土力学第一章土的物理性质及工程分类PPT

土的物理理性质及及工程分分类第一章对土的特特点进行行详细解解释和定定量描述述本章特点点:看起来零零散学习要点点:理清各节间联联系各节内层层次§1土的物性性及分类类土的生成成渗透特性变形特性强度特性土的三相组组成土的物理状状态土的结构与与构造土的工程分分类决定影响便于研究和和应用§1土的物性及及分类§1.1土的生成§1.2土的三相组组成§1.3土的三相比比例指标§1.4土的物理状态指指标§1.5土的结构与与构造§1.6土的工程分分类§1.1土的生成土是岩石经经过风化后后在不同条条件下形成成的自然历历史的产物物搬运、沉积积§1土的物性及及分类形成过程形成条件物理力学性性质风化岩石地球土地球影响生物风化物理风化化学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活动§1土的物性及及分类一.风化有机质质§1.1土的生成岩石和土的的粗颗粒受受各种气候候因素的影影响产生胀胀缩而发生生裂缝,或在运动过过程中因碰碰撞和摩擦擦而破碎母岩表面和和碎散的颗颗粒受环境境因素的作作用而改变变其矿物的的化学成分分，形成新新的矿物二.搬运与沉积积残积土无搬运运积土有搬运土质较好§1土的物性及及分类残积土强风化弱风化微风化母岩体颗粒表面粗粗糙多棱角粗细不均无层理§1.1土的生成母岩表层经经风化作用用破碎成岩岩屑或细小小颗粒后，，未经搬运运残留在原原地的堆积积物风化所形成成的土颗粒粒，受自然然力的作用用搬运到远远近不同的的地点所沉沉积的堆积积物2.搬运与沉积积运积土有搬运风：风积土§1土的物性及及分类重力:坡积土流水:洪积土冲积土湖泊沼泽沉沉积土海相沉积物物冰川:冰积土§1.1土的生成土粒粗细不不同，性质质不均匀有分选性，，近粗远细细浑圆度分选选性明显，，土层交迭迭含有机物淤淤泥，土性性差颗粒细，表表层松软，，土性差土粒粗细变变化较大，，性质不均均匀颗粒均匀，，层厚而不不具层理第四纪沉积积物：属于于新生代，，距今100多万年，尚尚未胶结硬硬化§1.2土的三相组组成气相固相液相++构成土骨架，，起决定作用用重要影响土体§1土的物性及分分类次要作用一.固体颗粒物理状态力学特性颗粒级配§1土的物性及分分类§1.2土的三相组成成矿物成分颗粒形状1.颗粒级配一.固体颗颗粒§1土的物性及分分类§1.2土的三相组成成颗粒大小各粒径成分在在土中占的比比例狭义的颗粒级配影响土性的主主因颗粒大小粒组按粗细进行分分组，将粒径径接近的归成成一类界限粒径一.固体颗颗粒§1土的物性及分分类§1.2土的三相组成成颗粒级配确定方法——颗粒分析试验验筛分法：适用于粗粒粒土(>0.075mm)沉降分析法：适用于细粒粒土(<0.075mm)——各粒组的相对对含量，用质质量百分数来来表示表述方法颗粒级配累积积曲线§1土的物性及分分类一.固体颗颗粒§1.2土的三相组成成一.固体颗颗粒§1土的物性及分类105.02.01.00.50.250.075200g101618242238721009080706050403020100小于于某某粒粒径径之之土土质质量量百百分分数数P（％％））105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径径(mm)§1.2土的的三三相相组组成成P%958778665536土的的颗颗粒粒级级配配累累积积曲曲线线沉降降分分析析法法粒径(mm)0.050.010.005百分数P(%)2613.510颗粒粒分分析析试试验验———密度度计计法法1、依依据据(stokes)定律律：：当土土粒粒在在液液体体中中靠靠自自重重下下沉沉时时，，较较大大的的颗颗粒粒下下沉沉较较快快，，而而较较小小的的颗颗粒粒下下沉沉较较慢慢。。一般般认认为为，，粒粒径径为为0.2--0.002mm的颗颗粒粒，，在在液液体体中中靠靠自自重重下下沉沉时时作作等等速速运运动动。。一、、试试验验原原理理———土粒粒在在水水中中的的沉沉降降原原理理2、Stokes公式式———土粒粒下下降降速速度度与与直直径径的的关关系系式中中：：V——土粒粒的的沉沉降降速速度度，，cm/s；d——土粒粒直直径径，，mm；（（等效效直直径径））ρs—土粒粒密密度度，，g/cm3；ρw—水的的密密度度，g/cm3；η——水的的动动力力粘粘滞滞系系数数，，10-6kPa••s；g——重力力加加速速度度，，cm/s2“等效效直直径径””是是指指土粒粒沉沉降降速速度度与某一一粒粒径径的的球球形形颗颗粒粒的沉沉降降速速度度相相等等，，那那么么这这球球形形颗颗粒粒的的直直径径即即为为该该土土粒粒的的直直径径。。3、计计算算土土粒粒粒粒径径的的公公式式K————粒径径计计算算系系数数，，与与悬液液温温度度和土粒粒比比重重有关关；；查查《试验验指指导导书书》附表表2-1；L————某一一时时间间t内的的土土粒粒沉沉降降距距离离，，依依密度度计计读读数数由试试验验室室手手册册中中查查出出。。具体体试试验验步步骤骤自自学学试试验验指指导导手手册册一.固固体体颗颗粒粒§1土的的物物性性及分类类§1.2土的的三三相相组组成成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)土的颗粒级配累积曲线d60d50d10d30d60d10d30CuCc0.330.0050.063662.41特征征粒粒径径:d50:平均均粒径径d60:限制制粒径径d10:有效效粒径径d30:中值值粒粒径径不均均匀匀程程度度：Cu=d60/d10连续续程程度度:Cc=d302/(d60×d10)—曲率率系系数数—不均均匀匀系系数数Cu≥5,级配配不不均均匀匀粗细细程程度度：用d50表示示一.固固体体颗颗粒粒§1土的的物物性性及分类类§1.2土的的三三相相组组成成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)土的颗粒级配累积曲线d60d10d30曲线d60d10d30CuCcL0.330.0050.081663.98M0.0632.41R0.0300.545斜率率:某粒粒径径范范围围内内颗颗粒粒的的含含量量陡—相应粒组组质量集集中缓--相应粒组组含量少少平台--相应粒组组缺乏连续程度度:Cc=d302/(d60×d10)—曲率系数数较大颗粒粒缺少Cc减小较小颗粒粒缺少Cc增大Cc=1~3,级配连续续性好颗粒级配配颗粒级配配累积曲曲线及指指标的用用途：1）粒组含量量用于土土的分类类定名；2）不均匀系系数Cu用于判定定土的不不均匀程程度：Cu≥5,不均匀土土；Cu<5,匀粒土3）曲率系数数Cc用于判定定土的连连续程度度：Cc=1~3,级配连续续土；Cc>3或Cc<1,级配不连连续土4）Cu和Cc用于判定定砾类或或砂类土土的级配配优劣：：如果Cu≥5且Cc=1~3，级配良良好的土土；如果Cu<5或Cc>3或Cc<1,级配不不良的土土§1土的物性性及分类一.固固体颗粒粒§1.2土的三相相组成2.矿物成分分原生矿物物石英、长石、云母等次生矿物物主要是粘土矿物物，包括括三种类类型高岭石、伊里石、蒙托石§1土的物性性及分类一.固固体颗粒粒§1.2土的三相相组成粘土矿物物:由硅片和和铝片构构成的晶晶胞（晶晶格）所所组合而而成§1土的物性性及分类一.固固体颗粒粒§1.2土的三相相组成硅片的结结构（硅硅-氧四面体体）§1土的物性性及分类一.固固体颗粒粒§1.2土的三相组组成铝片的结构构（铝-氢氧离子八八面体）§1土的物性及分类一.固体颗粒§1.2土的三相组组成粘土矿物的的晶格构造造：二层型晶格格三层型晶格格高岭石蒙托石伊利石粒径比表面积亲水性胀缩性性渗透性性强度大10-20m2/g小小大大中80-100m2/g中中中中小800m2/g大大小小比表面积：：单位质质量土颗粒粒所拥有的的总表面积积9克蒙托石的的总表面积积大约与一一个足球场场一样大§1土的物性及分类一.固体颗粒§1.2土的三相组组成粘土矿物的的带电性质质研究表明：：粘土颗粒的的表面带电电荷，净电电荷通常为为负电荷3.颗粒形状原生矿物圆状、浑圆圆状、棱角角状次生矿物针状、片状状、扁平状状§1土的物性及分类一.固体体颗粒§1.2土的三相组组成结晶水矿物内部的的水结合水吸吸附附在土颗粒粒表面的水水自由水电电场场引力作用用范围之外外的水土中冰由由自由水水冻成，冻冻胀融陷§1土的物性及分类§1.2土的三相组组成二.土中水水（液相）§1土的的物物性性及分类类§1.2土的的三三相相组组成成二.土土中中水水结合合水水排列列致致密密、、定定向向性性强强密度度>1g/cm3冰点点处处于于零零下下几几十十度度具有有固固体体的的特特性性温度度高高于于100°°C时可可蒸蒸发发强结结合合水水位于于强强结结合合水水之之外外，，电电场场引引力作作用用范范围围之之内内外力力作作用用下下可可以以移移动动不因因重重力力而而移移动动，，有有粘粘滞滞性性弱结结合合水水自由由水水重力力水水毛细细水水存在在于于地地下下水水位位以以下下透透水水层层中中在重重力力作作用用下下可可在在土土中中自自由由流流动动存在在于于地地下下水水位位以以上上透透水水层层中中在重力与表面面张力作用下下可在土粒间空空隙中自由移移动§1土的物性及分类§1.2土的三相组成成二.土中水水§1土的物性及分类§1.2土的三相组成成二.土中水水土中毛细现象象上升高度:毛细水分布在土粒内内部相互贯通通的孔隙可以以看成许多形形状不一、直直径互异、彼彼此连通的毛毛细管毛细升高与孔孔径成反比三.土中气体自由气体：与大气连通，，对土的性质质影响不大封闭气体：增加土的弹性性；阻塞渗流流通道§1土的物性及分类§1.2土的三相组成成土有三个组成成部分：固相相、液相和气气相小结1.固体颗粒2.土中水3.土中气体体粒径级配矿物成分颗粒形状结合水(强结合水、弱弱结合水)自由水(重力水、、毛细水)自由气体封闭气体§1土的物性及分类§1.2土的三相组成成作业第33页第第6题作业要求：独独立完成，每每章交一次，，在该章讲课课结束后下次次上课时交。。迟交或不认真真完成者在平平时成绩中扣扣分§1土的物性及分类§1.1土的生成§1.2土的三相组成成§1.3土的三相比例例指标？§1.4土的物理状态态指标§1.5土的结构与构构造§1.6土的工程分类类§1.3土的三相比例例指标土的物理状态态无黏性土的松松密程度黏性土的软硬硬状态§1土的物性及分类土的三相比例例指标(三相间的比例例关系)力学特性影响表示三相比例指标标——物理性质指标标土的三个组成成相的体积和和质量上的比比例关系§1土的物性及分类§1.3土的三相比例例指标密实程度干湿程度……特点:指标概念简单单，数量很多多要点：名称、概念或或定义、符号号、表达式、、单位或量纲、、常见值或范范围、联系与与区别定义基本方法:三相草图法1.三相草图WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm§1土的物性及分类质量体积§1.3土的三相比例指标标三相草图§1土的物性及分类WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积已知关系五个个:共有九个参数数:VVvVsVaVω/msmωmam剩下三三个独独立变变量三相草草图法法物性指指标是是比例例关系系:可假设设任一一参数数为1对于饱饱和土土,Va=0剩下两两个独独立变变量试验室室测定定推导其它指指标是一种种简单单而实实用的的方法法§1.3土的三三相比比例指指标§1土的物物性及分类2.室内测测定的的三个个物理理性质质指标标WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积----土的密密度、、土粒粒的比比重、、土的的含水水量土的密密度土的重重度γ=ρg工程上上更常常用,用于计计算土土的自自重应应力单位:kg/m3或g/cm3单位:kN/m3一般范范围:1.60——2.20g/cm3定义:土单位位体积积的质质量有时也也称土的天天然密密度§1.3土的三三相比比例指指标表达式式:相关指指标:三相草草图有有助于于直观观理解解物性性指标标的概概念试验方方法:环刀法法g取10m/s2§1土的物物性及分类WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积土粒比比重s:土粒的的密度度，单单位体体积土土粒的的质量量单位:无量纲纲土粒比比重一一般范范围:粘性土土2.72——2.76砂土土2.654˚C时纯蒸蒸馏水水的密密度=1.0g/cm3土粒比比重在在数值值上等等于土土粒的的密度度定义:土粒的密度度与4˚C时纯蒸馏水水的密度的的比值§1.3土的三相比比例指标表达式:试验测定方方法：比重重瓶法§1土的物性及分类WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积土的含水率率定义:土中水的质质量与土粒粒质量之比比,用百分数数表示注意:其实是含含水比,可达到或或超过100％§1.3土的三相相比例指指标表达式:试验测定定方法：：烘干法法表示土中中孔隙含含量的指指标孔隙比孔隙率(孔隙度)§1土的物性性及分类３.其它常用用的物理理性质指指标关系:在某种程程度上反反映土的的松密砂类土：：28-35%粘性土：：30-50%有的可达达60-70%§1.3土的三相相比例指指标定义:土中孔隙隙体积与与固体颗颗粒体积积之比,无量纲表达式:WaterAirSoilVaVwVsVvV体积定义:土中孔隙隙体积与与总体积积之比,用百分数数表示表达式:Vs=1Vv=eV=1+eWaterAirSoil体积三相草图图可用于于确定物物性指标标之间的的关系表示土中中含水程程度的指指标§1土的物性性及分类含水率饱和度§1.3土的三相相比例指指标WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积表达式:定义:土中水的的体积与与孔隙体体积的比比值饱和度表表示孔隙中充充满水的的程度Sr=0:干土Sr=1:饱和土§1土的物性性及分类表示土中中密度和重重度的指标天然密度度干密度饱和密度度天然重度度干重度浮重度有效重度度饱和重度度§1.3土的三相相比例指指标WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积单位:kg/m3或g/cm3单位:kN/m3定义:土被完全全烘干时时的密度度,等于单位体积积内土粒粒的质量量表达式:各种密度度重度之之间的大大小关系系：§1土的物性性及分类§1.3土的三相相比例指指标天然密度度干密度饱和密度度天然重度度干重度浮重度饱和重度度WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积§1土的物性性及分类常用的物物理性质质指标间间的换算算关系§1.3土的三相相比例指指标教科书P15表1-4要点从物理意义上上理解指标间间的关系不鼓励死记硬硬背必要时利用三三相草图推导导（自学）推导方法设Vs=1，利用3个试验指标推推导出质量、、体积的参参数，再根据据各指标定义义推导换算指指标（教材第14页）设V=1（教材第15页例题1-1）§1土的物性及分类小结§1.3土的三相比例例指标物理性质指标标土的三个组成成相的体积和和质量上的比比例关系密实程度干湿程度……特点:指标概念简单单，数量很多多要点：名称、概念或或定义、符号号、表达式、、单位或量纲、、常见值或范范围、联系与与区别定义基本方法:三相草图法室内测定的3个物理性质指指标土的密度、土土粒的比重、、土的含水量量三相草图有助助于直观理解解物性指标的的概念其它6个常用的物理理性质指标表示土中孔隙隙含量的指标标（2个）表示土中含水水程度的指标标（1个）表示土中密度度和重度的指指标（3个）三相草图可用用于确定物性性指标之间的的关系三相草图法是是求取物理性性质指标的简简单而有效的的方法§1土的物性及分类§1.4土的物理状态态指标土的物理状态态无黏性土的松松密程度黏性土的软硬硬状态土的物理性质质指标(三相间的比例例关系)力学特性影响表示emax与emin：最大与最小孔孔隙比无黏性土的密实状态（（粗粒土）§1土的物性及分类密实度如何衡量?单位体积中固固体颗粒含量量的多少优点：简单方便缺点：不能反映级配配的影响只能用于同一一种土对策相对密实度§1.4土的物理状态态指标孔隙比e或孔隙率nemin=0.35emin=0.20§1土的物性及分类§1.4土的物理状态态指标emax:最大孔隙比；；将松散的风风干土样通过过长颈漏斗轻轻轻地倒入容容器，避免重重力冲击，求求得土的最小小干密度再经经换算得到最最大孔隙比emin:最小孔隙比；；将松散的风风干土样装入入金属容器内内，按规定方方法振动和锤锤击，直至密密度不再提高高，求得土的的最大干密度度再经换算得得到最小孔隙隙比emax与emin：最大与最小孔孔隙比注意：室内测得理论论上的最大与与最小孔隙比比有时很困难难无黏性土的密密实状态指标标判别标准：Dr=1,最密状态Dr=0,最松状态Dr≤1/3,疏松状态1/3<Dr≤2/3,中密状态Dr>2/3,密实状态§1土的物性及分类§1.4土的物理状态态指标相对密实度§1土的物性及分类§1.4土的物理状态态指标原位测试方法法建筑地基基础础设计规范GB50007-2002分类法公路桥涵地基基与基础设计计规范JTGD63-2007分类法2.黏性性土土的的软软硬硬状状态态§1土的的物物性性及分类类也称称稠度度状状态态§1.4土的的物物理理状状态态指指标标软硬硬状状态态与与含含水水率率有有关关黏性性土土含水水率率较硬硬变软软流动动塑限限ωp液限限ωl§1土的的物物性性及分类类界限限含含水水率率§1.4土的的物物理理状状态态指指标标黏性性土土的的软软硬硬反反映映土土中中水水的的形形态态固态态或或半固固态态可塑塑状状态态流动动状状态态强结结合合水水膜膜最最大大出现现自自由由水水强结结合合水水弱结结合合水水自由由水水软硬硬状状态态含水水率率土中中水水的的形形态态w缩限限ωp软硬硬状状态态问题题：：仅仅适适用用于于重塑塑土土§1土的的物物性性及分类类§1.4土的的物物理理状状态态指指标标对于于不同同的的黏黏土土，，含含水水率率相相同同，，软硬硬状状态态可可能能不不同同液性性指指数数不同同的的黏黏土土，，ωp、ωωl大小小不不同同定义义：：wpwwlIL<0IL=0––1IL>1坚硬硬状状态态可塑塑状状态态流态态0.00––0.250.25-0.750.75––1.00硬塑塑可塑塑软塑塑重塑塑土土§1土的的物物性性及分类类§1.4土的的物物理理状状态态指指标标wpwwl试验验方方法法：1)液限限———液限限仪仪、、液液塑塑限限联联合合测测定定仪仪、、碟碟式式液液限限议议2)塑限限———滚搓搓法法、、液液塑塑限限联联合合测测定定仪仪3)缩限限———收缩缩仪仪试试验验具体体试试验验步步骤骤自自学学试试验验指指导导手手册册———吸吸附附结结合合水水的的能能力力；；黏黏性性大大小小；；大大致致反反映映黏黏土土颗颗粒粒含含量量§1土的的物物性性及分类类§1.4土的的物物理理状状态态指指标标塑性性指指数数常作作为为细细粒粒土土工工程程分分类类的的依依据据计算算时时含含水水率率要要去去掉掉%无黏黏性性土土的的密密实实状状态态指指标标:相对对密密度度Dr小结结§1土的的物物性性及分类类§1.4土的的物物理理状状态态指指标标黏性性土土的的软软硬硬状状态态指指标标:液液性性指指数数IL引入入定义义判别别标标准准界限限含含水水率率软硬硬状状态态含水水率率土中中水水的的形形态态塑性性指指数数液性性指指数数引入入定义义判别别标标准准自学学：：黏黏性性土土的的胀胀缩缩性性、、湿湿陷陷性性、、冻冻胀胀性性重点点：：冻冻胀胀发发生生原原因因，，影影响响因因素素，，防防止止措措施施§1土的的物物性性及分类类§1.1土的的生生成成§1.2土的的三三相相组组成成§1.3土的的三三相相比比例例指指标标§1.4土的的物理理状状态态指指标标§1.5土的的结构构与与构构造造§1.6土的的工程程分分类类土颗颗粒粒或或粒粒团团的的空间间排排列列和和相相互互联联结结§1土的的物物性性及分类类§1.5土的的结结构构与与构构造造土粒粒间间的的作作用用力力黏性性土土的的结结构构性性指指标标力学学特特性性土的的结结构构影响响粗粒粒土土的的结结构构细粒粒土土的的结结构构重塑塑土土的的强强度度原状状土土的的强强度度<一.土粒粒间间的的作作用用力力重力力毛细细力力胶结结力力颗粒粒表表面面力力———土土颗颗粒粒的的自自重重形形成成的的方方向向向向下下的的力力——砂土——土土中中毛细细作用用形成成的力力——细砂、、粉土土——土土粒粒间的的胶体体物质质产生生的作作用力力——粘土——粘土——库仑仑力力：——范德华华力：颗粒表表面的的静电电引力力或斥斥力颗粒接接触点点处的的分子子间引引力§1土的物物性及分类§1.5土的结结构与与构造造二.粗粒土土的结结构粒间作作用力力排列形形式矿物成成分单粒结结构示意图图重力，，毛细细力点与点点、点点与面面原生矿矿物§1土的物物性及分类§1.5土的结结构与与构造造三.细粒土的的结构粒间作用用力形成环境境蜂窝结构构粉粒结构构示意图粒间引力力大于自自重力水中沉积积§1土的物性性及分类§1.5土的结构构与构造造三.细粒土的的结构粒间作用用力形成环境境排列形式式矿物成分分表面力、、胶结力力（斥力减减小引力力增加））片架结构构(絮凝结构构)片堆结构构(分散结构构)黏粒结构构示意图图表面力、、胶结力力（粒间斥斥力占优优势）淡水中沉沉积海水中沉沉积（阳阳离子））次生矿物物次生矿物物天然条件件下，可可能是多多种组合合，或者者由一种种结构过过渡向另另一种结结构。面与面边、角与与面边、角与与边§1土的物性性及分类§1.5土的结构构与构造造四.反映粘性性土结构构性的指指标相同含水量、密度1.粘性土的的灵敏度度—St§1土的物性性及分类§1.5土的结构构与构造造=原状土结构性相同含水水量密度粉碎重塑重塑土强度降低低St11-22-44-88-16>16粘性土不灵敏低灵敏中等灵敏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含水量不不变，密密度不变变，因重重塑而强强度降低低，又因因静置而而逐渐强强化，强强度逐渐渐恢复的的现象，，称为触变性。土的触变变性是土土结构中中联结形形态发生生变化引引起的，