1、土的物理性质与工程分类,第一章,对土的特点进行详细解释和定量描述,学习要点: 理清各节间联系各节内层次,1 土的物性与分类,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 土的物性与分类,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,1.1 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 土的物性与分类,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
2、性土,次生矿物,动植物的活动,1 土的物性与分类,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,二. 搬运与沉积,残积土 无搬运,运积土 有搬运,土质较好,1 土的物性与分类,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
3、运,风：风积土,1 土的物性与分类,重力: 坡积土,流水:,洪积土 冲积土 湖泊沼泽沉积土 海相沉积物,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,1.2 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 土的物性与分类,次要作用,一. 固体颗粒,物理状态 力学特性,粒径级配,1 土的物性与分类,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 土的物性与分类,1.2土的
4、三相组成,颗粒大小,各粒径成分在土中占的比例,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 土的物性与分类,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 土的物性与分类,一. 固体颗粒,1.2土的三相组成,一. 固体颗粒,1 土的物性与分类,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
5、(mm),1.2土的三相组成,P % 95 87 78 66 55 36,土的粒径级配累积曲线,水分法,一. 固体颗粒,1 土的物性与分类,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 :中值粒径,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 土的物性与分类,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
6、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
7、土的物性与分类,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 土的物性与分类,一. 固体颗粒,1.2土的三相组成,粘土矿物: 由硅片和铝片构成的晶包所组合而成,1 土的物性与分类,一. 固体颗粒,1.2土的三相组成,硅片的结构,1 土的物性与分类,一. 固体颗粒,1.2土的三相组成,铝片的结构,1 土的物性与分类,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,
8、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 土的物性与分类,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 土的物性与分类,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 土的物性与分类,1.2土的三相组成,二. 土中水（液相）
9、,1 土的物性与分类,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 土的物性与分类,1.2土的三相组成,二. 土中水,1 土的物性与分类,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
10、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 土的物性与分类,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：增加土的弹性；阻塞渗流通道,1 土的物性与分类,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),
11、自由气体 封闭气体,1 土的物性与分类,1.2土的三相组成,1 土的物性与分类,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,1.3 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,1 土的物性与分类,土的物理性质指标 (三相间的比例关系),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,1 土的物性与分类,1.3 土的物理状态,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. 三相
12、草图,1 土的物性与分类,一. 物理性质指标,质量,体积,1.3 土的物理状态,三相草图,1 土的物性与分类,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,1.3 土的物理状态,1 土的物性与分类,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,土的重度或容重,=g,工程上更常用, 用于计算土的自重应力,单位: kg/m3 或 g/
13、cm3,单位: kN/m3,一般范围: 1.602.20 g/cm3,定义: 土单位体积的质量,有时也称土的天然密度,1.3 土的物理状态,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 土的物性与分类,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,1.3 土的物理状态,表达式:,1 土的物性与分类,一. 物理性质指标,土的含水量,定义: 土中水的质量与土粒
14、质量之比, 用百分数表示,注意: 其实是含水比, 可达到或超过100,1.3 土的物理状态,表达式:,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 土的物性与分类,. 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%,1.3 土的物理状态,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,一. 物理性质指标,表示土中含水程度的指标,1 土的物性与分类,含水
15、量,饱和度,1.3 土的物理状态,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=100% : 饱和土,1 土的物性与分类,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,天然重度,干重度,浮重度,浮密度,有效重度,饱和重度,1.3 土的物理状态,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:,各种密度容重之间的大小关系：,1 土的物性与分类,一. 物理性质指标,1.3 土的物理状态,天然密度,干密度,饱和密度,天然重度,干重度,浮重度,
16、饱和重度,1 土的物性与分类,一. 物理性质指标,常用的物理性质指标间的换算关系,1.3 土的物理状态,教科书 P18 表1-5,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,1 土的物性与分类,一. 物理性质指标,小结,1.3 土的物理状态,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
17、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 表示土中密度和重度的指标,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 土的物性与分类,二.土的物理状态指标,1.3 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),力学特性,影响,表示,emax与emin ：最大与最小孔隙比,1. 粗粒土的密实状态,1 土的物性与分类,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,1.3 土的物理状态,孔
18、隙比e或孔隙率n,emin = 0.35,emin = 0.20,1 土的物性与分类,二. 物理状态指标,1.3 土的物理状态,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,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
19、2/3 , 密实状态,1 土的物性与分类,二. 物理状态指标,1.3 土的物理状态,相对密度,标准贯入试验,1 土的物性与分类,二. 物理状态指标,1.3 土的物理状态,工程上常用标准贯锤击数值进行判别。,试验设备：主要由标准贯入器、触探杆和穿心锤三部分组成。 试验要点：(1)与钻探配合进行； (2)以每分钟15-30击的贯入速率，先打15cm不计击数，继续贯入土中30cm，记录锤击数 N值;(3)拔出后，取出贯入器中的土样进行鉴别描述。,按标准贯入锤击数N划分砂土密实度,2. 粘性土的软硬状态,1 土的物性与分类,二. 物理状态指标,也称稠度状态,1.3 土的物理状态,稠度状态与含水量有关,
20、粘性土,含水量,较硬,变软,流动,塑限p,液限l,1 土的物性与分类,二. 物理状态指标,稠度界限,1.3 土的物理状态,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,相对稠度,问题：仅适用于重塑土,1 土的物性与分类,二. 物理状态指标,1.3 土的物理状态,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,吸附结合水的
21、能力；粘性大小；大致反映粘土颗粒含量,1 土的物性与分类,二. 物理状态指标,1.3 土的物理状态,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,粗粒土的密实状态指标: 相对密度Dr,小结,1 土的物性与分类,1.3 土的物理状态,二. 物理状态指标,细粒土的稠度状态指标: 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,1 土的物性与分类,1
22、.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,土颗粒或粒团的 空间排列和相互联结,1 土的物性与分类,1.4 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,一. 土粒间的作用力,重 力毛细力胶结力颗粒表面力,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 土的物性与分类,1.4 土的结构,二.粗粒土的结构,
23、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 土的物性与分类,1.4 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 (絮凝结构),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 土的物性与分类,1.4 土的结构,三. 反映粘性土结构性的指标,1. 粘性土的灵敏度 St,1 土的物性与分类,1.4 土的结构,=,原状土
24、,结构性,相同含水量 密度,粉碎 重塑,重塑土,强度降低,St 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,1 土的物性与分类,1.4 土的结构,小结,1 土的物性与分类,1.4 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 土的物性与分类,1.1 土的形成 1.2土的
25、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,目的：,依据：,建筑地基基础设计规范-GB50007分类法,岩土工程勘察规范-GB50021分类法,1 土的物性与分类,1.5 土的工程分类,是将工程性质相近的土进行分类,便于研究及应用,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分类法,1 土的物性与分类,1.5 土的工程分类,土,岩石 碎石土 砂土 粉土 粘性土 人工填土,三. 建筑规范分类法,1 土的物性与分类,1.5 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,粒径大于200
26、mm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%,三. 建筑规范分类法,1 土的物性与分类,1.5 土的工程分类,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%,三. 建筑规范分类法,1 土的物性与分类,1.5 土的工程分类,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,10Ip17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,公路桥涵地基土的分类,1 土的物性与分类,1.5 土的工程分类,自学: 教科书P29P32,
