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土物理、水理、力学性质第1页第1页土物理性质、水理性质和力学性质第一节 土物理性质第二节 土水理性质第三节 土力学性质第2页第2页第一节 土物理性质 土物理性质就是研究三相质量与体积间互相百分比关系以及固、液两相互相作用表现出来性质。WaterAirSoilma=0mwmsmVaVwVsVvV质量体积第3页第3页第一节 土物理性质土物理性质指标，可分为两类：一类是必须通过试验测定，如含水量，密度和土粒比重；另一类是能够依据试验测定指标换算；如孔隙比，孔隙率和饱和度等。第4页第4页第一节 土物理性质土密度 定义：土密度是指土总质量m与总体积V之比，也即为土单位体积质量。表示式：单位：g/cm3 气气水水土粒土粒msmwmVsVwVVa质量质量m体积体积V土密度取决于土粒密度，孔隙体积大小和孔隙中水质量多少，它综合反应了土物质构成和结构特性。室内普通采用“环刀法”测定。砂土普通是.4 g/cm3；粉质砂土及粉质粘土.4 g/cm3；粘土为.4 g/cm3第5页第5页第一节 土物理性质土粒密度定义：土粒密度是指固体颗粒质量ms与其体积Vs之比；即土粒单位体积质量 表示式：单位：g/cm3 土粒密度仅与构成土粒矿物密度相关，而与土孔隙大小和含水多少无关。事实上是土中各种矿物密度加权平均值。砂土土粒密度普通为：2.65 g/cm3左右粉质砂土土粒密度普通为：2.68g/cm3粉质粘土土粒密度普通为：2.682.72g/cm3 粘土土粒密度普通为：2.7-2.75g/cm3 气气水水土粒土粒msmwmVsVwVVa质量质量m体积体积V第6页第6页第一节 土物理性质干密度 定义：土孔隙中完全没有水时密度，称干密度；是指土单位体积中土粒重量，即：固体颗粒质量与土总体积之比值。气气水水土粒土粒msmwmVsVwVVa质量质量m体积体积V表示式：单位：g/cm3 干密度反应了土孔隙性，因而可用以计算土孔隙率，它往往通过土密度及含水率计算得来，但也能够实测。土干密度普通常在1.41.7 g/cm3 在工程上常把干密度作为评估土体紧密程度原则，以控制填土工程施工质量。第7页第7页第一节 土物理性质饱和密度 定义:土孔隙完全被水充斥时密度称为饱和密度。即，土孔隙中所有充斥液态水时单位体积质量 气气水水土粒土粒msmwmVsVwVVa质量质量m体积体积V表示式:单位:g/cm3 土饱和密度常见值为1.82.30 g/cm3第8页第8页第一节 土物理性质 浮密度定义:土浮密度是土单位体积中土粒质量与同体积水质量之差.表示式:=(ms-vsw)/V单位:g/cm3 同一个土在体积不变条件下，它各种密度在数值上有下列关系：气气水水土粒土粒msmwmVsVwVVa质量质量m体积体积V第9页第9页第一节 土物理性质土含水性含水率（含水量）饱和度 定义:土含水性指土中含水情况，阐明土干湿程度 气气水水土粒土粒msmwmVsVwVVa质量质量m体积体积V第10页第10页第一节 土物理性质含水率 定义:土含水量定义为土中水质量与土粒质量之比，以百分数表示 表示式:气气水水土粒土粒msmwmVsVwVVa质量质量m体积体积V或土孔隙所有被普通液态水充斥时含水率称饱和含水率 天然状态下土含水率称土天然含水率。普通砂土天然含水率都不超出40%，以1030%最为常见；普通粘土大多在1080%之间，常见值2050%。第11页第11页第一节 土物理性质饱和度 定义:土中孔隙水体积与孔隙体积之比，以百分数表示 表示式:气气水水土粒土粒msmwmVsVwVVa质量质量m体积体积V或饱和度愈大，表明土中孔隙中充水愈多，它在0100%；干燥时Sr=0。孔隙所有为水充填时，Sr=100%。工程上Sr作为砂土湿度划分原则。Sr 80%饱和第12页第12页第一节 土物理性质孔隙性 孔隙率 砂土相对密度 气气水水土粒土粒msmwmVsVwVVa质量质量m体积体积V定义:孔隙性指土中孔隙大小，数量、形状、性 质以及连通情况。第13页第13页第一节 土物理性质孔隙率 与孔隙比定义:孔隙率是土孔隙体积与土体积之比，或单位体积土中孔隙体积，以百分数表示 表示式:定义:孔隙比是土中孔隙体积与土粒体积之比，以小数表示 表示式:气气水水土粒土粒msmwmVsVwVVa质量质量m体积体积V两者关系:孔隙比e是个主要物理性指标，能够用来评价天然土层密实程度。普通e1.0土是疏松无压缩性土。第14页第14页第一节 土物理性质砂土相对密度 定义式:计算式:Dr在工程上常应用于：（1）评价砂土地基允许承载力；（2）评价地震区砂体液化；（3）评价砂土强度稳定性。砂土按相对密度分类：疏松 中密密实第15页第15页第一节 土物理性质基本物理性质指标间互相关系 孔隙率与孔隙比:孔隙比与比重和干密度:饱和度与含水量，比重和孔隙比:干密度与湿密度和含水量:第16页第16页第二节 土水理性质粘性土稠度和塑性 稠度定义:指土体在各种不同湿度条件下，受外力作用后所具有活动程度。塑性:物体在外力作用下，可被塑成任何形态，而整体性不破坏；即不产生裂隙 固态或半固态固态或半固态塑限塑限P可塑状态可塑状态液限液限L流动状态流动状态0第17页第17页wVO半固态颗 粒水Vs+VaVs固态可塑态液态wswPwL阿特堡界线(Atterberg limit)第18页第18页粘 粒强结合水弱结合水自由水液 态可塑态固态或半固态第19页第19页稠度状态稠度状态固态或固态或半固态半固态塑态塑态 流态流态 土中水形态土中水形态强结合水强结合水弱结合水弱结合水自由水自由水w含水量含水量稠度界线稠度界线塑限塑限p强结合水膜最大强结合水膜最大液限液限l出现自由水出现自由水粘性土稠度反应土中水形态粘性土稠度反应土中水形态第20页第20页 液限和塑限测定办法：液限（Liquid Limit）：锥式（瓦氏）液限仪或碟式（卡式）液限仪塑限（Plastic Limit）：搓条法或液塑限联合测定仪 塑性指数反应粘性土可塑性大小。综合反应粘性土特性以及各类主要原因影响，因此可用于土分类及其性质评估。第21页第21页 液性指数反应粘性土软硬程度（稠度，潮湿程度）。固态或半固态可塑态液 态 重塑土和原状土状态状态液性指数液性指数坚硬坚硬硬塑硬塑可塑可塑软塑软塑流塑流塑IL00IL0.250.25IL0.750.75IL1IL1第22页第22页第二节 土水理性质触变性 当粘性土结构受扰动时，土强度减少。但静置一段时间，土强度又逐步增长，这种性质称为土触变性。这是由于土粒、离子和水分子体系随时间而趋于新平衡状态之故。土触变性是土结构中联土触变性是土结构中联结形态发生改变引起，结形态发生改变引起，是土结构随时间改变宏是土结构随时间改变宏观表现。观表现。当前尚没有合理描述土当前尚没有合理描述土触变性办法和指标。触变性办法和指标。第23页第23页结构强度恢复结构破坏结构未破坏触变性第24页第24页第二节 土水理性质粘性土胀缩性 膨胀性 收缩性 粘性土由于含水量增长而发生体积增大性能称膨胀性 由于土中水分蒸发而引起体积减少性能称收缩性 第25页第25页胀缩性 1膨胀率ep 惯用线膨胀率：2膨胀力 3膨胀含水率:4自由膨胀率:普通认为引起土体膨胀原因主要有下列几方面：粘粒水化作用、粘性表面双电层形成、扩散层增厚等因素。其膨胀大体分两个阶段：第一阶段：干粘粒表面吸附单层水分子；“晶层间膨胀”或“粒间膨胀”第二阶段：由于双电层形成，使粘 粒或晶层进一步推开。“渗入膨胀”第26页第26页收缩性 1体缩率 2线缩率 4收缩系数:作图求解3缩限:作图求解粘性土收缩性是由于水分蒸发引起。其收缩过程可分为两个阶段：第一阶段（AB）表示了土体积缩小与含水率减小成正比，呈直线关系；土之减小体积等于水分散失体积；第二阶段（BC）表示了土体积缩小与含水率减少呈曲线关系。土体积减少许小于失水体积，伴随含水率减少，土体积收缩愈来愈慢。第27页第27页粘性土崩解性 定义：粘性土由于浸水而发生崩解散体特性称崩解性 评价粘性土崩解性普通采用下列三个指标：1、崩解时间：一定体积土样完全崩解所需时间；2、崩解特性：土样在崩解过程各种现象，即出现崩解形式；3、崩解速度：土样在崩解过程中质量损失与原土样质量之比，和时间关系。崩解现象产生是由于土水化，使颗粒间连接削弱及部分胶结物溶解而引起崩解。是表征土抗水性指标。第28页第28页第三节 土力学性质力学性质土压缩性 土抗剪性 土击实性 压缩变形本质压缩性指标抗剪性本质抗剪强度与剪切定律击实特性压实本质第29页第29页n1 压缩试验n2 压缩系数第30页第30页3压缩指数(Cc)Cc=(e1-e2)/(lgp2lgp1)Cc越大，土压缩性越高。当Cc0.2时，属于低压缩性土；当Cc0.4时属于高压缩性土。压缩系数和压缩指数关系：Cc4压缩模量（Es）表示式：Es z/qz 单位：MpaEs是指在侧限条件下受压时压应力z与相应应变qz之比值；Es越大，表明在同一压力范围内土压缩变形越小，土压缩性越低。第31页第31页5载荷试验和变形模量 地基变形三个阶段：（1）压密变形阶段：弹性变形（2）剪切变形阶段：塑性变形 （3）完全破坏阶段：破坏变形 临界荷载 极限荷载 变形模量E0z/z E0：是指在无侧限条件下受压时，压应力与相应应变之比值；普通是用载荷试验结果绘制s-p关系曲线，以曲线中直线变形段，按弹性理论公式求得，即 E0（12）P/Sd 第32页第32页土变形模量与压缩模量关系 6前期固结压力和固结比 前期固结压力是指土层在过去历史上曾经受过最大固结压力，通惯用Pc来表示。前期固结压力也是反应土体压密程度及判别其固结状态一个指标。固结比（OCR）：前期固结应力与上覆土层自重应力之比值。当OCR不小于1 超固结土当OCR等于1 正常固结土当OCR小于1 欠固结土第33页第33页土抗剪性 土抗剪性本质：土是由固体颗粒构成，土粒间连结强度远远小于土粒本身强度，故在外力作用下，土粒之间发生相对错动，引起土中一部分相对于另一部分产生移动。研究土强度特性，就是研究土抗剪强度特性，简称抗剪性。土抗剪强度f：是指土体抵抗剪切破坏极限能力，其数值等于剪切破坏时滑动面上剪应力。剪切面（剪切带）：土体剪切破坏是沿某一面发生与剪切方向一致相对位移，这个面通常称为剪切面。第34页第34页抗剪强度和剪切定律 剪切定律：无粘性土：粘性土：+C库仑定律阐明：土抗剪强度由土内摩擦力 和内聚力c两部分构成。内摩擦力与剪切面上法向压力成正比，其比值为土内摩擦系数 。土抗剪强度指标：土内摩擦角和内聚力。直接剪切与三轴剪切第35页第35页抗剪强度指标确定总应力法有效应力法排水剪（慢剪）不排水剪（快剪）固结不排水剪（固结快剪）第36页第36页土击实性（压实性）压实：压实：指通过夯打、振动、碾压等，使指通过夯打、振动、碾压等，使土体变得密实、以提升土强度、减小土体变得密实、以提升土强度、减小土压缩性和渗入性土压缩性和渗入性压实性：压实性：指土在一定压实能量作用下密指土在一定压实能量作用下密度增长特性度增长特性研究击实性目的：研究击实性目的：以最小能量消耗取得最大压实以最小能量消耗取得最大压实密度，揭示击实作用下土干密度、含水率和击实功三密度，揭示击实作用下土干密度、含水率和击实功三者之间关系和基本规律。者之间关系和基本规律。击实办法：击实办法：室内击实试验现场试验:夯打、振动、碾压土土第37页第37页饱和线第38页第38页影响原因1.击实功效击实功效E2.土级配土级配 3.击实方式击实方式 扎实、辗压、振动；辗压对粘土比较适当扎实、辗压、振动；辗压对粘土比较适当 第39页第39页 压实原则压实原则a.粘性土存在最优含水量粘性土存在最优含水量op，在填土施工中应当将土料含，在填土施工中应当将土料含水量控制在水量控制在op左右，以期得到左右，以期得到dmax，通常取，通常取 b.工程上常采用压实度工程上常采用压实度K控制（作为填方密度控制原则）控制（作为填方密度控制原则）第40页第40页无粘性土压实性无粘性土压实性 击实曲线击实曲线20%20%特点特点不存在最优含水量；不存在最优含水量；在完全风干和饱和两种状态在完全风干和饱和两种状态 下易于击实；下易于击实；潮湿状态下潮湿状态下d d明显减少明显减少。压实原则压实原则 惯用相对密度控制惯用相对密度控制 Dr0.70.75Dr0.70.75 施工过程中要么风施工过程中要么风干，要么就充足洒水，干，要么就充足洒水，使土料饱和使土料饱和 第41页第41页
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