土力学第一章土的物理性质及工程分类

土的物理性质及工程分类第一章对土的特点进行详细解释和定量描述本章特点:看起来零散学习要点:

理清各节间联系各节内层次§1土的物性及分类土的生成渗透特性变形特性强度特性土的三相组成土的物理状态土的结构与构造土的工程分类决定影响便于研究和应用§1土的物性及分类§1.1土的生成§1.2土的三相组成§1.3土的三相比例指标§1.4土的物理状态指标§1.5土的结构与构造§1.6土的工程分类§1.1土的生成土是岩石经过风化后在不同条件下形成的自然历史的产物搬运、沉积§1土的物性及分类形成过程形成条件物理力学性质风化岩石地球土地球影响生物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§1土的物性及分类一.风化有机质§1.1土的生成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,或在运动过程中因碰撞和摩擦而破碎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，形成新的矿物二.搬运与沉积残积土无搬运运积土有搬运土质较好§1土的物性及分类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§1.1土的生成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2.搬运与沉积运积土有搬运风：风积土§1土的物性及分类重力:坡积土流水:洪积土冲积土湖泊沼泽沉积土海相沉积物冰川:冰积土§1.1土的生成土粒粗细不同，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，土性差颗粒细，表层松软，土性差土粒粗细变化较大，性质不均匀颗粒均匀，层厚而不具层理第四纪沉积物：属于新生代，距今100多万年，尚未胶结硬化§1.2土的三相组成气相固相液相++构成土骨架，起决定作用重要影响土体§1土的物性及分类次要作用一.固体颗粒物理状态力学特性颗粒级配§1土的物性及分类§1.2土的三相组成矿物成分颗粒形状1.颗粒级配一.固体颗粒§1土的物性及分类§1.2土的三相组成颗粒大小各粒径成分在土中占的比例狭义的颗粒级配影响土性的主因颗粒大小粒组按粗细进行分组组，将粒径接近近的归成一类界限粒径一.固体颗粒粒§1土的物性及分类类§1.2土的三相组成颗粒级配确定方法——颗粒分析试验筛分法：适用于粗粒土土(>0.075mm)沉降分析法：适用于细粒土土(<0.075mm)——各粒组的相对含含量，用质量百百分数来表示表述方法颗粒级配累积曲曲线§1土的物性及分类类一.固体颗粒粒§1.2土的三相组成一.固体颗粒粒§1土的物性及分类105.02.01.00.50.250.075200g101618242238721009080706050403020100小于某粒径之土土质量百分数P（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)§1.2土的三相组成P%958778665536土的颗粒级配累累积曲线沉降分析法粒径(mm)0.050.010.005百分数P(%)2613.510颗粒分析试验——密度计法1、依据(stokes)定律：当土粒在液体中中靠自重下沉时时，较大的颗粒粒下沉较快，而而较小的颗粒下下沉较慢。一般认为，粒径径为0.2--0.002mm的颗粒，在液体体中靠自重下沉沉时作等速运动动。一、试验原理——土粒在水中的沉沉降原理2、Stokes公式——土粒下降速度与与直径的关系式中：V—土粒的沉降速度度，cm/s；d—土粒直径，mm；（等效直径）ρs—土粒密度，g/cm3；ρw—水的密度，g/cm3；η—水的动力粘滞系系数，10-6kPa•s；g—重力加速度，cm/s2“等效直径”是指指土粒沉降速度与某一粒径的球形形颗粒的沉降速度相等等，那么这球形形颗粒的直径即即为该土粒的直直径。3、计算土粒粒径径的公式K——粒径计算系数，，与悬液温度和土粒比重有关；查《试验指导书》附表2-1；L——某一时间t内的土粒沉降距距离，依密度计读数由试验室手册中中查出。具体试验步骤自自学试验指导手手册一.固体颗粒粒§1土的物性及分类§1.2土的三相组成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)土的颗粒级配累积曲线d60d50d10d30d60d10d30CuCc0.330.0050.063662.41特征粒径:d50:平均粒径d60:限制粒径d10:有效粒径d30:中值粒径不均匀程度：Cu=d60/d10连续程度:Cc=d302/(d60×d10)—曲率系数—不均匀系数Cu≥5,级配不均匀粗细程度：用d50表示一.固体颗粒粒§1土的物性及分类§1.2土的三相组成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)土的颗粒级配累积曲线d60d10d30曲线d60d10d30CuCcL0.330.0050.081663.98M0.0632.41R0.0300.545斜率:某粒径范围内颗颗粒的含量陡—相应粒组质量集集中缓--相应粒组含量少少平台--相应粒组缺乏连续程度:Cc=d302/(d60×d10)—曲率系数较大颗粒缺少Cc减小较小颗粒缺少Cc增大Cc=1~3,级配连续性好颗粒级配颗粒级配累积曲曲线及指标的用用途：1）粒组含量用于土土的分类定名；2）不均匀系数Cu用于判定土的不不均匀程度：Cu≥5,不均匀土；Cu<5,匀粒土3）曲率系数Cc用于判定土的连连续程度：Cc=1~3,级配连续土；Cc>3或Cc<1,级配不连续土4）Cu和Cc用于判判定砾砾类或或砂类类土的的级配配优劣劣：如果Cu≥5且Cc=1~3，，级配良良好好的土土；如果Cu<5或Cc>3或Cc<1,级配不不良良的土土§1土的物物性及分类一.固固体体颗粒粒§1.2土的三三相组组成2.矿物成成分原生矿矿物石英、长石、云母等次生矿矿物主要是是粘土矿矿物，，包括括三种种类型型高岭石石、伊里石石、蒙托石石§1土的物物性及分类一.固固体体颗粒粒§1.2土的三三相组组成粘土矿矿物:由硅片片和铝铝片构构成的的晶胞胞（晶晶格））所组组合而而成§1土的物物性及分类一.固固体体颗粒粒§1.2土的三三相组组成硅片的的结构构（硅硅-氧四面面体））§1土的物物性及分类一.固固体体颗粒粒§1.2土的三三相组组成铝片的的结构构（铝铝-氢氧离离子八八面体体）§1土的物物性及分类一.固体颗颗粒§1.2土的三三相组组成粘土矿矿物的的晶格格构造造：二层型型晶格格三层型型晶格格高岭石蒙托石伊利石粒径径比表面面积亲水水性胀缩缩性性渗透透性性强度度大10-20m2/g小小大大中80-100m2/g中中中中小800m2/g大大小小比表面面积：：单单位质质量土土颗粒粒所拥拥有的的总表表面积积9克蒙托托石的的总表表面积积大约约与一一个足足球场场一样样大§1土的物物性及分类一.固体颗颗粒§1.2土的三三相组组成粘土矿矿物的的带电电性质质研究表表明：：粘土颗颗粒的的表面面带电电荷，，净电电荷通通常为为负电电荷3.颗粒形形状原生矿矿物圆状、、浑圆圆状、、棱角角状次生矿矿物针状、、片状状、扁扁平状状§1土的物物性及分类一.固固体体颗粒粒§1.2土的三三相组组成结晶水水矿物内内部的的水结合水水吸吸附附在土土颗粒粒表面面的水水自由水水电电场场引力力作用用范围围之外外的水水土中冰冰由由自自由水水冻成成，冻冻胀融融陷§1土的物物性及分类§1.2土的三三相组组成二.土土中水水（液相）§1土的物性性及分类§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冰点处于于零下几几十度具有固体体的特性性温度高于于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存在于地地下水位位以下透透水层中中在重力作作用下可可在土中中自由流流动存在于地地下水位位以上透透水层中中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土的物性性及分类§1.2土的三相相组成二.土土中水§1土的物性性及分类§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: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土的物性性及分类§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(强结合水水、弱结结合水)自由水(重重力水水、毛细细水)自由气体体封闭气体体§1土的物性性及分类§1.2土的三相相组成作业第33页第第6题作业要求求：独立立完成，，每章交交一次，，在该章章讲课结结束后下下次上课课时交。。迟交或不不认真完完成者在在平时成成绩中扣扣分§1土的物性性及分类§1.1土的生成成§1.2土的三相相组成§1.3土的三相相比例指指标？§1.4土的物理理状态指指标§1.5土的结构构与构造造§1.6土的工程程分类§1.3土的三相相比例指指标土的物理理状态无黏性土土的松密密程度黏性土的的软硬状状态§1土的物性性及分类土的三相相比例指指标(三相间的的比例关关系)力学特性性影响表示三相比例例指标——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土的物性性及分类§1.3土的三相相比例指指标密实程度度干湿程度度……特点:指标概念念简单，，数量很很多要点：名称、概概念或定定义、符符号、表表达式、、单位或量量纲、常常见值或或范围、、联系与与区别定义基本方法:三相草图法法1.三相草图WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm§1土的物性及分类质量体积§1.3土的三相比例指指标三相草图§1土的物性及分类WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积已知关系五五个:共有九个参参数:VVvVsVaVω/msmωmam剩下三个独独立变量三相草图法法物性指标是是比例关系系:可假设任一一参数为1对于饱和土土,Va=0剩下两个独独立变量试验室测定定推导其它指标是一种简单单而实用的的方法§1.3土的三相比比例指标§1土的物性及分类2.室内测定的的三个物理理性质指标标WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积----土的密度、、土粒的比比重、土的的含水量土的密度土的重度γ=ρg工程上更常常用,用于计算土土的自重应应力单位:kg/m3或g/cm3单位:kN/m3一般范围:1.60——2.20g/cm3定义:土单位体积积的质量有时也称土的天然密密度§1.3土的三相比比例指标表达式:相关指标:三相草图有有助于直观观理解物性性指标的概概念试验方法:环刀法g取10m/s2§1土的物性及分类WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积土粒比重s:土粒的密度度，单位体体积土粒的的质量单位:无量纲土粒比重一一般范围:粘性土2.72——2.76砂土土2.654˚C时纯蒸馏水水的密度=1.0g/cm3土粒比重在在数值上等等于土粒的的密度定义:土粒的密度度与4˚C时纯蒸馏水水的密度的的比值§1.3土的三相比比例指标表达式:试验测定方方法：比重重瓶法§1土的物性及分类WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积土的含水率率定义:土中水的质质量与土粒粒质量之比比,用百分数表表示注意:其实是含水水比,可达到或超超过100％§1.3土的三相比比例指标表达式:试验测定方方法：烘干干法表示土中孔孔隙含量的的指标孔隙比孔隙率(孔隙度)§1土的物性及分类３.其它常用的的物理性质质指标关系:在某种程度度上反映土土的松密砂类土：28-35%粘性土：30-50%有的可达60-70%§1.3土的三相比比例指标定义:土中孔隙体体积与固体体颗粒体积积之比,无量纲表达式:WaterAirSoilVaVwVsVvV体积定义:土中孔隙体体积与总体体积之比,用百分数表表示表达式:Vs=1Vv=eV=1+eWaterAirSoil体积三相草图可可用于确定定物性指标标之间的关关系表示土中含含水程度的的指标§1土的物性及分类含水率饱和度§1.3土的三相比比例指标WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积表达式:定义:土中水的体体积与孔隙隙体积的比比值饱和度表示示孔隙中充满满水的程度度Sr=0:干土Sr=1:饱和土§1土的物性及分类表示土中密度和重度度的指标天然密度干密度饱和密度天然重度干重度浮重度有效重度饱和重度§1.3土的三相比比例指标WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积单位:kg/m3或g/cm3单位:kN/m3定义:土被完全烘干时时的密度,等于单位体积内土粒粒的质量表达式:各种密度重度之之间的大小关系系：§1土的物性及分类§1.3土的三相比例指指标天然密度干密度饱和密度天然重度干重度浮重度饱和重度WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积§1土的物性及分类常用的物理性质质指标间的换算算关系§1.3土的三相比例指指标教科书P15表1-4要点从物理意义上理理解指标间的关关系不鼓励死记硬背背必要时利用三相相草图推导（自自学）推导方法设Vs=1，利用3个试验指标推导导出质量、体体积的参数，再再根据各指标定定义推导换算指指标（教材第14页）设V=1（教材第15页例题1-1）§1土的物性及分类小结§1.3土的三相比例指指标物理性质指标土的三个组成相相的体积和质量量上的比例关系系密实程度干湿程度……特点:指标概念简单，，数量很多要点：名称、概念或定定义、符号、表表达式、单位或量纲、常常见值或范围、、联系与区别定义基本方法:三相草图法室内测定的3个物理性质指标标土的密度、土粒粒的比重、土的的含水量三相草图有助于于直观理解物性性指标的概念其它6个常用的物理性性质指标表示土中孔隙含含量的指标（2个）表示土中含水程程度的指标（1个）表示土中密度和和重度的指标（（3个）三相草图可用于于确定物性指标标之间的关系三相草图法是求求取物理性质指指标的简单而有有效的方法§1土的物性及分类§1.4土的物理状态指指标土的物理状态无黏性土的松密密程度黏性土的软硬状状态土的物理性质指指标(三相间的比例关关系)力学特性影响表示emax与emin：最大与最小孔隙隙比无黏性土的密实状态（粗粗粒土）§1土的物性及分类密实度如何衡量?单位体积中固体体颗粒含量的多多少优点：简单方便缺点：不能反映级配的的影响只能用于同一种种土对策相对密实度§1.4土的物理状态指指标孔隙比e或孔隙率nemin=0.35emin=0.20§1土的物性及分类§1.4土的物理状态指指标emax:最大孔隙比；将将松散的风干土土样通过长颈漏漏斗轻轻地倒入入容器，避免重重力冲击，求得得土的最小干密密度再经换算得得到最大孔隙比比emin:最小孔隙比；将将松散的风干土土样装入金属容容器内，按规定定方法振动和锤锤击，直至密度度不再提高，求求得土的最大干干密度再经换算算得到最小孔隙隙比emax与emin：最大与最小孔隙隙比注意：室内测得理论上上的最大与最小小孔隙比有时很很困难无黏性土的密实实状态指标判别标准：Dr=1,最密状态Dr=0,最松状态Dr≤1/3,疏松状态1/3<Dr≤2/3,中密状态Dr>2/3,密实状态§1土的物性及分类§1.4土的物理状态指标标相对密实度§1土的物性及分类§1.4土的物理状态指标标原位测试方法建筑地基基础设计计规范GB50007-2002分类法公路桥涵地基与基基础设计规范JTGD63-2007分类法2.黏性土的软硬状态态§1土的物性及分类也称稠度状态§1.4土的物理状态指标标软硬状态与含水率率有关黏性土含水率较硬变软流动塑限ωp液限ωl§1土的物性及分类界限含水率§1.4土的物理状态指标标黏性土的软硬反映映土中水的形态固态或半固态可塑状态流动状态强结合水膜最大出现自由水强结合水弱结合水自由水软硬状态含水率土中水的形态w缩限ωp软硬状态问题：仅适用于重塑土§1土的物性及分类§1.4土的物理状态指标标对于不同的黏土，含水水率相同，软硬状态可能不同同液性指数不同的黏土，ωp、ωl大小不同定义：wpwwlIL<0IL=0–1IL>1坚硬状态可塑状态流态态0.00–0.250.25-0.750.75–1.00硬塑可塑软塑重塑土§1土的物性及分类§1.4土的物理状态指标标wpwwl试验方法：1)液限——液限仪、液塑限联联合测定仪、碟式式液限议2)塑限——滚搓法、液塑限联联合测定仪3)缩限——收缩仪试验具体试验步骤自学学试验指导手册——吸附结合水的的能力；黏性大小小；大致反映黏土土颗粒含量§1土的物性及分类§1.4土的物理状态指标标塑性指数计算时含水率要去去掉%无黏性土的密实状状态指标:相对密度Dr小结§1土的物性及分类§1.4土的物理状态指标标黏性土的软硬状态态指标:液液性指数IL引入定义判别标准界限含水率软硬状态含水率土中水的形态塑性指数液性指数引入定义判别标准自学：黏性土的胀胀缩性、湿陷性、、冻胀性重点：冻胀发生原原因，影响因素，，防止措施§1土的物性及分类§1.1土的生成§1.2土的三相组成§1.3土的三相比例指标标§1.4土的物理状态指标§1.5土的结构与构造§1.6土的工程分类土颗粒或粒团的空间排列和相互联联结§1土的物性及分类§1.5土的结构与构造土粒间的作用力黏性土的结构性指指标力学特性土的结构影响粗粒土的结构细粒土的结构重塑土的强度原状土的强度<一.土粒间的作用力力重力毛细力胶结力颗粒表面力——土颗粒的自自重形成的方向向向下的力——砂土——土中毛细细作用形成的力力——细砂、粉土——土粒间的的胶体物质产生生的作用力——粘土——粘土——库仑力：——范德华力：颗粒表面的静电电引力或斥力颗粒接触点处的的分子间引力§1土的物性及分类§1.5土的结构与构造造二.粗粒土的结构粒间作用力排列形式矿物成分单粒结构示意图重力，毛细力点与点、点与面面原生矿物§1土的物性及分类§1.5土的结构与构造造三.细粒土的结构粒间作用力形成环境蜂窝结构粉粒结构示意图粒间引力大于自自重力水中沉积§1土的物性及分类§1.5土的结构与构造造三.细粒土的结构粒间作用力形成环境排列形式矿物成分表面力、胶结力力（斥力减小引力力增加）片架结构(絮凝结构)片堆结构(分散结构)黏粒结构示意图图表面力、胶结结力（粒间斥力占占优势）淡水中沉积海水中沉积（（阳离子）次生矿物次生矿物天然条件下，，可能是多种种组合，或者者由一种结构构过渡向另一一种结构。面与面边、角与面边、角与边§1土的物性及分类§1.5土的结构与构构造四.反映粘性土结结构性的指标标相同含水量、密度1.粘性土的灵敏敏度—St§1土的物性及分类§1.5土的结构与构构造=原状土结构性相同含水量密度粉碎重塑重塑土强度降低St11-22-44-88-16>16粘性土不灵敏低灵敏中等灵敏灵敏很灵敏流动原状土的无侧限抗压强度重塑土的无侧限抗压强度含水量不变，，密度不变，，因重塑而强强度降低，又又因静置而逐逐渐强化，强强度逐渐恢复复的现象，称称为触变性。土的触变性是是土结构中联联结形态发生生变化引起的的，是土结构构随时间变化化的宏观表现现。目前尚没有合合理的描述土土触变性的方方法和指标。。2.粘性土的触变变性§1土的物性及分类§1.5土的结构与构构造定义：同一土土层