1.土的物理性质及工程分类
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教学内容设计及安排
绪论
一、土力学学科的重要性
土——是地壳岩石经受强烈风化的产物,是各种矿物颗粒的集合体,由固体颗粒、水、和空气三相组成。
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土力学学科研究和解决工程中两大类问题:【工程实例】
土体稳定问题土体变形问题
二、本课程的主要特点、内容及学习建议
第一节 土的组成与土的结构构造
【基本内容】
土=土粒(固相)+水(液相)+空气(气相)
一、土的固体颗粒
土粒的大小、形状、矿物成分和级配对土的物理性质有明显影响。 1.土的颗粒级配
⑴ 粒组的概念:
各粒组的界限粒径:200mm,20mm,2mm,0.075mm,0.005mm ⑵ 确定各粒组相对含量的方法
筛分法——d0.075mm
——颗粒分析试验
比重计法——d0.075mm
试验成果——颗粒级配曲线
【课堂讨论】为什么土的级配曲线用半对数坐标? ⑶ 级配曲线的特点:
纵坐标-小于某粒径的
半对数坐标
横坐标-对数坐标-土
土质量含量(%)
粒粒径(mm)
d60
不均匀系数C=u
d10
⑷ 判别土体级配好坏的指标 2
d30
曲率系数Cc=d60d10
当同时满足Cu≥5,Cc=1~3时,土的级配良好,否则,级配不良。 2.土粒的矿物成分
原生矿物
次生矿物
结合水
二、土中水
自由水
强结合水
弱结合水——对土性质影响大毛细水——受重力和表面张力作
重力水——受重力作用自由流动
用
非封闭气体
三、土中气体
封闭气体——对土的性质影响大
2
单粒结构——常见于砂土、碎石土
四、土的结构蜂窝结构——以粉粒为主的土
絮状结构——是粘性土的主要结构层理构造
五、土的构造
裂隙构造
形式
【校园现场观察土的特点】 【现场提问答疑】 【本次课总结】
1.土是由固体(土粒)、液体(水)和气体(空气)三相所组成; 2.粒径级配曲线的特点及用途; 3.常见土的结构及构造形式。
【复习思考】
1.粘土颗粒表面哪一层水膜对土的工程性质影响最大,为什么? 2.为什么土的级配曲线用半对数坐标? 【课后作业】
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第二节 土的物理性质指标
【基本内容】
反映着土的物理状态,如干湿软硬松密等。表示土的三相组成比例关系的指标,统称为土的三相比例指标。
一、土的三相图
【注意】土的三相图只是理想化地把土体中的三相分开,并不表示实际土体三相所占的比例。
二、物理性质指标
1.基本指标
土的物理性质指标中有三个基本指标可直接通过土工试验测定,亦称直接测定指标。 ① 土的密度或土的天然重度:=试验测定方法:环刀法
② 土粒相对密度(土粒比重)Gs:土粒相对密度定义为土粒的质量与同体积4oC纯水
的质量之比。Gs
msVs
mV
3
3
,(kg/m)g,(kN/m)。
,无量纲。
试验测定方法:比重瓶法
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【课堂讨论】相对密度(比重)与天然密度(重度)的区别
注意:从公式可以看出,对于同一种土,在不同的状态(重度、含水量)下,其比重不 变;
③ 土的含水量——土中水的质量与土粒质量之比,以百分数表示:
mms
100%
试验测定方法:烘干法
【讨论】含水量能否超过100%?
——从公式可以看出,含水量可以超出100%。 2.间接指标(导出指标)
测出上述三个基本试验指标后,就可根据图1-9所示的三相图,计算出三相组成各自的体积上和质量上的含量,并由此确定其它的物理性质指标,即导出指标。
① 孔隙比——孔隙比为土中孔隙何种与土粒体积之比,用小数表示:e
孔隙比是评价土的密实程度的重要物理性质指标。 ② 孔隙率——土中孔隙体积与土的总体积之比:n
孔隙率亦可用来表示同一种土的松、密程度。
③ 饱和度——土中所含水分的体积与孔隙体积之比, 饱和度可描述土体中孔隙被水充
满的程度:Sr
VVv
100%
VvV
VvVs
100%
显然,干土的饱和度Sr =0,当土被完全饱和状态时Sr =100%。砂土根据饱和度可划分为下列三种湿润状态:Sr≤50% 稍湿,50%<Sr≤80% 很湿,Sr>80% 饱和。 【讨论】孔隙比、孔隙率、饱和度能否超过1或100%? ④ 饱和密度和饱和重度
饱和密度sat为土体中隙完全被水充满时的土的密度:sat饱和重度:
sat=sat
msVv
V
,(kg/m3)。
g,(kN/m3)。
⑤ 干密度和干重度
干密度——单位体积中土粒的质量:d
msV
,(kg/m3)。
干重度——单位体积中土粒的重量:d=dg,(kN/m3)。 ⑥ 有效重度(浮重度)
msgVs
V
,(kN/m3)。
同样条件下,上述几种重度在数值上有如下关系:
sat>>d>
5
sat=+
3.指标间的相互换算
已知:(),Gs,——→e,n,Sr,sat(sat),d(d),等的表达式。
推导间接指标的关键在于:熟悉各个指标的定义及其表达式,能熟练利用土的三相简图。 推导公式主要步骤:
①利用VS作为未知数,将土的三相图中的各相物质的质量用(),Gs,和VS表示出来,填在图中;
②先将孔隙比e的表达式求出来,然后将其它指标用(), Gs,和e来表达。
依上图,将m=(1+)Gs Vs和V=(1+e)Vs代入
e=
(1+)Gs
-1
mV
中可得:
注意:此时e已是“已知”的指标。根据各间接指标的定义,利用三相简图可求得:
①d
1
或 d
Gs1e
②sat③
(Gse)1e
, sat
Gse1e
Gs11ee1+e
④n= 或 n=1-
dGs
⑤Sr
Gs
e
【课堂思考】可否用其它简洁方法上述推导公式?如令Vs=1。
【课堂先自习例题后讲解】
【例1-1】某土样经试验测得何种为100㎝3,湿土质量为187g,烘干后,干土质量为 167 g。若土粒的相对密度Gs为2.66,试求该土样的含水量、密度、重度、干重度d、孔隙比e、饱和重度sat和有效重度'。
解题思路:利用定义先求,, ,后根据公式求相关指标。
【例2-1】某完全饱和粘性土的含水量为=40%,土粒相对密度Gs =2.7,试按定义求土的孔隙比e和填密度d。
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解题思路:
①本题给出的条件是饱和土——→Sr=100% ②利用三相图求出各相的质量和体积 ③用定义求出e和d。 【现场提问答疑】 【本次课小结】 1.各指标的定义;
2.利用三相图进行指标间的相互换算。 【复习思考】
1.在土的三相比例指标中,哪些指标是直接测定的?用何方法? 2.在三相比例指标中,哪些指标的数值可以大于1,哪些不行? 【课后作业】
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第三节 土的物理状态指标
【基本内容】
一、无粘性土的密实度
土的密实度——单位土体中固体颗粒的含量。无粘性土的密实度与其工程性质有着密切关系。
描述砂土密实状态的指标有:
1.孔隙比
孔隙比愈大,则土愈松散。
缺陷:①取原状砂样和测定孔隙比存在实际困难,故在实用上也存在问题。②没有考虑到颗粒级配这一重要因素对砂土密实状态的影响。
2.相对密度Dr:将现场土的天然孔隙比e与该种土所能达到最密实时的孔隙比emin和最疏松时的孔隙比emax相对比的方法,来表示孔隙比为e时土的密实度。
Dr
emaxeemaxemin
【讨论】相对密度是否会出现Dr>1.0和Dr
Dr≤
13
疏松
8
13
≤Dr ≤
23
23
中密
Dr ≥ 密实
优点:在理论上比孔隙比能够更合理确定土的密实状态。
缺陷:测定e、emax与emin困难,通常多用于填方工程的质量控制中,对于天然土尚难以应用。
3.依规范GB5007-2002动触探确定无粘性土的密实度——标贯试验N或N63.5,见 表1-3。
优点:可现场测定土的密实度,得到广泛应用。 4.土的稠度 (1)性土的稠度状态
稠度——指土的软硬程度或土受外力作用所引起变形或破坏的抵抗能力。
稠度界限——粘性土由某一种状态过渡到另一状态的分界含水量。 塑限——土从塑性状态转变为半固体状态时的分界含水量。 液限——土从液性状态转变为塑性状态时的分界含水量。 注意:塑限、液限是一个含水量
塑限、液限的测定方法——液塑限联合测定法。 (2)粘性土的塑性指数和液性指数
①塑性指数:Ip=L-P 注意:计算时含水量要去百分号
结论:塑性指数表示土处在可塑状态的含水量变化范围,其值的大小取决于土颗粒吸附结合水的能力,亦即与土中粘粒含量有关。粘粒含量越多,土的比表面积越大,塑性指数就越高。
应用:根据其值大小对粘性土进行分类。
②液性指数: IL=
-p
IP
=
-pL-P
用途:根据其值大小判定土的软硬状态(表1-4)。 【讨论】液性指数是否会出现IL>1.0和IL
【例1-3】某砂土试样,通过试验测定土粒相对密度Gs=2.7,含水量 =9.43%,天然天然密度ρ=1.66/㎝3。已知砂样牌最密实状态时称得干砂质量ms1=1.62㎏,牌最疏松状态时称得干砂质量ms2=1.45㎏。试求此砂土的相对密度Dr,并判断砂土所处的密实状态。
解题思路:
①先利用三个基本指标求出天然孔隙比e
②土最密实时有最大干密度dmax和最小孔隙比emin,土最疏松时有最小干密度dmin和最
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大孔隙比emax。利用公式d=
msV
和e=
Gs
d
-1求得emin与emax。
③利用相对密度的定义式Dr
emaxeemaxemin
求得其密实度。
第四节 土(岩)的工程分类
【基本内容】
一、《土工试验规程》中土的分类
1.一般程序
2.巨粒土和含巨粒土的分类和命名 3.粒土的分类和命名 4.细粒土分类和命名
5.特殊土分类
6.土的简易鉴别、分类和描述 注意:
①各类土的定义;
②利用塑性图对细粒土进行分类的方法。
二、《建筑地基基础设计规范》(GB5007-2002)中地基土的分类
作为建筑地基的土(岩),可分为岩石、碎石土、砂土、粉土、粘性土和人工填土。 注意:
①各类土的定义;
②对碎石土、砂土进行分类时,应根据粒组含量由大到小以最先符合者确定; ③依塑性指数对粉土、粘性土进行分类:
粉土——指粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过总质量的50% 、塑性指数IP≤10的土。
粘性土是——指塑性指数IP>10的土。粘性土【例题先自习后讲解】
【例1-5】接例1-4,试按塑性指数IP确定A、B、C土的名称。 解题思路:
①先计算塑性指数;
②依塑性指数对粉土、粘性土进行命名。
【例1-6】图1-15为某三种土A、B、C的颗粒级配曲线,试按《地基规范》分类法确定三种土的名称。
解题要点:
①能看懂颗粒级配曲线图
②熟悉《地基规范》分类法;
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粉质粘土:10IP17粘土:IP17
③对碎石土、砂土进行分类时,应根据粒组含量由大到小以最先符合者确定。
第五节 土的压实性
【基本内容】
一、击实试验——土的击实机理(粘性土)
二、影响土(粘性土)的压实性的因素
1.含水量的影响:只有在某一含水量(最优含水量)下才能获得最佳的击实效果。 注意:
①在填土工程中注意控制土的含水量,在土较干或较湿时都不容易将土击实到最密实状态。
②含水量过高或过低对填土工程都是不利的。
2.击实功能的影响:
由击实试验可知:
①土粒的最大干密度和最优含水量不是常数。最大干密度随击数的增加而逐渐增大,最 优含水量则逐渐减少。但是这种增大或减少是递减的,因此,光靠增加击实功能来提高土的最大干密度是有一定限度的。
②当含水量较低时击数的影响较显著。当含水量较高时,含水量与干密度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。
3. 土的类型和级配的影响
无粘性土的击实特性与粘性土有很大不同。
【工程经验】在工地现场要判别土料是否在最优含水量附近时,可按下述方法:用手抓 起一把土,握紧后松开,如土成团一点都不散开,说明土太潮湿;如土完全散开,说明土太干燥;如土部分散开,中间部分成团,说明土料含水量在最优含水量附近。
4. 粗粒含量的影响
【课堂练习】
【学生讲台解答】
【学生讨论、互评】
【教师点评】
【提问答疑】
【本次课小结】
1.评价无粘性土的密实度有多个指标;
2.对同一种土其塑限和液限是不变的。
3.对土进行分类时,应按有关规范进行分类;
4.击实曲线所反映的土的击实特性;
5.控制含水量在工程中的应用。
【复习与思考】
1.判断砂土松密程度有几种方法?
2.地基土分几大类?各类土的划分依据是什么?
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3.土的压实性与哪些因素有关?何谓土的最大干密度和最优含水率?
4.在实际工程中如何凭经验判断土料是否处于最优含水量附近?
【课后作业】
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