2第二章土的物理力学性质1.ppt

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1、第 二 章,土的物理性质及工程分类,防灾工程系 王振宇,土的物理性质及分类,2.1 概述,2.2 土的三相比例指标,2.3 无粘性土的密实度,2.4 粘性土的物理特征,2.7 土的压实原理,2.8土（岩）的工程分类,2.5 粉土的密度和湿度,2.6土的胀缩性、湿陷性和冻胀性,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,2.1概述,土中气体 气相 次要作用,固体颗粒 固相 构成土体骨架起决定作用，大小和形状、矿物成分及其组成是决定土的物理力学性质的重要因素。,土中水 液相 重要影响,气相,固相,液相,+,+,土体,2.1概述,固 体 颗 粒,1.土粒的矿

2、物成分 原生矿物:母岩经物理风化而成,如石英、云母、长石； 次生矿物：母岩经化学风化而成，如粘土矿物、铝铁氧化物、氢氧化物等。常见的粘土矿物有蒙脱石、伊里石、高岭石；由于粘土矿物颗粒很细，比表面积很大，所以颗粒表面具有很强的与水作用的能力，因此，土中含粘土矿物愈多，则土的粘性、塑性和胀缩性也愈大。,2.1概述,2.土粒粒度与粒组 在自然界中存在的土,都是由大小不同的土粒组成的，土的粒径由粗到细逐渐变化时,土的性质相应地发生变化。土粒的大小称为粒度，用粒径表示。将大小相近，性质相似的颗粒划归为一组，称为粒组，划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。常用200、20、2、0.075、0.005mm把土粒分

3、为六大粒组:漂石(块石)颗粒、卵石(碎石)颗粒、圆砾（角砾）颗粒、砂粒、粉粒及粘粒。,2.1概述,小于某粒径之土质量百分数P（）,粒径(mm),土的粒径级配累积曲线,2.1概述,土中的水：,2.1概述,土中的水与粘粒有着 复杂的相互作用,产生细粒土的,可塑性、结构性、触变性、胀缩性、湿陷性、冻胀性等。,2.1概述,三相组成物质的性质和三相比例指标的大小。,三相组成物质的性质和三相比例指标的大小，必然在土的轻重、松密、干湿、软硬等一系列物理性质有不同的反映。,在一定程度上决定了土力学性质。,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,

4、表示,2.2 土的三相比例指标,表示土的三相组成比例关系的指标，称为土的三相比例指标,包括土粒比重、含水量，密度、孔隙比、孔隙率和饱和度等。三项成分的体积和质量间的比例关系也决定着土的物理、力学性质。,物理性质是土的最基本的工程特性。,2.2 土的三相比例指标,2.2.1 土的三相简图,质量,体积,其它指标： 三相草图法计算,实验室 直接测定,土粒相对密度ds 土的含水量w 土的密度,2.2 土的三相比例指标,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,=1.0 g/cm3,土粒相对密度在数值上=土粒的密度,1.土粒相对密度,测定：比重瓶法测定。变化幅度很小，通常

5、按经验值选用。,2.2 土的三相比例指标,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,2.土的含水量W,注意: 其实是含水比, 可达到或超过100,测定: 烘干法,2.2 土的三相比例指标,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/cm3,3.土的密度和天然重度,土的密度用环刀法测定:,2.2 土的三相比例指标,土的孔隙比e和孔隙率n是反映土密实程度的重要物理性质指标，e或n越大，土越疏松，反之土越密实。一般e1.0的土是疏松的高压缩性土。,2.2 土的三相比例指标,2.土的

6、饱和度Sr,砂土根据饱和度的指标值分为稍湿、很湿与饱和三种湿度状态。 Sr 0.8饱和。,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：,对干土：Sr=0 对饱和土：Sr=1,2.2 土的三相比例指标,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：土饱和时的密度， 饱和容重：,有效重度(浮容重：),3.干密度 、饱和密度 、有效密度,有效密度:,2.2 土的三相比例指标,天然密度 干密度 饱和密度 有效密度,天然容重 干容重 饱和容重 浮容重,各种密度容重间的大小关系:,2.2 土的三相比例指标,令Vs=1 ，,2.2.3 指标间的换算,质量m,体积V,所以

7、VV=e,V=1+e,2.2 土的三相比例指标,由上式：,2.2 土的三相比例指标,2.2 土的三相比例指标,2.2 土的三相比例指标,2.2 土的三相比例指标,质量m,体积V,三相草图,2.2 土的三相比例指标,2.2 土的三相比例指标,2.2 土的三相比例指标,2.2 土的三相比例指标,2.3 无粘性土的密实度,无粘性土,砂(类)土 碎石(类)土,无粘性土的物理性质主要决定于土的密实程度。,2.3 无粘性土的密实度,根据孔隙比e来评定砂土的密实度虽然简单，但未考虑土颗粒级配的影响。同样孔隙比的砂土,当颗粒不均匀时较密实,当颗粒均匀时较疏松。若考虑级配因素，可采用相对密实度Dr来表示砂土的密

8、实度：,按Dr值可将砂土的密实状态划分如下三类： Dr2/3 密实 2/3 Dr1/3 中密 1/3 Dr 松散,Dr=0 最松散状态 Dr=1 最密实状态,2.3 无粘性土的密实度,虽然相对密实度从理论上能反映颗粒级配、颗粒形状等因素。但由于对砂土很难采取原状土样，故天然孔隙比不宜测准。规范用标准贯入试验的锤击数N来划分砂土的密实度。 标准贯入试验(SPT)是动力触探的一种，它利用一定的锤击动能（锤重63.5kg，落距76cm），将一定规格的对开管式的贯入器打入钻孔孔底的土中，根据打入土中的贯入阻抗，判别土层的工程性质。贯入阻抗用贯入器贯入土中30cm的锤击数N表示，N也称为标贯击数。,2.

9、3 无粘性土的密实度,2.3 无粘性土的密实度,砂 土 的 密 实 度(GB50007-2002),注：表中N为实测平均值。,按实测平均N划分砂土的密实度(JTJ024-85),2.3 无粘性土的密实度,2.碎石土的密实度 碎石土更不宜取得原状土样，也难于将贯入器击入其中。对这类土可在现场进行观察,根据其骨架颗粒含量、排列、可挖性及可钻性鉴别。将碎石土分为密实、中密、稍密和松散四种。 碎石土密实度野外鉴别方法（GB50007-2002）：,2.3 无粘性土的密实度,碎石土密实度野外鉴别方法,2.3 无粘性土的密实度,规范采用重型圆锥动力触探锤击数 来划分碎石土的密实度。,碎石土的密实度GB50

10、021-2001,(贯入深度10cm）,杆长修正系数。,2.3 无粘性土的密实度,重型和超重型动力触探是评价碎石和卵、砾石地层密实度的有效试验工具。,2.3 无粘性土的密实度,圆锥动力触探类型,2.3 无粘性土的密实度,作 业： 课本 2-1、2-2、2-4；,例2 某一施工现场需要填土，基坑的体积为2000 m3，土方来源是从附近土丘开挖，经勘察土的土粒相对密度为2.70,含水量为15%,孔隙比为0.60。要求填土的含水量为17%,干密度为1.76 g/cm3 ,问:(1) 取土场的土重度、干重度和饱和度是多少？(2) 应从取土场开采多少方土?(3) 碾压时应洒多少水?填土的孔隙比是多少?,

11、（）填土场,取土场,（）洒多少水,解（）,2.2 土的三相比例指标,第 二 讲,第 二 章,土的物理性质及工程分类,防灾工程系 王振宇,提问-1,土的密度 土粒比重（土粒相对密度） 土的含水量,实验室测定,孔隙比和孔隙率 土的饱和度 干密度、饱和密度、有效密度,三项草图法计算,提问-2,无粘性土的物理性质主要决定于土的密实程度，那么对于砂土的密实程度一般可用哪些指标或参数来判别？,天然孔隙比e,相对密实度Dr,标贯试验的锤击数N,2.4.1 粘性土的界限含水量 同一种粘性土随其含水量的不同，而分别处于固态、半固态、可塑状态及流动状态。由一种状态转变到另一种状态的分界含水量，叫界限含水量，总称为

12、阿太堡界限。,界限含水量的测定方法： 塑限 ：搓条法； 液限 ：锥式液限仪（如下图）。,2.4粘性土的物理特征,界限含水量的测定方法： 塑限 ：搓条法； 液限 ：锥式液限仪。,塑限试验,锥式液限仪,2.4粘性土的物理特征,上述测定塑限、液限的方法存在的主要缺点是手工操作，受人为影响大，结果不稳定。土工试验方法标准（GB501231999）（以下简称标准）介绍了塑限、液限联合测定方法。,2.4粘性土的物理特征,2.4粘性土的物理特征,2.4粘性土的物理特征,由于Ip能反映土的塑性大小和反映影响粘性土特征的各种重要因素,因此,工程上常用它对粘性土进行分类:,2.4粘性土的物理特征,（2）液性指数I

13、L,流塑状态,2.4粘性土的物理特征,粘性土软硬状态的划分（GB50007-2002）,粘性土软硬状态的划分（JTJ024-85）,2.4粘性土的物理特征,（3）粘性土的稠度,土的天然稠度可用于划分路基的干湿状态（见表2-5）,（公路土工规程）,2.4粘性土的物理特征,2.4.3 粘性土的活动度、灵敏度和触变性,活动度：,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,1、粘性土的活动度：反应粘性土中所含矿物的活动性。,2.4粘性土的物理特征,2、 粘性土的灵敏度和触变性 天然状态的粘性土当受扰动后，其强度降低、压缩性增大。土的结构性对强度的这种影响，可用灵敏度

14、衡量：,根据灵敏度将饱和粘性土分为： 低灵敏,中灵敏,和高灵敏,三类。,饱和粘性土当受扰动后，其强度降低，但当扰动停止后，强度又随时间增大，这种特性称为触变性。,触变性：,2.4粘性土的物理特征,2.5 粉土的密实度和湿度,1、粉土：介于砂土和黏性土之间，粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重的50%，且塑性指数Ip10的土。 2、粉土的密实度和湿度(GB50021-2001),一、土的胀缩性,粘性土,吸水膨胀,失水收缩,自由膨胀率ef：,二、土的湿陷性,湿陷系数s：,s0.015，非湿陷性黄土 s0.015，湿陷性黄土,膨胀土地区建筑技术规范GBJ112-87,湿陷性黄土地区建筑规范GB

15、50025-2004,2.6 土的胀缩性、湿陷性和冻胀性,hp：压缩稳定后高度,hp：加水浸湿压缩高度,2.6 土的胀缩性、湿陷性和冻胀性,3. 冻胀性,机理 -复杂,开始认为是水变成冰的体胀. 自由水冻结温度0oc,结合水冻结温度-0.5-30oc,吸引毛细水,自由水+外层(弱)结合水冻结,形成冰针,冰透镜,结合水膜变薄,离子浓度加大,吸力增加,吸引地下水,冰晶体不断增大,2.6 土的胀缩性、湿陷性和冻胀性,按：建筑地基基础设计规范GB50007-2002 冻土地区建筑地基基础设计规范JGJ118-89,平均冻胀率：,2.6 土的胀缩性、湿陷性和冻胀性,2.7 土的压实原理,压实：指通过夯打

16、、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,研究压实性的目的： 以最小的能量消耗获得最大的压实密度,压实方法：,室内压实试验 现场试验: 夯打、振动、碾压,2.7 土的压实原理,一. 室内击实试验,二. 细粒土的压实性,三. 粗粒土的压实性,2.7 土的压实原理,一. 室内击实试验,在试验室内通过击实试验研究土的压实性。击实试验有轻型和重型两种。,土,2.7 土的压实原理,轻型击实试验适用于粒径小于5mm的土，击实筒容积为947cm3，击锤质量为2.5kg。把制备成一定含水量的土料分三层装入击实筒，每层土料用击锤均匀锤

17、击25下，击锤落高为30.5cm,重型击实试验适用于粒径小于40mm的土，击实筒容积为2104cm3，击锤质量为4.5kg，击锤落高为45.7cm 。分五层击实，每层56击。根据击实后土样的密度和实测含水量计算相应的干密度,注意：仅适用于细粒土；对粗粒土，可用较大尺寸的击实仪,2.7 土的压实原理,1.击实曲线,特点： 具有峰值 位于饱和曲线之下,0 4 8 12 16 20 24 28 含水量w(%),饱和曲线,dmax=1.86,wop=12.1,最大干密度:在击数一定的条件下，当含水率较低时，击实后的干密度随着含水率的增加而增大；而当含水率达到某一值时，干密度达到最大值，此时含水率继续增

18、加反而招致干密度的减小。这个最大值称为最大干密度，与它对应的含水率称为最优含水率,二. 细粒土的压实性,2.7 土的压实原理,击实曲线,2. 理论分析,压实机理：,颗粒被击碎，土粒定向排列; 土粒破碎，粒间联结力被破坏而发生孔隙体积减小; 气被挤出或被压缩等,二. 细粒土的压实性,3. 影响因素,a. 击实功能,二. 细粒土的压实性,b. 土的级配、含水量,c. 击实方式 夯实、辗压、振动；辗压对粘土比较合适,二. 细粒土的压实性,4. 土的压实度,土的压实度定义为现场土质材料压实后的干密度与室内试验标准最大干密度之比，或称为压实系数：,在工程中，填土的压实质量标准常以压实度来控制，要求压实度

19、接近于1，表明对压实质量的要求越高。,不存在最优含水量； 在完全风干和饱和两种状态 下易于击实；,三. 无粘性土的压实性,1.击实曲线,特点,2. 理论分析,对粗粒土，击实过程中可以自由排水，不存在细粒土中出现的现象。 在潮湿状态下，存在着假凝聚力，加大了阻力。,3. 压实标准,常用相对密实度控制 Dr0.70.75 施工过程中要么风干，要么就充分洒水，使土料饱和,2.7 土的压实原理,目的：,依据：,建筑地基基础设计规范GB50007-2002分类法,公路桥涵地基土分类法,是将工程性质相近的土进行分类,便于研究及应用简明,能反映土的物理力学性质 工程特征差异,土的组成 土的状态 土的结构,公

20、路路基土分类法,一、土的分类原则和标准,2.8 土的工程分类,国际-卡萨格兰特开始 国内-土的分类标准,定 量,2.8 土的工程分类,2.8 土的工程分类,二、建筑地基土的分类,岩石； 碎石类土；粒径2mm的颗粒含量超过50%； 砂土；粒径0.075mm的颗粒含量超过50%； 粉土； IP10、粒径0.075mm的颗粒含量不超过50%； 粘性土；IP10，当1017为粘土; 人工填土 六大类。,2.8 土的工程分类,2.8 土的工程分类,岩浆岩,沉积岩,变质岩,2.8 土的工程分类,岩石坚硬程度的定性划分,当缺乏单轴饱和抗压强度时,可在现场通过观察定性划分:,2.8 土的工程分类,(3)岩石按

21、风化程度分:GB 50021-2001。,注：1.波速比为风化岩石与新鲜岩石压缩波速度之比 2.风化系数为风化岩石与新鲜岩石饱和单轴抗压强度之比,2.8 土的工程分类,(4)岩石按完整程度分: GB 50021-2001。,2.8 土的工程分类,2.碎石土分类:碎石土为粒径大于2mm的颗粒含量超过总量50%的土。 （1）按粒组含量及颗粒形状分为六种：漂石、块石、卵石、碎石、圆砾、角砾。 （2）按密实度分：1.按重型圆锥动力触探分为松散、稍密、中密、密实四种。 2.按超重型圆锥动力触探分为松散、稍密、中密、密实、很密五种。,2.8 土的工程分类,2.8 土的工程分类,碎石土的密实度,(锤重63.

22、5kg,落距76cm,贯入深度10cm）,杆长修正系数。,通常碎石土的强度大、压缩性小、渗透性大、为良好的地基。,2.8 土的工程分类,稍密,碎石土的密实度,超重型圆锥动力触探 (锤重120kg,落距100cm, 贯入10cm),杆长修正系数。,2.8 土的工程分类,3.砂土分类:粒径大于2mm的颗粒含量不超过总量的50%，而粒径大于0.075mm的颗粒含量超过总量50%的土。,（1）砂土按粒径大小分类,2.8 土的工程分类,（2）砂土密实度按标准贯入试验分类,注：表中N为实测值。,2.8 土的工程分类,通常砾砂、粗砂、中砂为良好的地基；细砂和粉砂要具体分析，如果处于密实状态，仍为良好地基；如

23、为饱和疏松状态，在地震和其他动力荷载作用下易产生液化，为不良地基。,2.8 土的工程分类,4.粉土: 、粒径大于0.075mm的颗粒不超过总量50%的土。粉土的性质介于砂土和粘性土之间，可分为粘质粉土和砂质粉土。,2.8 土的工程分类,粉土的密实度按e划分为三等：,粉土的湿度按 划分为三等：,密实粉土性质良好，饱和稍密的粉土在地震时易产生液化，为不良地基。,2.8 土的工程分类,2.8 土的工程分类,6.人工填土:由于人类活动堆积而形成的土,其物质成分杂乱,均匀性差。根据成因及堆积成分不同可分为三类： （1）素填土：由碎石土、砂土、粉土、粘性土等组成的填土。 （2）杂填土：含有建筑垃圾、工业废

24、料、生活垃圾等杂物的填土。 （3）冲填土：由水力冲填泥沙形成沉积土。,以上六大类岩土是工程中经常遇到的。,2.8 土的工程分类,7.特殊土:包括以下几种。 (1)淤泥和淤泥质土:在静水或缓慢的流水环境中沉积并经生物化学作用形成、其 的粘性土。当 时为淤泥， 为淤泥质土。 （2）红粘土：碳酸岩系的岩石经过红土化作用形成以高岭石为主，含有大量氧化铁的棕红、褐黄的高塑性粘土。其 一般大于50%，密度低、含水量高、具有明显的收缩性，但力学性质一般良好。当 40%50%时称为次生红粘土。,2.8 土的工程分类,2.8 土的工程分类,碎石土（Crushed Stone） 砂土（Sands） 粘性土（Cla

25、yey Soil）,三、公路桥涵地基土的工程分类,按颗粒级配和塑性指数 公路桥涵地基基础设计规范JTJ024-85,2.8 土的工程分类,1、碎石土,2、砂土,与建筑地基基础设计规范GB50007-2002完全相同,2.8 土的工程分类,3、粘性土,2.8 土的工程分类,按颗粒级配 公路土工试验规程JTJ051-93,巨粒土（Crushed Stone） 粗粒土（Sands） 细粒土（Clayey Soil） 特殊土（Special Soil）,四、公路路基土的工程分类,2.8 土的工程分类,小 结,1.土的定义、组成、性质。 2.颗粒级配判断指标：不均匀系数、曲率系数 3.土的三相比例指标及换算方法：直接测定指标、换算指标。 4.土的物理状态指标：砂土的密实度、粘性土的特性及指标 5.地基土的工程分类：粗粒土（粒径0.075mm)按颗粒形状和粒径大小分类，细粒土(粒径0.075mm)按塑性指数分类。,作 业： 一、课本p61 2-5； 二、熟悉课本2.7 土的分类。,