土的物理性质.pdf

主讲人 王旭主讲人 王旭主讲人 王旭主讲人 王旭 兰州交通大学兰州交通大学兰州交通大学兰州交通大学 岩土与地下工程系岩土与地下工程系岩土与地下工程系岩土与地下工程系 第一章 土的物理性质与工程分类第一章 土的物理性质与工程分类 1 1 土的形成 土的形成 1 2 土的三相组成 土的三相组成 1 3 土的物理状态 土的物理状态 1 4 土的结构 土的结构 1 5 土的工程分类 土的工程分类 1 6 土的压实性土的压实性 1 1 1 1 土的形成土的形成土的形成土的形成 土是岩石经过风化后在不同条件下形成的松散堆积物土是岩石经过风化后在不同条件下形成的松散堆积物 搬运 沉积搬运 沉积 形成过程 形成条件 形成过程 形成条件 物理力学 性质 物理力学 性质 风化风化 土土 地球 影响影响 岩石岩石 地球 生物循环生物循环 物理风化物理风化 化学风化化学风化 量变量变 无粘性土无粘性土 原生矿物原生矿物 质变质变 粘性土粘性土 次生矿物次生矿物 动植物的活动动植物的活动 一 风化一 风化 有 机 质有 机 质 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 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 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 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 二 搬运与沉积二 搬运与沉积 残积土残积土 无搬运 运积土运积土 有搬运 土 质 较 好 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 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 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 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 运积土运积土 有搬运 风 风 风积土风积土 重力 重力 坡积土坡积土 流水 流水 洪积土 冲积土 湖泊沼泽沉积土 海相沉积物 洪积土 冲积土 湖泊沼泽沉积土 海相沉积物 冰川 冰川 冰积土冰积土 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 土粒粗细变化较大 性质不均匀 颗粒均匀 层厚而不具层理 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 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 1 2 土的三相组成土的三相组成土的三相组成土的三相组成 气相固相液相 构成土骨架 起决定作用构成土骨架 起决定作用重要影响重要影响 土体 次要作用次要作用 一 固体颗粒一 固体颗粒 物理状态 力学特性 粒径级配粒径级配 矿物成分矿物成分 颗粒形状颗粒形状 1 粒径级配 颗粒大小颗粒大小 各粒径成分 在土中占的 比例 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 颗粒大小 粒组按粗细进行分组 将粒径接近的归成一类按粗细进行分组 将粒径接近的归成一类 界限粒径 d mm d mm 砾石砂粒粉粒粘粒胶粒砾石砂粒粉粒粘粒胶粒 6020 050 0050 002 0 250 5520 粗 中细 粗 中 细 极细 0 1 粗粒细粒粗粒细粒 粒径级配 确定方法确定方法筛分法 筛分法 适用于粗粒土适用于粗粒土 0 1 mm 水分法 水分法 适用于细粒土适用于细粒土 0 1 mm 各粒组的相对含量 用质量百分数来表示各粒组的相对含量 用质量百分数来表示 表述方法表述方法 粒径级配累积曲线粒径级配累积曲线 10 5 0 2 0 1 0 0 5 0 25 0 1 200g 10 16 18 24 22 38 72 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 小于某粒径之土质量百分数小于某粒径之土质量百分数P 10 5 0 1 0 0 5 0 10 0 05 0 01 0 005 0 001 粒径粒径 mm P 95 87 78 66 55 36 土的粒径级配累积曲线土的粒径级配累积曲线 水分法水分法 粒径 mm 粒径 mm 0 050 010 005 百分数P 百分数P 2613 510 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 小于某粒径之土质量百分数 小于某粒径之土质量百分数 10 5 0 1 0 0 5 0 10 0 05 0 01 0 005 0 001 粒径粒径 mm 土的粒径级配累积曲线土的粒径级配累积曲线 d60d50 d10 d30 d60d10d30CuCc 0 33 0 005 0 063662 41 特征粒径 特征粒径 d50 平均粒径平均粒径 d60 控制粒径控制粒径 d10 有效粒径有效粒径 d30 不均匀程度不均匀程度 Cu d60 d10 连续程度 连续程度 Cc d302 d60 d10 曲率系数曲率系数 不均匀系数不均匀系数 Cu 5 级配不均匀 粗细程度粗细程度 用用d50表示 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 小于某粒径之土质量百分数 小于某粒径之土质量百分数 10 5 0 1 0 0 5 0 10 0 05 0 01 0 005 0 001 粒径粒径 mm 土的粒径级配累积曲线土的粒径级配累积曲线 d60d10d30 曲线 d60d10d30CuCc L 0 33 0 005 0 081 66 3 98 M0 0632 41 R0 0300 545 斜率 斜率 某粒径范围内颗粒的含量某粒径范围内颗粒的含量 陡陡 相应粒组质量集中相应粒组质量集中 缓缓 相应粒组含量少 相应粒组含量少 平台平台 相应粒组缺乏 相应粒组缺乏 连续程度 连续程度 Cc d302 d60 d10 曲率系数曲率系数 较大颗粒缺少较大颗粒缺少Cc减小减小 较小颗粒缺少较小颗粒缺少Cc增大增大 Cc 1 3 级配连续性好级配连续性好 粒径级配 粒径级配累积曲线及指标的用途 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 粒组含量用于土的分类定名 2 不均匀系数 不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度 用于判定土的不均匀程度 Cu 5 不均匀土 不均匀土 Cu 3 或 Cc 1 级配不连续土级配不连续土 4 不均匀系数 不均匀系数Cu和曲率系数和曲率系数Cc用于判定土的级配优劣 如果 用于判定土的级配优劣 如果 Cu 5且且 C c 1 3 级配 良好的土 如果 级配 良好的土 如果 Cu 3 或或 Cc 1g cm1g cm3 3 冰点处于零下几十度冰点处于零下几十度 具有固体的特性具有固体的特性 温度高于100 C时可蒸发温度高于100 C时可蒸发 强结合水强结合水 位于强结合水之外 电场引 力作用范围之内 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外力作用下可以移动 不因重力而移动 有粘滞性不因重力而移动 有粘滞性 弱结合水弱结合水 自由水自由水 重力水重力水 毛细水毛细水 在重力作用下可在土中自由流动在重力作用下可在土中自由流动 存在于固气之间存在于固气之间 在重力与表面张力作用下 可在土粒间空隙中自由移动 在重力与表面张力作用下 可在土粒间空隙中自由移动 湿润角湿润角 空气 固体 空气 固体 水水 l T 界面张力 d 界面张力 d 毛管直径毛管直径 T d 2r ua uw ua uw 压力差压力差 毛细水 毛细现象毛细现象 毛 细 管 毛 细 管 hc 土中毛细现象土中毛细现象 w 2 cos c T h r 上升高度 上升高度 r2hc w 2 rTcos 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 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毛细升高与孔径成反比 粘土 粉土 砂土 砾石 粘土 粉土 砂土 砾石 分析对象分析对象 水柱水柱 wcc uh 毛细压力毛细压力 2 rTcos uc r2 0 毛细压力毛细压力 分析对象分析对象 水膜水膜 w 2 cos c T h r 毛细压力与静水压力概念相同 与水头高度成正比 负号表示拉 力 毛细压力与静水压力概念相同 与水头高度成正比 负号表示拉 力 毛细压力呈倒三角形分布 弯液 面处最大 自由水面处为零 毛细压力呈倒三角形分布 弯液 面处最大 自由水面处为零 自由水面以下为压力 自由水面 以上为拉力 自由水面以下为压力 自由水面 以上为拉力 三 土中气体 自由气体 自由气体 与大气连通 对土的性质影响不大与大气连通 对土的性质影响不大 封闭气体 封闭气体 增加土的弹性 阻塞渗流通道增加土的弹性 阻塞渗流通道 1 三相草图三相草图 Water Air Solid Va Vw Vs Vv V ma 0 mw ms m 质量体积 一 物理性质指标一 物理性质指标 1 3 1 3 土的物理状态土的物理状态土的物理状态土的物理状态 三相草图三相草图 Water Air Solid Va Vw Vs Vv V ma 0 mw ms m 质量质量体积体积 saw vaw VVVV VVV swa a www mmmm m0 mV 已知关系五个 已知关系五个 共有九个参数共有九个参数 V Vv Vs VaVw msm w mam 剩下三个独立变量剩下三个独立变量 三相草图法三相草图法 物性指标是比例关系 物性指标是比例关系 可假设可假设V 1cm3或或Vs 1cm3或或m 1g 对于饱和土对于饱和土 Va 0 剩下两个独立变量 实验室测定实验室测定 其它指标其它指标 是一种简单而实用的方法是一种简单而实用的方法 2 室内测定的三个物理性质指标2 室内测定的三个物理性质指标 Water Air Solid Va Vw Vs Vv V ma 0 mw ms m 质量质量体积体积 土的密度 土粒的比重 土的含水量 土的密度 土粒的比重 土的含水量 土的密度土的密度 aws ws VVV mm V m 土的容重土的容重 g 工程上更常用工程上更常用 用于计算土的自重应力用于计算土的自重应力 单位单位 kg m3或或 g cm3 单位单位 kN m3 一般范围一般范围 1 60 2 20 g cm3 定义定义 单位体积土的质量单位体积土的质量 有时也称有时也称土的天然密度土的天然密度 表达式表达式 相关指标相关指标 三相草图有助于直观 理解物性指标的概念 三相草图有助于直观 理解物性指标的概念 Water Air Solid Va Vw Vs Vv V ma 0 mw ms m 质量质量体积体积 土粒比重土粒比重 s 土粒的密度 单位体积土粒的质量土粒的密度 单位体积土粒的质量 s s s V m 单位单位 无量纲无量纲 土粒比重一般范围土粒比重一般范围 粘性土粘性土 2 70 2 75 砂土砂土 2 65 C4 w 4 4 C C ss s w sw m G V 4 C时纯蒸馏水的密度时纯蒸馏水的密度 C4 w 1 0 g cm3 土粒比重在数值上等于土粒的密度土粒比重在数值上等于土粒的密度 定义定义 土粒的质量与同体积纯蒸馏水在土粒的质量与同体积纯蒸馏水在4 C时的质量之比时的质量之比 或或土粒的密度与土粒的密度与4 C时纯蒸馏水的密度的比值时纯蒸馏水的密度的比值 表达式表达式 Water Air Solid Va Vw Vs Vv V ma 0 mw ms m 质量质量体积体积 土的含水量土的含水量 s s s w m mm m m w 定义定义 土中水的质量与土粒质量之比土中水的质量与土粒质量之比 用百分数表示用百分数表示 注意注意 其实是含水比其实是含水比 可达到或超过可达到或超过100 表达式表达式 表示土中孔隙含量的指标表示土中孔隙含量的指标 孔隙比孔隙比 孔隙率 孔隙度 孔隙率 孔隙度 s v V V e 其它常用的物理性质指标 其它常用的物理性质指标 V V n v 关系关系 e1 e n n1 n e 在某种程度上反映土的松密在某种程度上反映土的松密 砂类土 砂类土 28 35 粘性土 粘性土 30 50 有的可达有的可达60 70 定义定义 土中孔隙体积与固体颗粒 体积之比 土中孔隙体积与固体颗粒 体积之比 无量纲无量纲 表达式表达式 Water Air Solid Va Vw Vs Vv V 体积体积 定义定义 土中孔隙体积与总体 积之比 土中孔隙体积与总体 积之比 用百分数表示用百分数表示 表达式表达式 Vs 1 Vv e V 1 e Water Air Solid 体积体积 三相草图可用于确定 物性指标之间的关系 三相草图可用于确定 物性指标之间的关系 表示土中含水程度的指标表示土中含水程度的指标 s w m m w 含水量含水量 饱和度饱和度 v w r V V S Water Air Solid Va Vw Vs Vv V ma 0 mw ms m 质量质量体积体积 表达式表达式 定义定义 土中水的体积与孔隙体积的比值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饱和度表示孔隙中充满水的程度 Sr 0 干土干土 Sr 1 饱和土饱和土 表示土的密度和容重的指标表示土的密度和容重的指标 天然密度天然密度 干密度干密度 饱和密度饱和密度 aws ws VVV mm V m 天然容重天然容重 干容重干容重 V ms d g g dd V Vm vws sat g satsat 浮容重浮容重 wsat 有效容重有效容重 饱和容重饱和容重 Water Air Solid Va Vw Vs Vv V ma 0 mw ms m 质量质量体积体积 单位单位 kg m3 或或 g cm3 单位单位 kN m3 定义定义 土被完全烘干时的密度土被完全烘干时的密度 等于 单位体积内土粒的质量 等于 单位体积内土粒的质量 表达式表达式 各种密度容重之间的大小关系 各种密度容重之间的大小关系 dsat dsat 天然密度天然密度 干密度干密度 饱和密度饱和密度 V m 天然容重天然容重 干容重干容重 V ms d g g dd V Vm vws sat g satsat 浮容重浮容重wsat 饱和容重饱和容重 Water Air Solid Va Vw Vs Vv V ma 0 mw ms m 质量质量体积体积 常用的物理性质指标间的换算关系 教科书教科书 P18 表表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 二 土的物理状态指标 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 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 三相间的比例关系 力学特性力学特性 影响影响 表 示 表 示 e emax max与 与e emin min 最大与最小孔隙比最大与最小孔隙比 1 粗粒土的密实状态粗粒土的密实状态 密实度密实度如何衡量 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 单位体积中固体颗粒含量的多少 或孔隙含量的多少 优点 优点 简单方便简单方便 缺点 缺点 不能反映级配的影响 只能用于同一种土 不能反映级配的影响 只能用于同一种土 对 策 对 策 相对密度相对密度 minmax max r ee ee D 干容重 干容重 d d或孔隙比e或孔隙率n或孔隙比e或孔隙率n emin 0 35 emin 0 20 e emax max 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 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 e emin min 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 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 e emax max与 与e emin min 最大与最小孔隙比最大与最小孔隙比 注意 注意 室内测得理论上的最大与最小孔隙比有时很困难室内测得理论上的最大与最小孔隙比有时很困难 粗粒土的密实状态指标粗粒土的密实状态指标 判别标准 判别标准 D Dr r 1 最密状态 1 最密状态 D Dr r 0 最松状态 0 最松状态 D Dr r 1 3 疏松状态 1 3 1 3 疏松状态 1 3 2 3 密实状态 2 3 密实状态 相对密度相对密度 minmax max r ee ee D dmindmaxd maxdmindd r D 2 粘性土的软硬状态粘性土的软硬状态 也称也称稠度状态稠度状态 稠度状态与含水量有关稠度状态与含水量有关 粘性土粘性土 含水量含水量 较硬 变软 流动 较硬 变软 流动 塑限塑限wp液限液限wl 稠度界限稠度界限 粘性土的稠度反映土中水的形态粘性土的稠度反映土中水的形态 固态或半固态塑态流态固态或半固态塑态流态 强结合水膜最大强结合水膜最大 出现自由水出现自由水 强结合水弱结合水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 稠度状态 含水量 土中水的形态 w 土颗粒 强结合水 土颗粒 强结合水 弱结合水弱结合水 土颗粒 强结合水 土颗粒 强结合水 土颗粒土颗粒 自由水自由水 弱结合水弱结合水 强结合水强结合水 plp Iww 吸附弱结合 水的能力 吸附弱结合 水的能力 塑性指数塑性指数 相对稠度相对稠度 p L lp ww I ww 问题 仅适用于问题 仅适用于重塑土重塑土 即使即使含水量相同 稠度可能不同稠度可能不同 液性指数液性指数 对不同的粘土 对不同的粘土 wp wl大小不同大小不同 定义 定义 wpwwl IL1 坚硬状态 可塑状态 流态 坚硬状态 可塑状态 流态 0 00 0 25 0 25 0 75 0 75 1 00 硬塑 可塑 软塑 硬塑 可塑 软塑 对同一种粘土 含水量可反映其稠度对同一种粘土 含水量可反映其稠度 问题 问题 plp Iww 吸附弱结合水的能力 大致反映粘土颗粒含量 粘性大小吸附弱结合水的能力 大致反映粘土颗粒含量 粘性大小 塑性指数塑性指数 常作为细粒土工程分类的依据常作为细粒土工程分类的依据 缺点缺点 不能充分反映粘土颗粒含量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不同的粘土矿物结合水的能力不同 活性指数活性指数 002 0 p p I A p0 002 粒径小于粒径小于0 002mm颗粒的质量占总土总质量的百分比颗粒的质量占总土总质量的百分比 A 1 25 非活性粘土 正常粘土 活性粘土 非活性粘土 正常粘土 活性粘土 粗粒土的密实状态指标粗粒土的密实状态指标 相对密度相对密度Dr 小结 粘性土的稠度状态指标粘性土的稠度状态指标 液性指数液性指数IL 引入 定义 判别标准 引入 定义 判别标准 稠度界限 稠度状态 含水量 土中水的形态稠度界限 稠度状态 含水量 土中水的形态 塑性指数塑性指数 液性指数液性指数 引入 定义 判别标准 引入 定义 判别标准 粗粒土与粘性土为何采用 不同的物理状态指标 粗粒土与粘性土为何采用 不同的物理状态指标 反映土的细观特点反映土的细观特点 与力学特性有更直接的联系与力学特性有更直接的联系 便于量测便于量测 土颗粒或粒团的 空间排列和相互联结 土颗粒或粒团的 空间排列和相互联结 1 4 1 4 土的结构土的结构土的结构土的结构 土粒间的作用力土粒间的作用力 粘性土的结构性指标粘性土的结构性指标 力学特性力学特性 土的结构 影 响 粗粒土的结构粗粒土的结构 细粒土的结构细粒土的结构 重塑土的强度原状土的强度重塑土的强度原状土的强度 16 粘性土粘性土 不灵敏 低灵敏 中等灵敏 灵敏 很灵敏 流动 不灵敏 低灵敏 中等灵敏 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 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 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 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 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2 粘性土的触变性 目的 依据 建筑地基基础设计规范 GB50007 2002分类法 水利部SL237 001 1999分类法 1 5 1 5 土的工程分类土的工程分类土的工程分类土的工程分类 便于研究 交流及应用 能反映土的物理力学性质 土的组成 土的状态 土的结构 土的组成 土的状态 土的结构 建筑地基基础设计规范 GB50007 2002分类 法 土土 岩石岩石 碎石土 砂土 粉土 粘性土 碎石土 砂土 粉土 粘性土 人工填土人工填土 碎石土 土的名称颗粒形状粒组含量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 粒径大于2mm的颗粒超过总土重50 的土 砂土 土的名称粒组含量土的名称粒组含量 粒径大于2mm的颗粒 占全质量25 50 砾砂 粗砂 中砂 细砂 粉砂 粒径大于0 5mm的颗 粒超过全质量50 粒径大于0 25mm的颗 粒超过全质量50 粒径大于0 075mm的 颗粒超过全质量85 粒径大于0 075mm的颗 粒超过全质量50 粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重的50 而粒径 大于0 075mm的颗粒含量超过全重的50 粉土 粒径大于粒径大于0 075mm的颗粒 含量小于全质量 的颗粒 含量小于全质量50 而塑 性指数 而塑 性指数Ip 10的土的土 塑性指数塑性指数Ip 10的土的土 粘性土 1017的土的土粘土 粉质粘土 粘土 粉质粘土 A 1 25 非活性粘土 正常粘土 活性粘土 非活性粘土 正常粘土 活性粘土 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 1 6 土的压实性土的压实性土的压实性土的压实性 一 室内击实试验 二 细粒土的压实性 三 粗粒土的压实性 一 室内击实试验一 室内击实试验 试验