土质学与土力学1土的物理性质与工程分类

土质学与土土力学主讲：王林林峰博博士副教教授土力学体系系一、土的三三相理论二、土的渗渗透理论三、土的强强度理论四、土的变变形理论土的物理性性质与工程程分类第一章对土的特点点进行详细细解释和定定量描述本章特点:看起来零散散学习要点:理清各节间联系系各节内层次次§1土的物性与与分类§1.1土的三相组组成§1.2土的物理状状态§1.3土的工程分分类第1节土的组组成土是固体颗颗粒、水和和空气的混混合物，常常称为三相相系。固相:土的颗粒，，构成土的的骨架；液相:土体孔隙中中的水及其其溶解物；；气相相:孔隙隙中中的的空空气气固相气相液相一.固体体颗颗粒粒物理理状状态态力学学特特性性粒径径级级配配§1土的的物物性性与与分分类类§1.2土的的三三相相组组成成矿物物成成分分颗粒粒形形状状1.粒径径级级配配一.固固体体颗颗粒粒§1.2土的的三三相相组组成成颗粒粒大大小小各粒粒径径成成分分在在土土中中占占的的比比例例粒径径级级配配影响响土土性性的的颗粒粒大大小小粒组组按粗粗细细进进行行分分组组，，将将粒粒径径接接近近的的归归成成一一类类界限限粒粒径径P13一.固固体体颗颗粒粒0.075dmm卵石砾石砂粒粉粒粘粒胶粒6020.0750.0050.0020.250.5520粗

中

细粗

中

细

极细粗粒土细粒土§1土的的物物性性与与分分类类§1.2土的的三三相相组组成成土的的分分类类标标准准粒径径级级配配确定定方方法法筛分分法法：适适用用于于粗粗粒粒土土(>0.075mm)水分分法法：适适用用于于细细粒粒土土(<0.075mm)———各粒粒组组的的相相对对含含量量，，用用质质量量百百分分数数来来表表示示表述述方方法法粒径径级级配配累累积积曲曲线线、列列表表法法§1土的的物物性性与与分分类类一.固固体体颗颗粒粒§1.2土的三相相组成一.固固体颗粒粒§1土的物性性与分类类105.02.01.00.50.250.1200g101618242238721009080706050403020100小于某粒粒径之土土质量百百分数P（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)§1.2土的三相相组成P%958778665536土的粒径径级配累累积曲线线水分法粒径(mm)0.0750.010.005百分数P(%)2613.510一.固固体颗粒粒§1土的物性性与分类类§1.2土的三相相组成1009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)土的粒径级配累积曲线d60d50d10d30d60d10d30CuCc0.330.0050.063662.41特征粒径径:d50:平均粒径d60:限定粒径d10:有效粒径d30;不均匀程程度：Cu=d60/d10连续程度度:Cc=d302/(d60×d10)—曲率系数数—不均匀系系数Cu≥5,级配不均均匀粗细程度度：用d50表示一.固固体颗粒粒§1土的物性性与分类类§1.2土的三相相组成1009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)土的粒径级配累积曲线d60d10d30曲线d60d10d30CuCcL0.330.0050.081663.98M0.0632.41R0.0300.545斜率:某粒径范范围内颗颗粒的含含量陡—相应粒组组质量集集中缓--相应粒组组含量少少平台--相应粒组组缺乏连续程度度:Cc=d302/(d60×d10)—曲率系数数较大颗粒粒缺少Cc减小较小颗粒粒缺少Cc增大Cc=1~3,级配连续续性好粒径级配配粒径级配配累积曲曲线及指指标的用用途：1）粒组含量量用于土土的分类类定名；2）不均匀系系数Cu用于判定定土的不不均匀程程度：Cu≥5,不均匀土土；Cu<5,均匀土3）曲率系数数Cc用于判定定土的连连续程度度：Cc=1~3,级配连续续土；Cc>3或Cc<1,级配不连连续土4）不均匀系系数Cu和曲率系数数Cc用于判定定土的级级配优劣劣：如果Cu≥5且Cc=1~3，级配良良好的土土；如果Cu<5或Cc>3或Cc<1,级配不不良的土土§1土的物性性与分类类一.固固体颗粒粒§1.2土的三相相组成结晶水矿物内部部的水结合水吸吸附在在土颗粒粒表面的的水自由水电电场引引力作用用范围之之外的水水土中冰由由自自由水冻冻成，冻冻胀融陷陷§1土的物性性与分类类§1.2土的三相相组成二.土土中水（液相）§1土的物性性与分类类§1.2土的三相相组成二.土土中水结合水排列致密密、定向向性强密度>1g/cm3(1.5-1.8)冰点处于于零下几几十度具有固体体的的特特性温度高于于100°C时可蒸发发强结合水水位于强结结合水之之外，电电场引力作用范范围之内内外力作用用下可以以移动不因重力力而移动动，有粘粘滞性弱结合水水自由水重力水毛细水在重力作作用下可可在土中中自由流流动存在于固固气之间间在重力与与表面张张力作用用下可在土粒粒间空隙隙中自由由移动§1土的物性性与分类类§1.2土的三相相组成二.土土中水§1土的物性性与分类类§1.2土的三相相组成二.土土中水土中毛细细现象上升高度度:πr2hcγw=2πrTcosα毛细水分布在土土粒内部部相互贯贯通的孔孔隙可以以看成许许多形状状不一、、直径互互异、彼彼此连通通的毛细细管毛细升高高与孔径径成反比比粘土粉土砂土砾石分析对象象:水柱三.土中气体体自由气体体：与大气连连通，对对土的性性质影响响不大封闭气体体：增加土的的弹性；；阻塞渗渗流通道道§1土的物性性与分类类§1.2土的三相相组成土有三个个组成部部分：固固相、液液相和气气相小结1.固体颗粒粒2.土中中水3.土中中气体粒径级配配矿物成分分颗粒形状状结合水(强强结合水水、弱结结合水)自由水(重重力水、、毛细水水)自由气体体封闭气体体§1土的物性性与分类类§1.2土的三相相组成§1.3土的物理理状态土的物理理状态粗粒土的的松密程程度粘性土的的软硬状状态§1土的物性性与分类类土的物理理性质指指标(三相间的的比例关关系)力学特性性影响表示一.物物理性质质指标土的三个个组成相相的体积积和质量量上的比比例关系系§1土的物性性与分类类§1.3土的物理理状态密实程度度干湿程度度……特点:指标概概念简简单，，数量量很多多要点：：名称、、概念念或定定义、、符号号、表表达式式、单位或或量纲纲、常常见值值或范范围、、联系系与区区别定义基本方方法:三相草草图法法1.三相草草图§1土的物物性与与分类类一.物物理理性质质指标标WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积§1.3土的物物理状状态三相草草图§1土的物物性与与分类类一.物物理理性质质指标标WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积已知关关系五五个:共有九九个参参数:VVvVsVaVω/msmωmam剩下三三个独独立变变量三相草草图法法物性指指标是是比可假设任一参数为1对于饱饱和土土,Va=0剩下两实验室室测定定其它指指标是一种种简单单而实实用的的方法法§1.3土的物物理状状态一.物物理理性质质指标标2.室内测测定的WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积----土的密密度、、土粒粒的比比重、、土的的含水水量土的密密度土的容容重γ=ρg工程上上更常常用,用于计计算土单位:kg/m3或g/cm3单位:kN/m3一般范范围:1.60—2.20g/cm定义:土单位位体积积的质质量有时也也称土的天天然密密度§1.3土的物物理状状态表达式式:相关指指标:§1土的物物性与与分类类一.物物理理性质质指标标WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积土粒比比重s:土粒的的密度度，单单位体体积土土粒的的质量量单位:无量纲纲土粒比比重一一般范范围:砂土2.654˚C时纯蒸蒸馏水水的密密度=1.0g/cm3土粒比比重在在数值值上等等于土土粒的的密度度定义:土粒的的密度度与4˚C时纯蒸蒸馏水水的密密度的的比值值§1.3土的物物理状状态表达式式:土粒比比重常常用比重瓶瓶法测定，，事先先将比比重瓶瓶注满满纯水水，称称瓶加加水的的质量量。然然后把把烘干干土若若干克克装入入该空空比重重瓶内内，再再加纯纯水至至满，，称瓶瓶加土土加水水的质质量，，按下下式计计算土土粒比比重：：式中：m1——瓶加水的质质量；m2——瓶加土加水水的质量；；ms——烘干土的质质量。§1土的物性与与分类一.物理理性质指标标WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积土的含水量量定义:土中水的的质量与与土粒质质量之比比,用百分数数表示注意:其实是含含水比,可达到或或超过100％§1.3土的物理理状态表达式:一.物物理性质质指标表示土中中孔隙含含量的指指标孔隙比孔隙率(孔隙度)§1土的物性性与分类类３.其它常用用的物理理性质指指标关系:在某种程程度上反反映土的的松密砂类土：：28-35%粘性土：：30-50%有的可达达60-70%§1.3土的物理理状态定义:土中孔隙隙体积与与固体颗颗粒体积积之比,无量纲表达式:WaterAirSoilVaVwVsVvV体积表达式:Vs=1Vv=eV=1+eWaterAirSoil体积三相草图图可用于于确定物物性指标一.物物理性质质指标表示土中中含水程程度的指指标§1土的物性性与分类类含水量饱和度§1.3土的物理理状态WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积表达式:定义:土中水的的体积与与孔隙体体积的比比值饱和度表表示孔隙中充充满水的的程度Sr=0:干土Sr=1:饱和土§1土的物性性与分类类一.物物理性质质指标表示土中中密度和容容重的指标天然密度度干密度饱和密度度天然容重重干容重浮容重浮密度有效容重重饱和容重重§1.3土的物理理状态WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积单位:kg/或g/cm3单位:kN/m3定义:土被完全全烘干时时的密度度,等于单位体积积内土粒粒的质量量表达式:各种密度度容重之之间的大大小关系系：§1土的物性性与分类类一.物物理性质质指标§1.3土的物理理状态天然密度度干密度饱和密度度天然容重重干容重浮容重饱和容重重WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积§1土的物性性与分类类二.土的物理理状态指指标§1.3土的物理理状态土的物理理状态粗粒土的的松密程程度粘性土的的软硬状状态土的物理理性质指指标(三相间的的比例关关系)力学特性性影响表示emax与emin：最大与最最小孔隙隙比1.粗粒土的的密实状状态§1土的物性性与分类类二.物物理状态态指标密实度如何衡量量?单位体积积中固体体颗粒含含量的多多少优点：简单方便便缺点：不能反映映级配的的影响只能用于于同一种种土对策2、相对密密度§1.3土的物理理状态1、孔隙比比e或孔隙率率nemin=0.35emin=0.20粗粒土的的密实状状态指标标判别标准准：Dr=1,最密状态态Dr=0,最松状态态Dr≤1/3,疏松状态态1/3<Dr≤2/3,中密状态态Dr>2/3,密实状状态§1土的物物性与与分类类二.物物理理状态态指标标§1.3土的物物理状状态相对密密度3、标准准贯入入锤击击数N2.粘性土土的软软硬状状态§1土的物物性与与分类类二.物物理状态态指标也称稠度状态态§1.3土的物理理状态稠度状态态与含水水量有关关粘性土含水量较硬变软流动塑限ωp液限ωl§1土的物性性与分类类二.物物理状态态指标§1.3土的物理理状态缩限ωs测定塑限的方法：：搓滚法法和液塑塑限联合合测定法法。测定液限的方法：：液限仪仪法和液液塑限联联合测定定法测定缩限的方法：：收缩皿皿法，把把土料的的含水率率调制到到大于土土的液限限，然后后将试样样分层填填入收缩缩皿中，，刮平表表面，烘烘干，测测出干试试样的体体积并称称量准确确至0.1g后，按下下式计算算式中：ws—土的缩限限；w—制备时的的含水率率；V1—湿试样的的体积；；V2———干试样的的体积。。液限ωL通常采用用平衡锥锥式液限限仪测定定平衡锥重重76g，锥角为为30°，试验时时使平衡衡锥在自自重作用用下沉入入土样中中，当达达到沉入入深度（（公路标标准17mm）时土样样含水量量即为液液限ωL.塑液限联合测定仪砂类土细粒土——吸附附结合水水的能力力；粘性性大小；；大致反反映粘土土颗粒含含量§1土的物性性与分类类二.物物理状态态指标§1.3土的物理理状态塑性指数数相对稠度度§1土的物性性与分类类二.物物理状态态指标§1.3土的物理理状态对于不同的粘粘土，含含水量相相同，稠度可能能不同液性指数数不同的粘粘土，ωp、ωl大小不同同定义：wpwwlIL<0IL=0––1IL>1坚硬状态态可塑状态态流态态0.00–0.250.25-0.750.75–1.00硬塑可塑软塑§1土的物性性与分类类