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1、土力学地基基础,姚天举 13213460020,CONTENT 第1章 土的物理性质,土的组成,01,土的物理性质指标,02,土的物理状态指标,03,土的工程分类,04,3,本章目的: 对土的特点进行详细解释和定量描述,本章特点: 看起来零散,学习要点: 各节间联系 各节内层次,1 土的组成 4个课时,土的组成,PART ONE,1.1 土的组成,1.2土中水,次重要作用,1.4 土的结构与构造,影响土的长期工程力学性质,1.3 土中气体,工程性质作用很小,1.1 土的固体颗粒,骨架作用，对土体影响最大。,6,1. 土的组成,土的形成,渗透特性 变形特性 强度特性,土的三相组成 土的物理状态
2、土的结构,土的工程分类,土的压实性,决定,影响,如何获得较好的土,便于研究和应用,7,1.1 土的形成,土是岩石经过风化后在不同条件下形成的自然历史的产物,搬运、沉积,风化,1 土的组成,8,生物分化,物理风化,化学风化,量变,无黏性土,原生矿物,质变,黏性土,次生矿物,动植物的活动,一. 风化,有 机 质,1.1土的形成,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,1 土的组成,9,土的三相组成,气相,固相,液相,+,+,构成土骨架 起决定作用,重要影响,土体,次要作用,1
3、 土的组成,不同相及其性质，注意哪两种是两相体？,11,一. 固体颗粒,物理状态 力学特性,粒径级配,土的三相组成,矿物成分,颗粒形状,1 土的物性与分类,土粒的大小与其组成矿物的物理强度和化学稳定性有关。粗大颗粒是物理风化的结果，细颗粒化学风化强。,1 土的组成,1.1土的形成,固体颗粒,固体相指土中的矿物颗粒，简称土粒。它构成土的骨架，称为土骨架。 自然界中，组成土体骨架的土粒，大小悬殊、性质各异。,14,1. 粒径,1. 固体颗粒,颗粒大小,当量小球体的直径,影响土性的主因, 土的三相组成,1 土的组成,15,2. 粒组,1. 固体颗粒,颗粒相近,土粒粒径接近，则工程性质也接近，所以归为
4、一组。,划分粒组的分界尺寸叫界限粒径, 土的三相组成,1 土的组成,16,颗粒大小,粒组 按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类 界限粒径，要注意不同的部门和教材，数字不同。,1. 固体颗粒,1.1土的三相组成,1 土的组成,粒组划分的依据,国内目前采用的粒组划分依据如下，反映了研究和工程地质特性（土的特性） 粒径2mm 透水而不溶于水，无毛管现象，粒间无连接力 粒径2-0.074 透水而不溶于水，有毛管现象，粒间无连接力，有毛管连接 粒径0.074-0.005弱透水，溶水，毛管水含量高，有粘结性。 粒径0.005胶体颗粒，可塑性，膨胀性，极弱的透水性，强烈的可 压缩性，溶水，有毛管现象，颗粒连
5、接,土粒大小的工程应用,颗粒分布可以帮助工程师确定土的“质地”，并且用它来给土分类。 对于工程管理来说，土质分类对于造价哪一部分有影响？ 颗粒分布定义土的渗透性等级。对于大坝等有用。 颗粒分布可以用来选择坝基、路基、混凝土等材料。 颗粒分布可以评估水泥浆、化学溶液、动力固结等。 有效粒径可以判断土的渗透性。,19,粒径级配,确定方法 筛分法：适用于粗粒土 (0.075 mm)，想一想为什么？ 水分法：适用于细粒土 (0.075 mm),各粒组及其相对含量，用质量百分数来表示,表述方法 粒径级配累积曲线,一. 固体颗粒,1.3 土的三相组成,1 土的物性与分类,颗粒组成反映土的分散度，各粒组的相
6、对含量决定了土的工程性质。,20,10 5.0 2.0 1.0 0.5 0.25 0.075,200g,10 16 18 24 22 46 64,小于某粒径之土质量百分数P（）,粒径(mm),P % 95 87 78 66 55 32,土的粒径级配累积曲线,水分法,1. 固体颗粒,1.1 土的三相组成,1 土的组成,21,d60,d50,d10,d30,特征粒径: d50 : 平均粒径 d60 : 控制粒径 d10 : 有效粒径 d30 ：没有名字,不均匀程度： Cu = d60 / d10,连续程度: Cc = d302 / (d60d10 ) 曲率系数, 不均匀系数,Cu 5, 级配不均匀
7、,粗细程度： 用d50 表示,一. 固体颗粒,1.1 土的三相组成,1 土的组成,22,斜率: 某粒径范围内颗粒的含量 陡相应粒组质量集中 缓相应粒组含量少 平相应粒组缺乏,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,Cc = 1 3, 级配连续性好,1. 固体颗粒,1.1 土的三相组成,1 土的组成,23,粒径级配累积曲线及指标的用途：,1）粒组含量用于土的分类定名；,2）不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度： Cu 5, 不均匀土； Cu 5, 均匀土,3）曲率系数Cc用于判定土的连续程度： C c = 1 3,
8、级配连续土；Cc 3 或 Cc 1, 级配不连续土,4）不均匀系数Cu和曲率系数Cc用于判定土的级配优劣： 如果 Cu 5且 C c = 1 3 ， 级配良好的土； 如果 Cu 3 或 Cc 1, 级配不良的土,1. 固体颗粒,1.1土的三相组成,1 土的组成,说明1：,这里面有2个概念：不均匀系数和连续性 cu越大，越不均匀，即粗颗粒和细颗粒的大小相差越悬殊。 啥叫连续性，就是从小到大的颗粒都有。 总的说来就是如果从大到小都有，且大颗粒比小颗粒大很多，则粒组多，所以级配曲线很宽，当然就平缓。cu越大当然就越不均匀。,问题：缺失一部分土，那么压实性能如何？ 联想一下：为什么公路路基施工时要将无
9、机结合料拌合？,说明2：,曲率系数 级配积累曲线的斜率用曲率系数cc来表示。 其意义就是主要考虑对土的性质有重大影响的主要部分的组成状况。 当然连续性对cc的影响也大。看下页两幅图。p10,两幅图的解读,三根曲线的d60和d10的位置都相同，别以为cu都相同，级配就一样。因为还涉及到d30的位置。 自己分别计算一下各自的cc，看看有什么规律。 意思是缺失后新曲线d30比原级配曲线靠左的平缓还是靠右的平缓？,级配的总结与工程应用,级配好的土用于什么领域？ 级配不好的土用于什么领域？ 第二章要讲cu和cc在渗流稳定性中的重要作用。 一定要引起注意。,举一反三,沥青材料结构类型按级配原则构成的沥青混
10、合料，其结构组成通常有下列三种形式： 1)悬浮一密实结构：由次级骨料填充前级骨料(较次级骨料粒径稍大)空隙的沥青混凝土具有很大的密度，但由于前级骨料被次级骨料和沥青胶浆分隔，不能直接互相嵌锁形成骨架，因此该结构具有较大的黏聚力c，但内摩擦角较小，高温稳定性较差。通常按最佳级配原理进行设计。 2)骨架-空隙结构：粗骨料所占比例大，细骨料很少甚至没有。粗骨料可互相嵌锁形成骨架，嵌挤能力强；但细骨料过少不易填充粗骨料之间形成的较大的空隙。该结构内摩擦角较高，但黏聚力c也较低。 3)骨架-密实结构：较多数量的断级配粗骨料形成空间骨架，发挥嵌挤锁结作用，同时由适当数量的细骨料和沥青填充骨架间的空隙形成既
11、嵌紧又密实的结构。该结构不仅内摩擦角较高，结聚力c也较高，是综合以上两种结构优点的结构。沥青玛蹄脂混合料是这种结构典型代表。,31,2. 矿物成分,原生矿物 石英、长石、云母等 次生矿物 主要是黏土矿物，包括三种类型 高岭石、伊里石、蒙脱石,黏土矿物: 由硅片和铝片构成的晶包所组合而成,一. 固体颗粒,1.3 土的三相组成,1 土的物性与分类,32,硅片的结构,一. 固体颗粒,1.3 土的三相组成,1 土的物性与分类,33,铝片的结构,一. 固体颗粒,1.3 土的三相组成,1 土的物性与分类,34,黏土矿物的晶格构造,蒙脱石,伊利石,粒径 比表面积 胀 缩 性 渗 透 性 强度 压 缩 性,大
12、 10-20m2/g 小 大 大 小,中 80-100m2/g 中 中 中 中,小 800m2/g 大 小 小 大,比表面积 ：单位质量土颗粒所拥有的总表面积,9克蒙脱土的总表面积大约与一个足球场一样大,一. 固体颗粒,1.3 土的三相组成,1 土的物性与分类,35,黏土矿物的带电性质,黏土颗粒的表面有电荷，净电荷通常为负电荷,一. 固体颗粒,1.3 土的三相组成,1 土的物性与分类,36,3. 颗粒形状,原生矿物 圆状、浑圆状、棱角状 次生矿物 针状、片状、扁平状,1. 固体颗粒,1.1 土的三相组成,1 土的组成,37,结晶水 矿物内部的水 结合水 吸附在土颗粒表面的水 自由水 电场引力作
13、用范围之外的水 土中冰 由自由水冻成，冻胀融陷,二. 土中水（液相）,1.1土的三相组成,1 土的组成,38,结合水,排列致密、定向性强 密度1g/cm3 冰点处于零下几十度 具有固体的特性 温度高于100C时可蒸发,强结合水,位于强结合水之外，电场引 力作用范围之内 外力作用下可以移动 不因重力而移动，有黏滞性,弱结合水,二. 土中水,1.3 土的三相组成,1 土的物性与分类,39,自由水,重力水,毛细水,在重力作用下可在土中自由流动,存在于固气之间 在重力与表面张力作用下 可在土粒间空隙中自由移动,二. 土中水,1.1土的三相组成,1 土的物性与分类,40, = 湿润角,T = 界面张力,
14、d = 毛管直径,ua-uw = 压力差,二. 土中水,1.1 土的三相组成,1 土的物性与分类,毛细水,毛细现象,41,土中毛细现象,上升高度:,r2hcw=2rTcos,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,毛细升高与孔径成反比,黏土 粉土 砂土 砾石,分析对象: 水柱,二. 土中水,1.1 土的三相组成,1 土的物性与分类,大气压为基准,42,毛细压力,2rTcos+ucr2 = 0,毛细压力,分析对象: 水膜,二. 土中水,1.3 土的三相组成,1 土的物性与分类,43,毛细压力,二. 土中水,1.1土的三相组成,1 土的组成,对砂土强度
15、的影响: 毛细边角水, 假凝聚力,非饱和土中毛细张力影响,44,三. 土中气体,自由气体：与大气连通，对土的性质影响不大 封闭气体：增加土的弹性；阻塞渗流通道,1.3 土的三相组成,1 土的物性与分类,同一种土，原状土样和重塑土样的力学性质有很大差异，可见，土的组成成分不是决定土性的全部，土的结构和构造对土性也有很大影响。 土的结构（fabric of soil)（微观方面）是指土粒大小、形状、相互排列及其联结关系、土中水性质及孔隙特征等因素的综合特征。土的结构是在成土过程中逐渐形成的，它与矿物成份、沉积条件相关。 土的构造 (structure of soil)（宏观方面）是指同一土层中的物
16、质成分和颗粒大小都相近的各部分之间的相互关系的特征，表征了土层的层理、裂隙及大孔隙等宏观特征,结构与构造,1.1土的三相组成,1 土的组成,单粒结构 蜂窝结构 絮状结构,1.5.1 土的结构,1. 单粒结构,为碎石土和砂土的结构特征，是由粗大土粒在水或空气中下沉而形成的。因颗粒较大，士粒间的分子吸引力相对很小，所以颗粒间几乎没有连接，至于未充满孔隙的水分只可能使其具有微弱的毛细水连接。 单粒结构：疏松和紧密 。,呈紧密状单粒结构的土，由于其土粒排列紧密，在动、静荷载作用下都不会产生较大的沉降，所以强度较大，压缩性较小，是较为良好的天然地基。 具有疏松单粒结构的土，其骨架是不稳定的，当受到震动及其他外力作用时，土粒易于发生移动，土中孔隙剧烈减少，引起土的很大变形，因此，这种土层如未经处理一般不宜作为建筑物的地基。,主要由粉粒和细砂0.075 0.005mm 组成的土的结构形式。据研究，粒径在00750005mm
