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1、,地基与基础工程 Soil Mechanics and Foundation Engineering,第一章,介绍土的形成及物质组成,从定性和定量两个方面描述土体的物质组成密实程度及工程应用,土的物理性质及工程分类,主要内容:,知识要点：,掌握土体的三相组成、三相比例指标之间的换算及 土的基本指标测试方法。 了解无粘性土的密实度概念及判别方法。 掌握粘性土的塑性指数和液性指数的作用和用途，以及粘性土的物理状态评价。 掌握无粘性土和粘性土的分类依据和分类方法。,1.1 土的成因,土是岩石经过风化、剥蚀、破碎、搬运、沉积等过程后在不同条件下形成的自然历史的产物,搬运、沉积,一、土体的生成,风化,生
2、物风化,物理风化,化学风化,矿物成 分未变,无粘性土,原生矿物,矿物成分改变,粘性土,次生矿物,风化作用分类,有 机 质,岩石和土的粗颗粒受各种气候因素的影响产生胀缩而发生裂缝,或在运动过程中因碰撞和摩擦而破碎,母岩表面和碎散的颗粒受环境因素的作用而改变其矿物的化学成分，形成新的矿物,动植物活动引起的岩石和土体粗颗粒的粒度或成分的变化,定义：土体的结构是指土生成工程中所形成土粒的空间排列及 其形式。,力学特性,影响,土的结构,反映,土的成分 形成条件,分类,单粒结构 蜂窝结构 絮状结构,二、土的结构和构造,粒间作用力,可否作天然地基,矿物成分,单粒结构,示意图,重力、毛细力,密实的单粒结构是良
3、好的天然地基,原生矿物,指粗砂粒或更粗大的颗粒在水或空气中沉积形成。,粗粒土的结构,松散,密实,粒间作用力,形成环境,可否作为天然地基,矿物成分,水中的悬浮力、自重力 （斥力减小引力增加）,絮状结构 (凝聚结构),蜂窝结构 (分散结构),示意图,颗粒间的引力、自重力 （粒间引力占优势）,淡水中沉积,海水中沉积,次生矿物,次生矿物,注意：天然条件下，可能是多种组合，或者由一种结构过渡向另一种结构。,不可,不可,细粒土的结构,是指由粉粒（粒径 0.0050.075mm）在水中下沉时形的。,是指由粘粒（粒径0.005mm） 集合体组成。,颗粒形状,原生矿物 圆状、浑圆状、棱角状 次生矿物 针状、片状
4、、扁平状,土的构造：是指土体中各结构单元之间的关系，主是从宏观角度 研究土的组成，其主要特点是土的成层性和裂缝性。,力学特性,影响,土的构造,类型,层状构造 分散构造 裂隙构造 结核状构造,通常分散构造土的工程性质最好是理性地基，结核状构造土的工程性质取决于细 粒土部分，裂隙构造不连续的裂缝破坏土的整体性故土的工程性质最差。,气相,固相,液相,+,+,构成土骨架，起主体作用,重要影响,土体,次要作用,土体三相组成示意图,1.2 土的组成,一、土中的固体颗粒(固相),物理状态 力学特性,粒组的划分,土的颗粒级配,土粒的矿物成分,. 颗粒级配,颗粒大小,土中各个粒组的相对含量,常用表格法或 粒径曲
5、线法表示,影响土性质的主因,表格法表示的粒组划分,粒径级配,确定方法 筛分法：适用于粒径在0.074 60mm 的土 密度计法：适用于粒径小于0.074 mm 的土,通常将各粒组的相对含量，用质量百分数来表示,表述方法 粒径级配累积曲线,10 5.0 2.0 1.0 0.5 0.25 0.1,200g,10 16 18 24 22 38 72,P % 95 87 78 66 55 36,筛分法原理图,筛分法就是用一套标准筛子如孔直径(mm)：20、10、5.0、2.0、l.0、0.5、0.25、0.1、0.075， 将烘干且分散了的200g有代表性的试样倒入标准筛内摇振，然后分别称出留在各筛子
6、上的土重，并计算出各粒组的相对含量，即得土的颗粒级配。 密度计法(也称比重计法) ：是沉降分析法的一种，另外还有移液管法(也称吸管法)。该两法的理论基础都是依据Stokes(司笃克斯)定律，即球状的细颗粒在水中的下沉速度与颗粒直径的平方成正比,典型颗分级配曲线,沉降分析结果,小于某粒径之土质量百分数P（）,粒径(mm),d60,d50,d10,d30,特征粒径: d60 控制粒径 d10 有效粒径 d30 中值粒径,不均匀程度： Cu = d60 / d10,连续程度: Cc = d302 / (d60 d10 ) 曲率系数, 不均匀系数,Cu 5,级配不均匀,粗细程度： 用平均粒径d50 表
7、示,连续程度: Cc = d302 / (d60 d10 ) 曲率系数,较大颗粒缺少,Cc 减小,较小颗粒缺少,Cc 增大,C c = 1 3, 级配连续性好,粒径级配累积曲线及指标的用途：,粒组含量用于土的分类定名；,工程中用不均匀系数Cu评价土的不均匀程度： Cu 5, 不均匀土； Cu 5, 均匀土,曲率系数Cc用于判定土的连续程度： C c = 1 3, 级配连续土； Cc 3 或 Cc 1,级配不连续土,不均匀系数Cu和曲率系数Cc用于判定土的级配优劣： 当 Cu 5且 C c = 1 3 时 ， 为级配 良好的土； 当 Cu 3 或 Cc 1时 , 为级配 不良的土,. 土粒的矿物
8、成分,粗粒土主要是原生矿物（石英、长石、云母等）的产物， 一般碎石、砂都属于此类。 细粒土主要是次生矿物的产物 ，主要是粘土矿物，包括三种类型高岭石、伊利石、蒙脱石。三种粘土矿物的亲水性依次减弱。,粘土矿物: 由硅氧四面体和铝氢氧八面体构成的晶胞所组合而成,决定于母岩的矿物 成分及风化作用,硅氧四面体晶片的结构,铝氢氧八面体晶片的结构,粘土矿物的晶格构造,高岭石,蒙脱石,伊利石,粒径 比表面积 胀 缩 性 渗 透 性 强度 压 缩 性,大 10-20m2/g 小 大 大 小,中 80-100m2/g 中 中 中 中,小 800m2/g 大 小 小 大,二 、土中水(液相),根据土体中水分子受到
9、电场力的作用大小,土体中的液态水主要可以分为: 结合水 借助于电分子引力牢固 吸附在土颗粒表面的水 自由水 电场引力作用范围之外的水,重力水,毛细水,强结合水,弱结合水,液态水,固态水,气态水,其含量及性质影响土的性质,1、土中水分类,2、水的性质,排列致密、定向性强 密度1g/cm3 冰点处于零下几十度 具有固体的的特性 温度高于100C时可蒸发 强结合水性质稳定,强结合水,位于强结合水之外，以水膜 的形式包围着土粒 外力作用下可以移动 不因重力而移动，有粘滞性,弱结合水,固 定 层,扩散层,土中毛细现象,毛细水,分布在土粒内部相互贯通的孔隙可以看成许多形状不一、直径互异、彼此连通的毛细管,
10、重力水,是位于地下水位以下的土空隙中，能在重力或压力作用下流动。其性质能传递静水压力并产生浮力。,三、土中气体(气相),土体中的气体是指存于土体空隙中未被水占据的部分, 存在形式有两种:,自由气体:与大气相通,对土的性质影响不大,封闭气体:与大气隔绝,增大土体的弹性和压缩性,土体中气体,1.3 土物理性质指标,土的物理状态 粗粒土的松密程度 粘性土的软硬状态,土的物理性质指标 (三相间的比例关系),力学特性,影响,表示,一. 土的三相图,质量,体积,二.土的物理性质指标确定,土的物理性质指标共有9个：e、n、Sr、 ds、 d、 sat、 /,土的重度,土的密度,=g,工程上更常用于计算土的自
11、重应力,单位: kN/m3 或 g/cm3,单位: kN/m3,一般范围: 16 22 kN/m3,定义: 土单位体积的质量,有时也称土的天然密度,表达式:,相关指标:,三相草图有助于直观理解物性指标的概念,各种密度容重之间的大小关系：,土的重度,干重度,饱和重度,天然容重,干容重,浮容重,饱和容重,土粒相对密度,s: 土粒的密度，单位体积土粒的质量,单位: 无量纲,土粒比重一般范围: 粘性土 2.702.75 砂 土 2.652.95,4C时纯蒸馏水的密度,=9.8 kg/m3,定义: 土粒的密度与4C时纯蒸馏水的密度的比值,表达式:,土粒比重在数值上等于土粒的密度,饱和度,表达式:,定义:
12、 土中水的体积与孔隙体积的比值,用百分数表示。,饱和度表示孔隙中充满水的程度,Sr=0 : 干土 Sr=100% : 饱和土,土的含水量,定义: 土中水的质量与土粒重量之比, 用百分数表示,注意: 一般用含水量衡量黏性土潮湿程度。,表达式:,孔隙比,孔隙率 (孔隙度),关系:,常用来反映土的密实程度,定义: 土中孔隙体积与固体颗 粒体积之比, 无量纲,表达式:,定义: 土中孔隙体积与土的总体积之比, 用百分数表示,表达式:,反映土的密度指标有五个： d satds,反映土的湿度指标有两个： sr,反映土的土的孔隙特征有两个：e n,土的天然重度,三个指标最基本物理指标， 可直接通过实验测定得出
13、,天然含水量,土的相对密度ds,注: 以上9项物理性质指标，其中,常用的物理性质指标间的换算关系,换算步骤: :假设Vs=1(V=1或ms=1),并画出三相草图; :解出各相物质的质量和体积的换算指标; :利用换算指标按基本定义列出所求的物理指标换算公式,已知关系五个:,共有九个参数: V Vv Vs Va V / Ws W Wa W,物性指标是比例关系: 可假设任一参数为1,对于饱和土, Va=0 剩下两个独立变量,e,e,e,dsw,dsw,dsw(1+),1.4 土的物理状态指标,物理状态 力学特性,无黏性土密实度,黏性土物理特性,例题分析,【例1-1】某土样，重量为1.87N，体积为1
14、00cm3，烘干后，烘干土质量为1.67N。已知土粒的相对密度ds为2.66，试求： 、 、e、sr、d 、sat和,【解】,一、无黏性土的密实度,无粘性土的 密实程度,工程性质,影响,指具有单粒结构的碎石土与砂土，土粒之间无粘结力，呈松散状态,定义:,土密实,结构稳定、强度高、压缩性低变形小,土松散,结构不稳定、强度低、压缩性高变形大,如何评定无粘性土密实度?,碎石土用触探锤击数63.5,砂土用相对密度Dr,现场标准贯入试验锤击数,优点：简单方便,缺点：不能反映级配的影响且只能用于同一种土,孔隙比e或孔隙率n,emax与emin ：最大与最小孔隙比,相对密度,Dr = 1 , 最密状态 Dr
15、 = 0 , 最松状态 Dr 0.67 , 疏松状态 0.33 0.67 , 密实状态,判别标准：,优点：把土的级配因素考虑在内， 理论上较为完善,缺点：e、emin、 eman难以准确测定,根据现场标准贯入试验锤击数判定,标准贯入试验是一种原位测试方法。试验方法：将质量为63.5kg的锤头，提升到76cm的高度，让锤自由下落，打击标准贯入器，使贯入器入土深为30cm所需的锤击数，记为N63.5，这是一种简便的测试方法。N的大小，综合反映了土的贯入阻力的大小，亦即密实度的大小。我国岩土工程勘查规范（GB5002194）规定砂土的密实度按表标准贯入锤击数进行划分。,判定标准：,二、 粘性土的物理
16、特性,粘性土的物理状态可以用稠度表示。 稠度是反映粘性土处于不同含水量时的软硬程度或浠稠程度。 粘性土从一种状态过度到另一种状态的分界含水量称为界限含水量。,塑限p,液限l,稠度界限,粘性土随含水量变化可改变土的物理形态,固态或半固态,可塑状态,流动状态,强结合水膜最大,出现自由水,强结合水,弱结合水,自由水,稠度状态,含水量,一、界限含水量的测定方法,1、液限L,锥式液限仪测定法：76g锤经5s恰好沉入土10mm所对应的含水量。,碟式液限仪测定法：以2转/秒的速度，使碟子反复起落，坠击底座，当25击V型土槽合拢长度恰好13mm所对应的含水量。,锥式液限仪,碟式液限仪,2、塑限p,滚搓法：将天然湿度的土体在毛玻璃上搓成直径为3mm 土条时，土条恰好产生裂缝并开始断裂时的含水量
