2土的物理性質(zhì)指標(biāo)與工程分類省公開課一等獎全國示范課微課金獎?wù)n件

第2章土物理性質(zhì)與工程分類第1頁主要內(nèi)容土形成與特征土三相組成土物理性質(zhì)指標(biāo)土物理狀態(tài)指標(biāo)地基土工程分類第2頁第1節(jié)土形成與特征一、土生成：土是指覆蓋在地表渙散顆粒堆積物，是巖石風(fēng)化產(chǎn)物。巖石風(fēng)化分為物理風(fēng)化、化學(xué)風(fēng)化和生物風(fēng)化。物理風(fēng)化：巖石經(jīng)受風(fēng)、霜、雨、雪侵蝕，或受波浪沖擊、地震等引發(fā)各種力作用，溫度改變、凍脹等原因使整體巖石產(chǎn)生裂隙、崩解碎裂成巖塊、巖屑過程。第3頁物理風(fēng)化第4頁第5頁第6頁第7頁第8頁化學(xué)風(fēng)化：巖體（或巖塊、巖屑）與氧氣、二氧化碳等各種氣體、水和各種水溶液等物質(zhì)相接觸，經(jīng)氧化、碳化和水化作用，使這些巖石或巖屑逐步產(chǎn)生化學(xué)改變，分解為極細(xì)顆粒過程。第9頁化學(xué)風(fēng)化第10頁第11頁生物風(fēng)化作用1、生物機械風(fēng)化作用2、生物化學(xué)風(fēng)化作用第12頁生物風(fēng)化作用第13頁二、土結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)：1.土結(jié)構(gòu)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單粒結(jié)構(gòu)，其特點是土粒間存在點與點接觸。依據(jù)形成條件不一樣，可分為疏松狀態(tài)和密實狀態(tài)。密實狀態(tài)疏松狀態(tài)第14頁

蜂窩狀結(jié)構(gòu)：顆粒間點與點接觸，因為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，形成孔隙較大蜂窩狀結(jié)構(gòu)。蜂窩結(jié)構(gòu)第15頁

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)生改變時，土粒表面弱結(jié)合水厚度減薄，粘粒相互靠近，凝聚成絮狀物下沉，形成孔隙較大絮狀結(jié)構(gòu)。絮狀結(jié)構(gòu)角、邊與面接觸時凈引力最大，所以絮狀結(jié)構(gòu)特征是土粒之間以角、邊與面接觸或邊與邊搭接形式為主。土粒呈任意排列，含有較大孔隙，其強度低，壓縮性高，對擾動比較敏感。第16頁2.土結(jié)構(gòu)土結(jié)構(gòu)是指同一土層中成份和大小都相近顆?；蝾w粒集合體相互關(guān)系特征。土結(jié)構(gòu)是在土生成過程和各種地質(zhì)原因作用下形成，普通分為：1）層狀結(jié)構(gòu)2）分散結(jié)構(gòu)3）裂隙結(jié)構(gòu)第17頁2.土結(jié)構(gòu)⑴層狀結(jié)構(gòu)⑵分散結(jié)構(gòu)⑶裂隙結(jié)構(gòu)第18頁三.土特征1.壓縮性大反應(yīng)壓縮性大小指標(biāo)是彈性模量（土稱為變形模量），隨材料不一樣而有很大差異。當(dāng)應(yīng)力與材料厚度相同時，飽和細(xì)砂壓縮性比C20混凝土大1600倍以上，而黏性土壓縮性比飽和細(xì)砂還要大。2.強度低土粒間摩擦力和黏聚力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于建筑材料本身強度，所以，土強度比其它建筑物材料低得多。3.透水性大因為土顆粒間有大量孔隙，孔隙是透水，所以土透水性很大。第19頁四.土工程性質(zhì)土工程性質(zhì)：是指土與水相互作用表現(xiàn)出來一些性質(zhì)（如塑性、脹縮性、崩解性等）、土體積改變、土強度、應(yīng)力應(yīng)變性能、土滲透性。土工程性質(zhì)取決于成份原因和環(huán)境原因。成份原因決定土工程性質(zhì)可能改變范圍，而環(huán)境原因則確定了土工程性質(zhì)改變趨勢和實際量。第20頁五.土生成條件與特征關(guān)系1.搬運沉積條件搬運沉積條件不一樣形成土工程性質(zhì)也不一樣。比如：河流沖積形成卵石層，其工程性質(zhì)非常好，普通可作為天然建筑物地基；而經(jīng)風(fēng)力搬運、沉積風(fēng)積層（如粉細(xì)砂），工程性質(zhì)差，壓縮性大，未經(jīng)處理普通不能作為建筑物地基。2.沉積年代普通而言，沉積年代越長，土工程性質(zhì)越好。3.沉積自然地理環(huán)境土生成自然地理環(huán)境不一樣，其工程性質(zhì)差異也很大。比如：沿海軟土、西北濕陷性黃土、西南紅粘土都有特殊工程性質(zhì)。第21頁第2節(jié)土組成土是固體顆粒、水和空氣混合物，常稱為三相系。固相:土顆粒，組成土骨架；液相:土體孔隙中水及其溶解物；氣相:孔隙中空氣固相氣相液相第22頁土按孔隙中被水充滿程度分為飽和土、干土和濕土。當(dāng)土骨架孔隙全部被水占滿時，這種土稱為飽和土；當(dāng)土骨架孔隙僅含空氣時，就成為干土；普通在地下水位以上地面一下一定深度內(nèi)土孔隙中兼含空氣和水，此時土體屬三相系，稱為濕土。第23頁一、土固相（一）固體顆粒礦物成份成土礦物包含原生礦物和次生礦物及有機質(zhì)。原生礦物：由巖石經(jīng)物理風(fēng)化生成土粒，如石英、長石、云母。顆粒普通較粗，多呈渾圓形、塊狀或板狀，吸附水能力弱，性質(zhì)比較穩(wěn)定，無塑性。砂粒普通由石英組成，其次是長石和云母。第24頁第25頁次生礦物：由原生礦物經(jīng)化學(xué)風(fēng)化作用而形成新礦物，主要是粘土礦物，如高嶺石、伊利石和蒙脫石。顆粒極細(xì)，且多呈片狀，性質(zhì)活潑，有較強吸附水能力，具塑性。粘粒中常包含由次生礦物組成極細(xì)顆粒。其結(jié)構(gòu)分為晶體和非晶體，以晶體礦物為主第26頁蒙脫石第27頁土中有機質(zhì)是動植物殘骸和微生物以及他們各種分解和合成產(chǎn)物。有機質(zhì)會造成土塑性增強，壓縮性增高，滲透性減小，強度降低。普通情況，土中有機質(zhì)含量超出1%時，采取堆載預(yù)壓和水泥土攪拌法進行地基處理不會取得顯著改良效果第28頁（二）固體顆粒粒組及其劃分土粒大小在某種程度上反應(yīng)了土粒性質(zhì)上差異，土粒大小通常是以粒徑來表示。粒組：把大小相近土粒合并為一組，稱為粒組粒組含量：該粒組中土粒質(zhì)量與干土總質(zhì)量之比土級配：土中各粒組相對含量。粘粒粉粒砂粒礫碎石塊石0.0050.075260200巨粒組粗粒組細(xì)粒組第29頁（三）粒度成份分析方法慣用方法：篩分法（粒徑大于0.075mm）和靜水沉降分析法（粒徑小于0.075mm）。第30頁⑴篩分法：di>0.075mm利用一套孔徑由大到小篩子，將按要求方法取得一定質(zhì)量干試樣放入依次疊好篩中，置振篩機上充分振搖后，稱出留在各級篩上土粒質(zhì)量，按下式計算出小于某土粒粒徑土粒含量百分?jǐn)?shù)X：式中：mi，m分別為小于某粒徑土粒質(zhì)量及試樣總質(zhì)量第31頁利用不一樣大小土粒在水中沉降速度不一樣來確定小于某粒徑土粒含量方法。依據(jù)水力學(xué)Stokes定律，即球狀細(xì)顆粒在水中下沉速度與顆粒直徑平方成正比。⑵靜水沉降分析法(di<0.075mm)第32頁四）粒度成份表示方法⑴列表法：將粒度分析結(jié)果，用表格形式表示。這種方法能夠清楚地用數(shù)量說明土樣各粒組含量，但當(dāng)土樣數(shù)量較多時，不能取得較為直觀結(jié)果。第33頁四）粒度成份表示方法2、累計曲線法1）粒徑分布曲線(慣用)2）粒組頻率曲線(不慣用)第34頁顆粒分析試驗曲線主要用途按粒徑分布曲線可求得:1)土中各粒組含量，用于粗粒土分類和大致評定土工程性質(zhì)；2)一些特征粒徑，用于建筑材料選擇和評價土級配好壞。依據(jù)一些特征粒徑，可得到兩個有用指標(biāo)，即不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc，它們定義為：第35頁不均勻系數(shù)Cu曲率系數(shù)Cc式中:d10,d30和d60為粒徑分布曲線上小于某粒徑土粒含量分別為10%,30%和60%時所對應(yīng)粒徑。d10稱為有效粒徑；d60稱為限制粒徑。第36頁土級配好壞可由土中土粒均勻程度和粒徑分布曲線形狀來決定，而土粒均勻程度和曲線形狀又可用不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)來衡量。不均勻系數(shù)Cu大小可用來衡量土顆粒離散程度，Cu愈大，表示土粒愈不均勻。對于礫類土或砂類土，同時滿足Cu≥5和Cc=1～3時，它級配是良好；不能同時滿足上述條件時，它級配是不良。第37頁第38頁二、土中水（液相）1.結(jié)合水由土顆粒表面電分子力吸附在土粒表面一層水。

1）強結(jié)合水（吸著水）：性質(zhì)靠近于固體，密度大、冰點低、沸點高，含有較大黏滯性、彈性、抗剪強度，且不能傳遞靜水壓力；

2）弱結(jié)合水（薄膜水）：不導(dǎo)電，冰點低于0℃。與強結(jié)合水相比，密度較低但仍比普通液態(tài)水大；具較高粘滯性、彈性、抗剪強度。不能傳遞壓力，也不能在孔隙水中自由流動，但它能夠因電場引力作用從水膜厚地方向水膜薄地方轉(zhuǎn)移。因為它存在，使土含有塑性、粘性、影響土壓縮性和強度，并使土透水性變小。第39頁2.毛細(xì)水毛細(xì)水：在土細(xì)小孔隙中由毛細(xì)力作用（土粒分子引力和水與空氣交界面處表面張力共同作用）、存在于地下水位以上過渡類型水。對土工程性質(zhì)影響：⑴在非飽和砂類土中，土粒間可產(chǎn)生微弱毛細(xì)水聯(lián)結(jié)，增加土強度。土粒土粒彎液面孔隙水第40頁2.毛細(xì)水⑵當(dāng)毛細(xì)水上升靠近建筑物基礎(chǔ)底面時，毛細(xì)壓力將作為基底附加壓力增值，從而增加建筑物沉降量。⑶當(dāng)毛細(xì)水上升至地表時，不但能引發(fā)沼澤化、鹽漬化，也會使地基、路基土浸濕，降低土力學(xué)強度；在嚴(yán)寒地域，還將加劇凍脹作用。第41頁3.重力水

重力水也稱自由水，存在于較粗大孔隙（如中粗砂、卵礫石土中孔隙）中，含有自由活動能力，在重力作用下能自由流動。

特點：含有溶解能力（化學(xué)潛蝕），能傳遞靜水和動水壓力（機械潛蝕），對土顆粒有浮力作用。當(dāng)它在土孔隙中流動時，對所流經(jīng)土體施加滲流力（亦稱動水壓力、滲透力），計算中應(yīng)考慮其影響。土中水，普通認(rèn)為不能承受剪力，但能承受壓力和一定吸力，且在通常壓力范圍內(nèi)，認(rèn)為其不可壓縮。第42頁4.氣態(tài)水和固態(tài)水1）氣態(tài)水：以水汽狀態(tài)存在，從氣壓高地方向氣壓低地方移動。水氣可在土粒表面凝聚并轉(zhuǎn)化為其它各種類型水。氣態(tài)水遷移和聚集使土中水和氣體分布情況發(fā)生改變，從而改變土性質(zhì)。2）固態(tài)水：當(dāng)溫度低于0℃時，孔隙中自由水凍結(jié)呈固態(tài)，以冰形式存在。第43頁三、土氣相存在土中氣體分為兩種基本類型：一個是與大氣連通氣體；另一個是與大氣不連通以氣泡形式存在封閉氣體。若土飽和度低，土中氣體就與大氣相通，當(dāng)土受到外力時，氣體很快從孔隙中排出，普通對土工程性質(zhì)影響不大。但若土飽和度很高，土中出現(xiàn)封閉氣泡時，外力將引發(fā)氣泡壓縮，而一旦外力除去或孔隙水排出，氣泡就膨脹。因而，封閉氣泡對土工程性質(zhì)影響較大。第44頁第3節(jié)土物理性質(zhì)指標(biāo)AirWaterSoilParticlesma=0mwmsmVaVwVsVvV第45頁土物理性質(zhì)指標(biāo)就是表示土中三相百分比關(guān)系一些物理量。可分為兩類：一類是必須經(jīng)過試驗測定，如含水率、密度和土粒比重，稱為直接指標(biāo)；另一類是依據(jù)直接指標(biāo)換算，如孔隙比、孔隙率、飽和度等稱為間接指標(biāo)。第46頁一、試驗直接測定物理性質(zhì)指標(biāo)（一）土密度ρ與重度γ

土密度定義為單位體積土質(zhì)量，表示式為：對于粘性土，土密度慣用環(huán)刀法測定。第47頁土重度亦稱為容重，定義為單位體積土重量，用γ表示，單位為kN/m3。表示式為：式中：G——土重量，單位為kN；

g——重力加速度。第48頁（二）土粒比重ds（土粒相對密度）土粒比重定義為土粒質(zhì)量(或重量)與同體積4℃時純水質(zhì)量(或重量)之比(無因次)，其表示式為：式中：ρs——土粒密度，即土粒單位體積質(zhì)量；(ρs)4℃——4℃時純水密度，1g/cm3(γw)4℃——4℃時純水重度?；虻?9頁土粒比重慣用比重瓶法測定，事先將比重瓶注滿純水，稱瓶加水質(zhì)量。然后把烘干土若干克裝入該空比重瓶內(nèi)，再加純水至滿，稱瓶加土加水質(zhì)量，按下式計算土粒比重：式中：m1——瓶加水質(zhì)量；

m2——瓶加土加水質(zhì)量；

ms——烘干土質(zhì)量。第50頁（三）土含水率土含水率，曾稱為含水量，定義為土中水質(zhì)量與土粒質(zhì)量之比，以百分?jǐn)?shù)表示，其表示式為：測定含水率慣用方法是烘干法，先稱出天然土質(zhì)量，然后放在烘箱中，在100℃～105℃常溫下烘干，稱得干土質(zhì)量，按上式可算得。第51頁二、間接換算物理性質(zhì)指標(biāo)（一）土孔隙比e定義：土中孔隙體積與土粒體積之比，以小數(shù)表示，其表示式為（二）土孔隙率n定義：土中孔隙體積與土總體積之比，或單位體積內(nèi)孔隙體積，以百分?jǐn)?shù)表示，其表示式為：第52頁（三）土飽和度Sr定義：土中孔隙水體積與孔隙體積之比，以百分?jǐn)?shù)表示，其表示式為：飽和度描述土中孔隙被水充滿程度。干土Sr=0,飽和土Sr=100%。

第53頁（四）干密度ρd與干重度γd土干密度：單位體積內(nèi)土粒質(zhì)量，表示式：土干重度：單位體積內(nèi)土粒重量，表示式為土烘干，體積要減小，因而，土干密度不等于烘干土密度。土干密度或干重度也是評定土密實程度指標(biāo)，干密度或干重度愈大表明土愈密實，反之愈疏松。第54頁（五）飽和密度ρsat與飽和重度γsat飽和密度定義：土中孔隙完全被水充滿，土處于飽和狀態(tài)時單位體積土質(zhì)量。表示式為：在飽和狀態(tài)下，單位體積土重量稱為飽和重度，其表示式為：第55頁（六）浮密度ρ’與浮重度（有效重度）γ’土在水下，受到水浮力作用，其有效重量減小，所以提出了浮重度，即有效重度概念，其表示式為：與其對應(yīng)，提出了浮密度概念，土浮密度是單位體積內(nèi)土粒質(zhì)量與同體積水質(zhì)量之差，其表示式為：或第56頁從上述四種土密度或重度定義可知，同一土樣各種密度或重度在數(shù)值上有以下關(guān)系慣用土物理指標(biāo)共有九個（土密度、土粒比重、含水率、孔隙比、孔隙率、飽和度、干密度、飽和密度、飽和密度）。已知其中任意三個，經(jīng)過換算能夠求出其余六個。第57頁指標(biāo)換算

直接測定指標(biāo)換算指標(biāo)

利用三相圖換算指標(biāo)，就是利用已知指標(biāo)計算出三相草圖中各相數(shù)值，再依據(jù)所求指標(biāo)定義直接計算。實際上，因為三相量指標(biāo)都是相正確百分比關(guān)系，不是絕正確量值，因此，為了簡化計算，經(jīng)常能夠假設(shè)三相值為1個單位，實用上最慣用假設(shè)VS=1.0m3（或cm3）或V=1.0m3（或cm3）進行計算。例題2-4表2-4第58頁第四節(jié)土物理狀態(tài)指標(biāo)

一、無黏性土密實度

砂土、碎石土統(tǒng)稱無黏性土，反應(yīng)這類土工程性質(zhì)主要指標(biāo)是密實度。砂土密實狀態(tài)能夠分別用孔隙比e、相對密度Dr、和標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)N進行評價。

1.天然孔隙比e

采取天然孔隙比e大小來判別砂土密實度，是一個較簡單方法。但不足之處是它不能反應(yīng)砂土級配和顆粒形狀影響。

第59頁2.用相對密實度Dr表示砂土密實程度:

討論：e→emax時,Dr→0;

e→emin時,Dr→1.0。第60頁3.標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗錘擊數(shù)N第61頁二、粘性土稠度（一）粘性土稠度狀態(tài)稠度指粘性土干濕程度或在某一含水率下抵抗變形或破壞能力，是粘性土最主要物理狀態(tài)指標(biāo)。剛沉積粘土含有液體泥漿那樣稠度，為極易流動流動狀態(tài)；但伴隨土體含水率減小，體積收縮，從而喪失其流動能力，進入可塑狀態(tài)；第62頁若含水率繼續(xù)減小，粘土在外力作用下易于碎裂，粘土已進入半固體狀態(tài)；最終，即使粘土深入減小含水率，而它體積也不再收縮，粘土就進入固體狀態(tài)。

可塑性：土在外力作用下可改變形狀但不顯著改變其體積也不開裂，外力卸除厚仍能保持已經(jīng)有形狀。第63頁（二）界限含水率及其測定1.界限含水率粘性土從一個狀態(tài)過渡到另一個狀態(tài)，可用界限含水率來區(qū)分，這種界限含水率稱為稠度界限或阿太堡界限。液限(WL)—從流動狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭伤軤顟B(tài)界限含水率，也就是可塑狀態(tài)上限含水率；塑限(Wp)—從可塑狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘牍腆w狀態(tài)界限含水率，也就是可塑狀態(tài)下限含水率；第64頁縮限(Ws)—從半固體狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w狀態(tài)界限含水率，亦即粘性土體積開始不隨含水率減小改變含水率。2.液、塑限測定測定塑限方法：搓滾法和液塑限聯(lián)合測定法。測定液限方法：碟式儀法和液塑限聯(lián)合測定法測定縮限方法：收縮皿法，把土料含水率調(diào)制到大于土液限，然后將試樣分層填入收縮皿中，刮平表面，烘干，測出干試樣體積并稱量準(zhǔn)確至0.1g后，按下式計算：第65頁液塑限聯(lián)合測定儀下沉深度為17mm所對應(yīng)含水量為液限;下沉深度為2mm處所對應(yīng)含水量為塑限第66頁式中：ws—土縮限；

w—制備時含水率；

V1—濕試樣體積；

V2——干試樣體積。第67頁（三）塑性指數(shù)和液性指數(shù)1.塑性指數(shù)塑性指數(shù)：液限和塑限之差百分?jǐn)?shù)值(去掉百分號),用Ip表示，取整數(shù)，即：塑性指數(shù)表示土處于可塑狀態(tài)含水率改變范圍，是衡量土可塑性大小主要指標(biāo)。塑性指數(shù)值越高，土粘粒含量越高，結(jié)合水能力越強。第68頁2.液性指數(shù)定義式為：式中：IL—液性指數(shù),以小數(shù)表示;w—土天然含水率。液性指數(shù)表征了土天然含水率與界限含水率之間相對關(guān)系，表示了天然土所處稠度狀態(tài)。當(dāng)w≤wp時，IL≤0，土處于堅硬狀態(tài)；

wp＜w≤wL時，0＜IL≤1.0，土處于可塑狀態(tài)；

wL＜w時，IL＞1.0，土處于流動狀態(tài)。第69頁第5節(jié)地基土工程分類粗粒土按顆粒組成進行分類粘性土按塑性指數(shù)分類。粘粒粉粒砂粒礫碎石塊石0.0050.075260200巨粒組粗粒組細(xì)粒組第70頁第71頁一、《土分類標(biāo)準(zhǔn)》（一）巨粒土和含巨粒土分類：巨粒土和含巨粒土應(yīng)按試樣中所含粒徑大于60mm巨粒組含量來劃分