土的物理性质及分类.ppt

1、土质学与土力学,泰州科技学院土木工程系,2012年3月,主讲：张 龙,第2章 土的物理性质及分类,1.掌握土的三相比例指标计算 2. 掌握粘性土的物理特性、无粘性土的密实度 3. 了解土的分类,本章要求：,本章重难点：,三相比例指标灵活运算,问 题 分 解,土的三相组成指标,土的物理状态指标,土的分类,土的压实性,1,3,4,5,主要内容：,2,概述,土的物理状态 粗粒土的空隙的比例 粘性土含水量的多少,土的物理性质指标 (松密程度、干湿程度、软硬程度、轻重程度),力学特性,影响,表示,？,2.1 概述,物理性质指标,土的三相组成的体积和质量上的比例关系,松密程度 干湿程度 轻重程度,特点:

2、指标概念简单，数量很多,要点：名称、概念或定义、符号、表达式、 单位或量纲、常见值或范围、联系与区别,定义,固体矿物颗粒 （固相）,土中气体 （气相）,土中水 （液相）,土的组成,2.2 土的三相比例指标,土的三相图,为便于说明这些物理性质指标的定义和它们的换算关系，常用三相图表示土体内三相的相对含量。,1、土的相对密度,一、指标的定义,（一）、三个基本的三相比例指标,a）定义：土颗粒的质量（或重量）与同体积4时纯水的质量之比（无因次） b）表达式 ：,1、土的相对密度,测定方法： 比重瓶法，事先将比重瓶注满纯水，称瓶加水的质量m1。然后把烘干土若干克(ms)装入空比重瓶内，再加纯水至满，称瓶

3、加水加土的质量m2，按下式计算土粒比重,一般范围：粘性土 2.702.75， 砂土 2.65.,1、土的相对密度,2、土的含水率,含水率： 土中水的质量与土粒质量之比，以百分数表示 表达式：,2、土的含水率,测定方法： 烘干法。先称出天然湿土的质量，然后放在烘箱里，在100105下烘干，称干土的质量。,3、土的密度和容重,密度,单位体积土的质量，用表示,定义：,单位：,t/m3或 g/cm3,表达式：,容重,定义：单位体积土的重量，用表示,单位：kN/m3,表达式：,测定方法：环刀法,3、土的密度和容重,1、干密度d干容重d,定义：单位体积内土粒的质量或重量 表达式：,（二）、6个间接测定的三

4、相比例指标,土烘干，体积要减小，因而土的干密度不等于烘干土的密度。 土的干密度或干容重是评价土密实程度的指标，干密度或干容重越大表明土越密实，反之越疏松。常用它来控制填土工程的施工质量。,1、干密度d干容重d,2、饱和密度sat与饱和容重sat,定义： 土中孔隙完全被水充满，土处于饱和状态时单位体积土的质量或重量 表达式：,3、浮密度 与浮容重,定义： 单位体积内土粒质量与同体积水质量之差。 表达式：,小结：,a）各种密度之间的比较,b）浮密度与饱和密度的关系,4、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 表达式：,个体之间的比较,5、土中孔隙率n,定义： 土中的孔隙的

5、体积与土的总体积之比，以百分数表示 表达式：,个体与总体之间的比较,思考：e与n间的换算,6、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 表达式：,Sr=1.0为完全饱和的土 Sr=0为完全干燥的土,小结：,常用的物理性质指标共有9个，但真正独立的指标只有3个，一般来说，只要已知其中任意3个，通过换算，可以求其余6个。,二、指标间的换算,质量m,体积V,土的三相指标中，土粒比重Gs ，含水量和密度是通过试验测定的，可以根据三个基本指标换算出其余各指标,推导：,换算关系式：,要点,从物理意义上理解指标间的关系 理解每个指标所表示的含义 必要时利用三相草图推导,例2-1:

6、某饱和土体,体力相对密度ds=2.70,重度=19.5kN/m3,试根据已知条件推导干重度d=公式,并计算该土的干重度.,例2-2:某完全饱和粘性土的含水量=40%,土粒的相对密度ds=2.7.试按定义求土的孔隙比e和干密度d,例2.3一干砂试样的密度为1.66gcm3，土粒比重为2.70。将此干砂试样置于雨中，若砂样体积不变，饱和度增加到 0. 60。计算此湿砂的密度和含水量。,例2-4:某土样经测试土体的体积为100cm3,湿土的质量为187g,烘干后干土的质量为167g.若土粒的相对密度ds为2.66,试求土样的含水量、密度、重度，干重度d、孔隙比e、饱和度sr，饱和重度 rat以及有效

7、重度,土的物理状态 粗粒土的松密程度 粘性土的软硬程度,土的物理性质指标 (三相间的比例关系),力学特性,影响,表示,2.3 土的物理状态指标,土的物理状态：,无粘性土：,密实程度（e）：松、密粗粒土及粉土,粘性土：,软硬程度（w）：软、硬,一、无粘性土的密实度,土的密实度指单位体积土中固体颗粒的含量。无粘性土是否密实直接影响着土的工程性质。如：不密实，则孔隙率增大，透水性增大，压缩性也增大，强度也会变低等。,1.孔隙比e,孔隙比e可以用来表示砂土的密实度。对于同一种土，当孔隙比小于某一限度时，处于密实状态。孔隙比愈大，土愈松散,2.相对密实度Dr,砂土在天然状态下孔隙比,砂土在最密实状态时的

8、孔隙比,砂土在最松散状态时的孔隙比,emax: 最大孔隙比；将松散的风干土样通过长颈漏斗轻轻地倒入容器，避免重力冲击，求得土的最小干密度再经换算得到最大孔隙比,emin: 最小孔隙比；将松散的风干土样装入金属容器内，按规定方法振动和锤击，直至密度不再提高，求得土的最大干密度再经换算得到最小孔隙比,emax与emin ：最大与最小孔隙比,注意：室内测得理论上的最大与最小孔隙比有时很困难，多用于填方工程的质量控制中，对于天然土尚难以应用。,粗粒土的密实状态指标,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 2/3 , 密实状态,相对密度,3

9、.按动力触探确定无粘性土的密实度,天然砂土的密实度，可按原位标准贯入试验的锤击数N进行评定。天然碎石土的密实度，可按原位重型圆锥动力触探的锤击数N63.5进行评定(GB50007-2002),标准贯入试验 （Standard Penetration Test）,标准贯入数 N63.5,锤 重：63.5kg,落 距：760mm,打入深度：300mm,例2-4:某砂土试样经过实验测定土样的相对密度ds2.7，含水量9.43，天然密度1.66g/cm3。已知1000cm3砂土试样处于最密实状态称得干砂质量ms11.62kg。处于最疏松状态时称得干砂质量ms21.45kg。试求砂土的相对密度Dr，并判

10、定砂土的密实状态。,解：砂土在天然状态下的孔隙比,砂土最小孔隙比,砂土最大孔隙比,相对密实度,（1/3,2/3,中密状态,Vs,wL,wP,ws,缩限,塑限,液限,阿特堡界限 (Atterberg limit),2. 粘性土的稠度和可塑性,(1)、粘性土的软硬状态,也称稠度状态,稠度状态与含水量有关,粘性土,含水量,较硬,变软,流动,液塑限联合测定仪,下沉深度为10mm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,2、粘性土的塑性指数和液性指数,塑性指数IP是液限和塑限的差值(省去%)，即土处在可塑状态的含水量变化范围,说明：塑性指数的大小取决于土颗粒吸附结合水的能力,即与土中

11、粘粒含量有关。粘粒含量越多,塑性指数就越高,说明：液性指数表征土的天然含水量与界限含水量间的相对关系。当IL0时,P,土处于坚硬状态;当IL1时,L,土处于流动状态。根据IL值可以直接判定土的软硬状态,液性指数IL是粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比,例2-5 已知饱和土的塑性指数Ip=25，液限WL=55%，液性指数IL=1.5，求含水量W及稠度状态。,例2-6 从甲乙两地粘性土层中各取出土样进行界限含水量实验，两土样的液塑性相同WL=40%， Wp=25%.甲乙两地天然含水量W分别为45%、20%，问哪块地更适合作为建筑物的地基。,一、分类的目的和原则,土的分类体系就是根据土的工

12、程性质差异将土划分成一定的类别，目的在于通过通用的鉴别标准，便于在不同土类间作有价值的比较、评价、积累以及学术与经验的交流,分类原则：,1.分类要简明，既要能综合反映土的主要工程性质，又要测定方法简单，使用方便,2.土的分类体系所采用的指标要在一定程度上反映不同类工程用土的不同特性,2.4 土的工程分类,二、分类体系与方法,分类体系：,1.建筑工程系统分类体系,2.工程材料系统分类体系,侧重把土作为建筑地基和环境，研究对象为原状土，例如：建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)地基土分类方法,侧重把土作为建筑材料，用于路堤、土坝和填土地基工程。研究对象为扰动土，例如：土的分类标准(GB

13、J145-90)工程用土的分类和公路土工试验规程(JTJ051-93)土的工程分类,分类方法：,1.建筑地基基础设计规范(GB500072002),根据土粒大小、粒组的土粒含量或土的塑性指数把地基土（岩）分为岩石、碎石土、砂土、粉土和粘性土五大类,a.岩石的分类,颗粒间牢固粘结,呈整体或具有节理隙的岩体称为岩石，坚硬程度可根据岩块的饱和单轴抗压强度frk分类,b.碎石土的分类,粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50%的土称为碎石土,c.砂土的分类,粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50%的土，且粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50%的土称为砂土,d.粉土的分类,粒径大于0.075mm的颗

14、粒含量不超过全重50%，塑性指数IP10的土称为粉土,e.粘性土的分类,粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重50%，塑性指数IP10的土称为粘性土，粘性土根据塑性指数细分,f.人工填土的分类,由于人类活动而形成的堆积物称为人工填土。物质成分较杂乱,均匀性较差，根据其物质组成和成因,可分为素填土、压实填土、杂填土和冲填土,2.土的分类标准(GBJ14590),根据各粒组的相对含量把土分为巨粒土、含巨粒土、粗粒土和细粒土四大类,a.巨粒土和含巨粒土的分类,巨粒土和含巨粒土按土中粒径大于60mm的巨粒含量区分。若土中巨粒含量多于50%,属于巨粒土；若土中巨粒含量在15%50%之间，属于含巨粒土

15、,b.粗粒土的分类,巨粒含量少于15%，剔除巨粒后，若土中粒径大于0.075mm的粗粒含量多于余土的50%，属于粗粒土。粗粒土分为砾类土和砂类土两类,c.细粒土的分类,土中粒径小于0.075mm的细粒含量多于或等于50%，且粗粒含量少于25%的土属于细粒土。,图中液限为17mm液限,细粒土按塑性图进行细分,高液限粘土,高液限粉土,低液限粘土,低液限粉土,三、例题分析,例2-7：下图为某三种土A、B、C的颗粒级配曲线,试按 地基规范分类法确定三种土的名称,【解答】,A土:从A土级配曲线查得,粒径小于2mm的占总土质量的67%、粒径小于0.075mm占总土质量的21%,满足粒径大于2mm的不超过5

16、0%,粒径大于0.075mm的超过50%的要求,该土属于砂土； 又由于粒径大于2mm的占总土质量的33%,满足粒径大于2mm占总土质量25%50%的要求,故此土应命名为砾土,B土:粒径大于2mm的没有,粒径大于0.075mm占总土质量的52%,属于砂土。按砂土分类表分类,此土应命名为粉砂,C土:粒径大于2mm的占总土质量的67%,粒径大于20mm的占总土质量的13%,按碎石土分类表可得,该土应命名为圆砾或角砾,一、土的击实试验,在试验室内通过击实试验研究土的压实性。击实试验有轻型和重型两种。,轻型击实试验适用于粒径小于5mm的土，击实筒容积为947cm3，击锤质量为2.5kg。把制备成一定含水

17、量的土料分三层装入击实筒，每层土料用击锤均匀锤击25下，击锤落高为30.5cm,重型击实试验适用于粒径小于40mm的土，击实筒容积为2104cm3，击锤质量为4.5kg，击锤落高为45.7cm 。分五层击实，每层56击。根据击实后土样的密度和实测含水量计算相应的干密度,2.5 土的压实性,二、填土的击实特性,影响土压实性的因素很多，主要有含水量、击实功能、土的种类和级配等,1.含水量的影响,当含水率较低时，击实后的干密度随含水量的增加而增大。而当干密度增大到某一值后，含水量的继续增加反招致干密度的减小。干密度的这一最大值称为该击数下的最大干密度，与它对应的含水量称为最优含水量,说明：当击数一定时，只有在某一含水量下才获得最佳的击实效果,2.击实功能的影响,说明：填料的含水率过高或过低都是不利的。含水率过低，填土遇水后容易引起湿陷；过高又将恶化填土的其他力学性质。因此，在实际施工中填土的含水率控制得当与否，不仅涉及到经济效益，而且影响到工程质量,1.土料的最大干密度和最优含水量不是常数。最大干密度随击数的增加而逐渐增大,最优含水量逐渐减小。然而，这种变化速率是递减的。同时，光凭增加击实功能来提高土的最大干密度是有限的,2.当含水量较低时击数的影响较显著。当含水量较高时，含水量与干密度关系曲线趋近于饱和线，这时提高击实功能是无效的,3.土类和级配的影响,击实试验表明，在相同