土的物理性质及工程分类.ppt

第一章 土的物理性质及工程分类 v1.1土的成因及组成 v1.2土的物理性质指标 v1.3土的物理状态指标 v1.4土的击实性 v1.5土(岩)的工程分类 主要内容 一、土的成因 岩石 风化（物理、 化学）作用 岩石破碎 化学成分改变 搬运 沉积 大小、形状和 成分都不相同 的松散颗粒集 合体（土） 土 固体颗粒（固相） 水（液相） 空气（气相） 土中颗粒的大小、成分及三相 之间的相互作用和比例关系， 反映出土的不同性质 1.1 土的成因及组成 二、土的组成 三相 体系 v（一）土的固体颗粒 土粒的大小、相关矿物成分以及大小搭配情况 对土的物理力学性质有明显影响 1.土的颗粒级配 工程上将各种不同的土粒按其粒径范围，划分为 若干粒组，为了表示土粒的大小及组成情况，通 常以土中各个粒组的相对含量（即各粒组占土粒 总量的百分数）来表示，称为土的颗粒级配 试验方法 筛分法：适用于0.075mmd60mm 比重计法:适用于d0.075mm 筛分法 用一套孔径不同的筛子，按 从上至下筛孔逐渐减小放置 。将事先称过质量的烘干土 样过筛，称出留在各筛上的 土质量，然后计算其占总土 粒质量的百分数 比重计法 利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同来 确定小于某粒径的土粒含量 颗粒粒径级配曲线 纵坐标表示小于某粒径的土粒含量百分比,横坐 标表示土粒的粒径(对数坐标） 颗粒级配的描述 工程上常用不均匀系 数Cu描述颗粒级配的 不均匀程度 d10、d30、d60小于某粒径的 土粒含量为10%、 30%和 60%时所对应的粒径 Cu愈大，表示土粒愈不均 匀。工程上把Cu5的土视 为级配不良的土； Cu10 的土视为级配良好的土 曲率系数Cc描述颗粒级 配曲线整体形态，表明 某粒组是否缺失情况 对于砾类土或砂类土，同时满 足Cu5和Cc=13时，定名为 良好级配砂或良好级配砾 2.土粒的矿物成分 矿物成分取决于母岩的矿物成分和风化作用 原生矿物：由岩石经过物理风化形成，其矿物成分与 母岩相同 次生矿物：岩石经化学风化后所形成的新的矿物，其 成分与母岩不相同 例：石英、云母、长石等 特征：矿物成分的性质较稳定，由其组成的土具 有无粘性、透水性较大、压缩性较低的特点 例：粘土矿物有高岭石、伊利石、蒙脱石等 特征：性质较不稳定，具有较强的亲水性，遇水 易膨胀的特点 v（二）土中的水 土中水的含量明显地影响土的性质(尤其是粘性土 )。土中水除了一部分以结晶水的形式吸附于固体 颗粒的晶格内部外，还存在结合水和自由水 1.结合水 强结合水：紧靠于颗粒表面、所受电场的作用力很大、 几乎完全固定排列、丧失液体的特性而接近于固体 弱结合水：紧靠强结合水的外围形成的结合水膜，所 受的电场作用力随着与颗粒距离增大而减弱 2.自由水 存在于土粒电场影响范围以外，性质和普通水无异，能 传递水压力，冰点为0，有溶解能力 以两种形式存在：毛细水、重力水 v（三）土中气体 土中气体存在于土孔隙中未被水占据的部分 ，分为与大气连通的非封闭气体和与大气不 连通的封闭气体 1.非封闭气体：受外荷作用时被挤出土体外，对 土的性质影响不大 2.封闭气体：受外荷作用，不能逸出，被压缩或 溶解于水中，压力减小时能有所复原，对土的性 质有较大的影响，使土的渗透性减小，弹性增大 和延长土体受力后变形达到稳定的历时 v三、土的结构和构造 1、土的结构 在成土过程中所形成的土粒的空间排列及其联结 形式，与组成土的颗粒大小、颗粒形状、矿物成分 和沉积条件有关 1）单粒结构：粗矿物颗粒在水或空气中在自重作 用下沉落形成的单粒结构，其特点是土粒间存在点 与点的接触。根据形成条件不同，可分为疏松状态 和密实状态 密实状态疏松状态 2）蜂窝结构：颗粒间点与点接触，由于彼此之 间引力大于重力，接触后，不再继续下沉，形成 链环单位,很多链环联结起来，形成孔隙较大的蜂 窝状结构 3）絮状结构：细微粘粒大都呈针状或片状， 质量极轻，在水中处于悬浮状态。当悬液介质 发生变化时，土粒表面的弱结合水厚度减薄， 粘粒互相接近，凝聚成絮状物下沉，形成孔隙 较大的絮状结构 蜂窝结构絮状结构 v2、土的构造 土的构造是指土体中各结构单元之间的关系。 主要特征是土的成层性和裂隙性,即层理构造 和裂隙构造，二者都造成了土的不均匀性 1）层状构造：土粒在沉积过程中,由于不同阶 段沉积的物质成分、颗粒大小或颜色不同,而沿 竖向呈现出成层特征 3）裂隙构造：土体被许多不连续的小裂隙所分 割,在裂隙中常充填有各种盐类的沉淀物 2）分散构造：各部分土粒无明显差别，分布 均匀，性质也接近，如砂、卵石层 1.2 土的物理性质指标 v一、土的三相图 气 水 土粒 msmw m VsVw V Va 质量m 体积V n二、土的三相基本指标 1.土的密度：单位体积 土的质量 工程中常用重度来表示单 位体积土的重力 重力加速度， 近似取10m/s2 2.土粒相对密度ds（土粒比重） ：土粒质量与同体积的4时纯 水的质量之比 土粒相对密度变化范围不大：细粒土（粘性土）一 般2.702.75；砂土一般为2.65左右。土中有机质 含量增加，土粒相对密度减小 Vv 气 水 土粒 msmw m VsVw V Va 质量m 体积V 3.土的含水量：土中水的 质量与土粒质量之比，以百分 数表示 土的含水量是标志土含水程度的一个重要物理指标 。天然土层含水量变化范围较大，与土的种类、埋 藏条件及其所处的自然地理环境等有关。 测定方法：通常用烘干法，亦可近似用酒精燃烧法 v三、土的其他物理性质指标 气 水 土粒 msmw m VsVw VV Va 质量m 体积V 1.孔隙比e和孔隙率n 孔隙比e ：土中孔隙体积 与土粒体积之比 2.土的饱和度Sr ：土中孔 隙水的体积与孔隙总体积之 比，以百分数表示 饱和度描述土中孔隙被水充满的程度。干土 Sr=0,饱和土Sr=100%。砂土根据饱和度分为三 种状态: 孔隙率n ：土中孔隙体积 与总体积之比，以百分数 表示 3.不同状态下土的密度和 重度 饱和密度sat ：土体中孔 隙完全被水充满时的土的密 度 干密度d ：单位体积 中固体颗粒部分的质量 浮密度 ：土单位体积内土 粒质量与同体积水的质量之差 土的三相比例指标中的质量密度指标共有4个，土的密度 ，饱和密度sat，干密度d，浮密度 (kg/m3),相应的重度指 标也有4个，土的重度，饱和重度sat，干重度d，浮重度 (kN/m3) 气 水 土粒 msmw m VsVw VV Va 质量m 体积V Sr50%稍湿； 50Sr80%很湿； Sr80%饱和 Sr50%稍湿； 50Sr80%很湿； Sr80%饱和 v四、指标间的换算 气 水 土粒 dsw Vs1 1+e 质量m体积V 土的三相指标中，土 粒比重ds ，含水量 和密度是通过试验 测定的，可以根据三 个基本指标换算出其 余各指标 Vv=e dsw ds（1）w 推导 ： 换算关系式 ： v五、例题分析 n【例】某土样经试验测得体积为100cm3，湿土质 量为187g，烘干后，干土质量为167g。若土粒的 相对密度ds为2.66，求该土样的含水量、密度、 重度 、干重度d 、孔隙比e、饱和重度sat和有效 重度 【解答】 1.3 土的物理状态指标 v一、无粘性土的密实度 土的密实度指单位体积土中固体颗粒的含量 。根据土颗粒含量的多少，天然状态下的砂、碎 石等处于从紧密到松散的不同物理状态。无粘性 土的密实度与其工程性质有着密切关系 1.孔隙比e 孔隙比e可以用来表示砂土的密实度。对于 同一种土，当孔隙比小于某一限度时，处于密实 状态。孔隙比愈大，土愈松散 2.相对密实度Dr 砂土在天然状 态下孔隙比 砂土在最密实状 态时的孔隙比 砂土在最松 散状态时的 孔隙比 当Dr=0时， e=emin，表示土处于最疏松状态;当 Dr=1.0时， e=emax，表示土体处于最密实状态 3.按动力触探确定无粘性土的密实度 Dr1/3 疏松状态 1/3Dr2/3 中密状态 2/3Dr1 密实状态 天然砂土的密实度，可按原位标准贯入试验的 锤击数N进行评定。天然碎石土的密实度，可按原 位重型圆锥动力触探的锤击数N63.5进行评定 (GB50007-2002) 密实度 按N评定砂石密实度 按N63.5评定碎石土密实度 松散稍密中密密实 N10 N63.55 10N15 5N63.510 15N30 10N63.520 N30 N63.520 v二、粘性土的稠度 1.粘性土的稠度状态 稠度是指土的软硬程度或土受外力作用所引起变形 或破坏的抵抗能力,是粘性土最主要的物理状态特征 固态或半固态可塑状态流动状态 塑限P液限L 粘性土由某一种状态过渡到另一状态的界限含水量 称为土的稠度界限 液塑限测定根据土工试验规程(SL237-007- 1999)规定，采用液塑限联合测定仪进行测定。 液塑限联合测定仪 下沉深度为17mm所对应的含水量为液限;下沉深度为 2mm处所对应的含水量为塑限 2.粘性土的塑性指数和液性指数 塑性指数IP是液限和塑限的差值(省去%)，即土处在可 塑状态的含水量变化范围 说明：塑性指数的大小取决于土颗粒吸附结合水的能力 ,即与土中粘粒含量有关。粘粒含量越多,塑性指数就越 高 说明：液性指数表征土的天然含水量与界限含水量间的相对关 系。当IL0时,P,土处于坚硬状态;当IL1时,L,土处 于流动状态。根据IL值可以直接判定土的软硬状态 液性指数IL是粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指 数之比 状态 液性指数 坚硬硬塑可塑软塑流塑 IL00IL0.250.25IL0.750.75IL1IL1 v三、例题分析 n【例】某砂土试样,试验测定土粒相对密度 ds=2.7,含水量=9.43%,天然密度=1.66/cm3。已 知砂样最密实状态时称得干砂质量ms1=1.62kg,最 疏松状态时称得干砂质量ms2=1.45kg。求此砂土 的相对密度Dr,并判断砂土所处的密实状态 【解答】砂土在天然状态下的孔隙比 砂土最小孔隙比 砂土最大孔隙比 相对密实度（1/3,2/3中密状态 1.4 土的击实性 v一、土的击实试验 在试验室内通过击实试验研究土的压实性。 击实试验有轻型和重型两种。 击实筒 护筒 击锤 导筒 轻型击实试验适用于粒径小 于5mm的土，击实筒容积为 947cm3，击锤质量为2.5kg。 把制备成一定含水量的土料 分三层装入击实筒，每层土 料用击锤均匀锤击25下，击 锤落高为30.5cm 重型击实试验适用于粒径小于40mm的土，击实筒容 积为2104cm3，击锤质量为4.5kg，击锤落高为 45.7cm 。分五层击实，每层56击。根据击实后土样 的密度和实测含水量计算相应的干密度 v二、填土的击实特性 影响土压实性的因素很多，主要有含水量 、击实功能、土的种类和级配等 1.含水量的影响 dmax d 0 op 当含水率较低时，击实后 的干密度随含水量的增加 而增大。而当干密度增大 到某一值后，含水量的继 续增加反招致干密度的减 小。干密度的这一最大值 称为该击数下的最大干密 度，与它对应的含水量称 为最优含水量 说明：当击数一定时，只有在某一含水量下才获得 最佳的击实效果 2.击实功能的影响 说明：填料的含水率过高或过低都是不利的。含水率过低，填 土遇水后容易引起湿陷；过高又将恶化填土的其他力学性质。因 此，在实际施工中填土的含水率控制得当与否，不仅涉及到经济 效益，而且影响到工程质量 0 d 击数 40 30 20 饱和线 1.土料的最大干密度和最 优含水量不是常数。最大 干密度随击数的增加而逐 渐增大,最优含水量逐渐减 小。然而，这种变化速率 是递减的。同时，光凭增 加击实功能来提高土的最 大干密度是有限的 2.当含水量较低时击数的影 响较显著。当含水量较高时 ，含水量与干密度关系曲线 趋近于饱和线，这时提高击 实功能是无效的 3.土类和级配的影响 击实试验表明，在相同击实功能下，粘性土粘粒含量愈高或 塑性指数愈大，压实愈困难，最大干密度愈小，最优含水量愈大 无粘性土的击实曲线和粘 性土击实曲线不同，在含 水量较大时得到较高的干 密度，因此在无粘性土实 际填筑中，通常要不断洒 水使其在较高的含水量下 压实 d 0 无粘性土的击实曲线 说明：土的级配对土的压实性影响很大。级配良好的土，易于 压实，级配不良的土，不易压实，因为级配良好的土有足够的 细粒去充填较粗粒形成的孔隙，因而能获得较高的干密度 1.5土（岩）的工程分类 v一、分类的目的和原则 土的分类体系就是根据土的工程性质差异将土划分 成一定的类别，目的在于通过通用的鉴别标准，便于在 不同土类间作有价值的比较、评价、积累以及学术与经 验的交流 分类原则： 1.分类要简明，既要能综合反映土的主要工程性质，又要 测定方法简单，使用方便 2.土的分类体系所采用的指标要在一定程度上反映不同类 工程用土的不同特性 v二、分类体系与方法 分类体系： 1.建筑工程系统分类体系 2.工程材料系统分类体系 侧重把土作为建筑地基和环境，研究对象为原状土， 例如：建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)地 基土分类方法 侧重把土作为建筑材料，用于路堤、土坝和填土地基 工程。研究对象为扰动土，例如：土的分类标准 (GBJ145-90)工程用土的分类和公路土工试验规程 (JTJ051-93)土的工程分类 分类方法： 1.建筑地基基础设计规范(GB500072002) 根据土粒大小、粒组的土粒含量或土的塑性指数把 地基土（岩）分为岩石、碎石土、砂土、粉土和粘性土 五大类 a.岩石的分类 颗粒间牢固粘结,呈整体或具有节理隙的岩体称为岩 石，坚硬程度可根据岩块的饱和单轴抗压强度frk分类 坚硬程度类别 饱和单轴抗压 强度frk(Mpa) 坚硬岩较硬岩较软岩软岩极软岩 30frk60frk6015frk305frk15frk5 b.碎石土的分类 粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50%的土称为碎石土 c.砂土的分类 粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50%的土，且粒 径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50%的土称为砂土 土的名称 漂石 块石 卵石 碎石 圆砾 角砾 颗粒形状 圆形及亚圆形为主 棱角形为主 圆形及亚圆形为主 棱角形为主 圆形及亚圆形为主 棱角形为主 颗粒级配 粒径大于200mm的颗 粒含量超过全重50 粒径大于20mm的颗粒 含量超过全重50 粒径大于2mm的颗粒 含量超过全重50 注：定名时应根据颗粒级配由大到小以最先符合者确定 碎石土的分类 d.粉土的分类 粒径大于0.075mm的颗粒含量超 过全重50%，塑性指数IP10的土称为 粉土 土的名称 砾砂 粗砂 中砂 细砂 粉砂 颗粒级配 粒径大于2mm的颗粒含量占全重2550 注：定名时应根据颗粒级配由大到小以最先符合者确定 粒径大于0.5mm的颗粒含量超过全重50 粒径大于0.25mm的颗粒含量超过全重50 粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重85 粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50 砂土的分类 e.粘性土的分类 粒径大于0.075mm的颗粒含量不超 过全重50%，塑性指数IP10的土称 为粘性土，粘性土根据塑性指数细分 土的名称 粘土 粉质粘土 塑性指数 注：塑性指数由相应于76g圆 锥体沉入土样中深度为10mm 测定的液限计算而得 IP17 10IP17