土的物理力学性质及其指标

1、4.2 土的物理力学性质及其指标,4.2.1 土的三相比例指标 2.2.2 无粘性土的紧密状态 4.2.3 粘性土的物理特征 4.2.4 土的力学性质,土的三相组成及其比例指标,固相,不同成分和结构的土中，土的三相之间具有不同的比例。 土的三相组成的重量和体积之间的比例关系不同，则土的重量性质(轻、重情况)、含水性(含水程度)和孔隙性(密实程度)等基本物理性质各不相同，并随着各种条件的变化而改变。例如对同一成分和结构的土，地下水位的升高或降低，都将改变土中水的含量；经过压实，其孔隙体积将减小。这些情况都可以通过相应指标的具体数字反映出来。 表示土的三相比例关系的指标，称为土的三相比例指标，亦即

2、土的基本物理性质指标，包括土的颗粒比重、重度、含水量、饱和度、孔隙比和孔隙率等。,液相,气相,土的三相比例指标的定义,颗粒比重G：土粒重量与同体积4摄氏度时水的重量之比，在数值上等于单位体积土粒（固体部分）的重量。 重度：单位体积土的重量 干重度、饱和重度和浮重度 含水量w：土中水的重量与土粒重量之比，用百分数表示 饱和度Sr：土中被水充满的孔隙体积与孔隙总体积之比 孔隙比e：孔隙体积与土粒体积（固体部分）之比。 孔隙率n：孔隙体积与总体积之比。,颗粒比重决定于土的矿物成分，它的数值一般为2.65-2.75。有机质土为2425；泥炭土为15一185而含铁质较多的粘件土可达28一L o c同种类

3、的土，其颗粒比重变 化幅度很小。 颗粒比重可在试验室内用比重版法测定。一般土的颗粒比重值见表23。由于颗粒变化 的幅度不大，通常可按经验数值选用。,土的物理力学性质及其指标,无粘性土的紧密状态,无粘性土:碎石土、砂土、粉土 无粘性土的紧密状态是判定其工程性质的重要指标，综合反映了无粘性土颗粒的岩石和矿物组成、粒度组成、颗粒形状和排列等对其工程性质的影响。 决定无粘性土紧密状态的因素 无粘性土紧密状态指标及其确定方法,土的物理力学性质及其指标,决定无粘性土紧密状态的因素,受荷历史：年代较老，有超压密历史的，密实度大 形成环境：洪积、坡积比冲积、冰积、海积的密实度小 颗粒组成：粗、不均匀，密实度大

4、 矿物成分及颗粒形状：片状云母与柱状、粒状颗粒组成比，密实度小,土的物理力学性质及其指标,无粘性土紧密状态指标及其确定方法,（1）天然孔隙比： 砂土的承载力不论其颗粒组成的粗细，均随着天然孔隙比的减小而显著增大。 通过测天然重度，换算天然孔隙比 天然重度测定方法： 地下水位以上湿砂：环刀法 地下水位以上干砂：灌砂法（注水法） 地下水位以下砂土：难 例子：划分砂土密实度P81，表4-6 划分粉土密实度P83，表4-9,土的物理力学性质及其指标,无粘性土紧密状态指标及其确定方法,（2）相对密度： 天然孔隙比作为砂土密实状态的分类指标缺乏概括性，因土的密实度还与砂粒的形状、粒径级配等有关。 例：疏松

5、、级配良好的砂土孔隙比，比紧密、颗粒均匀的砂土孔隙比小。 相对密度更有代表性。公式：P82（4-14） 1：密实状态；0：松散状态 优点：较完善指标，综合反映各方面特征 缺点：实际应用困难，使用并不广泛。 例子：划分砂土紧密状态P83，表4-7,土的物理力学性质及其指标,天然孔隙比 相对密度,例外： 标准贯入或静力触探评定砂土的密实状态。 P83表4-8 野外鉴别方法评定碎石土的密实状态。 P84表4-10,采取原状土样,土的物理力学性质及其指标,4.2.3 粘性土的物理特征,1 粘性土的界限含水量 2 粘性土的塑性指数和液性指数,土的物理力学性质及其指标,1 粘性土的界限含水量,粘性土随着本

6、身含水量的变化，可以处于各种不同的物理状态，其工程性质也相应地发生很大的变化。 固体状态： 可塑状态： 流塑-流动状态：,土的物理力学性质及其指标,稠度：粘性土因含水量的变化而呈现出的各种不同物理状态。 可塑性：土在外力作用下，可以揉塑成任意形状而发生裂缝，当外力解除后仍能保持既得形状的一种性能。 界限含水量（稠度界限）：随着含水量的变化，粘性土由一种稠度状态转变为另一种状态，相应于转变点的含水量。 P84 图4-23 缩限；塑限（塑性下限）；液限（流限，塑性上限）,土的物理力学性质及其指标,液限的测定,锥式液限仪：P85图4-24 碟式液限仪：P85图4-25 两种仪器比较： 随着液限的增加

7、，两种仪器所测得的差值增大，一般情况下碟式仪测得的液限大于锥式仪。,土的物理力学性质及其指标,缩限的测定,收缩皿法 缩限=液限-烘干时失去水量,土的物理力学性质及其指标,塑限的测定,搓条法 缺点：手工操作，人为因素影响大，成果不稳定。 探索新方法,土的物理力学性质及其指标,（1）联合测定法求液限、塑限,P86 图4-26 锥式仪；电磁放锥法； 双对数坐标纸： 入土深度与含水量的关系曲线 10mm：液限 2mm：塑限,土的物理力学性质及其指标,（2）按液限和塑限的相关关系确定塑限,液限已知 按经验公式计算塑限P86,土的物理力学性质及其指标,2粘性土的塑性指数和液性指数,塑性指数 液性指数,土的

8、物理力学性质及其指标,（1）塑性指数,液限和塑限的差值P86（4-16） 表示土处在可塑状态的含水量的变化范围。 越大，土处于可塑状态的含水量的变化范围也越大，可塑性就越强。 大小与土中结合水的发育程度和含量有关，即与土的颗粒组成（粘粒含量）、矿物成分及土中水的离子成分和浓度等因素有关。 塑性指数在一定程度上综合反映了影响粘性土特征的各种重要因素，常用塑性指数作为粘性土分类的标准。,土的物理力学性质及其指标,（1）液性指数,P86（4-17） 表征粘性土所处的软硬状态。 值越大，土质越软；反之，土质越硬。 P87表4-11，按液性指数划分粘性土的状态。 天然结构土与扰动结构土的差别 瓦式圆锥仪

9、入土深度判定粘性土的天然状态,土的物理力学性质及其指标,4.2.4 土的力学性质,决定地基变形、以至失稳危险性的主要因素： 上部荷载的性质、大小、分布面积、形状及时间因素 地基土的力学性质：变形、强度,土的物理力学性质及其指标,对土的变形与强度性质，必须从土的应力与应变的基本关系出发来研究。 近似： 非线性-线性近似 非均质性-均质性近似,土的物理力学性质及其指标,基本概念： 压缩性：土在压力作用下体积缩小的特性。 固体土粒和水的可压缩量小 土的压缩可施为土中孔隙体积的减小。 土的固结：土的压缩随时间而增长的过程。 无粘性土：透水性大，固结快。 粘性土：透水性小，固结慢。 对于饱和软粘性土，土

10、的固结问题 是十分重要的。,变形压缩性,土的物理力学性质及其指标,变形压缩性,室内压缩实验：,压缩仪的压缩容器简图,压缩试验时，用金属环刀切取保持天然结构的原状土样，并置于圆筒形压缩容器的刚性护环内，土样上下各垫有一块透水石，土样受压后土中水可以自由排出。由于金属环刀和刚性护环的限制，土样在压力作用下只可能发生竖向压缩，而无侧向变形。土样在天然状态下或经人工饱和后，进行逐级加压固结，以便测定各级压力户作用下土样压缩稳定后的孔隙比变化。,土的物理力学性质及其指标,土的孔隙比与相应压力的关系曲线，即土的压缩曲线。 压缩曲线两种方法绘制： 直角坐标系；双对数坐标系 在常规试验中，一般按P0.05、0

11、.1、0.2、0.3、0.4MPa五级加荷；试验时以较小的压力开始，采取小增量多级加荷，并加到较大的荷载(例如1-1.6MPa)为止。,土的压缩曲线,土的物理力学性质及其指标,压缩系数,压缩性不同的土，其压缩曲线的形状是不一样的。曲线愈陡说明随着压力的增加，土孔隙比的减小愈显著，因而土的压缩性愈高.所以，曲线上任一点的切线斜率就表示了相应压力作用下土的压缩性，称为压缩系数。 值越大，压缩性越高。,土的物理力学性质及其指标,压缩指数,土的e-p曲线改绘成半对数压缩曲线e-logp时，它的后段接近直线。其斜率Cc称为土的压缩指数 值越大，压缩性越高。 在直线段范围内并不随压力而变，试验时要求斜率确

12、定得很仔细，否则出入很大。 低压缩性土的Cc值一般小于0.2，Cc值大于0.4一般属于高压缩性土。,土的物理力学性质及其指标,压缩模量,完全侧限条件下的竖向附加压应力与相应的应变增量之比值. 值越小，压缩性越高。,为了便于比较和应用，通常采用压力间隔p10.1MPa和p20.2MPa所得的压缩模量,土的物理力学性质及其指标,强度-实质上是土的抗剪强度问题,在工程实践中，土的强度问题涉及地基承载力；路堤、土坝的边坡和天然土坡的稳定性以及土作为工程结构物的环境时，作用于结构物上的土压力和山岩压力等问题，如图。 土体在通常应力状态下的破坏，表现为塑性破坏，或称剪切破坏。即在土的自重或外荷载作用下，在

13、土体中某一个曲面上产生的剪应力值达到了土对剪切破坏的极限抗力(这个极限抗力称为土的抗剪强度)，于是土体沿着该曲面发生相对滑移，土体失稳。 所以，土的强度问题实质上是土的抗剪强度问题。,土的物理力学性质及其指标,无粘性土的抗剪强度,无粘性土的抗剪强度,粘性土的抗剪强度,无粘性土的抗剪强度不但决定于内摩擦角的大小，而且还随正压应力的增加而增加，而内摩擦角的大小与无粘性土的密实度、土颗粒大小、形状、粗糙度和矿物成分、以及粒径级配的好坏程度等因素都有关，元枯性土的密实度愈大、土颗粒愈大、形状愈不规则、表而愈粗糙、级配愈好，则内摩擦角愈大。此外，无枯性土的含水量对内摩擦角的影响是水分在较粗颗粒之间起滑润

14、作用，使摩阻力降低。,不过原点,土的物理力学性质及其指标,抗剪强度的库仑定律,在一定试验条件下得出的内聚力和内摩擦角一般能反映土抗剪强度的大小，故称为土的抗剪强度指标。过去对式(4-23)和式(4-24)的一种比较简单的说明是：无粘性土的试验结果c0，是因为它无粘聚性；而粘性土的试验结果出现c，故将c理解为粘聚力。 经过长期的试验，人们已认识到，土的抗剪强度指标是随试验时的若干条件而变的，其中最重要的是试验时的排水条件，也就是说，同一种土在不同排水条件下进行试验，可以得出不同的c和fai值。因此，也有将c称为”视粘聚力”，意思是它表面上看来好象是内聚力，其实不能真正代表粘性土的内聚力，而只能代表粘性土抗剪强度的一部分，是在一定试验条件下得出应力-应变关系曲线在应力轴上的截距，同样，fai也只是由试验结果得出的应力-应变关系线的倾斜角，不能真正代表粒间的内摩擦角。然而，由于按库伦定律建立的概念在应用上比较方便，许多分析方法也都建立在这种概念的基础上，故在工程上仍旧沿用至今。,土