《土质学与土力学》第3章土的物理性质及工程分类.ppt

土中的土粒 水和气三部分的质量 或重力 与体积之间的比例关系 随着各种条件的变化而改变 土粒一般由矿物质组成 构成土的固体部分 土粒构成土的骨架 土骨架间布满相互贯通的孔隙 这些孔隙有时完全被水充满 称为饱和土 有时一部分孔隙被水占据 另一部分被气体占据 称为非饱和土 孔隙完全充满气体时 则称为干土 水和溶解于水的物质构成土的液体部分 空气和其他一些气体构成土的气体部分 这三种组成部分本身的性质以及它们之间的比例关系和相互作用 决定土的物理力学性质 因此 研究土的性质 必须研究土的固体 液体和气体的三相组成 土的三相比例指标 一 土的三相草图 在上述变量中ma 0 独立的量有Vs Vw Va mw和ms五个 1m3水的质量通常等于1g 故在数值上Vw mw 当研究这些量的相对比例关系时 总是取某一定数量的土体来分析 例如 取V 1cm3 或m 1g 或Vs 1cm3等 因此又可以消去一个未知量 这样 对于一定数量的三相土体 只要知道其中三个独立的量 其他各个量就可从图中直接换算得到 三相草图是土力学中用以计算三相量比例关系的一种简单而又很实用的工具 1 土的密度密度 单位体积土的质量 Mg m3 g cm3 粘性土r 1 8 2 0g cm3砂土r 1 6 2 0g cm3腐殖土r 1 5 1 7g cm3 测定方法 一般用 环刀法 用一个圆环刀 刀刃向下 放在削平的原状土样面上 徐徐削去环刀外围的土 边削边压 使保持天然状态的土样压满环刀内 称得环刀内土样的质量 求得它与环刀容积之比值即为其密度 2 土的重度重度 单位体积土的重量 是重力的函数 kN m3 G为土的重量 g为重力加速度 工程上为了计算方便 取g 10m s2 3土粒相对密度 比重 相对密度 土粒密度 单位体积土粒的质量 与4 时纯水密度之比 rw1为4 时纯水的密度 rw1 1g cm3 rs为土粒的密度 即单位体积土粒的质量 故实用上 土粒相对密度在数值上等于土粒的密度 测定方法 土粒相对密度或比重可在试验室内用比重瓶法测定 由于土粒相对密度变化不大 通常可按经验数值选用 含水量w是标志土的湿度的一个重要物理指标 天然土层的含水量变化范围很大 它与土的种类 埋藏条件及其所处的自然地理环境等有关 一般说来 对同一类土 当其含水量增大时 则其强度就降低 4土的含水量 含水量 土中水的质量与土粒质量之比 用w表示 以百分数计 测定方法 土的含水量一般用 烘干法 测定 先称小块原状土样的湿土质量m 然后置于烘箱内维持100 105 烘至恒重 再称干土质量ms 水的质量mw为湿土和干土质量之差 铝盒 烘箱 电子天平 土样 基本指标 土的密度r土粒比重ds土的含水量w 在测定土的密度 土粒比重和土的含水量这三个基本指标后 就可以根据三相草图计算出三相组成各自在体积上与质量上的含量 1 土的孔隙比和孔隙率孔隙比 土中孔隙体积与土粒体积之比 以小数记 三相量比例关系的其它常用指标 它是一个重要的物理性能指标 可用来评价天然土层的密实程度 一般地 e1 0的土是疏松的高压缩性土 1 土的孔隙比和孔隙率孔隙率 土中孔隙体积与土总体积之比 以百分数计 三相量比例关系的其它常用指标 砂类土 28 35 粘性土 0 50 有的可达60 70 2土的饱和度 饱和度 土中被水充满的孔隙体积与孔隙总体积之比 砂土根据饱和土Sr的指标值分为稍湿 很湿和饱和三种湿度状态 显然 干土的饱和度Sr 0 而完全饱和土的饱和度Sr 100 3土的饱和密度和干密度 饱和密度 土中孔隙被水充满时土的密度 Mg m3 g cm3 干密度 单位土体积中土粒的质量 Mg m3 g cm3 重度 密度 g 密度与重度 饱和重度 天然重度 干重度 对于地下水位以下的土体 由于受到水的浮力作用 将扣除水浮力后单位体积土所受的重力称为土的有效重度 以g 表示 当认为水下土是饱和时 它在数值上等于饱和重度gsat 有效重度 三相指标换算 三相指标换算 从物理意义上理解指标间的关系不鼓励死记硬背必要时利用三相草图推导 三相图换算指标 就是利用已知的指标 计算出三相草图中的各相数值 再根据所求指标的定义直接计算 事实上 由于三相量的指标都是相对的比例关系 不是量的绝对值 因此 为了简化计算 常常可以假设三相中某相的值为1个单位 实用上最常用的是假设Vs 1 0m3 或cm3 或V 1 0m3 或cm3 进行计算 所谓土的物理状态 对于粗粒土 是指土的密实程度 对于细粒土则是指土的软硬程度或称为粘性土的稠度 土的物理状态 无黏性土的密实度 砂土 碎石土和粉土统称为无黏性土 无黏性土的密度对其工程性质有重要的影响 土的密实度通常指单位体积中固体颗粒的含量 土颗粒含量多 土就密实 土颗粒含量少 土就疏松 反映这类土工程性质的主要指标是密实度 干密度 d和孔隙比e 或孔隙度n 都是表示土的密实度的指标 但是这种用固体含量或孔隙含量表示密实度的方法有其明显的缺点 主要是这种表示方法没有考虑到粒径级配这一重要因素的影响 相对密度 假定第一种砂是理想的均匀圆球 不均匀系数Cu 1 0 最密时的孔隙比e 0 35 如果砂粒的比重G 2 65 则最密时的干密度 d 1 96 cm3 第二种砂同样是理想的圆球 但其级配中除大的圆球外 还有小的圆球可以充填于孔隙中 不均匀系数Cu 1 0 最密时的孔隙比e 0 35 就是说这两种砂若都具有同样的孔隙比e 0 35时 对于第一种砂 已处于最密实的状态 而对于第二种砂则不是最密实 相对密度 工程上为了更好地表明砂土所处的密实状态 采用将现场土的孔隙比e与该种土所能达到最密实时的孔隙比emin和最松散时的孔隙比emax相比较的办法 来表示孔隙比e时土的密实度 这种度量密实度的指标称为相对密度Dr定义为 密实度判别标准 Dr 1 3疏松1 3 Dr 2 3中密Dr 2 3密实 土的最大孔隙比emax的测定方法是将松散的风干土样 通过长颈漏斗轻轻地倒入容器 求得土的最小干密度再经换算确定 土的最小孔隙比emin的测定方法是将松散的风干土样分批装人金属容器内 按规定的方法进行振动或锤击夯实 直至密实度不再提高 求得最大干密度再经换算确定 粘性土的稠度状态 土中含水量很低时 水都被颗粒表面的电荷紧紧吸着于颗粒表面 成为强结合水 强结合水的性质接近于固态 因此 当土粒之间只有强结合水时 按水膜厚薄不同 土表现为固态或半固态 当含水量增加 被吸附在颗粒周围的水膜加厚 土粒周围除强结合水外还有弱结合水 弱结合水呈粘滞状态 不能传递静水压力 不能自由流动 但受力时可以变形 能从水膜较厚处向邻近较薄处移动 在这种含水量情况下 土体受外力作用可以被捏成任意形状而不破裂 外力取消后仍然保持改变后的形状 这种状态称为可塑状态 粘性土最主要的物理状态特征是它的稠度 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 弱结合水的存在是土具有可塑状态的原因 土处在可塑状态的含水量变化范围 大体上相当于土粒所能够吸附的弱结合水的含量 这一含量的大小土要决定于土的比表面积相矿物成分 粘性大的土必定是比表面积大 矿物的亲水能力强的土 例如蒙持石 自然也是能吸附较多的结合水的土 因之它的塑态含水量的变化范围也必定大 当含水量继续增加 土中除结合水外 已有相当数量的水处于电场引力影响范围以外 成为自由水 这时土粒之间被自由水所隔开 土体不能原受任何剪应力 而呈流动状态 从物理概念分析 土的稠度实际上是反映土中水的形态 液性指数 反映土的软硬状态 稠度界限土从某种状态进入另外一种状态的分界含水量称为土的特征含水量或 稠度界限 工程上常用的稠度界限有液性界限wL和塑性界限wP 液性界限 wL 简称液限 相当于土从塑性状态转变为流动状态时的含水量 这时 土中水的形态除结合水外 已有相当数量的自由水 塑性界限 wp 简称塑限 相当于土从半固体状态转变为塑性状态时的含水量 这时土中水的形态大约是强结合水含量达到最大时 土中水与稠度状态 粘性土的状态分类 土的工程分类体系 自然界中土的种类很多 工程性质各异 为了便于研究 需要按其主要特征进行分类 任何一种土的分类体系 其目的无非是想提供一种通用的鉴别标准 以便在不同土类之间可作有价值的比较 评价及累积和交流经验 为了能通用 这种分类体系首先应当是简明的 而且尽可能直接与土的工程性质相联系 可惜 土的分类法不仅各国尚未统一 就是一个国家的各部门也都制定了结合本行业的特点的分类体系 分类依据 岩土工程勘察规范 GB50021 2001 建筑地基基础设计规范 GB50007 2002 土按堆积年代可划分为以下三类 老堆积土 第四纪晚更新世Q4及其以前堆积的土层 一般呈超固结状态 具有较高的结构强度 一般堆积土 第四纪全新世 文化期以前Q4 堆积的土层 新近堆积土 自文化期以来新近堆积的土层Q4 一般处于欠压密状态 结构强度较低 根据地质成因可将士分为残积土 坡积土 洪积土 淤积土 冰积土 风积土和海积土等 根据有机质含量 按灼失量试验确定 可将土分为无机土 有机质土 泥炭质土和泥炭 其含量分别为小于5 5 10 10 60 大于60 按颗粒级配和塑性指数可将士分为碎石土 砂土 粉土和粘性土 碎石土 粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50 的土 根据颗粒级配和颗粒形状 按下表分类 砂土 粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50 粒径大于0 075mm的颗粒超过全重50 的土 根据颗粒级配 按下表分类 粘性土 若土的塑性指数IP 10 则该土属粘性土 粘性土根据塑性指数IP按下表细分 淤泥 在静水或缓慢的流水环境中沉积 经生物化学作用形成 其天然含水量大于液限 天然孔隙比大于或等于1 5的粘性土 淤泥质土 天然孔隙比小于1 5 但大于或等于1 0的粘性土称为淤泥质土 粉土 为介于砂土与粘性土之间 塑性指数IP 10且粒径大于0 075mm的颗粒含量不超过全重50 的土 粉土的工程性质介于砂土和粘性土之间 它既不具有砂土透水性大 容易排水固结 抗剪强度较高的优点 又不具有粘性土防水性能好 不易被水冲蚀流失 具有较大粘聚力的优点 土的压实性 建筑物建筑在填土上 为了提高填土的强度 增加土的密实度 降低其透水性和压缩性 通常用分层压实的办法来处理地基 实践经验表明 对过湿的土进行夯实或碾压时就会出现软弹现象 俗称 橡皮土 此时土的密实度是不会增大的 对很干的土进行夯实或碾压 显然也不能把土充分压实 所以 要使土的压实效果最好 其含水量一定要适当 在一定的压实能量下使土最容易压实 并能达到最大密实度时的含水量 称为土的最优含水量 或称最佳含水量 用 表示 相对应的干密度叫做最大干密度 以 dmax表示 含水量与干密度关系曲线 具有最优含水量的土 其压实效果最好 这是因为含水量较小时 土中水主要是强结合水 土粒周围的结合水膜很薄 使颗粒间具有很大的分子引力 阻止颗粒移动 压实就比较困难 当含水量适当增大时 土中结合水膜变厚 土粒之间的联结力减弱而使土粒易于移动 压实效果就变好 但当含水量继续增大 以致土中出现了自由水 击实时孔隙中过多的水分不易立即排出 势必阻止土粒的靠拢 所以压实效果反而下降 最优含水量与压实能量关系 对同一种土 用人力夯实时 因能量小 要求土粒之间有较多的水分使其更为润滑 因此 最优含水量较大而得到的最大干密度却较小 如图所示的曲线3 当用机械夯实时 压实能量较大 得出的曲线如图中的曲线1和2 在同类土中 土的级配对土的压实效果影响较大 颗粒级配良好的容易压实