土力学与地基基础(第一章土物理性质与工程分类).ppt

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1、土力学与地基基础(第一章土物理性质与工程分类)第一页，共49页。 1.1 土的形成与特性土的形成一、土的形成一、土的形成风化搬运堆积第二页，共49页。二、土的结构与构造二、土的结构与构造土的结构：土粒单元的大小、形状、相互排列及其联结关系等因素形成的综合特征。（a）（b）单粒结构、（c）蜂窝结构第三页，共49页。絮状结构第四页，共49页。土的构造：在同一土层中的物质成分和颗粒大小等都相近的各部分之间的相互关系的特征土的构造最主要特征就是成层性，即土的构造最主要特征就是成层性，即层理构造层理构造( (右图右图) )；另一；另一特征是土的裂隙性（特征是土的裂隙性（裂隙构造裂隙构造）；还有土中有无包

2、裹物（如腐）；还有土中有无包裹物（如腐殖物、贝壳、结核体等）（殖物、贝壳、结核体等）（核状构造核状构造）以及天然或人为的）以及天然或人为的孔洞存在；以及孔洞存在；以及分散构造分散构造。这些构造特征都造成土的。这些构造特征都造成土的不均匀不均匀性性。土的层理构造土的层理构造 1 1淤泥夹粘土透镜体；淤泥夹粘土透镜体； 2 2一粘土尖灭层一粘土尖灭层 3 3一砂土夹粘土层；一砂土夹粘土层； 4 4一砾石层；一砾石层； 5 5一基岩一基岩第五页，共49页。三、土的特性三、土的特性多孔性三相性复杂性易变性第六页，共49页。 1.2 土的三相组成图图1.2 1.2 土的三相组成示意图土的三相组成示意图土

3、的三相土的三相水（液态、固态）水（液态、固态）气体（包括水气）气体（包括水气）固体颗粒（骨架）固体颗粒（骨架）第七页，共49页。一、土的固体颗粒一、土的固体颗粒（简称土粒）第八页，共49页。第九页，共49页。 颗粒分析试验：颗粒分析试验：确定土中各个粒组相对含量的方法。确定土中各个粒组相对含量的方法。 试验方法：试验方法： 筛分法。筛分法。适用于粒径大于适用于粒径大于0.075mm0.075mm的粗粒土。的粗粒土。用一套标准筛（筛用一套标准筛（筛子孔径分别为子孔径分别为6060、4040、2020、1010、5 5、2 2、1 1、0.50.5、0.250.25、0.10.1、0.075mm0

4、.075mm），将分散了的有代表性的试样倒入标准筛内摇振，然后分别称），将分散了的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。颗粒级配。 沉降分析法。沉降分析法。适用于粒径小于适用于粒径小于0.075mm0.075mm的细粒土的细粒土具体有密度计法（也称比重计法）和移液管法（也称吸管法）。具体有密度计法（也称比重计法）和移液管法（也称吸管法）。 颗粒分析试验颗粒分析试验第十页，共49页。土的颗粒级配曲线第十一页，共49页。二、土中的水二、土中的水u固态水又称矿物内部结晶水或内

5、部结合水，是指存在于土颗粒矿物的晶体格架内部或是参与矿物构造的水。u结合水指受电分子吸引力作用吸附于土粒表面的土中水。这种电分子吸引力高达几千到几万个大气压，使水分子和土粒表面牢固地粘结在一起。结合水分为强结合水和弱结合水两种。u自由水存在于土粒表面电场影响范围以外的土中水。它的性质与普通水一样，能够传递静水压力，冰点为0，有溶解盐类的能力。 自由水按所受作用力的不同，又可分为重力水和毛细水两种。第十二页，共49页。土中水土中水液态水液态水自由水自由水结合水结合水气态水气态水强结合水强结合水弱结合水弱结合水固态水固态水( (内部结晶水、结合水内部结晶水、结合水) )重力水重力水毛细水毛细水第十

6、三页，共49页。三、土中的气体三、土中的气体密闭性第十四页，共49页。土的物理状态土的物理状态粗粒土的松密程度粗粒土的松密程度黏性黏性土的软硬状态土的软硬状态土的物理性质指标土的物理性质指标( (三相间的比例关系三相间的比例关系) )表表示示影响影响力学特性力学特性第十五页，共49页。土的三个组成相的体积和质土的三个组成相的体积和质量上的比例关系量上的比例关系密实程密实程度度干湿程干湿程度度 特点特点: : 指标概念简单，数量很多指标概念简单，数量很多 要点：要点： 名称、概念或定义、符号、表达式、名称、概念或定义、符号、表达式、 单位单位或量纲、常见值或范围、联系与区别或量纲、常见值或范围、

7、联系与区别 基本方法基本方法:定义定义三相草图法三相草图法第十六页，共49页。 1.3 土的物理性质指标空气空气 Air三三 相相 草草 图图水水 Water固体固体 Solidma=0mwmsm质量质量VaVwVsVvV体积体积第十七页，共49页。 定义：土单位体积的质量定义：土单位体积的质量 表达式：表达式： 单单 位位: kg/m3 或或 g/cm3 一般范围一般范围: 1.602.20 g/cm3awswsVVVmmVm n 土的密度土的密度 相关指标相关指标: : 土的重度土的重度 = g 单位单位: kN/m3 工程上更常用工程上更常用, 用于计算土的用于计算土的自重应力自重应力基

8、本试验指标基本试验指标-土的密度土的密度第十八页，共49页。基本试验指标基本试验指标 - 含水量含水量 定义：土中水的质量与土粒质定义：土中水的质量与土粒质 量之比，用百分数表示量之比，用百分数表示 表达式：表达式： 单单 位位: 无量纲无量纲 一般范围：变化范围大一般范围：变化范围大ssswmmmmm(%)w 注意注意: : 其实是含水比其实是含水比, ,可达到或超过可达到或超过100100n 土的含水量土的含水量W第十九页，共49页。 定义：土粒的密度与定义：土粒的密度与4C时时纯蒸馏水密度的比值纯蒸馏水密度的比值 表达式：表达式： 单单 位位: 无量纲无量纲 一般范围：黏性土一般范围：黏

9、性土 2.702.75， 砂土砂土 2.65Cwsssmd4C4ws)(Vn 土粒比重土粒比重Ds基本试验指标基本试验指标-土粒比重土粒比重C4w =1.0 g/cm3土粒相对密度在数值上等土粒相对密度在数值上等于土粒的密度于土粒的密度第二十页，共49页。表示土体密度表示土体密度和和重度的重度的指标指标n 干密度：干密度：土被烘干时的密度，土被烘干时的密度， 干重度：干重度：gddV/msdn 天然密度天然密度 天然重度天然重度awswsVVVmmVm gn 饱和密度：饱和密度：土被饱和时的密度，土被饱和时的密度， 饱和重度：饱和重度：VVmvwssat gsatsat wsat n 浮重度：

10、浮重度：静水下的有静水下的有效容重效容重浮密度浮密度第二十一页，共49页。各种各种密度、重度密度、重度 间间的大小关系的大小关系dsat dsatn 天然密度天然密度n 干密度干密度n 饱和密度饱和密度VmmVmwsVVmvwssat V/msdn 天然重度天然重度n 干重度干重度n 饱和重度饱和重度n 浮重度浮重度gdd g gsatsat wsat 第二十二页，共49页。n 可表示同一种土的松密，二者之间存在关系：可表示同一种土的松密，二者之间存在关系：表示土中孔隙含表示土中孔隙含量的指标量的指标e1en n1ne 砂类土：砂类土：28-35%黏性黏性土：土：30-50%，有的可达，有的可

11、达60-70%svV/Ve n 孔隙比孔隙比e：土中孔隙体积与固体土中孔隙体积与固体颗粒体积之比颗粒体积之比, 为无量纲为无量纲V/V(%)nvn 孔隙率孔隙率(孔隙度孔隙度)n：土中孔隙体土中孔隙体积与总体积之比积与总体积之比, 用百分数表示用百分数表示可用三相草图推出可用三相草图推出第二十三页，共49页。表示土中含水程表示土中含水程度的指标度的指标对干土：对干土：Sr=0对饱和土：对饱和土：Sr=1 swmm(%)wn 含水量：含水量：vwrVVS n 饱和度：饱和度：土中水的体积与孔土中水的体积与孔隙体积的比值隙体积的比值饱和度表示孔隙中充满水的程度：饱和度表示孔隙中充满水的程度：第二十

12、四页，共49页。常用的物理性质指标间的换算关系：常用的物理性质指标间的换算关系：教科书教科书 P18 P18 表表1.31.3学习要点：学习要点： 从物理意义上理解指标间的关系从物理意义上理解指标间的关系 不鼓励死记硬背不鼓励死记硬背 必要时利用三相草图推导必要时利用三相草图推导第二十五页，共49页。土的三个组成相的体积和质量土的三个组成相的体积和质量上的比例关系上的比例关系定义定义三相草图法三相草图法室内测定三个基本室内测定三个基本物理性质指标：物理性质指标：土的密度土的密度 土粒比重土粒比重土的含水量土的含水量其它物理性质指标其它物理性质指标孔隙含量孔隙含量含水程度含水程度密度和容重密度和

13、容重 特点特点: 指标概念简单，数量很多指标概念简单，数量很多 要点：名称、概念或定义、符号、表达式、要点：名称、概念或定义、符号、表达式、单位或量纲、常见值或范围、联系与区别单位或量纲、常见值或范围、联系与区别密实程度密实程度干湿程度干湿程度 第二十六页，共49页。土的物理状态土的物理状态粗粒土的松密程度粗粒土的松密程度粘性土的软硬状态粘性土的软硬状态土的物理性质指标土的物理性质指标( (三相间的比例关系三相间的比例关系) )表表示示影响影响力学特性力学特性密实度密实度稠度稠度第二十七页，共49页。 1.4 土的物理状态指标粗粒土的密实状态粗粒土的密实状态n 密实度：密实度：通常指单位体积中

14、固体颗粒含量的多少通常指单位体积中固体颗粒含量的多少简单方便，但只能用于同一种土，简单方便，但只能用于同一种土，不能反映级配的影响不能反映级配的影响 l 物理性质指标物理性质指标：孔隙比：孔隙比e e（孔隙率（孔隙率n n） 干密度干密度 d demin = 0.35emin = 0.20minmaxmaxreeeeD l 相对密度相对密度：e emaxmax与与e emin min ：最大与最小孔隙比：最大与最小孔隙比第二十八页，共49页。F最大孔隙比最大孔隙比e emaxmax: : 将松散的风干土样通过长颈漏斗轻将松散的风干土样通过长颈漏斗轻轻地倒入容器，避免重力冲击，求得土的最小干密度

15、轻地倒入容器，避免重力冲击，求得土的最小干密度再经换算得到最大孔隙比再经换算得到最大孔隙比F最小孔隙比最小孔隙比emin : 将松散的风干土样装入金属容器将松散的风干土样装入金属容器内，按规定方法振动和锤击，直至密度不再提内，按规定方法振动和锤击，直至密度不再提高，求得土的最大干密度再经换算得到最小孔高，求得土的最大干密度再经换算得到最小孔隙比隙比理论上的最大与最小孔隙比在室内理论上的最大与最小孔隙比在室内的测定有时很困难的测定有时很困难粗粒土的最大与最小孔隙比粗粒土的最大与最小孔隙比第二十九页，共49页。l 相对密度相对密度minmaxmaxreeeeD dmindmaxdmaxdmindd

16、r)()(D 粗粒土的相对密度粗粒土的相对密度l 粗粒土的密实粗粒土的密实度标准度标准 Dr = 0 最松状态最松状态 Dr 1/3疏松状态疏松状态1/3 2/3密实状态密实状态 Dr = 1最密状态最密状态l 相对密度指标主要用于人工填土，对天然砂土相对密度指标主要用于人工填土，对天然砂土层采用层采用原位标准贯入试验原位标准贯入试验法测定法测定l 碎石土密实度鉴别方法（见表碎石土密实度鉴别方法（见表1.4）第三十页，共49页。n 黏性土最主要的物理状态特征是它的黏性土最主要的物理状态特征是它的稠度稠度，稠度是指土的软，稠度是指土的软硬程度或土对外力引起变形或破坏的抵抗能力硬程度或土对外力引起

17、变形或破坏的抵抗能力稠度状态与含水量有关稠度状态与含水量有关黏黏性性土土含水量含水量较硬较硬变软变软流动流动黏黏性性土的稠度状态土的稠度状态第三十一页，共49页。塑限塑限w wp p液限液限w wl l黏性土的稠度反映土中水的形态黏性土的稠度反映土中水的形态固态或固态或半固态半固态可塑状态可塑状态 流动状态流动状态 强结合水强结合水弱结合水弱结合水自由水自由水w w土颗粒土颗粒强结合水强结合水弱结合水弱结合水土颗粒土颗粒强结合水强结合水土颗粒土颗粒自由水自由水弱结合水弱结合水强结合水强结合水强结合水膜最大强结合水膜最大出现相当数量自由水出现相当数量自由水黏黏性性土的稠度状态土的稠度状态稠度界限

18、（界稠度界限（界限含水量）限含水量）稠度状态稠度状态含水量含水量土中水的形态土中水的形态示意图示意图第三十二页，共49页。pLpLwwwwI 液性指数：液性指数：wpwwl IL 0 坚硬坚硬(半固态半固态) 0IL 0.25硬塑硬塑0.25 IL 0.75可塑可塑 0.75 1流塑流塑土的稠度状态土的稠度状态液性指数液性指数不同黏性土不同黏性土，wp、wl 大小不同。对于不同的黏土，大小不同。对于不同的黏土，含水量相同，稠度可能不同含水量相同，稠度可能不同F液性指数液性指数是表征土的含水量与分界含水量之间相是表征土的含水量与分界含水量之间相对关系的指标。对重塑土较为合适。对关系的指标。对重塑

19、土较为合适。第三十三页，共49页。pLpwwI 土的稠度状态土的稠度状态塑性指数塑性指数n 问题：反映的是全部土颗粒吸附结和合的能力，不能充分问题：反映的是全部土颗粒吸附结和合的能力，不能充分反映反映黏黏土矿物表面活性的高低土矿物表面活性的高低 n 活性指数：活性指数：002. 0ppIA 粒径小于粒径小于0.002mm0.002mm颗粒的质量占总土颗粒的质量占总土总质量的百分比总质量的百分比A 1.25活性活性黏黏土土n 定义：定义：大体上表示土的大体上表示土的弱结合水含量弱结合水含量 反映吸附结合水的反映吸附结合水的能力能力，即黏性即黏性大小大小 大致反映黏土颗粒含量大致反映黏土颗粒含量

20、常作为细粒土工程分类的依据常作为细粒土工程分类的依据第三十四页，共49页。pLpLwwwwI F 粗粒土的密实状态指标粗粒土的密实状态指标: : 相对密度相对密度D Dr r F 细粒土的稠度状态指标细粒土的稠度状态指标: : 液性指数液性指数I IL L 定义定义 判别标准判别标准 界限含水量界限含水量 w wP P、w wL L 土中水形态土中水形态 塑性指数塑性指数 I Ip p 吸附结合水的能力吸附结合水的能力minmaxmaxreeeeD 定义定义 判别标准判别标准小小 结结第三十五页，共49页。反映黏性反映黏性土结构性的指标土结构性的指标 灵敏度灵敏度 触变性触变性S St t1

21、11-21-22-42-44-84-88-168-161616黏黏性土性土不灵敏不灵敏低灵敏低灵敏中等灵敏中等灵敏灵敏灵敏很灵敏很灵敏流动流动 3=0相同含水相同含水量、密度量、密度 ququ原状土原状土重塑土重塑土灵敏度灵敏度St：原状土的无侧限抗压强度原状土的无侧限抗压强度qu和重塑土的无侧限抗压强度和重塑土的无侧限抗压强度qu之比之比第三十六页，共49页。含水量不变，密度不变，因重塑而强度降低，又因含水量不变，密度不变，因重塑而强度降低，又因静置而逐渐强化，强度逐渐恢复的现象，称为静置而逐渐强化，强度逐渐恢复的现象，称为触变触变性性。反映黏性反映黏性土结构性的指标土结构性的指标土的触变性

22、是土结构中联结形态发生变化引起土的触变性是土结构中联结形态发生变化引起的，是土结构随时间变化的宏观表现。的，是土结构随时间变化的宏观表现。目前尚没有合理的描述土触变性的方法和指标。目前尚没有合理的描述土触变性的方法和指标。 灵敏度灵敏度 触变性触变性第三十七页，共49页。 1.5 土的工程分类土的组成土的组成土的状态土的状态土的结构土的结构建筑地基基础设计规范建筑地基基础设计规范- GB50007-2002- GB50007-2002分类法分类法 水利部水利部SL237-1999SL237-1999分类法分类法土的工程分类土的工程分类F 目的：目的： 便于调查研究；便于调查研究； 便于分析评价

23、；便于分析评价； 便于交流便于交流 ( (基于共同的概念基于共同的概念) )F 依据：最能反映土的物理力学性质的指标依据：最能反映土的物理力学性质的指标F 要求：要有一定的逻辑性、系统性，要求：要有一定的逻辑性、系统性， 纲目分明，简单易记，便于运用纲目分明，简单易记，便于运用第三十八页，共49页。岩石岩石碎石土碎石土砂土砂土粉土粉土黏性土黏性土人工填土人工填土土漂石漂石块石块石圆形及亚圆形为主圆形及亚圆形为主棱角形为主棱角形为主粒径大于粒径大于200mm200mm的颗的颗粒超过全质量粒超过全质量50%50%卵石卵石碎石碎石圆形及亚圆形为主圆形及亚圆形为主棱角形为主棱角形为主圆形及亚圆形为主圆

24、形及亚圆形为主棱角形为主棱角形为主圆砾圆砾角砾角砾粒径大于粒径大于20mm20mm的颗的颗粒超过全质量粒超过全质量50%50%粒径大于粒径大于2mm2mm的颗的颗粒超过全质量粒超过全质量50%50%名称名称 颗粒形状颗粒形状 粒组含量粒组含量建筑场地基基础规范建筑场地基基础规范GB50007-2002GB50007-2002第三十九页，共49页。土的名称土的名称 粒组含量粒组含量粒径大于粒径大于2mm2mm的颗粒占全的颗粒占全质量质量25 - 50%25 - 50%砾砂砾砂粗砂粗砂中砂中砂细砂细砂粉砂粉砂粒径大于粒径大于0.5mm0.5mm的颗粒超的颗粒超过全质量过全质量50%50%粒径大于粒

25、径大于0.25mm0.25mm的颗粒超的颗粒超过全质量过全质量50%50%粒径大于粒径大于0.075mm0.075mm的颗的颗粒超过全质量粒超过全质量85%85%粒径大于粒径大于0.075mm0.075mm的颗粒的颗粒超过全质量超过全质量50%50%建筑场地基基础规范建筑场地基基础规范GB50007-2002GB50007-2002岩石岩石碎石土碎石土砂土砂土粉土粉土黏性黏性土土人工填土人工填土第四十页，共49页。岩石岩石碎石土碎石土砂土砂土粉土粉土黏性土黏性土人工填土人工填土土n黏性黏性土：土：塑性指数塑性指数Ip10的土的土 粉质黏土粉质黏土：10I1017的土的土 非非活性活性黏黏土：土

26、： A 1.25n 粉土：粉土：粒径大于粒径大于0.075mm的颗粒含量小于全质量的颗粒含量小于全质量50%而塑性指数而塑性指数Ip 10的土的土建筑场地基基础规范建筑场地基基础规范GB50007-2002GB50007-2002第四十一页，共49页。水利部水利部SL237-1999SL237-1999分类法分类法 土颗粒组成及其特性土颗粒组成及其特性 塑性指标：液限、塑限、塑性指数塑性指标：液限、塑限、塑性指数 有机质含量有机质含量n 土的分类土的分类 巨粒土和含巨粒土巨粒土和含巨粒土 粗粒土：粗粒土：砾类土、砂类土砾类土、砂类土 细粒土：根据塑性图分类细粒土：根据塑性图分类 特殊土：特殊土

27、： 黄土、膨胀土、黄土、膨胀土、红黏土红黏土n 分类依据：分类依据：第四十二页，共49页。土土 的的 形形 成成土土岩石岩石风化、搬运、沉积风化、搬运、沉积地质成岩作用地质成岩作用土的组成、结构土的组成、结构和物理力学性质和物理力学性质过程、条件过程、条件总结总结第四十三页，共49页。总结总结土体有三个组成部分：固相、液相和气相土体有三个组成部分：固相、液相和气相土的三相组成土的三相组成F固体颗粒固体颗粒F土中水土中水F土中气体土中气体粒径级配粒径级配矿物成分矿物成分颗粒形状颗粒形状结合水结合水 ：强结合水、弱结合水：强结合水、弱结合水 自由水自由水 ：重力水、毛细水：重力水、毛细水自由气体自

28、由气体封闭气体封闭气体第四十四页，共49页。总结总结物理性质指标物理性质指标土的三个组成相的体积和质量上土的三个组成相的体积和质量上的比例关系的比例关系定义定义三相草图法三相草图法室内测定三个基本室内测定三个基本物理性质指标：物理性质指标：土的密度土的密度 土粒比重土粒比重土的含水量土的含水量其它物理性质指标其它物理性质指标孔隙含量孔隙含量含水程度含水程度密度和重度密度和重度密实程度密实程度干湿程度干湿程度 第四十五页，共49页。总结总结pLpLwwwwI F 粗粒土的密实状态指标粗粒土的密实状态指标: : 相对密度相对密度D Dr r F 细粒土的稠度状态指标细粒土的稠度状态指标: : 液性

29、指数液性指数I IL L 定义定义 判别标准判别标准 界限含水量界限含水量 w wP P、w wL L 土中水形态土中水形态 塑性指数塑性指数 I Ip p 吸附结合水的能力吸附结合水的能力minmaxmaxreeeeD 定义定义 判别标准判别标准物理状态指标物理状态指标第四十六页，共49页。总结总结土的结构土的结构土颗粒或粒团的土颗粒或粒团的空间排列和相互联结空间排列和相互联结粗粒土的结构粗粒土的结构单粒结构单粒结构重力起主导作用重力起主导作用粒间力起粒间力起主导作用主导作用黏性土的黏性土的结构性指标结构性指标细粒土的结构细粒土的结构分散结构分散结构 凝聚结构凝聚结构土的结构土的结构第四十七页，共49页。总结总结土的组成土的组成土的状态土的状态土的结构土的结构建筑地基基础设计规范建筑地基基础设计规范- GB50007-2002- GB50007-2002分类法分类法 水利部水利部SL237-1999SL237-1999分类法分类法F 目的：目的： 便于调查研究；便于调查研究； 便于分析评价；便于分析评价； 便于交流便于交流 ( (基于共同的概念基于共同的概念) )F 依据：最能反映土的物理力学性质的指标依据：最能反映土的物理力学性质的指标土的工程分类土的工程分类第四十八页，共49页。Thank You!第四十九页，共49页。