土的物理性質及分類.ppt

第2章土的物理性質及分類 主要內容 掌握 土的三相比例指標的定義及指標間的換算關系 土的各種物理性質指標的概念及測定方法 熟悉 土的分類原則 不同行業(yè)土的分類方法 了解 三種特殊土的概念 2 1概述 土是巖石分化的產(chǎn)物 是沒有膠結或弱膠結的松散沉積物 是三相組成的分散體 是無粘性或有粘性的具有土骨架空隙特性的三相體或兩相體 是大大小小土粒的混合體 土粒大小是影響土的性質的最主要的因素 土粒大小含量的相對數(shù)量關系是土的分類依據(jù) 大致可分為無粘性土 碎石土和砂類土 粉性土 粘性土 粉性土兼有砂類土和粘性土的性狀 2 1概述 土的三相組成物質的性質和三相比例指標的大小 必然在土的輕重 松密 濕干 軟硬等一系列物理性質有不同的反應 土中水與細粒 粒徑 0 075mm 有著復雜的相互作用 產(chǎn)生細粒土的可塑性 結構性 觸變性 脹縮性 濕陷性 凍脹性等物理特性 2 1主要內容 無機土的三相比例指標 粘性土的物理特征無粘性土的密實度粉土的密實度和濕度區(qū)域分布的三種特殊土的概念土的分類 2 2土的物理性質指標 物理模型假定模型 總質量 m ms mw總體積 V Vs Vv Vs Va Vw符號 s soilv voida airw water 圖2 25土的三相圖 2 2 1土的三相草圖 可用三相草圖來描述土的三相組成定義土的物理性質指標 三相草圖的意義 土的三相物質在體積和質量上的比例關系稱為三相比例指標 三相比例指標反映了土的干燥與潮濕 疏松與緊密 評價土的工程性質的最基本的物理性質指標 工程地質勘察報告中不可缺少的基本內容 2 2 2三個實測物理性質指標 直接測定指標 可在實驗室內直接測定 重度 含水量 土粒比重Gs 土粒密度 s 換算指標 其它指標均為換算指標 孔隙比 飽和度 4個質量比體積 3個體積比體積 2個質量比質量 1 土的密度和重度 2 含水量 烘箱 3 土粒比重 Gs 固體顆粒質量與同體積水 在4 時 質量之比 比重瓶的校準 應按下列步驟進行 1將比重瓶洗凈 烘干 置于干燥器內 冷卻后稱量 準確至0 001g 2將煮沸經(jīng)冷卻的純水注入比重瓶 對長頸比重瓶注水至刻度處 對短頸比重瓶應注滿純水 塞緊瓶塞 多余水自瓶塞毛細管中溢出 將比重瓶放入恒溫水槽直至瓶內水溫穩(wěn)定 取出比重瓶 擦干外壁 稱瓶 水總質量 準確至0 001g 測定恒溫水槽內水溫 準確至0 5 3調節(jié)數(shù)個恒溫水槽內的溫度 溫度差宜為5 測定不同溫度下的瓶 水總質量 每個溫度時均應進行兩次平行測定 兩次測定的差值不得大于0 002g 取兩次測值的平均值 4繪制溫度與瓶 水總質量的關系曲線 比重瓶法試驗 應按下列步驟進行 l將比重瓶烘干 稱烘干試樣15g 當用50mL的比重瓶時 稱烘干試樣l0g 裝入比重瓶 稱試樣和瓶的總質量 準確至0 001g 2向比重瓶內注入半瓶純水 搖動比重瓶 并放在砂浴上煮沸 煮沸時間自懸液沸騰起砂土不應少于30min 粘土 粉土不得少于1h 沸騰后應調節(jié)砂浴溫度 比重瓶內懸液不得溢出 3將煮沸經(jīng)冷卻的純水注入裝有試樣懸液的比重瓶 當用長頸比重瓶時注純水至刻度處 當用短頸比重瓶時應將純水注滿 塞緊瓶塞 多余的水分自瓶塞毛細管中溢出 將比重瓶置于恒溫水槽內至溫度穩(wěn)定 且瓶內上部懸液澄清 取出比重瓶 擦干瓶外壁 稱比熏瓶 水 試樣總質量 準確至0 001g 并應測定瓶內的水溫 準確至0 5 表2 7土粒比重范圍 2 6 3換算的物理性質指標 孔隙比 于是可得兩者關系 孔隙率 飽和度 0 Sr 1飽和土 Sr 1干土 Sr 0 土的飽和重度 sat 土的密度與重度的關系 土的有效重度 浮重度 土的干重度 2 2 3幾種常用指標之間關系式的推導 土的三相比例指標之間可以互相換算 方法1 由三相圖及其定義計算 見教材31頁例2 1 假定V 1 或者假定Vs 1 方法2 由三相圖導出的計算公式 指標間的換算 質量m 體積V 土的三相指標中 土粒比重Gs 含水量 和密度 是通過試驗測定的 可以根據(jù)三個基本指標換算出其余各指標 推導 換算關系式 孔隙比與孔隙率的關系 干密度與濕密度和含水率的關系 孔隙比與比重和干密度的關系 當土飽和時 即為Sr 100 則 飽和含水率 26 飽和度與含水率 比重和孔隙比的關系 浮密度與比重和孔隙比的關系 27 例題 證明 2 3 1粘性土的稠度 界限含水量 Atterberg 瑞典土壤學家 1911 塑性 可塑成任何形狀而不發(fā)生裂縫 并在外力解除以后能保持已有的形狀而不恢復原狀的性質 不裂縫 不恢復 不流動 Plasticity 在陶瓷工業(yè) 農(nóng)業(yè)科學和土木工程中有廣泛應用 土體體積隨含水量的變化 圖2 29含水量與體積的關系 Vs ws wP wL 阿特堡界限 Atterberglimit 自由水 液態(tài) 可塑態(tài) 固態(tài)或半固態(tài) 稠度狀態(tài) 固態(tài)或半固態(tài) 塑態(tài) 流態(tài) 土中水的形態(tài) 強結合水 弱結合水 自由水 w 含水量 稠度界限 塑限 p 強結合水膜最大 液限 l 出現(xiàn)自由水 粘性土的稠度反映土中水的形態(tài) 土的界限含水量 Atterberglimits 縮限 半固體狀態(tài)與固體狀態(tài)間的分界含水量 當含水量小于該值時 體積不發(fā)生變化 Shrinkagelimit wS 塑限 可塑狀態(tài)與半固體狀態(tài)間的分界含水量 Plasticlimit wP 液限 流動狀態(tài)與可塑狀態(tài)間的分界含水量 Liquidlimit wL 界限含水量是土的一種固有的性質 與含水量無關 問題 縮限 塑限 液限是否與土樣的含水量有關 注意 塑限和液限是土力學中常用的 液限的測定 錐式液限儀 中國 碟式液限儀 歐美 詳見ASTM試驗規(guī)程 碟式液限儀平衡錐式液限儀 碟式儀液限試驗是將土碟中的土膏 10mm厚 用劃刀分成兩半 以每秒2次的速率將土碟由10mm高度下落 當擊數(shù)25次時 兩半土膏在碟底的合攏長度剛好達到13mm 此時的含水率為液限 17mm 液限測定演示 17mm 液限測定演示 液限測定演示 塑限的測定 搓條法測定 3mm土條 縮限的測定 收縮皿法測定 討論 液限和塑限也可用光電式液塑限聯(lián)合測定儀測定 試驗的具體程序和步驟詳見 土工試驗方法標準 界限含水量由重塑土測定 而現(xiàn)場原狀土有一定結構性 所以 有時現(xiàn)場土含水量比液限大但地基未流動 1 塑性指數(shù)IP 概念 塑性狀態(tài)時含水量變化范圍 IP Plasticityindex 常省略 變化范圍很大 如大于200 是粘性土區(qū)別于砂土的重要特征 反映了土與水之間物理化學作用的強弱 2 3 2粘性土的物理狀態(tài)指標 物理意義 思考 一個問題 結論 不能 結果 土樣1 可塑態(tài) 土樣2 半固態(tài) 問題 判斷土樣物理狀態(tài) 必須建立含水量與界限含水量的關系 2 液性指數(shù)IL 表2 11粘性土的稠度標準 天然狀態(tài)含水量和界限含水量相對關系的指標 Liquidityindex 在0到1之間 越大 表示土越軟 大于1 處于流動狀態(tài) 小于0 處于固體狀態(tài)或半固體狀態(tài) 關于IL結論 例2 5 某粘性土的天然含水量w 19 3 液限wL 28 3 塑限wP 16 7 求塑性指數(shù)IP和液性指數(shù)IL 確定該土狀態(tài) 查表2 3可知該土的狀態(tài)為硬塑狀態(tài) IL 0 224 解 IP wL wP 28 3 16 7 11 6 3 天然稠度 土的液限與天然含水量之差和塑性指數(shù)之比 Wc W WL 表2 4 2 3 3粘性土的活動度 定義 顆粒的含量百分數(shù) 根據(jù)活性指標的大小 他把粘性土分為 非活性粘土 正常粘土 活性粘土 活性粘土的礦物成分以吸水能力很強的蒙脫石等礦物為主 而非活性粘土中的礦物成分 則以高嶺石等吸水能力較差的礦物為主 2 3 3靈敏度 St 靈敏度反映粘性土結構性的強弱 式中 粘性土的靈敏度 原狀土的無側限抗壓強度 與原狀土密度 含水量相同 結構完全破壞的重塑土的無側限抗壓強度 靈敏度分下列幾類 2 3 3觸變性 當粘性土結構受擾動時 土的強度降低 但靜置一段時間 土的強度又逐漸增長 這種性質稱為土的觸變性 這是由于土粒 離子和水分子體系隨時間而趨于新的平衡狀態(tài)之故 土的觸變性是土結構中聯(lián)結形態(tài)發(fā)生變化引起的 是土結構隨時間變化的宏觀表現(xiàn) 目前尚沒有合理的描述土觸變性的方法和指標 觸變性 土的物理狀態(tài)指標 2 4無粘性土的密實度 用孔隙比e可評價砂土的密實度 優(yōu)缺點 優(yōu)點 應用方便 簡單缺點 不能考慮顆粒大小 級配和形狀的影響所以 應與最大孔隙比與最小孔隙比比較 建立相對密度的概念 最小孔隙比 砂土處于最密實狀態(tài)時的孔隙比 emin用 振擊法 測定 最大孔隙比 砂土處于最疏松狀態(tài)時的孔隙比 emax用 松散器法 測定 相對密實度 最大孔隙比 最小孔隙比的概念 舉例說明建立相對密度概念的意義 結論 土樣1 密實 土樣2 不密實 問題 哪個土樣密實 1用Dr表示砂土密實度 見表2 9 鐵路工程技術規(guī)范 P50 當e emax時 Dr 0 最松狀態(tài) 當e emin時 Dr 1 0 最密狀態(tài) 優(yōu)點 可以把土的級配考慮進去 理論上較為完善缺點 emax和emin難以準確測定 給Dr的確定帶來困難 2 標準貫入試驗方法 方法 63 5kg錘 升到76cm高 自由落下標準貫入器入土深度30cm 所需錘數(shù)為N63 5 顯然 規(guī)范 建筑地基基礎設計規(guī)范 GB50007 2002 表2 6 砂土判斷標準 碎石土區(qū)間劃分為 20 10 5 2 5粉土的密實度與濕度 e0 9為稍密的粉土 w30很濕 2 10 2 11 2 6土的脹縮性 濕陷性 凍脹性 細粒土中含水率的變化不僅引起土稠度發(fā)生變化 土的體積也將同時發(fā)生變化 細粒土由于含水率的增加土體積增大的性能稱為膨脹性 由于含水率的減少體積減少的性能稱為收縮性 這種濕脹干縮的性質 統(tǒng)稱為土的脹縮性 土的脹縮性 粘性土的脹縮性 膨脹性 收縮性 粘性土由于含水量的增加而發(fā)生體積增大的性能稱膨脹性 由于土中水分蒸發(fā)而引起體積減少的性能稱收縮性 將一定體積的擾動烘干土樣經(jīng)充分吸水膨脹穩(wěn)定后 測得的增加的體積與原干土體積之比 式中 Vw 土樣在水中膨脹穩(wěn)定后的體積 mL V0 土樣原始體積 mL 自由膨脹率 ef 自由膨脹率表明土在無結構力影響下的膨脹特性 說明土膨脹的可能趨勢 收縮性 1體縮率 2線縮率 粘性土的收縮性是由于水分蒸發(fā)引起的 其收縮過程可分為兩個階段 第一階段 AB 表示了土體積的縮小與含水率的減小成正比 呈直線關系 土之減小的體積等于水分散失的體積 第二階段 BC 表示了土體積的縮小與含水率的減少呈曲線關系 土體積的減少量小于失水體積 隨著含水率的減少 土體積收縮愈來愈慢 粘性土的崩解性 定義 粘性土由于浸水而發(fā)生崩解散體的特性稱崩解性 評價粘性土的崩解性一般采用下列三個指標 1 崩解時間 一定體積的土樣完全崩解所需的時間 2 崩解特征 土樣在崩解過程的各種現(xiàn)象 即出現(xiàn)的崩解形式 3 崩解速度 土樣在崩解過程中質量的損失與原土樣質量之比 和時間的關系 崩解現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于土水化 使顆粒間連接減弱及部分膠結物溶解而引起的崩解 是表征土的抗水性的指標 土的濕陷性 土的濕陷性 在上覆土層自重應力作用下 或者在自重應力和附加應力共同作用下 因浸水后土的結構破壞而發(fā)生顯著附加變形的土稱為濕陷性土 屬于特殊土 土樣在一定壓力下的濕陷量與其原始高度之百分比 稱為濕陷系數(shù) 濕陷變形量按野外浸水載荷試驗在200kpa壓力下的附加變形量確定 當附加變形量與載荷板寬度之比大于0 015時為濕陷性黃土 土的凍脹性 土的凍脹和凍融給建筑物或土工建筑物帶來危害的變形特性 季節(jié)性凍土 隔年凍土 1 2年 多年凍土 3年以上 土凍脹分類 不凍脹 弱凍脹 凍脹 強凍脹 特強凍脹 具有破壞性 粉土換砂土 平均凍脹率 在平面凍結條件下單層土的平均凍脹率 可以用野外觀測的最大凍脹值 h與當時當?shù)氐膬雒浬疃葄0之比得出 即Kb h z0 根據(jù)凍脹率的大小 地基劃分為不凍脹地基 Kb 1 弱凍脹地基 1 Kb 3 5 凍脹地基 3 5 Kb 6 和強凍脹地基 Kb 6 土的工程分類是勘察 設計的首要內容 2 7土的工程分類 分類存在不同體系 主要有 1 建設部 土的分類標準 GB T50145 2007 2 建設部 建筑地基基礎設計規(guī)范 GB50007 2002 3 水利部 土工試驗規(guī)程 SL237 1999 中的128 84分類法 4 交通部 公路土工試驗規(guī)程 JTJ051 93 分類原則和特點 2 7 2土的分類標準 GB T50145 2007 考慮了土的有機質含量 顆粒組成特征以及土的塑性指標 總的分類體系如圖2 7 先判斷該土屬于有機土還是無機土 若屬于無機土 根據(jù)土內各粒組的相對含量 將土分為 巨粒土和含巨粒土 d 60mm的 15 粗粒土 0 075mm50 細粒土 0 075mm d 60mm 50 巨粒土 粒徑大于60毫米的巨粒組含量多于總質量15 的土 其中巨粒組多于50 的土稱為巨粒土 巨粒組含量15 50 的土稱含巨粒土 粗粒土 粒徑大于0 075毫米的顆粒 粗粒組 質量大于總質量50 的土 包括礫類土和砂類土 250 礫石土 2 d 60mm 50 的砂類土 細粒土 粒徑小于等于0 075毫米的顆粒 細粒組 質量大于或等于總質量50 的土