第一章土的物理性質(zhì)與分類

土的物理性質(zhì)與工程分類第一章1本章目的:對土的特點進行詳細解釋和定量描述本章特點:

看起來零散學習要點:

各節(jié)間聯(lián)系各節(jié)內(nèi)層次

土的物理性質(zhì)與分類2土的形成滲透特性變形特性強度特性土的三相組成土的物理狀態(tài)土的結(jié)構(gòu)土的工程分類土的壓實性決定影響如何獲得較好的土便于研究和應用3§1.1土的形成§1.2土的三相組成§1.3土的物理狀態(tài)§1.4土的結(jié)構(gòu)§1.5土的工程分類§1.6土的壓實性4§1.1土的形成土是巖石經(jīng)過風化后在不同條件下形成的自然歷史的產(chǎn)物搬運、沉積形成過程形成條件物理力學性質(zhì)風化土地球影響巖石地球5生物循環(huán)物理風化化學風化量變無粘性土原生礦物質(zhì)變粘性土次生礦物動植物的活動一.風化有機質(zhì)§1.1土的形成巖石和土的粗顆粒受各種氣候因素的影響產(chǎn)生脹縮而發(fā)生裂縫,或在運動過程中因碰撞和摩擦而破碎母巖表面和碎散的顆粒受環(huán)境因素的作用而改變其礦物的化學成分，形成新的礦物6二.搬運與沉積殘積土無搬運運積土有搬運土質(zhì)較好殘積土強風化弱風化微風化母巖體顆粒表面粗糙多棱角粗細不均無層理母巖表層經(jīng)風化作用破碎成巖屑或細小顆粒后，未經(jīng)搬運殘留在原地的堆積物風化所形成的土顆粒，受自然力的作用搬運到遠近不同的地點所沉積的堆積物§1.1土的形成7運積土有搬運風：風積土重力:坡積土流水:洪積土沖積土湖泊沼澤沉積土海相沉積物冰川:冰積土土粒粗細不同，性質(zhì)不均勻有分選性，近粗遠細渾圓度分選性明顯，土層交迭含有機物淤泥，土性差顆粒細，表層松軟，土性差土粒粗細變化較大，性質(zhì)不均勻顆粒均勻，層厚而不具層理§1.1土的形成8§1.2土的三相組成氣相固相液相++構(gòu)成土骨架，起決定作用重要影響土體次要作用9一.固體顆粒物理狀態(tài)力學特性粒徑級配§1.2土的三相組成礦物成分顆粒形狀101.粒徑級配顆粒大小各粒徑成分在土中占的比例影響土性的主因§1.2土的三相組成11顆粒大小粒組

按粗細進行分組，將粒徑接近的歸成一類界限粒徑§1.2土的三相組成d(mm)d(mm)礫石砂粒粉粒粘粒膠粒6020.0750.0050.0020.250.5520粗

中

細粗

中

細

極細0.1粗粒細粒12粒徑級配確定方法

篩分法：適用于粗粒土(>0.075mm)

水分法：適用于細粒土(<0.075mm)——各粒組的相對含量，用質(zhì)量百分數(shù)來表示表述方法

粒徑級配累積曲線§1.2土的三相組成13105.02.01.00.50.250.10.075200g101618242238721009080706050403020100小于某粒徑之土質(zhì)量百分數(shù)P（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒徑(mm)P%958778665536土的粒徑級配累積曲線水分法粒徑(mm)0.050.010.005百分數(shù)P(%)2613.510§1.2土的三相組成141009080706050403020100小于某粒徑之土質(zhì)量百分數(shù)（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒徑(mm)土的粒徑級配累積曲線d60d50d10d30d60d10d30CuCc0.330.0050.063662.41特征粒徑:

d50

:平均粒徑d60:控制粒徑d10

:有效粒徑d30

不均勻程度：Cu=d60/d10

連續(xù)程度:

Cc=d302

/(d60×d10)

—曲率系數(shù)—不均勻系數(shù)Cu

≥5,級配不均勻粗細程度：用d50

表示

§1.2土的三相組成151009080706050403020100小于某粒徑之土質(zhì)量百分數(shù)（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒徑(mm)土的粒徑級配累積曲線d60d10d30曲線d60d10d30CuCcL0.330.0050.081663.98M0.0632.41R0.0300.545斜率:

某粒徑范圍內(nèi)顆粒的含量

陡—相應粒組質(zhì)量集中

緩--相應粒組含量少

平臺--相應粒組缺乏連續(xù)程度:

Cc=d302

/(d60×d10)

—曲率系數(shù)較大顆粒缺少Cc

減小較小顆粒缺少Cc

增大Cc=1~3,級配連續(xù)性好§1.2土的三相組成16粒徑級配粒徑級配累積曲線及指標的用途：1）粒組含量用于土的分類定名；2）不均勻系數(shù)Cu用于判定土的不均勻程度：Cu≥5,不均勻土；Cu<5,均勻土3）曲率系數(shù)Cc用于判定土的連續(xù)程度：Cc

=1~

3,級配連續(xù)土；Cc>3或

Cc<1,級配不連續(xù)土4）不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc用于判定土的級配優(yōu)劣：

如果

Cu≥5且

Cc

=1~3，級配良好的土；

如果

Cu<5或

Cc>3或

Cc<1,級配不良的土§1.2土的三相組成172.礦物成分原生礦物

石英、長石、云母等次生礦物

主要是粘土礦物，包括三種類型

高嶺石、伊里石、蒙脫石粘土礦物:由硅片和鋁片構(gòu)成的晶包所組合而成§1.2土的三相組成18硅片的結(jié)構(gòu)§1.2土的三相組成基本單元：硅-氧四面體19鋁片的結(jié)構(gòu)§1.2土的三相組成基本單元：鋁-氫氧八面體20高嶺石（氫鍵聯(lián)結(jié)）粘土礦物的晶格構(gòu)造蒙脫石伊利石粒徑比表面積脹縮性滲透性強度壓縮性大10-20m2/g小大大小中80-100m2/g中中中中小800m2/g大小小大比表面積：單位質(zhì)量土顆粒所擁有的總表面積9克蒙脫土的總表面積大約與一個足球場一樣大§1.2土的三相組成21粘土礦物的帶電性質(zhì)研究表明：粘土顆粒的表面有電荷，凈電荷通常為負電荷§1.2土的三相組成----------------------++++粘土顆粒水分子陽離子223.顆粒形狀原生礦物

圓狀、渾圓狀、棱角狀次生礦物

針狀、片狀、扁平狀§1.2土的三相組成23結(jié)晶水礦物內(nèi)部的水

結(jié)合水吸附在土顆粒表面的水自由水電場引力作用范圍之外的水土中冰由自由水凍成，凍脹融陷二.土中水（液相）§1.2土的三相組成24結(jié)合水排列致密、定向性強密度>1g/cm3

冰點處于零下幾十度具有固體的特性溫度高于100°C時可蒸發(fā)強結(jié)合水位于強結(jié)合水之外，電場引力作用范圍之內(nèi)外力作用下可以移動不因重力而移動，有粘滯性弱結(jié)合水§1.2土的三相組成25自由水重力水毛細水在重力作用下可在土中自由流動存在于固氣之間在重力與表面張力作用下可在土粒間空隙中自由移動§1.2土的三相組成26=

濕潤角空氣固體水lT=界面張力d=

毛管直徑Td=2rua-uwua-uw=壓力差§1.2土的三相組成毛細水毛細現(xiàn)象毛細管hc27土中毛細現(xiàn)象上升高度:πr2hcγw=2πrTcosα毛細水分布在土粒內(nèi)部相互貫通的孔隙可以看成許多形狀不一、直徑互異、彼此連通的毛細管毛細升高與孔徑成反比粘土粉土砂土礫石分析對象:

水柱§1.2土的三相組成28對砂土強度的影響:毛細邊角水,假凝聚力

毛細壓力2πrTcosα+ucπr2=0毛細壓力非飽和土中毛細張力影響分析對象:水膜§1.2土的三相組成29三.土中氣體自由氣體：與大氣連通，對土的性質(zhì)影響不大封閉氣體：增加土的彈性；阻塞滲流通道§1.2土的三相組成30粘性土（細粒土）無粘性土（砂性土）（粗粒土）土的特點土的力學特性與土有關的工程問題土的生成土的三相組成……………31§1.3土的物理狀態(tài)土的物理狀態(tài)粗粒土的松密程度粘性土的軟硬程度土的物理性質(zhì)指標(松密程度、干濕程度、輕重程度)力學特性直接影響表示？32一.物理性質(zhì)指標土的三個組成相的體積和質(zhì)量上的比例關系§1.3土的物理狀態(tài)松密程度干濕程度輕重程度特點:指標概念簡單，數(shù)量很多要點：名稱、概念或定義、符號、表達式、單位或量綱、常見值或范圍、聯(lián)系與區(qū)別定義基本方法:三相草圖法331.

三相草圖WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm質(zhì)量體積§1.3土的物理狀態(tài)34三相草圖WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm質(zhì)量體積已知關系五個:共有九個參數(shù):

VVvVs

Va

Vw

/msmwmam剩下三個獨立變量三相草圖法物性指標是比例關系:可假設任一參數(shù)為1對于飽和土,Va=0剩下兩個獨立變量實驗室測定其它指標是一種簡單而實用的方法§1.3土的物理狀態(tài)352.室內(nèi)測定的三個物理性質(zhì)指標WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm質(zhì)量體積－土的密度、土粒的比重、土的含水量土的密度土的重度γ=ρg工程上更常用,用于計算土的自重應力單位:kg/m3

或g/cm3單位:kN/m3

一般范圍:1.60~2.20

g/cm3定義:單位體積土的質(zhì)量有時也稱土的天然密度表達式:相關指標:三相草圖有助于直觀理解物性指標的概念§1.3土的物理狀態(tài)36WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm質(zhì)量體積土粒比重s:土粒的密度，單位體積土粒的質(zhì)量單位:無量綱土粒比重一般范圍:

粘性土2.70

~

2.75砂土2.654?C時純蒸餾水的密度=1.0g/cm3土粒比重在數(shù)值上等于土粒的密度定義:土粒的密度與4?C時純蒸餾水的密度的比值表達式:§1.3土的物理狀態(tài)37WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm質(zhì)量體積土的含水量定義:土中水的質(zhì)量與土粒質(zhì)量之比,

用百分數(shù)表示注意:

其實是含水比,可達到或超過100％表達式:§1.3土的物理狀態(tài)38表示土中孔隙含量的指標孔隙比孔隙率(孔隙度)３.其它常用的物理性質(zhì)指標關系:在某種程度上反映土的松密砂類土：28~35%粘性土：30~50%有的可達60~70%定義:土中孔隙體積與固體顆粒體積之比,無量綱表達式:WaterAirSolidVaVwVsVvV體積定義:土中孔隙體積與總體積之比,用百分數(shù)表示表達式:Vs=1Vv=eV=1+eWaterAirSolid體積三相草圖可用于確定物性指標之間的關系§1.3土的物理狀態(tài)39表示土中含水程度的指標含水量飽和度WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm質(zhì)量體積表達式:定義:土中水的體積與孔隙體積的比值飽和度表示孔隙中充滿水的程度Sr=0:干土Sr=1:飽和土§1.3土的物理狀態(tài)40表示土的密度和容重的指標天然密度干密度飽和密度天然重度干重度浮重度有效重度飽和重度WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm質(zhì)量體積單位:kg/m3

或g/cm3單位:kN/m3

定義:

土被完全烘干時的密度,等于單位體積內(nèi)土粒的質(zhì)量表達式:§1.3土的物理狀態(tài)41各種密度與重度之間的大小關系：天然密度干密度飽和密度天然重度干重度浮重度飽和重度WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm質(zhì)量體積§1.3土的物理狀態(tài)42小結(jié)物理性質(zhì)指標土的三個組成相的體積和質(zhì)量上的比例關系松密程度干濕程度輕重程度特點:指標概念簡單，數(shù)量很多要點：名稱、概念或定義、符號、表達式、單位或量綱、常見值或范圍、聯(lián)系與區(qū)別定義基本方法:三相草圖法室內(nèi)測定的三個物理性質(zhì)指標土的密度、土粒的比重、土的含水量三相草圖有助于直觀理解物性指標的概念其它常用的物理性質(zhì)指標表示土中孔隙含量的指標表示土中含水程度的指標表示土的密度和容重的指標三相草圖可用于確定物性指標之間的關系三相草圖法是求取物理性質(zhì)指標的簡單而有效的方法§1.3土的物理狀態(tài)43二.土的物理狀態(tài)指標土的物理狀態(tài)粗粒土的松密程度粘性土的軟硬程度土的物理性質(zhì)指標(三相間的比例關系)力學特性影響表示§1.3土的物理狀態(tài)44emax與emin

：最大與最小孔隙比1.粗粒土的密實狀態(tài)密實度如何衡量?單位體積中固體顆粒含量的多少

或孔隙含量的多少優(yōu)點：簡單方便缺點：不能反映級配的影響只能用于同一種土對策相對密度干重度d或孔隙比e或孔隙率nemin

=0.35emin

=0.20§1.3土的物理狀態(tài)45emax:最大孔隙比；將松散的風干土樣通過長頸漏斗輕輕地倒入容器，避免重力沖擊，求得土的最小干密度再經(jīng)換算得到最大孔隙比emin:最小孔隙比；將松散的風干土樣裝入金屬容器內(nèi)，按規(guī)定方法振動和錘擊，直至密度不再提高，求得土的最大干密度再經(jīng)換算得到最小孔隙比emax與emin

：最大與最小孔隙比注意：室內(nèi)測得理論上的最大與最小孔隙比有時很困難§1.3土的物理狀態(tài)46粗粒土的密實狀態(tài)指標

判別標準：

Dr

=1

,最密狀態(tài)

Dr

=0

,最松狀態(tài)

Dr≤1/3,

疏松狀態(tài)1/3<

Dr≤

2/3,中密狀態(tài)

Dr>2/3

,密實狀態(tài)相對密實度§1.3土的物理狀態(tài)472.粘性土的軟硬狀態(tài)也稱稠度狀態(tài)稠度狀態(tài)與含水量有關粘性土含水量較硬變軟流動§1.3土的物理狀態(tài)48塑限wp液限wl稠度界限粘性土的稠度反映土中水的形態(tài)固態(tài)或半固態(tài)塑態(tài)

流態(tài)

強結(jié)合水膜最大出現(xiàn)自由水強結(jié)合水弱結(jié)合水自由水稠度狀態(tài)含水量土中水的形態(tài)w§1.3土的物理狀態(tài)土顆粒強結(jié)合水弱結(jié)合水土顆粒強結(jié)合水土顆粒自由水弱結(jié)合水強結(jié)合水吸附弱結(jié)合水的能力塑性指數(shù)49相對稠度問題：僅適用于重塑土即使含水量相同，稠度可能不同液性指數(shù)定義：wpwwlIL<0IL=0~1IL>1堅硬狀態(tài)可塑狀態(tài)流態(tài)0.00

~

0.250.25

~

0.750.75

~

1.00硬塑可塑軟塑§1.3土的物理狀態(tài)對同一種粘土，含水量可反映其稠度問題：對不同的粘土，wp、wl

大小不同50——吸附弱結(jié)合水的能力；大致反映粘土顆粒含量、粘性大小塑性指數(shù)常作為細粒土工程分類的依據(jù)缺點不能充分反映粘土顆粒含量

不同的粘土礦物結(jié)合水的能力不同活性指數(shù)p0.002:粒徑小于0.002mm顆粒的質(zhì)量占總土總質(zhì)量的百分比A<0.75A=075

~

1.25A>1.25非活性粘土正常粘土活性粘土§1.3土的物理狀態(tài)51粗粒土的密實狀態(tài)指標:

相對密度Dr

小結(jié)粘性土的稠度狀態(tài)指標:

液性指數(shù)IL引入定義判別標準稠度界限稠度狀態(tài)含水量土中水的形態(tài)塑性指數(shù)液性指數(shù)引入定義判別標準§1.3土的物理狀態(tài)粗粒土與粘性土為何采用不同的物理狀態(tài)指標？反映土的細觀特點與力學特性有更直接的聯(lián)系便于量測52土顆粒或粒團的空間排列和相互聯(lián)結(jié)§1.4土的結(jié)構(gòu)土粒間的作用力粘性土的結(jié)構(gòu)性指標力學特性土的結(jié)構(gòu)影響粗粒土的結(jié)構(gòu)細粒土的結(jié)構(gòu)重塑土的強度原狀土的強度<原狀土抗剪強度相同含水量密度、組成粉碎重塑重塑土強度降低53一.土粒間的作用力重力毛細力膠結(jié)力顆粒表面力

—土顆粒的自重形成的方向向下的力—砂性土—土中毛細作用形成的力—細砂、細粒土—土粒間的膠體物質(zhì)形成的作用力—粘性土—粘性土—庫侖力：—范德華力：顆粒表面的靜電引力或斥力顆粒接觸點處的分子間引力§1.4土的結(jié)構(gòu)54二.粗粒土的結(jié)構(gòu)粒間作用力排列形式礦物成分單粒結(jié)構(gòu)示意圖重力，毛細力點與點、點與面原生礦物§1.4土的結(jié)構(gòu)55三.細粒土的結(jié)構(gòu)粒間作用力形成環(huán)境排列形式礦物成分表面力、膠結(jié)力（斥力減小引力增加）片架結(jié)構(gòu)(凝聚結(jié)構(gòu))片堆結(jié)構(gòu)(分散結(jié)構(gòu))示意圖表面力、膠結(jié)力（粒間斥力占優(yōu)勢）淡水中沉積海水中沉積次生礦物次生礦物天然條件下，可能是多種組合，或者由一種結(jié)構(gòu)過渡向另一種結(jié)構(gòu)。面與面邊、角與面邊、角與邊§1.4土的結(jié)構(gòu)力學特性有何差異？56四.反映粘性土結(jié)構(gòu)性的指標相同含水量、密度1.粘性土的靈敏度—St

=St11-22-44-88-16>16粘性土不靈敏低靈敏中等靈敏靈敏很靈敏流動原狀土的無側(cè)限抗壓強度重塑土的無側(cè)限抗壓強度§1.4土的結(jié)構(gòu)重塑土的強度原狀土的強度<57含水量不變，密度不變，因重塑而強度降低，又因靜置而逐漸強化，強度逐漸恢復的現(xiàn)象，稱為觸變性。土的觸變性是土結(jié)構(gòu)中聯(lián)結(jié)形態(tài)發(fā)生變化引起的，是土結(jié)構(gòu)隨時間變化的宏觀表現(xiàn)。目前尚沒有合理的描述土觸變性的方法和指標。2.粘性土的觸變性§1.4土的結(jié)構(gòu)58目的：便于研究、交流及應用依據(jù)：能反映土的物理力學性質(zhì)－建筑地基基礎設計規(guī)范-GB50007-2002分類法水利部SL237-001-1999分類法§1.5土的工程分類是將工程性質(zhì)相近的土歸為一類土的組成土的狀態(tài)土的結(jié)構(gòu)59建筑地基基礎設計規(guī)范-GB50007-2002分類法土巖石碎石土砂土粉土粘性土人工填土§1.5土的工程分類60建筑規(guī)范分類法碎石土土的名稱顆粒形狀粒組含量漂石塊石圓形及亞圓形為主棱角形為主粒徑大于200mm的顆粒超過全質(zhì)量50%卵石碎石圓形及亞圓形為主棱角形為主圓形及亞圓形為主棱角形為主圓礫角礫粒徑大于20mm的顆粒超過全質(zhì)量50%粒徑大于2mm的顆粒超過全質(zhì)量50%§1.5土的工程分類61砂土土的名稱粒組含量粒徑大于2mm的顆粒占全質(zhì)量25-50%礫砂粗砂中砂細砂粉砂粒徑大于0.5mm的顆粒超過全質(zhì)量50%粒徑大于0.25mm的顆粒超過全質(zhì)量50%粒徑大于0.075mm的顆粒超過全質(zhì)量85%粒徑大于0.075mm的顆粒超過全質(zhì)量50%建筑規(guī)范分類法§1.5土的工程分類62粉土粒徑大于0.075mm的顆粒含量小于全質(zhì)量50%而塑性指數(shù)Ip≤10的土塑性指數(shù)Ip>10的土粘性土10<Ip≤17的土Ip>17的土粘土粉質(zhì)粘土建筑規(guī)范分類法§1.5土的工程分類63水利部SL237-001-1999分類法公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范JTJ024-85§1.5土的工程分類64壓實：指通過夯打、振動、碾壓等，使土體變得密實、以提高土的強度、減小土的壓縮性和滲透性壓實性：指土在一定壓實能量作用下密度增長的特性研究擊實性的目的：

以最小的能量消耗獲得最大的壓實密度

擊實方法：室內(nèi)擊實試驗現(xiàn)場試驗:夯打、振動、碾壓§1.6土的壓實性65一.室內(nèi)擊實試驗二.細粒土的壓實性三.粗粒土的壓實性§1.6土的壓實性66一.室內(nèi)擊實試驗

試驗設備

擊實筒V=1000cm3；擊實錘w=25牛頓

試驗條件

土樣分層n=3層；落高d=30cm；擊數(shù)N=27/層

擊實能量

試驗方法

對w=cosnst的土；分三層壓實；測定擊實后的w、ρ，算定ρd

注意：僅適用于細粒土；對粗粒土，可用較大尺寸的擊實儀土§1.6土的壓實性67二.細粒土的壓實性1.擊實曲線2.理論分析3.影響因素4.壓實標準§1.6土的壓實性681.擊實曲線特點：①具有峰值②位于飽和曲線之下

粘性土滲透系數(shù)很小，壓實過程中含水量幾乎不變，要想擊實到飽和狀態(tài)是不可能的。0481216202428含水量w(%)2.01.81.61.4干密度d