土力學(xué)二章土的物理性質(zhì)及分類

1、土的物理性質(zhì)(wl xngzh)及分類2.1 概述2.2 土的物理性質(zhì)(wl xngzh)指標(biāo)2.3 黏性土的物理狀態(tài)指標(biāo)2.4 無黏性土的密實度2.7 土的分類共五十二頁土的物理性質(zhì)指標(biāo)三相間的比例(bl)關(guān)系質(zhì)量和體積之間的關(guān)系影響力學(xué)特性本章(bn zhn)脈絡(luò) 土的分類土的物理狀態(tài)指標(biāo) 反映土的松密和軟硬 狀態(tài)的指標(biāo) 共五十二頁2.2 土的物理性質(zhì)(wl xngzh)指標(biāo)(熟知) 土的三相(sn xin)草圖 土的物理性質(zhì)指標(biāo)（土的三相比例指標(biāo)） 表示土的三相組成各部分的質(zhì)量和體積之間的比例關(guān)系的指標(biāo)九個物理量: m ma V Vv Vw ms m w Vs Va WaterAirSo

2、lidVaVwVsVvVma=0mwmsm質(zhì)量體積共五十二頁三個獨立變量(binling)，干土或飽和土二個獨立變量其它指標(biāo)：三相草圖(cot)法計算 實驗室測定九個物理量: m ma V Vv Vw ms m w Vs Va 可假設(shè)任一參數(shù)為1為了確定三相草圖諸量中的三個量，通常進(jìn)行三個基本的物理性質(zhì)試驗： 土的密度試驗 土粒比重試驗 土的含水量試驗2.2 土的物理性質(zhì)指標(biāo)共五十二頁一、土的基本物理性質(zhì)(wl xngzh)指標(biāo) 土粒比重(bzhng)ds（土粒相對密度） 土中固體顆粒的質(zhì)量與同體積4時純水的質(zhì)量之比；或為土粒密度與4時純水的密度之比。 表達(dá)式 測定方法： 比重瓶法；經(jīng)驗法常見

3、值：砂類土 Gs=2.652.69；粉類土Gs=2.702.71； 黏性土 Gs=2.722.76。 有機(jī)質(zhì) Gs=2.42.5；泥炭： Gs=1.51.8。 土粒密度 2.2 土的物理性質(zhì)指標(biāo)共五十二頁 土的含水量（含水率）w土中水的質(zhì)量(zhling)與土粒質(zhì)量(zhling)之比，以百分?jǐn)?shù)表示 。 表達(dá)式 測定方法 常見(chn jin)值： 砂土 w=(040)%；黏性土 w=(2060)%。 意義：表示土體濕度（含水程度）的物理指標(biāo)。與土 的種類、埋藏條件及其附近的自然環(huán)境等有關(guān)。 烘干法； 紅外線法；酒精燃燒法；鐵鍋炒干法2.2 土的物理性質(zhì)指標(biāo)共五十二頁 土的密度(md) 土的總

4、質(zhì)量m與總體積V之比或土單位體積的質(zhì)量。單位：國際上kg/m3，國內(nèi)工程(gngchng)中常用g/cm3。 測定方法: 環(huán)刀法 適用于黏性土、粉土與砂土。 常見值： 砂土：1.62.0g/cm3； 黏土: 1.82.0g/cm3 ； 腐殖土： 1.51.7g/cm3。 表達(dá)式 意義：綜合反映了土的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)特征。2.2 土的物理性質(zhì)指標(biāo)共五十二頁 干密度(md) 土單位體積中土粒的質(zhì)量(zhling)或土的孔隙中完全沒有水時的密度。 測定方法 大環(huán)刀法 ； 放射性同位素法 常見值： d=（1.31.8）g/cm3 工程應(yīng)用 在工程上常把干密度作為評定土體緊密程度的標(biāo)準(zhǔn)。通常用作填方工程如

5、土壩、路基和人工壓實地基等土體壓實質(zhì)量的控制標(biāo)準(zhǔn)。 表達(dá)式 2.2 土的物理性質(zhì)指標(biāo)二、特殊條件下土的密度共五十二頁 飽和(boh)密度 土的孔隙完全(wnqun)被水充滿時的密度 常見值： sat =（1.82.3）g/cm3 浮密度（有效密度） 在地下水位以下，土單位體積中土粒的質(zhì)量與同體積水的質(zhì)量之差 。 表達(dá)式 表達(dá)式 常見值：2.2 土的物理性質(zhì)指標(biāo)共五十二頁 重度 土的重力(zhngl)密度（重量）。 單位（N/m3）或（kN/m3）土的密度(md) 和土的重度 ； 土的干密度 和土的干重度 ； 土的飽和密度 和飽和重度 ； 有效密度(浮密度) 和有效重度(浮重度) ； 2.2 土

6、的物理性質(zhì)指標(biāo)共五十二頁三、描述土的孔隙(kngx)體積相對含量的指標(biāo) 土的孔隙(kngx)比e土中孔隙體積與固體顆粒體積之比 根據(jù)、Gs與W實測值計算而得，工程應(yīng)用很廣，可以用來評價天然土層的密實度、進(jìn)行砂土液化判斷等。 常見值： 砂土 e=0.30.9； 當(dāng)砂土e1.0時，為軟弱地基。 表達(dá)式 2.2 土的物理性質(zhì)指標(biāo)共五十二頁 孔隙(kngx)度(孔隙(kngx)率)n土的孔隙(kngx)體積與土總積之比 ，以百分?jǐn)?shù)表示。 常見值：黏性土和粉土:(30-60)%；砂土: (25-45)%。 根據(jù)、ds與W實測值計算而得，孔隙度與孔隙比相比，工程應(yīng)用較少。 表達(dá)式 物理意義：表示土中孔隙大

7、小的程度。2.2 土的物理性質(zhì)指標(biāo)共五十二頁 土的飽和度Sr土中孔隙水的體積(tj)與孔隙體積(tj)之比 ，以百分?jǐn)?shù)表示。 常見(chn jin)值： Sr=0100%。根據(jù)、ds與W實測值計算而得。 工程中Sr作為砂土濕度劃分的標(biāo)準(zhǔn)： 表達(dá)式 物理意義：表示水在孔隙中充滿的程度。 Sr 50% 稍濕的50%Sr80% 很濕的Sr 80% 飽和的2.2 土的物理性質(zhì)指標(biāo)共五十二頁土的三個組成相的體積和質(zhì)量上的比例(bl)關(guān)系三相(sn xin)草圖法室內(nèi)測定三個基本物理性質(zhì)指標(biāo)：土的密度 土粒相對密度土的含水量其它物理性質(zhì)指標(biāo)孔隙含量含水程度密度和重度土的物理性質(zhì)指標(biāo)小 結(jié)特點: 指標(biāo)概念簡

8、單，數(shù)量很多要點：名稱、概念或定義、符號、表達(dá)式、單位或量綱、常見值或范圍、聯(lián)系與區(qū)別2.2 土的物理性質(zhì)指標(biāo)共五十二頁四、三相(sn xin)指標(biāo)的換算步驟： 首先繪出三相草圖； 明確所求指標(biāo)的表達(dá)式或定義； 作假設(shè)(jish)以減少未知量，求解。2.2 土的物理性質(zhì)指標(biāo)共五十二頁例如(lr)設(shè)：2.2 土的物理性質(zhì)(wl xngzh)指標(biāo)共五十二頁2.2 土的物理性質(zhì)(wl xngzh)指標(biāo)推求(tuqi)共五十二頁【例題(lt)2-1】 某飽和(boh)土體，重度，土粒比重（1） 根據(jù)題中的已知條件，推導(dǎo)干重度的表達(dá)式;（2）根據(jù)（1）的結(jié)果，計算該土的干重度。由已知條件：令：【解】 共

9、五十二頁土的物理(wl)狀態(tài)指標(biāo) 反映土的松密和軟硬 狀態(tài)的指標(biāo) 無黏性土的松密程度 黏性土的軟硬狀態(tài)土的物理性質(zhì)指標(biāo)三相間的比例關(guān)系(gun x)質(zhì)量和體積之間的關(guān)系影響力學(xué)特性密實度稠度共五十二頁 黏性土的物理(wl)特征黏性土含水量較硬變軟流動(lidng)固態(tài)半固態(tài)可塑狀態(tài)液體狀態(tài)（流動狀態(tài)) 黏性土的稠度稠度是指土的軟硬程度。反映了土粒之間的連結(jié)強(qiáng)度隨著含水量高低而變化的性質(zhì)。 黏性土的可塑性黏性土在外力的作用下可以任意改變形狀而不開裂，外力撤去后仍能保持既得的形狀的性能。 界限含水量黏性土由一種狀態(tài)轉(zhuǎn)到另一種狀態(tài)的分界含水量，稱為土的稠度界限或界限含水量。2.3 黏性土的物理狀態(tài)指

10、標(biāo) (熟知）共五十二頁塑限液限黏性土的稠度反映(fnyng)土中水的形態(tài)固態(tài)(gti)或半固態(tài)可塑狀態(tài) 流動狀態(tài) 強(qiáng)結(jié)合水弱結(jié)合水自由水w土顆粒強(qiáng)結(jié)合水弱結(jié)合水土顆粒強(qiáng)結(jié)合水土顆粒自由水弱結(jié)合水強(qiáng)結(jié)合水強(qiáng)結(jié)合水膜最厚出現(xiàn)相當(dāng)數(shù)量自由水 黏性土的稠度狀態(tài)界限含水量稠度狀態(tài)含水量土中水的形態(tài)示意圖縮限2.3 黏性土的物理狀態(tài)指標(biāo)共五十二頁2.3 黏性土的物理(wl)狀態(tài)指標(biāo)定義黏性土由可塑狀態(tài)轉(zhuǎn)到流動(lidng)狀態(tài)的界限含水量稱為液限wL。 1、液限wL(%)測定方法 錐式液限儀操作過程： 將黏性土調(diào)成均勻的濃糊狀，裝滿盛土杯，刮平杯口表面，將76克重圓錐體輕放在試樣表面的中心，使其在自重作用

11、下徐徐沉入試樣，若圓錐體經(jīng)5秒種恰好沉入10mm深度，這時杯內(nèi)土樣的含水量就是液限WL值。為了避免放錐時的人為晃動影響，可采用電磁放錐的方法。 錐式液限儀共五十二頁蝶式液限儀操作過程： 將黏性土調(diào)成均勻的濃糊狀，裝入碟內(nèi)，刮平表面，做成試樣中心約10mm厚的土餅，用開槽器在土中開槽，槽底寬度為2mm，然后將碟子抬高10mm，使碟自由下落(xilu)，連續(xù)下落(xilu)25次后，如果土槽合攏長度為13mm，這時試樣的含水量為液限。 蝶式液限儀2.3 黏性土的物理(wl)狀態(tài)指標(biāo)共五十二頁定義(dngy)黏性土由半固態(tài)轉(zhuǎn)到可塑狀態(tài)的界限含水量稱為塑限wP2、塑限wP(%)測定方法操作過程： 用雙

12、手將天然濕度的土樣搓成小圓球（球徑小于10mm），放在毛玻璃板上再用手掌慢慢搓滾成小土條，用力(yng l)均勻，搓到土條直徑為3mm，出現(xiàn)裂紋，自然斷開，這時土條的含水量就是塑限wp值。搓好的泥條 搓條法2.3 黏性土的物理狀態(tài)指標(biāo)共五十二頁 入土(r t)深度與含水量的關(guān)系制備3個不同含水量的試樣，測定圓錐儀在5秒時的下沉深度，測定此時的含水量，在雙對數(shù)坐標(biāo)紙上繪出圓錐下沉深度和含水量的關(guān)系(gun x)直線。深度10mm，對應(yīng)的含水量為液限，2mm對應(yīng)的含水量為塑限。 液、塑限聯(lián)合測定法2.3 黏性土的物理狀態(tài)指標(biāo)共五十二頁定義(dngy)黏性土呈半固態(tài)與固態(tài)之間的界限含水量稱為縮限wS

13、。3、縮限wS(%)測定方法用收縮皿法，用收縮皿或環(huán)刀盛滿含水量為液限的試樣，放在室內(nèi)(sh ni)逐漸晾干，至試樣的顏色變淡時，放入烘箱中烘至恒重，測定烘干后收縮體積和干土重，從而求得縮限。2.3 黏性土的物理狀態(tài)指標(biāo)共五十二頁 定義(dngy)黏性土與粉土的液限與塑限的差值（去掉%），稱塑性指數(shù)，記為IP。 工程(gngchng)應(yīng)用用塑性指數(shù)IP作為黏性土定名的標(biāo)準(zhǔn)。 黏性土的物理狀態(tài)指標(biāo) 物理意義 土處在可塑狀態(tài)的含水量變化范圍。塑性指數(shù)愈大，土處于可塑狀態(tài)的含水量范圍也愈大。黏土粉質(zhì)黏土 塑性指數(shù)IP2.3 黏性土的物理狀態(tài)指標(biāo)共五十二頁液性指數(shù)又稱相對稠度，是將土的天然含水量w與w

14、L及wP相比較，以表明w是靠近wL還是靠近wP，反映(fnyng)土的軟硬不同。物理(wl)意義工程應(yīng)用定義黏性土的液性指數(shù)為天然含水量與塑限的差值和液限與塑限差值之比，稱液性指數(shù)，記為IL。狀態(tài)堅硬硬塑可塑軟塑流塑液性指數(shù)IL00IL0.250.25IL0.750.751.0 液性指數(shù)IL2.3 黏性土的物理狀態(tài)指標(biāo)黏性土的狀態(tài)（GB50007)共五十二頁2.3 黏性土的物理狀態(tài)(zhungti)指標(biāo) 黏性土的活動度活動度活動度A：黏性土的塑性(sxng)指數(shù)與土中黏粒（d0.002mm的顆粒）含量百分?jǐn)?shù)的比值。物理意義活動度反映黏性土中所含礦物的活動性。據(jù)A的大小可分為3種：A0.75 不

15、活動黏土0.75A1.25 活動黏土共五十二頁 黏性土結(jié)構(gòu)性的演示 黏性土因受擾動而原結(jié)構(gòu)(jigu)被破壞后，其工程性質(zhì)通常會變差，強(qiáng)度將明顯下降。土中所示土樣在保持天然結(jié)構(gòu)(jigu)時(原狀土)，其上承受了1.5kg的壓力，但當(dāng)結(jié)構(gòu)(jigu)完全破壞而成為重塑土?xí)r，變?yōu)榭闪鲃拥哪酀{。 2.3 黏性土的物理(wl)狀態(tài)指標(biāo) 黏性土的結(jié)構(gòu)性共五十二頁St11-22-44-88-1616黏性土不靈敏低靈敏中等靈敏靈敏很靈敏流動3=0相同含水量、密度qu原狀土重塑土靈敏度St：原狀土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu和重塑土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度 之比。2.3 黏性土的物理狀態(tài)(zhungti)指標(biāo)靈敏度觸變性

16、黏性土的結(jié)構(gòu)性共五十二頁黏性土含水量不變，密度(md)不變，因重塑而強(qiáng)度降低，又因靜置而逐漸強(qiáng)化，強(qiáng)度逐漸恢復(fù)的現(xiàn)象，稱為觸變性。土的觸變性是土結(jié)構(gòu)中聯(lián)結(jié)形態(tài)發(fā)生變化引起的，是土結(jié)構(gòu)隨時間變化的宏觀表現(xiàn)(bioxin)。目前尚沒有合理的描述土觸變性的方法和指標(biāo)。靈敏度觸變性2.3 黏性土的物理狀態(tài)指標(biāo)共五十二頁 用孔隙(kngx)比e為標(biāo)準(zhǔn) 無黏性土 按天然孔隙比e劃分砂土(sh t)的密實度（74規(guī)范） 表1-6 密實度：土的固體顆粒排列的緊密程度。 密實中密稍密松散礫砂 粗砂 中砂e0.60.6e0.750.75e0.85細(xì)砂 粉砂e0.70.7e0.850.85e0.95評價：（1）優(yōu)點

17、：簡捷方便； （2）缺點：無法反映土的粒徑級配因素。 一般指砂（類）土和碎石（類）土，這兩大類土中一般黏粒含量少，不具有可塑性，呈單粒結(jié)構(gòu)，它們的物理狀態(tài)主要取決于土的密實程度，即密實度。 2.4 無黏性土的密實度 (熟知）共五十二頁 無黏性土的相對(xingdu)密度密實度密實中密松散相對密度1.00.670.670.330.330 用相對密度Dr劃分(hu fn)砂土的密實度評價：（1）優(yōu)點：理論上完善； （2）缺點：實際上難以操作。2.4 無黏性土的密實度共五十二頁1-穿心(chun xn)錘2-錘墊3-觸探桿4-貫入器頭5-出水孔6-貫入器身7-貫入器靴標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(SP

18、T)適用于砂土、粉土和一般黏土，它利用一定的錘擊動能(dngnng)（錘重63.5kg，落距76cm）,將一定規(guī)格的對開管式的貫入器打入鉆孔孔底的土中，先按打入15cm，再打入30cm，根據(jù)打入土中的貫阻抗，判別土層的工程性質(zhì)。 貫入阻抗用貫入器貫入土中30cm的錘擊數(shù)N63.5表示,N63.5也稱為標(biāo)貫擊數(shù)。 以標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗錘擊數(shù)N為標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(SPT)2.4 無黏性土的密實度共五十二頁我國現(xiàn)行建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范(GB50007-2002)采用原位標(biāo)準(zhǔn)(biozhn)貫入試驗錘擊數(shù)N（N63.5）來評價砂類土的密實度。根據(jù)N可將砂土分為：錘擊數(shù)N63.5N63.51010N63.51

19、51530密實度松散稍密中密密實 該試驗的應(yīng)用主要有評定砂土(sh t)的相對密度、評定地基土承載力、估算單樁承載力等。 碎石土的密實度劃分 砂類土的密實度劃分碎石土密實度按重型（圓錐）動力觸探錘擊數(shù)劃分。 重型圓錐動力探測錘擊數(shù)N63.5密實度重型圓錐動力探測錘擊數(shù)N63.5密實度N63.55松散10N63.520中密5N63.510稍密20N63.5密實2.4 無黏性土的密實度共五十二頁 碎石土密實(m shi)度野外鑒別方法 2.4 無黏性土的密實(m shi)度共五十二頁2.5 粉土的密實度和濕度(shd) (自學(xué)）巖土工程勘查(kn ch)規(guī)范(GB50021-2001)密實度密實中

20、密稍密孔隙比e0.9粉土密實度分類濕度稍濕濕很濕含水量(%)w30粉土濕度分類共五十二頁 粗粒土的密實狀態(tài)(zhungti)指標(biāo) 黏土的物理(wl)狀態(tài)指標(biāo) 相對密度 塑性指數(shù) 吸附結(jié)合水的能力 液性指數(shù)小 結(jié) 黏性土的軟硬狀態(tài) 界限含水量 wP、wL 土中水形態(tài) 判別標(biāo)準(zhǔn) 標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)共五十二頁自學(xué)(zxu)2.6 土的膨脹性、濕陷性和凍脹性共五十二頁土的組成土的狀態(tài)(zhungti)土的結(jié)構(gòu) 目的 便于調(diào)查研究； 便于分析評價； 便于交流 (基于共同的概念) 分類的原則 依據(jù)(yj)：最能反映土的物理力學(xué)性質(zhì)的指標(biāo) 土的工程分類體系2.7 土的分類（了解）簡明原則工程性質(zhì)差異原則 建筑工

21、程系統(tǒng)的分類體系建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范等 工程材料系統(tǒng)的分類體系土的分類標(biāo)準(zhǔn)公路土工試驗規(guī)程 共五十二頁 一、土的分類(fn li)標(biāo)準(zhǔn)Arthur Casagrande，（1902-1981）生于奧地利，后移居美國，他對土力學(xué)的貢獻(xiàn)巨大，如土的分類(fn li)、土坡的滲流、土的剪切強(qiáng)度、砂土液化的流動結(jié)構(gòu)和臨界孔隙比等。 他提出的分類標(biāo)準(zhǔn)考慮了土的粒度和塑性指標(biāo)，忽略了土的結(jié)構(gòu)性。 我國的國標(biāo)土的分類標(biāo)準(zhǔn)（GBJ145-90）采取了與之類似的分類原則。2.7 土的分類共五十二頁水利部SL237-1999分類法 土顆粒組成及其特性 塑性指標(biāo)(zhbio)：液限、塑限、塑性指數(shù) 有機(jī)質(zhì)含量 土的

22、分類(fn li) 巨粒土和含巨粒土 粗粒土：礫類土、砂類土 細(xì)粒土：根據(jù)塑性圖分類 特殊土： 黃土、膨脹土、紅黏土 分類依據(jù)：2.7 土的分類共五十二頁1、按沉積年代分為： 老沉積土（Q3）、一般黏性土（Q4）、新近沉積土2、根據(jù)地質(zhì)成因（形成條件）分為： 殘積土、坡積土、洪積土、沖積土、風(fēng)積土等3、根據(jù)顆粒級配或塑性指數(shù)分為： 碎石(su sh)土、砂土、粉土、黏性土4、根據(jù)土的工程特性的特殊性可分為： 一般土、特殊土 二、地基(dj)土的工程分類建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范（GB50007-2002）巖土工程勘察規(guī)范(GB50021-2001) 該分類體系的特點：注重土的天然結(jié)構(gòu)特性和強(qiáng)度，并始

23、終與土的主要工程性質(zhì)變形和強(qiáng)度特性緊密聯(lián)系。 2.7 土的分類共五十二頁 碎石(su sh)土土的名稱顆粒形狀顆粒級配漂石塊石圓形及亞圓形為主棱角形為主粒徑200mm的顆粒超過全重的50卵石碎石圓形及亞圓形為主棱角形為主粒徑20mm的顆粒超過全重的50圓礫角礫圓形及亞圓形為主棱角形為主粒徑2mm的顆粒超過全重的50碎石土沒有(mi yu)黏性和塑性，屬于單粒結(jié)構(gòu)碎石土砂土粉土黏性土特殊土人工填土分類依據(jù): 根據(jù)土的顆粒級配和顆粒形狀進(jìn)行分類定名。2.7 土的分類共五十二頁分類依據(jù)(yj)：根據(jù)土的顆粒級配定名。土的名稱顆粒級配礫砂粒徑2mm的顆粒占全重的2550粗砂粒徑0.5mm的顆粒超過全重的50中砂粒徑0.25mm的顆粒超過全重的50細(xì)砂粒徑0.75mm的顆粒超過全重的85粉砂粒徑0.75mm的顆粒超過全重的50 砂土(sh t)碎石土砂土粉土黏性土特殊土人工填土2.7 土的分類共五十二頁 粉土和黏性土碎石土砂土粉土黏性土特殊(tsh)土人工填土粉土：塑性指數(shù)IP10，且d0.075mm的顆粒含量不超過(chogu)全重50%的土稱為粉土。黏性土：塑性指數(shù)Ip10的土。 粉質(zhì)黏土：1017的土 特殊土 特殊土包括軟土（