土的物理性质和工程分类ppt课件

一 土的物理性质与工程分类,积土成山，风雨兴焉劝学,1,本章大纲,土的形成 土的三相组成 土的结构性 土的三相关系与物理状态 土的胀缩性 土的工程分类 本章实验,2,1、土的形成,风化作用土的成因 搬运与沉积土的形成机理,3,土与岩石关系图解,岩石,风化作用,颗粒堆积物,搬运、堆积,土,压密、岩化,4,土的“生长期”第四纪,第四纪包括更新世（2.588 0.005）和全新世（0.011700）,人类的出现与进化是第四纪最重要的事件之一 除岩石裸露的陡峻山坡外，全球几乎到处被第四纪沉积物覆盖 第四纪沉积物形成较晚，大多未胶结，保存比较完整,5,岩石土颗粒之风化作用,物理风化（原生矿物） 气候变化引起的胀缩开裂，搬运过程中的碰撞和摩擦 矿物成份与母岩相同，产生碎散性 化学风化（次生矿物） 环境因素（水、空气等）引起矿物发生化学反应 包括：水解、水化、氧化、溶解等作用 微细颗粒和可溶性盐，吸水，产生三相结构性,土的形成与年代相关，且随着时间增长继续发生变化自然变异性,6,搬运和堆积,残积土(Residual soils) 未移动、覆盖下部母岩 颗粒粗糙棱角、粗细不均、无明显层理 施工中宜挖去残积土，采用下部基岩 运积土(Transported soils) 洪积土、冲积土、湖泊沼泽沉积土、海相沉积土 坡积土 冰积土、风积土,残积土,7,水力运积土,洪积土 洪水搬运，颗粒由粗及细，需重视“透镜体” 冲积土 河水搬运，颗粒圆滑，形成砂粘土交叠层，需重视软弱夹层 湖泊沼泽沉积土 极缓水流沉积，生物化学作用形成淤泥质土，工程性质差 海相沉积土 入海口堆积，颗粒细，土质松软，工程性质差,8,重力运积土及其他,坡积土 在降雨或重力作用下，坡脚处形成的堆积物，土粒性质不均，需注意滑坡 冰积土 冰川或冰水挟带搬运所形成的沉积物，颗粒粗细变化较大，土质不均匀 风积土 风力搬运形成的堆积物，颗粒均匀，不具层理,与土相关的工程设计总是与工程地质因素 密不可分,9,冰积土实例珠峰昆布冰川,10,猜猜：什么电影？什么土？成因？,11,风化作用,12,风化作用类型,物理风化 温差、河流 化学风化 水解、水化、氧化 生物风化 种子分解头骨的故事？ 不同地区，自然条件不同，物理、化学风化有主次之分 从地表向下随深度增加，风化作用迅速减弱,13,2、土的三相组成,土中的固相土的骨架 土中的液相与气相土体孔隙中的填充物,14,土的三相示意,固相：土骨架 液/气相：孔隙结构 完全充满水（饱和土） 部分充满水（非饱和土） 完全没有水（干土）,15,土体固相分析,颗粒级配 决定土的透水性、粘性和可塑性等物理性质 工程用土的基本评价指标 土颗粒成分 矿物化学结构影响土中水与固相结合的性质 土颗粒形状 比表面积影响土的力学性质,16,颗粒分析,土颗粒粒径分组 共三个粒组 巨粒组一般透水性很大，无粘性，无毛细水 粗粒组一般易透水，无粘性，毛细水上升高度不大 细粒组一般透水性很小，湿时有粘性、可塑性，毛细水上升高度较大,17,土的级配测量方法,土的颗粒组成情况用土中各种不同粒组的相对含量来描述，这种指标称为土的颗粒级配 级配测量方法 筛分法（d0.075mm） 比重计法（d0.075mm）,18,筛分试验示意图,10 5.0 2.0 1.0 0.5 0.25 0.1,200g,10 16 18 24 22 38 72,小于某粒径之土质量百分数P（）,粒径(mm),P % 95 87 78 66 55 36,土的粒径级配累积曲线,水分法,19,粒径级配累积曲线的应用,判断级配是否良好 量化级配的质量指标 不均匀系数Cu 曲率系数Cc 级配指标分析 Cu 越大则粒径越悬殊，填筑密实 Cu10 级配良好 Cc 表征土颗粒级配的连续性 1Cc3 级配连续，否则不连续,d600.40,d300.07,d100.005,20,土颗粒成分示意图,土颗粒成分,无机物（矿物质）,原生矿物,石英、长石、云母,次生矿物,粘土矿物,氧化物胶体(Fe2O3、Al2O3),可溶盐(CaCO3、CaSO4、NaCl),有机物,21,粘土矿物结构与分类,基本晶体结构 硅片 铝片 粘土矿物分类 高岭石(Kaolinite) 伊利石(Illite) 蒙脱石(Montmorillonite),22,三类粘土矿物性质对比,23,粘土矿物带电性质,列依斯电泳试验 粘土颗粒泳向正极（电泳） 水渗向负极（电渗） 应用：电渗固结法,24,粘土颗粒双电层结构,固定层和扩散层与土粒表面负电荷一起构成双电层 形成规律 粘土颗粒的静电引力与布朗运动（热运动）的扩散力作用 溶液原子价 矿物成分 PH值,25,土中水,结合水 静电引力作用下，不传递静水压力，不能自由流动 强结合水 几个水分子厚，厚度小于0.003m 性质接近于固体 粘滞性、弹性和抗剪强度 弱结合水 厚度小于0.5m 使粘性土具有可塑性,自由水 重力水(gravity water) 存在于地下水位以下的透水层 毛细水(capillarity water) 存在于地下水位以上透水层 浸湿、冻胀、盐渍土 负压, = ,26,毛细压力分析,毛细水位高度 hc 重力平衡 毛细水压uc 水压平衡,= , = ,+ =, = = ,27,土中的水砂土的液化（东京大地震）,28,土中的气,自由气体 与大气连通，成分相似，对土的性质无明显影响，工程中一般不予以考虑 封闭气体 四周被土颗粒与水所封闭 受压力的影响较大，增加土体的弹性，阻塞土中渗流通道，减小渗透性 非饱和土力学的重点研究对象,29,3、土的结构性,试验表明，土中的土粒或团粒的空间排列以及相互连接方式对土的性质有很大的影响 土的结构受组成、沉积环境和沉积年代的影响,30,粗粒土的结构,松散单粒结构,密实单粒结构,压力&动力沉积作用,31,单粒结构、蜂窝状结构和絮状结构,单粒结构由粗大土粒在水或空气中下沉而形成的 颗粒间相互不连接，相互无吸引力 紧密状单粒结构可做为良好的天然地基，疏散单粒结构需要处理,蜂窝状结构由粉粒(0.0750.005mm)组成 土粒间相互引力大于重力而形成 抗水平荷载能力较弱,絮状结构由粘粒(0.005mm)集合体组成 土粒之间完全依靠相互吸引力，连接形式由颗粒间的带电性决定 孔隙较大，对扰动比较敏感，各向同性 较蜂窝结构强度更高，压缩性较小，渗透性较差,32,灵敏度与触变性,灵敏度重塑土的强度干扰程度 土的结构性越强，灵敏度越高 触变性 土因重塑而软化，又因静置而逐渐硬化，强度有所恢复的性质, = ,33,4、土的三相关系与物理状态,土的三相关系三相比例的度量 土的物理状态粗粒土的密实程度、细粒土的软硬程度,34,土的三相比例示意图,35,三相基本指标容重（密度）,质量基本关系 天然容重 、干容重d 饱和容重 sat 、浮容重 - d 天然密度测定方法环刀法,= + ,= = = = ,= = + = + = +, = + = , ,36,三相基本指标含水率、比重,含水率w 比重Gs 测定方法原理 烘干法测定含水率：将天然原状土质量m，减去完全烘干土的质量ms，最终湿、干土质量之差m-ms与干土质量ms之比值 比重瓶法测比重：将干土粒（ ms ）放入比重瓶，加蒸馏水煮沸除气，测得土粒排开水的体积Vs，代入公式计算,= = = = ,土的三相指标中，天然容重 、含水率w和比重Gs含三者比较容易通过试验得到，所以，这三个基本试验必须完全掌握原理、目的等,37,三相体积指标,体积基本关系 孔隙比e 孔隙率n 饱和度Sr e - n,= + = + + ,= ,= , = ,= = = = = +,38,三相指标换算草图法(e,Gs,w),天然容重 干容重d 饱和度Sr,= = + + = + +, = = , = + = +, = ,39,饱和土体换算,饱和容重 sat = + = + + = + + 浮容重 = = + = +,40,例题：三个基本指标的推导应用,某原状土样，V7.0810-3 m3，m=13.95 kg，w=9.8%，Gs=2. 66 求：e、Sr、d、sat、w、n,= = . . =. = + = . . =. = = . . =. = + + = .+. +. =. = + = . +. =. = = . . =.%,41,无粘性土的物理状态指标,密实度：单位体积中固体颗粒含量 前述三相比例指标中，干容重d 和孔隙比 e 均可表示此概念，但均未考虑粒径级配这一重要影响,相对密度： = ,土样一： 土样二：,42,无粘性土密实度判定,标准贯入试验采用重量为63.5kg穿心锤，以76cm的落距自由下落，把标准贯入靴打入土中，先打入15cm不计数，接着每打入10cm记下击数，累计打入30cm的锤击数，即为标准贯入击数N。 野外鉴别,可挖性、可钻性,砂土： 碎石土：,43,细粒土的压实性,室内击实曲线 影响因素 类型、级配 击实功能 含水率等, = + ,44,细粒土压实标准,试验得到最优含水率wop，工程上取w=wop23% 工程上常采用压实度Dc控制（作为填方密度控制标准） = 填 土干密度 室内击实试验最大干 密度 = 击实试验的作用 判别在某一击实功作用下土的击实性能是否良好，土可能达到的最佳密实度范围与相应的含水率值 研究现场填土的力学特性时，提供合理的密度和含水率。,45,粗粒土压实性,室内击实曲线 压实特征 不存在最优含水率 潮湿状态下d明显降低 在完全风干和饱和两种状态下易于击实 压实标准 相对密度控制 Dr0.70.75 施工过程中要么风干，要么就充分洒水,46,粘性土的物理状态指标,三种稠度状态 Atterberg稠度状态,固态和半固态,可塑状态,流动状态,含水率增加,47,界限含水率测定方法,碟式仪液限试验 适用于粒径小于0.5mm的土 搓条法塑限试验 土条直径恰好为3 mm左右土条自动断裂，此时土条的含水率即为塑限。 液、塑限联合测定法 坐标上对应于圆锥体入土深度为10mm(17mm)和2mm时土样的含水率分别为该土的液限和塑限,25击,48,粘土稠度状态评价,液性指数IL = 塑性指数IP = ,49,土的可塑性影响因素,粒径 细粘粒含量增加，液限与塑限都在增长，但液限增长更为明显 矿物成分 亲水性强的矿物成份（蒙脱石） 活性指数,= 0.002,50,5、土的胀缩性,粘性土由于含水率的增加，土体体积增大的性能称为膨胀性 由于含水率的减少，体积减少的性能称为收缩性 土的膨胀可造成基坑隆起或边坡滑移等问题 土体积收缩产生裂隙，对土的透水性、强度和边坡的稳定性有很大影响,51,膨胀指标,膨胀率ep 适用于原状土或扰动粘土在特定荷载和有侧限条件下的膨胀率 = % 自由膨胀率ef 适用于扰动粘土 = % 膨胀力 粘土遇水膨胀而产生的内应力。此力的解除时，土体发生膨胀,52,收缩指标,线缩率si = 0 0 100% 体缩率V = 0 0 100% 天然含水率越小，膨胀性越大，反之则收缩性越大 扰动土的胀缩性比原状土大，因抵抗胀缩的联结强度较小,53,冻胀土,机理分析 弱结合水冻结而使水膜变薄，粘粒表面的不平衡电荷对结合水产生吸附引力，导致冰晶体逐渐增大，体积增加 冻胀指标 冻胀力：冻胀过程中土体的内应力，数值很可能大过上部结构 冻胀率：n= 1 0 0 100%,54,6、土的工程分类,工程分类依据 各规范中土的分类,55,分类原则与分类体系,原则 分类简明，能同时反映土的工程性质，且测定简便 分类参考的指标要反映工程用土的相应特征 分类体系 建筑工程系统分类体系 建筑地基基础设计规范(GB50007-2011) 岩土工程勘察规范(GB50021-2009) 工程材料系统分类体系 公路土工试验规程（JTG_E40-2007） 土的工程分类标准（GBT50145-2007）,56,建筑工程系统分类方法,岩石,57,建筑工程系统分类方法,碎石土（d2mm 的颗粒含量超过全重50%的土）,58,建筑工程系统分类方法,砂土（d2mm 的颗粒含量不超过全重50%的土，d0.075mm 的颗粒含量50%的土）,59,建筑工程系统分类方法,粉土和粘性土（d0.075mm的颗粒含量50%的土） IP分类（IP由相应于76g 圆锥体沉入土样中深度为10mm 时测定的液限计算而得） IL状态划分,60,建筑工程系统分类方法,人工填土 素填土 碎石、砂土、粉土和粘性土 压实填土 分层压实或夯实的素填土 杂填土 建筑垃圾、工业废料或生活垃圾 冲填土 水力冲填泥砂形成,61,建筑工程系统分类方法,特殊土,62,细粒土的塑性图分类,A线：Ip=0.63(wL-20),B线: wL=40%,CL CLO,CH CHO,ML MLO,MH MHO,无机粘土（C） 无机粉土（M） 有机质土（O） 低塑性土（L） 高塑性土（H）,63,7、本章实验,密度 比重 含水率 界限含水率 颗粒分析 夏一鸣 18079126528,64,密度实验,环刀法测密度 试样与器材 称空环刀重 环刀内部涂抹凡士林 环刀刃口向下置于土样上 轻轻下压 竖切土样 横切土样 削平土样 收招、搞定,65,密度实验,成果分析 环刀重m1 环刀与湿土总重m2 公式: 精确至0.01g/cm3 平行结果差值0.03g/cm3 结果取算术平均值, = ,66,密度实验记录示例,67,比重实验,原理,=,=,68,比重实验流程,69,含水率实验,两份称量盒，取土上盖称重 1 烘箱过夜（8小时） 取出，上盖再次称重 2 查称量盒标号对应的自重 0 含水率公式 = ,1,2,70,含水率实验记录示例,71,界限含水率WL、Wp,锥式联合测定仪,72,界限含水率WL、Wp,试验流程：,73,界限含水率WL、Wp,试验结果分析： 双对数坐标图 三点连一直线的情况 三点不在一直线上 2%，补做！,74,作业一,P62 1-2、1-8、1-9、1-10、1-12 试令孔隙体积 =，重新推导三相指标的换算关系，用 、来表示、 、 上交方式 下下周课上课前上交,75,