《土质学与土力学》第3章 土的物理性质及工程分类.ppt

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1、Nanjing University of Technology 土中的土土粒粒、水水和气气三部分的质质量量(或或重重力力)与与体体积积之之间间的的比比例例关关系系，随着各种条件的变化而改变。土粒一般由矿物质组成，构成土的固固体体部部分分。土粒构成土的骨架。土骨架间布满相互贯通的孔隙。这些孔隙有时完完全全被被水水充充满满，称为饱饱和和土土；有时一部分孔隙被水占据，另一部分被气体占据，称为非非饱饱和和土土；孔隙完全充满气体时，则称为干干土土。水和溶解于水的物质构成土的液液体体部分部分。空气和其他一些气体构成土的气体部分气体部分。这三种组成部分本身的性质以及它们之间的比例关系和相互作用，决定土的物

2、理力学性质。因此，研究土的性质，必须研究土土的的固固体体、液液体和气体的三相组成体和气体的三相组成。Nanjing University of Technology土的三相比例指标土的三相比例指标一一.土的三相草图土的三相草图Nanjing University of Technology 在上述变量中ma=0，独立的量有 Vs、Vw、Va、mw和 ms五个。1 m3 水的质量通常等于 1g，故在数值上 Vw=mw。当研究这些量的相对比例关系时，总是取某一定数量的土体来分析，例如，取 V=1cm3，或 m=1g，或 Vs=1cm3 等，因此又可以消去一个未知量。这样，对于一定数量的三相土体，只

3、要知道其中三三个个独独立立的的量量，其他各个量就可从图中直接换算得到。三相草图是土力学中用以计算三相量比例关系的一种简单而又很实用的工具。Nanjing University of Technology1.土的密度土的密度密度密度：单位体积土的质量。：单位体积土的质量。Mg/m3,g/cm3粘性土 r=1.82.0g/cm3砂 土 r=1.62.0g/cm3腐殖土 r=1.51.7g/cm3测测定定方方法法：一一般般用用“环环刀刀法法”，用用一一个个圆圆环环刀刀（刀刀刃刃向向下下）放放在在削削平平的的原原状状土土样样面面上上，徐徐徐徐削削去去环环刀刀外外围围的的土土，边边削削边边压压，使使保保

4、持持天天然然状状态态的的土土样样压压满满环环刀刀内内，称称得得环环刀刀内内土土样样的的质质量量，求求得得它它与环刀容积之比值即为其密度。与环刀容积之比值即为其密度。Nanjing University of Technology2.土的重度土的重度重度重度:单位体积土的重量，是重力的函数。单位体积土的重量，是重力的函数。kN/m3G G为土的重量，g g为重力加速度，工程上为了计算方便，取g g=10m/s=10m/s2 2。Nanjing University of Technology3 土粒相对密度（比重）土粒相对密度（比重）相对密度相对密度:土粒密度（单位体积土粒的质量）与土粒密度（单

5、位体积土粒的质量）与44时时纯水密度之比。纯水密度之比。w1为为4时时纯纯水水的的密密度度，w1=1g/cm3;s为为土土粒粒的的密密度度，即即单单位位体体积积土土粒粒的的质质量。故实用上，量。故实用上，土粒相对密度在数值上等于土粒的密度土粒相对密度在数值上等于土粒的密度土粒相对密度在数值上等于土粒的密度土粒相对密度在数值上等于土粒的密度。Nanjing University of Technology测测测测定定定定方方方方法法法法：土土粒粒相相对对密密度度或或比比重重可可在在试试验验室室内内用用比比重重瓶瓶法法测测定定。由于土粒相对密度变化不大由于土粒相对密度变化不大,通常可按经验数值选用

6、。通常可按经验数值选用。Nanjing University of Technology 含含水水量量w是是标标志志土土的的湿湿度度的的一一个个重重要要物物理理指指标标。天天然然土土层层的的含含水水量量变变化化范范围围很很大大，它它与与土土的的种种类类、埋埋藏藏条条件件及及其其所所处处的的自自然然地地理理环环境境等等有有关关。一般说来，对同一类土，当其含水量增大时，则其强度就降低。一般说来，对同一类土，当其含水量增大时，则其强度就降低。4 土的含水量土的含水量含水量：含水量：土中水的质量与土粒质量之比，用土中水的质量与土粒质量之比，用w表示，以百分数计。表示，以百分数计。Nanjing Uni

7、versity of Technology测定方法测定方法测定方法测定方法：土的含水量一般用土的含水量一般用“烘干法烘干法”测定。先称小块原状土样测定。先称小块原状土样的湿土质量的湿土质量mm，然后置于烘箱内维持，然后置于烘箱内维持100105烘至恒重，再称干烘至恒重，再称干土质量土质量mms，水的质量，水的质量mmw为湿土和干土质量之差。为湿土和干土质量之差。铝盒铝盒铝盒铝盒烘箱烘箱烘箱烘箱电子天平电子天平电子天平电子天平土样土样土样土样Nanjing University of Technology基本指标土的密度土的密度土的密度土的密度 土粒比重土粒比重土粒比重土粒比重 d ds s土的

8、含水量土的含水量土的含水量土的含水量 w w 在测定土土土土的的的的密密密密度度度度、土土土土粒粒粒粒比比比比重重重重和土土土土的的的的含含含含水水水水量量量量这三个基本指标后，就可以根据三相草图计算出三相组成各自在体积上与质量上的含量。Nanjing University of Technology1.1.土的孔隙比和孔隙率土的孔隙比和孔隙率 孔隙比孔隙比:土中孔隙体积与土粒体积之比，以小数记。土中孔隙体积与土粒体积之比，以小数记。三相量比例关系的其它常用指标三相量比例关系的其它常用指标三相量比例关系的其它常用指标三相量比例关系的其它常用指标 它它是是一一个个重重要要的的物物理理性性能能指指

9、标标，可可用用来来评评价价天天然然土土层层的的密密实实程程度度。一一般般地，地，e1.0的土是疏松的的土是疏松的高压缩性土高压缩性土高压缩性土高压缩性土。Nanjing University of Technology1.1.土的孔隙比和孔隙率土的孔隙比和孔隙率 孔隙率：孔隙率：土中孔隙体积与土总体积之比，以百分数计。土中孔隙体积与土总体积之比，以百分数计。三相量比例关系的其它常用指标三相量比例关系的其它常用指标三相量比例关系的其它常用指标三相量比例关系的其它常用指标 砂类土：砂类土：28-35%粘性土：粘性土：0-50%,有的可达有的可达60-70%Nanjing University of

10、 Technology2 土的饱和度土的饱和度饱和度：饱和度：饱和度：饱和度：土中被水充满的孔隙体积与孔隙总体积之比。土中被水充满的孔隙体积与孔隙总体积之比。土中被水充满的孔隙体积与孔隙总体积之比。土中被水充满的孔隙体积与孔隙总体积之比。砂砂土土根根据据饱饱和和土土Sr的的指指标标值值分分为为稍稍湿湿、很很湿湿和和饱饱和和三三种种湿湿度度状状态态。显显然然，干土的饱和度干土的饱和度Sr=0，而完全饱和土的饱和度，而完全饱和土的饱和度Sr=100%。Nanjing University of Technology3 土的饱和密度和干密度土的饱和密度和干密度饱和密度饱和密度:土中孔隙被水充满时土的

11、密度，土中孔隙被水充满时土的密度，Mg/m3,g/cm3干密度：干密度：单位土体积中土粒的质量单位土体积中土粒的质量，Mg/m3,g/cm3Nanjing University of Technology重度密度重度密度g 密度与重度密度与重度饱和重度饱和重度天然重度天然重度干重度干重度Nanjing University of Technology 对对于于地地下下水水位位以以下下的的土土体体，由由于于受受到到水水的的浮浮力力作作用用，将将扣扣除除水水浮浮力力后后单单位位体体积积土土所所受受的的重重力力称称为为土土的的有有效效重重度度，以以g g 表表示示，当当认认为为水水下土是饱和时，它在

12、数值上等于饱和重度下土是饱和时，它在数值上等于饱和重度g gsat。有效重度有效重度有效重度有效重度Nanjing University of Technology 三三三三相相相相指指指指标标标标换换换换算算算算Nanjing University of Technology 三三三三相相相相指指指指标标标标换换换换算算算算Nanjing University of Technology从物理意义上理解指标间的关系从物理意义上理解指标间的关系不鼓励死记硬背不鼓励死记硬背必要时利用三相草图推导必要时利用三相草图推导 三相图换算指标，就是利用已知的指标，计算出三相草图中的各相数值，再根据所求指标

13、的定义直接计算。事实上，由于三相量的指标都是相对的比例关系，不是量的绝对值，因此，为了简化计算，常常可以假设三相中某相的值为1个单位，实用上最常用的是假设Vs=1.0m3(或cm3)或V=1.0m3(或cm3)进行计算。Nanjing University of Technology 所谓土的物物理理状状态态，对于粗粗粒粒土土、是指土的密密实实程程度度，对于细细粒粒土则是指土的软硬程度或称为粘性土的稠度粘性土的稠度。土的物理状态Nanjing University of Technology无黏性土的密实度 砂土、碎石土和粉土统称为无黏性土无黏性土，无黏性土的密度密度对其工程性质有重要的影响。

14、土的密实度通常指单位体积中固体颗粒的含量。土颗粒含量多，土就密实；土颗粒含量少，土就疏松。反映这类土工程性质的主要指标是密实度。干密度干密度干密度干密度 d d和孔隙比和孔隙比和孔隙比和孔隙比e e(或孔隙度或孔隙度或孔隙度或孔隙度n n)都是表示土的密实度的指标。但是这种用固体含量或孔隙含量表示密实度的方法有其明明显显的的缺缺点点，主要是这种表示方法没有考虑到粒径级配没有考虑到粒径级配这一重要因素的影响。Nanjing University of Technology相相 对对 密密 度度 假定第一种砂是理想的均匀圆球，不均匀系数Cu1.0，最密时的孔隙比e0.35，如果砂粒的比重G2.65

15、，则最密时的干密度 d1.96/cm3。第二种砂同样是理想的圆球。但其级配中除大的圆球外，还有小的圆球可以充填于孔隙中，不均匀系数Cu1.0,最密时的孔隙比e0.35。就是说这两种砂若都具有同样的孔隙比e0.35时时,对于第一种砂，已处于最密实的状态，而对于第二种砂则不是最密实。Nanjing University of Technology相相 对对 密密 度度 工工程程上上为为了了更更好好地地表表明明砂砂土土所所处处的的密密实实状状态态，采采用用将将现现场场土土的的孔孔隙隙比比e与与该该种种土土所所能能达达到到最最密密实实时时的的孔孔隙隙比比emin 和和最最松松散散时时的的孔孔隙隙比比e

16、max 相相比比较较的的办办法法，来来表示孔隙比表示孔隙比e时土的密实度。这种度量密实度的指标称为相对密度时土的密实度。这种度量密实度的指标称为相对密度 Dr定义为定义为密实度判别标准密实度判别标准：Dr1/3 疏松疏松 1/3Dr2/3 中密中密 Dr2/3 密实密实 土土的的最最大大孔孔隙隙比比emax的的测测定定方方法法是是将将松松散散的的风风干干土土样样，通通过过长长颈颈漏漏斗斗轻轻轻轻地地倒倒入入容容器器，求求得得土土的的最最小小干干密密度度再再经经换换算算确确定定；土土的的最最小小孔孔隙隙比比emin的的测测定定方方法法是是将将松松散散的的风风干干土土样样分分批批装装人人金金属属容

17、容器器内内，按按规规定定的的方方法法进进行行振振动动或或锤锤击击夯夯实实，直至密实度不再提高，求得最大干密度再经换算确定。直至密实度不再提高，求得最大干密度再经换算确定。Nanjing University of Technology粘性土的稠度状态 土中含水量很低时，水都被颗粒表面的电荷紧紧吸着于颗粒表面，成为强强强强结结结结合合合合水水水水。强结合水的性质接近于固态。因此，当土粒之间只有强结合水时，按水膜厚薄不同，土表现为固态或半固态固态或半固态固态或半固态固态或半固态。当含水量增加，被吸附在颗粒周围的水膜加厚，土粒周围除强结合水外还有弱弱弱弱结结结结合合合合水水水水，弱结合水呈粘滞状态，

18、不能传递静水压力，不能自由流动，但受力时可以变形，能从水膜较厚处向邻近较薄处移动。在这种含水量情况下，土体受外力作用可以被捏成任意形状而不破裂，外力取消后仍然保持改变后的形状。这种状态称为可塑状态可塑状态可塑状态可塑状态。粘性土最主要的物理状态特征是它的稠度，稠稠稠稠度度度度是指土的软硬程度或土对外力引起变形或破坏的抵抗能力。Nanjing University of Technology 弱弱弱弱结结结结合合合合水水水水的存在是土具有可塑状态的原因。土处在可塑状态的含水量变化范围，大体上相当于土粒所能够吸附的弱结合水的含量。这一含量的大小土要决定于土的比表面积相矿物成分。粘性大的土必定是比表

19、面积大，矿物的亲水能力强的土(例如蒙持石)，自然也是能吸附较多的结合水的土，因之它的塑态含水量的变化范围也必定大。当含水量继续增加，土中除除除除结结结结合合合合水水水水外外外外，已有相当数量的水处于电场引力影响范围以外，成为自由水。这时土粒之间被自由水所隔开，土体不能原受任何剪应力，而呈流动状态流动状态流动状态流动状态。从物理概念分析，土的稠度稠度稠度稠度实际上是反映土中水的形态土中水的形态土中水的形态土中水的形态。Nanjing University of Technology液性指数液性指数：反映土的软硬状态反映土的软硬状态 稠度界限 土从某种状态进入另外一种状态的分界含水量称为土土的的特

20、特征征含含水水量量或(稠度界限)。工程上常用的稠度界限有液性界限液性界限wL和塑性界限塑性界限wP。液性界限(wL)简称液液液液限限限限，相当于土从塑塑性性状状态态转变为流流动动状状态态时的含水量。这时，土中水的形态除结合水外，已有相当数量的自由水。塑性界限(wp)简称塑塑塑塑限限限限，相当于土从半半固固体体状状态态转变为塑塑性性状状态态时的含水量。这时土中水的形态大约是强结合水含量达到最大时。Nanjing University of Technology土中水与稠度状态土中水与稠度状态Nanjing University of Technology液性指数液性指数Ip 状态状态 Ip0 0

21、Ip0.25 0.25Ip0.750.75Ip1.0 Ip1.0坚硬坚硬硬塑硬塑可塑可塑软塑软塑流塑流塑粘性土的状态分类粘性土的状态分类Nanjing University of Technology土的工程分类体系 自然界中土的种类很多，工程性质各异。为了便于研究，需要按其主要特征进行分类。任何一种土的分类体系，其目的无非是想提供一种通用的鉴别标准，以便在不同土类之间可作有价值的比较、评价及累积和交流经验。为了能通用，这种分类体系首先应当是简明的，而且尽可能直接与土的工程性质相联系。可惜，土的分类法不仅各国尚未统一，就是一个国家的各部门也都制定了结合本行业的特点的分类体系。Nanjing U

22、niversity of Technology分类依据岩土工程勘察规范岩土工程勘察规范岩土工程勘察规范岩土工程勘察规范 GB50021-2001 建筑地基基础设计规范建筑地基基础设计规范建筑地基基础设计规范建筑地基基础设计规范GB50007-2002Nanjing University of Technology土按堆积年代可划分为以下三类：PP老老老老堆堆堆堆积积积积土土土土：第四纪晚更新世Q4及其以前堆积的土层，一般呈超固结状态，具有较高的结构强度；PP一般堆积土一般堆积土一般堆积土一般堆积土：第四纪全新世(文化期以前Q4)堆积的土层；PP新近堆积土新近堆积土新近堆积土新近堆积土：自文化期

23、以来新近堆积的土层Q4，一般处于欠压密状态，结构强度较低。根据地质成因可将士分为残残残残积积积积土土土土、坡坡坡坡积积积积土土土土、洪洪洪洪积积积积土土土土、淤淤淤淤积积积积土土土土、冰积土冰积土冰积土冰积土、风积土风积土风积土风积土和海积土海积土海积土海积土等。根据有机质含量(按灼失量试验确定）可将土分为无无无无机机机机土土土土、有有有有机机机机质质质质土土土土、泥泥泥泥炭炭炭炭质质质质土土土土和泥泥泥泥炭炭炭炭，其含量分别为小于5，5-10，10-60，大于60。按颗粒级配和塑性指数可将士分为碎碎碎碎石石石石土土土土、砂砂砂砂土土土土、粉粉粉粉土土土土和粘粘粘粘性性性性土土土土。Nanji

24、ng University of Technology碎石土：粒径大于粒径大于2mm的颗粒含量超过全重的颗粒含量超过全重50的土。根据颗的土。根据颗粒级配和颗粒形状，按下表粒级配和颗粒形状，按下表 分类。分类。Nanjing University of Technology砂土:粒粒径径大大于于2mm的的颗颗粒粒含含量量不不超超过过全全重重50、粒粒径径大大于于0.075mm的颗粒超过全重的颗粒超过全重50的土。根据颗粒级配，按下表分类。的土。根据颗粒级配，按下表分类。Nanjing University of Technology粘性土:若土的塑性指数若土的塑性指数IP10：则该土属粘性土。

25、粘性土根据则该土属粘性土。粘性土根据塑性指数塑性指数IP按下表细分。按下表细分。Nanjing University of Technology淤淤泥泥:在在静静水水或或缓缓慢慢的的流流水水环环境境中中沉沉积积，经经生生物物化化学学作作用用形形成成，其其天然含水量大于液限天然含水量大于液限,天然孔隙比天然孔隙比大于或等于大于或等于大于或等于大于或等于1.51.5的粘性土。的粘性土。淤泥质土淤泥质土:天然孔隙比小于天然孔隙比小于1.5，但大于或等于，但大于或等于1.0的粘性土称为的粘性土称为淤泥质土。淤泥质土。Nanjing University of Technology粉土:为为介介于于砂砂

26、土土与与粘粘性性土土之之间间，塑塑性性指指数数IP10且且粒粒径径大大于于0.075mm的的颗颗粒粒含含量量不不超超过过全全重重50的的土土。粉粉土土的的工工程程性性质质介介于于砂砂土土和和粘粘性性土土之之间间，它它既既不不具具有有砂砂土土透透水水性性大大、容容易易排排水水固固结结、抗抗剪剪强强度度较较高高的的优优点点，又又不不具具有有粘粘性性土土防防水水性性能能好好、不不易易被被水水冲冲蚀蚀流流失失、具具有有较较大大粘粘聚力的优点。聚力的优点。Nanjing University of Technology土的压实性?建筑物建筑在填土上，为了提高填土的强度，增加土的密实度，降低其透水性和压缩

27、性，通常用分层压实的办法来处理地基。?实践经验表明，对过湿的土进行夯实或碾压时就会出现软弹现象(俗称“橡橡橡橡皮皮皮皮土土土土”)，此时土的密实度是不会增大的。对很干的土进行夯实或碾压，显然也不能把土充分压实。所以，要使土的压实效果最好，其含水量一定要适当。在一定的压实能量下使土最容易压实，并能达到最大密实度时的含水量，称为土的最最最最优优优优含含含含水水水水量量量量(或称最最最最佳佳佳佳含含含含水水水水量量量量)。用。表示。相对应的干密度叫做最大干密度，以 dmaxdmax表示。Nanjing University of Technology含水量与干密度关系曲线 具有最优含水量的土，其压实

28、效果最好。这是因为含水量较小时，土中水主要是强结合水，土粒周围的结合水膜很薄，使颗粒间具有很大的分子引力，阻止颗粒移动，压实就比较困难；当含水量适当增大时，土中结合水膜变厚，土粒之间的联结力减弱而使土粒易于移动，压实效果就变好；但当含水量继续增大，以致土中出现了自由水，击实时孔隙中过多的水分不易立即排出，势必阻止土粒的靠拢，所以压实效果反而下降。Nanjing University of Technology最优含水量与压实能量关系A对同一种土，用人力夯实时，因能量小，要求土粒之间有较多的水分使其更为润滑，因此，最优含水量较大而得到的最大干密度却较小，如图所示的曲线3。A当用机械夯实时，压实能量较大，得出的曲线如图中的曲线1和2。a在同类土中，土的级配对土的压实效果影响较大，颗粒级配良好的容易压实。