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1、2006.03,第二章土的物理性质与工程分类,本章提要 本章特点 学习要点,第二章：土的物理性质与工程分类,对土的特点进行详细解释 对土的组成和状态进行定量描述 内容琐碎、零散 理清各节间联系 理清各节内层次 注意物理概念的把握,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,土的形成过程,土的工程分类：便于研究和应用土的压实性：如何获得较好的土,第二章：土的物理性质与工程分类,2.1 土的形成2.2 土的三相组成2.3 土的物理状态2.4 土的结构2.5 土的工程分类2.6 土的压实性,土 的 形 成,土,岩石,风化、搬运、沉积,地质成岩作用,土的组成、结构和物理力学性质,过程、
2、条件,2.1 土的形成,土的形成与风化作用,物理风化 化学风化 生物活动,岩石和土的粗颗粒受各种气候等物理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是颗粒大小发生量的变化矿物成分与母岩相同，称原生矿物产生无粘性土,2.1 土的形成,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，形成新的矿物颗粒成分发生质的变化矿物成分与母岩不同，称次生矿物形成十分细微的土颗粒，最主要为粘性颗粒及可溶盐类,土的形成与风化作用,物理风化 化学风化 生物活动,2.1 土的形成,包括植物、动物和土壤微生物的作用可加剧物理和化学风化构成土中有机质和营养物质的生物循环导致腐殖质的形成，改变
3、土壤的结构,土的形成与风化作用,物理风化 化学风化 生物活动,2.1 土的形成,残积土 无搬运 运积土 有搬运,搬运与沉积,2.1 土的形成,搬运与沉积,2.1 土的形成,第二章：土的物理性质与工程分类,2.1 土的形成 2.2 土的三相组成2.3 土的物理状态2.4 土的结构2.5 土的工程分类2.6 土的压实性,风化作用 搬运与沉积,土体的三相构成,2.2 土的三相组成,固体颗粒-颗粒大小,60,2.2 土的三相组成 固体颗粒,固体颗粒-粒径级配,粒径级配：各粒组的相对含量，用质量百分 数来表示 分析方法：筛分法：适用于粗粒土 孔径大小不同的筛子 水分法：适用于细粒土 常采用比重计法 表述
4、方法:粒径级配累积曲线,2.2 土的三相组成 固体颗粒,固体颗粒-粒径级配,2.2 土的三相组成 固体颗粒,孔径105.02.01.00.50.250.1(0.075),200g土,筛余010161824223872,小于某粒径之土质量百分数P（）,粒径(mm),P100958778665536,土的粒径级配累积曲线,水分法,筛分法,2.2 土的三相组成 固体颗粒,d60,d50,d10,d30,特征粒径:,斜率:某粒径范围内颗 粒的含量 陡-相应粒组含量多 缓-相应粒组含量少 平台-相应粒组缺乏,d50:平均粒径d60:控制粒径d10:有效粒径d30,2.2 土的三相组成固体颗粒-级配曲线,
5、土的粗细度：用d50 表示土的不均匀程度：用不均匀系数：Cu=d60/d10 表示，Cu 5，称为不均匀土，反之称为均匀土连续程度:用曲率系数 Cc=d302/(d60 d10)度量,Cc=13为连续级配,3或1为不连续级配,小于某粒径之土质量百分数（）,粒径(mm),土的粒径级配累积曲线,d60,d50,d10,d30,2.2 土的三相组成固体颗粒-级配曲线,粒组含量用于土的分类定名；不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度：Cu 5为不均匀土；Cu 5为 均匀土 曲率系数Cc用于判定土的连续程度：Cc=13为级配连续土；Cc3 或 Cc3 或Cc1为 级配 不良的土,粒径级配曲线和指标的应用,
6、2.2 土的三相组成固体颗粒,固体颗粒-矿物成分,2.2 土的三相组成固体颗粒,粘 土 矿 物,粘土矿物是一种复合的铝-硅盐晶体，颗粒呈片状，是由硅片和铝片构成的晶包所组叠而成，可分成高岭石、伊利石和蒙特石三种类型。,2.2 土的三相组成固体颗粒,粘 土 矿 物,粘土矿物是一种复合的铝-硅盐晶体，颗粒呈片状，是由硅片和铝片构成的晶包所组叠而成，可分成高岭石、伊利石和蒙特石三种类型。,2.2 土的三相组成固体颗粒,粘 土 矿 物,2.2 土的三相组成固体颗粒,粘 土 矿 物,2.2 土的三相组成固体颗粒,粘 土 矿 物,是云母在碱性介质中风化的产物。与蒙特石相似，由两层硅片夹一层铝片所形成的三层
7、结构，但晶层之间有钾离子连结。主要特征：连结强度弱于高岭石而高于蒙特石，其特征也介于两者之间。,依硅片和铝片组叠形式的不同，可分成如下三种类型：,高岭石 蒙特石 伊利石,2.2 土的三相组成固体颗粒,粘土矿物的带电性质研究表明，片状粘土颗粒表面常带有电荷，净电荷通常为负电荷,-,-,+,+,+,+,粘土颗粒,水分子,阳离子,粘土矿物的带电特性,玻璃筒,玻璃皿,水位升高,粘土粒,粘土膏,+,-,粘土的电泳和电渗现象(列依斯,1809),2.2 土的三相组成固体颗粒,颗粒形状和比表面积,原生矿物：一般颗粒较粗，呈粒状。有圆状、浑圆状、棱角状等。次生矿物：颗粒较细，多呈针状、片状、扁平状。比表面积：
8、单位质量土颗粒所拥有的总表面积。对于粘性土，其大小直接反映土颗粒与四周介质,特别是水,相互作用的强烈程度,是代表粘性土特征的一个很重要的指标。高岭石的比表面积为：10-20m2/g,伊利石：80-l00m2/g,蒙特石：800m2/g,粗颗粒的形状,粘土颗粒的形状,2.2 土的三相组成固体颗粒,2.2 土的三相组成 土中水,土 中 水,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，冻胀融沉 水蒸气 存在孔隙空气中,-强结合水：排列致密，密度1g/cm3 冰点处于零下几十度 完全不能移动，具有固体的特性 温度略高于100C时可蒸发-弱
9、结合水：受电场引力作用，为粘滞水膜 外力作用下可以移动 不因重力而流动，有粘滞性,粘土颗粒,引力,d,水分子,阳离子,强结合水,弱结合水,自由水,土中水 结合水,结合水：受颗粒表面电场作用力吸引而包围在颗粒四周，不传递静水压力，不能任意流动的水,2.2 土的三相组成 土中水,毛细水：由于土体孔隙的毛细作用升至自由水面以上的水。毛细水承受表面张力和重力的作用重力水：自由水面以下的孔隙自由水，在重力作用下可在土中自由流动,土中水 自由水,自由水：不受颗粒电场引力作用的孔隙水,hc,毛细水,重力水,2.2 土的三相组成 土中水,毛管中流体的界面效应,2.2 土的三相组成 土中水,土中毛细水上升高度,
10、上升高度,r2hcw=2rTcos,毛细升高与孔径成反比,粘土粉土砂土砾石,2.2 土的三相组成 土中水,毛细水压力,2.2 土的三相组成 土中水,土颗粒缝隙处的弯液面,在非饱和土中，孔隙中含有水和气，此时水多集中于颗粒间的缝隙处，称毛细角边水。由于毛细张力的作用，会形成如图所示的弯液面，使毛细角边水产生负压力，颗粒则受正压力。这是稍湿的砂土颗粒间存在假凝聚力的原因,2.2 土的三相组成 土中水,气相-土中气,自由气体：与大气连通连通的气体对土的性质影响不大封闭气体：被土颗粒和水封闭的气体其体积与压力有关。会增加土的弹性；阻塞渗流通道，降低渗透性溶解在水中的气体吸附于土颗粒表面的气体,2.2
11、土的三相组成 土中气,2.2 土的三相组成 小结,土体有三个组成部分：固相、液相和气相,小 结,固体颗粒土中水土中气体,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,第二章：土的物理性质与工程分类,2.1 土的形成 2.2 土的三相组成 2.3 土的物理状态2.4 土的结构2.5 土的工程分类2.6 土的压实性,2.3 土的物理状态,土的物理状态,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 土的物理状态 物理性质指标,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
12、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 基本方法:,定义,三相草图法,三 相 草 图,2.3 土的物理状态 物理性质指标,三 相 草 图,三个独立变量，干土或饱和土二个独立变量,其它指标：三相草图法计算,实验室测定,2.3 土的物理状态 物理性质指标,基本物理性质试验,为了确定三相草图诸量中的三个量，通常进行三个基本的物理性质试验：土的密度试验 土粒比重试验 土的含水量试验,2.3 土的物理状态 物理性质指标,定义：土单位体积的质量表达式：单 位:kg/m3 或 g/cm3一般范围:1.602.20 g/cm3,土的密度,2.3
13、土的物理状态 物理性质指标,测定方法常用“环刀法”,定义：土粒的密度与4C时纯蒸馏水密度的比值表达式：单 位:无量纲一般范围：粘性土 2.702.75，砂土 2.65,土粒比重Gs,=1.0 g/cm3,土粒比重在数值上等于土粒的密度,2.3 土的物理状态 物理性质指标,测定方法：比重瓶法,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,2.3 土的物理状态 物理性质指标,测定方法常用“烘干法”,可表示同一种土的松密，二者之间存在关系：,表示土中孔隙含量的指标,砂类土：28-35%粘性土：30-5
14、0%，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,可用三相草图推出,2.3 土的物理状态 物理性质指标,表示土中含水程度的指标,对干土：Sr=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：,2.3 土的物理状态 物理性质指标,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,浮密度,2.3 土的物理状态 物理性质指标,各种密度容重间的大小关系,天然密度干
15、密度饱和密度,天然容重干容重饱和容重浮容重,2.3 土的物理状态 物理性质指标,常用的物理性质指标间的换算关系：,教科书 P20 表1-6,学习要点：,小 结,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,2.3 土的物理状态 物理性质指标,小 结,土的三个组成相的体积和质量上的比例关系,定义,三相草图法,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,2.3 土的物理状态 物理性质指标,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 土的物理状态
16、 物理性质指标,粗粒土的密实状态,密实度：通常指单位体积中固体颗粒含量的多少,简单方便，但只能用于同一种土，不能反映级配的影响,物理性质指标：孔隙比e（孔隙率n）干容重d,相对密度：,emax与emin：最大与最小孔隙比,2.3 土的物理状态 物理性质指标,最大孔隙比emax: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最小孔隙比emin: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,理论上的最大与最小孔隙比在室内的测定有时很困难,粗粒土的最大与最小孔隙比,2.3 土的物理
17、状态 物理性质指标,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,2.3 土的物理状态 物理性质指标,粘性土最主要的物理状态特征是它的稠度，稠度是指土的软硬程度或土对外力引起变形或破坏的抵抗能力,稠度状态与含水量有关,粘性土,含水量,较硬,变软,流动,粘性土的稠度状态,2.3 土的物理状态 物理性质指标,塑限wp,液限wl,粘性土的稠度反映土中水的形态,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,出现相当数量自由水,粘性土的稠度状态,2.3 土的物理状态 物理性质指标,液性指数：,IL0 坚硬(半固态)0
18、1流塑,土的稠度状态液性指数,不同的粘土，wp、wl 大小不同。对于不同的粘土，含水量相同，稠度可能不同,液性指数是表征土的含水量与分界含水量之间相对关系的指标。对重塑土较为合适。,2.3 土的物理状态 物理性质指标,塑性指数,问题：反映的是全部土颗粒吸附结和合的能力，不能充分反映粘土矿物表面活性的高低,活性指数：,粒径小于0.002mm颗粒的质量占总土总质量的百分比,A 1.25活性粘土,定义：,大体上表示土的弱结合水含量,反映吸附结合水的能力，即粘性大小 大致反映粘土颗粒含量 常作为细粒土工程分类的依据,2.3 土的物理状态 物理性质指标,粗粒土的密实状态指标:相对密度Dr,细粒土的稠度状
19、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,2.3 土的物理状态 物理性质指标,第二章：土的物理性质与工程分类,2.1 土的形成 2.2 土的三相组成 2.3 土的物理状态 2.4 土的结构2.5 土的工程分类2.6 土的压实性,2.4 土的结构,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 粗粒土的结构 细粒土的结构 粘性土的结构性指标,粗粒土的结构,粒间作用力：重力起决定性的作用。在非饱和土中，还受到毛细力的作用排列形式：点与点 点与面,2.4 土的结构,细土颗粒间的作用力,范德华力
20、：接触点处的分子引力，作用范围为几个分子的距离，是细粒土粘结在一起的主因库仑力：颗粒表面的静电引力或斥力，随距离衰减的速度比范德华力慢胶结力：土粒间通过胶体连结在一起，作用力是化合键，具有较高的强度毛细力：土中毛细作用形成的力,土中细颗粒，比表面积大，重量轻，重力不起重要的作用，其他粒间力起主导作用：,2.4 土的结构,细粒土的结构,形成环境 粒间作用力 排列形式,淡水中沉积表面力、胶结力（粒间斥力占优势)面与面,天然通常不是单一结构，可能是呈多种类型的综合结构。往往先形成团粒,海水中沉积表面力、胶结力（斥力减小引力增加)边、角与面边、角与边,示意图,2.4 土的结构,反映粘性土结构性的指标,
21、灵敏度 触变性,2.4 土的结构,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。,反映粘性土结构性的指标,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。,灵敏度 触变性,2.4 土的结构,土颗粒或粒团的空间排列和相互联结,小 结,2.4 土的结构,第二章：土的物理性质与工程分类,2.1 土的形成 2.2 土的三相组成 2.3 土的物理状态 2.4 土的结构 2.5 土的工程分类2.6 土的压实性,2.5 土的工程分类,土的组成土的状态土的结构,建筑地基基础设计规范-GB50007
22、-2002分类法,水利部SL237-1999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(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,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GB50007-2002,2.5 土的工程分类,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
23、基基础规范GB50007-2002,岩石碎石土砂土粉土粘性土人工填土,砂土,2.5 土的工程分类,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GB50007-2002,2.5 土的工程分类,水利部SL237-1999分类法,土颗粒组成及其特性 塑性指标：液限、塑限、塑性指数 有机质含量,土的分类,巨粒土和含巨粒土 粗粒土：砾类土、砂类土 细粒土：根据塑性图分类 特殊土：黄土、膨胀土、红粘土,分类依据：,2.5 土的
24、工程分类,第二章：土的物理性质与工程分类,2.1 土的形成 2.2 土的三相组成 2.3 土的物理状态 2.4 土的结构 2.5 土的工程分类 2.6 土的压实性,室内击实试验 细粒土的压实性 粗粒土的压实性,2.6 土的压实性,土的压实：指通过夯打、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：指土在一定压实能量作用下密度增长的特性研究击实性的目的：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 现场试验:夯打、振动、碾压,土的压实性,室内击实试验,试验设备：击实筒V=1000cm3；击实锤w=25牛顿 试验条件：土样分层n=3层；落高d=30cm；击
25、数N=27/层 击实能量,试验方法：对w=cosnst的土，分三层压实；测定击实后的w、，算定d 注意：仅适用于细粒土；对粗粒土，可用较大尺寸的击实仪,土,2.6 土的压实性,0 4 8 12 16 20 24 28含水量w(%),饱和曲线,dmax,wop,细粒土的压实性-击实曲线,具有峰值 最大干密度dmax 最优含水量Wop,位于饱和曲线之下,粘性土透水性小，击实过程中含水量几乎不变，要想击实到饱和状态是不可能的。,2.6 土的压实性,含水量Wop：颗粒表面水膜很薄，相对移动困难 含水量=Wop：水膜润滑作用效果最佳，孔隙气尚没有形成封闭 气泡，易排出 含水量Wop：水膜润滑作用不再明显
26、增加；封闭气泡难以排出;水的相对含量增加,压实机理 颗粒破碎（细粒土较少）粒间联结力被破坏，颗粒 间孔隙被压缩 土粒定向排列,压实与含水量,细粒土的压实性-压实机理,2.6 土的压实性,细粒土的压实性-压实功能,对于同一种土,最优含水量和最大干密度并不恒定,而随压密功能变化，压实功能愈大,最优含水量愈小，相应的最大干密度愈高超过最优含水量后，压实功能的影响随含水量的增加逐渐减小。击实曲线均靠近于饱和曲线,2.6 土的压实性,细粒土的压实标准,填土施工时应将土料含水量控制在Wop左右，以期用较小的能量获得最好的密度：在Wop的干侧：常具有凝聚结构。土质比较均匀，强度较高，较脆硬，不易压密。但浸水
27、时易产生附加沉降。在Wop的湿侧：常具有分散结构。土体可塑性大，适应变形的能力强。但强度较低，具有不等向性。在设计土料时应根据填土的要求和当地土料的天然含水量，选定合适的含水量，一般要求为：,2.6 土的压实性,、级土石坝 Dc9598%III 级土石坝 Dc9295%,细粒土的压实标准,工程上常采用压实度Dc，作为填方压实密度控制的标准：,2.6 土的压实性,粗粒土的压实性,击实曲线,压实标准：常用相对密度控制,不存在最优含水量，在完全风干或饱和状态下易于击实。在潮湿状态下，存在假凝聚力，加大了阻力同细粒土不同，粗粒土在击实过程中可以自由排水粗砂w=45%，中砂w=7%时，干密度最小，,2.
28、6 土的压实性,小 结,室内击实试验细粒土的压实性粗粒土的压实性,击实曲线 最优含水量 最大干密度 压实功能 压实标准,击实曲线 压实标准,2.6 土的压实性,第二章：土的物理性质与工程分类,1.1 土的形成 1.2 土的三相组成 1.3 土的物理状态 1.4 土的结构 1.5 土的工程分类 1.6 土的压实性,土 的 形 成,土,岩石,风化、搬运、沉积,地质成岩作用,土的组成、结构和物理力学性质,过程、条件,2.2 土的形成-总结,土体有三个组成部分：固相、液相和气相,土的三相组成,固体颗粒土中水土中气体,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
29、封闭气体,2.2 土的三相组成 小结,物理性质指标,2.3 土的物理状态 总结,土的三个组成相的体积和质量上的比例关系,定义,三相草图法,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,物理状态指标,2.3 土的物理状态 总结,2.4 土的结构 小结,土颗粒或粒团的空间排列和相互联结,土的结构,2.5 土的工程分类,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,水利部SL237-1999分类法,目的：便于调查研究；便于分析评价；便于交流(基于共同的概念)依据：最能反映土的物理力学性质的指标,土的工程分类,2.6 土的压实性,室内击实试验细粒土的压实性粗粒土的压实性,击实曲线 最优含水量 最大干密度 压实功能 压实标准,击实曲线 压实标准,土的压实性,
