土力學(xué)與砌體結(jié)構(gòu) 第3章 土的物理性質(zhì)和分類

1、 本節(jié)主要內(nèi)容：本節(jié)主要內(nèi)容：闡明組成土的三相（固體顆粒、水、氣）闡明組成土的三相（固體顆粒、水、氣）的特性及其與工程性質(zhì)的關(guān)系。的特性及其與工程性質(zhì)的關(guān)系。一、土的固體顆粒一、土的固體顆粒1.土粒的礦物成分土粒的礦物成分1）原生礦物原生礦物：母巖經(jīng)物理風(fēng)化而成：母巖經(jīng)物理風(fēng)化而成,eg.石英、云母、長(zhǎng)石；其成石英、云母、長(zhǎng)石；其成分與母巖相同，分為單礦物顆粒，多礦物顆粒。分與母巖相同，分為單礦物顆粒，多礦物顆粒。2）次生礦物次生礦物：母巖經(jīng)化學(xué)風(fēng)化而成，如：母巖經(jīng)化學(xué)風(fēng)化而成，如eg.高嶺石、伊里石、蒙高嶺石、伊里石、蒙脫石。其成分與母巖不同，為一種新礦物顆粒。主要是粘土礦物。脫石。其成分與

2、母巖不同，為一種新礦物顆粒。主要是粘土礦物。D0.075mm。 （2）比重計(jì)法或移液管法：粒徑）比重計(jì)法或移液管法：粒徑0.075mm。 顆分曲線：根據(jù)顆分試驗(yàn)成果，可以繪制顆分曲線：根據(jù)顆分試驗(yàn)成果，可以繪制顆粒級(jí)配曲線顆粒級(jí)配曲線。如下。如下圖。圖。 級(jí)配良好的判別：級(jí)配良好的判別： 由曲線的坡度大致可判別土的均勻程度，如曲線較由曲線的坡度大致可判別土的均勻程度，如曲線較陡，則表示粒徑大小相差不多，土粒較均勻；反之，曲線陡，則表示粒徑大小相差不多，土粒較均勻；反之，曲線平緩，則表示粒徑大小相差懸殊，土粒平緩，則表示粒徑大小相差懸殊，土粒不不均勻，即級(jí)配良均勻，即級(jí)配良好。好。 Cu5 級(jí)配

3、良好。級(jí)配良好。 Cc反應(yīng)曲線的整體形狀，過(guò)大或過(guò)小都反應(yīng)曲線的整體形狀，過(guò)大或過(guò)小都表示缺乏中間粒徑。表示缺乏中間粒徑。對(duì)砂類土，當(dāng)同時(shí)滿足對(duì)砂類土，當(dāng)同時(shí)滿足315= =cuCC和和時(shí)，級(jí)配良好時(shí)，級(jí)配良好。60102301060/dddCddCcu= =.（一）土中水：（一）土中水：1.結(jié)晶水結(jié)晶水 存在于礦物結(jié)晶中的水，只有在高溫（存在于礦物結(jié)晶中的水，只有在高溫（105 C）下，才能）下，才能從礦物中吸出，故可把它視作礦物本身的一部分。從礦物中吸出，故可把它視作礦物本身的一部分。2.結(jié)合水結(jié)合水 受電分子吸引力吸附于土粒表面的土中水。受電分子吸引力吸附于土粒表面的土中水。0-毛細(xì)水毛

4、細(xì)水重力水重力水自由水自由水弱結(jié)合水弱結(jié)合水強(qiáng)結(jié)合水強(qiáng)結(jié)合水與土粒表面結(jié)合的水與土粒表面結(jié)合的水結(jié)合水結(jié)合水土粒礦物內(nèi)部的水土粒礦物內(nèi)部的水- -結(jié)晶水結(jié)晶水土中水土中水強(qiáng)結(jié)合水強(qiáng)結(jié)合水弱結(jié)合水弱結(jié)合水自由水自由水（1）強(qiáng)結(jié)合水：）強(qiáng)結(jié)合水：沒有溶解鹽類的沒有溶解鹽類的能力，不能傳遞靜水壓力，牢固地能力，不能傳遞靜水壓力，牢固地吸附于土粒表面，其性質(zhì)接近于固吸附于土粒表面，其性質(zhì)接近于固體，具有極大的粘滯度、彈性和抗體，具有極大的粘滯度、彈性和抗剪強(qiáng)度。剪強(qiáng)度。（2）弱結(jié)合水：）弱結(jié)合水：厚度較強(qiáng)結(jié)合水厚度較強(qiáng)結(jié)合水大，具有較高的粘滯度、抗剪強(qiáng)度，大，具有較高的粘滯度、抗剪強(qiáng)度，仍不能傳遞靜水

5、壓力。仍不能傳遞靜水壓力。3.自由水自由水（1）重力水：在土中流動(dòng)的水，受重力作用。）重力水：在土中流動(dòng)的水，受重力作用。（2）毛細(xì)水：由于水和空氣分界處彎液面上產(chǎn)生的表面張力作用，）毛細(xì)水：由于水和空氣分界處彎液面上產(chǎn)生的表面張力作用，土中自由水從地下水位通過(guò)土的細(xì)小通道逐漸上升，形成毛細(xì)水。土中自由水從地下水位通過(guò)土的細(xì)小通道逐漸上升，形成毛細(xì)水。它不僅受重力作用而且還受到表面張力的支配。它不僅受重力作用而且還受到表面張力的支配。單粒結(jié)構(gòu)單粒結(jié)構(gòu)蜂窩結(jié)構(gòu)蜂窩結(jié)構(gòu)絮狀結(jié)構(gòu)絮狀結(jié)構(gòu)（二）土中氣（二）土中氣1.開敞氣體：對(duì)土無(wú)影響；開敞氣體：對(duì)土無(wú)影響；2.封閉氣體：使土的滲透性減小，彈性增大和

6、拖延了土的壓縮和膨封閉氣體：使土的滲透性減小，彈性增大和拖延了土的壓縮和膨脹變形隨時(shí)間的發(fā)展。脹變形隨時(shí)間的發(fā)展。1.土的結(jié)構(gòu)（如上圖）土的結(jié)構(gòu)（如上圖）土的結(jié)構(gòu)：土的結(jié)構(gòu)：?jiǎn)瘟＝Y(jié)構(gòu)；單粒結(jié)構(gòu)；蜂窩結(jié)構(gòu)（粒徑蜂窩結(jié)構(gòu)（粒徑0.0750.005mm）；）；絮狀結(jié)構(gòu)（粒徑絮狀結(jié)構(gòu)（粒徑0.005）。）。分散構(gòu)造分散構(gòu)造裂隙構(gòu)造裂隙構(gòu)造 2.土的構(gòu)造土的構(gòu)造 土的構(gòu)造分為層理構(gòu)造、分散構(gòu)造和裂隙構(gòu)造。土的構(gòu)造分為層理構(gòu)造、分散構(gòu)造和裂隙構(gòu)造。表示土的三相組成比例關(guān)系的指標(biāo)表示土的三相組成比例關(guān)系的指標(biāo),稱為土的物理性質(zhì)指標(biāo)。稱為土的物理性質(zhì)指標(biāo)。 為了便于說(shuō)明和為了便于說(shuō)明和計(jì)算，用三相組成示計(jì)算，

7、用三相組成示意圖來(lái)表示各部分之意圖來(lái)表示各部分之間的數(shù)量關(guān)系。間的數(shù)量關(guān)系。111WsW=sssVmdds可用可用比重瓶法比重瓶法測(cè)定測(cè)定,但由于變化幅度不大（但由于變化幅度不大（2.62.8),通?？砂唇?jīng)驗(yàn)數(shù)值選用，如下表。通常可按經(jīng)驗(yàn)數(shù)值選用，如下表。粘性土粘性土土的名稱土的名稱砂土砂土粉土粉土粉質(zhì)粘土粉質(zhì)粘土粘土粘土土粒比重土粒比重2.652.69 2.702.71 2.722.73 2.742.76土粒比重參考值土粒比重參考值%sWmm=w含水量是標(biāo)志土的濕度的一個(gè)重要物理指標(biāo)，一般用含水量是標(biāo)志土的濕度的一個(gè)重要物理指標(biāo)，一般用烘箱法烘箱法測(cè)定。測(cè)定。33mtcmgVm或單位=土的密

8、度土的密度 用用環(huán)刀法環(huán)刀法測(cè)定。測(cè)定。（四）干密度（四）干密度d、飽和、飽和密度密度sat、和有效密度、和有效密度 mVVmVVmVWssWVssatsd-= .+=計(jì)算自重應(yīng)力時(shí)，須采用計(jì)算自重應(yīng)力時(shí)，須采用土的重力密度，簡(jiǎn)稱重度。土的重力密度，簡(jiǎn)稱重度。土的濕重度土的濕重度 、干重度、干重度 d、飽和重度飽和重度 sat、有效重度、有效重度 分別按下式計(jì)算：分別按下式計(jì)算：g=gdd=gsatsat=g =單位：?jiǎn)挝唬?/mkN1.土的干重度土的干重度d(1)表達(dá)式表達(dá)式：d =固體重力固體重力總體積總體積=wsv(2)物理意義：?jiǎn)挝惑w積的土在水分烘干后的重力，物理意義：?jiǎn)挝惑w積的土在水

9、分烘干后的重力，即干土的重力密度。即干土的重力密度。(3)常見值：常見值：1318KN/m3(4)工程應(yīng)用：常用做填方工程中土體壓實(shí)質(zhì)量控制的工程應(yīng)用：常用做填方工程中土體壓實(shí)質(zhì)量控制的標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)。(5)換算公式：換算公式：d=1+2.土的飽和重度土的飽和重度sat(1)表達(dá)式表達(dá)式：sat =孔隙全部充滿水的總重力孔隙全部充滿水的總重力總體積總體積=wsv(2)物理意義：孔隙中全部充滿水時(shí)單位體積的重力，物理意義：孔隙中全部充滿水時(shí)單位體積的重力，即飽和度為即飽和度為100%時(shí)的重力密度。時(shí)的重力密度。(3)常見值：常見值：1823KN/m3+Vv w(1)表達(dá)式表達(dá)式：=wsv(2)物理意

10、義：地下水位以下土體受水的浮力作用時(shí)單物理意義：地下水位以下土體受水的浮力作用時(shí)單位體積的重力。位體積的重力。(3)常見值：常見值：813KN/m3+Vv w3.土的有效重度土的有效重度-vVw=sat w-（五）孔隙比（五）孔隙比e和孔隙率和孔隙率n（六）土的飽和度（六）土的飽和度SrsVVVe =%100=VVnV土的孔隙比土的孔隙比e和孔隙率和孔隙率n是是反映土密實(shí)程反映土密實(shí)程度的重要物理性質(zhì)指標(biāo)度的重要物理性質(zhì)指標(biāo)，e或或n越大，越大，土越疏松，反之土越密實(shí)。一般土越疏松，反之土越密實(shí)。一般e1.0的土的土是疏松的高壓縮性土。是疏松的高壓縮性土。%100=VWrVVs砂土根據(jù)飽和度的

11、指標(biāo)值分為稍濕、砂土根據(jù)飽和度的指標(biāo)值分為稍濕、很濕與飽和三種濕度狀態(tài)。很濕與飽和三種濕度狀態(tài)。 Sr 50為為稍濕；稍濕； 5080飽和。飽和。令令w1= w ,Vs=1 因因所以所以VV=e,V=1+esVVVe =Wsd=WsssVdmWssWdmmww=Wsdw+=1m推導(dǎo)如下：推導(dǎo)如下：二、指標(biāo)的換算二、指標(biāo)的換算edVmWs+=11w由上式：由上式：w+=+=11edVmWssd111-+=-=wWsdWsddeeedVVmWsWVssat+=+=1edVVVmVVVmVVmWsWsatWWVsWVsWss+-=-=-+=-=-=11edVmVVseeVVnsWVWVWrVw=+=

12、1 上節(jié)講述土的物理性質(zhì)指標(biāo)，本節(jié)講述土的物理狀態(tài)指上節(jié)講述土的物理性質(zhì)指標(biāo)，本節(jié)講述土的物理狀態(tài)指標(biāo)，即要標(biāo)，即要研究土的松密和軟硬。研究土的松密和軟硬。 一、無(wú)粘性土的密實(shí)度一、無(wú)粘性土的密實(shí)度 密實(shí)度：?jiǎn)挝惑w積土中固體顆粒的含量。密實(shí)度：?jiǎn)挝惑w積土中固體顆粒的含量。 密實(shí)度指標(biāo)：密實(shí)度指標(biāo)： a.孔隙比孔隙比e 規(guī)范以孔隙比規(guī)范以孔隙比e作為作為砂土砂土密實(shí)度的劃分標(biāo)準(zhǔn)，分為：密實(shí)、密實(shí)度的劃分標(biāo)準(zhǔn)，分為：密實(shí)、中密、稍密、松散四狀態(tài)。中密、稍密、松散四狀態(tài)。 b.標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn) 用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)劃分用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)劃分砂土砂土密實(shí)度。密實(shí)度。 c.野外鑒別方法野外鑒別

13、方法 對(duì)對(duì)碎石土碎石土，通過(guò)觀察，根據(jù)骨架顆粒含量和排列、可挖性、，通過(guò)觀察，根據(jù)骨架顆粒含量和排列、可挖性、可鉆性將其密實(shí)度劃分為密實(shí)、中密、稍密?？摄@性將其密實(shí)度劃分為密實(shí)、中密、稍密。d.相對(duì)密度相對(duì)密度Dr Dr=(emax-e)/(emax-emin), 考慮顆粒級(jí)配的影響?？紤]顆粒級(jí)配的影響。 砂土的密實(shí)度可用天然孔隙比衡量。一般砂土的密實(shí)度可用天然孔隙比衡量。一般e小于小于0.6，屬密實(shí)的砂土，是良好的天然地基，當(dāng)屬密實(shí)的砂土，是良好的天然地基，當(dāng)e大于大于0.95時(shí)，時(shí)，為松散狀態(tài)，不宜作天然地基。但未考慮土顆粒級(jí)配為松散狀態(tài)，不宜作天然地基。但未考慮土顆粒級(jí)配的影響。若考慮級(jí)

14、配因素，可采用相對(duì)密實(shí)度的影響。若考慮級(jí)配因素，可采用相對(duì)密實(shí)度Dr來(lái)表來(lái)表示砂土的密實(shí)度：示砂土的密實(shí)度：minmaxmaxeeeeDr-=按按Dr值可將砂土的密實(shí)狀態(tài)劃分如下三類：值可將砂土的密實(shí)狀態(tài)劃分如下三類： 1 Dr0.67 密實(shí)的密實(shí)的 0.67 Dr0.33 中密的中密的 0.33 Dr0 松散的松散的 雖然相對(duì)密實(shí)度從理論上能反映顆粒級(jí)配、顆粒雖然相對(duì)密實(shí)度從理論上能反映顆粒級(jí)配、顆粒形狀等因素。但由于對(duì)砂土很難采取原狀土樣，故天形狀等因素。但由于對(duì)砂土很難采取原狀土樣，故天然孔隙比不宜測(cè)準(zhǔn)。規(guī)范用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的錘擊然孔隙比不宜測(cè)準(zhǔn)。規(guī)范用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的錘擊數(shù)來(lái)劃分砂土的密實(shí)

15、度。數(shù)來(lái)劃分砂土的密實(shí)度。密密實(shí)實(shí)度度密密實(shí)實(shí)中中密密稍稍密密松松散散標(biāo)標(biāo)貫貫擊擊數(shù)數(shù)NN3030N1515N10N10砂砂 土土 的的 密密 實(shí)實(shí) 度度表中表中N= N，N為實(shí)測(cè)值。為實(shí)測(cè)值。（4）碎石土的密實(shí)度）碎石土的密實(shí)度 碎石土更不宜取得原狀土樣，也難于將貫入器擊入碎石土更不宜取得原狀土樣，也難于將貫入器擊入其中。對(duì)這類土可在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行觀察其中。對(duì)這類土可在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行觀察,根據(jù)其骨架顆粒含量、根據(jù)其骨架顆粒含量、排列、可挖性及可鉆性鑒別。將碎石土分為密實(shí)、中密和排列、可挖性及可鉆性鑒別。將碎石土分為密實(shí)、中密和稍密三種。稍密三種。 (5) 碎石土密實(shí)度野外鑒別方法（見下表）：碎石土密實(shí)度

16、野外鑒別方法（見下表）： 粘性土最主要的性質(zhì)是土粒與水相互作用產(chǎn)生的粘性土最主要的性質(zhì)是土粒與水相互作用產(chǎn)生的稠度稠度。它。它反映土粒之間反映土粒之間連接強(qiáng)度連接強(qiáng)度隨含水量高低而變化的性質(zhì)。隨含水量高低而變化的性質(zhì)。A、稠度：、稠度：是指土的軟硬狀態(tài)或土對(duì)受外力作用所引起變形或是指土的軟硬狀態(tài)或土對(duì)受外力作用所引起變形或破壞的抵抗能力。破壞的抵抗能力。B、稠度界限：、稠度界限：粘性土由某一種狀態(tài)過(guò)渡到另一狀態(tài)的分界含粘性土由某一種狀態(tài)過(guò)渡到另一狀態(tài)的分界含水量。水量。 一、粘性土的界限含水量一、粘性土的界限含水量 同一種粘性土隨其含水量的不同，而分別處于固同一種粘性土隨其含水量的不同，而分別

17、處于固態(tài)、半固態(tài)、可塑狀態(tài)及流動(dòng)狀態(tài)。由一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變態(tài)、半固態(tài)、可塑狀態(tài)及流動(dòng)狀態(tài)。由一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另一種狀態(tài)的分界含水量，叫到另一種狀態(tài)的分界含水量，叫界限含水量界限含水量。界限含水量的測(cè)定方法界限含水量的測(cè)定方法：塑限塑限 ：搓條法（滾搓法）；：搓條法（滾搓法）；液限液限 ：錐式液限儀（如下圖）。：錐式液限儀（如下圖）。pwlwswpwlwIP粘粒含量粘粒含量蒙脫石蒙脫石高嶺石高嶺石伊理石伊理石蒙脫石蒙脫石粘粒含量粘粒含量IPIP與礦物成分的關(guān)系與礦物成分的關(guān)系二、粘性土的塑性指數(shù)和液性指數(shù)二、粘性土的塑性指數(shù)和液性指數(shù) 1.塑性指數(shù)塑性指數(shù)IP：PLpIww-=（省去（省去%） IP表示

18、土處于可塑狀態(tài)的含水量范圍大小表示土處于可塑狀態(tài)的含水量范圍大小。它與顆粒。它與顆粒粗細(xì)、礦物成分和水中離子成分的濃度有關(guān)。粗細(xì)、礦物成分和水中離子成分的濃度有關(guān)。 土顆粒土顆粒越細(xì)且含量越多越細(xì)且含量越多，則比表面越大，土的結(jié)合，則比表面越大，土的結(jié)合水含量越高，水含量越高， IP越大越大。當(dāng)水中。當(dāng)水中高價(jià)陽(yáng)離子濃度增加高價(jià)陽(yáng)離子濃度增加時(shí)，時(shí)，土粒表面吸附的反離子層厚度變薄結(jié)合水含量相應(yīng)減少，土粒表面吸附的反離子層厚度變薄結(jié)合水含量相應(yīng)減少， IP也小也??；反之，；反之， IP變大。變大。 IP與礦物成分的關(guān)系（如下圖）。與礦物成分的關(guān)系（如下圖）。PPPLPLIIwwwwww-=-=是

19、反映粘性土軟硬狀態(tài)的指標(biāo)。是反映粘性土軟硬狀態(tài)的指標(biāo)。1LLIww10LPLIwww0LPIww流動(dòng)狀態(tài)流動(dòng)狀態(tài);可塑狀態(tài)可塑狀態(tài);固態(tài)。固態(tài)。狀狀 態(tài)態(tài)堅(jiān)堅(jiān) 硬硬硬硬 塑塑可可 塑塑軟軟 塑塑流流 塑塑LI0LI25. 00LI75. 025. 0LI175. 0LI1LI粘性土軟硬狀態(tài)的劃分粘性土軟硬狀態(tài)的劃分)42(tS)4(tS三、粘性土的靈敏度和觸變性三、粘性土的靈敏度和觸變性 天然狀態(tài)的粘性土當(dāng)受擾動(dòng)后，其強(qiáng)度降低、壓天然狀態(tài)的粘性土當(dāng)受擾動(dòng)后，其強(qiáng)度降低、壓縮性增大。土的結(jié)構(gòu)性對(duì)強(qiáng)度的這種影響，可用靈敏縮性增大。土的結(jié)構(gòu)性對(duì)強(qiáng)度的這種影響，可用靈敏度度 衡量：衡量：uutqqS=

20、tS根據(jù)靈敏度將飽和粘性土分為：根據(jù)靈敏度將飽和粘性土分為：低靈敏低靈敏),21 (tS中靈敏中靈敏和和高靈敏高靈敏三類。三類。觸變性觸變性：飽和粘性土當(dāng)受擾動(dòng)后，其強(qiáng)度降低，但：飽和粘性土當(dāng)受擾動(dòng)后，其強(qiáng)度降低，但當(dāng)擾動(dòng)停止后，強(qiáng)度又隨時(shí)間增大，這種特性稱為當(dāng)擾動(dòng)停止后，強(qiáng)度又隨時(shí)間增大，這種特性稱為觸變性觸變性。qu,qu原狀、重塑原狀、重塑試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度度 地基土（巖）分類的任務(wù)是根據(jù)分類用途和土（巖）地基土（巖）分類的任務(wù)是根據(jù)分類用途和土（巖）的各種性質(zhì)的差異將其劃分為一定的類別。下面介紹的各種性質(zhì)的差異將其劃分為一定的類別。下面介紹（巖）土的工程分類：（巖）

21、土的工程分類：本節(jié)的分類方法為地基規(guī)范分類法。本節(jié)的分類方法為地基規(guī)范分類法。 1、定義：、定義：顆粒間牢固聯(lián)結(jié)，呈整體或具有節(jié)理裂隙的顆粒間牢固聯(lián)結(jié)，呈整體或具有節(jié)理裂隙的巖體。巖體。 按按堅(jiān)固性堅(jiān)固性分為：硬質(zhì)巖石、軟質(zhì)巖石。分為：硬質(zhì)巖石、軟質(zhì)巖石。 按巖石按巖石風(fēng)化程度風(fēng)化程度分為：微風(fēng)化、中等風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化。分為：微風(fēng)化、中等風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化。 按按成因成因分為：巖漿巖、沉積巖、變質(zhì)巖。分為：巖漿巖、沉積巖、變質(zhì)巖。 1、定義：粒徑、定義：粒徑d2mm的顆粒含量超過(guò)全重的顆粒含量超過(guò)全重50%的土。的土。2、分類依據(jù)：土的、分類依據(jù)：土的粒組含量粒組含量及及顆粒形狀顆粒形狀。3、定名：漂石或塊石、卵石或碎石、圓礫或角礫。、定名：漂石或塊石、卵石或碎石、圓礫或角礫。4、工程性質(zhì)：根據(jù)骨架顆粒含量占總重的百分比，、工程性質(zhì)：根據(jù)骨架顆粒含量占總重的百分比，顆粒的排列，可挖性與可鉆性分為密實(shí)、中密、稍密顆粒