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1、,第三章,土的物理性质与工程分类,Physical Properties & Engineering Classification of Soil,3.1 土的组成 3.2 土的物理性质指标 3.3 无粘性土的密实度 3.4 粘性土的物理性质 3.5 土的工程分类,3土的物理性质与工程分类,3.1 土的组成,气相,固相,液相,+,+,构成土骨架，起决定作用,重要影响,土体,次要作用,一. 土的固体颗粒,物理状态 力学特性,颗粒级配,矿物成分,颗粒形状,1. 颗粒级配,颗粒大小,各粒径成分在土中占的比例,又称 粒度成分,影响土性的主因,颗粒级配,颗粒大小,粒组 按粗细进行分组，将粒径接近的归成一
2、类 界限粒径,1. 颗粒级配,颗粒级配,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. 颗粒级配,10 5.0 2.0 1.0 0.5 0.25 0.1,200g,10 16 18 24 22 38 72,小于某粒径之土质量百分数P（）,粒径(mm),P % 95 87 78 66 55 36,土的颗粒级配累积曲线,水分法,筛分法,d60,d50,d10,d30,特征粒径: d50 : 平均粒径 d60 : 限制粒径 d10 : 有效粒径 d30: 中值粒径,不均匀程度：
3、Cu = d60 / d10, 不均匀系数,Cu 5,级配不均匀,粗细程度： 用d50 表示,1. 颗粒级配,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,Cc = 1 3, 级配连续性好,1. 颗粒级配,颗粒级配,粒径级配累积曲线及指标的用途：,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
4、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. 颗粒级配,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,粘土矿物: 由硅片和铝片构成的晶包所组合而成,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,原生矿物 圆状、浑圆状、棱角状 次生矿物 针状、片状、扁平状,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
5、力作用范围之外的水 土中冰 由自由水冻成，冻胀融陷,二. 土中水（液相）,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,自由水,土中毛细现象,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,三. 土中气体,自由气体：与大气连通
6、，对土的性质影响不大 封闭气体：增加土的弹性；阻塞渗流通道,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,土颗粒或粒团的 空间排列和相互联结,三、土的结构和构造,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. 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,2. 细粒土的结构,粒间作用力,形成环境,排列形式,矿物成
7、分,表面力、胶结力 （斥力减小引力增加）,絮凝结构,蜂窝结构,示意图,表面力、胶结力 （粒间引力占优势）,淡水中沉积,海水中沉积,次生矿物,次生矿物,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。,点与点,边、角与面 边、角与边,力学特性有何差异？,3. 土的构造,在同一土层中的物质成份和颗粒大小等都相近的各部分之间的相互关系的特征称为土的构造。,土的不均匀性,土的构造是土层的层理、裂隙及大孔隙等宏观特征，亦称为宏观结构。,3.1 土的组成 3.2 土的物理性质指标 3.3 无粘性土的密实度 3.4 粘性土的物理性质 3.5 土的工程分类,3土的物理性质与工程分类,3.2 土的物
8、理性质指标,土的物理状态 粗粒土的松密程度 粘性土的软硬程度,土的物理性质指标 (松密程度、干湿程度、轻重程度),力学特性,影响,表示,？,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,松密程度 干湿程度 轻重程度,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,三相草图,质量,体积,1.室内测定的三个基本物理性质指标,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: 1.6
9、02.20 g/cm3,定义: 单位体积土的质量,有时也称土的天然密度,表达式:,相关指标:,采用环刀法测定,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，ds或Gs,表达式:,采用比重瓶法测定,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:,采用烘干法测定,表示土中孔隙含量的指标,孔隙比,孔隙率 (孔隙度),2. 其它常
10、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,表示土中含水程度的指标,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,表示土的密度和重度的指标,天然密度,干密度,饱和密度,天然重度,干重度,浮重度,浮密度,有效重度,饱和重度,单位: kg/m3 或
11、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:,各种密度重度之间的大小关系：,天然密度,干密度,饱和密度,天然重度,干重度,浮重度,饱和重度,浮密度,已知关系五个:,共有九个参数: V Vv Vs Va Vw / ms m w ma m,根据已知关系和三个基本指标换算其他指标,物性指标的换算: 可假设任一参数为1,如Vs,对于饱和土, Va=0 则Vv =Vw,换算举例,常用的物理性质指标间的换算关系,假设：w1=w 令：Vs=1 则：Vv=e，V=Vs+Vv=1+e ms=Vsdsw=dsw mw=wms=wdsw m=ms+mw=ds(
12、1+w) w 根据： 则：,举例：孔隙比e的换算,常用的物理性质指标间的换算关系,教科书 P27 表3-4,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,例题,教科书 P28 例题3-1,小结,土的三个组成相的体积和质量上的比例关系,松密程度 干湿程度 轻重程度,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
13、指标 表示土的密度和容重的指标,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,作业,P35 习题： 3-1，3-2，3-3 统一采用作业本 本章全部结束后交作业,3.1 土的组成 3.2 土的物理性质指标 3.3 无粘性土的密实度 3.4 粘性土的物理性质 3.5 土的工程分类,3土的物理性质与工程分类,土的物理状态指标,土的物理状态 粗粒土的松密程度 粘性土的软硬程度,土的物理性质指标 (三相间的比例关系),力学特性,影响,表示,无粘性土 砂类土 碎石土,emax与emin ：最大与最小孔隙比,3.3 无粘性土的密实度,密实度,如何衡量?,单位体积中固
14、体颗粒含量的多少 或 孔隙含量的多少,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,相对密实度,干容重d或孔隙比e或孔隙率n,emin = 0.35,emin = 0.20,emax: 最大孔隙比；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,注意：室内测得理论上的最大与最小孔隙比有时很困难,对策,标准贯入击数 N,粗粒土的密实度的判别,相对密实
15、度： Dr = 1 , 最密状态 Dr = 0 , 最松状态 Dr 1/3 , 松散状态 1/3 2/3 , 密实状态,标准贯入击数： 砂土 N 10 , 松散状态 10 30 , 密实状态,碎石土 N 5 , 松散状态 5 20 , 密实状态,粘性土的物理状态软硬状态,也称稠度状态,稠度状态与含水量有关,粘性土,含水量,较硬,变软,流动,可塑性,界限含水量,粘性土的物理状态软硬状态,粘性土的稠度反映土中水的形态,强结合水膜最大,出现自由水,w,搓条法,锥式液限仪,吸附弱结合水的能力；大致反映粘土颗粒含量、粘性大小,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
16、土矿物结合水的含量不同,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,粘性土的物理状态软硬状态,相对稠度,问题：仅适用于重塑土,即使含水量相同，稠度可能不同,液性指数,对不同的粘土，wp、wl 大小不同,定义：,wp,w,wl,IL1,坚硬状态 可塑状态 流 态,0.00 0.25 0.25 - 0.75 0.75 1.00,硬塑 可塑 软塑,对同一种粘土，含水量可反映其稠度,问题：,粘性土的物理状态软硬状态,反映粘性土结构性的指标,1.粘性土的灵敏度 St,=,原状土,结构性,相同含水量 密度、组成,粉碎 重塑,
17、重塑土,强度降低,St 1 1-2 2-4 4-8 8-16 16,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,反映粘性土结构性的指标,粗粒土的密实状态指标: 相对密度Dr；标贯击数N,小结,粘性土的稠度状态指标: 液性指数IL,引入 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,引入 定义 判别标准,粗粒土与粘性土为何
18、采用不同的物理状态指标？,3.1 土的组成 3.2 土的物理性质指标 3.3 无粘性土的密实度 3.4 粘性土的物理性质 3.5 土的工程分类,3土的物理性质与工程分类,目的：,依据：,建筑地基基础设计规范-GB50007-2002分类法,水利、交通等部门的分类法,3.5 土的工程分类,是将工程性质相近的土归为一类,便于研究、交流及应用,能反映土的物理力学性质,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,岩石 碎石土 砂土 粉土 粘性土 人工填土,3.5 土的工程分类,碎石土,土的名称 颗粒形状 粒组含量,漂石 块石,圆形及亚圆形为主 棱角形为主,粒
19、径大于200mm的颗粒超过全质量50%,卵石 碎石,圆形及亚圆形为主 棱角形为主,圆形及亚圆形为主 棱角形为主,圆砾 角砾,粒径大于20mm的颗粒超过全质量50%,粒径大于2mm的颗粒超过全质量50%,砂土,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%,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,塑性指数Ip10的土,粘性土,10Ip1
20、7的土,Ip17的土,粘土,粉质粘土,A 1.25,非活性粘土 正常粘土 活性粘土,粉土与粘性土,路桥工程的土的分类,公路桥涵地基土的分类 公路桥涵地基与基础设计规范 （JTGD63-2007） 与建筑地基基础设计规范相同 公路路基土的分类 公路土工试验规程（JTJ 051-93） 公路土工试验规程（JTG E40-2007）,第三章小结,3.1 土的组成 3.2 土的物理性质指标 3.3 无粘性土的密实度 3.4 粘性土的物理性质 3.5 土的工程分类,3土的物理性质与工程分类,土的组成,土有三个组成部分：固相、液相和气相,1. 固体颗粒,2. 土中水,3. 土中气体,粒径级配 矿物成分 颗
21、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,土的物理性质指标,土的三个组成相的体积和质量上的比例关系,松密程度 干湿程度 轻重程度,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,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 表示土的密度和容重的指标,粗粒土的密实状态指标: 相对密度Dr,粘性土的稠度状态指标: 液性指数IL,引入 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,引入 定义 判别标准,土的物理状态 粗粒土的松密状态 粘性土的软硬状态,表示,土的工程分类,目的：,依据：,建筑地基基础设计规范-GB50007-2002分类法,便于研究、交流及应用,能反映土的物理力学性质,土的组成 土的状态 土的结构,碎石土 砂土 粉土 粘性土,作业,习题： 3-4，3-5，3-6 下周四交作业,