土力学-第二章-土的工程性质及工程分类

1、土力学第二章 土的性质及工程分类主讲教师：张成兴第二章 土的性质及工程分类2.1 概述2.2 土的三相组成及土的结构2.3 土的物理性质指标2.4 无粘性土的密实度2.5 粘性土的物理特性2.6 土的渗透性2.7 土的压实原理2.8 地基土的工程分类土是指： 连续坚固的岩石在风化作用下形成的大小悬殊的颗粒，经过不同的搬运方式，在各种自然环境中生成的沉积物。风化岩石地球颗粒堆积物地球搬运、沉积2.1 概 述 什么是土？卵 石粘土砂 砾石料 一般固体： 液体： 土体（散粒）：可保持固定的形状不具有特定的形状具有一定但不固定的形状碎散性土有哪些特点？非连续介质 受力以后易变形 体积变化主要是孔隙变化

2、 剪切变形主要由颗粒 相对位移引起 强度低岩石风化的产物多相介质三相性（三相体系）土有哪些特点？固相土骨架液相水气相空气天然性（自然变异性）自然界的产物土有哪些特点？非均匀性各向异性结构性时空变异性碎散性三相性天然性力学特性复杂 变形特性 强度特性 渗透特性土有哪些特点？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2.2 土的三相组成及土的结构一. 固体颗粒物理力学特性组成情况矿物成分大小和形状 2.2 土的三相组成及土的结构2.2.1 土的固体颗粒矿物成分原生矿物 石英、长石、云母次生矿物 主要是粘土矿物，包括三种类型 高岭石、伊利石、蒙脱石粘土矿物:复合的铝-硅酸盐晶体，颗粒程

3、片状。由硅片和铝片构成的晶胞所组合而成土的固体颗粒物质分为无机矿物颗粒和有机质硅片的结构基本单元：硅-氧四面体2.2.1 土的固体颗粒矿物成分铝片的结构基本单元：铝-氢氧八面体2.2.1 土的固体颗粒矿物成分高岭石（氢键联结）粘土矿物的结晶格架蒙脱石伊利石粒径比表面积胀 缩 性强度压 缩 性大10-20m2/g小大小中80-100m2/g中中中小800m2/g大小大9克蒙脱石的总表面积大约与一个足球场一样大砂粒与粘粒 原生矿物 圆状、浑圆状、棱角状次生矿物 针状、片状、扁平状2.2.1 土的固体颗粒颗粒形状2.2.1 土的固体颗粒粒组粒径：颗粒的大小通常以直径表示。称为粒径（mm）或粒度。粒组

4、：工程上常把大小、性质相近的土粒合并为一组，称为粒组。划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。2.2.1 土的固体颗粒粒组土颗粒巨粒(200mm)粗粒(0.075200mm)细粒(0.075mm)卵石或碎石颗粒 (20200mm)圆砾或角砾颗粒 (220mm)砂 (0.0752mm)粉粒(0.0050.075mm)粘粒(5 ，Cc13 2.2.1 土的固体颗粒颗粒级配分析方法颗粒分析试验 筛分法：粒径600.075mm 静水沉降法（沉降分析法）：粒径0.075mm2.2.1 土的固体颗粒筛分法筛分法筛析机2.2.1 土的固体颗粒比重瓶法2.2.1 土的固体颗粒比重瓶法105.02.01.00.50.2

5、50.1200g101618242238721009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数P（）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)P%958778665536土的粒径级配累积曲线水分法颗粒级配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 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 0.670.33Dr 0.67030

6、30N1515N10N10 碎石土的密实度 碎石土更不宜取得原状土样，也难于将贯入器击入其中。对这类土可在现场进行观察,根据其骨架颗粒含量、排列、可挖性及可钻性鉴别。将碎石土分为密实、中密、稍密、松散四种。 2.4 无粘性土的密实度野外观测法松散55%，绝大部分不接触锹易挖掘，井壁极易坍塌钻进很容易，冲击钻探时，钻杆无跳动，孔壁易坍塌2.5 粘性土的物理特性流动状态可塑状态固体状态 半固体状态 刚沉积的粘土，本身不能保持其形态，极易流动 外力作用可塑成任何形状而不产生裂缝，当在外力去掉后仍能保持已获得的形状不变水分蒸发，上覆沉积层厚度增加，含水率减小，体积收缩。 含水率减小,丧失可塑性，在外力

7、作用下，易于发生破裂。 体积不再收缩，空气进入土体，土的颜色变淡。固态或半固态塑态 流态 强结合水弱结合水自由水含水量w土颗粒强结合水弱结合水土颗粒强结合水土颗粒自由水弱结合水强结合水2.5.1 粘性土的稠度与界限含水量粘性土0 ws w p w L固态半固态可塑状态流动状态塑限液限缩限粘性土的界限含水量： 同一种粘性土随其含水量的不同，而分别处于固态、半固态、可塑状态及流动状态。由一种状态转变到另一种状态的分界含水量，叫界限含水量。瑞典科学家阿特堡（Atterberg 1911）提出，这些界限含水量又称为阿特堡界限。界限含水量的测定方法： 塑限：搓条法 液限：锥式液限仪（碟式液限仪）。2.5

8、.1 粘性土的稠度与界限含水量0 ws wp w L固态半固态可塑状态流动状态塑限液限缩限 搓条法 锥式液限仪2.5.1 粘性土的稠度与界限含水量可塑性是粘性土区别于砂土的重要特征，可塑性的大小用土处在可塑状态时的含水量的变化范围来衡量，从液限到塑限含水量的变化范围越大，土的可塑性越好。塑性指数：指液限和塑限的差值（省去%号），即土处在可塑状态的含水量变化范围，用IP表示。 塑性指数越大，表明土的颗粒越细，比表面积越大，土的粘粒或亲水矿物含量越高，土处在可塑状态的含水量变化范围越广。亦即塑性指数能综合反映土的矿物成分和颗粒大小的影响，故塑性指数常作为工程上对粘性土进行分类的依据。2.5.2 粘

9、性土的塑性指数与液性指数IP粘粒含量蒙脱石高岭石伊利石蒙脱石粘粒含量IPIP与矿物成分的关系2.5.2 粘性土的塑性指数与液性指数2.5.2 粘性土的塑性指数与液性指数液性指数：粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比，用IL表示。即 液性指数表征天然含水量与界限含水量间的相对关系，可塑状态的土的液性指数在01之间；液性指数大于1，处于流动状态；液性指数小于0，土处于固态或半固体状态。 天然含水量对粘性土的状态有很大影响，但对于不同的土，即使具有相同的含水量，如果它们的塑限、液限不同，所处的状态也不同，需要一个表征土的天然含水量与分界含水量之间相对关系的指标。2.5.2 粘性土的塑性指数与

10、液性指数状态坚硬硬塑可塑软塑流塑液性指数IL 000.250.250.750.751.0IL 1.0 建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）规定，粘性土根据液性指数可划分为坚硬、硬塑、可塑、软塑、流塑五种软硬状态。2.5.2 粘性土的塑性指数与液性指数注 意 由于液限和塑限目前都是用扰动土测定的，土的结构已彻底破坏，而天然土一般在自重作用已有很长的历史，它获得了一定的结构强度，以至于土的天然含水率大于它的液限也未必一定会发生流动。含水率大于液限只是意味着：若土的结构遭到破坏，它将转变为粘滞泥浆。2.5.2 粘性土的天然稠度 在公路建设中，有时还用稠度来区分粘性土的状态。土的液限与天然

11、含水量之差和塑性指数之比，称为土的天然稠度。 天然状态的粘性土当受扰动后，其强度降低、压缩性增大。土的结构性对强度的这种影响，可用灵敏度 衡量：式中qu，qu 原状、重塑试样的无侧限抗压强度。2.5.3 粘性土的灵敏度和触变性2.5.3 粘性土的灵敏度与触变性 土的灵敏度越高，其结构性越强，受扰动后的强度降低就越明显。为此，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。根据灵敏度将饱和粘性土分为：低灵敏中等灵敏高灵敏1 St 2 2 42.5.3 粘性土的灵敏度与触变性触变性：饱和粘性土当受扰动后，结构产生破坏，其强度降低，但当扰动停止后，土的强度又随时间增大，这种特性称为触变性。

12、 粘性土结构遭到破坏，强度降低，但随时间发展土体强度恢复的胶体化学性质称为土的触变性。2.7 土的压实性及动力特性土的压实性指土体在压实能量作用下，土颗粒克服粒间阻力产生位移，使土中孔隙减小，密度增加的这种性质。土工建筑物，如土坝、土堤及道路填方是用土作为建筑材料填筑而成，为了保证填土有足够的强度，较小的压缩性和透水性。在施工中常常需要压密填料，以提高土的密实度和均匀性。填土的密实度常以其干密度来表示。压实方法：碾压法，夯实法，振动三类。工程实践表明，对于过湿或者过干的粘性土土体都难以压实。只有在适当的含水量范围内才能压实。在一定的压实功（能）下使土最容易压实，并能达到最大密实度时的含水量称为

13、土的最优或最佳含水量，与其相对应的干密度则称为最大干密度。2.7 土的压实性及动力特性压实原理：可以用结合水膜润滑理论及电化学性质来解释。 粘性土中含水量较低，土较干时，土粒表面的结合水膜较薄，水处于强结合水状态，土粒间距较小，粒间电作用力以引力占优势，土粒之间的摩擦力，粘结力都很大，所以土粒相对位移时阻力大，尽管有击实功作用，但也较难克服这种阻力，因此压实效果差。 随着含水量的增加，结合水膜增厚，土粒间距也逐渐增加，此时斥力增加而使土块变软，引力相对减小，压实功比较容易克服粒间引力而使土粒相互位移，趋于密实，压实效果好。 含水量继续增加时，粒间引力减小，但土中出现了自由水，水占据体积越大，颗

14、粒能够占据的相对体积就越小，击实过程中过多的水分不易排出，阻止土粒移动，所以干密度会变小，击实效果反而下降。2.7.1 土的压实原理击实试验轻型：粒径小于5毫米重型：粒径小于20毫米25下，分三层击实56下，分5层击实2.7 土的压实原理击实仪峰值：土的干密度随含水量的变化而变化，并在击实曲线上出现一个干密度峰值，只有当土的含水量达到最优含水量时，才能得到这个峰值。击实曲线位于理论饱和曲线左边击实曲线的形态。击实曲线在最优含水量两侧左陡右缓，且大致与饱和曲线平行，表明土在最优含水量偏干状态时，含水量对土的密实度影响更为明显。2.7.2 影响击实效果的因素含水量的影响击实功能的影响土的性质含水率

15、的影响当含水率较小时，土的干密度随着含水率的增加而增大，而当干密度增加到某一值后，含水率继续增加反而使干密度减小。干密度的这一最大值称为该击数下的最大干密度，此时对应的含水率称为最优含水率。 2.7.2 影响击实效果的因素2.7.2 影响击实效果的因素1、土料的最大干密度和最优含水率不是常数。最大干密度随击数的增加而逐渐增大，最优含水率则逐渐减小。但是这种增大或减小的速率是递减的，因而光靠增加击实功能来提高土的干密度是有一定限度的。 2、含水率较低时击数的影响显著。当含水率较高时，含水率与干密度的关系曲线趋近于饱和线，也就是说，这时提高击实功能是无效的。填料的含水率过高和过低都是不利的，过高恶

16、化土体的力学性质，过低则填土遇水后容易引起湿陷。 击实功的影响 ：土类和级配的影响 ：同样的含水率情况下，粘性土的粘粒含量越高或塑性指数越大，越难于压实；对于无粘性土，含水率对压实性的影响没有像粘性土那么敏感，其击实曲线与粘性土不同，在含水率较大时得到较高的干密度。因此在无粘性土的实际填筑中同时需要不断洒水使其在较高含水率下压实。无粘性土通常用相对密实度来控制，一般不进行击实试验；级配良好的土易于压实，反之则不易压实 。2.7.2 影响击实效果的因素 工程实践中，用土的压实度或者压实系数来直接控制填方工程质量，压实系数定义为工地压实时要求达到的最大干密度与室内击实试验所得到的最大干密度之比值。

17、2.7.2 压实度（压实系数） 在工地对压实度进行检验，一般采用灌砂法、湿度密度仪法或核子密度仪来测定土的干密度和含水量。2.7.2 压实度（压实系数）2.7.3 砂土液化液化：任何物质转化为液体的行为或过程。就无粘性土而言，这种由固体状态变为液体状态的转化是由于孔隙水压力增大和有效应力减小的过程。（美国土木工程协会岩土工程分部土动力学委员会） 土体液化是指饱和状态砂土或粉土在一定强度的动荷载作用下表现出类似液体性质而完全丧失承载力的现象。 砂土液化宏观表现 液化的宏观表现是：喷水冒砂，地面下陷（震陷），建筑物产生巨大沉降和严重倾斜，甚至失稳。（滑坡、上浮） 处于地下水位以下的饱和砂土和粉土的

18、土颗粒结构受到地震作用时将趋于密实，使孔隙水压力急剧上升，而在地震作用的短暂时间内，这种急剧上升的孔隙水压力来不及消散，使原有土颗粒通过接触点传递的压力减小，当有效压力完全消失时，土颗粒处于悬浮状态之中。这时，土体完全失去抗剪强度而显示出近于液体的特性，这种现象称为液化。 砂土液化机理A. 土类；B. 土的密度；C. 土的初始应力状态；D. 往复应力强度与往复次数；A. 土层的地质年代；抗震设计E. 地震烈度和持续时间。D. 地下水位深度；C. 液化土层的埋深；B. 土的组成和密实程度； 影响土液化的主要因素标准贯入试验判别 标准贯入试验设备由穿心锤（标准重量63.5kg ）、触探杆、贯入器等

19、组成。试验时，先用钻具钻至试验土层标高以上15cm，再将标准贯入器打至试验土层标高位置，然后在锤的落距为76cm的条件下，连续打入土层30cm，记录所得锤击数为N63.5。标准贯入试验锤击数临界值Ncr的确定： 当地面下15m深度范围内情况:判别15-20m范围内土的液化可能性时，锤击数临界值Ncr2.8 地基土的工程分类我国的分类方法至今尚未统一，不同的部门根据各自行业特点建立了各自的分类标准。一般对粗粒土主要按颗粒组成进行分类，粘性土则按塑性指数分类。目前国内应用于对土进行分类的标准、规程（规范）主要有以下几种： （1）建设部土的分类标准（GBJ145-90） （2）建设部建筑地基基础设计

20、规范（GB20007-2002） （3）交通部公路土工试验规程（JTJ051-93） （4）水利部土工试验规程（SL237-1999）2.8 地基土的工程分类 一、岩石 定义：颗粒间牢固联结，呈整体或具有节理裂隙的岩体。作为建筑物地基，除应确定岩石的地质名称外，还应划分其坚硬程度、风化程度和完整程度。1. 按坚硬程度分为：坚硬岩、较硬岩、较软岩、软岩、极软岩。2. 按岩石风化程度分为：未风化、微风化、中风化、强风化、全风化。3. 按完整程度分为：完整、较完整、较破碎、破碎、极破碎。4. 按成因分为：岩浆岩、沉积岩、变质岩。 2.8 地基土的工程分类 二、碎石土 1、定义：粒径d2mm的颗粒含量

21、超过全重50%的土。 2、分类依据：土的粒组含量及颗粒形状。 3、定名：漂石、块石、卵石、碎石、圆砾、角砾。 4、工程性质：根据骨架颗粒含量占总重的百分比，颗粒的排列，可挖性与可钻性分为密实、中密、稍密和松散四等。 常见碎石土强度大、压缩性小、渗透性大，为良好地基。 2.8 地基土的工程分类土的名称粒组含量砾砂粒径大于2mm的颗粒占全重25-50%。粗砂粒径大于0.5mm的颗粒超过全重50%。中砂粒径大于0.25mm的颗粒超过全重50%。细砂粒径大于0.075mm的颗粒超过全重85%。粉砂粒径大于0.075mm的颗粒超过全重50%。2.8 地基土的工程分类三、砂土 1、定义：粒径d2mm的颗粒

22、含量不超过全重的50%，且粒径d0.075mm的颗粒超过全重50%的土。 2、密实度：密实、中密、稍密、松散四状态。 3、工程性质：砾砂、粗砂、中砂一般为良好地基；细砂、粉砂具体分析。2.8 地基土的工程分类 四、粉土定义：粒径d0.075mm的颗粒含量不超过全重50%，且Ip10的土。组成：一般为砂粒、粉粒、粘粒的混合体。分类：根据粒径d0.005mm的颗粒含量是否超过全重10%，分为粘质粉土、砂质粉土。密实度：密实(e0.75)、中密(0.75e1为松散状态，属软弱地基；饱和稍密粉土，地震时易产生液化，为不良地基。土的名称 粉质粘土粘土塑性指数 10 17状态坚硬硬塑可塑软塑流塑液性指数IL 000.250.250.750.751.0IL 1.0定义：是指粒径小于0.005mm的颗粒含量占大多数，塑性指数Ip102.8 地基土的工程分类五、粘性土2.8 地基土的工程分类 工程实践表明，土的沉积年代对土的工程性质影响很大，不同沉积年代的粘性土，尽管其物理性质指标可能很接近，但其工程性质可能相差很悬殊。 根据岩土工程勘察规范（GB50021-2001）按土的沉积年代又分为：老粘性土、一般粘性土和新近沉积的粘性土。老粘性土：第四纪晚更新世（Q3）及其以前沉积的粘性土。广泛分布于长江中下游、湖南、内蒙古等地，沉积年代久，工程性能好。