《岩土力学》PPT课件.ppt

岩 土 力 学0绪论,岩土力学的概念,土力学是一门研究土体渗流、压缩和强度三个主要课题的学科 岩石力学是研究岩石的力学性态的理论和应用的学科,岩土力学的研究对象,研究对象：土和岩石土体是岩石风化的产物，是一种松散的颗粒堆积物。岩石是由矿物和岩屑在地质作用下按一定规律聚集而成的自然体。岩体是受到各种性质的软弱面切割而成的自然地质综合体。岩体结构：包括结构面和结构体。,岩土力学研究的内容,对工程地质定性成果进行定量分析和计算岩土体物力性质研究岩土体的稳定性参数测试方法研究、现场大型力学试验、应力和应变监测技术岩土体中应力和应变的分布规律及岩土体和工程建筑物相互作用的研究影响岩土体稳定性的各种因素和作用力，定量评价岩土体稳定性的理论和科学计算方法的研究加固岩土体的工程措施和处理技术研究,岩土力学在工程建设中的作用和任务,作用一(宏观）应用岩土力学知识分析、计算、评价建筑物地基变形、强度及稳定性，确保水库、大坝等的安全可靠性尽可能把不利因素转化为有利因素，提高建筑物的稳定性并节约投资,作用二：水利水电建设中的岩土工程,0 概述坝堤基础的稳定、地下电站建设、引水隧道建设、开挖边坡、评价水利水电的建设环境和地下渗透水的状态等与岩土工程密切相关的是高坝建设、引水隧洞、自然边坡的稳定三峡大型水利枢纽，面对一系列岩土工程技术难题，如船闸高边坡的计算分析与建设,0 概述,二滩水电站在基岩上建高坝要求解决建基面的力学分级，稳定性评价方法，多裂隙岩体的强度及变形分析方法二滩地下厂房规模为世界第四，洞室群要求采用施工优化系统高165M处于复杂地基上的李家峡拱坝，在大坝软弱夹层运用了砼置换、抗震桩、传力峒及600T位的锚拉技术,1 高坝建设中的岩土工程问题,（1）勘探技术方面高坝基岩的勘探，需解决许多与工程地质、岩体力学有关的难题，如区域性的构造稳定、复杂岩基、风化基岩的力学特性（2）水利水电建设中的岩体质量分级：岩体质量分级按不同的工程类型，如大坝主地基、边坡开挖工程等，进行不同的分级。单因素分级法指标：按岩石抗压强度分级；按风化程度分级；按岩石质量指标分级；以弹性波速度分级。,1 高坝建设中的岩土工程问题,多因素分级法指标：按岩体连续性分级；西班牙的图末罗法分级；我国的损伤力学岩体分类法（3）大坝稳定计算分析引用非线性非连续介质模型对大坝稳定性进行分析清华大学的三维非线性大坝分析程序，可分析大型拱坝的整体稳定性,1 高坝建设中的岩土工程问题,（4）坝基岩体稳定评价目前主要采用计算分析法和模型试验法计算分析法：有限元法，刚体极限平衡法模型试验法：地质力学模型，脆性材料模型评价拱坝坝肩岩体稳定，是拱坝设计中面临的最困难的问题之一,2 土坝工程,（1）土坝工程加固防渗应用技术目前，我国已建成土坝6万余座，占大坝总数的90%。我国土坝中大多是碾压式土坝根据土石料的性质，放在坝体内适当的部位并采用适当的施工技术砾质土、风化岩、石渣用于筑坝的技术,2 土坝工程,利用机械把风化岩压碎作为防渗体把不同的土石料拌和后建成强度高的防渗体冻土筑坝技术沥青砼塑料薄膜等材料作为土石坝的防渗结构土坝基础的不良地基处理：水泥粘土灌浆法、砼防渗墙、土铺盖防渗、泥浆防渗槽、化学材料灌浆、砂井加固等,2 土坝工程,（2）土坝工程设计土的强度力学模型的应用土坝的稳定性分析土坝分析中计算机数值方法的引入坝体变形和裂缝的研究引入仿真破坏模拟用有限元法模拟土坝渗流土坝边坡稳定分析的动力分析方法沉降计算与固结理论,3 地下水电站建设中的岩土工程,地下水电站指引水道、调压井、压力管道、主厂房部分洞室、尾水洞室等均位于地下的电站在地质条件允许的情况下，可充分利用围岩承载能力减少支承结构，节省钢材、水泥，降低工程造价把围岩视为承载结构，建立岩体支护概念地下洞室计算方法数值模拟法：块体法、弹塑性模型分析法,3 地下水电站建设中的岩土工程,地下洞室的稳定判据：以岩体的屈服、变形、状态作为判据喷锚支护加固地下结构：锚杆、锚索、喷射砼等洞室群的施工优化：从全局出发，找出有利于围岩稳定而且经济的优化施工方案,作用三：铁路建设中的岩土工程,铁路建设中的岩土工程包括岩土工程勘探、路基、桥梁基础工程、隧道工程。遥感、物探、原位测试、岩土试验滑坡、崩塌、泥石流及岩溶等复杂工程地质条件下的铁路工程软土、膨胀土、黄土、冻土等特殊条件下的铁路工程风沙地区的铁路工程,作用三：铁路建设中的岩土工程,锚杆挡土墙、锚定板挡土墙、加筋土挡土墙、抗滑桩、桩板墙、锚索抗滑桩及土钉墙等各种支挡结构工程重载及高速铁路路基复杂条件下桥梁及基础工程复杂条件下长、大隧道工程,作用四：港口建设中的岩土工程,港口建设中的岩土工程包括软土地基的勘探取土和现场测试、沿海软粘土工程、软基加固工程、桩基和其他港工结构基础和设计和施工工程采用浅层剖面仪在大面积水域中进行初步勘探并结合少量钻孔，鉴别土类和土层采用标准贯入、土压力计等常规设备完成现场测试和原体观测用砂井排水堆载预压方法加固软粘土地基,作用四：港口建设中的岩土工程,用袋装砂井和塑料纸板排水处理淤泥质海岸用振冲碎石桩法、真空预压法、强夯法、深层拌合法、填土超载挤淤法、爆炸挤淤法等加固软基预应力钢筋砼空心方桩应用于高桩码头大型钢管桩应用于建造深水码头大型预应力钢筋砼管桩应用于建造海水腐蚀码头,作用四：港口建设中的岩土工程,其他港工建筑物基础：大直径圆筒结构，地下连续墙，大型扶壁，沉井和沉箱等,作用五：城建中的环境岩土工程,处于江河湖泊或海洋沿岸的城市，城市环境灾害防治摆在重要地位城市防洪：须控制淹没高度，涉及上下游河道清理工程、防洪堤和防汛墙工程等采取技措提高大坝抗洪能力：用探地雷达等无损检测方法查明堤防工程的地层特点和险情隐患；用旋喷等加固大堤地基；用防渗墙等延长渗透途径；采用经济高效新型加固材料加速工程进度，提高工程质量,作用五：城建中的环境岩土工程,山城的泥石流治理：在形成区用沟坡兼治措施；在流通区，筑各种拦截坝、溢流坝；在堆积区，采取排导停淤措施港口城市须疏通航道，合理构筑导堤，提高通航能力海岸城市须进行岸坡稳定保护，合理地构筑围海海堤城市地面沉降，涉及深井回灌、高层建筑纠偏等工程,任务,解决岩土工程问题通过岩土力学分析计算，提出建筑物结构类型、施工方法及运营使用中的注意事项提出改善和防治不良地质条件，解决岩土工程问题的方法和措施,岩土力学的研究方法,土力学的研究方法理论和室内外土工试验及工程实践相结合，理论计算和工程经验并重岩石土力学的研究方法采用对自然岩体进行性质测定、理论计算、科学试验与理论分析相结合的方法,岩土力学的发展简史,岩土力学是一门既古老、又新兴的学科，人类很早就懂得广泛利用土进行工程建设（我国的长城、南北大运河）直到十八世纪中叶，人类对土在工程建设方面的特性，尚停留在感性认识阶段。,土力学的发展简史,十八世纪产业革命后，提出了大量与土力学有关的问题和不少成功的经验，特别是一些工程事故的教训，迫切促使人们去寻求理论的解释，并要求永通过实践检验的理论来直到以后的工程实践。筑城学（欧洲）墙后土压力问题铁路、公路、水利工程 土坡稳定问题半经验分析阶段,土力学的发展简史,二十世纪，随着土建规模的扩大，促使人们全面地系统地对土的力学性质作理论和实践研究，科学技术不断发展，世界不少国家分分成立专门土力学研究机构，重点研究。十八世纪二十年代，著名的土力学家太沙基的土力学专著土力学问世，标志着土力学作为一门独立的较系统而完整的学科，自1936年以来，已召开了十一届国际土力学和基础工程学术会议。近四十年来，由于尖端科学、生产发展的需要，土力学的研究领域又有了明显的扩大土动力学、冻土力学、海洋土力学、月球土力学同时岩石力学也已与土力学分离而单独称为一门学科。,岩石力学的进展和动向,重视工程地质宏观研究大力发展岩体和岩石测试和检测技术加强对岩体和岩石基本性质的研究数值分析在岩石力学中广泛应用强调岩石力学在工程上的应用，重点转向地下工程重视工程实例的总结分析和现场判断，加强专家系统的建立工作,岩土力学的学习方法,学习岩土力学，必须特别注意认识土的特点多样性易变性岩土力学密切结合专业和实践的一门课程，学习中不但要着重于基本概念的理解，掌握计算方法而且要学会初步解决实际问题的能力。,岩土力学与其它课程的关系,岩土力学属于技术基础课，它在一般基础课和专业课之间起到承上启下的作用。先行课程：材料力学、结构力学、弹性理论初步、工程地质学与水文地质学、水力学后续课程：水工结构、地基及基础岩土力学是一门边缘学科，它所设计的自然科学范围很广，除了和力学领域内各邻近学科有密切关系外，它还涉及到普通地质学、土质学、物理、化学等方面的知识领域。,第一章 岩土的物理性质及工程分类 1.1 岩土体的特性,1.1.1 土的结构与特性 土的概念及土的形成 在土木工程领域，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，所以，有时也会遇到难以区分的情况。,土的来源,土根据来源可分为 无机土：岩石风化 天然土 土是岩石风化的产物 有机土：腐殖土，由植物完全或部分分解的堆积物具有高压缩性、低强度，为不良建筑物地基风化：物理风化：温度 应力 岩石开裂 水的冻胀 裂缝张开 岩石开裂 波浪冲击 地震 风 沙砾冲击 岩石破裂 化学风化：岩石与空气、水和各种溶液相接触经 氧化 炭化 作用 分解成细小的颗粒 致使岩石的矿物成分发生变化 水化 在自然界，物理风化和化学风化是同时或交替进行的，所以任何一种天然土通常既是物理风化的产物，又是化学风化的产物。,土的种类,残积土：岩石风化后仍然留在原地的堆积物。残积土的厚度和风化程度主要取决于气候条件和暴露时间，其明显特征是颗粒多为角粒，且母岩种类对残积土的性质有显著影响。(优良母岩、质地不良母岩)运积土：经流水、风和冰川等动力搬运离开产地的堆积物。可分为 河流运积土 风积土 冰川沉积土 沼泽土（腐植土）,河流沉积土,水冲积形成的，上游颗粒粗，下游颗粒细，故：上游：强透水，引起渗漏和渗透变形问题 下游：地基土的高压缩性和低强度引起的基础沉降和稳定问题，同时要考虑渗透变形问题,风积土,黄土典型特点：湿陷性，所谓湿陷性指黄土未浸水时，含水率低，一般10%左右，仍能维持陡壁或承受较大的建筑物荷载，可一旦湿水，其胶结强度会迅速降低，会在自重或建筑物荷载下剧烈下沉，黄土的这种性质称为湿陷性。,冰川沉积土,未经水流搬运，直接从冰层中搁置下来的冰碛土。其特点是：不成层，性质一般不均匀，可作为土石坝的不透水材料，而化学胶结的冰碛土具有很高的密实性，常常是极好的建筑物地基。冰水冲积土：由冰川融化水搬运、堆积在冰层外围的冲积土，具有与河流冲积土类似的性质，是优良的透水材料和混凝土骨料,土的生成物理风化,土的生成化学风化,砂粒与粘粒,土层分布示意,特殊土,土的三相组成,土是由固体颗粒和颗粒之间的孔隙所组成，而孔隙中通常存在着水和空气两种物质，因此，土是固体颗粒、水、空气组成的混合物，常称为土的三相系。根据研究组成土的三个部分固相、液相和气相所占用的比例不同对土的工程性质有着很大的影响。固相：土粒、粒间胶结物、有机质 骨架液相：水及其溶解物气相：空气及其他气体饱和土：土骨架孔隙全部被水占满时。干土：土骨架的孔隙仅含空气湿土：地下水位以上，地面以下一定深度内兼含空气和水，属三相系，称为湿土。,一、土的固相,（一）、成土矿物（二）、土粒的粒组（三）、土粒的分析方法（四）、土粒的级配,成土矿物,土是岩石风化的产物，土粒的矿物成分取决于成土母岩的矿物成分风化后的风化作用，一般可分为两类：原生矿物：石英、长石、云母；岩石物理风化生成的土粒，土粒较粗，多呈浑圆状、块状或板状，吸附水的能力较弱，性质稳定，无塑性次生矿物：化学风化的产物，性质与母岩完全不同，一般为粘土矿物,成土矿物,砂粒一般由石英构成，其次是长石、云母，当砂土中含有大量呈片状的云母时将,粘粒包含由次生矿物构成的极细土粒，粘粒含量增加，土的透水性减小，可塑性和压缩性增高。,土粒的粒组,天然土由无数大小不同的土粒组成，逐个研究它们的大小是不可能的，统称是将工程性质相近的土粒合并成一组称为粒组,漂石粒卵石粒 砾 粒砂 粒粉 粒粘 粒胶 粒巨粒组 d60mm粗粒组 60mm0.075mm细粒组 d0.075mm,土粒的粒组,土粒的分析方法,土的性质取决于各不同粒组的相对含量。为了确定各粒组的相对含量，必须用试验方法（颗分试验）将各粒组区分开来，最常用的颗分试验方法有筛分法和比重计法两种。,筛分法：适用于粒径大于0.075mm的土,利用一套孔径由大到小的筛子，将事先称过质量的干试样放入筛中，经过充分震摇后，把留在各级筛上的土粒分别称量，算出小于某粒径的土粒含量，用以确定土中各粒组的土粒含量,筛分法：适用于粒径大于0.075mm的土,比重计法：适用于粒径小于0.075mm的土,比重计法是利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同来确定小于某粒径的土粒含量。将一定质量土浸入水中搅拌成悬液，搅拌停止后，土粒便开始下沉，悬液的浓度随之发生变化。利用特制的密度计，在不同时刻测悬液浓度的变化。即可换算出相应的粒径及小于该粒径的土粒质量，绘出级配曲线。,比重计法：适用于粒径小于0.075mm的土,颗粒分析试验曲线,试验结果可绘制在半对数纸上纵坐标：小于某粒径的土粒含量横坐标：使用对数尺度表示土的粒径，可以把粒径相差上千倍的粗粒都表示出来，尤其能把占总重量少，但对土的性质可能有总要影响的颗粒部分清楚地表达出来,颗粒分析试验曲线,颗粒分析试验曲线,颗粒分析的先进方法激光颗分,土粒的级配 级配的概念,土的级配 指土中各粒组的相对含量，用土粒总重的百分数表示 正常级配：土的颗粒大小分布是连续的，曲线坡度是渐变的 不连续级配：土中缺乏某些粒径的土粒，曲线出现水平段 级配良好：粒径分布曲线形状平缓，土粒大小分布范围广，土粒大小不均匀 级配不良：粒径分布曲线形状较陡，土粒大小分布范围窄，土粒均匀,土粒的级配级配的概念,为了判别土粒级配是否良好，常用不均匀系数Cu和曲率系数Cc两个指标来描述粒径曲线的坡度和形状。,分别为粒径曲线纵坐标上小于某粒径含量10、30、60时所对应的粒径,有效粒径,控制粒径,土粒的级配颗分曲线分析,土的粒径范围窄，分布曲线陡，d10和d60靠近，土的不均匀系数小，表示土粒均匀 土的粒径范围宽，分布曲线缓，d10和d60相距远，土的不均匀系数大，表示土粒不匀Cu大 不均匀 有细粒土填空 压密度大 Cu小 均匀 无细粒土填空 压密度小,土粒的级配颗分曲线分析,对于级配不连续的情况，有时Cu虽然大，但渗透稳定性一样不好，故Cu虽大，但并不表明土粒级配良好，还要用Cc来衡量，Cu和Cc描述了级配曲线整体特征，可描述土级配的好坏。,Cc大,Cc小,台阶分布在,台阶分布在,土粒的级配颗分曲线分析,级配的好坏由土粒的均匀程度和粒径分布曲线的形状去定。,规范规定：,同时满足，级配良好,二、土的液相,土的液相是水及各离子的溶液，其含量及性质明显地影响土，尤其是粘性土的性质，如增加水量，可使土地状态由坚硬变为可塑，甚至成为流动状态的土浆。土中水可分为结合水、自由水,结合水：土粒矿物内部的水,存在矿物结晶中的水，只有在高温（大于105）下，才能使之从矿物中析出，故可将它视作矿物本身的一部分。特点：包围在土颗粒四周，不传递静水压力，不能任意流动,自由水（毛细管水、重力水）,自由水指土粒表面引力作用范围之外的水，与普通水一样，受重力支配，能传递静水压力并具有融解作用。,自由水毛细管水,土中孔隙,细水通道,自由水上升,毛细管水,表面张力,重力,毛细管水上升高度的影响因素,孔隙大小和形状 粒径尺寸 水的表面张力,毛细管水假凝聚力,毛细管压力,负孔隙水压力,可使土粒相互挤紧，可使无粘性土也象有粘聚力似的。由毛细管压力所造成无粘性土间的连接力，称之为假粘聚力。,沙坑倒塌,重力水,重力水是在重力和水位差作用下能在土中流动的自由水。它是土中其它类型水的来源。重力水具有融解能力，能传递静水和动水压力，并对土粒起浮力作用。应当指出，水是土的一个重要组成部分。根据实用观点，一般认为它不承受剪力，但能承受压力和一定的吸力；同时，说的压缩性很小，在通常所遇到的压力范围内，它的压缩量可以忽略不计,三、土的气相,与大气相通,无影响，易挤出,与大气不相通（空气、水气、天然气）,压力作用下可压缩或融解,封闭气体对土的性质有较大影响，导致渗透性减小，弹性增大，拖延土的压缩和膨胀变形随时间的发展过程。,岩石是由矿物的组成的，按成因岩石可划分为岩浆岩、沉积岩和变质岩。成因类型不一样，差别也很大，因此，工程性质极为多样。1）岩浆岩的性质岩浆岩具有较高的力学强度，可作为各种建筑物良好的地基及天然建筑石料。但各类岩石的工程性质差异很大。,1.1.2 岩(石)体的特性,碎屑岩的工程地质性质一般较好，但其胶结物的成分和胶结类型影响显著；粘土岩和页岩的性质相近，抗压强度和抗剪强度低，受力后变形量大，浸水后易软化和泥化；化学岩和生物化学岩抗水性弱，常具不同程度的可溶性。常常导致地基和边坡的失稳。,沉积岩的性质,变质岩的工程性质与原岩密切相关，往往与原岩的性质相似或相近。变质岩的片理构造(包括板状、千枚状、片状及片麻状构造)会使岩石具有各向异性特征，水工建筑中应注意研究其在垂直及平行于片理构造方向上工程性质的变化。岩体是地壳表层圈层，经建造和改造而形成的具一定组分和结构的地质体。岩体在一般情况下是非均质的、各向异性的不连续体。,变质岩的性质,岩石的密度岩石密度（rock density）是指单位体积内岩石的质量，单位为g/cm3。它是研究岩石风化、岩体稳定性、围岩压力和选取建筑材料等必需的参数；岩石密度又分为颗粒密度和块体密度：,1.2.2 岩石的基本物理性质,颗粒密度岩石的颗粒密度（s）是指岩石固体相部分的质量与其体积的比值。它不包括空隙在内，因此其大小仅取决于组成岩石的矿物密度及其含量。岩石的颗粒密度属实测指标，常用比重瓶法进行测定。,物理性质：,1.2.2 岩石的基本物理性质,块体密度块体密度（或岩石密度）是指岩石单位体积内的质量，按岩石试件的含水状态，又有干密度（d）、饱和密度（sat）、和天然密度（）之分，在未指明含水状态时一般是指岩石的天然密度。d=（1-16）sat=（1-17）（1-18）,物理性质：,1.2.2 岩石的基本物理性质,岩石的空隙性岩石的空隙率分为总空隙率（n）、总开空隙率（n0）、大开空隙率（nb）、小开空隙率（na）和闭空隙率(nc)几种，各自的定义如下：n=*100%=(1-)100%（1-4）n0=*100%（1-5）nb=*100%（1-6）na=*100%=n0-nb（1-7）nc=*100%=n-n0（1-8）,物理性质：,1.2.2 岩石的基本物理性质,岩石在水溶液作用下表现出来的性质，称为水理性质。主要有吸水性、软化性、抗冻性、渗透性、膨胀性及崩解性等。1)岩石的吸水性岩石在一定的试验条件下吸收水分的能力，称为岩石的吸水性。常用吸水率，饱和吸水率与饱水系数等指标表示。(1）吸水率：岩石的吸水率（a）是指岩石试件在大气压力条件下自由吸入水的质量（mw1）与岩样干质量（ms）之比，用百分数表示，岩石的颗粒密度属实测指标，常用比重瓶法进行测定。,岩石的水理性质：,1.2.3 岩石的水理性质,饱和吸水率岩石的饱和吸水率（）是指岩石在高压（一般压力为15Mpa）或真空条件下吸入水的质量（mw2）与岩样干质量（ms）之比,用百分数表示，,岩石的水理性质：,1.2.3 岩石的水理性质,p=100%（1-11）,在高压（或真空）条件下，总开空隙率可表示为：n0=100%=dP（1-12）它反映了岩石总开空隙率的发育程度，因此亦可间接地用它来判定岩石的风化能力和抗冻性。,饱水系数岩石的吸水率（a）与饱和吸水率（p）之比，称为饱水系数。它反映了岩石中大、小开空隙的相对比例关系。一般说来，饱水系数愈大，岩石中的大开空隙相对愈多，而小开空隙相对愈少。饱水系数大，说明常压下吸水后余留的空隙就愈少，岩石愈容易被冻胀破坏，因而其抗冻性差。,岩石的水理性质：,1.2.3 岩石的水理性质,岩石的软化性岩石浸水饱和后强度降低的性质，称为软化性，用软化系数（KR）表示。KR定义为岩石试件的饱和抗压强度（Rcw）与干压强度的比值，即：（1-13）KR愈小则岩石软化性愈强。研究表明：岩石的软化性取决于岩石的矿物组成与空隙性。当岩石中含有较多的亲水性和可溶性矿物，且含大开空隙较多时，岩石的软化性较强，软化系数较小。,岩石的水理性质：,1.2.3 岩石的水理性质,岩石的抗冻性岩石抵抗冻融破坏的能力，称为抗冻性。常用冻融系数和质量损失率来表示。冻融系数（Rd）是指岩石试件经反复冻融后的干抗压强度（Rc2）与冻融前干抗压强度（Rc1）之比，用百分数表示，质量损失率（Km）是指冻融试验前后干质量之差（ms1-ms2）与试验前干质量（ms1）之比，以百分数表示即,岩石的水理性质：,1.2.3 岩石的水理性质,岩石的膨胀性岩石的膨胀性是指岩石浸水后体积增大的性质。大多数结晶岩和化学岩是不具有膨胀性的，这是因为岩石中的矿物亲水性小和结构联结力强的缘故。如果岩石中含有绢云母、石墨和绿泥石一类矿物，由于这些矿物结晶具有片状结构的特点，水可能渗进片状层之间，同样产生楔劈效应，有时也会引起岩石体积增大。岩石膨胀大小一般用膨胀力和膨胀率两项指标表示，这些指标可通过室内试验确定。目前国内大多采用土的固结仪和膨胀仪的方法测定岩石的膨胀性。,岩石的水理性质：,1.2.3 岩石的水理性质,岩石的崩解性岩石的崩解性是指岩石与水相互作用时失去粘结性并变成完全丧失强度的松散物质的性能。这种现象是由于水化过程中削弱了岩石内部的结构联络引起的。常见于由可溶盐和粘土质胶结的沉积岩地层中。岩石崩解性一般用岩石的耐崩解性指数表示。这项指标可以在实验室内做干湿循环试验确定。,岩石的水理性质：,1.2.3 岩石的水理性质,岩体工程分类既是工程岩体稳定性分析的基础，也是评价岩体工程地质条件的一个重要途径。岩体工程分类实际上是通过岩体的一些简单和容易实测的指标，把工程地质条件和岩体的力学性质联系起来，并借鉴已建工程设计、施工和处理等方面成功与失败的经验教训，对岩体进行归类的一种工作方法。其目的是通过分类，概括地反映各类工程岩体的质量好坏，预测可能出现的岩体力学问题。为工程设计、加固、建筑物选型和施工方法选择等提供参数和依据。目前国内外已提出的岩体分类方案得到大家共识的有数十种之多，多以考虑地下洞室围岩稳定性为主。有定性的，也有定量或半定量的，有单一因素分类，也有考虑多种因素的综合分类。各种方案所考虑的原则和因素也不尽相同，但岩体的完整性和成层条件、岩块强度、结构面发育情况和地下水等因素都不同程度地考虑到了。下面主要介绍几种国内外在水工建设工程中应用较广、影响较大的分类方法。,1.4.1 岩体的工程分类,美国伊利诺斯大学用岩体质量指标RQD来表示岩石的完整性。采用直径为75mm的双层岩心管金刚石钻进，提取直径为54mm的岩心，将长度小于10cm的破碎岩心及软弱物质剔除，然后测量大于或等于10cm长柱状岩心的总长度(Lp)。用这一有效的岩心长度与采集岩心段的钻孔总进尺(L)之比，取其百分数就是RQD。按照RQD值大小可把岩石分成五个质量等级,按岩体质量指标分级：,1.4.1 岩体的工程分类,由比尼卫斯基（Bienawski，1973）提出，后经多次修改，于1989年发表在工程岩体分类一书中。该分类系统由岩块强度、RQD值、节理间距、节理条件及地下水5类指标组成。分类时，根据各类指标的数值，按表1-7A的标准评分，求和得总分RMR值。然后按表1-7B和表1-8的规定对总分作适当的修正，即再根据节理裂隙的产状变化对初值加以修正。最后用修正后的总分对照表1-7C求得所研究岩体的类别及相应的无支护地下洞的自稳时间和岩体强度指标（c,）值。,岩体质量评分(RMR)地质力学围岩分类：,1.4.1 岩体的工程分类,1）岩石按坚硬程度分类：岩土工程勘察规范（GB500212001）规定岩石的坚硬程度可按表1-9分类。,岩石的工程分类,1.4.2 岩石的工程分类,2）岩石按风化程度分类国标岩土工程勘察规范（GB500212002）中提出岩石按风化程度分类见表1-10。,岩石的工程分类,1.4.2 岩石的工程分类,1.2岩土的物理性质指标,1.2.1土的物理性质指标,概念,所谓土的物理性质就是表示土中三相比例关系的一些物理量。土的物理性质指标不仅可以描述土的物理性质和它所处的状态，而且在一定程度上反映了土的力学性质。,土的物理性质指标的分类,一类是必须通过试验测定的，如含水率、密度和土粒比重，称为直接指标；一类是根据直接指标换算的，如孔隙比、孔隙率、饱和度等，称为间接指标,土的三相图,为便于说明这些物理性质指标的定义和它们的换算关系，常用三相图表示土体内三相的相对含量。,试验直接测定的物理性质指标 土的密度和容重,密度,单位体积土的质量，用表示,定义：,单位：,kg/m3或 g/cm3,表达式：,容重,定义：单位体积土的重量，用表示,单位：KN/m3,表达式：,土的密度和容重,测定方法：环刀法,土的比重Gs,定义：土的质量与同体积4时纯水的质量之比（无因次）表达式：,土的比重Gs,测定方法：比重瓶法，事先将比重瓶注满纯水，称瓶加水的质量m1。然后把烘干土若干克(ms)装入空比重瓶内，再加纯水至满，称瓶加水加土的质量m2，按下式计算土粒比重,土的比重Gs,土的含水率,含水率：土中水的质量与土粒质量之比，以百分数表示 表达式：,土的含水率,测定方法：烘干法。先称出天然湿土的质量，然后放在烘箱里，在100105下烘干，称干土的质量。,间接换算的物理性质指标 土的孔隙比e,定义：土中孔隙的体积与土粒的体积之比，以小数表示表达式：,土中孔隙度n,定义：土中的孔隙的体积与土的总体积之比，以百分数表示表达式：,土的饱和度Sr,定义：土中孔隙水的体积与孔隙体积之比，以百分数表示表达式：,干密度d、干容重d,定义：单位体积内土粒的质量或重量表达式：,干密度d干容重d,土烘干，体积要减小，因而土的干密度不等于烘干土的密度。土的干密度或干容重是评价土密实程度的指标，干密度或干容重越大表明土越密实，反之越疏松。常用它来控制填土工程的施工质量。,饱和密度sat与饱和容重sat,定义：土中孔隙完全被水充满，土处于饱和状态时单位体积土的质量或重量表达式：,浮密度 与浮容重,定义：单位体积内土粒质量与同体积水质量之差表达式：,各种密度之间的比较,物理性质指标间的换算,常用的物理性质指标共有9个，一般地说，已知其中任意3个，通过换算，可以求其余6个。,孔隙比与孔隙率的关系,干密度与湿密度和含水率的关系,孔隙比与比重和干密度的关系,饱和度与含水率、比重和孔隙比的关系,当土饱和时，即为Sr=100则,饱和含水率,浮密度与比重和孔隙比的关系,例题 某土样，经试验测得含水量为12.5%,天然密度为1.60g/cm3,土粒相对密度为 2.63,求孔隙比，孔隙率和饱程度。,1.3土的物理状态指标,1.3.1无粘性土的相对密实度,对无粘性土来说，土体的松密程度对土的工程性质影响很大。土的密实程度越高，压缩性越小，其工程特性越好；土的密实程度越低，压缩性越大，其工程特性越差。描述土的松紧程度的指标有干密度和孔隙比，密实度在一定程度上可用其孔隙比来反映,1.3.1 无粘性土的相对密实度,无粘性土的孔隙比的范围受土粒的大小、形状和级配的影响很大。因此即便两种无粘性土具有同样的孔隙比也未必表明他们处于同样的状态。在工程上一般用相对密实度Dr来衡量无粘性土的松紧程度。它是用无粘性土自身最松和最密两种极限状态作为判别的基准。,相对密实度Dr,定义（理论表达式）,定义（实用表达式）,emax无粘性土处于最松状态时的孔隙比，可由其最小干密度换算,emin无粘性土处于最密状态时的孔隙比，可由其最大干密度换算,e0无粘性土的天然孔隙比或填筑孔隙比,dmax无粘性土的最大干密度,dmin无粘性土的最小干密度,d无粘性土的天然干密度或填筑干密度,相对密实度Dr,无粘性土处于最密实的状态,无粘性土处于最紧密的状态,在工程上，用相对密实度划分无粘性土状态如下：,疏松,中密,密实,1.3.2 粘性土的物理状态指标粘性土的稠度,定义：指粘性土在某一含水率下对外界引起的变形或破坏的抵抗能力，是粘性土最主要的物理状态指标。,粘性土的稠度,粘性土的稠度,流动状态,可塑状态,固体状态,半固体状态,刚沉积的粘土，本身不能保持其形态，极易流动,外力作用可改变其形状，而不改变其体积，并在外力卸除后仍能保持已获得的形状,水分蒸发，上覆沉积层厚度增加，含水率减小，体积收缩,含水率减小,丧失可塑性，在外力作用下，易于发生破裂,体积不再收缩，空气进入土体，土的颜色变淡,粘性土的稠度,粘性土从一种状态转变为另一状态，可用某一界限含水率来区分，稠度界限（阿太堡）Atterberg界限,定义：,粘性土的稠度,液限 流动状态与可塑状态的界限含水率，可塑状态的 上限含水率,塑限 可塑状态与半固体状态的界限含水率，可塑状态的 下限含水率,缩限 半固体状态与固体状态的界限含水率，即粘性土随 着含水率的减小而体积开始不变的含水率。,粘性土的稠度,粘性土从一种状态转变为另外一种状态是逐渐过渡的，并无明确的界限。目前工程上只是根据某些通用的试验方法测定这些界限含水率。,塑限测定方法：,搓滚法和液塑限联合测定法,塑限测定方法：,搓滚法：调制均匀的湿图样，在毛玻璃上搓滚成3毫米直径的土条，若这个时刻恰好出现裂缝，就把土条的含水率定为塑限液塑限联合测定法：取代表性试样，加入不同数量的纯水，调制成三种不同稠度的试样，用电磁落锥测定圆锥在自重作用下经5秒后沉入试样的深度。以含水率为横坐标，圆锥入土深度为纵坐标，在双对数纸上绘制关系曲线。入土深度2毫米所对应的含水率为塑限。,液限测定方法：,液塑限联合测定法：土工试验方法标准（GB/T50123-1999）规定入土深度恰好为17毫米所对应的含水率为17毫米液限，入土深度恰好为10毫米所对应的含水率为10毫米液限。,液塑限联合测定法和碟式仪法,液限测定方法：,液限测定方法：,缩限测定方法：收缩皿法,把土料的含水率调制到大于土的液限，然后将试样分层填入收缩皿中，刮平表面，烘干，测出干土样的体积并称量至0.1克，按下式计算,塑性指数,液限和塑限之差的百分数值（去掉百分号）成为塑性指数,塑性指数表示处于可塑状态时土的含水率可变化幅度。塑性指数越大，可塑状态含水率变化范围也大。塑性指数是反映粘性土性质的一个综合性指标。一般地，塑性指数越高，土的粘粒含量越高，所以常常用作粘性土地分类指标,液性指数,粘性土即使具有相同的含水率，也未必处于同样的状态，与无粘性土的相对密实度相似，粘性土的状态用液性指数来判别。液性指数表征了土的天然含水率与界限含水率之间的相对关系，表达了天然土所处的状态。,判定,土处于坚硬状态,土处于可塑状态,土处于流动状态,注意,由于液限和塑限目前都是用扰动土测定的，土的结构已彻底破坏，而天然土一般在自重作用已有很长的历史，它获得了一定的结构强度，以至于土的天然含水率大于它的液限也未必一定会发生流动。含水率大于液限只是意味着：若土的结构遭到破坏，它将转变为粘滞泥浆。,土的压实性,人们很早就用土作为建筑材料，而且知道要把松土击实。公元前200多年，我国秦朝修筑驰实（行车大道），就有用“铁锥筑土坚实”的记载，说明那时人们已经认识到土的密度和土的工程特性有关。,土的压实性,土的压实性指在一定的含水率下，以人工或机械的方法，使土体能够压实到某种密实程度的性质。土工建筑物，如土坝、土堤及道路填方是用土作为建筑材料填筑而成，为了保证填土有足够的强度，较小的压缩性和透水性。在施工中常常需要压密填料，以提高土的密实度和均匀性。填土的密实度常以其干密度来表示。在实验室内研究土的密实性是通过击实试验进行的。,击实试验,轻型：粒径小于5毫米,重型：粒径小于40毫米,25下，分三层击实,56下，分5层击实,击实仪,影响土的压实性的因素,含水率的影响对同一种土料，分别在不同的含水率下，用同一击数将他们分层击实，测定土样的含水率和密度，然后以含水率为横坐标，干密度为纵坐标，绘制击实曲线。从图中可以看出，当含水率较小时，土的干密度随着含水率的增加而增大，而当干密度增加到某一值后，含水率继续增加反而使干密度减小。干密度的这一最大值称为该击数下的最大干密度，此时对应的含水率称为最优含水率。,影响土的压实性的因素,击实功能的影响 实验室中的击实功能是用击数来反映的，对同一种土，压实功能小，则能达到的最大干密度也小，最优含水率大；压实功能大，则能达到的最大干密度也大，最优含水率小用同一种土料在不同含水率下分别用不同的击数进行击实试验，就能得到一组随击数而异的含水率与干密度关系曲线。,影响土的压实性的因素,1、土料的最大干密度和最优含水率不是常数。最大干密度随击数的增加而逐渐增大，最优含水率则逐渐减小。但是这种增大或减小的速率是递减的，因而光靠增加击实功能来提高土的干密度是有一定限度的。,2、含水率较低时击数的影响显著。当含水率较高时，含水率与干密度的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。填料的含水率过高和过低都是不利的，过高恶化土体的力学性质，过低则填土遇水后容易引起湿陷。,影响土的压实性的因素,土类和级配的影响 同样的含水率情况下，粘性土的粘粒含量越高或塑性指数越大，越难于压实对于无粘性土，含水率对压实性的影响没有像粘性土那么敏感，其击实曲线与粘性土是不同的，在含水率较大时得到较高的干密度。因此在无粘性土的实际填筑中，同时需要不断洒水使其在较高含水率下压实。无粘性土的填筑标准，通常是用相对密实度来控制的，一般不进行击实试验级配良好的土易于压实，反之则不易压实,影响土的压实性的因素,粗粒含量的影响 由于击实仪尺寸的限制，实际试验中可能剔除超出粒径的部分，然后进行试验。这样测得的最大干密度和最有含水率与实际土料在相同击实功能下的最大干密度和最有含水率不同。对于轻型击实试验，可按下式修正,1.4.3 土的工程分类,土的工程分类,对天然形成的土来说其成份、结构和性质千变万化，其工程性质也千差万别。为了能大致判别土的工程特性和评价土作为地基或建筑材料的适宜性，有必要对土进行科学的分类。分类体系的建立是将工程性质相近的土归为一类，以便对土作出合理的评价和选择恰当的方法对土的特性进行研究。为了能通用，这种分类体系应当是简明的，而且尽可能直接与土的工程性质相联系。,土的工程分类,我国的分类方法至今尚未统一，不同的部门根据各自行业特点建立了各自的分类标准。一般对粗粒土主要按颗粒组成进行分类，粘性土则按塑性指数分类。目前国内应用于对土进行分类的标准、规程（规范）主要有以下几种：（1）建设部土的分类标准（GBJ145-90）（2）建设部建筑地基基础设计规范（GBJ7-89）（3）交通部公路土工试验规程（JTJ051-93）（4）水利部土工试验规程（SL237-1999）,土的分类标准,该分类体系与一些欧、美国家的土分类体系在原则上没有大的差别，只是在某些细节上作了一些变动。土的总分类体系如下表。,土的分类标准,需要掌握的英文单词：漂石：boulder砾石：gravel卵石：cobble粉土：mealy粘土：clay细粒土：fine-grained级配良好：well-graded级配不良：poorly-graded,土的分类标准,土的分类标准,巨粒土和含巨粒土的分类,土的分类标准,粗粒土的分类,土的分类标准,土的分类标准,细粒土的分类,土的分类标准,土的分类标准,土的分类标准,建筑地基基础设计规范中的地基土分类,碎石土的分类,建筑地基基础设计规范中的地基土分类,砂土的分类,建筑地基基础设计规范中的地基土分类,粉土 若土的塑性指数小于或等于10，粒径大于0.075的颗粒含量超过总量的50，则该土属于粉土,建筑地基基础设计规范中的地基土分类,粘性土的分类,2.2.1土的渗透性,一 概述,土是具有连续孔隙的介质。当土作为建筑物的地基和