土的物理性质和工程分类

土力学 绪论需要研究和解决的工程中的三大类问题：土体稳定或强度问题；土体变形问题；渗流：渗透变形与渗透稳定。土力学是研究土的物理性质以及在荷载作用下土体内部的应力变形和强度规律的一门学科。土力学研究对象是:土 AF 基坑开挖宝冶高炉工程地下基础施工 南京地铁火车站基坑施工现场 2005年7月21日在广州海珠区江南大道南海珠广场深基坑南边发生滑坡 建成后的盾构隧道 直径达11.38米的盾构机正在制造中 穿黄工程隧洞盾构机掘进始发 每条隧洞长米，单洞直径米，采用目前世界上较为先进的盾构技术进行挖掘施工， 盾构法施工动画 机械化出渣作业线机械化衬砌作业线四臂凿岩台车作业 比萨斜塔是意大利比萨城大教堂的独立式钟楼，位于比萨大教堂的后面 钟楼始建于1173年，设计为垂直建造，但是在工程开始后不久便由于地基不均匀和土层松软而倾斜 比萨 (Pisa) 斜塔 该城市人口密集。1850年开始抽取地下水，18911973年，整个老城下沉达8.7m造成地面道路、建筑及其他建筑设施的破坏。墨西哥城的下沉土层中地下水位的下降，使有效应力增加，使地基进一步固结沉降。 圣母教堂，因地表不均匀下沉使其发生严重倾斜，并成为危房 这两个筒仓是农场用来储存饲料的，建于加拿大红河谷的 粘土层上，由于两筒之间的距离过近，在地基中产生的应力发生叠加，使得两筒之间地基土层的应力水平较高，从而导致内侧沉降大于外侧沉降，仓筒向内倾斜。 地震引起的砂土液化 地震引起的砂土液化 La Conchita 滑坡1996年发生在美国加州的La Conchita ，因居民已提前撤离固未造成人员伤亡 Santa Tecla 滑坡2001年1月13日，萨尔瓦多发生了7.6级的强震，震中位于Santa Miguel西南60英里。因此在Santa Tecla 造成 山体滑坡，最终导致700多人遇难 Santa Tecla 滑坡 边坡支护工程照片 土的物理性质和工程分类 1.1 (土的形成) 土：是岩石风化的产物 岩 石 风 化 ， 剥 蚀水 、 风 的 搬 运 或 就 地 沉 积 土 (i) 物理风化岩石经受风、霜、雨、雪的侵蚀，或受波浪的冲击、地震等引起各种力的作用，温度的变化、冻胀等因素使整体岩石产生裂隙、崩解碎裂成岩块、岩屑的过程。风化 化学风化是指岩体（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，岩石发生质的变化。 在石灰岩里面，含有二氧化碳的水，渗入石灰岩隙缝中，会溶解其中的碳酸钙。这溶解了碳酸钙的水，从洞顶上滴下来时，由於水分蒸发、二氧化碳逸出，使被溶解的钙质又变成固体(称为固化)。由上而下逐渐增长而成的，称为“钟乳石”。 土从其堆积或沉积的条件来看可分为： 沼泽土冰碛土风积土河流冲积土运积土残积土土(1)残积土：岩石风化后仍留在原地的堆积物。 basalt玄武岩 ：岩石风化后经流水、风和冰川以及人类活动等搬运离开生成地点后再沉积下来的堆积物。又分为冲积土、风积土、冰碛土和沼泽土等。(2)运积土 冲积土冲积土：由水流冲积而成；颗粒分选、浑圆光滑河床、河漫滩、阶地 风积土风积土：由风力带动土粒经过一段搬运距离后沉积下来的堆积物；没有层理、细砂或粉粒；黄土 冰碛土冰碛土：由冰川剥落、搬运形成的堆积物； 1.2 土的三相组成土是固体颗粒、水和空气的混合物，常称土为三相系。 固相：土的颗粒、粒间胶结物； 液相：土体孔隙中的水； 气相：孔隙中的空气。 （3）一般在地下水位以上地面以下一定深度内的土的孔隙中含空气和水，此时的土体属三相系，称为湿土。（1）当土骨架的孔隙全部被水占满时，这种土称为饱和土；（2）当土骨架的孔隙仅含空气时，就成为干土； 1.2.1 固相一、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；角闪石石英长石云母 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。粘土矿物的带电性质 蒙 脱 石 富含伊利石、蒙脱石常使建筑物产生不均匀的竖向或水平的胀缩变形，造成位移、开裂、倾斜甚至破坏，且往往成群出现，尤以低层平房严重，危害性很大 膨胀土地 基 基 础FG基坑 （二）土粒的大小和土的级配块石漂石土粒大小在一定程度上反映了土性质的差异，土粒大小通常用粒径表示。 粒组：通常把工程性质相近的土粒合并为一组 粘粒粉粒砂粒砾石卵石0.005mm 0.075mm 2mm 60mm 200mm1.土颗粒的大小与形状 2.土的粒径级配工程中常用土中各粒组的相对含量，占干土总质量的百分数来表示，称为土的粒径级配。土的级配的好坏将直接影响到土的性质。级配良好的土，压实时能达到较高的密实度，因而透水性小，强度高，压缩性低。级配不良的土，往往压实密度低，或者渗透稳定性差。 3.粒径分析方法 筛分法（d0.075mm的土）密度计法（d0.075mm的土） （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。 4 颗粒级配的表示方法表示方法：表格法、 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，它们的定义为： 1060ddCu （12） 6010 230dddCc （13）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。d3060 d103010 d60 若土的颗粒级配曲线是连续的，Cu愈大，d60与d10相距愈远，则曲线愈平缓，表示土中的粒组变化范围宽，土粒不均匀；反之，Cu愈小，d60与d10相距愈近，曲线愈陡，表示土中的粒组变化范围窄，土粒均匀。 若土的颗粒级配曲线不连续，在该曲线上出现水平段,水平段粒组范围不包含该粒组颗粒。这种土缺少中间某些粒径在同样的压实条件下，密实度不如级配连续的土高，其它工程性质也较差。 5Cu 31Cc 1060ddCu 6010 230dddCc 1.2.2 液相（一）吸着水（结合水）大多数粘土颗粒表面带有净的负电荷阳粒子: (二）自由水离开土颗粒表面较远，不受土颗粒电分子引力作用，且可自由移动的水称为自由水。（分为毛细管水和重力水） 1.毛细管水土中存在许多大小不同的相互连通的弯曲孔道，由于水分子与土粒分子之间的附着力和水气界面上的表面张力，使地下水上升某一高度。 2.重力水在重力或水位差作用下能在土中流动的自由水称微重力水。具有溶解能力，能传递静水和动水压力，对土颗粒有浮力作用。当它在土孔隙中流动时，对所流经的土体施加渗流力（亦称动水压力、渗透力），计算中应考虑其影响。三、土的气相存在土中的气体分为两种基本类型：一种是与大气连通的气体；另一种是与大气不连通的以气泡形式存在的封闭气体。 1.3 土的结构 单粒结构 蜂窝结构 絮状结构粘土砂土砾石粉土 角、边与面接触时净引力最大，因此絮状结构的特征是土粒之间以角、边与面的接触或边与边的搭接形式为主。这种结构的土粒呈任意排列，具有较大的孔隙，其强度低，压缩性高，对扰动比较敏感 土的构造对于第四纪的沉积层最主要的构造特征是成层 1.4 土的物理性质指标t概述土的物理性质直接反映土的松密、软硬等物理状态，也间接反映土的工程性质。土的松密和软硬程度主要取决于土的三相各自在数量上所占的比例。t三相指标的定义固相液相气相土颗粒土中水土中气 solid 土 颗 粒水water气 体 wmam vm maVwVvVV 0 wm气 体airSV sm 1.4.1 三个基本试验指标 aws ws VVV mmVm 9.8gVmgVW 土的密度定义为单位体积土的质量，用表示，单位为g/cm3。土的重度亦称为容重，定义为单位体积土的重量，用表示，单位为kN/m3。表达式如下：1、土的密度和容重 g 3mKN 33 mN10 233 smmkg10 263 3 sm10m 10kg 23 smcmg wsws ss VmG Gs土粒比重定义为土粒的质量（或重量）与同体积4时水的质量（或重量）之比 事先将比重瓶注满纯水，称瓶加水的质量。然后把烘干土若干克装入该空比重瓶内，再加纯水至满，称瓶加土加水的质量，按下式计算土粒比重： 2s1 ss mmm mG 2、土粒比重土粒比重常用比重瓶法测定，式中：m1瓶加水的质量； m2瓶加土加水的质量； ms烘干土的质量。 3.土的含水率w土的含水率，曾称为含水量，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： 测定含水率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，按上式可算得。100%mm sw 1.4.2、间接换算得物理性质指标1、孔隙比(e):土中孔隙的体积与土粒的体积之比 svVVe2、土的孔隙率（ n）定义：土中孔隙的体积与土的总体积之比100%VVn v 3、土的饱和度（ Sr）定义：土中孔隙水的体积与孔隙体积之比100%VVS vwr Vm sd 4、干密度d与干重度d土的干密度：单位体积内土粒的质量土的干重度：单位体积内土粒的重量gV gmVW dssd 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。 5、饱和密度sat与饱和重度sat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。V Vm wvssat 在饱和状态下，单位体积土的重量称为饱和重度g V gVgmV VW satwvswvssat （六）浮密度与浮重度（有效重度） g V Vm wss wsat 土的浮密度是单位体积内的土粒质量与同体积水质量之差V Vm wss 土在水下，受到水的浮力作用，其有效重量减小，因此提出了浮重度V VVm wwVs V )V(Vm wVs gms swgv dsat dsat V Vm wvssat VmmVm ws Vm sd V Vm wss 1.4.3、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浮密度与比重和孔隙比得关系 V Vm wss vs wsss VV VV sv ws VV1 e1 1 wws = = = e1 1G ws vvn v vs vvv v ss sevv evsvvve e1e 【例题13】某一块试样在天然状态下的体积为60cm3，称得其质量为108g，将其烘干后称得质量为96.43g，根据试验得到的土粒比重Gs为2.7，试求试样的湿密度、干密度、饱和密度、含水率、孔隙比、孔隙率和饱和度。 解：（1）已知V60cm3，m=108g， =m v=108 60=1.8g/cm3（2）已知ms=96.43g，则 mw=mms=10896.43=11.57gw= mw ms11.5796.43=12%（3）已知Gs=2.7，则 V s= ms s=96.43 2.735.7cm3 Vv=VVs=6035.724.3cm3 e= Vv Vs24.3 35.7=0.68 （4） n= Vv V24.3 60=40.5（5） Vw = mw w=11.57 111.57cm3 St= Vw Vv=11.57 24.348（6） 3sd 1.6g/cm6096.43Vm （7）3wvssat 2.0g/cm60 124.396.43V Vm 1.5 无粘性土的相对密实度、 粘性土得稠度及土的压实性无粘性（砂土粗粒土等）土用相对密实度来衡量粘性土用稠度来衡量 1.5.1无粘性土的相对密实度常用相对密实度Dr来衡量无粘性土的松紧程度minmax 0maxr ee eeD 式中：Dr相对密实度； emax无粘性土处在最松状态时的孔隙比； emin无粘性土处在最密状态时的孔隙比； e0无粘性土得天然孔隙比或填筑孔隙比。在工程上，用相对密实度Dr划分无粘性土的状态如下： 0Dr1/3 疏松的 1/3Dr2/3 中密的 2/3Dr1 密实的 （2）标准贯入试验击数N为标准30 15 10松散中密密实稍密卷扬机将63.5kg的钢锤提升76cm高度，使其自由下落打击贯入器，当贯入器贯入30cm深所需的锤击数N 1.5.2、粘性土的物理特性 1.5.2、粘性土的稠度1.粘性土的稠度状态稠度指粘性土的干湿程度或在某一含水率下抵抗外力作用而变形或破坏的能力，是粘性土最主要的物理状态指标。流动、软、可塑、硬等描述四种状态可塑性：土在外力作用下可改变形状但不显著改变其体积也不开 裂，外力卸除厚仍能保持已有的形状。 1.界限含水率粘性土从一种状态过渡到另一种状态，可用某一界限含水率来区分，这种界限含水率称为稠度界限 wS Wp WL液态固态塑态半固态0缩限（Ws）从半固体状态转变为固体状态的界限含水率，亦即粘性土随着含水率的减小而体积开始不变时的含水率。液限（WL）：从流动状态转变为可塑状态的界限含水率塑限（Wp）从可塑状态转变为半固体状态的界限含水率 10mm 测试结果整理 液塑限联合测定法 缩限（Ws）从半固体状态转变为固体状态的界限含水率，亦即粘性土随着含水率的减小而体积开始不变时的含水率。1 2 100%s wsV Vw w m 1V2V湿土体积干土体积 pLp wwI 17I10 P 17IP 01I3 P wS Wp WL液态固态塑态半固态0 p ppL pL I wwww wwI Lc L Pw wI w w PIA m 粘土的结构性与灵敏度某些粘土在含水率不变的条件下经搓捏使其原有结构彻底扰动，它的强度将降低。这种搓捏过程称为灵敏度。 对于灵敏度高的粘土，经重塑后停止扰动，静置一段时间后其强度又会部分恢复。在含水率不变的条件下粘土因重塑而软化（强度降低），软化后又随静置时间的延长而硬化（强度增长）的这种性质称为粘土的触变性 。ut uqS q uquq原状土无侧限抗压强度扰动土无侧限抗压强度 填土的密实程度常以干密度表示填土的密实程度常以干密度表示 土的压实性影响因素： 击实功能的影响 1、击实数最大最大干密度增大，最优含水率减 2、当含水率较低时击数的影响较显著， 当含水率较高时，提高击实功是无效的土类和级配的影响粘粒含量高，难压密；级配良好，易压密； 土的压实性影响因素：（一）含水率的影响最大干密度，最优含水率wopVm sd 1.6 土的工程分类 )/()6( )()5( ),()4( )()3( )()2( )()1( soilartificalfillclaymosiltsand stonecrushedrock人工填土粘土粉土砂土碎石土岩石 1.土：是岩石风化的产物 2 土的三相组成土是固体颗粒、水和空气的混合物，常称土为三相系。3 颗粒级配的表示方法粒径级配曲线 不均匀系数Cu和曲率系数Cc，1060u ddC 6010 230c dddC 5Cu 31Cc4 土的物理性质指标 Vm g 土的密度和容重 wss G 土粒比重土的含水率100%mm sw 孔隙比: svVVe土的孔隙率100%VVn v 土的饱和度（Sr）100%VVS vwr Vm sd 干密度d与干重度d g dd 饱和密度sat与饱和重度satV Vm wvssat g satsat 浮密度与浮重度（有效重度） g V Vm wss wsat dsat dsat 5无粘性土的相对密实度常用相对密实度Dr来衡量无粘性土的松紧程度minmax 0maxr ee eeD 在工程上，用相对密实度Dr划分无粘性土的状态如下： 0Dr1/3 疏松的 1/3Dr2/3 中密的 2/3Dr1 密实的6、粘性土的含水率液限（W L）：从流动状态转变为可塑状态的界限含水率塑限（Wp）从可塑状态转变为半固体状态的界限含水率 缩限（Ws）从半固体状态转变为固体状态的界限含水率，亦即粘性土随着含水率的减小而体积开始不变时的含水率。 pLp wwI p ppL pL I wwww wwI 9、土的压实性