地基-土的物理性质及工程分类

1、第一章第一章 土的物理性质及工程分类土的物理性质及工程分类n1.1土的组成与土的结构构造n1.2土的物理性质指标n1.3土的物理状态指标n1.4土(岩)的工程分类主要内容土的物理性质概述土的物理性质概述岩石岩石风化（风化（物理、物理、化学化学）作用）作用岩石破碎岩石破碎 化学成分改变化学成分改变搬运搬运沉积沉积大小、形状和大小、形状和成分都不相同成分都不相同的松散颗粒集的松散颗粒集合体合体（土）（土） 土土固相固相液相液相气相气相土中颗粒的大小、成分及三相土中颗粒的大小、成分及三相之间的相互作用和比例关系，之间的相互作用和比例关系，反映出土的不同性质反映出土的不同性质 生物循环生物循环物理风化

2、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，形成新的矿物新的矿物1 土的物性与分类二. 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

3、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1 土的物性与分类2. 搬运与沉积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

4、，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1 土的物性与分类n不同成因类型的第四纪沉积物，各具有一定的不同成因类型的第四纪沉积物，各具有一定的分布规律和工程地质特征，以下分别介绍其中分布规律和工程地质特征，以下分别介绍其中主要的几种成因类型。主要的几种成因类型。n (一一)残积物、坡积物和洪积物残积物、坡积物和洪积物n 1残积物残积物n残积物是残留在原地未被搬运的那残积物是残留在原地未被搬运的那n一部分原岩风化剥蚀后的产物，而一部

5、分原岩风化剥蚀后的产物，而n另一部分则被风和降水所带走。另一部分则被风和降水所带走。n 2坡积物坡积物n 坡积物是雨雪水流的地质作用将高处岩石风坡积物是雨雪水流的地质作用将高处岩石风化产物缓慢地洗刷剥蚀、顺着斜坡向下逐渐移化产物缓慢地洗刷剥蚀、顺着斜坡向下逐渐移动、沉积在较平缓的山坡上而形成的沉积物。动、沉积在较平缓的山坡上而形成的沉积物。 n3洪积物洪积物(Q”) n 由暴雨或大量融雪骤然集聚而成的暂时性山洪急流，由暴雨或大量融雪骤然集聚而成的暂时性山洪急流，具有很大的剥蚀和搬运能力。具有很大的剥蚀和搬运能力。n它冲刷地表，挟带着大量碎屑物质堆积于山谷冲沟出它冲刷地表，挟带着大量碎屑物质堆积

6、于山谷冲沟出口或山前倾斜平原而形成洪积物口或山前倾斜平原而形成洪积物(图图14)。n由相邻沟谷口的洪积扇组成洪积扇群由相邻沟谷口的洪积扇组成洪积扇群图图l5)。如果逐。如果逐渐扩大以至连接起来，渐扩大以至连接起来， 则形成洪积冲积平原的地貌单则形成洪积冲积平原的地貌单元。元。n洪积物常呈现不规则交错的层理构造，如具有夹层、洪积物常呈现不规则交错的层理构造，如具有夹层、尖灭或透镜体等产状尖灭或透镜体等产状(图图16)。 n(二二)冲积物冲积物(Q) n冲积物是河流流水的地质作用将两岸基岩及其冲积物是河流流水的地质作用将两岸基岩及其上部覆盖的坡积、洪积物质剥蚀后搬运、沉积上部覆盖的坡积、洪积物质剥

7、蚀后搬运、沉积在河流坡降平缓地带形成的沉积物。在河流坡降平缓地带形成的沉积物。 n1平原河谷冲积物平原河谷冲积物n平原河谷除河床外，大多数都有河漫滩及阶地等地貌平原河谷除河床外，大多数都有河漫滩及阶地等地貌单元单元(图图17)。 n2山区河谷冲积层山区河谷冲积层n在山区，河谷两岸陡削，大多仅有河谷阶地在山区，河谷两岸陡削，大多仅有河谷阶地(图图1-8)。n(三三)其它沉积物其它沉积物n 除了上述四种成因类型的沉积物外，除了上述四种成因类型的沉积物外，还有海洋沉积物还有海洋沉积物(Q”)、 湖泊沉积物湖泊沉积物(Q)、n冰川沉积物冰川沉积物(Q”)及风积物及风积物(Q”)等，它们等，它们是分别由

8、海洋，湖泊、冰川及风等的地是分别由海洋，湖泊、冰川及风等的地质作用形成的质作用形成的 1.2 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1 土的物性与分类土的三相组成土的三相组成固体固体+气体气体 固体液体固体液体气体气体 固体液体固体液体 干土干土 湿土湿土 饱和土 干粘土较硬干粘土较硬干砂松散干砂松散 粘土多为可塑状态粘土多为可塑状态 饱和粉细砂受震饱和粉细砂受震动可能产生液化动可能产生液化 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

9、1 土的物性与分类1. 粒径级配一. 固体颗粒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质的主因1.21.2土的三相组成土的三相组成1 土的物性与分类颗粒大小粒组 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:划分粒组的分界尺寸一. 固体颗粒1.21.2土的三相组成土的三相组成1 土的物性与分类d(mm)d(mm)砾石砾石砂粒砂粒粉粒粉粒粘粒粘粒胶粒胶粒6020.050.0050.0020.250.5520粗 中 细 粗 中 细 极细0.1粗粒粗粒细粒细粒粒粒 组组 名名 称称粒径范围粒径范围一一 般般 特特 征征漂石或块石颗粒200透水性很大，

10、无粘性，无毛细水 卵石戎碎石颗粒20060圆砾或角砾颗粒粗中 细602020552透水性很大，无粘性，毛细水上升高度不超 过粒径大小砂 粒粗中 细50.250.075易透水，当混入云母等杂质时透水性减小，而压缩性增加；无粘性，遇水不膨胀，干燥时松散，毛细水上升高度不大，随粒径变小而增大 粉 粒0.0750.005透水性小，湿时稍有粘性，遇水膨胀小，干时稍有收缩，毛细水上升高度较大较快，极易出现冻胀现象 粘 粒 0.005透水性很小，湿时有粘性、可塑性，遇水膨胀大，干时收缩显著，毛细水上升高度大，但速度较慢 粒径级配确定方法确定方法 各粒组的相对含量，用质量百分数来表示各粒组

11、的相对含量，用质量百分数来表示表述方法表述方法 粒径级配累积曲线粒径级配累积曲线一. 固体颗粒1.21.2土的三相组成土的三相组成1 土的物性与分类筛分法筛分法用一套孔径不同的筛子，按用一套孔径不同的筛子，按从上至下筛孔逐渐减小放置。从上至下筛孔逐渐减小放置。将事先称过质量的烘干土样将事先称过质量的烘干土样过筛，称出留在各筛上的土过筛，称出留在各筛上的土质量，然后计算其占总土粒质量，然后计算其占总土粒质量的百分数质量的百分数 比重计法比重计法利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同来利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同来确定小于某粒径的土粒含量确定小于某粒径的土粒含量105.02.01.00.

12、50.250.1200g101618242238721009080706050403020100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(%)2613.510一. 固体颗粒1.21.2土的三相组成土的三相组成1 土的物性与分类1009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（）小于某粒径之土质量百分数（）105.01.00.5

13、0.100.050.010.0050.001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 / (d60 d10 ) 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 一. 固体颗粒1.21.2土的三相组成土的三相组成1 土的物性与分类10

14、09080706050403020100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 = d302 / (d60 d10 ) 曲率系数

15、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一. 固体颗粒1.21.2土的三相组成土的三相组成1 土的物性与分类颗粒级配的描述颗粒级配的描述 工程上常用不均匀系工程上常用不均匀系数数Cu描述颗粒级配的描述颗粒级配的不均匀程度不均匀程度 1060ddCud10、d30、d60小于某粒径的小于某粒径的土粒含量为土粒含量为10%、 30%和和60%时所对应的粒径时所对应的粒径Cu愈大，表示土粒愈不均愈大，表示土粒愈不均匀。工程上把匀。工程上把Cu5的土视的土视为级配不良的土；为级配不良的土； Cu10的土视为级配良好

16、的土的土视为级配良好的土 曲率系数曲率系数Cc描述颗粒级描述颗粒级配曲线整体形态，表明配曲线整体形态，表明某粒组是否缺失情况某粒组是否缺失情况 6010230dddCc对于砾类土或砂类土，同时满对于砾类土或砂类土，同时满足足Cu5和和Cc= =13时，定名为时，定名为良好级配砂或良好级配砾良好级配砂或良好级配砾 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

17、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 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 1 1g/cmg/cm3 3 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100100C C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二. 土中水1.21.2土的三相组成土的三相组成1

18、土的物性与分类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二. 土中水1.21.2土的三相组成土的三相组成1 土的物性与分类 = 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 = 压力差压力差二. 土中水1.21.2土的三相组成土的三相组成1 土的物性与分类毛细水毛细现象毛细现象毛毛细细管管hc土中毛细现象土中毛细现象rThccos2上升高度上升高

19、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毛细升高与孔径成反比粘土粘土粉土粉土砂土砂土砾石砾石分析对象分析对象: 水柱水柱二. 土中水1.21.2土的三相组成土的三相组成1 土的物性与分类对砂土强度的影响对砂土强度的影响: :毛细边毛细边角水角水, , 假凝聚力假凝聚力cchu 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:水膜水膜二. 土中水1.21.2土

20、的三相组成土的三相组成1 土的物性与分类rThccos2n二、土中的水二、土中的水 土中水的含量明显地影响土的性质土中水的含量明显地影响土的性质( (尤其是粘性尤其是粘性土土) )。土中水除了一部分以结晶水的形式吸附于固。土中水除了一部分以结晶水的形式吸附于固体颗粒的晶格内部外，还存在结合水和自由水体颗粒的晶格内部外，还存在结合水和自由水1.结合水结合水强结合水：强结合水：紧靠于颗粒表面、所受电场的作用力很大、紧靠于颗粒表面、所受电场的作用力很大、几乎完全固定排列、丧失液体的特性而接近于固体几乎完全固定排列、丧失液体的特性而接近于固体 弱结合水：弱结合水：紧靠强结合水的外围形成的结合水膜，所紧

21、靠强结合水的外围形成的结合水膜，所受的电场作用力随着与颗粒距离增大而减弱受的电场作用力随着与颗粒距离增大而减弱 2.自由水自由水存在于土粒电场影响范围以外，性质和普通水无异，能存在于土粒电场影响范围以外，性质和普通水无异，能传递水压力，冰点为传递水压力，冰点为0，有溶解能力，有溶解能力 以两种形式存在：以两种形式存在：毛细水、重力水毛细水、重力水n三、土中气体三、土中气体 土中气体土中气体存在于土孔隙中未被水占据的部分，存在于土孔隙中未被水占据的部分，分为分为与大气连通的非封闭气体与大气连通的非封闭气体和和与大气不连与大气不连通的封闭气体通的封闭气体1.非封闭气体：非封闭气体：受外荷作用时被挤

22、出土体外，对受外荷作用时被挤出土体外，对土的性质影响不大土的性质影响不大 2.封闭气体：封闭气体：受外荷作用，不能逸出，被压缩或受外荷作用，不能逸出，被压缩或溶解于水中，压力减小时能有所复原，对土的性溶解于水中，压力减小时能有所复原，对土的性质有较大的影响，使土的渗透性减小，弹性增大质有较大的影响，使土的渗透性减小，弹性增大和延长土体受力后变形达到稳定的历时和延长土体受力后变形达到稳定的历时 n四、土的结构四、土的结构 在成土过程中所形成的土粒的空间排列及其联结形式，在成土过程中所形成的土粒的空间排列及其联结形式，与组成土的颗粒大小、颗粒形状、矿物成分和沉积条件有与组成土的颗粒大小、颗粒形状、

23、矿物成分和沉积条件有关关 1.单粒结构：单粒结构：粗矿物颗粒在水或空气中在自重作用下沉落粗矿物颗粒在水或空气中在自重作用下沉落形成的单粒结构，形成的单粒结构，其特点其特点是土粒间存在点与点的接触。根是土粒间存在点与点的接触。根据形成条件不同，可分为疏松状态和密实状态据形成条件不同，可分为疏松状态和密实状态 密实状态密实状态疏松状态疏松状态2.蜂窝结构：蜂窝结构：颗粒间点与点接触，由于彼此之间引力大颗粒间点与点接触，由于彼此之间引力大于重力，接触后，不再继续下沉，形成链环单位于重力，接触后，不再继续下沉，形成链环单位, ,很多链很多链环联结起来，形成孔隙较大的蜂窝状结构环联结起来，形成孔隙较大的

24、蜂窝状结构 3.絮状结构絮状结构：细微粘粒大都呈针状或片状，质量极轻，细微粘粒大都呈针状或片状，质量极轻，在水中处于悬浮状态。当悬液介质发生变化时，土粒表在水中处于悬浮状态。当悬液介质发生变化时，土粒表面的弱结合水厚度减薄，粘粒互相接近，凝聚成絮状物面的弱结合水厚度减薄，粘粒互相接近，凝聚成絮状物下沉，形成孔隙较大的絮状结构下沉，形成孔隙较大的絮状结构 蜂窝结构蜂窝结构絮状结构絮状结构n五、土的构造五、土的构造 土的构造土的构造是指土体中各结构单元之间的关系。主要是指土体中各结构单元之间的关系。主要特征是土的成层性、分散性和裂隙性特征是土的成层性、分散性和裂隙性, ,即层理构造、即层理构造、分

25、散构造和裂隙构造，三者都造成了土的不均匀性分散构造和裂隙构造，三者都造成了土的不均匀性 1.层理构造：层理构造：土粒在沉积过程中土粒在沉积过程中, ,由于由于不同阶段不同阶段沉积沉积的物质成分、颗粒大小或颜色不同的物质成分、颗粒大小或颜色不同, ,而沿而沿竖向竖向呈现出呈现出成层特征成层特征 2.2.分散构造：分散构造：土层颗粒分布均匀，性质相近，常见土层颗粒分布均匀，性质相近，常见于厚度较大的粗粒土，如砂与卵石层。于厚度较大的粗粒土，如砂与卵石层。3.裂隙构造：裂隙构造：土体被许多不连续的小裂隙所土体被许多不连续的小裂隙所分割分割, ,在在裂隙中常充填有各种盐类的沉淀物裂隙中常充填有各种盐类

26、的沉淀物 1.3 土的物理性质指标土的物理性质指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( (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1 土的物性与分类？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、常见值或范围、联系与区别定义定义基本方法:三相草图法1 土的物性与分类1. 三相草图三相草图WaterAirSol

27、idVaVwVsVvVma=0mwmsm一. 物理性质指标质量体积1.3 土的物理状态土的物理状态1 土的物性与分类三相草图三相草图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, 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

28、种简单而实用的方法是一种简单而实用的方法一. 物理性质指标1.3 土的物理状态土的物理状态1 土的物性与分类2.2.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 土的容土的容重重=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: 1.602.20 g/cm3定义定义: 单位体积土的质单位体积土的质量量有时

29、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一. 物理性质指标1.3 土的物理状态土的物理状态1 土的物性与分类WaterAirSolidVaVwVsVvVma=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 2.702.75 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土粒比重在数值上等于

30、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:一. 物理性质指标1.3 土的物理状态土的物理状态1 土的物性与分类WaterAirSolidVaVwVsVvVma=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:一. 物理性质指标1.3 土的物理状态土的物理状态1 土的物性与分类v表示土中孔隙含量的指标

31、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+eWat

32、erAirSolid体积体积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一. 物理性质指标1.3 土的物理状态土的物理状态1 土的物性与分类v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 : 饱和土饱和土一. 物理性质指标1.3 土的物理状态土的物理状态1 土的物性与分

33、类v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 天然容重天然容重干容重干容重Vmsd g gdd VVmvwssat gsatsat 浮容重浮容重wsat 浮密度浮密度有效容重有效容重饱和容重饱和容重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:一. 物理性质指标1.3 土的物理状态土的物理状态1 土的物性与

34、分类各种密度容重之间的大小关系：各种密度容重之间的大小关系：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 天然容重天然容重干容重干容重Vmsd g gdd VVmvwssat gsatsat 浮容重浮容重wsat 饱和容重饱和容重WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量质量体积体积一. 物理性质指标1.3 土的物理状态土的物理状态1 土的物性与分类n五、例题分析五、例题分析 n【例】某土样经试验测得体积为某土样经试验测得体积为100cm3，湿土质量为湿土质量为187g，烘干后，干土质量为烘干后，干土质量为167g。若土粒的相对密度若土粒的相对密度

35、Gs为为2.66，求该土样的含水量，求该土样的含水量、密度密度、重度重度 、干重度干重度d 、孔隙比、孔隙比e、饱和重度、饱和重度sat和有效重度和有效重度 【解答】解答】%98.11167167187%100smm3/87. 1100187cmgVm3/7 .181087. 1mkNg3/7 .1610100167mkNgdd593. 0187. 1)1198. 01 (66. 21)1 (sGe%7 .53593. 066. 21198. 0eGSsr3/4 .2010593. 01593. 066. 21mkNeeGssat3/4 .10104 .20mkNwsat小结小结物理性质指标物

36、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

37、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一. 物理性质指标1.3 土的物理状态土的物理状态1 土的物性与分类压实：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

38、现场试验: 夯打、振动、碾压土的压实性土的压实性1 土的物性与分类土的压实性n一、土的击实试验一、土的击实试验 在试验室内通过击实试验研究土的压实性。击实试验有在试验室内通过击实试验研究土的压实性。击实试验有轻型和重型两种。轻型和重型两种。击实筒击实筒护筒护筒击锤击锤导筒导筒轻型击实试验轻型击实试验适用于粒径小于适用于粒径小于5mm的土，击实筒容积为的土，击实筒容积为947cm3，击锤质量为击锤质量为2.5kg。把制备成一定把制备成一定含水量的土料分三层装入击实筒，含水量的土料分三层装入击实筒，每层土料用击锤均匀锤击每层土料用击锤均匀锤击25下，下，击锤落高为击锤落高为30.5cm 重型击实试

39、验重型击实试验适用于粒径小于适用于粒径小于40mm的土，击实筒容积为的土，击实筒容积为2104cm3，击锤质量为击锤质量为4.5kg，击锤落高为击锤落高为45.7cm 。分五层击实，每层分五层击实，每层56击。击。根据击实后土样的密度和实测含水量计算相应的干密度根据击实后土样的密度和实测含水量计算相应的干密度一. 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 对土分三层压实

40、；对土分三层压实； 测定击实后的测定击实后的、，算定算定d 注意注意：仅适用于细粒土；对粗粒土，可用较大尺仅适用于细粒土；对粗粒土，可用较大尺寸的击实仪寸的击实仪土土1.6 土的压实性土的压实性1 土的物性与分类二. 细粒土的压实性 1.1.击实曲线击实曲线2 2. .理论分析理论分析 3 3. .影响因素影响因素4 4. .压实标准压实标准1.6 土的压实性土的压实性1 土的物性与分类1 1. .击实曲线击实曲线 特点：特点：具有峰值具有峰值位于饱和曲线之下位于饱和曲线之下 粘性土粘性土渗透系数渗透系数很小，很小，压实过程中含水量几乎压实过程中含水量几乎不变，要想击实到饱和不变，要想击实到饱

41、和状态是不可能的状态是不可能的。satdd)( 0 4 8 12 16 20 24 28含水量含水量w(%)2.0干密度干密度 d(g/cm3)饱和曲线饱和曲线 dmax=1.86wop=12.1rswsdS/wG1G wG1G)(swssatd 1Sr 二. 细粒土的压实性 最大干密度最优含水量1.6 土的压实性土的压实性1 土的物性与分类2 2. . 理论分析理论分析 压实机理：压实机理： 颗粒被击碎，土粒定向排列颗粒被击碎，土粒定向排列; 粒团破碎，粒间联结力被破粒团破碎，粒间联结力被破坏而发生孔隙体积减小坏而发生孔隙体积减小; 空气被挤出或被压缩等空气被挤出或被压缩等

42、水膜润滑作用效果最佳水膜润滑作用效果最佳; ; 尚没有形成封闭气泡，气体易于排出尚没有形成封闭气泡，气体易于排出; ;颗粒表面水膜很薄，相对移动困难颗粒表面水膜很薄，相对移动困难 水膜润滑作用不明显水膜润滑作用不明显;封闭气泡难以排出封闭气泡难以排出;增加水的相对含量增加水的相对含量 op, d dmax op , d op , d9598% 级土石坝级土石坝 Dc9295% 二. 细粒土的压实性 1.6 土的压实性土的压实性1 土的物性与分类不存在最优含水量不存在最优含水量； 在完全风干和饱和两种状态在完全风干和饱和两种状态 下易于击实下易于击实；潮湿状态下潮湿状态下d明显降低明显降低。 三

43、. 粗粒土的压实性 1 1. .击实曲线击实曲线特点特点d 20%粗砂粗砂 =45%中砂中砂 =7%； 时，干密度最小时，干密度最小 2 2. . 理论分析理论分析 对粗粒土，击实过程中可以自由排水，不存在细粒土中出现的现象。对粗粒土，击实过程中可以自由排水，不存在细粒土中出现的现象。 在潮湿状态下，存在着假凝聚力，加大了阻力。在潮湿状态下，存在着假凝聚力，加大了阻力。3 3. . 压实标准压实标准 常用相对密度常用相对密度控制控制 Dr0.70.75 施工过程中要么风干，要么就充分洒水，使土料饱和施工过程中要么风干，要么就充分洒水，使土料饱和 1.6 土的压实性土的压实性1 土的物性与分类二

44、.土的物理状态指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1 土的物性与分类e 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二. 物理状态指标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

45、种土对对策策相对密度相对密度minmaxmaxreeeeD 干容重干容重 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1 土的物性与分类e 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

46、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隙比有时很困难二. 物理状态指标1.3 土的物理状态土的物理状态1 土的物性与分类砂土的密实度 标准贯入试验锤击数 密 实 度 N 10 松 散 10 N 15 稍 密 15 N 30 中 密 N 30 密 实 n三、例题分析三、例题分析 n【例】某砂土试样某砂土试样, ,试验测定土粒相对密度试验测定土粒相对密度Gs=2.7, ,含水量含水量=9.43%, ,天然密度天然密度=1.66/cm3。已知砂样最密实状态时称已知砂样最密实状态时称得干砂质量得干砂质量ms1=1.62kg, ,最疏松状态时称得干砂质量最疏松状态时称得干砂质量m

47、s2=1.45kg。求此砂土的相对密度求此砂土的相对密度Dr, ,并判断砂土所处的密并判断砂土所处的密实状态实状态 【解答】解答】78. 0166. 1)0943. 01 (7 . 21)1 (sGe砂土在天然状态下的孔隙比砂土在天然状态下的孔隙比砂土最小孔隙比砂土最小孔隙比31max/62. 1cmgVmsd67.01maxmindwsGe砂土最大孔隙比砂土最大孔隙比32min/45. 1cmgVmsd86.01minmaxdwsGe42.0minmaxmaxeeeeDr相对密实度相对密实度（1/3,2/31/3,2/3 中密状态中密状态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

48、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度相对密度minmaxmaxreeeeD dmindmaxdmaxdminddr)()(D 二. 物理状态指标1.3 土的物理状态土的物理状态1 土的物性与分类2. 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量量较较硬硬变变软软流流动动二. 物理状态指标1.3 土的物理状态土的物理状

49、态1 土的物性与分类塑限塑限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w二. 物理状态指标1.3 土的物理状态土的物理状态1 土的物性与分类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n二、粘性土的稠度二、粘性土的稠度

50、 1.粘性土的稠度状态粘性土的稠度状态稠度稠度是指土的软硬程度或土受外力作用所引起变形或破是指土的软硬程度或土受外力作用所引起变形或破坏的抵抗能力坏的抵抗能力, ,是粘性土最主要的物理状态特征是粘性土最主要的物理状态特征 0固态或半固态固态或半固态可塑状态可塑状态流动状态流动状态塑限塑限P液限液限L粘性土由某一种状态过渡到另一状态的界限含水量称为粘性土由某一种状态过渡到另一状态的界限含水量称为土的稠度界限土的稠度界限液塑限测定根据土工试验规程液塑限测定根据土工试验规程(SL237-007-1999)规定，规定，采用液塑限联合测定仪进行测定。采用液塑限联合测定仪进行测定。液塑限联合测定仪液塑限联

51、合测定仪下沉深度为下沉深度为17mm所对应的含水量为液限所对应的含水量为液限; ;下沉深度为下沉深度为2mm处所对应的含水量为塑限处所对应的含水量为塑限 2.粘性土的塑性指数和液性指数粘性土的塑性指数和液性指数塑性指数塑性指数IP是液限和塑限的差值是液限和塑限的差值(省去省去%)，即土处在可塑状态的即土处在可塑状态的含水量变化范围含水量变化范围说明：说明：塑性指数的大小取决于土颗粒吸附结合水的能力塑性指数的大小取决于土颗粒吸附结合水的能力, ,即与即与土中粘粒含量有关。粘粒含量越多土中粘粒含量有关。粘粒含量越多, ,塑性指数就越高塑性指数就越高 说明：说明：液性指数表征土的天然含水量与界限含水

52、量间的相对关液性指数表征土的天然含水量与界限含水量间的相对关系。当系。当IL0时时, ,P, ,土处于坚硬状态土处于坚硬状态; ;当当IL1时时, ,L, ,土处土处于流动状态。根据于流动状态。根据IL值可以直接判定土的软硬状态值可以直接判定土的软硬状态 PLpI液性指数液性指数IL是粘性是粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比 PPLII状态状态液性指数液性指数坚硬坚硬硬塑硬塑可塑可塑软塑软塑流塑流塑IL00IL0.250.25IL0.750.75IL1IL1相对稠度相对稠度pLlpwwIww 问题：仅适用于问题：仅适用于重塑土重塑土即使即使含水

53、量相同，稠度可能不同稠度可能不同液性指数液性指数对不同的粘土，对不同的粘土，wp、wl 大小不同大小不同定义：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二. 物理状态指标1.3 土的物理状态土的物理状态1 土的物性与分类对同一种粘土，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：plpIww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分类的依据缺点缺点不能充分反映

54、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颗粒的质量占总土总质量的百分比比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二. 物理状态指标1.3 土的物理状态土的物理状态1 土的物性与分类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

55、水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二. 物理状态指标1.3 土的物理状态土的物理状态1 土的物性与分类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uutqqS 四. 反映粘性土结构性的指标 03 uquq 相同含水量、密度相同含水量、密度1 1. .粘性土的灵敏度粘性土的灵敏度 S St t =原状土原状土结构性结构性相同含水量相同含水量密度、组成密度、组成粉碎粉碎重塑重塑重塑土重塑土强度降低强度降低St11-22-44-

56、88-1616粘性土粘性土不灵敏不灵敏低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1 土的物性与分类1.4 土（岩）的工程分类n一、分类的目的和原则一、分类的目的和原则 土的分类体系就是根据土的工程性质差异将土划分土的分类体系就是根据土的工程性质差异将土划分成一定的类别，目的在于通过通用的鉴别标准，便于在成一定的类别，目的在于通过通用的鉴别标准，便于在不同土类间作有价值的比较、评价、积累以及学术与经不同土类间作有价值的比较、评价、积累以及学术与经验的交流验的交流分类原则：

57、分类原则：1.分类要简明，既要能综合反映土的主要工程性质，又要分类要简明，既要能综合反映土的主要工程性质，又要测定方法简单，使用方便测定方法简单，使用方便2.土的分类体系所采用的指标要在一定程度上反映不同类土的分类体系所采用的指标要在一定程度上反映不同类工程用土的不同特性工程用土的不同特性岩土的工程分类岩土的工程分类n土分为：岩石、碎石土、砂土、粉土和粘性土和特殊土n岩石的坚硬程度根据岩块的饱和单轴抗压强度frk分为坚硬岩、较硬岩、较软岩、软岩和极软岩。 n当缺乏饱和单轴抗压强度资料或不能进行该试验时，可在现场通过观察定性划分。 n岩石按风化程度分为未风化、微风化、弱风化、强风化和全风化。 坚

58、硬程度与饱水单轴无侧限抗压强度的对应关系 强度 / MPa 60 60-30 3015 155 5 坚硬程度 坚硬岩 较坚硬岩 较软岩 软岩 极软岩 岩 体 完 整 性 划 分 等 级 名 称 结 构 类 型 完 整 性 系 数 Kv 完 整 整 体 状 或 巨 厚 层 状 结 构 0.75 较 完 整 块 状 或 厚 层 状 结 构 0.75 0.55 较 破 碎 中 、 薄 层 状 或 镶 嵌 碎 裂 结 构 0.55 0.35 破 碎 裂 隙 块 状 结 构 或 碎 裂 结 构 0.35 0.15 松 散 散 体 结 构 d n（B） sat d n（C） sat dn（D） sat d

59、n您的选项（您的选项（ ）n4.已知某砂土的最大、最小孔隙比分别为已知某砂土的最大、最小孔隙比分别为0.7、0.3，若天，若天然孔隙比为然孔隙比为0.5，该砂土的相对密实度，该砂土的相对密实度Dr为：为：n（A） 4.0 n（B） 0.75 n（C） 0.25 n（D） 0.5 n您的选项（您的选项（ ）n3. 正确答案：（B）n提示：土的天然重度为土在天然状态下，单位体积的重力，土的干重度为土单位体积的土颗粒重力，土的饱和重度为土孔隙全部充满水时单位体积的重力，土的有效重度为处于地下水位以下的土，扣除水的浮力后，单位体积的重力。n4. 正确答案：（D）n提示：无粘性土的相对密实度Dr（ema

60、xe）/（emaxe min），式中：emax、 e min分别为无粘性土的最大（最松散状态）、最小（最密实状态）孔隙比，e为无粘性土的天然孔隙比。n5.判别粘性土软硬状态的指标是：判别粘性土软硬状态的指标是：n液限液限 n塑限塑限n塑性指数塑性指数n液性指数液性指数 n您的选项（您的选项（ ）n6亲水性最弱的粘土矿物是：亲水性最弱的粘土矿物是：n蒙脱石蒙脱石 n伊利石伊利石n高岭石高岭石n方解石方解石 n您的选项（您的选项（ ）n5. 正确答案：（D）n提示：液性指数IL（wwP）/（wLwP），式中：wP为塑限，wL为液限，w为天然含水量。W数值越大，其液性指数IL数值越大，表明土体越软，