1土的物理性质与工程分类

课内教学环节课堂讲授(16次34学时)习题讨论课(3次6学时)实验课(3次8学时)合计48学时学校通知：……9月28日（星期日）改上10月7日（星期二）的课……本课程安排：1、9月28日（星期日）的课调换至其它时间；2、9月23日（星期二）的课增加1学时至3学时；3、所缺另外1学时以后适当时机补上。提醒请同学们上教育在线2003年版进行土力学实验预习土的物理性质与工程分类第一章对土的特点进行详细解释和定量描述本章特点:看起来零散学习要点:理清各节间联系各节内层次§1土的物性与分类土的形成渗透特性变形特性强度特性土的三相组成土的物理状态土的结构土的工程分类土的压实性决定影响§1土的物性与分类§1.1土的形成§1.2土的三相组成§1.3土的物理状态§1.4土的结构§1.5土的工程分类§1.6土的压实性§1.1土的形成土是岩石经过风化后在不同条件下形成的自然历史的产物搬运、沉积§1土的物性与分类形成过程形成条件物理力学性质风化岩石地球土地球影响生物风化物理风化化学风化量变无粘性土原生矿物质变粘性土次生矿物动植物的活动§1土的物性与分类一.风化有机质§1.1土的形成岩石和土的粗颗粒受各种气候因素的影响产生胀缩而发生裂缝,或在运动过程中因碰撞和摩擦而破碎母岩表面和碎散的颗粒受环境因素的作用而改变其矿物的化学成分，形成新的矿物二.搬运与沉积残积土无搬运运积土有搬运土质较好§1土的物性与分类残积土强风化弱风化微风化母岩体颗粒表面粗糙多棱角粗细不均无层理§1.1土的形成母岩表层经风化作用破碎成岩屑或细小颗粒后，未经搬运残留在原地的堆积物风化所形成的土颗粒，受自然力的作用搬运到远近不同的地点所沉积的堆积物2.搬运与沉积运积土有搬运风：风积土§1土的物性与分类重力:坡积土流水:洪积土冲积土湖泊沼泽沉积土海相沉积物冰川:冰积土§1.1土的形成土粒粗细不同，性质不均匀有分选性，近粗远细浑圆度分选性明显，土层交迭含有机物淤泥，土性差颗粒细，表层松软，土性差土粒粗细变化较大，性质不均匀颗粒均匀，层厚而不具层理§1.2土的三相组成气相固相液相++构成土骨架，起决定作用重要影响土体§1土的物性与分类次要作用一.固体颗粒物理状态力学特性粒径级配§1土的物性与分类§1.2土的三相组成矿物成分颗粒形状1.粒径级配一.固体颗粒§1土的物性与分类§1.2土的三相组成颗粒大小各粒径成分在土中占的比例狭义的粒径级配影响土性的主因颗粒大小•粒组按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类•界限粒径一.固体颗粒dmm卵石砾石砂粒粉粒粘粒胶粒6020.050.0050.0020.250.5520粗中细粗中细极细0.1粗粒土细粒土§1土的物性与分类§1.2土的三相组成粒径级配•确定方法筛分法：适用于粗粒土(0.1mm)水分法：适用于细粒土(0.1mm)——各粒组的相对含量，用质量百分数来表示•表述方法粒径级配累积曲线§1土的物性与分类一.固体颗粒§1.2土的三相组成一.固体颗粒§1土的物性与分类105.02.01.00.50.250.1200g101618242238721009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数P（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)§1.2土的三相组成P%958778665536土的粒径级配累积曲线水分法粒径(mm)0.050.010.005百分数P(%)2613.510一.固体颗粒§1土的物性与分类§1.2土的三相组成1009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)土的粒径级配累积曲线d60d50d10d30d60d10d30CuCc0.330.0050.063662.41特征粒径:d50:平均粒径d60:控制粒径d10:有效粒径d30;不均匀程度：Cu=d60/d10连续程度:Cc=d302/(d60×d10)—曲率系数—不均匀系数Cu≥5,级配不均匀粗细程度：用d50表示一.固体颗粒§1土的物性与分类§1.2土的三相组成1009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)土的粒径级配累积曲线d60d10d30曲线d60d10d30CuCcL0.330.0050.081663.98M0.0632.41R0.0300.545斜率:某粒径范围内颗粒的含量陡—相应粒组质量集中缓--相应粒组含量少平台--相应粒组缺乏连续程度:Cc=d302/(d60×d10)—曲率系数较大颗粒缺少Cc减小较小颗粒缺少Cc增大Cc=1~3,级配连续性好粒径级配粒径级配累积曲线及指标的用途：1）粒组含量用于土的分类定名；2）不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度：Cu≥5,不均匀土；Cu5,均匀土3）曲率系数Cc用于判定土的连续程度：Cc=1~3,级配连续土；Cc3或Cc1,级配不连续土4）不均匀系数Cu和曲率系数Cc用于判定土的级配优劣：如果Cu≥5且Cc=1~3，级配良好的土；如果Cu5或Cc3或Cc1,级配不良的土§1土的物性与分类一.固体颗粒§1.2土的三相组成2.矿物成分原生矿物石英、长石、云母等次生矿物主要是粘土矿物，包括三种类型高岭石、伊里石、蒙脱石§1土的物性与分类一.固体颗粒§1.2土的三相组成粘土矿物:由硅片和铝片构成的晶包所组合而成§1土的物性与分类一.固体颗粒§1.2土的三相组成硅片的结构§1土的物性与分类一.固体颗粒§1.2土的三相组成铝片的结构§1土的物性与分类一.固体颗粒§1.2土的三相组成粘土矿物的晶格构造高岭石蒙脱石伊利石粒径比表面积胀缩性渗透性强度压缩性大10-20m2/g小大大小中80-100m2/g中中中中小800m2/g大小小大比表面积：单位质量土颗粒所拥有的总表面积9克蒙脱土的总表面积大约与一个足球场一样大§1土的物性与分类一.固体颗粒§1.2土的三相组成粘土矿物的带电性质研究表明：粘土颗粒的表面电荷，净电荷通常为负电荷3.颗粒形状•原生矿物圆状、浑圆状、棱角状•次生矿物针状、片状、扁平状§1土的物性与分类一.固体颗粒§1.2土的三相组成结晶水矿物内部的水结合水吸附在土颗粒表面的水自由水电场引力作用范围之外的水土中冰由自由水冻成，冻胀融陷§1土的物性与分类§1.2土的三相组成二.土中水（液相）§1土的物性与分类§1.2土的三相组成二.土中水结合水•排列致密、定向性强•密度1g/cm3•冰点处于零下几十度•具有固体的的特性•温度高于100°C时可蒸发强结合水•位于强结合水之外，电场引力作用范围之内•外力作用下可以移动•不因重力而移动，有粘滞性弱结合水自由水重力水毛细水在重力作用下可在土中自由流动•存在于固气之间•在重力与表面张力作用下可在土粒间空隙中自由移动§1土的物性与分类§1.2土的三相组成二.土中水§1土的物性与分类§1.2土的三相组成二.土中水土中毛细现象rThccos2•上升高度:πr2hcγw=2πrTcosα毛细水分布在土粒内部相互贯通的孔隙可以看成许多形状不一、直径互异、彼此连通的毛细管毛细升高与孔径成反比粘土粉土砂土砾石分析对象:水柱§1土的物性与分类§1.2土的三相组成二.土中水对砂土强度的影响:毛细边角水,假凝聚力cchu•假定α=0,毛细压力2πrTcosα+ucπr2=0毛细压力•非饱和土中毛细张力影响分析对象:水膜三.土中气体自由气体：与大气连通，对土的性质影响不大封闭气体：增加土的弹性；阻塞渗流通道§1土的物性与分类§1.2土的三相组成土有三个组成部分：固相、液相和气相小结1.固体颗粒2.土中水3.土中气体粒径级配矿物成分颗粒形状结合水(强结合水、弱结合水)自由水(重力水、毛细水)自由气体封闭气体§1土的物性与分类§1.2土的三相组成§1土的物性与分类§1.1土的形成§1.2土的三相组成§1.3土的物理状态?§1.4土的结构?§1.5土的工程分类?§1.6土的压实性§1.3土的物理状态土的物理状态粗粒土的松密程度粘性土的软硬状态§1土的物性与分类土的物理性质指标(三相间的比例关系)力学特性影响表示一.物理性质指标土的三个组成相的体积和质量上的比例关系§1土的物性与分类§1.3土的物理状态密实程度干湿程度……特点:指标概念简单，数量很多要点：名称、概念或定义、符号、表达式、单位或量纲、常见值或范围、联系与区别定义基本方法:三相草图法1.三相草图WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm§1土的物性与分类一.物理性质指标质量体积§1.3土的物理状态三相草图§1土的物性与分类一.物理性质指标WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积VVVVVVVavasVm0mmmmmaas已知关系五个:共有九个参数:VVvVsVaVω/msmωmam剩下三个独立变量三相草图法物性指标是比例关系:可假设任一参数为1对于饱和土,Va=0剩下两个独立变量实验室测定其它指标是一种简单而实用的方法§1.3土的物理状态§1土的物性与分类一.物理性质指标2.室内测定的三个物理性质指标WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积----土的密度、土粒的比重、土的含水量土的密度awswsVVVmmVm土的容重γ=ρg工程上更常用,用于计算土的自重应力单位:kg/m3或g/cm3单位:kN/m3一般范围:1.60—2.20g/cm3定义:土单位体积的质量有时也称土的天然密度§1.3土的物理状态表达式:相关指标:三相草图有助于直观理解物性指标的概念§1土的物性与分类一.物理性质指标WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积土粒比重s:土粒的密度，单位体积土粒的质量sssVm单位:无量纲土粒比重一般范围:粘性土2.70—2.75砂土2.65C4wC4wssG4˚C时纯蒸馏水的密度C4w=1.0g/cm3土粒比重在数值上等于土粒的密度定义:土粒的密度与4˚C时纯蒸馏水的密度的比值§1.3土的物理状态表达式:§1土的物性与分类一.物理性质指标WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积土的含水量ssswmmmmm(%)w定义:土中水的质量与土粒质量之比,用百分数表示注意:其实是含水比,可达到或超过100％§1.3土的物理状态表达式:一.物理性质指标表示土中孔隙含量的指标孔隙比孔隙率(孔隙度)§1土的物性与分类svVVe３.其它常用的物理性质指标VV(%)nv关系:e1enn1ne在某种程度上反映土的松密砂类土：28-35%粘性土：30-50%有的可达60-70%§1.3土的物理状态定义:土中孔隙体积与固体颗粒体积之比,无量纲表达式:WaterAirSoilVaVwVsVvV体积定义:土中孔隙体积与总体积之比,用百分数表示表达式:Vs=1Vv=eV=1+eWaterAirSoil体积三相草图可用于确定物性指标之间的关系一.物理性质指标表示土中含水程度的指标§1土的物性与分类swmm(%)w含水量饱和度vwrVVS§1.3土的物理状态WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积表达式:定义:土中水的体积与孔隙体积的比值饱和度表示孔隙中充满水的程度Sr=0:干土Sr=1:饱和土§1土的物性与分类一.物理性质指标表示土中密度和容重的指标天然密度干密度饱和密度awswsVVVmmVm天然容重干容重VmsdggddVVmvwssatgsatsat浮容重wsat浮密度有效容重饱和容重§1.3土的物理状态WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积单位:kg/m3或g/cm3单位:kN/m3定义:土被完全烘干时的密度,等于单位体积内土粒的