土力学第3章

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1、主讲： 周凤玺 兰州理工大学土木工程学院,土 力 学,基 础 工 程 土木工程学院,第 3 章 土的物理性质 及工程分类,基 础 工 程 土木工程学院,土,固相,液相,气相,土中颗粒的大小、成分及三相之间的相互作用和比例关系，反映出土的不同性质,3-1 概述,掌握土的物理性质和物理状态指标的定义、物理概念、计算公式和单位。要求熟练地掌握物理指标的三相换算。了解地基土的工程分类依据与准确定名。,基 础 工 程 土木工程学院,3-2 土的三相比例关系,质量m,体积V,1、土的三相比例关系图,基 础 工 程 土木工程学院,2、指标的定义,三相比例指标反映了土的干燥与潮湿、疏松与紧密，是评价土的工程性

2、质的最基本的物理性质指标，也是工程地质勘察报告中不可缺少的基本内容。 三相比例指标可分为两种，一种是试验指标（基本指标）；另一种是换算指标（导出指标）。 三项基本指标：重度、比重ds、含水量w； 其它换算指标：孔隙比e、孔隙率n、饱和度Sr等,基 础 工 程 土木工程学院,定义：单位体积土的质量。,（1）土的重度,一、直接指标,工程中常用重度来表示单位体积土的重力。,重力加速度，近似取10m/s2,单位： kN/m3 范围： 1622 测定方法：环刀法。,基 础 工 程 土木工程学院,基 础 工 程 土木工程学院,定义：土粒密度与4时纯水的密度比值。,（2）土的土粒比重（土粒相对密度）,单位：

3、无量纲 换算公式： 范围： 测定方法：比重瓶法,基 础 工 程 土木工程学院,基 础 工 程 土木工程学院,比重瓶法原理,比重瓶法就是由称好质量的干土放入盛满水的比重瓶的前 后质量差异，来计算土粒的体积，从而进一步计算出土粒比 重。,式中：Gs土粒比重，计算精确至0.001； ms干土质量，g； m1瓶、水质量，可查瓶、水质量关系曲线（由实验室提供）； m2瓶、水、土质量，g； Gwtt时蒸馏水的比重，准确至0.001，查下表（不同温度时水的比重）。,基 础 工 程 土木工程学院,基 础 工 程 土木工程学院,定义：土中水的重量与土粒重量之比。,（3）含水量,单位： 无， % 常见值：砂土 w

4、=（040)%;粘性土w =（2060) 意义：表示湿度的物理指标，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：烘干法。,基 础 工 程 土木工程学院,基 础 工 程 土木工程学院,定义：单位体积土中固体颗粒的质量。,（1） 天然密度,单位： kN/m3 范围： 1.62.2,二、特殊条件下土的密度,基 础 工 程 土木工程学院,定义：单位体积土中固体颗粒的质量。,（2） 干密度,单位： kN/m3 范围： 1.41.7,基 础 工 程 土木工程学院,定义：土的孔隙中全部充满水时单位体积土的质量量。,（3） 饱和密度,单位： kN/m3 范围： 1.82.3,基 础 工 程

5、 土木工程学院,定义：地下水位以下，土体受水的浮力作用时，扣除 水的浮力后单位体积土的质量。,（4） 浮密度,单位： kN/m3 范围： 0.81.3,基 础 工 程 土木工程学院,土的三相比例指标中的质量密度指标共有4个，土的密度，饱和密度sat，干密度d，浮密度 (kg/m3),相应的重度指标也有4个，土的重度，饱和重度sat，干重度d，浮重度 (kN/m3),几种重度之间的内在联系,基 础 工 程 土木工程学院,定义：土中孔隙所占总体积之比，用百分数表示。 物理意义：表示土中孔隙大小的程度。,（1）土的孔隙率,三、换算指标,单位： % 范围：粘性土和粉土:(3060);砂土: (2545

6、)。,基 础 工 程 土木工程学院,定义：土中孔隙体积与土粒体积之比。,（2）土的孔隙比,基 础 工 程 土木工程学院,定义：土中水的体积与孔隙体积之比，用%表示。 物理意义：表示水在孔隙中充满的程度。,（3）土的饱和度,范围： Sr =01 工程应用：饱和度可以反映土的干湿程度，砂土根据饱和度Sr的指标值分为稍湿、很湿与饱和三种湿度状态，其划分标准见下表：,基 础 工 程 土木工程学院,质量m,体积V,土的三相指标中，土粒比重Gs ，含水量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,推导：,换算关系式：,四、指标间的换算,基 础 工 程 土木工程学院,例题分析,【例】某土样

7、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】,基 础 工 程 土木工程学院,所谓土的物理状态，对于无粘性土是指土的密实度；对于粘性土是指土的软硬程度或称粘性土的稠度。 粘性土的稠度 无粘性土（砂土）的密实度,土的物理状态指标,基 础 工 程 土木工程学院,砂土的密实度对其工程性质具有重要的影响。密实的砂土具有较高的强度和较低的压缩性，是良好的建筑物地基；但松散的砂土，尤其是饱和松散砂土，不仅强度低，且水稳定性很差，容易产生流砂、液化等工程事故

8、。对砂土评价的主要问题是正确地划分其密实度。 判别砂土的密实度有以下三种方法。,一、砂土的密实度,3-3 无粘性土的密实度,基 础 工 程 土木工程学院,评价：（1） 优点 简捷方便； （2） 缺点 无法反映土的粒径级配因素。,（1）用孔隙比e为标准,孔隙比e可以用来表示砂土的密实度。对于同一种土，当孔隙比小于某一限度时，处于密实状态。孔隙比愈大，土愈松散。,基 础 工 程 土木工程学院,评价： （1） 优点 理论上完善；（2） 缺点 实际上难以操作。,（2）用相对密实度Dr为标准,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

9、示土处于最疏松状态;当Dr=1.0时， e=emax，表示土体处于最密实状态,Dr1/3,疏松状态,1/3Dr2/3,中密状态,2/3Dr1,密实状态,基 础 工 程 土木工程学院,标准贯入试验(SPT)是动力触探的一种，它利用一定的锤击动能（锤重63.5kg，落距76cm），将一定规格的对开管式的贯入器打入钻孔孔底的士中，根据打入土中的贯阻抗，判别土层的工程性质。贯入阻抗用贯入器贯入土中30cm的锤击数N63.5表示， N63.5 也称为标贯击数。 该实验的的应用主要有评定砂土的相对密度、评定地基土承载力等。,（3）用标准贯入试验N为标准,基 础 工 程 土木工程学院,基 础 工 程 土木工

10、程学院,例题分析,【例】某砂土试样,试验测定土粒相对密度Gs=2.7,含水量=9.43%,天然密度=1.66/cm3。已知砂样最密实状态时称得干砂质量ms1=1.62kg,最疏松状态时称得干砂质量ms2=1.45kg。求此砂土的相对密度Dr,并判断砂土所处的密实状态,【解答】,砂土在天然状态下的孔隙比,砂土最小孔隙比,砂土最大孔隙比,相对密实度,（1/3,2/3,中密状态,基 础 工 程 土木工程学院,随着含水量的改变，粘性土将经历不同的物理状态。当含水量很大时，土是一种粘滞流动的液体即泥浆，称为流动状态；随着含水量逐渐减少，粘滞流动的特点渐渐消失而显示出塑性，称为可塑状态；当含水量继续减少时

11、，则发现土的可塑性逐渐消失，从可塑状态变为半固体状态。如果同时测定含水量减少过程中的体积变化，则可发现土的体积随着含水量的减少而减小，但当含水量很小的时候，土的体积却不再随含水量的减少而减小了，这种状态称为固体状态。,3-4 粘性土的物理特征,一、粘性土的稠度状态,基 础 工 程 土木工程学院,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。,0,固态或半固态,可塑状态,流动状态,塑限P,液限L,粘性土由某一种状态过渡到另一状态的界限含水量称为土的稠度界限。,液塑限测定根据土工试验规程(SL237-007-1999)规定，采用液塑限联合测定仪进行测定

12、。,基 础 工 程 土木工程学院,液塑限联合测定仪,下沉深度为2mm处所对应的含水量为塑限；下沉深度为10mm所对应的含水量为液限。,基 础 工 程 土木工程学院,定义：是指液限和塑限的差值（省去%号），即土处在可塑状态的含水量变化范围，用IP 表示。,二、粘性土的物理状态指标,（1）塑性指数,物理意义：塑性指数愈大，土处于可塑状态的含水量范围也愈大。塑性指数的大小与土中结合水的可能含量有关，土中结合水的含量与土的颗粒组成、矿物组成以及土中水的离子成分和浓度等因素有关。 工程应用：由于塑性指数在一定程度上综合反映了影响粘性土特征的各种重要因素，因此，在工程上常按塑性指数对粘性土进行分类。,基

13、础 工 程 土木工程学院,定义：是指粘性土的天然含水量与塑限的差值除以塑性指数，用IL 表示。,（2）液性指数,物理意义：液性指数有称相对稠度，反映了土的硬度不同。 工程应用：根据 IL不同，可划分五种软硬不同的状态。,基 础 工 程 土木工程学院,定义：粘性土的塑性指数与土中胶粒含量百分数的比值，用A表示。,（3）活动度,物理意义：反映粘性土中所含矿物的活动性,它也是衡量土中粘性矿物吸附结合水的能力。 非活性粘土 A1.25; 正常粘土 0.75A1.25 。,P0.002粒径0.002mm颗粒占总重量的百分比。,基 础 工 程 土木工程学院,定义：是指粘性土的原状土的无侧限抗压强度 与重塑土的无侧限抗压强度比值，用St 表示。,（1）灵敏度,物理意义： 反映了粘性土的 结构性的