01土的物理性质及工程分类

湖南工业大学土木工程学院土力学SoilMechanics湖南工业大学土木工程学院第2章土的物理性质及工程分类1.土的组成与土的结构构造2.土的物理性质指标3.土的物理状态指标4.土(岩)的工程分类5.土的压实性湖南工业大学土木工程学院土的物理性质概述岩石岩石破碎化学成分改变大小、形状和成分都不相同的松散颗粒集合体（土）土固相液相气相土中颗粒的大小、成分及三相之间的相互作用和比例关系，反映出土的不同性质。风化（物理、化学）作用搬运沉积湖南工业大学土木工程学院§2.1土的组成及其结构与构造一、土的固相土粒的大小、相关矿物成分以及大小搭配情况对土的物理力学性质有明显影响。1.土的颗粒级配工程上将各种不同的土粒按其粒径范围，划分为若干粒组，为了表示土粒的大小及组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量（即各粒组占土粒总量的百分数）来表示，称为土的颗粒级配。试验方法筛分法：适用于0.075mm≤d≤60mm比重计法：适用于d＜0.075mm湖南工业大学土木工程学院§1.1土的组成及其结构与构造筛分法用一套孔径不同的筛子，按从上至下筛孔逐渐减小放置。将事先称过质量的烘干土样过筛，称出留在各筛上的土质量，然后计算其占总土粒质量的百分数。比重计法利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同来确定小于某粒径的土粒含量。湖南工业大学土木工程学院§1.1土的组成及其结构与构造颗粒粒径级配曲线纵坐标表示小于某粒径的土粒含量百分比,横坐标表示土粒的粒径(对数坐标）湖南工业大学土木工程学院§1.1土的组成及其结构与构造颗粒级配的描述工程上常用不均匀系数Cu描述颗粒级配的不均匀程度。1060ddCuCu愈大，表示土粒愈不均匀。工程上把Cu＜5的土视为级配不良的土；Cu＞10的土视为级配良好的土。曲率系数Cc描述颗粒级配曲线整体形态，表明某粒组是否缺失情况。6010230dddCc对于砾类土或砂类土，同时满足Cu≥5和Cc=1～3时，定名为良好级配砂或良好级配砾。d10、d30、d60小于某粒径的土粒含量为10%、30%和60%时所对应的粒径湖南工业大学土木工程学院§1.1土的组成及其结构与构造2、土粒的矿物成分矿物成分取决于母岩的矿物成分和风化作用。原生矿物：由岩石经过物理风化形成，其矿物成分与母岩相同。次生矿物：岩石经化学风化后所形成的新的矿物，其成分与母岩不相同。例：石英、云母、长石等特征：矿物成分的性质较稳定，由其组成的土具有无粘性、透水性较大、压缩性较低的特点。例：粘土矿物有高岭石、伊利石、蒙脱石等特征：性质较不稳定，具有较强的亲水性，遇水易膨胀的特点。湖南工业大学土木工程学院§1.1土的组成及其结构与构造二、土中的水土中水的含量明显地影响土的性质(尤其是粘性土)。土中水除了一部分以结晶水的形式吸附于固体颗粒的晶格内部外，还存在结合水和自由水。1.结合水强结合水：紧靠于颗粒表面、所受电场的作用力很大、几乎完全固定排列、丧失液体的特性而接近于固体。弱结合水：紧靠强结合水的外围形成的结合水膜，所受的电场作用力随着与颗粒距离增大而减弱2.自由水存在于土粒电场影响范围以外，性质和普通水无异，能传递水压力，冰点为0℃，有溶解能力以两种形式存在：毛细水、重力水湖南工业大学土木工程学院§1.1土的组成及其结构与构造三、土中气体土中气体存在于土孔隙中未被水占据的部分，分为与大气连通的非封闭气体和与大气不连通的封闭气体。1.非封闭气体：受外荷作用时被挤出土体外，对土的性质影响不大。2.封闭气体：受外荷作用，不能逸出，被压缩或溶解于水中，压力减小时能有所复原，对土的性质有较大的影响，使土的渗透性减小，弹性增大和延长土体受力后变形达到稳定的历时。湖南工业大学土木工程学院§1.1土的组成及其结构与构造四、土的结构在成土过程中所形成的土粒的空间排列及其联结形式，与组成土的颗粒大小、颗粒形状、矿物成分和沉积条件有关1.单粒结构粗矿物颗粒在水或空气中在自重作用下沉落形成的单粒结构，其特点是土粒间存在点与点的接触。根据形成条件不同，可分为疏松状态和密实状态。密实状态疏松状态湖南工业大学土木工程学院§1.1土的组成及其结构与构造2.蜂窝结构颗粒间点与点接触，由于彼此之间引力大于重力，接触后，不再继续下沉，形成链环单位，很多链环联结起来，形成孔隙较大的蜂窝状结构。蜂窝结构絮状结构3.絮状结构细微粘粒大都呈针状或片状，质量极轻，在水中处于悬浮状态。当悬液介质发生变化时，土粒表面的弱结合水厚度减薄，粘粒互相接近，凝聚成絮状物下沉，形成孔隙较大的絮状结构。湖南工业大学土木工程学院§1.1土的组成及其结构与构造四、土的构造土的构造是指土体中各结构单元之间的关系。主要特征是土的成层性和裂隙性,即层理构造和裂隙构造，二者都造成了土的不均匀性。1.层理构造土粒在沉积过程中,由于不同阶段沉积的物质成分、颗粒大小或颜色不同,而沿竖向呈现出成层特征。2.裂隙构造土体被许多不连续的小裂隙所分割,在裂隙中常充填有各种盐类的沉淀物。湖南工业大学土木工程学院§1.2土的物理性质指标一、土的三相图气水土粒msmwmVsVwVVa质量m体积V1.土的密度ρ：单位体积土的质量awswsVVVmmVm工程中常用重度来表示单位体积土的重力g重力加速度，近似取10m/s22.土粒相对密度Gs（土粒比重）：土粒质量与同体积的4℃时纯水的质量之比ssssVmG土粒相对密度变化范围不大：细粒土（粘性土）一般2.70～2.75；砂土一般为2.65左右。土中有机质含量增加，土粒相对密度减小。Vv二、直接测定指标湖南工业大学土木工程学院§1.2土的物理性质指标气水土粒msmwmVsVwVVa质量m体积VVv3.土的含水量ω：土中水的质量与土粒质量之比，以百分数表示%100%100sssmmmmm土的含水量是标志土含水程度的一个重要物理指标。天然土层含水量变化范围较大，与土的种类、埋藏条件及其所处的自然地理环境等有关。测定方法：通常用烘干法，亦可近似用酒精燃烧法。湖南工业大学土木工程学院§1.2土的物理性质指标气水土粒msmwmVsVwVVa质量m体积VVv四、指标间的换算土的三相指标中，土粒比重Gs，含水量ω和密度ρ是通过试验测定的，可以根据三个基本指标换算出其余各指标：eGVmws1)1(11eGVmwssd换算关系式：1)1(1wsdwsGGeeeGVVmwswVssat1)(eGwssat1)1(eeVVnV1eGVmVVSsWVwVwr推导：湖南工业大学土木工程学院§1.3土的物理状态指标一、无粘性土的密实度土的密实度指单位体积土中固体颗粒的含量。根据土颗粒含量的多少，天然状态下的砂、碎石等处于从紧密到松散的不同物理状态。无粘性土的密实度与其工程性质有着密切关系。1.孔隙比e孔隙比e可以用来表示砂土的密实度。对于同一种土，当孔隙比小于某一限度时，处于密实状态。孔隙比愈大，土愈松散2.相对密实度DrminmaxmaxeeeeDr砂土在天然状态下孔隙比砂土在最密实状态时的孔隙比砂土在最松散状态时的孔隙比湖南工业大学土木工程学院§1.3土的物理状态指标当Dr=0时，e=emin，表示土处于最疏松状态;当Dr=1.0时，e=emax，表示土体处于最密实状态Dr≤1/3疏松状态1/3＜Dr≤2/3中密状态2/3＜Dr≤1密实状态天然砂土的密实度，可按原位标准贯入试验的锤击数N进行评定。天然碎石土的密实度，可按原位重型圆锥动力触探的锤击数N63.5进行评定(GB50007-2002)密实度按N评定砂石密实度按N63.5评定碎石土密实度松散稍密中密密实N≤10N63.5≤510＜N≤155＜N63.5≤1015＜N≤3010＜N63.5≤20N＞30N63.5＞203.按动力触探确定无粘性土的密实度湖南工业大学土木工程学院§1.3土的物理状态指标二、粘性土的稠度1.粘性土的稠度状态稠度是指土的软硬程度或土受外力作用所引起变形或破坏的抵抗能力,是粘性土最主要的物理状态特征。0固态或半固态可塑状态流动状态ω塑限ωP液限ωL粘性土由某一种状态过渡到另一状态的界限含水量称为土的稠度界限。液塑限测定根据《土工试验规程》(SL237-007-1999)规定，采用液塑限联合测定仪进行测定。湖南工业大学土木工程学院§1.3土的物理状态指标液塑限联合测定仪下沉深度为17mm所对应的含水量为液限;下沉深度为2mm处所对应的含水量为塑限。湖南工业大学土木工程学院§1.3土的物理状态指标2.粘性土的塑性指数和液性指数塑性指数IP是液限和塑限的差值(省去%)，即土处在可塑状态的含水量变化范围说明：塑性指数的大小取决于土颗粒吸附结合水的能力,即与土中粘粒含量有关。粘粒含量越多,塑性指数就越高说明：液性指数表征土的天然含水量与界限含水量间的相对关系。当IL≤0时,ω≤ωP,土处于坚硬状态;当IL＞1时,ω＞ωL,土处于流动状态。根据IL值可以直接判定土的软硬状态PLpI液性指数IL是粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比PPLII状态液性指数坚硬硬塑可塑软塑流塑IL≤00＜IL≤0.250.25＜IL≤0.750.75＜IL≤1IL＞1湖南工业大学土木工程学院§1.4土（岩）的工程分类一、分类的目的和原则土的分类体系就是根据土的工程性质差异将土划分成一定的类别，目的在于通过通用的鉴别标准，便于在不同土类间作有价值的比较、评价、积累以及学术与经验的交流。分类原则：1.分类要简明，既要能综合反映土的主要工程性质，又要测定方法简单，使用方便。2.土的分类体系所采用的指标要在一定程度上反映不同类工程用土的不同特性。湖南工业大学土木工程学院§1.4土（岩）的工程分类二、分类体系与方法分类体系：1.建筑工程系统分类体系2.工程材料系统分类体系侧重把土作为建筑地基和环境，研究对象为原状土，例如：《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)地基土分类方法侧重把土作为建筑材料，用于路堤、土坝和填土地基工程。研究对象为扰动土，例如：《土的分类标准》(GBJ145-90)工程用土的分类和《公路土工试验规程》(JTJ051-93)土的工程分类湖南工业大学土木工程学院§1.4土（岩）的工程分类分类方法：1.《建筑地基基础设计规范》(GB50007－2002)根据土粒大小、粒组的土粒含量或土的塑性指数把地基土（岩）分为岩石、碎石土、砂土、粉土和粘性土五大类。a.岩石的分类颗粒间牢固粘结,呈整体或具有节理隙的岩体称为岩石，坚硬程度可根据岩块的饱和单轴抗压强度frk分类坚硬程度类别饱和单轴抗压强度frk(Mpa)坚硬岩较硬岩较软岩软岩极软岩30＜frk≤60frk＞6015＜frk≤305＜frk≤15frk≤5b.碎石土的分类粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50%的土称为碎石土。湖南工业大学土木工程学院§1.4土（岩）的工程分类c.砂土的分类粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50%的土，且粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50%的土称为砂土土的名称漂石块石卵石碎石圆砾角砾颗粒形状圆形及亚圆形为主棱角形为主圆形及亚圆形为主棱角形为主圆形及亚圆形为主棱角形为主颗粒级配粒径大于200mm的颗粒含量超过全重50％粒径大于20mm的颗粒含量超过全重50％粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50％注：定名时应根据颗粒级配由大到小以最先符合者确定碎石土的分类湖南工业大学土木工程学院§1.4土（岩）的工程分类d.粉土的分类粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50%，塑性指数IP≤10的土称为粉土。土的名称砾砂粗砂中砂细砂粉砂颗粒级配粒径大于2mm的颗粒含量占全重25％～50％注：定名时应根据颗粒级配由大到小以最先符合者确定粒径大于0.5mm的颗粒含量超过全重50％粒径大于0.25mm的颗粒含量超过全重50％粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重85％粒径大于0