土力学--第一章土的物理性质和工程分类 (2)ppt课件

1、绪论土力学是力学的一个分支，是以土为研讨对象的学科。其主要研讨内容：经过研讨土的物理、力学、物理化学性质及微观构造，进一步认识土和土体在荷载、水、温度等外界要素作用下的反响特性即土的紧缩性、剪切性、浸透性及动力特性。需求研讨和处理的工程中的三大类问题：需求研讨和处理的工程中的三大类问题： 土体稳定或强度问题；土体稳定或强度问题； 土体变形问题；土体变形问题； 渗流：浸透变形与浸透稳定。渗流：浸透变形与浸透稳定。2005年年7月月21日在广州海珠区江南大道南海珠广场深日在广州海珠区江南大道南海珠广场深基坑南边发生滑坡基坑南边发生滑坡比萨斜塔是意大利比萨斜塔是意大利比萨城大教堂的独比萨城大教堂的独

2、立式钟楼，位于比立式钟楼，位于比萨大教堂的后面萨大教堂的后面 钟楼始建于钟楼始建于1173年，年，设计为垂直建造，但设计为垂直建造，但是在工程开场后不久是在工程开场后不久便由于地基不均匀和便由于地基不均匀和土层松软而倾斜土层松软而倾斜 比萨比萨 (Pisa) 斜塔斜塔该城市人口密集。该城市人口密集。1850年开场抽取地下水，年开场抽取地下水，18911973年，年，整个老城下沉达整个老城下沉达8.7m呵斥地面道路、建筑及其他建筑设备的呵斥地面道路、建筑及其他建筑设备的破坏。破坏。墨墨西西哥哥城城的的下下沉沉土层中地下水位的下降，使有效应力添加，使地基进一土层中地下水位的下降，使有效应力添加，使

3、地基进一步固结沉降。步固结沉降。圣母教堂，因地表不均匀下沉使其发生严重倾斜，并成为危房圣母教堂，因地表不均匀下沉使其发生严重倾斜，并成为危房La Conchita 滑坡滑坡1996年发生在美国加年发生在美国加州的州的La Conchita ，因，因居民已提早撤离固未造居民已提早撤离固未造成人员伤亡成人员伤亡Santa Tecla 滑坡滑坡2001年年1月月13日，萨尔日，萨尔瓦多发生了瓦多发生了7.6级的强震，级的强震，震中位于震中位于Santa Miguel西南西南60英里。因此在英里。因此在Santa Tecla 呵斥呵斥 山体山体滑坡，最终导致滑坡，最终导致700多人多人遇难遇难本章主要

4、内容本章主要内容 1.1土的生成 1.2土的三相组成 1.3土的构造、构造 1.4土的三相物理性质目的的测定及计算 1.5无粘性土的特性 1.6粘性土及粉土的特性 1.7粘性土水-土系统的工程物理-化学特性 1.8土的工程分类第第1章章 土的物理性质及工程分类土的物理性质及工程分类 风化、搬运、堆积风化、搬运、堆积 岩石岩石 土土 压密、岩化压密、岩化一、土的概念一、土的概念土：土： 覆盖在地表上的碎散矿物集合体。覆盖在地表上的碎散矿物集合体。岩石：构成地壳的根本物质，是一种或多种矿岩石：构成地壳的根本物质，是一种或多种矿物的聚合体。物的聚合体。 统称为大自然的产物统称为大自然的产物土是岩石经

5、过风化后在不同条件下构成的自然历史的产物土是岩石经过风化后在不同条件下构成的自然历史的产物岩石风化分为物理风化、化学风化和生物风化。岩石风化分为物理风化、化学风化和生物风化。物理风化：岩石经受风、霜、雨、雪的侵蚀，或受波浪的冲物理风化：岩石经受风、霜、雨、雪的侵蚀，或受波浪的冲击、地震等引起各种力的作用，温度的变化、冻胀等要素使击、地震等引起各种力的作用，温度的变化、冻胀等要素使整体岩石产生裂隙、崩解碎裂成岩块、岩屑的过程。整体岩石产生裂隙、崩解碎裂成岩块、岩屑的过程。化学风化：岩体或岩块、岩屑与氧气、二氧化碳等各种化学风化：岩体或岩块、岩屑与氧气、二氧化碳等各种气体、水和各种水溶液等物质相接

6、触，经氧化、碳化和水化气体、水和各种水溶液等物质相接触，经氧化、碳化和水化作用，使这些岩石或岩屑逐渐产生化学变化，分解为极细颗作用，使这些岩石或岩屑逐渐产生化学变化，分解为极细颗粒的过程。粒的过程。特征：特征：物理风化：量变过程，构成的土颗粒较粗；物理风化：量变过程，构成的土颗粒较粗；化学风化：量变过程，构成的土颗粒很细。化学风化：量变过程，构成的土颗粒很细。对普通的土而言，通常既阅历过物理风化，又有化学风对普通的土而言，通常既阅历过物理风化，又有化学风化，只不过哪种占优势而已。化，只不过哪种占优势而已。土从其堆积或堆积的条件来看可分为：土从其堆积或堆积的条件来看可分为：沼泽土冰碛土风积土河流

7、冲积土运积土残积土土残积土：岩石风化后仍留在原地的堆积物。残积土：岩石风化后仍留在原地的堆积物。特点：湿热地带，粘土，深沉，松软，易变；特点：湿热地带，粘土，深沉，松软，易变； 冰冷地带，岩块或砂，物理风化，稳定冰冷地带，岩块或砂，物理风化，稳定。)(沼泽土有机土冰碛土风积土冲积土运积土残积土无机土土运积土：岩石风化后经流水、风和冰川以及人类活动等搬运离运积土：岩石风化后经流水、风和冰川以及人类活动等搬运离 开生成地点后再堆积下来的堆积物。又分为冲积土、风积土、开生成地点后再堆积下来的堆积物。又分为冲积土、风积土、冰碛土和沼泽土等。冰碛土和沼泽土等。 冲积土：由水流冲积而成；颗粒分选、浑圆光滑

8、冲积土：由水流冲积而成；颗粒分选、浑圆光滑风积土：由风力带动土粒经过一段搬运间隔后堆积下来的堆积风积土：由风力带动土粒经过一段搬运间隔后堆积下来的堆积物；没有层理、细砂或粉粒；黄土物；没有层理、细砂或粉粒；黄土冰碛冰碛qi土：由冰川剥落、搬运构成的堆积物；不成层、从土：由冰川剥落、搬运构成的堆积物；不成层、从漂石到粘粒漂石到粘粒沼泽土：在沼泽地的堆积物；含有机质、紧缩性高、强度低沼泽土：在沼泽地的堆积物；含有机质、紧缩性高、强度低气相固相液相+构成土骨架，起决议作用构成土骨架，起决议作用重要影响重要影响土体次要作用次要作用 1.2 1.2 土的三相组成土的三相组成土是固体颗粒、水和空气的混合物

9、，常称土为三相土是固体颗粒、水和空气的混合物，常称土为三相系。系。 固相：土的颗粒、粒间胶结物；固相：土的颗粒、粒间胶结物； 液相：土体孔隙中的水；液相：土体孔隙中的水； 气相：孔隙中的空气。气相：孔隙中的空气。当土骨架的孔隙全部被水占满时，这种土称为饱和土；当土骨架的孔隙全部被水占满时，这种土称为饱和土；当土骨架的孔隙仅含空气时，就成为干土；当土骨架的孔隙仅含空气时，就成为干土；普通在地下水位以上地面以下一定深度内的土的孔隙中普通在地下水位以上地面以下一定深度内的土的孔隙中兼含空气和水，此时的土体属三相系，称为湿土。兼含空气和水，此时的土体属三相系，称为湿土。根据土的粘性分：根据土的粘性分：

10、粘性土：颗粒很细；粘性土：颗粒很细；无粘性土：颗粒较粗，甚至很大。砂、碎石、甚无粘性土：颗粒较粗，甚至很大。砂、碎石、甚 至堆石直径几十至堆石直径几十cm甚至甚至1m一、土的固相一、土的固相 土的固相物质包括无机矿物颗粒和有机质，是构成土的固相物质包括无机矿物颗粒和有机质，是构成土的骨架最根本的物质，称为土粒。对土粒应从其矿物土的骨架最根本的物质，称为土粒。对土粒应从其矿物成分、颗粒的大小来描画。成分、颗粒的大小来描画。一成土矿物：原生矿物，次生矿物一成土矿物：原生矿物，次生矿物 原生矿物是指岩浆在冷凝过程中构成的矿物，如石英原生矿物是指岩浆在冷凝过程中构成的矿物，如石英、长石、云母等。、长石

11、、云母等。 次生矿物是由原生矿物经过风化作用后构成的新矿物次生矿物是由原生矿物经过风化作用后构成的新矿物，如三氧化二铝、三氧化二铁、次生二氧化硅、粘土矿，如三氧化二铝、三氧化二铁、次生二氧化硅、粘土矿物以及碳酸盐等。物以及碳酸盐等。二土粒的大小和土的级配二土粒的大小和土的级配粒度，粒径粒度，粒径粒组：把工程性质相近的土粒合并为一组；某粒组的土粒组：把工程性质相近的土粒合并为一组；某粒组的土粒含量定义为该粒组的土粒质量与干土总质量之比粒含量定义为该粒组的土粒质量与干土总质量之比土的级配：土中各种大小的粒组中土粒的相对含量土的级配：土中各种大小的粒组中土粒的相对含量随着颗粒大小的不同，土的性质可以

12、有很大的差别。因随着颗粒大小的不同，土的性质可以有很大的差别。因此，人们经常按照粒径的范围，将土粒分为假设干组，此，人们经常按照粒径的范围，将土粒分为假设干组，粒组之间的分界尺寸称为界限粒径。表粒组之间的分界尺寸称为界限粒径。表1-1是国内常用是国内常用的一种粒组划分。的一种粒组划分。土土 粒粒 粒粒 组组 的的 划划 分分 表表1-11-1粒 组 名 称粒径范围(mm) 一 般 特 征漂石或块石卵石或碎石 20020060透水性很大，无粘性，无毛细水 粗 中 细602020552透水性大，无粘性，毛细水上升高度不超过粒径大小 粗 中 细 极细0.05

13、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，但随粒径变小而增大 粗 细0.050.010.010.005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 0.075mm 密度计法：粒径密度计法：粒径0.075mm 结合测定：既有粒径结合测定：既有粒径0.075mm 1.筛分法筛分法利用一套孔径由大到小的筛子，将按规定方利用一套孔径由大到小的筛子，将按规定方法获得的一定质量的干试样放入一次叠好的法获得的一定质量的干试样放入一次叠好的筛中，置振筛机上充分振摇后，称出留在各筛中，置振筛机上充分

14、振摇后，称出留在各级筛上的土粒的质量，按下式计算出小于某级筛上的土粒的质量，按下式计算出小于某土粒粒径的土粒含量百分数土粒粒径的土粒含量百分数X式中：式中：mi，m分别为小于某粒径的土粒质分别为小于某粒径的土粒质量及试样总质量量及试样总质量100mmXi105.02.01.0200g101618242238721009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数小于某粒径之土质量百分数P105.01.050.010.0050.001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(m

15、m)(mm)0.050.010.005百分数百分数P(%)P(%)2613.5102.密度计法密度计法用于分析粒径小于用于分析粒径小于0.1mm0.075mm的土，根据粗的土，根据粗颗粒下沉速度快，细颗粒下沉速度慢的原理，可以把颗粒下沉速度快，细颗粒下沉速度慢的原理，可以把颗粒按下沉速度进展粗细分组。实验室常用比重计来颗粒按下沉速度进展粗细分组。实验室常用比重计来进展细粒土的粒径分析，称为密度计法。进展细粒土的粒径分析，称为密度计法。3.土的级配曲线土的级配曲线 (四四)颗粒分析实验曲线的主要用途颗粒分析实验曲线的主要用途按粒径分布曲线可求得：按粒径分布曲线可求得：1土中各粒组的土粒含量，用于

16、粗粒土的分类和大致评土中各粒组的土粒含量，用于粗粒土的分类和大致评价土的工程性质；价土的工程性质；2某些特性粒径，用于建筑资料的选择和评价土级配的某些特性粒径，用于建筑资料的选择和评价土级配的好坏。好坏。根据某些特征粒径，可得到两个有用的目的，即不均匀系数根据某些特征粒径，可得到两个有用的目的，即不均匀系数Cu和曲率系数和曲率系数Cc，它们的定义为：，它们的定义为： 121060ddCu (13)式中：d10，d30和d60为粒径分布曲线上小于某粒径的土粒含量分别为10，30和60时所对应的粒径。d10称为有效粒径； d60称为限制粒径。土的级配的好坏可由土中的土粒均匀程度和粒径分布曲线的外形

17、来决议，而土粒的均匀程度和曲线的外形又可用不均匀系数和曲率系数来衡量。Cu小，曲线陡； Cu大，易压密；Cc过大，台阶在d10d30间； Cc过小，台阶在d30d60间；规范：纯真砾、砂，Cu=5，且Cc=13时，级配良好，否那么，不良。6010230dddCc图 土的颗粒级配曲线二、土的液相二、土的液相一结合水一结合水 强结合水性质接近于固体，冰点很低，沸点较高，强结合水性质接近于固体，冰点很低，沸点较高，且不能传送压力。且不能传送压力。 弱结合水也称为薄膜水，不能传送压力，也不能在弱结合水也称为薄膜水，不能传送压力，也不能在孔隙水中自在流动，但它可以因电场引力的作用从水膜孔隙水中自在流动，

18、但它可以因电场引力的作用从水膜厚的地方向水膜薄的地方转移。由于它的存在，使土具厚的地方向水膜薄的地方转移。由于它的存在，使土具有塑性、粘性、影响土的紧缩性和强度，并使土的透水有塑性、粘性、影响土的紧缩性和强度，并使土的透水性变小。性变小。吸着水厚度影响要素：成土矿物；阳离子浓度及化学性吸着水厚度影响要素：成土矿物；阳离子浓度及化学性质质(阳离子价低阳离子价低,厚厚; 阳离子浓度高阳离子浓度高,薄薄)。二自在水二自在水分开土颗粒外表较远，不受土颗粒电分子引力作分开土颗粒外表较远，不受土颗粒电分子引力作用，且可自在挪动的水称为自在水。用，且可自在挪动的水称为自在水。分为毛细管水和重力水分为毛细管水

19、和重力水1.毛细管水毛细管水土中存在许多大小不同的相互连土中存在许多大小不同的相互连通的弯曲孔道，由于水分子与土通的弯曲孔道，由于水分子与土粒分子之间的附着力和水气界面粒分子之间的附着力和水气界面上的外表张力，于是，将引起迫上的外表张力，于是，将引起迫使相邻土粒相互积紧的压力，这使相邻土粒相互积紧的压力，这个压力称为毛管水压力。个压力称为毛管水压力。2.重力水重力水在重力或水位差作用下能在土中流动的自在水称微重力在重力或水位差作用下能在土中流动的自在水称微重力水。水。具有溶解才干，能传送静水和动水压力，对土颗粒有浮具有溶解才干，能传送静水和动水压力，对土颗粒有浮力作用。力作用。当它在土孔隙中流

20、动时，对所流经的土体施加渗流力当它在土孔隙中流动时，对所流经的土体施加渗流力亦称动水压力、浸透力，计算中应思索其影响。亦称动水压力、浸透力，计算中应思索其影响。三、土的气相三、土的气相存在土中的气体分为两种根本类型：一种是与大气连存在土中的气体分为两种根本类型：一种是与大气连通的气体；另一种是与大气不连通的以气泡方式存在通的气体；另一种是与大气不连通的以气泡方式存在的封锁气体。的封锁气体。一、土的构造一、土的构造1. 定义定义土粒或土粒集合体在空间的陈列和相互结合方式称为土粒或土粒集合体在空间的陈列和相互结合方式称为土的构造土的构造 1.3 1.3 土的构造、构造土的构造、构造2. 类型(a)

21、 单粒构造 (b) 峰窝构造 (c) 絮状构造(1)单粒构造 如图(a)所示。由颗粒大的土粒在水或空气中下沉堆积而成。粗粒土都具有单粒构造。单粒构造可以分为疏松的和严密的。疏松单粒构造的土孔隙大，骨架不稳定，在外载作用下容易发生错位，产生很大的变形或沉降，因此，这种土未经处置普通不宜作为建筑物的地基。严密单粒构造的土，由于颗粒陈列严密，强度高，紧缩性小，在动、静载作用下都不会发生较大的沉降，是良好的天然地基。(2)峰窝构造 如图(b)所示。粒径大约在0.020.002mm范围内的粉土或粘土颗粒，在水中单个下沉时，途中碰到已堆积的土粒时，由于土粒之间的分子引力大于土粒自重，使得土粒只能停留在最初

22、的接触位置不能继续下沉，这样，一粒一粒相互吸引，最终将能构成具有很大孔隙的蜂窝状构造。(3)絮状构造 如图(c)所示。直径小于0.002mm的极细粘粒，在水中可以长期悬浮而不下沉，假设水中掺有某些电解质，颗粒间的排斥力能被动减弱，运动着的土粒可以相互碰撞凝聚成絮状的小集粒而下沉，并相继与已堆积的絮状集粒接触，构成类似蜂窝而孔隙很大絮状构造又称为二级蜂窝构造。 以上三种构造中，密实的单粒构造工程性质最好；蜂窝构造和絮状构造假设遭到扰动，强度就会降低，紧缩性变高，难以作为天然地基。二、土的构造二、土的构造1. 定义同一土层中颗粒或颗粒结合体相互间的位置与充填空间情况称为土的构造。其实，这一定义与大

23、多书本一样依然比较模糊，未交代构造与构造的关系。其实，土的构造着重于细微观，而构造可以了解为土体的宏观构造。2. 类型土体的构造普通可以分为以下四类： (1) 层状构造顾名思义，层状构造是由不同颜色和粒径的土粒构成的一层一层的构造形状。大部分细粒土的土层是这种构造。 (2) 分散构造土层中的土粒分布均匀，性质相近，粗粒土大都是分散构造。 (3) 裂隙状构造土体被许多不延续的小裂隙所分割，破坏了原状土的整体性，使其工程性量变差，一些巩固和硬塑形状的粘土具有这种构造。 (4) 结核状构造在细粒土中明显掺有粗颗粒或各种结核。如含结核的黄土等，该类土的性质主要决议于细粒土部分。 1.4 1.4 土的三

24、相物理性质目的的测定及计算土的三相物理性质目的的测定及计算土的物理、力学性质不仅决议于它的三相组成性质和它的土的物理、力学性质不仅决议于它的三相组成性质和它的构造，而且还与三相之间量的比例关系亲密相关。构造，而且还与三相之间量的比例关系亲密相关。可分为两类：可分为两类：经过实验测定，如含水量、密度和土粒相对密度，称为经过实验测定，如含水量、密度和土粒相对密度，称为 直接目的；直接目的；根据直接目的换算，如孔隙比、孔隙率、饱和度等，称为根据直接目的换算，如孔隙比、孔隙率、饱和度等，称为间接目的。间接目的。从右图可以容易得到以下关系：从右图可以容易得到以下关系：Vv = Vw + Va V = V

25、s + Vv = Vs + Vw + Va m = ms + mw 一、实验直接测定的物理性质目的一、实验直接测定的物理性质目的一土粒相对密度土粒比重一土粒相对密度土粒比重ds土粒相对密度定义为土粒的质量或分量与同体积土粒相对密度定义为土粒的质量或分量与同体积4时纯水的质量或分量之比无因次，其表达时纯水的质量或分量之比无因次，其表达式为：式为： 1.4.1或或 1.4.2式中：式中： 土粒的密度，即土粒单位体积的质量；土粒的密度，即土粒单位体积的质量； 4时纯水的密度，时纯水的密度，1.0g/cm3土粒相对密度在数值上等于土粒的密度土粒相对密度在数值上等于土粒的密度wswssswssVVmmd

26、wsssVdmsw土粒相对密度常用比重瓶法测定，事先将比重瓶注满纯水土粒相对密度常用比重瓶法测定，事先将比重瓶注满纯水，称瓶加水的质量。然后把烘干土假设干克装入该空比重，称瓶加水的质量。然后把烘干土假设干克装入该空比重瓶内，再加纯水至满，称瓶加土加水的质量，按下式计算瓶内，再加纯水至满，称瓶加土加水的质量，按下式计算土粒相对密度：土粒相对密度： 21mmmmdsss m0 ms m1 m2 空瓶质量空瓶质量 烘干土的质量烘干土的质量 瓶瓶+水的质量水的质量 瓶瓶+土土+水的质量水的质量 m1+ms瓶瓶+水满的质量水满的质量+干土的质量；干土的质量； m1+ms-m2与土粒体积一样的水的质量。与

27、土粒体积一样的水的质量。二土的天然含水量二土的天然含水量w土的天然含水量，定义为土中水的质量与土粒的质量之比土的天然含水量，定义为土中水的质量与土粒的质量之比，以百分数表示，其表达式为：，以百分数表示，其表达式为： 1.4.3将式将式1.4.2代入代入1.4.3中得中得测定含水率常用的方法是烘干法，先称出天然土的质量，测定含水率常用的方法是烘干法，先称出天然土的质量，然后放在烘箱中，在然后放在烘箱中，在100105常温下烘干，称得干常温下烘干，称得干土质量，按上式可算得。土质量，按上式可算得。%100swmmwsswVdm 三土的天然密度三土的天然密度与重度与重度土的密度定义为单位体积土的质量

28、，用土的密度定义为单位体积土的质量，用表示，单位为表示，单位为Mg/m3(或或g/cm3)。表达式如下：表达式如下： 1.4.5 对于粘性土，土的密度常用环刀法测定。对于粘性土，土的密度常用环刀法测定。awsawsVVVmmmVm二、间接换算得物理性质目的二、间接换算得物理性质目的一土的孔隙比一土的孔隙比e定义：土中孔隙的体积与土粒的体积之比，以小数表示，定义：土中孔隙的体积与土粒的体积之比，以小数表示，其表达式为：其表达式为： 1.4.10二土的孔隙率二土的孔隙率n定义：土中孔隙的体积与土的总体积之比，或单位体积内定义：土中孔隙的体积与土的总体积之比，或单位体积内孔隙的体积，以百分数表示，其

29、表达式为：孔隙的体积，以百分数表示，其表达式为： 1.4.11 svVVe %100VVnv三土的饱和度Sr定义：土中孔隙水的体积与孔隙体积之比，以百分数表示，其表达式为： 1.4.12%100vwrVVS土的干重度：单位体积内土粒的分量，表达式为：土的干重度：单位体积内土粒的分量，表达式为： 1.4.14土烘干，体积要减小，因此，土的干密度不等于烘干土的土烘干，体积要减小，因此，土的干密度不等于烘干土的密度。土的干密度或干重度也是评定土密实程度的目的，密度。土的干密度或干重度也是评定土密实程度的目的，干密度或干重度愈大阐明土愈密实，反之愈疏松。干密度或干重度愈大阐明土愈密实，反之愈疏松。gV

30、gmVWdssd四干密度d与干重度d 土的干密度：单位体积内土粒的质量，表达式： 1.4.13Vmsd五饱和密度五饱和密度sat与饱和重度与饱和重度sat饱和密度定义：土中孔隙完全被水充溢土处于饱和形状时饱和密度定义：土中孔隙完全被水充溢土处于饱和形状时单位体积土的质量。表达式为单位体积土的质量。表达式为 1.4.15VVmwvssat在饱和形状下，单位体积土的分量称为饱和重度，其表达式在饱和形状下，单位体积土的分量称为饱和重度，其表达式为：为： 1.4.16gVgVgmVVWsatwvswvssat六浮密度与浮重度有效重度 土在水下，遭到重力水的浮力作用，此时土中固体颗粒的质量再扣去固体颗粒

31、排开水的质量与土样总体积之比 1.4.17 VVmwss浮密度浮密度与其相应，提出了浮密度的概念，土的浮密度是单位体积内与其相应，提出了浮密度的概念，土的浮密度是单位体积内的土粒质量与同体积水质量之差，其表达式为：的土粒质量与同体积水质量之差，其表达式为： 1.4.18 或或 1.4.19从上述四种土的密度或重度的定义可知，同一土样各种密度从上述四种土的密度或重度的定义可知，同一土样各种密度或重度在数值上有如下关系：或重度在数值上有如下关系：dsatdsatwsatgVgVgmVVWwsswss三、常用物理性质目的的适用计算公式三、常用物理性质目的的适用计算公式(重点、难点重点、难点)常用的土

32、的物理目的共有九个。知其中恣意三个，经过换常用的土的物理目的共有九个。知其中恣意三个，经过换算可以求出其他的六个。算可以求出其他的六个。一孔隙比与孔隙率的关系一孔隙比与孔隙率的关系设土体内土粒的体积为设土体内土粒的体积为1，那么，那么 可知，孔隙的体积可知，孔隙的体积Vv为为e，土体的体积，土体的体积V为为1e，于是有：，于是有： 或或 eeVVnv1nne1 孔隙 e 1+e 土粒 1 三相表示图asvVVe 二干密度与天然密度和含水量的关系二干密度与天然密度和含水量的关系设土体的体积设土体的体积V为为1，那么，那么d = ms /V，土体内土粒的质，土体内土粒的质量量ms为为d，由，由w=

33、 mw / ms水的质量水的质量mw为为w d。于是。于是，按，按t天然密度的定义可得：天然密度的定义可得： 或或 1-22)1 (1wwVmdddwd1三孔隙比与土粒相对密度和干密度的关系三孔隙比与土粒相对密度和干密度的关系设土体内土粒的体积为设土体内土粒的体积为1，那么按，那么按 ，孔隙的体积，孔隙的体积Vv为为e；由；由s ms / Vs得土粒的质量得土粒的质量ms为为s。于是，按。于是，按d的定义可得：的定义可得：运用式运用式16整理得：整理得： eVmssd11dwsdesvVVe 四饱和度与含水量、相对密度和孔隙比的关系四饱和度与含水量、相对密度和孔隙比的关系设土体内土粒的体积为设

34、土体内土粒的体积为1，那么按，那么按e=VV/VS得体积得体积VV=e；由；由s ms / Vs得土粒的质量得土粒的质量ms=s。按。按w= mw / ms ，得质量，得质量mw=ws，那么得体积，那么得体积Vw= mw / w =ws/w。于是，。于是， 当土饱和时，即当土饱和时，即Sr为为100，那么：，那么： 式中：式中：wsat饱和含水率。饱和含水率。ewdewVVSswsvwrssatdwe 五浮密度与土粒相对密度和孔隙比的关系五浮密度与土粒相对密度和孔隙比的关系设土体内土粒体积为设土体内土粒体积为1，那么按，那么按e=VV/VS ，孔隙的体积，孔隙的体积VV为为e；由；由s ms

35、/ Vs得土粒的质量得土粒的质量ms为为s。于是，按式。于是，按式浮密度的定义可得浮密度的定义可得 edeVVmwswswss111例题【例题【例题1-1】 某干砂试样某干砂试样 ，经细雨后，体积，经细雨后，体积未变，饱和度到达未变，饱和度到达Sr=40%，试问细雨后砂样的密度、重度和含水量，试问细雨后砂样的密度、重度和含水量各是多少？各是多少？70. 2,/1069. 133sdmkg33/1069. 1mkgd60. 01dwsde%0.9srdeS333/84. 1/1084. 11)1 (mtmkgedws3/4 .18mkNg 【例题【例题1-2】有一个完全饱和的粘土土样，测得总体积

36、】有一个完全饱和的粘土土样，测得总体积V1=100cm3，知土粒对，知土粒对水的相对密度水的相对密度ds=2.66，土样含水量，土样含水量w1=45%，将该土样置于烘箱中烘了一，将该土样置于烘箱中烘了一段时间之后，测得土样的体积段时间之后，测得土样的体积V2=95cm3，w2=35%，问土样烘干前后的密，问土样烘干前后的密度、干密度、孔隙比、饱和度各为多少？度、干密度、孔隙比、饱和度各为多少？20. 111sde311/21. 11cmgedwsd3111/755. 1)1 (cmgdgVmds12111gmms4 .16335. 1121)1 (22322/72.1cmgVm322/274.

37、 1cmgVmsd088. 11)1 (222wswde%57.85222edSsr【例题1-3】某一块试样在天然形状下的体积为60cm3，称得其质量为108g，将其烘干后称得质量为96.43g，根据实验得到的土粒比重ds为2.7，试求试样的湿密度、干密度、饱和密度、含水率、孔隙比、孔隙率和饱和度。【解】1知V60cm3，m=108g，那么由式14得 =mv=180/ 60=1.8g/cm32知知ms=96.43g，那么，那么 mw=mms=10896.43=11.57g按式按式18，于是，于是 w= mwms11.5796.43=12%3知知ds=2.7，那么，那么 Vs= ms /s=96

38、.43 2.735.7cm3 Vv=V Vs =6035.724.3cm3按式按式111，于是，于是vsVeV【例1-4】某土样在天然形状下的孔隙比 e=0.8，土粒比重 ds=2.68，含水量=24%，求：(a) 天然形状下的重度、干重度和饱和度；(b)假设该土样加水后，到达饱和形状，计算饱和时的含水量及饱和重度(假定土的孔隙比坚持不变)。ewdws11解解:(a)32.68 9.81 1 0.24kN18.11m1 0.8318.11kN14.61m11 24%dw%4 .8080. 068. 224. 0ewdSsr0.8029.85%2.68satsewG32.680.89.8118.

39、97kN/m11 0.8ssatwGee(b)【例【例1-5】某饱和土样重】某饱和土样重0.4N ，体积为，体积为21.5 cm3。放入烘箱内烘一。放入烘箱内烘一段时间后取出，称得其分量为段时间后取出，称得其分量为0.33N，体积减小至，体积减小至15.7 cm3，饱和，饱和度为度为75% 。试求该土样烘烤前的含水量。试求该土样烘烤前的含水量 w、孔隙比、孔隙比 e 及干容重及干容重 d 。解：设烘一段时间后，孔隙体积为解：设烘一段时间后，孔隙体积为Vv2，孔隙水所占体积为，孔隙水所占体积为Vw2，那么：，那么：在烘后形状：在烘后形状：在烘前形状：在烘前形状：联立求解得：联立求解得：%7522

40、vwrVVS%100)7 .155 .21(1010/10)33. 04 . 0(2632vwrVVS36316 .101010/10)33. 04 . 0(6 . 3cmVw316 .10)7 .155 .21(8 . 4cmVv63610.6 101036%0.4 1010.6 1010w972. 06 .105 .216 .10e3630.4 10/(21.5 10 )13.68kN/m11 36%dw2vV2wV 上一节讲的上一节讲的9个三相目的主要是反映土的物理个三相目的主要是反映土的物理性质的，还不能直接表现土的物理形状，本性质的，还不能直接表现土的物理形状，本节讲授反映土的物理形

41、状的有关目的。节讲授反映土的物理形状的有关目的。 所谓土的物理形状，对于粗粒土来讲，就是所谓土的物理形状，对于粗粒土来讲，就是指它的密实程度；对于细粒土，那么是指它指它的密实程度；对于细粒土，那么是指它的软硬程度即粘性土的稠度的软硬程度即粘性土的稠度(consistency1.5 和和1.6 土的物理形状目的土的物理形状目的一、无粘性土粗粒土的密实度一、无粘性土粗粒土的密实度1.5节节 土的密实度土的密实度:指单位体积的土体中固体颗粒指单位体积的土体中固体颗粒的含量。的含量。 干容量干容量d和孔隙比和孔隙比e或孔隙率或孔隙率n都是表都是表示土的密实度的目的。示土的密实度的目的。 但这种直接用土

42、粒的含量或孔隙含量表示但这种直接用土粒的含量或孔隙含量表示密实度的方法具有明显的缺陷密实度的方法具有明显的缺陷:最主要的就最主要的就是它们没有思索到土粒粒径级配这一重要是它们没有思索到土粒粒径级配这一重要要素的影响，不同级配的砂土，即使孔隙要素的影响，不同级配的砂土，即使孔隙比一样，所处的松密形状并不会一样。比一样，所处的松密形状并不会一样。 为了更好的阐明粗粒土的密实形状，可以将天然孔隙比为了更好的阐明粗粒土的密实形状，可以将天然孔隙比e e与同一种土与同一种土的最密实形状的孔隙比的最密实形状的孔隙比emin emin 和最松散形状孔隙比和最松散形状孔隙比emax emax 进展对比，看进展

43、对比，看天然的天然的e e是接近是接近eminemin还是接近还是接近emaxemax，以此来判别它的密实度。这种度，以此来判别它的密实度。这种度量密实度的目的称为相对密度量密实度的目的称为相对密度(relative density)Dr (relative density)Dr 。 式中：式中： Dr Dr相对密实度；相对密实度； emax emax无粘性土处在最松形状时的孔隙比；无粘性土处在最松形状时的孔隙比； emin emin无粘性土处在最密形状时的孔隙比；无粘性土处在最密形状时的孔隙比； e e无粘性土得天然孔隙比或填筑孔隙无粘性土得天然孔隙比或填筑孔隙比。比。 minmaxmaxe

44、eeeDr 显然，当显然，当e接近于接近于emin时，时，Dr 接近于接近于1，土，土呈密实形状，当呈密实形状，当e接近于接近于emax时，时，Dr接近接近于零，土呈松散形状。通常根据于零，土呈松散形状。通常根据Dr可以把可以把粗粒土的松密形状分为以下三种：粗粒土的松密形状分为以下三种： 0Dr0.33 松散松散 0.33 Dr0.67 中密中密 0.67 Dr 1 密实密实 天然砂土的密实度只能在现场利用规范贯入实天然砂土的密实度只能在现场利用规范贯入实验、静力触探实验等原位测试方法来获得。通常验、静力触探实验等原位测试方法来获得。通常根据规范贯入实验的锤击数根据规范贯入实验的锤击数N N

45、，将天然砂土分为，将天然砂土分为表表.2中的四种密实度形状。中的四种密实度形状。表表1.5.2 天然砂土的密实度划分天然砂土的密实度划分砂土密实度 松散稍密中密密实标准实验击数N1010N151530 碎石土可以用可挖性、可钻性等方法进展现场鉴碎石土可以用可挖性、可钻性等方法进展现场鉴别，普通也可区分为密实、中密和稍密三种密实别，普通也可区分为密实、中密和稍密三种密实度形状。度形状。 细粒土粘性土无法在实验室测定最大和最小细粒土粘性土无法在实验室测定最大和最小孔隙比，实践上也不存在孔隙比，实践上也不存在emaxemax和和eminemin，因此只能，因此只能根据孔隙比根据孔隙比

46、e e或干密度或干密度dd来判别其密实度。来判别其密实度。一粘性土的稠度形状一粘性土的稠度形状粘性粘性土土二界限含水率及其测定二界限含水率及其测定流态流态Vw0可塑态可塑态半固态半固态 固态固态膨胀膨胀收缩收缩wLwPwS测定塑限的方法：搓滚法和液、塑限结合测定法。测定塑限的方法：搓滚法和液、塑限结合测定法。测定液限的方法：碟式仪法、锥式液限仪、和液、塑限测定液限的方法：碟式仪法、锥式液限仪、和液、塑限结合测定法。结合测定法。结合测定仪锥式液限仪蝶式仪25击合拢长度击合拢长度13mm时含水率为液限时含水率为液限 土的缩限用收缩皿法测定。土的缩限用收缩皿法测定。10021wssmVVww式中：w

47、s土的缩限 w制备时的含水率V1湿试样的体积cm3 ，V2干试样的体积cm3pLpwwI三塑性指数和液性指数三塑性指数和液性指数103171017pppIIIpppLpLIwwwwwwI 1989和2002都根据I L将粘性土划分成了表1.6.1中的五种形状。 粘性土的软硬形状 表1.6.1状 态坚 硬硬 塑可 塑软 塑 流 塑液性指数I LI L 0 0 I L0.25 0.25IL0.75 0.751四灵敏度、触变性及活动度四灵敏度、触变性及活动度土的构造构成后就获得了一定的强度，并且这种强土的构造构成后就获得了一定的强度，并且这种强度会随时间而增长。在含水量不变的情况下，将度会随时间而增

48、长。在含水量不变的情况下，将原状土捏碎，重新按原来的密度制备成重塑土，原状土捏碎，重新按原来的密度制备成重塑土，由于原状构造遭到了彻底破坏，重塑土样的强度由于原状构造遭到了彻底破坏，重塑土样的强度会比原状土样有明显的降低。原状土样的单轴抗会比原状土样有明显的降低。原状土样的单轴抗压强度压强度ququ与重塑土样的单轴抗压强度与重塑土样的单轴抗压强度qu qu 之比称之比称为土的灵敏度为土的灵敏度StSt，即：，即： St = qu /qu (1.6.6) St = qu /qu (1.6.6) 根据灵敏度的大小可以将粘性土分为三类：低灵根据灵敏度的大小可以将粘性土分为三类：低灵敏土敏土1 S t

49、21 S t2；中灵敏土；中灵敏土2 St42 4S t 4。 与灵敏度亲密相关的另一特性是触变性。构造受与灵敏度亲密相关的另一特性是触变性。构造受破坏，强度降低以后的土，假设静置不动，那么破坏，强度降低以后的土，假设静置不动，那么土颗粒与水分子和离子会重新组合陈列，构成新土颗粒与水分子和离子会重新组合陈列，构成新的构造，强度又将得到一定程度的恢复。这种在的构造，强度又将得到一定程度的恢复。这种在含水量和密度不变的条件下，土因重塑而软化，含水量和密度不变的条件下，土因重塑而软化，又因静置而逐渐硬化的性质称为土的触变性。又因静置而逐渐硬化的性质称为土的触变性。 在实践工程中，有时两种粘土的塑性指

50、数在实践工程中，有时两种粘土的塑性指数Ip很接很接近，但性质能够会有很大差别，为了进一步加以近，但性质能够会有很大差别，为了进一步加以区别，英国土力学家斯肯普顿在区别，英国土力学家斯肯普顿在1953年又引入了年又引入了活动度活动度A的概念，即：的概念，即：A = Ip /m 式中式中m为粒径小于为粒径小于0.002mm的土粒质量占土样总的土粒质量占土样总质量的百分数。质量的百分数。 实验设备实验设备 击实筒击实筒V=1000cm3；击实锤；击实锤w=25牛顿牛顿 实验条件实验条件 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 .

51、607VwdNnE 实验方法实验方法 对对=常数的土；分三层压实；常数的土；分三层压实； 测定击实后的测定击实后的、，算定，算定d 留意：仅适用于细粒土；对粗粒土，可用较大尺留意：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1.7 粘性土水粘性土水-土系统的工程特性土系统的工程特性 土的压实性：指在一定的含水率下，以人工或机械的方法，土的压实性：指在一定的含水率下，以人工或机械的方法，使土可以压实到某种密实度的性质。使土可以压实到某种密实度的性质。1.8地基土的工程分类地基土的工程分类粗细是最为重要的。1. 碎石土碎石土 指粒径大于指粒径大于2mm的颗粒含量超越总土重的颗粒含量

52、超越总土重50%的土。根据粒组含量及颗粒外形，还的土。根据粒组含量及颗粒外形，还可按表可按表1.8.1细分为漂石、块石、卵石、碎细分为漂石、块石、卵石、碎石、圆砾和角砾六类。石、圆砾和角砾六类。碎碎 石石 土土 的的 分分 类类 表表.1土的名称 颗粒形状粒 组 含 量漂石磨圆粒径大于200mm的颗粒超过全重50%块石棱角卵石磨圆粒径大于20mm的颗粒超过全重50%碎石棱角圆砾磨圆粒径大于2mm的颗粒超过全重50%角砾棱角注：分类时应根据粒组含量由大到小以最先符合者确定。2. 砂土砂土 指粒径大于指粒径大于2mm的颗粒含量不超越全重的的颗粒含量不超越全重的50%，而粒径大于，而

53、粒径大于0.075mm的颗粒含量超的颗粒含量超越全重的越全重的50%的土。砂土根据粒组含量不的土。砂土根据粒组含量不同又被细分为砾砂、粗砂、中砂、细砂和同又被细分为砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂五类。如表粉砂五类。如表1.8.2所示。所示。砂砂 土土 的的 分分 类类 表表.2土的名称粒 组 含 量砾砂(gravelly sand)粗砂(coarse sand)中砂(midium sand)细砂(fine sand)粉砂(silty sand)粒径大于2mm的颗粒占全重25-50%粒径大于0.5mm的颗粒超过全重50%粒径大于0.25mm的颗粒超过全重50%粒径大于0.075mm的颗粒超过全重85%粒径大于0.075mm的颗粒超过全重50%注：分类时应根据粒组含量由大到小以最先符合者确定。3. 粉土粉土 指粒径大于指粒径大于0.075mm的颗粒含量不超越的颗粒含量不超越50%，且塑性指数，且塑性指数3I p 10的土。的土。 这类土既不具有砂土透水性大、容易排水这类土既不具有砂土透水性大、容易排水固结、抗剪强度较高的优点，又不具有