1、土质学与土力学 安徽理工大学资源与环境工程系,第二章土的物理性质、水理性质和力学性质,第一节 土的物理性质 第二节 土的水理性质 第三节 土的力学性质,第一节 土的物理性质,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。,质 量,体 积,第一节 土的物理性质,土的物理性质指标，可分为两类： 一类是必须通过试验测定的，如含水量， 密度和土粒比重；另一类是可以根据试 验测定的指标换算的；如孔隙比，孔隙 率和饱和度等。,第一节 土的物理性质,土粒密度,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
2、,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,第一节 土的物理性质,土的密度,定义：土的密度是指土的总质量m与总体 积V之比，也即为土的单位体积的质量。,表达式：,单位：g/cm3,土的密度取决于土粒的密度，孔隙体积的大小和孔隙中水的质量多少， 它综合反映了土的物质组成和结构特征。室内一般采用“环刀法”测定 。,砂土一般是.4 g/cm
3、3；粉质砂土及粉质粘土.4 g/cm3； 粘土为.4 g/cm3,第一节 土的物理性质,干密度,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,干密度反映了土的孔隙生，因而可用以计算土的孔隙率， 它往往通过土的密度及含水率计算得来，但也可以实测。,土的干密度一般常在1.41.7 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。,第一节 土的物理性质,饱和密度,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,
4、表达式:,单位: g/cm3,土的饱和密度的常见值为1.82.30 g/cm3,第一节 土的物理性质,浮密度,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.,表达式:,=(ms-vsw)/V,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：,第一节 土的物理性质,土的含水性,含水率（含水量）,饱和度,定义:土的含水性指土中含水情况，说明土的干湿程度,第一节 土的物理性质,含水率,定义:土的含水量定义为土中水的质量与 土粒质量之比，以百分数表示,表达式:,或,土的孔隙全部被普通液态水充满 时的含水率称饱和含水率,天然状态下土的含水率称土的天然含
5、水率。一般砂土天然含水率都不超过 40%，以1030%最为常见；一般粘 土大多在1080%之间，常见值20 50%。,第一节 土的物理性质,饱和度,定义:土中孔隙水的体积与孔隙体积 之比，以百分数表示,表达式:,或,饱和度愈大，表明土中孔隙中充水愈 多，它在0100%；干燥时Sr=0。孔 隙全部为水充填时，Sr=100%。,工程上Sr作为砂土湿度划分的标准。 Sr 80% 饱和的,第一节 土的物理性质,孔隙性,孔隙率,砂土的相对密度,定义:孔隙性指土中孔隙的大小，数量、形状、性质以及连通情况。,第一节 土的物理性质,孔隙率 与孔隙比,定义:孔隙率是土的孔隙体积与土体积之比， 或单位体积土中孔隙
6、的体积，以百分数表示,表达式:,定义:孔隙比是土中孔隙体积与土粒体 积之比，以小数表示,表达式:,两者关系:,孔隙比e是个重要的物理性指 标，可以用来评价天然土层的 密实程度。一般e1.0的 土是疏松的无压缩性土。,第一节 土的物理性质,砂土的相对密度,定义式:,计算式:,Dr在工程上常应用于： （1）评价砂土地基的允许承载力； （2）评价地震区砂体液化； （3）评价砂土的强度稳定性。,砂土按相对密度分类： 疏松的 中密的 密实的,第一节 土的物理性质,基本物理性质指标间的相互关系,孔隙率与孔隙比:,孔隙比与比重和干密度 :,饱和度与含水量，比重和孔隙比:,干密度与湿密度和含水量 :,第二节
7、土的水理性质,粘性土的稠度和塑性,稠度定义:指土体在各种不同的 湿度条件下，受外力作用后所具 有的活动程度。,塑性 :物体在外力作用下，可被 塑成任何形态，而整体性不破坏； 即不产生裂隙,固态或半固态,塑限P,可塑状态,液限L,流动状态,0,Vs,ws,wP,wL,阿特堡界限 (Atterberg limit),自由水,液 态,可塑态,固态或半固态,稠度状态,固态或半固态,塑态,流态,土中水的形态,强结合水,弱结合水,自由水,w,含水量,稠度界限,塑限p,强结合水膜最大,液限l,出现自由水,粘性土的稠度反映土中水的形态,液限和塑限的测定方法：,液限（Liquid Limit）：锥式（瓦氏）液限
8、仪或碟式（卡式）液限仪,塑限（Plastic Limit）：搓条法或液塑限联合测定仪,塑性指数,反映粘性土可塑性的大小。,综合反映粘性土的特性以及各类重要因素的影响，因此可用于土的分类及其性质的评估。,液性指数,反映粘性土软硬程度（稠度，潮湿程度）。,固态或半固态,可塑态,液 态,重塑土和原状土,第二节 土的水理性质,粘性土的活性指数,定义:,颗粒的含量,根据活性指标的大小，他把粘性土分为： 非活性粘土： 正常粘土： 活性粘土：,活性粘土的矿物成分以吸水 能力很强的蒙脱石等矿物为 主，而非活性粘土中的矿物 成分，则以高岭石等吸水能 力较差的矿物为主。,灵敏度,=,原状土,结构性,粉碎 重塑,相
9、同含水量 密度,重塑土,强度降低,灵敏度高的土，其结构性愈高，受扰动后土的 强度降低就愈多，施工时应特别注意保护基槽， 使结构不扰动，避免降低地基强度。,第二节 土的水理性质,触变性,当粘性土结构受扰动时，土的强度降低。 但静置一段时间，土的强度又逐渐增长， 这种性质称为土的触变性。这是由于土粒、 离子和水分子体系随时间而趋于新的平衡 状态之故。,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。,触变性,第二节 土的水理性质,粘性土的胀缩性,膨胀性,收缩性,粘性土由于含水量的增加 而发生体积增大的性能称 膨胀性,由于
10、土中水分蒸发而引起 体积减少的性能称收缩性,胀缩性,1膨胀率ep,常用线膨胀率：,2膨胀力,3膨胀含水率:,4自由膨胀率:,一般认为引起土体膨胀的原因主要有 以下几方面：粘粒的水化作用、粘性 表面双电层的形成、扩散层增厚等因 素。其膨胀大致分两个阶段：第一阶段： 干粘粒表面吸附单层水分子； “晶层间膨胀”或“粒间膨胀”第二阶段：由于双电层的形成，使粘粒或晶层进一步推开。“渗透膨胀”,收缩性,1体缩率,2线缩率,4收缩系数:作图求解,3缩限:作图求解,粘性土的收缩性是由于水分蒸发引 起的。其收缩过程可分为两个阶段： 第一阶段（AB）表示了土体积的缩 小与含水率的减小成正比，呈直线 关系；土之减小
11、的体积等于水分散 失的体积；第二阶段（BC）表示了 土体积的缩小与含水率的减少呈曲 线关系。土体积的减少量小于失水 体积，随着含水率的减少，土体积 收缩愈来愈慢。,粘性土的崩解性,定义：粘性土由于浸水而发生崩解 散体的特性称崩解性,评价粘性土的崩解性一般采用下列三个指标： 1、崩解时间：一定体积的土样完全崩解所需的时间； 2、崩解特征：土样在崩解过程的各种现象，即出现的 崩解形式； 3、崩解速度：土样在崩解过程中质量的损失与原土样 质量之比，和时间的关系。,崩解现象的产生是由于土水 化，使颗粒间连接减弱及部 分胶结物溶解而引起的崩解。 是表征土的抗水性的指标。,土的透水性和毛细性 自学,第三节
12、 土的力学性质,力学性质,土的压缩性,土的抗剪性,土的击实性,压缩变形的本质,压缩性指标,抗剪性本质,抗剪强度与剪切定律,击实特性,压实本质,土的压缩性,1压缩本质：,土的压缩主要是由于孔隙中的水分 和气体被挤出，土粒相互移动靠拢， 致使土的孔隙体积减小而引起的。,2压缩试验与压缩系数,e,压缩系数,压缩曲线,在工程实际中，规范常以p1=0.1Mpa， p2=0.2Mpa的压缩系数即a1-2作为判断 土的压缩性高低的标准。 低压缩性土：a1-20.1Mpa-1 中压缩性土：0.1a1-20.5 Mpa-1 高压缩性土：a1-20.5 Mpa-1,3压缩指数(Cc),Cc=(e1-e2)/(lg
13、p2lgp1),Cc越大，土的压缩性越高。 当Cc0.2时，属于低压缩性土； 当Cc0.4时属于高压缩性土。,压缩系数和压缩指数关系：,Cc,4压缩模量（Es）,表达式：,Es z/ qz,单位：Mpa,Es是指在侧限条件下受压时 压应力z与相应应变qz之 比值；Es越大，表明在同一 压力范围内土的压缩变形越 小，土的压缩性越低。,5载荷试验和变形模量,地基变形的三个阶段： （1）压密变形阶段：弹性变形 （2）剪切变形阶段：塑性变形 （3）完全破坏阶段：破坏变形,临界荷载,极限荷载,变形模量,E0z/z,E0：是指在无侧限条件下受压时，压应力与相应应变 之比值；一般是用载荷试验成果绘制的s-p
14、关系曲线， 以曲线中的直线变形段，按弹性理论公式求得，即E0（12）P/Sd,土的变形模量与压缩模量的关系,6前期固结压力和固结比,前期固结压力是指土层在过去历史上曾 经受过的最大固结压力，通常用Pc来表 示。前期固结压力也是反映土体压密程 度及判别其固结状态的一个指标。,固结比（OCR）：前期 固结应力与上覆土层自 重应力之比值。 当OCR大于1 超固结土 当OCR等于1 正常固结土 当OCR小于1 欠固结土,“土的压缩过程”和“影响土的压缩性的主要因素 ” 自学,土的抗剪性,土的抗剪性本质：,土是由固体颗粒组成的，土粒间的连 结强度远远小于土粒本身的强度，故 在外力作用下，土粒之间发生相对
15、错 动，引起土中的一部分相对于另一部 分产生移动。研究土的强度特征，就 是研究土的抗剪强度特性，简称抗剪性。,土的抗剪强度f：是指土体抵 抗剪切破坏的极限能力，其数 值等于剪切破坏时滑动面上的 剪应力。,剪切面（剪切带）：土体剪切破坏 是沿某一面发生与剪切方向一致的 相对位移，这个面通常称为剪切面。,抗剪强度和剪切定律,剪切定律：,无粘性土： 粘性土：,+ C,库仑定律说明：土的抗剪强度由土的内摩擦力 和内聚力c两部分组成。内摩擦力与剪切面上的法向 压力成正比，其比值为土的内摩擦系数 。,土的抗剪强度指标：土 的内摩擦角和内聚力。,直接剪切与三轴剪切,抗 剪 强 度 指 标 的 确 定,总应力
16、法,有效应力法,排水剪（慢剪）,不排水剪（快剪）,固结不排水剪（固结快剪）,“土的流变特性与动力特性”和 “土的击实性（压实性） ” 自学,土的击实性（压实性）,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，揭示击实作用下土的干密度、含水率和击实功三 者之间的关系和基本规律。,击实方法：室内击实试验 现场试验: 夯打、振动、 碾压,土,粘性土的击实性,饱和曲线,dmax=1.86,wop=12.1,0 4 8 12 16 20 24 28 含
17、水量w(%),击实性曲线：,特点： 具有峰值 位于饱和曲线之下,最大干密度 最优含水量,实践证明，土被击实到最佳情况时， 饱和度一般在80%左右。,饱和线,影响因素,1. 击实功能,2. 土的级配,3. 击实方式 夯实、辗压、振动；辗压对粘土比较合适,压实标准,a. 粘性土存在最优含水量op，在填土施工中应该将土料的含水量控制在op左右，以期得到dmax，通常取,b. 工程上常采用压实度Dc控制（作为填方密度控制标准）,、级土石坝 Dc9598% 级土石坝 Dc9295%,无粘性土的压实性,击实曲线,特点,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； 潮湿状态下d明显降低。,压实标准,常用相对密度控制 Dr0.70.75施工过程中要么风 干，要么就充分洒水， 使土料饱和,
