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一 土的物理性質(zhì)與工程分類,積土成山，風雨興焉——《勸學》,1,本章大綱,土的形成 土的三相組成 土的結構性 土的三相關系與物理狀態(tài) 土的脹縮性 土的工程分類 本章實驗,2,1、土的形成,風化作用——土的成因 搬運與沉積——土的形成機理,3,土與巖石關系圖解,,,巖石,風化作用,顆粒堆積物,搬運、堆積,土,壓密、巖化,4,土的“生長期”——第四紀,第四紀包括更新世（2.588 ± 0.005）和全新世（0.011700）,人類的出現(xiàn)與進化是第四紀最重要的事件之一 除巖石裸露的陡峻山坡外，全球幾乎到處被第四紀沉積物覆蓋 第四紀沉積物形成較晚，大多未膠結，保存比較完整,5,巖石→土顆粒之風化作用,物理風化（原生礦物） 氣候變化引起的脹縮開裂，搬運過程中的碰撞和摩擦 礦物成份與母巖相同，產(chǎn)生碎散性 化學風化（次生礦物） 環(huán)境因素（水、空氣等）引起礦物發(fā)生化學反應 包括：水解、水化、氧化、溶解等作用 微細顆粒和可溶性鹽，吸水，產(chǎn)生三相結構性,土的形成與年代相關，且隨著時間增長繼續(xù)發(fā)生變化——自然變異性,6,搬運和堆積,殘積土(Residual soils) 未移動、覆蓋下部母巖 顆粒粗糙棱角、粗細不均、無明顯層理 施工中宜挖去殘積土，采用下部基巖 運積土(Transported soils) 洪積土、沖積土、湖泊沼澤沉積土、海相沉積土 坡積土 冰積土、風積土,殘積土,7,水力運積土,洪積土 洪水搬運，顆粒由粗及細，需重視“透鏡體” 沖積土 河水搬運，顆粒圓滑，形成砂粘土交疊層，需重視軟弱夾層 湖泊沼澤沉積土 極緩水流沉積，生物化學作用形成淤泥質(zhì)土，工程性質(zhì)差 海相沉積土 入?？诙逊e，顆粒細，土質(zhì)松軟，工程性質(zhì)差,8,重力運積土及其他,坡積土 在降雨或重力作用下，坡腳處形成的堆積物，土粒性質(zhì)不均，需注意滑坡 冰積土 冰川或冰水挾帶搬運所形成的沉積物，顆粒粗細變化較大，土質(zhì)不均勻 風積土 風力搬運形成的堆積物，顆粒均勻，不具層理,與土相關的工程設計總是與工程地質(zhì)因素 密不可分,9,冰積土實例——珠峰昆布冰川,10,猜猜：什么電影？什么土？成因？,11,風化作用,12,風化作用類型,物理風化 溫差、河流 化學風化 水解、水化、氧化 生物風化 種子分解頭骨的故事？ 不同地區(qū)，自然條件不同，物理、化學風化有主次之分 從地表向下隨深度增加，風化作用迅速減弱,13,2、土的三相組成,土中的固相——土的骨架 土中的液相與氣相——土體孔隙中的填充物,14,土的三相示意,固相：土骨架 液/氣相：孔隙結構 完全充滿水（飽和土） 部分充滿水（非飽和土） 完全沒有水（干土）,,,15,土體固相分析,顆粒級配 決定土的透水性、粘性和可塑性等物理性質(zhì) 工程用土的基本評價指標 土顆粒成分 礦物化學結構影響土中水與固相結合的性質(zhì) 土顆粒形狀 比表面積影響土的力學性質(zhì),16,顆粒分析,土顆粒粒徑分組 共三個粒組 巨粒組一般透水性很大，無粘性，無毛細水 粗粒組一般易透水，無粘性，毛細水上升高度不大 細粒組一般透水性很小，濕時有粘性、可塑性，毛細水上升高度較大,17,土的級配測量方法,土的顆粒組成情況用土中各種不同粒組的相對含量來描述，這種指標稱為土的顆粒級配 級配測量方法 篩分法（d0.075mm） 比重計法（d0.075mm）,,18,篩分試驗示意圖,10 5.0 2.0 1.0 0.5 0.25 0.1,200g,10 16 18 24 22 38 72,,小于某粒徑之土質(zhì)量百分數(shù)P（％）,粒徑(mm),P % 95 87 78 66 55 36,土的粒徑級配累積曲線,水分法,,,,19,粒徑級配累積曲線的應用,判斷級配是否良好 量化級配的質(zhì)量指標 不均勻系數(shù)Cu 曲率系數(shù)Cc 級配指標分析 Cu 越大則粒徑越懸殊，填筑密實 Cu10 級配良好 Cc 表征土顆粒級配的連續(xù)性 1Cc3 級配連續(xù)，否則不連續(xù),d60≈0.40,d30≈0.07,d10≈0.005,20,土顆粒成分示意圖,,,,,,,,,土顆粒成分,無機物（礦物質(zhì)）,原生礦物,石英、長石、云母…,次生礦物,粘土礦物,氧化物膠體(Fe2O3、Al2O3),可溶鹽(CaCO3、CaSO4、NaCl),有機物,21,粘土礦物結構與分類,基本晶體結構 硅片 鋁片 粘土礦物分類 高嶺石(Kaolinite) 伊利石(Illite) 蒙脫石(Montmorillonite),22,三類粘土礦物性質(zhì)對比,23,粘土礦物帶電性質(zhì),列依斯電泳試驗 粘土顆粒泳向正極（電泳） 水滲向負極（電滲） 應用：電滲固結法,,,,,,,,,,,24,粘土顆粒雙電層結構,固定層和擴散層與土粒表面負電荷一起構成雙電層 形成規(guī)律 粘土顆粒的靜電引力與布朗運動（熱運動）的擴散力作用 溶液原子價 礦物成分 PH值,25,土中水,結合水 靜電引力作用下，不傳遞靜水壓力，不能自由流動 強結合水 幾個水分子厚，厚度小于0.003μm 性質(zhì)接近于固體 粘滯性、彈性和抗剪強度 弱結合水 厚度小于0.5μm 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層 毛細水(capillarity water) 存在于地下水位以上透水層 浸濕、凍脹、鹽漬土 負壓,?? ?? = ????????????? ??? ?? ??,26,毛細壓力分析,毛細水位高度 hc 重力平衡 毛細水壓uc 水壓平衡,?????????????????=?? ?? ?? ? ?? ?? ?? ??,,?? ?? = ???????????? ?? ?? ??,?????????????????+?? ?? ?? ? ?? ?? =??,,?? ?? =? ???????????? ?? =? ?? ?? ?? ??,27,土中的水砂土的液化（東京大地震）,28,土中的氣,自由氣體 與大氣連通，成分相似，對土的性質(zhì)無明顯影響，工程中一般不予以考慮 封閉氣體 四周被土顆粒與水所封閉 受壓力的影響較大，增加土體的彈性，阻塞土中滲流通道，減小滲透性 非飽和土力學的重點研究對象,29,3、土的結構性,試驗表明，土中的土?；驁F粒的空間排列以及相互連接方式對土的性質(zhì)有很大的影響 土的結構受組成、沉積環(huán)境和沉積年代的影響,30,粗粒土的結構,,松散單粒結構,密實單粒結構,壓力&動力沉積作用,31,單粒結構、蜂窩狀結構和絮狀結構,單粒結構由粗大土粒在水或空氣中下沉而形成的 顆粒間相互不連接，相互無吸引力 緊密狀單粒結構可做為良好的天然地基，疏散單粒結構需要處理,,蜂窩狀結構由粉粒(0.075~0.005mm)組成 土粒間相互引力大于重力而形成 抗水平荷載能力較弱,,絮狀結構由粘粒(0.005mm)集合體組成 土粒之間完全依靠相互吸引力，連接形式由顆粒間的帶電性決定 孔隙較大，對擾動比較敏感，各向同性 較蜂窩結構強度更高，壓縮性較小，滲透性較差,,32,靈敏度與觸變性,靈敏度——重塑土的強度干擾程度 土的結構性越強，靈敏度越高 觸變性 土因重塑而軟化，又因靜置而逐漸硬化，強度有所恢復的性質(zhì),?? ?? = ?? ?? ??′ ??,33,4、土的三相關系與物理狀態(tài),土的三相關系——三相比例的度量 土的物理狀態(tài)——粗粒土的密實程度、細粒土的軟硬程度,34,土的三相比例示意圖,,,35,三相基本指標——容重（密度）,質(zhì)量基本關系 天然容重 γ、干容重γd 飽和容重 γsat 、浮容重γ′ γ - γd 天然密度測定方法——環(huán)刀法,??= ?? ?? + ?? ??,??= ?? ?? = ???? ?? =???? ?? ?? = ?? ?? ??,??= ?? ?? = ?? ?? + ?? ?? ?? = ?? ?? ?? ??+ ?? ?? ?? ?? = ?? ?? ??+??,?? ?????? = ?? ?? + ?? ?? ?? ?? ?? ?? ′ = ?? ?? ? ?? ?? ?? ?? ??,?? ?????? ?? ?? ?? ??′,36,三相基本指標——含水率、比重,含水率w 比重Gs 測定方法原理 烘干法測定含水率：將天然原狀土質(zhì)量m，減去完全烘干土的質(zhì)量ms，最終濕、干土質(zhì)量之差m-ms與干土質(zhì)量ms之比值 比重瓶法測比重：將干土粒（ ms ）放入比重瓶，加蒸餾水煮沸除氣，測得土粒排開水的體積Vs，代入公式計算,??= ?? ?? ?? ?? = ?? ?? ?? ?? ?? ?? = ?? ?? ?? ?? ?? ?? = ?? ?? ?? ??,土的三相指標中，天然容重 γ、含水率w和比重Gs含三者比較容易通過試驗得到，所以，這三個基本試驗必須完全掌握原理、目的等,37,三相體積指標,體積基本關系 孔隙比e 孔隙率n 飽和度Sr e - n,??= ?? ?? + ?? ?? = ?? ?? + ?? ?? + ?? ??,??= ?? ?? ?? ??,??= ?? ?? ??,?? ?? = ?? ?? ?? ??,??= ?? ?? ?? ?? = ?? ?? ????? ?? = ?? ?? ?? ??? ?? ?? ?? = ?? ????? ??= ?? ??+??,38,三相指標換算草圖法(e,Gs,w),天然容重 γ 干容重γd 飽和度Sr,??= ?? ?? = ?? ?? +?? ?? ?? ?? + ?? ?? = ??+?? ?? ?? ?? ?? ??+??,?? ?? = ?? ?? ?? ?? = ?? ?? ?? ??,?? ?? = ?? ??+?? = ?? ?? ?? ?? ??+??,,?? ?? ??=?? ?? ??,39,飽和土體換算,飽和容重 γsat ?? ?????? = ?? ?? + ?? ?? ?? ?? ?? = ?? ?? ?? ?? ?? ?? + ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? + ?? ?? = ?? ?? +?? ?? ?? ??+?? 浮容重γ′ ?? ′ = ?? ?? ? ?? ?? ?? ?? ?? = ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? ?? ?? ?? ?? ?? ?? + ?? ?? = ?? ?? ??? ?? ?? ??+??,,40,例題：三個基本指標的推導應用,某原狀土樣，V＝7.08?10-3 m3，m=13.95 kg，w=9.8%，Gs=2. 66 求：e、Sr、ρd、ρsat、w、n,??= ?? ?? = ????.????× ???? ?? ??.????× ???? ?? =??.?????? ?? ?? ?? ?? ?? ?? = ?? ??+?? = ??.???? ??.?????? =??.?????? ?? ?? ?? ?? ??= ?? ?? ?? ?? ?? ?? ???= ??.????×?? ??.?????? ???=??.???? ?? ?????? = ?? ?? +?? ?? ?? ??+?? = ??.????+??.???? ×?? ??+??.???? =??.?????? ?? ?? ?? ?? ??= ?? ??+?? = ??.???? ??+??.???? =??.?????? ?? ?? = ?? ?? ?? ?? = ??.??????×??.???? ??.???? =????.??%,41,無粘性土的物理狀態(tài)指標,密實度：單位體積中固體顆粒含量 前述三相比例指標中，干容重γd 和孔隙比 e 均可表示此概念，但均未考慮粒徑級配這一重要影響,相對密度： ?? ?? = ?? ?????? ??? ?? ?????? ? ?? ??????,土樣一： 土樣二：,,,,42,無粘性土密實度判定,標準貫入試驗采用重量為63.5kg穿心錘，以76cm的落距自由下落，把標準貫入靴打入土中，先打入15cm不計數(shù)，接著每打入10cm記下?lián)魯?shù)，累計打入30cm的錘擊數(shù)，即為標準貫入擊數(shù)N。 野外鑒別,可挖性、可鉆性,,砂土： 碎石土：,43,細粒土的壓實性,室內(nèi)擊實曲線 影響因素 類型、級配 擊實功能 含水率等,?? ?? = ?? ?? ?? ?? ??+ ?? ?? ?? ?? ??,44,細粒土壓實標準,試驗得到最優(yōu)含水率wop，工程上取w=wop±2~3% 工程上常采用壓實度Dc控制（作為填方密度控制標準） ?? ?? = 填 土干密度 室內(nèi)擊實試驗最大干 密度 = ?? ?? ?? ???????? 擊實試驗的作用 判別在某一擊實功作用下土的擊實性能是否良好，土可能達到的最佳密實度范圍與相應的含水率值 研究現(xiàn)場填土的力學特性時，提供合理的密度和含水率。,45,粗粒土壓實性,室內(nèi)擊實曲線 壓實特征 不存在最優(yōu)含水率 潮濕狀態(tài)下ρd明顯降低 在完全風干和飽和兩種狀態(tài)下易于擊實 壓實標準 相對密度控制 Dr0.7~0.75 施工過程中要么風干，要么就充分灑水,46,粘性土的物理狀態(tài)指標,三種稠度狀態(tài) Atterberg稠度狀態(tài),固態(tài)和半固態(tài),可塑狀態(tài),流動狀態(tài),含水率增加,47,界限含水率測定方法,碟式儀液限試驗 適用于粒徑小于0.5mm的土 搓條法塑限試驗 土條直徑恰好為3 mm左右土條自動斷裂，此時土條的含水率即為塑限。 液、塑限聯(lián)合測定法 坐標上對應于圓錐體入土深度為10mm(17mm)和2mm時土樣的含水率分別為該土的液限和塑限,25擊,48,粘土稠度狀態(tài)評價,液性指數(shù)IL ?? ?? = ??? ?? ?? ?? ?? ? ?? ?? 塑性指數(shù)IP ?? ?? = ?? ?? ? ?? ??,49,土的可塑性影響因素,粒徑 細粘粒含量增加，液限與塑限都在增長，但液限增長更為明顯 礦物成分 親水性強的礦物成份（蒙脫石） 活性指數(shù),??= ?? ?? ?? 0.002,50,5、土的脹縮性,粘性土由于含水率的增加，土體體積增大的性能稱為膨脹性 由于含水率的減少，體積減少的性能稱為收縮性 土的膨脹可造成基坑隆起或邊坡滑移等問題 土體積收縮產(chǎn)生裂隙，對土的透水性、強度和邊坡的穩(wěn)定性有很大影響,51,膨脹指標,膨脹率δep 適用于原狀土或擾動粘土在特定荷載和有側限條件下的膨脹率 ?? ???? = ?? ?? ? ?? ?? ?? ?? ×??????% 自由膨脹率δef 適用于擾動粘土 ?? ???? = ?? ?? ? ?? ?? ?? ?? ×??????% 膨脹力 粘土遇水膨脹而產(chǎn)生的內(nèi)應力。此力的解除時，土體發(fā)生膨脹,52,收縮指標,線縮率δsi ?? ???? = ? 0 ? ? ?? ? 0 ×100% 體縮率δV ?? ?? = ?? 0 ? ?? ?? ?? 0 ×100% 天然含水率越小，膨脹性越大，反之則收縮性越大 擾動土的脹縮性比原狀土大，因抵抗脹縮的聯(lián)結強度較小,53,凍脹土,機理分析 弱結合水凍結而使水膜變薄，粘粒表面的不平衡電荷對結合水產(chǎn)生吸附引力，導致冰晶體逐漸增大，體積增加 凍脹指標 凍脹力：凍脹過程中土體的內(nèi)應力，數(shù)值很可能大過上部結構 凍脹率：n= ? 1 ? ? 0 ? 0 ×100%,54,6、土的工程分類,工程分類依據(jù) 各規(guī)范中土的分類,55,分類原則與分類體系,原則 分類簡明，能同時反映土的工程性質(zhì)，且測定簡便 分類參考的指標要反映工程用土的相應特征 分類體系 建筑工程系統(tǒng)分類體系 建筑地基基礎設計規(guī)范(GB50007-2011) 巖土工程勘察規(guī)范(GB50021-2009) 工程材料系統(tǒng)分類體系 公路土工試驗規(guī)程（JTG_E40-2007） 土的工程分類標準（GB／T50145-2007）,56,建筑工程系統(tǒng)分類方法,巖石,57,建筑工程系統(tǒng)分類方法,碎石土（d2mm 的顆粒含量超過全重50%的土）,,58,建筑工程系統(tǒng)分類方法,砂土（d2mm 的顆粒含量不超過全重50%的土，d0.075mm 的顆粒含量50%的土）,,59,建筑工程系統(tǒng)分類方法,粉土和粘性土（d0.075mm的顆粒含量50%的土） IP分類（IP由相應于76g 圓錐體沉入土樣中深度為10mm 時測定的液限計算而得） IL狀態(tài)劃分,60,建筑工程系統(tǒng)分類方法,人工填土 素填土 碎石、砂土、粉土和粘性土 壓實填土 分層壓實或夯實的素填土 雜填土 建筑垃圾、工業(yè)廢料或生活垃圾 沖填土 水力沖填泥砂形成,61,建筑工程系統(tǒng)分類方法,特殊土,62,細粒土的塑性圖分類,A線：Ip=0.63(wL-20),B線: wL=40%,CL CLO,CH CHO,ML MLO,MH MHO,無機粘土（C） 無機粉土（M） 有機質(zhì)土（O） 低塑性土（L） 高塑性土（H）,63,7、本章實驗,密度 比重 含水率 界限含水率 顆粒分析 夏一鳴 18079126528,64,密度實驗,環(huán)刀法測密度 試樣與器材 稱空環(huán)刀重 環(huán)刀內(nèi)部涂抹凡士林 環(huán)刀刃口向下置于土樣上 輕輕下壓 豎切土樣 橫切土樣 削平土樣 收招、搞定,65,密度實驗,成果分析 環(huán)刀重m1 環(huán)刀與濕土總重m2 公式: 精確至0.01g/cm3 平行結果差值0.03g/cm3 結果取算術平均值,?? ?? = ?? ?? ? ?? ?? ??,66,密度實驗記錄示例,67,比重實驗,原理,,,=,=,68,比重實驗流程,69,含水率實驗,兩份稱量盒，取土上蓋稱重 ?? 1 烘箱過夜（8小時） 取出，上蓋再次稱重 ?? 2 查稱量盒標號對應的自重 ?? 0 含水率公式 ??= ?? ?? ? ?? ?? ?? ?? ? ?? ??,,,1,2,,,,70,含水率實驗記錄示例,71,界限含水率WL、Wp,錐式聯(lián)合測定儀,72,界限含水率WL、Wp,試驗流程：,73,界限含水率WL、Wp,試驗結果分析： 雙對數(shù)坐標圖 三點連一直線的情況 三點不在一直線上 2%，補做！,74,作業(yè)一,P62 1-2、1-8、1-9、1-10、1-12 試令孔隙體積 ?? ?? =??，重新推導三相指標的換算關系，用 ?? ?? 、??、??來表示??、 ?? ?? 、 ?? ?? 上交方式 下下周課上課前上交,75,