荷,*土的空隙中的水是极性分子，H+和O-2(氢原子、氧原子)静电引力强静电引力强,水分子牢牢吸水分子牢牢吸引引,固定层固定层.静电静电引力引力弱弱,扩扩散层散层双电层双电层引力范围外引力范围外,水分子自由水分子自由流动流动内层：土粒表面的负电荷内层：土粒表面的负电荷外层：被吸引到表面的阳离子和定向排列的极性水分子。外层：被吸引到表面的阳离子和定向排列的极性水分子。固定层：水分子处于较强的电场范围内，紧紧被吸引到土粒表面。固定层：水分子处于较强的电场范围内，紧紧被吸引到土粒表面。扩散层：引力较弱，水分子不太固定，可转移到相邻的颗粒的电场扩散层：引力较弱，水分子不太固定，可转移到相邻的颗粒的电场中，具有不太稳中，具有不太稳 定定,或扩散到相邻颗粒的扩散层中去。或扩散到相邻颗粒的扩散层中去。结合水：强结合水与弱结合水自由水：在电场引力范围外，水分子自由流动自由水。！扩散层的厚度：显然与土粒大小、矿物成分有关系，弱结合扩散层的厚度：显然与土粒大小、矿物成分有关系，弱结合水是土具有可塑性的原因。水是土具有可塑性的原因。土中水土中水：固态水：存在矿物晶格内部的水，矿物颗粒的部分 液态水：结合水：强结合水 弱结合水 自由水：（按受力方式）重力水：地下水位下 毛细水：受水与空气表面张力作用，存 在于地下水位面以上的土中水 毛细水毛细水 水沿着细小的空隙移动的现象-毛细现象。上升高度：与土粒粒度、成分有关。易发生毛细现象的土层：粉土、粉质粘土T表面张力地下水位面毛细水中的静水压力概念 地下水位下一定深度h的压力为在弯液面处毛细水的压力为 ，分析该处水膜受力的平衡条件。受力分析：表面张力和水压力，二者平衡结论结论：在毛细水区，静水压力为拉力，与上升高度成正比，比例系数为水的重度，与一定深度的水的压力相似。土力学中称为孔隙水压力（静水压力）土的冻胀性土的冻胀性机理：负温度，自由水冻结成冰机理：负温度，自由水冻结成冰晶体，弱结合水的最外层开始冻晶体，弱结合水的最外层开始冻结，冰晶体扩大，冰晶体周围土结，冰晶体扩大，冰晶体周围土粒的结合水膜变薄，土粒产生剩粒的结合水膜变薄，土粒产生剩余分子引力，其他水流过来参与余分子引力，其他水流过来参与冻结。冻结。发生冻结的条件发生冻结的条件 土的因素：细粒土中易发生，粉砂、粉土、粉质粘土最严重 水的因素：水源补充 温度（三）水中气体（气相）（三）水中气体（气相）土的气相是指充填在土的孔隙中的气体，包括与大气连通的和不连通的两类 自由气体：与大气相通 封闭气体：增加了土的弹性，阻塞渗流通道。第二节第二节第二节第二节 土的结构和构造土的结构和构造土的结构和构造土的结构和构造 结构结构：土的物质组成的空间排列方式及土粒联结特征的综合 包括：土粒单元的大小、形状、土粒分布情况，土粒之间吸引的情况。水中下沉过程中，由于表面吸力吸引，尚无下沉到最下面时被粘附到其它粒表面，形成不规则排列，具有很大空隙。而砂粒之间的粘结力很弱。三种基本结构：单粒结构：粗大颗粒 蜂蜜结构：粉粒(0.0750.005mm)絮凝结构：粘粒（d0.005mm）或胶粒(d0.002)土的结构：土的结构：受沉积条件的影响；受沉积后外界各种条件变化的影响。构造：同一层土中物质成分和颗粒大小都相近的各部分之间相互关系特征。反映地质作用的性质。层理构造：由外力地质作用生成裂隙性：造成土的不均匀性。第三节第三节第三节第三节 土的物理性质指标土的物理性质指标土的物理性质指标土的物理性质指标 一、三相组成三相组成三相组成三相组成三相组成直接影响土的工程性质 气气水水土粒土粒msmwmVsVwVVa质量质量m体积体积VVvma气气水水土粒土粒msmwmVsVwVVa质量质量m体积体积V1.1.土的密度土的密度(density)(density)：单位体积土的质量单位体积土的质量 密度单位：密度单位：g/cm3,t/m3天然状态下土的密度变化天然状态下土的密度变化范围很大，一般为范围很大，一般为1.6 2.2 g/cm3。测定方法：测定方法：通常用环刀法通常用环刀法(cutting-ring method)二、直接测定指标二、直接测定指标 重力加速度，重力加速度，近似取近似取10m/s2 单位：单位：kN/m3 水的重度10 kN/m3 ma工程中常用重度工程中常用重度(unit weight)来表示单位来表示单位体积体积土的重力土的重力 气气水水土粒土粒msmwmVsVwVVa质量质量m体积体积V2.土的含水量土的含水量(moisture content)w：土中水的质量与土中水的质量与土粒质量之比，以百分数表示土粒质量之比，以百分数表示土的含水量是标志土含水程度的一个重要物理指标。天土的含水量是标志土含水程度的一个重要物理指标。天然土层含水量变化范围较大，与土的种类、埋藏条件及然土层含水量变化范围较大，与土的种类、埋藏条件及其所处的自然地理环境等有关。其所处的自然地理环境等有关。测定方法：测定方法：通常用烘干法通常用烘干法(oven drying method)，亦，亦可近似用酒精燃烧法可近似用酒精燃烧法 ma气气水水土粒土粒msmwmVsVwVVa质量质量m体积体积V3.土粒相对密度土粒相对密度ds（土粒比重（土粒比重)(specific density of soil particles)：土粒质量与同体土粒质量与同体积的积的4时纯水的质量之比时纯水的质量之比 土粒相对密度变化范围不大：细粒土（粘性土）一般土粒相对密度变化范围不大：细粒土（粘性土）一般2.702.75；砂土一般为；砂土一般为2.65左右。土中有机质含量增加，土粒相对左右。土中有机质含量增加，土粒相对密度减小密度减小测定方法：测定方法：通常用比重瓶法通常用比重瓶法(pycnometric method)ma三、换算指标三、换算指标 气气水水土粒土粒msmwmVsVwVVVa质量质量m体积体积V1.1.孔隙比孔隙比e和孔隙率和孔隙率n孔隙比孔隙比(void ratio)(void ratio)e ：土土中孔隙体积与土粒体积之比中孔隙体积与土粒体积之比 孔隙率孔隙率(porosity)(porosity)n ：土中孔隙体积与总体积之土中孔隙体积与总体积之比，以百分数表示比，以百分数表示 e和和n n是反映土体密实度的重是反映土体密实度的重要指标；要指标；一般一般e e0.61.01.0的土是疏松的的土是疏松的ma2.土的饱和度土的饱和度(degree of saturation)Sr：土中孔隙土中孔隙水的体积与孔隙总体积之比，水的体积与孔隙总体积之比，以百分数表示以百分数表示饱和度描述土中孔隙被水充满的程度。干土饱和度描述土中孔隙被水充满的程度。干土Sr=0,饱和土饱和土Sr=100%。砂土根据饱和度分为三种状态。砂土根据饱和度分为三种状态:Sr50%稍湿；稍湿；50Sr80%很湿；很湿；Sr80%饱和饱和气气水水土粒土粒msmwmVsVwVVVa质量质量m体积体积Vma3.不同状态下土的密度和重度不同状态下土的密度和重度饱和密度饱和密度(saturation density)sat：土体中孔隙土体中孔隙完全被水充满时的土的密完全被水充满时的土的密度度 干密度干密度(dry density)d:单位体积中固体颗粒部分单位体积中固体颗粒部分的质量的质量 浮密度浮密度(buoyant density)：土单位体积内土粒质量与同体土单位体积内土粒质量与同体积水的质量之差积水的质量之差 土的三相比例指标中的质量密度指标共有土的三相比例指标中的质量密度指标共有4个，土的密度个，土的密度，饱和密度饱和密度sat，干密度，干密度d，浮密度，浮密度(t/m3),相应的重度指标相应的重度指标也有也有4个，土的重度个，土的重度(unit weight)，饱和重度，饱和重度 sat，干重度，干重度 d，浮重度，浮重度 (kN/m3)气气水水土粒土粒msmwmVsVwVVVa质量质量m体积体积Vma气气水水土粒土粒dsw Vs11+1+e质量质量m体积体积VVv=e wdsw ds（1w）w 0气气水水土粒土粒dsw Vs11+1+e质量质量m体积体积VVv=e wdsw ds（1w）w 0假定Vs=1四、指标间的换算四、指标间的换算也可假定V=1例例题题1 1:某干砂试样密度 ,土粒比重 ,置于雨中,若砂样体积不变,饱和度增至40%时,此砂样在雨中的含水量是多少?分析：干砂的密度等于其干密度分析：干砂的密度等于其干密度.根据定义根据定义,后来在雨中和干的时候相后来在雨中和干的时候相比，体积不变，土粒的质量无论如何是不变的，则雨中的砂的干密度比，体积不变，土粒的质量无论如何是不变的，则雨中的砂的干密度就等于原先干砂的干密度。就等于原先干砂的干密度。计算 w 由 得到孔隙比 由 求出 例题例题2:2:已知土样的已知土样的 ,土粒比重土粒比重 ,饱和度 ,在75 的土中,水的体积是多少?分析:已知：w,ds,Sr，确定水的体积.-路基工程中 首先想到饱和度求出即可求得Vw第四节第四节 土的物理状态指标土的物理状态指标 一、无粘性土的密实度一、无粘性土的密实度 研究无粘性土的密实度意义：密实:结构稳定、压缩性小、强度大 疏松：不稳定、对工程不利 要求：达到一定的密实度 判定密实度用e的特点：简单e：疏松.缺点：没有考虑颗粒大小、级配情况等 1、最密实：如图，乒乓球表示土粒，在最密实时，不均匀系数=1=1，假定假定 ，可计算出此时的孔隙比，可计算出此时的孔隙比e=0.35e=0.35 2、同样是理想的圆球，但其级配除最大的圆球外，还有比较小的，分布在其孔隙中。即不均匀系数 ，显然，这种砂最密实时的孔隙比e2mm含量超过全重50%的土：包括：漂石/块石、卵石/碎石、圆砾/角砾。碎石土的密实度一般用定性的方法由野外描述确定，卵石的密实度可按超重型动力触探的锤击数划分。2、砂土：是指粒径大于2 mm的颗粒含量不超过总质量的50且粒径大于0.075 mm的颗粒含量超过总质量的50的土。砂土可再划分为5个亚类，即砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂 3、粉土：指粒径大于0.075 mm的颗粒含量不超过总质量的50，且塑性指数 Ip 小于或等于10的土。粉土是介于砂土和粘性土之间的过渡性土类，它具有砂土和粘性土的某些特征。4、粘性土是指塑性指数大于10的土。根据塑性指数大小，粘性土可再划分为粉质粘土和粘土两个亚类，当 1017 时为粘土。5、人工填土 人类活动堆积的土，物质成分乱、均匀性差。素填土：不含或较少杂质。压实填土、由碎石、砂、粉、粘性土组成。杂填土：含有大量建筑垃圾、工业废料或生活垃圾的填土。冲填土：由水力冲填泥砂形成的填土。老填土:10年的粘土或5年的粉性填土。新填土：特殊土：具有一定分布区域，具有特殊成分、状态、结构特征的土。软土：包括淤泥、淤泥质粘性土、淤泥质粉土e大，w 高（e1,w wL）红粘土；云贵高原、棕红、褐黄色的高塑性粘土。wL 50上硬下软、明显胀缩、裂隙发育。黄土：含有大量碳酸盐类、大孔隙的黄色粉状土。大多与水有作用。（湿陷性）膨胀土：粘粒成分主要由亲水性矿物组成，具有较大的吸水 膨胀和失水收缩特性，多零星分布。多年冻土：保持含水固态水（冻）保持3年以上的土。