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1、第一章 土的物理性质,本章学习要点,1、明确土的粒度、粒组、粒度成分的概念及粒度成分的分析与表示方法；,2、掌握土的物理性质指标和物理状态指标的定义，能够利用绘制土的三相草图，进行指标换算；,3、完成土的三大指标测定和液塑限测定试验。,第一节 土的三相组成,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）,1、碎散性,2、多相性,3、自然变异性,一、土的生成,二、土的三大特征,第一节 土的三相组成,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。,土体三相比例不同，土的状态和工程性质也随之
2、各异。,饱和粉细砂或粉土遇强烈地震，可能产生液化，而使工程遭受破坏；,饱和粘土地基受建筑荷载作用发生沉降需几十年才能稳定。,固体液体(气体0)为饱和土,固体液体气体为湿土，湿粘土多为可塑状态。,固体气体(液体0)为干土，干粘土呈坚硬状态，干砂呈松散状态。,一、土中固体颗粒,土中固体颗粒是土的三相组成中的主体，构成土体骨架的基本物质，其粒度成分和矿物成分决定着土的工程性质。,（一）粒度成分,1、土颗粒的大小与形状,土颗粒的大小称为粒度。,为便于研究，工程上把大小相近的土粒合并为组，称为粒组。,土粒形状对土体的密度及稳定性有显著影响。大部分粉砂粒及砂粒是浑圆的或棱角的，而云母颗粒往往是片状的，粘土
3、颗粒则往往是薄片状的。,土粒的形状取决于矿物成分，它反映土料的来源和地质历史。,（1）浑圆度,R 为土粒内接圆的半径；,浑圆度可反映土粒尖角的尖锐程度。,如何描述土粒形状呢？,常用的有：浑圆度及球度。,为颗粒突出角的半径；,N 为颗粒尖角的数量。,（2）球度,为在扁平面上与土粒投影面积相等的圆的半径；,为最小外接圆的半径。,球度可反映土粒接近于圆的程度。,当球度为1时，说明此土粒为圆球体。,2、粒度成分及粒度成分分析方法,粒度成分（土的颗粒级配）：指土中各种不同粒组的相对含量（以占干土重量的百分比表示）。,试验方法,筛分法：适用于0.074mmd60mm,比重计法:适用于d0.074mm,粒度
4、成分分析方法,粒度成分用来描述土中的各种不同粒径的土粒的分布特征。,当土中粗细粒兼有时，可联合使用上述两种方法。,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。,筛分法（d0.074mm的土）,沉降分析法（比重计法、密度计法）,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。,3、粒度成分的表示方法,常用的表示方法有表格法、累计曲线法和三角座标法。,（1）表格法,以列表形式直接表达各粒组的相对含量。,两种表示法：,以累计含量百分比表示；,以粒组表示。,（2）颗粒粒径级配曲线 （累
5、计曲线法）,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。,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Cu5的土视为级配不良的土；Cu10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。,对于砾类土或砂类土，同时满足Cu5和Cc=13时，定名为良好级配砂或良好级配砾。,（二）矿物成分,原生矿物,次生矿物,不可溶的,可溶的,粘土矿物,倍半氧化物,次生氧化物,难溶盐,中溶盐,易溶盐,有机质,
6、腐殖质,泥炭,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.结构水（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.,二、土中的水,3、气态水,当气温降至零度以下时，液态的自由水结冰为固态水，使基础发生冻胀，寒冷地区基础的埋深要考虑冻胀问
7、题。,4、固态水,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.,三、土中气体,土的结构是指土颗粒之间的相互排列和连接形式的综合。,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.,第二节 土的结构,2.蜂窝结构：颗粒间点与点接
8、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.,第三节 土的物理性质指标及物理状态指标,土的物理性质指标反映土的工程性质的特征，具有重要的实用价值。,例如，地基基础设计中，一个关键的问题是确定地基土的承载力，如何确定地基承载力？,常用方法是规范法，若地基土为粉土，据孔隙比和含水量，可用规范查出地基承载力数值。,土中的孔隙体积大，土就松散；含水多，土就软弱。
9、,(一)、土的三相图,一、土的物理性质指标,实际土体,土的三相图,(二)、直接测定指标,1.土的密度：单位体积土的质量。,工程中常用容重 来表示单位体积土的重力。,重力加速度，工程近似取10,=g,常见值,=（1.6.）g/cm3, ()KN/m3,常用测定方法,环刀法（细粒土）,灌水法（粗、巨粒土）,不锈钢环刀,2、土粒比重Gs（土粒相对密度）,砂土,（1）物理意义：土在105110下烘至恒重时的质量与同体积4蒸馏水质量的比值。,（2）表达式,（3）常见值,粉土,粘性土,比重瓶法,（4）常用测定方法,浮称法,虹吸筒法,经验法,物理意义土的含水量表示土中含水的数量，为土体中水的质量与固体颗粒质
10、量的比值，用百分数表示。,3、土的含水量,表达式,常见值,测定方法,砂 土 =(040)%；粘性土 =(2060)%.,烘箱法红外线法酒精燃烧法铁锅炒干法,三、换算指标,（1）孔隙比e,土中孔隙体积与土粒体积之比,土中孔隙体积与总体积之比，以百分数表示,1、反映土的松密程度的指标,（2）孔隙率（孔隙度）n,表达式,常见值：,砂 土 e =0.51.0,粘性土 e =0.51.2,n =(3050)%,物理意义,二者相比，孔隙比e在公路工程中的应用更加广泛。,孔隙比e可直接反映土的密实程度，e越大，土越疏松；e越小，土越密实。它是确定地基承载力的指标。,当砂土e0.6时，成密实状态，为良好地基。
11、,当粘性土e1.0时，为软弱地基。,工程经验：,（2）土的饱和度Sr,干土Sr=0,饱和土Sr=1。,2、反映土中含水程度的指标,（1）含水量,土中孔隙水的体积与孔隙总体积之比。,饱和度描述土中孔隙被水充满的程度。,Sr0.5稍湿； 0.5Sr0.8很湿； Sr0.8饱和,砂土根据饱和度划分湿度状态:,工程应用,当粘土处于饱和状态时，其力学性质可能降低为0,粘土对含水量的变化十分敏感，含水量增加，体积膨胀，结构也要发生改变。,3、特定条件下土的密度及容重,土体中孔隙完全被水充满时的土的密度,干密度d,单位体积内土粒质量与同体积水的质量之差,单位体积中固体颗粒部分的质量,有效密度,饱和密度sat
12、,通常用作填方工程，包括土坝、路基和人工压实地基，作为土体压实质量控制的标准。,干密度的工程应用,干密度越大，表明土体压得越密实，工程质量越好；一般来说，所用的压实费用也越高。,土的物理性质指标中的质量密度指标共有4个，土的密度，饱和密度sat，干密度d，有效密度,四者的物理意义应理解清楚。,四、指标间的换算,土的三相指标中，土粒比重Gs ，含水量和密度是通过试验测定的，可以根据这三个基本指标换算出其余各指标。,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、密度、重度 、干密度d 、孔隙
13、比e、饱和重度sat和有效重度,【解题思路】,1）先求三相的质量和体积；,2）再按各指标的物理意义求解。,二、土的物理状态指标,（一）粗粒土（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。,所谓土的物理状态，对于粗粒土，是指土的密实程度；对于细粒土，指土的软硬程度或称为粘性土的稠度。,工程上常用孔隙比e、相对密度Dr和标准贯入试验N作为划分密实度的标准。,工程中以什么作为划分密实度的标准呢？,1、孔隙比e,孔隙比e可以用来划分砂土的密实度。,优点:,用一个指标e,无法反映土的粒径级配因素。,例如，两种级配不同的砂，一种颗粒均匀的密砂，其孔隙比为e1，另一种级配良好的松砂，孔隙比为
14、e2，结果e1e2,即密砂孔隙比反而大于松砂的孔隙比。,用一个e即可判别砂土的密实度，应用方便。同一种砂土，密砂的孔隙比e1,松砂的孔隙比e2,则必然e1e2.,缺点:,对于同一种土，当e小于某一限度时，处于密实状态。 e愈大，土愈松散。,2、相对密实度Dr,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,为克服上述方法的缺陷，可用天然孔隙比e与同一种砂的最松状态孔隙比emax和最密实状态孔隙比emin进行对比，看e靠近emax或靠近emin,以此为判别它的密实度，即相对密实度。,用相对密度Dr作为判别砂土密实度的标准，计入土的级配因素，理论上完善。,用长颈漏斗
15、法测定emax或用振动叉和击锤振击金属圆筒法测定emin,因人而异，测定的数值与测试人员的素质、劳动态度有关，难以获得科学的数据。在实践中很少使用。,当Dr=0时， e = emin，表示土处于最疏松状态;,Dr1/3,疏松状态,1/3Dr2/3,中密状态,2/3Dr1,密实状态,优点：,缺点：,当Dr=1.0时， e = emax，表示土体处于最密实状态,3、标准贯入试验 N,试验方法：,用卷扬机将质量为63.5kg的钢锤提升76cm高度，让钢锤自由下落，打击贯入器，使贯入器贯入土中深为30cm所需的锤击数计为N63.5（简化为N）。,(二)、粘性土的稠度,1.粘性土的稠度状态,稠度是指土的
16、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。,流动状态,可塑状态,固体状态,半固体状态,刚沉积的粘土，本身不能保持其形态，极易流动,外力作用可改变其形状，而不改变其体积，并在外力卸除后仍能保持已获得的形状,水分蒸发，上覆沉积层厚度增加，含水率减小，体积收缩,含水率减小,丧失可塑性，在外力作用下，易于发生破裂,体积不再收缩，空气进入土体，土的颜色变淡,0,半固态,可塑状态,流动状态,塑限P,液限L,缩限的测定采用收缩皿法。,液、塑限的测定根据公路土工试验规程规定，采用液塑限联合测定仪进行测定。,固态,缩限s,GYS-2型光电式液塑限联合测定仪,下沉深度为17m
17、m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,缩限的测定采用收缩皿法。,用收缩皿或环刀盛满含水量为液限的试样，放在室内逐渐晾干，至试样的颜色变淡时，放入烘箱中烘至恒重，测定烘干后收缩体积和干土重，从而求得缩限。,定义粘性土与粉土的液限与塑限的差值，去掉百分数。,2、塑性指数IP,物理意义,细颗粒土体处于可塑状态下，含水量变化的最大区间。一种土的wL与wP之间的范围大，即IP大，表明该土能吸附结合水多，但仍处于可塑状态，亦即该土粘粒含量高或矿物成分吸水能力强。,例，某土样L=32.6%, P=15.4%，则IP17.2，而非17.2%,工程应用,用塑性指数IP作为粘性土与粉土定
18、名的标准。,IP（L-P）100,定义粘性土的液性指数为天然含水量与塑限的差值和液限与塑限差值之比。,3、液性指数IL,液性指数又称相对稠度，是将土的天然含水量w与wL及wP相比较，以表明w是靠近wL还是靠近wP，反映土的软硬不同。,工程应用,划分粘性土的稠度状态。,在公路工程中，是确定粘性土承载力的重要指标。,物理意义,定义粘性土的塑性指数与土中胶粒（d0.002mm的颗粒）含量百分数的比值。,4、活动度A,物理意义活动度反映粘性土中所含矿物的活动性。,m土中胶粒（d0.002mm）含量百分数。,A1.25 活动粘土,0.75A1.25 正常粘土,A0.75 不活动粘土,根据A的大小可分为3
19、种：,式中：,5、灵敏度St,由技术钻孔取出的粘性土样，如能保持天然状态下土的结构和含水量不变，则称为原状土样。,土经振动后，土粒间的胶结物质以及土粒、离子、水分子所组成的平衡体系受到破坏，即土的天然结构受到破坏，导致土的强度降低和压缩性增大。,土的这种结构性对其强度的影响，一般用灵敏度来表示。,如土样的结构、构造受到外来因素扰动时，则称为扰动土样。,定义粘性土的原状土的无侧限抗压强度与原状土结构完全破坏的重塑土的无侧限抗压强度的比值。称为灵敏度St，即：,qu原状土的无侧限抗压强度，kPa;,qu重塑土的无侧限挤压强度，kPa。,式中：,物理意义灵敏度反映粘性土中所含矿物的活动性。根据灵敏度
20、的大小可分为3种：,工程应用,St8 特别灵敏性粘土,触变性：当粘性土结构受到扰动时，土的强度就降低。但静置一段时间，土的强度又逐渐增长，这种性质称为土的触变性。,保护基槽。,利用触变性。,St= 灵敏性粘土,St= 一般粘土,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=9.43%,天然密度=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】,砂土在天然状态下的孔隙比,砂土最小孔隙比,砂土最大孔隙比,相对密实度,（1/3,2/3,中密状态,
