著名大學(xué)土力學(xué)教學(xué)課件第三章-土的物理性質(zhì)與工程分類

土的物理性質(zhì)在一定程度上決定了它的力學(xué)性質(zhì)，其指標(biāo)在工程計算中常被直接應(yīng)用。對種類繁多、性質(zhì)各異的土，按一定的原則，進行分門別類，給出合適的名稱，可以概略評價土的工程性質(zhì)。第一節(jié)土的基本物理性質(zhì)第二節(jié)粘性土的稠度與可塑性第三節(jié)土的透水性第四節(jié)土的工程分類第三章土的物理性質(zhì)與工程分類第一節(jié)土的基本物理性質(zhì)土的物理性質(zhì)是指三相的質(zhì)量與體積之間的相互比例關(guān)系及固、液二相相互作用表現(xiàn)出來的性質(zhì)。前者稱為土的基本物理性質(zhì)，主要研究土的密實程度和干濕狀況；后者主要研究粘性土的可塑性、脹縮性及透水性等。土的三相示意圖氣水土粒msmwmVsVwVVa質(zhì)量m體積VVvma一、土粒密度土粒密度是指固體顆粒的質(zhì)量與其體積之比，即單位體積土粒的質(zhì)量。土粒密度大小決定于土粒的礦物成分，與土的孔隙大小和含水多少無關(guān)，它的數(shù)值一般在2.60~2.80g/cm3之間（表3-1）。土粒比重Gs土粒的質(zhì)量與同體積純蒸餾水在4°C時的質(zhì)量之比。無量綱。測定方法：比重瓶法二、土的密度與重度土的密度是指土的總質(zhì)量與總體積之比，即單位體積土的質(zhì)量，其單位是g/cm3。1、天然密度天然狀態(tài)下單位體積土的質(zhì)量，稱天然密度，即：天然密度常見值為1.6~2.2g/cm3，小于土粒密度值，它是一個實測指標(biāo)。測定方法：環(huán)刀法2、干密度土的孔隙中完全沒有水時的密度，稱土的干密度，指單位體積干土的質(zhì)量，即干密度與土中含水多少無關(guān)，只取決于土的礦物成分和孔隙性。土的干密度一般在1.4~1.7g/cm3之間。3、飽和密度土的孔隙完全被水充滿時的密度稱為飽和密度，是指土孔隙中全部充滿液態(tài)水時的單位體積土的質(zhì)量，即工程上常用重度指標(biāo)，它指單位體積土的重量，kN/m3。天然重度γ、干重度γd及飽和重度γsat另外，處于地水位以下的有效重度常特稱為土的浮重度γ′，等于土的飽和重度減去水的重度（γw），即：對于同一種土來講，土的天然重度、干重度、飽和重度、浮重度在數(shù)值上有如下關(guān)系：三、土的含水性1、含水量含水量指土中所含水分的質(zhì)量與固體顆粒質(zhì)量之比，以百分數(shù)表示，又稱土的含水率。一般所說的含水量指的是天然含水量。土的孔隙中全被水充滿時的含水量，稱為飽和含水量wsat。飽和含水量既能反映土孔隙中全部充滿水時含水多少。又能反映土的孔隙率大小。測定方法：烘干法2、飽和度土孔隙中所含水的體積與土中孔隙體積的比值稱為土的飽和度，以百分數(shù)表示。或天然含水量與飽和含水量之比：飽和度可以說明土孔隙中充水的程度，其數(shù)值為0~100%。干土：Sr=0；飽和土：Sr=100%。工程實際中，按飽和度大小常將砂類土劃分為如下三種含水狀況：Sr<50%稍濕的50%≤Sr≤80%很濕的Sr>80%飽和的四、土的孔隙性土中孔隙大小、形狀、分布特征、連通情況與總體積等，稱為土的孔隙性。其主要取決于土的顆粒級配與土粒排列的疏密程度。1、孔隙度孔隙度又稱孔隙率，指土中孔隙總體積與土的總體積之比，用百分數(shù)表示。土的孔隙度取決于土的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，砂類土的孔隙度常小于粘性土的孔隙度。土的孔隙度一般為27~52%。新沉積的淤泥，孔隙度可達80%。

2、孔隙比孔隙比指土中孔隙體積與土中固體顆?？傮w積的比值，用小數(shù)表示土的孔隙比說明土的密實程度，按其大小可對砂土或粉土進行密實度分類。在《巖土工勘察規(guī)范》（GB50021-94）中，用天然孔隙比來確定粉土的密實度。e<0.75密實0.75≤e≤0.9中密e>0.9稍密孔隙度與孔隙比的關(guān)系為3、砂土的相對密度砂土的密實程度還可用相對密度（Dr）來表示。Dr=0時，土處于最疏松狀態(tài)；Dr=1時，土處于最密實狀態(tài)。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗錘擊數(shù)N63.5密實度N63.5≤10松散10<N63.5≤15稍密15<N63.5≤30中密N63.5>30密實天然狀態(tài)砂土的密實度了解：五、指標(biāo)之間的關(guān)系土粒密度、天然密度、含水量是三個基本實測指標(biāo)、即通過試驗直接測定。由實測指標(biāo)換算求取六個導(dǎo)出指標(biāo)可直接用簡單的數(shù)學(xué)演算方法，如：土的三相指標(biāo)之間可以進行換算，換算的一般方法是：根據(jù)上述關(guān)系及各指標(biāo)的定義可以進行推導(dǎo)（3-16）-（3-21）各推導(dǎo)公式。推導(dǎo)例子

例題1第二節(jié)粘性土的稠度與可塑性粘性土的稠度與可塑性是土粒與水相互作用后所表現(xiàn)出來的物理性質(zhì)。0固態(tài)或半固態(tài)可塑狀態(tài)流動狀態(tài)ω塑限ωP液限ωL一、粘性土的稠度狀態(tài)粘性土因含水多少而表現(xiàn)出的稀稠軟硬程度，稱為稠度。因含水多少而呈現(xiàn)出的不同的物理狀態(tài)稱為粘性土的稠度狀態(tài)。固態(tài)：含水量相對較少，粒間主要為強結(jié)合水連結(jié)，連結(jié)牢固，土質(zhì)堅硬，力學(xué)強度高，不能揉塑變形，形狀大小固定。塑態(tài)：含水量較固態(tài)為大，粒間主要為弱結(jié)合水連結(jié)，在外力作用下容易產(chǎn)生變形，可揉塑成任意形狀不破裂、無裂紋，去掉外力后不能恢復(fù)原狀。流態(tài)：含水量繼續(xù)增加、粒間主要為液態(tài)水占據(jù)，連結(jié)極微弱，幾乎喪失抵抗外力的能力，強度極低，不能維持一定的形狀，土體呈泥漿狀，受重力作用即可流動。二、界限含水量——稠度界限縮限塑限液限0固態(tài)半固態(tài)可塑狀態(tài)流動狀態(tài)

土從某種稠度狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)時的界限含水量稱為稠度界限，又稱為Atterberg界限工程上常用的有液性界限wL和塑性界限wp液性界限，相當(dāng)于土從塑性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐盒誀顟B(tài)時的含水量，簡稱液限wL

粉土的液限在32~38%之間，粉質(zhì)粘土為38~46%，粘土為40~50%。塑性界限，相當(dāng)于土從半固體狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄誀顟B(tài)時的含水量，簡稱塑限wp

常見值為17~28%液性指數(shù)IL反映土的天然含水量與界限含水量之間的關(guān)系，工程上用來表示土的稠度狀態(tài)。ωpωωL0

ω-ωpωL-ωp狀態(tài)液性指數(shù)堅硬硬塑可塑軟塑流塑IL≤00＜IL≤0.250.25＜IL≤0.750.75＜IL≤1IL＞1三、粘性土的可塑性當(dāng)粘性土的含水量在某范圍內(nèi)時，可用外力塑成任何形狀而不發(fā)生裂紋，并在外力移去時能保持既得的形狀，土的這種性能叫可塑性。粘性土中含水量在液限與塑限兩個稠度界限之間時，土處于可塑狀態(tài)，具有可塑性，這是粘性土的獨特性能。wL和wp的差值可以反映可塑性的大小，工程上定義為塑性指數(shù)IPIP=wL-wp1994年國家標(biāo)準(zhǔn)《巖土工程勘察規(guī)范》按塑性指數(shù)IP將粘性土分為兩類，IP>17為粘土，17≥IP>10為粉質(zhì)粘土，IP≤10為粉土或砂類土。例題2第三節(jié)土的透水性水在土體孔隙中流動的現(xiàn)象稱為滲流。土具有被水等液體透過的性質(zhì)稱為土的滲透性。一、土的滲透規(guī)律砂土、粉土的滲透符合Darcy定律（1856）在層流狀態(tài)下，土中水的滲流速度與能量損失之間服從線性滲流規(guī)律。滲透系數(shù)k是反映土的透水性能的比例系數(shù)，是水力梯度為1時的滲透速度，其量綱與滲透速度相同。一般認為k<10-8m/s的土為相對隔水層（不透水層）。二、Darcy定律了解：砂土的滲透速度與水力梯度呈線性關(guān)系,即服從Darcy定律密實的粘土，需要克服結(jié)合水的粘滯阻力后才能發(fā)生滲透;同時滲透系數(shù)與水力坡降的規(guī)律還偏離Darcy定律而呈非線性關(guān)系

i0起始水力坡降虛直線簡化v=kiivO砂土0iv密實粘土v=k(i-i0)二、影響土的滲透性的因素顆粒級配

土粒越細或粗大顆粒間含細顆粒越多，土得滲透性越弱；反之，滲透性越強。礦物成分

原生礦物成分不同，土中的孔隙的形態(tài)不同，土的滲透性有明顯差異；

粘土礦物成分不同，形成結(jié)合水膜的厚度不同，親水性越強，滲透性越小。土的密度

滲透性隨密實程度增加而降低。土的結(jié)構(gòu)構(gòu)造

土的滲透性具各向異性。第四節(jié)土的工程分類一、工程分類的一般原則和類型基本原則：所劃分的土類能反映土性質(zhì)的變化規(guī)律。土的工程分類總起來可以歸納為三級分類土的第一級分類是成因類型分類如《巖土工程勘察規(guī)范》將土按堆積年代劃分為三類：1.老堆積土；2.一般堆積土；3.新近堆積土。土的第二級分類是土質(zhì)類型分類土的第三級分類是工程建筑類型分類二、土質(zhì)分類簡介在實際工程應(yīng)用中規(guī)定，土中粒徑d>0.075mm（有的規(guī)范用0.1mm）的土粒質(zhì)量大于全部土粒質(zhì)量的50%時稱為粗粒土，小于50%時稱為細粒土。粗粒土可以按粒徑級配進一步細分。細粒土多用塑性指數(shù)Ip或液限wL加塑性指數(shù)Ip進行細分。（一）水利部分類（僅介紹塑性圖的應(yīng)用）CH：高液限粘土CL：低液限粘土MH：高液限粉土ML：低液限粉土（二）建設(shè)部分類法土按粒度成分分類表土的名稱顆粒級配大類類粗粒土碎石土粒徑大于2mm的顆粒超過總質(zhì)量的50%砂類土粒徑大于0.075mm的顆粒超過總質(zhì)量50%細粒土粉土粒徑小于0.005mm的顆粒超過總質(zhì)量10%粘性土粒徑小于0.005mm的顆粒質(zhì)量大于總質(zhì)量30%1、碎石類土

碎石類土是粒徑大于2mm的顆粒含量超過50%的土土的名稱顆粒級配及形狀碎石土漂石圓形及亞圓形為主粒徑大于200mm的顆粒超過總質(zhì)量的50%塊石棱角形為主卵石圓形及亞圓形為主粒徑大于20mm的顆粒超過總質(zhì)量的50%碎石棱角形為主圓礫圓形及亞圓形為主粒徑大于2mm的顆粒超過總質(zhì)量的50%角礫棱角形為主土的名稱顆粒級配砂類土礫砂粒徑大于2mm的顆粒占總質(zhì)量的25~50%粗砂粒徑大于0.5mm的顆粒超過總質(zhì)量50%中砂粒徑大于0.25mm的顆粒超過總質(zhì)量50%細砂粒徑大于0.075mm的顆粒超過總質(zhì)量85%粉砂粒徑大于0.075mm的顆粒超過總質(zhì)量50%2、砂類土

砂類土是粒徑大于2mm的顆粒含量不超過50%，粒徑大于0.075mm的顆粒含量超過50%的土。粉土砂質(zhì)粉土粒徑小于0.005mm的顆粒不超過總質(zhì)量10%粘質(zhì)粉土粒徑小于0.005mm的顆粒超過總質(zhì)量10%3、粉土

粉土是粒徑大于0.075mm的顆粒含量不超過50%，塑性指數(shù)Ip小于或等于10的土。4、粘性土

粘性土是粒徑大于0.075mm的顆粒含量不超過50%，塑性指數(shù)Ip大于10的土。粘性土粉質(zhì)粘土粒徑小于0.005mm的顆粒質(zhì)量占總質(zhì)量18-30%粘土粒徑小于0.005mm的顆粒質(zhì)量大于總質(zhì)量30%粘性土粉質(zhì)粘土10<

Ip

17粘土Ip>175、軟土

軟土是指主要由細粒土組成、孔隙比大（一般大于1.0）、天然含水量高（接近或大于液限）、壓縮性高（a1-2>0.5MPa-1）及強度低的土層。淤泥、淤泥質(zhì)土及有機質(zhì)土是最常見的軟土類型1、淤泥：

>Le>1.52、淤泥質(zhì)土：

>L1.0<e<1.5淤泥與淤泥質(zhì)土合稱淤泥土3、有機質(zhì)土：5%

有機質(zhì)含量

10%泥炭質(zhì)土：10%<有機質(zhì)含量

60%泥炭：有機質(zhì)含量>60%注：該分類方案按國標(biāo)《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021-94）測定土粒密度（比重）：比重瓶法測定土的密度：環(huán)刀法環(huán)刀的容積V=60cm3；環(huán)刀的質(zhì)量m1；環(huán)刀和土的質(zhì)量m2；測定土的含水量：烘干法稱量盒質(zhì)量m0；稱量盒加濕土質(zhì)量m1；稱量盒加干土質(zhì)量m2；推導(dǎo)公式：干密度的定義公式