第二章 土的物理性质、水理性质和力学性质.pdf

重庆大学资源与环境科学学院重庆大学资源与环境科学学院 二二 一 年一 年 第二 章 土的物理性质 水理性质和力学性质 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 第二章土的物理性质 水理性质和力学性质 第一节土的物理性质 第二节土的水理性质 第三节土的力学性质 第四节土的工程分类 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 第一节 土的物理性质 土的物理性质就是研究三相的质量与体积间的相互比例关 系以及固 液两相相互作用表现出来的性质 Water Air Soil ma 0 mw ms m Va Vw Vs Vv V质 量 体 积 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 第一节 土的物理性质 土的物理性质指标 可分为两类 一类是必须通过试验测定的 如含水量 密度和土粒比重 另一类是可以根据试验测定的指标换算的 如孔隙比 孔隙率和饱和度等 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 第一节 土的物理性质 s s s V m 土粒密度土粒密度 定义 土粒密度是指固体颗粒的质量ms与其体 积Vs之比 即土粒的单位体积质量 表达式 表达式 单位 单位 g cm3 土粒密度仅与组成土粒的矿物密度有关 而与土的孔隙大小 和含水多少无关 实际上是土中各种矿物密度的加权平均值 砂土的土粒密度一般为 2 65 g cm3左右 粉质砂土的土粒密度一般为 2 68g cm3 粉质粘土的土粒密度一般为 2 68 2 72g cm3 粘土的土粒密度一般为 2 7 2 75g cm3 气气 水水 土粒土粒 msmw m VsVw V Va 质量质量m 体积体积V PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 第一节 土的物理性质 土的密度 定义 土的密度是指土的总质量m与总体 积V之比 也即为土的单位体积的质量 表达式 单位 g cm3 aws ws VVV mm V m 气气 水水 土粒土粒 msmw m VsVw V Va 质量质量m 体积体积V 土的密度取决于土粒的密度 孔隙体积的大小和孔隙中水的质量多少 它综合反映了土的物质组成和结构特征 室内一般采用 环刀法 测定 砂土一般是 4 g cm3 粉质砂土及粉质粘土 4 g cm3 粘土为 4 g cm3 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 第一节 土的物理性质 干密度 定义 土的孔隙中完全没有水时的密度 称干密度 是指土单位体积中土粒的重量 即 固体颗粒的质量与土的总体积之比值 气气 水水 土粒土粒 msmw m VsVw V Va 质量质量m 体积体积V 表达式 单位 g cm3 V ms d 干密度反映了土的孔隙生 因而可用以计算土的孔隙率 它往往通过土的密度及含水率计算得来 但也可以实测 土的干密度一般常在1 4 1 7 g cm3 在工程上常把干密度作为评定 土体紧密程度的标准 以控制 填土工程的施工质量 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 第一节 土的物理性质 饱和密度饱和密度 定义 土的孔隙完全被水充满时的密度称为饱和 密度 即 土的孔隙中全部充满液态水时 的单位体积质量 气气 水水 土粒土粒 msmw m VsVw V Va 质量质量m 体积体积V 表达式 单位 g cm3 V Vm wvs sat 土的饱和密度的常见值为1 8 2 30 g cm3 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 第一节 土的物理性质 浮密度 定义 土的浮密度是土单位体积中土 粒质量与同体积水的质量之差 表达式 ms vs w V单位 g cm3 同一种土在体积不变的条件下 它的各种 密度在数值上有如下关系 dsats 气气 水水 土粒土粒 msmw m VsVw V Va 质量质量m 体积体积V PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 土的重度土的重度 亦称为 亦称为容重容重 定义为单位体积土的重量 用 定义为单位体积土的重量 用 表示 单位为 表示 单位为kN m3 土的重度土的重度 亦称为 亦称为容重容重 定义为单位体积土的重量 用 定义为单位体积土的重量 用 表示 单位为 表示 单位为kN m3 g V gm V W 式中 式中 W 土的重量 单位为土的重量 单位为kN g 重力加速度 重力加速度 式中 式中 W 土的重量 单位为土的重量 单位为kN g 重力加速度 重力加速度 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 土的密度 和容重 n测定方法 环刀法 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 密度 环刀法 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 烘干法 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 土粒比重土粒比重 土粒的质量 或重量 与同体积 土粒的质量 或重量 与同体积4 时纯水 时纯水 的质量 或重量 之比 是无因次的量 的质量 或重量 之比 是无因次的量 土粒比重土粒比重 土粒的质量 或重量 与同体积 土粒的质量 或重量 与同体积4 时纯水 时纯水 的质量 或重量 之比 是无因次的量 的质量 或重量 之比 是无因次的量 4 s 4 wws s s V m G 4 ws s s V gm G 式中 式中 s 土粒的密度 即土粒单位体积的质量 土粒的密度 即土粒单位体积的质量 w 4 4 时纯水的密度 时纯水的密度 1g cm3 w 4 4 时纯水的重度 时纯水的重度 式中 式中 s 土粒的密度 即土粒单位体积的质量 土粒的密度 即土粒单位体积的质量 w 4 4 时纯水的密度 时纯水的密度 1g cm3 w 4 4 时纯水的重度 时纯水的重度 土粒比重Gs PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 土的比重Gs PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 土粒比重常用比重瓶法测定 事先将比重瓶注满纯水土粒比重常用比重瓶法测定 事先将比重瓶注满纯水 称瓶加水的质量 称瓶加水的质量m1 然后把质量为 然后把质量为ms的烘干土装入该的烘干土装入该 空比重瓶内 再加纯水至满 称瓶加土加水的质量空比重瓶内 再加纯水至满 称瓶加土加水的质量m2 21 mmm m G s s s 土粒比重Gs的测定 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 第一节 土的物理性质 土的含水性 含水率 含水量 饱和度 定义定义 土的含水性指土中含水情况 说明土的干湿程度土的含水性指土中含水情况 说明土的干湿程度 气气 水水 土粒土粒 msmw m VsVw V Va 质量质量m 体积体积V PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 第一节 土的物理性质 含水率 定义 土的含水量定义为土中水的质量与 土粒质量之比 以百分数表示 表达式 100 100 s s s w m mm m m 气气 水水 土粒土粒 msmw m VsVw V Va 质量质量m 体积体积V 100 s s 或 土的孔隙全部被普通液态水充满 时的含水率称饱和含水率 天然状态下土的含水率称土的天然含 水率 一般砂土天然含水率都不超过 40 以10 30 最为常见 一般粘 土大多在10 80 之间 常见值20 50 100 s wv sat m V PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 第一节 土的物理性质 饱和度 定义 土中孔隙水的体积与孔隙体积 之比 以百分数表示 表达式 100 v w r v v s 气气 水水 土粒土粒 msmw m VsVw V Va 质量质量m 体积体积V 100 sat r w w s 或 饱和度愈大 表明土中孔隙中充水愈 多 它在0 100 干燥时Sr 0 孔 隙全部为水充填时 Sr 100 工程上Sr作为砂土湿度划分的标准 Sr 80 饱和的 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 第一节 土的物理性质 孔隙性 孔隙率 砂土的相对密度 气气 水水 土粒土粒 msmw m VsVw V Va 质量质量m 体积体积V 定义定义 孔隙性指土中孔隙的大小 数量 形状 性质以及连通情况 孔隙性指土中孔隙的大小 数量 形状 性质以及连通情况 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 第一节 土的物理性质 孔隙率 与孔隙比 定义 孔隙率是土的孔隙体积与土体积之比 或单位体积土中孔隙的体积 以百分数表示 表达式 100 V V n v 定义 孔隙比是土中孔隙体积与土粒体 积之比 以小数表示 表达式 s v V V e 气气 水水 土粒土粒 msmw m VsVw V Va 质量质量m 体积体积V 两者关系 e e n 1 孔隙比e是个重要的物理性指 标 可以用来评价天然土层的 密实程度 一般e1 0的 土是疏松的无压缩性土 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 第一节 土的物理性质 砂土的相对密度 定义式 物理意义 多孔体的密度与无孔状态 下的同成分材料的密度之比 minmax max ee ee D r Dr在工程上常应用于 1 评价砂土地基的允许承载力 2 评价地震区砂体液化 3 评价砂土的强度稳定性 砂土按相对密度分类 疏松的 中密的 密实的 33 00 Dr 66 033 0 Dr 166 0 Dr PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 第一节 土的物理性质 基本物理性质指标间的相互关系 孔隙率与孔隙比 孔隙比与比重和干密度 饱和度与含水量 比重和孔隙比 干密度与湿密度和含水量 n n e 1 w d 1 1 d ws G e e wG e w e w S s w sw s r PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 第二节土的水理性质 粘性土的稠度和塑性 稠度定义 指土体在各种不同的 湿度条件下 受外力作用后所具 有的活动程度 塑性 物体在外力作用下 可被 塑成任何形态 而整体性不破坏 即不产生裂隙 固态或半固态固态或半固态 塑限塑限 P 可塑状态可塑状态 液限液限 L 流动状态流动状态 0 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 稠度状态稠度状态 固态或半固态固态或半固态塑态塑态流流态态 土中水的形态土中水的形态强结合强结合水水弱结合弱结合水水自由自由水水 w 含水量含水量 稠度界限稠度界限 塑塑限 限 p 强结合强结合水水膜最膜最大大 液限 液限 l 出现自由出现自由水水 粘粘性土的性土的稠稠度度反映反映土中水的形态土中水的形态 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 液限和塑限的测定方法 液限 Liquid Limit 锥式 瓦氏 液限仪或碟式 卡式 液限仪 塑限 Plastic Limit 搓条法或液塑限联合测定仪 塑性指数 PLP Iww 反映粘性土可塑性的大小 综合反映粘性土的特性以及各类 重要因素的影响 因此可用于土 的分类及其性质的评估 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 液性指数 P L LP ww I ww 反映粘性土软硬程度 稠度 潮湿程度 原 状 土 重 塑 土 原 状 土 重 塑 土 L 0I 固态或半固态 可塑态 液 态 重塑土和原状土 状态状态 液性指数液性指数 坚硬坚硬硬塑硬塑可塑可塑软塑软塑流塑流塑 IL 00 IL 0 250 25 IL 0 750 75 IL 1IL 1 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 第二节土的水理性质 粘性土的活性指数 定义 mm I A p 002 0 颗粒的含量 根据活性指标的大小 他把粘性土分为 非活性粘土 正常粘土 活性粘土 75 0A 活性粘土的矿物成分以吸水 能力很强的蒙脱石等矿物为 主 而非活性粘土中的矿物 成分 则以高岭石等吸水能 力较差的矿物为主 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 灵敏度 0 q q S u t 原原状土的无状土的无侧限抗压强侧限抗压强度度 重塑土的无重塑土的无侧限抗压强侧限抗压强度度 原原状土状土结构结构性性 粉碎粉碎 重塑重塑 相相同含水量同含水量 密度密度 重塑土重塑土强强度度降低降低 0 3 u q u q 相相同含水量 密度同含水量 密度 中等灵敏 低灵敏 不灵敏 4 2 2 1 1 t t t S S S 流动 很灵敏 灵敏 16 16 8 8 4 t t t S S S 灵敏度高的土 其结构性愈高 受扰动后土的 强度降低就愈多 施工时应特别注意保护基槽 使结构不扰动 避免降低地基强度 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 第二节土的水理性质 触变性 当粘性土结构受扰动时 土的强度降低 但静置一段时间 土的强度又逐渐增长 这种性质称为土的触变性 这是由于土粒 离子和水分子体系随时间而趋于新的平衡 状态之故 土的土的触变触变性是土性是土结构结构中中联联 结结形态形态发生变化引起发生变化引起的 的 是土是土结构随结构随时时间变化间变化的的宏宏 观观表表现现 目前尚没有合理目前尚没有合理的的描述描述土土 触变触变性的性的方方法和指法和指标标 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 lgt 结构强度恢复 结构破坏 结构未破坏 触变性 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 第二节土的水理性质 粘性土的胀缩性 膨胀性 收缩性 粘性土由于含水量的增加 而发生体积增大的性能称 膨胀性 由于土中水分蒸发而引起 体积减少的性能称收缩性 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 胀缩性 1膨胀率ep 100 0 0 0 V VV V V ep 常用线膨胀率 100 0 0 h hh ep 3膨胀含水率 100 s sl sl m m W 4自由膨胀率 100 0 0 V VV F s 一般认为引起土体膨胀的原因主要有 以下几方面 粘粒的水化作用 粘性 表面双电层的形成 扩散层增厚等因 素 其膨胀大致分两个阶段 第一阶段 干粘粒表面吸附单层水分子 晶层间膨胀 或 粒间膨胀 第二阶段 由于双电层的形成 使粘 粒或晶层进一步推开 渗透膨胀 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 收缩性 1体缩率 2线缩率 4收缩系数 作图求解 3缩限 作图求解 100 0 0 V VV es 100 0 0 l ll esl 粘性土的收缩性是由于水分蒸发引 起的 其收缩过程可分为两个阶段 第一阶段 AB 表示了土体积的缩 小与含水率的减小成正比 呈直线 关系 土之减小的体积等于水分散 失的体积 第二阶段 BC 表示了 土体积的缩小与含水率的减少呈曲 线关系 土体积的减少量小于失水 体积 随着含水率的减少 土体积 收缩愈来愈慢 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 粘性土的崩解性 定义 粘性土由于浸水而发生崩解 散体的特性称崩解性 评价粘性土的崩解性一般采用下列三个指标 1 崩解时间 一定体积的土样完全崩解所需的时间 2 崩解特征 土样在崩解过程的各种现象 即出现的 崩解形式 3 崩解速度 土样在崩解过程中质量的损失与原土样 质量之比 和时间的关系 崩解现象的产生是由于土水 化 使颗粒间连接减弱及部 分胶结物溶解而引起的崩解 是表征土的抗水性的指标 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 第三节土的力学性质 力学性质 土的压缩性 土的抗剪性 土的击实性 压缩变形的本质 压缩性指标 抗剪性本质 抗剪强度与剪切定律 击实特性 压实本质 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 土的压缩性 1 压缩本质 土的压缩主要是由于孔隙中的水分 和气体被挤出 土粒相互移动靠拢 致使土的孔隙体积减小而引起的 2 压缩试验与压缩系数 0 6 0 7 0 8 0 9 1 0 0100200 300400 a kP e 压缩系数 压缩曲线 12 21 pp ee tga 在工程实际中 规范常以p1 0 1Mpa p2 0 2Mpa的压缩系数即a1 2作为判断 土的压缩性高低的标准 低压缩性土 a1 2 0 1Mpa 1 中压缩性土 0 1 a1 2 0 5 Mpa 1 高压缩性土 a1 2 0 5 Mpa 1 1 2 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 3 压缩指数 Cc Cc e1 e2 lgp2 lgp1 Cc越大 土的压缩性越高 当Cc 0 2时 属于低压缩性土 当Cc 0 4时属于高压缩性土 压缩系数和压缩指数关系 12 12 lglg pp ppa Cc 4 压缩模量 Es 表达式 Es z z单位 Mpa Es是指在侧限条件下受压时 压应力 z与相应应变 z之 比值 Es越大 表明在同一 压力范围内土的压缩变形越 小 土的压缩性越低 压缩指数Cc与压缩系数a不 同 它在压力较大时为常 数 不随压力变化而变化 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 载荷试验和变形模量 地基变形的三个阶段 1 压密变形阶段 弹性变形 2 剪切变形阶段 塑性变形 3 完全破坏阶段 破坏变形 临界荷载 极限荷载 变形模量E0 z z E0 是指在无侧限条件下受压时 压应力与相应应变 之比值 一般是用载荷试验成果绘制的s p关系曲线 以曲线中的直线变形段 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 土的变形模量与压缩模量的关系 Es u E u 1 2 1 2 0 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 土的抗剪性 土的抗剪性本质 土是由固体颗粒组成的 土粒间的连 结强度远远小于土粒本身的强度 故 在外力作用下 土粒之间发生相对错 动 引起土中的一部分相对于另一部 分产生移动 研究土的强度特征 就 是研究土的抗剪强度特性 简称抗剪性 土的抗剪强度 f 是指土体抵 抗剪切破坏的极限能力 其数 值等于剪切破坏时滑动面上的 剪应力 剪切面 剪切带 土体剪切破坏 是沿某一面发生与剪切方向一致的 相对位移 这个面通常称为剪切面 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 抗剪强度和剪切定律 剪切定律 无粘性土 粘性土 tg f tg f C 库仑定律说明 土的抗剪强度由土的内摩擦力 和内聚力c两部分组成 内摩擦力与剪切面上的法向 压力成正比 其比值为土的内摩擦系数 tg tg 土的抗剪强度指标 土 的内摩擦角和内聚力 直接剪切与三轴剪切 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 土的击实性 压实性 压实 指通过夯打 振动 碾压等 使压实 指通过夯打 振动 碾压等 使 土体变得密实 以提高土的强度 减小土体变得密实 以提高土的强度 减小 土的压缩性和渗透性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压实性 指土在一定压实能量作用下密 度增长的特性度增长的特性 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 揭示击实作用下土的干密度 含水率和击实功三密度 揭示击实作用下土的干密度 含水率和击实功三 者之间的关系和基本规律 者之间的关系和基本规律 击实方法 击实方法 室内击实试验 现场试验 夯打 振动 碾压 土土 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 课堂作业 一 孔隙比和孔隙率的关系 一 孔隙比和孔隙率的关系 二 干密度与湿密度和含水率的关系 二 干密度与湿密度和含水率的关系 三 孔隙比与比重和干密度的关系 三 孔隙比与比重和干密度的关系 四 饱和度与含水率 比重和孔隙比的 四 饱和度与含水率 比重和孔隙比的 关系关系 五 浮密度与比重和孔隙比的关系 五 浮密度与比重和孔隙比的关系 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 题 题1 某一块试样在天 某一块试样在天然状态然状态下下的体积为的体积为60 0cm3 称 称得其得其质量为质量为 108 00g 将 将其其烘干后称烘干后称得得质量为质量为96 43g 根据试验得到根据试验得到的土粒比重的土粒比重 Gs为为2 70 试求试样试求试样的湿密度 干密度 饱和密度 含水的湿密度 干密度 饱和密度 含水率率 孔隙比 孔隙比 孔隙 孔隙率率和饱和度 和饱和度 题 题1 某一块试样在天然状态下的体积为 某一块试样在天然状态下的体积为60 0cm3 称得其质量为 称得其质量为 108 00g 将其烘干后称得质量为 将其烘干后称得质量为96 43g 根据试验得到的土粒比重 根据试验得到的土粒比重 Gs为为2 70 试求试样的湿密度 干密度 饱和密度 含水率 孔隙比 试求试样的湿密度 干密度 饱和密度 含水率 孔隙比 孔隙率和饱和度 孔隙率和饱和度 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 n对天然形成的土来说其成份 结构和性质千变 万化 其工程性质也千差万别 为了能大致判 别土的工程特性和评价土作为地基或建筑材料 的适宜性 有必要对土进行科学的分类 分类 体系的