土的物理性质及分类.ppt

土的物理性质及分类 2.1 概述 2.2 土的物理性质指标 2.3 黏性土的物理状态指标 2.4 无黏性土的密实度 2.7 土的分类 土的物理性质指标 三相间的比例关系 质量和体积之间的关系 影响 力学特性 本章脉络 土的分类 土的物理状态指标 反映土的松密和软硬 状态的指标 2.2 土的物理性质指标(熟知) 土的三相草图 土的物理性质指标（土的三相比例指标） 表示土的三相组成各部分的质量和体积之间的比例关系的指标 九个物理量: m ma V Vv Vw ms m w Vs Va 三个独立变量， 干土或饱和土二 个独立变量 其它指标： 三相草图法计算 实验室 测定 九个物理量: m ma V Vv Vw ms m w Vs Va 可假设任一参数为1 为了确定三相草图诸量中的三个量，通常进 行三个基本的物理性质试验： F 土的密度试验 F 土粒比重试验 F 土的含水量试验 2.2 土的物理性质指标 一、土的基本物理性质指标 土粒比重Gs（土粒相对密度） 土中固体颗粒的质量与同体积4时纯水的质量之比； 或为土粒密度与4时纯水的密度之比。 w 表达式 w 测定方法： 比重瓶法；经验法 常见值：砂类土 Gs=2.652.69；粉类土Gs=2.702.71； 黏性土 Gs=2.722.76。 有机质 Gs=2.42.5；泥炭： Gs=1.51.8。 w 土粒密度 2.2 土的物理性质指标 土的含水量（含水率）w 土中水的质量与土粒质量之比，以百分数表示 。 w 表达式 w 测定方法 w 常见值： 砂土 w=(040)%；黏性土 w=(2060)%。 w 意义：表示土体湿度（含水程度）的物理指标。与土 的种类、埋藏条件及其附近的自然环境等有关。 烘干法； 红外线法； 酒精燃烧法；铁锅炒干法 2.2 土的物理性质指标 土的密度 土的总质量m与总体积V之比或土单位体积的质量。 单位：国际上kg/m3，国内工程中常用g/cm3。 w 测定方法: 环刀法 适用于黏性土、粉土与砂土。 w 常见值： 砂土：1.62.0g/cm3； 黏土: 1.82.0g/cm3 ； 腐殖土： 1.51.7g/cm3。 w 表达式 w 意义：综合反映了土的物质组成和结构特征。 2.2 土的物理性质指标 干密度 土单位体积中土粒的质量或土的孔隙中完全 没有水时的密度。 w 测定方法 大环刀法 ； 放射性同位素法 w 常见值： d=（1.31.8）g/cm3 w 工程应用 在工程上常把干密度作为评定土体紧密程度的标 准。通常用作填方工程如土坝、路基和人工压实地基 等土体压实质量的控制标准。 w 表达式 2.2 土的物理性质指标 二、特殊条件下土的密度 饱和密度 土的孔隙完全被水充满时的密度 w 常见值： sat =（1.82.3）g/cm3 浮密度（有效密度） 在地下水位以下，土单位体积中土粒的质量与同 体积水的质量之差 。 w 表达式 w 表达式 w 常见值： 2.2 土的物理性质指标 重度 土的重力密度（重量）。 单位（N/m3）或（kN/m3） 土的密度 和土的重度 ； 土的干密度 和土的干重度 ； 土的饱和密度 和饱和重度 ； 有效密度(浮密度) 和有效重度(浮重度) ； 2.2 土的物理性质指标 三、描述土的孔隙体积相对含量的指标 土的孔隙比e 土中孔隙体积与固体颗粒体积之比 根据、Gs与W实测值计算而得，工程应用很广，可以用 来评价天然土层的密实度、进行砂土液化判断等。 w 常见值： 砂土 e=0.30.9； 当砂土e1.0时，为软弱地基。 w 表达式 2.2 土的物理性质指标 孔隙度(孔隙率)n 土的孔隙体积与土总积之比 ，以百分数表示。 w 常见值：黏性土和粉土:(30-60)%；砂土: (25-45)%。 根据、Gs与W实测值计算而得，孔隙度与孔隙比相 比，工程应用较少。 w 表达式 w 物理意义：表示土中孔隙大小的程度。 2.2 土的物理性质指标 土的饱和度Sr 土中孔隙水的体积与孔隙体积之比 ，以百分数表示。 w 常见值： Sr=0100%。 根据、Gs与W实测值计算而得。 w 工程中Sr作为砂土湿度划分的标准： w 表达式 w 物理意义：表示水在孔隙中充满的程度。 Sr 50% 稍湿的 50%Sr80% 很湿的 Sr 80% 饱和的 2.2 土的物理性质指标 土的三个组成相的体积和质 量上的比例关系 三相草图法 室内测定三个基本 物理性质指标： 土的密度 土粒比重 土的含水量 其它物理性质指标 孔隙含量 含水程度 密度和重度 土的物理 性质指标 小 结 特点: 指标概念简单，数量很多 要点：名称、概念或定义、符号、表达式、 单位或量纲、常见值或范围、联系与区别 2.2 土的物理性质指标 四、三相指标的换算 步骤： 首先绘出三相草图； 明确所求指标的表达式或定义； 作假设以减少未知量，求解。 2.2 土的物理性质指标 例如 设： 2.2 土的物理性质指标 2.2 土的物理性质指标 推求 【例题2-1】 某饱和土体，重度，土粒比重 （1） 根据题中的已知条件，推导干重度的表达式; （2）根据（1）的结果，计算该土的干重度。 。 由已知条件： 令： 【解】 土的物理状态指标 反映土的松密和软硬 状态的指标 无黏性土的松密程度 黏性土的软硬状态 土的物理性质指标 三相间的比例关系 质量和体积之间的关系 影响 力学特性 密实度 稠度 黏性土的物理特征 黏性土 含水量 较硬 变软 流动 固态半固态可塑状态液体状态（流动状态) 黏性土的稠度 稠度是指土的软硬程度。反映了土粒之间的连结 强度随着含水量高低而变化的性质。 黏性土的可塑性 黏性土在外力的作用下可以任意改变形状而不开 裂，外力撤去后仍能保持既得的形状的性能。 界限含水量 黏性土由一种状态转到另一种状态的分界含水量，称 为土的稠度界限或界限含水量。 2.3 黏性土的物理状态指标 (熟知） 塑限液限 黏性土的稠度反映土中水的形态 固态或半固态可塑状态 流动状态 强结合水弱结合水自由水 w 土颗粒 强结合水 弱结合水 土颗粒 强结合水 土颗粒 自由水 弱结合水 强结合水 强结合水膜最厚出现相当数量自由水 黏性土的稠度状态 界限含水量 稠度状态 含水量 土中水的形态 示意图 缩限 2.3 黏性土的物理状态指标 2.3 黏性土的物理状态指标 定义黏性土由可塑 状态转到流动状态的界限含水 量称为液限wL。 1、液限wL(%) 测定方法 锥式液限仪 操作过程： 将黏性土调成均匀的浓糊状，装 满盛土杯，刮平杯口表面，将76克重 圆锥体轻放在试样表面的中心，使其 在自重作用下徐徐沉入试样，若圆锥 体经5秒种恰好沉入10mm深度，这时 杯内土样的含水量就是液限WL值。为 了避免放锥时的人为晃动影响，可采 用电磁放锥的方法。 锥式液限仪 蝶式液限仪 操作过程： 将黏性土调成均匀的 浓糊状，装入碟内，刮平 表面，做成试样中心约 10mm厚的土饼，用开槽器 在土中开槽，槽底宽度为 2mm，然后将碟子抬高 10mm，使碟自由下落，连 续下落25次后，如果土槽 合拢长度为13mm，这时试 样的含水量为液限。 蝶式液限仪 2.3 黏性土的物理状态指标 定义黏性土由 半固态转到可塑状态的界限含 水量称为塑限wP 2、塑限wP(%) 测定方法 操作过程： 用双手将天然湿度的土样搓 成小圆球（球径小于10mm），放 在毛玻璃板上再用手掌慢慢搓滚 成小土条，用力均匀，搓到土条 直径为3mm，出现裂纹，自然断 开，这时土条的含水量就是塑限 wp值。 搓好的泥条 搓条法 2.3 黏性土的物理状态指标 入土深度与含水量的关系 制备3个不同含水 量的试样，测定圆锥 仪在5秒时的下沉深度 ，测定此时的含水量 ，在双对数坐标纸上 绘出圆锥下沉深度和 含水量的关系直线。 深度10mm，对应的含 水量为液限，2mm对应 的含水量为塑限。 液、塑限联合测定法 2.3 黏性土的物理状态指标 定义黏性土呈半固态与固态之间的界 限含水量称为缩限wS。 3、缩限wS(%) 测定方法 用收缩皿法，用收缩皿或环刀盛满含水量为 液限的试样，放在室内逐渐晾干，至试样的颜色变 淡时，放入烘箱中烘至恒重，测定烘干后收缩体积 和干土重，从而求得缩限。 2.3 黏性土的物理状态指标 定义黏性土与粉土的液限与塑限的差 值（去掉%），称塑性指数，记为IP。 工程应用 用塑性指数IP作为黏性土定名的标准。 黏性土的物理状态指标 物理意义 土处在可塑状态的含水量变化范围。塑性指数愈大， 土处于可塑状态的含水量范围也愈大。 黏土 粉质黏土 塑性指数IP 2.3 黏性土的物理状态指标 液性指数又称相对稠度，是将土的天然含水量w与wL 及wP相比较，以表明w是靠近wL还是靠近wP，反映土的软 硬不同。 物理意义 工程应用 定义黏性土的液性指数为天然含水量与塑 限的差值和液限与塑限差值之比，称液性指数，记为IL。 状态坚硬硬塑可塑软塑流塑 液性指数IL001.0 液性指数IL 2.3 黏性土的物理状态指标 黏性土的状态（ GB50007) 2.3 黏性土的物理状态指标 s 黏性土的活动度 活动度 活动度A：黏性土的塑性指数与土中黏 粒（d1.25 活动黏土 黏性土结构性的演示 黏性土因受扰动而原 结构被破坏后，其工程性 质通常会变差，强度将明 显下降。土中所示土样在 保持天然结构时(原状土) ，其上承受了1.5kg的压 力，但当结构完全破坏而 成为重塑土时，变为可流 动的泥浆。 2.3 黏性土的物理状态指标 s 黏性土的结构性 St 1 1-2 2-4 4-8 8-16 16 黏性土 不灵敏 低灵敏 中等灵敏 灵敏 很灵敏 流动 3=0 相同含水 量、密度 qu 原状土 重塑土 灵敏度St：原状土的无侧限抗压强度qu 和重塑土的无侧限抗压强度 之比。 2.3 黏性土的物理状态指标 灵敏度 触变性 s 黏性土的结构性 黏性土含水量不变，密度不变，因重塑 而强度降低，又因静置而逐渐强化，强 度逐渐恢复的现象，称为触变性。 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。 灵敏度 触变性 2.3 黏性土的物理状态指标 用孔隙比e为标准 w 无黏性土 按天然孔隙比e划分砂土的密实度（74规范） 表1-6 w 密实度：土的固体颗粒排列的紧密程度。 密实中密稍密松散 砾砂 粗砂 中砂e0.85 细砂 粉砂e0.95 评价：（1）优点：简捷方便； （2）缺点：无法反映土的粒径级配因素。 一般指砂（类）土和碎石（类）土，这两大类土中一般黏粒含 量少，不具有可塑性，呈单粒结构，它们的物理状态主要取决于 土的密实程度，即密实度。 2.4 无黏性土的密实度 (熟知） 无黏性土的相对密度 密实度密实中密松散 相对密度1.00.670.670.330.330 w 用相对密度Dr划分砂土的密实度 评价：（1）优点：理论上完善； （2）缺点：实际上难以操作。 2.4 无黏性土的密实度 1-穿心锤 2-锤垫 3-触探杆 4-贯入器头 5-出水孔 6-贯入器身 7-贯入器靴 标准贯入试验 标准贯入试验(SPT)适用于 砂土、粉土和一般黏土，它利 用一定的锤击动能（锤重 63.5kg，落距76cm）,将一定 规格的对开管式的贯入器打入 钻孔孔底的土中，先按打入 15cm，再打入30cm，根据打入 土中的贯阻抗，判别土层的工 程性质。 贯入阻抗用贯入器贯入土 中30cm的锤击数N63.5表示,N63.5 也称为标贯击数。 以标准贯入试验锤击数N为标准 标准贯入试验(SPT) 2.4 无黏性土的密实度 我国现行建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)采 用原位标准贯入试验锤击数N（N63.5）来评价砂类土的密实度 。根据N可将砂土分为： 锤击数N63.5N63.5101030 密实度松散稍密中密密实 该试验的应用主要有评定砂土的相对密度、评定地基土承载 力、估算单桩承载力等。 碎石土的密实度划分 砂类土的密实度划分 碎石土密实度按重型（圆锥）动力触探锤击数划分。 重型圆锥动力探测 锤击数N63.5 密实度 重型圆锥动力探测 锤击数N63.5 密实度 N63.55松散100.9 粉土密实度分类 湿度稍湿湿很湿 含水量(%)w30 粉土湿度分类 F 粗粒土的密实状态指标 F 黏土的物理状态指标 相对密度 塑性指数 吸附结合水的能力 液性指 数 小 结 黏性土的软硬状态 界限含水量 wP、wL 土中水形态 F 判别标准 标准贯入锤击数 自学 2.6 土的膨胀性、湿陷性和冻胀性 土的组成 土的状态 土的结构 F 目的 便于调查研究； 便于分析评价； 便于交流 (基于共同的概念) F 分类的原则 F 依据：最能反映土的物理力学性质的指标 F 土的工程分类体系 2.7 土的分类（了解） 简明原则 工程性质差异原则 建筑工程系统的分类体系建筑地基基础设计规范等 工程材料系统的分类体系土的分类标准公路土工试验规程 一、土的分类标准 Arthur Casagrande， （1902-1981）生于奥地 利，后移居美国，他对土 力学的贡献巨大，如土的 分类、土坡的渗流、土的 剪切强度、砂土液化的流 动结构和临界孔隙比等。 他提出的分类标准考 虑了土的粒度和塑性指标 ，忽略了土的结构性。 我国的国标土的分 类标准（GBJ145-90） 采取了与之类似的分类原 则。 2.7 土的分类 水利部SL237-1999分类法 土颗粒组成及其特性 塑性指标：液限、塑限、塑性指数 有机质含量 n 土的分类 巨粒土和含巨粒土 粗粒土：砾类土、砂类土 细粒土：根据塑性图分类 特殊土： 黄土、膨胀土、红黏土 n 分类依据： 2.7 土的分类 1、按沉积年代分为： 老沉积土（Q3）、一般黏性土（Q4）、新近沉积土 2、根据地质成因（形成条件）分为： 残积土、坡积土、洪积土、冲积土、风积土等 3、根据颗粒级配或塑性指数分为： 碎石土、砂土、粉土、黏性土 4、根据土的工程特性的特殊性可分为： 一般土、特殊土 二、地基土的工程分类 建筑地基基础设计规范（GB50007-2002） 岩土工程勘察规范(GB50021-2001) 该分类体系的特点：注重土的天然结构特性和强度，并 始终与土的主要工程性质变形和强度特性紧密联系。 2.7 土的分类 s 碎石土 土的名 称 颗粒形状颗粒级配 漂石 块石 圆形及亚圆形为主 棱角形为主 粒径200mm的颗粒 超过全重的50 卵石 碎石 圆形及亚圆形为主 棱角形为主 粒径20mm的颗粒 超过全重的50 圆砾 角砾 圆形及亚圆形为主 棱角形为主 粒径2mm的颗粒 超过全重的50 碎石土没有黏性和塑性，属于单粒结构 碎石土 砂土 粉土 黏性土 特殊土 人工填土 分类依据: 根据土的颗粒级配和颗粒形状进行分类定名。 2.7 土的分类 分类依据：根据土的颗粒级配定