1土的物理性质及分类

土力学原理土木工程学院讲师：盛晓杰一般固体：液体：土体(散粒)：可保持固定的形状不具有特定的形状具有一定但不固定的形状土有哪些特点？非连续介质岩石风化的产物一、土具有碎散性二、土是三相体系•固相—土骨架•液相—水•气相—空气多相介质三、土有自然变异性土是自然界的产物碎散性三相体系自然变异性力学特性复杂•变形特性•强度特性•渗透特性土有哪些特点？土力学天然的三相碎散堆积物（碎散材料）理论力学学科研究对象材料力学结构力学连续固体弹性力学流体力学连续流体质点或刚体土力学有何特点？土的物理性质与工程分类第一章§1.1概述---土的形成§1.2土的三相组成§1.3土的三相比例指标§1.4土的物理状态§1.5土的分类标准及地基土的工程分类§1.6土的压实性目录§1.1概述——土的形成土岩石风化、搬运、沉积地质成岩作用土的组成、结构和物理力学性质过程、条件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一、风化生物风化物理风化化学风化无粘性土原生矿物粘性土次生矿物有机质特征：物理风化：量变过程，形成的土颗粒较粗；化学风化：质变过程，形成的土颗粒很细。二、搬运、剥蚀与沉积残积土无搬运土质较好残积土强风化弱风化微风化母岩体颗粒表面粗糙多棱角粗细不均无层理运积土有搬运风：风积土重力:坡积土流水:洪积土冲积土湖泊沼泽沉积土海相沉积物冰川:冰积土土粒粗细不同，性质不均匀有分选性，近粗远细浑圆度分选性明显，土层交迭含有机物淤泥，土性差颗粒细，表层松软，土性差土粒粗细变化较大，性质不均匀颗粒均匀，层厚而不具层理冰川冰碛湖沼残积和坡积物洪积平原坡积物沙漠云南红土沙滩黄土§1.2土的三相组成土的三相（1）固相（Solidphase）——土颗粒、粒间胶结物（构成土骨架，起决定作用）（2）液相（Liquidphase）——水（重要影响）（3）气相（Gaseousphase）——空气（次要作用）土的二相（固、液）（1）饱和土（Saturatedsoil）——土颗粒+水（2）干土（Drysoil）——土颗粒+气1、颗粒大小—粒组划分•界限粒径划分粒组的分界尺寸一、固体颗粒d(mm)砾石砂粒粉粒粘粒胶粒20.0050.0020.250.5520粗中细粗中细0.075粗粒细粒巨粒60•粒组介于一定粒度范围的土粒•粒度土粒的大小，通常以当量直径表示200颗粒级配——各粒组的相对含量，用质量百分数来表示•测定方法筛分法：适用于粗粒土(0.1mm)水分法：适用于细粒土(0.1mm)•表述方法颗粒级配累积曲线①粒组范围及各粒组含量②粒径分布情况2、土粒粒度分析---颗粒级配Fig.2-2Particlesizefractioncontentandgrain-sizedistributioncurve105.02.01.00.50.250.1200g筛余10161824223872P100958778665536水分法粒径(mm)0.050.010.005百分数P(%)2613.510筛分法1009080706050403020100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)土的粒径级配累积曲线1009080706050403020100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d60d50d10d30特征粒径:d50:平均粒径d60:限制粒径d10:有效粒径d30;中值粒径不均匀程度：Cu=d60/d10连续程度:Cc=d302/(d60×d10)—曲率系数—不均匀系数粗细程度：用d50表示1009080706050403020100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Cc=1~3,级配连续性好Cu≥5,级配不均匀粒径级配作用粒组含量用于土的分类定名；不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度：Cu5为不均匀土；Cu5为均匀土曲率系数Cc用于判定土的连续程度：Cc=1~3为级配连续土；Cc3或Cc1为级配不连续土不均匀系数Cu和曲率系数Cc用于判定土的级配优劣：Cu5且Cc=1~3为级配良好的土；否则为不良的土图2-2几种土的粒径分布曲线10.10.013、矿物成分原生矿物石英、长石、云母等次生矿物主要是粘土矿物、可溶盐和无定形氧化物胶体粘土矿物包括三种类型：高岭石、伊利石、蒙脱石。由硅片和铝片构成的晶胞所组合而成粘土矿物的晶格构造高岭石蒙脱石伊利石比表面积—单位体积土颗粒所拥有的总表面积，其值越大亲水性越强。1580800粘土矿物的带电性质研究表明：粘土颗粒的表面电荷，静电荷通常为负电荷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二、土中水（液相）结合水强结合水:•排列致密、定向性强，厚度很薄•不能传递静水压力•冰点处于零下几十度•吸热变成蒸汽才能移动•具有固体的的特性，抗剪强度高弱结合水（薄膜水）:•外力作用下可以移动•含有较多弱结合水则具有可塑性•弱结合水的厚度对粘性土的性质有很大影响重力水：地下水位以下的孔隙自由水，在重力作用或水头压力下会运动。具有溶解能力，能传递静水和动水压力，对土颗粒有浮力作用。当它在土孔隙中流动时，对所流经的土体施加渗透力（亦称动水压力），计算中应考虑其影响。自由水重力水毛细水毛细升高与孔径成反比粘土？粉土砂土砾石毛细水：由于土体孔隙的毛细作用升至地下水位以上的水。毛细水承受表面张力和重力的作用。×毛细压力可使土粒相互挤紧对砂土强度的影响:空隙水压为负值,增加了粒间阻力，而具有一定塑性——假凝聚力三、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，减小透水性土颗粒或粒团的空间排列和相互联结四、土的结构和构造力学特性土的结构重塑土的强度原状土的强度土的构造+土层在空间的赋存状态：成层性影响---粗大粒的土单粒结构1、土的结构---细砂、粉粒组成的土蜂窝结构---细小黏粒的土絮状结构2、土的构造类型层理构造裂隙构造§1.3土的三相比例指标土的物理性质指标(三相间的比例关系)。可以用来表示土的物理状态，包括：粗粒土的松密程度和粘性土的软硬状态，从而影响了土的力学特性。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基本方法:三相草图法1、三相草图WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积2、室内测定的三个物理性质指标—基本物理指标WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积土的密度awswsVVVmmVm单位:kg/m3或g/cm3一般范围:1.60—2.20g/cm3土单位体积的质量有时也称土的天然密度表达式:相关指标:土的容重（重度）γ=ρg=9.81·ρ≈10ρ(kN/m3)单位:kN/m3环刀法测得1g/cm3~1000kg/m3~10kN/m3土粒比重s:土粒的密度，单位体积土粒的质量sssVm单位:无量纲土粒比重一般范围:粘性土2.70—2.75砂土2.65有机质、泥炭土较小C4wC4wssG：4˚C时纯蒸馏水的密度C4w=1.0g/cm3土粒比重在数值上等于土粒的密度土粒的密度与4˚C时纯蒸馏水的密度的比值表达式:比重瓶法测得WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积土的含水量ssswmmmmm(%)w土中水的质量与土粒质量之比,用百分数表示注:含水量可达到或超过100％表达式:用烘干法测得孔隙比svVVe３.其它常用的物理性质指标—导出指标土中孔隙体积与固体颗粒体积之比,无量纲表达式:WaterAirSoilVaVwVsVvV体积关系:e1enn1ne孔隙率(孔隙度)VV(%)nv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+eWaterAirSoil体积饱和度vwrVVS表达式: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:饱和土砂土的湿度按饱和度划分为三种状态稍湿很湿饱和Sr≤50%50%＜Sr≤80%Sr＞80%干密度干重度VmsdgddWaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积单位体积内土粒的质量表达式:特殊条件下土的密度浮重度wsat浮密度有效容重饱和密度gsatsat饱和重度重VVmvwssat单位体积内土粒的质量土空隙中充满水时单位体积质量VVmsws/各种密度容重之间的大小关系：dsatdsat天然密度干密度饱和密度Vm天然容重干容重VmsdggddVVmvwssatgsatsat浮容重wsat饱和容重WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积4物理指标间的换算WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积VVVVVVVavasVm0mmmmmaas已知关系五个:共有九个参数:VVvVsVaVω/msmωmam剩下三个独立变量物性指标是比例关系:可假设任一参数为1实验室测定其它指标三相比例换算草图ww11sVeVveV1wswsssddVmwsswdmmwsdm)1(令，并令则，，，，1)1(1wdMVVVVVewssvsvewdeMVVSswwvwr/由直接测定指标推导间接测定指标举例心得：先写出定义式，再代入草图中的值【例题2－1】某一块试样在天然状态下的体积为60cm3，称得其质量为108g，将其烘干后称得质量为96.43g，根据试验得到的土粒比重ds为2.7。试求试样的湿密度、干密度、饱和密度、含水率、孔隙比、孔隙率和饱和度。【解】（1）已知V＝60cm3，m=108g，得ρ=m／v=180/60=1.8g/cm3土的物理性质指标换算举例（2）已知ms=96.43g，则mw=m－ms=108－96.43=11.57g于是w=mw／ms＝11.57／96.43=12%（3）已知ds=2.7，则Vs=ms/ρs=96.43／2.7＝35.7cm3Vv=V－Vs=60－35.7＝24.3cm3于是vsVeV（4）按式（1－12）n=Vv/V＝24.3／60=40.5％（5）根据ρw的定义Vw=mw/ρw=11.57／1＝11.57cm3于是按式（1－13）Sr=Vw/Vv=11.57／24.3＝48％=24.3／35.7=0.68【例2.2】某土样在天然状态下的孔隙比e=0.8，土粒比重Gs=2.68，含水量ω=24%，求：(a)天然状态下的重度、干重度和饱和度；(b)若该土样加水后，达到饱和状态，计算饱和时的含水量ω及饱和重度(假定土的孔隙比保持不变)。ewGws11解:(a)32.689.8110.24kN18.11m10.8318.11kN14.61m1124%dw%4.8080.068.224.0ewGSsr0.8029.85%2.68satsewG32.680.89.8118.97kN/m110.8ssatwGee(b)§1.4土的物理状态土的物理性质指标(三相间的比例关系)。可以用来表示土的物理状态，包括：粗粒土的松密程度和粘性土的软硬状态，从而影响了土的力学特性。emax与emin：最大与最小孔隙比一、无粘性土的密实度密实度单位体积中固体颗粒含量的多少优点：简单方便缺点：不能反映级配的影响只能用于同一种土2、相对密（实）度（砂土）minmaxmaxr