土的物理性质及工程分类.ppt

第2章土的物理性质及工程分类 本章提要本章特点学习要点 对土的特点进行详细解释对土的组成和和状态进行定量描述内容琐碎 零散理清各节间联系理清各节内层次注意物理概念的把握 土的形成过程 土的三相组成土的物理状态土的结构 土的工程分类 便于研究和应用土的压实性 如何获得较好的土 渗透特性变形特性强度特性 第2章土的物理性质及工程分类 2 1土的生成与特性 2 2土的三相组成 2 3土的物理性质指标 2 4土的物理状态指标 2 5土的压实原理 2 6土的工程分类 2 1土的生成与特性 2 1 1土的生成 2 1 2土的结构 2 1 3土的构造 2 1 4黏性土的灵敏性和触变性 2 1 5土的工程特性 2 1 6土的生成与工程特性的关系 风化 搬运 沉积 土的组成 结构和物理力学性质 土 岩石 地质成岩作用 过程 条件 2 1 1土的生成 2 1 1土的生成 物理风化 化学风化 生物风化 原生矿物 次生矿物 有机质 无粘性土 粘性土 单粒结构 粗粒土的结构 粒间作用力 排列形式 矿物成分 重力 毛细力 点与点 点与面 原生矿物 示意图 2 1 2土的结构 2 1 2土的结构 蜂窝结构 细砂 粉粒土的结构 粒间作用力 排列形式 矿物成分 重力 表面力 蜂窝状 主要是原生矿物 絮状结构 2 1 2土的结构 细粒土的结构 示意图 形成环境 淡水中沉积 海水中沉积 粒间作用力 表面力 胶结力 粒间斥力占优势 表面力 胶结力 斥力减小引力增加 排列形式 面与面 边 角与面边 角与边 矿物成分 次生矿物 次生矿物 2 1 3土的构造 在同一土层中的物质成分和颗粒大小等都相近的各部分之间的相互关系的特征成为土的构造 土的构造常见的类型有以下几种 2 1 3土的构造 层状构造 土层由不同颜色 不同粒径的土组成层理 平原地区的层理通常为水平方向 2 1 3土的构造 分散构造 土层中土粒分布均匀 性质相近 如沙 卵石层为分散构造 2 1 3土的构造 结核状构造 在细粒土中混有粗颗粒或各种结核 如含礓石的粉质粘土 含砾石的冰碛粘土等 裂隙构造 土体中有很多不连续的小裂隙 某些硬塑或坚硬状态的粘土为此种构造 2 1 3土的构造 2 1 4黏性土的灵敏度和触变性 灵敏度 灵敏度是以原状土的强度与同一土经重塑 指在含水量不变条件下使土的结构彻底破坏 后的强度之比来表示的 原状试样的无侧限抗压强度 kPa 重塑试样的无侧限抗压强度 kPa 土的灵敏度越高 其结构性愈强 受扰动后土的强度降低就愈多 2 1 4黏性土的灵敏度和触变性 饱和黏性土的结构受到扰动 导致强度降低 但当扰动停止后 土的强度又随时间而逐渐增大 黏土的这种抗剪强度随时间恢复的胶体化学性质称为土的触变性 2 1 5土的工程特性 压缩性大 透水性大 强度低 反映压缩性高低的指标如弹性模量E 土称变形模量 随材料性质的不同而有极大的差别 无黏性土的强度主要来源于土粒表面滑动的摩擦和颗粒间的咬合摩擦 黏性土的强度除了摩擦力外 还有黏聚力 由于土体中固体矿物颗粒之间具有许多透水性的孔隙 因此土的透水性较木材 混凝土都大 尤其是粗颗粒的卵石和砂土 其透水性更大 2 1 6土的生成与工程特性的关系 搬运 沉积条件 沉积的自然地理环境 沉积年代 通常流水般运沉积的土优于风力搬运沉积的土 通常沉积年代越长 土的工程性质越好 例如 第四纪晚更新世Q3及其以前沉积的黏性土 称老黏性土 这种土密度大 强度高 压缩性低 为良好的天然地基 不同的自然地理环境形成的土的工程性质差异很大 2 2土的三相组成 2 2 1土的固体颗粒 2 2 2土的液相 2 2 3土的气相 土体 固相 液相 气相 构成土骨架 起决定作用 重要影响 次要作用 2 2土的三相组成 2 2 1土的固体颗粒 矿物成分 原生矿物 次生矿物 腐殖质 石英 长石 云母等 主要是粘土矿物 包括三种类型 高岭石 伊利石 蒙脱石 主要是一些腐烂的有机物 2 2 1土的固体颗粒 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 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 2 2 1土的固体颗粒 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 2 2 1土的固体颗粒 105 02 01 00 50 250 1 200g 10161824223872 P 958778665536 水分法 2 2 1土的固体颗粒 特征粒径 d60 限制粒径d10 有效粒径d30 平均粒径 不均匀程度 Cu d60 d10 连续程度 Cs d302 d60 d10 曲率系数 Cu 5 不均匀 2 2 1土的固体颗粒 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 Cs d302 d60 d10 曲率系数 Cs 1 3 级配连续性好 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 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Cs3或Cs 1 级配不良的土 2 2 1土的固体颗粒 2 2 2土的液相 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 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 2 2 2土的液相 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 2 2 2土的液相 2 2 3土的气相 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 2 3土的物理性质指标 2 3 1试验指标 2 3 2换算指标 2 3 3三相指标之间的换算关系 土的三个组成相的体积和质量上的比例关系 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 联系与区别基本方法 三相草图法 物理性质指标 三相草图 three phasesoilmodels 物理量关系 三个独立变量 干土或饱和土二个独立变量 实验室测定 其它指标 三相草图法计算 三相草图 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 土的密度试验土粒比重试验土的含水量试验 2 3 1试验指标 2 3 1试验指标 土的密度 定义 土单位体积的质量表达式 单位 kg m3或g cm3一般范围 1 60 2 20g cm3 相关指标 土的容重 g单位 kN m3 工程上更常用 用于计算土的自重应力 2 3 1试验指标 土粒比重Gs 定义 土粒的密度与4 C时纯蒸馏水密度的比值表达式 单位 无量纲一般范围 粘性土2 70 2 75 砂土2 65 1 0g cm3 土粒比重在数值上等于土粒的密度 水 固体 mw ms m 质量 Vs 体积 2 3 1试验指标 土的含水量 定义 土中水的质量与土粒质量之比 用百分数表示表达式 单位 无量纲一般范围 变化范围大 注意 其实是含水比 可达到或超过100 2 3 2换算指标 可表示同一种土的松密 二者之间存在关系 砂类土 28 35 粘性土 30 50 有的可达60 70 孔隙比 voidratio e 土中孔隙体积与固体颗粒体积之比 为无量纲 孔隙率 孔隙度 n 土中孔隙体积与总体积之比 用百分数表示 可用三相草图推出 2 3 2换算指标 对干土 Sr 0对饱和土 Sr 1 含水量 饱和度 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 2 3 2换算指标 浮容重 静水下的有效容重 浮密度 天然密度天然容重 干密度 土被烘干时的密度 干容重 饱和密度 土被饱和时的密度 饱和容重 2 3 3三项指标之间的换算关系 天然密度干密度饱和密度 天然容重干容重饱和容重浮容重 2 4土的物理状态指标 2 4 1黏性土的状态与界限含水量 2 4 2砂土的密实度 2 4 1黏性土的状态与界限含水量 固态或半固态 塑态 流态 强结合水 弱结合水 自由水 1 稠度状态与界限含水量 稠度界限 塑限 p 液限 l 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 2 4 1黏性土的状态与界限含水量 2 粘性土的可塑性及指标 2 4 1黏性土的状态与界限含水量 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 1 液性指数 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 wp w wl 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 2 4 1黏性土的状态与界限含水量 2 塑性指数 吸附结合水的能力 粘性大小 大致反映粘土颗粒含量 常作为细粒土工程分类的依据 2 4 2砂土的密实度 emax与emin 最大与最小孔隙比 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 2 4 2砂土的密实度 emax与emin 最大与最小孔隙比 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 2 4 2砂土的密实度 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 3 标准贯入锤击数N 砂土 碎石土 2 4 2砂土的密实度 2 5土的压实原理 2 5 1击实曲线的特性及含水量的影响2 5 2击实功能对压实特性的影响2 5 3土类对压实性能的影响 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 土的压实性 干密度 2 5 1击实曲线的特性及含水量的影响 具有峰值最大干密度 dmax最优含水量Wop 位于饱和曲线之下 粘性土透水性小 击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 压实机理颗粒破碎 细粒土较少 粒间联结力被破坏 颗粒间孔隙被压缩土粒定向排列 压实与含水量 含水量 Wop 颗粒表面水膜很薄 相对移动困难含水量 Wop 水膜润滑作用效果最佳 孔隙气尚没有形成封闭气泡 易排出含水量 Wop 水膜润滑作用不再明显增加 封闭气泡难以排出 水的相对含量增加 2 5 1击实曲线的特性及含水量的影响 2 5 2击实功能对压实特性的影响 对于同一种土 最优含水量和最大干密度并不恒定 而随压密功能变化 压实功能愈大 最优含水量愈小 相应的最大干密度愈高超过最优含水量后 压实功能的影响随含水量的增加逐渐减小 击实曲线均靠近于饱和曲线 2 5 3土类对压实功能的影响 土类的不同对于压实功能的影响较大 对于无黏性土 含水量对压实性的影响没有像黏性土那样敏感 其击实曲线与黏性土是不同的 在含水量较大得到较高的干密度 2 6土的工程分类 2 6 1土的工程分类原则2 6 2土的工程分类方法 2 6 1土的工程分类原则 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 依据 最能反映土的物理力学性质的指标要求 要有一定的逻辑性 系统性 纲目分明 简单易记 便于运用 土的组成土的状态土的结构 2 6 2土的工程分类方法 岩石碎石土砂土粉土黏性土特殊土 土 岩石 按成因分为岩浆岩 沉积岩和变质岩 根据坚固性即未风化岩石的饱和单轴极限抗压强度q分为硬质岩石和软质岩石 根据风化程度分为微风化 中等风化和强风化 按软化系数分为软化岩石和不软化岩石 土 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 名称颗粒形状粒组含量 碎石土 2 6 2土的工程分类方法 岩石碎石土砂土粉土黏性土特殊土 土 砂土 2 6 2土的工程分类方法 土的名称粒组含量 粒径大于2mm的颗粒