第1章 土的物理性质与分类课件

土力学地基基础姚天举第1章土的物理性质与分类CONTENT第1章土的物理性质土的组成01土的物理性质指标02土的物理状态指标03土的工程分类04第1章土的物理性质与分类3本章目的: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:

各节间联系各节内层次§1土的组成4个课时第1章土的物理性质与分类土的组成PARTONE第1章土的物理性质与分类041.1土的组成1.2土中水次重要作用1.4土的结构与构造影响土的长期工程力学性质1.3土中气体工程性质作用很小1.1土的固体颗粒骨架作用，对土体影响最大。第1章土的物理性质与分类61.土的组成土的形成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章土的物理性质与分类7§1.1土的形成土是岩石经过风化后在不同条件下形成的自然历史的产物搬运、沉积

风化土地球§1土的组成岩石地球第1章土的物理性质与分类8生物分化物理风化化学风化量变无黏性土原生矿物质变黏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土的组成第1章土的物理性质与分类9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土的组成第1章土的物理性质与分类不同相及其性质，注意哪两种是两相体？第1章土的物理性质与分类11一.固体颗粒物理状态力学特性粒径级配土的三相组成矿物成分颗粒形状§1土的物性与分类第1章土的物理性质与分类土粒的大小与其组成矿物的物理强度和化学稳定性有关。粗大颗粒是物理风化的结果，细颗粒化学风化强。§1土的组成§1.1土的形成第1章土的物理性质与分类固体颗粒固体相指土中的矿物颗粒，简称土粒。它构成土的骨架，称为土骨架。自然界中，组成土体骨架的土粒，大小悬殊、性质各异。第1章土的物理性质与分类141.粒径1.固体颗粒颗粒大小当量小球体的直径影响土性的主因§土的三相组成§1土的组成第1章土的物理性质与分类152.粒组1.固体颗粒颗粒相近土粒粒径接近，则工程性质也接近，所以归为一组。划分粒组的分界尺寸叫界限粒径§土的三相组成§1土的组成第1章土的物理性质与分类16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，要注意不同的部门和教材，数字不同。1.固体颗粒§1.1土的三相组成§1土的组成d(mm)d(mm)砾石砂粒粉粒黏粒胶粒6020.050.0050.0020.250.5520粗

中

细粗

中

细

极细0.075粗粒细粒第1章土的物理性质与分类粒组划分的依据国内目前采用的粒组划分依据如下，反映了研究和工程地质特性（土的特性）①粒径>2mm透水而不溶于水，无毛管现象，粒间无连接力②粒径2-0.074透水而不溶于水，有毛管现象，粒间无连接力，有毛管连接③粒径0.074-0.005弱透水，溶水，毛管水含量高，有粘结性。④粒径<0.005胶体颗粒，可塑性，膨胀性，极弱的透水性，强烈的可压缩性，溶水，有毛管现象，颗粒连接第1章土的物理性质与分类土粒大小的工程应用颗粒分布可以帮助工程师确定土的“质地”，并且用它来给土分类。对于工程管理来说，土质分类对于造价哪一部分有影响？颗粒分布定义土的渗透性等级。对于大坝等有用。颗粒分布可以用来选择坝基、路基、混凝土等材料。颗粒分布可以评估水泥浆、化学溶液、动力固结等。有效粒径可以判断土的渗透性。第1章土的物理性质与分类19粒径级配确定方法

筛分法：适用于粗粒土(≥0.075

mm)，想一想为什么？

水分法：适用于细粒土(<0.075

mm)——各粒组及其相对含量，用质量百分数来表示表述方法

粒径级配累积曲线一.固体颗粒§1.3

土的三相组成§1土的物性与分类颗粒组成反映土的分散度，各粒组的相对含量决定了土的工程性质。第1章土的物理性质与分类20105.02.01.00.50.250.075200g101618242246641009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数P（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)P%958778665532土的粒径级配累积曲线水分法粒径(mm)0.050.010.005百分数P(%)2613.5101.固体颗粒§1.1土的三相组成§1土的组成第1章土的物理性质与分类211009080706050403020100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:控制粒径d10

:有效粒径d30

：没有名字不均匀程度：Cu=d60/d10

连续程度:

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§1.1土的三相组成§1土的组成第1章土的物理性质与分类221009080706050403020100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:

某粒径范围内颗粒的含量

陡—相应粒组质量集中

缓—相应粒组含量少

平—相应粒组缺乏连续程度:

Cc=d302

/(d60×d10)

—曲率系数较大颗粒缺少Cc

减小较小颗粒缺少Cc

增大Cc=1~3,级配连续性好1.固体颗粒§1.1土的三相组成§1土的组成第1章土的物理性质与分类23粒径级配累积曲线及指标的用途：1）粒组含量用于土的分类定名；2）不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度：Cu≥5,不均匀土；Cu<5,均匀土3）曲率系数Cc用于判定土的连续程度：Cc

=1~3,级配连续土；Cc>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Cc

=1~3，级配良好的土；

如果

Cu<5或

Cc>3或

Cc<1,级配不良的土1.固体颗粒§1.1土的三相组成§1土的组成第1章土的物理性质与分类说明1：这里面有2个概念：不均匀系数和连续性cu越大，越不均匀，即粗颗粒和细颗粒的大小相差越悬殊。啥叫连续性，就是从小到大的颗粒都有。总的说来就是如果从大到小都有，且大颗粒比小颗粒大很多，则粒组多，所以级配曲线很宽，当然就平缓。cu越大当然就越不均匀。问题：缺失一部分土，那么压实性能如何？联想一下：为什么公路路基施工时要将无机结合料拌合？第1章土的物理性质与分类说明2：曲率系数级配积累曲线的斜率用曲率系数cc来表示。其意义就是主要考虑对土的性质有重大影响的主要部分的组成状况。当然连续性对cc的影响也大。看下页两幅图。p10第1章土的物理性质与分类第1章土的物理性质与分类第1章土的物理性质与分类两幅图的解读三根曲线的d60和d10的位置都相同，别以为cu都相同，级配就一样。因为还涉及到d30的位置。自己分别计算一下各自的cc，看看有什么规律。意思是缺失后新曲线d30比原级配曲线靠左的平缓还是靠右的平缓？第1章土的物理性质与分类级配的总结与工程应用级配好的土用于什么领域？级配不好的土用于什么领域？第二章要讲cu和cc在渗流稳定性中的重要作用。一定要引起注意。第1章土的物理性质与分类举一反三沥青材料结构类型按级配原则构成的沥青混合料，其结构组成通常有下列三种形式：1)悬浮一密实结构：由次级骨料填充前级骨料(较次级骨料粒径稍大)空隙的沥青混凝土具有很大的密度，但由于前级骨料被次级骨料和沥青胶浆分隔，不能直接互相嵌锁形成骨架，因此该结构具有较大的黏聚力c，但内摩擦角φ较小，高温稳定性较差。通常按最佳级配原理进行设计。2)骨架-空隙结构：粗骨料所占比例大，细骨料很少甚至没有。粗骨料可互相嵌锁形成骨架，嵌挤能力强；但细骨料过少不易填充粗骨料之间形成的较大的空隙。该结构内摩擦角φ较高，但黏聚力c也较低。3)骨架-密实结构：较多数量的断级配粗骨料形成空间骨架，发挥嵌挤锁结作用，同时由适当数量的细骨料和沥青填充骨架间的空隙形成既嵌紧又密实的结构。该结构不仅内摩擦角φ较高，结聚力c也较高，是综合以上两种结构优点的结构。沥青玛蹄脂混合料是这种结构典型代表。第1章土的物理性质与分类312.矿物成分原生矿物

石英、长石、云母等次生矿物

主要是黏土矿物，包括三种类型

高岭石、伊里石、蒙脱石黏土矿物:由硅片和铝片构成的晶包所组合而成一.固体颗粒§1.3

土的三相组成§1土的物性与分类第1章土的物理性质与分类32硅片的结构一.固体颗粒§1.3

土的三相组成§1土的物性与分类SiSi氧离子O2-硅离子Si4+硅-氧四面体硅片的结构硅片简图(基本单元)第1章土的物理性质与分类33铝片的结构一.固体颗粒§1.3

土的三相组成§1土的物性与分类OH-铝离子Al3+铝-氢氧八面体铝片的结构铝片简图AlAl(基本单元)第1章土的物理性质与分类34高岭石（氢键联结）黏土矿物的晶格构造蒙脱石伊利石粒径比表面积胀缩性渗透性强度压缩性大10-20m2/g小大大小中80-100m2/g中中中中小800m2/g大小小大比表面积：单位质量土颗粒所拥有的总表面积9克蒙脱土的总表面积大约与一个足球场一样大一.固体颗粒§1.3

土的三相组成§1土的物性与分类第1章土的物理性质与分类35黏土矿物的带电性质黏土颗粒的表面有电荷，净电荷通常为负电荷一.固体颗粒§1.3

土的三相组成§1土的物性与分类----------------------++++黏土颗粒水分子阳离子第1章土的物理性质与分类363.颗粒形状原生矿物圆状、浑圆状、棱角状次生矿物针状、片状、扁平状1.固体颗粒§1.1土的三相组成§1土的组成第1章土的物理性质与分类37结晶水矿物内部的水

结合水吸附在土颗粒表面的水自由水电场引力作用范围之外的水土中冰由自由水冻成，冻胀融陷二.土中水（液相）§1.1土的三相组成§1土的组成第1章土的物理性质与分类38结合水排列致密、定向性强密度>1g/cm3冰点处于零下几十度具有固体的特性温度高于100°C时可蒸发强结合水位于强结合水之外，电场引力作用范围之内外力作用下可以移动不因重力而移动，有黏滞性弱结合水二.土中水§1.3

土的三相组成§1土的物性与分类第1章土的物理性质与分类39自由水重力水毛细水在重力作用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§1.1土的三相组成§1土的物性与分类第1章土的物理性质与分类40

=

湿润角

空气固体水

lT=界面张力d=

毛管直径Td=2rua-uwua-uw=压力差二.土中水§1.1土的三相组成§1土的物性与分类毛细水毛细现象毛细管hc第1章土的物理性质与分类41土中毛细现象上升高度:πr2hcγw=2πrTcosα毛细水分布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黏土粉土砂土砾石分析对象:

水柱二.土中水§1.1土的三相组成§1土的物性与分类大气压为基准第1章土的物理性质与分类42毛细压力2πrTcosα+ucπr2=0毛细压力分析对象:水膜二.土中水§1.3

土的三相组成§1土的物性与分类第1章土的物理性质与分类43毛细压力二.土中水§1.1土的三相组成§1土的组成对砂土强度的影响:毛细边角水,假凝聚力非饱和土中毛细张力影响第1章土的物理性质与分类44三.土中气体自由气体：与大气连通，对土的性质影响不大封闭气体：增加土的弹性；阻塞渗流通道§1.3

土的三相组成§1土的物性与分类第1章土的物理性质与分类同一种土，原状土样和重塑土样的力学性质有很大差异，可见，土的组成成分不是决定土性的全部，土的结构和构造对土性也有很大影响。土的结构（fabricofsoil)（微观方面）是指土粒大小、形状、相互排列及其联结关系、土中水性质及孔隙特征等因素的综合特征。土的结构是在成土过程中逐渐形成的，它与矿物成份、沉积条件相关。土的构造

(structureofsoil)（宏观方面）是指同一土层中的物质成分和颗粒大小都相近的各部分之间的相互关系的特征，表征了土层的层理、裂隙及大孔隙等宏观特征结构与构造§1.1土的三相组成§1土的组成第1章土的物理性质与分类单粒结构蜂窝结构絮状结构

1.5.1土的结构第1章土的物理性质与分类1.单粒结构为碎石土和砂土的结构特征，是由粗大土粒在水或空气中下沉而形成的。因颗粒较大，士粒间的分子吸引力相对很小，所以颗粒间几乎没有连接，至于未充满孔隙的水分只可能使其具有微弱的毛细水连接。单粒结构：疏松和紧密。第1章土的物理性质与分类呈紧密状单粒结构的土，由于其土粒排列紧密，在动、静荷载作用下都不会产生较大的沉降，所以强度较大，压缩性较小，是较为良好的天然地基。具有疏松单粒结构的土，其骨架是不稳定的，当受到震动及其他外力作用时，土粒易于发生移动，土中孔隙剧烈减少，引起土的很大变形，因此，这种土层如未经处理一般不宜作为建筑物的地基。

第1章土的物理性质与分类主要由粉粒和细砂0.075~0.005mm组成的土的结构形式。据研究，粒径在0．075－0．005mm左右的士粒在水中沉积时，基本上是以单个土粒下沉，当碰上已沉积的土粒时，由于它们之间的相互引力大于其重力，因此土粒就停留在最初的接触点上不再下沉，形成具有很大孔隙的蜂窝状结构。结构有很大孔隙，由于弓架作用和一定程度粒间联结，使得其可以承担一般水平的静力荷载。但当其承受高水平应力和动力荷载时，结构将破坏，可导致严重的地基变形。2.蜂窝结构第1章土的物理性质与分类是粘粒（＜0.005mm）集合体组成的结构形式。微小的粘粒，重量极轻，难以靠自重在水中下沉。下沉主要靠黏土颗粒与水作用产生的粒间作用力。粒间相互作用力有吸引力也有排斥力。当总的吸引力大于排斥力时，就表现为净吸引力；反之，为净排斥力。

主要有：3.絮状结构第1章土的物理性质与分类静电力：黏土颗粒带负电，主要分布在其平面上，两端则带正电。与距离平方成反比。分子力（范德华力）极性分子之间、极性分子对非极性分子暂时极化再吸引。与距离六次方成反比。双电层重叠产生的离子吸引力。颗粒间结晶与胶结力渗透斥力。第1章土的物理性质与分类层理构造：土不均匀、各向异性。裂隙构造：土呈各向异性。分散构造：土不均匀、各向同性。

分散构造裂隙构造水平层理构造交错层理构造土的构造土的构造是结构相对均一的结构单元体的形态和组合特征。第1章土的物理性质与分类53§1.2土的物理指标土的物理状态粗粒土的松密程度黏性土的软硬程度土的物理性质指标(松密程度、干湿程度、轻重程度)力学特性直接影响表示§1土的组成？第1章土的物理性质与分类54一.物理性质指标土的三个组成相的体积和质量上的比例关系§1.3土的物理指标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、常见值或范围、联系与区别定义基本方法:三相草图法§1土的组成第1章土的物理性质与分类551.三相草图WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm一.物理性质指标质量体积§1.2土的物理状态§1土的组成第1章土的物理性质与分类56三相草图WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积已知关系五个:共有九个参量:

VVvVsVaVw

/msmwmam剩下三个独立变量三相草图法物性指标是比例关系:可假设任一参量为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土的组成第1章土的物理性质与分类572.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重度(天然重度、湿重度)γ=ρg工程上很常用,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、湿密度表达式:相关指标:三相草图有助于直观理解物性指标的概念一.物理性质指标§1.3土的物理状态§1土的组成第1章土的物理性质与分类58WaterAirSolidVaVwVsVvVma=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:

黏性土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:一.物理性质指标§1.3土的物理状态§1土的组成第1章土的物理性质与分类59WaterAirSolidVaVwVsVvVma=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:一.物理性质指标§1.3土的物理状态§1土的组成第1章土的物理性质与分类60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%黏性土：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,常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土的组成第1章土的物理性质与分类61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:饱和土一.物理性质指标§1.3土的物理状态§1土的组成第1章土的物理性质与分类62表示土的密度和重度的指标天然密度干密度饱和密度天然重度干重度浮重度浮密度有效重度饱和重度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土的组成第1章土的物理性质与分类63各种密度重度之间的大小关系：天然密度干密度饱和密度天然重度干重度浮重度饱和重度WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积一.物理性质指标§1.2土的物理状态§1土的组成第1章土的物理性质与分类64常用的物理性质指标间的换算关系教科书要点从物理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§1.2土的物理状态§1土的组成三相草图法有助于直观理解物性指标的概念可用于确定物性指标之间的关系是求取物理性质指标的简单而有效的方法第1章土的物理性质与分类岩土考试真题第1章土的物理性质与分类第1章土的物理性质与分类※三相组成考试例题有一码头的挡土墙高5m，墙背垂直光滑，墙后为冲填的松砂，填土表面水平，地下水位与墙顶齐平，已知：砂的e=0.9，饱和重度γsat=18.7kN/m3，内摩擦角ψ=30°，强震使饱和松砂完全液化，震后松砂沉积变密实，e=0.65，内摩擦角ψ=35°，震后墙后水位不变，求震后土的高度。

第1章土的物理性质与分类※三相组成别的章节公式学了第四章后的灵活应用此公式最方便。但是对人的要求比较高，需要深层次的理解公式的背后意思。第1章土的物理性质与分类※三相组成推导对于干土和饱和土，只需要两项指标即可换算出其余的8项指标，换算一下：有侧限情况下，单位高度1的土体：⑴

震前：VV1+VS=V1VV1/VS=0.9（Ms+Vv1*1）/（Vv1+Vs）=（Ms+0.9Vs*1）=1.87(2)

震后，一部分水泌出，设为体积VW，VV2+VW+VS=V1

VV2/VS=0.65震后饱和沙土的饱和密度为ρsat，综合以上各式，即ρsat=（Ms+Vv2*1）/（Vv2+Vs）=（Ms+0.65Vs*1）/（Vv2+Vs）=（Ms+0.65Vs*1+0.25Vs*1-0.25Vs*1）/（Vv2+Vs）=1.87×1.9÷1.65-0.25÷1.65=2，重度为20.总之，要用到凑数法。就是5*0.25/1.9=0.6587=0.66m。第1章土的物理性质与分类第1章土的物理性质与分类第1章土的物理性质与分类真题第1章土的物理性质与分类第1章土的物理性质与分类74土的物理状态指标土的物理状态粗粒土的松密程度黏性土的软硬程度土的物理性质指标(三相间的比例关系)力学特性影响表示§1.3土的物理状态§1土的组成第1章土的物理性质与分类75emax与emin

：最大与最小孔隙比1.粗粒土的密实状态物理状态指标密实度如何衡量?单位体积土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重度

d或孔隙比e或孔隙率nemin

=0.35emin

=0.20§1.3土的物理状态§1土的组成第1章土的物理性质与分类76emax: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§1.3土的物理状态§1土的组成第1章土的物理性质与分类77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§1.3土的物理状态§1土的组成第1章土的物理性质与分类782.黏性土的软硬状态也称稠度状态稠度状态与含水量有关黏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土的组成第1章土的物理性质与分类79塑限wp液限wl稠度界限黏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§1.3土的物理状态§1土的组成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第1章土的物理性质与分类80相对稠度问题：仅适用于重塑土即使含水量相同，稠度状态可能不同液性指数定义：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§1.3土的物理状态§1土的组成对同一种黏土，含水量可反映其稠度问题：对不同的黏土，wp、wl

大小不同第1章土