土的物理性质和工程分类.ppt

1,2,土的物理性质与工程分类,第一章,3,本章目的:对土的特点进行详细解释和定量描述,本章特点:看起来零散,学习要点:各节间联系各节内层次,1土的物性与分类,4,1土的物性与分类,土的形成,渗透特性变形特性强度特性,土的三相组成土的物理状态土的结构,土的工程分类,土的压实性,决定,影响,如何获得较好的土,便于研究和应用,5,1.1土的形成1.2土的三相组成1.3土的物理状态1.4土的结构1.5土的工程分类1.6土的压实性,1土的物性与分类,6,1.1土的形成,土是岩石经过风化后在不同条件下形成的自然历史的产物,搬运、沉积,形成过程形成条件,物理力学性质,风化,影响,1土的物性与分类,7,生物循环,物理风化,化学风化,量变,无粘性土,原生矿物,质变,粘性土,次生矿物,动植物的活动,一.风化,有机质,1.1土的形成,岩石和土的粗颗粒受各种气候因素的影响产生胀缩而发生裂缝,或在运动过程中因碰撞和摩擦而破碎,母岩表面和碎散的颗粒受环境因素的作用而改变其矿物的化学成分，形成新的矿物,1土的物性与分类,8,二.搬运与沉积,残积土无搬运,运积土有搬运,土质较好,残积土强风化弱风化微风化母岩体,颗粒表面粗糙多棱角粗细不均无层理,母岩表层经风化作用破碎成岩屑或细小颗粒后，未经搬运残留在原地的堆积物,风化所形成的土颗粒，受自然力的作用搬运到远近不同的地点所沉积的堆积物,1.1土的形成,1土的物性与分类,9,2.搬运与沉积,运积土有搬运,风：风积土,重力:坡积土,流水:,洪积土冲积土湖泊沼泽沉积土海相沉积物,冰川:冰积土,土粒粗细不同，性质不均匀,有分选性，近粗远细,浑圆度分选性明显，土层交迭,含有机物淤泥，土性差,颗粒细，表层松软，土性差,土粒粗细变化较大，性质不均匀,颗粒均匀，层厚而不具层理,1.1土的形成,1土的物性与分类,10,1.1土的形成1.2土的三相组成1.3土的物理状态1.4土的结构1.5土的工程分类1.6土的压实性,1土的物性与分类,11,1.2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,1土的物性与分类,12,一.固体颗粒,物理状态力学特性,粒径级配,1.2土的三相组成,矿物成分,颗粒形状,1土的物性与分类,13,1.粒径级配,一.固体颗粒,颗粒大小,各粒径成分在土中占的比例,影响土性的主因,1.2土的三相组成,1土的物性与分类,14,颗粒大小,粒组按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类界限粒径,一.固体颗粒,1.2土的三相组成,1土的物性与分类,15,粒径级配,确定方法筛分法：适用于粗粒土(0.1mm)水分法：适用于细粒土(0.1mm),各粒组的相对含量，用质量百分数来表示,表述方法粒径级配累积曲线,一.固体颗粒,1.2土的三相组成,1土的物性与分类,16,105.02.01.00.50.250.1,200g,10161824223872,小于某粒径之土质量百分数P（）,粒径(mm),P%958778665536,土的粒径级配累积曲线,水分法,一.固体颗粒,1.2土的三相组成,1土的物性与分类,17,d60,d50,d10,d30,特征粒径:d50:平均粒径d60:控制粒径d10:有效粒径d30,不均匀程度：Cu=d60/d10,连续程度:Cc=d302/(d60d10)曲率系数,不均匀系数,Cu5,不均匀土,粗细程度：用d50表示,一.固体颗粒,1.2土的三相组成,1土的物性与分类,18,斜率:某粒径范围内颗粒的含量陡相应粒组质量集中缓-相应粒组含量少平台-相应粒组缺乏,连续程度:Cc=d302/(d60d10)曲率系数,较大颗粒缺少,Cc减小,较小颗粒缺少,Cc增大,Cc=13,级配连续性好,一.固体颗粒,1.2土的三相组成,1土的物性与分类,19,粒径级配,粒径级配累积曲线及指标的用途：,1）粒组含量用于土的分类定名；,2）不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度：Cu5,不均匀土；Cu3或Cc1,级配不连续土,4）不均匀系数Cu和曲率系数Cc用于判定土的级配优劣：如果Cu5且Cc=13，级配良好的土；如果Cu3或Cc1g/cm3冰点处于零下几十度具有固体的特性温度高于100C时可蒸发,强结合水,位于强结合水之外，电场引力作用范围之内外力作用下可以移动不因重力而移动，有粘滞性,弱结合水,二.土中水,1.2土的三相组成,1土的物性与分类,28,自由水,重力水,毛细水,在重力作用下可在土中自由流动,存在于固气之间在重力与表面张力作用下可在土粒间空隙中自由移动,二.土中水,1.2土的三相组成,1土的物性与分类,29,=湿润角,T=界面张力,d=毛管直径,ua-uw=压力差,二.土中水,1.2土的三相组成,1土的物性与分类,毛细水,毛细现象,30,土中毛细现象,上升高度:,r2hcw=2rTcos,毛细水,分布在土粒内部相互贯通的孔隙可以看成许多形状不一、直径互异、彼此连通的毛细管,毛细升高与孔径成反比,粘土粉土砂土砾石,分析对象:水柱,二.土中水,1.2土的三相组成,1土的物性与分类,31,对砂土强度的影响:毛细边角水,假凝聚力,毛细压力,2rTcos+ucr2=0,毛细压力,非饱和土中毛细张力影响,分析对象:水膜,二.土中水,1.2土的三相组成,1土的物性与分类,32,33,三.土中气体,自由气体：与大气连通，对土的性质影响不大封闭气体：增加土的弹性；阻塞渗流通道,1.2土的三相组成,1土的物性与分类,34,粘性土（细粒土）,无粘性土（砂性土）（粗粒土）,土的特点,土的力学特性,与土有关的工程问题,土的生成,土的三相组成,35,1.1土的形成1.2土的三相组成1.3土的物理状态1.4土的结构1.5土的工程分类1.6土的压实性,1土的物性与分类,36,1.3土的物理状态,土的物理状态粗粒土的松密程度粘性土的软硬程度,土的物理性质指标(松密程度、干湿程度、轻重程度),力学特性,直接影响,表示,1土的物性与分类,？,37,一.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,1.3土的物理状态,松密程度干湿程度轻重程度,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,定义,基本方法:,三相草图法,1土的物性与分类,38,1.三相草图,一物理性质指标,质量,体积,1.3土的物理状态,1土的物性与分类,39,三相草图,已知关系五个:,共有九个参数:VVvVsVaVw/msmwmam,剩下三个独立变量,三相草图法,物性指标是比例关系:可假设任一参数为1,对于饱和土,Va=0剩下两个独立变量,实验室测定,其它指标,是一种简单而实用的方法,一.物理性质指标,1.3土的物理状态,1土的物性与分类,40,2.室内测定的三个物理性质指标,土的密度、土粒的比重、土的含水量,土的密度,土的容重,=g,工程上更常用,用于计算土的自重应力,单位:kg/m3或g/cm3,单位:kN/m3,一般范围:1.602.20g/cm3,定义:单位体积土的质量,有时也称土的天然密度,表达式:,相关指标:,三相草图有助于直观理解物性指标的概念,一.物理性质指标,1.3土的物理状态,1土的物性与分类,41,土粒比重,s:土粒的密度，单位体积土粒的质量,单位:无量纲,土粒比重一般范围:粘性土2.702.75砂土2.65,4C时纯蒸馏水的密度,=1.0g/cm3,土粒比重在数值上等于土粒的密度,定义:土粒的密度与4C时纯蒸馏水的密度的比值,表达式:,一.物理性质指标,1.3土的物理状态,1土的物性与分类,42,土的含水量,定义:土中水的质量与土粒质量之比,用百分数表示,注意:其实是含水比,可达到或超过100,表达式:,一.物理性质指标,1.3土的物理状态,1土的物性与分类,43,表示土中孔隙含量的指标,孔隙比,孔隙率(孔隙度),.其它常用的物理性质指标,关系:,在某种程度上反映土的松密,砂类土：2835%粘性土：3050%有的可达6070%,定义:土中孔隙体积与固体颗粒体积之比,无量纲,表达式:,定义:土中孔隙体积与总体积之比,用百分数表示,表达式:,Vs=1,Vv=e,V=1+e,三相草图可用于确定物性指标之间的关系,一.物理性质指标,1.3土的物理状态,1土的物性与分类,44,表示土中含水程度的指标,含水量,饱和度,表达式:,定义:土中水的体积与孔隙体积的比值,饱和度表示孔隙中充满水的程度,Sr=0:干土Sr=1:饱和土,一.物理性质指标,1.3土的物理状态,1土的物性与分类,45,表示土的密度和容重的指标,天然密度,干密度,饱和密度,天然容重,干容重,浮容重,有效容重,饱和容重,单位:kg/m3或g/cm3,单位:kN/m3,定义:土被完全烘干时的密度,等于单位体积内土粒的质量,表达式:,一.物理性质指标,1.3土的物理状态,1土的物性与分类,46,各种密度容重之间的大小关系：,天然密度,干密度,饱和密度,天然容重,干容重,浮容重,饱和容重,一.物理性质指标,1.3土的物理状态,1土的物性与分类,47,常用的物理性质指标间的换算关系,教科书P18表1-5,要点,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,一.物理性质指标,1.3土的物理状态,1土的物性与分类,48,小结,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,松密程度干湿程度轻重程度,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,定义,基本方法:,三相草图法,室内测定的三个物理性质指标土的密度、土粒的比重、土的含水量,三相草图有助于直观理解物性指标的概念,其它常用的物理性质指标表示土中孔隙含量的指标表示土中含水程度的指标表示土的密度和容重的指标,三相草图可用于确定物性指标之间的关系,三相草图法是求取物理性质指标的简单而有效的方法,一.物理性质指标,1.3土的物理状态,1土的物性与分类,49,二.土的物理状态指标,土的物理状态粗粒土的松密程度粘性土的软硬程度,土的物理性质指标(三相间的比例关系),力学特性,影响,表示,1.3土的物理状态,1土的物性与分类,50,emax与emin：最大与最小孔隙比,1.粗粒土的密实状态,二.物理状态指标,密实度,如何衡量?,单位体积中固体颗粒含量的多少或孔隙含量的多少,优点：简单方便,缺点：不能反映级配的影响只能用于同一种土,对策,相对密度,干容重d或孔隙比e或孔隙率n,emin=0.35,emin=0.20,1.3土的物理状态,1土的物性与分类,51,emax:最大孔隙比；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:最小孔隙比；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很困难,二.物理状态指标,1.3土的物理状态,1土的物性与分类,52,粗粒土的密实状态指标,判别标准：Dr=1,最密状态Dr=0,最松状态Dr1/3,疏松状态1/32/3,密实状态,相对密度,二.物理状态指标,1.3土的物理状态,1土的物性与分类,53,2.粘性土的软硬状态,也称稠度状态,稠度状态与含水量有关,粘性土,含水量,较硬,变软,流动,二.物理状态指标,1.3土的物理状态,1土的物性与分类,54,塑限wp,液限wl,稠度界限,粘性土的稠度反映土中水的形态,固态或半固态,塑态,流态,强结合水膜最大,出现自由水,强结合水,弱结合水,自由水,稠度状态,含水量,土中水的形态,w,二.物理状态指标,1.3土的物理状态,1土的物性与分类,吸附弱结合水的能力,塑性指数,55,相对稠度,问题：仅适用于重塑土,即使含水量相同，稠度可能不同,液性指数,定义：,wp,w,wl,IL1,坚硬状态可塑状态流态,0.000.250.250.750.751.00,硬塑可塑软塑,二.物理状态指标,1.3土的物理状态,1土的物性与分类,对同一种粘土，含水量可反映其稠度,问题：对不同的粘土，wp、wl大小不同,56,吸附弱结合水的能力；大致反映粘土颗粒含量、粘性大小,塑性指数,常作为细粒土工程分类的依据,缺点不能充分反映粘土颗粒含量,不同的粘土矿物结合水的能力不同,活性指数,p0.002:粒径小于0.002mm颗粒的质量占总土总质量的百分比,A1.25,非活性粘土正常粘土活性粘土,二.物理状态指标,1.3土的物理状态,1土的物性与分类,57,粗粒土的密实状态指标:相对密度Dr,小结,粘性土的稠度状态指标:液性指数IL,引入定义判别标准,稠度界限,稠度状态,含水量,土中水的形态,塑性指数,液性指数,引入定义判别标准,二.物理状态指标,1.3土的物理状态,1土的物性与分类,粗粒土与粘性土为何采用不同的物理状态指标？,反映土的细观特点与力学特性有更直接的联系便于量测,58,1.1土的形成1.2土的三相组成1.3土的物理状态1.4土的结构1.5土的工程分类1.6土的压实性,1土的物性与分类,59,土颗粒或粒团的空间排列和相互联结,1.4土的结构,土粒间的作用力,粘性土的结构性指标,力学特性,土的结构,影响,粗粒土的结构,细粒土的结构,重塑土的强度,原状土的强度,16,粘性土不灵敏低灵敏中等灵敏灵敏很灵敏流动,1.4土的结构,1土的物性与分类,重塑土的强度,原状土的强度,10的土,粘性土,1017的土,粘土,粉质粘土,A1.25,非活性粘土正常粘土活性粘土,建筑规范分类法,1.5土的工程分类,1土的物性与分类,71,水利部SL237-001-1999分类法,自学:教科书P26P29参考资料,1.5土的工程分类,1土的物性与分类,72,1.1土的形成1.2土的三相组成1.3土的物理状态1.4土的结构1.5土的工程分类1.6土的压实性,1土的物性与分类,73,压实：指通过夯打、振动、碾压等，使土体变得密实、以提高土的强度、减小土的压缩性和渗透性,压实性：指土在一定压实能量作用下密度增长的特性,研究击实性的目的：以最小的能量消耗获得最大的压实密度,击实方法：,室内击实试验现场试验:夯打、振动、碾压,1.6土的压实性,1土的物性与分类,74,一.室内击实试验,二.细粒土的压实性,三.粗粒土的压实性,1.6土的压实性,1土的物性与分类,75,一.室内击实试验,试验设备击实筒V=1000cm3；击实锤w=25牛顿试验条件土样分层n=3层；落高d=30cm；击数N=27/层击实能量,试验方法对w=cosnst的土；分三层压实；测定击实后的w、，算定d,注意：仅适用于细粒土；对粗粒土，可用较大尺寸的击实仪,土,1.6土的压实性,1土的物性与分类,76,二.细粒土的压实性,1.击实曲线,2.理论分析,3.影响因素,4.压实标准,1.6土的压实性,1土的物性与分类,77,1.击实曲线,特点：具有峰值位于饱和曲线之下,粘性土渗透系数很小，压实过程中含水量几乎不变，要想击实到饱和状态是不可能的。,0481216202428含水量w(%),饱和曲线,dmax=1.86,wop=12.1,二.细粒土的压实性,最大干密度最优含水量,1.6土的压实性,1土的物性与分类,78,2.理论分析,压实机理：,颗粒被击碎，土粒定向排列;粒团破碎，粒间联结力被破坏而发生孔隙体积减小;空气被挤出或被压缩等,颗粒表面水膜很薄，相对移动困难,水膜润滑作用不明显;封闭气泡难以排出;增加水的相对含量,wwop,ddmax,w9295%,二.细粒土的压实性,1.6土的压实性,1土的物性与分类,81,不存在最优含水量；在完全风干和饱和两种状态下易于击实；潮湿状态下d明显降低。,三.粗粒土的压实性,1.击实曲线,特点,2.理论分析,对粗粒土，击实过程中可以自由排水，不存在细粒土中出现的现象。在潮湿状态下，存在着假凝聚力，加大了阻力。,3.压实标准,常用相对密度控制Dr0.70.75施工过程中要么风干，要么就充分洒水，使土料饱和,1.6土的压实性,1土的物性与分类,82,第一章完,83,1.1土的形成1.2土的三相组成1.3土的物理状态1.4土的结构1.5土的工程分类1.6土的压实性,1土的物性与分类,84,1土的物性与分类,1.1土的形成,物理风化,化学风化,量变,无粘性土,原生矿物,质变,粘性土,次生矿物,残积土无搬运,运积土有搬运,土是岩石经过风化后在不同条件下形成的自然历史的产物,重力:坡积土流水:洪积土、冲积土、湖相土、海相土冰川:冰积土风力：风积土,85,1.2土的三相组成,1土的物性与分类,土有三个组成部分：固相、液相和气相,1.