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1、土的物理性质,第一章,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:理清 各节间联系 各节内层次,1 土的物理性质,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,1 土的物理性质,1.1 土的形成 1.2土的三相组成 1.3土的土的结构1.4土的物理性质指标和物理状态指标,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,1 土的物性,形成过程形成条件,物理力学性质,风化,影响,生物风化,物理风化,化学风化,量变,无粘性土,原生矿物,质变,粘性土,
2、次生矿物,动植物的活动,1 土的物性,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,岩石和土的性质与其生成的地质年代有关，一般生成年代越久，则上覆土层越厚，土被压得越密实，土粒间联结越强，土的强度越高，土的压缩性越小，土质好。新近堆积的土，土层薄，土质松软，土的强度低，土的压缩性大，土质差。,1 土的物性,1.1土的形成,现今常见的土绝大多数生成的地质年代为第四纪（符号为Q），约百年万年历史，见表1-1所示。通常把Q3及其以前时期堆积的土层
3、称为老堆积土；把Q4时期内文化期（有人类文化的时期）以前堆积的称为一般堆积土；把文化期以后堆积的称为新近堆积土。,1.1土的形成,1 土的物性,表1-1 第四纪地质年代,1.1土的形成,1 土的物性,二.搬运与沉积,残积土无搬运,运积土有搬运,土质较好,1 土的物性,残积土强风化弱风化微风化母岩体,颗粒表面粗糙多棱角粗细不均无层理,1.1土的形成,母岩表层经风化作用破碎成岩屑或细小颗粒后，未经搬运残留在原地的堆积物,风化所形成的土颗粒，受自然力的作用搬运到远近不同的地点所沉积的堆积物,2.搬运与沉积,运积土有搬运,风：风积土,1 土的物性,重力:坡积土,流水:,洪积土冲积土湖泊沼泽沉积土海相沉
4、积物,冰川:冰积土,1.1土的形成,土粒粗细不同，性质不均匀,有分选性，近粗远细,浑圆度分选性明显，土层交迭,含有机物淤泥，土性差,颗粒细，表层松软，土性差,土粒粗细变化较大，性质不均匀,颗粒均匀，层厚而不具层理,1 土的物理性质,1.1 土的形成1.2土的三相组成1.3土的物理状态1.4土的工程分类,1.2 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,1 土的物性,次要作用,一.固体颗粒,物理状态力学特性,粒径级配,1 土的物性,1.2土的三相组成,矿物成分,颗粒形状,1.粒径级配,一.固体颗粒,1 土的物性,1.2土的三相组成,颗粒大小,各粒径成分在土中
5、占的比例,狭义的粒径级配,影响土性的主因,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,一.固体颗粒,1 土的物性,1.2土的三相组成,粒径级配,确定方法 筛分法：适用于粗粒土(0.075 mm)水分法：适用于细粒土(0.075 mm),各粒组的相对含量，用质量百分数来表示,表述方法 粒径级配累积曲线,1 土的物性,一.固体颗粒,1.2土的三相组成,一.固体颗粒,1 土的物性,105.02.01.00.50.250.1,200g,10161824223872,小于某粒径之土质量百分数P（）,粒径(mm),1.2土的三相组成,P%958778665536,土的粒径级配累积曲线,水
6、分法,一.固体颗粒,1 土的物性,1.2土的三相组成,d60,d50,d10,d30,特征粒径:d50:平均粒径d60:控制粒径d10:有效粒径d30;,不均匀程度：Cu=d60/d10,连续程度:Cc=d302/(d60 d10)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 土的物性,1.2土的三相组成,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 平台-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,C c=1 3,级配连续性好,粒径级配,粒径级配累积曲
7、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 土的物性,一.固体颗粒,1.2土的三相组成,2.矿物成分,原生矿物 石英、长石、云母等次生矿物 主要是粘土矿物，包括三种类型 高岭石、伊里石、蒙脱石,1 土的物性,一.固体颗粒,1.2土的三相组成,粘土矿物:由硅
8、片和铝片构成的晶包所组合而成,1 土的物性,一.固体颗粒,1.2土的三相组成,硅片的结构,1 土的物性,一.固体颗粒,1.2土的三相组成,铝片的结构,1 土的物性,一.固体颗粒,1.2土的三相组成,粘土矿物的晶格构造,高岭石,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,1 土的物性,一.固体颗粒,1.2土的三相组成,粘土矿物的带电性质,研究表明：粘土颗粒的表面电荷，净电荷通常为负电荷,3.颗粒形状,原生
9、矿物 圆状、浑圆状、棱角状次生矿物 针状、片状、扁平状,1 土的物性,一.固体颗粒,1.2土的三相组成,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,1 土的物性,1.2土的三相组成,二.土中水（液相）,1 土的物性,1.2土的三相组成,二.土中水,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，有粘滞性,弱结合水,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
10、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,1 土的物性,1.2土的三相组成,二.土中水,1 土的物性,1.2土的三相组成,二.土中水,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,粘土粉土砂土砾石,分析对象:水柱,1 土的物性,1.2土的三相组成,二.土中水,对砂土强度的影响:毛细边角水,假凝聚力,假定=0,毛细压力,2rTcos+ucr2=0,毛细压力,非饱和土中毛细张力影响,分析对象:水膜,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
11、的弹性；阻塞渗流通道,1 土的物性,1.2土的三相组成,土有三个组成部分：固相、液相和气相,小结,1.固体颗粒,2.土中水,3.土中气体,粒径级配 矿物成分 颗粒形状,结合水(强结合水、弱结合水)自由水(重力水、毛细水),自由气体封闭气体,1 土的物性,1.2土的三相组成,1 土的物理性质,1.1 土的形成1.2土的三相组成1.3土的结构1.4土的物理性质指标和物理状态指标,土颗粒或粒团的空间排列和相互联结,1.3 土的结构,土粒间的作用力,粘性土的结构性指标,力学特性,土的结构,影响,粗粒土的结构,细粒土的结构,重塑土的强度,原状土的强度,1 土的物性,一.土粒间的作用力,重 力 毛细力 胶
12、结力 颗粒表面力,土颗粒的自重形成的方向向下的力,砂土,土中毛细作用形成的力,细砂、粉土,土粒间的胶体物质产成的作用力,粘土,粘土,库 仑 力：,范德华力：,颗粒表面的静电引力或斥力,颗粒接触点处的分子间引力,1 土的物性,1.3 土的结构,二.粗粒土的结构,粒间作用力,排列形式,矿物成分,单粒结构,示意图,重力，毛细力,点与点、点与面,原生矿物,1 土的物性,1.3 土的结构,三.细粒土的结构,粒间作用力,形成环境,排列形式,矿物成分,表面力、胶结力（斥力减小引力增加）,片架结构(凝聚结构),片堆结构(分散结构),示意图,表面力、胶结力（粒间斥力占优势）,淡水中沉积,海水中沉积,次生矿物,次
13、生矿物,天然条件下，可能是多种组合，或者由一种结构过渡向另一种结构。,面与面,边、角与面边、角与边,1 土的物性,1.3 土的结构,四.反映粘性土结构性的指标,1.粘性土的灵敏度 St,1 土的物性,1.3 土的结构,=,原状土,结构性,相同含水量密度,粉碎重塑,重塑土,强度降低,St11-22-44-88-1616,粘性土不灵敏低灵敏中等灵敏灵敏很灵敏流动,含水量不变，密度不变，因重塑而强度降低，又因静置而逐渐强化，强度逐渐恢复的现象，称为触变性。土的触变性是土结构中联结形态发生变化引起的，是土结构随时间变化的宏观表现。目前尚没有合理的描述土触变性的方法和指标。,2.粘性土的触变性,1 土的
14、物性,1.3 土的结构,小结,1 土的物性,1.3 土的结构,土颗粒或粒团的空间排列和相互联结,土粒间的作用力,粘性土的结构性指标,土的结构,粗粒土的结构,细粒土的结构,1.4 土的物理指标,土的物理状态粗粒土的松密程度粘性土的软硬状态,1 土的物理性质,土的物理性质指标(三相间的比例关系),力学特性,影响,表示,1.4 土的物理指标,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 土的物性,密实程度干湿程度,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,1.4 土的物理指标,1.三相草图,
15、1 土的物性,一.物理性质指标,质量,体积,1.4 土的物理指标,三相草图,1 土的物性,一.物理性质指标,已知关系五个:,共有九个参数:V Vv Vs Va V/ms m ma m,剩下三个独立变量,三相草图法,物性指标是比例关系:可假设任一参数为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,1.4 土的物理指标,1 土的物性,一.物理性质指标,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,土的容重,=g,工程上更常用,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:1.602.20
16、 g/cm3,定义:土单位体积的质量,有时也称土的天然密度,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,1.4 土的物理指标,1 土的物性,一.物理性质指标,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:粘性土 2.702.75 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:,1.4 土的物理指标,1 土的物性,一.物理性质指标,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:,1.4
17、土的物理指标,一.物理性质指标,表示土中孔隙含量的指标,孔隙比,孔隙率(孔隙度),1 土的物性,.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%粘性土：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,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,1.4 土的物理指标,一.物理性质指标,表示土中含水程度的指标,1 土的物性,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
18、,1.4 土的物理指标,1 土的物性,一.物理性质指标,表示土中密度和容重的指标,天然密度,干密度,饱和密度,天然容重,干容重,浮容重,浮密度,有效容重,饱和容重,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:,1.4 土的物理指标,各种密度容重之间的大小关系：,1 土的物性,一.物理性质指标,天然密度,干密度,饱和密度,天然容重,干容重,浮容重,饱和容重,1.4 土的物理指标,1 土的物性,一.物理性质指标,常用的物理性质指标间的换算关系,教科书 P25 表1-9,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
19、三相草图推导,1.4 土的物理指标,1 土的物性,一.物理性质指标,小结,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,密实程度干湿程度,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,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,三相草图有助于直观理解物性指标的概念,其它常用的物理性质指标表示土中孔隙含量的指标表示土中含水程度的指标表示土中密度和容重的指标,三相草图可用于确定物性指标之间的关系,三相草图法是求取物理性质指标的简单而有效的方法,1.4 土的物理指标,1 土的物性,二.土
20、的物理状态指标,1.4 土的物理指标,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),力学特性,影响,表示,二.物理状态指标,emax与emin：最大与最小孔隙比,1.粗粒土的密实状态,1 土的物性,二.物理状态指标,密实度,如何衡量?,单位体积中固体颗粒含量的多少,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,孔隙比e或孔隙率n,emin=0.35,emin=0.20,1.4 土的物理指标,表1-10 按孔隙比e划分砂土密实度表,1 土的物性,1.4 土的物理指标,二.物理状态指标,1 土的物性,二.物理状态指标,emax:最
21、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(T0123-93),注意：室内测得理论上的最大与最小孔隙比有时很困难,1.4 土的物理指标,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,1 土的物性,二.物理状态指标,相对密度,1.4 土的物理指标,1 土的物性,二.物理状态指标,标准贯
22、入试验中的锤击数N,标准贯入试验标准贯入试验是在现场进行的一种原位测试：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，记为N63.5(简化为N)来鉴定该土层的密实程度。,判别标准：N 10,松散状态 1030,密实状态,1.4 土的物理指标,标准贯入试验（Standard Penetration Test）,标准贯入数 N63.5,锤 重：63.5kg,落 距：760mm,打入深度：300mm,1.4 土的物理指标,二.物理状态指标,1 土的物性,2.粘性土的软硬状态,1 土的物性,二.物理状态指标,也称稠度状态,稠
23、度状态与含水量有关,粘性土,含水量,较硬,变软,流动,1.4 土的物理指标,塑限p,液限l,1 土的物性,二.物理状态指标,稠度界限,粘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,1.4 土的物理指标,图1-19 碟式液限仪,图1.20 平衡锥式液限仪,1 土的物性,1.4 土的物理指标,二.物理状态指标,液限l测定方法：碟式液限仪（欧美等国使用）平衡锥式液限仪（我国使用）,锥76g，锥角300，取刚好能坠入规定深度的含水量,表1-13平衡锥式液限仪测液限各个规范规定的沉入深度值,公路(JTG
24、 E40-2007)还规定：当锥100g，锥角300，取锥入深度20mm含水量,1 土的物性,1.4 土的物理指标,二.物理状态指标,1 土的物性,二.物理状态指标,塑限p测定方法：搓条法或液限塑限联合测定法,搓条法：土条3mm断裂时含水量,液限塑限联合测定法：公路：锥100g，锥角300，取塑限入土深度hp对应含水量；其他：锥76g，锥角300，取入土深度2mm对应含水量,1.4 土的物理指标,相对稠度,1 土的物性,二.物理状态指标,对于不同的粘土，含水量相同，稠度可能不同,液性指数,不同的粘土，p、l 大小不同,定义：,wp,w,wl,IL1,坚硬可塑流塑,0.00 0.250.25-0
25、.750.75 1.00,硬塑可塑软塑,1.4 土的物理指标,吸附结合水的能力；粘性大小；大致反映粘土颗粒含量,1 土的物性,二.物理状态指标,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,1.4 土的物理指标,根据活性指数大小，从宏观上判断其矿物的成分。主要粘土矿物的活性指数范围：蒙脱石1-7，伊利石0.5-1，高岭石。,工程上根据活性指数的大小分为：,粗粒土的密实状态指标:相对密度Dr锤击数N,小结,1 土的物性,二.物理状态指标,细粒土的稠度状态指标:液性指数IL,定义判别标准,稠度界限,稠度状态,含水量,土中水的形态,塑性指数,液性指数,定义判别标准,1.4 土的物理指标,第一章完,
