2.土的物理性质及工程分类

第二章土的物理性质及工程分类§2.1土的组成与土的结构构造§2.2土的物理性质指标§2.3土的物理状态指标§2.4土(岩)的工程分类§2.5土的压实性主要内容土的物理性质概述岩石风化（物理、化学）作用岩石破碎化学成分改变搬运沉积大小、形状和成分都不相同的松散颗粒集合体（土）土固相液相气相土中颗粒的大小、成分及三相之间的相互作用和比例关系，反映出土的不同性质§2.1土的组成及其结构与构造一、土的固相土粒的大小、相关矿物成分以及大小搭配情况对土的物理力学性质有明显影响1.土的颗粒级配工程上将各种不同的土粒按其粒径范围，划分为若干粒组，为了表示土粒的大小及组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量（即各粒组占土粒总量的百分数）来表示，称为土的颗粒级配试验方法筛分法：适用于0.075mm≤d≤60mm比重计法:适用于d＜0.075mm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颗粒粒径级配曲线纵坐标表示小于某粒径的土粒含量百分比,横坐标表示土粒的粒径(对数坐标）颗粒级配的描述工程上常用不均匀系数Cu描述颗粒级配的不均匀程度1060ddCud10、d30、d60小于某粒径的土粒含量为10%、30%和60%时所对应的粒径Cu愈大，表示土粒愈不均匀。工程上把Cu＜5的土视为级配不良的土；Cu＞10的土视为级配良好的土曲率系数Cc描述颗粒级配曲线整体形态，表明某粒组是否缺失情况6010230dddCc对于砾类土或砂类土，同时满足Cu≥5和Cc=1～3时，定名为良好级配砂或良好级配砾2.土粒的矿物成分矿物成分取决于母岩的矿物成分和风化作用原生矿物：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例：石英、云母、长石等特征：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、压缩性较低的特点例：粘土矿物有高岭石、伊利石、蒙脱石等特征：性质较不稳定，具有较强的亲水性，遇水易膨胀的特点二、土中的水土中水的含量明显地影响土的性质(尤其是粘性土)。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.结合水强结合水：紧靠于颗粒表面、所受电场的作用力很大、几乎完全固定排列、丧失液体的特性而接近于固体弱结合水：紧靠强结合水的外围形成的结合水膜，所受的电场作用力随着与颗粒距离增大而减弱2.自由水存在于土粒电场影响范围以外，性质和普通水无异，能传递水压力，冰点为0℃，有溶解能力以两种形式存在：毛细水、重力水三、土中气体土中气体存在于土孔隙中未被水占据的部分，分为与大气连通的非封闭气体和与大气不连通的封闭气体1.非封闭气体：受外荷作用时被挤出土体外，对土的性质影响不大2.封闭气体：受外荷作用，不能逸出，被压缩或溶解于水中，压力减小时能有所复原，对土的性质有较大的影响，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四、土的结构在成土过程中所形成的土粒的空间排列及其联结形式，与组成土的颗粒大小、颗粒形状、矿物成分和沉积条件有关1.单粒结构：粗矿物颗粒在水或空气中在自重作用下沉落形成的单粒结构，其特点是土粒间存在点与点的接触。根据形成条件不同，可分为疏松状态和密实状态密实状态疏松状态2.蜂窝结构：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3.絮状结构：细微粘粒大都呈针状或片状，质量极轻，在水中处于悬浮状态。当悬液介质发生变化时，土粒表面的弱结合水厚度减薄，粘粒互相接近，凝聚成絮状物下沉，形成孔隙较大的絮状结构蜂窝结构絮状结构五、土的构造土的构造是指土体中各结构单元之间的关系。主要特征是土的成层性和裂隙性,即层理构造和裂隙构造，二者都造成了土的不均匀性1.层理构造：土粒在沉积过程中,由于不同阶段沉积的物质成分、颗粒大小或颜色不同,而沿竖向呈现出成层特征2.裂隙构造：土体被许多不连续的小裂隙所分割,在裂隙中常充填有各种盐类的沉淀物§2.2土的物理性质指标一、土的三相图气水土粒msmwmVsVwVVa质量m体积V二、直接测定指标1.土的密度ρ：单位体积土的质量awswsVVVmmVm工程中常用重度来表示单位体积土的重力g重力加速度，近似取10m/s22.土粒相对密度Gs（土粒比重）：土粒质量与同体积的4℃时纯水的质量之比ssssVmG土粒相对密度变化范围不大：细粒土（粘性土）一般2.70～2.75；砂土一般为2.65左右。土中有机质含量增加，土粒相对密度减小Vv气水土粒msmwmVsVwVVa质量m体积V3.土的含水量ω：土中水的质量与土粒质量之比，以百分数表示%100%100sssmmmmm土的含水量是标志土含水程度的一个重要物理指标。天然土层含水量变化范围较大，与土的种类、埋藏条件及其所处的自然地理环境等有关。测定方法：通常用烘干法，亦可近似用酒精燃烧法三、换算指标气水土粒msmwmVsVwVVVa质量m体积V1.孔隙比e和孔隙率n孔隙比e：土中孔隙体积与土粒体积之比2.土的饱和度Sr：土中孔隙水的体积与孔隙总体积之比，以百分数表示饱和度描述土中孔隙被水充满的程度。干土Sr=0,饱和土Sr=100%。砂土根据饱和度分为三种状态:svVVe孔隙率n：土中孔隙体积与总体积之比，以百分数表示%100VVnv%100vrVVSSr≤50%稍湿；50％＜Sr≤80%很湿；Sr＞80%饱和3.不同状态下土的密度和重度饱和密度ρsat：土体中孔隙完全被水充满时的土的密度干密度ρd：单位体积中固体颗粒部分的质量VVmvssatVmsd浮密度ρ：土单位体积内土粒质量与同体积水的质量之差VVmss土的三相比例指标中的质量密度指标共有4个，土的密度ρ，饱和密度ρsat，干密度ρd，浮密度ρ(kg/m3),相应的重度指标也有4个，土的重度，饱和重度sat，干重度d，浮重度(kN/m3)气水土粒msmwmVsVwVVVa质量m体积V四、指标间的换算气水土粒GsρwVs＝11+e质量m体积V土的三相指标中，土粒比重Gs，含水量ω和密度ρ是通过试验测定的，可以根据三个基本指标换算出其余各指标Vv=eωGsρwGs（1＋ω）ρweGVmws1)1(11eGVmwssd推导：换算关系式：1)1(1wsdwsGGeeeGVVmwswVssat1)(eGwssat1)1(eeVVnV1eGVmVVSsWVwVwr五、例题分析【例】某土样经试验测得体积为100cm3，湿土质量为187g，烘干后，干土质量为167g。若土粒的相对密度Gs为2.66，求该土样的含水量ω、密度ρ、重度、干重度d、孔隙比e、饱和重度sat和有效重度【解答】%98.11167167187%100smm3/87.1100187cmgVm3/7.181087.1mkNg3/7.1610100167mkNgdd593.0187.1)1198.01(66.21)1(sGe%7.53593.066.21198.0eGSsr3/4.2010593.01593.066.21mkNeeGssat3/4.10104.20mkNwsat§2.3土的物理状态指标一、无粘性土的密实度土的密实度指单位体积土中固体颗粒的含量。根据土颗粒含量的多少，天然状态下的砂、碎石等处于从紧密到松散的不同物理状态。无粘性土的密实度与其工程性质有着密切关系1.孔隙比e孔隙比e可以用来表示砂土的密实度。对于同一种土，当孔隙比小于某一限度时，处于密实状态。孔隙比愈大，土愈松散2.相对密实度DrminmaxmaxeeeeDr砂土在天然状态下孔隙比砂土在最密实状态时的孔隙比砂土在最松散状态时的孔隙比当Dr=0时，e=emin，表示土处于最疏松状态;当Dr=1.0时，e=emax，表示土体处于最密实状态3.按动力触探确定无粘性土的密实度Dr≤1/3疏松状态1/3＜Dr≤2/3中密状态2/3＜Dr≤1密实状态天然砂土的密实度，可按原位标准贯入试验的锤击数N进行评定。天然碎石土的密实度，可按原位重型圆锥动力触探的锤击数N63.5进行评定(GB50007-2002)密实度按N评定砂石密实度按N63.5评定碎石土密实度松散稍密中密密实N≤10N63.5≤510＜N≤155＜N63.5≤1015＜N≤3010＜N63.5≤20N＞30N63.5＞20二、粘性土的稠度1.粘性土的稠度状态稠度是指土的软硬程度或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0固态或半固态可塑状态流动状态ω塑限ωP液限ωL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液塑限测定根据《土工试验规程》(SL237-007-1999)规定，采用液塑限联合测定仪进行测定。液塑限联合测定仪下沉深度为17mm所对应的含水量为液限;下沉深度为2mm处所对应的含水量为塑限2.粘性土的塑性指数和液性指数塑性指数IP是液限和塑限的差值(省去%)，即土处在可塑状态的含水量变化范围说明：塑性指数的大小取决于土颗粒吸附结合水的能力,即与土中粘粒含量有关。粘粒含量越多,塑性指数就越高说明：液性指数表征土的天然含水量与界限含水量间的相对关系。当IL≤0时,ω≤ωP,土处于坚硬状态;当IL＞1时,ω＞ωL,土处于流动状态。根据IL值可以直接判定土的软硬状态PLpI液性指数IL是粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比PPLII状态液性指数坚硬硬塑可塑软塑流塑IL≤00＜IL≤0.250.25＜IL≤0.750.75＜IL≤1IL＞1三、例题分析【例】某砂土试样,试验测定土粒相对密度Gs=2.7,含水量ω=9.43%,天然密度ρ=1.66/cm3。已知砂样最密实状态时称得干砂质量ms1=1.62kg,最疏松状态时称得干砂质量ms2=1.45kg。求此砂土的相对密度Dr,并判断砂土所处的密实状态【解答】78.0166.1)0943.01(7.21)1(sGe砂土在天然状态下的孔隙比砂土最小孔隙比31max/62.1cmgVmsd67.01maxmindwsGe砂土最大孔隙比32min/45.1cmgVmsd86.01minmaxdwsGe42.0minmaxmaxeeeeDr相对密实度∈（1/3,2/3]中密状态§2.4土（岩）的工程分类一、分类的目的和原则土的分类体系就是根据土的工程性质差异将土划分成一定的类别，目的在于通过通用的鉴别标准，便于在不同土类间作有价值的比较、评价、积累以及学术与经验的交流分类原则：1.分类要简明，既要能综合反映土的主要工程性质，又要测定方法简单，使用方便2.土的分类体系所采用的指标要在一定程度上反映不同类工程用土的不同特性二、分类体系与方法分类体系：1.建筑工程系统分类体系2.工程材料系统分类体系侧重把土作为建筑地基和环境，研究对象为原状土，例如：《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)地基土分类方法侧重把土作为建筑材料，用于路堤、土坝和填土地基工程。研究对象为扰动土，例如：《土的分类标准》(GBJ145-90)工程用土的分类和《公路土工试验规程》(JTJ051-93)土的工程分类分类方法：1.《建筑地基基础设计规范》(GB50007－2002)根据土粒大小、粒组的土粒含量或土的塑性指数把地基土（岩）分为岩石、碎石土、砂土、粉土和粘性土五大类a.岩石的分类颗粒间