土的物理性質(zhì)及工程分類(2)省公開課一等獎全國示范課微課金獎?wù)n件

土中土粒、水和氣三部分質(zhì)量(或重力)與體積之間百分比關(guān)系，伴隨各種條件改變而改變。土粒普通由礦物質(zhì)組成，組成土固體部分。土粒組成土骨架。土骨架間充滿相互貫通孔隙。這些孔隙有時完全被水充滿，稱為飽和土；有時一部分孔隙被水占據(jù)，另一部分被氣體占據(jù)，稱為非飽和土；孔隙完全充滿氣體時，則稱為干土。水和溶解于水物質(zhì)組成土液體部分?？諝夂推渌恍怏w組成土氣體部分。這三種組成部分本身性質(zhì)以及它們之間百分比關(guān)系和相互作用，決定土物理力學(xué)性質(zhì)。所以，研究土性質(zhì)，必須研究土固體、液體和氣體三相組成。第1頁土三相百分比指標(biāo)一.土三相草圖第2頁

在上述變量中ma=

0，獨(dú)立量有

Vs、Vw、

Va、mw和ms五個。1cm3水質(zhì)量通常等于1g，故在數(shù)值上Vw=mw。當(dāng)研究這些量相對百分比關(guān)系時，總是取某一定數(shù)量土體來分析，比如，取V=1cm3，或m=1g，或Vs

=1cm3等，所以又能夠消去一個未知量。這么，對于一定數(shù)量三相土體，只要知道其中三個獨(dú)立量，其它各個量就可從圖中直接換算得到。三相草圖是土力學(xué)中用以計算三相量百分比關(guān)系一個簡單而又很實(shí)用工具。第3頁1.土密度密度：單位體積土質(zhì)量。Mg/m3,

g/cm3粘性土r=1.8～2.0g/cm3砂土r=1.6～2.0g/cm3腐殖土r=1.5～1.7g/cm3測定方法：普通用“環(huán)刀法”，用一個圓環(huán)刀（刀刃向下）放在削平原狀土樣面上，漸漸削去環(huán)刀外圍土，邊削邊壓，使保持天然狀態(tài)土樣壓滿環(huán)刀內(nèi)，稱得環(huán)刀內(nèi)土樣質(zhì)量，求得它與環(huán)刀容積之比值即為其密度。第4頁2.土重度重度:單位體積土重量，是重力函數(shù)。kN/m3G為土重量，g為重力加速度，工程上為了計算方便，取g=10m/s2。第5頁3土粒相對密度（比重）相對密度:土粒密度（單位體積土粒質(zhì)量）與4℃時純水密度之比。

rw1為4℃時純水密度，rw1=1g/cm3;rs為土粒密度，即單位體積土粒質(zhì)量。故實(shí)用上，土粒相對密度在數(shù)值上等于土粒密度。第6頁測定方法：土粒相對密度或比重可在試驗(yàn)室內(nèi)用比重瓶法測定。因?yàn)橥亮Ｏ鄬γ芏雀淖儾淮?通常可按經(jīng)驗(yàn)數(shù)值選取。第7頁

含水量w是標(biāo)志土濕度一個主要物理指標(biāo)。天然土層含水量改變范圍很大，它與土種類、埋藏條件及其所處自然地理環(huán)境等相關(guān)。普通說來，對同一類土，當(dāng)其含水量增大時，則其強(qiáng)度就降低。4土含水量含水量：土中水質(zhì)量與土粒質(zhì)量之比，用w表示，以百分?jǐn)?shù)計。第8頁測定方法：土含水量普通用“烘干法”測定。先稱小塊原狀土樣濕土質(zhì)量m，然后置于烘箱內(nèi)維持100～105℃烘至恒重，再稱干土質(zhì)量ms，水質(zhì)量mw為濕土和干土質(zhì)量之差。鋁盒烘箱電子天平土樣第9頁基本指標(biāo)土密度

r土粒比重ds土含水量

w在測定土密度、土粒比重和土含水量這三個基本指標(biāo)后，就能夠依據(jù)三相草圖計算出三相組成各自在體積上與質(zhì)量上含量。

第10頁1.土孔隙比和孔隙率孔隙比:土中孔隙體積與土粒體積之比，以小數(shù)記。三相量百分比關(guān)系其它慣用指標(biāo)

它是一個主要物理性能指標(biāo)，可用來評價天然土層密實(shí)程度。普通地，

e<0.6土是密實(shí)低壓縮性土，

e>1.0土是疏松高壓縮性土。第11頁1.土孔隙比和孔隙率孔隙率：土中孔隙體積與土總體積之比，以百分?jǐn)?shù)計。三相量百分比關(guān)系其它慣用指標(biāo)

砂類土：28-35%粘性土：0-50%,有可達(dá)60-70%第12頁2土飽和度飽和度：土中被水充滿孔隙體積與孔隙總體積之比。

砂土依據(jù)飽和土Sr指標(biāo)值分為稍濕、很濕和飽和三種濕度狀態(tài)。顯然，干土飽和度Sr=0，而完全飽和土飽和度Sr=100%。第13頁3土飽和密度和干密度飽和密度:土中孔隙被水充滿時土密度，Mg/m3,g/cm3干密度：單位土體積中土粒質(zhì)量，Mg/m3,g/cm3第14頁重度＝密度×g

密度與重度飽和重度天然重度干重度第15頁

對于地下水位以下土體，因?yàn)槭艿剿×ψ饔?，將扣除水浮力后單位體積土所受重力稱為土有效重度(土浸泡在水中受到浮力時重度），以g′表示，當(dāng)認(rèn)為水下土是飽和時，它在數(shù)值上等于飽和重度gsat。有效重度第16頁

三相指標(biāo)換算第17頁

三相指標(biāo)換算第18頁從物理意義上了解指標(biāo)間關(guān)系不勉勵死記硬背必要時利用三相草圖推導(dǎo)

三相圖換算指標(biāo)，就是利用已知指標(biāo)，計算出三相草圖中各相數(shù)值，再依據(jù)所求指標(biāo)定義直接計算。實(shí)際上，因?yàn)槿嗔恐笜?biāo)都是相正確百分比關(guān)系，不是量絕對值，所以，為了簡化計算，經(jīng)常能夠假設(shè)三相中某相值為1個單位，實(shí)用上最慣用是假設(shè)Vs=1.0m3(或cm3)或V=1.0m3(或cm3)進(jìn)行計算。第19頁

所謂土物理狀態(tài)，對于粗粒土、是指土密實(shí)程度，對于細(xì)粒土則是指土軟硬程度或稱為粘性土稠度。土物理狀態(tài)第20頁無黏性土密實(shí)度砂土、碎石土和粉土統(tǒng)稱為無黏性土，無黏性土密度對其工程性質(zhì)有主要影響。

土密實(shí)度通常指單位體積中固體顆粒含量。土顆粒含量多，土就密實(shí)；土顆粒含量少，土就疏松。反應(yīng)這類土工程性質(zhì)主要指標(biāo)是密實(shí)度。干密度

d和孔隙比e(或孔隙度n)都是表示土密實(shí)度指標(biāo)。

不過這種用固體含量或孔隙含量表示密實(shí)度方法有其顯著缺點(diǎn)，主要是這種表示方法沒有考慮到粒徑級配這一主要原因影響。

第21頁相對密度

假定第一個砂是理想均勻圓球，不均勻系數(shù)Cu＝1.0，最密時孔隙比e＝0.35，假如砂粒比重G＝2.65，則最密時干密度

d＝1.96/cm3。第二種砂一樣是理想圓球。但其級配中除大圓球外，還有小圓球能夠充填于孔隙中，不均勻系數(shù)Cu＝＞1.0,最密時孔隙比e＜0.35。就是說這兩種砂若都含有一樣孔隙比e＝0.35時,對于第一個砂，已處于最密實(shí)狀態(tài)，而對于第二種砂則不是最密實(shí)。第22頁相對密度工程上為了更加好地表明砂土所處密實(shí)狀態(tài)，采取將現(xiàn)場土孔隙比e與該種土所能到達(dá)最密實(shí)時孔隙比emin和最渙散時孔隙比emax相比較方法，來表示孔隙比e時土密實(shí)度。這種度量密實(shí)度指標(biāo)稱為相對密度Dr定義為密實(shí)度判別標(biāo)準(zhǔn)：Dr≤1/3疏松1/3≤Dr≤2/3中密

Dr＞2/3密實(shí)土最大孔隙比emax測定方法是將渙散風(fēng)干土樣，經(jīng)過長頸漏斗輕輕地倒入容器，求得土最小干密度再經(jīng)換算確定；土最小孔隙比emin測定方法是將渙散風(fēng)干土樣分批裝人金屬容器內(nèi)，按要求方法進(jìn)行振動或錘擊扎實(shí)，直至密實(shí)度不再提升，求得最大干密度再經(jīng)換算確定。第23頁粘性土稠度狀態(tài)

土中含水量很低時，水都被顆粒表面電荷緊緊吸著于顆粒表面，成為強(qiáng)結(jié)合水。強(qiáng)結(jié)合水性質(zhì)靠近于固態(tài)。所以，當(dāng)土粒之間只有強(qiáng)結(jié)合水時，按水膜厚薄不一樣，土表現(xiàn)為固態(tài)或半固態(tài)。當(dāng)含水量增加，被吸附在顆粒周圍水膜加厚，土粒周圍除強(qiáng)結(jié)合水外還有弱結(jié)合水，弱結(jié)合水呈粘滯狀態(tài)，不能傳遞靜水壓力，不能自由流動，但受力時能夠變形，能從水膜較厚處向鄰近較薄處移動。在這種含水量情況下，土體受外力作用能夠被捏成任意形狀而不破裂，外力取消后依然保持改變后形狀。這種狀態(tài)稱為可塑狀態(tài)。

粘性土最主要物理狀態(tài)特征是它稠度，稠度是指土軟硬程度或土對外力引發(fā)變形或破壞抵抗能力。第24頁

弱結(jié)合水存在是土含有可塑狀態(tài)原因。土處于可塑狀態(tài)含水量改變范圍，大致上相當(dāng)于土粒所能夠吸附弱結(jié)合水含量。這一含量大小土要決定于土比表面積相礦物成份。粘性大土必定是比表面積大，礦物親水能力強(qiáng)土(比如蒙持石)，自然也是能吸附較多結(jié)合水土，因之它塑態(tài)含水量改變范圍也必定大。當(dāng)含水量繼續(xù)增加，土中除結(jié)合水外，已經(jīng)有相當(dāng)數(shù)量水處于電場引力影響范圍以外，成為自由水。這時土粒之間被自由水所隔開，土體不能原受任何剪應(yīng)力，而呈流動狀態(tài)。從物理概念分析，土稠度實(shí)際上是反應(yīng)土中水形態(tài)。第25頁液性指數(shù)：反應(yīng)土軟硬狀態(tài)

稠度界限土從某種狀態(tài)進(jìn)入另外一個狀態(tài)分界含水量稱為土特征含水量或(稠度界限)。工程上慣用稠度界限有液性界限wL和塑性界限wP。液性界限(wL)簡稱液限，相當(dāng)于土從塑性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲃訝顟B(tài)時含水量。這時，土中水形態(tài)除結(jié)合水外，已經(jīng)有相當(dāng)數(shù)量自由水。塑性界限(wp)簡稱塑限，相當(dāng)于土從半固體狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄誀顟B(tài)時含水量。這時土中水形態(tài)大約是強(qiáng)結(jié)合水含量到達(dá)最大時。第26頁土中水與稠度狀態(tài)第27頁液性指數(shù)IL

狀態(tài)IL≤00＜IL≤0.250.25＜IL≤0.750.75＜IL≤1.0

IL＞1.0堅硬硬塑可塑軟塑流塑粘性土狀態(tài)分類塑性指數(shù)：反應(yīng)土種類

第28頁土工程分類體系

自然界中土種類很多，工程性質(zhì)各異。為了便于研究，需要按其主要特征進(jìn)行分類。任何一個土分類體系，其目標(biāo)無非是想提供一個通用判別標(biāo)準(zhǔn)，方便在不一樣土類之間可作有價值比較、評價及累積和交流經(jīng)驗(yàn)。為了能通用，這種分類體系首先應(yīng)該是簡明，而且盡可能直接與土工程性質(zhì)相聯(lián)絡(luò)。可惜，土分類法不但各國還未統(tǒng)一，就是一個國家各部門也都制訂了結(jié)合本行業(yè)特點(diǎn)分類體系。第29頁

分類依據(jù)

《巖土工程勘察規(guī)范》GB50021-

《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》GB50007-第30頁

土按堆積年代可劃分為以下三類：老堆積土：第四紀(jì)晚更新世Q4及其以前堆積土層，普通呈超固結(jié)狀態(tài)，含有較高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；普通堆積土：第四紀(jì)全新世(文化期以前Q4)堆積土層；新近堆積土：自文化期以來新近堆積土層Q4，普通處于欠壓密狀態(tài)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低。依據(jù)地質(zhì)成因可將士分為殘積土、坡積土、洪積土、淤積土、冰積土、風(fēng)積土和海積土等。依據(jù)有機(jī)質(zhì)含量(按灼失量試驗(yàn)確定）可將土分為無機(jī)土、有機(jī)質(zhì)土、泥炭質(zhì)土和泥炭，其含量分別為小于5％，5％-10％，10％-60％，大于60％。按顆粒級配和塑性指數(shù)可將士分為碎石土、砂土、粉土和粘性土。第31頁碎石土：粒徑大于2mm顆粒含量超出全重50％土。依據(jù)顆粒級配和顆粒形狀，按下表分類。

第32頁砂土:粒徑大于2mm顆粒含量不超出全重50％、粒徑大于0.075mm顆粒超出全重50％土。依據(jù)顆粒級配，按下表分類。第33頁粘性土:若土塑性指數(shù)IP＞10：則該土屬粘性土。粘性土依據(jù)塑性指數(shù)IP按下表細(xì)分。第34頁淤泥:在靜水或遲緩流水環(huán)境中沉積，經(jīng)生物化學(xué)作用形成，其天然含水量大于液限,天然孔隙比大于或等于1.5粘性土。淤泥質(zhì)土:天然孔隙比小于1.5，但大于或等于1.0粘性土稱為淤泥質(zhì)土。第35頁粉土:為介于砂土與粘性土之間，塑性指數(shù)IP＜10且粒徑大于0.075mm顆粒含量不超出全重50％土。粉土工程性質(zhì)介于砂土和粘性土之間，它既不含有砂土透水性大、輕易排水固結(jié)、抗剪強(qiáng)度較高優(yōu)點(diǎn)，又不含有粘性土防水性能好、不易被水沖蝕流失、含有較大粘聚力優(yōu)點(diǎn)。第36頁土壓實(shí)性建筑物建筑在填土上，為了提升填土強(qiáng)度，增加土密實(shí)度，降低其透水性和壓縮性，通慣用分層壓實(shí)方法來處理地基。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，對過濕土進(jìn)行扎實(shí)或碾壓時就會出現(xiàn)軟彈現(xiàn)象(俗稱“橡皮土”)，此時土密實(shí)度是不會增大。對很干土進(jìn)行扎實(shí)或碾壓，顯然也不能把土充分壓實(shí)。所以，要使土壓實(shí)效果最好，其含水量一定要適當(dāng)。在一定壓實(shí)能量下使土最輕易壓實(shí)，并能到達(dá)最大密實(shí)度時含水量，稱為土最優(yōu)含水量(或稱最正確含水量)。用

。表示。相對應(yīng)干密度叫做最大干密度，以

dmax表示。第37頁含水量與干密度關(guān)系曲線含有最優(yōu)含水量土，其壓實(shí)效果最好。這是因?yàn)楹枯^小時，土中水主要是強(qiáng)結(jié)合水，土粒周圍結(jié)合水膜很