土的物理性質(zhì)及工程分類土的滲透性.ppt

1、土的形成,巖石,風(fēng)化（物理、化學(xué)）作用,巖石破碎 化學(xué)成分改變,搬運(yùn)沉積,大小、形狀和成分都不相同的松散顆粒集合體（土,土的形成,搬運(yùn)與沉積,殘積土 無搬運(yùn),運(yùn)積土 有搬運(yùn),土質(zhì)較好,殘積土 強(qiáng)風(fēng)化 弱風(fēng)化 微風(fēng)化 母巖體,顆粒表面粗糙 多棱角 粗細(xì)不均 無層理,土的形成,Residual Soil,運(yùn)積土 有搬運(yùn),風(fēng)：風(fēng)積土,重力: 坡積土,流水,洪積土 沖積土 湖積土 海積土,冰川: 冰積土,土粒粗細(xì)不同，性質(zhì)不均勻,有分選性，近粗遠(yuǎn)細(xì),渾圓度分選性明顯，土層交迭,含有機(jī)物淤泥，土性差,顆粒細(xì)，表層松軟，土性差,土粒粗細(xì)變化較大，性質(zhì)不均勻,顆粒均勻，層厚而不具層理,土的形成,生物風(fēng)化,物

2、理風(fēng)化,化學(xué)風(fēng)化,量變,無粘性土,原生礦物,質(zhì)變,粘性土,次生礦物,草、木等活動(dòng)；動(dòng)物殘軀、細(xì)菌等,風(fēng)化作用,有 機(jī) 質(zhì),巖石和土的粗顆粒受各種氣候因素的影響產(chǎn)生脹縮而發(fā)生裂縫,或在運(yùn)動(dòng)過程中因碰撞和摩擦而破碎,母巖表面和碎散的顆粒受環(huán)境因素的作用而改變其礦物的化學(xué)成分，形成新的礦物,土的形成,碎散性,三相體系,自然變異性,土的三相組成,土,固相,液相,氣相,土中顆粒的大小、成分及三相之間的相互作用和比例關(guān)系，反映出土的不同性質(zhì),一、土的固相,土粒的大小、相關(guān)礦物成分以及大小搭配情況對(duì)土的物理力學(xué)性質(zhì)有明顯影響,1.土的顆粒級(jí)配,工程上將各種不同的土粒按其粒徑范圍，劃分為若干粒組，為了表示土粒

3、的大小及組成情況，通常以土中各個(gè)粒組的相對(duì)含量（即各粒組占土?？偭康陌俜?jǐn)?shù)）來表示，稱為土的顆粒級(jí)配,試驗(yàn)方法,篩分法：適用于0.075mmd60mm,比重計(jì)法:適用于d0.075mm,篩分法,用一套孔徑不同的篩子，按從上至下篩孔逐漸減小放置。將事先稱過質(zhì)量的烘干土樣過篩，稱出留在各篩上的土質(zhì)量，然后計(jì)算其占總土粒質(zhì)量的百分?jǐn)?shù),比重計(jì)法,利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同來確定小于某粒徑的土粒含量,顆粒粒徑級(jí)配曲線,縱坐標(biāo)表示小于某粒徑的土粒含量百分比,橫坐標(biāo)表示土粒的粒徑(對(duì)數(shù)坐標(biāo),顆粒級(jí)配的描述,工程上常用不均勻系數(shù)Cu描述顆粒級(jí)配的不均勻程度,d10、d30、d60小于某粒徑的土粒含

4、量為10%、 30%和60%時(shí)所對(duì)應(yīng)的粒徑,Cu愈大，表示土粒愈不均勻。級(jí)配連續(xù)的土，工程上把Cu5的土視為級(jí)配良好；反之，級(jí)配不良,曲率系數(shù)Cc描述顆粒級(jí)配曲線整體形態(tài)，表明某粒組是否缺失情況,對(duì)于級(jí)配不連續(xù)的土，需滿足Cu5和Cc=13時(shí)，為級(jí)配良好；反之，為級(jí)配不良,土的顆粒級(jí)配在工程上的應(yīng)用,顆粒級(jí)配可以在一定程度上反映土的某些性質(zhì)。 對(duì)于級(jí)配良好的土，較粗顆粒間的孔隙被較細(xì)的顆 粒所填充，因而土的密實(shí)度較好，相應(yīng)的地基土的 強(qiáng)度和穩(wěn)定性也較好，透水性和壓縮性也較小，可 用作堤壩或其它土建工程的填方土料,2.土粒的礦物成分,礦物成分取決于母巖的礦物成分和風(fēng)化作用,原生礦物：由巖石經(jīng)過物

5、理風(fēng)化形成，其礦物成分與母巖相同,次生礦物：巖石經(jīng)化學(xué)風(fēng)化后所形成的新的礦物，其成分與母巖不相同,例：石英、云母、長(zhǎng)石等,特征：礦物成分的性質(zhì)較穩(wěn)定，由其組成的土具有無粘性、透水性較大、壓縮性較低的特點(diǎn),例：粘土礦物有蒙脫石、伊利石、高嶺石等,特征：性質(zhì)較不穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的親水性，遇水易膨脹的特點(diǎn)（蒙脫石親水性強(qiáng)、伊利石親水性中等、高嶺石親水性差,二、土中的水,土中水的含量明顯地影響土的性質(zhì)(尤其是粘性土)。土中液態(tài)水可分為結(jié)合水和自由水,1.結(jié)合水,強(qiáng)結(jié)合水：緊靠于顆粒表面、所受電場(chǎng)的作用力很大、幾乎完全固定排列、喪失液體的特性而接近于固體,弱結(jié)合水：緊靠強(qiáng)結(jié)合水的外圍形成的結(jié)合水膜，所受的

6、電場(chǎng)作用力隨著與顆粒距離增大而減弱,2.自由水,存在于土粒電場(chǎng)影響范圍以外，性質(zhì)和普通水無異，能傳遞水壓力，冰點(diǎn)為0，有溶解能力,以兩種形式存在：毛細(xì)水、重力水,土中的自由水,自由水,重力水,毛細(xì)水,在重力作用下可在土中自由流動(dòng)的水 作用 ：減輕土的有效重量 重力作用下產(chǎn)生滲流,介于固液氣之間 在重力與表面張力作用下可在土 粒間空隙中移動(dòng)的自由水,三、土中氣體,土中氣體存在于土孔隙中未被水占據(jù)的部分，分為與大氣連通的非封閉氣體和與大氣不連通的封閉氣體,1.非封閉氣體：受外荷作用時(shí)被擠出土體外，對(duì)土的性質(zhì)影響不大,2.封閉氣體：受外荷作用，不能逸出，被壓縮或溶解于水中，壓力減小時(shí)能有所復(fù)原，對(duì)土

7、的性質(zhì)有較大的影響，使土的滲透性減小，彈性增大和延長(zhǎng)土體受力后變形達(dá)到穩(wěn)定的歷時(shí),四、土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造,在成土過程中所形成的土粒的空間排列及其聯(lián)結(jié)形式，與組成土的顆粒大小、顆粒形狀、礦物成分和沉積條件有關(guān),1.單粒結(jié)構(gòu)：粗礦物顆粒在水或空氣中在自重作用下沉落形成的單粒結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是土粒間存在點(diǎn)與點(diǎn)的接觸。根據(jù)形成條件不同，可分為疏松狀態(tài)和密實(shí)狀態(tài),2.蜂窩結(jié)構(gòu)：顆粒間點(diǎn)與點(diǎn)接觸，由于彼此之間引力大于重力，接觸后，不再繼續(xù)下沉，形成鏈環(huán)單位,很多鏈環(huán)聯(lián)結(jié)起來，形成孔隙較大的蜂窩狀結(jié)構(gòu) （多為粉粒,3.絮狀結(jié)構(gòu)：細(xì)微粘粒大都呈針狀或片狀，質(zhì)量極輕，在水中處于懸浮狀態(tài)。當(dāng)懸液介質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，土粒表面的

8、弱結(jié)合水厚度減薄，粘粒互相接近，凝聚成絮狀物下沉，形成孔隙較大的絮狀結(jié)構(gòu),土的構(gòu)造是指土體中各結(jié)構(gòu)單元之間的關(guān)系。主要特征是土的成層性和裂隙性,即層理構(gòu)造和裂隙構(gòu)造，二者都造成了土的不均勻性,1.層理構(gòu)造：土粒在沉積過程中,由于不同階段沉積的物質(zhì)成分、顆粒大小或顏色不同,而沿豎向呈現(xiàn)出成層特征,2.裂隙構(gòu)造：土體被許多不連續(xù)的小裂隙所分割,在裂隙中常充填有各種鹽類的沉淀物,土的物理性質(zhì)指標(biāo),一、土的三相圖,質(zhì)量m,體積V,二、直接測(cè)定指標(biāo),1.土的密度：?jiǎn)挝惑w積土的質(zhì)量,工程中常用重度來表示單位體積土的重力,重力加速度，近似取10N/Kg,2.土粒相對(duì)密度Gs（土粒比重）：土粒質(zhì)量與同體積的4

9、時(shí)純水的質(zhì)量之比,土粒相對(duì)密度變化范圍不大：細(xì)粒土（粘性土）一般2.702.75；砂土一般為2.65左右。土中有機(jī)質(zhì)含量增加，土粒相對(duì)密度減小,3.土的含水量：土中水的質(zhì)量與土粒質(zhì)量之比，以百分?jǐn)?shù)表示,土的含水量是標(biāo)志土含水程度的一個(gè)重要物理指標(biāo)。天然土層含水量變化范圍較大，與土的種類、埋藏條件及其所處的自然地理環(huán)境等有關(guān),測(cè)定方法：通常用烘干法，亦可近似用酒精燃燒法,三、換算指標(biāo),1.孔隙比e和孔隙率n,孔隙比e ：土中孔隙體積與土粒體積之比,2.土的飽和度Sr ：土中孔隙水的體積與孔隙總體積之比，以百分?jǐn)?shù)表示,飽和度描述土中孔隙被水充滿的程度。干土Sr=0,飽和土Sr=100%。砂土根據(jù)飽

10、和度分為三種狀態(tài),孔隙率n ：土中孔隙體積與總體積之比，以百分?jǐn)?shù)表示,Sr50%稍濕； 50Sr80%很濕； Sr80%飽和,3.不同狀態(tài)下土的密度和重度,飽和密度sat ：土體中孔隙完全被水充滿時(shí)的土的密度,干密度d ：?jiǎn)挝惑w積中固體顆粒部分的質(zhì)量,浮密度 ：土單位體積內(nèi)土粒質(zhì)量與同體積水的質(zhì)量之差,土的三相比例指標(biāo)中的質(zhì)量密度指標(biāo)共有4個(gè)，土的密度，飽和密度sat，干密度d，浮密度 (kg/m3),相應(yīng)的重度指標(biāo)也有4個(gè)，土的重度，飽和重度sat，干重度d，浮重度 (kN/m3,四、指標(biāo)間的換算,質(zhì)量m,體積V,土的三相指標(biāo)中，土粒比重Gs ，含水量和密度是通過試驗(yàn)測(cè)定的，可以根據(jù)三個(gè)基本

11、指標(biāo)換算出其余各指標(biāo),推導(dǎo),換算關(guān)系式,五、例題分析,例】某土樣經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得體積為100cm3，濕土質(zhì)量為187g，烘干后，干土質(zhì)量為167g。若土粒的相對(duì)密度Gs為2.66，求該土樣的含水量、密度、重度 、干重度d 、孔隙比e、飽和重度sat和有效重度,解答,土的物理狀態(tài)指標(biāo),一、無粘性土的密實(shí)度,土的密實(shí)度指單位體積土中固體顆粒的含量。根據(jù)土顆粒含量的多少，天然狀態(tài)下的砂、碎石等處于從緊密到松散的不同物理狀態(tài)。無粘性土的密實(shí)度與其工程性質(zhì)有著密切關(guān)系,1.孔隙比e,孔隙比e可以用來表示砂土的密實(shí)度。對(duì)于同一種土，當(dāng)孔隙比小于某一限度時(shí)，處于密實(shí)狀態(tài)。孔隙比愈大，土愈松散,當(dāng)Dr=0時(shí)， e=

12、emax，表示土處于最疏松狀態(tài);當(dāng)Dr=1.0時(shí)， e=emin，表示土體處于最密實(shí)狀態(tài),Dr1/3,疏松狀態(tài),1/3Dr2/3,中密狀態(tài),2/3Dr1,密實(shí)狀態(tài),2.相對(duì)密實(shí)度Dr,砂土在天然狀態(tài)下孔隙比,砂土在最密實(shí)狀態(tài)時(shí)的孔隙比,砂土在最松散狀態(tài)時(shí)的孔隙比,3.按動(dòng)力觸探確定無粘性土的密實(shí)度,天然砂土的密實(shí)度，可按原位標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的錘擊數(shù)N進(jìn)行評(píng)定。天然碎石土的密實(shí)度，可按原位重型圓錐動(dòng)力觸探的錘擊數(shù)N63.5 進(jìn)行評(píng)定(GB50007-2002,N表示標(biāo)貫，要30cm的擊數(shù)，N63.5表示動(dòng)力觸探，要10cm的擊數(shù)就可以了,二、粘性土的稠度,1.粘性土的稠度狀態(tài),稠度是指土的軟硬程度或

13、土受外力作用所引起變形或破壞的抵抗能力,是粘性土最主要的物理狀態(tài)特征,0,固態(tài)或半固態(tài),可塑狀態(tài),流動(dòng)狀態(tài),塑限P,液限L,粘性土由某一種狀態(tài)過渡到另一狀態(tài)的界限含水量稱為土的稠度界限,液塑限測(cè)定根據(jù)土工試驗(yàn)規(guī)程(SL237-007-1999)規(guī)定，采用液塑限聯(lián)合測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)定,液塑限聯(lián)合測(cè)定儀,下沉深度為17mm所對(duì)應(yīng)的含水量為液限;下沉深度為2mm處所對(duì)應(yīng)的含水量為塑限,2.粘性土的塑性指數(shù)和液性指數(shù),塑性指數(shù)IP是液限和塑限的差值(省去%)，即土處在可塑狀態(tài)的含水量變化范圍,說明：塑性指數(shù)的大小取決于土顆粒吸附結(jié)合水的能力,即與土中粘粒含量有關(guān)。粘粒含量越多,塑性指數(shù)就越高,說明：液性指

14、數(shù)表征土的天然含水量與界限含水量間的相對(duì)關(guān)系。當(dāng)IL0時(shí),P,土處于堅(jiān)硬狀態(tài);當(dāng)IL1時(shí),L,土處于流動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)IL值可以直接判定土的軟硬狀態(tài),液性指數(shù)IL是粘性土的天然含水量和塑限的差值與塑性指數(shù)之比,土的靈敏度： 保持原來含水量不變但天然結(jié)構(gòu)被破壞的重塑土的強(qiáng)度比保持天然結(jié)構(gòu)的原狀土的強(qiáng)度低，其比值可作為結(jié)構(gòu)性的指標(biāo)，即靈敏度,土的觸變性： 粘性土的抗剪強(qiáng)度隨時(shí)間恢復(fù)的膠體化學(xué)性質(zhì) 土被擾動(dòng)后強(qiáng)度降低但隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，擾動(dòng)土的強(qiáng)度可以部分或全部恢復(fù)，這種時(shí)效特性稱為觸變性,三、例題分析,例】某砂土試樣,試驗(yàn)測(cè)定土粒相對(duì)密度Gs=2.7,含水量=9.43%,天然密度=1.66/cm3。已知

15、砂樣最密實(shí)狀態(tài)時(shí)稱得干砂質(zhì)量ms1=1.62kg,最疏松狀態(tài)時(shí)稱得干砂質(zhì)量ms2=1.45kg。求此砂土的相對(duì)密度Dr,并判斷砂土所處的密實(shí)狀態(tài),解答,砂土在天然狀態(tài)下的孔隙比,砂土最小孔隙比,砂土最大孔隙比,相對(duì)密實(shí)度,1/3,2/3,中密狀態(tài),作業(yè) 某粘性土的天然含水量w=35.2，液限wL=40，塑限wp=25，試求該土的塑性指數(shù)Ip和液性指數(shù)IL，并確定該土的狀態(tài)。 解答： Ip=40-25=15 0.25IL0.75，該土的狀態(tài)為可塑,土的壓實(shí)性,壓實(shí)的機(jī)理,壓實(shí)使土顆粒重新組合，彼此擠緊，孔隙減少， 孔隙水排出，土體的單位重量提高，形成密實(shí)的整 體。同時(shí)，內(nèi)摩阻力和粘聚力大大增加，

16、從而使土 體強(qiáng)度增加，穩(wěn)定性增強(qiáng)。同時(shí)，因壓實(shí)使土體透 水性明顯降低、毛細(xì)水作用減弱，因而其水穩(wěn)性也 大大提高。因此，對(duì)地基土壓實(shí)并達(dá)到規(guī)定的密實(shí) 度，是保證各級(jí)道路路基和建筑人工地基獲得足夠 強(qiáng)度和穩(wěn)定性的根本技術(shù)措施之一,一、土的擊實(shí)試驗(yàn),在試驗(yàn)室內(nèi)通過擊實(shí)試驗(yàn)研究土的壓實(shí)性。擊實(shí)試驗(yàn)有輕型和重型兩種,輕型擊實(shí)試驗(yàn)適用于粒徑小于5mm的土，擊實(shí)筒容積為947cm3，擊錘質(zhì)量為2.5kg。把制備成一定含水量的土料分三層裝入擊實(shí)筒，每層土料用擊錘均勻錘擊25下，擊錘落高為30.5cm,重型擊實(shí)試驗(yàn)適用于粒徑小于40mm的土，擊實(shí)筒容積為2104cm3，擊錘質(zhì)量為4.5kg，擊錘落高為45.7c

17、m 。分五層擊實(shí)，每層56擊。根據(jù)擊實(shí)后土樣的密度和實(shí)測(cè)含水量計(jì)算相應(yīng)的干密度,二、填土的擊實(shí)特性,影響土壓實(shí)性的因素很多，主要有含水量、擊實(shí)功能、土的種類和級(jí)配等,1.含水量的影響,當(dāng)含水率較低時(shí)，擊實(shí)后的干密度隨含水量的增加而增大。而當(dāng)干密度增大到某一值后，含水量的繼續(xù)增加反招致干密度的減小。干密度的這一最大值稱為該擊數(shù)下的最大干密度，與它對(duì)應(yīng)的含水量稱為最優(yōu)含水量,說明：當(dāng)擊數(shù)一定時(shí)，只有在某一含水量下才獲得最佳的擊實(shí)效果,2.擊實(shí)功能的影響,說明：填料的含水率過高或過低都是不利的。含水率過低，填土遇水后容易引起濕陷；過高又將惡化填土的其他力學(xué)性質(zhì)。因此，在實(shí)際施工中填土的含水率控制得當(dāng)

18、與否，不僅涉及到經(jīng)濟(jì)效益，而且影響到工程質(zhì)量,1.土料的最大干密度和最優(yōu)含水量不是常數(shù)。最大干密度隨擊數(shù)的增加而逐漸增大,最優(yōu)含水量逐漸減小。然而，這種變化速率是遞減的。同時(shí)，光憑增加擊實(shí)功能來提高土的最大干密度是有限的,2.當(dāng)含水量較低時(shí)擊數(shù)的影響較顯著。當(dāng)含水量較高時(shí)，含水量與干密度關(guān)系曲線趨近于飽和線，這時(shí)提高擊實(shí)功能是無效的,3.土類和級(jí)配的影響,擊實(shí)試驗(yàn)表明，在相同擊實(shí)功能下，粘性土粘粒含量愈高或塑性指數(shù)愈大，壓實(shí)愈困難，最大干密度愈小，最優(yōu)含水量愈大,無粘性土的擊實(shí)曲線和粘性土擊實(shí)曲線不同，在含水量較大時(shí)得到較高的干密度，因此在無粘性土實(shí)際填筑中，通常要不斷灑水使其在較高的含水量下

19、壓實(shí),說明：土的級(jí)配對(duì)土的壓實(shí)性影響很大。級(jí)配良好的土，易于壓實(shí)，級(jí)配不良的土，不易壓實(shí)，因?yàn)榧?jí)配良好的土有足夠的細(xì)粒去充填較粗粒形成的孔隙，因而能獲得較高的干密度,土的滲透性,土的滲透性,土的滲透性：一般是指水流通過土中孔隙難易程度的性質(zhì),層流,紊流,地下水在土中孔隙或微小裂隙中以不大的速度連續(xù)滲透,地下水在巖石的裂隙或空洞中流動(dòng)，速度較大,地下水運(yùn)動(dòng)的兩種形式,達(dá)西定律,V - 水在土中的滲透速度，cm/s,單位時(shí)間內(nèi)流過一單位土截面的水量,i - 水力梯度,K - 土的滲透系數(shù)，cm/s,用于粘土的達(dá)西定律,表示曲線b在i軸上的截距,室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定方法 野外試驗(yàn)測(cè)定方法,常水頭試驗(yàn)法,變水

20、頭試驗(yàn)法,井孔抽水試驗(yàn),井孔注水試驗(yàn),滲透系數(shù)的測(cè)定方法,滲透系數(shù)的物理含義 k值的大小反映了土滲透性的強(qiáng)弱，k愈大，土的滲透性也愈大。土顆粒愈粗，k值也愈大,適用土類：透水性較大 的砂性土,常水頭試驗(yàn)法,特點(diǎn)：水頭差h 恒定,變水頭試驗(yàn)法,特點(diǎn)：水頭差h 隨時(shí)間變化,適用土類：透水性較小 的粘性土,常水頭試驗(yàn),變水頭試驗(yàn),條件,已知,測(cè)定,算定,取值,h=const,h變化,h，A，L,Q，t,重復(fù)試驗(yàn)后，取均值,a，A，L,h，t,不同時(shí)段試驗(yàn)，取均值,適用,粗粒土,細(xì)粒土,滲透系數(shù)室內(nèi)試驗(yàn)方法的比較,影響土的滲透系數(shù)的因素,1.粒度成分與礦物成分 2.結(jié)合水膜厚度 3.土的結(jié)構(gòu) 4.水的粘度 5.土中氣體,防滲斜墻及鋪蓋,透水層,不透水層,土石壩壩基壩身滲流,土石壩,浸潤(rùn)線,透水層,不透水層,基坑,板樁圍護(hù)下的基坑滲流,板樁墻,透水層,不透水層,天然水面,漏斗狀潛水面,Q,水井滲流,渠道滲流,原地下水位,滲流時(shí)地下水位,滲流滑坡,土（巖）的工程分類,一、分類的目的和原則,土的分類體系就是根據(jù)土的工程性質(zhì)差異將土劃分成一定的類別，目的在于通過通用的鑒別標(biāo)準(zhǔn)，便于在不同土類間作有價(jià)值的比較、評(píng)價(jià)、積累以及學(xué)術(shù)與經(jīng)驗(yàn)