土力学第二章.pdf

第第2章章土的物理性质及工程分类土的物理性质及工程分类Chapter 2 Physical properties and engineering classification of soil2.1 概概 述述2.1 Introduction2.1.1 土由三相组成（土由三相组成（Three phases of soil）2.1.2 土的物理性质和力学性质土的物理性质和力学性质Index properties and mechanical properties of soil2.2 土的生成土的生成2.2 Formation of soil2.2.1 地质作用地质作用风化、搬运、沉积风化、搬运、沉积1.风化作用（风化作用（Weathering action）（1）物理风化（）物理风化（Physical weathering）原生矿物（原生矿物（Original mineral）（2）化学风化（）化学风化（Chemical weathering）次生矿物（次生矿物（Secondary mineral）（3）生物风化（）生物风化（Biological weathering）有机质（有机质（Organic matter）2.搬运作用（搬运作用（Transportation）3.沉积作用（沉积作用（Sedimentation）（1）陆相沉积（）陆相沉积（Terrestrial deposit）（2）海相沉积（）海相沉积（Marine deposit）2.2.2 从土的生成了解土的物理性质从土的生成了解土的物理性质Realize index properties of soil from soil formation1.不同生成条件形成不同性质的土不同生成条件形成不同性质的土Deferent formation condition result in soil with different properties沉积环境不同；应力历史不同；地域不同沉积环境不同；应力历史不同；地域不同冰川冰碛冰川冰碛湖湖 沼沼残积和坡积物残积和坡积物洪积平原洪积平原坡积物沙沙漠漠沙沙滩滩红粘土红粘土黄黄 土土块石块石卵石卵石2.由土的成层规律推断土的性质（图由土的成层规律推断土的性质（图2-1）Deduce soil properties from stratification of soil3.土的性质随环境条件的变化而变化土的性质随环境条件的变化而变化Soil properties changed with the change in environmental conditions土的三相（土的三相（Three phases of soil）（1）固相（）固相（Solid phase）土颗粒骨架（土颗粒骨架（skeleton of soil particles）（2）液相（）液相（Liquid phase）水（水（Water）（3）气相（）气相（Gaseous phase）空气（空气（Air）2.3 土的三相组成土的三相组成土的二相（土的二相（Two phases of soil）（1）饱和土（）饱和土（Saturated soil）土颗粒（土颗粒（Soil particle）+水（水（Water）（2）干土（）干土（Dry soil）土颗粒（土颗粒（Soil particle）+气（气（Air）2.3 土的三相组成土的三相组成1.土粒粒组（土粒粒组（Particle size group）（表表2-2）粒组粒组就是将性质相近的土粒归并成组。就是将性质相近的土粒归并成组。巨粒组（巨粒组（Huge grain group）：漂石（漂石（Boulder）、块石（）、块石（Block stone）卵石（卵石（Cobble，Pebble）、碎石（）、碎石（Rubble）粗粒组（粗粒组（Coarse grain group）：砾（砾（Gravel）；砂（；砂（Sand）细粒组（细粒组（Fine grain group）：粉粒（粉粒（Silt）;粘粒（粘粒（Clay）2.3.1 土的固相土的固相(Solid phase of soil)漂石砾石砂粉土粘土表表 2-1 土粒大小分组（土粒大小分组（Particle size grouping）粒组名称粒组名称粒径粒径d的的范围范围(mm)主主要要特特征征巨巨粒粒组组漂石、块石漂石、块石d 200无粘性，透水性大，不能保持水分，毛细管水上升无粘性，透水性大，不能保持水分，毛细管水上升高度小高度小卵石、碎石卵石、碎石200d60粗粗粒粒组组砾砾粗粗60d20中中20d5细细5d2砂砂粗粗2d0.5无粘性，无可塑性，易透水，毛细管水上升高度不无粘性，无可塑性，易透水，毛细管水上升高度不大大中中0.5d0.25细细0.25d0.075细细粒粒组组粉粉粒粒0.075d0.005湿润时微有可塑性或无可塑性，透水性很小，毛细湿润时微有可塑性或无可塑性，透水性很小，毛细管水上升高度较大，在水中的结构不稳定，易悬浮管水上升高度较大，在水中的结构不稳定，易悬浮粘粘粒粒d0.005有可塑性和粘性，透水性极微，毛细管水上升高度有可塑性和粘性，透水性极微，毛细管水上升高度大，遇水膨胀大，干时收缩性显著、坚硬大，遇水膨胀大，干时收缩性显著、坚硬2.土粒大小分析方法土粒大小分析方法Analysis methods of grain size（1）筛分（）筛分（Sieving）法）法 0.075 mm 的粗粒土（的粗粒土（Coarse-grained soil）（2）比重计（）比重计（Sedimentation）法）法 0.075 mm 的细粒土（的细粒土（Fine-grained soil）3.土粒的级配（土粒的级配（Grading）（1）土粒的）土粒的级配级配:土中各种粒组含量占该土总重量的百分数土中各种粒组含量占该土总重量的百分数（2）粒径分布曲线（）粒径分布曲线（Particle size distribution curve）级配级配曲线曲线（如图如图2-2）粒组范围及各粒组含量粒组范围及各粒组含量 粒径分布情况粒径分布情况不同孔径的筛不同孔径的筛比重计比重计（3 3）不均匀系数）不均匀系数Cu和曲率系数和曲率系数CcCoefficient of uniformity Cuand coefficient of curvatureCc（4 4）粗粒土级配良好的判定粗粒土级配良好的判定（Judgement of well graded for coarse-grained soil）级配良好（级配良好（Well graded）：）：同时满足同时满足Cu5及及Cc=13（如（如图图2-3中中B线）线）级配不良（级配不良（Poorly graded）：土粒大小均匀或粒径分布曲线不连续（如土粒大小均匀或粒径分布曲线不连续（如图图2-3中的中的A、C线）线）1060ddCu1060230dddCc(2-1)(2-2)图 2-3 几种土的粒径分布曲线10.10.014.颗粒的比表面积颗粒的比表面积（Specific surface area of particle）单位体积或质量颗粒的表面积，单位体积或质量颗粒的表面积，F，单位，单位m2/cm3或或m2/g5.颗粒的矿物成分（颗粒的矿物成分（Mineralogical composition）（1）原生矿物（）原生矿物（Original mineral）：长石、石英、云母等）：长石、石英、云母等（2）次生矿物（）次生矿物（Secondary mineral）难溶盐：难溶盐：CaCO3，MgO等等可溶盐：可溶盐：NaCl,CaSO4等等粘土矿物：蒙脱石，伊利石，高岭石等粘土矿物：蒙脱石，伊利石，高岭石等（3）有机质（）有机质（Organic matter）(b)Illite6.固体颗粒的特性（固体颗粒的特性（Properties of solid particle）（1）粘土颗粒的带电性（）粘土颗粒的带电性（Properties of electrification）颗粒表面的双电层（颗粒表面的双电层（图图2-8）Double electric layers on particle surface 影响双电层厚度的因素影响双电层厚度的因素Factors to affect thick of the Double electric layers负电荷的多少；溶液的负电荷的多少；溶液的PH值；阳离子的价数值；阳离子的价数（2）土的粘性和可塑性）土的粘性和可塑性Cohesion and plasticity of soil 粘性的产生粘性的产生Formation of Cohesion 触变性触变性（Thixotropy）可塑性可塑性（Plasticity）（3）收缩、膨胀与裂缝）收缩、膨胀与裂缝Shrinkage,Dilation and fissure1.结晶水结晶水(Crystal water)存在于矿物结晶构造中的水。存在于矿物结晶构造中的水。2.结合水结合水(Bound water)（见图（见图2-9）指吸附于土粒表面成薄膜状指吸附于土粒表面成薄膜状的水。的水。强结合水强结合水 Strong bound water 最靠近土颗粒表面固定层内近似最靠近土颗粒表面固定层内近似固体的一层水固体的一层水弱结合水弱结合水 Weak bound water受土颗粒表面的引力作用可以从受土颗粒表面的引力作用可以从水膜较厚的地方迁移到水膜较薄水膜较厚的地方迁移到水膜较薄的地方的一层水的地方的一层水2.3.2 土的液相（土的液相（Liquid phase）3.自由水（自由水（Free water）指在土粒表面引力作用范围以外的水指在土粒表面引力作用范围以外的水（1）重力水（）重力水（Gravity water）（2）毛细管水（）毛细管水（Capillary water）=湿润角湿润角T=界面张力界面张力d=毛管直径毛管直径 空空气气固体固体水水 lTd=2rua-uwua-uw=压力差压力差毛毛细细管管hc土中毛细现象土中毛细现象Capillary phenomenon in soilwcrThcos2上升高度上升高度(Rising height):):r2hcw=2rTcos毛细升高与孔径成反比毛细升高与孔径成反比粘土粘土(Clay)粉土粉土(Silt)砂土砂土(Sand)砾石砾石(Gravel)毛细压力毛细压力cwchu2rTcos+ucr2 =0非饱和土中毛细张力影响非饱和土中毛细张力影响2.3.3 土的气相土的气相（Gaseous phase）土中气体土中气体(Gases in soil)：与大气相通的（与大气相通的（Connected air）与大气不相通的（与大气不相通的（Occluded air）2.4 土的物理性质指标土的物理性质指标2.4 Index properties of soil2.4.1 直接测定指标（直接测定指标（Directly measured index）1.土的土的密度密度与与容重容重Bulk density and unit weight（1）密度定义及表达式）密度定义及表达式（2）容重定义及表达式）容重定义及表达式)(g/cm3VMMMVMaws)(kN/m3VWWWVWaws(2-3,a)(2-3,b)（3）容重和密度的关系）容重和密度的关系 W=M g =g=9.81 10 (kN/m3)（4）常见值及测定方法）常见值及测定方法2.土粒的土粒的比重比重（Specific gravity）（1）定义定义体积为体积为Vs的土粒的质量与同体积水的质量（在的土粒的质量与同体积水的质量（在4时的纯水）之比，称为土粒的时的纯水）之比，称为土粒的比重比重，用，用Gs表示。表示。（2）表达式）表达式（3）测定方法）测定方法比重瓶法（比重瓶法（Pyknometer method）wsswsssVWVMG(2-4)（4）常见值）常见值3.土的含水率土的含水率（Water content）（1）定义定义土中水的质量（重量）与土粒的质量（重量）之比，称土中水的质量（重量）与土粒的质量（重量）之比，称为土的相对含水量，简称土的为土的相对含水量，简称土的含水率含水率，用，用w表示，常表示，常以百分数计。以百分数计。（2）表达式）表达式（3）测定方法）测定方法烘干法烘干法（4）变化范围）变化范围%100swswWWMMw%100swssMMMMMw(2-5)2.4.2 换算指标（换算指标（Converted index）1.孔隙比与孔隙率孔隙比与孔隙率（1）孔隙比孔隙比（Void ratio）土中孔隙的体积与土粒体积之比土中孔隙的体积与土粒体积之比 称为称为孔隙比孔隙比，用，用e表示，表示，以小数计。以小数计。（2）孔隙率孔隙率（Porosity）土中孔隙体积占土的总体积的百分数，称土中孔隙体积占土的总体积的百分数，称孔隙率孔隙率，用，用n表表示。示。svVVe土粒体积孔隙体积%100VVnv土的总体积孔隙体积(2-6)(2-7,a)（3）孔隙比与孔隙率的换算关系（）孔隙比与孔隙率的换算关系（Conversion relationship）（4）孔隙比和孔隙率的物理意义和常见值）孔隙比和孔隙率的物理意义和常见值2.土的土的饱和度饱和度（Degree of saturation）饱和度饱和度定义为土中所含水分的体积与孔隙体积之比，表明孔定义为土中所含水分的体积与孔隙体积之比，表明孔隙被水充满的程度，用隙被水充满的程度，用Sr表示，以百分数计。表示，以百分数计。eeVVVVVVVVVnsvsvvsvv11(2-7,b)%100vwVVSr孔隙体积水的体积(2-8)砂土的湿度（砂土的湿度（Moisture content）按饱和度划分为三种状态）按饱和度划分为三种状态Sr50%稍湿稍湿50%Sr80%很湿很湿Sr80%饱和饱和3.根据直接测定指标求算根据直接测定指标求算 e 和和 Sr的方法的方法（1）三相图（）三相图（图图2-10）（2）基本质量、体积关系与三相图（）基本质量、体积关系与三相图（图图2-10（a）svsvVeVVVesswswsssVGMVMGwVGMwMMMwsswswswsswsswsswawsVGwwVGVGMMMM)1(0图图2-10 土的三相图土的三相图Phase diagrams of soilWaterAirSoil particleVaVwVsVvVMa=0MwMsM质量质量体积体积图图2-10（a）土的三相图土的三相图V0VeVVssG VG V w土粒水ss(1+w)Gssss体积（V）质量（M）空气wwwWaterAirSoil particleG01+ee1GG土粒水s(1+w)ssw体积（V）质量（M）空气图图2-10（b）简化的三相图简化的三相图（3）简化的三相图（图）简化的三相图（图2-10（b）当当Vs=1时时WaterAirSoil particlewww（4）由直接测定指标推导间接测定指标举例）由直接测定指标推导间接测定指标举例指标之间的换算公式见指标之间的换算公式见 P23 表表2-54.不同情况下土的密度与容重不同情况下土的密度与容重（1）干密度干密度与与干容重干容重（Dry density and dry unit weight）当土中无水时，土的密度（容重）当土中无水时，土的密度（容重）称为称为干密度干密度（容容重重），用），用d（d）表示。）表示。1)1(1wGMVVVVVeswsvsv%100/ewGeMVVSswwvwrVMsdVWsd(2-9)（2）饱和密度饱和密度与与饱和容重饱和容重Saturated density and saturated unit weight土中孔隙完全被水充满时的密度（容重）称为土中孔隙完全被水充满时的密度（容重）称为饱和密饱和密度度（容重容重），用），用sat（sat）表示表示。（3）浮密度浮密度与与浮容重浮容重Buoyant density and buoyant unit weight土被水淹没时的密度（容重）称为土被水淹没时的密度（容重）称为浮密度浮密度（容重容重），），用用（）表示。表示。VVMwvssatVVWwvssat(2-10)VVMwssVVWwss(2-11)（4）各种情况下土的密度之间的关系）各种情况下土的密度之间的关系dsat(2-12)2.5 土的结构及物理状态指标土的结构及物理状态指标2.5 Structure and physical state index of soil2.5.1 粗粒土的结构粗粒土的结构单粒结构单粒结构(Single grain)(图图2-13)疏松（疏松（Loose）状态和密实（）状态和密实（Dense）状态（图）状态（图2-14）图图2-13图图2-142.5.2 砂土的密实度砂土的密实度Compact degree of cohesionless soil1.砂土的密实状态及力学性质砂土的密实状态及力学性质Compaction state of cohesionless soil and its mechanical properties2.砂土密实度指标砂土密实度指标The index of compaction degree相对密实度相对密实度（Relative compaction）Dr大小大小 形状形状沉积条件沉积条件力学性质力学性质疏松疏松 细粒细粒 片状片状 静水，新近沉积静水，新近沉积结构不稳定结构不稳定密实密实 粗粒粗粒 其它其它 流水，年代较久流水，年代较久结构稳定、压缩变形小、强度结构稳定、压缩变形小、强度高高工程上判别砂土松密的标准：工程上判别砂土松密的标准：疏松（疏松（Loose）：）：Dr0.672.5.3 粘性土的结构粘性土的结构(Structures of cohesive soil)(图图2-15)蜂窝状（蜂窝状（Cellular）结构）结构絮凝型（絮凝型（Flocculated）结构）结构分散型（分散型（Dispersed）结构）结构minmaxmaxeeeeDr(2-13)图图2-152.5.4 粘性土的稠度粘性土的稠度(Consistency of cohesive soil)1.四种稠度状态四种稠度状态液态（液态（Liquid state）可塑态（可塑态（Plastic state）半固态（半固态（Semi-solid state）固态（固态（Solid state）（1）可塑性可塑性（Plasticity）（2）界限含水率（）界限含水率（Limit water content）液限液限（Liquid limit）wL 塑限塑限（Plastic limit）wP 缩限缩限（Shrinkage limit）wS（3）液塑限测定方法）液塑限测定方法 锥式液限仪锥式液限仪(Balance cone)(图图2-17)碟式液限仪碟式液限仪(Bowl-type liquid limit device)(图图2-18)滚搓法（滚搓法（kneading method）液塑限联合测定仪液塑限联合测定仪Liquid-plastic limit combined device图2-12圆锥仪法和碟式仪法的比较见圆锥仪法和碟式仪法的比较见P29表表2-6（4）塑性指数塑性指数（Plasticity index）IPPLPwwI(2-14)（5）塑性图（）塑性图（图图2-21）2.粘性土的稠度指标粘性土的稠度指标液性指数液性指数（Liquidity index）ILPPPLPLIwwwwwwI(2-15)图2-14图图2-21按液性指数粘性土的状态可分为：按液性指数粘性土的状态可分为：wwP，IL0 坚硬（坚硬（Solidity）wP w wL，0IL1.0 塑性状态（塑性状态（Plasticity）w wL，IL1.0 流塑（流塑（Flow plasticity）可细分为：可细分为：0IL0.25 硬塑（硬塑（Hard plasticity）0.25IL0.75 可塑（可塑（Medial Plasticity）0.75IL1.0 软塑（软塑（Soft plasticity）3.粘性土的收缩、膨胀和湿化粘性土的收缩、膨胀和湿化（图（图2-15）Contraction，Dilation and Humidification硬塑坚硬可塑软塑流塑0.2500.751.0图2-15wV 膨胀膨胀湿化（崩解湿化（崩解Collapse）强度（强度（Strength）wV 收缩（到缩限之前）收缩（到缩限之前）图图2-222.6 土的工程分类土的工程分类2.6 Engineering classification of soil2.6.1 分类的基本原则（自学）分类的基本原则（自学）Basic principle of classification2.6.2 分类指标的选择分类指标的选择Choice of classification index1.土的颗粒大小及其分布土的颗粒大小及其分布粗粒土粗粒土Particle size and its distribution2.土的塑性和液限土的塑性和液限细粒土细粒土Plasticity and Liquid limit3.有机质含量有机质含量（Organic matter content）无机土（无机土（Inorganic soil）不含有机质不含有机质有机质土（有机质土（Organic soil）有机质含量有机质含量=5 10泥炭质土泥炭质土有机质含量有机质含量=1060泥炭泥炭有机质含量有机质含量602.6.3 水利部水利部SL237-1999分类方法分类方法Classification method of the Ministry of Water Resources 巨粒土巨粒土(Huge grained soil)漂石漂石(Boulder)卵石卵石(Cobble)无机土无机土 粗粒土粗粒土(Coarse grained soil)砾类土砾类土(Gravelly soil)一一砂类土砂类土(Sandy soil)般般细粒土细粒土(Fine grained soil)粉质土粉质土(Silty soil)土土粘质土粘质土(Clayey soil)有机土有机土有机质含量有机质含量5 51.巨粒类土（巨粒类土（Huge grained soil）（表（表2-9）巨粒粒组含量大于总量巨粒粒组含量大于总量50%的土，称为巨粒土的土，称为巨粒土2.粗粒土粗粒土(Coarse grained soil)（表表2-10）粗粒组颗粒质量占土样总量的粗粒组颗粒质量占土样总量的50%以上的土。粗粒组中的砾以上的土。粗粒组中的砾组（组（260mm）超过）超过50%的为砾类；否则为砂类。的为砾类；否则为砂类。图图2-23 我国采用的塑性图我国采用的塑性图3.细粒土分类细粒土分类塑性图塑性图（Plasticity chart）土工试验规程土工试验规程SL237-1999分类方法（图分类方法（图2-23）细粒土在塑性图上的位置及名称见细粒土在塑性图上的位置及名称见 表表2-11ALMLMHOPI =10OMLO50100wCLOCLIPBCHCHOMHA线：线：IP=0.73(wL-20)且且IP=10B线：线：wL=50%4.搭接情况处理（搭接情况处理（Treatment of joint case）（1）粗细粒组含量处于粗）粗细粒组含量处于粗细粒细粒土界线上，划为细粒；土界线上，划为细粒；（2）粗粒土中，粒组含量处于砾类与）粗粒土中，粒组含量处于砾类与砂砂类界线上；类界线上；（3）细粒土中，处于）细粒土中，处于粘质土粘质土与粉质土界线上；在与粉质土界线上；在液限液限高高和液限低的界线上。和液限低的界线上。5.土名符号及组合规则土名符号及组合规则（1）土名符号见下表）土名符号见下表土名土名符号符号土名土名符号符号漂石、块石漂石、块石B(Boulder)卵石、碎石卵石、碎石Cb(Cobble)砾、角砾砾、角砾G(Gravel)砂砂S(Sand)粉土粉土M(Mealy soil)粘土粘土C(Clay)细粒土细粒土(C和和M合称合称)F(Fine)混合土混合土(粗、细粒土合称粗、细粒土合称)SI有机质土有机质土O(Organic)级配良好级配良好W(well)级配不良级配不良P(Poorly)高液限高液限H(High)低液限低液限L(Low)黄土黄土Y(Loess)膨胀土膨胀土E(Expansive)红粘土红粘土R(Red)盐渍土盐渍土St(Salty)（2）组合规则）组合规则 由由2个基本代号构成时，第个基本代号构成时，第1个基本代号表示土的主成个基本代号表示土的主成分，第分，第2个基本代号表示土的特性指标（土的液限或土的个基本代号表示土的特性指标（土的液限或土的级配）或土中所含次要成分级配）或土中所含次要成分例如：例如：BSI；SICb；GW；GP；GF；GC 由由3个基本代号构成时，第个基本代号构成时，第1个基本代号表示土的主成个基本代号表示土的主成分，第分，第2个基本代号表示液限的高低或级配的好坏，第个基本代号表示液限的高低或级配的好坏，第3个基本代号表示土中所含次要成分个基本代号表示土中所含次要成分例如：例如：CHO；MLO；CHG；MLS2.6.4 交通部交通部JTS147-1-2010分类方法分类方法Classification of the Ministry of Communications港口工程地基规范港口工程地基规范 JTS147-1-2010依据沉积依据沉积时代将土分为老沉积土（时代将土分为老沉积土（Q3，第四纪晚更新世）、，第四纪晚更新世）、一般沉积土（一般沉积土（Q4，第四纪全新世）和新近沉积土，第四纪全新世）和新近沉积土（Q4）依据地质成因将土分为残积土、坡积土、洪积依据地质成因将土分为残积土、坡积土、洪积土、冲积土、湖积土、海积土、风积土、人工填土土、冲积土、湖积土、海积土、风积土、人工填土以及复合成因的土以及复合成因的土依据颗粒级配和塑性指数将土分为碎石土、砂依据颗粒级配和塑性指数将土分为碎石土、砂土、粉土和粘性土土、粉土和粘性土1.碎石土（碎石土（Gravelly Soil）粒径大于粒径大于2mm的颗粒含量超过总量的的颗粒含量超过总量的50%的土。的土。2.砂土（砂土（Sandy soil）粒径大于粒径大于2mm的颗粒含量不超过总量的的颗粒含量不超过总量的50%，粒径大于，粒径大于0.075mm的颗粒含量超过总量的的颗粒含量超过总量的50%的土。的土。3.粉土（粉土（Silty soil）粒径大于粒径大于0.075 mm的颗粒含量不超过总量的的颗粒含量不超过总量的50%，塑性指数，塑性指数IP10的土。粉土的密实程度可按下表判定的土。粉土的密实程度可按下表判定4.粘性土（粘性土（Clayey soil）塑性指数塑性指数IP10的土，按表的土，按表2-16定名。定名。孔隙比孔隙比 ee0.750.75e0.90e0.90密实度密实中密稍密5.淤泥性土（淤泥性土（Mucky soil）天然含水率大于液限、孔隙比天然含水率大于液限、孔隙比1的粘性土。的粘性土。6.软土（软土（Soft soil）2.6.4 填土（填土（Filled soil）人类活动而堆积的土，可分为冲填土、素填土和杂填土。人类活动而堆积的土，可分为冲填土、素填土和杂填土。孔隙比孔隙比 ee0.750.75e0.90e0.90含水率含水率w(%)36w5555w85W85土的名称土的名称淤泥质土淤泥质土淤泥淤泥流泥流泥