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第十八章土力学与基础工程第一节土的物理性质和工程分类一、土力学、地基和基础的概念土力学是用力学知识和土工测试技术,研究土的物理、力学性质,研究土的变形及其强度规律的一门科学。工程上所研究的土,可作为建筑环境(如地下工程周围的土介质)、建筑材料(如修筑路基和土坝的土料)和支承建筑物荷载的地基。建筑物或构筑物可分为上部结构、下部结构两部分。下部结构即基础,其作用是支承上部结构荷载,并将其传给地基,见示意图18-1。二、土的生成和组成(一)土的生成土是岩石经风化(物理、化学、生物风化)作用后,再经其他各种外力地质作用(如搬运、沉积)的产物。是由固体颗粒、水和空气组成的三相体,这三种成分混合分布。为研究方便,将三相体中的固体颗粒(简称为土粒)、水和气体分别集中起来,用如图18-2所示的三相组成示意图来表示各部分之间的数量关系。图中符号的意义如下:(二)土的组成及相关概念简述1.固相——即土的颗粒,它的矿物成分、颗粒大小、形状与级配影响土的物理力学性质。(1)土的粒组,将土中颗粒按适当粒径范围分组,使各组内土粒大小、性质大体相近。划分粒组的分界尺寸,称为界限粒径。我国按界限粒径200、20、2、0.05、和0.005(单位为mm)把土粒分为六组:漂石(块石)、卵石、圆砾、砂粒、粉粒和粘粒。(2)土的级配,即土中各粒组的相对含量(各粒组质量占全部粒组质量的百分比),可通过颗粒分析试验测得,用级配累计曲线表示。如图18-3所示为三种土样的级配情况,利用级配曲线可求得不均匀系数Cu、曲率系数Cc以判断土的级配情况。不均匀系数(18-2)曲率系数(18-3)式中:d10、d30、d60——分别相当于累计百分比含量为10%、30%和60%的对应粒径,d10为有效粒径,d60为限制粒径。曲线越缓,Cu越大,表示土粒大小分布范围越大,Cu>10,称为级配良好的土,宜作为良好地基。反之,曲线越陡,土粒大小分布范围越小,Cu<5,称为均粒土,其级配不好,不宜做地基。可做反滤料。但实际上仅用单独一个指标Cu来确定土的级配情况是不够的,还必须同时考察累计曲线的整体形状,故需兼顾曲率系数Cu值。当同时满足不均匀系数Cu>5和曲率系数Cc=1~3这两个条件时,土为级配良好的土;如不能同时满足,则土为级配不良的土。(3)土的结构,指土粒及其集合体的大小、形状、相互排列与联结等综合特征。有三种:单粒结构(颗粒较大),如砂粒、碎石;蜂窝结构(颗粒较细),如粉粒;絮状结构(颗粒极细),如粘粒。(4)土的构造,指物质成分和颗粒大小等相近的各部分土层之间的相互联系特点。主要有层理构造(分水平、交错两种)、裂隙构造和分散构造。2.液相——即土中水。可以呈固态(冰)、液态(水)、气态(水蒸气)存在于土中。从水膜理论的角度来看,水的分类如下:(1)结合水强结合水(吸着水)可塑状态黏土仅含此水呈固态弱结合水(薄膜水)可塑状态黏土多含此水,特别对黏性土的性质影响大地下水位以下透水层中的水(2)自由水重力水地下水位以下透水层中的水毛细水孔隙中的自由水,也能在地下水位以上存在3.气相一一即土中气通畅气与大气相连,常存在于粗粒土中封闭气封闭于孔隙中,常存在于细粒土中三、土的三相比例指标(一)由试验直接测定的基本指标(1)土的重度(重力密度)γ:可用环刀法、灌砂法测定。天然状态下单位体积土的重力称为天然重度(kN/m3),W=mg,而(18-4)453它与土的矿物成分、孔隙大小、含水多少等有关。一般γ=16~22kN/m3之间。(2)土的含水率ω:可用烘干法、酒精燃烧法测定。土中水的重力与土颗粒重力之比,称为含水率,常用百分比表示(18-5)它反映土的干湿程度。含水率越大土越湿越软,地基土承载力越低,我国沿海软黏土含水量常接近50%,高者达60%~70%,地基土容许承载力仅50~80kPa。(3)土里相对密度(旧称“比重”)ds:可用比重瓶法测定。土粒重力与同体积4℃时水的重力之比称为土粒相对密度,即(18-6)式中:γw--4℃时水的重度,近似取γw=l0kN/m3。其大小随土粒矿物成分而异。砂土约为2.65~2.69,黏土在2.72~2.76之间。土中含大量有机质时,土粒相对密度则显著减少。(二)换算的物理性质指标1.土的饱和重度γsat、浮重度γ´及干土重度γd(1)饱和重度γsat。土的孔隙全部被水充满时的重度,称为饱和重度γsat(kN/m3),即(18-7)(2)浮重度(有效重度)γ´。一般从地下水位以下取出的土,其天然重度,可作为饱和重度。当土处于地下水位以下时,则受到水的浮力作用,单位土体积中颗粒的有效重力,由单位土体积中土颗粒的重力扣除浮力后的重度称为土的浮重度γ´(kN/m3),即(γw≈10kN/m3)(18-8)(3)干重度(干重力密度)单位土体积中固体颗粒的重力称为土的干重度γd(kN/m3),即(18-9)干土重度反映土颗粒排列的紧密程度,工程上用γd作为人工填土压实质量的控制指标。一般γd达到l6kN/m3以上时,土就比较密实。2.土的孔隙比е土中孔隙体积与土的颗粒体积之比,称为孔隙比,即(18一10)它表明土的密实程度,建筑物的沉降与土的孔隙比有着密切的关系。天然状态的黏性土,一般当e<0.6时,土密实、压缩性低;当e>l.O时,土是松软的。高压缩性的淤泥质土、淤泥的e值则高达1.5以上。地基土层含有e>l.O的黏性土时,建筑物的沉降量较大。3.土的饱和度Sr土中水的体积与孔隙体积之比称为饱和度Sr,以百分数表示,即(18-11)它表示土的潮湿程度,如Sr=100%,表明土孔隙中充满水,土是完全饱和的;Sr=0,
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