土的物理性质和工程性质ppt课件

1、第二章第二章 土的性质及工程分类土的性质及工程分类要求：要求：1.了解土的生成和演变过程，了解土的矿了解土的生成和演变过程，了解土的矿物成分和土中水的种类以及粘土矿物的物成分和土中水的种类以及粘土矿物的带电性质、土的结构性和灵敏度等。带电性质、土的结构性和灵敏度等。2.理解土的三相组成、土的三相比例指标理解土的三相组成、土的三相比例指标的定义并掌握其计算方法的定义并掌握其计算方法3.掌握土的粒径级配的分析方法掌握土的粒径级配的分析方法4.掌握土的物理状态判断指标和标准以及掌握土的物理状态判断指标和标准以及利用这些指标来判断其物理状态和工程利用这些指标来判断其物理状态和工程性质好坏的方法。性质好

2、坏的方法。5.理解土的压实原理。掌握击实试验方法、理解土的压实原理。掌握击实试验方法、最大干重度和最优含水量的概念以及影最大干重度和最优含水量的概念以及影响土体压实的主要因素。响土体压实的主要因素。6.了解土的工程分类的基本方法。了解土的工程分类的基本方法。 重点：重点： 土的三相物理指标及换算关系，土的粒径级配及土的三相物理指标及换算关系，土的粒径级配及土的物理状态的判别。土的物理状态的判别。难点：难点： 土的三相物理指标的换算。土的三相物理指标的换算。需要掌握的基本概念需要掌握的基本概念: 颗粒级配颗粒级配;不均匀系数不均匀系数/曲率系数曲率系数;液限液限/塑限塑限/缩限缩限;液性液性 指

3、数指数/塑性指数塑性指数; 土的灵敏度和触变形土的灵敏度和触变形; 最优最优含水量含水量计算主要掌握计算主要掌握: 三相组成指标之间的换算及有关计算三相组成指标之间的换算及有关计算 密实度判定密实度判定 液限液限/塑限等的计算及相关判断塑限等的计算及相关判断2.1 2.1 土的三相组成土的三相组成气相固相液相+构成土骨架，起决定作用构成土骨架，起决定作用重要影响重要影响土体次要作用次要作用2 土的性质与工程分类一. 固体颗粒2.1 2.1 土的三相组成土的三相组成物理状态力学特性粒径级粒径级配配矿物成矿物成分分颗粒形颗粒形状状 2 土的物性与分类一. 固体颗粒1. 粒径级配颗粒大小各粒径成分在

4、土中占的比例狭义的粒径级配影响土性的主因2.12.1土的三相组成土的三相组成2 土的物性与分类颗粒大小粒组 大小、性质相近的土粒合为一组称为粒组界限粒径：粒组的分解尺寸一. 固体颗粒2.12.1土的三相组成土的三相组成2 土的物性与分类0.1d(mm)d(mm)砾石砾石砂粒砂粒粉粒粉粒粘粒粘粒胶粒胶粒6020.0750.0050.0020.250.5520粗 中 细 粗 中 细 极细粗粒粗粒细粒细粒粒径级配确定方法确定方法 筛分法：适用于粗粒土筛分法：适用于粗粒土 (0.075 mm)(0.075 mm) 比重计法：适用于细粒土比重计法：适用于细粒土 (0.075 mm)(伊利石伊利石高岭石高

5、岭石蒙 脱 石粘土颗粒表面带负电粘土颗粒表面带负电比表面积比表面积As=A(表面积表面积) / m(质量质量) 是粘性土特征指标之一是粘性土特征指标之一土中的水固 态自由水气 态液 态结合水重力水毛细水强结合水弱结合水二二. 土中的水和气体土中的水和气体粘性土的性质1. 土中的水粘粒弱结合水自由水强结合水 强结合水：紧靠于土颗粒的表面，受电场作用强结合水：紧靠于土颗粒的表面，受电场作用很大，不能移动，表现出固态特性很大，不能移动，表现出固态特性 它的特征是：它的特征是：1）.没有溶解盐类的能力，没有溶解盐类的能力，2）.不能传递静水压力，不能传递静水压力，3）.只有吸热变成蒸汽时只有吸热变成蒸

6、汽时才能移动。才能移动。 弱结合水：强结合水外，电场作用范围内的弱结合水：强结合水外，电场作用范围内的水，是一种粘质水膜水，是一种粘质水膜 它的特征是：它的特征是：1受力时可以从水膜厚处向受力时可以从水膜厚处向薄处移动，也可因电场引力从一个土粒周围转薄处移动，也可因电场引力从一个土粒周围转移到另一个土粒周围移到另一个土粒周围;2不能传递静水压力，不能传递静水压力，在重力作用下不会发生移动。是粘土具有塑性在重力作用下不会发生移动。是粘土具有塑性的原因的原因 毛细水毛细水-受到水与空气交界面处表面张力的作用受到水与空气交界面处表面张力的作用,存在存在 于地下水位以上透水层中的自由水于地下水位以上透

7、水层中的自由水 毛细水上升高度由什么确定毛细水上升高度由什么确定: 毛细水压力的大小毛细水压力的大小: 在弯液面处最大在弯液面处最大,在的下水面处最小为在的下水面处最小为0. 毛细水压力的存在使得毛细区的有效应力增大毛细水压力的存在使得毛细区的有效应力增大 重力水重力水-地下水面以下地下水面以下,土颗粒电分子引力范围以外的土颗粒电分子引力范围以外的水水,仅受重力作用仅受重力作用.传递静水压力产生浮托力传递静水压力产生浮托力. 毛细水的工程地质意义：毛细水的工程地质意义： （1产生毛细压力：产生毛细压力： 负的静水压力负的静水压力 （2毛细水对土中气体的分布与流通起有一定作用，常毛细水对土中气体

8、的分布与流通起有一定作用，常是导致产生密闭气体的原因。是导致产生密闭气体的原因。 （3当地下水埋深浅，由于毛细管水上升，可助长地基当地下水埋深浅，由于毛细管水上升，可助长地基土的冰冻现象；地下室潮湿；危害房屋基础及公路路面；土的冰冻现象；地下室潮湿；危害房屋基础及公路路面；促使土的沼泽化。促使土的沼泽化。 hc = 2 T cos / r w（毛细升高hc）（水膜张力T，与温度有关）（T与管壁方向角 ，与土，水性质有关）（毛细管半径r ） （水容重w）l三、土的结构三、土的结构 在成土过程中所形成的土粒的空间排列及其联结形式，在成土过程中所形成的土粒的空间排列及其联结形式，与组成土的颗粒大小、

9、颗粒形状、矿物成分和沉积条件有与组成土的颗粒大小、颗粒形状、矿物成分和沉积条件有关关 1.单粒结构：粗矿物颗粒在水或空气中在自重作用下单粒结构：粗矿物颗粒在水或空气中在自重作用下沉落形成的单粒结构，其特点是土粒间存在点与点的沉落形成的单粒结构，其特点是土粒间存在点与点的接触。根据形成条件不同，可分为疏松状态和密实状接触。根据形成条件不同，可分为疏松状态和密实状态态 密实状态密实状态疏松状态疏松状态2.蜂窝结构：颗粒间点与点接触，由于彼此之间引力蜂窝结构：颗粒间点与点接触，由于彼此之间引力大于重力，接触后，不再继续下沉，形成链环单位大于重力，接触后，不再继续下沉，形成链环单位,很多链环联结起来，

10、形成孔隙较大的蜂窝状结构很多链环联结起来，形成孔隙较大的蜂窝状结构 3.絮状结构：细微粘粒大都呈针状或片状，质量极轻，絮状结构：细微粘粒大都呈针状或片状，质量极轻，在水中处于悬浮状态。当悬液介质发生变化时，土粒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状物下沉，形成孔隙较大的絮状结构 蜂窝结构蜂窝结构絮状结构絮状结构2.2土的物理性质指标l一、土的三相图一、土的三相图 气气水水土粒土粒msmwmVsVwVVa质量质量m m体积体积V VVv2.土粒相对密度土粒相对密度

11、Gs土粒比重）：土粒质量与土粒比重）：土粒质量与同体积的同体积的4时纯水的质量之比时纯水的质量之比 （测定方法：（测定方法：比重瓶法）比重瓶法）n二、直接测定指标二、直接测定指标 1.土的密度土的密度：单位体积土的质量：单位体积土的质量 （测定方法：环刀法）（测定方法：环刀法）awswsVVVmmVm工程中常用容重重度）工程中常用容重重度） 来表示单位体积土的重力来表示单位体积土的重力 gssssVmG土的密度和容重l测定方法：环刀法密度：环刀法土的比重Gs气气水水土粒土粒msmwmVsVwVVa质量质量m m体积体积V V3.土的含水量土的含水量：土中水的质量与土粒质量之比，以百分数表示土中

12、水的质量与土粒质量之比，以百分数表示%100%100sssmmmmm土的含水量是标志土含水程度的一个重要物理指标。天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。其所处的自然地理环境等有关。 测定方法：通常用烘干法，亦可近似用酒精燃烧法测定方法：通常用烘干法，亦可近似用酒精燃烧法 烘干法测含水量）l三、换算指标三、换算指标 1.孔隙比孔隙比e和孔隙率和孔隙率n孔隙比孔隙比e e ：土中孔隙体积与：土中孔隙体积与土粒体积之比土粒体积之比 svVVe孔隙率孔隙率n n ：土

13、中孔隙体积与总体积之比，以百分数表示：土中孔隙体积与总体积之比，以百分数表示 %100VVnv气气水水土粒土粒msmwmVsVwVVa质量质量m m体积体积V V饱和度描述土中孔隙被水充满的程度。干土饱和度描述土中孔隙被水充满的程度。干土Sr=0,饱和土饱和土Sr=100%。砂土根据饱和度分为三种状态。砂土根据饱和度分为三种状态: Sr50%稍湿；稍湿； 50Sr80%很湿；很湿； Sr80%饱和饱和%100vrVVS气气水水土粒土粒msmwmVsVwVVa质量质量m m体积体积V V2.土的饱和度土的饱和度Sr ：土中孔隙水的体积与孔隙总体积：土中孔隙水的体积与孔隙总体积之比，以百分数表示。

14、之比，以百分数表示。3.不同状态下土的密度和重度不同状态下土的密度和重度饱和密度饱和密度sat sat ：土体中孔：土体中孔隙完全被水充满时的土的密隙完全被水充满时的土的密度度 干密度干密度d d ：单位体积中固体颗粒部分的质量：单位体积中固体颗粒部分的质量 VVmvssatVmsd气气水水土粒土粒msmwmVsVwVVa质量质量m m体积体积V V浮密度浮密度 ：单位体积内土粒质量与同体积水的质：单位体积内土粒质量与同体积水的质量之差。量之差。VVmsswsatl四、指标间的换算四、指标间的换算eeVVnv1土的三相指标中，土粒土的三相指标中，土粒比重比重Gs Gs ，含水量，含水量和和密度

15、密度是通过试验测定是通过试验测定的，可以根据三个基本的，可以根据三个基本指标换算出其余各指标指标换算出其余各指标气气水水土粒土粒Gsw Vs11+e1+e质量质量m m体积体积V VVv=eGsw Gs1w 1)1 (11swvsvGmVVVVeeGeGemVVSswswwwvwr.satVVmwvs.ssswswswwswdeGGeGGeG).1 ().(.)1 ().(.)1 (.ssswwsswwwswssGGGGGGVVm).1 ().1(.).1 (.).1(.).1 (.)1 (.).1 (.).1 (.swwsswwssdGGGGVm从物理意义上理解指标间的关系从物理意义上理解指

16、标间的关系不鼓励死记硬背不鼓励死记硬背必要时利用三相草图推导必要时利用三相草图推导气气水水土粒土粒Gsw Vs11+e1+e质量质量m m体积体积V VVv=eGswGs1w l五、例题分析五、例题分析 n【例】某土样经试验测得体积为100cm3，湿土质量为187g，烘干后，干土质量为167g。若土粒的相对密度Gs为2.66，求该土样的含水量、密度、重度 、干重度d 、孔隙比e、饱和重度sat和有效重度 【解答】%98.11167167187%100smm3/87. 1100187cmgVm3/7 .181087. 1mkNg3/7 .1610100167mkNgdd593. 0187. 1)

17、1198. 01 (66. 21)1 (sGe%7 .53593. 066. 21198. 0eGSsr3/4 .2010593. 01593. 066. 21mkNeeGssat3/4 .10104 .20mkNwsat1vssssswVVVVeVVmG习题1.土颗粒的大小及其级配，通常是用颗粒级配曲线来表示的。级配曲线越平缓表示： A土颗粒大小较均匀，级配良好 B.土颗粒大小不均匀，级配不良 C. 土颗粒大小不均匀，级配良好 2.作为填土工程的土料，压实效果与不均匀系数的关系： A大比小好 B. 小比大好 C. 与压实效果无关 3.有一非饱和土样，在荷载作用下，饱和度由80%增加至95%。

18、试问土样的重度和含水率怎样改变？ A增加，减小 B. 不变，不变 C. 增加，增加4.甲土的饱和度大与乙土的饱和度，则甲土的含水率一定高于乙土的含水率 5.薄壁取样器采取的土样，测出其体积V与重量分别为38.4cm3和67.21g，把土样放入烘箱烘干，并在烘箱内冷却到室温后，测得重量为49.35g。试求土样的天然密度，干密度，含水量，孔隙比，孔隙率，饱和度。（ ） 6.证明以下关系： （1） （2）2.69sG 1+sde1srwwnSn2.32.3无粘性土的密实度无粘性土的密实度l无粘性土的密实度指单位体无粘性土的密实度指单位体积土中固体颗粒的含量。积土中固体颗粒的含量。l密实度的判别方法密

19、实度的判别方法:emin = 0.35emin = 0.201.孔隙比孔隙比e 孔隙比孔隙比e e可以用来表示砂土的可以用来表示砂土的密实度。对于同一种土，当孔隙密实度。对于同一种土，当孔隙比小于某一限度时，处于密实状比小于某一限度时，处于密实状态。孔隙比愈大，土愈松散态。孔隙比愈大，土愈松散 emin = 0.20当当Dr=0Dr=0时，时， e=emine=emin，表示土处于最疏松状态，表示土处于最疏松状态; ;当当Dr=1.0Dr=1.0时，时，e=emaxe=emax，表示土体处于最密实状态，表示土体处于最密实状态Dr1/3疏松状态疏松状态1/3Dr2/3中密状态中密状态2/3Dr1

20、密实状态密实状态2.相对密实度相对密实度DrminmaxmaxeeeeDr砂土在天然状砂土在天然状态下孔隙比态下孔隙比砂土在最密实状砂土在最密实状态时的孔隙比态时的孔隙比砂土在最松砂土在最松散状态时的散状态时的孔隙比孔隙比emax:emax:松散器法松散器法: :将松散的风干土样通过长颈漏斗轻将松散的风干土样通过长颈漏斗轻轻地倒入容器，避免重力冲击，求得土的最小干轻地倒入容器，避免重力冲击，求得土的最小干密度再经换算得到最大孔隙比密度再经换算得到最大孔隙比emin: emin: 振击法振击法: :将松散的风干土样装入金属容器将松散的风干土样装入金属容器内，按规定方法振动和锤击，直至密度不再提内

21、，按规定方法振动和锤击，直至密度不再提高，求得土的最大干密度再经换算得到最小孔高，求得土的最大干密度再经换算得到最小孔隙比隙比emaxemax与与emin emin ：最大与最小孔隙比：最大与最小孔隙比注意：室内测得理论上的最大与最小孔隙比有时人为误差较大注意：室内测得理论上的最大与最小孔隙比有时人为误差较大3.按动力触探按动力触探(DPT)确定无粘性土的密实度确定无粘性土的密实度密实度密实度按标准贯入试验击锤数评定按标准贯入试验击锤数评定松散松散稍密稍密中密中密密实密实N1010N1515N30N305 .63N 某天然砂层，密度为1.47g/cm3，含水量13%，由试验求得该砂土的最小干密

22、度为1.20g/cm3；最大干密度为1.66 g/cm3；问该砂层处于哪种状态？ l三、例题分析三、例题分析 n【例】某砂土试样,试验测定土粒相对密度Gs=2.7,含水量=9.43%,天然密度=1.66/cm3。已知砂样最密实状态时称得干砂质量ms1=1.62kg/0.1m3,最疏松状态时称得干砂质量ms2=1.45kg/0.1m3。求此砂土的相对密度Dr,并判断砂土所处的密实状态 【解答】78. 0166. 1)0943. 01 (7 . 21)1 (sGe砂土在天然状态下的孔隙比砂土在天然状态下的孔隙比砂土最小孔隙比砂土最小孔隙比31max/62. 1cmgVmsd67.01maxmind

23、wsGe砂土最大孔隙比砂土最大孔隙比32min/45. 1cmgVmsd86.01minmaxdwsGe42.0minmaxmaxeeeeDr相对密实度相对密实度（1/3,2/31/3,2/3 中密状态中密状态l2.4 2.4 粘性土的物理特性粘性土的物理特性 1.粘性土的界限含水量粘性土的界限含水量稠度是指土的软硬程度或土受外力作用所引起变形或破稠度是指土的软硬程度或土受外力作用所引起变形或破坏的抵抗能力坏的抵抗能力, ,是粘性土最主要的物理状态特征是粘性土最主要的物理状态特征 0固态或半固态固态或半固态可塑状态可塑状态流动状态流动状态塑限塑限PP液限液限LL粘性土由某一种状态过渡到另一状态

24、的分界含水量称为粘性土由某一种状态过渡到另一状态的分界含水量称为界限含水量界限含水量液塑限测定根据液塑限测定根据 16粘性土粘性土不灵敏不灵敏低灵敏低灵敏中等灵中等灵敏敏高灵敏高灵敏很灵敏很灵敏流动流动uutqqS =原状土的无侧限抗压强原状土的无侧限抗压强度度重塑土的无侧限抗压强重塑土的无侧限抗压强度度土的含水量和密度不变，因重塑而强度降低，又因土的含水量和密度不变，因重塑而强度降低，又因静置而逐渐强化，强度逐步有所恢复的现象，静置而逐渐强化，强度逐步有所恢复的现象，称为土的触变性。称为土的触变性。土的触变性是土结构中联结形态发生变化引起的，土的触变性是土结构中联结形态发生变化引起的，是土结

25、构随时间变化的宏观表现。是土结构随时间变化的宏观表现。目前尚没有合理的描述土触变性的方法和指标。目前尚没有合理的描述土触变性的方法和指标。(2) (2) 粘性土的触变性粘性土的触变性 习题 从A，B两地土层中个取粘性土进行试验，恰好其液塑限相同，液限=45%，塑限=30%，但A地的天然含水率为45%，而B地的天然含水率为25%。试求A，B两地的地基土的液性指数，并通过判断土的状态，确定哪个地基土比较好。 2.5 土的压实性土的压实性：指在一定的含水率下，以人工或土的压实性：指在一定的含水率下，以人工或机械的方法，使土能够压实到某种密实程度机械的方法，使土能够压实到某种密实程度的性质的性质室内：

26、击实试验室内：击实试验 现场：碾压试验现场：碾压试验 击实试验 轻型：粒径小于5毫米重型：粒径小于40毫米3947cmV KgG5 . 2cmH5 .3025下，分三层击实32104cmV KgG5 . 4cmH7 .4556下，分5层击实击实仪击实仪土工试验方法标准土工试验方法标准（国家标准）（国家标准） 轻型轻型:d5mm; V=947cm3, m=2.5kg，落高，落高30.5cm， 分分3层层,每层每层 25击击 重型重型:d0.96op2%在地基主要受力层范围在地基主要受力层范围以下以下0.930.96简支结构和排架结简支结构和排架结构构在地基主要受力层范围在地基主要受力层范围内内0

27、.940.97op2 %在地基主要受力层范围在地基主要受力层范围以下以下0.910.94b. b. 工程上常采用压系数工程上常采用压系数DcDc控制作为填方密度控制标准）控制作为填方密度控制标准）%100maxdcD室内标准击实试验的填土的干密度【例题】某料场中的土料为粘土，天然含水量【例题】某料场中的土料为粘土，天然含水量=21%，土，土颗粒的相对密度颗粒的相对密度Gs=2.7。室内击实实验得到。室内击实实验得到取压实系数取压实系数Dc=0.95，并要求压实后土的饱和度，并要求压实后土的饱和度 ，问土料的天然含水量是否适合填筑？碾压时土料应控制问土料的天然含水量是否适合填筑？碾压时土料应控制

28、多大的含水量？多大的含水量？【解】【解】1.填土的干密度填土的干密度 2.绘制单元三相图绘制单元三相图Vs=1)3maxg/m85. 19 . 0rS3maxg/m76. 185. 195. 0.dcdD3cm534. 011.11.eeGeGeeVVmswsssssd3cm48. 0534. 09 . 0.vrwvwrVSVVVSl 3.求碾压时需要的含水量求碾压时需要的含水量l料场含水量料场含水量=21%17.8%，需要翻晒处理，需要翻晒处理gVmgGVmwwwwssss48. 0.7 . 2.%8 .177 . 248. 0swmm2.6 地基土岩的工程分类l一、分类的目的和原则一、分类

29、的目的和原则 土的分类体系就是根据土的工程性质差异将土划分土的分类体系就是根据土的工程性质差异将土划分成一定的类别，目的在于通过通用的鉴别标准，便于在成一定的类别，目的在于通过通用的鉴别标准，便于在不同土类间作有价值的比较、评价、积累以及学术与经不同土类间作有价值的比较、评价、积累以及学术与经验的交流验的交流分类原则：分类原则：1.分类要简明，既要能综合反映土的主要工程性质，又要测定方法简单，使用方便2.土的分类体系所采用的指标要在一定程度上反映不同类工程用土的不同特性l二、分类体系与方法二、分类体系与方法 分类体系：分类体系：1.建筑工程系统分类体系2.2.工程材料系统分类体系工程材料系统分

30、类体系侧重把土作为建筑地基和环境，研究对象为原状土，侧重把土作为建筑地基和环境，研究对象为原状土，例如：例如：建筑地基基础设计规范建筑地基基础设计规范(GB50007-2019)(GB50007-2019)地地基土分类方法基土分类方法侧重把土作为建筑材料，用于路堤、土坝和填土地基侧重把土作为建筑材料，用于路堤、土坝和填土地基工程。研究对象为扰动土，例如：工程。研究对象为扰动土，例如：土的分类标准土的分类标准(GBJ145-90)(GBJ145-90)工程用土的分类和工程用土的分类和 公路土工试验规程公路土工试验规程(JTJ051-93)(JTJ051-93)土的工程分类土的工程分类三三. .分

31、类方法：分类方法：1.建筑地基基础设计规范建筑地基基础设计规范(GB500072019) 根据土粒大小、粒组的土粒含量或土的塑性指数把根据土粒大小、粒组的土粒含量或土的塑性指数把地基土岩分为岩石、碎石土、砂土、粉土和粘性土地基土岩分为岩石、碎石土、砂土、粉土和粘性土五大类五大类a.岩石的分类(从土力学角度，整体岩石不属于土） 颗粒间牢固粘结颗粒间牢固粘结, ,呈整体或具有节理隙的岩体称为岩呈整体或具有节理隙的岩体称为岩石，坚硬程度可根据岩块的饱和单轴抗压强度石，坚硬程度可根据岩块的饱和单轴抗压强度frkfrk分类分类 坚硬程度类别坚硬程度类别饱和单轴抗压饱和单轴抗压强度强度frk(Mpa)fr

32、k(Mpa)坚硬岩坚硬岩较硬岩较硬岩较软岩较软岩软岩软岩极软岩极软岩30frk60frk6015frk305frk15frk5土的名称土的名称漂石漂石块石块石卵石卵石碎石碎石圆砾圆砾角砾角砾颗粒形状颗粒形状圆形及亚圆形为主圆形及亚圆形为主棱角形为主棱角形为主圆形及亚圆形为主圆形及亚圆形为主棱角形为主棱角形为主圆形及亚圆形为主圆形及亚圆形为主棱角形为主棱角形为主颗粒级配颗粒级配粒径大于粒径大于200mm200mm的颗粒的颗粒含量超过全重含量超过全重5050粒径大于粒径大于20mm20mm的颗粒的颗粒含量超过全重含量超过全重5050粒径大于粒径大于2mm2mm的颗粒含的颗粒含量超过全重量超过全重50