第二章-地基土的物理特性剖析課件

土的物理性質(zhì)與工程分類第二章§2.1概述---土的形成§2.2土的組成及其結(jié)構(gòu)構(gòu)造§2.3土的物理性質(zhì)指標(biāo)§2.4土的物理狀態(tài)指標(biāo)§2.5土的分類標(biāo)準(zhǔn)及地基土的工程分類目錄§2.1概述——土的形成土的三相組成土的物理狀態(tài)土的結(jié)構(gòu)便于研究和應(yīng)用土的工程分類土的壓實性土的形成影響從而決定土的滲透特性；變形特性及強(qiáng)度特性一、土的形成形成過程形成條件物理力學(xué)性質(zhì)影響土是巖石經(jīng)過風(fēng)化后,在不同條件下形成的自然歷史的產(chǎn)物搬運(yùn)、沉積風(fēng)化巖石地球土地球生物風(fēng)化物理風(fēng)化化學(xué)風(fēng)化礦物成分未變無粘性土原生礦物礦物成分改變粘性土次生礦物風(fēng)化作用分類有機(jī)質(zhì)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(yùn)動過程中因碰撞和摩擦而破碎。特點：只改變顆粒的大小和形狀，不改變礦物顆粒的成分。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(xué)成分，形成新的礦物。經(jīng)化學(xué)風(fēng)化生成的土為細(xì)粒土，具有粘結(jié)力。動植物活動引起的巖石和土體粗顆粒的粒度或成分的變化殘積土無搬運(yùn)運(yùn)積土有搬運(yùn)土質(zhì)較好殘積土強(qiáng)風(fēng)化弱風(fēng)化微風(fēng)化母巖體顆粒表面粗糙多棱角粗細(xì)不均無層理母巖表層經(jīng)風(fēng)化作用破碎成巖屑或細(xì)小顆粒后，未經(jīng)搬運(yùn)殘留在原地的堆積物風(fēng)化所形成的土顆粒，受自然力的作用搬運(yùn)到遠(yuǎn)近不同的地點所沉積的堆積物二.搬運(yùn)與沉積§1.2土的組成及其結(jié)構(gòu)構(gòu)造氣相固相液相++構(gòu)成土骨架，起決定作用重要影響土體次要作用1、顆粒大小—粒組劃分粒組

按粗細(xì)進(jìn)行分組，將粒徑接近的歸成一類界限粒徑粒組與粒組之間的分界尺寸一、土的固體顆粒2、土粒粒度分析---顆粒級配顆粒大小各粒徑成分在土中占的比例顆粒級配

——各粒組的相對含量，用質(zhì)量百分?jǐn)?shù)來表示確定方法

篩分法：適用于粗粒土(>0.075mm)

比重計法：適用于細(xì)粒土(<0.075mm)表述方法

顆粒級配累積曲線篩分法（d>0.075mm的土）沉降分析法（密度計法）（d<0.075mm的土）105.02.01.00.50.250.1200g10161824223872P%9587786655361009080706050403020100小于某粒徑之土質(zhì)量百分?jǐn)?shù)P（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒徑(mm)土的粒徑級配累積曲線水分法1009080706050403020100小于某粒徑之土質(zhì)量百分?jǐn)?shù)（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒徑(mm)土的粒徑級配累積曲線d60d50d10d30特征粒徑:

d50

:平均粒徑d60:限制粒徑d10

:有效粒徑d30

;中值粒徑不均勻程度：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,級配良好粗細(xì)程度：

用d50

表示

1009080706050403020100小于某粒徑之土質(zhì)量百分?jǐn)?shù)（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒徑(mm)土的粒徑級配累積曲線d60d10d30斜率:

某粒徑范圍內(nèi)顆粒的含量

陡—相應(yīng)粒組質(zhì)量集中

緩--相應(yīng)粒組含量少

平臺--相應(yīng)粒組缺乏連續(xù)程度:

Cc=d302

/(d60×d10)

—曲率系數(shù)Cc=1-3,級配連續(xù)性好粒徑級配判定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)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。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）結(jié)合水強(qiáng)結(jié)合水:排列致密、定向性強(qiáng)密度>1g/cm3冰點處于零下幾十度具有固體的的特性溫度高于100°C時可蒸發(fā)弱結(jié)合水:位于強(qiáng)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，有粘滯性自由水重力水毛細(xì)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；阻塞滲流通道土顆?；蛄F(tuán)的空間排列和相互聯(lián)結(jié)四、土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造力學(xué)特性土的結(jié)構(gòu)重塑土的強(qiáng)度原狀土的強(qiáng)度<土的構(gòu)造+同一土層中物質(zhì)成分、顆粒大小相近的各部分之間的相互關(guān)系的特征影響1、土粒間的作用力

重力毛細(xì)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——砂土——土中毛細(xì)作用形成的力——細(xì)砂、粉土——土粒間的膠體物質(zhì)產(chǎn)成的作用力——粘土——粘土——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---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(xì)力點與點、點與面原生礦物2、土的結(jié)構(gòu)---細(xì)砂、粉粒土的結(jié)構(gòu)粒間作用力排列形式礦物成分蜂窩結(jié)構(gòu)重力，表面力蜂窩狀主要是原生礦物---細(xì)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）

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、角與邊絮狀結(jié)構(gòu)3、土的構(gòu)造類型層理構(gòu)造裂隙構(gòu)造§1.3土的物理性質(zhì)指標(biāo)

土的物理性質(zhì)指標(biāo)(三相間的比例關(guān)系)。可以用來表示土的物理狀態(tài)，包括：粗粒土的松密程度和粘性土的軟硬狀態(tài)，從而影響了土的力學(xué)特性。一、物理性質(zhì)指標(biāo)土的三個組成相的體積和質(zhì)量上的比例關(guān)系基本方法:三相草圖法1、三相草圖WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm質(zhì)量體積WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm質(zhì)量體積已知關(guān)系五個:共有九個參數(shù):

VVvVs

Va

Vω

/msmωmam剩下三個獨立變量物性指標(biāo)是比例關(guān)系:可假設(shè)任一參數(shù)為1實驗室測定其它指標(biāo)2、室內(nèi)測定的三個物理性質(zhì)指標(biāo)—基本物理指標(biāo)WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm質(zhì)量體積土的密度單位:

kg/m3

或g/cm3一般范圍:

1.60—2.20

g/cm3土單位體積的質(zhì)量有時也稱土的天然密度表達(dá)式:相關(guān)指標(biāo):土的容重（重度）γ=ρg單位:kN/m3

環(huán)刀法測得土的密度ρ和容重γ測定方法：環(huán)刀法土粒比重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2.65

有機(jī)質(zhì)、泥炭土較小：4?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土粒的密度與4?C時純蒸餾水的密度的比值表達(dá)式:比重瓶法測得WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm質(zhì)量體積土的比重ds測定方法：比重瓶法

事先將比重瓶注滿純水，稱瓶加水的質(zhì)量m1。然后把烘干土若干克(ms)裝入空比重瓶內(nèi)，再加純水至滿，稱瓶加水加土的質(zhì)量m2，按下式計算土粒比重。土的名稱砂土粉土粘性土粉質(zhì)粘土粘土土粒相對密度2.65~2.692.70~2.712.72~2.732.74~2.76土的含水量土中水的質(zhì)量與土粒質(zhì)量之比,用百分?jǐn)?shù)表示注:

含水量

可達(dá)到或超過100％表達(dá)式:用烘干法測得土的含水率測定方法：

烘干法。先稱出天然濕土的質(zhì)量，然后放在烘箱里，在100～105℃（有機(jī)質(zhì)含量低）下烘干，稱干土的質(zhì)量?？紫侗龋?其它常用的物理性質(zhì)指標(biāo)—導(dǎo)出指標(biāo)土中孔隙體積與固體顆粒體積之比,無量綱表達(dá)式:WaterAirSoilVaVwVsVvV體積關(guān)系:孔隙率(孔隙度)

土中孔隙體積與總體積之比,用百分?jǐn)?shù)表示表達(dá)式:Vs=1Vv=eV=1+eWaterAirSoil體積飽和度表達(dá)式: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:

飽和土天然密度干密度天然容重干容重WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm質(zhì)量體積單位:kg/m3

或g/cm3單位:kN/m3

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(dá)式:浮容重浮密度有效容重飽和密度飽和容重各種密度容重之間的大小關(guān)系：天然密度干密度飽和密度天然容重干容重浮容重飽和容重WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm質(zhì)量體積浮密度常用的物理性質(zhì)指標(biāo)間的換算關(guān)系換算步驟:

①:假設(shè)Vs=1(V=1或ms=1),并畫出三相草圖;②:解出各相物質(zhì)成分的質(zhì)量和體積;③:利用定義式導(dǎo)出所求的物理性質(zhì)指標(biāo)。WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm質(zhì)量體積已知關(guān)系五個:共有九個參數(shù):

VVvVs

VaVω

/msmωmam物性指標(biāo)是比例關(guān)系:可假設(shè)任一參數(shù)為1對于飽和土,Va=0剩下兩個獨立變量土的三相比例換算公式【解】1、繪三相草圖；【例題1】已知土的試驗指標(biāo)為：土的重度γ=17kN/m3，土粒重度γs=27.2kN/m3和含水量w=10％，求其余6個物理指標(biāo)。2、設(shè)土的體積等于1，即V=1

則土的質(zhì)量：3、已知含水量而4、土粒密度而：5、孔隙體積：6、水的體積：7、氣體的體積：8、根據(jù)土的物理性質(zhì)指標(biāo)表達(dá)式可求出：（1）孔隙比：（2）孔隙率：（3）飽和度：（4）干密度：（5）飽和密度：（6）有效密度：

ρ’＝ρsat

–ρw＝1.98－1＝0.98(g/m3)(g/m3)(g/m3)【例題2】

已知土的試驗指標(biāo)為：土的重度γ=18kN/m3

，土粒密度ρs=2.7g/cm3和含水量w=12％，求e,Sr

和γd

?！窘?】

設(shè)土的體積等于1，即V

=

1

則土的重力W

=

gV

=

18

kN

已知土粒的重力Ws

與水的重力Ww

之和等于土的重力W

，即:

W

=

Ws

+

Ww

水的重力Ww

與土的重力Ws之比等于含水量w，則

Ww＝

w×Ws

＝0.12Ws

代入式（1）：Ws

＋0.12Ws

＝W＝18kN

解得：

Ws

＝16

kN

Ww

＝2

kN

土粒體積：Vs

＝Ws

/rsg

=0.60

m3

孔隙的體積：Vv=V

-Vs

=1－0.60=0.40

m3，水的體積：Vw

＝Ww/gw

=2/9.8=0.20

m3。根據(jù)三相指標(biāo)定義可計算孔隙比e，飽和度Sr

和干重度

gd

的數(shù)值：孔隙比e：飽和度Sr

:干重度

gd

：§1.4土的物理狀態(tài)指標(biāo)

土的物理性質(zhì)指標(biāo)(三相間的比例關(guān)系)?？梢杂脕肀硎就恋奈锢頎顟B(tài)，包括：粗粒土的松密程度和粘性土的軟硬狀態(tài)，從而影響了土的力學(xué)特性。emax與emin

：最大與最小孔隙比一、無粘性土的密實度密實度單位體積中固體顆粒含量的多少優(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2、相對密（實）度（砂土）1、天然孔隙比e或孔隙率n(砂土)emax:最大孔隙比將松散的風(fēng)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(fēng)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

：最大與最小孔隙比砂土的密實狀態(tài)指標(biāo)

判別標(biāo)準(zhǔn)：

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)相對密度3.按動力觸探確定無粘性土的密實度天然砂土的密實度，可按原位標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗的錘擊數(shù)N進(jìn)行評定。天然碎石土的密實度，可按原位重型圓錐動力觸探的錘擊數(shù)N63.5進(jìn)行評定(GB50007-2002)

密實度按N評定砂石密實度按N63.5評定碎石土密實度松散稍密中密密實N≤10N63.5≤510＜N≤155＜N63.5≤1015＜N≤3010＜N63.5≤20N＞30N63.5＞20二、粘性土的物理特征1、稠度狀態(tài)與界限含水量固態(tài)或半固態(tài)塑態(tài)

流態(tài)

強(qiáng)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)w0固態(tài)或半固態(tài)可塑狀態(tài)流動狀態(tài)塑限ωP液限ωL液塑限聯(lián)合測定儀下沉深度為17mm所對應(yīng)的含水量為液限;下沉深度為2mm處所對應(yīng)的含水量為塑限塑限ωp液限ωl稠度界限粘性土的稠度反映土中水的形態(tài)強(qiáng)結(jié)合水膜最大出現(xiàn)自由水（1）液性指數(shù)不同的粘土，ωp、ωl

大小不同對于不同的粘土，含水量相同，稠度可能不同定義：wpwwlIL<0IL=0–1IL>1堅硬狀態(tài)可塑狀態(tài)流態(tài)0.00–0.250.