第二章土的物理性质与工程分类

2土的物理性质与工程分类Chapter2PhysicalpropertiesandEngineeringClassificationofSoil武汉理工大学武汉理工大学MainContentMainContent：：11土的三相组成土的三相组成ThreephasesofsoilThreephasesofsoil22土的三相比例指标及其换算土的三相比例指标及其换算PhysicalindexesandconversionbetweenthemPhysicalindexesandconversionbetweenthem33无粘性土的密实度无粘性土的密实度DensityofDensityofcohesionlesscohesionlesssoilsoil44粘性土的物理特征粘性土的物理特征PhysicalfeaturesofcohesivesoilPhysicalfeaturesofcohesivesoil55土的渗透性土的渗透性PermeabilityofsoilPermeabilityofsoil66岩土工程分类岩土工程分类EngineeringclassificationofsoilEngineeringclassificationofsoil2.1土的三相组成ThreephasesofsoilThreephasesofsoil气相固相液相++solidliquidvaporphasesolidliquidvaporphase2.1.1土固体颗粒2.1.1.1土的矿物成分TransportationSedimentationRockSoilWeathering原生矿物(Originalmineral)石英、长石、云母次生矿物(Secondarymineral)粘土矿物，包括三种类型：高岭石(kaolinite)、伊利石(illite)、蒙脱石(montmorillonite）土粒粒组的划分粒组名称粒径范围一般特征漂石或块石颗粒Boulderstoneorblockstone＞200卵石或碎石颗粒Pebbleormacadam200～20透水性很大，无粘性，无毛细水圆砾或角砾颗粒Breccia粗Coarse中Middle细Fine20～1010～55～2透水性很大，无粘性，毛细水上升高度不超过粒径大小砂粒Sand粗Coarse中Middle细Fine极细2～0.50.5～0.250.25～0.10.1～0.075易透水，当混入云母等杂质时透水性减小，而压缩性增加；无粘性，遇水不膨胀，干燥时松散，毛细水上升高度不大，随粒径变小而增大粉粒Silt粗细0.075～0.010.01～0.005透水性小，湿时稍有粘性，遇水膨胀小，干时稍有收缩，毛细水上升高度较大较快，极易出现冻胀现象粘粒Clay＜0.005透水性很小，湿时有粘性、可塑性，遇水膨胀大，干时收缩显著，毛细水上升高度大，但速度较慢2.1.1.2土的颗粒级配(Particlesizedistribution)颗粒级配(Particlesizedistribution)•确定方法筛分法：适用于粗粒土(0.1mm)Sieveanalysis比重计法：适用于细粒土(0.1mm)Hydrometeranalysis——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Particle-sizedistributioncurve1009080706050403020100小于某粒径土重含量（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001lgd(mm)土的颗粒级配曲线Particle-sizedistributioncurved60d10d306666CCuu2.412.410.0630.0630.0050.0050.330.33CCccdd3030dd1010dd6060特征粒径及定义d60:限定粒径d10:有效粒径度量指标（1）不均匀程度：Cu=d60/d10（2）粒径级配连续程度:Cc=d302/(d60×d10)—曲率系数—不均匀系数Cu≥5,级配不均匀Cc=1~3,级配连续性好颗粒级配曲线及指标的用途：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；Particle-sizedistributioncurve1、结合水强结合水弱结合水2.1.2土中水（liquidphaseliquidphase）2、自由水重力水毛细水2.1.3土中气体vaporphase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；阻塞渗流通道土中气体按其所处的状态和结构特点可分以下几种类型：2.1.5土的构造：土体在空间构成上不均匀特征的总和。不同土类和成因类型，构造特征不一样1.层状构造2.分散构造3.裂隙构造2.1.4土的结构和构造1.单粒结构2.蜂窝结构3.絮凝结构WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量mass/quality体积volume三相简图法Three-phasediagram2.2土的三相比例指标2.2.1室内测定的三个物理性质指标WaterAirSoilVaVwVsVvV0mwmsm质量体积----土的密度、土粒的相对密度、土的含水量１、土的密度ρDensityofsoilawswsVVVmmVm+++==ρ土的重度γUnitweightγ=ρg单位:kg/m3或g/cm3Kilogrampercubicmeter单位:kN/m3定义:土单位体积的质量表达式:相关指标:环刀法WaterAirSoilVaVwVsVvV0mwmsm质量体积2、土粒相对密度dsSpecificgravityofsoilρs:土粒的密度，单位体积土粒的质量sssVm=ρ单位:无量纲土粒相对密度一般范围:粘性土2.70—2.75砂土2.67有机质土＜2.5C4w°ρCwssd°=4ρρ4˚C时纯蒸馏水的密度C4w°ρ=1.0g/cm3定义:土粒的密度与4˚C时纯蒸馏水的密度的比值。表达式:WaterAirSoilVaVwVsVvV0mwmsm质量体积3、土的含水率wMoisturecontentssswmmmmmw−==(%)定义:土中水的质量与土粒质量之比,用百分数表示表达式:单位:无量纲土的含水率一般范围:粘性土＞3%砂土0~40%烘干法酒精燃烧法adustionmethod™表示土中孔隙含量的指标1、孔隙比eVoidratiosawsvVVVVVe+==2.2.2间接指标在某种程度上反映土的松密e＜0.6低压缩性，密实e＞1.0高压缩性，疏松定义:土中孔隙体积与固体颗粒体积之比,无量纲表达式:WaterAirSoilVaVwVsVvV体积11−+=ρρwswde）（2、孔隙率nporositysawawvVVVVVVVn+++==(%)关系:een+=1nne−=1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体积三相简图可用于确定物性指标之间的关系表示土中含水程度的指标swmmw=(%)含水率3、饱和度SrDegreeofsaturationawwvwrVVVVVS+==WaterAirSoilVaVwVsVvV0mwmsm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2.2.3不同状态下的密度和重度VariousUnit-WeightRelationship1、天然密度2、干密度3、饱和密度awswsVVVmmVm+++==ρ天然重度干重度Vmsd=ρgργ=gddργ=VVmvwssatρρ+=gsatsatργ=有效重度wsatγγγ−=′4、浮密度饱和重度WaterAirSoilVaVwVsVvV0mwmsm质量体积单位:kg/m3或g/cm3单位:kN/m3定义:土空隙完全被水填充时的密度表达式:VVmswsρρ−=′定义:土被完全烘干时的密度,等于单位体积内土粒的质量定义:土体位于水下时的密度2.3无粘性土的物理状态指标----密实度Compactness/Densityemax与emin：最大与最小孔隙比1、相对密实度RelativeDensityminmaxmaxeeeeDr−−=emax:最大孔隙比；将松散的风干土样通过长颈漏斗轻轻地倒入容器，避免重力冲击，求得土的最小干密度再经换算得到最大孔隙比emin:最小孔隙比；将松散的风干土样装入金属容器内，按规定方法振动和锤击，直至密度不再提高，求得土的最大干密度再经换算得到最小孔隙比emax与emin：最大与最小孔隙比Voidratioofsoilintheloosest/denseststate注意：室内测得理论上的最大与最小孔隙比有时很困难1minmax−=dwsdeρρ1maxmin−=dwsdeρρ粗粒土的密实状态指标判别标准Dr=0,最松状态loosestDr=1,最密状态densest相对密实度minmaxmaxeeeeDr−−=ddddddrDρρρρρρ)()(minmaxmaxmin−−=工程上，还可用标准贯入击数N63.5来衡量粗粒土的密实状态,划分为松散、稍密、中密、密实。Dr≤1/3疏松状态loose1/3Dr≤2/3中密状态mediumDr2/3密实状态dense„„要点要点：：质量为质量为63.5kg63.5kg的重锤的重锤从从76cm76cm高处落下高处落下将贯入器贯入土中将贯入器贯入土中30cm30cm的锤击数的锤击数15cm15cm++30cm30cm==45cm45cm2、标准贯入试验（SPT）StandardPenetrationTestN≤10松散状态10N≤15稍密状态15N≤30中密状态N30密实状态判定：2.4粘性土的物理特征2.4.1界限含水率Limitwatercontent塑限wpPlasticlimit液限wLLiquidlimit界限含水量含水量w缩限wsShrinkagelimit联合测定仪联合测定仪LiquidLiquid--PlasticlimitcombineddevicePlasticlimitcombineddevice目前在液限与塑限的测定中，根据平衡圆锥沉入深度与液限、塑限的对应关系而采取液、塑限联合测定法。2.4.2液塑限试验方法pLpwwI−=——表示土处于可塑状态含水量的范围；粘性大小；大致反映粘土颗粒含量2.4.3塑性指数Plasticityindex常作为细粒土工程分类的依据分类:不同的粘土矿物结合水的能力不同IP17粘土clay17≥IP10粉质粘土siltyclay软硬不同pLpL−−=IP可能相同液性指数不同的粘土，wp、wL大小不同定义：wpwwlIL0IL=0～1IL1坚硬状态可塑状态流态0–0.250.25-0.750.75–1.00硬塑可塑软塑2.4.4液性指数Liquidityindex国标uutqqS=2.4.5反映粘性土结构性的指标1.粘性土的灵敏度—Stsensitivity=原状土结构性扰动土强度降低St11-22-44-88-1616粘性土不灵敏低灵敏中等灵敏灵敏很灵敏流动原状土的无侧限抗压强度扰动土的无侧限抗压强度Undisturbedsoildisturbedsoil•含水量不变，密度不变，因重塑而强度降低，又因静置而逐渐强化，强度逐渐恢复的现象，称为触变性。•土的触变性是土结构中联结形态发生变化引起的，是土结构随时间变化的宏观表现。•目前尚没有合理的描述土触变性的方法和指标。2.粘性土的触变性thixotropy目的：依据：建筑地基基础设计规范-GB50007-2002分类法§2.5土的工程分类是将工程性质相近的土进行分类便于研究及应用能反映