地质材料陈宏宇

地質材料陳宏宇自然物性2SoilBehaviour土壤行為1.土粒子－固體，具立體系統（ParticulateSystem）2.粒子變形－受到接觸力，粒子接觸面積增加－接觸點上之剪力大於該接觸點之剪力阻抗，使該粒子間產生相對滑動※土粒相互運動：a.接觸變形引起粒子運動b.片狀土粒彎曲引起粒子間相對移動c.土粒滑動引起的相對移動SoilBehaviour土壤行為3.

孔隙相態－粒子空間隨著壓力減少而增加或減少多相態系統(MultiphaseSystem）a.礦物相態(Mineralphase)-礦物骨架(Mineralskelton)b.流體相態(Fluidphase)-孔隙流體(Porefluid)(A)剪力強度由粒子間相互做側向移動所引起滑動的阻抗決定(B)孔隙相態的存在，影響礦物相態的表面，影響粒子接觸力(C)水流經礦物骨架，改變粒子間接觸力，影響土壤剪力阻抗及壓力(D)當載重發生變化時，其變化量將由孔隙流體及礦物骨架承受

V :thetotalvolumeofthesoilVv:thevolumeofvoidsVs:thevolumeofsolids

Vw:thevolumeofwater

Va:thevolumeofairW:theweightofthesoilWs :theweightofthesolids

Ww :theweightoftheporewaterQuantityUnitUnitsymbolApplicationConversionsMassgramkilogrammegagramgkgMgAccurateweighings

BulksampleandapproximateweightsAlternativelyknownastonne1kg=1000g1Mg=1000kg=106gDensitymegagrampercubicmeterMg/m3SampledensityanddrydensityDensityofwater=1g/cm3ForcenewtonkilonewtonNkNLoadringcalibrationsSmall-magnitudeforcesForceofintermediatemagnitude1kgf=9.807N1N=101.97gramf1kN=1000N=approx.0.1toonefPressureandstressnewtonpersquaremeter=pascalkilonewtonpersquaremeter=kilopascalN/m2PakN/m2kPaVerylowpressureandstressPressuregaugesCompressivestrengthandshearstrengthofsoils1g/cm2

=98.07N/m2=98.07Pa1kgf/cm2=98.07kN/m21bar=100

kN/m2※顆粒度（Particle）大小巨礫Boulder256mm中礫Cobble64～256細礫Pebble4～64小礫Granule2～4砂Sand1/16～2粉砂Silt1/256～1/16黏土Clay<1/256

ASTM以及BS篩選標準（粗顆粒分析）

SieveAnalysis

ASTMBS

篩號

m.m. m.m. × 101.6 × 50.8 × 25.4 × 12.7 3 6.35 4 4.76 10 2.0020 0.84 40 0.42 60 0.25100 0.149200 0.074270 0.053400 0.037

:試驗溫度下，水之粘滯性gs :土粒單位重gw

:試驗溫度下水之單位重Zr

:自比重中心至懸液表面距離T :時間篩分析(a)比重計法有效粒徑D通過百分率Gs :土粒比重V :懸濁液體積(1000c.c.)Ws :乾土重gc

:比重計率定溫度下之水單位重g :懸濁液中比重計讀數gw

:清水中比重計讀數修正之百分比W1 :通過200號篩土重Ws :全試樣之重量N :通過百分比(b)Pipette(AndreassenPipette)V :土粒掉落速度H :一定距離內之掉落時間g

:加速度(cm/s2)r :土粒半徑N :液體粘滯性gs

:土粒比重gL

:液體比重※均勻係數（CoefficientofUniformity）D60:

土壤在通過60%那一點的粒徑D10:

土壤在通過10%那一點的粒徑

Cu值

＜5

極均勻

5-20

均勻

20-50

優良級配

＞50

極優良級配※級配（Gradation）

級配優良（WellGradation）B

級配不良（PoorlyGradation）A

跳越級配（SkipGradation）

C定量性關係1.空隙比（VoidRatio）,e

孔隙體積對固體體積之比2.孔隙率（Porosity）,n3.

飽和度（DegreeofSaturation）礫石、砂

＜25%細砂、粉砂＞25%黏土＞50%svVVe=Vv：液相、氣相體積Vs：固相體積n-1ne

，e1eVVnv=+==其中V=Vv+VsVv=Va+Vw%100VVSvwr´=4.含水量（WaterContent）,w※Ws=乾土重量%100WW(%)Wsw=定量性關係5.單位重（UnitWeight）,gt（Force）)N(gM

總單位重VWtvg=x=g:9.81m/s2Newton

1secm/kg

1gMF

1

實體單位重VWsss=×=x==gwwVWw=g乾單位重%W1VWwetsd+==gg飽和單位重nVWWwdwssatggg+=+=定量性關係6.比重（SpecificGravity）7.密度（BulkDensity）

M:質量，(g)，(kg):，

wssGgg=VM=rC20oWaterwr333mkg

000,1mmg

1cmg

1==定量性關係

8.相對密度（RelativeDensity）,Dr

Dr(%)：0-1516-3536-6566-85>86最鬆鬆中等緊密最緊VerylooseLooseMediumDenseVeryDenseRatio

Void

:e

eeeeDrminmaxmax--=最緊

:

最小空隙比，

:e最鬆

:

最大空隙比，

:emaxdminmindmaxgg()()mindmaxddminddmaxdDrgggggg--=VolumeSolidSemiplasticSolidPlasticLiquidMoistureContentShrinkageLimitPlasticLimitLiquidLimitPlasticityIndexxx10.阿太堡限度（AtterbergLimit）

過#40篩

0.425mm(425um)→200g

a.液性限度（LiquidLimit）

—液體與塑性狀態的邊界,100g

b.塑性限度（PlasticLimit）

—塑性與半固體狀態的邊界,15g

c.縮性限度（ShrinkageLimit）

—半固體與固體狀態的邊界※縮性限度,Ws

gw:水單位重

Ws:乾土壤重

V:乾塊體積

GT:水在試驗溫度T時之比重

Gs:土粒比重液性限度

※塑性指數（PlasticityIndex）

PI=LL-PL

PI

0

非塑性Sand

<7

低塑性Silt 7-17

中塑性SiltClay或ClayeySilt

>17

高塑性Clay※液性指數（LiquidityIndex）

IL≦0

半固體或固體

0≦IL≦1

塑性體

IL＞1

液體

活性比（Activity）Activity＝————————P.I.ClayFractionActivity

<0.75

InactivityClay0.75-1.25

NormalClay1.25-2

ActivityClay

>2

HighlyClay (Bentonite>6)PLLLPI265236367337ClayMinerals1.Particlesize,shapeorientation2.Particleinterface,plastic,swelling,compression,conductivity

Kaolinite1.Non-swelling(interface)2.No-ActivityStableclaymineralClayMineralsPLLLPI346127409057PLLLPI9770060363177114(B)IlliteNothighstable(C)MontmorilloniteSwelling(interface)2.VeryActivityVeryunstable

高嶺石

Kaolinite○ 氧OH氫氧離子●

鋁●●

矽半徑（Ao）原子離子氧0.60O2-1.40鋁1.43Al+30.51矽1.17Si+40.42鐵1.24Fe+20.74鎂1.60Mg+20.66鉀2.31K+1.35土壤分類1.按顆粒粗細—顆粒分布曲線—三角座標圖2.按顆粒成分—阿太堡指數—液塑限分布圖

高塑性：CH,OH—高乾強度

中塑性：OL,OH—中乾強度

低塑性：ML,OL,SH—低乾強度※土壤性能最主要成分:第一字母

C:Clay O:Organic M:Silt S:Sand

次要成分(壓縮性)或級配性質:第二字母

H:HighPlasticity L:LowPlasticity W:WellGraded P:PoorGraded夯實試驗

(Compaction)※Certaincompactedenergy&certainvolume,soilandwaterhaveacertainratio.Ifthisratio

overthecriticalpoint,thewatercouldnotefficientlyfillinthevoid.Incontrast,thewaterpushawaytheparticles,decreasingtheparticlevolume,increasingthewatercontent=>rd

decreasing（夯實試驗）Compaction※在一定夯實能量，一定容積下，土與水有一定之比例，超過最高值時，水不能有效充填於孔隙中，反而會將土壤顆粒擠開，土粒體積減少，相對水量增加→便降低現地夯實控制Compaction夯實（壓實）

……填土、道路、土壩 剪力強度

1.提高工程品質承載力 減少沈陷量

2.控制含水量及乾密度

W%-2%<OMC<W%+3%90%or95%→rdmax夯實試驗(Compaction)最佳含水量OptimumMoistureContent（OMC）Compactioncontrol---W%-2%<OMC<W%+3%In-situ 90%or95%=>rdmax夯實試驗

(Compaction)HighcompactenergyLowOMCHighgdmaxLowcompactenergyHighOMCLowgdmaxCompaction(夯實)---Fill、Road、Dam….1.ImproveengineeringqualityShearstrengthBearingcapacitySettlement2.Controlmoisturecontent&drydensity夯實試驗(Compaction)(1933)Proctor(1)3layerscompacted:distance30cm,hammerweight3.5kg(2)

5layerscompacted:distance45cm,hammerweight4.5kgStandard

AASHO

method:ModifiedAASHOmethod:25layers

compacted,modules

1000cm3(innerdiameter