土力学与地基基础——第2章-土的物理性质及工程分类.ppt

1、第二章 土的物理性质及其工程分类,2.1 土的成因2.2 土的组成、结构与构造2.3 土的物理性质指标2.4 基本指标的测定2.5 无粘性土的密实度2.6 粘性土的物理特性2.7 土的渗透性2.8 土的压实性2.9 土的工程分类,土 的 形 成,土,岩石,风化、搬运、沉积,地质成岩作用,土的组成、结构和物理力学性质,过程、条件,2.1土的成因,土的形成与风化作用,物理风化 化学风化 生物活动,岩石和土的粗颗粒受各种气候等物理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是颗粒大小发生量的变化矿物成分与母岩相同，称原生矿物产生无粘性土,母岩表面和碎散的颗粒受环境因素的作用而改变其

2、矿物的化学成分，形成新的矿物颗粒成分发生质的变化矿物成分与母岩不同，称次生矿物形成十分细微的土颗粒，最主要为粘性颗粒及可溶盐类,土的形成与风化作用,物理风化 化学风化 生物活动,包括植物、动物和土壤微生物的作用可加剧物理和化学风化构成土中有机质和营养物质的生物循环导致腐殖质的形成，改变土壤的结构,土的形成与风化作用,物理风化 化学风化 生物活动,残积土 无搬运 运积土 有搬运,搬运与沉积,搬运与沉积,残积土 无搬运 运积土 有搬运,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 坡积土：土粒粗细不同，性质不均 洪积土：有分选性，近粗远细 冲积土：浑圆度分选性明显，土层交迭

3、 湖泊沼泽沉积土：含有机物淤泥，土性差 海相沉积物：颗粒细，表层松软，土性差 冰积土：土粒粗细变化较大，性质不均匀 风积土：颗粒均匀，层厚而不具层理,岩石因物理风化作用破碎，在重力作用下堆积到山脚,高山下的冲积锥群,风蚀蘑菇,土的形成过程,黄河冲积三角洲,土中气体 气相 次要作用,固体颗粒 固相 构成土体骨架 起决定作用,土中水 液相 重要影响,2.2.1 土体的三相构成,2.2 土的组成、结构与构造,固体颗粒-颗粒大小,粒组 按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类 界限粒径,d(mm),砾石,砂粒,粉粒,粘粒,胶粒,60,2,0.075,0.005,0.002,0.25,0.5,5,20,粗,

4、中,细,粗,中,细,0.075,粗粒,细粒,粗粒土：以砾石和砂砾为主要组成的土，也称无粘性土。细粒土：以粉粒、粘粒和胶粒为主要组成的土，也称粘性土。,巨粒,60,1.土的颗粒级配,固体颗粒-粒径级配,颗粒级配：土粒的大小及组成情况，即各粒组 的相对含量，用质量百分数来表示 分析方法：筛分法：适用于粗粒土 孔径大小不同的筛子 水分法：适用于细粒土 常采用比重计法 表述方法:粒径级配累积曲线,固体颗粒-粒径级配,孔径105.02.01.00.50.250.1(0.075),200g土,筛余010161824223872,小于某粒径之土质量百分数P（）,粒径(mm),P100958778665536

5、,土的粒径级配累积曲线,水分法,筛分法,固体颗粒 级配曲线,d60,d50,d10,d30,特征粒径:,斜率:某粒径范围内颗 粒的含量 陡-相应粒组含量多 缓-相应粒组含量少 平台-相应粒组缺乏,d50:平均粒径d60:控制粒径d10:有效粒径d30,土的粗细度：用d50 表示土的不均匀程度：用不均匀系数：Cu=d60/d10 表示，Cu 5，称为不均匀土，反之称为均匀土连续程度:用曲率系数 Cc=d302/(d60 d10)度量,Cc=13为连续级配,3或1为不连续级配,固体颗粒 级配曲线,小于某粒径之土质量百分数（）,粒径(mm),土的粒径级配累积曲线,d60,d50,d10,d30,小于

6、某粒径之土质量百分数（）,粒径(mm),土的粒径级配累积曲线,d60,d10,d30,缺少小颗粒，Cc缺少大颗粒，Cc,Cc=13,级配连续,曲率系数举例,曲率系数Cc描述颗粒级配曲线整体形态，表明某粒组是否缺失情况,粒组含量用于土的分类定名：如：粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50、粒径大于0.075mm的颗粒超过全重50的土，叫砂土 不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度：Cu 5为不均匀土；Cu 5为 均匀土 曲率系数Cc用于判定土的连续程度：Cc=13为级配连续土；Cc3 或 Cc3 或Cc1为 级配 不良的土,粒径级配曲线和指标的应用,固体颗粒-矿物成分,固体成分,原生矿物-石英、长

7、石、云母等次生矿物,矿物质有机质,无定形氧化物胶体可溶盐黏土矿物,具有和原生矿物很不相同的特性对黏土性质的影响很大,2.土粒的矿物组成,高岭土（膨胀性、可塑性小）,伊利土,蒙脱土（膨胀性、可塑性极大）,（土壤中来源于生命的物质。包括：土壤微生物和土壤动物及其分泌物以及土体中植物残体和植物分泌物。）,颗粒形状,原生矿物：一般颗粒较粗，呈粒状。有圆状、浑圆状、棱角状等。次生矿物：颗粒较细，多呈针状、片状、扁平状。,粗颗粒的形状,粘土颗粒的形状,砾粒、砂粒：原生矿物 粉粒：原生矿物 次生矿物 黏粒：次生矿物、有机质,随着粒径的变化，土粒的矿物成分和性质也随之发生变化。土中的土粒由粗粒到细粒变化时，土

8、粒的矿物组成相应的由原生矿物向次生矿物转变。,土的三相组成 土中水,土 中 水,液态水 结合水 吸附在土颗粒表面水 自由水 电场引力作用范围之外的水固态水 土中冰 由自由水冻成，形成冻土。由于 固态水的胶结作用，土的强度增 强。但解冻时，强度迅速降低并 低于原来强度气态水 水蒸气 存在孔隙空气中，对土性质影响 不大,-强结合水：排列致密，密度1g/cm3 冰点处于零下几十度 完全不能移动，具有固体的特性 温度略高于100C时可蒸发-弱结合水：受电场引力作用，为粘滞水膜 外力作用下可以移动 不因重力而流动，有粘滞性，在外 力作用下可以挤压变形,粘土颗粒,引力,d,水分子,阳离子,强结合水,弱结合

9、水,自由水,土中水 结合水,结合水：受颗粒表面电场作用力吸引而包围在颗粒四周，不传递静水压力，不能任意流动的水,毛细水：由于土体孔隙的毛细作用升至自由水面以上的水。毛细水承受表面张力和重力的作用重力水：自由水面以下的孔隙自由水，在重力作用下可在土中自由流动,土中水 自由水,自由水：结合水膜之外，不受颗粒电场引力作用的孔隙水,hc,毛细水,重力水,毛细管,hc,土中毛细水上升高度,表面张力：液体表面的基本特性是倾向于收缩，即总是尽可能取最小的表面积。垂直地通过液体表面上任一单位孤元，并沿着与液面相切方向的收缩表面的力，叫做表面张力毛细现象：将内径很小的管子（毛细管）插入液体中，管内外液面产生高度

10、差的现象。表面张力与润湿现象的联合作用，形成了毛细现象。,土的三相组成 土中气,气相-土中气,自由气体：受外荷作用时被挤出土体外，对土的性质影响不大 封闭气体：与大气隔绝，形成封闭气泡。受压时体积缩小，卸荷后体积恢复，增加土的弹性，阻塞渗流通道，减小透水性，延长土体受力后变形达到稳定的历时,土中气体存在于土孔隙中未被水占据的部分，分为与大气连通的自由气体和与大气不连通的封闭气体,土体有三个组成部分：固相、液相和气相,小 结,固体颗粒土中水土中气体,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,2.2.2、土的结构与构造,在成土过程中所形成的土粒

11、的相互排列及其联结形式称为土的结构。与组成土的颗粒大小、颗粒形状、矿物成分和沉积条件有关,1.单粒结构：粗矿物颗粒在水或空气中在自重作用下落沉积形成的结构，其特点是土粒间存在点与点的接触。根据形成条件不同，可分为疏松状态和密实状态,土的结构（微观概念）,2.蜂窝结构：粉粒（0.0750.005mm）在水中下沉碰到已经沉积的土粒时，由于彼此之间引力大于重力，因而土粒停留在接触面上不再继续下沉，形成链环单位,很多链环联结起来，形成孔隙较大的蜂窝状结构，颗粒间点与点接触。,3.絮状结构：细微黏粒（0.005mm）大都呈针状或片状，质量极轻，在水中处于悬浮状态。当遇到电解质较大环境时，土粒表面的弱结合

12、水厚度减薄，粘粒互相接近，凝聚成絮状物集体下沉，形成孔隙较大的絮状结构。,土颗粒或粒团的空间排列和相互联结,粗粒土的结构单粒结构,重力起主导作用,粒间力起主导作用,孔隙较多，压缩性大，结构破坏后强度降低大，工程性质差,细粒土的结构分散结构 凝聚结构,小 结,强度与排列密实度有关,土的构造（宏观概念）,土的构造是指土体中各结构单元之间的关系。主要特征是土的成层性和裂隙性,即层理构造和裂隙构造，二者都造成了土的不均匀性,1.层理构造：土粒在沉积过程中,由于不同阶段沉积的物质成分、颗粒大小或颜色不同,而沿竖向呈现出成层特征,2.裂隙构造：土体被许多不连续的小裂隙所分割,在裂隙中常充填有各种盐类的沉淀

13、物,3.分散构造：土粒分布均匀，性质相近,特点: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 基本方法:,三相草图法,2.3 土的物理性质指标,组成土的固体、液体、气体三个部分之间的不同比例，反映了土的各种不状态，对于评价土的物理、力学性质有着重要的意义,土的物理性质指标：表示土中固体、液体气体三部分之 间比例关系的指标,三 相 草 图,三个基本指标,其它指标：三相草图法计算,实验室测定,土的密度,土的含水量,土粒比重,定义：单位体积土的质量表达式：单 位:kg/m3 或 g/cm3（t/m3)一般范围:1.602.20 g/cm3,1.土

14、的密度,2.3.1 基本物理指标,重力加速度，近似取10m/s2,定义：土粒质量与同体积的4时纯水的质量之比（土粒的密度与4C时纯水密度的比值）表达式：单 位:无量纲一般范围：粘性土 2.702.75，砂土 2.65,2.土粒比重Gs或ds（土粒相对密度）,=1.0 g/cm3,土粒比重在数值上等于土粒的密度,定义：土中水的质量与土粒质 量之比，用百分数表示表达式：单 位:无量纲一般范围：变化范围大,注意:其实是含水比,可达到或超过100,3.土的含水量 W,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。,2.3.2

15、 土的其他物理指标（换算指标）,砂类土：28-35%粘性土：30-50%，有的可达60-70%,1.孔隙比e和孔隙率n,孔隙比e：土中孔隙体积与土粒 体积之比,孔隙率n：土中孔隙体积与总体 积之比，以百分数表示,2.土的饱和度Sr 土中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,3.不同状态下土的密度和重度,（2）土的饱和密度和饱和重度饱和密度sat：土体中孔隙完全被水充满时土的密度称为土的饱和密度,（1）土的干密度和干重度：干密度d：土单位体积内

16、固体颗粒部分的质量,（3）土的有效重度（浮重度）有效重度（浮重度）：在地下水位以下，土体收到水的浮力作用时土的重度称为土的有效重度,饱和重度sat：土体中孔隙完全被水充满时土的重度称为土的饱和重度,干重度d：土单位体积内固体颗粒部分的重力,2.3.3 基本指标和其他指标的关系,质量m,体积V,土的三相指标中，土粒比重ds，含水量W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,土的三相物理指标换算图,假设土粒体积Vs为单位1,则：,换算关系式：,推导：,质量m,体积V,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ds为2.66，求该土样的含水量W、密度、重度、干重度d、孔隙比e、饱和重度sat和有效重度,【解答】,土的物理状态粗粒土的松密程度粘性土的软硬状态,土的物理性质指标(三相间的比例关系),表示,2.5 无黏性土的密实度,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,简单方便，但只能用于