1、森林工程,土力学,主讲：郭春丽,土木工程教研室,第一章 土的物理性质及工程分类,11土的三相组成12土的结构和构造13土中固体颗粒的特征14土的三相比例指标15土的工程分类16无粘性土的密实度17粘性土的界限含水量及测定,14土的三相比例指标,土的三相，土粒为固相；土中的水为液相；土中的气为气相。表示土的三相组成部分质量、体积之间的比例关系的指标，称为土的三相比例指标。主要指标有：比重、天然密度、含水量（这三个指标需用实验室实测）和由它们三位计算得出的指标干密度、饱和密度、孔隙率、孔隙比和饱和度。土的三相比例指标是其物理性质的反映，但与其力学性质有内在联系，显然固相成分的比例越高，其压缩性越小
2、，抗剪强度越大，承载力越高。土的基本物理性质是指三相的质量与体积之间的相互比例关系。,一、土的三相图土的三相物质在体积和质量上的比例关系称为三相比例指标。三相比例指标反映了土的干燥与潮湿、疏松与紧密，是评价土的工程性质的最基本的物理性质指标，也是工程地质勘察报告中不可缺少的基本内容。可采用土的三相示意图使三相比例关系形象化和阐述方便。 图2-1土的三相示意图,V土的总体积，cm3； m土的总质量，g； Vs土中固体颗粒实体的体积，cm3；ms土的固体颗粒质量，g； Vv土中孔隙体积，cm3； mw土中液体的质量，g；Vw土中液体的体积，cm3； ma土中空气的质量，（ma=0）； Va土中气体
3、的体积，cm3。,在土的三相图中： V=Vs+Vv M=Ms+Mw Ma很小，即Ma=0,二、三相基本试验指标土的密度、土粒密度、土的含水量三个指标可在实验室内直接测定，是实测指标，常称为土的三相基本试验指标。1.土的密度（天然密度）土的密度是指土的总质量与总体积之比，即单位体积土的质量，其单位是g/cm3，常见值为1.62.2g/cm3。工程实际中，常将土的密度换算成土的重度（），重度等于密度乘以重力加速度g，其单位是kN/m3，即 土的密度常用环刀法测定。,环刀法测定土的密度,2.土粒密度（土粒比重）土粒密度是指固体颗粒的质量与其体积之比，即单位体积土粒的质量，其单位为g/cm3。土粒密度
4、也称土粒比重（土粒相对密度）一般用ds表示， 是指土的质量与4时同体积水的质量之比，其值与土粒密度相同，但没有单位，在用作土的三相指标计算时必须乘以水的密度值才能平衡量纲。,表2-1 各种主要类型土的土粒密度,土粒密度大小决定于土粒的矿物成分，与土的孔隙大小和含水多少无关，它的数值一般在2.62.8g/cm3之间（见表2-1）。土粒密度常用比重试验法测定。,3.土的含水量土中所含水分的质量与固体颗粒质量之比，以百分数表示，又称土的含水率。含水量通常以百分数表示，它是描述土的干湿程度的重要指标。天然状态下土层的含水量称天然含水量，其变化范围很大，与土的种类、埋藏条件及其所处的自然地理环境等有关。
5、一般干的粗砂土，其值接近于零，而饱和砂土，可达40%；坚硬的粘性土的含水量约小于30%，而饱和状态的软粘性土（如淤泥），则可达60%或更大。一般说来，同一类土，当其含水量增大时，强度就降低。 含水量常用烘干法测定。,三、其它常用换算指标除了上述三个试验指标之外，还有六个可以计算求得的指标，称为换算指标，包括以下指标。1.表示土中孔隙含量的常用指标土中孔隙大小、形状、分布特征、连通情况与总体积等，称为土的孔隙性。其主要取决于土的颗粒级配与土粒排列的疏密程度。实际上土的孔隙性指标一般反映的是土中孔隙体积的相对含量，主要有孔隙度和孔隙比两个指标。,（1）孔隙度孔隙度又称孔隙率，指土中孔隙总体积与土的
6、总体积之比，用百分数表示。土的孔隙度取决于土的结构状态，砂类土的孔隙度常小于粘性土的孔隙度。土的孔隙度一般为2752%。,（2）孔隙比孔隙比指土中孔隙体积与土中固体颗粒总体积的比值，用小数表示。土的孔隙比说明土的密实程度，按其大小可对砂土或粉土进行密实度分类。如在岩土工勘察规范中，用天然孔隙比来确定粉土的密实度。e0.9为稍密的粉土。,（3）孔隙比与孔隙度的关系,2.表示土中含水程度的指标表示土中水含量的指标除含水量外，还有饱和度。饱和度土孔隙中所含水的体积与土中孔隙体积的比值称为土的饱和度，以百分数表示。饱和度可以说明土孔隙中充水的程度，其数值为0100%，干土Sr=0；饱和土Sr=100%
7、。,3.表示土的密度和容重的指标（1）饱和密度土的孔隙完全被水充满时的密度称为饱和密度，是指土孔隙中全部充满液态水时的单位体积土的质量，即式中：w为水的密度（g/cm3），常近似取1.0g/cm3。（2）干密度干密度指土在干燥状态下的密度，在数值上等于单位体积中土粒的质量，即干密度的单位是g/cm3。土的干密度越大，土越密实，强度就越高，水稳定性也好。干密度常用作填土密实度的施工控制指标。,在工程中饱和密度或干密度乘以重力加速度g，分别变换为饱和重度或干重度，即：另外，处于地下水位以下的土层，如果土层是透水的，此时土受水的浮力作用，土的实际重量将减小，那么这种处于地水位以下的有效重度常特称为土
8、的浮重度，即：饱和重度与浮重度之间有关系，对于同一种土来讲，土的天然重度、干重度、饱和重度、浮重度在数值上有如下关系：,四、指标之间的换算关系上述表示土的三相比例关系的指标一共有9个，即：土粒密度、天然密度、干密度、饱和密度、浮重度、含水量、饱和度、孔隙度、孔隙比。它们主要反映了土的密实程度与干湿状态，而且相互之间都有内在联系。土的三相指标之间可以进行换算，由于三个基本指标可以实测，因此，一般用它们来换算其他指标。换算的一般方法有两种：,第一种方法：,第二种方法：三相比例指标之间可以建立相互换算关系，具体的换算公式可查阅换算表,【例题2-1】某原状土样，经试验测得=1.85g/cm3, w=2
9、5%,s=2.70g/cm3,求d，e，n，Sr。解法1：由三相图，根据各指标的定义式求解绘三相图如上，设得Vs=1.0cm3,1)确定三相组成的体积与质量,2)按定义求其它各指标,解法2：由指标之间的变换关系式直接求解,15土的工程分类,一、工程分类的一般原则和类型基本原则是所划分的土类能反映土性质的变化规律。土的工程分类总起来可以归纳为三级分类第一级分类是成因类型分类，主要按土的成因和形成年代作为分类标准，如岩土工程勘察规范将土按堆积年代划分为三类：1. 老堆积土，第四纪更新世Q3及其以前堆积的土层；2.一般堆积土，第四纪全新世（文化期以前Q4）堆积的土层；3.新近堆积土，文化期以来Q4新
10、近堆积的土层。,第二级分类是土质类型分类，主要考虑土的物质组成（颗粒级配和矿物成分）及其与水相互作用的特点（塑性指标），按土的形成条件和内部连结，将土划分为一般土和特殊土。第三级分类是工程建筑类型分类。主要考虑与水作用的特点（饱和状态、稠度状态、胀缩性、湿陷性等）、土的密实度或压缩固结特点将土进行详细的划分。土的第二级分类即土质分类考虑了决定土的工程地质性质的最本质因素，即土的颗粒级配与塑性特性，是土分类的最基本形式。,二、岩土工程勘察规范分类法在实际工程应用中规定，土中粒径d0.075mm（有的规范用0.1mm）的土粒质量大于全部土粒质量的50%时称为粗粒土， 小于50%时称为细粒土。粗粒土
11、包括碎石类土和砂类土，按粒径级配进一步细分。细粒土包括粉土和粘性土，多用塑性指数Ip或液限wL加塑性指数Ip进行细分。,1.碎石类土碎石类土是粒径大于2mm的颗粒含量超过50%的土。表2-7 碎石类土分类表,2.砂类土砂类土是粒径大于2mm的颗粒含量不超过50%，粒径大于0.075mm的颗粒含量超过50%的土。表2-8 砂类土分类表,3.粉土粉土是粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过50%，塑性指数Ip小于或等于10的土。表2-9 粉土分类表4.粘性土粘性土是粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过50%，塑性指数Ip大于10的土。表2-10 粘性土分类表,16无粘性土的密实度,无粘性土的密实
12、度指的是碎石土和砂土的疏密程度。密实的无粘性土由于压缩性小，抗剪强度高，承载力大，可作为建筑物的良好地基。但如处于疏松状态，尤其是细砂和粉砂，其承载力就有可能很低，因为疏松的单粒结构是不稳定的，在外力作用下很容易产生变形，且强度也低，很难作天然地基。如它位于地下水位以下，在动荷载作用下还有可能由于超静水压力的产生而发生液化。,例如：我国海城1975年2月4日的7.3级地震，震中区以西25-60km的下辽河平原，发生强烈砂土液化，大面积喷砂冒水，许多道路、桥梁、工业设施、民用建筑遭受破坏。1976年7月28日唐山的7.8级地震，也引起大区域的砂土液化。因此，凡工程中遇到无粘性土时，首先要注意的就
13、是它的密实度。 密实度的评价方法有三种： 室内测试孔隙比确定相对密实度的方法利用标准贯入试验等原位测试方法野外观测方法,一、相对密实度无粘性土的密实程度用相对密度Dr来表示， 式中：emax为最大孔隙比，即最疏松状态下的孔隙比；emin为最小孔隙比，即紧密状态下的孔隙比；e为天然孔隙比，即通常所指天然状态下的孔隙比。砂土的天然孔隙比界于最大和最小孔隙比之间，故相对密度Dr=01当e=emax时，Dr=0，砂土处于最疏松状态；当e=emin时，则Dr=1，砂土处于最紧密状态。,工程实际中，常用相对密度判别砂土的震动液化，或评价砂土的密实程度。按相对密度值可将砂土分为三种密实状态，,二、原位测试法
14、评价砂的密实度实际上，由于砂土原状样不易取得，测定天然孔隙比较为困难，加上实验室测定砂土的与精度有限，因此计算的相对密度值误差较大，在实际工程中，常用标准贯入测试来判定砂土的密实状态。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63.50.5kg，落距762cm），将一定规格的对开管式的贯入器(对开管外径511mm、内径351mm，长度457mm；下端接长度761mm、刃角1820、刃口端部厚1.6mm的管靴；上端接一内外径与对开管相同的钻杆接头，长152mm)打入钻孔孔底的士中，根据打入土中的贯阻抗，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
15、也称为标贯击数。,N50 极密实 50N30 密实 30N15 中密 15N10 稍密 10N5 稍松散N17为粘土，17IP10为粉质粘土，IP10为粉土或砂类土。,2、液性指数：粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比。用IL表示。即：当土的天然含水量w wp时，IL1，天然土处于流动状态；当wp w wL时，即0IL1之间，则天然土处于可塑状态；当w= wL时，IL=1 ，天然土处于液限；当w= wp时，IL=0 ，天然土处于塑限。因此，可以利用液性指数IL来表示粘性土所处的软硬状态。IL值愈大，土质愈软；反之，土质愈硬,四、粘性土的灵敏度灵敏度表示土的结构对强度的影响。一般是以原状
16、粘性土的强度与同一土经重塑（指在含水量不变条件下使土的结构彻底破坏）后的强度之比来表示的。重塑试样具有与原状试样同样的尺寸、密度和含水量。对于饱和粘性土的灵敏度St可按下式计算： 原状试样的无侧限抗压强度（KPa）； 重塑试样的无侧限抗压强度（KPa）。,根据灵敏度可将饱和粘性土分为：低灵敏 14土的灵敏度愈高，结构性愈强，受扰动后土的强度降低就多，所以在基坑施工时应注意保护基槽，尽量减少土结构的扰动。,小结,1、土的三相图 2、土的三相指标的意义及计算3、三相指标中可用实验室实测 的有：土粒比重（相对密度） 、天然密度、含水量4、土粒比重可在试验室内用比重瓶测定；土的含水量一般用“烘干法”和“酒精燃烧法”测定；天然密度一般用“环刀法”测定， 5、分析土粒大小的方法 ：筛分析法（d0.1mm） 静沉降分析法（d0.1mm） 6、无粘性土密实度的评价方法有三种：室内测试孔隙比确定相对密实度的方法；利用标准贯入试验等原位测试方法；野外观测方法 7、界限含水量 、塑性界限（塑限） 、液性界限（液限） 、塑性指数 、液性指数,
