地下空間工程土的工程性質(zhì)課件2018

1、土力學(xué)包括哪些內(nèi)容？基礎(chǔ)物理性質(zhì)先導(dǎo)土中應(yīng)力具體應(yīng)用土壓力核心滲透特性變形特性強(qiáng)度特性1基礎(chǔ)與主線先導(dǎo)具體應(yīng)用土的物理性質(zhì)及分類土的滲透性土中應(yīng)力土的壓縮性和地基沉降計(jì)算土的抗剪強(qiáng)度土壓力滲透特性變形特性強(qiáng)度特性地基承載力 土坡和地基的穩(wěn)定性2第二章 土的物理性質(zhì)及工程分類 2.1 土的組成及其結(jié)構(gòu)構(gòu)造2.2 土的物理性質(zhì)指標(biāo)2.3 土的物理狀態(tài)指標(biāo)2.4 土的工程分類主要內(nèi)容3土的概念多種礦物顆粒組成的松散集合體。巖石風(fēng)化巖石破碎 化學(xué)成分改變剝蝕搬運(yùn)沉積松散顆粒集合體（土） 土的生成：巖石地球風(fēng)化顆粒堆積物地球4碎散性非連續(xù)介質(zhì) 受力以后易變形 強(qiáng)度低，易在聯(lián)接處破壞土的特點(diǎn)顆粒之間無聯(lián)結(jié)

2、或聯(lián)結(jié)微弱5三相介質(zhì)多孔性 受力后水、氣可排出， 使土體積減小土的特點(diǎn)固相土骨架液相水氣相空氣6自然變異性（1）復(fù)雜性（2）易變性（3）結(jié)構(gòu)性土的特點(diǎn)7碎散性多孔性自然變異性力學(xué)特性復(fù)雜 變形特性 強(qiáng)度特性 滲透特性82.1 土的組成及其結(jié)構(gòu)與構(gòu)造一、土的固相 土粒的大小、相關(guān)礦物成分以及大小搭配情況對(duì)土的物理力學(xué)性質(zhì)有明顯影響 1.土的顆粒級(jí)配工程上將各種不同的土粒按其粒徑范圍，劃分為若干粒組，為了表示土粒的大小及組成情況，通常以土中各個(gè)粒組的相對(duì)含量（即各粒組占土?？偭康陌俜?jǐn)?shù)）來表示，稱為土的顆粒級(jí)配 試驗(yàn)方法篩分法：適用于0.075mmd60mm比重計(jì)法:適用于d0.075mm9篩分法

3、用一套孔徑不同的篩子，按從上至下篩孔逐漸減小放置。將事先稱過質(zhì)量的烘干土樣過篩，稱出留在各篩上的土質(zhì)量，然后計(jì)算其占總土粒質(zhì)量的百分?jǐn)?shù) 10比重計(jì)法利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同來確定小于某粒徑的土粒含量11顆粒粒徑級(jí)配曲線 縱坐標(biāo)表示小于某粒徑的土粒含量百分比,橫坐標(biāo)表示土粒的粒徑(對(duì)數(shù)坐標(biāo)）12顆粒級(jí)配的描述 工程上常用不均勻系數(shù)Cu描述顆粒級(jí)配的不均勻程度 d10、d30、d60小于某粒徑的土粒含量為10%、 30%和60%時(shí)所對(duì)應(yīng)的粒徑Cu愈大，表示土粒愈不均勻。工程上把Cu5的土視為級(jí)配不良的土； Cu10的土視為級(jí)配良好的土 曲率系數(shù)Cc描述顆粒級(jí)配曲線整體形態(tài)，表明某粒組

4、是否缺失情況 對(duì)于礫類土或砂類土，同時(shí)滿足Cu5和Cc=13時(shí)，定名為良好級(jí)配砂或良好級(jí)配礫 13顆粒級(jí)配的應(yīng)用 土的顆粒級(jí)配主要影響到土的滲透性、壓實(shí)性和強(qiáng)度。在工程上要根據(jù)不同目的來選擇土料：作為河岸路基，要考慮滲透性，應(yīng)選級(jí)配良好的細(xì)砂作為一般地基，主要考慮壓縮性和強(qiáng)度，應(yīng)選級(jí)配均 勻的粗粒土。142.土粒的礦物成分礦物成分取決于母巖的礦物成分和風(fēng)化作用原生礦物：由巖石經(jīng)過物理風(fēng)化形成，其礦物成分與母巖相同次生礦物：巖石經(jīng)化學(xué)風(fēng)化后所形成的新的礦物，其成分與母巖不相同 例：石英、云母、長(zhǎng)石等特征：礦物成分的性質(zhì)較穩(wěn)定，由其組成的土具有無粘性、透水性較大、壓縮性較低的特點(diǎn) 例：粘土礦物有高

5、嶺石、伊利石、蒙脫石等特征：性質(zhì)較不穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的親水性，遇水易膨脹的特點(diǎn) 15二、土中的水 結(jié)晶水進(jìn)入土顆粒礦物結(jié)晶格架中的水結(jié)合水重力水在重力或水頭壓力下運(yùn) 動(dòng)的自由水毛細(xì)水存在于地下水位以上， 受到水與空氣交界面處 表面張力作用的自由水強(qiáng)結(jié)合水弱結(jié)合水自由水受靜電引力吸附在 土粒表面的水土中水的含量顯著影響土的性質(zhì)(尤其是粘性土)。16三、土中氣體 連通氣體與大氣相連通，在外力作用 下易排出，對(duì)土的性質(zhì)影響不大。封閉氣體與大氣不相連通，在外力 作用下易溶于水，外力卸除后 又重新釋放出來，使得土的彈 性增加，透水性減小。17四、土的結(jié)構(gòu) 在成土過程中所形成的土粒的空間排列及其聯(lián)結(jié)形式，與

6、組成土的顆粒大小、顆粒形狀、礦物成分和沉積條件有關(guān)。單粒結(jié)構(gòu)碎石類土和砂類土的結(jié)構(gòu)特征蜂窩結(jié)構(gòu)粉土的結(jié)構(gòu)特征絮狀結(jié)構(gòu)粘性土的結(jié)構(gòu)特征土的結(jié)構(gòu)類型：181.單粒結(jié)構(gòu)：粗礦物顆粒在水或空氣中在自重作用下沉落形成的單粒結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是土粒間存在點(diǎn)與點(diǎn)的接觸。根據(jù)形成條件不同，可分為疏松狀態(tài)和密實(shí)狀態(tài) 密實(shí)狀態(tài)疏松狀態(tài)192.蜂窩結(jié)構(gòu)：顆粒間點(diǎn)與點(diǎn)接觸，由于彼此之間引力大于重力，接觸后，不再繼續(xù)下沉，形成鏈環(huán)單位,很多鏈環(huán)聯(lián)結(jié)起來，形成孔隙較大的蜂窩狀結(jié)構(gòu) 蜂窩結(jié)構(gòu)203.絮狀結(jié)構(gòu)：細(xì)微粘粒大都呈針狀或片狀，質(zhì)量極輕，在水中處于懸浮狀態(tài)。當(dāng)懸液介質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，土粒表面的弱結(jié)合水厚度減薄，粘?；ハ嘟咏?，凝

7、聚成絮狀物下沉，形成孔隙較大的絮狀結(jié)構(gòu) 絮狀結(jié)構(gòu)21五、土的構(gòu)造 土的構(gòu)造是指土體中各結(jié)構(gòu)單元之間的關(guān)系。主要特征是土的成層性和裂隙性,即層理構(gòu)造和裂隙構(gòu)造，二者都造成了土的不均勻性 1.層理構(gòu)造：土粒在沉積過程中,由于不同階段沉積的物質(zhì)成分、顆粒大小或顏色不同,而沿豎向呈現(xiàn)出成層特征 2.裂隙構(gòu)造：土體被許多不連續(xù)的小裂隙所分割,在裂隙中常充填有各種鹽類的沉淀物 222.2 土的物理性質(zhì)指標(biāo)一、土的三相圖 氣水土粒msmwmVsVwVVa質(zhì)量m體積VVv下標(biāo)S土粒 W水 a氣體土的三相之間的數(shù)量比例直接影響土的性質(zhì)。濕土三相干土兩相飽和土兩相23二、指標(biāo)的定義1.土粒比重（土粒相對(duì)密度）Gs

8、 ：土粒質(zhì)量與同體積的4時(shí)純水的質(zhì)量之比 。(無量綱)土粒比重決定于土的礦物成分?？捎帽戎仄糠y(cè)定。一般范圍：細(xì)粒土（粘性土）一般2.702.75；砂土一般為2.65左右。土中有機(jī)質(zhì)含量增加，土粒相對(duì)密度減小，2.42.5。4C時(shí)純水的密度，1g/cm或1t/m 氣水土粒msmwmVsVwVVa質(zhì)量m體積V242.土的密度：?jiǎn)挝惑w積土的質(zhì)量 工程中常用重度來表示單位體積土的重力 重力加速度，近似取10m/s2 氣水土粒msmwmVsVwVVa質(zhì)量m體積V測(cè)定方法：環(huán)刀法25氣水土粒msmwmVsVwVVa質(zhì)量m體積V3.土的含水量：土中水的質(zhì)量與土粒質(zhì)量之比。土的含水量是標(biāo)志土含水程度的一個(gè)重

9、要物理指標(biāo)。天然土層含水量變化范圍較大，與土的種類、埋藏條件及其所處的自然地理環(huán)境等有關(guān)。 測(cè)定方法：通常用烘干法，亦可近似用酒精燃燒法 264.不同狀態(tài)下土的密度和重度干密度d ：?jiǎn)挝惑w積中固體顆粒部分的質(zhì)量 浮密度 ：土單位體積內(nèi)土粒質(zhì)量與同體積水的質(zhì)量之差 各密度指標(biāo)在數(shù)值上的關(guān)系： sat d 可證明： satw氣水土粒msmwmVsVwVVVa質(zhì)量m體積V飽和密度sat ：土體中孔隙完全被水充滿時(shí)的土的密度 工程上用以控制填方的施工質(zhì)量。27氣水土粒msmwmVsVwVVVa質(zhì)量m體積V孔隙比e和孔隙率n孔隙比e ：土中孔隙體積與土粒體積之比 飽和度Sr ：土中孔隙水的體積與孔隙總體

10、積之比，飽和度描述土中孔隙被水充滿的程度。干土Sr=0,飽和土Sr=100%。砂土根據(jù)飽和度分為三種狀態(tài): 孔隙率n ：土中孔隙體積與總體積之比，以百分?jǐn)?shù)表示 Sr50%稍濕； 50Sr80%很濕； Sr80%飽和5.描述土的孔隙體積相對(duì)含量的指標(biāo)28三、指標(biāo)間的換算氣水土粒Gsw Vs11+e質(zhì)量m體積V土的三相指標(biāo)中，土粒比重Gs ，含水量和密度是通過試驗(yàn)測(cè)定的，可以根據(jù)三個(gè)基本指標(biāo)換算出其余各指標(biāo)Vv=eGsw Gs（1）w 推導(dǎo)：換算關(guān)系式：29四、例題分析 【例1】某土樣經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得體積為100cm3，濕土質(zhì)量為187g，烘干后，干土質(zhì)量為167g。若土粒的相對(duì)密度Gs為2.66，求該

11、土樣的含水量、密度、重度 、干重度d 、孔隙比e、飽和重度sat和有效重度 。 【解答】30【例2】已知土粒比重Gs為2.72， 飽和度Sr為37%，孔隙比e為0.95。問當(dāng)Sr提高到90時(shí)，每立方的土應(yīng)加多少水？【解答】由Vv=eVs=VVs 得Vs=V/1e=1/1+0.95=0.513m Vv=eVs=0.950.513=0.487m 當(dāng)Sr為37%時(shí)，Vw=SrVv=0.370.487=0.18m當(dāng)Sr為90%時(shí)，Vw=SrVv=0.900.487=0.438m （Vv不變）Vw=0.4380.18=0.258m故應(yīng)加水Ww=w Vw=100.258=2.58kN31【例3】某料場(chǎng)30

12、萬方土料，初始孔隙比e11.2，問可填筑e20.7的土堤多少立方米？【解答】（填筑前后Vs不變）VVv+Vs=e2Vs+Vs=(0.7+1)Vs=1.713.64=23.18萬方32【例4】某基坑體積2000立方米，土料比重Gs為2.7， 含水量 為15%，孔隙比e為0.6。 要求填土為17% ，干容重d為17.6kN/m3.問（1）取土場(chǎng)土的容重、干容重和飽和度？ （2）取多少方土？ （3）碾壓時(shí)應(yīng)灑多少水？填土的孔隙比是多少？【解答】（1）33（2）填土（3）由得Ww=5060.87kN，Ws=33739.1kN設(shè)加水xkN，則解出x=674.8kN342.3 土的物理狀態(tài)指標(biāo)一、無粘性土

13、的密實(shí)度 無粘性土一般指碎石(類)和砂(類)土。 無粘性土的物理性質(zhì)主要決定于土的密實(shí)度狀態(tài)。 土的密實(shí)度指單位體積土中固體顆粒的含量。根據(jù)土顆粒含量的多少，天然狀態(tài)下的砂、碎石等處于從緊密到松散的不同物理狀態(tài)。351.孔隙比e 孔隙比e可以用來表示砂土的密實(shí)度。對(duì)于同一種土，當(dāng)孔隙比小于某一限度時(shí)，處于密實(shí)狀態(tài)?？紫侗扔?，土愈松散。 但孔隙比e難以反映顆粒級(jí)配的影響。 2.相對(duì)密實(shí)度Dr砂土在天然狀態(tài)下孔隙比砂土在最密實(shí)狀態(tài)時(shí)的孔隙比砂土在最松散狀態(tài)時(shí)的孔隙比當(dāng)Dr=0時(shí)， e= emax ，表示土處于最疏松狀態(tài);當(dāng)Dr=1.0時(shí)， e= emin ，表示土體處于最密實(shí)狀態(tài)Dr1/3疏松狀

14、態(tài)1/3Dr2/3中密狀態(tài)2/3Dr1密實(shí)狀態(tài)363.按動(dòng)力觸探確定無粘性土的密實(shí)度 天然砂土的密實(shí)度，可按原位標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的錘擊數(shù)N進(jìn)行評(píng)定。天然碎石土的密實(shí)度，可按原位重型圓錐動(dòng)力觸探的錘擊數(shù)N63.5進(jìn)行評(píng)定(GB50007-2002) 密實(shí)度按N評(píng)定砂土密實(shí)度 按N63.5評(píng)定碎石土密實(shí)度 松散稍密中密密實(shí)N10N63.5510N155N63.51015N3010N63.520N30N63.52037二、例題分析 【例】某砂土試樣,試驗(yàn)測(cè)定土粒相對(duì)密度Gs=2.7,含水量=9.43%,天然密度=1.66g/cm3。已知砂樣最密實(shí)狀態(tài)時(shí)稱得干砂質(zhì)量ms1=1.62kg,最疏松狀態(tài)時(shí)稱得干

15、砂質(zhì)量ms2=1.45kg。求此砂土的相對(duì)密度Dr,并判斷砂土所處的密實(shí)狀態(tài) 【解答】砂土在天然狀態(tài)下的孔隙比砂土最小孔隙比砂土最大孔隙比相對(duì)密實(shí)度（1/3,2/3中密狀態(tài)38三、粘性土的稠度 1.粘性土的稠度狀態(tài)稠度是指土的軟硬程度或土受外力作用所引起變形或破壞的抵抗能力,是粘性土最主要的物理狀態(tài)特征 0固態(tài)或半固態(tài)可塑狀態(tài)流動(dòng)狀態(tài)塑限P液限L粘性土由某一種狀態(tài)過渡到另一狀態(tài)的界限含水量稱為土的稠度界限(阿太堡界限)縮限s可塑狀態(tài)是指土在外力作用下可塑成任何形狀而不發(fā)生裂紋，并當(dāng)外力移去后仍能保持既得的形狀。39測(cè)定方法：液限：我國(guó)采用錐式液限儀，76g錐體人工放錐5s 時(shí)沉入土中10mm

16、美國(guó)、日本等國(guó)家采用碟式液限儀。塑限：搓條法，土條直徑為3mm時(shí)恰好開始斷裂聯(lián)合測(cè)定法：錐式液限儀電磁放錐，下沉深度為 10mm和2mm所對(duì)應(yīng)的含水量分別為液 限和塑限 公路土工試驗(yàn)規(guī)程(JTJ05193)規(guī)定采用100g錐體下沉20mm為液限。40液塑限聯(lián)合測(cè)定儀下沉深度為10mm所對(duì)應(yīng)的含水量為液限;下沉深度為2mm處所對(duì)應(yīng)的含水量為塑限 412.粘性土的塑性指數(shù)和液性指數(shù)塑性指數(shù)IP是液限和塑限的差值(省去%)，即土處在可塑狀態(tài)的含水量變化范圍說明：塑性指數(shù)的大小取決于土顆粒吸附結(jié)合水的能力,即與土中粘粒含量有關(guān)。粘粒含量越多,塑性指數(shù)就越高 說明：液性指數(shù)表征土的天然含水量與界限含水量

17、間的相對(duì)關(guān)系。當(dāng)IL0時(shí),P,土處于堅(jiān)硬狀態(tài);當(dāng)IL1時(shí),L,土處于流動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)IL值可以直接判定土的軟硬狀態(tài) (GB50007-2002) 液性指數(shù)IL是粘性土的天然含水量和塑限的差值與塑性指數(shù)之比 狀態(tài)液性指數(shù)堅(jiān)硬硬塑可塑軟塑流塑IL00IL0.250.25IL0.750.75IL1IL142例題分析 【例】已知粘土比重為2.75，液限為41，塑限為22，飽和度98，孔隙比1.55。求塑性指數(shù)和液性指數(shù)?！窘獯稹苛魉軤顟B(tài)432.4 土的工程分類一、分類的目的和原則 土的分類體系就是根據(jù)土的工程性質(zhì)差異將土劃分成一定的類別，目的在于通過通用的鑒別標(biāo)準(zhǔn)，便于在不同土類間作有價(jià)值的比較、評(píng)價(jià)、

18、積累以及學(xué)術(shù)與經(jīng)驗(yàn)的交流分類原則：1.分類要簡(jiǎn)明，既要能綜合反映土的主要工程性質(zhì)，又要測(cè)定方法簡(jiǎn)單，使用方便2.土的分類體系所采用的指標(biāo)要在一定程度上反映不同類工程用土的不同特性44二、分類體系與方法 分類體系：1.建筑工程系統(tǒng)分類體系2.工程材料系統(tǒng)分類體系側(cè)重把土作為建筑地基和環(huán)境，研究對(duì)象為原狀土，例如：建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50007-2002)地基土分類方法側(cè)重把土作為建筑材料，用于路堤、土壩和填土地基工程。研究對(duì)象為擾動(dòng)土，例如：土的分類標(biāo)準(zhǔn)(GBJ145-90)工程用土的分類和公路土工試驗(yàn)規(guī)程(JTJ051-93)土的工程分類45分類方法：1.建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB500

19、072002) 根據(jù)土粒大小、粒組的土粒含量或土的塑性指數(shù)把地基土（巖）分為巖石、碎石土、砂土、粉土和粘性土五大類a.巖石的分類 顆粒間牢固粘結(jié),呈整體或具有節(jié)理隙的巖體稱為巖石，堅(jiān)硬程度可根據(jù)巖塊的飽和單軸抗壓強(qiáng)度frk分類 堅(jiān)硬程度類別飽和單軸抗壓強(qiáng)度frk(Mpa)堅(jiān)硬巖較硬巖較軟巖軟巖極軟巖30frk60frk6015frk305frk15frk546土的名稱漂石塊石卵石碎石圓礫角礫顆粒形狀圓形及亞圓形為主棱角形為主圓形及亞圓形為主棱角形為主圓形及亞圓形為主棱角形為主顆粒級(jí)配粒徑大于200mm的顆粒含量超過全重50粒徑大于20mm的顆粒含量超過全重50粒徑大于2mm的顆粒含量超過全重50注：定名時(shí)應(yīng)根據(jù)顆粒級(jí)配由大到小以最先符合者確定碎石土的分類b.碎石土的分類 粒徑大于2mm的顆粒含量超過全重50%的土稱為碎石土47c.砂土的分類 粒徑大于2mm的顆粒含量不超過全重50%的土，且粒徑大于0.075mm的顆粒含量超過全重50%的土稱為砂土 土的名稱礫砂粗砂中砂細(xì)砂粉砂顆粒級(jí)配粒徑大于2mm的顆粒含量占全重2550注：定名時(shí)應(yīng)根據(jù)顆粒級(jí)配由大到小以最先符合者確定粒徑大于0.5mm