土质学与土力学1土的物理性质与工程分类

土质学与土力学主讲：王林峰博士副教授

土力学体系一、土的三相理论二、土的渗透理论三、土的强度理论四、土的变形理论土的物理性质与工程分类第一章对土的特点进行详细解释和定量描述本章特点:看起来零散学习要点:

理清各节间联系各节内层次§1土的物性与分类§1.1土的三相组成§1.2土的物理状态§1.3土的工程分类第1节土的组成土是固体颗粒、水和空气的混合物，常称为三相系。固相:土的颗粒，构成土的骨架；液相:土体孔隙中的水及其溶解物；气相:孔隙中的空气固相气相液相一.固体颗粒物理状态力学特性粒径级配§1土的物性与分类§1.2土的三相组成矿物成分颗粒形状1.粒径级配一.固体颗粒§1土的物性与分类§1.2土的三相组成颗粒大小各粒径成分在土中占的比例粒径级配影响土性的主因颗粒大小粒组

按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类界限粒径P13一.固体颗粒0.075dmm卵石砾石砂粒粉粒粘粒胶粒6020.0750.0050.0020.250.5520粗

中

细粗

中

细

极细粗粒土细粒土§1土的物性与分类§1.2土的三相组成土的分类标准粒径级配确定方法

筛分法：适用于粗粒土(>0.075mm)

水分法：适用于细粒土(<0.075mm)——各粒组的相对含量，用质量百分数来表示表述方法

粒径级配累积曲线、列表法§1土的物性与分类一.固体颗粒§1.2土的三相组成一.固固体体颗颗粒粒§1土的的物物性性与与分分类类105.02.01.00.50.250.1200g101618242238721009080706050403020100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土的粒径级配配累积曲线水分法粒径(mm)0.0750.010.005百分数P(%)2613.510一.固体颗颗粒§1土的物性与分分类§1.2土的三相组成成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)土的粒径级配累积曲线d60d50d10d30d60d10d30CuCc0.330.0050.063662.41特征粒径:d50:平均粒径d60:限定粒径d10:有效粒径d30;不均匀程度度：Cu=d60/d10连续程度:Cc=d302/(d60×d10)—曲率系数—不均匀系数数Cu≥5,级配不均匀匀粗细程度：用d50表示一.固体体颗粒§1土的物性与与分类§1.2土的三相组组成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)土的粒径级配累积曲线d60d10d30曲线d60d10d30CuCcL0.330.0050.081663.98M0.0632.41R0.0300.545斜率:某粒径范围围内颗粒的的含量陡—相应粒组质质量集中缓--相应粒组含含量少平台--相应粒组缺缺乏连续程度:Cc=d302/(d60×d10)—曲率系数较大颗粒缺缺少Cc减小较小颗粒粒缺少Cc增大Cc=1~3,级配连续续性好粒径级配配粒径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,均匀土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）不均匀系系数Cu和曲率系数数Cc用于判定定土的级级配优劣劣：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土的物性性与分类类一.固固体颗粒粒§1.2土的三相相组成结晶水矿物内部部的水结合水吸吸附在在土颗粒粒表面的的水自由水电电场引引力作用用范围之之外的水水土中冰由由自自由水冻冻成，冻冻胀融陷陷§1土的物性性与分类类§1.2土的三相相组成二.土土中水（液相）§1土的物性性与分类类§1.2土的三相相组成二.土土中水结合水排列致密密、定向向性强密度>1g/cm3(1.5-1.8)冰点处于于零下几几十度具有固体体的的特特性温度高于于100°C时可蒸发发强结合水水位于强结结合水之之外，电电场引力作用范范围之内内外力作用用下可以以移动不因重力力而移动动，有粘粘滞性弱结合水水自由水重力水毛细水在重力作用下下可在土中自自由流动存在于固气之之间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土的物性与分分类§1.2土的三相组成成二.土中水水§1土的物性与分分类§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:πr2hcγw=2πrTcosα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粘土粉土砂土砾石分析对象:水柱三.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土的物性与分分类§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、、弱结合水)自由水(重力水、毛毛细水)自由气体封闭气体§1土的物性与分分类§1.2土的三相组成成§1.3土的物理状态态土的物理状态态粗粒土的松密密程度粘性土的软硬硬状态§1土的物性与分分类土的物理性质质指标(三相间的比例例关系)力学特性影响表示一.物理性性质指标土的三个组成成相的体积和和质量上的比比例关系§1土的物性与分分类§1.3土的物理状态态密实程度干湿程度……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§1土的物性与分分类一.物理性性质指标WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积§1.3土的物理状态态三相草图§1土的物性与分分类一.物理性性质指标WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积已知关系五个个:共有九个参数数:VVvVsVaVω/msmωmam剩下三个独立立变量三相草图法物性指标是比比例关系:可假设任一参参数为1对于饱和土,Va=0剩下两个独立立变量实验室测定其它指标是一种简单而而实用的方法法§1.3土的物理状态态§1土的物性与分分类一.物理性性质指标2.室内测定的三三个物理性质质指标WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积----土的密度、土土粒的比重、、土的含水量量土的密度土的容重γ=ρg工程上更常用用,用于计算土的的自重应力单位:kg/m3或g/cm3单位:kN/m3一般范围:1.60—2.20g/cm3定义:土单位体积的的质量有时也称土的天然密度度§1.3土的物理状态态表达式:相关指标:§1土的物性与分分类一.物理性性质指标WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积土粒比重s:土粒的密度，，单位体积土土粒的质量单位:无量纲土粒比重一一般范围:粘性土2.70—2.75砂土土2.654˚C时纯蒸馏水水的密度=1.0g/cm3土粒比重在在数值上等等于土粒的的密度定义:土粒的密度度与4˚C时纯蒸馏水水的密度的的比值§1.3土的物理状状态表达式:土粒比重常常用比重瓶法测定，事先先将比重瓶瓶注满纯水水，称瓶加加水的质量量。然后把把烘干土若若干克装入入该空比重重瓶内，再再加纯水至至满，称瓶瓶加土加水水的质量，，按下式计计算土粒比比重：式中：m1——瓶加水的质质量；m2——瓶加土加水水的质量；；ms——烘干土的质质量。§1土的物性与与分类一.物理理性质指标标WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积土的含水量量定义:土中水的质质量与土粒粒质量之比比,用百分数表表示注意:其实是含水水比,可达到或超超过100％§1.3土的物理状状态表达式:一.物理理性质指标标表示土中孔孔隙含量的的指标孔隙比孔隙率(孔隙度)§1土的物性与与分类３.其它常用的的物理性质质指标关系:在某种程度度上反映土土的松密砂类土：28-35%粘性土：30-50%有的可达60-70%§1.3土的物理状状态定义:土中孔隙体体积与固体体颗粒体积积之比,无量纲表达式:WaterAirSoilVaVwVsVvV体积定义:土中孔隙体体积与总体体积之比,用百分数表表示表达式:Vs=1Vv=eV=1+eWaterAirSoil体积三相草图可可用于确定定物性指标标之间的关关系一.物理理性质指标标表示土中含含水程度的的指标§1土的物性与与分类含水量饱和度§1.3土的物理状状态WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积表达式:定义:土中水的体体积与孔隙隙体积的比比值饱和度表示示孔隙中充满满水的程度度Sr=0:干土Sr=1:饱和土§1土的物性与与分类一.物理理性质指标标表示土中密度和容重重的指标天然然密密度度干密密度度饱和和密密度度天然然容容重重干容容重重浮容容重重浮密密度度有效效容容重重饱和和容容重重§1.3土的的物物理理状状态态WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积单位位:kg/m3或g/cm3单位位:kN/m3定义义:土被被完完全全烘烘干干时时的的密密度度,等于于单位位体体积积内内土土粒粒的的质质量量表达达式式:各种种密密度度容容重重之之间间的的大大小小关关系系：：§1土的的物物性性与与分分类类一.物物理理性性质质指指标标§1.3土的的物物理理状状态态天然然密密度度干密密度度饱和和密密度度天然然容容重重干容容重重浮容容重重饱和和容容重重WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积§1土的的物物性性与与分分类类二.土的的物物理理状状态态指指标标§1.3土的的物物理理状状态态土的的物物理理状状态态粗粒粒土土的的松松密密程程度度粘性性土土的的软软硬硬状状态态土的的物物理理性性质质指指标标(三相相间间的的比比例例关关系系)力学学特特性性影响响表示示emax与emin：最大与最最小孔隙隙比1.粗粒土土的密密实状状态§1土的物物性与与分类类二.物物理理状态态指标标密实度度如何衡衡量?单位体体积中中固体体颗粒粒含量量的多多少优点：：简单方方便缺点：：不能反反映级级配的的影响响只能用用于同同一种种土对策2、相对对密度度§1.3土的物物理状状态1、孔隙隙比e或孔隙隙率nemin=0.35emin=0.20粗粒土土的密密实状状态指指标判别标标准：：Dr=1,最密状状态Dr=0,最松状状态Dr≤1/3,疏松状状态1/3<Dr≤2/3,中密状态Dr>2/3,密实状态§1土的物性与与分类二.物理理状态指标标§1.3土的物理状状态相对密度3、标准贯入入锤击数N2.粘性土的软软硬状态§1土的物性与与分类二.物理理状态指标标也称稠度状态§1.3土的物理状状态稠度状态与与含水量有有关粘性土含水量较硬变软流动塑限ωp液限ωl§1土的物性与与分类二.物理理状态指标标§1.3土的物理状状态缩限ωs测定塑限的方法：搓搓滚法和液液塑限联合合测定法。。测定液限的方法：液液限仪法和和液塑限联联合测定法法测定缩限的方法：收收缩皿法，，把土料的的含水率调调制到大于于土的液限限，然后将将试样分层层填入收缩缩皿中，刮刮平表面，，烘干，测测出干试样样的体积并并称量准确确至0.1g后，按下式式计算式中：ws—土的缩限；；w—制备时的含含水率；V1—湿试样的体体积；V2——干试样的体体积。液限ωL通常采用平平衡锥式液液限仪测定定平衡锥重76g，锥角为30°，试验时使使平衡锥在在自重作用用下沉入土土样中，当当达到沉入入深度（公公路标准17mm）时土样含含水量即为为液限ωL.塑液限联合测定仪砂类土细粒土——吸附结结合水的能能力；粘性性大小；大大致反映粘粘土颗粒含含量§1土的物性与与分类二.物理理状态指标标§1.3土的物理状状态塑性指数相对稠度§1土的物性与与分类二.物理理状态指标标§1.3土的物理状状态对于不同的粘土土，含水量量相同，稠度可能不不同液性指数不同的粘土土，ωp、ωl大小不同定义：wpwwlIL<0IL=0–1IL>1坚硬状态可塑状态流态态0.00––0.250.25-0.750.75––1.00硬塑可塑软塑§1土的物性与与分类§1.1土的的形形成成§1.2土的的三三相相组组成成§1.3土的的物物理理状状态态§1.4土的的工工程程分分类类第5节土土的的工工程程分分类类粗粒粒土土按按颗颗粒粒组组成成进进行行分分类类粘性性土土按按塑塑性性指指数数分分类类。。《土的的分分类类标标准准GBJ145-2007》》粘粒粉粒砂粒砾碎石块石0.0050.075260200巨粒组粗粒组细粒组细粒粒土土可可按按塑塑性性图图进进一一步步细细分分。。图中中液液限限为为17mm液限限二、、《岩土土工工程程勘勘察察规规范范》《建筑筑地地基基基基础础设设计计规规范范》该规规范范按按土土粒粒大大小小、、粒粒组组的的土土粒粒含含量量或或土土的的塑塑性性指指数数把把地地基基土土分分为为碎石石土土、、砂砂土土、、粉粉土土和和粘粘性性土土四大大类类，，然然后后再再进进一一步步细细分分。。（一一））碎碎石石土土的的分分类类若土土中中粒粒径径大大于于2mm的颗颗粒