第四章土的工程性质.ppt

1、第四章 土的工程性质,土是地壳表层的物质，在长期风化、搬运、磨蚀、沉积作用的过程中，形成大小不等，未经胶结的一切松散物质。土的总体特征是颗粒与颗粒之间的连接强度较土粒本身强度低，甚至没有连接性。根据土粒之间有无连接性，大致可将土分为砂类土（砾石、砂）和粘性土两大类 。 土从外观颜色看较为复杂，但以黑、红、白为基本色调。颜色是土颗粒成分的直接反映，黑色是由所含的有机物的腐化染色而成的；白色常来自石英和高岭石；红色主要由高价氧化铁染色而成。土的颜色随土的成因环境不同，呈现出多种多样的颜色。,第一节 土的三相组成,土的三相组成是指土由固体土粒、液体水和气体三相组成。土中的固体矿物构成土的骨架，骨架之

2、间贯穿着大量孔隙，孔隙中充填着液体水和气体。 一、土中固体颗粒 1.土的矿物组成 2.土的颗粒形状 二、土中的水 三、土中气体,土中固体颗粒是土的三相组成中的主体，主要由矿物组成，不同的矿物成分组成对土的物理性质有着不同的影响。组成土的矿物质主要有原生矿物和次生矿物。 原生矿物：主要的是石英，其次是长石、云母等。这类矿物的化学性质稳定，具有较强的抗水和抗风化能力，亲水性差。 次生矿物：这类矿物比较复杂，对土的物理性质影响较大。次生矿物可分为可溶性和不溶性。 可溶性次生矿物化，根据其溶解的难易程度又可分为易溶的、中溶的和难溶的三类。不溶性次生矿物多系风化残余物及新生成的粘土矿物质。除上述矿物质外

3、，土中还常含有机质土。,土的颗粒形状对土的密度和稳定性有着显著的影响。在描述土粒的形状时，我们常用两个指标：浑圆度和球度。 1. 浑圆度：反映土粒尖角的尖锐程度的。 式中：ri 土颗粒突出角的半径； R 土颗粒的内接圆半径； N 土颗粒尖角的数量。,（4-1）,2. 球度： 式中：Dd 在扁平面上与土粒投影面积相等 的圆的半径； Dc 最小外接圆半径。 3. 体积系数VC： 式中：V 土粒体积；dm 土粒的最大直径。,（4-2）,（4-3）,VC愈小,土粒离圆体愈远。圆球体VC=1；立方体VC=0.37；棱角体土粒 VC更小。 4. 形状系数 F： 式中：A、B、C 分别为土粒的最大、中间、最

4、小尺寸。,（4-4）,土中的水以不同的形式和不同的状态存在，它们对土的工程性质的起着不同的作用和影响。土中的水按其工程地质性质可分为： 1. 结构水 2. 自由水 （1）毛细水 （2）重力水 3. 气态水 4. 固体水,土中气体指土固体矿物之间的孔隙中，没有被水充填的部分。土的含气量与含水量有密切关系。 土中气体可分为自由气体和封闭气泡两类。自由气体与大气相连通，通常在土层受力压缩时即逸出，对土的工程性质影响不大；封闭气泡与大气隔绝，对土的工程性质影响较大，在受外力作用时，随着压力的增大，这种气泡可被压缩或溶解于水中，压力减小时，气泡会恢复原状或重新游离出来。若土中封闭气泡很多时，将使土的压缩

5、性增高，渗透性降低。土质学与土力学中将这种含气体的土称为非饱和土。,第二节 土的物理性质,土的物理性质是指土的各组成部分（固相、液相和气相）的数量比例、性质、排列方式等所表现的物理状态，是土最基本的工程性质。 一、土的密度 二、土与水的关系 三、土的孔隙性结构指标 四、土的物理性质指标间的相互关系 五、土的压实 六、 粘性土的界限含水量,土的密度是指土的总质量与土的总体积的比值。根据孔隙中含水的情况可将土的密度分为天然密度（）、干密度（d）、饱和密度（f）。 1. 天然密度：也称湿密度，指天然状态下土的单位体积的质量。 式中： 土的天然密度；m、v土的总质量和总体积（cm3）；ms、mw土的颗

6、粒质量和土水分质量g。 土的天然密度一般在1.62.2 g/cm3之间，通常用环刀法、灌砂法测定。,（4-5）,2. 干密度（d）：是指干燥状态下单位体积土的质量，土中固体土粒的质量与土的体积的比值。 式中：d 干密度（g/cm3）。 土的干密度实际上是土中完全不含水分的密度，它是土密度的最小值。土的干密度与土中所含土粒质量的多少有关，也就是与土结构的紧密程度有关，间接与土粒的矿物成份相关。因此，土的结构影响着干密度的值，干密度值越大，土越密实。所以干密度在一定程度上反映了土粒排列的紧密程度，在工程中常用它作为压实的控制指标。,（4-6）,3. 饱和密度（f ）：是指土的孔隙中全被水充满的情况

7、下单位体积土的质量。即土粒的质量（ms）及孔隙中充满水的质量(mw)之和与土的总体积（V）的比值。 式中： f 土的饱和密度（g/cm3）；mw土的孔隙中充，满水的质量（g）；Vn孔隙的体积（cm3）；w水的密度（g/cm3）； 土中孔隙体积小，土粒密度大，土的饱和密度就大，反之则小。,或,（4-7）,4. 相对密度（Gs） 指土固体物质本身的密度。即土在105110下烘至恒重时的质量与同体积4时蒸馏水质量的比值。 式中： Gs 土粒的相对密度（g/cm3）； mw4时同体积蒸馏水的质量（g）； 土粒相对密度只与组成土粒的矿物成分有关，而与土的孔隙大小及其所含水分多少无关。,（4-9）,1.

8、含水量（w） 含水量指土中所含水分的质量与干土颗粒质量的比值，用百分数表示。 式中：w土的含水量（%）； 土的含水量愈大，表明土中的水分也愈多。通常用烘干法或酒精燃烧法直接测定。土中所含水分多少的不同所表现出的工程性质各不相同。,（4-10）,2. 土的饱和含水量（wmax） 土的饱和含水量是假定土中的孔隙全部被水充满，达到饱和状态时的含水量。即土的孔隙中充满水分的质量与干土颗粒质量的比值，用百分数表示： 式中：wmax土的饱和含水量（%）； 饱和含水量实质上就是用水的数量来表示土中孔隙体积的大小，即Vn=mw。,（4-11）,3. 土的最佳含水量（w佳） 土的最佳含水量是指土在标准击实试验条

9、件下，能达到最大干密度时的含水量。一般通过土的击实曲线得到，或利用相关物理指标导出。 4. 土的饱和度（Sr） 饱和度是土中天然含水量的体积（Vw）与土的全部孔隙体积（Vn）的比值，用百分数表示。 或者，用天然含水量w和饱和含水量wmax的比值来表示：,（4-12）,式中：土的饱和度（%）； 饱和度是用来描述土中水充满孔隙的程度，Sr=0为完全干燥土，属二相系（固、气）；Sr=1为完全饱和土属二相系（固、液）；Sr介于01之间，按照天然砂性土所含水分的多少，可将砂性土划分为三个状态： 稍湿的：0Sr50%很湿的：50%Sr80%饱和的：80%Sr100%,（4-13）,土不是致密无隙的固体，在

10、土颗粒间存在着较多的孔隙。土的孔隙性是指孔隙的大小、形状、数量及连通情况等特征。土的孔隙性决定于土的粒度成份和土的结构，即土粒排列的松紧程度。 1. 孔隙比（e）：指土中孔隙的体积（Vn）与土粒的体积（Vs）的比值。 式中：e土的孔隙比 一般在天然状态下的土，若e0.6可认为是工程性质良好的土，若e1是工程性质不良的土。,（4-14）,2. 孔隙度（n） 在天然状态下，土中的孔隙体积与整个土体积的比值，称为孔隙度或孔隙率，用百分数表示： 孔隙率与孔隙比之间存在着下述换算关系： n 与e都是反映孔隙性的指标，但在应用上有所不同。凡是用于与整个土的体积有关的测试时，一般用n 较为方便；但若要对比一

11、种土变化状态时则用e较为准确。,（4-15）,（4-16）,3. 砂类土的相对密实度（Dr） 相对密实度是反映砂类土在天然状态下松密程度的指标，数值上它等于砂土在最疏松状态和天然状态下孔隙比之差与最疏松状态和最密实状态下孔隙比之差的比值，即： 式中：Dr 相对密实度； e 土的天然孔隙比； emin 最密实状态的孔隙比； emax 最疏松状态的孔隙比。,（4-17）,上式也等价为： 式中：Dr 相对密实度； d 土的干密度； d min最疏松状态土的干密度； d max 最密实状态土的干密度。 相对密实度可以用来判断砂性土的密实状态及其是否有压密的可能性。当Dr=1时，土体为密实的；Dr=0时

12、，土为最疏松状态，在外力作用下，土体的压缩性很大。按Dr的大小，砂性土可分为4种状态 。,（4-18）,前面介绍的土的物理性质指标实际上是土的固相、液相和气相在质量和体积方面不同组合上所构成的不同比值，即三者之间的质量与质量、质量与体积、体积与体积相互组成不同性质的指标。在工程地质检测中，只有准确地掌握了这些概念，才能正确地评价土质。,五、土的压实 路基是公路组成的重要部分，它与路面共同承受来自行车荷载和自然因素的作用，所以要求路基具有足够的强度和稳定性。 1、路基压实的评定指标 土是由三相体组成的，它们具有各自的特性，相互制约，共同存在于统一的土体中，构成土体的各种物理性质滲透性、粘滞性、压

13、缩性、弹性、塑性和力学性质等。而土体中三相在体积和重量上的比例关系，既是评价土的工程性质又是影响土压实性能的重要因素。,一般的说土的干密度d越大，土体越密实，土体的强度和承载力愈高。而提高土体的干密度则需改变土的三相组成比例，用压实机械对填土路基碾压就是改变土的三相组成比例，增加单位体积内固体颗粒百分含量，减少孔隙率。即通过碾压使土体达到： 连接的土重新排列靠近，单位重量增加，粘结力增大，土体强度提高。 通过压实使土粒外表的水膜减至更薄，增加内聚力，提高土体抗剪强度。 通过压实将土壤孔隙中的空气挤出，减小孔隙率，增大土的密度，提高土体的水稳定性和减少冻胀而引起的不均匀变形。,实践中常用压实度来

14、表示土基压实的好坏，所谓压实度是指路基土压实后的干密度与该土的标准干密度之比，并用百分数表示。即： 式中：K 土基压实度， % ；d 压实后的干密度，g/cm3；m 最大干密度（或称标准干密度），g/cm3。 2、标准干密度的确定方法 根据交通部公路土工试验规程规定，对细粒土、含砾土等的标准干密度（最大干密度）采用标准击实试验确定，同时亦可得出相应的最佳含水量。,%,（4-19）,粘性土最主要的物理特性是土粒与土中水相互作用产生的稠度，即土的软硬程度或土对外力引起变形或破坏的抵抗能力。 粘性土的稠度，反映土粒之间的联结强度随着含水量高低而变化的性质。粘性土在不同的稠度时所呈现的固态、半固态、塑

15、态、液态称为稠度状态。由于含水量的变化，粘性土可从一种稠度状态转变为另一种稠度的界限，称为稠度界限。由于稠度界限是用含水量表示的，又称界限含水量。 1液限 wL(%)：液限又称塑性上限或液限下限，是指粘性土由可塑状态转变为流动状态时的分界含水量。测定方法：液塑限联合测定,2塑限wP（%）：塑限又称塑性下限,是可塑状态与半干硬状态之间的界限含水量。测定方法：液塑限联合测定或滚搓法 3塑性指数IP：粘性土自可塑状态起，逐渐增加含水量到滞流状态出现时止，若增加的含水量幅度大，说明该粘性土的吸水能力很强，有较大的保持塑限状态的能力，我们称这样的粘性土具有高塑性；如果由可塑状态转变到滞流状态所增加的含水

16、量很小，就称这一类粘性土为低塑性。粘性土塑性的高低，通常用塑性指数Ip表示，即塑性指数大的粘性土具有较高塑性，塑性指数小的粘性土具有较低塑性。在数值上，塑性指数等于液限与塑限之差。 IP = wL wP （4-20） 塑性指数是反映粘性土中粘粒和胶粒含量的一个重要指标，塑性指数大的粘性土，表明土中粘粒和胶粒多。,4液性指数IL 土的天然含水量在一定程度上反映土中水的多少，但天然含水量并不能说明土处于什么物理状态，因此还需要一个能够表示天然含水量与界限含水量关系的指标，即液性指数IL。 式中：IL土的液性指数；wL土的液限；wP土的塑限。 对于某种粘性土，其液限wL和塑限wP都是一定值，土的天然

17、含水量越大，液性指数越大，土越稀软。,（4-21）,第三节 土的颗粒级配,自然界的土，作为组成土体骨架的土粒，大小悬殊，性质各异。工程上常把组成土的各种大小颗粒的相互比例关系，称为土的粒度成分。土的粒度成分如何，对土的一系列工程性质有着决定性的影响，因而它是工程地质研究主要内容之一。 一、粒组的划分 二、粒度成分的分析方法 三、粒度成分的表示方法,土的粒度，是指土颗粒的大小，以粒径表示，通常以mm为单位。土粒由粗到细，粒径尺寸相差非常悬殊，为了研究方便，将一定范围大小土粒合并成一组，将土粒由粗到细划分为若干段，每一段规定一个粒径尺寸范围，称为粒组。每个粒级的区间内，常以其粒径上、下限给粒组命名

18、。 从工程地质角度看,划分原则为： 应符合量变到质变的规律。以2mm粒径为土粒有无毛细水的界限；以0.074mm粒径为土粒有无水连结和有无粘着力的界限；以0.002mm粒径为土粒有无粘着力的界限。 应与现代粒度分析水平相适应，粒径大于0.074mm的土粒，可用筛析法进行颗粒分析；粒径小于0.074mm的土粒，可采用静水沉降法进行颗粒分析， 粒组的界限值服从数学规律，便于记忆。,二、粒度成分的分析方法 以般天然土都由若干个粒组组成，它所包含的各个粒组在土的全部质量中各自占有的比例，称为粒度成分。 1.筛析法：将土样通过一组标准筛，对于通过某一筛孔的土粒，可以认为其粒径恒小于该筛的孔径，反之，遗留在筛上的颗粒，可以认为其粒径恒大于该筛孔径，这样即可把土样的大小颗粒按筛孔大小逐级加以分组和分析。 2.沉降分析法：基本原理是0.0020.02mm粒径的土在水或液体中靠自重下沉时应作等速运动，运动的规律符合司笃克斯定律。,司笃克斯定律认为土粒越大，在静水中沉降的速度越快，反之土粒越小，沉降速度越慢。设土粒为圆球形颗粒，在无限大的水中沉降，它在重力作用下产生的稳定沉降速度为v，则粒径与沉降速度的平方根成正比。 式中：v球形颗粒在液体中的稳定沉降速度（m/s）；R球形颗粒