土的物理性質(zhì)及分類

土的物理性質(zhì)第一章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:

理清各節(jié)間聯(lián)系各節(jié)內(nèi)層次§1土的物理性質(zhì)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)土的結構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§1土的物理性質(zhì)§1.1土的形成

§1.2土的三相組成§1.3土的土的結構§1.4土的物理性質(zhì)指標和物理狀態(tài)指標§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§1土的物性形成過程形成條件物理力學性質(zhì)風化巖石地球土地球影響生物風化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§1土的物性一.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，形成新的礦物巖石和土的性質(zhì)與其生成的地質(zhì)年代有關，一般生成年代越久，則上覆土層越厚，土被壓得越密實，土粒間聯(lián)結越強，土的強度越高，土的壓縮性越小，土質(zhì)好。新近堆積的土，土層薄，土質(zhì)松軟，土的強度低，土的壓縮性大，土質(zhì)差?！?土的物性§1.1土的形成現(xiàn)今常見的土絕大多數(shù)生成的地質(zhì)年代為第四紀（符號為Q），約百年萬年歷史，見表1-1所示。通常把Q3及其以前時期堆積的土層稱為老堆積土；把Q4時期內(nèi)文化期（有人類文化的時期）以前堆積的稱為一般堆積土；把文化期以后堆積的稱為新近堆積土?！?.1土的形成§1土的物性表1-1第四紀地質(zhì)年代紀（系）世（統(tǒng)）距今年代第四紀（系）Q全新世（統(tǒng)）Qh或Q42.5萬年更新世（統(tǒng)）QP晚更新世（上更新統(tǒng)）Q315萬年中更新世（中更新統(tǒng)）Q250萬年早更新世（中更新統(tǒng)）Q1100萬年§1.1土的形成§1土的物性二.搬運與沉積殘積土無搬運運積土有搬運土質(zhì)較好§1土的物性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§1.1土的形成母巖表層經(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2.搬運與沉積運積土有搬運風：風積土§1土的物性重力: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§1.1土的形成土粒粗細不同，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土的物理性質(zhì)§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土的工程分類§1.2土的三相組成氣相固相液相++構成土骨架，起決定作用重要影響土體§1土的物性次要作用一.固體顆粒物理狀態(tài)力學特性粒徑級配§1土的物性§1.2土的三相組成礦物成分顆粒形狀1.粒徑級配一.固體顆粒§1土的物性§1.2土的三相組成顆粒大小各粒徑成分在土中占的比例狹義的粒徑級配影響土性的主因顆粒大小粒組

按粗細進行分組，將粒徑接近的歸成一類界限粒徑一.固體顆粒dmm卵石礫石砂粒粉粒粘粒膠粒6020.0050.0020.250.5520粗

中

細粗

中

細

0.075粗粒土細粒土§1土的物性§1.2土的三相組成dmm卵石礫石砂粒粉粒粘粒膠粒6020.0050.0020.250.5520粗

中

細粗

中

細

0.075粗粒土細粒土粒徑級配確定方法

篩分法：適用于粗粒土(>0.075

mm)

水分法：適用于細粒土(<0.075

mm)——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土的物性一.固體顆粒§1.2土的三相組成一.固體顆?！?土的物性105.02.01.00.50.250.1200g101618242238721009080706050403020100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)§1.2土的三相組成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(%)2613.510一.固體顆?！?土的物性§1.2土的三相組成1009080706050403020100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

一.固體顆?！?土的物性§1.2土的三相組成1009080706050403020100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土的物性一.固體顆粒§1.2土的三相組成2.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§1土的物性一.固體顆?！?.2土的三相組成粘土礦物:由硅片和鋁片構成的晶包所組合而成§1土的物性一.固體顆?！?.2土的三相組成硅片的結構§1土的物性一.固體顆?！?.2土的三相組成鋁片的結構§1土的物性一.固體顆?！?.2土的三相組成粘土礦物的晶格構造高嶺石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土的物性一.固體顆?！?.2土的三相組成粘土礦物的帶電性質(zhì)研究表明：粘土顆粒的表面電荷，凈電荷通常為負電荷3.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土的物性一.固體顆粒§1.2土的三相組成結晶水礦物內(nèi)部的水

結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§1土的物性§1.2土的三相組成二.土中水（液相）§1土的物性§1.2土的三相組成二.土中水結合水排列致密、定向性強密度>1g/cm3

冰點處于零下幾十度具有固體的的特性溫度高于100°C時可蒸發(fā)強結合水位于強結合水之外，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，有粘滯性弱結合水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土的物性§1.2土的三相組成二.土中水§1土的物性§1.2土的三相組成二.土中水土中毛細現(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土的物性§1.2土的三相組成二.土中水對砂土強度的影響:毛細邊角水,假凝聚力假定α=0,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土的物性§1.2土的三相組成

土有三個組成部分：固相、液相和氣相

小結1.固體顆粒2.土中水3.土中氣體粒徑級配礦物成分顆粒形狀結合水(強結合水、弱結合水)自由水(重力水、毛細水)自由氣體封閉氣體§1土的物性§1.2土的三相組成§1土的物理性質(zhì)§1.1土的形成§1.2土的三相組成§1.3土的結構§1.4土的物理性質(zhì)指標和物理狀態(tài)指標土顆?；蛄F的空間排列和相互聯(lián)結§1.3土的結構土粒間的作用力粘性土的結構性指標力學特性土的結構影響粗粒土的結構細粒土的結構重塑土的強度原狀土的強度<§1土的物性一.土粒間的作用力

重力毛細力膠結力顆粒表面力

——土顆粒的自重形成的方向向下的力——砂土——土中毛細作用形成的力——細砂、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§1土的物性§1.3土的結構二.粗粒土的結構粒間作用力排列形式礦物成分單粒結構示意圖重力，毛細力點與點、點與面原生礦物§1土的物性§1.3土的結構三.細粒土的結構粒間作用力形成環(huán)境排列形式礦物成分表面力、膠結力（斥力減小引力增加）片架結構(凝聚結構)片堆結構(分散結構)示意圖表面力、膠結力（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，或者由一種結構過渡向另一種結構。面與面邊、角與面邊、角與邊§1土的物性§1.3土的結構四.反映粘性土結構性的指標相同含水量、密度1.

粘性土的靈敏度—

St

§1土的物性§1.3土的結構=原狀土結構性相同含水量密度粉碎重塑重塑土強度降低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。土的觸變性是土結構中聯(lián)結形態(tài)發(fā)生變化引起的，是土結構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土的物性§1.3土的結構小結§1土的物性§1.3土的結構土顆?；蛄F的空間排列和相互聯(lián)結土粒間的作用力粘性土的結構性指標土的結構粗粒土的結構細粒土的結構§1.4土的物理指標土的物理狀態(tài)粗粒土的松密程度粘性土的軟硬狀態(tài)§1土的物理性質(zhì)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§1.4土的物理指標一.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土的物性密實程度干濕程度……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§1.4土的物理指標1.

三相草圖WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm§1土的物性一.物理性質(zhì)指標質(zhì)量體積§1.4土的物理指標三相草圖§1土的物性一.物理性質(zhì)指標WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm質(zhì)量體積已知關系五個:共有九個參數(shù):

VVvVs

VaVω

/msmωmam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§1.4土的物理指標§1土的物性一.物理性質(zhì)指標2.室內(nèi)測定的三個物理性質(zhì)指標WaterAirSoilVaVwVsVvVma=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容重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:土單位體積的質(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§1.4土的物理指標§1土的物性一.物理性質(zhì)指標WaterAirSoilVaVwVsVvVma=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:§1.4土的物理指標§1土的物性一.物理性質(zhì)指標WaterAirSoilVaVwVsVvVma=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:§1.4土的物理指標一.物理性質(zhì)指標表示土中孔隙含量的指標孔隙比孔隙率(孔隙度)§1土的物性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:WaterAirSoilVaVwVsVvV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+eWaterAirSoil體積三相草圖可用于確定物性指標之間的關系§1.4土的物理指標一.物理性質(zhì)指標表示土中含水程度的指標§1土的物性含水量飽和度WaterAirSoilVaVwVsVvVma=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§1.4土的物理指標§1土的物性一.物理性質(zhì)指標表示土中密度和容重的指標天然密度干密度飽和密度天然容重干容重浮容重浮密度有效容重飽和容重WaterAirSoilVaVwVsVvVma=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:§1.4土的物理指標各種密度容重之間的大小關系：§1土的物性一.物理性質(zhì)指標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§1.4土的物理指標§1土的物性一.物理性質(zhì)指標常用的物理性質(zhì)指標間的換算關系教科書P25表1-9要點從物理意義上理解指標間的關系不鼓勵死記硬背必要時利用三相草圖推導§1.4土的物理指標§1土的物性一.物理性質(zhì)指標小結物理性質(zhì)指標土的三個組成相的體積和質(zhì)量上的比例關系密實程度干濕程度……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中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§1.4土的物理指標§1土的物性二.土的物理狀態(tài)指標§1.4土的物理指標土的物理狀態(tài)粗粒土的松密程度粘性土的軟硬狀態(tài)土的物理性質(zhì)指標(三相間的比例關系)力學特性影響表示二.物理狀態(tài)指標emax與emin

：最大與最小孔隙比1.粗粒土的密實狀態(tài)§1土的物性二.物理狀態(tài)指標密實度如何衡量?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對策相對密度孔隙比e或孔隙率nemin

=0.35emin

=0.20§1.4土的物理指標表1-10按孔隙比e劃分砂土密實度表孔隙比e密實度e＜0.75密實0.75≤e≤0.90中密E＞0.90稍密§1土的物性§1.4土的物理指標二.物理狀態(tài)指標§1土的物性二.物理狀態(tài)指標emax: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(T0123-93)注意：室內(nèi)測得理論上的最大與最小孔隙比有時很困難§1.4土的物理指標粗粒土的密實狀態(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)§1土的物性二.物理狀態(tài)指標相對密度§1.4土的物理指標§1土的物性二.物理狀態(tài)指標標準貫入試驗中的錘擊數(shù)N標準貫入試驗標準貫入試驗是在現(xiàn)場進行的一種原位測試：用卷揚機將質(zhì)量為63.5kg的鋼錘，提升76cm高度，讓鋼錘自由下落，打擊貫入器，使貫入器貫入土中深為30cm所需的錘擊數(shù)，記為N63.5(簡化為N)來鑒定該土層的密實程度。判別標準：

N≤10,松散狀態(tài)10<N≤15,稍密狀態(tài)

15<N≤30,中密狀態(tài)

N>30,密實狀態(tài)§1.4土的物理指標

標準貫入試驗（StandardPenetrationTest）

標準貫入數(shù)N63.5

錘重：63.5kg

落距：760mm

打入深度：300mm§1.4土的物理指標二.物理狀態(tài)指標§1土的物性2.粘性土的軟硬狀態(tài)§1土的物性二.物理狀態(tài)指標也稱稠度狀態(tài)稠度狀態(tài)與含水量有關粘性土含水量較硬變軟流動§1.4土的物理指標塑限ωp液限ωl§1土的物性二.物理狀態(tài)指標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)

強結合水膜最大出現(xiàn)自由水強結合水弱結合水自由水稠度狀態(tài)含水量土中水的形態(tài)w§1.4土的物理指標圖1-19碟式液限儀圖1.20平衡錐式液限儀§1土的物性§1.4