土的物理性质与分类.ppt

土力学地基基础,姚天举,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,04,3,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,土的组成,PARTONE,1.1 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。,6,1.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,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,1 土的组成,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,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,不同相及其性质，注意哪两种是两相体？,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,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,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。,14,1.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,15,2.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,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,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）粒径2mm 透水而不溶于水，无毛管现象，粒间无连接力 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 粒径弱透水，溶水，毛管水含量高，有粘结性。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,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。,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。,20,105.02.01.00.50.250.075,200g,10161824224664,小于某粒径之土质量百分数P（）,粒径(mm),P%958778665532,土的粒径级配累积曲线,水分法,1.固体颗粒,1.1 土的三相组成,1 土的组成,21,d60,d50,d10,d30,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/(d60d10)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,22,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,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：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.固体颗粒,1.1土的三相组成,1 土的组成,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？,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。p10,两幅图的解读,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？,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。,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。,31,2.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,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,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,34,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,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,36,3.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,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,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100C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,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,40,=湿润角,T=界面张力,d=毛管直径,ua-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,41,土中毛细现象,上升高度:,r2hcw=2rTcos,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,42,毛细压力,2rTcos+ucr2=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,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,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,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（fabric of soil)（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(structure of soil)（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,单粒结构 蜂窝结构 絮状结构,1.5.1 土的结构,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。,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。,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00750005mm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,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,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。,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。,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,？,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,55,1.三相草图,一.物理性质指标,质量,体积,1.2土的物理状态,1 土的组成,56,三相草图,已知关系五个:,共有九个参量:V Vv Vs Va Vw/ms m w ma m,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,57,2.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,土的密度,土的重度(天然重度、湿重度),=g,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,58,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 2.65,4C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:,一.物理性质指标,1.3 土的物理状态,1 土的组成,59,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,60,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:,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:,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=1,Vv=e,V=1+e,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,61,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,一.物理性质指标,1.3 土的物理状态,1 土的组成,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,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,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,一.物理性质指标,1.2土的物理状态,1 土的组成,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,岩土考试真题,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sat=18.7 kN/m3，内摩擦角=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=35，震后墙后水位不变，求震后土的高度。,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。,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：震前：VV1+VS=V1 VV1/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sat，综合以上各式，即sat=（Ms+Vv2*1）/（Vv2+Vs）=（Ms+0.65Vs*1）/（Vv2+Vs）=（Ms+0.65Vs*1+0.25 Vs*1-0.25 Vs*1）/（Vv2+Vs）=1.871.91.65-0.251.65=2，重度为20.总之，要用到凑数法。就是5*0.25/1.9=0.6587=0.66m。,真题,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,75,emax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n,emin=0.35,emin=0.20,1.3 土的物理状态,1 土的组成,76,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,二.物理状态指标,1.3 土的物理状态,1 土的组成,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 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,78,2.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,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,吸附弱结合水的能力,塑性指数,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：,wp,w,wl,IL1,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,81,吸附弱结合水的能力；大致反映黏土颗粒含量、黏性大小,塑性指数,常作为细粒土工程分类的依据,缺点不能充分反映黏土颗粒含量,不同的黏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,非活性黏土正常黏土活性黏土,二.物理状态指标,1.3 土的物理状态,1 土的组成,82,二.物理状态指标,1.3 土的物理状态,1 土的组成,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,83,目的：便于研究、交流及应用,依据：能反映土的物理力学性质的指标,建筑地基基础设计规范-GB50007-2011分类法,水利部SL237-001-1999分类法,1.4 土的工程分类,是将工程性质相近的土归为一类,土的组成土的状态土的结构,1 土的组成,84,建筑地基基础设计规范-GB50007-2011分类法,土,岩石碎石土砂土粉土黏性土人工填土,1.4土的工程分类,1 土的组成,85,建筑规范分类法,碎石土,土的名称 颗粒形状 粒组含量,漂石块石,圆形及亚圆形为主棱角形为主,粒径大于200mm的颗粒超过全质量50%,卵石碎石,圆形及亚圆形为主棱角形为主,圆形及亚圆形为主棱角形为主,圆砾角砾,粒径大于20mm的颗粒超过全质量50%,粒径大于2mm的颗粒超过全质量50%,1.4 土的工程分类,1 土的组成,86,砂土,土的名称 粒组含量,粒径大于2mm的颗粒占全质量2550%,砾砂粗砂中砂细砂粉砂,粒径大于0.5mm的颗粒超过全质量50%,粒径大于0.25mm的颗粒超过全质量50%,粒径大于0.075mm的颗粒超过全质量85%,粒径大于0.075mm的颗粒超过全质量50%,建筑规范分类法,1.4土的工程分类,1 土的组成,87,粉土,粒径大于0.075mm的颗粒含量小于全质量50%，并且塑性指数Ip10,塑性指数Ip10,黏性土,10Ip17的土,Ip17的土,黏土,粉质黏土,A 1.25,非活性黏土正常黏土活性黏土,建筑规范分类法,1.4土的工程分类,1 土的组成,88,压实：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：土在一定压实能量作用下密度增加的特性,研究压实性的目的：以最小的能量消耗获得最大的压实密度,击实方法：,室内击实试验锤击现场试验夯打、振动、碾压,1.5 土的压实性-补充知识,1 土的组成,谢谢,本章结束,