工程地质与土力学ppt课件——第六章土的物理性质及工程分类.ppt

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1、第六章 土的物理性质及工程分类,第六章 土的物理性质及工程分类,第1节 土的三相组成和土的结构 一、土的三相组成 土由固相、液相和气相三部分组成。固相部分即为土粒，由矿物颗粒或有机质组成，构成土的骨架；液相部分为水及其溶解物；气相部分为空气和其它气体。1、土的矿物成分和有机质 土的矿物成分原生矿物：是岩石经过物理风化作用形成的碎屑物，如石英、长石、云母等。次生矿物：岩石经化学风化作用而形成的新矿物成分，其中数量最多是粘土矿物。常见的粘土矿物有高岭石、蒙脱石、伊利石。石英、长石呈粒状，是砂、砾石等无粘性土的主要矿物成分。粘土矿物是组成粘性土的主要成分，颗粒极细，呈片状或针状，具有高度的分散性和胶

2、体性质，与水相互作用，形成粘性土的一系列特性，如可塑性、膨胀性、收缩性等。土中的有机质在岩石风化以及风化产物搬运、沉积过程中，常有动、植物的殘骸及其分解物质参与沉积，成为土中的有机质。,2、土中的水 土孔隙中的液态水，根据它与土粒表面的相互作用分为结合水与自由水。结合水：附着于土粒表面成薄膜状的水。如图6-1所示。由于结合水的存在，细颗粒（特别是粘粒）之间将形成公共水膜（图2）。从而使土粒间产生一定的联结，这种联结随土的湿度而变化。当土的湿度减小，水膜变薄，相邻土粒彼此吸引力加强。反之，当湿度提高，水膜增厚时，颗粒将被挤开，以致不存在公共水膜而失去联结。这种水膜联结，一般认为是粘性土具有粘性、

3、可塑性和力学强度的主要原因。,图1,图2,第六章 土的物理性质及工程分类,自由水土孔隙中除了结合水以外的水都是自由水，它包括毛细水和重力水。毛细水。受土粒的分子引力以及水与空气界面的表面张力而存在，并运动于毛细孔隙中的水。一般存在于地下水位以上，由于表面张力作用，地下水沿着土的毛细通道逐渐上升，形成毛细水上升带。重力水。受重力作用而运动的水，它对土产生浮力，使土的重度减少；渗透水流能使土产生渗透力，使土引起渗透变形；还能溶解土中的水溶盐，使土的强度降低，压缩性增大。3、土中气体土中的气体存在于土孔隙中未被水所占据的部分。与大气连通的气体，受外力作用时，易被挤出，对土的工程性质影响不大。封闭气体

4、多存在于粘性土中，不易逸出，使土的渗透性降低、弹性与压缩性增大，所以封闭气体对土的性质有较大的影响。,第六章 土的物理性质及工程分类,二、土的结构与构造 1、土的结构土的结构：土中颗粒排列的状况。与土的矿物成分、颗粒形状和沉积条件有关，有以下三种基本类型：单粒结构 蜂窝结构 絮凝结构,单粒结构 蜂窝结构 絮凝结构,第六章 土的物理性质及工程分类,单粒结构 在沉积过程中，较粗的土粒互相支承并达到稳定，形成单粒结构。单粒结构为碎石土和砂类土的结构特征。单粒结构可以是疏松的，也可以是紧密的。就一般而言，具此种结构的土的孔隙都比较大，透水性强，压缩性低，强度较高。如图所示：,蜂窝结构 蜂窝结构主要是由

5、粉粒或细砂粒组成的土的结构形式。据研究，粒径0.0750.005mm（粉粒粒组）的土粒在水中沉积时，基本上是以单个土粒下沉，当碰到已沉积的土粒，由于土粒之间的分子引力大于其重力，因此土粒就停留在最初的接触点上不再下沉，逐渐形成链环状团粒，构成较疏松的蜂窝结构，如图所示。,第六章 土的物理性质及工程分类,2、土的构造 定义：同一土层中，土粒或土粒集合体之间相互关系的特征；是土层的层理、裂隙及大孔隙等宏观特征，亦称为宏观结构。最主要的特征：成层性，即层理构造。它是在土的生成过程中，由于不同阶段沉积的物质成分、颗粒大小或颜色不同，而沿竖向呈现的成层特征，常见的有水平层理与交错层理构造。,第六章 土的

6、物理性质及工程分类,第2节 土的粒组和颗粒级配 一、土的粒组 土是岩石风化的产物，是由无数大小不同的土粒组成，其大小相差极为悬殊，性质也不相同（例如土粒由粗变细，可由无粘性变为有粘性）。粒组：为了便于研究，工程上通常把工程性质相近的一定尺寸范围的土粒划分为一组，称为粒组。界限粒径：粒组与粒组之间的分界尺寸。工程上广泛采用的粒组有：漂石粒、卵石粒、砾粒、砂粒、粉粒和粘粒。,对粒组的划分，各个国家，甚至一个国家的各个部门都有不同的规定。表1-1为我国水利部土工试验规程（SL2371999）中规定的粒组划分情况。,第六章 土的物理性质及工程分类,二、土的颗粒级配 自然界的土常包含几种粒组。土的颗粒级

7、配：土中各粒组的相对含量（用粒组质量占干土总质量的百分数表示），称土的颗粒级配。可以通过颗粒分析试验确定。1、颗粒分析试验测定土中各粒组颗粒质量占该土总质量的百分数，确定粒径分布范围的试验称为土的颗粒大小分析试验，简称“颗分”试验。常用试验方法有筛分法和密度计法两种。筛分法筛分法适用于粒径大于0.075mm的土粒。即用一套孔径大小不同的标准筛，从上到下按粗孔到细孔的顺序叠好（例如60、20、2、0.5、0.25、0.1、0.075mm），将已知重量的风干、分散的土样过筛，把各粒组分离出来，并求出含量百分数。密度计法密度计法适用于分析粒径小于0.075mm的土粒。它主要利用土粒在静水中下沉速度不

8、同（粗粒下沉快，而细粒下沉慢）的原理，可把不同粒径的土粒区别开来。,第六章 土的物理性质及工程分类,例6-1从干砂样中称取质量为1000g的试样，放入标准筛中，经充分振动后，称得各级筛上留存的土粒质量，见表6-2中的第二行，试求土中各粒组的土粒含量。筛分析试验结果 表6-2,解该土样各粒组含量分别为：砾10，砂80（其中：粗砂35、中砂30、细砂15），粉粒10。,第六章 土的物理性质及工程分类,3、颗粒级配指标常用的判别土的颗粒级配良好与否的指标有两个：即不均匀系数Cu和曲率系数Cc：式中:d10、d30、d60、分别为级配曲线纵坐标上小于某粒径含量为10、30、60所对应的粒径值；d10称

9、为有效粒径；d60称为控制粒径。不均匀系数Cu：反映曲线的坡度，表明土粒大小的不均匀程度，其值愈大，曲线愈平缓，说明土粒愈不均匀，即级配良好；其值愈小，曲线愈陡，说明土粒愈均匀，即级配不良。曲率系数Cc：反映的是颗粒级配曲线分布的整体形态，表示粒组是否缺失的情况，Cc13时，表明土粒大小的的连续性较好；即Cc小于或大于3时的土，颗粒级配不连续，缺乏中间粒径。,第六章 土的物理性质及工程分类,因此，在土的工程分类中，用不均匀系数Cu及曲率系数Cc两个指标判别颗粒级配的优劣。我国水利部和交通部制定的土工试验规程中规定：级配良好的土必须同时满足两个条件，即Cu5和Cc13；如不能同时满足这两个条件，

10、则为级配不良的土。级配良好的土，粗、细颗粒搭配较好，粗颗粒间的孔隙被细颗粒填充，易被压实到较高的密实度，因而，该土的透水性小，强度高，压缩性低。反之，级配不良的土，其压实密度小，强度低，透水性强而渗透稳定性差。,第六章 土的物理性质及工程分类,第3节 土的物理性质指标 土中三相之间的比例关系，能定量说明土的物理性质，称为土的基本物理性质指标，包括土粒比重（土粒相对密度）；土的含水率、密度、孔隙比、孔隙率和饱和度等。为便于研究这些指标，通常把本来互相分散的三相分别集中起来，绘出土的三相图（如图所示）图中各符号的意义如下：W表示重量，m表示质量，V表示体积，下标a表示气体，下标s表示土粒，下标w表

11、示水，下标v表示孔隙。如Ws、ms、Vs分别表示土粒重量、土粒质量和土粒体积。,第六章 土的物理性质及工程分类,一、三项基本物理性质指标 三项基本物理性质指标是指：土粒比重土的含水率密度一般由试验室直接测定其数值。1、土的密度 与重度（1）土的密度 定义：单位体积土的质量。符号：单位：g/cm3 表达式：天然状态下土的密度变化范围较大。一般粘性土1.82.0g/cm3；砂土1.62.0g/cm3。土的密度常用环刀法测定。,第六章 土的物理性质及工程分类,（2）土的重度（也称为容重）定义：单位体积土的重量。符号：单位：KN/m3 表达式：式中：g重力加速度，9.807m/s2。,2、土粒比重 土

12、粒比重也称土粒相对密度，土粒比重定义为土粒的质量与同体积4时纯水的质量之比。表达式如下,式中：4时纯水的密度，取 1.0 g/cm3。土粒比重可用比重瓶法测定。土粒比重是个无量纲指标，其值取决于土粒的矿物成分和有机质含量，变化范围不大，大致在2.602.75之间。土中含有机质较多时，土粒比重将显著减小。一般土粒比重参考值见表6-3。,3、土的含水率 土中含水率（曾称含水量）定义为土中水的质量与土粒质量之比，以百分数表示。表达式如下 含水率一般采用烘干法测定。含水率反映土的干湿程度，变化范围很大，从干砂接近于零，一直到饱和粘土的百分之几百。一般说来，同一类土（尤其是细粒土），当其含水率增大时，其

13、强度就下降。上述三个指标可用试验方法直接测定，其它指标可由上述换算，称换算指标。,（KN/m3）,式中：充满土中全部孔隙的水重 4时纯水的重度，取 9.8KN/m3。,4、孔隙比e 土的孔隙比是土中孔隙体积与土粒体积之比，即,孔隙比用小数表示。它是一个重要的物理性质指标，可以用来评价天然土层的密实程度。一般e1.0的土是疏松的高压缩性土。,5、孔隙率土的孔隙率是土中孔隙体积与土的总体积之比，以百分数表示，即,6、饱和度饱和度是土中水的体积与孔隙体积之比，以百分数表示，即,土的饱和度Sr与含水率均为描述土中含水程度的三相比例指标，根据饱和度Sr（），砂土的湿度可分为三种状态 1.稍湿Sr50；2

14、.很湿50%80%。,例6-2用体积V60cm3的环刀切取原状土样，称得其质量为108g，将其烘干后称得质量为96.43 g，测得土样的比重Gs2.70，试求试样的湿密度（天然密度）与天然重度、干重度、饱和重度、含水率、孔隙比、孔隙率和饱和度。,解湿密度：天然重度：含水率:干重度:,孔隙比：孔隙率：饱和度：饱和重度：,解根据题义该土为饱和土，因此饱和度 为100。由 得孔隙比：干重度：,第4节 土的物理状态指标,一、砂土的密实状态,砂土的密实状态对其工程性质影响很大，密实的砂土，结构稳定，强度较高，压缩性较小，是良好的天然地基；疏松的砂土，特别是饱和的松散粉细砂，结构常处于不稳定状态，容易产生

15、流砂，在振动荷载作用下，可能会发生液化，对工程建筑不利。判别砂土的密实度可以采用以下三种方法。,1.孔隙比判别 判别砂土密实度最简便的方法是用孔隙比，如表5。砂土的密实度 表5,2.相对密度判别 相对密度Dr是将天然孔隙比e与最疏松状态的孔隙比emax及最密实状态的孔隙比emin进行对比，作为衡量砂土密实度的指标，其表达式为：,由式可知，若砂土的eemax，则Dr0，砂土处于最疏松状态；若eemin，则Dr1，砂土处于最密实状态。因此，工程上常按以下标准评价砂土的松密程度：Dr0.67时，为密实状态；0.33Dr0.67时，为中密状态；Dr0.33时，为松散状态。,采用相对密度Dr来评价砂土的

16、松密程度在理论上是合理的但在实际上，测定最大孔隙比emax和最小孔隙比emin没有统一标准，同时测定砂土的天然孔隙比e也有很大困难。由于这些原因，砂土的相对密度Dr的测定误差是很大的。故在实际工作中，应用较多的是现场标准贯入试验来评价砂土的松密程度。,3.标准贯入试验判别 标准贯入试验是在现场进行的原位试验。该方法是用质量为63.5kg的穿心锤，以76cm的落距将贯入器打入土中30cm时所需要的锤击数作为判别指标，称为标准贯入锤击数N。显然，锤击数N愈大，表明土层愈密实；锤击数N愈小，土层愈疏松。我国岩土工程勘察规范（GB500212001）中按标准贯入锤击数N划分砂土密实度的标准如表6所示。

17、,二、粘性土的稠度,1.稠度状态 粘性土随着含水率的变化，可具有不同的状态。当含水率很高时，土可成为液体状态的泥浆；随着含水率的减少，土的流动性逐渐消失，开始一种奇特性质可塑性（即在外力作用下，土可以塑成任何形状而不产生裂缝，解除外力后仍保持其所塑形状），进入可塑状态；当含水率继续减小，土失去了可塑性，变成半固态；直至达到固态，体积不再收缩（图6）。这几种状态反映了粘性土的软硬程度或抵抗外力的能力，称为稠度，即稠度是指粘性土在某一含水率下抵抗外力作用而变形或破坏的能力，是粘性土最主要的物理状态指标。,2.界限含水率 粘性土由一种状态转变为另一种状态的分界含水率称为界限含水率，也称稠度界限。,1

18、,0 0.25,液限指数,0.75 1,0.25 0.75,0,流塑,软塑,可塑,硬塑,坚硬,状态,值得注意的是：液限和塑限都是用重塑土测定的。用 判别粘性土的状态时，没有考虑土的结构影响，所以按上述标准判别天然土是保守的。,击实仪主要部件规格表,（2）土在击实（压实）过程中，通过土粒的相互位移，很容易将土中气体挤出，但要挤出土中水分来达到压实的效果，对于粘性土，不是短时间的加载所能办到的。一般压实最好的土，气体含量也还有35（以总计）留在土中，亦即击实土不可能被击实到完全饱和状态，击实曲线必然位于饱和曲线的左侧而不可能与饱和曲线有交点如图9（b）所示。按下式计算土的饱和含水率：,（3）当含水

19、率低于最优含水率时，干密度受含水率变化的影响较大，即含水率变化对干密度的影响在偏干时比偏湿时更加明显.因此，击实曲线的左段（低于最优含水率）比右段的坡度陡。,/,在工程中，填土的质量标准常以压实度来控制。要求压实度越接近于1，表明对压实质量的要求越高。根据工程性质及填土的受力状况，所要求的压实度是不一样的。必须指出，现场施工的填土压实，无论是在压实能量、压实方法还是在土的变形条件方面，与室内击实试验都存在着一定的差异。因此，室内击实试验用来模拟工地压实仅是一种半经验的方法，要使填土压实的现场施工确保质量，达到要求的压实度，还应该进行现场检验。在工地上对压实度的检验，一般可用环刀法、灌砂（或水）

20、法、湿度密度仪法或核子密度仪法等来测定土的干密度和含水率，具体选用哪种方法，可根据工地的实际情况决定。,三、土的压实机理及其影响因素,1.压实机理,在外力作用之下土的压实机理，可以用结合水膜润滑及电化学性质等理论来解释。情况一：在粘性土中含水率较低时，由于土粒表面的结合水膜较薄，土粒间距较小，粒间电作用力主以引力占优势，土粒的相对位移阻力大，在击实功能作用下，比较难以克服这种阻力，因此压实效果就差。情况二：随着土中含水率增加，结合水膜增厚，土粒间距也逐渐增加，这时斥力增加引力相对减小，压实功能比较容易克服粒间引力而使土粒相互位移，趋于密度，压实效果较好。情况三：但当土中含水率继续增大时，虽能使

21、粒间引力减少，土中也会出现自由水，击实时孔隙中过多的水分不易立即排出，势必阻止土粒的靠拢，同时排不出去的气体，以封闭气体的形式存在于土体内，击实时气泡暂时减小，很大一部分击实功能由孔隙气承担，转化为孔隙压力，粒间所受的力减小，击实仅能导致土粒更高程度的定向排列，而土体几乎不发生体积变化，所以压实效果反而下降。,试验证明，粘性土的最优含水率与其塑限含水率十分接近，大致为,对于无粘性土，因击实时土中多余的水分容易排出，它的干密度与含水率之间没有峰值点反映在击实曲线上，故最优含水率的概念一般不适用于无粘性土。但对它们可使用震动压密方法，以求得良好压密效果。无粘性土的压实标准，常以相对密实度Dr控制，

22、一般不进行室内击实试验。,2.影响土压实性的主要因素 影响土压实性的因素很多，包括土的水率、土类及级配、击实功能、毛细管压力以及孔隙压力等，其中前三种影响因素是最主要的。,第6节 土的工程分类教学目的与要求：掌握水利部规范（SL2731999）土工试验规程对土的分类定名方法；了解建筑地基基础设计规范（GB500072002）对土的分类方法；土的分类方法很多，不同部门由于研究目的不同，所以分类方法各异。现将水利部SL237-1999土工试验规程（简称99规程）中的分类方法做一简单介绍：,一、分类符号与符号构成,1、分类符号99规程对各类土的分类名称都配有以英文字母组合的分类符号，以表示组成土的成

23、分和级配特征，分类符号见表8,分类用符号,2.符号构成表示土类的符号按下列规定构成：1个符号即表示土的名称例：Cb-卵石、碎石；M-粉土。由2个基本符号构成时，第1个基本符号表示土的主要成分，第2个基本符号表示土的特征指标（土的液限或土的级配）。例：GP-不良级配砾；CL-低液限粘土。由3个基本符号构成时，第1个基本符号表示土的主要成分，第2个基本符号表示液限的高低（或级配的好坏），第3个基本符号表示土中含次要成分。例：CHG-含砾高液限粘土；MLS-含砂低液限粉土。,二、分类方法 首先对进行观察鉴别，以区分无机土还是有机土，有机质呈黑色、青黑色或暗色，有臭味，手触有弹性和海绵感。当不能判别时

24、，可由试验测定。,1.巨粒土和粗粒土的分类标准 巨粒土和含巨粒的土（包括混合巨粒土和巨粒混合土）和粗粒土（包括砾类土和砂类土），按粒组含量、级配指标（不均匀系数Cu和曲率系数Cc）和所含细粒的塑性高低，划分为16种土类，见表9、表10、表11。,砾类土的分类（2mm50%）表10,砂类土的分类（砾粒组含量50）表（11）,2.细粒土的分类标准 细粒土是指粗粒组（0.075d60mm）含量少于25的土，且细粒组（包括粉粒和粘粒、d0.075mm）质量大于或等于总质量50的土称细粒土），参照塑性图可进一步细分。塑性图横坐标为土的液限、纵坐标为塑性指数，塑性图中有两 条界限线（A线、B线），见图11

25、，图中液限为10mm液限。细粒土应按塑性图中的位置确定土的类别，并按表12分类和定名。,细粒土的分类（10mm液限）表12,例5已知从某土样的颗粒级配曲线上查得：大于0.075mm的颗粒含量为64，大于2mm的颗粒含量为8.5，大于0.25的颗粒含量为38.5，并测得该土样细粒部分的液限 38，塑限 19，试按SL2371999对土分类定名。解因该土样粗粒含量为6450，所以该土属粗粒类土。因该土样砾粒组含量为8.550，所以该土属砂类土。因该土样细粒含量为1006436，查表11，在1550之间，所以该土为细粒土质砂，应根据塑性图进一步细分。因该土的塑性指数，查塑性图（图11），坐标交点落在

26、CL区，故该土的最后定名为粘土质砂，即SC。,例6从某土样颗粒级配曲线上查得：大于0.075 mm的颗粒含量为38，大于2 mm的颗粒含量为13，并测得该土样细粒部分的液限，塑限，试按SL2371999对土分类定名。解因该土样细粒组含量为100386250，所以该土属细粒类土。因该土样粗粒组含量为38，在2550之间，故该土属含粗粒的细粒土，应先按塑性图定出细粒土的名称。土样的塑性指数，查塑性图（图11）坐标交点落在CH区，再判断粗粒中是砾粒占优势还是砂粒点优势 因该土样砾粒组含量为13，砂粒组含量为381325，故砂粒占优势，称含砂细粒土，应在细粒土名符号后缀以符号S。因此，该土的最后定名为含砂高液限粘土，即为CHS。,本章小结：1、土的三相组成和土的结构2、土的粒组和颗粒级配3、土的物理性质指标4、土的物理状态指标5、土的击实性6、土的工程分类,