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当前位置:首页 > 建筑/环境 > 工程监理 > 01第一章土的物理性质及工程分类
1、兰州交通大学博文学院教案1课题:第一章土的物理性质及工程分类一、教学目的:1.了解土的生成和工程力学性质及其变化规律;2.掌握土的物理性质指标的测定方法和指标间的相互转换;3.熟悉土的抗渗性与工程分类。二、教学重点:土的组成、土的物理性质指标、物理状态指标。三、教学难点:指标间的相互转换及应用。四、教学时数:6学时。五、习题:兰州交通大学博文学院教案2第一章土的物理性质及工程分类一、土的生成与特性1.土的生成工程领域土的概念:土是指覆盖在地表的没有胶结和弱胶结的颗粒堆积物,土与岩石的区分仅在于颗粒胶结的强弱,土和石没有明显区分。土的生成:岩石在各种风化作用下形成的固体矿物、流体水、气体混合物。不同风化形成不同性质的土,有下列三种:(1)物理风化:只改变颗粒大小,不改变矿物成分。由物理风化生成土为粗粒土(如块碎石、砾石、砂土),为无粘性土。(2)化学风化:矿物发生改变,生成新成分—次生矿物。由化学风化生成土为细粒土,具有粘结力(粘土和粘质粉土),为粘性土。(3)生物风化:动植物与人类活动对岩体的破坏。矿物成分没有变化。2.土的结构和构造(1)土的结构定义:土颗粒间的相互排列和联结形式称。
2、为土的结构。1)种类:单粒结构:每一个颗粒在自重作用下单独下沉并达到稳态。蜂窝结构:单个下沉,碰到已下沉的土颗粒,因土粒间分子引力大于重力不再下沉,形成大孔隙蜂窝状结构。絮状结构:微粒极细的粘土颗粒在水中长期悬浮,相互碰撞吸引形成小链环状土集粒。小链之间相互吸引,形成大链环,称絮状结构。图1.1土的结构3)工程性质:密实的单粒结构工程性质最好,蜂窝结构与絮状结构如被扰动破坏天然结构,则强度低、压缩性高,不可用做天然地基。兰州交通大学博文学院教案3(2)土的构造1)定义:同一土层中,土颗粒之间的相互关系。2)种类:层状结构:由不同颜色或不同粒径的土组成层理,一层一层互相平行。分散构造:土粒分布均匀,性质相近,如砂与卵石层为分散构造。结核状构造:在细粒土中混有粗颗粒或各种结核,属结核状构造。裂隙状构造:土体中有很多不连续的小裂隙。3)工程性质:分散结构的工程性质最好,结核状取决于细粒土,裂隙状渗透性大,工程性质差。3.土的工程特性(1)压缩性高当应力数值相同,材料厚度一样时,卵石的压缩性为刚才压缩性的数千倍;饱和细沙的压缩性为C20混凝土的数千倍,足以证明土的压缩性极高。软塑。
3、或流塑状态的粘性土比饱和细沙的压缩性还要高。(2)强度低土的强度特指抗剪强度,而非抗压强度或抗拉强度。无粘性土的强度来源于土粒表面滑动的摩擦和颗粒间的咬合摩擦;粘性土的强度出摩擦力外,还有粘聚力,均远小于建筑材料本身的强度。(3)透水性大土体颗粒间具有许多透水空隙,因此透水性比木材、混凝土都大,尤其是粗颗粒的卵石或砂土,其透水性更大。4.土的生成与工程特性的关系(1)搬运、沉积条件:冲积层优于风积层。(2)沉积年代:沉积年代越长,工程性质越好。(3)自然环境:特殊土地基。二、土的三相组成土的三相组成是指土由固体矿物、水和气体三部分组成。1.土的固体颗粒土的固体颗粒是土的三相组成中的主体,是决定土的工程性质的主要成分。(1)土粒的矿物成分1)原生矿物兰州交通大学博文学院教案4由岩石经物理风化生成,它的成分与母岩的相同,常见的有石英,包括单矿物颗粒—一个颗粒为单一的矿物,如常见的石英、长石、云母、角闪石与灰石等,砂土即为单矿物颗粒;多矿物颗粒—一个颗粒中包含多种矿物,如巨粒土的漂石、卵石和粗粒土的砾石,往往为多矿物颗粒。2)次生矿物母岩经化学风化生成的新矿物,它的成分成分与母岩的完全不同。。
4、次矿物主要是粘土矿物,由两种种原子层构成:一种是Si-O四面体构成的硅氧晶片,另一种是Al-OH八面体构成的铝氢氧晶片。因为这两种晶片结合的情况不同,粘土矿物可分为下列三种:图1.2粘土矿物两种原子层蒙脱石—两结构单元之间没有氢键,相互的联结弱,水分子可以进入量晶胞之间。因此,蒙脱石的亲水性最大,具有强烈的吸水膨胀、失水收缩的特性。伊利石—又称水云母,部分Si-O四面体中的Si为Al、Fe所取代,损失的原子价由阳离子钾补偿。因此,晶格层组之间具有结合力,亲水性低于蒙脱石。高岭石—晶胞之间有氢键,相互结合力较强,晶胞之间的距离不易改变,水分子不能进入。因此,高岭石的亲水性最小。腐殖质:土中腐殖质含量多,使土的压缩性增大。有机质超过3%~5%的不宜作为建筑材料。(2)土颗粒的大小和形状通过界限粒径(划分粒组的分界尺寸)将土颗粒划分为6个粒组:粘粒(小于0.005㎜)、粉粒(0.005,0.075)、砂粒(0.075,2)、圆砾(角砾)(2,60)、卵石(碎石)/(60,200)、漂石(块石)(大于200mm)。通常粗粒土的压缩性低、强度高、渗透性大。表面粗糙抗剪强度越高。(3)土的颗粒级配。
5、粒径级配:土中各粒组的相对含量,占总质量的百分数。兰州交通大学博文学院教案51)筛分法:适用于砾石类和砂类土,d0.075mm,主要设备为一套标准分析筛,孔径分别为20,10,5,2.0,1.0,0.5,0.25,0.075mm。取样数量:d<20mm,可取1000~2000g;d<10mm,可取300~1000g;d<2mm,可取100~300g;震筛10~15min后称取各级筛底盘试样的质量。2)密度计法:适用于粉土和粘性土,d<0.075mm,测定悬浊液读数。粒径级配曲线上:纵坐标10%所对应的粒径d10称为有效粒径;纵坐标为60%所对应的粒径60d称为限定粒径;60d与10d的比值称为不均匀系数uC,即6010udCd(1.1)不均匀系数uC为表示土颗粒组成的重要特征。当uC很小时曲线很陡,表示土均匀;当uC很大时曲线平缓,表示土的级配良好。曲率系数cC为表示土颗粒组成的又一特征,cC按下式计算:2301060cdCdd(1.2)式中30d为粒径级配曲线上纵坐标为30%所对应的粒径。砾石和砂土级配uC≥5且cC=1~3为级配良好;级配不同时满足这两个要求则为级配不良。2.。
6、土中水(1)结合水1)强结合水排列致密、定向性强;密度1g/cm3;冰点处于零下几十度具有固体的的特性;接近固体,不传递静水压力;温度高于100°C时可蒸发,粘土只含结合水时呈坚硬状态。2)弱结合水:位于强结合水之外,电场引力作用范围之内;密度大;不传递静水压力(不应重力而移动);有粘滞性。自由水:离土粒较远,位于电场引力范围外,排列散乱。重力水:位于地下水位以下,具有浮力作用,可从总水头较高处向较低处流动。毛细水:位于地下水位以上,受毛细作用上升,粉土中空隙小,毛细水上升高。(2)气态水:水汽,影响不大。兰州交通大学博文学院教案6(3)固态水:0℃以下自由水发生冻胀。3.土中气体土颗粒中没有被水填充的部分为气体。(1)自由气体:与大气连通,压缩逸出,对工程无影响。(2)封闭气体:与大气隔绝,加载缩小,卸载膨胀,使土的渗透性降低。三、土的物理性质指标1.土的三项基本物理性质指标(此三项均由实验室测定)(1)土的密度和土的重度1)物理意义:为单位体积土的重量,3/gcm。单位体积土所受的重力,即39,810,/gkNm。2)表达式=mV土的总质量土的总体积。
7、(1.3)3)常见值:331.6~2.2/,16~22/gcmkNcm。4)测定方法:环刀法(粘性土和粉土),灌水法(卵石、砾石与原状砂)。(2)土粒比重()ssGd1)物理意义:土中固体矿物的质量与同体积4℃时的纯水质量的比值。2)表达式:=4(4)(4)sssswwmVG固体颗粒的密度纯水℃时的密度℃℃(1.4)3)常见值:砂土sG=2.65~2,69,粉土sG=2.70~2.71,粘性土2.72~2.75,数值大小取决于矿物成分。4)测定方法:比重瓶法;经验法。(3)土的含水率1)物理意义:土体中水的质量与固体矿物质量的比值,用百分数表示。2)表达式:=100%wsmm水的质量固体颗粒质量(1.5)3)常见值:砂土0%~40%,粘性土20%~60%,0,粘性土呈坚硬状态。4)测定方法:烘箱法。2.反映土的松密程度的指标(1)土的孔隙比e1)物理意义:土中孔隙体积与固体颗粒体积之比。兰州交通大学博文学院教案72)表达式:=VSVeV孔隙体积固体颗粒体积(1.6)3)常见值:砂土0.5~1.0e,粘性土0.5~1.2e4)确定方法:由S。
8、、G、实测值推算。(2)土的孔隙度(孔隙率)n1)物理意义:表示孔隙体积含量,土中空隙占总体积的百分比。2)表达式:=100%VVnV孔隙体积土体总体积(1.7)3)常见值:30%~50%n4)确定方法:由S、G、实测值推算。3.反映土中含水程度的指标(1)含水率(前已述)(2)土的饱和度rS1)物理意义:水在空隙中的充满程度。2)表达式:=WrVVSV水的体积孔隙体积(1.8)3)常见值:0~1rS4)确定方法:由S、G、实测值推算。5)工程应用:砂土和粉土以饱和度分为稍湿(<0.5)、很湿(0.5~0.8)、饱和(>0.8)三类。4.特定条件下土的密度(重度)(1)土的干密度d和土的干重度d1)物理意义:干密度为单位体积土的质量,3/gcm。2)土的干重度为单位体积干土所受的重力,即39.810/ddddgkNm。3)表达式=sdmV固体颗粒质量土的总体积(1.9)4)常见值:331.3~2.0/;13~20/ddgcmkNcm。5)工程应用:干密度或干重度越大,表明土体越密实,表明工程质量越好。6)测定方法:环刀法,放射性同位素测。
9、试仪。(2)土的饱和密度sat和土的饱和重度sat1)物理意义:孔隙中全部充满水时单位体积土的质量,3/gcm。兰州交通大学博文学院教案8孔隙中全部充满水时单位体积土所受的重力,即39.810/satsatsatsatgkNm。2)表达式+m=swawsvwsatmVmVVV孔隙全部充满水的总质量土的总体积(1.10)3)常见值:331.8~2.3/;18~23/satdgcmkNcm。(3)土的有效重度(浮重度)'1)物理意义:地下水位以下土体单位体积土所受的重力扣除浮力。。2)表达式'satw(1.11)3)常见值:3'8~13/kNm。*有效密度:'sswmVV(1.12)延伸:各种密度和重度之间的大小关系sdsatdswvsatmVmVmVV天然密度:干密度:饱和密度:ddsatdsatsatsatwggg天然重度:干重度:饱和重度:浮重度:规律总结:(1)当设1sV时,(1)(1)1(1)1sssssws。
10、wsvGGVmGmGVmGVV(2)当设1V时,1111(1)(1)swwsvSSVmmmVVVGG四、土的物理状态指标1.无粘性土的密实度(1)孔隙比标准(同级配)(2)相对密度标准:maxmaxminreeDee(1.13)用rD指标可将土的密实程度分为:松散(rD1/3)中密(1/3rD2/3)密实(rD2/3)三种状态。兰州交通大学博文学院教案9(3)贯入试验标准一种现场原位测试试验:63.5kg钢锤提升76cm高度贯入30cm所需锤击数N,反映贯入阻力的大小,亦即密实度的大小,将土分为松散(N10)稍密(10N15)中密(15N30)密实(N30)。2.粘性土的物理状态指标无粘性土为单粒结构,土粒与土中水的相互作用不明显,但是粘性土颗粒很细,土粒与土中水相互作用明显,关系密切,同一种土随着含水率的增加土的状态变化为固态—半固态—可塑状态—液体状态,可见粘性土的主要物理特征并非非粘性土使用的指标,而是稠度(反映土粒间的联结强度随着含水率高低而变化的性质。
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