土力学1土的物理性质与工程分类.pptx

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1、11 土的物性与分类土的形成渗透特性变形特性强度特性土的三相组成土的物理状态土的结构土的工程分类土的压实性 决定影响如何获得较好的土便于研究和应用第1页/共91页21.1 土的形成1.2 土的三相组成1.3 土的物理状态1.4 土的结构1.5 土的工程分类1.6 土的压实性 1 土的物性与分类第2页/共91页31.1 土的形成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 风化土地球影响1 土的物性与分类岩石地球第3页/共91页4生物循环物理风化化学风化量变无粘性土原生矿物质变粘性土次生矿物动植物的活动一.风化有 机 质1.1土的形成岩石和土的粗颗粒受

2、各种气候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母岩表面和碎散的颗粒受环境因素的作用而改变其矿物的化学成分，形成新的矿物1 土的物性与分类第4页/共91页5二.搬运与沉积残积土无搬运运积土有搬运土质较好残积土强风化弱风化微风化母岩体颗粒表面粗糙多棱角粗细不均无层理母岩表层经风化作用破碎成岩屑或细小颗粒后，未经搬运残留在原地的堆积物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1.1土的形成1 土的物性与分类第5页/共91页62.搬运与沉积运积土有搬运风：风积土重力:坡积土 流水:洪积土冲积土湖泊沼泽沉积土海相沉积物冰川:冰积土土粒粗细不同，性质不均匀

3、有分选性，近粗远细浑圆度分选性明显，土层交迭含有机物淤泥，土性差颗粒细，表层松软，土性差土粒粗细变化较大，性质不均匀颗粒均匀，层厚而不具层理1.1土的形成1 土的物性与分类第6页/共91页71.1 土的形成1.2 土的三相组成1.3 土的物理状态1.4 土的结构1.5 土的工程分类1.6 土的压实性 1 土的物性与分类第7页/共91页81.2 土的三相组成气相固相液相+构成土骨架，起决定作用重要影响土体次要作用1 土的物性与分类第8页/共91页9一.固体颗粒物理状态力学特性粒径级配1.2土的三相组成矿物成分颗粒形状 1 土的物性与分类第9页/共91页101.粒径级配一.固体颗粒颗粒大小各粒径成

4、分在土中占的比例狭义的粒径级配影响土性的主因1.2土的三相组成1 土的物性与分类第10页/共91页11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一.固体颗粒1.2土的三相组成1 土的物性与分类d(mm)d(mm)砾石砂粒粉粒粘粒胶粒6020.050.0050.0020.250.5520粗 中 细 粗 中 细 极细0.1粗粒细粒第11页/共91页12粒径级配确定方法 筛分法：适用于粗粒土 (0.1 mm)水分法：适用于细粒土 (0.1 mm)各粒组的相对含量，用质量百分数来表示表述方法 粒径级配累积曲线一.固体颗粒1.2土的三相组成1 土的物性与分类第12页/共91页13105.

5、02.01.00.50.250.1200g101618242238721009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数P（）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)P%958778665536土的粒径级配累积曲线水分法粒径粒径(mm)(mm)0.050.010.005百分数百分数P(%)P(%)2613.510一.固体颗粒1.2土的三相组成1 土的物性与分类第13页/共91页141009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)土的粒径级

6、配累积曲线d60d50d10d30d60d10d30CuCc0.33 0.005 0.063662.41特征粒径:d50:平均粒径d60:控制粒径d10:有效粒径d30 不均匀程度：Cu=d60/d10 连续程度:Cc=d302/(d60 d10)曲率系数 不均匀系数Cu 5,级配不均匀粗细程度：用d50 表示 一.固体颗粒1.2土的三相组成1 土的物性与分类第14页/共91页151009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)土的粒径级配累积曲线d60d10d30曲线d60d10d30CuC

7、cL0.33 0.0050.081663.98M0.0632.41R0.0300.545斜率:某粒径范围内颗粒的含量 陡相应粒组质量集中 缓-相应粒组含量少 平台-相应粒组缺乏连续程度:Cc=d302/(d60 d10)曲率系数较大颗粒缺少Cc 减小较小颗粒缺少Cc 增大Cc =1 3,级配连续性好一.固体颗粒1.2土的三相组成1 土的物性与分类第15页/共91页16粒径级配粒径级配累积曲线及指标的用途：1）粒组含量用于土的分类定名；2）不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度：Cu 5,不均匀土；Cu 3 或 Cc 1,级配不连续土4）不均匀系数Cu和曲率系数Cc用于判定土的级配优劣：如果 Cu

8、 5且 C c =1 3，级配 良好的土；如果 Cu 3 或 Cc 1g/cm3 冰点处于零下几十度 具有固体的特性 温度高于100C时可蒸发强结合水 位于强结合水之外，电场引 力作用范围之内 外力作用下可以移动 不因重力而移动，有粘滞性弱结合水二.土中水1.2土的三相组成1 土的物性与分类第24页/共91页25自由水重力水毛细水在重力作用下可在土中自由流动 存在于固气之间 在重力与表面张力作用下 可在土粒间空隙中自由移动二.土中水1.2土的三相组成1 土的物性与分类第25页/共91页26=湿润角空气固体水lT=界面张力d=毛管直径Td=2rua-uwua-uw=压力差二.土中水1.2土的三相

9、组成1 土的物性与分类毛细水毛细现象毛细管hc第26页/共91页27土中毛细现象上升高度:r2hcw=2rTcos毛细水分布在土粒内部相互贯通的孔隙可以看成许多形状不一、直径互异、彼此连通的毛细管毛细升高与孔径成反比粘土粉土砂土砾石分析对象:水柱二.土中水1.2土的三相组成1 土的物性与分类第27页/共91页28对砂土强度的影响:毛细边角水,假凝聚力 毛细压力2rTcos+ucr2 =0毛细压力 非饱和土中毛细张力影响分析对象:水膜二.土中水1.2土的三相组成1 土的物性与分类第28页/共91页29三.土中气体v自由气体：与大气连通，对土的性质影响不大v封闭气体：增加土的弹性；阻塞渗流通道1.

10、2土的三相组成1 土的物性与分类第29页/共91页30 土有三个组成部分：固相、液相和气相 小结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1.2土的三相组成1 土的物性与分类第30页/共91页31土的物理性质与工程分类第一章第31页/共91页32 粘性土（细粒土）无粘性土（砂性土）（粗粒土）土的特点土的力学特性与土有关的工程问题土的生成土的三相组成第32页/共91页331.1 土的形成1.2土的三相组成1.3土的物理状态?1.4土的结构?1.5土的工程分类?1.6土的压实性 1 土的物性与分类第33

11、页/共91页341.3 土的物理状态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(松密程度、干湿程度、轻重程度)力学特性影响表示1 土的物性与分类？第34页/共91页35一.物理性质指标土的三个组成相的体积和质量上的比例关系1.3 土的物理状态松密程度干湿程度轻重程度特点: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、联系与区别定义基本方法:三相草图法1 土的物性与分类第35页/共91页361.三相草图WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm一.物理性质指标质量体积1.3 土的物理状态1 土的物性与分类第36页/共9

12、1页37三相草图WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积已知关系五个:共有九个参数:V Vv Vs Va Vw/ms m w ma m剩下三个独立变量三相草图法物性指标是比例关系:可假设任一参数为1对于饱和土,Va=0剩下两个独立变量实验室测定其它指标是一种简单而实用的方法一.物理性质指标1.3 土的物理状态1 土的物性与分类第37页/共91页382.室内测定的三个物理性质指标WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积土的密度、土粒的比重、土的含水量土的密度土的容重=g工程上更常用,用于计算土的自重应力单位:kg/m3 或 g/cm3单

13、位:kN/m3 一般范围:1.602.20 g/cm3定义:单位体积土的质量有时也称土的天然密度表达式:相关指标:三相草图有助于直观理解物性指标的概念一.物理性质指标1.3 土的物理状态1 土的物性与分类第38页/共91页39WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积土粒比重s:土粒的密度，单位体积土粒的质量单位:无量纲土粒比重一般范围:粘性土 2.702.75 砂 土 2.654C时纯蒸馏水的密度=1.0 g/cm3土粒比重在数值上等于土粒的密度定义:土粒的密度与4C时纯蒸馏水的密度的比值表达式:一.物理性质指标1.3 土的物理状态1 土的物性与分类第39页/共9

14、1页40WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积土的含水量定义:土中水的质量与土粒质量之比,用百分数表示注意:其实是含水比,可达到或超过100表达式:一.物理性质指标1.3 土的物理状态1 土的物性与分类第40页/共91页41v表示土中孔隙含量的指标孔隙比孔隙率(孔隙度).其它常用的物理性质指标关系:在某种程度上反映土的松密砂类土：28-35%粘性土：30-50%有的可达60-70%定义:土中孔隙体积与固体颗粒体积之比,无量纲表达式:WaterAirSolidVaVwVsVvV体积定义:土中孔隙体积与总体积之比,用百分数表示表达式:Vs=1Vv=eV=1+eWat

15、erAirSolid体积三相草图可用于确定物性指标之间的关系一.物理性质指标1.3 土的物理状态1 土的物性与分类第41页/共91页42v表示土中含水程度的指标含水量饱和度WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积表达式:定义:土中水的体积与孔隙体积的比值饱和度表示孔隙中充满水的程度Sr=0 :干土Sr=1 :饱和土一.物理性质指标1.3 土的物理状态1 土的物性与分类第42页/共91页43v表示土的密度和容重的指标天然密度干密度饱和密度天然容重干容重浮容重浮密度有效容重饱和容重WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积单位:kg/m3

16、或 g/cm3单位:kN/m3 定义:土被完全烘干时的密度,等于 单位体积内土粒的质量表达式:一.物理性质指标1.3 土的物理状态1 土的物性与分类第43页/共91页44各种密度容重之间的大小关系：天然密度干密度饱和密度天然容重干容重浮容重饱和容重WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积一.物理性质指标1.3 土的物理状态1 土的物性与分类第44页/共91页45常用的物理性质指标间的换算关系教科书 P18 表1-5要点从物理意义上理解指标间的关系不鼓励死记硬背必要时利用三相草图推导一.物理性质指标1.3 土的物理状态1 土的物性与分类第45页/共91页46小结物理

17、性质指标土的三个组成相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: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、联系与区别定义基本方法:三相草图法室内测定的三个物理性质指标土的密度、土粒的比重、土的含水量三相草图有助于直观理解物性指标的概念其它常用的物理性质指标v表示土中孔隙含量的指标v表示土中含水程度的指标v表示土的密度和容重的指标三相草图可用于确定物性指标之间的关系三相草图法是求取物理性质指标的简单而有效的方法一.物理性质指标1.3 土的物理状态1 土的物性与分类第46页/共91页47二.土的物理状态指标土的物理状态粗粒土的松密程度粘性土的

18、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1.3 土的物理状态1 土的物性与分类第47页/共91页48emax与emin：最大与最小孔隙比1.粗粒土的密实状态二.物理状态指标密实度如何衡量?单位体积中固体颗粒含量的多少 或 孔隙含量的多少优点：简单方便缺点：不能反映级配的影响 只能用于同一种土对策相对密度干容重d或孔隙比e或孔隙率nemin=0.35emin=0.201.3 土的物理状态1 土的物性与分类第48页/共91页49emax: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

19、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二.物理状态指标1.3 土的物理状态1 土的物性与分类第49页/共91页50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 ,密实状态相对密度二.物理状态指标1.3 土的物理状态1 土的物性与分类第50页/共91页512.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二.物理状态指标1.3 土的物理状态1 土的物性

20、与分类第51页/共91页52塑限wp液限wl稠度界限粘性土的稠度反映土中水的形态固态或半固态塑态 流态 强结合水膜最大出现自由水强结合水弱结合水自由水稠度状态含水量土中水的形态w二.物理状态指标1.3 土的物理状态1 土的物性与分类土颗粒强结合水弱结合水土颗粒强结合水土颗粒自由水弱结合水强结合水吸附弱结合水的能力塑性指数第52页/共91页53相对稠度问题：仅适用于重塑土即使含水量相同，稠度可能不同液性指数对不同的粘土，wp、wl 大小不同定义：wpwwlIL1坚硬状态可塑状态流 态0.00 0.250.25-0.750.75 1.00硬塑可塑软塑二.物理状态指标1.3 土的物理状态1 土的物性

21、与分类对同一种粘土，含水量可反映其稠度问题：第53页/共91页54吸附弱结合水的能力；大致反映粘土颗粒含量、粘性大小塑性指数常作为细粒土工程分类的依据缺点不能充分反映粘土颗粒含量 不同的粘土矿物结合水的能力不同活性指数p0.002:粒径小于0.002mm颗粒的质量占总土总质量的百分比A 1.25非活性粘土正常粘土活性粘土二.物理状态指标1.3 土的物理状态1 土的物性与分类第54页/共91页55粗粒土的密实状态指标:相对密度Dr 小结粘性土的稠度状态指标:液性指数IL引入定义判别标准稠度界限稠度状态含水量土中水的形态塑性指数液性指数引入定义判别标准二.物理状态指标1.3 土的物理状态1 土的物

22、性与分类粗粒土与粘性土为何采用不同的物理状态指标？反映土的细观特点与力学特性有更直接的联系便于量测第55页/共91页561.1 土的形成1.2土的三相组成1.3土的物理状态1.4土的结构?1.5土的工程分类?1.6土的压实性 1 土的物性与分类第56页/共91页57土颗粒或粒团的空间排列和相互联结1.4 土的结构土粒间的作用力粘性土的结构性指标力学特性土的结构影响粗粒土的结构细粒土的结构重塑土的强度原状土的强度16粘性土不灵敏低灵敏中等灵敏灵敏很灵敏流动原状土的无侧限抗压强度重塑土的无侧限抗压强度1.4 土的结构1 土的物性与分类第61页/共91页62含水量不变，密度不变，因重塑而强度降低，又

23、因静置而逐渐强化，强度逐渐恢复的现象，称为触变性。土的触变性是土结构中联结形态发生变化引起的，是土结构随时间变化的宏观表现。目前尚没有合理的描述土触变性的方法和指标。2.粘性土的触变性 1.4 土的结构1 土的物性与分类第62页/共91页63小结土颗粒或粒团的空间排列和相互联结土粒间的作用力粘性土的结构性指标土的结构粗粒土的结构细粒土的结构1.4 土的结构1 土的物性与分类第63页/共91页641.1 土的形成1.2土的三相组成1.3土的物理状态1.4土的结构1.5土的工程分类?1.6土的压实性 1 土的物性与分类第64页/共91页65目的：依据：建筑地基基础设计规范-GB50007-2002

24、分类法 水利部SL237-001-1999分类法1.5 土的工程分类是将工程性质相近的土归为一类便于研究、交流及应用能反映土的物理力学性质土的组成土的状态土的结构1 土的物性与分类第65页/共91页66建筑地基基础设计规范-GB50007-2002分类法 土岩石碎石土砂土粉土粘性土人工填土1.5 土的工程分类1 土的物性与分类第66页/共91页67建筑规范分类法 碎石土土的名称 颗粒形状 粒组含量漂石块石圆形及亚圆形为主棱角形为主粒径大于200mm的颗粒超过全质量50%卵石碎石圆形及亚圆形为主棱角形为主圆形及亚圆形为主棱角形为主圆砾角砾粒径大于20mm的颗粒超过全质量50%粒径大于2mm的颗粒

25、超过全质量50%1.5 土的工程分类1 土的物性与分类第67页/共91页68砂土土的名称 粒组含量粒径大于2mm的颗粒占全质量25-50%砾砂粗砂中砂细砂粉砂粒径大于0.5mm的颗粒超过全质量50%粒径大于0.25mm的颗粒超过全质量50%粒径大于0.075mm的颗粒超过全质量85%粒径大于0.075mm的颗粒超过全质量50%建筑规范分类法 1.5 土的工程分类1 土的物性与分类第68页/共91页69粉土粒径大于0.075mm的颗粒含量小于全质量50%而塑性指数Ip10的土塑性指数Ip10的土粘性土1017的土粘土粉质粘土A 1.25非活性粘土正常粘土活性粘土建筑规范分类法 1.5 土的工程分

26、类1 土的物性与分类第69页/共91页70水利部SL237-001-1999分类法自学:教科书P26P29 参考资料1.5 土的工程分类1 土的物性与分类第70页/共91页711.1 土的形成1.2土的三相组成1.3土的物理状态1.4土的结构1.5土的工程分类1.6土的压实性 1 土的物性与分类第71页/共91页72压实：指通过夯打、振动、碾压等，使土体变得密实、以提高土的强度、减小土的压缩性和渗透性压实性：指土在一定压实能量作用下密度增长的特性研究击实性的目的：以最小的能量消耗获得最大的压实密度 击实方法：室内击实试验现场试验:夯打、振动、碾压1.6 土的压实性1 土的物性与分类第72页/共

27、91页73一.室内击实试验 二.细粒土的压实性 三.粗粒土的压实性 1.6 土的压实性1 土的物性与分类第73页/共91页74一.室内击实试验 试验设备 击实筒V=1000cm3；击实锤w=25牛顿 试验条件 土样分层n=3层；落高d=30cm；击数N=27/层 击实能量 试验方法 对=cosnst的土；分三层压实；测定击实后的、，算定d 注意：仅适用于细粒土；对粗粒土，可用较大尺寸的击实仪土1.6 土的压实性1 土的物性与分类第74页/共91页75二.细粒土的压实性 1.击实曲线2.理论分析 3.影响因素4.压实标准1.6 土的压实性1 土的物性与分类第75页/共91页761.击实曲线 特点

28、：具有峰值位于饱和曲线之下 粘性土渗透系数很小，压实过程中含水量几乎不变，要想击实到饱和状态是不可能的。0 4 8 12 16 20 24 28含水量w(%)2.01.81.61.4干密度d(g/cm3)饱和曲线dmax=1.86wop=12.1二.细粒土的压实性 最大干密度最优含水量1.6 土的压实性1 土的物性与分类第76页/共91页772.理论分析 压实机理：颗粒被击碎，土粒定向排列;粒团破碎，粒间联结力被破坏而发生孔隙体积减小;空气被挤出或被压缩等水膜润滑作用效果最佳;尚没有形成封闭气泡，气体易于排出;颗粒表面水膜很薄，相对移动困难 水膜润滑作用不明显;封闭气泡难以排出;增加水的相对含

29、量 op,d dmax op,d op,d9598%级土石坝 Dc9295%二.细粒土的压实性 1.6 土的压实性1 土的物性与分类第79页/共91页80不存在最优含水量；在完全风干和饱和两种状态 下易于击实；潮湿状态下d明显降低。三.粗粒土的压实性 1.击实曲线特点20%粗砂 =45%中砂 =7%；时，干密度最小 2.理论分析 对粗粒土，击实过程中可以自由排水，不存在细粒土中出现的现象。在潮湿状态下，存在着假凝聚力，加大了阻力。3.压实标准 常用相对密度控制 Dr0.70.75 施工过程中要么风干，要么就充分洒水，使土料饱和 1.6 土的压实性1 土的物性与分类第80页/共91页81小结一.

30、室内击实试验 二.细粒土的压实性 三.粗粒土的压实性 1.击实曲线2.理论分析 3.影响因素4.压实标准1.击实曲线2.理论分析 3.压实标准1.6 土的压实性1 土的物性与分类第81页/共91页82第一章完第82页/共91页831.1 土的形成1.2土的三相组成1.3土的物理状态1.4土的结构1.5土的工程分类1.6土的压实性 1 土的物性与分类第83页/共91页841 土的物性与分类1.1 土的形成物理风化化学风化量变无粘性土原生矿物质变粘性土次生矿物残积土无搬运运积土有搬运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重力:坡积土流水:洪积土、冲积土、湖相土、海相土冰川:冰积土风力：

31、风积土第84页/共91页851.2土的三相组成1 土的物性与分类 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)自由气体封闭气体第85页/共91页861.3 土的物理状态物理性质指标土的三个组成相的体积和质量上的比例关系松密程度干湿程度轻重程度定义基本方法:三相草图法室内测定的三个物理性质指标土的密度、土粒的比重、土的含水量其它常用的物理性质指标v表示土中孔隙含量的指标v表示土中含水程度的指标v表示土的密度和容重的指标粗粒土的密实状态指标:相对密度Dr 粘性土的稠度状态指标:液性指数I

32、L引入定义判别标准稠度界限稠度状态含水量土中水的形态塑性指数液性指数引入定义判别标准土的物理状态粗粒土的松密状态粘性土的软硬状态表示1 土的物性与分类第86页/共91页871.4 土的结构1 土的物性与分类土颗粒或粒团的空间排列和相互联结土粒间的作用力粘性土的结构性指标土的结构粗粒土的结构细粒土的结构第87页/共91页881.5 土的工程分类1 土的物性与分类目的：依据：建筑地基基础设计规范-GB50007-2002分类法 水利部SL237-001-1999分类法便于研究、交流及应用能反映土的物理力学性质土的组成土的状态土的结构碎石土砂土粉土粘性土第88页/共91页891.6 土的压实性一.室内击实试验 二.细粒土的压实性 三.粗粒土的压实性 1.击实曲线2.理论分析 3.影响因素4.压实标准1.击实曲线2.理论分析 3.压实标准1 土的物性与分类第89页/共91页90作业1-11-2（W1改为Vv1），1-31-4（假定两种土的活性指数相同）1-5，1-6，1-8，1-91-10（按建筑规范，乙土Ip8）补：简述细粒土击实曲线的特点以及不同含水量范围内击实土的力学特性。本课程中所有计算均可取g=10m/s2第90页/共91页91感谢您的观看。第91页/共91页