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1、土的物理性质及工程分类 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 土的物性及分类 土的生成 渗透特性 变形特性 强度特性 土的三相组成 土的物理状态 土的结构与构造 土的工程分类 决定 影 响 便于研究和应用 1 土的物性及分类 1.1 土的生成 1.2土的三相组成 1.3土的三相比例指标 1.4 土的物理状态指标 1.5土的结构与构造 1.6土的工程分类 1.1 土的生成 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 1 土的物性及分类 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
2、 生物风化 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 土的物性及分类 一. 风化 有 机 质 1.1土的生成 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 土的物性及分类 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土的生成 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
3、，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. 搬运与沉积 运积土 有搬运 风：风积土 1 土的物性及分类 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土的生成 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 第四纪沉积物：属于新生代，距今100多万年，尚未 胶结硬化 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 1 土的物性及分类 次要作用 一. 固体颗粒 物理状态 力学特性
4、颗粒级配 1 土的物性及分类1.2 土的三相组成 矿物成分 颗粒形状 1. 颗粒级配 一. 固体颗粒 1 土的物性及分类1.2土的三相组成 颗粒大小 各粒径成分 在土中占的 比例 狭义的颗粒级配 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 界限粒径 一. 固体颗粒 1 土的物性及分类1.2土的三相组成 颗粒级配 确定方法颗粒分析试验 筛分法：适用于粗粒土 ( 0.075 mm) 沉降分析法：适用于细粒土 (0.075 mm) 各粒组的相对含量，用质量百分数来表示 表述方法 颗粒级配累积曲线 1 土的物性及分类 一. 固体颗粒 1.2土的三相组成 一. 固体颗粒 1
5、土的物性及分类 10 5.0 2.0 1.0 0.5 0.25 0.075 200g 10 16 18 24 22 38 72 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 小于某粒径之土质量百分数P（） 10 5.0 1.0 0.5 0.10 0.05 0.01 0.005 0.001 粒径(mm) 1.2土的三相组成 P % 95 87 78 66 55 36 土的颗粒级配累积曲线 沉降分析法 粒径(mm)0.050.010.005 百分数P(%)2613.510 颗粒分析试验密度计法 1、依据 (stokes)定律： 当土粒在液体中靠自重下沉时 ，较大的颗粒下沉较快，
6、而较小 的颗粒下沉较慢。 一般认为，粒径为0.2-0.002mm 的颗粒，在液体中靠自重下沉时 作等速运动。 一、试验原理土粒在水中的沉降原理 2、Stokes公式土粒下降速度与直径的关系 式中： V土粒的沉降速度，cm/s； d土粒直径，mm；（等效直径） s土粒密度，g/cm3； w水的密度，g/cm3 ； 水的动力粘滞系数，10-6kPas； g重力加速度，cm/s2 “等效直径”是指土粒沉降速度与某一粒径的球形颗粒 的沉降速度相等，那么这球形颗粒的直径即为该土粒 的直径。 3、计算土粒粒径的公式 K粒径计算系数，与悬液温度和土粒比重有关；查 试验指导书附表2-1； L某一时间 t 内的
7、土粒沉降距离，依密度计读数由试 验室手册中查出。 具体试验步骤自学试验指导手册 一. 固体颗粒 1 土的物性及分类1.2土的三相组成 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 小于某粒径之土质量百分数（） 10 5.0 1.0 0.5 0.10 0.05 0.01 0.005 0.001 粒径(mm) 土的颗粒级配累积曲线 d60d50 d10 d30 d60d10d30CuCc 0.33 0.005 0.063662.41 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 / d 10
8、连续程度: Cc = d302 / (d60 d10 ) 曲率系数 不均匀系数 Cu 5,级配不均匀 粗细程度： 用d50 表示 一. 固体颗粒 1 土的物性及分类1.2土的三相组成 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 小于某粒径之土质量百分数（） 10 5.0 1.0 0.5 0.10 0.05 0.01 0.005 0.001 粒径(mm) 土的颗粒级配累积曲线 d60d10d30 曲线 d60d10d30CuCc L 0.33 0.005 0.081 66 3.98 M0.0632.41 R0.0300.545 斜率: 某粒径范围内颗粒的含量 陡相应粒组质量
9、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 较大颗粒缺少Cc 减小 较小颗粒缺少Cc 增大 C c = 1 3, 级配连续性好 颗粒级配 颗粒级配累积曲线及指标的用途： 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 Cc 1,级配不连续土 4）Cu和Cc用于判定砾类或砂类土的级配优劣： 如果 Cu 5且 C c = 1 3 ， 级配 良好的土； 如果 Cu 3 或 Cc 1g/cm3 冰点处于零下几十度 具有固体的特性 温度高于100C时可蒸发 强结合水 位
10、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 存在于地下水位以下透水层中 在重力作用下可在土中自由流动 存在于地下水位以上透水层中 在重力与表面张力作用下 可在土粒间空隙中自由移动 1 土的物性及分类1.2土的三相组成二. 土中水 1 土的物性及分类1.2土的三相组成 二. 土中水 土中毛细现象 上升高度: 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 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
11、土的物性及分类1.2土的三相组成 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 土的物性及分类1.2土的三相组成 作业 第33页 第6题 作业要求：独立完成，每章交一次，在该 章讲课结束后下次上课时交。 迟交或不认真完成者在平时成绩中扣分 1 土的物性及分类 1.1 土的生成 1.2土的三相组成 1.3土的三相比例指标 ？ 1.4土的物理状态指标 ?1.5土的结构与构造 ?1.6土的工程分类 1.3 土的三相比例指标 土的物理状态
12、无黏性土的松密程度 黏性土的软硬状态 1 土的物性及分类 土的三相比例指标 (三相间的比例关系) 力学特 性 影响 表 示 三相比例指标物理性质指标 土的三个组成相的体积 和质量上的比例关系 1 土的物性及分类 1.3 土的三相比例指标 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 Water Air Soil Va Vw Vs Vv V ma=0 mw ms m 1 土的物性及分类 质量体积 1.3 土的三相比例指标 三相草图 1 土的物性及分类 Water Ai
13、r Soil Va Vw Vs Vv V ma=0 mw ms m 质量体积 已知关系五个: 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 试验室测定 推导 其它指标 是一种简单而实用的方法 1.3 土的三相比例指标 1 土的物性及分类 2.室内测定的三个物理性质指标 Water Air Soil Va Vw Vs Vv V ma=0 mw ms m 质量体积 -土的密度、土粒的比重、土的含水量 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
14、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 有时也称土的天然密度 1.3 土的三相比例指标 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 试验方法:环刀法 g取10 m/s2 1 土的物性及分类 Water Air Soil Va Vw Vs Vv V ma=0 mw ms m 质量体积 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 2.722.76 砂 土 2.65 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
15、的密度与4C时纯蒸馏水的密度的比值 1.3 土的三相比例指标 表达式: 试验测定方法：比重瓶法 1 土的物性及分类 Water Air Soil Va Vw Vs Vv V ma=0 mw ms m 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: 其实是含水比, 可达到或超过100 1.3 土的三相比例指标 表达式: 试验测定方法：烘干法 v表示土中孔隙含量的指标 孔隙比 孔隙率 (孔隙度) 1 土的物性及分类 . 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 土的三相比例指
16、标 定义: 土中孔隙体积与固体颗粒 体积之比, 无量纲 表达式: Water Air Soil Va Vw Vs Vv 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=1 Vv=e V=1+e Water Air Soil 体积 三相草图可用于确定物 性指标之间的关系 v表示土中含水程度的指标 1 土的物性及分类 含水率 饱和度 1.3 土的三相比例指标 Water Air Soil Va Vw Vs Vv V ma=0 mw ms m 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 土的物性及分类 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 土的三相比例指标 Water Air Soil Va Vw Vs Vv V ma=0 mw ms m 质量体积 单位: kg/m3 或 g/cm3 单位: 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: 各种密度重度之间的大小关系： 1
