第一章.土的物理力学性质及分类

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1、土的物理性质及分类第一章对土的特点进行详细解释和定量描述本章特点: 看起来零散学习要点: 理清各节间联系各节内层次1 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1 土的物性与分类1.1 概述 1.2土的组成 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 1.1 概述土是岩石在风化作用下形成的大小悬殊的颗粒，经不同的 搬运方式，在各种自然环境中生成的没有粘结或弱粘结的 堆积物搬运、沉积1 土的物性与分类形成过程 形成条件物理力学 性质风化岩石地球土地球影响生物风

2、化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1 土的物性与分类一. 风化有 机 质1.1概述岩石和土的粗颗粒受各种气候因素的 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 新的矿物二. 搬运与沉积残积土 无搬运运积土 有搬运土 质 较 好1 土的物性与分类残积土 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1.1概述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2. 搬运与沉

3、积运积土 有搬运风：风积土1 土的物性与分类重力: 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1.1概述土粒粗细不同，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，层厚而不具层理土体物理力学性质的影响因素基本因素（重要因素）主要环境 因素土体的骨架土粒的大小 土粒的形状矿物成分土粒的排列 联结特征为最主要的决定因素地应力 附加应力 地下水 水化学场 温度场 电磁场1.2 土的组成气相固相液相+构成土骨架，起决定作用重要影响土体1 土的物性与分类次要作用一. 固体颗粒物理状态 力

4、学特性粒径级配1 土的物性与分类1.2土的组成矿物成分颗粒形状 1 土的物性与分类1.2土的组成土中固体颗粒(简称土粒)无机矿物颗粒 有机质颗粒原生矿物次生矿物原岩经物理风化(机械破碎 的过程)形成的,其物理化学 性质较稳定,其成分与母岩 完全相同。石英长石云母原生矿物经 化学风化（ 成分改变的 过程）后形 成的。1、粘土矿物：蒙脱石、伊利 石、高岭石。2、无定形氧化物胶体： Al2O3、Fe2O3。3、盐类：CaCO3、CaSO4 、NaCl微生物参与风化过程，在 土中产生有机质成分。腐殖质形成淤泥或淤泥质土有机残余物形成泥炭土粗大土粒原生矿物； 细小土粒次生原矿与有质物质。1. 粒径级配一

5、. 固体颗粒1 土的物性与分类1.2土的组成颗粒大小各粒径成分 在土中占的 比例狭义的粒径级配影响土性 的主因颗粒大小粒组： 按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类。即 界于一定粒度范围内的土粒。界限粒径：划分粒组的分界尺寸。一. 固体颗粒1 土的物性与分类1.2土的组成dmm卵石砾石砂粒粉粒粘粒胶粒6020.075 0.0050.0020.250.5520粗 中 细 粗 中 细 极细0.1 粗粒土细粒土巨粒土粒径级配确定方法 筛分法：适用于粗粒土 (0.075 mm)水分法：适用于细粒土 ( 3 或 Cc 3 或 Cc 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

6、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1 土的物性与分类1.2土的组成二. 土中水1 土的物性与分类1.2土的组成二. 土中水土中毛细现象 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1 土的物性与分类1.2土的组成二. 土中水对砂土强度的影响:毛细边角 水, 假凝聚力 假定= 0, 毛

7、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 土的物性与分类1.2土的组成土有三个组成部分：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 土的物性与分类1.2土的组成1 土的物性与分类 1.1 概述 1.2土的组成 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 1.3 土的物理状态土的物理状态 粗粒土的

8、松密程度 粘性土的软硬状态1 土的物性与分类土的物理性质指标 (三相间的比例关系)力学特 性影响表 示一. 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 土的物性与分类1.3 土的物理状态密实程度 干湿程度 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. 三相草图WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm1 土的物性与分类一. 物理性质指标质量体积1.3 土的物理状态三相草图1 土的物性与分类一. 物理性质指标WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积已知

9、关系五个:共有九个参数: V Vv Vs Va V / ms m 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1.3 土的物理状态1 土的物性与分类一. 物理性质指标2.室内测定的三个物理性质指标WaterAirSoilVaVwVsVv Vma=0mwmsm质量体积-土的密度、土粒的比重、土的含水率土的密度土的重度 =g工程上更常用, 用于计算土的自重应力单位: kg/m3 或 g/cm3单位: kN/m3 一般范围: 1.602.20 g/cm3定义: 土单位体积的质量有时也称土的

10、天然密度1.3 土的物理状态表达式:相关指标:三相草图有助于直观 理解物性指标的概念1 土的物性与分类一. 物理性质指标WaterAirSoilVaVwVsVv Vma=0mwmsm质量体积土粒比重(土粒相对密度)Gss: 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 2.722.75； 砂土 2.652.69;粉土 2.702.71；有机质土 2.402.50;泥炭 1.501.80.4C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1.3 土的物理状态表达式:1 土的物性与分类一. 物理性质指标Wa

11、terAirSoilVaVwVsVv Vma=0mwmsm质量体积土的含水率定义: 土中水的质量与土粒质量之比, 用百分数表示注意: 其实是含水率, 可达到或超过1001.3 土的物理状态表达式:一. 物理性质指标v表示土中孔隙含量的指标孔隙比孔隙率 (孔隙度)1 土的物性与分类. 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%1.3 土的物理状态定义: 土中孔隙体积与固体颗粒 体积之比, 无量纲表达式:WaterAirSoilVaVwVsVv V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=e

12、V=1+eWaterAirSoil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v表示土中含水程度的指标1 土的物性与分类含水率饱和度1.3 土的物理状态WaterAirSoilVaVwVsVv Vma=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1 土的物性与分类一. 物理性质指标v表示土中密度和重度的指标天然密度干密度饱和密度天然重度干重度浮重度有效重度饱和重度1.3 土的物理状态WaterAirSoilVaVwVsVv Vma=0mwmsm质量体积单位: kg/m3 或 g/cm3单位

13、: 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:定义: 孔隙中充满水时的单位体积 内土粒的质量.各种密度容重之间的大小关系：1 土的物性与分类一. 物理性质指标1.3 土的物理状态天然密度干密度饱和密度天然重度干重度浮重度饱和重度WaterAirSoilVaVwVsVv Vma=0mwmsm质量体积1 土的物性与分类一. 物理性质指标常用的物理性质指标间的换算关系1.3 土的物理状态教科书 P3435 表2-2；例题21，P35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1 土的物性与分类一. 物理性质指标小结1.3 土的物理状态物理

14、性质指标土的三个组成相的体积和质量上 的比例关系密实程度 干湿程度 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、土的含水率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表示土中密度和重度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1 土的物性与分类二.土的物理状态指标1.3 土的物理状态土的物理状态 粗粒土的松密程度 粘性土的软硬状态土的物理性

15、质指标 (三相间的比例关系)力学特 性影响表 示emax与emin ：最大与最小孔隙比1. 粗粒土(无粘性土)的密实状态1 土的物性与分类二. 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1.3 土的物理状态孔隙比e或孔隙率nemin = 0.35emin = 0.201 土的物性与分类二. 物理状态指标1.3 土的物理状态emax: 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 ：最大与最小孔隙比注意：室内测得理论上的最大与最小孔隙比有时很困难粗粒土(无粘性土)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 , 松散状态1/3 2/3 , 密实状态1 土的物性与分类二. 物理状态指标1.3 土的物理状态相对密度按天然孔隙比e划分砂土密实度(TJ7-74)密 实 中 密 稍 密 松 散 砾砂、粗砂、中砂