第三章 土的物理性质与工程分类

•土的物理性质在一定程度上决定了它的力学性质，其指标在工程计算中常被直接应用。•对种类繁多、性质各异的土，按一定的原则，进行分门别类，给出合适的名称，可以概略评价土的工程性质。第一节土的基本物理性质第二节粘性土的稠度与可塑性第三节土的透水性第四节土的工程分类第三章土的物理性质与工程分类本章教学目的11.理解并记住土的基本物理性质指标的名称、表示符号、定义、表达式和常用单位，熟悉其取值范围；2.掌握3个实测指标的测定方法；3.掌握6个换算指标与3个实测指标间的换算方法；4.理解粘性土的三种稠度状态；5.理解液限和塑限的定义，记住其表示符号和测定方法；6.理解并记住液性指数、塑性指数的表示符号、计算方法和物理意义；7.掌握达西定律；8.熟悉土的工程分类的一般原则和分类及建设部的土质分类标准。第一节土的基本物理性质•土的物理性质是指三相的质量与体积之间的相互比例关系及固、液二相相互作用表现出来的性质。•前者称为土的基本物理性质，主要研究土的密实程度和干湿状况；•后者主要研究粘性土的可塑性、胀缩性及透水性等。土的三相示意图气水土粒msmwmVsVwVVa质量m体积VVvma一、土粒密度•定义：土粒密度ρs是指固体颗粒的质量与其体积之比，即单位体积土粒的质量。•表达式：•取值范围：它的数值一般在2.60~2.80g/cm3之间•土粒比重Gs土粒的质量与同体积纯蒸馏水在4°C时的质量之比。无量纲。•表达式：)(g/cm3sssVms3w44Gs/14在数值上等于则时纯蒸馏水的密度式中cmgCVmGsCwwsCwss测定方法：比重瓶法二、土的密度与重度•土的密度是指土的总质量与总体积之比，即单位体积土的质量，其单位是g/cm3。1、天然密度•定义：天然状态下单位体积土的质量，称天然密度，•表达式：（g/cm3）•取值范围：天然密度常见值为1.6~2.2g/cm3，小于土粒密度值，它是一个实测指标。swaswVVVmmVm测定方法：环刀法2、干密度•定义：土的孔隙中完全没有水时的密度，称土的干密度，指单位体积干土的质量。•表达式：（g/cm3）•取值范围：干密度与土中含水多少无关，只取决于土的矿物成分和孔隙性。土的干密度一般在1.4~1.7g/cm3之间。3、饱和密度•定义：土的孔隙完全被水充满时的密度称为饱和密度，是指土孔隙中全部充满液态水时单位体积土的质量•表达式：•取值范围：1.8-2.3g/cm3VVmws.vsatVmsd•工程上常用重度指标，它指单位体积土的重量，kN/m3。•天然重度γ、干重度γd及饱和重度γsat•另外，处于地水位以下的有效重度常特称为土的浮重度γ′，等于土的饱和重度减去水的重度（γw），即：•对于同一种土来讲，土的天然重度、干重度、饱和重度、浮重度在数值上有如下关系：22/109.8m/sgsmg式中wsatdsat4、重度三、土的含水性1、含水量•定义：含水量指土中所含水分的质量与固体颗粒质量之比，以百分数表示，又称土的含水率。•表达式：•一般所说的含水量指的是天然含水量。•土的孔隙中全被水充满时的含水量，称为饱和含水量wsat。•饱和含水量既能反映土孔隙中全部充满水时含水多少。又能反映土的孔隙率大小。%100swmmw%100vsatswmVw测定方法：烘干法2、饱和度•定义：土孔隙中所含水的体积与土中孔隙体积的比值称为土的饱和度，以百分数表示。•表达式：•或天然含水量与饱和含水量之比：•取值饱和度可以说明土孔隙中充水的程度，其数值为0~100%。干土：Sr=0；饱和土：Sr=100%。•工程实际中，按饱和度大小常将砂类土划分为如下三种含水状况：Sr50%稍湿的50%≤Sr≤80%很湿的Sr80%饱和的%100vwrVVS%100satwwSr四、土的孔隙性•土中孔隙大小、形状、分布特征、连通情况与总体积等，称为土的孔隙性。其主要取决于土的颗粒级配与土粒排列的疏密程度。1、孔隙度•定义：孔隙度又称孔隙率，指土中孔隙总体积与土的总体积之比，用百分数表示。•表达式：•土的孔隙度取决于土的结构状态，砂类土的孔隙度常小于粘性土的孔隙度。•取值范围：土的孔隙度一般为27~52%。新沉积的淤泥，孔隙度可达80%。%100vVVn2、孔隙比•定义：孔隙比指土中孔隙体积与土中固体颗粒总体积的比值，用小数表示•表达式：•土的孔隙比说明土的密实程度，按其大小可对砂土或粉土进行密实度分类。在《岩土工勘察规范》（GB50021-94）中，用天然孔隙比来确定粉土的密实度。e0.75密实0.75≤e≤0.9中密e0.9稍密•孔隙度与孔隙比的关系为svVVe-nneeen11或3、砂土的相对密度•砂土的密实程度还可用相对密度（Dr）来表示。minmaxmaxrDeeee松砂器法确定态时的孔隙比）最大孔隙比（最疏松状振击法确定态时的孔隙比）最小孔隙比（最紧密状::maxminee•Dr=0时，土处于最疏松状态；Dr=1时，土处于最密实状态。松散的中密的密实的D..D..Drrr03303306706701标准贯入试验锤击数N63.5密实度N63.5≤10松散10N63.5≤15稍密15N63.5≤30中密N63.530密实天然状态砂土的密实度了解：五、土的基本物理性质指标之间的关系•土粒密度、天然密度、含水量是三个基本实测指标、即通过试验直接测定。•六个换算指标的换算方法：1、数学演算法由实测指标换算求取六个导出指标可直接用简单的数学演算方法，如：1)1(1111//wmVVmVVVVVVVewmmVmmmVmVmsdssssssssvmmmsssdsws1）绘制三相草图，令Vs=12）根据实测指标确定三相的体积与质量3）按定义求其他指标例题12、三相草图法一、粘性土的稠度状态稠度：粘性土因含水多少而表现出的稀稠软硬程度；稠度状态：因含水多少而呈现出的不同的物理状态。第二节粘性土的稠度与可塑性粘性土的稠度与可塑性是土粒与水相互作用后所表现出来的物理性质。固态：含水量相对较少，粒间主要为强结合水连结，连结牢固，土质坚硬，力学强度高，不能揉塑变形，形状大小固定。三种稠度状态塑态：含水量较固态为大，粒间主要为弱结合水连结，在外力作用下容易产生变形，可揉塑成任意形状不破裂、无裂纹，去掉外力后不能恢复原状。流态：含水量继续增加，粒间主要为液态水占据，连接极微弱，几乎丧失抵抗外力的能力，强度极低，不能维持一定的形状，土体呈泥浆状，受重力作用即可流动。0固态塑态流态ω如何定量判断粘性土的稠度状态？二、界限含水量——稠度界限•土从某种稠度状态转变为另一种状态时的界限含水量称为稠度界限，又称为Atterberg界限。工程上常用的有塑限ωP和液限ωL塑限：土从固态转变为塑态时的界限含水量，简称塑限ωP液限：土从塑态转变为液态时的界限含水量，简称液限ωL0固态塑态液态ω塑限ωP液限ωL搓条法测定塑限•将粘性土在毛玻璃上用手搓成直径为3mm的土条时若恰好开始出现裂缝，此时的含水量就是塑限。锥式液限仪法测定液限0.75N，锥角30°，锥体下沉深度为10mm，所对应的含水量为粘性土的液限（放锥15秒）联合测定仪法测定液限和塑限液性指数IL：反映土的天然含水量与液限、塑限之间的关系，工程上用来表示土的稠度状态。LpLpLII习惯上采用小数表示ωpωωL0ω-ωpωL-ωp稠度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＞1三、液性指数四、粘性土的可塑性当粘性土的含水量在某范围内时，可用外力塑成任何形状而不发生裂纹，并在外力移去时能保持既得的形状，土的这种性能叫可塑性。粘性土中含水量在液限与塑限两个稠度界限之间时，土处于可塑状态，具有可塑性，这是粘性土的独特性能。塑性指数IPωL和ωP的差值可以反映可塑性的大小，工程上定义为塑性指数IPIP=ωL-ωP计算结果中的百分号省略1994年国家标准《岩土工程勘察规范》按塑性指数IP将粘性土分为：IP17为粘土17≥IP10为粉质粘土IP≤10为粉土或砂类土。从某地基取原状土样，测得土的液限ωL=47%，塑限ωP=18%，天然含水量ω=40%，问地基土是什么土，处于什么状态？解：1.求塑性指数：2.求液性指数：3.Ip17，该地基土为粘土；4.查表3-4，1.0IL0.75，得土处于软塑状态。759.018471840pLpLI291847pLpI例题2：第三节土的透水性水在土体孔隙中流动的现象称为渗流土具有被水等液体透过的性质称为土的渗透性工程意义：计算基坑涌水量、水库与渠道的渗漏量、评价土体的渗透变形、分析饱和粘性土在建筑荷载作用下地基变形与时间的关系。一、土的渗透规律•砂土、粉土的渗透符合Darcy定律（1856）•在层流状态下，土中水的渗流速度与能量损失之间服从线性渗流规律。•渗透系数k是反映土的透水性能的比例系数，是水力梯度为1时的渗透速度，其量纲与渗透速度相同。Darcy定律cmLHicm/skcmAcmQcm/sv23渗流途径水头差水头损失水力梯度水力坡降渗透系数过水断面渗出水量断面平均渗透速度式中或LHkkiAQvkAiQ第四节土的工程分类一、工程分类的一般原则和类型基本原则：•所划分的土类能反映土性质的变化规律。土的工程分类总起来可以归纳为三级分类土的第一级分类是成因类型分类如《岩土工程勘察规范》将土按堆积年代划分为三类：1.老堆积土；2.一般堆积土；3.新近堆积土。土的第二级分类是土质类型分类土的第三级分类是工程建筑类型分类建设部分类法土按颗粒级配分类表土的名称颗粒级配大类类粗粒土碎石土粒径大于2mm的颗粒超过总质量的50%砂类土粒径大于0.075mm的颗粒超过总质量50%细粒土粉土粒径小于0.005mm的颗粒超过总质量10%粘性土粒径小于0.005mm的颗粒质量大于总质量30%二、土质分类简介•在实际工程应用中规定，土中粒径d0.075mm（有的规范用0.1mm）的土粒质量大于全部土粒质量的50%时称为粗粒土，小于50%时称为细粒土。•粗粒土可以按颗粒级配进一步细分。•细粒土多用塑性指数Ip或液限ωL加塑性指数Ip进行细分。1、碎石类土碎石类土是粒径大于2mm的颗粒含量超过50%的土土的名称颗粒级配及形状碎石土漂石圆形及亚圆形为主粒径大于200mm的颗粒超过总质量的50%块石棱角形为主卵石圆形及亚圆形为主粒径大于20mm的颗粒超过总质量的50%碎石棱角形为主圆砾圆形及亚圆形为主粒径大于2mm的颗粒超过总质量的50%角砾棱角形为主土的名称颗粒级配砂类土砾砂粒径大于2mm的颗粒占总质量的25~50%粗砂粒径大于0.5mm的颗粒超过总质量50%中砂粒径大于0.25mm的颗粒超过总质量50%细砂粒径大于0.075mm的颗粒超过总质量85%粉砂粒径大于0.075mm的颗粒超过总质量50%2、砂类土砂类土是粒径大于2mm的颗粒含量不超过50%，粒径大于0.075mm的颗粒含量超过50%的土。粉土砂质粉土粒径小于0.005mm的颗粒不超过总质量10%粘质粉土粒径小于0.005mm的颗粒超过总质量10%3、粉土粉土是粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过50%，塑性指数Ip小于或等于10的土。4、粘性土粘性土是粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过50%，塑性指数Ip大于10的土。粘性土粉质粘土粒径小于0.005mm的颗粒质量占总质量18-30%粘土粒径小于0.005mm的颗粒质量大于总质量30%粘性土粉质粘土10Ip17粘土Ip17测定土粒密度（比重）：比重瓶法土粒的质量dm比重瓶、水总质量bwm比重瓶、水、土总质量bwsmtwmmmmbwsdbwdsG测定土的密度：环刀法环刀的容积V=60cm3；