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1、土的物理性质与工程分类,第一章,1.1 概述-土的形成 1.2 土的三相组成 1.3 土的三相比例指标 1.4 土的物理状态 1.5 土的分类标准及地基土的工程分类 1.6 土的压实性,目 录,1.1 概述土的形成,土的三相组成 土的物理状态 土的结构,便于研究和应用土的工程分类,土的压实性,土的形成影响,从而决定土的渗透特性；变形特性及强度特性,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,形成过程 形成条件,物理力学性质,影响,两个名词： 基岩 覆盖土,一、风化,生物风化,物理风化,化学风化,无粘性土,原生矿物,粘性土,次生矿物,有 机 质,二、搬运、剥蚀与沉积,残积土 无搬运,土质
2、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,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,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,1.2 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、颗粒大小粒组划分,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,2、土粒粒度分析-颗粒级配,颗粒大小
3、,各粒径成分在土中占的比例,颗粒级配 各粒组的相对含量，用质量百分数来表示,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),表述方法 颗粒级配累积曲线,10 5.0 2.0 1.0 0.5 0.25 0.1,200g,10 16 18 24 22 38 72,P % 95 87 78 66 55 36,水分法,特征粒径: d50 : 平均粒径 d60 : 限制粒径 d10 : 有效粒径 d30 ;中值粒径,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,
4、粗细程度： 用d50 表示,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,d10,d30,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,C c=1-3,级配连续性好,粒径级配判定,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Cc3 或Cc 1, 级配不良的土。,3、矿物成分,原生矿物 石英、长石、云母等 次生矿物 主要是粘土矿物，包括三种类型： 高岭石、伊里石、蒙脱石,粘土矿物 由硅片和铝
5、片构成的晶胞所组合而成,硅片的结构,铝片的结构,粘土矿物的晶格构造,高岭石,蒙脱石,伊利石,比表面积：单位质量土颗粒所拥有的总表面积,粘土矿物的带电性质,研究表明： 粘土颗粒的表面电荷，静电荷通常为负电荷,4、颗粒形状,次生矿物 针状、片状、扁平状,原生矿物 圆状、浑圆状、棱角状,结晶水 矿物内部的水 结合水 吸附在土颗粒表面的水 自由水 电场引力作用范围之外的水 土中冰 由自由水冻成，冻胀融陷,二、土中水（液相）,结合水,强结合水: 排列致密、定向性强 密度1g/cm3 冰点处于零下几十度 具有固体的的特性 温度高于100C时可蒸发,弱结合水: 位于强结合水之外，电场引力作用范围之内 外力作
6、用下可以移动 不因重力而移动，有粘滞性,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,土中毛细现象,上升高度:,r2hcw=2rTcos,毛细水,毛细升高与孔径成反比,分析对象: 水柱,粘土、粉土、砂土、砾石,对砂土强度的影响:毛细边角水, 假凝聚力,假定= 0, 毛细压力,2rTcos+ucr2 = 0,毛细压力,分析对象: 水膜,三、土中气体,自由气体： 与大气连通，对土的性质影响不大 封闭气体： 增加土的弹性；阻塞渗流通道,土颗粒或粒团的 空间排列和相互联结,四、土的结构和构造,力学特性,土的结构,重塑土的强度,原状
7、土的强度,土的构造,+,同一土层中物质成分、颗粒大小相近的各部分之间的相互关系的特征,影响,1、土粒间的作用力,重 力 毛细力 胶结力 颗粒表面力,土颗粒的自重形成的方向向下的力, 砂土, 土中毛细作用形成的力, 细砂、粉土, 土粒间的胶体物质产成的作用力, 粘土, 粘土, 库 仑 力：, 范德华力：,颗粒表面的静电引力或斥力,颗粒接触点处的分子间引力,-粗粒土的结构,粒间作用力,排列形式,矿物成分,单粒结构,示意图,重力，毛细力,点与点、点与面,原生矿物,2、土的结构,-细砂、粉粒土的结构,粒间作用力,排列形式,矿物成分,蜂窝结构,重力，表面力,蜂窝状,主要是原生矿物,-细粒土的结构,粒间作
8、用力,形成环境,排列形式,矿物成分,表面力、胶结力 （斥力减小引力增加）,示意图,表面力、胶结力 （粒间斥力占优势）,淡水中沉积,海水中沉积,次生矿物,次生矿物,天然条件下，可能是多种组合，或者由一种结构过渡向另一种结构。,面与面,边、角与面 边、角与边,絮状结构,3、土的构造类型,层理构造 裂隙构造,1.3 土的三相比例指标,土的物理性质指标(三相间的比例关系)。可以用来表示土的物理状态，包括：粗粒土的松密程度和粘性土的软硬状态，从而影响了土的 力学特性。,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,基本方法:,三相草图法,1、三相草图,质量,体积,已知关系五个:,共有九个参数
9、: V Vv Vs Va V / ms m ma m,剩下三个独立变量,物性指标是比例关系: 可假设任一参数为1,实验室测定,其它指标,2、室内测定的三个物理性质指标基本物理指标,土的密度,单位: kg/m3 或 g/cm3,一般范围: 1.602.20 g/cm3,土单位体积的质量,有时也称土的天然密度,表达式:,相关指标:土的容重（重度） =g 单位: kN/m3,环刀法测得,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 2.65 有机质、泥炭土较小,：4C时纯蒸馏水的密度,=1.0 g/cm3,土粒比重在数值上等于土
10、粒的密度,土粒的密度与4C时纯蒸馏水的密度的比值,表达式:,比重瓶法测得,土的含水量,土中水的质量与土粒质量之比, 用百分数表示,注: 含水量 可达到或超过100,表达式:,用烘干法测得,孔隙比,. 其它常用的物理性质指标导出指标,土中孔隙体积与固体颗粒体积之比, 无量纲,表达式:,关系:,孔隙率(孔隙度),土中孔隙体积与总体积之比, 用百分数表示,表达式:,Vs=1,Vv=e,V=1+e,饱和度,表达式:,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,天然密度,干密度,天然容重,干容重,单位: kg/m3 或 g/cm3,单位: kN/
11、m3,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:,浮容重,浮密度,有效容重,饱和密度,饱和容重,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,1.4 土的物理状态,土的物理性质指标(三相间的比例关系)。可以用来表示土的物理状态，包括：粗粒土的松密程度和粘性土的软硬状态，从而影响了土的 力学特性。,emax与emin ：最大与最小孔隙比,一、无粘性土的密实度,密实度,单位体积中固体颗粒含量的多少,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,2、相对密（实）度（砂土）,1、天然孔隙比e或孔隙率n (砂土),emax:
12、 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,砂土的密实状态指标 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,3、标准贯入锤击数N （砂土、碎石土）,4、碎石土密实度的野外鉴别,二、 粘性土的物理特征,1、稠度状态与界限含水量,塑限p,液限l,稠度界限,粘性土的
13、稠度反映土中水的形态,强结合水膜最大,出现自由水,（1）液性指数,不同的粘土，p、l 大小不同 对于不同的粘土，含水量相同，稠度可能不同,定义：,wp,w,wl,IL1,坚硬状态 可塑状态 流 态,0.00 0.25 0.25 - 0.75 0.75 1.00,硬塑 可塑 软塑,2、粘性土的可塑性及指标,粘性土在某含水量范围内，用外力塑成任何形状而不发生裂纹，外力移去后仍能保持既得形状。-可塑性,吸附结合水的能力；粘性大小；大致反映粘土颗粒含量,（2）塑性指数,常作为细粒土工程分类的依据,三、反映粘性土结构性的指标,1. 粘性土的结构性概念,原状土具有结构性，具有相同的含水量和密度， 经过粉碎
14、/重塑后，变为重塑土，强度降低。,2. 粘性土的灵敏度St,=,原状土的无侧限抗压强度,重塑土的无侧限抗压强度,含水量不变，密度不变，因重塑而强度降低，又因静置而逐渐强化，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。,3. 粘性土的触变性,4. 粘性土的胀缩性、湿陷性、冻胀性,目的：,依据：,建筑地基基础设计规范-GB50007分类法,水电部SD128-48分类法,1.5 土的工程分类,便于研究及应用,能反映土的物理力学性质,土的组成 土的状态 土的结构,公路土工试验规程JTJ051-9
15、3分类法,建筑地基基础设计规范-GB50007-2002分类法,地基土,岩石 碎石土 砂土 粉土 粘性土 人工填土,岩石分为硬质岩石和软质岩石（抗压强30MPa）,人工填土分为杂填土、冲填土、素填土,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的颗粒超过全质量50%,碎 石 土,砂 土,10Ip17的土,Ip17的土,粘土,粉质粘土,粉 土,粘 性 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,水电部SD128-48分类法,公路土工试验规程JTJ051-93分类法 工程地质分类法,自学内容：,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,一、室内击实试验,试验设备 击实筒V=1000cm3；击实锤w=2.5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=
