1 土的物理性質(zhì)和工程分類

1、土力學(xué) 第一章,第一章 土的物理性質(zhì)和工程分類,土力學(xué) 第一章,第一章 土的物理性質(zhì)和工程分類,1,2,3,4,5,土的形成,土的三相組成,土的工程分類,土的物理性質(zhì)指標(biāo),土的物理狀態(tài)指標(biāo),土力學(xué) 第一章,1,土的形成,第一章 土的物理性質(zhì)和工程分類,土力學(xué) 第一章,土是指：地球表面的完整巖石在大氣中經(jīng)受長期的風(fēng)化、 剝蝕、搬運、沉積而形成的由固體礦物顆粒、水、氣體 三種成分組成的集合體。,1.1 土的形成,巖石,松散堆積物,風(fēng)化、剝蝕 搬運、沉積,地質(zhì)成巖作用,土力學(xué) 第一章,1.1 土的形成,土力學(xué) 第一章,1.1 土的形成,土力學(xué) 第一章,物理風(fēng)化 化學(xué)風(fēng)化 生物活動,巖石和土的粗顆粒受

2、各種氣候等物理因素的影響產(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 是顆粒大小發(fā)生量的變化 礦物成分與母巖相同，稱原生礦物 產(chǎn)生無粘性土,1.1 土的形成,土力學(xué) 第一章,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(xué)成分，形成新的礦物 顆粒成分發(fā)生質(zhì)的變化 礦物成分與母巖不同，稱次生礦物 形成十分細(xì)微的土顆粒，最主要為粘性顆粒及可溶鹽類,物理風(fēng)化 化學(xué)風(fēng)化 生物活動,1.1 土的形成,土力學(xué) 第一章,包括植物、動物和土壤微生物的作用 可加劇物理和化學(xué)風(fēng)化 構(gòu)成土中有機質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)的生物循環(huán) 導(dǎo)致腐殖質(zhì)的形成，改變土壤的結(jié)構(gòu),物理風(fēng)化 化學(xué)風(fēng)化 生物活動,1.1 土的形成,土

3、力學(xué) 第一章,搬運與沉積,殘積土 無搬運,沉積土 有搬運,母巖表層經(jīng)風(fēng)化作用破碎成巖屑或細(xì)小顆粒后，未經(jīng)搬運殘留在原地的堆積物,風(fēng)化所形成的土顆粒，受自然力的作用搬運到遠(yuǎn)近不同的地點所沉積的堆積物,1.1 土的形成,土力學(xué) 第一章,土的形成,變形特性 強度特性 滲透特性,土的三相組成 土的物理狀態(tài) 土的結(jié)構(gòu),土的工程分類,決 定,影響,便于研究和應(yīng)用,形成過程 形成條件,物理力學(xué)性質(zhì),影響,固相（固體顆粒) 液相（土中水） 氣相（土中氣）,1.1 土的形成,土力學(xué) 第一章,2,土的三相組成,第一章 土的物理性質(zhì)和工程分類,土力學(xué) 第一章,氣相,固相,液相,+,+,構(gòu)成土骨架，起決定作用,重要影

4、響,次要作用,1.2 土的三相組成,土力學(xué) 第一章,1) 土粒的成分,原生礦物,次生礦物,在物理風(fēng)化作用下，土粒保持與成土原巖相同的礦物成分。,如：石英、長石、云母顆粒,在化學(xué)風(fēng)化作用下，由于改變了成土原巖原來的礦物成分，形成了新礦物。主要是粘土礦物。,如：蒙脫石、伊利石、高嶺石,1.2 土的三相組成,土力學(xué) 第一章,石英,云母,長石,1.2 土的三相組成,土力學(xué) 第一章,蒙脫石,伊利石,高嶺石,比表面積,親水性,800,80,15,大,中,小,1.2 土的三相組成,土力學(xué) 第一章,2) 顆粒級配,各粒組的質(zhì)量分?jǐn)?shù):各粒組的質(zhì)量占全部土粒總質(zhì)量的百分比,即土中各粒組的相對含量。,粒徑 土粒的大

5、小 粒組 按粗細(xì)進行分組，將粒徑接近的歸成一類 界限粒徑 劃分粒組的分界尺寸,1.2 土的三相組成,土力學(xué) 第一章,mm,卵石,圓礫,砂粒,粉粒,粘粒,20,2,0.005,0.25,0.5,5,10,粗,中,細(xì),粗,中,細(xì),0.075,200,塊石,0.1,極細(xì),細(xì),粗,0.01,碎石,漂石,角礫,土粒粒組的劃分（GBJ145-90),1.2 土的三相組成,土力學(xué) 第一章,粗砂,粘 土,卵石,碎 石,1.2 土的三相組成,土力學(xué) 第一章,確定方法 顆粒分析試驗 篩分法：適用于粗粒土 (0.075 mm) 水分法：適用于細(xì)粒土 (0.075 mm),表述方法 顆粒級配曲線：根據(jù)顆粒分析結(jié)果求出

6、各粒組的含量占全部土粒重量的百分比，然后按小顆粒至大顆粒計算累積百分含量，用半對數(shù)坐標(biāo)繪制成顆粒級配累積曲線。,1.2 土的三相組成,土力學(xué) 第一章,標(biāo)準(zhǔn)篩,1.2 土的三相組成,土力學(xué) 第一章,10 5.0 2.0 1.0 0.5 0.25 0.1,200g,10g 16g 18g 24g 22g 38g 72g,P % 95 87 78 66 55 36,累積質(zhì)量百分?jǐn)?shù),1.2 土的三相組成,土力學(xué) 第一章,粒徑(mm),1.2 土的三相組成,土力學(xué) 第一章,d60,d10,d30,特征粒徑: d60 : 限定粒徑 d10 : 有效粒徑 d30 :中值粒徑,不均勻程度： Cu = d60

7、/ d10,Cu 5,顆粒大小不均勻,1.2 土的三相組成,土力學(xué) 第一章,斜率: 某粒徑范圍內(nèi)顆粒的含量 陡相應(yīng)粒徑集中 緩-相應(yīng)粒徑多 平臺-相應(yīng)粒組缺乏,連續(xù)程度: Cc = d302 / (d60 d10 ) 曲率系數(shù),C c = 1 3 級配連續(xù)性好,1.2 土的三相組成,d60,d10,d30,土力學(xué) 第一章,顆粒級配累積曲線及指標(biāo)的用途：,1）粒組含量用于土的分類定名；,3）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。,4）曲率系數(shù)Cc用于判定土的連續(xù)程度： C c = 1 3，級配連續(xù)土； Cc 3 或 Cc 1，級配不連續(xù)土。,5）不均勻

8、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 C c = 1 3 ， 級配 良好的土； 如果 Cu 3 或 Cc 1，級配 不良的土。,2）顆粒分布情況用于大致判定土的均勻程度： 曲線平緩，粒組分布范圍廣，土顆粒不均勻； 曲線較陡，粒組分布較集中，土顆粒均勻。,1.2 土的三相組成,土力學(xué) 第一章,例圖1.1 顆粒級配累積曲線,【例題1.1】 如例圖1.1所示A、B、C為三種用不同粒徑曲線所代表的土。不均勻系數(shù)Cu及曲率系數(shù)Cc各為多少?并對各曲線所反映的土的級配特性進行分析。,1.2 土的三相組成,土力學(xué) 第一章,【解】,按曲線A得知 d60 =0.165 d10 =0.1

9、0 d30 =0.15,雖然Cc在13之間，但從曲線看其坡度陡， Cu5，故為級配不良的土。,1.2 土的三相組成,土力學(xué) 第一章,從曲線看其坡度較緩，Cu及Cc都滿足條件， 故屬級配良好的土。,2) 按曲線B得知 d60 =0.115 d10 =0.018 d30 =0.05,1.2 土的三相組成,土力學(xué) 第一章,從曲線上看，曲線呈臺階狀，級配不連續(xù)，缺乏中間粒徑，雖然Cu5，但Cc不在13之間，因此不能同時滿足兩個條件，屬級配不良的土。,3) 按曲線C得知 d60 =2.8 d10 =0.165 d30 =0.25,1.2 土的三相組成,土力學(xué) 第一章,結(jié)晶水 礦物內(nèi)部的水 結(jié)合水 吸附在

10、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,土中水的存在形態(tài),天然土體中常含有一定數(shù)量呈液態(tài)、固態(tài)或氣態(tài)的水。一般土需研究液態(tài)水，凍土還需研究固態(tài)水的含量。土中氣態(tài)水，對土的性質(zhì)影響不大，通常不作重點研究。,3) 土中水,1.2 土的三相組成,土力學(xué) 第一章,土中水的分類,結(jié)合水,自由水,強結(jié)合水(強束縛水或吸著水) 緊附于礦物顆粒表面。,重力水 重力水可以在土孔隙中自由流動,毛細(xì)水 受到水和空氣交界面處表面壓力的作用，存在于地下水位以上的透水層中自由水,弱結(jié)合水 是在強結(jié)合水外圍形成的一層結(jié)合水膜。,1.2 土的三相組成,土力學(xué) 第一章,結(jié)合水,排列致密

11、、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100C時可蒸發(fā),強結(jié)合水,位于強結(jié)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(jié)合水,1.2 土的三相組成,土力學(xué) 第一章,毛細(xì)水：由于土體孔隙的毛細(xì)作用升至自由水面以上的水。毛細(xì)水承受表面張力和重力的作用 重力水：自由水面以下的孔隙自由水，在重力作用下可在土中自由流動,自由水：不受顆粒電場引力作用的孔隙水,hc,毛細(xì)水,重力水,1.2 土的三相組成,土力學(xué) 第一章,r2hcw= 2rTcos,毛細(xì)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(xì)管,

12、毛細(xì)升高與孔徑成反比,分析對象: 水柱,毛細(xì)水上升的高度取決于土的孔隙、有效粒徑、土孔隙中吸附的空氣和水的性質(zhì)等,1.2 土的三相組成,土力學(xué) 第一章,自由氣體：與大氣連通，對土的性質(zhì)影響不大 在粗粒土中?？梢娕c大氣相連通的空氣，在受力時，氣體能很快從孔隙中逸出，一般不影響土的性質(zhì)。 封閉氣體：增加土的彈性；阻塞滲流通道 在細(xì)粒土中，常存在與大氣不相連通的封閉氣泡，在土體受壓時，氣體體積縮小，卸荷后體積又恢復(fù)，這使土的彈性變形增大而透水性減小。,土中氣（氣相）,1.2 土的三相組成,土力學(xué) 第一章,土有三個組成部分：固相、液相和氣相,固體顆粒 土中水 土中氣體,粒徑級配 礦物成分 顆粒形狀,結(jié)

13、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,土力學(xué) 第一章,3,土的 物理性質(zhì)指標(biāo),第一章 土的物理性質(zhì)和工程分類,土力學(xué) 第一章,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(biāo) (三相間的比例關(guān)系),力學(xué)特性,影響,表示,基本方法:,三相草圖法,1.3 土的物理性質(zhì)指標(biāo),土力學(xué) 第一章,三相草圖,質(zhì)量,體積,為了研究土粒、水和空氣這三相在數(shù)量上的相互關(guān)系，我們設(shè)想把土體的各相分別集中在一起，用三相圖來直觀地表示三相物質(zhì)在體積和質(zhì)量上的相對關(guān)系 。,1.3 土的物理性質(zhì)指標(biāo),土力學(xué) 第一章,三相草圖,共有九個參數(shù): V V

14、v Vs Va Vw ms mw ma m,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,實驗室測定,其它指標(biāo),1.3 土的物理性質(zhì)指標(biāo),土力學(xué) 第一章,定義：土單位體積的質(zhì)量 表達(dá)式： 單 位: kg/m3 或 g/cm3 一般范圍: 1.602.20 g/cm3,土的密度,1.3 土的物理性質(zhì)指標(biāo),土力學(xué) 第一章,定義：土粒的密度與4C時純蒸餾水密度的比值 表達(dá)式： 單 位: 無量綱 一般范圍：粘性土 2.702.75， 砂土 2.65,土粒比重Gs,=1.0 g/cm3,土粒比重在數(shù)值上等于土粒的密度,1.3 土的物理性質(zhì)指標(biāo),土力學(xué) 第一章,定義：土中水的質(zhì)量與土

15、粒質(zhì) 量之比，用百分?jǐn)?shù)表示 表達(dá)式： 單 位: 無量綱 一般范圍：變化范圍大,注意: 其實是含水比,可達(dá)到或超過100,土的含水量W,1.3 土的物理性質(zhì)指標(biāo),土力學(xué) 第一章,可表示同一種土的松密，二者之間存在關(guān)系：,砂類土：28-35% 粘性土：30-50%，有的可達(dá)60-70%,孔隙比e：土中孔隙體積與固體顆粒體積之比, 為無量綱,孔隙率(孔隙度)n：土中孔隙體積與總體積之比, 用百分?jǐn)?shù)表示,可用三相草圖推出,1.3 土的物理性質(zhì)指標(biāo),土力學(xué) 第一章,對干土：Sr=0 對飽和土：Sr=1,含水量：,飽和度：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：,1.3 土的物理性質(zhì)指

16、標(biāo),土力學(xué) 第一章,為計算方便，可采用簡單的填圖法。,三相草圖,指標(biāo)間的換算關(guān)系,1.3 土的物理性質(zhì)指標(biāo),土力學(xué) 第一章,將e移至等式左端,則有,1.3 土的物理性質(zhì)指標(biāo),土力學(xué) 第一章,1.3 土的物理性質(zhì)指標(biāo),土力學(xué) 第一章,某一取自地下水位下的飽和試樣，用環(huán)刀法測定其容重。環(huán) 刀的體積為50cm3，環(huán)刀重為80g，環(huán)刀加土重為172.5g， 該土的土粒比重為2.7，試計算該土樣的天然容重、飽和容 重、干容重和孔隙比。,位于地下水位下,土樣體積V,土重m,環(huán)刀體積,環(huán)刀加土重 環(huán)刀重,解題思路,1.3 土的物理性質(zhì)指標(biāo),土力學(xué) 第一章,已知土粒比重為2.68，土的密度為1.91g/cm3

17、， 含水率為29%，求土的干密度、孔隙比、孔隙率和飽和度。,已知,解題思路,求解,1.3 土的物理性質(zhì)指標(biāo),土力學(xué) 第一章,物理性質(zhì)指標(biāo),土的三個組成相的體積和質(zhì)量上的比例關(guān)系,密實程度 干濕程度 ,特點: 指標(biāo)概念簡單，數(shù)量很多,要點：名稱、概念或定義、符號、表達(dá)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(biāo) 土的密度、土粒相對密度、土的含水量,三相草圖有助于直觀理解物性指標(biāo)的概念,其它常用的物理性質(zhì)指標(biāo) 表示土中孔隙含量的指標(biāo) 表示土中含水程度的指標(biāo) 表示土中密度和重度的指標(biāo),三相草圖可用于確定物性指標(biāo)之間的關(guān)系,三相草圖法是求取物理性

18、質(zhì)指標(biāo)的簡單而有效的方法,1.3 土的物理性質(zhì)指標(biāo),土力學(xué) 第一章,4,土的 物理狀態(tài)指標(biāo),第一章 土的物理性質(zhì)和工程分類,土力學(xué) 第一章,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,對策,1) 按天然孔隙比 e 確定,emin = 0.35,emin = 0.20,無粘性土的密實度,2) 按相對密實度Dr確定,1.4 土的物理狀態(tài)指標(biāo),土力學(xué) 第一章,emax: 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

19、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,相對密實度,1.4 土的物理狀態(tài)指標(biāo),土力學(xué) 第一章,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 松散狀態(tài) 1/3 2/3 密實狀態(tài),相對密實度,1.4 土的物理狀態(tài)指標(biāo),土力學(xué) 第一章,3) 按國標(biāo)地基規(guī)范推薦的方法確定,砂土:,標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗的錘擊數(shù)N (見P15表1.4),碎石土:,重型圓錐動力觸探試驗的錘擊數(shù) N63.5(見P19表1.11),1.4 土的物理狀態(tài)指標(biāo),土,土力學(xué) 第

20、一章,塑限 wp,液限wL,界限含水量,固態(tài)或半固態(tài),可塑態(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,1.4 土的物理狀態(tài)指標(biāo),粘性土的稠度和可塑性,土力學(xué) 第一章,粘性土的界限含水量,1) 液限 定義：土呈流動狀態(tài)的最低含水量稱為液限，液限即為流動狀態(tài)與可塑狀態(tài) 的界限含水量，也是可塑狀態(tài)的上限含水量。用符號wL表示。 測定方法：液限可采用碟式液限儀或錐式液限儀測定。,2) 塑限 定義：土呈可塑狀態(tài)的最低含水量為土的塑限，它既是可塑狀態(tài)與半固態(tài)的界限含水量，也是半固態(tài)的上限含水量。用符號wp表示。 測定方法：在國內(nèi)常用搓條法測定塑限。

21、,3) 縮限 定義：土的縮限是指粘性土隨含水量的減少，體積開始不變時的含水量，即半固態(tài)與固態(tài)的界限含水量，用符號ws表示。,1.4 土的物理狀態(tài)指標(biāo),土力學(xué) 第一章,粘性土的可塑性及其指標(biāo),當(dāng)土在一定條件下，因受外力作用被塑造或搓揉成任意形狀而不產(chǎn)生 裂縫，且當(dāng)外力移去后，仍能保持既得形狀的性能，稱為土的可塑性。,塑性指數(shù),地基規(guī)范規(guī)定用塑性指數(shù)作為粘性土劃分的標(biāo)準(zhǔn)。,塑性指數(shù)表示粘性土呈可塑狀態(tài)時含水量的變化范圍。,1.4 土的物理狀態(tài)指標(biāo),土力學(xué) 第一章,相對稠度,對于不同的粘土，含水量相同，稠度可能不同,液性指數(shù),不同的粘土，wp、wL 大小不同,定義：,wP,w,wL,IL1,堅硬狀態(tài)

22、 可塑狀態(tài) 流 態(tài),0.00 0.25 0.25 0.75 0.75 1.00,硬塑 可塑 軟塑,液性指數(shù),w,1.4 土的物理狀態(tài)指標(biāo),土力學(xué) 第一章,粘性土的靈敏度St,定義:,原狀土無側(cè)限抗壓強度與重塑土無側(cè)限抗壓強度之比。,分類:,低靈敏度土 0 4,表達(dá)式:,- 原狀土的無側(cè)限抗壓強度;,- 擾動土的無側(cè)限抗壓強度。,1.4 土的物理狀態(tài)指標(biāo),土力學(xué) 第一章,5,土的 工程分類,第一章 土的物理性質(zhì)和工程分類,土力學(xué) 第一章,目的：,建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范-GB50007-2002 分類法,便于研究及應(yīng)用,定義：,根據(jù)對土(巖)的工程性質(zhì)最有影響的基本特征指標(biāo)，把工程性質(zhì)接近的土劃分為一類并定以相應(yīng)的名稱。,1.5 土的工程分類,土力學(xué) 第一章,1.5 土的工程分類,土力學(xué)