第三章 土的物理性质与工程分类..ppt

1、土的物理性质在一定程度上决定了它的力学性质，其指标在工程计算中常被直接应用。 对种类繁多、性质各异的土，按一定的原则，进行分门别类，给出合适的名称，可以概略评价土的工程性质。 第一节 土的基本物理性质 第二节 粘性土的稠度与可塑性 第三节 土的透水性 第四节 土的工程分类,第三章 土的物理性质与工程分类,第一节 土的基本物理性质,土的物理性质是指三相的质量与体积之间的相互比例关系及固、液二相相互作用表现出来的性质。 前者称为土的基本物理性质，主要研究土的密实程度和干湿状况； 后者主要研究粘性土的可塑性、胀缩性及透水性等。,土的三相图,土的三相图,质量m,体积V,直接测定指标,1.土的密度：单位

2、体积土的质量,工程中常用容重来表示单位体积土的重力,重力加速度，近似取10m/s2,2. 土粒容重和密度,土粒相对密度Gs（土粒比重）：土粒质量与同体积的4时纯水的质量之比,土粒比重：细粒土（粘性土）一般2.702.75；砂土一般为2.65左右。土中有机质含量增加，土粒相对密度减小,直接测定指标,3.土的含水量：土中水的质量与土粒质量之比，以百分数表示,土的含水量是标志土含水程度的一个重要物理指标。天然土层含水量变化范围较大，与土的种类、埋藏条件及其所处的自然地理环境等有关。,测定方法：通常用烘干法，亦可近似用酒精燃烧法,直接测定指标,2.饱和容重 sat ：土体中孔隙完全被水充满时的土的密度

3、,1.干容重 d ：单位体积土体中固体颗粒部分的重力,3.浮容重 ：土体单位体积内土粒重力与同体积水的重力之差,换算指标,4.孔隙比e,孔隙比e ：土体中孔隙体积与土粒体积之比,5.孔隙率n ：土体中孔隙体积与总体积之比，以百分数表示,换算指标,6.土的饱和度Sr ：土体中孔隙水的体积与孔隙总体积之比，以百分数表示,饱和度描述土中孔隙被水充满的程度。干土Sr=0,饱和土Sr=100%。砂土根据饱和度分为三种状态:,Sr50%稍湿； 50Sr80%很湿； Sr80%饱和,换算指标,单元土三相图,指标间换算：,土的三相指标中，土粒容重 s ，含水量和土的容重是通过试验测定的，可以根据三个基本指标换

4、算出其余各指标,孔隙比和孔隙率,饱和度,指标间换算：,土的饱和容重、浮容重、干容重,指标间换算：,例题分析,【例】某土样经试验测得体积为100cm3，湿土质量为187g，烘干后，干土质量为167g。若土粒的相对密度Gs为2.66，求该土样的含水量、密度、重度 、干重度d 、孔隙比e、饱和重度sat和有效重度,解 答,作业： 3-2，3-3,土的物理状态主要指土的松、密和软、硬程度 一、粉土和粗粒土（密实程度） 二、粘性土（软硬程度稠度）,第二节 粘性土的稠度与可塑性,土的物理状态主要指土的松、密和软、硬程度,砂性土：,密实程度：松、密,粘性土：,软硬程度（稠度）：软、硬,第二节 粘性土的稠度与

5、可塑性,1. 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。根据土颗粒含量的多少，天然状态下的砂、碎石等处于从紧密到松散的不同物理状态。无粘性土的密实度与其工程性质有着密切关系,1）孔隙比e或孔隙率n,密实度,如何衡量?,单位体积中固体颗粒含量的多少,优点：简单方便,缺点：不能反映级配的影响 只能用于同一种土,emin = 0.35,emin = 0.20,利用孔隙比e或孔隙率分类,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孔隙比,砂土在最松散状态时的孔隙比,当Dr=0时， e=emin，表示土处于最疏松状态;当Dr=1.0时， e=emax，表示土体处于最密

6、实状态,Dr1/3,疏松状态,1/3Dr2/3,中密状态,2/3Dr1,密实状态,3）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N63.5进行评定。,密实度,按N评定砂石密实度,松散,稍密,中密,密实,N10,10N15,15N30,N30,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,2. 粘性土的稠度和可塑性,1）粘性土的稠度状态,稠度是指土的软硬程度或土受外力作用所引起变形或破坏的抵抗能力,是粘性土最主要的物理状态特征,粘性土由某一种状态过渡

7、到另一状态的界限含水量称为土的稠度界限,阿特堡界限 (Atterberg limit),自由水,液 态,可塑态,固态或半固态,稠度状态,固态或半固态,塑态,流态,土中水的形态,强结合水,弱结合水,自由水,w,含水量,稠度界限,塑限p,强结合水膜最大,液限l,出现自由水,粘性土的稠度反映土中水的形态,液限和塑限的测定方法：,液限（Liquid Limit）： 液塑限联合测定仪或碟式仪,塑限（Plastic Limit）： 搓条法或液塑限联合测定仪,1、液限L 锥式液限仪测定法：76g锤经5s恰好沉入土10mm所对应的含水量。 2、塑限p 滚搓法：将天然湿度的土体在毛玻璃上搓成直径为3mm 土条时

8、，土条恰好产生裂缝并开始断裂时的含水量。,锥式液限仪,碟式液限仪,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,即与土中粘粒含量有关。粘粒含量越多,塑性指数就越高 IP17 粘土； 17IP10粉质粘土； IP10粉土或砂类土,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,例题：从某地基取原状土样，测得土的液限wL

9、=47%，塑限wp=18%，天然含水量w=40%，问地基土是什么土，处于什么状态？ 解： 求塑性指数： 求液性指数： Ip 17，该地基土为粘土； 查表3-4， 1.0IL0.75，得土处于软塑状态。,第三节 土的透水性,一、土的渗透性,土中孔隙一般是连通的，当饱和土中的两点存在能量差时，水就在土的孔隙中从能量高的点向能量低的点流动。 水在土体孔隙中流动的现象称为渗流 土具有被水等液体透过的性质称为土的渗透性,土的渗透符合Darcy定律（1856） 在层流状态下，土中水的渗流速度与能量损失之间服从线性渗流规律。即渗流十分缓慢，相邻两个水分子运动的轨迹相互平行而不混掺。 上述理论即为达西定律：渗

10、出水量Q与圆筒过水断面积A和水力梯度I成正比，且与土的透水性质有关。,V不是孔隙中水的实际流速，因公式推导中采用的是土样的整个面积，包括了土粒骨架所占的部分面积在内，因土粒本身是不透水的，故真实面积Av小于A，从而实际平均流速Vs大于V，通过水流连续原理建立： 孔隙率n，,渗透系数是反映土的透水性能的比例系数，是水力梯度为1时的渗透速度，其量纲和渗透速度相同。物理含义即为单位面积单位水力梯度单位时间内透过的水量。,二、土的渗透性影响因素,1.颗粒级配。影响性最大。土粒越细或粗大颗粒间含有细颗粒越多，土的渗透性越弱，反之越强。 2.矿物成份。粘土矿物的成分不同，形成结合水膜的厚度不同，故不同粘土

11、矿物组成的土，其透水性也不同，通常随土中亲水性强的粘土矿物增多，渗透性降低。（思考：蒙脱石，高岭石，伊利石渗透性能的大小） 3.土的密度。对同一种土而言，土越密实，孔隙越小，渗透性也就降低。故土的渗透性随土的密实程度的增大而减小。 4.土的结构构造。 5.水溶液成份和浓度。粘性土的渗透性随溶液中阳离子价数和水溶液浓度的增大而增大。,1.分类的目的,土的分类体系就是根据土的工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,2.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

12、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,第四节 土的工程分类,岩 土,岩 石,碎 石 土,粉 土,特 殊 土,砂 土,粘性土,3.分类体系与方法,分类体系：,1.建筑工程系统分类体系,2.公路路基土分类体系,公路桥涵地基与基础设计规范、 建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)侧重把土作为建筑地基和环境进行分类,公路路基设计规范（JTG D302004)侧重把土作为建筑材料，用于路堤、土坝和填土进行分类,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

13、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,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,根据堆积时代分,根据塑性指数Ip分,按工程特性分,根据有机质含量分类,1）老堆积土：第四纪更新世Q3及其以前 2）一般堆积土：全新世堆积 3）新近堆积土：全新世以后,IP17 粘土； 17IP10粉质粘土； IP10粉土或砂类土,湿陷性土 、红粘土 、软土（包括淤 泥和淤泥质土）、 多年冰土、膨胀土 、盐滞土 、混合土 、填土污染土等,无

14、机土 ：Q5% 有机质土 ：5%Q10% 泥炭质土 ：10Q60 泥炭 ：Q60,d.粘性土的分类,2.土的分类标准(GBJ14590)-水利部的土质分类,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,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。,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2

15、5%的土属于细粒土。 细粒土按塑性图进行细分。,粗粒土分为砾类土和砂类土两类 砾粒组质量多余总质量的50%的土为砾类土， 砾粒组质量少于或等于余总质量的50%的土为砂类土。,三、国标土的工程分类标准（GBJ145-90）规定的土的野外鉴别方法,例题 下图为某种土的粒径级配累积曲线。其中粒径小于0.075mm的细粒土，经测定wL=38%，wp=23%。试按岩土工程勘察规范分类法定出土的名称。,砂类土的分类,分析： 1、d2mm的颗粒重量0.5mm的颗粒重量50% 按前述内容，定名为粗砂 2、d10 应进一步定名为含粘性土粗砂,例题分析,【例】下图为某三种土A、B、C的颗粒级配曲线,试按地基规范分

16、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50%,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,课堂作业：已知某土样的液限指数IL为0.16，其天然含水量为21%,塑限为24%,求该土样的塑性指数，并指出该土应属何种土？ 作业： 3-4,土的形成及颗粒特征,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,形成过程 形成条件,物理力学性质,风化,影响,土有三个组成部分：固相、液相和气相,1. 固体颗粒,2. 土中水,3. 土中气体,粒径级配 矿物成分 颗粒形状,结合水 (强结合水、弱结合水) 自由水 (重力水、毛细水),自由气体 封闭气体,土的结构及工程性质,土的三相组成及物理