土的结构与分类.ppt

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1、高等土力学,谢康和,高等土力学 Advanced Soil Mechanics,课时安排1 土的结构与分类（1周）2 土的渗透性和渗流（1周）3 固结（2周）4 沉降分析（1周）5 抗剪强度（1周）,高等土力学 Advanced Soil Mechanics,参考文献1.土的工程性质,黄文熙主编,中国水利水电出版社,1983年2.土工原理与计算(第二版),钱家欢、殷宗泽主编,中国水利水电出版社,1996年5月3.理论土力学,沈珠江著,中国水利水电出版社,2000年5月4.土工计算机分析,龚晓南主编,中国建筑工业出版社,2000年10月5.岩土工程有限元分析理论与应用,谢康和、周健编著,科学出版

2、社,2002年5月6.Advanced Soil Mechanics,Das,B.J.,McGraw-Hill Book Company,19837.高等土力学,李广信主编,清华大学出版社,2004,1 土的结构与分类Structure and Classification of Soil,1.1 土的形成1.2 土的组成1.3 土骨架1.4 土中水1.5 无粘性土的密实度1.6 粘性土的稠度（软硬程度）1.7 土的分类1.8 有效应力原理1.9 粘性土的灵敏度和触变性1.10非饱和土的压实原理-道路等工程,1.1 土的形成,严格地说，土是由地质作用而生成的。,1.1 土的形成,地质作用导致地

3、壳（3080km）成分变化和构造变化的作用。是土的生成的根本原因和动力。,1.1 土的形成,内力地质作用由于地球自转的旋转能和放射性元素的蜕变产生的热能所引起。外力地质作用由于太阳的辐射能和地球的自重能所引起。内力与外力地质作用彼此独立又相互依存，前者对地壳的发展占主导地位。总之，地质作用形成了各种成因的地形，造就了岩浆岩、变质岩、沉积岩，也生成了土。,1.1 土的形成,对土的生成贡献最大的地质作用是风化作用。,1.1 土的形成,按风化成因，土可分为：,岩石经风化剥蚀作用而形成的碎散颗粒，有的存留在原地，有的则进一步经自然力的搬运而在别处沉积，就形成了性质千差万别的各种土。,1.1 土的形成,

4、按沉积地理历史，土可分为：,残积土：未经自然力（水力、风力、冰川活动等）剥蚀和搬运，留存原地的散碎体、碎屑物。分布于山坡、山顶，近基岩。风成沉积土：因风力的剥蚀和搬运作用在别处沉积的土。包括黄土和砂丘。水成沉积土：因水力的侵蚀和搬运作用在别处沉积的土。可分为：坡积土、洪积土、冲积土、湖相沉积土、三角洲沉积土、海相沉积土等冰川沉积土：因冰川活动的剥蚀和搬运作用在别处沉积的土。,土,1.1 土的形成,残积土：性质与母岩类似，与基岩无明显界限(强风化弱风化鲜岩)、粗颗粒且未被磨圆和分选（因未经搬运）、无层理构造、孔隙大、均匀性差。风成沉积土：（1）黄土：黄色、粉状。具有肉眼可见的大孔隙、结构强度较高

5、、压缩性小。但有的在自重应力或自重应力和附加应力的联合作用下，受水浸泡后土体结构迅速破坏而发生显著下沉，称为湿陷性黄土。（2）砂丘：大面积砂性土烈风搬运风速减小时落下形成。可在地面上移动（风力作用下）；砂丘中砂颗粒大小极不均匀（由于风的选分作用）。,1.1 土的形成,水成沉积土：雨、雪水从河流发源地向四面八方流向江河，最后汇入大海。一路上侵蚀、搬运土层，形成各种新的沉积土：（1）坡积土：岩石风化物经雨水、雪水冲刷、侵蚀携带，沉积在较平缓的山坡上形成的沉积物。土质不均匀（搬运距离很短），厚度变化大（新坡积土疏松、压缩性高）（2）洪积土：山洪急流冲刷地表土层，形成泥石流，在山谷冲沟山口或山前倾斜平

6、原上形成的堆积物。有不规则交错的层理构造，如夹层、透镜体等。土质不均匀。（由于山洪是周期性产生的，每次大小均不同，故每次堆积物的性质都不一样）（3）冲积土：河流水力将坡积土、洪积土侵蚀、搬运，沉积在河流、坡降变小的平缓地带形成的沉积物。搬运距离长，带棱角颗粒（如块石、砾石、角砾）经滚磨碰撞变圆、变细。可分为：平原河谷冲积土（颗粒较细）和山区河谷冲积土（颗粒较粗）；有的经多次搬运直至近海区，成为海相沉积土。,1.1 土的形成,（4）湖泊沉积土：湖泊发育过程中由于湖浪冲蚀湖岸、破坏岸壁等而在其中形成的沉积物。成分复杂、变化大。湖边（近岸带）粗颗粒（卵石、圆砾、砂土），远岸带是细颗粒的砂土、粘性土，

7、湖心是粘土和污泥。湖泊淤塞后形成沼泽，沼泽沉积物包括泥炭土（动植物残余体，有机质含量极高）。（5）三角州沉积土：河水流至海洋时，因流速减小，其中携带的悬浮物质在河口形成的沉积土。近河口的颗粒较粗，远离河口的近海处颗粒较细。（6）海相沉积土：江、河将各种冲积土搬至海洋而形成的沉积土，按海水深度不同而分为滨海沉积物、浅海沉积物、陆坡沉积物和深海沉积物。,1.1 土的形成,冰川沉积土：特性取决于其搬运土的种类、搬运距离、坡度、压力等 从强度上看：残积土强度最大，沼泽土强度最差。我省（杭州、萧山、宁波、绍兴）土一般属于滨海、湖泊、三角洲混合沉积土。杭州西部土质较差，大都为软土；东部（近钱塘江）土质较好

8、，主要为粉土、粉质粘土。,1.1 土的形成,土的生成绝非一日之功，而必须经过漫长的时间。地质年代地壳发展历史与地壳运动、沉积环境及生物演化相应的世代段落。分为绝对的和相对的，后者应用最广。地球的形成至今大约60亿年。相对地质年代根据古生物的演化和岩层形成的顺序，将地壳历史划分成的一些自然时段，共划分为五大代：太古代、元古代、古生代、中生代、新生代。代又分为纪，纪又分为若干世和期，即代纪世期。每一地质年代中都划分有相应的地层，依次为界系统阶（层）在新生代中最新近的一个纪段称为第四纪，我们现在所见的土就是在这一地质年代生成且尚未胶结成岩的，距今约1百万年。,1.1 土的形成,第四纪地质年代的细分,

9、因此，我们现在所指的土可称为第四纪沉积物（层）。,1.1 土的形成,上述各种土形成后仍受物理、化学作用，产生沉积后的变化，主要有：1.风化作用：风吹雨打日晒，例如成分逐步改变，干燥后收缩形成硬壳层等。2.固结作用：自重作用下、水位下降后、外荷载下固结（粘土），地震、人类活动使土体振密（无粘性土）3.溶解作用：由于环境改变而导致离子交换和可溶盐的淋溶，沉积物被溶解，从沉积土中迁移。如土洞、溶洞的生成。4.成岩作用：土在漫长的地质年代里，在覆盖压力和含有碳酸钙、二氧化硅等胶结物作用下，逐渐压密、脱水、胶结、硬化而生成新的岩石,1.1 土的形成,因此：岩石经风化而成土，土也可经压实固结、脱水、胶结硬

10、化而成为岩石（沉积岩），即 总之：从土的形成到岩石的再生，或即土与岩石的相互转化，虽然过程缓慢，但循环往复、永不休止。这就是大自然演化的辩证法。,1.2 土的组成,1.2.1 土的矿物组成 土：固相（一种或多种矿物的集合体）、液相、气相。土的矿物成分组成土中固体颗粒的矿物类型、结构等。了解土的矿物成分，对认识土体性状非常有益。1.非粘土矿物（原生矿物）母岩（由岩浆冷凝生成）物理风化的产物。构成岩石结构的矿物颗粒。如石英、云母、长石、辉石、角闪石等。在大多数土中，石英含量最多，其次是长石、云母。（因石英结构稳定，而其它矿物很容易被化学风化）。残积土、无粘性土（包括砾石、和砂土等）一般均由非粘土矿

11、物组成,1.2 土的组成1.2.1 土的矿物组成,2粘土矿物（是构成粘土的主要矿物，是自然界最常见、数量最多的次生矿物）次生矿物 由原生矿物进一步化学风化而成。粘土矿物结构中有两个基本单元：硅氧四面体（见下图）、铝氧八面体或镁氧八面体。硅氧晶片（S）由硅氧四面体连接成的片状晶体结构。厚4.63。八面体晶片(G)由铝氧八面体连接成的片状晶体结构。厚5.05（Angstrom,埃（波长单位），1=10-10m）。,1.2 土的组成1.2.1 土的矿物组成,粘土矿物主要有：蒙脱石、伊利石、高岭石和绿泥石。（1）高岭石：一般由长石风化而成，由硅氧晶片和铝氧八面体晶片相间组成。结构式：(OH)4Si4A

12、l4O10 特点：水稳性好，可塑性低，压缩性低，亲水性差。（2）蒙脱石：由两个硅氧晶片和一个八面体晶片组成。结构式：(OH)4Si8Al4O20.nH2O 特点：结构不稳定，水分易进入，亲水性好，吸水膨胀，脱水收缩。可塑性高，压缩性高，强度低，渗透性小。（3）伊利石：由硅氧晶片 水铝石晶片 硅氧晶片三层相间构成。结构式：(OH)2K2(Si6Al2)Al4O20，性质介于高岭石和蒙脱石之间。（4）绿泥石：由辉石或角闪石风化而成，由硅氧晶片和八面体晶片交替迭合而成。目前研究较少，性质类似伊利石。亲水性：蒙脱石（亲水性好）伊利石高岭石（亲水性差）渗透性：与亲水性相反,1.2 土的组成1.2.1 土

13、的矿物组成,3非晶质粘土矿物（包括水钻英石和各种胶体氧化物和含水氧化物）非晶质的硅酸盐粘土矿物的通称，凡有此成分的土均有较高的灵敏性和活动性。4有机质 来源于动植物遗体的分解和腐烂。为泥炭土的主要成分。5溶解盐类（包括易溶盐、中溶盐、难溶盐）易溶盐中的硫酸盐对金属有腐蚀，应重视。,1.2 土的组成,1.2.2 土的三相及相互关系,土的三相及计算图,ms：土粒质量mw：土中水质量ma：土中气质量m：土的总质量，m=ms+mwVs：土粒体积Vw：土中水体积Va：土中气体积Vv：土中孔隙体积 Vv=Va+VwV：土的总体积 V=Vv+Vs,1.2 土的组成1.2.2 土的三相及相互关系,对饱和土：孔

14、隙比：（饱和土）密实、低压缩性；疏松、高压缩性。孔隙度：饱和度：干土；饱和土含水量：,1.2 土的组成1.2.2 土的三相及相互关系,土粒比重（土粒相对密度）土粒质量与同体积的 时纯水的质量之比，即：土粒密度：，g/cm3；时纯水的密度，1 g/cm3或1 t/m3；天然水密度，约为1g/cm3）土的密度（单位体积土体质量）：干密度：，土单位体积中固体颗粒部分的质量。（工程上用作评定土体密实度，控制填土工程的施工质量）,1.2 土的组成1.2.2 土的三相及相互关系,饱和密度：，土孔隙中充满水时土体的单位体积质量。有效密度：，单位土体中土粒的有效质量（在地下水位以下，扣除浮力后单位土体积中土粒

15、的质量）。与五种密度相应，土有五种重度（即重力密度，kN/m3）：土粒重度：；湿重度（又称天然重度）：干重度：饱和重度：有效重度：。其中，水（天然）重度（约为10 kN/m3）；g=9.807 m/s2,重力加速度。一般，。,1.2 土的组成1.2.2 土的三相及相互关系,土粒比重、含水量、土密度三个指标可通过试验测定，其他指标则可由它们导出。常用土的三相物理指标换算图进行各指标间关系的推导和换算。令，则，如孔隙比e的推导：因为：；所以：；对于饱和土，,1.2 土的组成1.2.2 土的三相及相互关系,其他指标的推导：综上可见，土的三相物理指标共15个（,w,e,n,五种密度，五种重度）。密度单

16、位：g/cm3,重度单位：kN/m3,其余均无量纲。,1.3 土骨架,土骨架由土颗粒组成，为土的固相部分。1.3.1 土颗粒及级配 粒组按粒径大小将土颗粒所划分的组。常将土粒分成六大粒组：,颗粒大小分析试验：筛分法,比重计法,1.3 土骨架1.3.1 土颗粒及级配,颗粒级配曲线以土中所含小于某粒径的土重含量（）为纵坐标，以土粒粒径（对数）为横坐标绘制的曲线。该曲线越平缓，表示该土所含土粒粒径相差越悬殊，土粒越不均匀，级配越好。土的密实度越大，压缩性越小，土越好。从该曲线可得：有效粒径;限定粒径；不均匀系数 曲率系数 有效粒径：小于某粒径的土颗粒重量占总重量的10%时的粒径。一般情况：的土，可视

17、为均粒土，属级配不良；的土，属级配良好。对砾类土或砂类土：且，定名为良好级配砾或良好级配砂。,1.3 土骨架,1.3.2 土的结构 土的结构是指由土粒单元的大小、形状、相互排列及其联结关系等因素形成的综合特征。分为三种基本类型：单粒结构：粒径较大的土粒沉积时所形成。无粘性土所具有的结构。蜂窝结构：粒径在0.0750.005mm内的土粒沉积时形成的蜂窝状结构（土粒间吸引力大于重力，土粒停留在最初的接触点不再下沉而形成此结构）絮状结构：粒径小于0.005mm的粘粒沉积时所形成的结构。（粘粒凝聚成絮状的集合体再下沉）,1.4 土中水,1.4 土中水,静水压力：,1.4 土中水,毛细作用可使地下水位以

18、上一定厚度的土体孔隙中部分或全部充满水，形成饱和土或湿土。,毛细水中压力为负 r毛细管半径；T表面张力；毛细水弯液面夹角（实际尚难确定）,1.5 无粘性土的密实度,无粘性土的密实度关系到土的强度和压缩性用相对密实度 评判无粘性土的密实度（01）无粘性土的天然孔隙比；无粘性土的最大孔隙比，最疏松状态时的孔隙比（松砂器法、量筒倒转法）无粘性土的最小孔隙比（锤击法、振密法）密实（）；中密（）；松散（）。该法适用于透水性好的无粘性土，如纯砂、纯砾。,1.6 粘性土的稠度（软硬程度）,粘性土中水的含量决定其物理状态。,界限含水量（阿太堡界限）：粘性土由一种状态转变过渡到另一种状态的分界含水量。,1.6

19、粘性土的稠度,缩限:土体含水量小于缩限后，进一步减小含水量，土体体积不再收缩。塑性指数（与粘粒含量密切相关)：10 17 粉质粘土 17 粘土液性指数 表示粘性土软硬程度的一个指标。越小，土越硬。故可根据 的大小评判土的软硬程度，分为如下5种：坚硬 硬塑 可塑 软塑 流塑,1.7 土的分类,（1）按沉积年代：老沉积土（第四纪晚更新世 及以前沉积的土，一般呈超固结状态，具较高的结构强度）、一般沉积土（第四纪全新世 前沉积的土）、新沉积土（以来沉积的土,一般呈欠压密状态，结构强度较低）。（2）按地质成因（土的成因）：风成，水成（3）按有机质含量：无机土、有机质土、泥炭质土、泥炭（4）按颗粒级配、塑

20、性指数：碎石土、砂土、粉土、粘性土。（5）按特殊性质：一般土、特殊土。,1.7 土的分类,特殊土：在特定地理环境或人为条件下形成的具有特殊性质的土。包括：软土、人工填土、湿陷性黄土、膨胀土等。,对细粒土，国外大多采用塑性图分类。,1.8 有效应力原理,饱和土：（Terzaghi）总应力，作用在土体单位面积上的总力 有效应力，由土颗粒骨架承受和传递的应力 孔隙水压力，由孔隙水承受和传递的压力,1.8 有效应力原理,问：湖底、海中软土为何不能变硬？,1.8 有效应力原理,非饱和土：Bishop 孔隙气压力;试验测定的系数原位地基中的有效应力：不考虑毛细作用,1.8 有效应力原理,考虑毛细作用,毛细

21、作用使土中有效应力增大。,1.8 有效应力原理,渗流情况下土中有效应力：,1.8 有效应力原理,b-b面上：当土中有效应力，将出现砂沸或液化，即发生渗透破坏。此时 称为临界水力梯度。为避免出现此情况，必须使,1.9 粘性土的灵敏度和触变性,天然生成的粘性土一般均具有一定的结构性（由于地质历史作用或沉积作用），受外界作用（扰动），其结构将遭到破坏，从而导致土的强度降低、压缩性增大。灵敏度St衡量粘性土的结构破坏对强度影响的指标。定义：其中，qu是原状土试样的无侧限抗压强度（kPa），由无侧限抗压强度试验测定；qu是重塑土试样（与原状土试样尺寸、密度、含水量均相同）的无侧限抗压强度（kPa）。,1

22、.9 粘性土的灵敏度和触变性,St越高，表示土结构性越强，受扰动后土的强度降低越明显。,饱和粘性土,1.9 粘性土的灵敏度和触变性,受扰动后的土体，结构发生破坏后，强度降低，扰动停止后，强度又会随时间恢复，这种性质就称为土的触变性。一般灵敏度越高的土，强度恢复得也越快。粘性土的触变性粘性土结构受到扰动而破坏，强度降低，而当静置后，强度又随时间逐渐恢复的性质。,1.10 非饱和土的压实原理-道路等工程,击实试验：对同一种土配制若干份不同含水量的试样，用同样的压实能量分别对每一份试样进行击实，测定各试样相应的含水量w和干密度d，然后绘制含水量与干密度关系曲线，即得压实曲线（如左图），曲线峰值点对应的即为最优含水量wop和最大干密度dmax。,含水量干密度曲线,1.10 非饱和土的压实原理-道路等工程,主要结论：1、压实与含水量密切相关；当含水量较低时，干密度随 w 增大而增大，即压实效果提高；但当w wop时，干密度随w增大而减少，即压实效果下降。故压实效果随含水量的变化而变化。,2、压实与压实能量有关；压实能量越大，wop越小，wop wP+23、压实曲线均处于理论饱和曲线下方,谢谢！,