null《土力学》教案《土力学》教案课 次:第3次
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内容
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:土的物理特性指标;土的结构与构造;土的工程分类
重点内容:黏性土的物理特性指标;土的工程分类
教学方法:精讲启发式null §2.4 土的物理特性指标
一、粘性土的物理特性指标
粘性土:是指具有可塑状态性质的土,它们在外力的作用下,可塑成任何形状而不开裂,当外力去掉后,仍可保持原形状不变,土的这种性质称为可塑性。
(一)粘性土的界线含水量
含水量的大小对粘性土的工程性质要产生极大的影响,随着含水量的增加,粘性土的强度要降低,压缩性要提高。
粘性土随着含水量的增加,将由固态→半固态→可塑状态→流动状态,如下图所示。null
流动状态:当粘土中水较多、土粒完全被水隔开时,土成泥浆状,可流动。这时土的抗剪强度极低。
可塑状态:在外力作用下可塑成任何形状而不发生裂缝,当外力移去后能保持既得形状,不回弹也不坍塌,粘性土的这种特性称为可塑性,相应的状态为可塑状态。此时土有很小的抗剪强度。
半固态:当含水量继续减少时,土体因水份减少而发生体积收缩,称为半固态。null固态:当含水量进一步减少,但其体积不再收缩时,粘土处于固态。
处于半固态和固态的粘性土,具有较大的抗剪强度,在外力作用下不再有可塑性,而是呈脆性。
界线含水量:粘性土的一种状态转入另一种状态时的分界含水量称为界线含水量。
土由流动状态变成可塑状态的界限含水量称为液限,用WL
表
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示;土由可塑状态变化到半固态的界限含称为塑限,用WP表示;由半固态到固态的界限含水量称为缩限,用WS表示。塑限WP和液限WL在国际上称为阿太堡界限,来源于土壤学,后来应用于土木工程。null处于固态的土,基本上只含强结合水;处于半固态的土,含强结合水及部分弱结合水;处于塑性状态的粘性土含有结合水和少部分自由水;处于流动状态的粘性土含有大量的自由水。
(二)界限含水量的测定方法
1.液限WL的测定
我国用锥式液限仪
来测定,如下图所示。null将调成浓糊状的试样装满盛土杯,刮平杯口面,手握手柄将园锥体轻放于试样之上,使其在自重作用下缓慢下沉。如经过15s圆锥沉入深度恰好为10mm时,该试祥的含水量即为液限wL值。
若锥体入土深度大于10mm,说明土样的含水量高于液限;若锥体入土深度小于10mm,说明土样的含水量低于液限。需重新调配试样,直到合格为止。
对于合格的试样,利用烘干法测定其含水量,即为液限wL。
在欧美等国家多采用碟式液限仪。null2.塑限WP的测定
用“搓条法”测定,将调配好的试样,用手先搓成直径小于10mm的小园球,然后用手撑放在毛玻璃板上搓成小土条,若土条搓至直径为3mm时正好断裂或出现较多裂缝,这时土样的含水量就是塑限。若土条搓至直径3mm时仍未断裂,说明试样含水量高于塑限;如土条过早断裂,说明土样含水量低于塑限。在这种情况下,都需重新调配试样直到合格为止。然后,将合格的试样称取15g,用”烘干法”测定含水量,即得塑限ωP。null3.液塑限联合测定法(公路系统)
用锥式液限仪进行试验时,圆锥的入土深度与土样的含水量有关。试验表明,二者在双对数坐标上为直线关系,如下图所示。
试验时,调配成三种含水
量不同的试样,分别用锥
式液限仪来测定入土深度
,这样便在双对数座标上
得到三个点,
null通过这三点,画一条直线。相应于入土深度10mm时的含水量为液限ωL,相应于入土深度为2mm时的含水量为塑限ωP。
(三)塑性指数与液性指数
1.塑性指数:液限ωL与塑限ωP的差值,即
IP = ωL-ωP
习惯用不带%的数值表示。
塑性指数的大小,反映了土处于可塑状态的含水量变化范围。IP值越大,土处于可塑状态的含水量范围也越大。而土处于可塑状态时,土中水是结合水和小部分自由水。
null因此,IP的大小与土中结合水的含量有明显的关系,也就是与土颗粒大小有关,土粒越细,粘粒越多,其比表面积 越大,结合水含量越高,IP值也就越大。
此外,塑性指数的大小也与矿物成份和土中水的化学成份有关,可看成是土的一个综合性指标。对于塑性指数相似的粘性土,一般均表现出相似的物理力学性质。因此,常用塑性指数作为粘性土分类的
标准
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。此外,塑性指数的大小也与矿物成份和土中水的化学成份有关,可看成是土的一个综合性指标。对于塑性指数相似的粘性土,一般均表现出相似的物理力学性质。因此,常用塑性指数作为粘性土分类的标准。 null
2.液性指数(稠度)
式中:ω----土的天然含水量。
由上式可见:当ω<ωP时,IL < 0,土处于固态和半固态。
当ωP ≤ω≤ωL时 ,0 ≤ IL ≤1,土处于可塑状态。
当ω>ωL时,IL > 1,土处于流动状态。null由此可见,液性指数IL的大小反映了粘性土的软硬程度。IL越大,土越软。根据液性指数IL的大小,《建筑地基基础
设计
领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计
规范
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》将粘性土划分为五种软硬状态,划分标准见下表
(四)粘性土的灵敏度和触变性
天然状态下的粘性土,由于地质历史作用常具有一定的结构性。当土体受到外力扰动作用,其结构遭受破坏时,土的强度降低,压缩性增高。工程上常用灵敏度St来衡量粘性土结构性对强度的影响。
粘性土的软硬状态 null1.灵敏度 Si= qu /qu
式中:qu——原状土无侧限抗压强度,kPa;
qu′——重塑土无侧限抗压强度,kPa。
土的灵敏度愈高,其结构性愈强,受扰动后土的强度降低就愈明显。因此,在基础工程施工中必须注意保护基槽,尽量减少对土结构的扰动。null2.粘性土的触变性:粘性土受扰动时强度降低,而静止时土的强度又重新增长的性质,称为土的触变性。
土的触变性对桩基础很有利,打预制桩时,桩周围土受震结构破坏,强度降低,使桩容易打入。当打桩停止后,土的部分强度又恢复,使桩的承载力又提高了。
(五)土的最优含水量
1.定义
修建公路,有一半以上的路段为填方路段,人工填土作为路基必须处理,一般采用压路机碾压法。对于建筑工程,当人工填土作为建筑物地基时,也必须处理,一般利用人工夯实的方法进行分层夯实,以提高填土的强度,增加密实度和降低透水性,降低压缩量。 null对于过干的土进行夯打时,由于土中水主要是强结合水,土粒周围的水膜很薄,颗粒间具有很大的分子吸引力,阻止颗粒间的移动,击实比较困难。当含水量继续增加时,土中含强结合水及弱结合水,水膜变厚,土粒间联结力减弱而使土粒便于移动,击实效果较好;当水含量继续增大时,土中出现了自由水,击实时,孔隙中过多的水分不易立即排出,势必阻止土粒间的靠扰,产生软弹现象(俗称橡皮土),击实效果反而下降。所以,要使土的击实效果最好,含水量必定有一个最佳值,即最优含水量。
最优含水量:在一定夯击或压实能量下,填土达到最大干密度时,相应的含水量为最优含水量。null2.最优含水量ω0P的测定
用击实仪测定,如下图所示。
图中击锤重24.5N,锤底直径
50mm,落距460mm,击实
筒的容积为1000cm3,内装
土样。
导筒起导向作用,将土样放
,松手后击锤在自重作用下
下落,可将土样击实。null试验时,对同一种土,配成若干份含水量不同的试样,对每一份先取1/3倒入击实筒内,进行击实。对于砂土一般20击,粘土30击。然后再取1/3倒入击实筒,再进行击实,最后将另外1/3倒入击实筒,进行击实,也就是分三层夯实,达到规定击数后,测定土样的含水量和干密度。含水量一般用烘干法测定,而土样的干密度可按下式计算,即null式中:m------击实筒的土样质量,g;
A0-----击实筒内面积,cm2;
h------击实后试样高度,cm;
ω-----含水量,用烘干法测定。
根据对不同含水量试样进行试验
的结果,绘制击实曲线,即含水
量与干密度关系的曲线,如下图
所示,曲线处于峰值的含水量就
是最优含水量ω0P,相应的干密
度为ρdmax.null从击实曲线可以看出,当填土中的含水量低于最优含水量时,随着含水量的增加,干密度也随之加大,表明击实效果逐步提高。当含水量高于最优含水量后,随着含水量的增加,击实效果反而下降。因此,用人工填土作为地基时,首先应调整其含水量为最优含水量,然后再夯实或碾压,才能获得最高的密实度。
3.最优含水量经验值
ω0p=ωp+2
有时,在缺少击实仪条件下,可根据测得的塑限估计最优含水量。null二、无粘性土的密实度
对于砂、卵石、砾石等无粘性土,属单粒结构,最主要的物理特性指标就是密实度。表明密实度的方法有三种:
1. 用孔隙比e作为划分密实度的标准,e值越小,土越密实。
以相对密度Dr作为划分密实度的标准
相对密度 null
式中:e——天然孔隙比;
emax——最疏松状态下的孔隙比,即最大孔隙比;
emin——最密实状态下的孔隙比,即最小孔隙比。
Dr=0~1。Dr值越大,土越密实。则:
1≥>0.67 密实的
0.67≥>0.33 中密的
0.33≥>0 松散的null3. 用标准贯入试验捶击数N63.5作为划分密实度的标准
标准贯入试验是一种现场原位测试方法,是将标准贯入器打入土中一定距离(30cm)所需落锤次数(标贯击数),记为N63.5,该值反映了土的密实度的大小。该值越大,土越密实(见下表)
砂土和碎石土密实度的划分 null §2.5 土的结构与构造
一、土的结构
1.土粒间的连结关系
(1)接触连结:是指颗粒之间的直接接触,接触点上的连结强度主要来源于外加压力所带来的有效接触压力。这种连结方式在碎石土、砂土、粉土中或近代沉积土中普遍存在。
(2)胶结连结:是指颗粒之间存在着许多胶结物质,将颗粒胶结连结在一起,一般其连结较为牢固。胶结物质—般有粘土质,可溶盐和无定形铁、铝、硅质等。
null3)结合水连结:是指通过结合水膜而将相邻土粒连结起来的形式,又叫水胶连结。这种连结在一般粘性土中普遍存在。
(4)冰连结:是指含冰土的暂时性连结,融化后即失去这种连结。
2.土的结构类型
(1)单粒结构
(a)为舒松状态
(b)为密实状态null(2)蜂窝结构
主要由粉粒(粒径为0.005mm ~0.075mm)组成的结构形式,在水中因自重作用而下沉,碰到别的正在下沉或已沉积的土粒,由于土粒间的分子引力大于下沉土粒的重力,则下沉土粒被吸引,不再下沉,逐渐形成链环状单元。很多这样的链环联结起来,便形成较大孔隙的蜂窝结构null(3)絮状结构
絮状结构又称絮凝结构,细微的粘粒(粒径小于0.005mm)大都呈针状或片状,形成絮状结构。
蜂窝结构和絮状结构的土,其土粒间的联结强度会由于压密和胶结作用而逐渐得到加强,这种强度称为结构强度。null二、土的构造
1.层状构造
土层由不同的颜色或不同的粒径的土组成层理,一层层互相平行,反映不同年代不同搬运条件形成的土层
2.分散构造
是指颗粒在其搬运和沉积过
程中,经过分选的卵石、砾石、砂等因沉积厚度较大而不显层理的一种构造null结核状构造
在细粒土中混有粗颗粒或各种结核,如含礓石的粉质黏土、含砾石的冰则黏土等,均属结核状构造。
裂隙构造
裂隙构造是因土体被各种成因形成的不连续的小裂隙切割而形成的,在裂隙中常充填有各种盐类的沉淀物。不少坚硬和硬塑状态的粘性土具有此种构造,如图l所示。裂隙将破坏土的整体性,增大透水性,对工程不利。null §2.6 土的工程分类
土是自然地质历史的产物,它的成份、结构和性质是是千变万化的,其工程性质也是千差万别的。因此,有必要对土进行科学的分类,即把工程性质近似的土划分为一类。
人们在长期的生产实践中,已提出过不少分类系统。如:地质分类、土壤分类、粒径分类、结构分类等。每一种分类系统,反映了土某些方面的特征。在工程实践中需要的是适合于工程用途的工程分类方法,既按土的主要工程特性进行分类。
下面主要介绍《建筑地基基础设计规范》的分类法和《公路桥涵地基与基础设计规范》分类法。null一、《建筑地基基础设计规范》分类法
1.岩石
岩石是指颗粒间牢固粘结,呈整体或具有节理裂隙的岩体。
(1)按岩石的坚硬程度,分为坚硬岩、较硬岩、较软岩、软岩、极软岩 岩石坚硬程度的划分 null(2)按岩石的风化程度,分为未风化、微风化、中风化、强风化和全风化。
(3)按岩石的完整程度,分为完整、较完整、较破碎、破碎、极破碎
2.碎石土
是指粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50%的土。
岩石的完整程度 null2.碎石土
是指粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50%的土。
根据粒组含量及颗粒形状可分为漂石或块石、卵石或碎石、圆砾或角砾碎石土的分类 null3.砂土
是指粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50%,而粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50%的土。
根据粒组含量分为砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂 砂土的分类 null4.粉土
是指粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重50%,且塑性指数IP10的土。
5.粘性土
粘性土是指塑性指数Ip大于10的土。
根据塑性指数Ip可分为粉质粘土(10<Ip≤17)和粘土(Ip>17)。
6.人工填土
人工填土是指由于人类活动而形成的堆积物。
(1)根据其物质组成和成因,可分为素填土、杂填土和冲填土三类。
①素填土:由碎石、砂土、粉土、粘性土等组成的填土,不含杂质或含杂质很少。
②杂填土:含有大量建筑垃圾、工业废料或生活垃圾等杂物的填土。null③冲填土:由水力冲填泥砂形成的填土。
(2)按堆填时间,分为老填土和新填土。
①老填土:堆填时间超过10年的粘土或超过5年的粉土。
②新填土:堆填时间小于10年的粘土或小于5年的粉土。
7.特殊性土
(1)淤泥和淤泥质土
淤泥:天然含水量ω>ωL,天然孔隙比e>1.5的粘性土称为淤泥。
淤泥质土:天然含水量ω>ωL,天然孔隙比1.0
50%,裂隙发育,具有明显收缩性的棕红、褐黄等色的高塑性粘土称为红粘土,一般分布于北纬33度以南地区。
次生红粘土:经搬运但仍保留红粘土特征,且液限ωL>45%的土,称为次生红粘土。
(3)黄土:是一种含大量碳酸盐类,且常能以肉眼观察到大孔隙的黄色粉状土。
天然黄土在未受水浸湿时,一般强度较高,压缩性较低。但当其受水浸湿后,因黄土自身大孔隙结构的特征,压缩性剧增使结构受到破坏,土层突然显著下沉,同时强度也随之迅速下降,这类黄土统称为湿陷性黄土。null(4)膨胀土:是指土中含有大量的亲水性粘土矿物成分(如蒙脱石、伊利石等),在环境温度及湿度变化影响下,可产生强烈胀缩变形的土。
由于膨胀土通常强度较高,压缩性较低,易被误认为是良好的地基。但遇水后,就呈现出较大的吸水膨胀和失水收缩的能力,往往导致建筑物和地坪开裂、变形而破坏。
(5)多年冻土:是指冻结状态在自然界连续保持3年或3年以上的土。
当自然条件改变时,它将产生冻胀、融陷、热融滑塌等特殊不良地质现象。null(6)盐渍土:是指易溶盐含量大于0.5%,且具有吸湿、松胀等特性的土。
由于可溶盐遇水溶解,可能导致土体产生湿陷、膨胀以及有害的毛细水上升,使建筑物遭受破坏。
二、细粒土按塑性图分类(自学)
三、《公路桥涵地基与基础设计规范》分类法
1.碎石土的分类与《建筑地基基础设计规范》完全相同,参见表。
2.砂土的分类名称和标准见表。
3.粘性土的分类名称和标准见表null砂土分类 粘性土分类 null
作 业:P29:第3题、第4题
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