第二章土的物理性质及分类.

第二章土的物理性质及分类2.1概述2.2土的三相比例指标2.3粘性土的物理特性2.4无黏性土的密实度2.5粉土的密实度和湿度2.6土的胀缩性、湿陷性和冻胀性2.7土的分类仁者乐山智者乐水§2.1概述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土的物理性质指标(三相间的比例关系)表示影响力学特性仁者乐山智者乐水物理性质指标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基本方法:三相草图法§2.1概述仁者乐山智者乐水§2.2土的三相比例指标空气Air三相草图水Water固体Solidma=0mwmsm质量VaVwVsVvV体积仁者乐山智者乐水三相草图九个物理量:V,Vv,Vs,Va,Vw,ms,mw,ma,mwavwasVVVVVVV空气水固体ma=0mwmsm质量VaVwVsVvV体积§2.2土的三相比例指标仁者乐山智者乐水基本物理性质试验为了确定三相草图诸量中的三个量，通常进行三个基本的物理性质试验：土的密度试验土粒比重试验土的含水量试验§2.2土的三相比例指标仁者乐山智者乐水•定义：土粒的密度与4˚C时纯蒸馏水密度的比值•表达式：•单位:无量纲•一般范围：粘性土2.70~2.75，砂土2.65Cwssd4C4wss)(Vm土粒比重ds/Gs基本试验指标-土粒比重C4w=1.0g/cm3土粒比重在数值上等于土粒的密度空气水固体ma=0mwmsm质量VaVwVsVvV体积§2.2土的三相比例指标仁者乐山智者乐水基本试验指标-含水量•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•一般范围：变化范围大ssswmmmmmw(%)注意:其实是含水比,可达到或超过100％土的含水量ω空气水固体ma=0mwmsm质量VaVwVsVvV体积§2.2土的三相比例指标仁者乐山智者乐水•定义：土单位体积的质量•表达式：•单位:kg/m3或g/cm3•一般范围:1.60~2.20g/cm3awswsVVVmmVm土的密度空气水固体ma=0mwmsm质量VaVwVsVvV体积相关指标:土的容重=g单位:kN/m3工程上更常用,用于计算土的自重应力基本试验指标-土的密度§2.2土的三相比例指标仁者乐山智者乐水表示土体密度和容重的指标干密度：单位体积土中固体颗粒部分的质量，V/msd饱和密度：土孔隙中充满水时的单位体积质量，VVmvwssat浮密度：土单位体积中土粒的质量与同体积水的质量之差。空气水固体ma=0mwmsm质量VaVwVsVvV体积§2.2土的三相比例指标VVmwss'仁者乐山智者乐水表示土中孔隙含量的指标砂类土：28-35%粘性土：30-50%，有的可达60-70%svV/Ve孔隙比e：土中孔隙体积与固体颗粒体积之比,为无量纲V/V(%)nv孔隙率(孔隙度)n：土中孔隙体积与总体积之比,用百分数表示空气水固体ma=0mwmsm质量VaVwVsVvV体积§2.2土的三相比例指标仁者乐山智者乐水表示土中含水程度的指标对干土：Sr=0对饱和土：Sr=1vwrVVS饱和度：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：空气水固体ma=0mwmsm质量VaVwVsVvV体积§2.2土的三相比例指标仁者乐山智者乐水常用的物理性质指标间的换算关系：教科书P35表2-2学习要点：小结从物理意义上理解指标间的关系不鼓励死记硬背必要时利用三相草图推导§2.2土的三相比例指标仁者乐山智者乐水指标换算§2.2土的三相比例指标edVmws1111edVmwssd1111wsdmVe§2.2土的三相比例指标1111'sswswsatwwVswVswssddedVVVmVVVmVVm§2.2土的三相比例指标eeVVnV1edVmVVSswVwVWr§2.2土的三相比例指标仁者乐山智者乐水§2.3黏性土的物理特性粘性土最主要的物理状态特征是它的稠度，稠度是指土的软硬程度或土对外力引起变形或破坏的抵抗能力稠度状态与含水量有关粘性土含水量较硬变软流动粘性土的稠度状态仁者乐山智者乐水界限含水量§2.3黏性土的物理特性仁者乐山智者乐水塑限wp液限wl粘性土的稠度反映土中水的形态固态或半固态可塑状态流动状态强结合水弱结合水自由水w土颗粒强结合水弱结合水土颗粒强结合水土颗粒自由水弱结合水强结合水强结合水膜最大出现相当数量自由水粘性土的稠度状态稠度界限稠度状态含水量土中水的形态示意图§2.3黏性土的物理特性仁者乐山智者乐水pLpwwI塑性指数问题：反映的是全部土颗粒吸附结和合的能力，不能充分反映粘土矿物表面活性的高低定义：大体上表示土的弱结合水含量•反映吸附结合水的能力，即粘性大小•大致反映粘土颗粒含量•常作为细粒土工程分类的依据§2.3黏性土的物理特性仁者乐山智者乐水pLpL液性指数：wpwwlIL0坚硬(半固态)0IL0.25硬塑0.25IL0.75可塑0.75IL1软塑IL1流塑土的稠度状态–液性指数不同的粘土，wp、wl大小不同。对于不同的粘土，含水量相同，稠度可能不同液性指数是表征土的含水量与分界含水量之间相对关系的指标。对重塑土较为合适。§2.3黏性土的物理特性仁者乐山智者乐水pLpL细粒土的稠度状态指标:液性指数IL•界限含水量wP、wL土中水形态•塑性指数Ip吸附结合水的能力•定义•判别标准小结§2.3黏性土的物理特性试验方法：液限：锥式液限仪塑限：搓条法锥式液限仪联合测定液、塑限§2.3黏性土的物理特性2.3.3黏性土的活动度、灵敏度和触变性一、活动度1、定义：塑性指数与黏粒（粒径0.002mm的颗粒）含量百分数的比值§2.3黏性土的物理特性活性指数：002.0ppIA粒径小于0.002mm颗粒的质量占总土总质量的百分比A0.75非活性粘土A=075–1.25正常粘土A1.25活性粘土仁者乐山智者乐水反映粘性土结构性的指标灵敏度触变性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3=0相同含水量、密度ququ原状土重塑土灵敏度St：原状土的无侧限抗压强度qu和重塑土的无侧限抗压强度qu之比St=qu/q’u仁者乐山智者乐水含水量不变，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。反映粘性土结构性的指标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。灵敏度触变性§2.4无黏性土的密实度粗粒土的密实状态密实度：通常指单位体积中固体颗粒含量的多少简单方便，但只能用于同一种土，不能反映级配的影响物理性质指标：孔隙比e（孔隙率n）干容重demin=0.35emin=0.20minmaxmaxreeeeD相对密度：emax与emin：最大与最小孔隙比最大孔隙比emax: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最小孔隙比emin: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理论上的最大与最小孔隙比在室内的测定有时很困难粗粒土的最大与最小孔隙比§2.4无黏性土的密实度粗粒土的相对密度粗粒土的密实度标准Dr=0最松状态Dr1/3疏松状态1/3Dr2/3中密状态Dr2/3密实状态Dr=1最密状态相对密度指标主要用于人工填土，对天然砂土层采用原位标准贯入试验法测定§2.4无黏性土的密实度仁者乐山智者乐水补充内容土的压实：指通过夯打、振动、碾压等，使土体变得密实、以提高土的强度、减小土的压缩性和渗透性压实性：指土在一定压实能量作用下密度增长的特性研究击实性的目的：以最小的能量消耗获得最大的压实密度击实方法：•室内击实试验•现场试验:夯打、振动、碾压土的压实性仁者乐山智者乐水土的压实性室内击实试验试验设备：击实筒V=1000cm3；击实锤w=25牛顿试验条件：土样分层n=3层；落高d=30cm；击数N=27/层击实能量3m/mKN5.607VwdNnE试验方法：对w=cosnst的土，分三层压实；测定击实后的w、，算定d注意：仅适用于细粒土；对粗粒土，可用较大尺寸的击实仪土仁者乐山智者乐水0481216202428含水量w(%)2.01.81.61.4干密度d(g/cm3)dmaxwop细粒土的压实性-击实曲线具有峰值•最大干密度dmax•最优含水量Wopsatdd)(位于饱和曲线之下粘性土透水性小，击实过程中含水量几乎不变，要想击实到饱和状态是不可能的。rswsdS/wG1GwG1G)(swssatdSr=1土的压实性仁者乐山智者乐水土的压实性•含水量Wop：颗粒表面水膜很薄，相对移动困难•含水量=Wop：水膜润滑作用效果最佳，孔隙气尚没有形成封闭气泡，易排出•含水量﹥Wop：水膜润滑作用不再明显增加；封闭气泡难以排出;水的相对含量增加压实机理•颗粒破碎（细粒土较少）•粒间联结力被破坏，颗粒间孔隙被压缩•土粒定向排列0481216202428含水量w(%)2.01.81.61.4干密度d(g/cm3)dmaxWop压实与含水量细粒土的压实性-压实机理仁者乐山智者乐水土的压实性细粒土的压实性-压实功能对于同一种土,最优含水量和最大干密度并不恒定,而随压实功能变化，压实功能愈大,最优含水量愈小，相应的最大干密度愈高超过最优含水量后，压实功能的影响随含水量的增加逐渐减小。击实曲线均靠近于饱和曲线0481216202428含水量w(%)1.91.71.51.3干密度d(g/cm3)仁者乐山智者乐水土的压实性%)32(wwop细粒土的压实标准填土施工时应将土料含水量控制在Wop左右，以期用较小的能量获得最好的密度：在Wop的干侧：常具有凝聚结构。土质比较均匀，强度较高，较脆硬，不易压密。但浸水时易产生附加沉降。在Wop的湿侧：常具有分散结构。土体可塑性大，适应变形的能力强。但强度较低，具有不等向性。在设计土料时应根据填土的要求和当地土料的天然含水量，选定合适的含水量，一般要求为：仁者乐山智者乐水土的压实性%100Dmaxdc室内标准击实试验的填土的干密度Ⅰ、Ⅱ级土石坝Dc95~98%III~Ⅴ级土石坝Dc92~95%细粒土的压实标准工程上常采用压实度Dc，作为填方压实密度控制的标准：仁者乐山智者乐水土的压实性粗粒土的压实性击实曲线压实标准：常用相对密度控制Dr0.7-0.75•不存在最优含水量，在完全风干或饱和状态下易于击实。在潮湿状态下，存在假凝聚力，加大了阻力•同细粒土不同，粗粒土在击实过程中可以自由排水•粗砂w=4~5%，中砂w=7%时，干密度最小，含水量w干密度粗砂中砂仁者乐山智者乐水土的压实性小结室内击实试验细粒土的压实性粗粒土的压实性•击实曲线•最优含水量•最大干密度•压实功能•压实标准•击实曲线•压实标准2.4.2无黏性土密实度划分的其他方法1、砂土密实度按天然孔隙比划分2、砂土密实度按标准贯入击数N划分3、碎石土密实度按重型动力触探击数划分4、碎石类土密实度的野外鉴别§2.4无黏性土的密实度2.5粉土的密实度和湿度一、粉土的概念粒径0.075mm的颗粒含量不超过全重的50%、塑性指数IP≤10的土二、粉土的密实度和湿度根据孔隙比e和含水量ω划分密实度和湿度2.6土的胀缩性、湿陷性和冻胀性一、土的胀缩性1、定义：黏性土具有吸水膨胀和失水收缩的两种变形特性2、自由膨胀率3、膨胀