1 土的物理性质和工程分类ppt课件.ppt

1、土力学 第一章,第一章 土的物理性质和工程分类,土力学 第一章,第一章 土的物理性质和工程分类,1,2,3,4,5,土的形成,土的三相组成,土的工程分类,土的物理性质指标,土的物理状态指标,土力学 第一章,1,土的形成,第一章 土的物理性质和工程分类,土力学 第一章,土是指：地球表面的完整岩石在大气中经受长期的风化、 剥蚀、搬运、沉积而形成的由固体矿物颗粒、水、气体 三种成分组成的集合体。,1.1 土的形成,岩石,松散堆积物,风化、剥蚀 搬运、沉积,地质成岩作用,土力学 第一章,1.1 土的形成,土力学 第一章,1.1 土的形成,土力学 第一章,物理风化 化学风化 生物活动,岩石和土的粗颗粒受

2、各种气候等物理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 是颗粒大小发生量的变化 矿物成分与母岩相同，称原生矿物 产生无粘性土,1.1 土的形成,土力学 第一章,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 颗粒成分发生质的变化 矿物成分与母岩不同，称次生矿物 形成十分细微的土颗粒，最主要为粘性颗粒及可溶盐类,物理风化 化学风化 生物活动,1.1 土的形成,土力学 第一章,包括植物、动物和土壤微生物的作用 可加剧物理和化学风化 构成土中有机质和营养物质的生物循环 导致腐殖质的形成，改变土壤的结构,物理风化 化学风化 生物活动,1.1 土的形成,土

3、力学 第一章,搬运与沉积,残积土 无搬运,沉积土 有搬运,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,1.1 土的形成,土力学 第一章,土的形成,变形特性 强度特性 渗透特性,土的三相组成 土的物理状态 土的结构,土的工程分类,决 定,影响,便于研究和应用,形成过程 形成条件,物理力学性质,影响,固相（固体颗粒) 液相（土中水） 气相（土中气）,1.1 土的形成,土力学 第一章,2,土的三相组成,第一章 土的物理性质和工程分类,土力学 第一章,气相,固相,液相,+,+,构成土骨架，起决定作用,重要影

4、响,次要作用,1.2 土的三相组成,土力学 第一章,1) 土粒的成分,原生矿物,次生矿物,在物理风化作用下，土粒保持与成土原岩相同的矿物成分。,如：石英、长石、云母颗粒,在化学风化作用下，由于改变了成土原岩原来的矿物成分，形成了新矿物。主要是粘土矿物。,如：蒙脱石、伊利石、高岭石,1.2 土的三相组成,土力学 第一章,石英,云母,长石,1.2 土的三相组成,土力学 第一章,蒙脱石,伊利石,高岭石,比表面积,亲水性,800,80,15,大,中,小,1.2 土的三相组成,土力学 第一章,2) 颗粒级配,各粒组的质量分数:各粒组的质量占全部土粒总质量的百分比,即土中各粒组的相对含量。,粒径 土粒的大

5、小 粒组 按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类 界限粒径 划分粒组的分界尺寸,1.2 土的三相组成,土力学 第一章,mm,卵石,圆砾,砂粒,粉粒,粘粒,20,2,0.005,0.25,0.5,5,10,粗,中,细,粗,中,细,0.075,200,块石,0.1,极细,细,粗,0.01,碎石,漂石,角砾,土粒粒组的划分（GBJ145-90),1.2 土的三相组成,土力学 第一章,粗砂,粘 土,卵石,碎 石,1.2 土的三相组成,土力学 第一章,确定方法 颗粒分析试验 筛分法：适用于粗粒土 (0.075 mm) 水分法：适用于细粒土 (0.075 mm),表述方法 颗粒级配曲线：根据颗粒分析结果求出

6、各粒组的含量占全部土粒重量的百分比，然后按小颗粒至大颗粒计算累积百分含量，用半对数坐标绘制成颗粒级配累积曲线。,1.2 土的三相组成,土力学 第一章,标准筛,1.2 土的三相组成,土力学 第一章,10 5.0 2.0 1.0 0.5 0.25 0.1,200g,10g 16g 18g 24g 22g 38g 72g,P % 95 87 78 66 55 36,累积质量百分数,1.2 土的三相组成,土力学 第一章,粒径(mm),1.2 土的三相组成,土力学 第一章,d60,d10,d30,特征粒径: d60 : 限定粒径 d10 : 有效粒径 d30 :中值粒径,不均匀程度： Cu = d60

7、/ d10,Cu 5,颗粒大小不均匀,1.2 土的三相组成,土力学 第一章,斜率: 某粒径范围内颗粒的含量 陡相应粒径集中 缓-相应粒径多 平台-相应粒组缺乏,连续程度: Cc = d302 / (d60 d10 ) 曲率系数,C c = 1 3 级配连续性好,1.2 土的三相组成,d60,d10,d30,土力学 第一章,颗粒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；,3）不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度： Cu 5，不均匀土； Cu 5, 均匀土。,4）曲率系数Cc用于判定土的连续程度： C c = 1 3，级配连续土； Cc 3 或 Cc 1，级配不连续土。,5）不均匀

8、系数Cu和曲率系数Cc用于判定土的级配优劣： 如果 Cu 5且 C c = 1 3 ， 级配 良好的土； 如果 Cu 3 或 Cc 1，级配 不良的土。,2）颗粒分布情况用于大致判定土的均匀程度： 曲线平缓，粒组分布范围广，土颗粒不均匀； 曲线较陡，粒组分布较集中，土颗粒均匀。,1.2 土的三相组成,土力学 第一章,例图1.1 颗粒级配累积曲线,【例题1.1】 如例图1.1所示A、B、C为三种用不同粒径曲线所代表的土。不均匀系数Cu及曲率系数Cc各为多少?并对各曲线所反映的土的级配特性进行分析。,1.2 土的三相组成,土力学 第一章,【解】,按曲线A得知 d60 =0.165 d10 =0.1

9、0 d30 =0.15,虽然Cc在13之间，但从曲线看其坡度陡， Cu5，故为级配不良的土。,1.2 土的三相组成,土力学 第一章,从曲线看其坡度较缓，Cu及Cc都满足条件， 故属级配良好的土。,2) 按曲线B得知 d60 =0.115 d10 =0.018 d30 =0.05,1.2 土的三相组成,土力学 第一章,从曲线上看，曲线呈台阶状，级配不连续，缺乏中间粒径，虽然Cu5，但Cc不在13之间，因此不能同时满足两个条件，属级配不良的土。,3) 按曲线C得知 d60 =2.8 d10 =0.165 d30 =0.25,1.2 土的三相组成,土力学 第一章,结晶水 矿物内部的水 结合水 吸附在

10、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,土中水的存在形态,天然土体中常含有一定数量呈液态、固态或气态的水。一般土需研究液态水，冻土还需研究固态水的含量。土中气态水，对土的性质影响不大，通常不作重点研究。,3) 土中水,1.2 土的三相组成,土力学 第一章,土中水的分类,结合水,自由水,强结合水(强束缚水或吸着水) 紧附于矿物颗粒表面。,重力水 重力水可以在土孔隙中自由流动,毛细水 受到水和空气交界面处表面压力的作用，存在于地下水位以上的透水层中自由水,弱结合水 是在强结合水外围形成的一层结合水膜。,1.2 土的三相组成,土力学 第一章,结合水,排列致密

11、、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,1.2 土的三相组成,土力学 第一章,毛细水：由于土体孔隙的毛细作用升至自由水面以上的水。毛细水承受表面张力和重力的作用 重力水：自由水面以下的孔隙自由水，在重力作用下可在土中自由流动,自由水：不受颗粒电场引力作用的孔隙水,hc,毛细水,重力水,1.2 土的三相组成,土力学 第一章,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,

12、毛细升高与孔径成反比,分析对象: 水柱,毛细水上升的高度取决于土的孔隙、有效粒径、土孔隙中吸附的空气和水的性质等,1.2 土的三相组成,土力学 第一章,自由气体：与大气连通，对土的性质影响不大 在粗粒土中常可见与大气相连通的空气，在受力时，气体能很快从孔隙中逸出，一般不影响土的性质。 封闭气体：增加土的弹性；阻塞渗流通道 在细粒土中，常存在与大气不相连通的封闭气泡，在土体受压时，气体体积缩小，卸荷后体积又恢复，这使土的弹性变形增大而透水性减小。,土中气（气相）,1.2 土的三相组成,土力学 第一章,土有三个组成部分：固相、液相和气相,固体颗粒 土中水 土中气体,粒径级配 矿物成分 颗粒形状,结

13、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,1.2 土的三相组成,土力学 第一章,3,土的 物理性质指标,第一章 土的物理性质和工程分类,土力学 第一章,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,基本方法:,三相草图法,1.3 土的物理性质指标,土力学 第一章,三相草图,质量,体积,为了研究土粒、水和空气这三相在数量上的相互关系，我们设想把土体的各相分别集中在一起，用三相图来直观地表示三相物质在体积和质量上的相对关系 。,1.3 土的物理性质指标,土力学 第一章,三相草图,共有九个参数: V V

14、v Vs Va Vw ms mw ma m,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,实验室测定,其它指标,1.3 土的物理性质指标,土力学 第一章,定义：土单位体积的质量 表达式： 单 位: kg/m3 或 g/cm3 一般范围: 1.602.20 g/cm3,土的密度,1.3 土的物理性质指标,土力学 第一章,定义：土粒的密度与4C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 2.702.75， 砂土 2.65,土粒比重Gs,=1.0 g/cm3,土粒比重在数值上等于土粒的密度,1.3 土的物理性质指标,土力学 第一章,定义：土中水的质量与土

15、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,土的含水量W,1.3 土的物理性质指标,土力学 第一章,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,1.3 土的物理性质指标,土力学 第一章,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：,1.3 土的物理性质指

16、标,土力学 第一章,为计算方便，可采用简单的填图法。,三相草图,指标间的换算关系,1.3 土的物理性质指标,土力学 第一章,将e移至等式左端,则有,1.3 土的物理性质指标,土力学 第一章,1.3 土的物理性质指标,土力学 第一章,某一取自地下水位下的饱和试样，用环刀法测定其容重。环 刀的体积为50cm3，环刀重为80g，环刀加土重为172.5g， 该土的土粒比重为2.7，试计算该土样的天然容重、饱和容 重、干容重和孔隙比。,位于地下水位下,土样体积V,土重m,环刀体积,环刀加土重 环刀重,解题思路,1.3 土的物理性质指标,土力学 第一章,已知土粒比重为2.68，土的密度为1.91g/cm3

17、， 含水率为29%，求土的干密度、孔隙比、孔隙率和饱和度。,已知,解题思路,求解,1.3 土的物理性质指标,土力学 第一章,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、土粒相对密度、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 表示土中密度和重度的指标,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

18、质指标的简单而有效的方法,1.3 土的物理性质指标,土力学 第一章,4,土的 物理状态指标,第一章 土的物理性质和工程分类,土力学 第一章,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,对策,1) 按天然孔隙比 e 确定,emin = 0.35,emin = 0.20,无粘性土的密实度,2) 按相对密实度Dr确定,1.4 土的物理状态指标,土力学 第一章,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

19、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,注意：室内测得理论上的最大与最小孔隙比有时很困难,相对密实度,1.4 土的物理状态指标,土力学 第一章,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 Dr 1/3 松散状态 1/3 2/3 密实状态,相对密实度,1.4 土的物理状态指标,土力学 第一章,3) 按国标地基规范推荐的方法确定,砂土:,标准贯入试验的锤击数N (见P15表1.4),碎石土:,重型圆锥动力触探试验的锤击数 N63.5(见P19表1.11),1.4 土的物理状态指标,土,土力学 第

20、一章,塑限 wp,液限wL,界限含水量,固态或半固态,可塑态,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 土的物理状态指标,粘性土的稠度和可塑性,土力学 第一章,粘性土的界限含水量,1) 液限 定义：土呈流动状态的最低含水量称为液限，液限即为流动状态与可塑状态 的界限含水量，也是可塑状态的上限含水量。用符号wL表示。 测定方法：液限可采用碟式液限仪或锥式液限仪测定。,2) 塑限 定义：土呈可塑状态的最低含水量为土的塑限，它既是可塑状态与半固态的界限含水量，也是半固态的上限含水量。用符号wp表示。 测定方法：在国内常用搓条法测定塑限。

21、,3) 缩限 定义：土的缩限是指粘性土随含水量的减少，体积开始不变时的含水量，即半固态与固态的界限含水量，用符号ws表示。,1.4 土的物理状态指标,土力学 第一章,粘性土的可塑性及其指标,当土在一定条件下，因受外力作用被塑造或搓揉成任意形状而不产生 裂缝，且当外力移去后，仍能保持既得形状的性能，称为土的可塑性。,塑性指数,地基规范规定用塑性指数作为粘性土划分的标准。,塑性指数表示粘性土呈可塑状态时含水量的变化范围。,1.4 土的物理状态指标,土力学 第一章,相对稠度,对于不同的粘土，含水量相同，稠度可能不同,液性指数,不同的粘土，wp、wL 大小不同,定义：,wP,w,wL,IL1,坚硬状态

22、 可塑状态 流 态,0.00 0.25 0.25 0.75 0.75 1.00,硬塑 可塑 软塑,液性指数,w,1.4 土的物理状态指标,土力学 第一章,粘性土的灵敏度St,定义:,原状土无侧限抗压强度与重塑土无侧限抗压强度之比。,分类:,低灵敏度土 0 4,表达式:,- 原状土的无侧限抗压强度;,- 扰动土的无侧限抗压强度。,1.4 土的物理状态指标,土力学 第一章,5,土的 工程分类,第一章 土的物理性质和工程分类,土力学 第一章,目的：,建筑地基基础设计规范-GB50007-2002 分类法,便于研究及应用,定义：,根据对土(岩)的工程性质最有影响的基本特征指标，把工程性质接近的土划分为一类并定以相应的名称。,1.5 土的工程分类,土力学 第一章,1.5 土的工程分类,土力学