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1、四、土的物理与力学性质,三 相 草 图,土的三相比例指标,土的物理性质就是研究三相的质量与体积间的相互比例关系以及固、液两相相互作用表现出来的性质。,已知关系五个:,共有九个参数:V Vn Vs Va V/ms m ma m,三相草图法,对于饱和土,Va=0,是一种简单而实用的方法,基本物理性质试验,为了确定三相草图诸量中的三个量，通常进行三个基本指标的物理性质试验：土的密度试验土粒相对密度试验土的含水量试验,土的三相基本指标,定义：土单位体积的质量表达式：单 位:kg/m3 或 g/cm3试验方法：环刀法一般范围:1.602.20 g/cm3,土的（湿）密度(天然密度),土的三个基本指标,粘
2、性土：r=1.82.0g/cm3 砂 土：r=1.62.0g/cm3 腐殖土：r=1.51.7g/cm3,测定方法：一般用“环刀法”，用一个圆环刀（刀刃向下）放在削平的原状土样面上，徐徐削去环刀外围的土，边削边压，使保持天然状态的土样压满环刀内，称得环刀内土样的质量，求得它与环刀容积之比值即为其密度。,土的三个基本指标,土的（湿）密度 用烘干法测定,土样,电子天平,环刀,定义：土粒密度是指固体颗粒的质量ms与其体积Vs之比；即土粒的单位体积质量,表达式：,单位：g/cm3,土粒密度仅与组成土粒的矿物密度有关，而与土的孔隙大小和含水多少无关。实际上是土中各种矿物密度的加权平均值。,砂土的土粒密度
3、一般为：2.65 g/cm3左右粉质砂土的土粒密度一般为：2.68g/cm3粉质粘土的土粒密度一般为：2.682.72g/cm3 粘土的土粒密度一般为：2.7-2.75g/cm3,土的三个基本指标,土粒的密度 s,土粒的密度值s在大小上等于土的相对密度即等于土的比重G。,定义：土中水的质量与土粒质 量之比，用百分数表示表达式：单 位:无量纲实验方法：烘干法,酒精燃烧法一般范围：变化范围大,注意:其实是含水比,可达到或超过100,土的含水量W,土的三个基本指标,测定方法：先称小块原状土样的湿土质量m，然后置于烘箱内维持100105烘至恒重，再称干土质量ms，水的质量mw为湿土和干土质量之差。,铝
4、盒,烘箱,电子天平,土样,土的三个基本指标,土的含水量W 用烘干法测定,定义：土的孔隙中完全没有水时的密度，称干密度；是指土单位体积中土粒的重量，即：固体颗粒的质量与土的总体积之比值。,表达式：,单位：g/cm3,土的干密度一般常在1.31.8 g/cm3,在工程上常把干密度作为评定土体紧密程度的标准，以控制填土工程的施工质量。,土的干密度d,定义:土的孔隙完全被水充满时的密度称为饱和密度。即，土的孔隙中全部充满液态水时的单位体积质量,单位:g/cm3,土的饱和密度的常见值为1.82.30 g/cm3,土的饱和密度sat,定义:土的浮密度是土单位体积中土粒质量与同体积水的质量之差.,=sat-
5、w,单位:g/cm3,同一种土在体积不变的条件下，它的各种密度在数值上有如下关系：,土的浮密度,表示土体密度和容重的指标,干密度：土被烘干时的密度，干容重：,天然密度 天然容重,饱和密度：土被饱和时的密度，饱和容重：,浮容重：,静水下的有效容重,各种密度容重间的大小关系,天然密度干密度饱和密度,天然容重干容重饱和容重浮容重,土的三相比例指标,表示土中孔隙含量的指标,砂类土：28-35%粘性土：30-50%，有的可达60-70%,孔隙比e：土中孔隙体积与固体颗粒体积之比,为无量纲,孔隙率(孔隙度)n：土中孔隙体积与总体积之比,用百分数表示,土的三相比例指标,表示土中含水程度的指标,对干土：Sr=
6、0对饱和土：Sr=1,含水量：,饱和度：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：,土的三相比例指标,三相指标换算,土的三相比例指标,三相指标换算,土的三相比例指标,常用的物理性质指标间的换算关系,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,可分为两类：一类是必须通过试验测定的，如含水率、密度和土粒比重，称为直接指标；另一类是根据直接指标换算的，如孔隙比、孔隙率、饱和度等，称为间接指标。,土的三相比例指标,【例题1】某一块试样在天然状态下的体积为38.4cm3，称得其质量为67.21g，将其烘干后称得质量为49.35g，根据试验得到的土粒比重G为2
7、.69，试求试样的土的密度、干密度、含水率、饱和密度、孔隙比、孔隙率和饱和度。,【解】（1）已知V60cm3，m=108g，则由式（14）得=m v=180 60=1.8g/cm3（2）已知ms=96.43g，则 mw=mms=10896.43=11.57g按式（19），于是 w=mw ms11.5796.43=12%（3）已知Gs=2.7，则 Vs=ms s=96.43 2.735.7cm3 Vv=VVs=6035.724.3cm3按式（110），于是 e=Vv Vs24.3 35.7=0.68（4）按式（111）n=Vv V24.3 60=40.5（5）根据w的定义 Vw=mw w=11.
8、57 111.57cm3 于是按式（112）St=Vw Vv=11.57 24.348,2.2 土的三相比例指标,土的物理状态指标,土的物理状态粗粒土的松密程度粘性土的软硬状态,土的物理性质指标(三相间的比例关系),表示,2.3 黏性土的物理特性,粘性土最主要的物理状态特征与含水量有关,粘性土,含水量,较硬,变软,流动,2.3 黏性土的物理特性,粘性土的状态转变过程,可塑状态：黏性土在某含水量范围内，可用外力塑成任何形状而不发生裂纹，当外力卸除后仍能保持已有的形状。,2.3 黏性土的物理特性,塑限wp,液限wl,固态或半固态,可塑状态,流动状态,强结合水,弱结合水,自由水,w,强结合水膜最大,
9、出现相当数量自由水,2.3 黏性土的物理特性,测定塑限的方法：搓滚法和液、塑限联合测定法。测定液限的方法：碟式仪法和液、塑限联合测定法,液、塑限联合测定法：塑限5秒入土2mm时的含水率17mm液限 5秒入土17mm时的含水率,圆锥体入土深度与含水量的关系,2.3 黏性土的物理特性,液塑限联合测定仪,液限：76g圆锥下沉深度为17mm所对应的含水量塑限：76g圆锥下沉深度为2mm处所对应的含水量,2.3 黏性土的物理特性,吸附结合水的能力；粘性大小；大致反映粘土颗粒含量反映了黏性土及其三相组成的基本特性,塑性指数,2.3 黏性土的物理特性,土粒越细，比表面积越大，结合水含量越高，Ip越大黏土矿物
10、（尤以蒙脱石类）含量越多，水化作用越剧烈，结合 水含量越高，Ip越大水中高价阳离子浓度越低，反离子层中的低价阳离子增加，Ip变大,工程上常按塑性指数对黏性土进行工程分类,相对稠度,问题：仅适用于重塑土,对于不同的粘土，含水量相同，状态可能不同,液性指数：,不同的粘土，p、l 大小不同,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,是指黏性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比。对重塑土较为合适。,2.3 黏性土的物理特性,黏性土根据液性指数划分软硬状态,塑性指数常作为细粒土工程分类的依据,缺点：反映的是全部土颗粒
11、吸附结和合的能力，不能充分反映粘土矿物表面活性的高低（不能充分反映粘土颗粒含量）,不同的粘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,非活性粘土正常粘土活性粘土,2.3 黏性土的物理特性,活动度,反映黏性土中所含矿物的活动性,孔隙比e优点：简单方便缺点：无法反映土的级配因素,0.6,0.75,0.85,松散,中密,密实,稍密,密实度,如何衡量?,单位体积中固体颗粒含量的多少,2 土的物理性质及分类,2.4 无黏性土的密实度,emax与emin：最大与最小孔隙比,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
12、策,相对密度,孔隙比e或孔隙率n,emin=0.35,emin=0.20,2 土的物理性质及分类,2.4 无黏性土的密实度,相 对 密 度,假定第一种砂是理想的均匀圆球，不均匀系数Cu1.0，最密时的孔隙比e0.35，如果砂粒的比重G2.65，则最密时的干密度d1.96/cm3。第二种砂同样是理想的圆球。但其级配中除大的圆球外，还有小的圆球可以充填于孔隙中，不均匀系数Cu1.0,最密时的孔隙比e0.35。就是说这两种砂若都具有同样的孔隙比e0.35时,对于第一种砂，已处于最密实的状态，而对于第二种砂则不是最密实。,2 土的物理性质及分类,2.4 无黏性土的密实度,emax:最大孔隙比；将松散的
13、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,优点：计入土的级配因素，理论上比较完善。缺点：天然孔隙比难以获取，且emax,emin的测定受人为的影响较大。,2 土的物理性质及分类,2.4 无黏性土的密实度,相对密度,粗粒土的相对密度,相对密度指标主要用于人工填土，对天然砂土层采用原位标准贯入试验法测定,优点：计入土的级配因素，
14、理论上比较完善。缺点：天然孔隙比难以获取，且emax,emin的测定受人为的影响较大。,2 土的物理性质及分类,2.4 无黏性土的密实度,粗粒土的密实状态指标:相对密度Dr,细粒土的稠度状态指标:液性指数IL,定义 判别标准,界限含水量 wP、wL 土中水形态 塑性指数 Ip 吸附结合水的能力,定义 判别标准,小 结,2 土的物理性质及分类,2.4 无黏性土的密实度,土颗粒或粒团的空间排列和相互联结,小 结,2 土的物理性质及分类,2.2 土的三相比例指标,土的组成土的状态土的结构,建筑地基基础设计规范-GB50007-2002分类法,土的工程分类,目的：便于调查研究；便于分析评价；便于交流(
15、基于共同的概念)依据：最能反映土的物理力学性质的指标 要求：要有一定的逻辑性、系统性，纲目分明，简单易记，便于运用,2 土的物理性质及分类,2.2 土的三相比例指标,岩石碎石土砂土粉土粘性土人工填土,土,建筑场地基基础规范GB50007-2002,2 土的物理性质及分类,2.2 土的三相比例指标,土的名称 粒组含量,粒径大于2mm的颗粒占全质量25-50%,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%,建筑场地基基础规范GB50007-200
16、2,岩石碎石土砂土粉土粘性土人工填土,砂土,2 土的物理性质及分类,2.2 土的三相比例指标,岩石碎石土砂土粉土粘性土人工填土,土,粉土粘性土,粘性土：塑性指数Ip10的土,粉质粘土：1017的土,非活性粘土：A 1.25,粉土：粒径大于0.075mm的颗粒含量小于全质量50%而塑性指数Ip10的土,建筑场地基基础规范GB50007-2002,2 土的物理性质及分类,2.2 土的三相比例指标,【例题17】有A，B，C三种土，它们的粒径分布曲线如图所示。已知B土的液限为38，塑限为19，C土的液限为47，塑限为24。试对这三种土进行分类。,2 土的物理性质及分类,2.2 土的三相比例指标,【解】
17、（1）对A土进行分类：从图128曲线A查得粒径大于60mm的巨粒含量为零，而粒径大于0.075mm的粗粒含量为98，大于50，所以A土属于粗粒土；从图中查得粒径大于2mm的砾粒含量为63，大于50，所以A土属于砾类土；细粒含量为2，少于5，该土属砾；从图中曲线查得d10，d30和d60分别为0.32mm、1.65mm和3.55mm，因此，土的不均匀系数 Cu=d60d10=3.55 0.3211.0土的曲率系数 Cc=(d30)2 d10 d601.652 0.323.55=2.40,2 土的物理性质及分类,2.2 土的三相比例指标,由于Cu5，Cc13，所以A土属于级配良好砾（GW）。（2）
18、对B土进行分类：从图128的B曲线中查得大于0.075mm的粗粒含量为72，大于50，所以B土属于粗粒土；从图中查得大于2mm的砾粒含量为8，小于50，所以B土属于砂类土，但小于0.075mm的细粒含量为28，在1550%之间，因而B土属于细粒土质砂；由于B土的液限为38，塑性指数Ip381919，在17mm塑性图上落在CL区，故B土最后应定名为粘土质砂（SC）。,（3）对C土进行分类：从图128的C曲线中查得大于0.075mm的粗粒含量为46，介于2550之间，所以C土属于含粗粒的细粒土；从图中查得大于2mm的砾粒含量为零，该土属于含砂细粒土；由于C土的液限为47，塑性指数Ip=472423
19、，在17mm塑性图上落在CL区，故C土最后应定名为含砂低液限粘土（CLS）。,2 土的物理性质及分类,2.2 土的三相比例指标,三、例题分析,【例】下图为某三种土A、B、C的颗粒级配曲线,试按地基规范分类法确定三种土的名称,2 土的物理性质及分类,2.2 土的三相比例指标,【解答】,A土:从A土级配曲线查得,粒径小于2mm的占总土质量的67%、粒径小于0.075mm占总土质量的21%,满足粒径大于2mm的不超过50%,粒径大于0.075mm的超过50%的要求,该土属于砂土；又由于粒径大于2mm的占总土质量的33%,满足粒径大于2mm占总土质量25%50%的要求,故此土应命名为砾土,B土:粒径大于2mm的没有,粒径大于0.075mm占总土质量的52%,属于砂土。按砂土分类表分类,此土应命名为粉砂,C土:粒径大于2mm的占总土质量的67%,粒径大于20mm的占总土质量的13%,按碎石土分类表可得,该土应命名为圆砾或角砾,2 土的物理性质及分类,2.3 黏性土的物理特性,定义：土粒的密度与4C时纯蒸馏水密度的比值表达式：,土粒相对密度G(或ds),=1.0 g/cm3,土粒比重在数值上等于土粒的密度,2 土的物理性质及分类,
