1、1,第二章 土的物理性质及分类,土木与建筑工程学院,2,3,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,？,4,一. 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,5,1. 三相草图,质量,体积,6,三相草图,已知关系五个:,共有九个参数: V Vv Vs Va Vw / ms m w ma m,剩下三个独立变量,三相草图法,物性指标是比例关
2、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,7,2.室内测定的三个物理性质指标,土的密度、土粒比重、土的含水量,土的密度,土的重度,=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: 1.602.20 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:,三相草图有助于直观理解物性指标的概念,8,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
3、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,表达式:,9,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:,10,表示土中孔隙含量的指标,孔隙比,孔隙率 (孔隙度),. 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%,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
4、之间的关系,11,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,12,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,有效重度,饱和重度,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:,13,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,14,常用的物理性质指标间的换算关系,教科书 P35 表2-2,要点,从物理意义上理解指标间
5、的关系 不鼓励死记硬背 必要时利用三相草图推导,例题1,解：,某土样经试验测得天然密度 =1.7g/cm3，含水量w=20，土粒相对密度ds=2.68，试求孔隙比e、孔隙率n、饱和度Sr、干密度d和饱和密度sat,设土体的体积V=1cm3 则土体的质量m=1.7g mw=0.28g Vw=0.28cm3 ms=m-mw=1.42g Vs=1.42/2.68=0.53cm3 Vv=V-Vs=0.47cm3,16,小结,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、
6、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指标 表示土的密度和重度的指标,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,17,18,二.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,19,emax与emin ：最大与最小孔隙比,1.无黏性土的密实状态,密实度,如何衡量?,单位体积中固体颗粒含量的多少或 孔隙含量
7、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,干重度d或孔隙比e或孔隙率n,emin = 0.35,emin = 0.20,2 土的物理性质及分类,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,21,粗粒土的密实状态指标,判别标准： Dr = 1 ,
8、最密状态Dr = 0 , 最松状态Dr 1/3 , 疏松状态1/3 2/3 , 密实状态,相对密度,22,2.粘性土的软硬状态,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,23,塑限wp,液限wl,稠度界限,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,吸附弱结合水的能力,塑性指数,24,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.
9、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：,25,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,26,1.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,重塑土,强度降低,St 1 12 24 48 816 16,粘性土 不灵敏 低灵敏 中等灵敏 灵敏 很灵敏 流动,27,
10、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,28,无黏性土的密实状态指标: 相对密度Dr,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采用不同的物理状态指标？,反映土的细观特点 与力学特性有更直接的联系 便于量测,29,30,目的：,依据：,建筑地基基础设计规范-GB50007-20
11、02分类法,其它部门，如水利、铁路、公路等分类法,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,2 土的物理性质及分类,31,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,坚硬程度,坚硬岩,软硬岩,较软岩,软岩,极软岩,风化程度,未风化,微风化,弱风化,强风化,全风化,完整程度,完整,较完整,较破碎,破碎,极破碎,颗粒间牢固联结、呈整体或具有节理裂隙岩体称为岩石。,岩石,33,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2
12、00mm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%,碎石土的工程性质与其密实程度紧密相关。,密实碎石土 中密碎石土 稍密碎石土 松散碎石土,粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50的土.分为漂石或块石、卵石或碎石、圆砾或角砾。,34,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
13、于0.075mm的颗粒超过全质量50%,粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50、粒径大于0.075mm的颗粒超过全重50的土。按粒组含量分为砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂。,35,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,密实的粉土为良好地基。饱和稍密的粉土，地震时易产生液化，为不良地基。,36,塑性指数Ip10的土,粘性土,10Ip17,Ip17,粘土,粉质粘土,A 1.25,非活性粘土 正常粘土 活性粘土,粘性土的工程性质与其含水率的大小密切相关。硬塑状态的粘性土为优良地基；流塑状态的粘性土为软弱地基。,由人类活动堆填形成的各类土称为人工填土。,通常人工填
14、土的工程性质不良，强度低，压缩行大且不均匀。,素填土 压实填土 杂填土 冲填土,人工填土,在特定地理环境或人为条件下形成的特殊性质的土,指沿海的滨梅相、三角洲相、溺谷相、内陆平原或山区的河流相、湖泊相、沼泽相等主要由细粒士组成的孔隙比大、天然合水量高、压缩性高和强度低的士层。包括淤泥、淤泥质粘性土、淤泥质粉土等。,软土,土体在一定压力下受水浸湿时产生湿陷变形量达到一定数值的土。,湿陷性土,碳酸盐岩系出露的岩石，经红土化作用形成并覆盖于基岩上的棕红、褐黄等色的高塑性粘土。,红粘土,特殊土,粘粒成分主耍由亲水性粘土矿物所组成的粘性土，具有吸水膨胀、失水收缩的特性。,膨胀土,土的温度等于或低于零摄氏
15、度、含有固态水且这种状态在自然界连续保持三年或三年以上的土。,多年冻土,指易溶盐含量大于0.5，且具有吸湿、松胀等特性的土。,盐渍土,指由于外来的致污物质侵入土体而改变了原生性状的土。,污染土,40,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,41,一. 室内击实试验,二. 细粒土的压实性,三. 粗粒土的压实性,42,一. 室内击实试验,试验设备 击实筒V=1000cm3；击实锤w=
16、25N试验条件 土样分层n=3层；落高d=30cm；击数N=27/层击实能量,试验方法 对=const的土；分三层压实；测定击实后的、，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,43,二. 细粒土的压实性,1.击实曲线,2.理论分析,3.影响因素,4.压实标准,44,1.击实曲线,特点： 具有峰值 位于饱和曲线之下,粘性土渗透系数很小，压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。,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 最优含水量,45,2. 理论分析,压实机理：,颗粒被击碎，土粒
17、定向排列; 粒团破碎，粒间联结力被破坏而发生孔隙体积减小; 空气被挤出或被压缩等,颗粒表面水膜很薄，相对移动困难,水膜润滑作用不明显; 封闭气泡难以排出; 增加水的相对含量, op, d dmax, op , d dmax, op , d dmax,46,3. 影响因素,a. 击实功能,b. 土的级配,c. 击实方式 夯实、辗压、振动；辗压对粘土比较合适,47,4. 压实标准,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。 在op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；但浸水时易产生附加沉降。 在op的湿侧：常具有分散结构。
18、土体可塑性大，适应变形的能力强；但强度较低，具有各向异性。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：,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%,48,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。,三. 粗粒土的压实性,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,49,小结,一. 室内击实试验,二. 细粒土的压实性,三. 粗粒土的压实性,1.击实曲线,2.理论分析,3.影响因素,4.压实标准,1.击实曲线,2.理论分析,3.压实标准,
