土的物理性質(zhì)與工程分類修改

關(guān)于土的物理性質(zhì)與工程分類修改第二章

介紹土的形成及物質(zhì)組成,從定性和定量兩個方面描述土體的物質(zhì)組成、密實程度及工程應(yīng)用。土的物理性質(zhì)及工程分類主要內(nèi)容:第2頁,共75頁，2024年2月25日，星期天知識要點：了解無粘性土的密實度概念及判別方法。掌握粘性土的塑性指數(shù)和液性指數(shù)的作用和用途，以及粘性土的物理狀態(tài)評價。掌握無粘性土和粘性土的分類依據(jù)和分類方法。第3頁,共75頁，2024年2月25日，星期天§2.1土的成因

土是巖石經(jīng)過風化、剝蝕、破碎、搬運、沉積等過程后在不同條件下形成的自然歷史的產(chǎn)物搬運、沉積一、土體的生成

風化巖石地球土地球第4頁,共75頁，2024年2月25日，星期天生物風化物理風化化學風化礦物成分未變無粘性土原生礦物礦物成分改變粘性土次生礦物

風化作用分類有機質(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,或在運動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成分，形成新的礦物動植物活動引起的巖石和土體粗顆粒的粒度或成分的變化第5頁,共75頁，2024年2月25日，星期天定義：土體的結(jié)構(gòu)是指土生成過程中所形成土粒的空間排列及其形式。力學特性影響土的結(jié)構(gòu)反映土的成分形成條件分類單粒結(jié)構(gòu)蜂窩結(jié)構(gòu)絮狀結(jié)構(gòu)二、土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造第6頁,共75頁，2024年2月25日，星期天

粒間作用力

可否作天然地基

礦物成分單粒結(jié)構(gòu)

示意圖重力、毛細力密實的單粒結(jié)構(gòu)是良好的天然地基原生礦物

指粗砂粒或更粗大的顆粒在水或空氣中沉積形成。粗粒土的結(jié)構(gòu)松散密實第7頁,共75頁，2024年2月25日，星期天

粒間作用力

形成環(huán)境

可否作為天然地基

礦物成分水中的懸浮力、自重力（斥力減小引力增加）絮狀結(jié)構(gòu)(凝聚結(jié)構(gòu))蜂窩結(jié)構(gòu)(分散結(jié)構(gòu))

示意圖顆粒間的引力、自重力（粒間引力占優(yōu)勢）淡水中沉積海水中沉積次生礦物次生礦物注意：天然條件下，可能是多種組合，或者由一種結(jié)構(gòu)過渡向另一種結(jié)構(gòu)。

不可不可細粒土的結(jié)構(gòu)是指由粉粒（粒徑0.005~0.075mm）在水中下沉時形成的。是指由粘粒（粒徑≤0.005mm）集合體組成。第8頁,共75頁，2024年2月25日，星期天

顆粒形狀原生礦物

圓狀、渾圓狀、棱角狀次生礦物

針狀、片狀、扁平狀第9頁,共75頁，2024年2月25日，星期天土的構(gòu)造：是指土體中各結(jié)構(gòu)單元之間的關(guān)系，主是從宏觀角度研究土的組成，其主要特點是土的成層性和裂縫性。力學特性影響土的構(gòu)造類型層狀構(gòu)造分散構(gòu)造裂隙構(gòu)造結(jié)核狀構(gòu)造

通常分散構(gòu)造土的工程性質(zhì)最好是理想地基，結(jié)核狀構(gòu)造土的工程性質(zhì)取決于細粒土部分，裂隙構(gòu)造不連續(xù)的裂縫破壞土的整體性，故土的工程性質(zhì)最差。第10頁,共75頁，2024年2月25日，星期天三、土的工程特性

（1）壓縮性高；（2）強度低；（3）透水性大；土的生成與工程特性的關(guān)系

沉積年代越長，工程特性越好。Q3以前的粘性土稱為老粘性土，密度大、強度高、壓縮性低，為良好天然地基；

Q4以后的粘性土，其性質(zhì)要通過實驗測定。第11頁,共75頁，2024年2月25日，星期天氣相固相液相++構(gòu)成土骨架，起主體作用重要影響土體次要作用土體三相組成示意圖§2.2土的組成第12頁,共75頁，2024年2月25日，星期天一、土中的固體顆粒(固相)物理狀態(tài)力學特性粒組的劃分土的顆粒級配土粒的礦物成分第13頁,共75頁，2024年2月25日，星期天①.顆粒級配顆粒大小土中各個粒組的相對含量常用表格法或粒徑曲線法表示影響土性質(zhì)的主因第14頁,共75頁，2024年2月25日，星期天表格法表示的粒組劃分第15頁,共75頁，2024年2月25日，星期天粒徑級配篩分法：適用于粒徑在0.075~60mm的土㎜～～

密度計法：適用于粒徑小于0.075mm的土根據(jù)斯托克斯（Stokes）定理，球狀的細顆粒在水中下沉速度與顆粒直徑的平方成正比?；谶@一原理，實驗室常用密度計測試水土懸液在不同時間的密度，進而確定土樣中各粒組的相對含量，這一方法稱為密度計法。通常將各粒組的相對含量，用質(zhì)量百分數(shù)來表示第16頁,共75頁，2024年2月25日，星期天篩分法（d>0.075mm的土）第17頁,共75頁，2024年2月25日，星期天105.02.01.00.50.250.1200g10161824223872P%958778665536篩分法原理圖

篩分法就是用一套標準篩子如孔直徑(mm)：20、10、5.0、2.0、l.0、0.5、0.25、0.1、0.075。將烘干且分散了的200g有代表性的試樣倒入標準篩內(nèi)搖振，然后分別稱出留在各篩子上的土重，并計算出各粒組的相對含量，即得土的顆粒級配。第18頁,共75頁，2024年2月25日，星期天密度計法（d<0.075mm的土）第19頁,共75頁，2024年2月25日，星期天典型顆粒級配曲線1009080706050403020100小于某粒徑之土質(zhì)量百分數(shù)P（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒徑(mm)第20頁,共75頁，2024年2月25日，星期天1009080706050403020100小于某粒徑之土質(zhì)量百分數(shù)（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒徑(mm)土的粒徑級配累積曲線d60d50d10d30特征粒徑:

d60—控制粒徑

d10

—有效粒徑

d30

—中值粒徑不均勻程度：Cu=d60/d10

—不均勻系數(shù)Cu

≥5,級配不均勻粗細程度：

用平均粒徑d50

表示

第21頁,共75頁，2024年2月25日，星期天1009080706050403020100小于某粒徑之土質(zhì)量百分數(shù)（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒徑(mm)土的粒徑級配累積曲線d60d10d30連續(xù)程度:Cc=d302

/(d60×d10)

—

曲率系數(shù)較大顆粒缺少Cc

減小較小顆粒缺少Cc

增大Cc=1~3,

級配連續(xù)性好第22頁,共75頁，2024年2月25日，星期天粒徑級配累積曲線及指標的用途：粒組含量用于土的分類定名；工程中用不均勻系數(shù)Cu評價土的不均勻程度：

Cu≥5,不均勻土；Cu<5,均勻土曲率系數(shù)Cc用于判定土的連續(xù)程度：

Cc=1~

3,

級配連續(xù)土；Cc>3或Cc<1,級配不連續(xù)土不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc用于判定土的級配優(yōu)劣：

當Cu≥5且

Cc=1~3時，為級配良好的土；當Cu<5或Cc>3或Cc<1時,為級配不良的土第23頁,共75頁，2024年2月25日，星期天②.

土粒的礦物成分粗粒土主要是原生礦物的產(chǎn)物，一般碎石、砂都屬于此類。細粒土主要是次生礦物的產(chǎn)物，主要是粘土礦物，包括三種類型高嶺石、伊利石、蒙脫石。三種粘土礦物的親水性依次增強。粘土礦物:由硅氧四面體和鋁氫氧八面體構(gòu)成的晶胞所組合而成決定于母巖的礦物成分及風化作用第24頁,共75頁，2024年2月25日，星期天第25頁,共75頁，2024年2月25日，星期天硅氧四面體晶片的結(jié)構(gòu)第26頁,共75頁，2024年2月25日，星期天鋁氫氧八面體晶片的結(jié)構(gòu)第27頁,共75頁，2024年2月25日，星期天粘土礦物的晶格構(gòu)造高嶺石蒙脫石伊利石粒徑比表面積脹縮性滲透性強度壓縮性大10-20m2/g小大大小中80-100m2/g中中中中小800m2/g大小小大第28頁,共75頁，2024年2月25日，星期天二、土中水(液相)

根據(jù)土體中水分子受到電場力的作用大小,土體中的液態(tài)水主要可以分為:結(jié)合水借助于電分子引力牢固吸附在土顆粒表面的水自由水電場引力作用范圍之外的水重力水毛細水強結(jié)合水弱結(jié)合水液態(tài)水固態(tài)水氣態(tài)水1、土中水分類第29頁,共75頁，2024年2月25日，星期天2、水的性質(zhì)

排列致密、定向性強密度>1g/cm3

冰點處于零下幾十度具有固體的的特性溫度高于100°C時可蒸發(fā)強結(jié)合水性質(zhì)穩(wěn)定強結(jié)合水

位于強結(jié)合水之外，以水膜的形式包圍著土粒外力作用下可以移動不因重力而移動，有粘滯性弱結(jié)合水固定層擴散層第30頁,共75頁，2024年2月25日，星期天土中毛細現(xiàn)象毛細水分布在土粒內(nèi)部相互貫通的孔隙可以看成許多形狀不一、直徑互異、彼此連通的毛細管重力水是位于地下水位以下的土空隙中，能在重力或壓力作用下流動。其性質(zhì)能傳遞靜水壓力并產(chǎn)生浮力。第31頁,共75頁，2024年2月25日，星期天三、土中氣體(氣相)

土體中的氣體是指存于土體空隙中未被水占據(jù)的部分,存在形式有兩種:自由氣體:與大氣相通,對土的性質(zhì)影響不大封閉氣體:與大氣隔絕,增大土體的彈性和壓縮性土體中氣體第32頁,共75頁，2024年2月25日，星期天§2.3土物理性質(zhì)指標土的物理狀態(tài)粗粒土的松密程度粘性土的軟硬狀態(tài)土的物理性質(zhì)指標(三相間的比例關(guān)系)力學特性影響表示第33頁,共75頁，2024年2月25日，星期天一.土的三相圖

水氣

土粒VaVwVsVvVma=0mwmsm質(zhì)量體積第34頁,共75頁，2024年2月25日，星期天二、土的物理性質(zhì)指標的確定A基本指標：有3個基本指標，可通過試驗測定，直接測定指標。（1）土的密度：單位體積土的質(zhì)量。土的密度可用環(huán)刀法測定。重度表示單位體積土的重力密度（近似?。┑?5頁,共75頁，2024年2月25日，星期天A基本指標：（2）土粒比重

土粒質(zhì)量與同體積的4℃純水的質(zhì)量之比。（可用比重瓶法測定）

——4℃時純水的密度，等于

（無量綱

）故數(shù)值上

第36頁,共75頁，2024年2月25日，星期天A基本指標：（3）土的含水量w

土中水的質(zhì)量與土粒質(zhì)量之比。（以百分數(shù)計）（烘干法測定）是標志土的濕度的重要指標。第37頁,共75頁，2024年2月25日，星期天B導出指標（反映土的孔隙特征、含水程度的指標（1）（2）（3））

（1）土的孔隙比：土中孔隙體積與土粒體積之比，用小數(shù)表示。是反映土的密實程度的重要指標。

第38頁,共75頁，2024年2月25日，星期天B導出指標（2）土的孔隙率：土中孔隙體積與總體積的百分比。反映土中孔隙大小的程度。粗粒土孔隙率小，細粒土孔隙率大，也可表示一種土的松密程度。第39頁,共75頁，2024年2月25日，星期天B導出指標（3）土的飽和度：土中所含水分的體積與孔隙體積之比，以百分數(shù)計。描述土體中孔隙被水充滿的程度。第40頁,共75頁，2024年2月25日，星期天B導出指標反映土的相關(guān)密度的指標：（4）、（5）、（6）（4）干密度：單位體積中土粒質(zhì)量。工程上常把作為評定土體緊密程度的標準，以控制填土工程的施工質(zhì)量。

第41頁,共75頁，2024年2月25日，星期天B導出指標（5）飽和密度：土孔隙中充滿水時單位體積質(zhì)量。

第42頁,共75頁，2024年2月25日，星期天B導出指標（6）有效密度：在地下水位以下，單位土體積中土粒的質(zhì)量扣除同體積水的質(zhì)量后即為單位土體積中土粒的有效質(zhì)量。

第43頁,共75頁，2024年2月25日，星期天反映土的密度指標有五個：ρ

ρ

dρ

sat

ρ’

ds反映土的濕度指標有兩個：ωsr反映土的土的孔隙特征有兩個：en土的天然密度ρ三個指標最基本物理指標，可直接通過實驗測定得出天然含水量ω土的比重ds

以上9項物理性質(zhì)指標，其中第44頁,共75頁，2024年2月25日，星期天，則三、指標間的相互換算指標間的相互換算：常根據(jù)土的三相比例指標換算圖進行各指標間關(guān)系的推導。

令第45頁,共75頁，2024年2月25日，星期天換算公式的推導：第46頁,共75頁，2024年2月25日，星期天換算公式的推導：第47頁,共75頁，2024年2月25日，星期天例題分析解：

第48頁,共75頁，2024年2月25日，星期天例題分析例1解（續(xù)）：

第49頁,共75頁，2024年2月25日，星期天例題分析第50頁,共75頁，2024年2月25日，星期天例題分析例2解（續(xù)）：

第51頁,共75頁，2024年2月25日，星期天例題分析【例3】某土樣，重量為1.87N，體積為100cm3，烘干后，烘干土質(zhì)量為1.67N。已知土粒的比重ds為2.66，試求：

、ω、e、sr、

d

、

sat和

【解】第52頁,共75頁，2024年2月25日，星期天作業(yè)：第53頁,共75頁，2024年2月25日，星期天§2.4土的物理狀態(tài)指標無黏性土的密實度黏性土的稠度物理狀態(tài)力學特性第54頁,共75頁，2024年2月25日，星期天一、無黏性土的密實度無粘性土的密實程度工程性質(zhì)影響指具有單粒結(jié)構(gòu)的碎石土與砂土，土粒之間無粘結(jié)力，呈松散狀態(tài)無粘性土：土密實結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、強度高、壓縮性低變形小土松散結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、強度低、壓縮性高、變形大如何評定無粘性土密實度?碎石土用觸探錘擊數(shù)Ｎ63.5砂土用相對密實度Dr現(xiàn)場標準貫入試驗錘擊數(shù)Ｎ第55頁,共75頁，2024年2月25日，星期天優(yōu)點：簡單方便缺點：不能反映級配的影響且只能用于同一種土①孔隙比e或孔隙率nemax與emin：最大與最小孔隙比②相對密實度Dr

=1

,最密狀態(tài)

Dr

=0

,最松狀態(tài)

Dr≤0.33,

疏松狀態(tài)0.33<

Dr≤

0.67,中密狀態(tài)

Dr>0.67,密實狀態(tài)判別標準：優(yōu)點：把土的級配因素考慮在內(nèi)，理論上較為完善缺點：e、emin、eman難以準確測定第56頁,共75頁，2024年2月25日，星期天③根據(jù)現(xiàn)場標準貫入試驗錘擊數(shù)Ｎ判定

標準貫入試驗是一種原位測試方法。試驗方法：將質(zhì)量為63.5kg的錘頭，提升到76cm的高度，讓錘自由下落，打擊標準貫入器，使貫入器入土深為30cm所需的錘擊數(shù)，記為N，這是一種簡便的測試方法。N的大小，綜合反映了土的貫入阻力的大小，亦即密實度的大小。我國《巖土工程勘查規(guī)范》（GB50021－94）規(guī)定砂土的密實度按表標準貫入錘擊數(shù)進行劃分。按N評定砂土密實度N≤1010＜N≤1515＜N≤30N＞30按N63.5評定碎石土的密實度N63.5≤55＜N63.5≤1010＜N63.5≤20N63.5＞20密實度松散稍密中密密實判定標準：第57頁,共75頁，2024年2月25日，星期天二、粘性土的物理特性粘性土的物理狀態(tài)可以用稠度表示。稠度是反映粘性土處于不同含水量時的軟硬程度或稀稠程度。粘性土從一種狀態(tài)過度到另一種狀態(tài)的分界含水量稱為界限含水量。塑限ωp液限ωL稠度界限粘性土隨含水量變化可改變土的物理形態(tài)半固態(tài)可塑狀態(tài)

流動狀態(tài)

強結(jié)合水膜最大出現(xiàn)自由水稠度狀態(tài)含水量ω半固態(tài)縮限ωs第58頁,共75頁，2024年2月25日，星期天1、界限含水量的測定方法（1）液限ωL錐式液限儀測定法：76g錘經(jīng)5s恰好沉入土10mm所對應(yīng)的含水量。碟式液限儀測定法：以2轉(zhuǎn)/秒的速度，使碟子反復(fù)起落，墜擊底座，當25擊V型土槽合攏長度恰好13mm所對應(yīng)的含水量。錐式液限儀碟式液限儀第59頁,共75頁，2024年2月25日，星期天（2）塑限ωp滾搓法：將天然濕度的土體在毛玻璃上搓成直徑為3mm

土條時，土條恰好產(chǎn)生裂縫并開始斷裂時的含水量。液、塑性聯(lián)合測定法：利用液、塑性聯(lián)合測定儀同時測定3份不同含水量的同一個土樣，得到圓錐下沉深度和含水量關(guān)系曲線，則曲線上對應(yīng)深度為10mm及2mm時土樣的含水量就分別為該土的液限和塑限。圓錐入土深度與含水量關(guān)系第60頁,共75頁，2024年2月25日，星期天2、塑性指數(shù)Ip和液性指數(shù)IL塑性指數(shù)的數(shù)值大小可反映粘性土可塑范圍的大小，塑性指數(shù)越大，表明粘性性土粘性和塑性越好（與粘粒含量有關(guān)，粘粒含量越多，吸附水的能力越大）；塑性指數(shù)Ip工程上常用塑性指數(shù)作為粘性土與粉土定名分類的依據(jù)缺點：不能充分反映粘土顆粒含量

不同的粘土礦物吸服水的能力不同第61頁,共75頁，2024年2月25日，星期天液性指數(shù)ILwpwwlIL<0IL=0~1IL>1堅硬狀態(tài)可塑狀態(tài)流態(tài)0.00~0.250.25~0.750.75~1.00硬塑可塑軟塑反映粘性土天然狀態(tài)的軟硬程度

工程上作為確定粘性土承載力的重要指標第62頁,共75頁，2024年2月25日，星期天3、粘性土的靈敏度和觸變性相同含水量、密度（1）粘性土的靈敏度—

St

=原狀土結(jié)構(gòu)性相同含水量密度粉碎重塑重塑土強度降低St1<St≤22<St≤4St>4粘性土低靈敏中等靈敏高靈敏原狀土的無側(cè)限抗壓強度重塑土的無側(cè)限抗壓強度第63頁,共75頁，2024年2月25日，星期天飽和粘性土受到擾動后，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，土的強度降低。當擾動停止后，土的強度隨時間又會逐漸恢復(fù)的現(xiàn)象，稱為觸變性。土的觸變性是土的結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)形態(tài)發(fā)生變化引起的，是土微觀結(jié)構(gòu)隨時間變化的宏觀表現(xiàn)。（2）粘性土的觸變性

第64頁,共75頁，2024年2月25日，星期天4、活動度活性指數(shù)p0.002:粒徑小于0.002mm顆粒的質(zhì)量占總土總質(zhì)量的百分比A<0.75A=0.75–1.25A>1.25非活性粘土正常粘土活性粘土粘性土的塑性指數(shù)與土中膠粒含量百分數(shù)的比值稱為活動度（活性指數(shù)）——反映粘性土中所含礦物的活動性

第65頁,共75頁，2024年2月25日，星期天§2.5地基巖土的工程分類分類依據(jù)：粘性土按塑性指數(shù)和沉積條件無粘性土按粒徑及相對含量評價巖土的工程性質(zhì)以及為地基基礎(chǔ)的設(shè)計與施工提供依據(jù)本節(jié)主要介紹《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB5007-2010）分類法

土巖石分類碎石土分類砂土分類粉土分類塑性指數(shù)Ip≤10，粒徑＞0.075顆粒含量不超過50％粘性土分類塑性指數(shù)Ip≥10的土填土分為雜填土，素填土，沖填土分類目的：第66頁,共75頁，2024年2月25日，星期天巖土分類的基本原則：（1）分類體系采用的指標，要既能綜合反映土的主要工程性質(zhì)，又能便于測定且使用方便；（2）分類體系采用的指標在一定程度上能反映土在不同用途和不同工作條件下的不同特性；（3）分類體系要有一定的科學邏輯性，不僅要自成體系，綱目分明，而且要簡單易記，便于應(yīng)用。第67頁,共75頁，2024年2月25日，星期天1、巖石按成因分類巖漿巖沉積巖變質(zhì)巖按堅硬程度分類按完整程度分類第68頁,共75頁，2024年2月25日，星期天2、碎石土土的名稱顆粒形狀粒組含量漂石塊石圓形及亞圓形為主棱角形為主粒徑大于200mm的顆粒超過全質(zhì)量50%卵石碎石圓形及亞圓形為主棱角形為主圓形及亞圓形為主棱角形為主圓礫角礫粒徑大于20mm的顆粒超過全質(zhì)量50%粒徑大于2mm的顆粒超過全質(zhì)量5