土力學第三章土的物理性質(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)的關系。的特性及其與工程性質(zhì)的關系。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)物理風化而成：母巖經(jīng)物理風化而成,eg.石英、云母、長石；其成石英、云母、長石；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)化學風化而成，如：母巖經(jīng)化學風化而成，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）比重計法或移液管法：粒徑）比重計法或移液管法：粒徑0.075mm。 顆分曲線：根據(jù)顆分試驗成果，可以繪制顆分曲線：根據(jù)顆分試驗成果，可以繪制顆粒級配曲線顆粒級配曲線。如下。如下圖。圖。 級配良好的判別：級配良好的判別： 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，即級配良均勻，即級配良好。好。 Cu5 級配

3、良好。級配良好。 Cc反應曲線的整體形狀，過大或過小都反應曲線的整體形狀，過大或過小都表示缺乏中間粒徑。表示缺乏中間粒徑。對砂類土，當同時滿足對砂類土，當同時滿足315= =cuCC和和時，級配良好時，級配良好。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-毛細水毛

4、細水重力水重力水自由水自由水弱結(jié)合水弱結(jié)合水強結(jié)合水強結(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結(jié)合水強結(jié)合水弱結(jié)合水弱結(jié)合水自由水自由水（1）強結(jié)合水：）強結(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、彈性和抗剪強度。剪強度。（2）弱結(jié)合水：）弱結(jié)合水：厚度較強結(jié)合水厚度較強結(jié)合水大，具有較高的粘滯度、抗剪強度，大，具有較高的粘滯度、抗剪強度，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：在土中流動的水，受重力作用。）重力水：在土中流動的水，受重力作用。（2）毛細水：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土的細小通道逐漸上升，形成毛細水。土中自由水從地下水位通過土的細小通道逐漸上升，形成毛細水。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)構單粒結(jié)構蜂窩結(jié)構蜂窩結(jié)構絮狀結(jié)構絮狀結(jié)構（二）土中氣（二）土中氣1.開敞氣體：對土無影響；開敞氣體：對土無影響；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間的發(fā)展。脹變形隨時間的發(fā)展。1.土的結(jié)構（如上圖）土的結(jié)構（如上圖）土的結(jié)構：土的結(jié)構：單粒結(jié)構；單粒結(jié)構；蜂窩結(jié)構（粒徑蜂窩結(jié)構（粒徑0.0750.005mm）；）；絮狀結(jié)構（粒徑絮狀結(jié)構（粒徑0.005）。）。分散構造分散構造裂隙構造裂隙構造 2.土的構造土的構造 土的構造分為層理構造、分散構造和裂隙構造。土的構造分為層理構造、分散構造和裂隙構造。表示土的三相組成比例關系的指標表示土的三相組成比例關系的指標,稱為土的物理性質(zhì)指標。稱為土的物理性質(zhì)指標。 為了便于說明和為了便于說明和計算，用三相組成示計算，

7、用三相組成示意圖來表示各部分之意圖來表示各部分之間的數(shù)量關系。間的數(shù)量關系。111WsW=sssVmdds可用可用比重瓶法比重瓶法測定測定,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)驗數(shù)值選用，如下表。通?？砂唇?jīng)驗數(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含水量是標志土的濕度的一個重要物理指標，一般用含水量是標志土的濕度的一個重要物理指標，一般用烘箱法烘箱法測定。測定。33mtcmgVm或單位=土的密

8、度土的密度 用用環(huán)刀法環(huán)刀法測定。測定。（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-= .+=計算自重應力時，須采用計算自重應力時，須采用土的重力密度，簡稱重度。土的重力密度，簡稱重度。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 分別按下式計算：分別按下式計算：g=gdd=gsatsat=g =單位：單位：3/mkN1.土的干重度土的干重度d(1)表達式表達式：d =固體重力固體重力總體積總體積=wsv(2)物理意義：單位體積的土在水分烘干后的重力，物理意義：單位體積的土在水

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)工程應用：常用做填方工程中土體壓實質(zhì)量控制的工程應用：常用做填方工程中土體壓實質(zhì)量控制的標準。標準。(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)表達式表達式：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單位體積的重力，物理意義：孔隙中全部充滿水時單位體積的重力，即飽和度為即飽和度為100%時的重力密度。時的重力密度。(3)常見值：常見值：1823KN/m3+Vv w(1)表達式表達式：=wsv(2)物理意

10、義：地下水位以下土體受水的浮力作用時單物理意義：地下水位以下土體受水的浮力作用時單位體積的重力。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是是反映土密實程反映土密實程度的重要物理性質(zhì)指標度的重要物理性質(zhì)指標，e或或n越大，越大，土越疏松，反之土越密實。一般土越疏松，反之土越密實。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、指標值分為稍濕、砂土根據(jù)飽和度的指標值分為稍濕、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推導如下：推導如下：二、指標的換算二、指標的換算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，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，本節(jié)講述土的物理狀態(tài)指標，即要標，即要研究土的松密和軟硬。研究土的松密和軟硬。 一、無粘性土的密實度一、無粘性土的密實度 密實度：單位體積土中固體顆粒的含量。密實度：單位體積土中固體顆粒的含量。 密實度指標：密實度指標： a.孔隙比孔隙比e 規(guī)范規(guī)范以孔隙比以孔隙比e作為作為砂土砂土密實度的劃分標準，分為：密實、密實度的劃分標準，分為：密實、中密、稍密、松散四狀態(tài)。中密、稍密、松散四狀態(tài)。 b.標準貫入試驗標準貫入試驗 用標準貫入試驗錘擊數(shù)劃分用標準貫入試驗錘擊數(shù)劃分砂土砂土密實度。密實度。 c.野外鑒別方法野外鑒別

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

14、配因素，可采用相對密實度的影響。若考慮級配因素，可采用相對密實度Dr來表來表示砂土的密實度：示砂土的密實度：minmaxmaxeeeeDr-=按按Dr值可將砂土的密實狀態(tài)劃分如下三類：值可將砂土的密實狀態(tài)劃分如下三類： 1 Dr0.67 密實的密實的 0.67 Dr0.33 中密的中密的 0.33 Dr0 松散的松散的 雖然相對密實度從理論上能反映顆粒級配、顆粒雖然相對密實度從理論上能反映顆粒級配、顆粒形狀等因素。但由于對砂土很難采取原狀土樣，故天形狀等因素。但由于對砂土很難采取原狀土樣，故天然孔隙比不宜測準。然孔隙比不宜測準。規(guī)范規(guī)范用標準貫入試驗的錘擊用標準貫入試驗的錘擊數(shù)來劃分砂土的密實

15、度。數(shù)來劃分砂土的密實度。密密實實度度密密實實中中密密稍稍密密松松散散標標貫貫擊擊數(shù)數(shù)NN3030N1515N10N10砂砂 土土 的的 密密 實實 度度表中表中N= N ，N 為實測值。為實測值。（4）碎石土的密實度）碎石土的密實度 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。對這類土可在現(xiàn)場進行觀察其中。對這類土可在現(xiàn)場進行觀察,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、中密和排列、可挖性及可鉆性鑒別。將碎石土分為密實、中密和稍密三種。稍密三種。 (5) 碎石土密實度野外鑒別方法（見下表）：碎石土密

16、實度野外鑒別方法（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度連接強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)或土對受外力作用所引起變形或是指土的軟硬狀態(tài)或土對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)過渡到另一狀態(tài)的分界含粘性土由某一種狀態(tài)過渡到另一狀態(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

17、分別處于固態(tài)、半固態(tài)、可塑狀態(tài)及流動狀態(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。界限含水量的測定方法界限含水量的測定方法：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與礦物成分的關系與礦物成分的關系二、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

18、表示土處于可塑狀態(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、礦物成分和水中離子成分的濃度有關。粗細、礦物成分和水中離子成分的濃度有關。 土顆粒土顆粒越細且含量越多越細且含量越多，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。當水中。當水中高價陽離子濃度增加高價陽離子濃度增加時，時，土粒表面吸附的反離子層厚度變薄結(jié)合水含量相應減少，土粒表面吸附的反離子層厚度變薄結(jié)合水含量相應減少， IP也小也?。环粗?，；反之， IP變大。變大。 IP與礦物成分的關系（如下圖）。與礦物成分的關系（如下圖）。PPPLPLIIwwwwww-=-

19、=是反映粘性土軟硬狀態(tài)的指標。是反映粘性土軟硬狀態(tài)的指標。1LLIww10LPLIwww0LPIww流動狀態(tài)流動狀態(tài);可塑狀態(tài)可塑狀態(tài);固態(tài)。固態(tài)。狀狀 態(tài)態(tài)堅堅 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)的粘性土當受擾動后，其強度降低、壓天然狀態(tài)的粘性土當受擾動后，其強度降低、壓縮性增大。土的結(jié)構性對強度的這種影響，可用靈敏縮性增大。土的結(jié)構性對強度的這種影響，可用靈敏度度 衡量：衡量：uutqq

20、S=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：飽和粘性土當受擾動后，其強度降低，但：飽和粘性土當受擾動后，其強度降低，但當擾動停止后，強度又隨時間增大，這種特性稱為當擾動停止后，強度又隨時間增大，這種特性稱為觸變性觸變性。qu,qu原狀、重塑試原狀、重塑試樣的無側(cè)限抗壓強度樣的無側(cè)限抗壓強度 地基土（巖）分類的任務是根據(jù)分類用途和土（巖）地基土（巖）分類的任務是根據(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：（

21、巖）土的工程分類：本節(jié)的分類方法為本節(jié)的分類方法為地基規(guī)范地基規(guī)范分類法。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。 按按堅固性堅固性分為：硬質(zhì)巖石、軟質(zhì)巖石。分為：硬質(zhì)巖石、軟質(zhì)巖石。 按巖石按巖石風化程度風化程度分為：微風化、中等風化、強風化。分為：微風化、中等風化、強風化。 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的顆粒含量超過全重的顆粒含量超過全重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、中密、稍密顆粒