第一章 土的物理性质及工程分类 土力学与基础工程.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一章 土的物理性质及工程分类,学习要求,1,）土的三相组成、颗粒级配和粒组划分,2,）掌握土的物理性质和物理状态指标的定义、物理概念、计算公式和单位。,3,）液、塑限概念及测定,4,）土的击实性,5,）了解土的工程分类依据与准确定名,1.1,土的三相组成,1.,固相,由无机矿物颗粒和有机质组成，而,矿物由原生矿物和次生矿物组成,2.,液相,土中水有表面结合水和自由水两种,形态。,3.,气相,土中气体可分为与大气连通的和不,连通的两类。与大气连通的气体对,土的工程性质影响不大，而与大气,不连通的密封气体对土的工程性质,影响较大。,土,固相,液相,气相,第一节土的组成与结构,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,土体三相组成示意图,土的三相比例不同，其性质不同,1.1.1,土的固相,土的固体颗粒构成图的骨架，其大小和形状、矿物成分以及大小搭配情况对土的物理力学性质有明显影响。,一、土的矿物成分,矿物成分取决于母岩的成分以及所经受的风化作用,原生矿物,：岩石经物理风化作用后破碎形成的矿物颗粒。例如：石英、云母、长石等,次生矿物,：岩石经化学风化作用所形成的矿物颗粒。,三类重要的次生矿物：高岭石、伊利石、蒙脱石,其中,：蒙脱石晶格最不稳定，亲水性最强，土中含量多时，土具有可塑性和高压缩性，强度低，渗透性小，具有较大的吸水膨胀和脱水收缩的特性,高岭石晶格稳定，亲水性最弱,砂粒与粘粒,二、土的颗粒特征,1.,土粒大小及粒组划分,对于大于,0.075 mm,的土粒常采用,筛分法,，,而对于小于,0.075mm,的土粒则采用,沉降分析法,。,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,粒组,。,2.,粒度成分分析方法,筛分法和沉降分析法,筛分法：,用一套孔径不同的筛子，按从上至下筛孔逐渐减小放置。将事先称过质量的烘干土样过筛，称出留在各筛上的土质量，然后计算其占总土粒质量的百分数,。,适用于粗粒土,(0.1mm),沉降分析法：,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,.,适用于细粒土,(10,，且,Cc,=1-3),的土，较粗颗粒间的孔隙被较细的颗粒所填充，因而土的密实度较好，相应的地基土的强度和稳定性也较好透水性和压缩性也较小，可用作堤坝或其它土建工程的填方土料。,颗粒级配学习的目的？,1,、作为实验室人员要会做颗粒级配试验；并能对数据正确处理和结论；,2,、作为项目管理人员要会根据试验结果做出正确的处理措施，确保工程按要求保质保量完成。,1.1.2,土中水,土中水是土的液体相组成部分。水对无粘性土的工程地质性质影响较小，但粘性土中水是控制其工程地质性质的重要因素，如粘性土的可塑性、压缩性及其抗剪性等，都直接或间接地与其含水量有关,2.2.2,土中水和气,土中水,自由水,结合水,强结合水,弱结合水,重力水,毛细水,结合水：受电分子吸引力作用吸附于土粒表面的土中水。,自由水：存在于土粒表面电场影响范围以外的土中水。,结晶水,结晶水：土粒矿物内部的水。,结合水,排列致密、定向性强,密度,1.2,-,2.4g/cm,3,冰点,-76,具有极大的粘滞性和固体的特性,温度高于,100,C,时可蒸发,强结合水,位于强结合水之外，电场引力作用范围之内,密度,1.0-1.7g/cm,3,冰点,-20-30,外力作用下可以移动,不因重力而移动，有粘滞性,弱结合水,矿物颗粒对水分子的静电引力作用,毛细水：,存在于地下水位以上透水层中的水。水和空气交界处表面张力作用而产生。,重力水：,存在于地下水位以下的透水土层中的水。当存在水头差时将产生流动。,土中毛细现象,毛细水,受到水与空气交界面处表面张力作用的自由水。,毛细升高与孔径成反比,重力水,是在重力和水位差作用下能在土中流动的自由水。它是土中其它类型水的来源。重力水具有融解能力，能传递静水和动水压力，并对土粒起浮力作用。,应当指出，水是土的一个重要组成部分。根据实用观点，一般认为它不承受剪力，但能承受压力和一定的吸力；同时，水的压缩性很小，在通常所遇到的压力范围内，它的压缩量可以忽略不计,五、土体中气体,(,气相,),土体中的气体是指存于土体空隙中未被水占据的部分,存在形式有两种：,自由气体,:,与大气相通,对土的性质影响不大,封闭气体,:,与大气隔绝,增大土体的弹性和压缩性,土体中气体,1.2,土的结构,土的结构是指土粒或粒团的排列方式及其粒间或粒团间连接的特征。通常土的结构可分为三种基本类型，即,单粒结构,、,蜂窝结构,和,絮状结构。,1.,单粒结构：,粗大颗粒在水或在空气中下沉而形成。全部由砂粒及更粗土粒组成的土都具有单粒结构。根据形成条件不同，可分为疏松状态和紧密状态,2.,蜂窝结构,：,主要由粉粒组成的土结构形式。粉粒在水中沉积时，基本以单个土粒下沉，当碰到已沉积的土粒时，由于彼此之间引力大于重力，土粒就停留在最初的接触点上不再继续下沉，形成土粒链，后者组成弓形结构，形成孔隙较大的蜂窝结构,蜂窝结构,3.,絮状结构,：,更细小的粘粒或胶粒，质量及轻，在水中处于悬浮状态。当悬液介质发生变化时，土粒表面的弱结合水厚度减薄，粘粒互相接近，凝聚成絮状物下沉，形成孔隙较大的絮状结构。,絮状结构,三种结构中密实的,单粒结构,土的工程性质最好，,蜂窝状,为其次，,絮状结构,土工程性质最差。后两种结构土，如果因振动其天然结构被破坏的话，强度很低，压缩性大。因此未经处理不能作为天然地基。,第二节 土的物理性质指标,土的三相比例指标,是其物理性质的反映，但与其力学性质质有内在联系，显然固相成分的比例越高，其压缩性越小，抗剪强度越大，承载力越高,三相比例指标反映了土的,干燥与潮湿、疏松与紧密,，是评价土的工程性质的最基本的物理性质指标，也是工程地质勘察报告中不可缺少的基本内容。,三相比例指标可分为两种，一种是,试验,指标（基本指标）；另一种是,换算,指标。,气,水,土粒,m,s,m,w,m,V,s,V,w,V,V,a,质量,m,体积,V,V,v,一、土的三相图,m,a,三相草图,已知关系五个,:,共有九个参数,:,V V,v,V,s,V,a,V,/,m,s,m,m,a,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,V,a,=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,气,水,土粒,m,s,m,w,m,V,s,V,w,V,V,a,质量,m,体积,V,V,v,m,a,1.,土的密度,土的容重,=,g,工程上更常用于计算土的自重应力,单位,:kg/m,3,或,g/cm,3,单位,:kN/m,3,一般范围,:1.60,2.20 g/cm,3,定义,:,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,:,三相草图有助于直观理解物性指标的概念,二、实测指标,-,土的密度、土粒的比重、土的含水量,气,水,土粒,m,s,m,w,m,V,s,V,w,V,V,a,质量,m,体积,V,V,v,m,a,土的密度,测定方法：,环刀法,环刀,气,水,土粒,m,s,m,w,m,V,s,V,w,V,V,a,质量,m,体积,V,2.,土粒相对密度,d,s,（土粒比重：,土粒质量与同体积的,4,时纯水的质量之比,土粒相对密度变化范围不大：细粒土（粘性土）一般,2.70,2.75,；砂土一般为,2.65,左右。土中有机质含量增加，土粒相对密度减小,测定方法：,通常用比重瓶法,(,pycnometric method,),m,a,气,水,土粒,m,s,m,w,m,V,s,V,w,V,V,a,质量,m,体积,V,3.,土的含水量,(,moisture content,),w,：,土中水的质量与土粒质量之比，以百分数表示,土的含水量是标志土含水程度的一个重要物理指标。天然土层含水量变化范围较大，与土的种类、埋藏条件及其所处的自然地理环境等有关。,测定方法：,通常用烘干法,(,oven drying method,),，亦可近似用酒精燃烧法,m,a,常用的物理性质指标间的换算关系,换算步骤,:,:,假设,V,s,=1(V=1,或,m,s,=1),并画出三相草图,;,:,解出各相物质成分的质量和体积,;,:,利用定义式导出所求的物理性质指标。,已知关系五个,:,共有九个参数,:,V V,v,V,s,V,a,V,/,m,s,m,m,a,m,物性指标是比例关系,:,可假设任一参数为,1,对于饱和土,V,a,=0,剩下两个独立变量,气,水,土粒,m,s,m,w,m,V,s,V,w,V,V,a,质量,m,体积,V,V,v,m,a,三,.,换算指标,1.,干密度,d,（干容重,d,）,定义：单位体积内土粒的质量或重量。,表达式：,2.,饱和密度,sat,（饱和容重,sat,）,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或重量。,表达式：,定义：单位体积内土粒质量与同体积水质量之差。,表达式：,3.,浮密度与浮容重,4.,土的孔隙比,e,：是土中孔隙体积与土粒体积之比，孔隙比用小数表示。即：,5.,土的孔隙率,n,：土中孔隙所占体积与总体积之比，孔隙率用百分数表示。即：,6,、饱和度,定义：土中水的体积与孔隙体积之比，用百分数表示。,公式：,单位：,%,物理意义：表示水在孔隙中充满的程度。,范围：,Sr=0-100%,工程应用：饱和度可以反映土的干湿程度，砂土根据饱和度,Sr,的指标值分为稍湿、很湿与饱和三种湿度状态，其划分标准见下表：,砂土湿度状态,稍湿,很湿,饱和,饱和度,S,r,（,%,）,S,r,50,5080,土的三相比例换算公式,第三节 土的物理状态指标,一 无黏性土的密实状态,1,孔隙比,e,孔隙比,e,可以用来表示砂土的密实度。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,2.,相对密实度,：,砂土的密实程度并不完全取决于天然孔隙比，而很大程度上取决于土的级配情况，相对密实度同时反映了孔隙比和级配的影响，以,D,r,表示,。,最小孔隙比是最紧密状态的孔隙比，用“,振击法,”测定。最大孔隙比是土处于最疏松状态时的孔隙比，用“,松砂器法,”测定。,密 实,中 密,松 散,D,r,0.67,0.33,D,r,0.67,D,r,2mm,的颗粒含量超过全重,50%,的土。,2,、,分类依据,：土的粒组含量及颗粒形状。,3,、,定名,：漂石或块石、卵石或碎石、圆砾或角砾。,4,、,工程性质,：根据骨架颗粒含量占总重的百分比，颗粒的排列，可挖性与可钻性分为密实、中密、稍密三等。,常见碎石土强度大、压缩性小、渗透性大，为良好地基。,土的名称,漂石,块石,卵石,碎石,圆砾,角砾,颗粒形状,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,圆形及亚圆形为主,棱角形为主,颗粒级配,粒径大于,200mm,的颗粒含量超过全重,50,粒径大于,20mm,的颗粒含量超过全重,50,粒径大于,2mm,的颗粒含量超过全重,50,注：,定名时应根据颗粒级配由大到小以最先符合者确定,碎石土的分类,三、砂土,1,、,定义,：粒径,d2mm,的颗粒含量不超过全重的,50%,，且粒径,d0.075mm,的颗粒超过全重,50%,的土。,2,、,密实度,：密实、中密、稍密、松散四状态。,3,、,工程性质,：砾砂、粗砂、中砂一般为良好地基；细砂、粉砂具体分析。,四、粉土,定义,：粒径,d0.075mm,的颗粒含量不超过全重,50%,，且,I,p,10,的土。,组成,：一般为砂粒、粉粒、粘粒的混合体。,分类,：根据粒径,d0.005mm,的颗粒含量是否超过全重,10%,，分为粘质粉土、砂质粉土。,密实度,：密实,(e0.75),、中密,(0.75e1,为松散状态，属软弱地基；饱和稍密粉土，地震时易产生液化，为不良地基。,五,.,粘性土（细粒土）,1.,定义,粒径大于,0.075mm,的颗粒含量不超过全重的,50%,，且塑性指数,I,L,10,时，称为粘性土。,2.,分类,按塑性指数的大小分为粘土和粉质粘土。塑性指数,I,p,10,为粘土；,10,I,p,17,为粉质粘土；,I,p,17,粘土。,3.,工程性质,粘性土的工程性质与其含水量大小密切相关。密实硬塑的粘性土为优良地基；疏松流塑状态的粘性土为软弱地基。,六、人工填土,1.,定义,人工填土是指由于人类活动而形成的堆积物。其成分复杂，均匀性差。,2.,分类,按人工填土的组成物质和堆积年代进行分类定名。,按人工填土的堆积年代分为：老填土和新填土。,老填土,凡粘性土填筑时间超过,10,年，粉土填筑时间超过,5,年的称为老填土。,新填土,粘性土填筑时间小于,10,年，粉土填筑时间少于,5,年的称为新填土。,按人工填土的组成和成因分为：素填土、杂填土、冲填土和压实填土四类。,3.,工程性质,通常人工填土的工程性质不良，强度低，压缩性大且不均匀。其中，压实填土相对较好。杂填土因成分复杂，平面与立面分布很不均匀、无规律，工程性质较差。,七、特殊土,自然界中还分布着许多具有特殊性质的土，如淤泥、淤泥质土、红土、黄土、膨胀土、冻土等。,1.,淤泥和淤泥质土：,天然含水量大于液限,(,w,w,L,),，天然孔隙比,e,1,5,的粘性土是淤泥，天然孔隙比,e,50%,，,I,p,=30,50,，,e,=1.1,1.7,，,Sr,0.85,。液限,w,L,45%,的土为次生红粘土。红粘土的工程性质：强度高压缩性低。,三、塑性图,一、引入的依据：,美国试验与材料协会（,ASTM,）的分类方法。,二、塑性图,以塑性指数为纵坐标，以液限为横坐标的，反映土的工程性质的关系图，称为塑性图。,三、基本原理（两条经验线）,A,线：,I,P,=0.73(W,L,-20),B,线：,W,L,-50%,I,P,W,L,10,20,30,40,50,60,70,80,90,100,A,线,B,线,黏土,粉土,低塑性,高塑性,