土力学第一章-1

1、土的物理性质及工程分类土的物理性质及工程分类第第1 1章章本章目的本章目的: : 对土的特点进行详细解释和定量描述对土的特点进行详细解释和定量描述 学习要点学习要点: : 各节间联系各节间联系 各节内层次各节内层次第第1 1章章 土的物性及分类土的物性及分类土的三相组成和结构土的三相组成和结构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物理性质土的物理状态土的工程分类土的工程分类土的击实性土的击实性 决定决定反反映映如何获得较好的土如何获得较好的土便于研究和应用便于研究和应用1 1 土的物性及分类土的物性及分类1.1 土的三相组成和土的结构土的三相组成和土的结构1.2 土的物理性质指标

2、土的物理性质指标1.3 土的物理状态指标土的物理状态指标1.4 土的击实特性土的击实特性 1.5 土的工程分类土的工程分类1 1 土的物性及分类土的物性及分类1.1.1 1 土的三相组成土的三相组成和土的结构和土的结构气相气相aair固相固相ssolid液相液相wwater+ + +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土体次要作用次要作用1 1 土的物性及分类土的物性及分类1.1.1 土的三相组成土的三相组成三相草图三相草图形象化形象化WaterAirSolidVaVwVsVvVMa=0MwMsM质量质量/g体积体积/cm31 1 土的物性及分类土的物性及分类Va=

3、0饱和土饱和土1.1.1 1土的三相组成土的三相组成和结构和结构二相图二相图Vw=0干干土土Va0Vw0湿土湿土三相图三相图1.1.2 土的固相土的固相（solid phase）物理性质物理状态力学特性粒径大小粒径大小1.1.1 1土的三相组成土的三相组成和结构和结构矿物成分矿物成分颗粒形状颗粒形状 1 1 土的物性及分类土的物性及分类土粒土粒+粒间胶结物粒间胶结物+有机质有机质1. 土粒粒组土粒粒组（grain group）粒组粒组 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分界粒径分界粒径 性质上表现明显不同的粒径性质上表现明显不同的粒径人为人为1.1.2土的

4、固土的固相相1 1 土的物性及分类土的物性及分类1.1.1 1土的三相组成土的三相组成和结构和结构d(mm)d(mm)砾石砾石砂粒砂粒粉粒粉粒粘粒粘粒6020.0750.005粗粒组粗粒组细粒组细粒组卵石卵石200漂石漂石巨粒组巨粒组claysiltsandgravelcobbleboulder细砂细砂fine sand粗砂粗砂coarse sand碎石碎石macadam卵石卵石cobbleclay粉质粘土粉质粘土silty clay粘性土粘性土clayey soil碎石土碎石土break stone砂土砂土sand2. 土的颗粒级配土的颗粒级配（mechanical composition）

5、颗粒大小各粒径成分在土中占的比例狭义的狭义的颗粒级配颗粒级配影响土性影响土性的主因的主因1.1.2土的固土的固相相1 1 土的物性及分类土的物性及分类1.1.1 1土的三相组成土的三相组成和结构和结构颗粒级配颗粒级配1 1）试验方法）试验方法 筛分法：筛分法：适用于粗粒土适用于粗粒土 (0.075 mm) (sieving) 水分法：水分法：适用于细粒土适用于细粒土 (2mm)砂粒砂粒（20.075mm)粉粒粉粒（0.075 0.005mm)粘粒粘粒（0.005mm)12%88-39=49%39-4.3=34.7%4.3%定名定名依据依据12%49%34.7%88%39%4.3%1009080

6、706050403020100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)土的颗粒级配曲线土的颗粒级配曲线定性评价定性评价: : 曲线形状、外观曲线形状、外观1.1.2土的固土的固相相1 1 土的物性及分类土的物性及分类1.1.1 1土的三相组成土的三相组成和结构和结构3 3）成果应用）成果应用级配情况级配情况ABC陡直陡直粒径粒径集中，均匀集中，均匀平顺、连续、光平顺、连续、光滑滑不均匀不均匀出现水平出现水平段段缺缺失粒径失粒径1009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（）

7、小于某粒径之土质量百分数（）105.01.050.010.0050.001粒径粒径(mm)土的颗粒级配曲线土的颗粒级配曲线d60d10d30特征粒径特征粒径: : d60 : 控制粒径控制粒径d10 : 有效粒径有效粒径d30 1.1.2土的固土的固相相1 1 土的物性及分类土的物性及分类1.1.1 1土的三相组成土的三相组成和结构和结构3 3）成果应用）成果应用级配情况级配情况定量评价定量评价: : 定义指标描述曲线形状定义指标描述曲线形状AB1009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（）小于某粒径之土质量百分数（）105.01.00.50.10

8、0.050.010.0050.001粒径粒径(mm)土的颗粒级配曲线土的颗粒级配曲线d60d10不均匀程度不均匀程度：Cu = d60 / d10 Cu描述曲线是否平描述曲线是否平缓的指标，数值越缓的指标，数值越大级配越好大级配越好 不均匀系数不均匀系数（coefficient of uniformity）Cu 5,级配不均匀1.1.2土的固土的固相相1 1 土的物性及分类土的物性及分类1.1.1 1土的三相组成土的三相组成和结构和结构3 3）成果应用）成果应用级配情况级配情况定量定量ABCuA=1.87 CuB=14 d60A = d60B= 0.28，d10A=0.15 d10B =0.0

9、21009080706050403020100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)土的颗粒级配曲线土的颗粒级配曲线d60d10d30曲线曲线d60d10d30CuCcL0.33 0.0050.256637.9B0.0632.41R0.0130.102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C

10、c = 1 3, 级配连续性好级配连续性好1.1.2土的固土的固相相1 1 土的物性及分类土的物性及分类1.1.1 1土的三相组成土的三相组成和结构和结构3 3）成果应用）成果应用级配情况级配情况定量定量连续程度连续程度: : Cc = d302 / (d60 d10 ) 曲率系数曲率系数（coefficient of curvature）LBRCCcCCcR d60C = d60B=0.33， d10C =d10B=0.005 颗粒级配颗粒级配颗粒级配曲线及指标的用途颗粒级配曲线及指标的用途：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

11、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 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, 级配级配 不良的土不良的土1.1.2土的固土的固相相1 1 土的物性及分类土的物性及分类1.1.1 1土的三相组成土的三相组成和结构和结构3. 粘土颗粒的特性粘土颗粒的特性原生矿物原生矿物 石英石英、长石长石、云母云母等等物理风化物理风化（original mineral）次

12、生矿物次生矿物 主要是主要是粘土矿物粘土矿物化学风化化学风化（secondary mineral） 包括三种类型：包括三种类型：高岭石、伊利石、蒙脱石高岭石、伊利石、蒙脱石1.1.2土的固土的固相相1 1 土的物性及分类土的物性及分类1.1.1 1土的三相组成土的三相组成和结构和结构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（吸着水）强结合水（吸着水） 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

13、动，有粘滞性不因重力而移动，有粘滞性弱结合水（薄膜水）弱结合水（薄膜水）1 1 土的物性及分类土的物性及分类1.1.3土的液土的液相相1.1.1 1土的三相组成土的三相组成和结构和结构自由水自由水（free water）重力水重力水毛细水毛细水地下水位（浸润线）以下饱和土中地下水位（浸润线）以下饱和土中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1 1 土的物性及分类土的物性及分类1.1.3土的液土的液相相1.1.1 1土的三相组成土的三相组成和结构和结构（

14、gravitation water）（capillary water） 空气空气固体固体水水 l不同大小土粒上不同大小土粒上升高度不同升高度不同毛细水毛细水毛细现象毛细现象毛毛细细管管hc1 1 土的物性及分类土的物性及分类1.1.3土的液土的液相相1.1.1 1土的三相组成土的三相组成和结构和结构使潮湿的砂土具使潮湿的砂土具有假粘聚力有假粘聚力直立，成团直立，成团工程意义：地下室潮湿、工程意义：地下室潮湿、 冻土冻土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 1 土的物性及分类

15、土的物性及分类1.1.1 1土的三相组成土的三相组成和结构和结构1.1.4土的气相土的气相（air phase）1 1 土的物性及分类土的物性及分类1.1.5 土的结构土的结构土颗粒或粒团相互排土颗粒或粒团相互排列和联结方式列和联结方式颗粒大小颗粒大小物理力学特性物理力学特性土的结土的结构构影影响响矿物成分矿物成分沉积条件沉积条件成土过程自然形成土过程自然形成成影响影响1.1.1 1土的三相组成土的三相组成和结构和结构土的结构类型土的结构类型 排列形式排列形式 矿物成分矿物成分单粒结构单粒结构密密 示意图示意图点与点、点与面点与点、点与面原生矿物原生矿物1 1 土的物性及分类土的物性及分类1.

16、1.4土的结土的结构构1.1.1 1土的三相组成土的三相组成和结构和结构粗粗粒粒土土单粒结构单粒结构松松土的结构类型土的结构类型 形成环境形成环境 排列形式排列形式 矿物成分矿物成分絮状结构絮状结构( (絮凝结构絮凝结构) )蜂窝结构蜂窝结构 示意图示意图淡水中沉积淡水中沉积海水中沉积海水中沉积次生矿物次生矿物次生矿物次生矿物天然条件下，可能是多种组合，或者由一种结构过渡向另一种结构。天然条件下，可能是多种组合，或者由一种结构过渡向另一种结构。面与面面与面边、角与面边、角与面边、角与边边、角与边力学特性有何差异？力学特性有何差异？1 1 土的物性及分类土的物性及分类1.1.4土的结土的结构构1

17、.1.1 1土的三相组成土的三相组成和结构和结构细细粒粒土土意义成土过程形成成土过程形成扰扰动，强度降低动，强度降低试验室取样试验结果的试验室取样试验结果的可靠程度取决于取样的可靠程度取决于取样的质量质量开挖基坑开挖基坑防止扰动，防止扰动，特别对高灵敏度土特别对高灵敏度土土的结构1 1 土的物性及分类土的物性及分类1.1.4土的结土的结构构1.1.1 1土的三相组成土的三相组成和结构和结构以上定性研究以上定性研究三相组成及结三相组成及结构的影响；以构的影响；以下定量三相比下定量三相比例关系例关系 土有三个组成部分：固相、液相和气相土有三个组成部分：固相、液相和气相 小结小结1. 固体颗粒固体颗

18、粒2. 土中水土中水3. 土中气体土中气体 颗粒级配颗粒级配 矿物成分矿物成分 颗粒形状颗粒形状 结合水结合水 (强结合水、弱结合水强结合水、弱结合水) 自由水自由水 (重力水、毛细水重力水、毛细水) 自由气体自由气体封闭气体封闭气体1 1 土的物性及分类土的物性及分类1.1.1 1土的三相组成土的三相组成和结构和结构4. 土的结构土的结构 单粒结构单粒结构 蜂窝结蜂窝结构构 絮状结絮状结构构 以上定性研究以上定性研究三相组成及结三相组成及结构的影响；以构的影响；以下定量三相比下定量三相比例关系例关系 粘性土粘性土（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

19、的特点土的特点土的力学特性土的力学特性与土有关的工程问题与土有关的工程问题土的生成土的生成土的三相组成土的三相组成区别对待区别对待 1.1土的三相组成和结构土的三相组成和结构 1.2土的物理性质指标土的物理性质指标？ 1.3土的物理状态指标土的物理状态指标?1.4土的压实特性土的压实特性 ?1.5土的工程分类土的工程分类1 1 土的物性及分类土的物性及分类1.2 土的物理性质指标土的物理性质指标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土的物理性质力学特力学特性性影响影响表表示示1 1 土的物性及分类土的物性及分类？( (松松密程度、干

20、湿程度、轻重程度、软硬程度密程度、干湿程度、轻重程度、软硬程度) )物理性质指标物理性质指标土的三个组成相的体积土的三个组成相的体积和质量上的比例关系和质量上的比例关系1.2 土的物理性质指标土的物理性质指标松密程度松密程度干湿程度干湿程度轻重程度轻重程度软硬程度软硬程度特点特点: 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1 1 土的物性及分类土的物性及分类三相草图三相草图WaterAirSolid

21、VaVwVsVvVMa=0MwMsM质量质量/g体积体积/cm31.2 土的物理性质指标土的物理性质指标1 1 土的物性及分类土的物性及分类重量重量/kNWM1.2 土的物理性质指标土的物理性质指标1 1 土的物性及分类土的物性及分类三相草图三相草图WaterAirSolidVaVwVsVvVMa=0MwMsM质量质量体积体积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 Mw 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

22、个独立变量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M=Ms +M w +MaMa0V =Vs +Va +Vw Vv =Va +VwM w = wVw1.2.1天然重（力密）度天然重（力密）度 与天然（质量）密度与天然（质量）密度 土的天然重度土的天然重度swswaWWWVVVV工程上比密度更常用工程上比密度更常用, 用于计算土的自重应力用于计算土的自重应力单单 位位: kN/m3 ，tf/m3定定 义义: 单位体积土的重量单位体积土的重量有时也称有时也称土的天然容土的天然容重重表达式表达式:三相草图有助于直观三相草图有助于直观理解物性指标

23、的概念理解物性指标的概念1.2 土的物理性质指标土的物理性质指标1 1 土的物性及分类土的物性及分类WaterAirSolidVaVwVsVvVWa=0WwWsW重量重量体积体积（natural unit weight）（natural density）轻重轻重土的天然密度土的天然密度swswaMMMVVVV=g单单 位位: g/cm3，t/m3一般范围一般范围: 1.602.20 g/cm3定定 义义: 单位体积土的质量单位体积土的质量有时也称有时也称土的湿密度土的湿密度表达式表达式:两者关系：两者关系：室内测量方法：室内测量方法：环刀法环刀法1.2 土的物理性质指标土的物理性质指标1 1

24、土的物性及分类土的物性及分类WaterAirSolidVaVwVsVvVMa=0MwMsM质量质量体积体积轻重轻重 s: 土粒的密度，单位体积土粒的质量土粒的密度，单位体积土粒的质量sssMV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 2.65o4 Cwoosss4 C4 CswwMGV：4C时纯蒸馏水的密度时纯蒸馏水的密度4 Cw=1.0 g/cm3土粒比重在数值上等于土粒的密度土粒比重在数值上等于土粒的密度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:1.2 土的物理性质指标土的物理性质指标

25、1 1 土的物性及分类土的物性及分类WaterAirSolidVaVwVsVvVMa=0MwMsM质量质量体积体积1.2.2土粒比重（土粒相对密度）土粒比重（土粒相对密度）Gs（specific gravity）测量方法：测量方法：比重瓶法比重瓶法定义定义: 土粒的质量与同体积土粒的质量与同体积4C纯蒸馏水的质量的比值纯蒸馏水的质量的比值MMMwMMwsss(%)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:1.2 土的物理性质指标土的物理性质指标1 1 土的物性

26、及分类土的物性及分类WaterAirSolidVaVwVsVvVMa=0MwMsM质量质量体积体积1.2.3 土的含水量（含水率）土的含水量（含水率）w（water content，moisture content）测量方法：测量方法：烘干法烘干法干湿、软硬干湿、软硬砂类土：砂类土：0-40%粘性土：粘性土：20-100%有的泥碳土可达有的泥碳土可达300-600%v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VeVvsVnVv(%)关系关系:1ene1nen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

27、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确定物性指标之间的关系物性指标之间的关系1.2 土的物理性质指标土的物理性质指标1 1 土的物性及分类土的物性及分类1.2.4 孔隙比孔隙比e和孔隙率和孔隙率n（void ratio）（porosity）松密松密砂类土：砂类土：0.33-1.0粘性土：粘性土：0.6-5设设Vs=

28、1WaterAirSolidVs=1Vv=eV=1+eMa=0Mw= wGs w 质量质量体积体积e=Vv/Vs Vv=Vse=e 则则V=Vs+Vv=1+e得得Ms=Gs w 根据土粒比重的定义根据土粒比重的定义Gs=Ms/(Vs* w) 由密度定义由密度定义根据含水量的定义根据含水量的定义w=Mw/Ms， M=Ms+Mw= Gs w(1+w) ，将结果填入三相图，将结果填入三相图1.2 土的物理性质指标土的物理性质指标1 1 土的物性及分类土的物性及分类已知三个试验测定指标（已知三个试验测定指标（ 、Gs、w），如何利用三相图求），如何利用三相图求e？得得Mw=wMs=wGs w M=Gs

29、 w(1+w)sw11G(w)MVesw11G(w)e解得解得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Ms=Gs w v表示土中含水程度的指标表示土中含水程度的指标含水量含水量饱和度饱和度VSVwrv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1.2 土的物理性质指标土的物理性质指标1 1 土的物性及分类土的物性及分类WaterAirSolidVaVwVsVvVMa=0MwMsM质量质量体积体积1.2.5 饱和度饱和度Sr

30、（degree of saturation）MwMws(%)干湿、软硬干湿、软硬接前面解答接前面解答WaterAirSolidVaVwVs=1Vv=eV=1+eMa=0Mw= wGs w Ms=Gs质量质量体积体积由饱和度定义由饱和度定义水的质量已得到Mw= Gs ww1.2 土的物理性质指标土的物理性质指标1 1 土的物性及分类土的物性及分类已知三个试验测定指标（已知三个试验测定指标（ 、Gs、w），如何利用三相图求），如何利用三相图求Sr？M=Gs w(1+w)wsrvVwGSVe对完全饱和土对完全饱和土可得水的体积可得水的体积wswwswwMwGVwGwsrv100VwGS%VesewG

31、所以所以饱和密度饱和密度MVVswvsatgsatsat饱和重度饱和重度1.2 土的物理性质指标土的物理性质指标1 1 土的物性及分类土的物性及分类WaterAirSolidVaVwVsVvVMa=0MwMsM质量质量体积体积1.2.6 饱和重度饱和重度 sat与饱和密度与饱和密度 sat（saturated unit weight）（saturated density）轻重轻重WVVswvsat一般范围一般范围: 1.802.30 g/cm3单单 位位: g/cm3单单 位位: kN/m3两者关系：两者关系：有效密度有效密度有效重度有效重度1.2 土的物理性质指标土的物理性质指标1 1 土的

32、物性及分类土的物性及分类WaterAirSolidVaVwVsVvVWa=0WwWsW质量质量体积体积1.2.7 有效（浮）重度有效（浮）重度 （submerged unit weight，buoyant unit weight）轻重轻重WVV sws单单 位位: kN/m3浮重度浮重度wsat 有效容重有效容重工程上常用于计算处于工程上常用于计算处于水下土的自重应力水下土的自重应力干密度干密度MVsd1wd干重度干重度1.2 土的物理性质指标土的物理性质指标1 1 土的物性及分类土的物性及分类WaterAirSolidVaVwVsVvVMa=0MwMsM质量质量体积体积1.2.8 干重度干重度 d与干密度与干密度 d（dry unit weight）（dry density）松密松密WVsd一般范围一般范围: 1.302.0 g/cm3单单 位位: g/cm3单单 位位: kN/m3应用：反映土体松密，填土施工质量控制指标应用：反映土体松密，填土施工质量控制指标1wd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:表达式表达式:或或ggddgsatsat satw1.2 土的物理性质指标土的物理性质指标1 1 土的物性及分类土的物性及分类