工程地质学--第三章 土的物理性质

工程地质学概论:第三章土的物理性质工程地质学概论第三章土的物理性质贾洪彪中国地质大学（武汉）工程学院工程地质学概论:第三章土的物理性质2020/1/18中国地质大学工程学院贾洪彪2第三章土的物理性质•第一节土的基本物理性质•第二节粘性土的稠度与可塑性•第三节细粒土的胀缩性和崩解性•第四节土的透水性和毛细性工程地质学概论:第三章土的物理性质2020/1/18中国地质大学工程学院贾洪彪3•土的物理性质是指土本身由于三相组成部分的相对比例关系不同所表现的物理状态；固、液两相相互作用时所表现出来的性质。•三相比例关系——物理状态：轻重、干湿、松密•固、液相互作用——物理性质：稠度、塑性、胀缩、透水性、毛细性•土的物理性质在一定程度上决定了它的力学性质，其指标在工程计算中常被直接应用。•对种类繁多、性质各异的土，按一定的原则，进行分门别类，给出合适的名称，可以概略评价土的工程性质。第三章土的物理性质工程地质学概论:第三章土的物理性质2020/1/18中国地质大学工程学院贾洪彪4第一节土的基本物理性质•土的物理性质是指三相的质量与体积之间的相互比例关系及固、液二相相互作用表现出来的性质。前者称为土的基本物理性质，主要研究土的密实程度和干湿状况；后者主要研究粘性土的可塑性、胀缩性及透水性等。工程地质学概论:第三章土的物理性质2020/1/18中国地质大学工程学院贾洪彪5一、土粒密度•土粒密度是指固体颗粒的质量与其体积之比，即单位体积土粒的质量。)(g/cm3sssVm工程地质学概论:第三章土的物理性质2020/1/18中国地质大学工程学院贾洪彪6二、土的密度•土的密度是指土的总质量与总体积之比，即单位体积土的质量，单位是g/cm3。1、天然密度•天然状态下单位体积土的质量，称天然密度，即：•天然密度常见值为1.6~2.2g/cm3，小于土粒密度值，它是一个实测指标。swaswVVVmmVm工程地质学概论:第三章土的物理性质2020/1/18中国地质大学工程学院贾洪彪72、干密度•土的孔隙中完全没有水时的密度，称土的干密度，指单位体积干土的质量，即Vmsd干密度与土中含水多少无关，只取决于土的矿物成分和孔隙性。土的干密度一般在1.4~1.7g/cm3之间。工程地质学概论:第三章土的物理性质2020/1/18中国地质大学工程学院贾洪彪83、饱和密度•土的孔隙完全被水充满时的密度称为饱和密度，是指土孔隙中全部充满液态水时的单位体积土的质量，即VVmws.vsat工程地质学概论:第三章土的物理性质2020/1/18中国地质大学工程学院贾洪彪9三、土的含水性1、含水量•含水量指土中所含水分的质量与固体颗粒质量之比，以百分数表示，又称土的含水率。•一般所说的含水量指的是天然含水量。•土的孔隙中全被水充满时的含水量，称为饱和含水量wsat。•饱和含水量既能反映土孔隙中全部充满水时含水多少。又能反映土的孔隙率大小。%100swmmw%100vsatswmVw工程地质学概论:第三章土的物理性质2020/1/18中国地质大学工程学院贾洪彪102、饱和度•土孔隙中所含水的体积与土中孔隙体积的比值称为土的饱和度，以百分数表示。•干土：Sr=0；饱和土：Sr=100%。•砂类土的含水状况：Sr50%，稍湿的；50%≤Sr≤80%，很湿的；Sr80%，饱和的%100vwrVVS工程地质学概论:第三章土的物理性质2020/1/18中国地质大学工程学院贾洪彪11四、土的孔隙性•土中孔隙大小、形状、分布特征、连通情况与总体积等，称为土的孔隙性。其主要取决于土的颗粒级配与土粒排列的疏密程度。1、孔隙度•孔隙度又称孔隙率，指土中孔隙总体积与土的总体积之比，用百分数表示。•土的孔隙度取决于土的结构状态，砂类土的孔隙度常小于粘性土的孔隙度。•土的孔隙度一般为27~52%。新沉积的淤泥，孔隙度可达80%。%100vVVn工程地质学概论:第三章土的物理性质2020/1/18中国地质大学工程学院贾洪彪122、孔隙比•孔隙比指土中孔隙体积与土中固体颗粒总体积的比值，用小数表示，•土的孔隙比说明土的密实程度，按其大小可对砂土或粉土进行密实度分类。在《岩土工勘察规范》（GB50021-2002）中，用天然孔隙比来确定粉土的密实度。e0.75密实0.75≤e≤0.9中密e0.9稍密•孔隙度与孔隙比的关系为svVVe-nneeen11或工程地质学概论:第三章土的物理性质2020/1/18中国地质大学工程学院贾洪彪133、砂土的相对密度•砂土的密实程度还可用相对密度（Dr）来表示。minmaxmaxrDeeee态时的孔隙比）最大孔隙比（最疏松状态时的孔隙比）最小孔隙比（最紧密状::maxminee•Dr=0时，土处于最疏松状态；Dr=1时，土处于最密实状态。松散的中密的密实的Dr..Dr..Dr03303306706701工程地质学概论:第三章土的物理性质2020/1/18中国地质大学工程学院贾洪彪14五、指标之间的关系•土粒密度、天然密度、含水量是三个基本实测指标、即通过试验直接测定。•由实测指标换算求取六个导出指标可直接用简单的数学演算方法，如：1)1(1111//wmVVmVVVVVVVewmmVmmmVmVmsdssssssssvmmmsssdsws工程地质学概论:第三章土的物理性质2020/1/18中国地质大学工程学院贾洪彪15第二节粘性土的稠度与可塑性粘性土的稠度与可塑性是土粒与水相互作用后所表现出来的物理性质。工程地质学概论:第三章土的物理性质2020/1/18中国地质大学工程学院贾洪彪16一、粘性土的稠度状态•粘性土因含水多少而表现出的稀稠软硬程度，称为稠度。•因含水多少而呈现出的不同的物理状态称为粘性土的稠度状态。•固态：含水量相对较少，粒间主要为强结合水连结，连结牢固，土质坚硬，力学强度高，不能揉塑变形，形状大小固定。•塑态：含水量较固态为大，粒间主要为弱结合水连结，在外力作用下容易产生变形，可揉塑成任意形状不破裂、无裂纹，去掉外力后不能恢复原状。•流态：含水量继续增加、粒间主要为液态水占据，连结极微弱，几乎丧失抵抗外力的能力，强度极低，不能维持一定的形状，土体呈泥浆状，受重力作用即可流动。工程地质学概论:第三章土的物理性质2020/1/18中国地质大学工程学院贾洪彪17二、界限含水量——稠度界限缩限塑限液限0固态半固态可塑状态流动状态•土从某种稠度状态转变为另一种状态时的界限含水量称为稠度界限工程上常用的有液性界限wL和塑性界限wp•液性界限，相当于土从塑性状态转变为液性状态时的含水量，简称液限wL•塑性界限，相当于土从半固体状态转变为塑性状态时的含水量，简称塑限wp常见值为17~28%工程地质学概论:第三章土的物理性质2020/1/18中国地质大学工程学院贾洪彪18•液性指数IL反映土的天然含水量与界限含水量之间的关系，工程上用来表示土的稠度状态。LppLpLII用小数表示对值来表示习惯上采用百分数的绝,ωpωωL0ω-ωpωL-ωp工程地质学概论:第三章土的物理性质2020/1/18中国地质大学工程学院贾洪彪19工程地质学概论:第三章土的物理性质2020/1/18中国地质大学工程学院贾洪彪20三、粘性土的可塑性•当粘性土的含水量在某范围内时，可用外力塑成任何形状而不发生裂纹，并在外力移去时能保持既得的形状，土的这种性能叫可塑性。•粘性土中含水量在液限与塑限两个稠度界限之间时，土处于可塑状态，具有可塑性，这是粘性土的独特性能。•wL和wp的差值可以反映可塑性的大小，工程上定义为塑性指数IPIP=wL-wp•《岩土工程勘察规范》按塑性指数IP将粘性土分为两类，IP17为粘土，17≥IP10为粉质粘土，IP≤10为粉土或砂类土。工程地质学概论:第三章土的物理性质2020/1/18中国地质大学工程学院贾洪彪21一、细粒土的胀缩性•细粒土由于含水率增加而发生体积增大的性能，称膨胀性。•细粒土由于失去水分而体积缩小的性能，称收缩性。•细粒土产生膨胀的根本原因是由于土颗粒表面结合水膜的增厚，并且主要由弱结合水的增加而引起的。与之相反，细粒土失去水分时弱结合水膜就会变薄，加强了公共水化膜的作用，土粒间的引力增强，距离减小，导致土体积的收缩。•细粒土的胀缩性对工程建筑物的影响很大，土体的胀缩不仅降低了土体的强度，而且引起土体变形导致建筑物的毁坏。细粒土组成的斜坡，常因土体的膨胀发生滑坡。第三节细粒土的胀缩性和崩解性工程地质学概论:第三章土的物理性质2020/1/18中国地质大学工程学院贾洪彪22（一）表征细粒土膨胀性的指标1、自由膨胀率•人工制备的干土，在水中增加的体积与原体积的比，称为自由膨胀率。ef=（vwe–v0)/v0×100%式中：vwe为土样在水中膨胀稳定后的体积；v0为土样原有体积。•自由膨胀率是判别膨胀土膨胀潜势的参数，可通过膨胀实验得到。工程地质学概论:第三章土的物理性质2020/1/18中国地质大学工程学院贾洪彪232、膨胀率•土样在一定压力下，浸水膨胀稳定后所增加的体积与原体积之比，称为膨胀率。•膨胀率采用室内无侧胀膨胀仪测定，由于侧向限制而只能产生纵向膨胀，因此测得的是线性膨胀率ep=（hw–h0)/h0×100%3、膨胀力•土样的体积不变时，由于浸水膨胀产生的最大内应力，称为膨胀力。它等于为了阻止土膨胀而施加于其上的最小压力。•某些细粒土的膨胀力可大到100kPa以上工程地质学概论:第三章土的物理性质2020/1/18中国地质大学工程学院贾洪彪241、体缩率•土样收缩减小的体积与收缩前体积的比值，称为体缩率。以百分率表示。v=(v0–vd)/v0×100%2、线缩率•土样收缩后的高度减小量与原高度之比，称为线缩率，以百分率表示。s=（h0–h)/h0×100%3、收缩系数•原状土佯在直线收缩阶段，含水l量减少1%时的竖向线缩率，称收缩系数。（二）表征细粒土收缩性的指标工程地质学概论:第三章土的物理性质2020/1/18中国地质大学工程学院贾洪彪25二、细粒土的崩解性•细粒土由于浸水而发生崩散解体的性能，称为崩解性。•细粒土的崩解性是由于土体浸水后，水进入孔隙或裂隙的情况不平衡因而引起粒间结合水膜增厚的速度不同，以致粒间斥力超过吸力的情况也不平衡，产生应力集中，使土体沿着斥力超过吸引力的最大面崩落下来。•细粒土的崩解性通常用崩解时间、崩解速度、崩解特征来表示。•细粒土的崩解实质上是膨胀的特殊形式及其进一步发展。受土的矿物成分、粒度成分、水溶液的浓度、PH值和土的结构影响。工程地质学概论:第三章土的物理性质2020/1/18中国地质大学工程学院贾洪彪26第四节土的透水性和毛细性一、土的透水性•水在土孔隙中渗透流动的性能，称为土的透水性。•不同类型的土，孔隙大小不同，透水性也不同。绝大多数情况下，水在天然土层中以层流形式运动，服从达西(Darcy)定律。即v=KI•巨粒土中孔隙粗大，地下水可在其中以较大流速运动，呈紊流形式，服从哲才(A.Chezg)定律，即v=KI½工程地质学概论:第三章土的物理性质2020/1/18中国地质大学工程学院贾洪彪27二、土的毛细性•土的毛细性是指水通过土的毛细孔隙在弯液面力的作用下，向各个方向运动的性能。水在毛细孔隙中运动的现象，称毛细现象。•毛细现象可造成土壤沼泽化和盐渍化、建筑物地基稳定性降低。•评价土毛细性的指标有毛细上升高度、毛细上升速度、毛细压力。•毛细上升高度土中毛细水上升达到的最大高度，称为毛细上升高度。