土的组成和物理性质学习教案

1、土的组成土的组成(z chn)和物理性质和物理性质第一页，共79页。1 土的物性(w xn)与分类土的形成(xngchng)渗透特性(txng)变形特性(txng)强度特性(txng)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第1页/共79页第二页，共79页。1.1 土的形成1.2 土的三相组成(z chn)1.3 土的物理状态1.4 土的结构1.5 土的工程分类1.6 土的压实性 1 土的物性(w xn)与分类第2页/共79页第三页，共79页。1.1 土的形成(xngchng)土是岩石经过风化后在不同(b tn)条件下形成的自然历史的产物搬

2、运(bnyn)、沉积形成过程形成条件物理力学性质 风化土地球影响1 土的物性与分类岩石地球第3页/共79页第四页，共79页。生物(shngw)循环物理(wl)风化化学(huxu)风化量变无粘性土原生矿物质变粘性土次生矿物动植物的活动一. 风化有 机 质1.1土的形成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,或在运动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作用而改变其矿物的化学成分，形成新的矿物1 土的物性与分类第4页/共79页第五页，共79页。二. 搬运(bnyn)与沉积残积土无搬运(bnyn)运积土有搬运(bnyn)土质较好残积土强风化弱风化微风化母岩体颗粒表面

3、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1.1土的形成1 土的物性与分类第5页/共79页第六页，共79页。2. 搬运(bnyn)与沉积运积土有搬运(bnyn)风：风积土重力(zhngl): 坡积土 流水:洪积土冲积土湖泊沼泽沉积土海相沉积物冰川: 冰积土土粒粗细不同，性质不均匀有分选性，近粗远细浑圆度分选性明显，土层交迭含有机物淤泥，土性差颗粒细，表层松软，土性差土粒粗细变化较大，性质不均匀颗粒均匀，层厚而不具层理1.1土的形成1 土的物性与分类第6页/共79页第七页，共79

4、页。1.1 土的形成1.2 土的三相组成(z chn)1.3 土的物理状态1.4 土的结构1.5 土的工程分类1.6 土的压实性 1 土的物性(w xn)与分类第7页/共79页第八页，共79页。1.2 土的三相(sn xin)组成气相固相液相+构成土骨架(gji)，起决定作用重要(zhngyo)影响土体次要作用1 土的物性与分类第8页/共79页第九页，共79页。一. 固体(gt)颗粒物理状态力学(l xu)特性粒径级配1.2土的三相(sn xin)组成矿物成分颗粒形状 1 土的物性与分类第9页/共79页第十页，共79页。1. 粒径级配一. 固体(gt)颗粒颗粒(kl)大小各粒径成分(chng

5、fn)在土中占的比例狭义的粒径级配影响土性的主因1.2土的三相组成1 土的物性与分类第10页/共79页第十一页，共79页。颗粒(kl)大小粒组 按粗细进行分组，将粒径接近(jijn)的归成一类界限粒径一. 固体(gt)颗粒1.2土的三相组成1 土的物性与分类d(mm)d(mm)砾石砂粒粉粒粘粒胶粒6020.050.0050.0020.250.5520粗 中 细粗 中 细 极细0.1粗粒细粒第11页/共79页第十二页，共79页。粒径级配确定方法 筛分法：适用于粗粒土 (0.1 mm) 水分(shufn)法：适用于细粒土 (0.1 mm)各粒组的相对含量，用质量(zhling)百分数来表示表述方法

6、 粒径级配累积(lij)曲线一. 固体颗粒1.2土的三相组成1 土的物性与分类第12页/共79页第十三页，共79页。105.02.01.00.50.250.1200g101618242238721009080706050403020100小于某粒径之土质量(zhling)百分数P（）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)P%958778665536土的粒径级配累积(lij)曲线水分(shufn)法粒径粒径(mm)(mm)0.050.010.005百分数百分数P(%)P(%)2613.510一. 固体颗粒1.2土的三相组成1 土的物性与分类第13页/共79

7、页第十四页，共79页。1009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)土的粒径级配累积曲线d60d50d10d30d60d10d30CuCc0.33 0.005 0.063662.41特征粒径: d50 : 平均粒径d60 : 控制(kngzh)粒径d10 : 有效粒径d30 不均匀(jnyn)程度：Cu = d60 / d10 连续程度(chngd): Cc = d302 / (d60 d10 ) 曲率系数 不均匀系数Cu 5,级配不均匀粗细程度： 用d50 表示 一. 固体颗粒1.2土的三

8、相组成1 土的物性与分类第14页/共79页第十五页，共79页。1009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)土的粒径级配累积曲线d60d10d30曲线d60d10d30CuCcL0.33 0.0050.081663.98M0.0632.41R0.0300.545斜率: 某粒径范围内颗粒的含量 陡相应粒组质量(zhling)集中 缓-相应粒组含量少 平台-相应粒组缺乏连续(linx)程度: Cc = d302 / (d60 d10 ) 曲率系数较大颗粒(kl)缺少Cc 减小较小颗粒缺少Cc 增

9、大Cc = 1 3, 级配连续性好一. 固体颗粒1.2土的三相组成1 土的物性与分类第15页/共79页第十六页，共79页。粒径级配粒径级配累积曲线及指标(zhbio)的用途：1）粒组含量用于土的分类(fn li)定名；2）不均匀系数(xsh)Cu用于判定土的不均匀程度： Cu 5, 不均匀土； Cu 3 或 Cc 1,级配不连续土4）不均匀系数Cu和曲率系数Cc用于判定土的级配优劣： 如果 Cu 5且 C c = 1 3 ， 级配 良好的土； 如果 Cu 3 或 Cc 1g/cm3 冰点处于零下几十度 具有固体(gt)的特性 温度高于100C时可蒸发强结合(jih)水 位于强结合水之外，电场引

10、 力作用范围之内 外力作用下可以移动 不因重力而移动，有粘滞性弱结合水二. 土中水1.2土的三相组成1 土的物性与分类第24页/共79页第二十五页，共79页。自由(zyu)水重力(zhngl)水毛细水在重力作用(zuyng)下可在土中自由流动 存在于固气之间 在重力与表面张力作用下 可在土粒间空隙中自由移动二. 土中水1.2土的三相组成1 土的物性与分类第25页/共79页第二十六页，共79页。 = 湿润(shrn)角空气固体水lT = 界面(jimin)张力d = 毛管直径(zhjng)Td=2rua-uwua-uw = 压力差二. 土中水1.2土的三相组成1 土的物性与分类毛细水毛细现象毛细

11、管hc第26页/共79页第二十七页，共79页。土中毛细现象(mo x xin xing)上升(shngshng)高度:r2hcw=2rTcos毛细水分布(fnb)在土粒内部相互贯通的孔隙可以看成许多形状不一、直径互异、彼此连通的毛细管毛细升高与孔径成反比粘土粉土砂土砾石分析对象: 水柱二. 土中水1.2土的三相组成1 土的物性与分类第27页/共79页第二十八页，共79页。对砂土强度的影响(yngxing):毛细边角水, 假凝聚力 毛细压力(yl)2rTcos+ucr2 = 0毛细压力(yl) 非饱和土中毛细张力影响分析对象:水膜二. 土中水1.2土的三相组成1 土的物性与分类rThccos2第

12、28页/共79页第二十九页，共79页。三. 土中气体(qt)v自由气体：与大气连通，对土的性质影响不大v封闭气体：增加(zngji)土的弹性；阻塞渗流通道1.2土的三相(sn xin)组成1 土的物性与分类第29页/共79页第三十页，共79页。 土有三个组成部分(z chn b fn)：固相、液相和气相 小结(xioji)1. 固体(gt)颗粒2. 土中水3. 土中气体 粒径级配 矿物成分 颗粒形状 结合水 (强结合水、弱结合水) 自由水 (重力水、毛细水) 自由气体封闭气体1.2土的三相组成1 土的物性与分类第30页/共79页第三十一页，共79页。1.1 土的形成1.2土的三相组成1.3土的

13、物理状态1.4土的结构1.5土的工程(gngchng)分类1.6土的压实性 1 土的物性(w xn)与分类第31页/共79页第三十二页，共79页。1.3 土的物理(wl)状态土的物理状态(zhungti)粗粒土的松密程度粘性土的软硬程度土的物理性质(wl xngzh)指标(松密程度、干湿程度、轻重程度)力学特性影响表示1 土的物性与分类？第32页/共79页第三十三页，共79页。一. 物理性质(wl xngzh)指标土的三个组成(z chn)相的体积和质量上的比例关系1.3 土的物理(wl)状态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

14、、常见值或范围、联系与区别定义基本方法:三相草图法1 土的物性与分类第33页/共79页第三十四页，共79页。1. 三相(sn xin)草图WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm一. 物理性质(wl xngzh)指标质量(zhling)体积1.3 土的物理状态1 土的物性与分类第34页/共79页第三十五页，共79页。三相(sn xin)草图WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积已知关系(gun x)五个:共有(n yu)九个参数: V Vv Vs Va Vw / ms m w ma m剩下三个独立变量三相草图法物性指标是比例关系:可假设任一

15、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一. 物理性质指标1.3 土的物理状态1 土的物性与分类第35页/共79页第三十六页，共79页。2.室内测定(cdng)的三个物理性质指标WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积土的密度(md)、土粒的比重、土的含水量土的密度(md)土的容重=g工程上更常用, 用于计算土的自重应力单位: kg/m3 或 g/cm3单位: 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一. 物理

16、性质指标1.3 土的物理状态1 土的物性与分类第36页/共79页第三十七页，共79页。WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积土粒比重(bzhng)s: 土粒的密度，单位体积(tj)土粒的质量单位(dnwi): 无量纲土粒比重一般范围: 粘性土 2.702.75 砂 土 2.654C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:一. 物理性质指标1.3 土的物理状态1 土的物性与分类第37页/共79页第三十八页，共79页。WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm

17、质量体积土的含水量定义: 土中水的质量(zhling)与土粒质量(zhling)之比, 用百分数表示注意: 其实是含水比, 可达到(d do)或超过100表达式:一. 物理性质(wl xngzh)指标1.3 土的物理状态1 土的物性与分类第38页/共79页第三十九页，共79页。v表示土中孔隙含量(hnling)的指标孔隙(kngx)比孔隙(kngx)率(孔隙(kngx)度). 其它常用的物理性质指标关系: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

18、: 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+eWaterAirSolid体积三相草图可用于确定物性指标之间的关系一. 物理性质指标1.3 土的物理状态1 土的物性与分类第39页/共79页第四十页，共79页。v表示(biosh)土中含水程度的指标含水量饱和度WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积表达式:定义: 土中水的体积(tj)与孔隙体积(tj)的比值饱和度表示(biosh)孔隙中充满水的程度Sr=0 : 干土Sr=1 : 饱和土一. 物理性质指标1.3 土的物理状态1 土的物性与分类第40页/共79页第四十一页，共79页。v表示

19、(biosh)土的密度和容重的指标天然(tinrn)密度干密度(md)饱和密度awswsVVVmmVm 天然容重干容重浮容重浮密度有效容重饱和容重WaterAirSolidVaVwVsVvVma=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:一. 物理性质指标1.3 土的物理状态1 土的物性与分类第41页/共79页第四十二页，共79页。各种( zhn)密度容重之间的大小关系：天然(tinrn)密度干密度(md)饱和密度天然容重干容重Vmsd g gdd VVmvwssat gsatsat 浮容重wsa

20、t 饱和容重WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积一. 物理性质指标1.3 土的物理状态1 土的物性与分类第42页/共79页第四十三页，共79页。常用(chn yn)的物理性质指标间的换算关系教科书 表1-6要点(yodin)从物理(wl)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一. 物理性质指标1.3 土的物理状态1 土的物性与分类第43页/共79页第四十四页，共79页。小结(xioji)物理性质(wl xngzh)指标土的三个组成相的体积(tj)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、

21、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、土粒的比重、土的含水量三相草图有助于直观理解物性指标的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表示土的密度和容重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一. 物理性质指标1.3 土的物理状态1 土的物性与分类第44页/共79页第四十五页，共79页。二.土的物理(wl)状态指标土的物理状态粗粒土的松密程度(chngd)粘性土的软硬程度(chngd)土的物理性质(wl xngzh)指标(三相间的比例关系)力

22、学特性影响表示1.3 土的物理状态1 土的物性与分类第45页/共79页第四十六页，共79页。emax与emin ：最大与最小孔隙(kngx)比1. 粗粒土的密实(m shi)状态二. 物理状态(zhungti)指标密实度如何衡量?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干容重d或孔隙比e或孔隙率nemin = 0.35emin = 0.201.3 土的物理状态1 土的物性与分类第46页/共79页第四十七页，共79页。emax: 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

23、换算(hun sun)得到最大孔隙比emin: 最小孔隙比；将松散的风干(fnggn)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(kngx)比注意：室内测得理论上的最大与最小孔隙比有时很困难二. 物理状态指标1.3 土的物理状态1 土的物性与分类第47页/共79页第四十八页，共79页。粗粒土的密实状态(zhungti)指标 判别标准： Dr = 1 , 最密状态 Dr = 0 , 最松状态 Dr 1/3 , 疏松(sh sn)状态 1/3 2/3 , 密实状态相对(xingdu)密度minmaxmax

24、reeeeD 二. 物理状态指标1.3 土的物理状态1 土的物性与分类第48页/共79页第四十九页，共79页。2. 粘性(zhn xn)土的软硬状态也称稠度(chu d)状态稠度(chu d)状态与含水量有关粘性土含水量较硬变软流动二. 物理状态指标1.3 土的物理状态1 土的物性与分类第49页/共79页第五十页，共79页。塑限wp液限wl稠度(chu d)界限粘性土的稠度(chu d)反映土中水的形态固态(gti)或半固态(gti)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二. 物理状态指标1.3 土的物理状态1 土的物性与分类土颗粒强结合水弱结合

25、水土颗粒强结合水土颗粒自由水弱结合水强结合水吸附弱结合水的能力塑性指数第50页/共79页第五十一页，共79页。相对(xingdu)稠度问题(wnt)：仅适用于重塑土即使含水量相同，稠度可能(knng)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 态0.00 0.250.25 - 0.750.75 1.00硬塑可塑软塑二. 物理状态指标1.3 土的物理状态1 土的物性与分类对同一种粘土，含水量可反映其稠度问题：第51页/共79页第五十二页，共79页。plpIww吸附弱结合水的能力；大致反映粘土颗粒含量(hnling)、粘性大小塑性(sxng)指数常作为(

26、zuwi)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二. 物理状态指标1.3 土的物理状态1 土的物性与分类第52页/共79页第五十三页，共79页。粗粒土的密实状态指标: 相对(xingdu)密度Dr 小结(xioji)粘性土的稠度状态指标(zhbio): 液性指数IL引入定义判别标准稠度界限稠度状态含水量土中水的形态塑性指数液性指数引入定义判别标准二. 物理状态指标1.3 土的物理状态1 土的物性与分类粗粒土与粘性土为何采用不同的物理状态指标

27、？反映土的细观特点与力学特性有更直接的联系便于量测第53页/共79页第五十四页，共79页。1.1 土的形成1.2土的三相组成1.3土的物理(wl)状态1.4土的结构1.5土的工程分类1.6土的压实性 1 土的物性(w xn)与分类第54页/共79页第五十五页，共79页。土颗粒或粒团的空间(kngjin)排列和相互联结1.4 土的结构(jigu)土粒间的作用力粘性(zhn xn)土的结构性指标力学特性土的结构影响粗粒土的结构细粒土的结构重塑土的强度原状土的强度16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1.4 土的结构1 土的物性与分类第59页/共79

28、页第六十页，共79页。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。土的触变性是土结构中联结(linji)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。2. 粘性(zhn xn)土的触变性 1.4 土的结构(jigu)1 土的物性与分类第60页/共79页第六十一页，共79页。小结(xioji)土颗粒(kl)或粒团的空间排列和相互联结土粒间的作用力粘性(zhn xn)土的结构性指标土的结构粗粒土的结构细粒土的结构1.4 土的结构1 土的物性与分类第61页/共79页第六十二页，共79页。1.1 土的形成1.

29、2土的三相组成1.3土的物理状态1.4土的结构(jigu)1.5土的工程分类1.6土的压实性 1 土的物性(w xn)与分类第62页/共79页第六十三页，共79页。目的(md)：依据(yj)：建筑(jinzh)地基基础设计规范-GB50007-2002分类法 水利部SL237-001-1999分类法1.5 土的工程分类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1 土的物性与分类第63页/共79页第六十四页，共79页。建筑(jinzh)地基基础设计规范-GB50007-2002分类法 土岩石碎石土砂土(sh t)粉土粘性土人工填土1.5 土的工

30、程(gngchng)分类1 土的物性与分类第64页/共79页第六十五页，共79页。建筑(jinzh)规范分类法 碎石(su sh)土土的名称 颗粒形状(xngzhun) 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的颗粒超过全质量50%粒径大于2mm的颗粒超过全质量50%1.5 土的工程分类1 土的物性与分类第65页/共79页第六十六页，共79页。砂土(sh t)土的名称(mngchng) 粒组含量粒径大于2mm的颗粒(kl)占全质量25 - 50%砾砂粗砂中砂细砂粉砂粒径

31、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%建筑规范分类法 1.5 土的工程分类1 土的物性与分类第66页/共79页第六十七页，共79页。粉土粒径大于0.075mm的颗粒含量小于全质量50%而塑性(sxng)指数Ip10的土塑性(sxng)指数Ip10的土粘性(zhn xn)土1017的土粘土粉质粘土A 1.25非活性粘土正常粘土活性粘土建筑规范分类法 1.5 土的工程分类1 土的物性与分类第67页/共79页第六十八页，共79页。1.1 土的形成(xngchng)1.2土的

32、三相组成1.3土的物理状态1.4土的结构1.5土的工程分类1.6土的压实性 1 土的物性(w xn)与分类第68页/共79页第六十九页，共79页。压实：指通过(tnggu)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压实性：指土在一定压实能量作用(zuyng)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(hud)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1.6 土的压实性1 土的物性与分类第69页/共79页第七十页，共79页。一. 室内(sh ni)击实试验 二. 细粒(x l)土的压实性 三. 粗粒土的压实性 1.6 土的压实性1 土的物性(w xn)与分类第70页/共79页第七十一页，共79页。一. 室内(sh ni)击实试验 试验(shyn)设备 击实筒V=1000cm3；击实锤w=25牛顿 试验(shyn)