土力學(xué)之土的工程分類課件

第二章土的物理性質(zhì)及工程分類§2.1概述§2.2土的成因和組成§2.3土的物理性質(zhì)指標(biāo)§2.4無粘性土的密實(shí)度§2.5粘性土的物理特性§2.6土的滲透及滲流§2.7土的動力特性§2.8地基土的工程分類主要內(nèi)容土的物理性質(zhì)概述巖石風(fēng)化（物理、化學(xué)）作用巖石破碎化學(xué)成分改變搬運(yùn)沉積大小、形狀和成分都不相同的松散顆粒集合體（土）

土固相液相氣相土中顆粒的大小、成分及三相之間的相互作用和比例關(guān)系，反映出土的不同性質(zhì)

§2.1概述§2.2土的成因和組成一、土的組成

1.土粒的礦物成分原生礦物由巖石經(jīng)過物理風(fēng)化形成，其礦物成分與母巖相同特征：礦物成分的性質(zhì)較穩(wěn)定，由其組成的土具有無粘性、透水性較大、壓縮性較低的特點(diǎn)例：石英、云母、長石等（一）土的固體顆粒

粒組劃分示意圖粘粒粉粒砂粒圓粒碎石塊石0.0050.075260200巨粒粗粒細(xì)粒3.土的顆粒級配定義：通常以土中各個(gè)粒組的相對含量（即各粒組占土?？偭康陌俜?jǐn)?shù)）來表示，稱為土的顆粒級配

試驗(yàn)方法篩分法：適用于0.075mm≤d≤60mm比重計(jì)法:適用于d＜0.075mm篩分法用一套孔徑不同的篩子，按從上至下篩孔逐漸減小放置。將事先稱過質(zhì)量的烘干土樣過篩，稱出留在各篩上的土質(zhì)量，然后計(jì)算其占總土粒質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)篩分法（d>0.075mm的土）表格法10-22-0.050.05-0.005<0.005A09910B066304C445600表示方法表格法顆粒級配曲線法顆粒粒徑級配曲線

縱坐標(biāo)表示小于某粒徑的土粒含量百分比,橫坐標(biāo)表示土粒的粒徑(對數(shù)坐標(biāo)）顆粒級配的描述

工程上常用不均勻系數(shù)Cu描述顆粒級配的不均勻程度d10、d30、d60小于某粒徑的土粒含量為10%、30%和60%時(shí)所對應(yīng)的粒徑Cu愈大，表示土粒愈不均勻。工程上把Cu＜5的土視為級配不良的土；Cu＞10的土視為級配良好的土

曲率系數(shù)Cc描述顆粒級配曲線整體形態(tài)，表明某粒組是否缺失情況對于礫類土或砂類土，同時(shí)滿足Cu≥5和Cc=1～3時(shí)，定名為良好級配砂或良好級配礫土中毛細(xì)現(xiàn)象上升高度:πr2hcγw=2πrTcosα毛細(xì)水毛細(xì)升高與孔徑成反比分析對象:水柱粘土、粉土、砂土、礫石毛細(xì)水：是受到水與空氣交界面處表面張力作用、存在地下水位以上的透水層中的水毛細(xì)現(xiàn)象:土中水在表面張力作用下，沿著細(xì)的空隙向上及向其他方向移動的現(xiàn)象土中氣體存在于土孔隙中未被水占據(jù)的部分，分為與大氣連通的非封閉氣體和與大氣不連通的封閉氣體1.非封閉氣體：受外荷作用時(shí)被擠出土體外，對土的性質(zhì)影響不大

2.封閉氣體：受外荷作用，不能逸出，被壓縮或溶解于水中，壓力減小時(shí)能有所復(fù)原，對土的性質(zhì)有較大的影響，使土的滲透性減小，彈性增大和延長土體受力后變形達(dá)到穩(wěn)定的歷時(shí)

三、土中的氣體105oO-2H+H+粘土顆粒水分子極性2.2.2.4土的凍脹（1）凍脹現(xiàn)象：某些細(xì)粒土層隨著土中水的凍結(jié)，土體產(chǎn)生體積膨脹，這種現(xiàn)象稱為凍脹現(xiàn)象。土層發(fā)生凍脹的原因，不僅是由于水分凍結(jié)成水時(shí)其體積要增大9％的緣故，而主要是由于土層凍結(jié)時(shí)，周圍未凍結(jié)區(qū)中的水分會向表層凍結(jié)區(qū)遷移集聚，使凍結(jié)區(qū)土層中的水分增加，凍結(jié)的水分逐漸增多，土體積也隨之發(fā)生膨脹隆起。（2）融陷現(xiàn)象：當(dāng)土層解凍時(shí)，土中積聚的冰晶體融化，土體隨之下陷，這種現(xiàn)象稱為融陷現(xiàn)象。3．凍土現(xiàn)象對工程的危害（1）凍脹時(shí)，路基被隆起，柔性路面鼓包、開裂，剛性路面錯(cuò)縫或折斷；（2）修建在凍土上的建筑物，凍脹引起建筑物的開裂、傾斜甚至輕型構(gòu)筑物倒塌；（3）發(fā)生融陷后，路基土在車輛反復(fù)碾壓下，輕者路面變得松軟，重者路面翻漿。（4）季節(jié)性凍土地區(qū)，當(dāng)土層解凍融化后，土層軟化，強(qiáng)度大大降低，使得房屋、橋梁和涵管等發(fā)生過量沉降和不均勻沉降，引起建筑物的開裂破壞。因此，凍土現(xiàn)象必須引起注意，并采取必要的防治措施。2.2.3土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造

在成土過程中所形成的土粒的空間排列及其聯(lián)結(jié)形式，與組成土的顆粒大小、顆粒形狀、礦物成分和沉積條件有關(guān)

1.單粒結(jié)構(gòu)：粗礦物顆粒在水或空氣中在自重作用下沉落形成的單粒結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是土粒間存在點(diǎn)與點(diǎn)的接觸。根據(jù)形成條件不同，可分為疏松狀態(tài)和密實(shí)狀態(tài)

密實(shí)狀態(tài)疏松狀態(tài)土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大，壓縮性小土粒易移動，變形大土的構(gòu)造土的構(gòu)造是指在同一土層中的物質(zhì)成分和顆粒大小等都相近的各部分之間的相互關(guān)系的特征。主要特征是土的成層性和裂隙性,即層理構(gòu)造和裂隙構(gòu)造，二者都造成了土的不均勻性

1.層理構(gòu)造：土粒在沉積過程中,由于不同階段沉積的物質(zhì)成分、顆粒大小或顏色不同,而沿豎向呈現(xiàn)出成層特征

2.裂隙構(gòu)造：土體被許多不連續(xù)的小裂隙所分割,在裂隙中常充填有各種鹽類的沉淀物

§2.3土的物理性質(zhì)指標(biāo)一、土的三相圖

氣水土粒msmwmVsVwVVa質(zhì)量m體積V2.3.1三個(gè)基本試驗(yàn)指標(biāo)

1.土的密度ρ：單位體積土的質(zhì)量

工程中常用重度來表示單位體積土的重力

重力加速度，近似取10m/s2

2.土粒相對密度ds（土粒比重）：土粒質(zhì)量與同體積的4℃時(shí)純水的質(zhì)量之比土粒相對密度變化范圍不大：細(xì)粒土（粘性土）一般2.70～2.75；砂土一般為2.65左右。土中有機(jī)質(zhì)含量增加，土粒相對密度減小Vv2.3.1指標(biāo)的定義氣水土粒msmwmVsVwVVa質(zhì)量m體積V3.土的含水量ω：土中水的質(zhì)量與土粒質(zhì)量之比，以百分?jǐn)?shù)表示土的含水量是標(biāo)志土含水程度的一個(gè)重要物理指標(biāo)。天然土層含水量變化范圍較大，與土的種類、埋藏條件及其所處的自然地理環(huán)境等有關(guān)。

測定方法：通常用烘干法，亦可近似用酒精燃燒法

2.3.1.3反映土的孔隙特征、含水程度的指標(biāo)氣水土粒msmwmVsVwVVVa質(zhì)量m體積V1.孔隙比e和孔隙率n孔隙比e：土中孔隙體積與土粒體積之比

2.土的飽和度Sr：土中孔隙水的體積與孔隙總體積之比，以百分?jǐn)?shù)表示飽和度描述土中孔隙被水充滿的程度。干土Sr=0,飽和土Sr=100%。砂土根據(jù)飽和度分為三種狀態(tài):孔隙率n：土中孔隙體積與總體積之比，以百分?jǐn)?shù)表示

Sr≤50%稍濕；50％＜Sr≤80%很濕；Sr＞80%飽和2.3.2指標(biāo)間的換算氣水土粒dsρw

Vs＝11+e質(zhì)量m體積V土的三相指標(biāo)中，土粒比重ds

，含水量ω和密度ρ是通過試驗(yàn)測定的，可以根據(jù)三個(gè)基本指標(biāo)換算出其余各指標(biāo)Vv=eωdsρw

ds（1＋ω）ρw

推導(dǎo)：換算關(guān)系式：

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)（StandardPenetrationTest）

標(biāo)準(zhǔn)貫入數(shù)N63.5

錘重：63.5kg

落距：760mm

打入深度：300mm設(shè)備主要:由標(biāo)準(zhǔn)貫入器、觸探桿和穿心錘貫入時(shí)，穿心錘落距為76厘米，使其自由下落，將貫入器直打入土層中15厘米。以后每打入土層30厘米的錘擊數(shù)，即為實(shí)測錘擊數(shù)N。提出貫入器，取出貫入器中的土樣進(jìn)行鑒別描述密實(shí)度按N評定砂石密實(shí)度按N63.5評定碎石土密實(shí)度松散稍密中密密實(shí)N≤10N63.5≤510＜N≤155＜N63.5≤1015＜N≤3010＜N63.5≤20N＞30N63.5＞202.5.1、粘性土的界限含水量粘性土從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)的分界含水量稱為界限含水量。四種狀態(tài)：固態(tài)半固態(tài)可塑狀態(tài)流動狀態(tài)粘性土就是指具有可塑狀態(tài)性質(zhì)的土?？伤苄裕和猎谕饬ψ饔孟?，可塑成任何形狀而不發(fā)裂，當(dāng)外力卸除后仍能保持已有的形狀。

含水量對粘性土的工程性質(zhì)有著極大的影響?！?.5粘性土的物理特性0固態(tài)或半固態(tài)可塑狀態(tài)流動狀態(tài)ω塑限ωP液限ωL粘性土由某一種狀態(tài)過渡到另一狀態(tài)的界限含水量稱為土的稠度界限液塑限測定根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237-007-1999)規(guī)定，采用液塑限聯(lián)合測定儀進(jìn)行測定。稠度是指土的軟硬程度或土受外力作用所引起變形或破壞的抵抗能力,是粘性土最主要的物理狀態(tài)特征

液塑限聯(lián)合測定儀下沉深度為17mm所對應(yīng)的含水量為液限;下沉深度為2mm處所對應(yīng)的含水量為塑限2.5.2粘性土的塑性指數(shù)和液性指數(shù)塑性指數(shù)IP是液限和塑限的差值(省去%)，即土處在可塑狀態(tài)的含水量變化范圍說明：塑性指數(shù)的大小取決于土顆粒吸附結(jié)合水的能力,即與土中粘粒含量有關(guān)。粘粒含量越多,塑性指數(shù)就越高

說明：液性指數(shù)表征土的天然含水量與界限含水量間的相對關(guān)系。當(dāng)IL≤0時(shí),ω≤ωP,土處于堅(jiān)硬狀態(tài);當(dāng)IL＞1時(shí),ω＞ωL,土處于流動狀態(tài)。根據(jù)IL值可以直接判定土的軟硬狀態(tài)

液性指數(shù)IL是粘性土的天然含水量和塑限的差值與塑性指數(shù)之比

狀態(tài)液性指數(shù)堅(jiān)硬硬塑可塑軟塑流塑IL≤00＜IL≤0.250.25＜IL≤0.750.75＜IL≤1IL＞12.5.3粘性土的靈敏度和觸變性1.粘性土的結(jié)構(gòu)性概念原狀土具有結(jié)構(gòu)性，具有相同的含水量和密度，經(jīng)過粉碎/重塑后，變?yōu)橹厮芡?，?qiáng)度降低。2.粘性土的靈敏度St

=原狀土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度重塑土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度相同含水量、密度▼含水量不變，密度不變，因重塑而強(qiáng)度降低，又因靜置而逐漸強(qiáng)化，強(qiáng)度逐漸恢復(fù)的現(xiàn)象，稱為觸變性。▼土的觸變性是土結(jié)構(gòu)中聯(lián)結(jié)形態(tài)發(fā)生變化引起的，是土結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化的宏觀表現(xiàn)。▼目前尚沒有合理的描述土觸變性的方法和指標(biāo)。3.粘性土的觸變性

4.粘性土的脹縮性、濕陷性、凍脹性液限、塑限聯(lián)合測定法（一）試驗(yàn)?zāi)康臏y定粘性土的液限ωL和塑限ωp，并由此計(jì)算塑性指數(shù)Ip、液性指數(shù)IL，進(jìn)行粘性土的定名及判別粘性土的軟硬程度。

（二）試驗(yàn)原理液限、塑限聯(lián)合測定法是根據(jù)圓錐儀的圓錐入土深度與其相應(yīng)的含水率在雙對數(shù)坐標(biāo)上具有線性關(guān)系的特性來進(jìn)行的。利用圓錐質(zhì)量為76g的液塑限聯(lián)合測定儀測得土在不同含水率時(shí)的圓錐入土深度，并繪制其關(guān)系直線圖，在圖上查得圓錐下沉深度為17mm所對應(yīng)得含水率即為液限，查得圓錐下沉深度為2mm所對應(yīng)的含水率即為塑限。

（三）試驗(yàn)設(shè)備1．液塑限聯(lián)合測定儀：如附圖，有電磁吸錐、測讀裝置、升降支座等，圓錐質(zhì)量76g，錐角30°，試樣杯等；2．天平：稱量200g，分度值0.01g；3．其它：調(diào)土刀、不銹鋼杯、凡士林、稱量盒、烘箱、干燥器等。（四）操作步驟1．土樣制備：當(dāng)采用風(fēng)干土樣時(shí)，取通過0.5mm篩的代表性土樣約200g，分成三份，分別放入不銹鋼杯中，加入不同數(shù)量的水，然后按下沉深度約為4～5mm，9～11mm，15～17mm范圍制備不同稠度的試樣。2．裝土入杯：將制備的試樣調(diào)拌均勻，填入試樣杯中，填滿后用刮土刀刮平表面，然后將試樣杯放在聯(lián)合測定儀的升降座上。3．接通電源：在圓錐儀錐尖上涂抹一薄層凡士林，接通電源，使電磁鐵吸住圓錐。

4．測讀深度：調(diào)整升降座，使錐尖剛好與試樣面接觸，切斷電源使電磁鐵失磁，圓錐儀在自重下沉入試樣，經(jīng)5秒鐘后測讀圓錐下沉深度。5．測含水量：取出試樣杯，測定試樣的含水量。重復(fù)以上步驟，測定另兩個(gè)試樣的圓錐下沉深度和含水量。（五）試驗(yàn)注意事項(xiàng)1．土樣分層裝杯時(shí)，注意土中不能留有空隙。2．每種含水量設(shè)三個(gè)測點(diǎn)，取平均值作為這種含水量所對應(yīng)土的圓錐入土深度，如三點(diǎn)下沉深度相差太大，則必須重新調(diào)試土樣。（六）計(jì)算公式1．計(jì)算各試樣的含水率：（六）計(jì)算公式1．計(jì)算各試樣的含水量：式中：ω—含水量，計(jì)算至0.1%m1—盒加濕土質(zhì)量，g；m2—盒加干土質(zhì)量，g；m1－m2—土中水質(zhì)量，g；m1－mo—干土質(zhì)量，g2．以含水量為橫坐標(biāo)，圓錐