地基与基础-土的物理性质与工程分类

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1、 地基与基础工程地基与基础工程Soil Mechanics and Foundation EngineeringSoil 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

2、、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、土体的生成风化岩石地球土地球生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

3、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

4、、浑圆状、棱角状次生矿物 针状、片状、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 粒径曲线法表

5、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 0.1200g10 16 18 24 22 38 72P % 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粒径(mm)0.050.010.005 百分数P(%)2613.510典 型 颗 分 级 配 曲 线沉降分析结果100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0小于某粒径之土质量百分数P（）10 5.01.0 0.50.10 0.050.01 0.0050.001粒径(mm)100 90 80 70 60 50 40 30 2

7、0 10 0小于某粒径之土质量百分数（）10 5.01.0 0.50.10 0.050.01 0.0050.001粒径(mm)土的粒径级配累积曲线d60d50d10d30d60d10d30CuCc0.33 0.005 0.063662.41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 表示 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0小于某粒径之土质量百分数（）10 5.01.0 0.50.

8、10 0.050.01 0.0050.001粒径(mm)土的粒径级配累积曲线d60d10d30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, 级配连续性好曲线d60d10d30CuCc L 0.33 0.0050.081 663.98 M0.0632.41 R0.0300.545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 3 或 Cc 3 或 Cc 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

9、 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

10、 (三相间的比例关系)力学特 性影响表 示一. 土的三相图水气 土 粒VaVwVsVvVWa=0WwWsW质量体积二.土的物理性质指标确定WaterAirSoilVaVwVsVv VWa=0WwWsW质量体积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W

11、aterAirSoilVaVwVsVv VWa=0WwWsW质量体积土粒相对密度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 2.652.954C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: 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

12、: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 sat ds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 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WaterAirSoil0 VsVvVe11+e质

13、量体积已知关系五个: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eeedswdswdsw(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 n【例1-1】某土样，重量为1.87N，体积为100cm3，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

14、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nemax与emin ：最大与最小孔隙比相对密度Dr = 1 , 最密状态Dr = 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

15、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。标准贯入试验 垂击数N63.5N63.555N63.51010 N63.520N63.520密实度松散稍密中密密实判定标准：二、 粘性土的物理特性 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