地下空间工程土的工程性质课件2018

土力学学包括括哪些些内容容？基础物理性性质先导土中应应力具体应应用土压力力……核心渗透特特性变形特特性强度特特性1基础与与主线线先导具体应用土的物物理性性质及及分类类土的渗渗透性性土中应应力土的压压缩性性和地地基沉沉降计计算土的抗抗剪强强度土压力力渗透特特性变形特特性强度特特性地基承承载力力土坡和和地基基的稳稳定性性2第二章章土土的物物理性性质及及工程程分类类§2.1土的组组成及及其结结构构构造§2.2土的物物理性性质指指标§2.3土的物物理状状态指指标§2.4土的工工程分分类主要内内容3土的概概念——多种矿矿物颗颗粒组组成的的松散散集合合体。。岩石风化岩石破破碎化化学学成分分改变变剥蚀搬搬运沉沉积松散颗颗粒集集合体体（土土）土的生生成：：岩石地球风化颗粒堆积物地球4碎散性性非连续续介质质受力以以后易易变形形强度低低，易易在联联接处处破坏坏土的特特点颗粒之之间无无联结结或联联结微微弱5三相介介质多孔性性受力后后水、、气可可排出出，使土体体积减减小土的特特点固相—土骨架架液相—水气相—空气6自然变变异性性（1）复杂杂性（2）易变变性（3）结构构性土的特特点7碎散性性多孔性性自然变变异性性力学特特性复复杂变形特特性强度特特性渗透特特性8§2.1土的组组成及及其结结构与与构造造一、土土的固固相土粒的的大小小、相相关矿矿物成成分以以及大大小搭搭配情情况对对土的的物理理力学学性质质有明明显影影响1.土的颗颗粒级级配工程上上将各各种不不同的的土粒粒按其其粒径径范围围，划划分为为若干干粒组组，为为了表表示土土粒的的大小小及组组成情情况，，通常常以土土中各各个粒粒组的的相对对含量量（即即各粒粒组占占土粒粒总量量的百百分数数）来来表示示，称称为土的颗颗粒级级配试验方方法筛分法法：适用于于0.075mm≤≤d≤≤60mm比重计计法:适用于于d＜0.075mm9筛分法法用一套套孔径径不同同的筛筛子，，按从从上至至下筛筛孔逐逐渐减减小放放置。。将事事先称称过质质量的的烘干干土样样过筛筛，称称出留留在各各筛上上的土土质量量，然然后计计算其其占总总土粒粒质量量的百百分数数10比重计计法利用不不同大大小的的土粒粒在水水中的的沉降降速度度不同同来确确定小小于某某粒径径的土土粒含含量11颗粒粒粒径级级配曲曲线纵坐标标表示示小于于某粒粒径的的土粒粒含量量百分分比,横坐坐标表表示土土粒的的粒径径(对对数坐坐标））12颗粒级级配的的描述述工程上上常用用不均均匀系系数Cu描述颗颗粒级级配的的不均均匀程程度d10、d30、d60小于某某粒径径的土土粒含含量为为10%、30%和60%时所对对应的的粒径径Cu愈大，，表示示土粒粒愈不不均匀匀。工工程上上把Cu＜5的土视视为级级配不不良的的土；；Cu＞10的土视视为级级配良良好的的土曲率系系数Cc描述颗颗粒级级配曲曲线整整体形形态，，表明明某粒粒组是是否缺缺失情情况对于砾砾类土土或砂砂类土土，同同时满满足Cu≥5和Cc=1～3时，定定名为为良好好级配配砂或或良好好级配配砾13颗粒级级配的的应用用土的颗颗粒级级配主主要影影响到到土的的渗透透性、、压实实性和和强度度。在工程程上要要根据据不同同目的的来选选择土土料：：作为河河岸路路基，，要考考虑渗渗透性性，应应选级级配良良好的的细砂砂作为一一般地地基，，主要要考虑虑压缩缩性和和强度度，应应选级级配均均匀匀的的粗粒粒土。。142.土粒的的矿物物成分分矿物成成分取取决于于母岩的的矿物物成分分和风化作作用原生矿矿物：：由岩石石经过过物理理风化化形成成，其其矿物物成分分与母母岩相相同次生矿矿物：：岩石经经化学学风化化后所所形成成的新新的矿矿物，，其成成分与与母岩岩不相相同例：石英、、云母母、长长石等等特征：：矿物成成分的的性质质较稳稳定，，由其其组成成的土土具有有无粘粘性、、透水水性较较大、、压缩缩性较较低的的特点点例：粘土矿矿物有有高岭岭石、、伊利利石、、蒙脱脱石等等特征：：性质较较不稳稳定，，具有有较强强的亲亲水性性，遇遇水易易膨胀胀的特特点15二、土土中的的水结晶水水——进入土土颗粒粒矿物物结晶晶格架架中的的水结合水水重力水水——在重力力或水水头压压力下下运动的自自由水水毛细水水——存在于于地下下水位位以上上，受到水水与空空气交交界面面处表面张张力作作用的的自由由水强结合合水弱结合合水自由水水——受静电电引力力吸附附在土土粒表表面的的水土中水水的含含量显显著影影响土土的性性质(尤其是是粘性性土)。16三、土土中气气体连通气气体——与大气气相连连通，，在外外力作作用下易排排出，，对土土的性性质影影响不不大。封闭气气体——与大气气不相相连通通，在外力力作用下下易溶溶于水水，外外力卸卸除后后又重新新释放放出来来，使使得土土的弹弹性增加加，透透水性性减小小。17四、土土的结结构在成土土过程程中所所形成成的土土粒的的空间间排列列及其其联结结形式式，与与组成成土的的颗粒粒大小小、颗颗粒形形状、、矿物物成分分和沉沉积条条件有有关。单粒结结构——碎石类类土和和砂类类土的的结构构特征征蜂窝结结构——粉土的的结构构特征征絮状结结构——粘性土土的结结构特特征土的结结构类类型：：181.单粒结结构：：粗矿物物颗粒粒在水水或空空气中中在自自重作作用下下沉落落形成成的单单粒结结构，，其特点点是土粒粒间存存在点点与点点的接接触。。根据据形成成条件件不同同，可可分为为疏松松状态态和密密实状状态密实状态疏松状态192.蜂窝结结构：：颗粒间间点与与点接接触，，由于于彼此此之间间引力力大于于重力力，接接触后后，不不再继继续下下沉，，形成成链环环单位位,很很多链链环联联结起起来，，形成成孔隙隙较大大的蜂蜂窝状状结构构蜂窝结构203.絮状结结构：细微粘粘粒大大都呈呈针状状或片片状，，质量量极轻轻，在在水中中处于于悬浮浮状态态。当当悬液液介质质发生生变化化时，，土粒粒表面面的弱弱结合合水厚厚度减减薄，，粘粒粒互相相接近近，凝凝聚成成絮状状物下下沉，，形成成孔隙隙较大大的絮絮状结结构絮状结构21五、土土的构构造土的构构造是指土土体中中各结结构单单元之之间的的关系系。主主要特特征是是土的的成层层性和和裂隙隙性,即层层理构构造和和裂隙隙构造造，二二者都都造成成了土土的不不均匀匀性1.层理构构造：：土粒在在沉积积过程程中,由于于不同阶阶段沉积的的物质质成分分、颗颗粒大大小或或颜色色不同同,而而沿竖向呈现出出成层层特征征2.裂隙构构造：：土体被被许多多不连连续的的小裂裂隙所所分割,在裂裂隙中中常充充填有有各种种盐类类的沉沉淀物物22§2.2土的物物理性性质指指标一、土土的三三相图图气水土粒msmwmVsVwVVa质量m体积VVv下标S———土粒W———水a———气体土的三三相之之间的的数量量比例例直接接影响响土的的性质质。湿土——三相干土——两相饱和土土——两相23二、指指标的的定义义1.土粒比比重（（土粒粒相对对密度度）Gs：土粒质质量与与同体体积的的4℃时纯水水的质质量之之比。。(无量纲纲)土粒比比重决决定于于土的的矿物物成分分。可用比比重瓶瓶法测测定。。一般范范围：：细粒粒土（（粘性性土））一般般2.70～2.75；砂土土一般般为2.65左右。。土中中有机机质含含量增增加，，土粒粒相对对密度度减小小，2.4～2.5。4°C时纯水水的密密度，，＝1g/cm³或1t/m³³气水土粒msmwmVsVwVVa质量m体积V242.土的密密度ρ：单位体体积土土的质质量工程中中常用用重度度来表示示单位位体积积土的的重力力重力加加速度度，近近似取取10m/s2气水土粒msmwmVsVwVVa质量m体积V测定方方法：：环刀法法25气水土粒msmwmVsVwVVa质量m体积V3.土的含含水量量ω：土中水水的质质量与与土粒粒质量量之比比。％％土的含含水量量是标标志土土含水水程度度的一一个重重要物物理指指标。。天然土土层含含水量量变化化范围围较大大，与与土的的种类类、埋埋藏条条件及及其所所处的的自然然地理理环境境等有有关。。测定方方法：：通常用用烘干干法，，亦可可近似似用酒酒精燃燃烧法法264.不同状状态下下土的的密度度和重重度干密度度ρd：单位体体积中中固体体颗粒粒部分分的质质量浮密度度ρ：土单位位体积积内土土粒质质量与与同体体积水水的质质量之之差各密度度指标标在数数值上上的关关系：：ρsat>ρ>ρd>ρ可证明明：ρ＝＝ρsat－ρw气水土粒msmwmVsVwVVVa质量m体积V饱和密密度ρsat：土体中中孔隙隙完全全被水水充满满时的的土的的密度度工程上上用以以控制制填方方的施施工质质量。。27气水土粒msmwmVsVwVVVa质量m体积V孔隙比比e和孔隙隙率n孔隙比比e：土中孔孔隙体体积与与土粒粒体积积之比比饱和度度Sr：土中孔孔隙水水的体体积与与孔隙隙总体体积之之比，，％饱和度度描述述土中中孔隙隙被水水充满满的程程度。。干土土Sr=0,饱和土Sr=100%。砂土根据饱和和度分为为三种状状态:孔隙率n：土中孔隙隙体积与与总体积积之比，，以百分分数表示示Sr≤50%稍湿；50％＜Sr≤80%很湿；Sr＞80%饱和5.描述土的的孔隙体体积相对对含量的的指标28三、指标标间的换换算气水土粒Gsρw

Vs＝11+e质量m体积V土的三相相指标中中，土粒比重重Gs，含水量ω和密度ρ是通过试试验测定定的，可可以根据据三个基基本指标标换算出出其余各各指标Vv=eωGsρw

Gs（1＋ω）ρw

推导：换算关系系式：29四、例题题分析【例1】某土样经经试验测测得体积积为100cm3，湿土质量量为187g，烘干后，，干土质质量为167g。若土粒的的相对密密度Gs为2.66，求该土土样的含含水量ω、密度ρ、重度、干重度d、孔隙比比e、饱和重重度sat和有效重重度。【解答】30【例2】已知土粒粒比重Gs为2.72，饱和和度Sr为37%，孔隙比e为0.95。问当Sr提高到90％时，每立立方的土土应加多多少水？？【解答】由Vv=eVs=V－Vs得Vs=V/1＋e=1/1+0.95=0.513m³Vv=eVs=0.95×0.513=0.487m³当Sr为37%时，Vw=SrVv=0.37×0.487=0.18m³当Sr为90%时，Vw=SrVv=0.90×0.487=0.438m³（Vv不变）∆Vw=0.438－0.18=0.258m³故应加水水∆Ww=γw·∆Vw=10×0.258=2.58kN31【例3】某料场30万方土料料，初始始孔隙比比e1＝1.2，问可填填筑e2＝0.7的土堤多多少立方方米？【解答】（填筑前前后Vs不变）V＝Vv+Vs=e2Vs+Vs=(0.7+1)Vs=1.7×13.64=23.18万方32【例4】某基坑体体积2000立方米，，土料比比重Gs为2.7，含水量ω为15%，孔隙比e为0.6。要求填土土ω为17%，干容重重γd为17.6kN/m3.问（1）取土场场土的容容重、干干容重和和饱和度度？（2）取多少少方土？？（3）碾压时时应洒多多少水？？填土的的孔隙比比是多少少？【解答】（1）33（2）填土（3）由得Ww=5060.87kN，Ws=33739.1kN设加水xkN，则解出x=674.8kN34§2.3土的物理理状态指指标一、无粘粘性土的的密实度度无粘性土土一般指碎碎石(类)和砂(类)土。无粘性土土的物理理性质主主要决定定于土的的密实度度状态。。土的密实实度指单位体体积土中中固体颗颗粒的含含量。根根据土颗颗粒含量量的多少少，天然然状态下下的砂、、碎石等等处于从从紧密到到松散的的不同物物理状态态。351.孔隙比e孔隙比e可以用来来表示砂砂土的密密实度。。对于同同一种土土，当孔孔隙比小小于某一一限度时时，处于于密实状状态。孔孔隙比愈愈大，土土愈松散散。但孔隙比比e难以反映映颗粒级级配的影影响。2.相对密实实度Dr砂土在天天然状态态下孔隙隙比砂土在最最密实状状态时的的孔隙比比砂土在最最松散状状态时的的孔隙比比当Dr=0时，e=emax，表示土处处于最疏疏松状态态;当Dr=1.0时，e=emin，表示土土体处于于最密实实状态Dr≤1/3疏松状态态1/3＜＜Dr≤2/3中密状态态2/3＜＜Dr≤1密实状态态363.按动力触触探确定定无粘性性土的密密实度天然砂土土的密实实度，可可按原位位标准贯贯入试验验的锤击击数N进行评定定。天然然碎石土土的密实实度，可可按原位位重型圆圆锥动力力触探的的锤击数数N63.5进行评定定(GB50007-2002)密实度按N评定砂土密实度按N63.5评定碎石土密实度松散稍密中密密实N≤10N63.5≤510＜N≤155＜N63.5≤1015＜N≤3010＜N63.5≤20N＞30N63.5＞2037二、例题题分析【例】某砂土试试样,试试验测定定土粒相相对密度度Gs=2.7,含水量ω=9.43%,天然密密度ρ=1.66g/cm3。已知砂样样最密实实状态时时称得干干砂质量量ms1=1.62kg,最疏松状状态时称称得干砂砂质量ms2=1.45kg。求此砂土土的相对对密度Dr,并判断砂砂土所处处的密实实状态【解答】砂土在天天然状态态下的孔孔隙比砂土最小小孔隙比比砂土最大大孔隙比比相对密实实度∈（1/3,2/3]中密状态态38三、粘性性土的稠稠度1.粘性土的的稠度状状态稠度是指土的的软硬程程度或土土受外力力作用所所引起变变形或破破坏的抵抵抗能力力,是粘粘性土最最主要的的物理状状态特征征0固态或半半固态可塑状态态流动状态态ω塑限ωP液限ωL粘性土由由某一种种状态过过渡到另另一状态态的界限限含水量量称为土土的稠度度界限(阿太堡界界限)缩限ωs可塑状态态是指土土在外力力作用下下可塑成成任何形形状而不不发生裂裂纹，并并当外力力移去后后仍能保保持既得得的形状状。39测定方法法：液限：我国采用用锥式液液限仪，，76g锥体人工工放锥5s时沉入土土中10mm美国、日日本等国国家采用用碟式液液限仪。。塑限：搓条法，，土条直直径为3mm时恰好开开始断裂裂联合测定定法：锥锥式液限限仪电磁磁放锥，，下沉深度度为10mm和2mm所对应的的含水量量分别为为液限和塑限限《公路土工工试验规规程》(JTJ051－93)规定采用用100g锥体下沉沉20mm为液限。。40液塑限联联合测定定仪下沉深度度为10mm所对应的的含水量量为液限限;下沉沉深度为为2mm处所对应的含含水量为塑限限412.粘性土的塑性性指数和液性性指数塑性指数IP是液限和塑限限的差值(省去%)，即土处在可塑塑状态的含水水量变化范围围说明：塑性指数的大大小取决于土土颗粒吸附结结合水的能力力,即与土中中粘粒含量有有关。粘粒含含量越多,塑塑性指数就越越高说明：液性指数表征征土的天然含含水量与界限限含水量间的的相对关系。。当IL≤0时,ω≤ωP,土处于坚硬状状态;当IL＞1时,ω＞ωL,土处于流动状状态。根据IL值可以直接判判定土的软硬硬状态(GB50007-2002)液性指数IL是粘性土的天然含水水量和塑限的的差值与塑性性指数之比状态液性指数坚硬硬塑可塑软塑流塑IL≤00＜IL≤0.250.25＜IL≤0.750.75＜IL≤1IL＞142例题分析【例】已知粘土比重重为2.75，液限为41％，塑限为22％，饱和度98％，孔隙比1.55。求塑性指数数和液性指数数。【解答】流塑状态43§2.4土的工程分类类一、分类的目目的和原则土的分类体系系就是根据土土的工程性质质差异将土划划分成一定的的类别，目的的在于通过通通用的鉴别标标准，便于在在不同土类间间作有价值的的比较、评价价、积累以及及学术与经验验的交流分类原则：1.分类要简明，，既要能综合合反映土的主主要工程性质质，又要测定定方法简单，，使用方便2.土的分类体系系所采用的指指标要在一定定程度上反映映不同类工程程用土的不同同特性44二、分类体系系与方法分类体系：1.建筑工程系统统分类体系2.工程材料系统统分类体系侧重把土作为为建筑地基和和环境，研究究对象为原状状土，例如：：《建筑地基基基础设计规规范》(GB50007-2002)地基土分类方方法侧重把土作为为建筑材料，，用于路堤、、土坝和填土土地基工程。。研究对象为为扰动土，例例如：《土的的分类标准》》(GBJ145-90)工程用土的分分类和《公路路土工试验规规程》(JTJ051-93)土的工程分类类45分类方法：1.《建筑地基基基础设计规范范》(GB50007－2002)根据土粒大小小、粒组的土土粒含量或土土的塑性指数数把地基土（（岩）分为岩岩石、碎石土土、砂土、粉粉土和粘性土土五大类a.岩石的分类颗粒间牢固粘粘结,呈整体体或具有节理理隙的岩体称称为岩石，坚坚硬程度可根根据岩块的饱饱和单轴抗压压强度frk分类坚硬程度类别饱和单轴抗压强度frk(Mpa)坚硬岩较硬岩较软岩软岩极软岩30＜frk≤60frk＞6015＜frk≤305＜frk≤15frk≤546土的名称漂石块石卵石碎石圆砾角砾颗粒形状圆形及亚圆形为主棱角形为主圆形及亚圆形为主棱角形为主圆形及亚圆形为主棱角形为主颗粒级配粒径大于200mm的颗粒含量超过全重50％粒径大于20mm的颗粒含量超过全重50％粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50％注：定名时应根