土的物理性质及分类

土的物理性质,第一章,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:理清各节间联系各节内层次,1土的物理性质,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,1土的物理性质,1.1土的形成1.2土的三相组成1.3土的土的结构1.4土的物理性质指标和物理状态指标,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,1土的物性,形成过程形成条件,物理力学性质,风化,影响,生物风化,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,1土的物性,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,岩石和土的性质与其生成的地质年代有关，一般生成年代越久，则上覆土层越厚，土被压得越密实，土粒间联结越强，土的强度越高，土的压缩性越小，土质好。新近堆积的土，土层薄，土质松软，土的强度低，土的压缩性大，土质差。,1土的物性,1.1土的形成,现今常见的土绝大多数生成的地质年代为第四纪（符号为Q），约百年万年历史，见表1-1所示。通常把Q3及其以前时期堆积的土层称为老堆积土；把Q4时期内文化期（有人类文化的时期）以前堆积的称为一般堆积土；把文化期以后堆积的称为新近堆积土。,1.1土的形成,1土的物性,表1-1第四纪地质年代,1.1土的形成,1土的物性,二.搬运与沉积,残积土无搬运,运积土有搬运,土质较好,1土的物性,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,1.1土的形成,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,2.搬运与沉积,运积土有搬运,风：风积土,1土的物性,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,1.1土的形成,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土的物理性质,1.1土的形成1.2土的三相组成1.3土的物理状态1.4土的工程分类,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,1土的物性,次要作用,一.固体颗粒,物理状态力学特性,粒径级配,1土的物性,1.2土的三相组成,矿物成分,颗粒形状,1.粒径级配,一.固体颗粒,1土的物性,1.2土的三相组成,颗粒大小,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界限粒径,一.固体颗粒,1土的物性,1.2土的三相组成,粒径级配,确定方法筛分法：适用于粗粒土(0.075mm)水分法：适用于细粒土(0.075mm),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,1土的物性,一.固体颗粒,1.2土的三相组成,一.固体颗粒,1土的物性,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),1.2土的三相组成,P%958778665536,土的粒径级配累积曲线,水分法,一.固体颗粒,1土的物性,1.2土的三相组成,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,级配不均匀,粗细程度：用d50表示,一.固体颗粒,1土的物性,1.2土的三相组成,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,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,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,1土的物性,1.2土的三相组成,二.土中水,1土的物性,1.2土的三相组成,二.土中水,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,1土的物性,1.2土的三相组成,二.土中水,对砂土强度的影响:毛细边角水,假凝聚力,假定=0,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,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土的物性,1.2土的三相组成,土有三个组成部分：固相、液相和气相,小结,1.固体颗粒,2.土中水,3.土中气体,粒径级配矿物成分颗粒形状,结合水(强结合水、弱结合水)自由水(重力水、毛细水),自由气体封闭气体,1土的物性,1.2土的三相组成,1土的物理性质,1.1土的形成1.2土的三相组成1.3土的结构1.4土的物理性质指标和物理状态指标,土颗粒或粒团的空间排列和相互联结,1.3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,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。,2.粘性土的触变性,1土的物性,1.3土的结构,小结,1土的物性,1.3土的结构,土颗粒或粒团的空间排列和相互联结,土粒间的作用力,粘性土的结构性指标,土的结构,粗粒土的结构,细粒土的结构,1.4土的物理指标,土的物理状态粗粒土的松密程度粘性土的软硬状态,1土的物理性质,土的物理性质指标(三相间的比例关系),力学特性,影响,表示,1.4土的物理指标,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土的物性,密实程度干湿程度,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,1.4土的物理指标,1.三相草图,1土的物性,一.物理性质指标,质量,体积,1.4土的物理指标,三相草图,1土的物性,一.物理性质指标,已知关系五个:,共有九个参数:VVvVsVaV/msmmam,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,1.4土的物理指标,1土的物性,一.物理性质指标,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: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:,三相草图有助于直观理解物性指标的概念,1.4土的物理指标,1土的物性,一.物理性质指标,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:,1.4土的物理指标,1土的物性,一.物理性质指标,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,注意:其实是含水比,可达到或超过100,表达式:,1.4土的物理指标,一.物理性质指标,表示土中孔隙含量的指标,孔隙比,孔隙率(孔隙度),1土的物性,.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：28-35%粘性土：30-50%有的可达60-70%,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,1.4土的物理指标,一.物理性质指标,表示土中含水程度的指标,1土的物性,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,1.4土的物理指标,1土的物性,一.物理性质指标,表示土中密度和容重的指标,天然密度,干密度,饱和密度,天然容重,干容重,浮容重,浮密度,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:,1.4土的物理指标,各种密度容重之间的大小关系：,1土的物性,一.物理性质指标,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土的物理指标,1土的物性,一.物理性质指标,常用的物理性质指标间的换算关系,教科书P25表1-9,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,1.4土的物理指标,1土的物性,一.物理性质指标,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,密实程度干湿程度,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中密度和容重的指标,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,1.4土的物理指标,1土的物性,二.土的物理状态指标,1.4土的物理指标,土的物理状态粗粒土的松密程度粘性土的软硬状态,土的物理性质指标(三相间的比例关系),力学特性,影响,表示,二.物理状态指标,emax与emin：最大与最小孔隙比,1.粗粒土的密实状态,1土的物性,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,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,孔隙比e或孔隙率n,emin=0.35,emin=0.20,1.4土的物理指标,表1-10按孔隙比e划分砂土密实度表,1土的物性,1.4土的物理指标,二.物理状态指标,1土的物性,二.物理状态指标,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(T0123-93),注意：室内测得理论上的最大与最小孔隙比有时很困难,1.4土的物理指标,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,1土的物性,二.物理状态指标,相对密度,1.4土的物理指标,1土的物性,二.物理状态指标,标准贯入试验中的锤击数N,标准贯入试验标准贯入试验是在现场进行的一种原位测试：用卷扬机将质量为63.5kg的钢锤，提升76cm高度，让钢锤自由下落，打击贯入器，使贯入器贯入土中深为30cm所需的锤击数，记为N63.5(简化为N)来鉴定该土层的密实程度。,判别标准：N10,松散状态1030,密实状态,1.4土的物理指标,标准贯入试验（StandardPenetrationTest）,标准贯入数N63.5,锤重：63.5kg,落距：760mm,打入深度：300mm,1.4土的物理指标,二.物理状态指标,1土的物性,2.粘性土的软硬状态,1土的物性,二.物理状态指标,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,1.4土的物理指标,塑限p,液限l,1土的物性,二.物理状态指标,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,1.4土的物理指标,图1-19碟式液限仪,图1.20平衡锥式液限仪,1土的物性,1.4土的物理指标,二.物理状态指标,液限l测定方法：碟式液限仪（欧美等国使用）平衡锥式液限仪（我国使用）,锥76g，锥角300，取刚好能坠入规定深度的含水量,表1-13平衡锥式液限仪测液限各个规范规定的沉入深度值,公路(JTGE40-2007)还规定：当锥100g，锥角300，取锥入深度20mm含水量,1土的物性,1.4土