土的物理性质和工程性质.ppt

第二章 土的性质及工程分类 要求： 1.了解土的生成和演变过程，了解土的矿物成分 和土中水的种类以及粘土矿物的带电性质、土 的结构性和灵敏度等。 2.理解土的三相组成、土的三相比例指标的定义 并掌握其计算方法 3.掌握土的粒径级配的分析方法 4.掌握土的物理状态判断指标和标准以及利用这 些指标来判断其物理状态和工程性质好坏的方 法。 5.理解土的压实原理。掌握击实试验方法、最大 干重度和最优含水量的概念以及影响土体压实 的主要因素。 6.了解土的工程分类的基本方法。 重点： 土的三相物理指标及换算关系，土的粒径级配及 土的物理状态的判别。 难点： 土的三相物理指标的换算。 需要掌握的基本概念: 颗粒级配;不均匀系数/曲率系数;液限/塑限/缩限; 液性 指数/塑性指数; 土的灵敏度和触变形; 最优 含水量 计算主要掌握: 三相组成指标之间的换算及有关计算 密实度判定 液限/塑限等的计算及相关判断 2.1 土的三相组成 气相固相液相+ 构成土骨架，起决定作用重要影响 土体 次要作用 2 土的性质与工程分类 一. 固体颗粒 2.1 土的三相组成 物理状态 力学特性 粒径级配 矿物成分 颗粒形状 2 土的物性与分类 一. 固体颗粒 1. 粒径级配 颗粒大小 各粒径成分 在土中占的 比例 狭义的粒径级配 影响土性 的主因 2.1土的三相组成2 土的物性与分类 颗粒大小 粒组 大小、性质相近的土粒合为一组称为粒组 界限粒径：粒组的分解尺寸 一. 固体颗粒2.1土的三相组成 2 土的物性与分类 0.1 d (mm) d (mm) 砾石砂粒粉粒粘粒胶粒 6020.0750.0050.002 0.250.5520 粗 中 细 粗 中 细 极细 粗粒细粒 粒径级配 确定方法 筛分法：适用于粗粒土 (0.075 mm) 比重计法：适用于细粒土 (伊利石高岭石 蒙 脱 石 粘土颗粒表面带负电 比表面积As=A(表面积) / m(质量) 是粘性土特征指标之一 土中的水 固 态 自由水 气 态 液 态 结合水 重力水 毛细水 强结合水 弱结合水 二. 土中的水和气体 粘性土的性质 1. 土中的水 强结合水：紧靠于土颗粒的表面，受电场作用 很大，不能移动，表现出固态特性 它的特征是：1）.没有溶解盐类的能力，2）. 不能传递静水压力，3）.只有吸热变成蒸汽时 才能移动。 弱结合水：强结合水外，电场作用范围内的水 ，是一种粘质水膜 它的特征是：1）受力时可以从水膜厚处向薄 处移动，也可因电场引力从一个土粒周围转移 到另一个土粒周围;2）不能传递静水压力，在 重力作用下不会发生移动。是粘土具有塑性的 原因 毛细水-受到水与空气交界面处表面张力的作用,存在 于地下水位以上透水层中的自由水 毛细水上升高度由什么确定: 毛细水压力的大小: 在弯液面处最大,在的下水面处最小为0. 毛细水压力的存在使得毛细区的有效应力增大 重力水-地下水面以下,土颗粒电分子引力范围以外的水 ,仅受重力作用.传递静水压力产生浮托力. 毛细水的工程地质意义： （1）产生毛细压力： 负的静水压力 （2）毛细水对土中气体的分布与流通起有一定作用，常 是导致产生密闭气体的原因。 （3）当地下水埋深浅，由于毛细管水上升，可助长地基土 的冰冻现象；地下室潮湿；危害房屋基础及公路路面； 促使土的沼泽化。 hc = 2 T cos / r w （毛细升高hc）（水膜张力T，与温度有关）（T与管壁方向角 ，与土， 水性质有关）（毛细管半径r ） （水容重w） l三、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 2.2土的物理性质指标 l一、土的三相图 气 水 土粒 msmw m VsVw V Va 质量m 体积V Vv 2.土粒相对密度Gs（土粒比重）：土粒质量与同 体积的4时纯水的质量之比 （测定方法：比 重瓶法） n二、直接测定指标 1.土的密度：单位体积土的质量 （测定方法：环刀法 ） 工程中常用容重（重度） 来表示单位体积土的重力 土的密度和容重 l测定方法：环刀法 密度：环刀法 土的比重Gs 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 烘干法（测含水量） l三、换算指标 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 孔隙率n ：土中孔隙体积与总体积之比，以百分数表示 气 水 土粒 msmw m VsVw V Va 质量m 体积V 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: Sr50%稍湿； 50Sr80%很湿； Sr80%饱和 气 水 土粒 msmw m VsVw V Va 质量m 体积V 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。 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 气 水 土粒 msmw m VsVw V Va 质量m 体积V 浮密度 ：单位体积内土粒质量与同体积水的质量 之差。 l四、指标间的换算 土的三相指标中，土粒 比重Gs ，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 气 水 土粒 Gsw Vs1 1+e 质量m 体积V Vv=e Gsw Gs（1）w 从物理意义上理解指标间的关系 不鼓励死记硬背 必要时利用三相草图推导 气 水 土粒 Gsw Vs1 1+e 质量m 体积V Vv=e Gsw Gs（1）w l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Gs 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】 习题 1.土颗粒的大小及其级配，通常是用颗粒级配曲线来表示的 。级配曲线越平缓表示： A土颗粒大小较均匀，级配良好 B.土颗粒大小不 均匀，级配不良 C. 土颗粒大小不均匀，级配良好 2.作为填土工程的土料，压实效果与不均匀系数的关系： A大比小好 B. 小比大好 C. 与压实效果无关 3.有一非饱和土样，在荷载作用下，饱和度由80%增加至 95%。试问土样的重度和含水率怎样改变？ A增加，减小 B. 不变，不变 C. 增加，增加 4.甲土的饱和度大与乙土的饱和度，则甲土的含水 率一定高于乙土的含水率 5.薄壁取样器采取的土样，测出其体积V与重量分 别为38.4cm3和67.21g，把土样放入烘箱烘干， 并在烘箱内冷却到室温后，测得重量为49.35g 。试求土样的天然密度，干密度，含水量，孔隙 比，孔隙率，饱和度。（ ） 6.证明以下关系： （1） （2） 2.3无粘性土的密实度 l无粘性土的密实度指单位体 积土中固体颗粒的含量。 l密实度的判别方法: emin = 0.35 emin = 0.20 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 emin = 0.20 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 Dr1/3 疏松状态 1/3Dr2/3 中密状态 2/3Dr1 密实状态 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 emax:松散器法:将松散的风干土样通过长颈漏斗轻轻 地倒入容器，避免重力冲击，求得土的最小干密 度再经换算得到最大孔隙比 emin: 振击法:将松散的风干土样装入金属容器内 ，按规定方法振动和锤击，直至密度不再提高， 求得土的最大干密度再经换算得到最小孔隙比 emax与emin ：最大与最小孔隙比 注意：室内测得理论上的最大与最小孔隙比有时人为误差较大 3.按动力触探(DPT)确定无粘性土的密实度 密实度 按标准贯入试验击锤数评定 松散稍密中密密实 N1010N1515N30N30 5 .63 N 某天然砂层，密度为1.47g/cm3，含水量 13%，由试验求得该砂土的最小干密度为 1.20g/cm3；最大干密度为1.66 g/cm3；问 该砂层处于哪种状态？ l三、例题分析 n【例】某砂土试样,试验测定土粒相对密度Gs=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/0.1m3,最疏松状态时称得干砂质量 ms2=1.45kg/0.1m3。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 l2.4 粘性土的物理特性 1.粘性土的界限含水量 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 0 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分界含水量称为 界限含水量 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 3. 粘性土灵敏度和触变性反映细粒土结构特性 相同含水量、密度 (1) 粘性土的灵敏度 St 原状土结构性 相同含水量 密度、组成 粉碎 重塑 重塑土 强度降低 St 1 1-2 2-4 4-8 8- 16 16 粘性土 不灵敏 低灵敏 中等灵敏 高灵敏 很灵敏 流动 = 原状土的无侧限抗压强度 重塑土的无侧限抗压强度 土的含水量和密度不变，因重塑而强度降低，又因 静置而逐渐强化，强度（逐渐）有所恢复的现象，称 为土的触变性。 土的触变性是土结构中联结形态发生变化引起的， 是土结构随时间变化的宏观表现。 目前尚没有合理的描述土触变性的方法和指标。 (2) 粘性土的触变性 习题 从A，B两地土层中个取粘性土进行试验， 恰好其液塑限相同，液限=45%，塑限 =30%，但A地的天然含水率为45%，而B地 的天然含水率为25%。试求A，B两地的地 基土的液性指数，并通过判断土的状态， 确定哪个地基土比较好。 2.5 土的压实性 土的压实性：指在一定的含水率下，以人工或 机械的方法，使土能够压实到某种密实程度 的性质 室内：击实试验 现场：碾压试验 击实试验 轻型：粒径小于5毫米 重型：粒径小于40毫米 25下，分三层击实 56下，分5层击实 击实仪 土工试验方法标准（国家标准） 轻型:d0.96 op2 % 在地基主要受力层层范围围 以下 0.930.96 简简支结结构和排架结结 构 在地基主要受力层层范围围 内 0.940.97 op2 % 在地基主要受力层层范围围 以下 0.910.94 b. 工程上常采用压系数Dc控制（作为填方密度控制标准） 【例题】某料场中的土料为粘土，天然含水量=21%，土 颗粒的相对密度Gs=2.7。室内击实实验得到 取压实系数Dc=0.95，并要求压实后土的饱和度 ， 问土料的天然含水量是否适合填筑？碾压时土料应控制 多大的含水量？ 【解】1.填土的干密度 2.绘制单元三相图（Vs=1) 3.求碾压时需要的含水量 料场含水量=21%17.8%，需要翻晒处理 2.6 地基土（岩）的工程分类 l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 l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 三.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(从土力学角度，整体岩石不属于土） 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 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 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