1.土力学基础-土的组成

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d、表2-1给出国内常用的粒组划分方法。
表1 粒组的划分
1.1.2土中水(water in soil)
土中水可有不同的形态,如固态的冰、气态的水蒸汽、液态的 水,还有矿物颗粒晶格中的结晶水,这些都属于土中水。对 土的性质影响最大的是液态水,尤其是粘性土,它所含的液 态水对其性质影响最大。 液态水主要有结合水和自由水二种形式 1.结合水:解释结合水膜的概念 包括强结合水和弱结合水: 强结合水(strong bound water) (吸着水:absorbed water): 紧靠土粒表面,受到吸引力最大,约1000个大气压,厚度< 0.003μ m (1μ m=10-3mm)大约几个水分子层厚, 特性:显示固体的性质,极大的粘滞性、弹性和抗剪强度,不 传递静水压力。冰点很低,00C不冻结,1000C不蒸发,不能 溶解盐类; 粘土只含有强结合水时显示固体坚硬状态;砂土的强结合水含 量极少,仅含强结合水的砂土呈散粒状态;

土体的压缩主要是孔隙的缩小.而土的孔隙一般很大,所以土的压缩 性大。
5.变形不可恢复性(non-restitutioon deformation)
土体只能受压不能受拉。变形不可恢复可以这样理解:加荷时,由于 土体具有孔隙,可以透水,液与气可通过孔隙排出,压力达到一定 程度后,土颗粒还将发生错动;卸去荷载以后,由于排出的水和空 气不可再回来以及土粒的错动引起的变形也不可恢复,所以土体具 有较强(大)的塑性,也叫变形不可恢复性。
弱结合水(weak bound water) (又称薄膜水:film water,pellicular water): 紧靠强结合水的外侧,吸附力稍低,厚度稍大,< 0.5μ m. 特性:呈粘滞状态,不传递静水压力,不能自由流动, 但有一定的活动能力。在较强的外电场作用下,薄膜 水可以缓慢流动,自厚的部位向薄的部位作被充移动, 弱结合水对粘性土的性质影响最大. 弱结合水使湿粘土具有可塑性,并减小其抗剪强度;粘 性土的一系列物理、力学性质都与弱结合水有关;砂 性土由于矿物成份不同及土粒比表面积较小,吸着力 差,故可认为砂土不含弱结合水。
土结构的影响:
对土的物理力学性质有重要的影响。
土结构的变化和意义:
土的结构在形成过程中及形成之后,当外界条件变化时都
会使土的结构发生变化。
图A 砂土结构特点
图B 粘土结构特点
•a 单粒非絮凝结构结构
•Байду номын сангаас 粒组的非絮凝结构
•c 单粒的角-面絮凝结构
•d 单粒的角-角凝絮结构
•f 粒组的角-角絮凝结构
m:土的总质量 mW:土中水的质量 ma:土中气体的质量、 可忽略 ms:土中固体颗粒质 量 v:土的总体积 va:土中气体的体积 vw:土中水的体积 vs:中固体颗粒的体 积 vv:土中孔隙的体积 vv=vw+vs
1.2.2.1土的三相草图
可用三相草图来描述土的三相组成 定义土的物理性质指标。
1.2 土的特性(features of soil)
一般来说,土具有碎散性、压缩性、剪变性及透水性等。 1.非均匀各向异性(inhomogeneity and anisotropy) 2.强度低(low strength) 3.透水性大(great pervious) 4.压缩性大(great compressibility)
土粒之间的孔隙相互贯通,形成无数不规则的毛细管,在表面张 力的作用下,毛细水沿着不规则的毛细管上升,形成毛细上升 带。在工程中,应注意毛细水上升的速度和高度,这对建筑物 的底层防潮,及地基土的浸湿、冻胀都有重要影响。
1.1.3 土中气(air in soil)
土的孔隙中未被水占据的部分都是气体。包括: 1)自由气体(free air):指土的孔隙中与大气相连通的气体, 当土体压缩时,自由气体逸出,对工程无很大影响。 2)封闭气体(entrapped air)::这部分气体与大气隔绝,以 封闭气泡的形式存在于粘性土中,当土体压缩时,封闭 气泡被压小。封闭气泡愈多,土的压缩性就愈大,工程 性质越差;而且封闭气泡愈多,土的透水性也会变差。
•工程地质勘察报告中不可缺少的基本内容。
1.2.2.2物理性质指标
直接测定指标(可在实验室内直接测定):
重度、含水量、土粒比重Gs(土粒密度s)。
换算指标:其它指标均为换算指标(孔隙比、饱和度)。
1.三相基本物理指标(三个) 1容重γ (unit weight):实测指标 (密度ρ : 实测指标)
3.土粒比重G(dS) (specific gravity of solid particles):
实测指标 物理意义:土中固体矿物的质量 与同体积纯水的质量的比值。 表达式: ds= mS / vs *ρ W ds= mS /( mS +m1- m2)*ρ W
式中:mS :干土的质量;( mS +m1- m2):表示与干土同体积的 纯水的质量。m1:瓶与水的总质量; m2瓶、水、土的总质量;
2.自由水
在土粒表面电场的影响范围之外,服从重力规律的土中孔隙水,称自由水。 特性:不能抗剪,能传递静水压力,在重力作用下能在土体孔隙中由高处 向低处自由流动,具有溶解盐类的能力,自由水按移动时受力不同分: 重力水(gravitational water): 指在土孔隙中受重力作用而自由流动的水。存在于地下水位面以下的透水 中。特性:具有溶解和潜蚀作用。(潜蚀:水流把土体粗粒孔隙中充填 的细粒土带走,破坏土的结构,形成地表塌陷、陶空) 1.传递静水压力并具有浮力 2.运动时服从流体力学规律 3.对土的物理、力学性质影响较大,尤其对于粘性土,重力水会使 其强度降低,压缩性增大。
2.天然含水量w (natural moisture content) :实测指标
物理意义:表示土中含水的多少, 反映土的湿度。 表达式: 常见值:砂土:0~40%;粘性土:(20~60)% 土体含水量愈大,则压缩性愈高,强度愈低。 测定方法: 烘箱烘干法(适合于粘性土、粉土、砂土) 取代表性试样15~20g放入铅盒,并用天平称重,然后放入烘箱内,控 制105℃-110℃,加温至恒重(使结合水蒸发),再称干土重。 (湿土+盒重)-(干土+盒重)=水重(mw) (干土+盒重)- 盒重 =干土重(ms) .酒精燃烧法(工地上没有烘箱,而又急于了解土的含水量时,用此 法) 试样入盒称重,而后倒入酒精,点燃,几分钟后熄灭,用针 将试样调拌均匀,重复3次,可认为土中水全部挥发,求 解mw , ms 及w .铁锅炒干法,适用于卵石或砂夹卵石,取代表发试样3~5kg,称重 后倒入铁锅中干炒,直到不冒气为止,再称重,计算mW , ms 及 w,原理直观。
ρ W:4C纯水的密度;

常见值:砂土:2.65~2.69;粘性土:2.72~2.75;粉土: 2.70~2.71土粒比重G的大小,取决于土的矿物成份。 测定方法:比重瓶法(工程上G均采用实测数值) 100ml玻璃制的比重瓶,将烘干15g的试样放入瓶中,并用1 /1000精度的天平称瓶加干土质量。注入半瓶纯水后煮沸小 时左右以排除土中气体,冷却后将纯水注满比重瓶,再称总质 量和瓶内水温计算而得。 *:经验法;因各种土的土粒比重值相差不大,仅小数点后第二位不同。若 当地已进行了大量土粒比重试验,则往往采用经验值。但新到一地区则 必须采用试验实测值。
对工程性质的影响: 1.使土中应力状态发生变化 2.引起建筑物附加沉降(当水位面下降的时候) 3.对基坑开挖产生很大影响
毛细水(capillary water):指同时受到表面张力和重力作用 而移动的自由水。存在于水位面以上的透水层中(原因: 土中孔隙形成的对水的表面张力往往大于重力),也存在 于不饱和土的较大孔隙中。不具有浮力作用.
6.时效(time effect)
土是固、液、气组成的三相体,土的压缩主要是孔隙被压小,在孔隙 被压小的过程中,孔隙中水和气体的排出需要一个过程,也即需要 一定的时间才能完成,从而使土体产生时效。
1.2.1土的结构性
土的结构性:
指土的物质组成 ( 主要指土粒,也包括孔隙 ) 的空间相互排
列,以及土粒间的联结特征的综合。
物理意义:表示土的松密程度: γ :单位体积土的重量 ρ :单位体积土的质量 常见值:ρ =(1.6~2.2)g/cm3,γ =(16~22)kn/m3 测定方法: 粘性土采用环刀法 1)设计中:取土样,在施工现场钻机开孔取一土柱体,放入铅 盒,用布包好,并用蜡封好,带回试验室,并避免扰动, 用环刀法测定。 2)教学上:试验室采用重塑土样(老师事先制好放在一个大 玻璃皿中),用环刀切下去,并用削土刀把上下抹平,秤 重。 土体积=环刀体积;土样重量=(环刀+土样重)- 环刀重 γ =土样重量/土样体积 取3次平均值即为所求。 3)现场条件下的粗粒土(有时施工现场急于了解土的重度时) 灌砂法或灌水法
1.1.1 土中固体颗粒(土的固相)
1. 粒组的划分和颗粒级配曲线 (1)几个基本概念

粒度:土粒的大小称为粒度。 粒度成分:不同粒径颗粒的相对含量。
粒组:大小相近的土粒合并为组。
a、粒组间的分界线是人为划定的; b、划分时应使粒组界限与粒组性质的变化相适应;
c、按一定的比例递减关系划分粒组的界限值。
毛细作用(capillarity):
土粒和土粒接触点上水对土粒的润湿作用形成环状弯液面。土粒对水形成所谓 表面张力,这种张力反作用于土粒,使土粒之间由于这种作用(毛细压力)而 挤紧,水与土粒之间的这种相互作用称毛细作用。
张力的概念:液体和气体接触面上存在的一种有使液体离开趋势的力,这种
力就是张力,其作用使液表面发生弯曲。
•e 粒组的角-面絮凝结构
g 粒组的角-面絮凝结
构与角-角絮凝结构
1.2.2 土的物理性质指标 (physical character indexes of soil)
在地基基础设计中,确定地基承载力f是依据土的物 理性质。前面又提到,土是固、液、气组成的三相体。 这三相在体积和重量上的比例关系反映着土的干燥和 湿润、坚硬和软弱、密实与松散等等性质,是评价土 的工程性质的最基本的性能指标。 所以土的三相在体积和重量上的比例关系称为土的三 相物理指标。为了方便于研究,人们人为的将土体中 实际上是均匀分散的三个相体理想化的各自集合起来, 画成三相草图,以便讨论土体三相之间的定量关系。
第1章 土的组成、性质和工程分类
1.1 土的组成
1.2 土的工程性质
1.3 土的分类
1.1 土的物质组成
三相体的定义:土是由固体颗粒、液体水和气体三部分 组成的,这就是三相体的概念;有的时候,土只有二相: 如饱和土:只有固相和液相(孔隙完全充满水)。干土: 只有固相和气相(液体蒸发,孔隙中充满气体)。 影响因素:土是天然产物,必然会遭到自然环境的影响。 例如:天气和晴雨、季节的变化(温度高低)、地下水 位的升降等等。三相组成改变,土的工程性质必然改变。 三相组成与工程性质的关系 干粘土:坚硬;干砂:松散;湿粘土:具有可塑性;饱 和细砂:受振动荷载后可产生液化,厂房地基、地震区 地基应避免采用这种地基,因这种地基的承载力可能会 突然丧失(第十一章) 饱和粘土:这种地基完成固结沉降需要的时间很长,因 排水期长。 由此可见,土的三相组成不同,其工程性质差异很大。 因此研究土的工种性质应从土的最基本的三相组成开始。
表1 土粒比重范围
2. 反映土中含水程度的指标(换算指标)
1)含水量(略) 2)土的饱和度 Sr(degree of saturation) 物理意义:土的饱和度 表示孔隙被水充满的 程度。 常见值:Sr=0~100% 确定方法:由 ρ (γ ),w,G计算而得。 工程应用:砂土和粉土 以其作为其湿度的划 分标准。
图2-25 土的三相图 总质量:m=ms+mw 总体积:V=Vs+Vv=Vs+Va+Vw 符号: s—soil v—void a—air w—water
三相草图的意义:
•土的三相物质在体积和质量上的比例关系称为三相比例指标; •三相比例指标反映了土的干燥与潮湿、疏松与紧密;
•评价土的工程性质的最基本的物理性质指标;
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