1、土力学教案,课 次：第3次 主要内容：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,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。,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，
2、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。,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表示；土由可塑状态变化到半固态的界限含称为塑限，用W
3、P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。,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。,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
4、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。,2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P。,3液塑限联合
5、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，,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L，相应于入土深度为2mm时的含水量为塑限P。 （三）塑性指数与液性指数 1塑性指数：液限L与塑限P的差值，即IP = LP 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
6、。,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。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。,2液性指数（稠度）式中：-土的天然含水量。 由上式可见：当L时，IL 1，土处于流动状
7、态。,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，建筑地基基础设计规范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,1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
8、对土结构的扰动。,2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。,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
9、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。,2最优含水量0P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
10、。 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。,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,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；-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，
11、曲线处于峰值的含水量就 是最优含水量0P，相应的干密 度为dmax.,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0p=p+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。,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
12、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,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。 Dr01。Dr值越大，土越密实。则： 10.67 密实的 0.670.33 中密的 0.330 松散的,3. 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,2.5 土的结构与构造 一、土的结构 1土粒间的连结关系
13、 （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。,3）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,（2）蜂窝结构 主要由粉粒（粒径为0.005mm 0.075
14、mm）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,（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。,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
15、、砾石、砂等因沉积厚度较大而不显层理的一种构造,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。,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
16、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。,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,（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
17、完整程度,2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,3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,4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（10Ip17）和粘土（Ip17）。 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
18、,可分为素填土、杂填土和冲填土三类。 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。 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。,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。 老填土：堆填时间超过10年的粘土或超过5年的粉土。 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L，天然孔隙比e1.5的粘性土称为淤泥。 淤泥质土：天然含水量L，天然孔隙比1.0 e1.5的粘性土称为淤泥质土。,（2）红粘土和次生红粘土 红粘土：液限L50，裂隙发育，具有明显收缩性的棕红、褐黄等
19、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L45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。,（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
20、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。,（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,砂土分类,粘性土分类,作 业：P29：第3题、第4题,
