土力学 土的性质及工程分类.pptx
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1、会计学1土力学土力学 土的性质及工程分类土的性质及工程分类特征:物理风化:量变过程,形成的土颗粒较粗;化学风化:质变过程,形成的土颗粒很细。对一般的土而言,通常既经历过物理风化,又有化学风化,只不过哪种占优而已。第1页/共91页 土的三相组成:土的物质成分包括有作为土骨架的固态矿物颗粒、孔隙中的水及其溶解物质以及气体。因此,土是由颗粒(固相)、水(液相)和气(气相)所组成的三相体系。第2页/共91页当土骨架的孔隙全部被水占满时,这种土称为饱和土;当土骨架的孔隙仅含空气时,就成为干土;一般在地下水位以上地面以下一定深度内的土的孔隙中兼含空气和水,此时的土体属三相系,称为湿土。根据土的粘性分:粘性
2、土:颗粒很细;无粘性土:颗粒较粗,甚至很大。砂、碎石、甚至堆石(直径几十cm甚至1m)第3页/共91页2.2 土的三相组成及土的结构一、土的固相(一)成土矿物原生矿物:由物理风化生成的土粒;颗粒较粗,一般为无粘性土;石英、长石、云母等;圆形、板状、块状;吸水力弱、稳定、无塑性;砂多为石英。次生矿物:由原生矿物经化学风化作用而形成的矿物。颗粒较细,一般为粘土矿物,形成粘性土。高岭石、伊利石、蒙脱石;片状、极细;吸水力强、活泼、有塑性。第4页/共91页(二)粘土矿物的晶体结构粘土矿物:是一种复合的铝-硅酸盐晶体,颗粒成片状,是由硅片和铝片构成的晶胞所组叠而成。硅片:基本单元是硅氧四面体,底面每个氧
3、离子为2个相邻单元的硅原子共有组成六边形硅片;第5页/共91页铝片:铝(镁)氢氧(氧)八面体,每个氢氧离子为2个相邻单元的铝原子共有组成铝片;第6页/共91页蒙脱石:伊利石进一步风化,2:1型晶格,二个硅片一个铝片一个晶层,晶层没有钾离子连接,而是有水分子进入;连接弱。伊利石:云母在碱性介质中风化产物,2:1型晶格,晶层靠钾离子连接,比较稳定,但不如氢键;高岭石:长石风化产物,1:1型晶格,一个硅片一个铝片一个晶层,晶层靠氢键连接,一个颗粒多达近百个晶层。第7页/共91页(三)土粒的大小和土的级配粒组:把工程性质相近的土粒合并为一组。第8页/共91页第9页/共91页粘土细细砂砂粗粗砂砂碎碎石石
4、卵石卵石碎石碎石粘粘土土第10页/共91页(四)颗粒大小分析试验 测定土中各粒组颗粒质量所占该土总质量的百分数,确定粒径分布范围的试验称为土的颗粒大小分析试验。筛分法:粒径0.075mm 密度计法:粒径0.075mm,又有粒径0.075mm 土的级配:土中各种大小的粒组中土粒的相对含量。第11页/共91页1.筛分法 利用一套孔径由大到小的筛子,将按规定方法取得的一定质量的干试样放入一次叠好的筛中,置振筛机上充分振摇后,称出留在各级筛上的土粒的质量,按下式计算出小于某土粒粒径的土粒含量百分数X()式中:mi,m分别为小于某粒径的土粒质量及试样总质量第12页/共91页第13页/共91页第14页/共
5、91页 2.密度计法 利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同来确定小于某粒径的土粒含量的方法。通过密度计测定土水悬浊液的密度来确定。第15页/共91页(五)颗粒分析试验曲线的主要用途按粒径分布曲线可求得:(1)土中各粒组的土粒含量,用于粗粒土的分类和大致评估土的工程性质;(2)某些特性粒径,用于建筑材料的选择和评价土级配的好坏。根据某些特征粒径,可得到两个有用的指标,即不均匀系数Cu和曲率系数Cc。第16页/共91页式中:d10,d30和d60为粒径分布曲线上小于某粒径的土粒含量分别为10,30和60时所对应的粒径。d10称为有效粒径;d60称为限制粒径;d30称中值粒径。第17页/共91页C
6、u小,曲线陡;Cu大,易压密;Cc过大,台阶在d10d30间;Cc过小,台阶在d30d60间;规范:Cu=5,且Cc=13时,级配良好,否则,不良。不均匀系数C反映大小不同粒组的分布情况。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,则比较容易获得较大的密实度。曲率系数Cc描写累积曲线的分布范围,反映曲线的整体形状。第18页/共91页级配良好第19页/共91页二、土的液相 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、液态、气态。液态水是土中孔隙水的主要存在状态,因其受土粒表面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)。
7、第20页/共91页第21页/共91页 1结合水 土颗粒表面带有一定的电荷,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,在双电层影响下的水膜称为表面结合水。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、流动性差、冰点低、比热较大。这种差异随距离增加而减弱。第22页/共91页2.2.自由水自由水自由水自由水(非结合水非结合水非结合水非结合水)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控制,土粒表面吸引力居次要地位,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表面张力作用的自由
8、水。(2)重力水 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。重力水只受重力控制,不受土粒表面吸引力的影响。第23页/共91页三、土中气三、土中气三、土中气三、土中气n n土中的气体土中的气体土中的气体土中的气体与大气相通 压缩性高;与大气隔绝 降低透水性第24页/共91页四、土的结构和构造四、土的结构和构造 土的结构是指由土粒单元的大小、形状、相互排列及其联结关系等因素形成的综合特征。一般分为单粒结构、蜂窝结构和絮状结构三种基本类型。第25页/共91页 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称为土的构造。土的构造最主要特征就是成层性即层理构造。土的构
9、造的另一特征是土的裂隙性。第26页/共91页2.3 土的物理性质指标 可分为两类:一类是必须通过试验测定的,如含水率、密度和土粒比重,称为直接指标;另一类是根据直接指标换算的,如孔隙比、孔隙率、饱和度等,称为间接指标。第27页/共91页第28页/共91页一、试验直接测定的物理性质指标(一)土的密度与重度土的密度定义为单位体积土的质量,用表示,单位为g/cm3表达式如下:对于粘性土,土的密度常用环刀法测定。第29页/共91页第30页/共91页 土的重度亦称为容重,定义为单位体积土的重量,用土的重度亦称为容重,定义为单位体积土的重量,用表示,单表示,单位为位为kN/mkN/m33。表达式如下:。表
10、达式如下:式中:式中:WW土的重量,单位为土的重量,单位为kNkN;gg重力加速度。重力加速度。一般土1820 砂土1620第31页/共91页(二)土粒相对密度ds土粒相对密度定义为土粒的质量(或重量)与同体积4时纯水的质量(或重量)之比(无因次),其表达式为:式中:s土粒的密度,即土粒单位体积的质量;(w)44时纯水的密度,1g/cm3 土粒相对密度取绝于土的矿物成分。粘性土270275,砂土265左右。第32页/共91页(三)土的含水量w土的含水量,定义为土中水的质量与土粒的质量之比,以百分数表示,其表达式为:含水量是标志土的湿度的一个重要物理指标。含水量大湿软第33页/共91页测定含水率
11、常用的方法是烘干法,先称出天然土的质量,然后放在烘箱中,在100105常温下烘干,称得干土质量,按前式可算得。第34页/共91页二、间接换算得物理性质指标(一)土的孔隙比e定义:土中孔隙的体积与土粒的体积之比,以小数表示,其表达式为:(二)土的孔隙率n定义:土中孔隙的体积与土的总体积之比,或单位体积内孔隙的体积,以百分数表示,其表达式为:第35页/共91页(三)土的饱和度Sr定义:土中孔隙水的体积与孔隙体积之比,以百分数表示,其表达式为:描述土体中孔隙被水充满的程度。干土为0;湿土为100%。第36页/共91页土的干重度:单位体积内土粒的重量,表达式为:土的干重度:单位体积内土粒的重量,表达式
12、为:土烘干,体积要减小,因而,土烘干,体积要减小,因而,土的干密度不等于烘干土的密度土的干密度不等于烘干土的密度。土的干密度或干重度也是评定土密实程度的指标,干密度或干重度愈大表明土愈密实,反之愈疏松。土的干密度或干重度也是评定土密实程度的指标,干密度或干重度愈大表明土愈密实,反之愈疏松。(四)干密度(四)干密度dd与干重度与干重度dd土的干密度:单位体积内土粒的质量,表达式:土的干密度:单位体积内土粒的质量,表达式:第37页/共91页(五)饱和密度(五)饱和密度satsat与饱和重度与饱和重度satsat 饱和密度定义:土中孔隙完全被水充满土处于饱和状态时单位体积土的质量。表达式为:饱和密度
13、定义:土中孔隙完全被水充满土处于饱和状态时单位体积土的质量。表达式为:第38页/共91页第一章 土的物理性质指标与工程分类 在饱和状态下,单位体积土的重量称为饱和重度,其表达式为:在饱和状态下,单位体积土的重量称为饱和重度,其表达式为:第39页/共91页第一章 土的物理性质指标与工程分类(六)有效密度(六)有效密度与有效重度与有效重度 土在水下,受到水的浮力作用,其有效重量减小,因此提出了有效重度的概念,其表达式为:土在水下,受到水的浮力作用,其有效重量减小,因此提出了有效重度的概念,其表达式为:第40页/共91页 与其相应,提出了有效密度的概念,土的有效密度是单位体积内的土粒质量与同体积水质
14、量之差,其表达式:与其相应,提出了有效密度的概念,土的有效密度是单位体积内的土粒质量与同体积水质量之差,其表达式:或或 从上述四种土的密度或重度的定义可知,同一土样各种密度或重度在数值上有如下关系:从上述四种土的密度或重度的定义可知,同一土样各种密度或重度在数值上有如下关系:第41页/共91页 三、物理性质指标间的换算三、物理性质指标间的换算 常用的土的物理指标共有九个。已知其中任意三个,通过换算可以求出其余的六个。常用的土的物理指标共有九个。已知其中任意三个,通过换算可以求出其余的六个。(一)孔隙比与孔隙率的关系(一)孔隙比与孔隙率的关系 设土体内土粒的体积为设土体内土粒的体积为11,则,则
15、e=Vv/Ve=Vv/V可知,孔隙的体积可知,孔隙的体积VvVv为为ee,土体的体积,土体的体积VV为(为(11ee),于是有:),于是有:或或 三相示意图三相示意图第42页/共91页(二)干密度与湿密度和含水量的关系(二)干密度与湿密度和含水量的关系 设土体的体积设土体的体积VV为为11,则,则dd=m=mss/V/V,土体内土粒的质量,土体内土粒的质量mmss为为dd,由,由w=mw=mww/m/mss水的质量水的质量mmww为为w w dd。第43页/共91页(三)孔隙比与比重和干密度的关系(三)孔隙比与比重和干密度的关系 设土体内土粒的体积为设土体内土粒的体积为11,则按,则按e=Ve
16、=Vvv/V/V,孔隙的体积,孔隙的体积vvvv为为ee;由;由ss mmss/V/Vss得土粒的质量得土粒的质量mmss为为ss。于是,按。于是,按dd的定义可得:的定义可得:第44页/共91页(四)饱和度与含水率、比重和孔隙比得关系(四)饱和度与含水率、比重和孔隙比得关系 由由ss mmss/V/Vss得土粒的质量得土粒的质量mmss=ss。按。按w=mw=mww/m/mss ,水得质量,水得质量mmww=w=wss,则水得体积,则水得体积vvww=m=mww/ww=w=wss/ww。于是,。于是,SSrr定义可得:定义可得:第45页/共91页(五)有效密度与比重和孔隙比得关系(五)有效密
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