土的物理性質(zhì)與工程分類

關(guān)于土的物理性質(zhì)與工程分類1第1頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三2§1.2土的三相組成氣相固相液相++構(gòu)成土骨架，起決定作用重要影響土體次要作用§1土的物性與分類第2頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三3固體顆粒物理狀態(tài)力學(xué)特性粒徑級配§1.2土的三相組成礦物成分顆粒形狀§1土的物性與分類第3頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三4粒徑級配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§1.2土的三相組成§1土的物性與分類第4頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三5

土有三個組成部分：固相、液相和氣相

小結(jié)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(jié)合水(強結(jié)合水、弱結(jié)合水)自由水(重力水、毛細(xì)水)自由氣體封閉氣體§1.2土的三相組成§1土的物性與分類第5頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三6三相草圖WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm質(zhì)量體積已知關(guān)系五個:共有九個參數(shù):

VVvVsVaVw

/msmwmam剩下三個獨立變量三相草圖法物性指標(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剩下兩個獨立變量實驗室測定其它指標(biāo)是一種簡單而實用的方法§1.2土的物理狀態(tài)§1土的物性與分類第6頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三72.室內(nèi)測定的三個物理性質(zhì)指標(biāo)WaterAirSolidVaVwVsVvVma=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(yīng)力單位:kg/m3

或g/cm3單位:kN/m3

一般范圍:1.60—2.20

g/cm3定義:單位體積土的質(zhì)量有時也稱土的天然密度表達式:相關(guān)指標(biāo):三相草圖有助于直觀理解物性指標(biāo)的概念§1.2土的物理狀態(tài)§1土的物性與分類g:牛頓/千克第7頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三8WaterAirSolidVaVwVsVvVma=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:§1.2土的物理狀態(tài)§1土的物性與分類第8頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三9WaterAirSolidVaVwVsVvVma=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?jǐn)?shù)表示注意:

其實是含水比,可達到或超過100％表達式:§1.2土的物理狀態(tài)§1土的物性與分類第9頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三10表示土中孔隙含量的指標(biāo)孔隙比孔隙率(孔隙度)３.其它常用的物理性質(zhì)指標(biāo)關(guān)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:WaterAirSolidVaVwVsVvV體積定義:土中孔隙體積與總體積之比,用百分?jǐn)?shù)表示表達式:Vs=1Vv=eV=1+eWaterAirSolid體積三相草圖可用于確定物性指標(biāo)之間的關(guān)系§1.2土的物理狀態(tài)§1土的物性與分類第10頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三11表示土中含水程度的指標(biāo)含水量飽和度WaterAirSolidVaVwVsVvVma=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§1.2土的物理狀態(tài)§1土的物性與分類第11頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三12表示土的密度和容重的指標(biāo)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WaterAirSolidVaVwVsVvVma=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:§1.2土的物理狀態(tài)§1土的物性與分類第12頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三13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WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm質(zhì)量體積§1.2土的物理狀態(tài)§1土的物性與分類第13頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三14emax與emin：最大與最小孔隙比1.粗粒土的密實狀態(tài)二.物理狀態(tài)指標(biāo)密實度如何衡量?單位體積中固體顆粒含量的多少或孔隙含量的多少優(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干容重d或孔隙比e或孔隙率nemin

=0.35emin

=0.20§1.2土的物理狀態(tài)§1土的物性與分類第14頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三15emax: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：最大與最小孔隙比注意：室內(nèi)測得理論上的最大與最小孔隙比有時很困難二.物理狀態(tài)指標(biāo)§1.2土的物理狀態(tài)§1土的物性與分類第15頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三16粗粒土的密實狀態(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)相對密度二.物理狀態(tài)指標(biāo)§1.2土的物理狀態(tài)§1土的物性與分類第16頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三172.粘性土的軟硬狀態(tài)也稱稠度狀態(tài)稠度狀態(tài)與含水量有關(guān)粘性土含水量較硬變軟流動二.物理狀態(tài)指標(biāo)§1.2土的物理狀態(tài)§1土的物性與分類第17頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三18塑限wp液限wl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(jié)合水膜最大出現(xiàn)自由水強結(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)w二.物理狀態(tài)指標(biāo)§1.2土的物理狀態(tài)§1土的物性與分類土顆粒強結(jié)合水弱結(jié)合水土顆粒強結(jié)合水土顆粒自由水弱結(jié)合水強結(jié)合水吸附弱結(jié)合水的能力塑性指數(shù)第18頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三19相對稠度問題：僅適用于重塑土即使含水量相同，稠度可能不同液性指數(shù)對不同的粘土，wp、wl

大小不同定義：wpwwlIL<0IL=0–1IL>1堅硬狀態(tài)可塑狀態(tài)流態(tài)0.00–0.250.25-0.750.75–1.00硬塑可塑軟塑二.物理狀態(tài)指標(biāo)§1.2土的物理狀態(tài)§1土的物性與分類對同一種粘土，含水量可反映其稠度問題：第19頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三20——吸附弱結(jié)合水的能力；大致反映粘土顆粒含量、粘性大小塑性指數(shù)常作為細(xì)粒土工程分類的依據(jù)缺點不能充分反映粘土顆粒含量

不同的粘土礦物結(jié)合水的能力不同活性指數(shù)p0.002:粒徑小于0.002mm顆粒的質(zhì)量占總土總質(zhì)量的百分比A<0.75A=075–1.25A>1.25非活性粘土正常粘土活性粘土二.物理狀態(tài)指標(biāo)§1.2土的物理狀態(tài)§1土的物性與分類第20頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三21粗粒土的密實狀態(tài)指標(biāo):

相對密度Dr

小結(jié)粘性土的稠度狀態(tài)指標(biāo):

液性指數(shù)IL引入定義判別標(biāo)準(zhǔn)稠度界限稠度狀態(tài)含水量土中水的形態(tài)塑性指數(shù)液性指數(shù)引入定義判別標(biāo)準(zhǔn)二.物理狀態(tài)指標(biāo)§1.2土的物理狀態(tài)§1土的物性與分類粗粒土與粘性土為何采用不同的物理狀態(tài)指標(biāo)？反映土的細(xì)觀特點與力學(xué)特性有更直接的聯(lián)系便于量測第21頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三22粒間作用力：重力起決定性的作用。在非飽和土中，還受到毛細(xì)力的作用排列形式：點與點

點與面單粒結(jié)構(gòu)示意圖第22頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三23范德華力：接觸點處的分子引力，作用范圍為幾個分子的距離，是細(xì)粒土粘結(jié)在一起的主因庫侖力：顆粒表面的靜電引力或斥力，隨距離衰減的速度比范德華力慢膠結(jié)力：土粒間通過膠體連結(jié)在一起，作用力是化合鍵，具有較高的強度毛細(xì)力：土中毛細(xì)作用形成的力土中細(xì)顆粒，比表面積大，重量輕，重力不起重要的作用，其他粒間力起主導(dǎo)作用：第23頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三24形成環(huán)境粒間作用力排列形式淡水中沉積表面力、膠結(jié)力（粒間斥力占優(yōu)勢)面與面天然通常不是單一結(jié)構(gòu)，可能是呈多種類型的綜合結(jié)構(gòu)。往往先形成團粒凝聚結(jié)構(gòu)海水中沉積表面力、膠結(jié)力（斥力減小引力增加)邊、角與面邊、角與邊示意圖分散結(jié)構(gòu)第24頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三25靈敏度觸變性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3=0相同含水量、密度ququ原狀土重塑土靈敏度St：原狀土的無側(cè)限抗壓強度qu和重塑土的無側(cè)限抗壓強度qu之比第25頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三26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(fù)的現(xiàn)象，稱為觸變性。土的觸變性是土結(jié)構(gòu)中聯(lián)結(jié)形態(tài)發(fā)生變化引起的，是土結(jié)構(gòu)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(biāo)。靈敏度觸變性第26頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三27土的結(jié)構(gòu)土顆?；蛄F的空間排列和相互聯(lián)結(jié)粗粒土的結(jié)構(gòu)單粒結(jié)構(gòu)重力起主導(dǎo)作用粒間力起主導(dǎo)作用粘性土的結(jié)構(gòu)性指標(biāo)細(xì)粒土的結(jié)構(gòu)分散結(jié)構(gòu)凝聚結(jié)構(gòu)第27頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三28目的：依據(jù)：建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范-GB50007-2002分類法水利部SL237-001-1999分類法§1.4土的工程分類是將工程性質(zhì)相近的土歸為一類便于研究、交流及應(yīng)用能反映土的物理力學(xué)性質(zhì)－土的組成土的狀態(tài)土的結(jié)構(gòu)§1土的物性與分類第28頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三29§1.5土的工程分類

土的名稱粒組含量粒徑大于2mm的顆粒占全質(zhì)量25-50%礫砂粗砂中砂細(xì)砂粉砂粒徑大于0.5mm的顆粒超過全質(zhì)量50%粒徑大于0.25mm的顆粒超過全質(zhì)量50%粒徑大于0.075mm的顆粒超過全質(zhì)量85%粒徑大于0.075mm的顆粒超過全質(zhì)量50%建筑場地基基礎(chǔ)規(guī)范GB50007-2002巖石碎石土砂土粉土粘性土人工填土砂土第29頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三30§1.5土的工程分類

巖石碎石土砂土粉土粘性土人工填土土粉土粘性土粘性土：塑性指數(shù)Ip>10的土粉質(zhì)粘土：10<Ip17的土粘土：Ip>17的土非活性粘土：A<0.75正常粘土A=075–1.25活性粘土A>1.25粉土：粒徑大于0.075mm的顆粒含量小于全質(zhì)量50%而塑性指數(shù)Ip10的土建筑場地基基礎(chǔ)規(guī)范GB50007-2002第30頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三31§1.5土的工程分類

水利部SL237-1999分類法土顆粒組成及其特性塑性指標(biāo)：液限、塑限、塑性指數(shù)有機質(zhì)含量土的分類巨粒土和含巨粒土粗粒土：礫類土、砂類土細(xì)粒土：根據(jù)塑性圖分類特殊土：黃土、膨脹土、紅粘土分類依據(jù)：第31頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三32壓實：指通過夯打、振動、碾壓等，使土體變得密實、以提高土的強度、減小土的壓縮性和滲透性壓實性：指土在一定壓實能量作用下密度增長的特性研究擊實性的目的：

以最小的能量消耗獲得最大的壓實密度

擊實方法：室內(nèi)擊實試驗現(xiàn)場試驗:夯打、振動、碾壓§1.5土的壓實性§1土的物性與分類第32頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三33一.室內(nèi)擊實試驗

試驗設(shè)備

擊實筒V=1000cm3；擊實錘w=25牛頓

試驗條件

土樣分層n=3層；落高d=30cm；擊數(shù)N=27/層

擊實能量

試驗方法

對ω=cosnst的土；分三層壓實；測定擊實后的ω、ρ，算定ρd

注意：僅適用于細(xì)粒土；對粗粒土，可用較大尺寸的擊實儀土§1.5土的壓實性§1土的物性與分類第33頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三341.擊實曲線特點：①具有峰值②位于飽和曲線之下

粘性土滲透系數(shù)很小，壓實過程中含水量幾乎不變，要想擊實到飽和狀態(tài)是不可能的。0481216202428含水量w(%)2.01.81.61.4干密度d(g/cm3)飽和曲線dmax=1.86wop=12.1二.細(xì)粒土的壓實性最大干密度最優(yōu)含水量§1.5土的壓實性§1土的物性與分類第34頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三352.理論分析壓實機理：顆粒被擊碎，土粒定向排列;粒團破碎，粒間聯(lián)結(jié)力被破壞而發(fā)生孔隙體積減小;空氣被擠出或被壓縮等水膜潤滑作用效果最佳;尚沒有形成封閉氣泡，氣體易于排出;顆粒表面水膜很薄，相對移動困難

水膜潤滑作用不明顯;封閉氣泡難以排出;水的相對含量增加

ωωop,ρdρdmaxω<ωop,ρd<

ρdmaxω>ωop,ρd<

ρdmax

0481216202428含水量w(%)2.01.81.61.4干密度d(g/cm3)飽和曲線dmax=1.86wop=12.1二.細(xì)粒土的壓實性§1.5土的壓實性§1土的物性與分類第35頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三36對于同一種土,最優(yōu)含水量和最大干密度并不恒定,而隨壓密功能變化，壓實功能愈大,最優(yōu)含水量愈小，相應(yīng)的最大干密度愈高超過最優(yōu)含水量后，壓實功能的影響隨含水量的增加逐漸減小。擊實曲線均靠近于飽和曲線0481216202428含水量w(%)1.91.71.51.3干密度d(g/cm3)飽和曲線N=36N=29N=25N=18第36頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三373.影響因素a.擊實功能b.土的級配

c.擊實方式夯實、輾壓、振動；輾壓對粘土比較合適

E二.細(xì)粒土的壓實性§1.5土的壓實性§1土的物性與分類第37頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三384.壓實標(biāo)準(zhǔn)粘性土存在最優(yōu)含水量ωop，在填土施工中應(yīng)該將土料的含水量控制在ωop左右，以期得到ρdmax。在ωop的干側(cè)：常具有凝聚結(jié)構(gòu)。土質(zhì)比較均勻，強度較高，較脆硬，不易壓密；但浸水時易產(chǎn)生附加沉降。在ωop的濕側(cè)：常具有分散結(jié)構(gòu)。土體可塑性大，適應(yīng)變形的能力強；但強度較低，具有各向異性。在設(shè)計土料時應(yīng)根據(jù)填土的要求和當(dāng)?shù)赝亮系奶烊缓?，選定合適的含水量，一般要求為：

b.工程上常采用壓實度Dc控制（作為填方密度控制標(biāo)準(zhǔn)）Ⅰ、Ⅱ級土石壩

Dc>95~98%

Ⅲ~Ⅴ級土石壩

Dc>92~