任务3-1-1土的工程性质及试验

1、教学模块教学模块3 3 路基填筑材料路基填筑材料能力目标：能力目标：能对土的和土工合成材料常规技术能对土的和土工合成材料常规技术 指标进行试验。指标进行试验。知识目标：知识目标：掌握土和土工合成材料的技术性掌握土和土工合成材料的技术性 质，了解特殊土的技术性质。质，了解特殊土的技术性质。 道路建筑材料道路建筑材料课程建设组课程建设组 任务任务3-1-1土的工程性质及试验土的工程性质及试验土的形成土的形成岩石岩石地球风化、剥蚀搬运、沉积土土地球岩石岩石地球风化、剥蚀土的形成（风化）土的形成（风化）物理风化物理风化原生矿物原生矿物化学风化化学风化次生矿物次生矿物生物风化生物风化动植物活动有有 机机

2、 质质母岩表面和碎散的颗粒受环母岩表面和碎散的颗粒受环境因素的作用而改变其矿物境因素的作用而改变其矿物的化学成分，形成新的矿物。的化学成分，形成新的矿物。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。土的形成（沉积与搬运）土的形成（沉积与搬运）残积土无搬运母岩表层经风化作用破碎成岩屑母岩表层经风化作用破碎成岩屑或细小颗粒后，未经搬运残留在或细小颗粒后，未经搬运残留在原地的堆积物。原地的堆积物。运积土有搬运风化所形成的土颗粒，受自然力风化所形成的土颗粒，受自然力的作

3、用搬运到远近不同的地点所的作用搬运到远近不同的地点所沉积的堆积物。沉积的堆积物。一、土的三相组成一、土的三相组成 土粒土粒水水气气固相液相气相构成土骨架，起决定作用构成土骨架，起决定作用重要影响重要影响次要作用次要作用土的三相组成（续）土的三相组成（续）固体+气体 固体液体气体 固体液体 干土 湿土 饱和土 干粘土呈干硬状态；干砂呈松散状态。粘土多为可塑状态；砂土具有一定的连接性 粘土多为流塑状态；砂土呈松散状态，但受震动可能产生液化。液相液相=0气相气相=0二、土的物理性质二、土的物理性质 土的物理性质就是研究三相的质量与体积间的相互比例关系以及固、液两相相互作用表现出来的性质。 水水（Wa

4、ter）气气（Air）土粒土粒（Soil）ma=0mwmsm mma=0水水（Water）气气（Air）土粒土粒（Soil）水水（Water）气气（Air）土粒土粒（Soil）水水（Water）气气（Air）土粒土粒（Soil）mwmsma=0水水（Water）气气（Air）土粒土粒（Soil）质量体积VaVwVsVvVmwmsma=0水水（Water）气气（Air）土粒土粒（Soil）土的物理指标分类土的物理指标分类一类是必须通过试验测定的，如含水量，密度和土的比重；另一类是可以根据试验测定的指标换算的；如孔隙比，孔隙率和饱和度等。 1、土的比重wssmmG定义：定义：土的比重是指土固体颗粒

5、的质量与4蒸馏水的质量之比。 表达式：表达式：土的比重仅与组成土粒的矿物密度有关，而与土的孔隙大小和含水多少无关。实际上是土中各种矿物比重的加权平均值。 砂土的比重一般为：2.65 2.75；粉质砂土的比重一般为：2.68；粉质粘土的比重一般为：2.682.72；粘土的比重一般为：2.75-2.80。气气水水土粒土粒msmwmVsVwVVa质量质量m体积体积V测定方法：比重瓶法、浮力法、浮称法和虹吸筒法。无量刚 2、土的密度、土的密度定义：定义：土的密度是指土单位体积的质量。根据孔隙中含水的情况不同可分为湿密度（天然密度）、干密度和饱和密度。测定方法：测定方法：环刀法、电动取土器法、蜡封法、灌

6、水法和灌砂法。土的湿密度（天然密度）土的湿密度（天然密度）定义：定义：土的湿密度是指天然状 态下土单位体积的质量。 表达式：表达式：单位：g/cm3 awswsVVVmmVm气气水水土粒土粒msmwmVsVwVVa质量质量m体积体积V土的湿密度取决于土粒的比重、孔隙体积的大小和孔隙中水的质量多少，它综合反映了土的物质组成和结构特征。土的湿密度在.62.2 g/cm3土的干密度土的干密度定义：土的孔隙中完全没有水时的密度，即是指土干燥状态下单位体积的重量。 气气水水土粒土粒msmwmVsVwVVa质量质量m体积体积V表达式：表达式：单位： g/cm3 Vmsd干密度反映了土的孔隙性，因而可用以计

7、算土的孔隙率，它往往通过土的湿密度及含水率计算得来，但也可以实测。 土的干密度一般常在1.32.0 g/cm3 在工程上常把干密度作为评在工程上常把干密度作为评定土体紧密程度的标准，以定土体紧密程度的标准，以控制填土工程的施工质量。控制填土工程的施工质量。 土的土的饱和密度饱和密度定义定义: :土的孔隙完全被水充满时的密度称为饱和密度。即土的孔隙中全部充满液态水时的单位体积质量。气气水水土粒土粒msmwmVsVwVVa质量质量m体积体积V表达式表达式: :单位: g/cm3 VVmwvsf土的饱和密度的常见值为1.82.30 g/cm3土的饱和密度取决于土粒的比重和孔隙体积的大小。土的密度土的

8、密度 同一种土在体积不变的条件下，它的各种密度在数值上有如下关系： df3 3、土与水的关系、土与水的关系饱和度 土的含水性土的含水性: :指土中含水情况，说明土的干湿程度。指土中含水情况，说明土的干湿程度。 土的含水性含水量饱和含水量最佳含水量土的含水率土的含水率定义定义: :为土中所含水的质量与干土颗粒质量之比，以百分数表示 。表达式表达式: :%100swmmw%100ddw或天然状态下土的含水率称土的天然含水率。一般砂土天然含水率都不超过40%，以1030%最为常见；一般粘土大多在1080%之间，常见值2050%。 测定方法：烘干法、酒精燃烧法和比重法。土的饱和含水量土的饱和含水量定义

9、：土的孔隙全部被水充满时的含水率。%100maxswvmVw表达式表达式: :饱和含水量实质上就是用水的数量表示土中孔隙体积的大小，即 。WVmV 土的最佳含水量土的最佳含水量定义：定义：土在标准击实试验条件下，能达到最大干土在标准击实试验条件下，能达到最大干密度时的含水量。一般通过土的击实曲线得到，密度时的含水量。一般通过土的击实曲线得到，或利用相关物理指标导出。或利用相关物理指标导出。0 4 8 12 16 20 24 28含水量含水量w(%)2.01.81.61.4干密度干密度 d(g/cm3)土的饱和度土的饱和度定义定义: :土中孔隙水的体积与全部孔隙体积之比，以百分数表示。 表达式表

10、达式: :%100vwrvvs%100maxwwsr或或饱和度愈大，表明土中孔隙中充水愈多，它在0100%；干燥时：Sr=0，孔隙全部为水充填时：饱和土Sr=1。 工程上Sr作为砂土湿度划分的标准。Sr 80%：饱和的。4 4、土的孔隙性结构指标、土的孔隙性结构指标孔隙性 孔隙比孔隙度砂土的相对密实度 气气水水土粒土粒msmwmVsVwVVa质量质量m体积体积V定义定义:孔隙性指土中孔隙的大小、数量、形状以及连通情况等。孔隙性指土中孔隙的大小、数量、形状以及连通情况等。土的孔隙性决定于土的粒度成分和土粒排列的松紧程度。土的孔隙性决定于土的粒度成分和土粒排列的松紧程度。孔隙度与孔隙比孔隙度与孔隙

11、比孔隙度孔隙度n:n:在天然状态下，土的孔隙体积与整个土体积之比，以百分数表示。表达式表达式: :%100VVnv孔隙比孔隙比e e：是土中孔隙体积与土粒体积之比，以小数表示。 svVVe两者关系:een1孔隙比e是个重要的物理性指标，可以用来评价天然土层的密实程度。一般e0.8的土是疏松的无压缩性土。 砂土的相对密实度砂土的相对密实度 定义式定义式: :计算式:ninreeeeDmaxmaxddddddDrminmaxmaxminDr在工程上常应用于：（1）评价砂土地基的允许承载力；（2）评价地震区砂体液化；（3）评价砂土的强度稳定性。 砂土按相对密度分类： 疏松的 中密的密实的33. 00

12、 Dr67. 033. 0Dr167. 0 Dr测定方法：标准贯入试验法和静力触探试验法。土的基本物理性质指标间的相互关系土的基本物理性质指标间的相互关系 孔隙率与孔隙比:孔隙比与比重和干密度 :饱和度与含水量，比重和孔隙比: 干密度与湿密度和含水量 :een1wd1dseewGewewSswswsr5 5、土的物理指标间相互关系、土的物理指标间相互关系例题例题1：一块原状土，经试验测得：一块原状土，经试验测得=1.67g/cm=1.67g/cm3 3, , w=12.9%,Gs=2.67w=12.9%,Gs=2.67解：假设假设V=1cm3， =m/V, m=V=1.67g,V=1.67g,

13、 w=mw/ms, mw=0.129ms, m=ms+mw+ma, ma=0, m=ms+mw,1.67=ms+ 0.129ms=1.129ms, ms=1.48g,Gs= ms/(Vsw w) ), Vs = ms/ Gs=0. 554,Vw =mw=0.1291.48=0.19,Vn=0.446,e=Vn/Vs=0.446/0.554=0.81,n=Vn/V=0.446=44.6%,Sr=Vw/Vn=0.19/0.446=0.43=43%。土的力学性质土的力学性质力学性质土的压缩性 土的抗剪性 土的击实性 压缩变形的本质压缩性指标抗剪性本质抗剪强度与剪切定律击实特性压实本质五、土的击实性（

14、压实性）五、土的击实性（压实性） 压实：压实：指通过夯打、振动、碾压等，使指通过夯打、振动、碾压等，使土体变得密实、以提高土的强度、减小土体变得密实、以提高土的强度、减小土的压缩性和渗透性土的压缩性和渗透性压实性：压实性：指土在一定压实能量作用下密指土在一定压实能量作用下密度增长的特性。度增长的特性。研究击实性的目的：研究击实性的目的： 以最小的能量消耗获得最大的压实以最小的能量消耗获得最大的压实密度，揭示击实作用下土的干密度、含水率和击实功三密度，揭示击实作用下土的干密度、含水率和击实功三者之间的关系和基本规律。者之间的关系和基本规律。击实方法击实方法：室内击实试验现场试验: 夯打、振动、碾

15、压土土路基 路基的作用：与路面共同承受来自车辆的荷载和自然路基的作用：与路面共同承受来自车辆的荷载和自然因素的作用。因素的作用。 路基填筑材料：土路基填筑材料：土垫层和底基层；无机结合料稳定垫层和底基层；无机结合料稳定土土基层。基层。 未经压实的土：在自然因素和外荷载的作用下必然会未经压实的土：在自然因素和外荷载的作用下必然会产生很大的变形，甚至破坏。产生很大的变形，甚至破坏。 提高土路基密度的好处：提高土路基密度的好处：提高路基强度和稳定性；提高路基强度和稳定性；提高路基的承载能力；提高路基的承载能力；减小道路路面的厚度；减小道路路面的厚度；降低工程造价。降低工程造价。 提高提高路基密度方法

16、：用压实机械对填土路基进行碾压。路基密度方法：用压实机械对填土路基进行碾压。对土体碾压的效果对土体碾压的效果 使土重新排列土粒相互靠近，单位重量增加，使土重新排列土粒相互靠近，单位重量增加，粘结力增大，提高土体强度。粘结力增大，提高土体强度。 使土粒外表的水膜减至更薄，增加内聚力，提使土粒外表的水膜减至更薄，增加内聚力，提高土体抗剪强度。高土体抗剪强度。 使土壤孔隙中的空气挤出，减小孔隙率，增大使土壤孔隙中的空气挤出，减小孔隙率，增大土的密度，提高土体的土的密度，提高土体的水稳定性和减少冻胀而水稳定性和减少冻胀而引起的不均匀性变形。引起的不均匀性变形。土基压实的评价指标土基压实的评价指标土基压

17、实质量的表征指标：压实度。土基压实质量的表征指标：压实度。压实度：路基压实后实际的干密度与该土压实度：路基压实后实际的干密度与该土 的室内标准干密度之比，并用百分数表示。的室内标准干密度之比，并用百分数表示。路基压实后的干密度测定：环刀法、灌砂路基压实后的干密度测定：环刀法、灌砂法、核子密度湿度仪法和钻芯法。法、核子密度湿度仪法和钻芯法。路基土材料最大干密度确定：轻型、重型路基土材料最大干密度确定：轻型、重型击实法、振动台法和表面振动压实仪法。击实法、振动台法和表面振动压实仪法。100maxdK土的最大干密度确定方法比较土的最大干密度确定方法比较试验方法试验方法 适适 应应 范范 围围 土的粒

18、组土的粒组 轻型、重轻型、重型击实法型击实法 小试筒适应于粒径不大于25mm的土；大试筒适应于粒径不大于38mm的土。 细粒土细粒土粗粒土粗粒土振动台法振动台法 无粘性自由排水粗粒土和巨粒土的最大干密度；P0.074mm60mm的巨粒土，宜按相似级配法的规定处理。 粗粒土粗粒土巨粒土巨粒土表面振动表面振动压实仪法压实仪法 同振动台法 粗粒土粗粒土巨粒土巨粒土粘性土的击实性 饱和曲线饱和曲线 dmax=1.86wop=12.12.01.81.61.4干密度干密度 d(g/cm3)0 4 8 12 16 20 24 28含水量含水量w(%)击实性曲线：特点：特点：具有峰值具有峰值位于饱和曲线之下位

19、于饱和曲线之下 最大干密度最大干密度最优含水量最优含水量实践证明，土被击实到最佳情况时，饱和度一般在80%左右。 影响因素1. 击实功能击实功能d 50 N30 N10 N max,dop,Econst d d E存在一个上界d,E,const 2. 土的级配土的级配 d 321constE 越小。越大，级配越好，其opmaxd 3. 3. 击实方式击实方式 夯实、辗压、振动；辗压对粘土比较合适夯实、辗压、振动；辗压对粘土比较合适 无粘性土的压实性无粘性土的压实性 击实曲线击实曲线d 20%20%特点特点不存在最优含水量；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

20、易于击实；下易于击实；潮湿状态下潮湿状态下d d明显降低明显降低。压实标准压实标准 常用相对密度控制常用相对密度控制 Dr0.70.75 施工过程中要么风施工过程中要么风 干，要么就充分洒水，干，要么就充分洒水， 使土料饱和。使土料饱和。 压实标准压实标准a. a. 粘性土存在最优含水量粘性土存在最优含水量op，在填土施工中应该将土料的，在填土施工中应该将土料的含水量控制在含水量控制在op左右，以期得到左右，以期得到dmax，通常取，通常取 %)32(op b. b. 工程上常采用压实度工程上常采用压实度DcDc控制（作为填方密度控制标准）控制（作为填方密度控制标准）%100Dmaxdc 室内

21、标准击实试验的填土的干密度粘性土的稠度和塑性粘性土的稠度和塑性稠度定义:指土体在各种不同的湿度条件下，受外力作用后所具有的活动程度。 塑性 :物体在外力作用下，可被塑成任何形态，而整体性不破坏；即不产生裂隙 固态固态塑限塑限P可塑状可塑状态态液限液限L流动状态流动状态0半固半固态态地基承载力地基承载力450kPa450kPa粘 粒强结合水弱结合水自由水液 态可塑态固态或半固态稠度状态稠度状态固态或固态或半固态半固态塑态塑态 流态流态 土中水的形态土中水的形态强结合水强结合水弱结合水弱结合水自由水自由水w含水量含水量稠度界限稠度界限塑限塑限p强结合水膜最大强结合水膜最大液限液限l出现自由水出现自

22、由水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wVO半固态颗 粒水Vs+VaVs固态可塑态液态wswPwL阿特堡界限 (Atterberg limit)液性指数液性指数PLLPwwIww反映粘性土软硬程度（稠度，潮湿程度）反映粘性土软硬程度（稠度，潮湿程度）L0I L01IL0I固态或半固态可塑态液 态 重塑土和原状土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液限和塑限的测定方法液限和塑限的测定方法液限（液限（Liquid Limit）：）： 锥式（瓦氏）液限仪或碟式（卡式）液限仪锥式（瓦氏）液限仪

23、或碟式（卡式）液限仪塑限（塑限（Plastic Limit）：）： 搓条法或液塑限联合测定仪搓条法或液塑限联合测定仪 塑性指数塑性指数PLPIww反映粘性土反映粘性土可塑性可塑性的大小。的大小。综合综合反映粘性土的反映粘性土的特性特性以及各类以及各类重要重要因素因素的的影响影响，因此可用于土，因此可用于土的分类及其性质的评估。的分类及其性质的评估。第三节第三节 土的颗粒级配土的颗粒级配粒径级配(1)漂石或块石组 (2)卵石（碎石）组 (3)砾石(角砾) (4)砂粒组(5)粉粒组 (6)粘粒组 筛分法0.074mm 沉降法0.074mm 粗颗粒细颗粒颗粒大小粒组 按粗细进行分组，将粒径接近的归成

24、一类按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类界限粒径dmm卵石卵石砾石砾石砂粒砂粒粉粒粉粒 粘粒粘粒 胶粒胶粒60602 20.0740.0740.0020.002 0.0010.0010.250.5520粗 中 细 粗 中 细 极细0.10.1粗粒土粗粒土细粒土细粒土粗粒土(无粘性土)特征细粒土(粘性土)特征孔隙大、透水性强，毛细上升，高度很小，既无可塑造性，也无胀缩性，压缩性极弱，强度较高。 主要由原生矿物、次生矿物组成，孔隙很小，透水性极弱，毛细上升高度较高，有可塑性、胀缩性，强度较低。 粗粒土与细粒土粗粒土与细粒土筛分法筛分法它是利用一套孔径大小它是利用一套孔径大小不同的筛子，将事先称不同

25、的筛子，将事先称过重量的烘干土样过筛，过重量的烘干土样过筛，称留在各筛上的重量，称留在各筛上的重量，然后计算相应的百分数。然后计算相应的百分数。 沉降分析法沉降分析法: :利用不同大小的土粒在水中的沉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。降速度不同来确定小于某粒径的土粒含量。颗粒粒径级配曲线颗粒粒径级配曲线: :纵坐标表示小于某粒径的土粒含纵坐标表示小于某粒径的土粒含量百分比量百分比, ,横坐标表示土粒的粒径横坐标表示土粒的粒径( (对数坐标）对数坐标）颗粒级配的描述颗粒级配的描述工程上常用不均匀系数工程上常用不均匀系数Cu描述描述颗粒级配的不均匀程度颗粒级配的不均匀程度 曲率系数曲率系数Cc描述颗粒级配曲线整描述颗粒级配曲线整体形态，表明某粒组是否缺失情体形态，表明某粒组是否缺失情况况 1060ddCu6010230dddCcd10、