土的物理性质与工程分类.ppt

土的物理性质与工程分类 第一章 1 1概述 土的形成 1 2土的三相组成 1 3土的三相比例指标 1 4土的物理状态 1 5土的分类标准及地基土的工程分类 1 6土的压实性 目录 1 1概述 土的形成 土的三相组成土的物理状态土的结构 便于研究和应用土的工程分类 土的压实性 土的形成影响 从而决定土的渗透特性 变形特性及强度特性 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 形成过程形成条件 物理力学性质 影响 两个名词 基岩覆盖土 一 风化 生物风化 物理风化 化学风化 无粘性土 原生矿物 粘性土 次生矿物 有机质 二 搬运 剥蚀与沉积 残积土无搬运 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 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 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 颗粒大小 粒组划分 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 2 土粒粒度分析 颗粒级配 颗粒大小 各粒径成分在土中占的比例 颗粒级配 各粒组的相对含量 用质量百分数来表示 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 表述方法颗粒级配累积曲线 105 02 01 00 50 250 1 200g 10161824223872 p 958778665536 水分法 特征粒径 d50 平均粒径d60 限制粒径d10 有效粒径d30 中值粒径 不均匀程度 cu d60 d10 连续程度 cc d302 d60 d10 曲率系数 不均匀系数 cu 5 级配不均匀 粗细程度 用d50表示 小于某粒径之土质量百分数 粒径 mm 土的粒径级配累积曲线 d60 d10 d30 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 d60 d10 曲率系数 cc 1 3 级配连续性好 粒径级配判定 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 cu 5 不均匀土 cu3或cc3或cc 1 级配不良的土 3 矿物成分 原生矿物石英 长石 云母等次生矿物主要是粘土矿物 包括三种类型 高岭石 伊里石 蒙脱石 粘土矿物由硅片和铝片构成的晶胞所组合而成 硅片的结构 铝片的结构 粘土矿物的晶格构造 高岭石 蒙脱石 伊利石 比表面积 单位质量土颗粒所拥有的总表面积 粘土矿物的带电性质 研究表明 粘土颗粒的表面电荷 静电荷通常为负电荷 结晶水矿物内部的水结合水吸附在土颗粒表面的水自由水电场引力作用范围之外的水土中冰由自由水冻成 冻胀融陷 二 土中水 液相 结合水 强结合水 排列致密 定向性强密度 1g cm3冰点处于零下几十度具有固体的的特性温度高于100 c时可蒸发 弱结合水 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 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 土中毛细现象 上升高度 r2hc w 2 rtcos 毛细水 毛细升高与孔径成反比 分析对象 水柱 粘土 粉土 砂土 砾石 对砂土强度的影响 毛细边角水 假凝聚力 假定 0 毛细压力 2 rtcos uc r2 0 毛细压力 分析对象 水膜 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 土颗粒或粒团的空间排列和相互联结 四 土的结构和构造 力学特性 土的结构 重塑土的强度 原状土的强度 土的构造 同一土层中物质成分 颗粒大小相近的各部分之间的相互关系的特征 影响 1 土粒间的作用力 重力毛细力胶结力颗粒表面力 土颗粒的自重形成的方向向下的力 砂土 土中毛细作用形成的力 细砂 粉土 土粒间的胶体物质产成的作用力 粘土 粘土 库仑力 范德华力 颗粒表面的静电引力或斥力 颗粒接触点处的分子间引力 粗粒土的结构 粒间作用力 排列形式 矿物成分 单粒结构 示意图 重力 毛细力 点与点 点与面 原生矿物 2 土的结构 细砂 粉粒土的结构 粒间作用力 排列形式 矿物成分 蜂窝结构 重力 表面力 蜂窝状 主要是原生矿物 细粒土的结构 粒间作用力 形成环境 排列形式 矿物成分 表面力 胶结力 斥力减小引力增加 示意图 表面力 胶结力 粒间斥力占优势 淡水中沉积 海水中沉积 次生矿物 次生矿物 天然条件下 可能是多种组合 或者由一种结构过渡向另一种结构 面与面 边 角与面边 角与边 絮状结构 1 3土的三相比例指标 土的物理性质指标 三相间的比例关系 可以用来表示土的物理状态 包括 粗粒土的松密程度和粘性土的软硬状态 从而影响了土的力学特性 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 基本方法 三相草图法 1 三相草图 质量 体积 已知关系五个 共有九个参数 vvvvsvav msm mam 剩下三个独立变量 物性指标是比例关系 可假设任一参数为1 实验室测定 其它指标 2 室内测定的三个物理性质指标 基本物理指标 土的密度 单位 kg m3或g cm3 一般范围 1 60 2 20g cm3 土单位体积的质量 有时也称土的天然密度 表达式 相关指标 土的容重 重度 g单位 kn m3 环刀法测得 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 70 2 75砂土2 65有机质 泥炭土较小 4 c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 土粒的密度与4 c时纯蒸馏水的密度的比值 表达式 比重瓶法测得 土的含水量 土中水的质量与土粒质量之比 用百分数表示 注 含水量可达到或超过100 表达式 用烘干法测得 孔隙比 其它常用的物理性质指标 导出指标 土中孔隙体积与固体颗粒体积之比 无量纲 表达式 关系 孔隙率 孔隙度 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 饱和度 表达式 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 天然密度 干密度 天然容重 干容重 单位 kg m3或g cm3 单位 kn m3 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 浮容重 浮密度 有效容重 饱和密度 饱和容重 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 1 4土的物理状态 土的物理性质指标 三相间的比例关系 可以用来表示土的物理状态 包括 粗粒土的松密程度和粘性土的软硬状态 从而影响了土的力学特性 emax与emin 最大与最小孔隙比 一 无粘性土的密实度 密实度 单位体积中固体颗粒含量的多少 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 2 相对密 实 度 砂土 1 天然孔隙比e或孔隙率n 砂土 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 砂土的密实状态指标判别标准 dr 1 最密状态dr 0 最松状态dr 1 3 疏松状态1 32 3 密实状态 相对密度 3 标准贯入锤击数n 砂土 碎石土 4 碎石土密实度的野外鉴别 二 粘性土的物理特征 1 稠度状态与界限含水量 塑限 p 液限 l 稠度界限 粘性土的稠度反映土中水的形态 强结合水膜最大 出现自由水 1 液性指数 不同的粘土 p l大小不同对于不同的粘土 含水量相同 稠度可能不同 定义 wp w wl il1 坚硬状态可塑状态流态 0 00 0 250 25 0 750 75 1 00 硬塑可塑软塑 2 粘性土的可塑性及指标 粘性土在某含水量范围内 用外力塑成任何形状而不发生裂纹 外力移去后仍能保持既得形状 可塑性 三 反映粘性土结构性的指标 1 粘性土的结构性概念 原状土具有结构性 具有相同的含水量和密度 经过粉碎 重塑后 变为重塑土 强度降低 2 粘性土的灵敏度st 原状土的无侧限抗压强度 重塑土的无侧限抗压强度 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 3 粘性土的触变性 4 粘性土的胀缩性 湿陷性 冻胀性 目的 依据 建筑地基基础设计规范 gb50007分类法 水电部sd128 48分类法 1 5土的工程分类 便于研究及应用 能反映土的物理力学性质 土的组成土的状态土的结构 公路土工试验规程jtj051 93分类法 建筑地基基础设计规范 gb50007 2002分类法 地基土 岩石碎石土砂土粉土粘性土人工填土 岩石分为硬质岩石和软质岩石 抗压强30mpa 人工填土分为杂填土 冲填土 素填土 土的名称颗粒形状粒组含量 漂石块石 圆形及亚圆形为主棱角形为主 粒径大于200mm的颗粒超过全质量50 卵石碎石 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 圆砾角砾 粒径大于20mm的颗粒超过全质量50 粒径大于2mm的颗粒超过全质量50 碎石土 砂土 10 ip 17的土 ip 17的土 粘土 粉质粘土 粉土 粘性土 粒径大于0 075mm的颗粒含量小于全质量50 而塑性指数ip 10的土 塑性指数ip 10的土 水电部sd128 48分类法 公路土工试验规程jtj051 93分类法工程地质分类法 自学内容 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 一 室内击实试验 试验设备击实筒v 1000cm3 击实锤w 2 5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 cosnst的土 分三层压实 测定击实后的 算定 d 土 1 击实曲线 特点 具有峰值 即最大干密度与最优含水量 位于饱和曲线之下 二 细粒土的压实性 粘性土k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 若 2 压实机理 颗粒被击碎 土粒定向排列 土粒破碎 粒间联结力被破坏而发生孔隙体积减小 气被挤出或被压缩等 水膜润滑作用效果最佳 尚没有形成封闭气泡 气易于排出 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 当 op d dmax 当 op d dmax 当 op d dmax 3 影响因素 a 击实功能 b 土的级配 c 击实方式夯实 辗压 振动 辗压对粘土比较合适 4 压实标准 a 粘性土存在最优含水量 op 在