2-土力学(composition)土的物理力学性质及分类

1、 2.1 土的三相比例指标土的三相比例指标 2.2 黏性土的物理特征黏性土的物理特征 2.3 无黏性土的密实度无黏性土的密实度 2.4 粉土的密实度和湿度粉土的密实度和湿度* 2.5 土的胀缩性、湿陷性和冻胀性土的胀缩性、湿陷性和冻胀性* 2.6 土的压实性土的压实性 2.7 土的分类土的分类 2.1 2.1 土的三相比例指标土的三相比例指标 2.2 2.2 黏性土的物理特征黏性土的物理特征 2.3 2.3 无黏性土的密实度无黏性土的密实度 2.4 2.4 粉土的密实度和湿度粉土的密实度和湿度* * 2.5 2.5 土的胀缩性、湿陷性和冻胀性土的胀缩性、湿陷性和冻胀性* * 2.6 2.6 土

2、的压实性土的压实性 2.7 2.7 土的分类土的分类31. 三相图WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积2.1土的三相比例指标2土的物理性质及分类4三相草图WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积sawvawVVVVVVVswaawwwmmmmm0mV 已知关系五个:共有九个参数: V Vv Vs Va Vw / ms m w ma m剩下三个独立变量三相图法物性指标是比例关系:可假设任一参数为1对于饱和土, Va=0剩下两个独立变量实验室测定其它指标是一种简单而实用的方法2.1土的三相比例指标2土的物理性质及分类52.室内测定的三

3、个物理性质指标WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积土的密度、土粒比重、土的含水量土的密度awswsVVVmmVm 土的重度=g工程上更常用, 用于计算土的自重应力单位: SI：kg/m3 国内： g/cm3单位: SI：N/m3 国内：kN/m3 一般范围: 1.602.20 g/cm3定义: 单位体积土的质量有时也称土的天然密度表达式:相关指标:三相草图有助于直观理解物性指标的概念2.1土的三相比例指标2土的物理性质及分类6WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积土粒比重s: 土粒的密度，单位体积土粒的质量sssVm 单位: 无

4、量纲土粒比重一般范围: 粘性土 2.702.75 砂 土 2.65Cw4C4wssG 4C时纯蒸馏水的密度C4w =1.0 g/cm3土粒比重在数值上等于土粒的密度定义: 土粒的密度与4C时纯蒸馏水的密度的比值表达式:2.1土的三相比例指标2土的物理性质及分类 m0 ms m1 m2 空瓶质量 烘干土的质量 瓶+水的质量 瓶+土+水的质量 m1+ms瓶+水（满）的质量+干土的质量； m1+ms-m2与土粒体积相同的水的质量。比重瓶法2.1土的三相比例指标2土的物理性质及分类阿基米德定律8WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积土的含水率ssswmmmmmw(%)定

5、义: 土中水的质量与土粒质量之比, 用百分数表示注意: 其实是含水比, 可达到或超过100表达式:2.1土的三相比例指标2土的物理性质及分类烘干法2.1土的三相比例指标2土的物理性质及分类10v表示土中孔隙含量的指标孔隙比孔隙率(孔隙度)svVVe . 其它常用物理性质指标VVnv(%)关系:een1nne1在某种程度上反映土的松密砂类土：28-35%粘性土：30-50%有的可达60-70%定义: 土中孔隙体积与固体颗粒体积之比, 无量纲表达式:WaterAirSolidVaVwVsVvV体积定义: 土中孔隙体积与总体积之比, 用百分数表示表达式:Vs=1Vv=eV=1+eWaterAirSo

6、lid体积三相草图可用于确定物性指标之间的关系2.1土的三相比例指标2土的物理性质及分类11v表示土中含水程度的指标swmmw(%)含水率饱和度vwrVVS WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积表达式:定义: 土中水的体积与孔隙体积的比值饱和度表示孔隙中充满水的程度Sr=0 : 干土Sr=1 : 饱和土2.1土的三相比例指标2土的物理性质及分类12v表示土的密度和重度的指标天然密度干密度饱和密度awswsVVVmmVm天然重度干重度VmsdggddVVmvwssatgsatsat浮重度wsat浮密度有效重度饱和重度WaterAirSolidVaVwVsVvVm

7、a=0mwmsm质量体积单位: kg/m3 或 g/cm3单位: kN/m3 定义: 土被完全烘干时的密度, 等于 单位体积内土粒的质量表达式:2.1土的三相比例指标2土的物理性质及分类？13各种密度重度之间的大小关系：dsat dsat天然密度干密度饱和密度Vm天然重度干重度VmsdggddVVmvwssatgsatsat浮重度wsat饱和重度WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积2.1土的三相比例指标2土的物理性质及分类14常用的物理性质指标间的换算关系教科书 P35 表2-2要点从物理意义上理解指标间的关系不鼓励死记硬背必要时利用三相草图推导2.1土的三相

8、比例指标2土的物理性质及分类Gs w = e Sre = s/ d - 1基本公式基本公式d= /(1+w)wssateeG1单位：g/cm3例题分析例题分析 n【例】某土样经试验测得体积为某土样经试验测得体积为100cm3，湿土质量为湿土质量为187g，烘干后，干土质量为烘干后，干土质量为167g。若土粒的相对密度若土粒的相对密度Gs为为2.66，求该土样的含水量，求该土样的含水量w、密度密度、重度重度 、干重度干重度d 、孔隙比、孔隙比e、饱和重度、饱和重度sat和有效重度和有效重度 【解解答】答】11.98%167167187100%swmmw3/87. 1100187cmgVm3/7

9、.181087. 1mkNg316.7kN/m10100167gdd0.59311.870.1198)2.66(11ws)w1(Ge%7 .53593. 066. 21198. 0ewGSsr3kN/m 20.4100.59310.5932.661wssateeG310.4kN/m100.42wsat16小结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干湿程度轻重程度特点: 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、联系与区别定义基本方法:三相草图法室内测定的三个物理性质指标土的密度、土粒比重、土的含水量三相草图有助于直观理解物性指标的

10、概念其它常用的物理性质指标v表示土中孔隙含量的指标v表示土中含水程度的指标v表示土的密度和重度的指标三相草图可用于确定物性指标之间的关系三相草图法是求取物理性质指标的简单而有效的方法2.1土的三相比例指标2土的物理性质及分类 2.1 2.1 土的三相比例指标土的三相比例指标 2.2 2.2 黏性土的物理特征黏性土的物理特征 2.3 2.3 无黏性土的密实度无黏性土的密实度 2.4 2.4 粉土的密实度和湿度粉土的密实度和湿度* * 2.5 2.5 土的胀缩性、湿陷性和冻胀性土的胀缩性、湿陷性和冻胀性* * 2.6 2.6 土的压实性土的压实性 2.7 2.7 土的分类土的分类181. 粘性土的

11、软硬状态 也称稠度状态稠度状态与含水量有关粘性土含水量较硬变软流动2.2黏性土的物理特征2土的物理性质及分类19塑限wP液限wL稠度界限粘性土的稠度反映土中水的形态固态或半固态塑态 流态 强结合水膜最大出现自由水强结合水弱结合水自由水稠度状态含水量土中水的形态w土颗粒强结合水弱结合水土颗粒强结合水土颗粒自由水弱结合水强结合水plpIww吸附弱结合水的能力塑性指数2.2黏性土的物理特征2土的物理性质及分类20相对稠度pLlpwwIww 即使含水量相同，稠度可能不同液性指数对不同的粘土，wP、wL 大小不同定义：wPwwLIL1坚硬状态可塑状态流 塑0.00 0.250.25 0.750.75 1

12、.00硬塑可塑软塑对同一种粘土，含水量可反映其稠度问题：2.2黏性土的物理特征2土的物理性质及分类GB 5007-200221plpIww吸附弱结合水的能力；大致反映粘土颗粒含量、粘性大小塑性指数常作为细粒土工程分类的依据缺点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同活性指数002. 0ppIA p0.002: 粒径小于0.002mm颗粒的质量占总土总质量的百分比（取数值大小）A 1.25非活性粘土正常粘土活性粘土2.2黏性土的物理特征2土的物理性质及分类液、塑限的测定测定塑限的方法：搓条法和液塑限联合测定法测定液限的方法：碟式仪法和液塑限联合测定法 n 液、塑限联合测定法： 塑

13、限5秒入土2mm时的含水率 10mm液限 5秒入土10mm时的含水率 17mm液限 5秒入土17mm时的含水率2.2黏性土的物理特征2土的物理性质及分类wL2.2黏性土的物理特征2土的物理性质及分类25击合拢长度13mm时含水率为液限2.2黏性土的物理特征2土的物理性质及分类n 碟式仪法2.2黏性土的物理特征2土的物理性质及分类碟式仪法碟式仪所测碟式仪所测wL与联合测定仪所测与联合测定仪所测wL搓条法所测搓条法所测wL与联合测定仪所测与联合测定仪所测wL碟式仪法所测wL与搓条法所测wP联合测定法所测wL与wP土的缩限用收缩皿法测定，把土料的含水率调制到大于土的液限，然后将试样分层填入收缩皿中，

14、刮平表面，烘干，测出干试样的体积并称量准确至0.1g后，按下式计算： （1-29）式中：ws土的缩限（） w制备时的含水率（）V1湿试样的体积（cm3） ，V2干试样的体积（cm3）10021wssmVVww2.2黏性土的物理特征2土的物理性质及分类28plpIww吸附弱结合水的能力；大致反映粘土颗粒含量、粘性大小塑性指数常作为细粒土工程分类的依据缺点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同活动度（活性指数）002. 0ppIA p0.002: 粒径小于0.002mm颗粒的质量占总土总质量的百分比A 1.25非活性粘土正常粘土活性粘土2.3黏性土的活动度、灵敏度和触变性2土的物

15、理性质及分类1. 29uutqqS 2. 反映粘性土结构性的指标 03 uquq 相同含水量、密度粘性土的灵敏度 St =原状土结构性相同含水量密度、组成粉碎重塑重塑土强度降低St112244881616粘性土不灵敏低灵敏中等灵敏灵敏很灵敏流动原状土的无侧限抗压强度重塑土的无侧限抗压强度2土的组成2.3黏性土的活动度、灵敏度和触变性30含水量不变，密度不变，因重塑而强度降低，又因静置而逐渐强化，强度逐渐恢复的现象，称为触变性触变性。土的触变性是土结构中联结形态发生变化引起的，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。3. 粘性土的触变性 1 土的组成1.5土的结构

16、和构造黏性土触变特性黏性土触变特性 2.1 2.1 土的三相比例指标土的三相比例指标 2.2 2.2 黏性土的物理特征黏性土的物理特征 2.3 2.3 无黏性土的密实度无黏性土的密实度 2.4 2.4 粉土的密实度和湿度粉土的密实度和湿度* * 2.5 2.5 土的胀缩性、湿陷性和冻胀性土的胀缩性、湿陷性和冻胀性* * 2.6 2.6 土的压实性土的压实性 2.7 2.7 土的分类土的分类emax与emin ：最大与最小孔隙比密实度如何衡量?单位体积中固体颗粒含量的多少 或 孔隙含量的多少优点：简单方便缺点：不能反映级配的影响 只能用于同一种土对策相对密度minmaxmaxreeeeD 干重度

17、d或孔隙比e或孔隙率nemin = 0.35emin = 0.202.3无黏性土的密实度2土的物理性质及分类35emax: 最大孔隙比；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，求得土的最小干密度再经换算得到最大孔隙比emin: 最小孔隙比；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，直至密度不再提高，求得土的最大干密度再经换算得到最小孔隙比emax与emin ：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很困难注意：室内测得理论上的最大与最小孔隙比有时很困难2.3无黏性土的密实度2土的物理性质及分类36粗粒土的密实状态指标 判别标准： Dr = 1 ,

18、 最密状态 Dr = 0 , 最松状态 Dr 1/3 , 疏松状态 1/3 2/3 , 密实状态相对密度相对密度minmaxmaxreeeeD dmindmaxdmaxdminddr)()(D 2.3无黏性土的密实度2土的物理性质及分类 标准贯入试验（Standard Penetration Test） 标准贯入数 N63.5 锤 重：63.5kg 落 距：760mm 打入深度：300mm2.3无黏性土的密实度2土的物理性质及分类标准贯入试验击数标准贯入试验击数N N为标准为标准301510松散松散中密中密密实密实稍密稍密N最疏最密建筑地基基础设计规范（ GB5007-2002）2.3无黏性土

19、的密实度2土的物理性质及分类 2.1 2.1 土的三相比例指标土的三相比例指标 2.2 2.2 黏性土的物理特征黏性土的物理特征 2.3 2.3 无黏性土的密实度无黏性土的密实度 2.4 2.4 粉土的密实度和湿度粉土的密实度和湿度* * 2.5 2.5 土的胀缩性、湿陷性和冻胀性土的胀缩性、湿陷性和冻胀性* * 2.6 2.6 土的压实性土的压实性 2.7 2.7 土的分类土的分类40压实性：指土在一定压实能量作用下密度增长的特性压实：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

20、验现场试验: 夯打、振动、碾压2.6土的压实性2土的物理性质及分类41一一. . 室内击实试验室内击实试验 二二. . 细粒土的压实性细粒土的压实性 三三. . 粗粒土的压实性粗粒土的压实性 2.6土的压实性2土的物理性质及分类42一. 室内击实试验 试验设备 击实筒V=1000cm3；击实锤w=25N 试验条件 土样分层n=3层；落高d=30cm；击数N=27/层 击实能量 3/5 .607mmkNVwdNnE 试验方法 对w=const的土；分三层压实； 测定击实后的w、，算定d 注意：仅适用于细粒土；对粗粒土，可用较大尺寸的击实仪土2.6土的压实性2土的物理性质及分类击实仪2.6土的压实

21、性2土的物理性质及分类44二. 细粒土的压实性 1.击实曲线2.理论分析 3.影响因素4.压实标准2.6土的压实性2土的物理性质及分类451.击实曲线 特点：具有峰值位于饱和曲线之下 粘性土渗透系数很小，压实过程中含水量几乎不变，要想击实到饱和状态是不可能的。satdd)( 0 4 8 12 16 20 24 28含水量w(%)2.0干密度d(g/cm3)饱和曲线dmax=1.86wop=12.1rswsdS/wG1G wG1G)(swssatd 1Sr 最大干密度最优含水量2.6土的压实性2土的物理性质及分类462. 理论分析 压实机理： 颗粒被击碎，土粒定向排列; 粒团破

22、碎，粒间联结力被破坏而发生孔隙体积减小; 空气被挤出或被压缩等水膜润滑作用效果最佳; 尚没有形成封闭气泡，气体易于排出;颗粒表面水膜很薄，相对移动困难 水膜润滑作用不明显;封闭气泡难以排出;增加水的相对含量 w wop, d dmaxw wop , d wop , d9598% 级土石坝 Dc9295% 2.6土的压实性2土的物理性质及分类49不存在最优含水量； 在完全风干和饱和两种状态 下易于击实；潮湿状态下d明显降低。 三. 粗粒土的压实性 1.击实曲线特点d w20%粗砂 w =45%中砂 w =7%； 时，干密度最小 2. 理论分析 对粗粒土，击实过程中可以自由排水，不存在细粒土中出现

23、的现象。 在潮湿状态下，存在着假凝聚力，加大了阻力。3. 压实标准 常用相对密度控制 Dr 0.70.75 施工过程中要么风干，要么就充分洒水，使土料饱和 2.6土的压实性2土的物理性质及分类50小结一. 室内击实试验 二. 细粒土的压实性 三. 粗粒土的压实性 1.击实曲线2.理论分析 3.影响因素4.压实标准1.击实曲线2.理论分析 3.压实标准2.6土的压实性2土的物理性质及分类 2.1 2.1 土的三相比例指标土的三相比例指标 2.2 2.2 黏性土的物理特征黏性土的物理特征 2.3 2.3 无黏性土的密实度无黏性土的密实度 2.4 2.4 粉土的密实度和湿度粉土的密实度和湿度* *

24、2.5 2.5 土的胀缩性、湿陷性和冻胀性土的胀缩性、湿陷性和冻胀性* * 2.6 2.6 土的压实性土的压实性 2.7 2.7 土的分类土的分类52目的：依据：建筑地基基础设计规范-GB50007-2002分类法 其它部门，如水利、铁路、公路等分类法是将工程性质相近的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状态土的结构 2.7 土的分类2土的物理性质及分类53土岩石碎石土砂土粉土粘性土人工填土 2.7 土的分类2土的物理性质及分类建筑地基基础设计规范-GB50007-2002分类法 54建筑规范分类法 碎石土土的名称 颗粒形状 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