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1、1,第一章 土的物理性质及工程分类 Physical Characteristics and Engineering Classification of Soils,本章重点：第37节,概 述 土的三相组成与土的结构 土的三相比例指标 无粘性土的密实度 粘性土的物理特性 土的压实性 地基土的工程分类,主要内容,2,1.1 概 述,岩石,风化（物理、化学）作用,岩石破碎 化学成分改变,搬运沉积,大小、形状和成分都不相同的松散颗粒集合体（土）,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,土性取决于：,1.2土的三相组成及其结构 The Thr
2、ee-Phase Composition and Structure of soils,一、固体颗粒（固相） Solid Particle,矿物成分： 无机矿物（原生矿物、次生矿 物）， 有机质。 颗粒的形状：园块、片 粗细： 细，颗粒比表面积，颗粒与H2o 接触面积大， 颗粒间力,1 土粒的矿物成分和形状,4,粘土矿物颗粒的结晶结构和基本特性,粘土矿物的结晶结构主要是由两个基本单元组成的： 硅氧四面体； 氢氧化铝八面体。 矿物的层状结构主要有,高岭石：膨胀性压缩均较小。 蒙脱石：膨胀性、压缩均大。 伊利石：膨胀性、压缩性介于高 岭石和蒙脱石之间。,高岭石,伊利石,蒙脱石,5,2 土粒大小及粒
3、组划分,粒度： 粒组： 划分粒组方式,天然土是由大小不同的颗粒组成的，土粒的大小称为粒度,工程上常把大小相近的土粒合并为组，称为粒组,见表1-1,6,3粒度成分及其表示方法,通常以土中各个粒组的相对含量（即各粒组占土粒总量的百分数）来表示，称为土的颗粒级配。 1)表格法（见表1-2） 2)累计曲线法 （级配曲线） ： 不均匀系数Cu=d60/d10 ，曲率系数Cc=d302/(d10d60) Cu反映大小不同粒组的分布情况。Cu，土粒大小分布范围大，土的级配良好，Cu10级配良好的土；Cu5且Cc=13级配良好。,7,3)三角坐标法：表示三种粒组含量 h1+h2+h3=H取H=100%（道路、
4、水利工程常用）,8,4 粒度成分分析方法,试验方法,筛分法：适用于0.1mm(建筑工程0.075mm）d60mm,比重计法:适用于d0. 1mm (建筑工程0.075mm）,筛分法,9,比重计法,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量,10,二、土中的水 Water in soils,水按其所吸引力大小分为： 1、强结合水（吸着水）strong held water： 性质接近于固体，对土工程性质影 响较小，只有在105烘烤才能蒸发,土粒细，含量越大。 2、弱结合水（薄膜水）held water： 使土具有塑性，冻结温度-0.5-30。 3、 自由水 free wat
5、er ： 又可分为重力水gravity water ： 毛细水capillary water ：,11,三、土中气体 air in soils,1.非封闭气体：受外荷作用时被挤出土体外，对土的性质影响不大。,2.封闭气体：对土的性质有较大的影响，使土的渗透性减小，弹性增大和延长土体受力后变形达到稳定的历时。,有封闭气体的土，称为橡皮土，工程中决不允许。,对于淤泥和泥炭等有机质土，由于微生物的分解作用，在土中蓄积了某种可燃气体（如硫化氢、甲烷等），使土层在自重作用下长期得不到压密，而形成高压缩性土层。,12,1 粘土颗粒表面带电现象 电泳在直流电作用下粘土颗粒向 阳极移动的现象 电渗水分子则向阴
6、极移动的现象。 利用该原理发明了电渗法处理软土地基,四、粘土颗粒与水的相互作用,2 双电层与扩散层的概念 吸附层 扩散层 双电层土粒表面的负电荷和扩 散层合起来称为双电层,13,3 影响双电层厚度的因素 矿物成份：蒙脱石伊利石高岭石 水的PH值：PH带负电，双电层厚 溶液中阳离子价数及半径：价高，半径小则双 电层薄，土性也稳定。 注：利用离子交换可改善土的工 程性质 4 粘土颗粒间的相互作用力 粒间的排斥力： 粒间的吸引力：,14,五、土的结构 structure of soils,1.单粒结构：粗矿物颗粒在水或空气中在自重作用下沉落形成的单粒结构，其特点是土粒间存在点与点的接触。根据形成条件
7、不同，可分为疏松状态和密实状态。,15,2.蜂窝结构：颗粒间点与点接触，彼此之间引力大于重力，接触后，不再继续下沉，形成很多链环联结起来孔隙较大的蜂窝状结构。,3.絮状结构：细微粘粒大都呈针状或片状，质量极轻，在水中处于悬浮状态。凝聚成絮状物下沉，形成孔隙较大的絮状结构。,土的结构受扰动后强度降低,16,六、土的构造,1.层理构造：土粒在沉积过程中,由于不同阶段沉积的物质成分、颗粒大小或颜色不同,而沿竖向呈现出成层特征。,2.裂隙构造：土体被许多不连续的小裂隙所分割,在裂隙中常充填有各种盐类的沉淀物。,17,1.3 土的三相比例指标,土的三相图 Three phase skeletal,质量m
8、,体积V,一、反映土轻重程度的指标,1.土的天然密度：单位体积土的质量(g/cm3),一般 1.62.2gcm3,环刀法 蜡封法 灌砂法,土的密度 测定方法,ma=0,18,注：1)：干密度(g/cm3) dry density,重力密度(简称重度),天然重度=g 干重度 d=dg 饱和重度sat=satg 浮重度 =g,2:)：饱和密度(g/cm3) saturated density,3)：浮密度(g/cm3) 显然：satd,satd,19,2.土粒相对密度s（土粒比重）：无量纲 单位体积土颗粒质量与4纯水单位体积的质量之比,粘性土：s 2.72.75 砂性土：s 2.65 土中有机质含
9、量增加，土粒相对密度减小,比重瓶法,土的相对密度测定方法,s土粒密度，即土颗粒单位体积的质量(g/cm3),ma=0,20,二、反映土的松密程度的指标,1孔隙比void ratio e=vv/vs 2孔隙率porosity n=vv/v100% 三、反映土中含水程度的指标，Sr 1、土的含水率(含水量) water content 用烘干法测定 2土的饱和度 degree of saturation Sr =vw/v 100%,Sr=1 完全饱和 Sr 0.8饱和 Sr=0完全干燥,21,注： （1） 实验直接测定的指标为： ，ds(或s） （2） 各指标间关系可用三相草图法换算,不必死记 这
10、些换算公式,四、指标间的换算,22,【例1-1】已知某土样 =1700Kg/m3 ,ds=267 , =14% 求e、Sr及sat 【解】：用三相草图法，如图 令V=1 m3 则重量m= *V=1700kg 而=mm m=m+ms 解得ms=1490kg m=210gk Vs=ms/ds= 1.49/2.67= 0.558 m3 Vv = V-Vs =1-0.558=0.442 m3 V=m/= 210/1000 = 0.21 m3 在图中填各数 可得 e =VV / Vs=0.79 Sr= V/VV=0.47,五、例题分析,23,1-4 无粘性土的密实度 The compactness of
11、 none-cohesive soil,无粘性土主要包括砂类土和碎石土，而影响无粘性土工程性质的主要因素是密实度,1.孔隙比e （老规范）:没考虑级配因素,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。,24,2.由相对密实度Dr判断（公路规范用） relative density,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,优缺点？,25,3 据标
12、准贯入击数判断（新规范采用）,建筑地基基础设计规范： N30密实；15N30中密；10N15稍密； N10松散 桥涵规范见表1-4 4 碎石土密实度野外鉴别,标准贯入试验方法,锤重(63.5kg)落距(76cm) 入土中30cm 锤击数N,26,1.5 粘性土的物理特性,一粘性土的界限含水率 界限含水率：粘性土从一种状态变化到另一种状态的含水率 1液限WL土由塑性状态变到流态的分界含水量。如WL=28 表示土的液限含水量为28% 测定：用锥式液限仪，通常用联合测定法 2塑限WP土由半固态到塑态的分界含水量。如WP=12，表示土的塑限含水量为12%。 测定：搓条法或联合测定法。 3缩限WS,27
13、,液塑限联合测定仪,下沉深度为10mm(或17mm)所对应的含水量为液限;下沉深度为2mm处所对应的含水量为塑限。,28,29,二、粘性土的塑性指数Ip和液性指数Il,1塑性指数Ip plasticity index Ip=WLWp,讨论： 塑性指数表示粘土处在可塑状态时含水量的变化范围. Ip取决于： 颗粒细，土能吸附水量，Ip； 矿物成分，吸水能力，Ip，故蒙脱含量，则Ip； 水中离子成分和浓度,价高阳离子数，Ip。 粘性土的分类常用于Ip,2液性指数IL liquidity index,讨论： IL表示土的软硬程度, 用IL划分土的软硬状态，IL， 土软, IL=1流动状态。 没考虑土的
14、结构影响，在含水量相同时，原状土比 重塑土硬，故用IL判断重塑土合适，但对原状土偏于保守。,30,三、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,31,1.6 土的压实性,压实目的,32,一、土的击实试验,轻型击实试验适用于粒径小于5mm的土 重型击实试验适用于粒径小于40m
15、m的土,1 击实曲线(压实曲线) ：击实试验达到规定击数后测定土的干重度d 和含水量,改变含水量重复上述试验,并将结果以为横座标,干重度d为纵座标,绘制的曲线。,33,轻型击实试验适用于粒径小于5mm的土，击实筒容积为947cm3，击锤质量为2.5kg。把制备成一定含水量的土料分三层装入击实筒，每层土料用击锤均匀锤击25下，击锤落高为30.5cm,重型击实试验适用于粒径小于40mm的土，击实筒容积为2104cm3，击锤质量为4.5kg，击锤落高为45.7cm 。分五层击实，每层56击。根据击实后土样的密度和实测含水量计算相应的干密度,34,2.土的压实特性 1）压实曲线特点： (a)具有峰值：峰值点对应于最大干重度dmax和最优含水量op(最佳含水量)。 最优含水量:在一定压实能量下，使土最容易压实，并能达到最大干重度的含水量。 工程中常按opp2,(b)多数击实曲线op以左部分曲线较陡，以右则较缓且大致平行于饱和曲线 (c)击实曲线位于饱和曲线左下方不可能与饱和曲线有交点。,35,(
