第yi章+土的物理性质与工程分类

§1土的物性与分类渗透特性变形特性强度特性土的三相组成土的物理状态土的结构土的形成过程土的工程分类：便于研究和应用土的压实性：如何获得较好的土决定1§1.2土的三相组成气相固相液相++构成土骨架，起决定作用重要影响土体次要作用§1土的物性与分类2固体颗粒物理状态力学特性粒径级配§1.2土的三相组成矿物成分颗粒形状§1土的物性与分类3粒径级配颗粒大小各粒径成分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4

土有三个组成部分：固相、液相和气相

小结1.固体颗粒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5三相草图WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积已知关系五个:共有九个参数:

VVvVs

Va

Vw

/msmwmam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§1.2土的物理状态§1土的物性与分类62.室内测定的三个物理性质指标WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积－土的密度、土粒的比重、土的含水量土的密度土的容重γ=ρg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:1.60—2.20

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§1.2土的物理状态§1土的物性与分类g:牛顿/千克7WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积土粒比重

s:土粒的密度，单位体积土粒的质量单位:无量纲土粒比重一般范围:

粘性土2.70—2.75砂土2.654˚C时纯蒸馏水的密度=1.0g/cm3土粒比重在数值上等于土粒的密度定义:土粒的密度与4˚C时纯蒸馏水的密度的比值表达式:§1.2土的物理状态§1土的物性与分类8WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积土的含水量定义: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:§1.2土的物理状态§1土的物性与分类9表示土中孔隙含量的指标孔隙比孔隙率(孔隙度)３.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: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§1.2土的物理状态§1土的物性与分类10表示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§1.2

土的物理状态§1土的物性与分类11表示土的密度和容重的指标天然密度干密度饱和密度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:§1.2

土的物理状态§1土的物性与分类12各种密度容重之间的大小关系：天然密度干密度饱和密度天然容重干容重浮容重饱和容重WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积§1.2

土的物理状态§1土的物性与分类13emax与emin

：最大与最小孔隙比1.粗粒土的密实状态二.物理状态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

=0.20§1.2

土的物理状态§1土的物性与分类14emax: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二.物理状态指标§1.2

土的物理状态§1土的物性与分类15粗粒土的密实状态指标

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

,密实状态相对密度二.物理状态指标§1.2

土的物理状态§1土的物性与分类162.粘性土的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二.物理状态指标§1.2

土的物理状态§1土的物性与分类17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二.物理状态指标§1.2

土的物理状态§1土的物性与分类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吸附弱结合水的能力塑性指数18相对稠度问题：仅适用于重塑土即使含水量相同，稠度可能不同液性指数对不同的粘土，wp、wl

大小不同定义：wpwwlIL<0IL=0–1IL>1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§1.2

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：19——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p0.002:粒径小于0.002mm颗粒的质量占总土总质量的百分比A<0.75A=075–1.25A>1.25非活性粘土正常粘土活性粘土二.物理状态指标§1.2

土的物理状态§1土的物性与分类20粗粒土的密实状态指标:

相对密度Dr

小结粘性土的稠度状态指标:

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§1.2

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？反映土的细观特点与力学特性有更直接的联系便于量测21粒间作用力：重力起决定性的作用。在非饱和土中，还受到毛细力的作用排列形式：点与点

点与面单粒结构示意图22范德华力：接触点处的分子引力，作用范围为几个分子的距离，是细粒土粘结在一起的主因库仑力：颗粒表面的静电引力或斥力，随距离衰减的速度比范德华力慢胶结力：土粒间通过胶体连结在一起，作用力是化合键，具有较高的强度毛细力：土中毛细作用形成的力土中细颗粒，比表面积大，重量轻，重力不起重要的作用，其他粒间力起主导作用：23形成环境粒间作用力排列形式淡水中沉积表面力、胶结力（粒间斥力占优势)面与面天然通常不是单一结构，可能是呈多种类型的综合结构。往往先形成团粒凝聚结构海水中沉积表面力、胶结力（斥力减小引力增加)边、角与面边、角与边示意图分散结构24灵敏度触变性St11-22-44-88-16>16粘性土不灵敏低灵敏中等灵敏灵敏很灵敏流动

3=0相同含水量、密度

ququ原状土重塑土灵敏度St：原状土的无侧限抗压强度qu和重塑土的无侧限抗压强度qu之比25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。灵敏度触变性26土的结构土颗粒或粒团的空间排列和相互联结粗粒土的结构单粒结构重力起主导作用粒间力起主导作用粘性土的结构性指标细粒土的结构分散结构凝聚结构27目的：依据：建筑地基基础设计规范-GB50007-2002分类法水利部SL237-001-1999分类法§1.4

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28§1.5土的工程分类

土的名称粒组含量粒径大于2mm的颗粒占全质量25-50%砾砂粗砂中砂细砂粉砂粒径大于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%建筑场地基基础规范GB50007-2002岩石碎石土砂土粉土粘性土人工填土砂土29§1.5土的工程分类

岩石碎石土砂土粉土粘性土人工填土土粉土粘性土粘性土：塑性指数Ip>10的土粉质粘土：10<Ip

17的土粘土：Ip>17的土非活性粘土：A<0.75正常粘土A=075–1.25活性粘土A>1.25粉土：粒径大于0.075mm的颗粒含量小于全质量50%而塑性指数Ip

10的土建筑场地基基础规范GB50007-200230§1.5土的工程分类

水利部SL237-1999分类法土颗粒组成及其特性塑性指标：液限、塑限、塑性指数有机质含量土的分类巨粒土和含巨粒土粗粒土：砾类土、砂类土细粒土：根据塑性图分类特殊土：黄土、膨胀土、红粘土分类依据：31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压实性：指土在一定压实能量作用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§1.5

土的压实性§1土的物性与分类32一.室内击实试验

试验设备

击实筒V=1000cm3；击实锤w=25牛顿

试验条件

土样分层n=3层；落高d=30cm；击数N=27/层

击实能量

试验方法

对ω=cosnst的土；分三层压实；测定击实后的ω、ρ，算定ρd

注意：仅适用于细粒土；对粗粒土，可用较大尺寸的击实仪土§1.5

土的压实性§1土的物性与分类331.击实曲线特点：①具有峰值②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。0481216202428含水量w(%)2.01.81.61.4干密度

d(g/cm3)饱和曲线

dmax=1.86wop=12.1二.细粒土的压实性

最大干密度最优含水量§1.5

土的压实性§1土的物性与分类342.理论分析

压实机理：颗粒被击碎，土粒定向排列;粒团破碎，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;水的相对含量增加

ω

ωop,ρd

ρdmaxω<ωop

,ρd<

ρdmaxω>ωop

,ρd<

ρdmax

0481216202428含水量w(%)2.01.81.61.4干密度

d(g/cm3)饱和曲线

dmax=1.86wop=12.1二.细粒土的压实性

§1.5土的压实性§1土的物性与分类35对于同一种土,最优含水量和最大干密度并不恒定,而随压密功能变化，压实功能愈大,最优含水量愈小，相应的最大干密度愈高超过最优含水量后，压实功能的影响随含水量的增加逐渐减小。击实曲线均靠近于饱和曲线0481216202428含水量w(%)1.91.71.51.3干密度

d(g/cm3)饱和曲线N=36N=29N=25N=18363.影响因素a.击实功能b.土的级配

c.击实方式夯实、辗压、振动；辗压对粘土比较合适

E二.细粒土的压实性

§1.5

土的压实性§1土的物性与分类374.压实标准粘性土存在最优含水量ωop，在填土施工中应该将土料的含水量控制在ωop左右，以期得到ρdmax。在ωop的干侧：常具有凝聚结构。土质比较均匀，强度较高，较脆硬，不易压密；但浸水时易产生附加沉降。在ωop的湿侧：常具有分散结构。土体可塑性大，适应变形的能力强；但强度较低，具有各向异性。在设计土料时应根据填土的要求和当地土料的天然含水量，选定合适的含水量，一般要求为：

b.工程上常采用压实度Dc控制（作为填方密度控制标准）Ⅰ、Ⅱ级土石坝

Dc>95~98%

Ⅲ~Ⅴ级土石坝

Dc>92~95%

二.细粒土的压实性

§1.5

土的压实性§1土的物性与分类38①不存在最优含水量；②在完全风干和饱和两种状态下易于击实；③潮湿状态下ρd明显降低。

三.粗粒土的压实性

1.击实曲线特点20%粗砂

ω

=4~5%中砂

ω=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的现象。在潮湿状态下，存在着假凝聚力，加大了