土力学课件：第1章 土的物理性质及分类

1、第一章第一章 土的物理性质及分类土的物理性质及分类 概概 述述土的组成土的组成 土的三相比例指标土的三相比例指标土的土的状态状态 地基土（岩）的分类地基土（岩）的分类土是由固相，液相，气相组成的三相分散系。 气相主要是空气，水蒸气，有时还有沼气等。 固相多种矿物颗粒，构成土的骨架，骨架间的孔隙为液相和气相填满，孔隙相互连通使土成为多孔介质。 液相主要是水(溶解有少量的可溶盐类)。土中气体土中气体（气相）（气相）土中气体土中气体（气相）（气相）土中气体土中气体（气相）（气相）第一章第一章 土的物理性质及分类土的物理性质及分类 第一章第一章 土的物理性质及分类土的物理性质及分类第二节第二节 土的组

2、成土的组成 一：土的固相矿物成分一：土的固相矿物成分土粒的矿物组成取决于成土母岩的矿物组成及其后的风化作用。成土矿物可分为三类土的矿物成分1.原生矿物2.次生矿物.3.有机质1.定义 原生矿物是指保留着受风化作用前存在于母岩中的矿物成分。2.常见矿物：石英，长石和云母和角闪石等。颗粒特征：一般较粗，次圆、块状、板状。卵砾石多原生矿物组成。性质较稳定，无塑性。工程性质决定于颗粒大小。1.原生矿物原生矿物第一章第一章 土的物理性质及分类土的物理性质及分类第二节第二节 土的组成土的组成 可溶性次生矿物：指各种矿物中化学性质活泼的K、Na、Ca、Mg及Cl、S等元素(盐芒、硝 、石膏、方解石). 两种

3、状态：1.溶解于孔隙水中，离子状态。可发生离子交换。2.蒸发沉淀，在颗粒间形成胶结物。2.次生矿物次生矿物1.定义：经化学风化作用，使原生矿物进一步分解，形成一种更细的新的矿物 。2.成分：各种可溶盐和不可溶的粘土矿物、倍半氧化物。3.颗粒特征：极细，多呈片状。4.工程特性：性质活泼，有较强的吸附水能力，具塑性。第一章第一章 土的物理性质及分类土的物理性质及分类第二节第二节 土的组成土的组成 不可溶性次生矿物不可溶性的次生矿物有次生二氧化硅、倍半氧化物、粘土矿物粘土矿物对土的性质影响最大，它是原生矿物长石及云母等硅酸盐类矿物经化学风化形成结构特征是：具有片状或链状结晶格架，颗粒细小，颗粒表面会

4、带电。工程特性是：遇水膨胀和失水收缩性质强烈，颗粒细小，强度低，压缩变形强烈第一章第一章 土的物理性质及分类土的物理性质及分类第二节第二节 土的组成土的组成 第一章第一章 土的物理性质及分类土的物理性质及分类第二节第二节 土的组成土的组成 二：土的固相的颗粒组成二：土的固相的颗粒组成 土的颗粒组成是以粒组为单位进行研究，工程上把工程地质性质相近的一定尺寸的土粒划分为一组，并给予常用的名称，这种组别就称为粒组。 粒组划分原则：（1）在一个粒组范围内，粒径的变化不应引起 土性质 的根本变化 。（2）必须与现有的粒度分析技术水平相适应。（3）粒组界限值应力争服从一个简单的 数学规律，以便记忆和应用。

5、 第二节第二节 土的组成土的组成 粒组统粒组统称称粒组名称粒组名称粒径粒径d d范围（范围（mmmm） 分析分析方法方法 主主 要要 特特 征征巨巨 粒粒漂石（块石）粒漂石（块石）粒 d200 d200 直接直接测定测定 透水性很大，压缩性极小，颗透水性很大，压缩性极小，颗粒间无粘结，无毛细性。粒间无粘结，无毛细性。卵石（碎石）粒卵石（碎石）粒 60d200 60d200 粗粒粗粒砾砾粒粒 粗砾粗砾 20d60 20d60 筛筛分分法法 透水性大，压缩性小，无粘性，透水性大，压缩性小，无粘性，有一定毛细性。有一定毛细性。细砾细砾2d202d20砂砂粒粒 粗砂粗砂0.5d2 0.5d2 中砂中砂

6、 0.25d0.5 0.25d0.5 细砂细砂0.075d0.25 0.075d0.25 细粒细粒粉粒粉粒 0.005d0.075 0.005d0.075 静水静水沉降沉降原理原理 透水性小，压缩性中等，毛细透水性小，压缩性中等，毛细上升高度大，微粘性。上升高度大，微粘性。粘粒粘粒 d0.005 d0.005 透水性极弱，压缩性变化大，透水性极弱，压缩性变化大，具粘性和可塑性。具粘性和可塑性。土粒粒组的划分土粒粒组的划分第二节第二节 土的组成土的组成 2.2.颗粒级配颗粒级配测定方法测定方法0.075mm的颗粒。分法（静水沉降法）：分法（静水沉降法）：0.075mm的细颗粒。将土粒制备成悬液，

7、依据大颗粒沉降快，细颗粒沉降慢（斯托克斯定律），通过测定不同时刻悬液一些特征，计算出最大粒径和小于该粒径土质量半分含量。具体方法包括移液管法、虹吸法和密度计法，目前相关规程中推荐密度计法。第二节第二节 土的组成土的组成 水分法水分法2.颗粒级配颗粒级配测定方法测定方法第二节第二节 土的组成土的组成 土的颗粒级配土中各粒组的相对百分含量，通常用各粒组占土粒总质量（干土质量）的百分数表示，也称为土的粒度成分。粒径范围d2010d 202d 100.5d 20.25d 0.50.075d 0.5d 0.075粒组百分含量%26.7827.618.421.116.2粒径范围d 20d 10d 2d 0

8、.5 d 0.25d 0.075小于某粒径半分含量9891.383.355.737.316.2 颗粒大小分布曲线 第二节第二节 土的组成土的组成 筛分法成果应用筛分法成果应用( (二二) ) 判定粗粒土级配特征判定粗粒土级配特征 反映级配曲线的两个特征量 不均匀系数Cu和曲率系数称Cc 不均匀系数曲率系数Cc2301060cdCd d6010udCd式中，d60、d30、d10分别为颗粒大小分布曲线的纵坐标上小于某粒径之土质量百分含量为60%、30%、10%时所对应的颗粒粒径 。d10有效粒径； d60 控制粒径第二节第二节 土的组成土的组成 Cu反映陡缓程度，Cu越大曲线平缓，土粒大小的分布

9、范围越大，显示级配良好。Cc反映曲线整体形状的光滑程度，Cc过大或过小，曲线都会出现台阶。第二节第二节 土的组成土的组成 2.2.颗粒级配颗粒级配测定方法测定方法水分法水分法（虹吸比重瓶法、移液管法、比重计法）（d11g/cmg/cm3 3，冰点处于零下几十度冰点处于零下几十度温度高于温度高于100100C C时可蒸发时可蒸发具有固体的的特性具有固体的的特性位于强结合水之外，电场引力位于强结合水之外，电场引力作用范围之内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，有粘滞性第二节第二节 土的组成土的组成 第三节 土的物理性指标土的三相图(一)土的物理指

10、标的定义第三节第三节 物理指标物理指标1. 比重Gs(或称相对密度或称相对密度dsds)定义：土粒质量与同体积4时水的质量之比，为无纲量。s：土粒密度（g/cm3)wl：纯水在4摄氏度时的密度111sssswwmdV4wSssVmG试验室直接测定：方法为比重瓶法。试验室直接测定：方法为比重瓶法。其大小比较稳定，在其大小比较稳定，在2.65-2.78之间之间或第三节第三节 物理指标物理指标含水率是试验室直接测定指标，常用烘干法测定。100%wsmm2.土的含水率(以前称含水量)定义：土中水的质量与土粒质量之比，用百分数表示第三节第三节 物理指标物理指标3.土的密度(重度重度)是指土单位体积的质量

11、（重量）。土处于天然状态时，则成为天然密度（重度），用或表示，单位G/CM3（ KN/M3 ）.。mV是实验室直是实验室直接测定指标接测定指标，用环刀法，用环刀法测定。测定。gVgmVW（g/cm3）( kN/m3)第三节第三节 物理指标物理指标土的干密度（孔隙中没有水或干土）土单位体积中固体颗粒部分的质量土的饱和密度（孔隙中充满水或饱和）土孔隙中充满水时的单位体积质量土的有效密度(浮密度)地下水位以下，单位土体积中土粒的质量扣除同体积水的质量。或为单位土体积中土粒的有效质量sdmVsvwsatmVVsswmVV第三节第三节 物理指标物理指标dsat dsat天然密度天然密度干密度干密度饱和密

12、度饱和密度mV天然重度天然重度干重度干重度sdmVgddgswvsatmVVsatsatg浮重度浮重度satw 饱和重度饱和重度各种密度或重度之间的大小关系各种密度或重度之间的大小关系第三节第三节 物理指标物理指标土的孔隙比：土的孔隙比：土中孔隙体积与土粒体积之比土的孔隙率：土的孔隙率：土中孔隙所占体积与总体积之比土的饱和度：土的饱和度：土中被水充满的孔隙体积与孔隙总体积之比vsVeV100%vVnV100%wrvVSV第三节第三节 物理指标物理指标物理指标特征。vsVeV第三节第三节 物理指标物理指标100%vVnVvsVeV100%wrvVSVmVsdmVswvsatmVV4wSssVmG

13、100%wsmm特征表述特征1.所有的物理量都可以用五个两表示（两个质量，三个体积，即土粒的质量和体积，水的质量和体积，孔隙的体积）特征2：所有的物理量都是相对量，即与土样的大小无关。第三节第三节 物理指标物理指标(二) 物理指标的换算方法一(利用特征1)方法1.设法求出5个量的绝对大小，即多少g或多少cm3.然后利用定义即可求出所有物理量。第三节第三节 物理指标物理指标例题1.用体积为60CM3的环刀切取某原状土样，称得湿土重108G，烘干后土重96.43G，GS=2.70，试计算该土样的、E、SR、D、SAR、/，并比较各重度的大小。分两步求解：STEP1:求出对的五个物理量，即土粒的质量

14、和体积，孔隙中水的质量和体积，孔隙的体积STEP2.依据定义求其他各物理量。第三节第三节 物理指标物理指标例题1.用体积为60cm3的环刀切取某原状土样，称得湿土重108g，烘干后土重96.43g，比重为2.70，试计算该土样的、e、Sr、d、sar、/，并比较各重度的大小。ms=96.43g, mw=108-96.43=11.57g, Vs=96.43/2.7=35.7cm3, Vw=11.57 cm3，Vv=60-35.7=24.3 cm3，例题1.用体积为60CM3的环刀切取某原状土样，称得湿土重108G，烘干后土重96.43G，=2.70，试计算该土样的、E、SR、D、SAR、/，并比

15、较各重度的大小。解：ms=96.43g, mw=108-96.43=11.57g, Vs=96.43/2.7=35.7cm3, Vw=11.57 cm3，Vv=60-35.7=24.3 cm3，=108/60=1.8g/ cm3, w=11.5796.43=12%, e=24.3/35.7=0.68.Sr=11.57/24.3=48%. sar=（96.43+24.3）/60=2.01 g/ cm3, /=（96.43-35.7）/60=1.01 g/ cm3第三节第三节 物理指标物理指标课前复习方法1.设法求出5个量的绝对大小，即多少g或多少cm3.然后利用定义即可求出所有物理量。第三节第三

16、节 物理指标物理指标例题2：某一原状土样，经试验测得其密度=1.67g/cm3， 含水量=12.9%，土粒比重Gs=2.67。试求该土样的孔隙比、孔隙率、饱和度、干密度.解：令Vs=1cm3，练习求出其余四个量，即ms，mw，Vw，Vv。例题3：某一原状土样，经试验测得其饱和度Sr=60%， 含水量=12.9%，比重Gs=2.67。试求该土样的孔隙比、孔隙率、饱和度、干密度.解：令Vs=1cm3，练习求出其余四个量，即ms，mw，Vw，Vv。例题4 ：一体积为50cm3的土样，湿土质量90g，烘干后质量为68g，土粒比重为2.69.求 其孔隙比，若将土样压缩，使其干密度达到1.61g/cm3，

17、土样孔隙比将减少多少？例题2：某一原状土样，经试验测得其 1.67G/C M3， 含水量=12.9%，土粒比重GS=2.67。试求该土样的E、N、SR、 D 令VS=1CM3,则MS=2.67G,MW=0.1292.67=0.344G,因为=M/V,V=M/ =1.8CM3,VV=0.8CM3,例题3：某一原状土样，经试验测得其饱和度Sr=60%， 含水量=12.9%，比重Gs=2.67。试求该土样的孔隙比、孔隙率、饱和度、干密度.解：令Vs=1cm3，ms=2.67g，mw=0.344g，Vw=0.344cm3，Sr=Vw/Vv，Vv=Vw/Sr=0.573cm3。例题4 ：一体积为50cm

18、3的土样，湿土质量90g，烘干后质量为68g，土粒比重为2.69.求 其孔隙比，若将土样压缩，使其干密度达到1.61g/cm3，土样孔隙比将减少多少？解：ms=68g， Vs=68/2.69=25.28cm3， mw=90-68=22g，Vw=22cm3，Vv=V-Vw=24.72cm3如果令土粒体积VS=1 ，则三相图如图。表明只要知道GS、E就能无处所有量。1sV第三节第三节 物理指标物理指标例题2 试证明下列各式讲解2，学生课堂练习2个。1)1 (wGewswd11dwsGeewGSsreeGwssat1)(wssatnnG)-1 (eGws1)1(/第三节第三节 物理指标物理指标例题4

19、 ：一体积为50cm3的土样，湿土质量90g，烘干后质量为68g，土粒比重为2.69.求 其孔隙比，若将土样压缩，使其干密度达到1.61g/cm3，土样孔隙比将减少多少？第三节第三节 物理指标物理指标例题3：某一原状土样，经试验测得其干密度为1.50G/C M3， 含水量=12%，土粒比重GS=2.70。（1）试求该土样的孔隙比、孔隙率、饱和度、湿密度；（2）若含水率增加到=28%，试求1方土中需要加多少水？ 密实度定义：指单位体积中固体颗粒的含量。 特点：土颗粒含量多，土就密实；土颗粒含量少，土就疏松。 土体的密实度程度决定着土的强度与变形性质。孔隙比可以较好地表征土的密实程度，但无粘性土的

20、密实程度与颗粒大小、形状、级配等关系密切。衡量密实度的指标相对密实度 工程实践中常用相对密实度来衡量无粘性土的紧密程度，它是以该无粘性土自身的最松和最密两种极限状态作为标准，其定义为： minmaxmaxeeeeDrmaxeminee砂土处于最松状态的孔隙比； 砂土处于最密状态时的孔隙比； 砂土的天然孔隙比或填筑孔隙比。 密实度判别标准：密实度判别标准： 疏松疏松 中密中密 密实密实13rD 1233rD23rD 第四节 土的稠度一、稠度状态2.粘性土的三种稠度状态 固态和半固态 可塑状态 流动状态1.稠度定义：粘性土的干湿程度或在某一含水率下抵抗外力作用而变形和破坏的能力。1）固态或半固态-

21、土中含水量很低，颗粒表面水膜很薄，都是强结合水。土成为固态或半固态。2）可塑状态-含水量增加，颗粒周围的水膜加厚，除强结合水外还有弱结合水。弱结合水不能传递静水压力，不能自由流动，但受力时可以移动，此时土体具有塑性。土体受外力作用可以被捏成任意形状而不破裂，外力取消后仍然保持改变后的形状。这种状态称为可塑状态。3）流动状态-当含水量继续增加，土中除结合水外，该有自由水，土粒之间被自由水隔开，不能承受任何剪应力，而呈流动状态。二、界限含水率二、界限含水率 液限、塑限、缩限液限、塑限、缩限 1.1.定义定义 液限液限W WL L、塑限塑限W Wp p、缩限缩限W Ws s 2 2测定方法测定方法

22、液限采用锥式液限仪测定，塑限采用搓条法。液限采用锥式液限仪测定，塑限采用搓条法。或采用液限、塑限联合测定仪法。或采用液限、塑限联合测定仪法。wSWpWL液态液态固态固态塑态塑态半固态半固态0方法方法1 1锥式液锥式液限仪法限仪法方法方法3 3液、塑限联合测定仪法液、塑限联合测定仪法1.塑性指数：液限和塑限的差值，即土处在可塑状态的含水量变化范围2.液性指数：粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比PLPIwwPLLPwwIww三、塑性指数、液性指数三、塑性指数、液性指数wSWpWL液态液态塑态塑态半固态半固态粘性土（细粒土）的状态分类粘性土（细粒土）的状态分类液性指数反映土的软硬状态LI0

23、 坚硬0 0.25 硬塑LI0.25 0.075 可塑LI0.75 1.0 软塑LI1 流苏LI第五节 土的压实性一、击实试验ddd21345w112d5w25w土土击实曲线、最大干密度、最有含水率 击实曲线最大干密度 、最优含水率 的概念和含义。maxdoptw二、击实攻对 和 影响观察：增加击实攻，最大干密度是增加还是减少？增加击实攻，最优含水率是增加还是减少？optwmaxdg/cmg/cm干密度含水率(%)maxNg/cmmaxoptNN干密度含水率击实攻轻型：锤质量2.5 kg落距305cm；重型：锤质量4.5 kg落距47.5cm问题：同一种土，两种试验得出的 的关系？maxdop

24、tw增加击实攻，最大干密度和最优含水率的变化不同含水率的土，击实攻对干密度的影响。w3w2w1w1w2w3一、土的工程分类的目的、依据1.目的：分类是将工程性质相近的土归为一类，目的是大致判别土的工程特性和评价土的工程适宜性。2.分类依据：最能反映土的基本性质又便于测定的指标。 目前国内外常用的分类指标为：颗粒组成、塑性图(由塑性指数和液限)或塑性指数。第六节 土的工程分类土粉土： X(d0.075) 50%，IP10。碎石土漂石（块石）：X(d200)50%卵石（碎石）： X(d 20 ) 50%圆砾（角砾）： X(d 2 ) 50%建设部建筑地基基础设计规范中 土的分类（GB50007-2

25、002）粘性土： ，10IP17粉质粘土； IP17粘土 。X(d0.075) 50%砾砂：X(d2)25% 粗砂：X(d0.5)50%中砂：X(d0.25)50%细砂：X(d0.075)80%粉砂：X(d0.075)50%砂土 碎石类土碎石类土：粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50的土。分为漂石或块石、卵石或碎石、圆砾或角砾。碎石类土的划分土的名称颗粒形状颗粒级配漂石圆形及亚圆形为主粒径大于200mm的颗粒超过全重的50%块石棱角形为主卵石圆形及亚圆形为主粒径大于20mm的颗粒超过全重的50%碎石棱角形为主圆砾圆形及亚圆形为主粒径大于20mm的颗粒超过全重的50%角砾棱角形为主 砂类土：粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50、粒径大于0.075mm的颗粒超过全重50的土。按粒组含量分为砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂。 粘性土：粘性土：塑性指数大于10的土。按沉积年代分为：老粘性土、一般粘性土和新近沉积粘性