土力学 第一章 土的组成和土的性质.ppt

土力学,第一章 土的物理性质,Soil Mechanics,土的物理性质,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,§1.1 土的形成 §1.2 土的三相组成 §1.3 土的结构 §1.4 土的物理状态 §1.5 土的工程分类 §1.6 土的压实性,土的物理性质,Chapter 0 introduction,土的物理性质,§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,形成过程 形成条件,物理力学性质,风化,影响,岩石和土的粗颗粒受各种气候等物理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 是颗粒大小发生量的变化 矿物成分与母岩相同，称原生矿物 产生无黏性土,§1.1 土的形成,一. 风化,物理风化 化学风化 生物活动,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 颗粒成分发生质的变化 矿物成分与母岩不同，称次生矿物 形成十分细微的土颗粒，最主要为粘性颗粒及可溶盐类,物理风化 化学风化 生物活动,§1.1 土的形成,一. 风化,包括植物、动物和土壤微生物的作用 可加剧物理和化学风化 构成土中有机质和营养物质的生物循环 导致腐殖质的形成，改变土壤的结构,§1.1 土的形成,一. 风化,物理风化 化学风化 生物活动,残积土 无搬运 运积土 有搬运,§1.1 土的形成,二. 搬运与沉积,风化所形成的土颗粒，受自然力的作用搬运到远近不同的地点所沉积的堆积物 坡积土：土粒粗细不同，性质不均 洪积土：有分选性，近粗远细 冲积土：浑圆度分选性明显，土层交迭 湖泊沼泽沉积土：含有机物淤泥，土性差 海相沉积物：颗粒细，表层松软，土性差 冰积土：土粒粗细变化较大，性质不均匀 风积土：颗粒均匀，层厚而不具层理,§1.1 土的形成,二. 搬运与沉积,残积土 无搬运 运积土 有搬运,§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,一. 固体颗粒,物理状态 力学特性,粒径级配,矿物成分,颗粒形状,§1.2 土的三相组成 固体颗粒,1. 粒径级配,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,§1.2 土的三相组成 固体颗粒,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（土的分类标准 GBJ 145-90）,§1.2 土的三相组成 固体颗粒,§1.2 土的三相组成 固体颗粒,粒径级配,确定方法 筛分法：适用于粗粒土 (0.075 mm) 水分法：适用于细粒土 (0.075 mm),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,§1.2 土的三相组成 固体颗粒,筛分法,用一套孔径不同的筛子，按从上至下筛孔逐渐减小放置。将事先称过质量的烘干土样过筛，称出留在各筛上的土质量，然后计算其占总土粒质量的百分数,粗粒土 (0.075 mm) 粒径级配确定方法,比重计法,利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同来确定小于某粒径的土粒含量,细粒土 (0.075 mm)粒径级配确定方法,10 5.0 2.0 1.0 0.5 0.25 0.075,200g,10 16 18 24 22 38 72,小于某粒径之土质量百分数P（）,粒径(mm),P % 95 87 78 66 55 36,土的粒径级配累积曲线,水分法,§1.2 土的三相组成 固体颗粒,d60,d50,d10,d30,特征粒径: d50 : 平均粒径 d60 : 控制粒径 d10 : 有效粒径 d30,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,§1.2 土的三相组成 固体颗粒,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 平台-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,§1.2 土的三相组成 固体颗粒,粒径级配,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： C c = 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 C c = 1 3 ， 级配 良好的土； 如果 Cu 3 或 Cc 1, 级配 不良的土。,§1.2 土的三相组成 固体颗粒,2. 矿物成分,原生矿物：由岩石经过物理风化形成，其矿物成分与母岩相同，如石英、长石、云母等。 特征：矿物成分的性质较稳定，由其组成的土具有无粘性、透水性较大、压缩性较低的特点。,§1.2 土的三相组成 固体颗粒,次生矿物：岩石经化学风化后所形成的新的矿物，其成分与母岩不相同，分为可溶性和非溶性两类。 非溶性主要有黏土矿物（高岭石、伊利石、蒙脱石）、倍半氧化物(Al2O3、Fe2O3)、次生二氧化硅（SiO2）。 可溶性：难溶盐、中溶盐、易溶盐。 特征：性质较不稳定，具有较强的亲水性，遇水易膨胀的特点。,无机矿物,动植物遗体及其分解物质：泥炭和腐殖质。 亲水性强，可塑性高、压缩性大、强度低。,有机质：,粘土矿物是一种复合的铝-硅盐晶体，颗粒呈片状，是由硅片和铝片构成的晶包所组叠而成，可分成高岭石、伊利石和蒙特石三种类型。,硅片 铝片,§1.2 土的三相组成 固体颗粒,粘土矿物是一种复合的铝-硅盐晶体，颗粒呈片状，是由硅片和铝片构成的晶包所组叠而成，可分成高岭石、伊利石和蒙特石三种类型。,硅片 铝片,§1.2 土的三相组成 固体颗粒,晶层间通过氢键联结，联结力强，晶格不能自由活动，水难以进入晶格间 能组叠很多晶层，多达百个以上，成为一个颗粒。颗粒长宽约0.3-3，厚约0.03-1。 主要特征：颗粒较粗，不容易吸水膨胀和失水收缩，或者说亲水能力差。,依硅片和铝片组叠形式的不同，可分成如下三种类型：,高岭石 蒙特石 伊利石,§1.2 土的三相组成 固体颗粒,晶层间是O2-对O2-的连结，联结力很弱，水很容易进入晶层之间。 每一颗粒能组叠的晶层数较少。颗粒大小约为0.1-1 ，厚约0.001-0.01。 主要特征：颗粒细微，具有显著的吸水膨胀、失水收缩的特性，或者说亲水能力强。,§1.2 土的三相组成 固体颗粒,高岭石 蒙特石 伊利石,依硅片和铝片组叠形式的不同，可分成如下三种类型：,是云母在碱性介质中风化的产物。 与蒙特石相似，由两层硅片夹一层铝片所形成的三层结构，但晶层之间有钾离子连结。 主要特征：连结强度弱于高岭石而高于蒙特石，其特征也介于两者之间。,§1.2 土的三相组成 固体颗粒,高岭石 蒙特石 伊利石,依硅片和铝片组叠形式的不同，可分成如下三种类型：,土是在各种地质作用过程和生成条件下形成的，其矿物成分与粒组大小之间具有明显的内在联系，大致反应在下图中。,§1.2 土的三相组成 固体颗粒,原生矿物：一般颗粒较粗，呈粒状。有圆状、浑圆状、棱角状等。 次生矿物：颗粒较细，多呈针状、片状、扁平状。 比表面积：单位质量土颗粒所拥有的总表面积。对于黏性土，其大小直接反映土颗粒与四周介质,特别是水,相互作用的强烈程度,是代表黏性土特征的一个很重要的指标。 高岭石的比表面积为：10-20m2/g,伊利石：80-l00m2/g,蒙特石：800m2/g,粗颗粒的形状,粘土颗粒的形状,§1.2 土的三相组成 固体颗粒,3. 颗粒形状,结晶水 矿物内部的水只通过矿物成分影响土的性质 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 水蒸气 存在孔隙空气中,二. 土中水（液相）,土中水的含量明显地影响土的性质(尤其是黏性土)。土中水除了一部分以结晶水的形式吸附于固体颗粒的晶格内部外，还存在结合水和自由水。,§1.2 土的三相组成 土中水,粘土矿物的带电性质 研究表明，片状粘土颗粒表面常带有电荷，净电荷通常为负电荷。,- - - - - - - - -,- - - - - - - -,+,+,+,+,粘土颗粒,水分子,阳离子,玻璃筒,玻璃皿,水位 升高,粘土粒,粘土膏,+,-,粘土的电泳和电渗现象 (列依斯, 1809),§1.2 土的三相组成 土中水,结合水,吸附作用、离解作用,- 强结合水： 排列致密，密度1g/cm3 冰点处于零下几十度 完全不能移动，具有固体的特性 温度高于100°C时才可蒸发 - 弱结合水： 受电场引力作用，为粘滞水膜 外力作用下可以移动 不因重力而流动，有粘滞性,粘土 颗粒,引力,d,水分子,阳离子,强结合水,弱结合水,自由水,结合水：受颗粒表面电场作用力吸引而包围在颗粒四周，不传递静水压力，不能任意流动的水,§1.2 土的三相组成 土中水,强结合水,弱结合水,§1.2 土的三相组成 土中水,双电层,固定层,扩散层,内电层,外电 层,厚度的变化可改变黏性土的工程性质,通过“离子交换”来实现（P18）,毛细水：由于土体孔隙的毛细作用升至自由水面以上的水。毛细水承受表面张力和重力的作用 重力水：自由水面以下的孔隙自由水，在重力作用下可在土中自由流动,自由水：不受颗粒电场引力作用的孔隙水,hc,毛细水,重力水,§1.2 土的三相组成 土中水,毛管中流体的界面效应,T,dk,w,空气,固体, =湿润角,水,a,T =界面张力,Dk=毛管直径,ua-uw,ua-uw =压力差,§1.2 土的三相组成 土中水,毛 细 管,hc,土中毛细水上升高度,T,2r,上升高度,r2hcw=2rTcos,毛细升高与孔径成反比,粘土 粉土 砂土 砾石,§1.2 土的三相组成 土中水,水,hc,2r,T,T,则毛细压力：,2rTcos+ucr2 = 0,毛细管中的负静水压力,毛细水压力,§1.2 土的三相组成 土中水,土颗粒缝隙处的弯液面,r,空气 水 固体颗粒,弯液面,在非饱和土中，孔隙中含有水和气，此时水多集中于颗粒间的缝隙处，称毛细角边水。 由于毛细张力的作用，会形成如图所示的弯液面，使毛细角边水产生负压力，颗粒则受正压力。 这是稍湿的砂土颗粒间存在假凝聚力的原因,§1.2 土的三相组成 土中水,自由气体：与大气连通连通的气体 对土的性质影响不大 封闭气体：被土颗粒和水封闭的气体 阻塞渗流通道，使土的渗透性减小； 弹性增大和延长土体受力后变形达到 稳定的历时； 可能造成突然沉陷。 溶解在水中的气体 吸附于土颗粒表面的气体,§1.2 土的三相组成 土中气体,§1.2 土的三相组成 小结,土体有三个组成部分：固相、液相和气相,固体颗粒 土中水 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,§1.3 土的结构,土颗粒或粒团的 空间排列和相互联结,土粒间的作用力,土的结构性指标,力学特性,土的结构,影响,粗粒土的结构,细粒土的结构,重塑土的强度,原状土的强度,一、土粒间的作用力,重 力 毛细力 胶结力 颗粒表面力,土颗粒的自重形成的方向向下的力, 砂性土, 土中毛细作用形成的力, 细砂、细粒土, 土粒间的胶体物质形成的作用力, 黏性土, 黏性土, 库 仑 力：, 范德华力：,颗粒表面的静电引力或斥力,颗粒接触点处的分子间引力,§1.3 土的结构,1、粗粒土的结构,粒间作用力,排列形式,矿物成分,单粒结构,示意图,重力，毛细力,点与点、点与面,原生矿物,§1.3 土的结构,二、土的结构,2、粉土的结构,粒间作用力,排列形式,蜂窝结构,示意图,重力，表面力（引力）,点与点,§1.3 土的结构,颗粒间点与点接触，由于彼此之间引力大于重力，接触后，不再继续下沉，形成链环单位,很多链环联结起来，形成孔隙较大的蜂窝状结构。,二、土的结构,3、黏性土的结构,粒间作用力,形成环境,排列形式,矿物成分,表面力、胶结力 （斥力减小引力增加）,示意图,表面力、胶结力 （粒间斥力占优势）,淡水中沉积,海水中沉积,次生矿物,次生矿物,天然条件下，可能是多种组合，或者由一种结构过渡向另一种结构。,面与面,边、角与面 边、角与边,力学特性的差异？,§1.3 土的结构,二、土的结构,4、不均匀土的混合结构,§1.3 土的结构,a)是粗粒构架，即由粗粒组成的单粒结构，其中含有的黏粒不受压力，故未经压密，起着黏聚和减少孔隙的作用。 b)是黏粒结合体，其中粗粒互不接触、由黏粒组成承压结构，故具有黏性土特性。 这两种典型结构的中间形式的特点是由粗粒及其接触处的紧密细粒组成构架，而粗粒间的孔隙则由疏松的细粒填充。,二、土的结构,受高频振动时，砂土土粒不停跳动、碰撞和分离，当砂土比较松散时，土粒位置的调整，使得土地结构趋于更加稳定和密实。 饱和砂土在突然振密且排水不畅时，孔隙水压力瞬间增大，土粒受孔隙水压力的反作用力而处于悬浮状态，这是砂土变成液体状，称为“液化”或“流砂”。,§1.3 土的结构,三、砂土的振动密实和液化,四、反映黏性土结构性的指标,1、黏性土的灵敏度 St,=,原状土,结构性,相同含水量 密度、组成,粉碎 重塑,重塑土,强度降低,St 1 1-2 2-4 4-8 8-16 16,黏性土 不灵敏 低灵敏 中等灵敏 灵敏 很灵敏 流动,§1.3 土的结构,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。,2、黏性土的触变性,§1.3 土的结构,四、反映黏性土结构性的指标,在外力作用下黏性土的结构会发生土粒沿某一方向重新排列的现象。,3、黏性土颗粒的定向性作用,§1.3 土的结构,四、反映黏性土结构性的指标,§1.4 土的物理状态,土的物理状态 粗粒土的松密程度 黏性土的软硬状态,土的物理性质指标 (三相间的比例关系),表示,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,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,§1.4 土的物理状态 - 物理性质指标,1、三相草图,质量,体积,§1.4 土的物理状态 - 物理性质指标,1、三相草图,已知关系五个:,共有九个参数: V Vv Vs Va Vw / ms m w ma m,剩下三个独立变量,三相草图法计算,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,§1.4 土的物理状态 - 物理性质指标,为了确定三相草图诸量中的三个量，通常进行三个基本的物理性质试验来测定三个物理性质指标： 土的密度试验 - 土的密度 土粒比重试验 - 土粒比重 土的含水率试验 - 土的含水率,§1.4 土的物理状态 - 物理性质指标,称为基本指标,2、室内测定的三个物理性质指标,土的密度,土的容重,=g,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: 1.602.20 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,§1.4 土的物理状态 - 物理性质指标,测定方法: 环刀法,密度：环刀法,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 2.702.75 砂 土 2.65,4C时纯蒸馏水的密度,=1.0 g/cm3,土粒比重在数值上等于土粒的密度,定义: 土粒的密度与4C时纯蒸馏水的密度的比值,表达式:,§1.4 土的物理状态 - 物理性质指标,测定方法: 比重瓶法,土粒比重：比重瓶法,1、先将比重瓶注满纯水，称瓶加水的质量m1； 2、然后称烘干土的质量ms； 3、把烘干土装入该空比重瓶内，再加纯水至满，称瓶加土加水的质量m2。 4、按下式计算土粒比重：,土的含水率,定义: 土中水的质量与土粒质量之比, 用百分数表示,注意: 可达到或超过100,表达式:,§1.4 土的物理状态 - 物理性质指标,单位: 无量纲,一般范围: 变化很大,测定方法: 烘干法,烘干法,表示土中孔隙含量的指标,孔隙比,孔隙率 (孔隙度),、其它常用的物理性质指标,关系:,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:,定义:土中孔隙体积与总体积之比, 用百分数表示,表达式:,Vs=1,Vv=e,V=1+e,三相草图可用于确定物性指标之间的关系,§1.4 土的物理状态 - 物理性质指标,砂类土：0.5-0.8 黏性土：0.6-1.2，一般小 于4，有的可达25,表示土中含水程度的指标,含水量,饱和度,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,、其它常用的物理性质指标,§1.4 土的物理状态 - 物理性质指标,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,饱和容重,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:,、其它常用的物理性质指标,§1.4 土的物理状态 - 物理性质指标,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,§1.4 土的物理状态 - 物理性质指标,设土体的体积V为1，则d = ms /V，土体内土粒的质量ms为d，由w= mw / ms水的质量mw为w d。于是，,4、物理性质指标间的换算关系,§1.4 土的物理状态 - 物理性质指标,干密度与湿密度和含水率的关系,孔隙比与比重和干密度的关系,设土体内土粒的体积为1，则按e=Vv/V，孔隙的体积vv为e；由s ms / Vs得土粒的质量ms为s。于是，按d的定义可得：,4、物理性质指标间的换算关系,§1.4 土的物理状态 - 物理性质指标,又,得,设土体内土粒的体积为1，则按e=Vv/V得体积vv=e；由s ms/Vs得土粒的质量ms=s。按w= mw / ms ，水的质量mw=ws，则水得体积vw= mw /w =ws/w。于是，由Sr定义可得：,4、物理性质指标间的换算关系,§1.4 土的物理状态 - 物理性质指标,饱和度与含水率、比重和孔隙比的关系,当土饱和时，即Sr为100，则：,设土体内土粒体积为1，则按e=Vv/V ，孔隙的体积Vv为e；由sms/Vs得土粒的质量ms为s，饱和水的质量mw=w*e 。于是，,4、物理性质指标间的换算关系,§1.4 土的物理状态 - 物理性质指标,浮密度与比重和孔隙比得关系,小结,土的三个组成相的体积和质量上的比例关系,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,基本方法:,三相草图法,室内测定的三个物理性质指标 土的密度、土粒的比重、土的含水量,三相草图有助于直观理解物性指标的概念,其它常用的物理性质指标 表示土中孔隙含量的指标 表示土中含水程度的指标 表示土的密度和容重的指标,三相草图可用于确定物性指标之间的关系,三相草图法是求取物理性质指标的简单而有效的方法,§1.4 土的物理状态 - 物理性质指标,二.土的物理状态指标,§1.4 土的物理状态 - 物理状态指标,土的物理状态 粗粒土的松密程度 粘性土的软硬状态,土的物理性质指标 (三相间的比例关系),表示,emax与emin ：最大与最小孔隙比,1、粗粒土的密实状态,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(对于同一种土),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n,emin = 0.35,emin = 0.20,§1.4 土的物理状态 - 物理状态指标,emax: 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,§1.4 土的物理状态 - 物理状态指标,1、粗粒土的密实状态,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 2/3 , 密实状态,相对密度,§1.4 土的物理状态 - 物理状态指标,1、粗粒土的密实状态,emax,e,emin,松,紧,标准贯入试验,§1.4 土的物理状态 - 物理状态指标,1、粗粒土的密实状态,最大与最小孔隙比室内测试方法不完善 砂土原状土难取 天然孔隙比测不准,现场,锤重：63.5kg,落距：760mm,打入深度：300mm,2、黏性土的软硬状态,也称稠度状态，反映土受外力作用所引起变形或破坏的抵抗能力,是粘性土最主要的物理状态特征。,稠度状态与含水量有关,黏性土,含水量,较硬,变软,流动,§1.4 土的物理状态 - 物理状态指标,粘性土由某一种状态过渡到另一状态的界限含水量称为土的稠度界限。,§1.4 土的物理状态 - 物理状态指标,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,吸附弱结合水的能力,塑性指数,§1.4 土的物理状态 - 物理状态指标,液、塑限的测定,§1.4 土的物理状态 - 物理状态指标,测定塑限的方法：搓滚法和液、塑限联合测定法 测定液限的方法：锥式仪法、碟式仪法和液、塑限联合测定法,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：,wp,w,wl,IL1,坚硬状态 可塑状态 流 态,0.00 0.25 0.25 - 0.75 0.75 1.00,硬塑 可塑 软塑,对同一种粘土，含水量可反映其稠度,问题：,§1.4 土的物理状态 - 物理状态指标,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 1.25,非活性粘土 正常粘土 活性粘土,§1.4 土的物理状态 - 物理状态指标,粗粒土的密实状态指标: 相对密度Dr,小结,黏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,粗粒土与黏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,§1.4 土的物理状态 - 物理状态指标,§1.5 土的工程分类,目的：,依据：,建筑地基基础设计规范GB50007-2011,水利部土工试验规程SL237-001-1999,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,是将工程性质相近的土归为一类,土的工程分类标准 GB/T50145-2007,铁路工程岩土分类标准TB10077-2001,公路土工试验规程 JTJ E402007,分类原则和特点：,1、 建筑地基基础设计规范 (GB500072011),对粗颗粒土，考虑了结构和粒径级配； 对细颗粒土，考虑了土的塑性和成因； 给出岩石的分类标准； 将天然土分为6大类：岩石、碎石土、砂类土、粉土、粘性土和人工填土。,§1.5 土的工程分类,a. 岩石的分类,颗粒间牢固粘结,呈整体或具有节理隙的岩体称为岩石，坚硬程度可根据岩块的饱和单轴抗压强度frk分类,1、 建筑地基基础设计规范 (GB500072011),§1.5 土的工程分类,b.碎石土的分类,粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50%的土称为碎石土。,1、 建筑地基基础设计规范 (GB500072011),§1.5 土的工程分类,c.砂土的分类,粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50%的土，且粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50%的土称为砂土,1、 建筑地基基础设计规范 (GB500072011),§1.5 土的工程分类,d.粉土的分类,粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重50%，塑性指数IP10的土称为粉土。,e.粘性土的分类,粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重50%，塑性指数IP10的土称为粘性土，粘性土根据塑性指数细分。,1、 建筑地基基础设计规范 (GB500072011),§1.5 土的工程分类,f.人工填土的分类,由于人类活动而形成的堆积物称为人工填土。物质成分较杂乱,均匀性较差，根据其物质组成和成因,可分为素填土、压实填土、杂填土和冲填土。,分类原则和特点：,2、土的分类标准(GB/T50145-2007),考虑了土的有机质含量、颗粒组成特征以及土的塑性指标。 先判断该土属于有机土还是无机土。 若属于无机土，则可先划分其粒组。 根据土内各粒组的相对含量，将土分为： 巨粒土 粗粒土 细粒土,§1.5 土的工程分类,a.巨粒土,巨粒土按土中粒径大于60mm的巨粒含量区分。若土中巨粒含量多于75%,属于巨粒土；若土中巨粒含量在50%75%之间，属于混合巨粒土；若土中巨粒含量在15%50%之间，属于含巨粒混合土。,b.粗粒土的分类,巨粒含量少于15%，剔除巨粒后，若土中粒径大于0.075mm的粗粒含量多于余土的50%，属于粗粒土。粗粒土分为砾类土和砂类土两类。,2、土的分类标准（GB/T50145-2007）,§1.5 土的工程分类,c.细粒土的分类,土中粒径小于0.075mm的细粒含量不小等于50%的土。 粗粒含量不大于25%的土属于细粒土。 粗粒含量在25%50%之间，含粗粒的细粒土。 有机质含量小于10%且不小于5%的，有机质土,2、土的分类标准(GB/T50145-2007),§1.5 土的工程分类,§1.6 土的压实性,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,一. 室内击实试验,二. 细粒土的压实性,三. 粗粒土的压实性,§1.6 土的压实性,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=cosnst的土；分三层压实； 测定击实后的、，算定d,注意：仅适用于细粒土；对粗粒土，可用较大尺寸的击实仪,土,§1.6 土的压实性,二. 细粒土的压实性,1.击实曲线,2.理论分析,3.影响因素,4.压实标准,§1.6 土的压实性,1.击实曲线,特点： 具有峰值 位于饱和曲线之下,黏性土渗透系数很小，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。,0 4 8 12 16 20 24 28 含水量w(%),饱和曲线,dmax=1.86,wop=12.1,最大干密度 最优含水量,§1.6 土的压实性 - 细粒土的压实性,2. 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,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; 增加水的相对含量, op, d dmax, op , d dmax, op , d dmax,§1.6 土的压实性 - 细粒土的压实性,3. 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,§1.6 土的压实性 - 细粒土的压实性,4. 压实标准,黏性土存在最优含水量op，在填土施工中应该将土料的含水量控制在op左右，以期得到dmax。 在op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op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）,§1.6 土的压实性 - 细粒土的压实性,不存在最优含水量； 在完全风干和饱和两种状态 下易于击实； 潮湿状态下d明显降低。,三. 粗粒土的压实性,1.击实曲线,特点,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，加大了阻力。,3. 压实标准,常用相对密度控制 Dr0.70.75 施工过程中要么风干，要么就充分洒水，使土料饱和,§1.6 土的压实性 粗粒土的压实性,第一章完,§1.1 土的形成 §1.2土的三相组成 §1.3土的结构 §1.4土的物理状 §1.5土的工程分类 §1.6土的压实性,土的物理性质,§1.1 土的形成,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,残积土 无搬运,运积土 有搬运,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,重力: 坡积土 流水: 洪积土、冲积土、湖相土、海相土 冰川: 冰积土 风力：风积土,§1.2土的三相组成,土有三个组成部分：固相、液相和气相,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,§1.3 土的结构,土颗粒或粒团的 空间排列和相互联结,土粒间的作用力,黏性土的结构性指标,土的结构,粗粒土的结构,细粒土的结构,§1.4 土的物理状态,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,松密程度 干湿程度 轻重程度,定义,基本方法:,三相草图法,室内测定的三个物理性质指标 土的密度、土粒的比重、土的含水量,其它常用的物理性质指标 表示土中孔隙含量的指标 表示土中含水程度的指标 表示土的密度和容重的指标,粗粒土的密实状态指标: 相对密度Dr,黏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,土的物理状态 粗粒土的松密状态 黏性土的软硬状态,表示,§1.5 土的工程分类,§1 土的物性与分类,目的：,依据：,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,建筑地基基础设计规范GB50007-2002分类法,土的分类标准 GBJ 145-90分类法,§1.6 土的压实性,一. 室内击实试验,二. 细粒土的压实性,三. 粗粒土的压实性,1.击实曲线,2.理论分析,3.影响因素,4.压实标准,1.击实曲线,2.理论分析,3.压实标准,作业,1-1 1-2 （W1改为Vv1） ，1-3 1-4 （假定两种土的活性指数相同） 1-5，1-6，1-8，1-9 1-10（按建筑规范，乙土Ip8） 补：简述细粒土击实曲线的特点以及不同含水量范围内击实土的力学特性。,本课程中所有计算均可取 g=10m/s2,