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1、第1章 土的物理性质及工程分类,上海大学 土木工程系 2007.9,第一章 土的物理性质指标与工程分类,1-1 土的形成,土是松散颗粒的堆积物，是岩石风化的产物（人工破碎；堆石坝的坝壳料；相当于物理风化）。 土是指覆盖在地表的没有胶结或弱胶结的颗粒堆积物。 根据来源分：有机土和无机土岩石风化分为物理风化和化学风化。物理风化：岩石经受风、霜、雨、雪的侵蚀，或受波浪的冲击、地震等引起各种力的作用，温度的变化、冻胀等因素使整体岩石产生裂隙、崩解碎裂成岩块、岩屑的过程。,1.1 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,影响,化学
2、风化：岩体（或岩块、岩屑）与氧气、二氧化碳等各种气体、水和各种水溶液等物质相接触，经氧化、碳化和水化作用，使这些岩石或岩屑逐渐产生化学变化，分解为极细颗粒的过程。,特征： 物理风化：量变过程，形成的土颗粒较粗； 化学风化：质变过程，形成的土颗粒很细。,对一般的土而言，通常既经历过物理风化，又有化学风化，只不过哪种占优而已。,1-1 土的形成,土从其堆积或沉积的条件来看可分为：,残积土：岩石风化后仍留在原地的堆积物。 特点：湿热地带，粘土，深厚，松软，易变；寒冷地带，岩块或砂，物理风化，稳定。,1-1 土的形成,运积土：岩石风化后经流水、风和冰川以及人类活动等搬运离 开生成地点后再沉积下来的堆积
3、物。又分为冲积土、风积土、冰碛土和沼泽土等。 冲积土：由水流冲积而成；颗粒分选、浑圆光滑风积土：由风力带动土粒经过一段搬运距离后沉积下来的堆积物；没有层理、细砂或粉粒；黄土冰碛土：由冰川剥落、搬运形成的堆积物；不成层、从漂石到粘粒沼泽土：在沼泽地的沉积物；含有机质、压缩性高、强度低,1-1 土的形成,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,1-2 土的组成,1-2 土的组成,土是固体颗粒、水和空气的混合物，常称土为三相系。固相：土的颗粒、粒间胶结物；液相：土体孔隙中的水；气相：孔隙中的空气。,当土骨架的孔隙全部被水占满时，这种土称为饱和土； 当土骨架的孔隙仅
4、含空气时，就成为干土； 一般在地下水位以上地面以下一定深度内的土的孔隙中兼含空气和水，此时的土体属三相系，称为湿土。 根据土的粘性分： 粘性土：颗粒很细； 无粘性土：颗粒较粗，甚至很大。砂、碎石、甚 至堆石（直径几十cm甚至1m）,1-2 土的组成,不同类型的土,一、土的固相土的固相物质包括无机矿物颗粒和有机质，是构成土的骨架最基本的物质，称为土粒。对土粒应从其矿物成分、颗粒的大小和形状来描述。 （一）成土矿物：原生矿物，次生矿物原生矿物是指岩浆在冷凝过程中形成的矿物，如石英、长石、云母等。次生矿物是由原生矿物经过风化作用后形成的新矿物，如三氧化二铝、三氧化二铁、次生二氧化硅、粘土矿物以及碳酸
5、盐等。,1-2 土的组成,一、土的固相 （二）土粒的大小和土的级配 粒组：把工程性质相近的土粒合并为一组；某粒组的土粒含量定义为该粒组的土粒质量与干土总质量之比 土的级配：土中各种大小的粒组中土粒的相对含量。 我国GB 50021-94岩土工程勘察规范的粒组划分标准可参见表1-1。,1-2 土的组成,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,1-2 土的组成,（三）颗粒大小分析试验 测定土中各粒组颗粒质量所占该土总质量的百分数，确定粒径分布范围的试验称为土的颗粒大小分析试验。常用的方法：筛分法：粒径0.075mm密度计法：粒径0.075mm,1-2 土的组成,（三）颗粒大
6、小分析试验 1.筛分法 利用一套孔径由大到小的筛子，将按规定方法取得的一定质量的干试样放入一次叠好的筛中，置振筛机上充分振摇后，称出留在各级筛上的土粒的质量，按下式计算出小于某土粒粒径的土粒含量百分数X（）式中：mi，m分别为小于某粒径的土粒质量及试样总质量,1-2 土的组成,10 5.0 2.0 1.0 0.5 0.25 0.1,200g,10 16 18 24 22 38 72,小于某粒径之土质量百分数P（）,粒径(mm),P % 95 87 78 66 55 36,土的粒径级配累积曲线,水分法,1-2 土的组成,2.密度计法 利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同来确定小于某粒径的土粒含
7、量的方法。 通过密度计测定土水悬浊液的密度来确定。,1-2 土的组成,3.土的级配曲线,1-2 土的组成,1-1 颗粒分析试验曲线,(四)颗粒分析试验曲线的主要用途 按粒径分布曲线可求得： （1）土中各粒组的土粒含量，用于粗粒土的分类和大致评估土的工程性质； （2）某些特性粒径，用于建筑材料的选择和评价土级配的好坏。 根据某些特征粒径，可得到两个有用的指标，即不均匀系数Cu和曲率系数Cc，它们的定义为：（12）,1-2 土的组成,(13)式中：d10，d30和d60为粒径分布曲线上小于某粒径的土粒含量分别为10，30和60时所对应的粒径。d10称为有效粒径； d60称为限制粒径。,1-2 土的
8、组成,土的级配的好坏可由土中的土粒均匀程度和粒径分布曲线的形状来决定，而土粒的均匀程度和曲线的形状又可用不均匀系数和曲率系数来衡量。 Cu小，曲线陡； Cu大，易压密；Cc过大，台阶在d10d30间； Cc过小，台阶在d30d60间； 规范：纯净砾、砂，Cu=5，且Cc=13时，级配良好，否则，不良。,1-2 土的组成,二、土的液相 （一）吸着水强吸着水性质接近于固体，冰点很低，沸点较高，且不能传递压力。弱吸着水也称为薄膜水，不能传递压力，也不能在孔隙水中自由流动，但它可以因电场引力的作用从水膜厚的地方向水膜薄的地方转移。由于它的存在，使土具有塑性、粘性、影响土的压缩性和强度，并使土的透水性变
9、小。 吸着水厚度影响因素：成土矿物；阳离子浓度及化学性质(阳离子价低,厚; 阳离子浓度高,薄)。,1-2 土的组成,（二）自由水 离开土颗粒表面较远，不受土颗粒电分子引力作用，且可自由移动的水称为自由水。 （分为毛细管水和重力水）,1.毛细管水 土中存在许多大小不同的相互连通的弯曲孔道，由于水分子与土粒分子之间的附着力和水气界面上的表面张力，于是，将引起迫使相邻土粒相互积紧的压力，这个压力称为毛管水压力。,1-2 土的组成,2.重力水 在重力或水位差作用下能在土中流动的自由水称微重力水。具有溶解能力，能传递静水和动水压力，对土颗粒有浮力作用。当它在土孔隙中流动时，对所流经的土体施加渗流力（亦称
10、动水压力、渗透力），计算中应考虑其影响。,1-2 土的组成,三、土的气相 存在土中的气体分为两种基本类型：一种是与大气连通的气体；另一种是与大气不连通的以气泡形式存在的封闭气体。,1-2 土的组成,一、土的结构 （一）单粒结构,1-3 土的结构,一、土的结构 （二）蜂窝状结构,1-3 土的结构,二、土的结构 （三）絮状结构角、边与面接触时净引力最大，因此絮状结构的特征是土粒之间以角、边与面的接触或边与边的搭接形式为主。这种结构的土粒呈任意排列，具有较大的孔隙，其强度低，压缩性高，对扰动比较敏感。,1-3 土的结构,土的絮状结构,1-4 土的物理性质指标,可分为两类： 一类是必须通过试验测定的，
11、如含水率、密度和土粒比重，称为直接指标； 另一类是根据直接指标换算的，如孔隙比、孔隙率、饱和度等，称为间接指标。,土的三相图,一、试验直接测定的物理性质指标 （一）土的密度与重度 土的密度定义为单位体积土的质量，用表示，单位为Mg/m3(或g/cm3)。 表达式如下：（1-4）对于粘性土，土的密度常用环刀法测定。,1-4 土的物理性质指标,土的重度亦称为容重，定义为单位体积土的重量，用表示，单位为kN/m3。表达式如下：（1-5）式中：W土的重量，单位为kN；g重力加速度。,1-4 土的物理性质指标,（二）土粒比重Gs 土粒比重定义为土粒的质量（或重量）与同体积4时纯水的质量（或重量）之比（无
12、因次），其表达式为：（1-6）或（1-7）式中： 土粒的密度，即土粒单位体积的质量；4时纯水的密度，1.0g/cm34时纯水的重度。,1-4 土的物理性质指标,土粒比重在数值上等于土粒的密度,土粒比重常用比重瓶法测定，事先将比重瓶注满纯水，称瓶加水的质量。然后把烘干土若干克装入该空比重瓶内，再加纯水至满，称瓶加土加水的质量，按下式计算土粒比重：（1-8）式中：m1瓶+水的质量；m2瓶+土+水的质量；ms烘干土的质量；t C时蒸馏水的比重。,1-4 土的物理性质指标,m0 ms m1 m2空瓶质量 烘干土的质量 瓶+水的质量 瓶+土+水的质量m1+ms瓶+水（满）的质量+干土的质量；m1+ms-
13、m2与土粒体积相同的水的质量。,比重瓶法,（三）土的含水率w 土的含水率，曾称为含水量，定义为土中水的质量与土粒的质量之比，以百分数表示，其表达式为：（1-9）测定含水率常用的方法是烘干法，先称出天然土的质量，然后放在烘箱中，在100105常温下烘干，称得干土质量，按上式可算得。,1-4 土的物理性质指标,二、间接换算得物理性质指标 （一）土的孔隙比e 定义：土中孔隙的体积与土粒的体积之比，以小数表示，其表达式为：（1-10）（二）土的孔隙率n 定义：土中孔隙的体积与土的总体积之比，或单位体积内孔隙的体积，以百分数表示，其表达式为：（1-11）,1-4 土的物理性质指标,（三）土的饱和度Sr
14、定义：土中孔隙水的体积与孔隙体积之比，以百分数表示，其表达式为：（1-12）,1-4 土的物理性质指标,土的干重度：单位体积内土粒的重量，表达式为：（1-14） 土烘干，体积要减小，因而，土的干密度不等于烘干土的密度。土的干密度或干重度也是评定土密实程度的指标，干密度或干重度愈大表明土愈密实，反之愈疏松。,（四）干密度d与干重度d 土的干密度：单位体积内土粒的质量，表达式：（1-13）,1-4 土的物理性质指标,（五）饱和密度sat与饱和重度sat 饱和密度定义：土中孔隙完全被水充满土处于饱和状态时单位体积土的质量。表达式为：（1-15）,1-4 土的物理性质指标,在饱和状态下，单位体积土的重
15、量称为饱和重度，其表达式为：（1-16）,1-4 土的物理性质指标,（六）浮密度与浮重度（有效重度） 土在水下，受到水的浮力作用，其有效重量减小，因此提出了浮重度，即有效重度的概念，其表达式为：（1-17）,1-4 土的物理性质指标,与其相应，提出了浮密度的概念，土的浮密度是单位体积内的土粒质量与同体积水质量之差，其表达式为：（1-18）或 （1-19）从上述四种土的密度或重度的定义可知，同一土样各种密度或重度在数值上有如下关系：,1-4 土的物理性质指标,三、物理性质指标间的换算 常用的土的物理指标共有九个。已知其中任意三个，通过换算可以求出其余的六个。 （一）孔隙比与孔隙率的关系 设土体内土粒的体积为1，则 可知，孔隙的体积Vv为e，土体的体积V为（1e），于是有：（1-20）或 （1-21）,三相示意图（a）,1-4 土的物理性质指标,（二）干密度与湿密度和含水率的关系 设土体的体积V为1，则d = ms /V，土体内土粒的质量ms为d，由w= mw / ms水的质量mw为w d。于是，按式（14）的定义可得：或（1-22）,
