土力学--物理性质及分类

1、1土的物理性质与工程分类2土的形成渗透特性渗透特性变形特性变形特性强度特性强度特性土的三相组成土的物理状态土的结构土的工程分类土的压实性 决定影响如何获得较好的土便于研究和应用3生物循环生物循环物理风化物理风化化学风化化学风化量变量变无粘性土无粘性土原生矿物原生矿物质变质变粘性土粘性土次生矿物次生矿物动植物的活动动植物的活动一. 风化有有 机机 质质岩石和土的粗颗粒受各种气候因素的岩石和土的粗颗粒受各种气候因素的影响产生胀缩而发生裂缝影响产生胀缩而发生裂缝,或在运动或在运动过程中因碰撞和摩擦而破碎过程中因碰撞和摩擦而破碎母岩表面和碎散的颗粒受环境因素的母岩表面和碎散的颗粒受环境因素的作用而改变

2、其矿物的化学成分，形成作用而改变其矿物的化学成分，形成新的矿物新的矿物4二. 搬运与沉积残积土残积土无搬运运积土运积土有搬运土土质质较较好好残积土残积土强风化强风化弱风化弱风化微风化微风化母岩体母岩体颗粒表面粗糙多棱角粗细不均无层理母岩表层经风化作用破碎成岩屑或细小颗粒后，未经搬运残留在原地的堆积物风化所形成的土颗粒，受自然力的作用搬运到远近不同的地点所沉积的堆积物5运积土运积土有搬运风：风：风积土风积土重力重力: : 坡积土坡积土 流水流水: :洪积土洪积土冲积土冲积土湖泊沼泽沉积土湖泊沼泽沉积土海相沉积物海相沉积物冰川冰川: : 冰积土冰积土土粒粗细不同，性质不均匀土粒粗细不同，性质不均匀

3、有分选性，近粗远细有分选性，近粗远细浑圆度分选性明显，土层交迭浑圆度分选性明显，土层交迭含有机物淤泥，土性差含有机物淤泥，土性差颗粒细，表层松软，土性差颗粒细，表层松软，土性差土粒粗细变化较大，性质不均匀土粒粗细变化较大，性质不均匀颗粒均匀，层厚而不具层理颗粒均匀，层厚而不具层理6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7一. 固体颗粒物理状态力学特性粒径级配粒径级配矿物成分矿物成分颗粒形状颗粒形状 81. 粒径级配颗粒大小各粒径成分在土中占的比例狭义的粒径级配影响土性的主因9颗粒大小粒组 按粗细进行分组，将粒径接近

4、的归成一类按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类界限粒径d(mm)d(mm)砾石砾石砂粒砂粒粉粒粉粒粘粒粘粒胶粒胶粒6020.050.0050.0020.250.5520粗 中 细 粗 中 细 极细0.1粗粒粗粒细粒细粒10粒径级配确定方法确定方法 筛分法：筛分法：适用于粗粒土适用于粗粒土 (0.1 mm) 水分法：水分法：适用于细粒土适用于细粒土 (0.1 mm)各粒组的相对含量，用质量百分数来表示各粒组的相对含量，用质量百分数来表示表述方法表述方法 粒径级配累积曲线粒径级配累积曲线11105.02.01.00.50.250.1200g10161824223872100908070605040

5、3020100小于某粒径之土质量百分数小于某粒径之土质量百分数P（）（）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径粒径(mm)P%958778665536土的粒径级配累积曲线土的粒径级配累积曲线水分法水分法粒径粒径(mm)(mm)0.050.010.005百分数百分数P(%)P(%)2613.510121009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（）小于某粒径之土质量百分数（）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径粒径(mm)土的粒径级配累积曲土的粒径级配累积曲线线d60d50d10d30d60d10d30Cu

6、Cc0.33 0.005 0.063662.41特征粒径特征粒径: : d50 : 平均平均粒径粒径d60 : 控制控制粒径粒径d10 : 有效有效粒径粒径d30 不均匀程度不均匀程度：Cu = d60 / d10 连续程度连续程度: : Cc = d302 / (d60 d10 ) 曲率系数曲率系数 不均匀系数不均匀系数Cu 5,级配不均匀粗细程度粗细程度： 用用d50 表示 131009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（）小于某粒径之土质量百分数（）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径粒径(mm)土的粒径级配累积曲土的粒径级配累

7、积曲线线d60d10d30曲线d60d10d30CuCcL0.33 0.0050.081663.98M0.0632.41R0.0300.545斜率斜率: : 某粒径范围内颗粒的含量某粒径范围内颗粒的含量 陡陡相应粒组质量集中相应粒组质量集中 缓缓-相应粒组含量少相应粒组含量少 平台平台-相应粒组缺乏相应粒组缺乏连续程度连续程度: : Cc = d302 / (d60 d10 ) 曲率系数曲率系数较大颗粒缺少较大颗粒缺少Cc 减小减小较小颗粒缺少较小颗粒缺少Cc 增大增大Cc = 1 3, 级配连续性好级配连续性好一. 固体颗粒1.21.2土的三相组成土的三相组成1 土的物性与分类14粒径级配粒

8、径级配累积曲线及指标的用途粒径级配累积曲线及指标的用途：1）粒组含量用于土的分类定名粒组含量用于土的分类定名；2）不均匀系数不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度：用于判定土的不均匀程度： Cu 5, 不均匀土不均匀土； Cu 3 或 Cc 1,级配不连续土级配不连续土4）不均匀系数不均匀系数Cu和和曲率系数曲率系数Cc用于判定土的级配优劣：用于判定土的级配优劣： 如果如果 Cu 5且且 C c = 1 3 ， 级配级配 良好的土良好的土； 如果如果 Cu 3 或或 Cc 1, 级配级配 不良的土不良的土152. 矿物成分原生矿物原生矿物 石英石英、长石长石、云母云母等次生矿物次生矿物 主要是主

9、要是粘土矿物，包括三种类型粘土矿物，包括三种类型 高岭石高岭石、伊里石伊里石、蒙脱石蒙脱石粘土矿物粘土矿物: :由硅片和铝片构成的晶包所组合而成由硅片和铝片构成的晶包所组合而成163. 颗粒形状原生矿物原生矿物 圆状、浑圆状、棱角状圆状、浑圆状、棱角状次生矿物次生矿物 针状、片状、扁平状针状、片状、扁平状17 结晶水结晶水 矿物内部的水矿物内部的水 结合水结合水 吸附在土颗粒表面的水吸附在土颗粒表面的水 自由水自由水 电场引力作用范围之外的水电场引力作用范围之外的水 土中冰土中冰 由自由水冻成，冻胀融陷由自由水冻成，冻胀融陷二. 土中水（液相）18三. 土中气体v自由气体：自由气体：与大气连通

10、，对土的性质影响不大与大气连通，对土的性质影响不大v封闭气体：封闭气体：增加土的弹性；阻塞渗流通道增加土的弹性；阻塞渗流通道1.21.2土的三相组成土的三相组成1 土的物性与分类19土的物理状态土的物理状态土的物理状态粗粒土的松密程度粗粒土的松密程度粘性土的软硬程度粘性土的软硬程度土的物理性质指标( (松松密程度、干湿程度、轻重程度密程度、干湿程度、轻重程度) )力学特力学特性性影响影响表表示示？20一. 物理性质指标土的三个组成相的体积和质量上的比例关系松密程度松密程度干湿程度干湿程度轻重程度轻重程度特点: 指标概念简单，数量很多要点：名称、概念或定义、符号、表达式、单位或量纲、常见值或范围

11、、联系与区别定义定义基本方法:三相草图法21物理性质指标物理性质指标土的三个组成相的体积和质量上土的三个组成相的体积和质量上的比例关系的比例关系松密程度松密程度干湿程度干湿程度轻重程度轻重程度特点特点: 指标概念简单，数量很多指标概念简单，数量很多要点：要点：名称、概念或定义、符号、表达式、名称、概念或定义、符号、表达式、单位或量纲、常见值或范围、联系与区别单位或量纲、常见值或范围、联系与区别定义定义基本方法基本方法:三相草图法三相草图法室内测定的三个物理性质指标室内测定的三个物理性质指标土的密度、土粒的比重、土的含水量土的密度、土粒的比重、土的含水量三相草图有助于直观三相草图有助于直观理解物

12、性指标的概念理解物性指标的概念其它常用的物理性质指标其它常用的物理性质指标v表示土中孔隙含量的指标表示土中孔隙含量的指标v表示土中含水程度的指标表示土中含水程度的指标v表示土的密度和容重的指标表示土的密度和容重的指标三相草图可用于确定三相草图可用于确定物性指标之间的关系物性指标之间的关系三相草图法是求取物三相草图法是求取物理性质指标的简单而理性质指标的简单而有效的方法有效的方法22e emaxmax与与e emin min ：最大与最小孔隙比最大与最小孔隙比1. 粗粒土的密实状态粗粒土的密实状态密实度密实度如何衡量如何衡量? ?单位体积中固体颗粒含量的多少单位体积中固体颗粒含量的多少 或或 孔

13、隙含量的多少孔隙含量的多少优点：优点：简单方简单方便便缺点：缺点：不能反映级配的影不能反映级配的影响响 只能用于同一种土只能用于同一种土对对策策相对密度相对密度minmaxmaxreeeeD 干容重干容重 d d或或孔隙比孔隙比e e或孔隙率或孔隙率n n土的物理状态指标判别标准：判别标准： D Dr r = 1 = 1 , , 最密状态最密状态 D Dr r = 0 = 0 , , 最松状态最松状态 D Dr r 1/3 , 1/3 , 疏松状态疏松状态 1/3 1/3 2/3 2/3 , , 密实状态密实状态粗粒土的密实状态指标粗粒土的密实状态指标23塑限塑限wp液限液限wl稠度界限稠度界

14、限粘性土的稠度反映土中水的形态粘性土的稠度反映土中水的形态固态或固态或半固态半固态塑态塑态 流态流态 强结合水膜最大强结合水膜最大出现自由水出现自由水强结合水强结合水弱结合水弱结合水自由水自由水稠度状态稠度状态含水量含水量土中水的形态土中水的形态wplpIww 吸附弱结合吸附弱结合水的能力水的能力塑性指数塑性指数24相对稠度相对稠度pLlpwwIww 问题：仅适用于问题：仅适用于重塑土重塑土即使即使含水量相同，稠度可能不同稠度可能不同液性指数液性指数对不同的粘土，对不同的粘土，wp、wl 大小不同大小不同定义：定义：wpwwlIL1坚硬状坚硬状态态可塑状可塑状态态流流 态态0.00 0.250

15、.25 - 0.750.75 1.00硬硬塑塑可可塑塑软软塑塑对同一种粘土，含水量可反映其稠度对同一种粘土，含水量可反映其稠度问题：问题：25plpIww 吸附弱结合水的能力；大致反映粘土颗粒含量、粘性大小吸附弱结合水的能力；大致反映粘土颗粒含量、粘性大小塑性指数塑性指数常作为细粒土工程分类的依据常作为细粒土工程分类的依据缺点缺点不能充分反映粘土颗粒含量不能充分反映粘土颗粒含量 不同的粘土矿物结合水的能力不不同的粘土矿物结合水的能力不同同活性指活性指数数002. 0ppIA p0.002: 粒径小于粒径小于0.002mm颗粒的质量占总土总质量的百分颗粒的质量占总土总质量的百分比比A 1.25非

16、活性粘非活性粘土土正常粘土正常粘土活性粘土活性粘土二. 物理状态指标1.3 土的物理状态土的物理状态1 土的物性与分类26粗粒土的密实状态指标粗粒土的密实状态指标: 相对密度相对密度Dr 小结粘性土的稠度状态指标粘性土的稠度状态指标: 液性指数液性指数IL引入引入定义定义判别标准判别标准稠度界限稠度界限稠度状态稠度状态含水量含水量土中水的形态土中水的形态塑性指数塑性指数液性指数液性指数引入引入定义定义判别标准判别标准粗粒土与粘性土为何采用粗粒土与粘性土为何采用不同的物理状态指标？不同的物理状态指标？反映土的细观特点反映土的细观特点与力学特性有更直接的联系与力学特性有更直接的联系便于量测便于量测

17、27目的：依据：建筑地基基础设计规范-GB50007-2002分类法 土的工程分类土的工程分类是将工程性质相近的是将工程性质相近的土归为一类土归为一类便于研究、交流及应用能反映土的物理力学性质土的组成土的组成土的状态土的状态土的结构土的结构28建筑地基基础设计规范-GB50007-2002分类法 土土岩石岩石碎石土碎石土砂土砂土粉土粉土粘性土粘性土人工填土人工填土29碎石土土的名称土的名称 颗粒形状颗粒形状 粒组含量粒组含量漂石块石圆形及亚圆形为主棱角形为主粒径大于200mm的颗粒超过全质量50%卵石碎石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砾角砾粒径大于20mm的颗粒超过全质

18、量50%粒径大于2mm的颗粒超过全质量50%30砂土土的名称土的名称 粒组含量粒组含量粒径大于2mm的颗粒占全质量25 - 50%砾砂粗砂中砂细砂粉砂粒径大于0.5mm的颗粒超过全质量50%粒径大于0.25mm的颗粒超过全质量50%粒径大于0.075mm的颗粒超过全质量85%粒径大于0.075mm的颗粒超过全质量50%31粉土粒径大于粒径大于0.075mm的颗粒的颗粒含量小于全质量含量小于全质量50%而塑而塑性指数性指数Ip10的土的土塑性指数塑性指数Ip10的土的土粘性土1017的土的土粘土粘土粉质粘土粉质粘土A 1.25非活性粘土非活性粘土正常粘土正常粘土活性粘土活性粘土32压实：压实：指

19、通过夯打、振动、碾压等，使土体变得密指通过夯打、振动、碾压等，使土体变得密实、以提高土的强度、减小土的压缩性和渗透性实、以提高土的强度、减小土的压缩性和渗透性压实性：指土在一定压实能量作用下密度增长的特性研究击实性的目的： 以最小的能量消耗获得最大的压实密度 击实方法：室内击实试验现场试验: 夯打、振动、碾压土的压实性土的压实性33一. 室内击实试验 二. 细粒土的压实性 三. 粗粒土的压实性 34一. 室内击实试验 试验设备试验设备 击实筒击实筒V=V=1000cm3；击实锤击实锤w=25牛顿牛顿 试验条件试验条件 土样分层土样分层n=3层；落高层；落高d=30cm；击数击数N=27/ /层层 击实能量击实能量 3m/mKN5 .607VwdNnE 试验方法试验方法 对对=cosnst的土；分三层压实；的土；分三层压实； 测定击实后的测定击实后的、，算定算定d 注意注意：仅适用于细粒土；对粗粒土，可用较大尺仅适用于细粒土；对粗粒土，可用较大尺寸的击实仪寸的击实仪土土35二. 细粒土的压实性 1.1.击实曲线击实