土力学课件：土质土力第一章 土的物理性质与工程分类

1、土的物理性质与工程分类第一章渗透特性变形特性强度特性土的物理状态土的工程分类决定影响土的形成过程土的三相组成决定自然条件便于研究和应用 体现第一章 土的物理性质及工程分类1.1 土的形成过程及组成1.2 土的颗粒特征1.3 土的三相比例指标1.4 粘性土的界限含水率1.5 无粘性土的密实度1.6 土的工程分类第一章 土的物理性质及工程分类 本章提要 本章特点 学习要点 对土的特点进行详细解释 对土的组成和状态进行定量描述 内容琐碎、零散 理清各节间联系 理清各节内层次 注意物理概念的把握一、土的形成过程 1.1 土的形成过程及组成土的组成、结构和物理力学性质过程、条件搬运、沉积 风化岩石土生物

2、风化物理风化化学风化量变无粘性土原生矿物质变粘性土次生矿物动植物的活动. 风化岩石和土的粗颗粒受自然界各种因素的影响而发生的裂缝,或在运动过程中因碰撞和摩擦而破碎的现象。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，形成新的矿物 1.1 土的形成过程及组成. 搬运与沉积残积土无搬运运积土有搬运土质较好残积土强风化弱风化微风化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 1.1 土的形成过程及组成运积土有搬运风：重力: 流水:洪积土冲积土湖泊沼泽沉积土海

3、相沉积物冰川:土粒粗细不同，性质不均匀有分选性，近粗远细浑圆度分选性明显，土层交迭含有机物淤泥，土性差土粒粗细变化较大，性质不均匀颗粒均匀，层厚而不具层理所以我们说：土是由出露地表的岩石经历了漫长的风化、剥蚀、搬运、沉积后形成的松散堆积体。不同的形成过程和条件，形成的土颗粒大小、形状及矿物成分不同，即其物理状态不同。颗粒细，表层松软，土性差坡积土冰积土风积土 1.1 土的形成过程及组成沉积年代山体表面岩石的崩解碎裂冰晶体对岩石的劈裂破坏示意图树木根系对岩石的劈裂破坏示意图气相固相液相+构成土骨架，起决定作用重要影响土体次要作用土是三相体二、土的三相组成 1.1 土的形成过程及组成湿土。是一种非

4、饱和土。若为粘土多为可塑性土。液相为零，为干土。此时粘土呈坚硬状态，砂土呈松散状态。气体为零，为饱和状态。此时粉细砂或粉土在震动下容易产生液化。土的三相比例不同，其性质不同第一章 土的物理性质及工程分类1.1 土的形成过程及组成 1.2 土的颗粒特征1.3 土的三相比例指标1.4 粘性土的界限含水率1.5 无粘性土的密实度1.6 土的工程分类物理状态力学特性粒径、级配矿物成分颗粒形状 固相：是由难溶于水或不溶于水的各种矿物 颗粒和部分有机质所组成 1. 土的颗粒特征土粒又称为土的固相一、土粒的矿物成分 1. 土的颗粒特征矿物：存在于地壳中具有一定的化学成分与物理性质的自然元素与化合物原生矿物是

5、指岩浆在冷凝过程中形成的矿物石英、长石、云母等土粒的矿物成分主要取决于母岩的成分及其所经受的风化作用，主要分为原生矿物和次生矿物。一、土粒的矿物成分 1. 土的颗粒特征次生矿物次生矿物是原生矿物经化学风化后发生变化而形成主要是粘土矿物，包括三种类型：高岭石、伊利石、蒙脱石不同的矿物成分对土的性质有着不同的影响，粘土矿物成分影响尤为重要一、土粒的矿物成分 1. 土的颗粒特征粘土矿物:由硅氧四面体和铝氢氧八面体构成的晶胞所组合而成硅氧四面体晶片的结构表示铝氢氧八面体晶片的结构表示粘土矿物的晶格构造高岭石蒙脱石伊利石粒径比表面积胀 缩 性渗 透 性强度压 缩 性大10-20m2/g小大大小中80-1

6、00m2/g中中中中小800m2/g大小小大比表面积 ：单位质量土颗粒所拥有的总表面积9克蒙脱土的总表面积大约与一个足球场一样大二、土粒的粒径、级配颗粒大小各粒径成分在土中占的比例影响土性的主因 1. 土的颗粒特征可控影响土性的因素1.土粒大、小及其粒组划分200 60(20) 2 0.075 0.005（0.002)块石漂石碎石卵石角砾圆砾砂粒粉粒粘粒粒组 按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类界限粒径d(mm)d(mm)砾石砂粒粉粒粘粒胶粒6020.0750.0050.0020.250.5520粗 中 细粗 中 细0.075粗粒细粒 1. 土的颗粒特征二.土粒的粒径、级配粒组名称粒径范围mm

7、一般特征漂石、块石颗粒200透水性很大，无粘性，无毛细水卵石、碎石颗粒20020圆砾、角砾颗粒粗2010透水性大，无粘性，毛细水上升高度不超过粒径大小中105细52砂粒粗20.5易透水，当混有云母等杂质时透水性减小，而压缩性增大；无粘性，遇水不膨胀，干燥时松散；毛细水上升高度不大，随粒径变小而增大中0.50.25细0.250.1极细0.10.075粉粒粗0.0750.01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，极易出现冻胀现象细0.010.005粘粒0.075 mm) 水分法：适用于细粒土 (2.02.01.01.00.50.50.250.250.0750.0

8、7512.8218.949.8335.2923.12 1. 土的颗粒特征水分法粒径(mm)0.050.010.005百分数P(%)2613.5101009080706050403020100105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)200g土的粒径级配累积曲线10161824223872105.02.01.00.50.250.075P%958778665536小于某粒径之土质量百分数P（） 1. 土的颗粒特征b.用曲线表示小于某粒径之土质量百分数P（）1009080706050403020100粒径(mm)土的粒径级配累积曲线105.01.00.50.100

9、.050.010.0050.001曲线斜率: 某粒径范围内颗 粒的含量陡相应粒组质量集中 缓-相应粒组含量少 平台-相应粒组缺乏特征粒径: d50 : 平均粒径d60 : 控制粒径d10 : 有效粒径d30 : 中值粒径曲线的陡、缓或不均匀程度：Cu = d60 / d10 不均匀系数Cu 5,土体均匀，不好粗细程度： 用d50 表示 d60d10d300.330.0050.063d60d10d30CuCc0.330.0050.063662.41蓝色曲线 1. 土的颗粒特征红色曲线：填方土料：Cu10,即：级配良好，小于某粒径之土质量百分数P（）1009080706050403020100土的

10、粒径级配累积曲线105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm) 1. 土的颗粒特征小于某粒径之土质量百分数P（）1009080706050403020100土的粒径级配累积曲线105.01.00.50.100.050.010.0050.001曲率系数Cc表示级配曲线的整体形状d60d10d30CuCc0.330.0050.063662.41蓝色曲线0.750.020.009绿色曲线一般情况下,Cc值处于是13为好。 1. 土的颗粒特征粒径级配累积曲线及指标的用途：平均粒径用于土的分类定名；不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度： Cu 5, 不均匀土； Cu 3

11、或 Cc 1,级配不连续土不均匀系数Cu和曲率系数Cc用于判定土的级配优劣： 如果 Cu 5且 C c = 1 3 ， 级配 良好的土； 如果 Cu 3 或 Cc 1, 级配 不良的土c.三角坐标法有些情况下，仅需表示砂粒、粉粒、粘粒三种土料的相对含量，这时，仍采用累计曲线法过于烦琐，工程上也常用三角坐标法表示：从几何学中知道：利用等边三角形内任意一点至三个边的平行距离的总和等于三角形的边 。取边长为1。粘粒：30%粉粒：20%砂粒：50% 1. 土的颗粒特征 颗粒级配的三种表示方法比较1. 表格法2. 累计曲线3. 三角坐标法能清楚说明土样各粒组的含量，但对于大量土样之间的比较无直观概念，使

12、用比较困难能直观比较各土样之间的颗粒级配状况，目前大量使用 仅适用于划分三个粒组的情况三、颗粒形状原生矿物 圆状、浑圆状、棱角状次生矿物 针状、片状、扁平状第一章 土的物理性质及工程分类1.1 土的形成过程及组成 1.2 土的颗粒特征 1.3 土的三相比例指标1.4 粘性土的界限含水率1.5 无粘性土的密实度1.6 土的工程分类1.3 土的三相比例指标反映三相组成间数量关系的指标称为三相比例指标一、三相指标示意图土的三相组成示意图固相液相气相质量体积设：水、土总质重，kg土颗粒质量，kg土中水质量，kg且：土的工程性质土的物性指标定量表示它是评价土体工程性质的基本参数。粗粒土的松密程度粘性土的

13、软硬状态土的三相组成示意图固相液相气相质量体积V-土体总体积，m3Vs-土粒体积，m3Vw-土中水体积，m3Va-土中气体体积，m3V=Vs+VVVV-土中孔隙体积，m3VV=Va+ Vw且：1.3 土的三相比例指标二、土的三项基本物理指标基本实验室直接测定1、密度 ;重力密度 土的三相组成示意图固相液相气相质量体积重力密度 ：单位体积土的重量密度 ：单位体积土的质量 土的总质量土的总体积常见值：测定方法环刀法灌水法蜡封法1.3 土的三相比例指标常见值：砂 土2.652.69粉 土2.702.71粘性土2.722.742、土粒密度 ：土中固体颗粒单位体积的质量 测定方法：比重瓶法关键在于测量固

14、体矿物质量和体积质量烘干体积排气经验法依据为各种土的土粒比重相差不大即：土粒相对密度 Gs土颗粒重量与同体积4C时纯水的重量比。土粒重度常见值砂 土26.526.9粉 土27.027.1粘性土27.227.41.3 土的三相比例指标3、土的含水量 ：常见值：砂 土（04）粘性土（2060）测定方法：烘箱法红外线法酒精燃烧法铁锅炒干法本质都是确定脱水前后土样的质量，区别在于脱水的方法土中水的质量与固体颗粒质量的比值 1.3 土的三相比例指标三、土的六个导出指标1、孔隙比 ：土中孔隙体积与土颗粒体积之比 常见值：砂 土0.51.0，e 1.0时，为软弱地基2、孔隙率 ：土中孔隙体积与土总体积之比

15、常见值：n=(3050)%常见值：013、饱和度 ：水在空隙中充满的程度1.3 土的三相比例指标4.干土密度单位体积土中土颗粒的质量。干土重度：单位体积土中土颗粒的重量。kg/m3kN/m3干重度、干容重5、 饱和密度 ：土中孔隙完全被水充满时，单位体积质量 饱和重度 6、 有效密度 ：地下水位以下，土体受浮力作用时，单位 体积的质量有效重度 浮容重饱和容重1.3 土的三相比例指标1、密度 2、土粒密度 3、土的含水量 1、孔隙比 2、孔隙率 3、饱和度4、干密度 5、 饱和密度 6、 有效密度 小 结液相气相质量体积基本指标导出指标1.3 土的三相比例指标四、指标间的换算导出指标与基本指标的

16、关系土的三相组成示意图固相液相气相质量体积根据： 液相气相质量体积固相三相指标换算示意图 液相气相质量体积固相1.3 土的三相比例指标四、指标间的换算导出指标与基本指标的关系土的三相组成示意图固相液相气相质量体积 液相气相质量体积固相1.3 土的三相比例指标求e及Sr例：解1：解2：令土的体积为V=1m3，则液相气相重量体积1.3 土的三相比例指标第一章 土的物理性质及工程分类1.1 土的形成过程及组成 1.2 土的颗粒特征 1.3 土的三相比例指标 1.4 粘性土的界限含水率1.5 无粘性土的密实度1.6 土的工程分类 1.4 粘性土的界限含水率一、粘性土的状态及界限含水率再加水充分湿润，它

17、就具有一定的可塑性 %0固体状态粘性土所处的物理状态（软硬状态）与土的含水量密切相关。半固态可塑状态流塑状态当含水量很小时，感觉较硬，外力作用下，将其压碎成粉沫状；我们称其处于固体状态，少加一点水，充分湿润加压后，感觉稍软，加力压碎后成边缘破裂的饼状，称其为半固态；水加的过多，就成了流塑状态的泥浆状。含水量变化后状态：固态半固态可塑态流塑态强度：下降很多，可达10倍以上很明显粘性土从一种状态转变到另一种状态，含水量应有一个分界值，我们称其为界限含水量，分别称为液限、塑限和缩限。1.液限WL这里所说的可塑性是指物体在外力作用下，可塑成任何形状，当外力撤除后，能保持既得形状而不变化的特性。粘性土只

18、要含水量适当，它就具有这种特性，我们称其具有可塑性。 %0固体状态半固态可塑状态流塑状态粘性土从可塑状态转变到流塑状态时含水量的分界值，称为粘性土的液限，记为WLWL 1.4 粘性土的界限含水率 %0固体状态半固态可塑状态流塑状态WL2.塑限Wp粘性土从可塑状态转变到半固体状态时含水量的分界值，称为粘性土的塑限，记为WpWp同样，从半固体状态转变到固体状态时含水量的分界值，称为粘性土的缩限，记为Ws。Ws液限塑限缩限缩限Ws是粘性土失水后体积发生变化的界限，它对工程影响不大，我们对它不感兴趣。但液限WL、塑限Wp对粘性土的工程性质影响极大，我们再进一步研究。二、塑性指数Ip和液性指数IL1.塑

19、性指数Ip 1.4 粘性土的界限含水率粘性土液、塑限差值（去掉百分号）称为粘性土的塑性指数，记为Ip。即：Ip = WL -Wp %固体状态半固态可塑状态流塑状态WsWLWp塑性指数反映的是粘性土处于可塑状态时含水量的变化范围；从矿物成份上看：粘土矿物中的蒙脱土矿物与水作用能力最强，因此，这段范围越大，说明土体中蒙脱土矿物含量越多；从图上可以看出：而粘性土与水作用能力的大小与粒径密切相关这段范围越大，说明土体中细粒土含量越多； 1.4 粘性土的界限含水率土体具有可塑性是含有弱结合水的缘故，因此，这段范围越大，说明土体中弱结合水含量就越多，同时，土粒表面吸附的阳离子层厚度就越厚，由此推断：土中低

20、价离子含量就越多，土的渗透性就越差、阻水性就越好。因此，塑性指数Ip是粘性土各种影响因子作用后的一个综合反映，从一定程度上，反映了粘性土的工程性质。工程上，用塑性指数Ip对粘性土进行工程分类它是粘性土命名的依据 1.4 粘性土的物理特性指标Ip 17 粘 土10 Ip 17 粉质粘土2.液性指数IL稠度指标，反映粘性土的软、硬程度，它的定义是：粘性土的天然含水量与塑限的差值和塑性指数之比，记为IL 。即：当天然含水量小于等于塑限Wp时，土体处于固态或者是半固态，此时IL小于或等于零，如按现行岩土勘察规范物理意义：表明 靠近 还是靠近 ， 反映土的软硬不同 1.4 粘性土的物理特性指标当天然含水

21、量大于等于液限WL时，土体处于流塑状态，此时IL大于或等于1.0，当天然含水量在液限WL和塑限Wp之间变化时， IL值处于01.0之间，此时粘性土处于可塑状态。IL值处于01.0之间时，土体处于可塑状态各类规范根据IL值的大小，将粘性土的软硬状态分为土坚硬、硬塑、可塑、软塑、流塑等几种状态。 1.4 粘性土的物理特性指标三、液、塑限的测定1.液限测定国家标准：锥式液限仪凭经验调好土样（调成土湖状），分层放入盛土碗内，用刀抹平盛土碗表面10锥式液限仪建筑地基基础设计规范GB 50007-2002 0坚硬0.25硬塑0.75可塑1.0软塑流塑如： 1.4 粘性土的物理特性指标将锥顶角30、重76g

22、的圆锥体锥尖对准土样表面，松手后让其在自重作用下下沉，5s沉入土中深度恰好为10mm时，土样含水量即为液限WL。美国、英国等采用碟式仪：在碟中装入土样，开槽器开2mm宽的槽，10mm落距下自由下落25次，土槽合拢长度13mm(1/8英寸)，土样的含水量即为液限。10锥式液限仪碟式液限仪 1.4 粘性土的物理特性指标1985年制定国家级土工操作规程时，采用了后者。采用 76g的圆锥体，入土深度17mm，为17mm液限76g的圆锥体，入土深度10mm，为10mm液限。公路路面规范采用 100g的圆锥体，入土深度20mm，为液限。同一种土样，两种仪器测试的结果不同；经大量试验验证：如果用 100g的

23、圆锥体，入土深度改为20mm ，或用76g圆锥体，入土深度改为17mm，则结果与碟式仪相当。 1.4 粘性土的物理特性指标2.塑限Wp手工搓泥条，直径3mm，恰好在土条表面开始产生均匀裂纹时的含水量即为塑限。3.联合法测液、塑限双对数坐标系，作出圆锥入土深度与含水量之间的关系曲线，该曲线上圆锥入土深度2mm对应的含水量即为塑限，10mm对应的含水量即为10mm液限2Wp10WL电磁放锥，屏幕读值光电式液限仪搓条法logS 1.4 粘性土的物理特性指标液塑限联合测定仪 1.4 粘性土的物理特性指标下沉深度为10(17)mm所对应的含水量为液限;下沉深度为2mm处所对应的含水量为塑限 第一章 土的

24、物理性质及工程分类1.1 土的形成过程及组成 1.2 土的颗粒特征 1.3 土的三相比例指标 1.4 粘性土的界限含水率 1.5 无粘性土的密实度1.6 土的工程分类1.5 砂土的密实度粘土颗粒间有粘聚力，呈团聚状态；砂土则不然，颗粒间基本上无联结，其颗粒排列的紧密程度直接决定了它的承载能力和变形能力；砂土的密实程度决定了砂土的承载和变形能力也就是说密实度大结构稳定、强度大、压缩变形小密实度小结构疏松、不稳定、压缩变形大衡量无粘性土的密实度方法?1.5 砂土的密实度孔隙比是反映土体密实程度的一个指标。一、孔隙比或孔隙率孔隙比e不同分类emin = 0.35emin = 0.20对策：采用相对密

25、度天然状态下，其孔隙比设为e，则该砂土在天然状态下的密实程度可以用天然孔隙比在最大emax 、最小孔隙比emin之间的相对位置来表示，即相对密度Dr ，二、砂土的相对密度Dr一般情况下，可以用相对密度Dr的值对砂土的密实程度进行划分：当e =emax ， Dr =0时 ；表示土体处于最疏松状态当e = emin ，Dr = 1.0；表示土样处于最紧密状态1.5 砂土的密实度但在实用当中，原状砂土样的采集比较困难，特别是地下水位以下，原状砂土样的采集几乎是不可能的，这样符合实际的天然孔隙比就无法获得；同时，直到目前为止，最大孔隙比 emax 、最小孔隙比emin的测定方法还有问题， 0 Dr 1

26、/3 松 散1/3 Dr 2/3 中 密2/3 Dr 2mm的颗粒含量大于50%的土2.分类依据:颗粒级配+颗粒形状二、碎石土土的名称为主的颗粒形状粒组含量漂石圆形及亚圆形粒径大于200mm的颗粒含量超过全重的50%块石棱角形卵石圆形及亚圆形粒径大于20mm的颗粒含量超过全重的50%碎石棱角形圆砾圆形及亚圆形粒径大于2mm的颗粒含量超过全重的50%角砾棱角形1.6土的工程分类3.碎石土的密实度密实度重型圆锥动力触探锤击数N63.5松散N63.55稍密5N63.510中密10204.常见碎石土的工程性质强度高,渗透性大,压缩性低优良地基1.6土的工程分类1.6土的工程分类1.定义：粒径d 2mm

27、的颗粒含量不超过全重的50%，且d 0.075mm的颗粒含量超过全重50%的土 2.分类土的名称粒组含量砾砂粒径d 2mm的颗粒占总质量2550%粗砂粒径d 0.5mm的颗粒超过总质量50%中砂粒径d 0.25mm的颗粒超过总质量50%细砂粒径d 0.075mm的颗粒超过总质量85%粉砂粒径d 0.075mm的颗粒超过总质量50%三、砂土3.砂土的密实度4.工程性质密实度标贯击数N松散N 10稍密10N 15中密1530密实与中密优良地基砾砂，粗砂，中砂稍密良好地基密实良好地基细砂，粉砂饱和疏松不良地基1.6土的工程分类1.定义：介于砂土与粘性土之间,塑性指数Ip 10， 且d 0.075mm的颗粒含量不超过全重50%的土 2.工程性质密实良好地基饱和稍密地震时易液化不良地基四、粉 土1.定义：塑性指数Ip 10的土2.分类塑性指数土的名称Ip 17粘 土10Ip 17粉质粘土五、粘性土1. 按 Ip 分1.6土的工程分类3.工程性质与含水量密切相关密实、硬塑良好地基疏松、流塑软弱地基2. 按 塑性图 分1.6土的工程分类粘性土单纯按塑性指数分类过于粗糙，有些情况下，无法区分，卡萨格兰德（A.Cas