第一章土的物理性质与分类

1、1土的物理性质与工程分类第一章2本章目的本章目的: : 对土的特点进行详细解释和定量描述 本章特点本章特点: : 看起来零散学习要点学习要点: : 各节间联系 各节内层次 土的物理性质与分类3土的形成渗透特性渗透特性变形特性变形特性强度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41.1 土的形成1.2 土的三相组成1.3 土的物理状态1.4 土的结构1.5 土的工程分类1.6 土的压实性 51.1 1.1 土的形成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

2、搬运、沉积形成过程形成过程形成条件形成条件物理力学物理力学性质性质 风风化化土土地球影响岩石岩石地球6生物循环生物循环物理风化物理风化化学风化化学风化量变量变无粘性土无粘性土原生矿物原生矿物质变质变粘性土粘性土次生矿物次生矿物动植物的活动动植物的活动一. 风化有有 机机 质质1.11.1土的形成土的形成岩石和土的粗颗粒受各种气候因素的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影响产生胀缩而发生裂缝,或在运动或在运动过程中因碰撞和摩擦而破碎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，形成作用而改变其矿物的化学成分

3、，形成新的矿物新的矿物7二. 搬运与沉积残积土残积土无搬运运积土运积土有搬运土土质质较较好好残积土残积土强风化强风化弱风化弱风化微风化微风化母岩体母岩体颗粒表面粗糙多棱角粗细不均无层理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1.11.1土的形成土的形成8运积土运积土有搬运风：风：风积土风积土重力重力: : 坡积坡积土土 流水流水: :洪积土洪积土冲积土冲积土湖泊沼泽沉积湖泊沼泽沉积土土海相沉积物海相沉积物冰川冰川: : 冰积冰积土土土粒粗细不同，性质不均匀土粒粗细不同，性质不均匀有分选性，近粗远细有

4、分选性，近粗远细浑圆度分选性明显，土层交迭浑圆度分选性明显，土层交迭含有机物淤泥，土性差含有机物淤泥，土性差颗粒细，表层松软，土性差颗粒细，表层松软，土性差土粒粗细变化较大，性质不均匀土粒粗细变化较大，性质不均匀颗粒均匀，层厚而不具层理颗粒均匀，层厚而不具层理1.11.1土的形成土的形成91.2 1.2 土的三相组成土的三相组成气相固相液相+构成土骨架，起决定作用构成土骨架，起决定作用重要影响重要影响土体次要作用次要作用10一. 固体颗粒物理状态力学特性粒径级配粒径级配1.21.2土的三相组成土的三相组成矿物成分矿物成分颗粒形状颗粒形状 111. 粒径级配颗粒大小各粒径成分在土中占的比例影响土

5、性的主因1.21.2土的三相组成土的三相组成12颗粒大小粒组 按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类界限粒径1.21.2土的三相组成土的三相组成d(mm)d(mm)砾石砾石砂粒砂粒粉粒粉粒粘粒粘粒胶粒胶粒6020.0750.0050.0020.250.5520粗 中 细 粗 中 细 极细0.1粗粒粗粒细粒细粒13粒径级配确定方法确定方法 筛分法：筛分法：适用于粗粒土适用于粗粒土 (0.075 mm) 水分法：水分法：适用于细粒土适用于细粒土 (0.075 mm)各粒组的相对含量，用质量百分数来表示各粒组的相对含量，用质量百分数来表示表述方法表述方法 粒径级配累

6、积曲线粒径级配累积曲线1.21.2土的三相组成土的三相组成14105.02.01.00.075200g101618242238721009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数小于某粒径之土质量百分数P（）（）105.01.050.010.0050.001粒径粒径(mm)P%958778665536土的粒径级配累积曲线土的粒径级配累积曲线水分法水分法粒径粒径(mm)(mm)0.050.010.005百分数百分数P(%)P(%)2613.5101.21.2土的三相组成土的三相组成151009080706050403020100小于某粒

7、径之土质量百分数（）小于某粒径之土质量百分数（）105.01.050.010.0050.001粒径粒径(mm)土的粒径级配累积曲土的粒径级配累积曲线线d60d50d10d30d60d10d30CuCc0.33 0.005 0.063662.41特征粒径特征粒径: : d50 : 平均平均粒径粒径d60 : 控制控制粒径粒径d10 : 有效有效粒径粒径d30 不均匀程度不均匀程度：Cu = d60 / d10 连续程度连续程度: : Cc = d302 / (d60d10 ) 曲率系数曲率系数 不均匀系数不均匀系数Cu 5,级配不均匀粗细程度粗细程度： 用用d50 表示 1.

8、21.2土的三相组成土的三相组成161009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（）小于某粒径之土质量百分数（）105.01.050.010.0050.001粒径粒径(mm)土的粒径级配累积曲土的粒径级配累积曲线线d60d10d30曲线d60d10d30CuCcL0.33 0.0050.081663.98M0.0632.41R0.0300.545斜率斜率: : 某粒径范围内颗粒的含量某粒径范围内颗粒的含量 陡陡相应粒组质量集中相应粒组质量集中 缓缓-相应粒组含量少相应粒组含量少 平台平台-相应粒组缺乏相应粒组缺乏连续程度连续程度: : Cc = d3

9、02 / (d60 d10 ) 曲率系数曲率系数较大颗粒缺少较大颗粒缺少Cc 减小减小较小颗粒缺少较小颗粒缺少Cc 增大增大Cc = 1 3, 级配连续性好级配连续性好1.21.2土的三相组成土的三相组成17粒径级配粒径级配累积曲线及指标的用途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粒组含量用于土的分类定名；2）不均匀系数不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度：用于判定土的不均匀程度： Cu 5, 不均匀土不均匀土； Cu 3 或 Cc 1,级配不连续土级配不连续土4）不均匀系数不均匀系数Cu和和曲率系数曲率系数Cc用于判定土的级配优劣：用于判定土的级配优劣： 如果如果 Cu

10、5且且 C c = 1 3 ， 级配级配 良好的土良好的土； 如果如果 Cu 3 或或 Cc 1g/cm3 冰点处于零下几十度冰点处于零下几十度 具有固体的特性具有固体的特性 温度高于温度高于100C时可蒸发时可蒸发强结合水强结合水 位于强结合水之外，电场引位于强结合水之外，电场引 力作用范围之内力作用范围之内 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，有粘滞性弱结合水弱结合水1.21.2土的三相组成土的三相组成26自由水自由水重力水重力水毛细水毛细水在重力作用下可在土中自由流动在重力作用下可在土中自由流动 存在于固气之间存在于固气之间 在重力与表面张力作用

11、下在重力与表面张力作用下 可在土粒间空隙中自由移动可在土粒间空隙中自由移动1.21.2土的三相组成土的三相组成27 = 湿润角湿润角 空气空气固体固体水水 lT = 界面张力界面张力d d = 毛管直径毛管直径Td=2rua-uwua-uw = 压力差压力差1.21.2土的三相组成土的三相组成毛细水毛细现象毛细现象毛毛细细管管hc28土中毛细现象土中毛细现象rThccos2上升高度上升高度: :r2hcw=2rTcos毛细水分布在土粒内部相互贯通分布在土粒内部相互贯通的孔隙可以看成许多形状的孔隙可以看成许多形状不一、直径互异、彼此连不一、直径互异、彼此连通的毛细管通的毛细管毛细升高与孔径成反比

12、毛细升高与孔径成反比粘土粉土砂土砾石分析对象分析对象: 水柱水柱1.21.2土的三相组成土的三相组成29对砂土强度的影响对砂土强度的影响: :毛细边角水毛细边角水, , 假凝聚力假凝聚力ccuh 毛细压力毛细压力2rTcos+ucr2 = 0毛细压力 非饱和土中毛细张力影响非饱和土中毛细张力影响分析对象分析对象:水膜水膜1.21.2土的三相组成土的三相组成rThccos230三. 土中气体v自由气体：自由气体：与大气连通，对土的性质影响不大与大气连通，对土的性质影响不大v封闭气体：封闭气体：增加土的弹性；阻塞渗流通道增加土的弹性；阻塞渗流通道1.21.2土的三相组成土的三相组成31 粘性土粘性

13、土（细粒土）（细粒土） 无粘性土无粘性土（砂性土）（砂性土）（粗粒土）（粗粒土）土的特点土的力学特性与土有关的工程问题土的生成土的三相组成321.3 土的物理状态土的物理状态土的物理状态粗粒土的松密程度粗粒土的松密程度粘性土的软硬程度粘性土的软硬程度土的物理性质指标( (松松密程度、干湿程度、轻重程度密程度、干湿程度、轻重程度) )力学特力学特性性直接影直接影响响表表示示？33一. 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1.3 土的物理状态土的物理状态松密程度松密程度干湿程度干湿程度轻重程度轻重程度特点: 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

14、值或范围、联系与区别定义定义基本方法:三相草图法341. 三相草图三相草图WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积1.3 土的物理状态土的物理状态35三相草图三相草图WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量质量体积体积sawvawVVVVVVVswaawwwmmmmm0mV 已知关系五个已知关系五个: :共有九个参数共有九个参数: V Vv Vs Va Vw / / ms m w ma m剩下三个独立变量剩下三个独立变量三相草图法三相草图法物性指标是比例关系物性指标是比例关系: :可假设任一参数为可假设任一参数为1对于饱和土对于饱和土,

15、Va=0剩下两个独立变量实验室测定实验室测定其它指标其它指标是一种简单而实用的方法是一种简单而实用的方法1.3 土的物理状态土的物理状态362.2.室内测定的三个物理性质指标室内测定的三个物理性质指标WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量质量体积体积土的密度、土粒的比重、土的含水土的密度、土粒的比重、土的含水量量土的密度土的密度awswsVVVmmVm 土的重土的重度度=g工程上更常用工程上更常用, 用于计算土的自重应力用于计算土的自重应力单位单位: kg/m3 或或 g/cm3单位单位: kN/m3 一般范围一般范围: 1.60 2.20 g/cm3定义定义: 单

16、位体积土的质单位体积土的质量量有时也称有时也称土的天然密土的天然密度度表达式表达式:相关指标相关指标:三相草图有助于直观三相草图有助于直观理解物性指标的概念理解物性指标的概念1.3 土的物理状态土的物理状态37WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量质量体积体积土粒比重土粒比重 s: 土粒的密度，单位体积土粒的质土粒的密度，单位体积土粒的质量量sssVm 单位单位: 无量无量纲纲土粒比重一般范围土粒比重一般范围: 粘性土粘性土 2.70 2.75 砂砂 土土 2.65C4w C4wssG 4C时纯蒸馏水的密时纯蒸馏水的密度度C4w =1.0 g/cm3土粒比重在数值上

17、等于土粒的密度土粒比重在数值上等于土粒的密度定义定义: 土粒的密度与土粒的密度与4C时纯蒸馏水的密度的比值时纯蒸馏水的密度的比值表达式表达式:1.3 土的物理状态土的物理状态38WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量质量体积体积土的含水量土的含水量ssswmmmmm(%)w 定义定义: 土中水的质量与土粒质量之比土中水的质量与土粒质量之比, 用百分数表示用百分数表示注意注意: 其实是含水比其实是含水比, 可达到或超过可达到或超过100表达式表达式:1.3 土的物理状态土的物理状态39v表示土中孔隙含量的指标表示土中孔隙含量的指标孔隙比孔隙比孔隙率孔隙率( (孔隙度孔

18、隙度) )svVVe . . 其它常用的物理性质指标其它常用的物理性质指标VV(%)nv 关系关系:e1en n1ne 在某种程度上反映土的松密在某种程度上反映土的松密砂类土：砂类土：28 35%粘性土：粘性土：30 50%有的可达有的可达60 70%定义定义: 土中孔隙体积与固体颗土中孔隙体积与固体颗粒体积之比粒体积之比, 无量纲无量纲表达式表达式:WaterAirSolidVaVwVsVvV体积体积定义定义: 土中孔隙体积与总体土中孔隙体积与总体积之比积之比, 用百分数表示用百分数表示表达式表达式:Vs=1Vv=eV=1+eWaterAirSolid体积体积三相草图可用于确定三相草图可用于

19、确定物性指标之间的关系物性指标之间的关系1.3 土的物理状态土的物理状态40v表示土中含水程度的指标表示土中含水程度的指标swmm(%)w 含水量含水量饱和度饱和度vwrVVS WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量质量体积体积表达式表达式:定义定义: 土中水的体积与孔隙体积的比值土中水的体积与孔隙体积的比值饱和度表示饱和度表示孔隙中充满水的程度孔隙中充满水的程度Sr=0 : 干土干土Sr=1 : 饱和土饱和土1.3 土的物理状态土的物理状态41v表示土的表示土的密度和容重密度和容重的指标的指标天然密度天然密度干密度干密度饱和密度饱和密度awswsVVVmmVm 天

20、然重度天然重度干重度干重度Vmsd g gdd VVmvwssat gsatsat 浮重度浮重度wsat 有效重度有效重度饱和重度饱和重度WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量质量体积体积单位单位: kg/m3 或或 g/cm3单位单位: kN/m3 定义定义: 土被完全烘干时的密度土被完全烘干时的密度, 等于等于 单位体积内土粒的质量单位体积内土粒的质量表达式表达式:1.3 土的物理状态土的物理状态42各种密度与重度之间的大小关系：各种密度与重度之间的大小关系：dsat dsat天然密度天然密度干密度干密度饱和密度饱和密度Vm 天然重度天然重度干重度干重度Vmsd

21、 g gdd VVmvwssat gsatsat 浮重度浮重度wsat 饱和重度饱和重度WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量质量体积体积1.3 土的物理状态土的物理状态43小结小结物理性质指标物理性质指标土的三个组成相的体积和质量上土的三个组成相的体积和质量上的比例关系的比例关系松密程度松密程度干湿程度干湿程度轻重程度轻重程度特点特点: 指标概念简单，数量很多指标概念简单，数量很多要点：要点：名称、概念或定义、符号、表达式、名称、概念或定义、符号、表达式、单位或量纲、常见值或范围、联系与区别单位或量纲、常见值或范围、联系与区别定义定义基本方法基本方法:三相草图法三

22、相草图法室内测定的三个物理性质指标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、土粒的比重、土的含水量三相草图有助于直观三相草图有助于直观理解物性指标的概念理解物性指标的概念其它常用的物理性质指标其它常用的物理性质指标v表示土中孔隙含量的指标表示土中孔隙含量的指标v表示土中含水程度的指标表示土中含水程度的指标v表示土的密度和容重的指标表示土的密度和容重的指标三相草图可用于确定三相草图可用于确定物性指标之间的关系物性指标之间的关系三相草图法是求取物三相草图法是求取物理性质指标的简单而理性质指标的简单而有效的方法有效的方法1.3 土的物理状态土的物理状态44二.土的物理状态指

23、标土的物理状态粗粒土的松密程度粗粒土的松密程度粘性土的软硬程度粘性土的软硬程度土的物理性质指标( (三相间的比例关系三相间的比例关系) )力学特力学特性性影影响响表表示示1.3 土的物理状态土的物理状态45e emaxmax与与e eminmin ：最大与最小孔隙比最大与最小孔隙比1. 粗粒土的密实状态粗粒土的密实状态密实度密实度如何衡量如何衡量? ?单位体积中固体颗粒含量的多少单位体积中固体颗粒含量的多少 或或 孔隙含量的多少孔隙含量的多少优点：优点：简单方简单方便便缺点：缺点：不能反映级配的影不能反映级配的影响响 只能用于同一种土只能用于同一种土对对策策相对密度相对密度minmaxmaxr

24、eeeeD 干重度干重度 d d或或孔隙比孔隙比e e或孔隙率或孔隙率n nemin = 0.35emin = 0.201.3 土的物理状态土的物理状态46e emaxmax: : 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e eminmin: : 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e emaxmax与与e eminmin ：最大与最小孔隙比最大与最小孔隙比注意：注意：室内测得理论上的最大与最小孔隙比有时很困难室内测得理论上的最大与最小孔

25、隙比有时很困难1.3 土的物理状态土的物理状态47粗粒土的密实状态指标粗粒土的密实状态指标 判别标准：判别标准： D Dr r = 1 = 1 , , 最密状态最密状态 D Dr r = 0 = 0 , , 最松状态最松状态 D Dr r 1/3 , 1/3 , 疏松状态疏松状态 1/3 1/3 2/3 2/3 , , 密实状态密实状态相对密实度相对密实度minmaxmaxreeeeD dmindmaxdmaxdminddr)()(D 1.3 土的物理状态土的物理状态482. 粘性土的软硬状态粘性土的软硬状态 也称也称稠度状态稠度状态稠度状态与含水量有关稠度状态与含水量有关粘性粘性土土含水含水

26、量量较较硬硬变变软软流流动动1.3 土的物理状态土的物理状态49塑限塑限wp液限液限wl稠度界限稠度界限粘性土的稠度反映土中水的形态粘性土的稠度反映土中水的形态固态或固态或半固态半固态塑态塑态 流态流态 强结合水膜最大强结合水膜最大出现自由水出现自由水强结合水强结合水弱结合水弱结合水自由水自由水稠度状态稠度状态含水量含水量土中水的形态土中水的形态w1.3 土的物理状态土的物理状态土颗粒土颗粒强结合水强结合水弱结合水弱结合水土颗粒土颗粒强结合水强结合水土颗粒土颗粒自由水自由水弱结合水弱结合水强结合水强结合水plpIww吸附弱结合吸附弱结合水的能力水的能力塑性指数塑性指数50相对稠度相对稠度pLl

27、pwwIww 问题：仅适用于问题：仅适用于重塑土重塑土即使即使含水量相同，稠度可能不同稠度可能不同液性指数液性指数定义：定义：wpwwlIL1坚硬状坚硬状态态可塑状可塑状态态流流 态态0.00 0.250.25 0.750.75 1.00硬硬塑塑可可塑塑软软塑塑1.3 土的物理状态土的物理状态对同一种粘土，含水量可反映其稠度对同一种粘土，含水量可反映其稠度问题：问题：对不同的粘土，对不同的粘土，wp、wl 大小不同大小不同51plpIww吸附弱结合水的能力；大致反映粘土颗粒含量、粘性大小吸附弱结合水的能力；大致反映粘土颗粒含量、粘性大小塑性指数塑性指数常作为细粒土工程分类的依据常作为细粒土工程

28、分类的依据缺点缺点不能充分反映粘土颗粒含量不能充分反映粘土颗粒含量 不同的粘土矿物结合水的能力不不同的粘土矿物结合水的能力不同同活性指活性指数数002. 0ppIA p0.002: 粒径小于粒径小于0.002mm颗粒的质量占总土总质量的百分比颗粒的质量占总土总质量的百分比A 1.25非活性粘非活性粘土土正常粘土正常粘土活性粘土活性粘土1.3 土的物理状态土的物理状态52粗粒土的密实状态指标粗粒土的密实状态指标: 相对密度相对密度Dr 小结粘性土的稠度状态指标粘性土的稠度状态指标: 液性指数液性指数IL引入引入定义定义判别标准判别标准稠度界限稠度界限稠度状态稠度状态含水量含水量土中水的形态土中水

29、的形态塑性指数塑性指数液性指数液性指数引入引入定义定义判别标准判别标准1.3 土的物理状态土的物理状态粗粒土与粘性土为何采用粗粒土与粘性土为何采用不同的物理状态指标？不同的物理状态指标？反映土的细观特点反映土的细观特点与力学特性有更直接的联系与力学特性有更直接的联系便于量测便于量测53土颗粒或粒团的土颗粒或粒团的空间排列和相互联结空间排列和相互联结1.4 1.4 土的结构土的结构土粒间的作用力土粒间的作用力粘性土的结构性指标粘性土的结构性指标力学特性力学特性土的结构影响粗粒土的结构粗粒土的结构细粒土的结构细粒土的结构重塑土的强度重塑土的强度原状土的强度原状土的强度16粘性土粘性土不灵敏不灵敏低

30、灵敏低灵敏中等灵中等灵敏敏灵敏灵敏很灵敏很灵敏流动流动原状土的无侧限抗压强原状土的无侧限抗压强度度重塑土的无侧限抗压强重塑土的无侧限抗压强度度1.4 土的结构土的结构重塑土的强度重塑土的强度原状土的强度原状土的强度10的土的土粘性土1017的土的土粘土粘土粉质粘土粉质粘土建筑规范分类法 1.5 土的工程分类土的工程分类64水利部水利部SL237-001-1999SL237-001-1999分类法分类法公路桥涵地基与基础设计规范公路桥涵地基与基础设计规范JTJ024-851.5 土的工程分类土的工程分类65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

31、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1.6 1.6 土的压实性土的压实性66一. 室内击实试验 二. 细粒土的压实性 三. 粗粒土的压实性 1.6 土的压实性土的压实性67一. 室内击实试验 试验设备试验设备 击实筒击实筒V=V=1000cm3；击实锤击实锤w=25牛顿牛顿 试验条件试验条件 土样分层土样分层n=3层；落高层；落高d=30cm；击数击数N=27/ /层层 击实能量击实能量 3m/mKN5 .607VwdNnE 试验方法试验方法 对对w=cosnst的土；分三层压实；的土；分三层压实； 测定击实后的测定击实后的w、，算定算定d 注意注意：仅适用于细粒土；仅适用于细粒土； 对粗粒土，可用较大尺寸的击实仪对粗粒土，可用较大尺寸的击实仪土土1.6 土的压实性土的压实性68二. 细粒土的压实性