第2章 土的物理性质与工程分类(修改)

土力学地基基础SoilMechanicsandFoundationEngineering河南工程学院土木工程学院孙彦飞第二章介绍土的形成及物质组成,从定性和定量两个方面描述土体的物质组成、密实程度及工程应用。土的物理性质及工程分类主要内容:知识要点：了解无粘性土的密实度概念及判别方法。掌握粘性土的塑性指数和液性指数的作用和用途，以及粘性土的物理状态评价。掌握无粘性土和粘性土的分类依据和分类方法。§2.1土的成因土是岩石经过风化、剥蚀、破碎、搬运、沉积等过程后在不同条件下形成的自然历史的产物搬运、沉积一、土体的生成风化岩石地球土地球生物风化物理风化化学风化矿物成分未变无粘性土原生矿物矿物成分改变粘性土次生矿物风化作用分类有机质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，形成新的矿物动植物活动引起的岩石和土体粗颗粒的粒度或成分的变化定义：土体的结构是指土生成过程中所形成土粒的空间排列及其形式。力学特性影响土的结构反映土的成分形成条件分类单粒结构蜂窝结构絮状结构二、土的结构和构造粒间作用力可否作天然地基矿物成分单粒结构示意图重力、毛细力密实的单粒结构是良好的天然地基原生矿物指粗砂粒或更粗大的颗粒在水或空气中沉积形成。粗粒土的结构松散密实粒间作用力形成环境可否作为天然地基矿物成分水中的悬浮力、自重力（斥力减小引力增加）絮状结构(凝聚结构)蜂窝结构(分散结构)示意图颗粒间的引力、自重力（粒间引力占优势）淡水中沉积海水中沉积次生矿物次生矿物注意：天然条件下，可能是多种组合，或者由一种结构过渡向另一种结构。不可不可细粒土的结构是指由粉粒（粒径0.005~0.075mm）在水中下沉时形成的。是指由粘粒（粒径≤0.005mm）集合体组成。颗粒形状•原生矿物圆状、浑圆状、棱角状•次生矿物针状、片状、扁平状土的构造：是指土体中各结构单元之间的关系，主是从宏观角度研究土的组成，其主要特点是土的成层性和裂缝性。力学特性影响土的构造类型层状构造分散构造裂隙构造结核状构造通常分散构造土的工程性质最好是理想地基，结核状构造土的工程性质取决于细粒土部分，裂隙构造不连续的裂缝破坏土的整体性，故土的工程性质最差。三、土的工程特性（1）压缩性高；（2）强度低；（3）透水性大；土的生成与工程特性的关系沉积年代越长，工程特性越好。Q3以前的粘性土称为老粘性土，密度大、强度高、压缩性低，为良好天然地基；Q4以后的粘性土，其性质要通过实验测定。气相固相液相++构成土骨架，起主体作用重要影响土体次要作用土体三相组成示意图§2.2土的组成一、土中的固体颗粒(固相)物理状态力学特性粒组的划分土的颗粒级配土粒的矿物成分①.颗粒级配颗粒大小土中各个粒组的相对含量常用表格法或粒径曲线法表示影响土性质的主因表格法表示的粒组划分土粒粒组的划分粒组统称粒组名称粒径范围(mm)一般特征漂石、块石颗粒≥200巨粒卵石、碎石颗粒60＜d≤200透水性很大，无粘性，无毛细水圆砾、角砾颗粒粗中细20＜d≤605＜d≤202＜d≤5透水性很大，无粘性，毛细水上升高度不超过粒径大小粗粒砂粒粗中细0.5＜d≤20.25＜d≤0.50.075＜d≤0.005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，遇水膨胀小，干燥时松散，毛细水上升高度不大，随粒径变小而增大。粉粒0.005＜d≤0.075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。细粒粘粒≤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。粒径级配筛分法：适用于粒径在0.075~60mm的土㎜～～密度计法：适用于粒径小于0.075mm的土根据斯托克斯（Stokes）定理，球状的细颗粒在水中下沉速度与颗粒直径的平方成正比。基于这一原理，实验室常用密度计测试水土悬液在不同时间的密度，进而确定土样中各粒组的相对含量，这一方法称为密度计法。通常将各粒组的相对含量，用质量百分数来表示筛分法（d0.075mm的土）105.02.01.00.50.250.1200g10161824223872P%958778665536筛分法原理图筛分法就是用一套标准筛子如孔直径(mm)：20、10、5.0、2.0、l.0、0.5、0.25、0.1、0.075。将烘干且分散了的200g有代表性的试样倒入标准筛内摇振，然后分别称出留在各筛子上的土重，并计算出各粒组的相对含量，即得土的颗粒级配。密度计法（d0.075mm的土）典型颗粒级配曲线1009080706050403020100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)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d60d50d10d30特征粒径:d60—控制粒径d10—有效粒径d30—中值粒径不均匀程度：Cu=d60/d10—不均匀系数Cu≥5,级配不均匀粗细程度：用平均粒径d50表示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累积曲线及指标的用途：粒组含量用于土的分类定名；工程中用不均匀系数Cu评价土的不均匀程度：Cu≥5,不均匀土；Cu5,均匀土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不均匀系数Cu和曲率系数Cc用于判定土的级配优劣：当Cu≥5且Cc=1~3时，为级配良好的土；当Cu5或Cc3或Cc1时,为级配不良的土②.土粒的矿物成分粗粒土主要是原生矿物的产物，一般碎石、砂都属于此类。细粒土主要是次生矿物的产物，主要是粘土矿物，包括三种类型高岭石、伊利石、蒙脱石。三种粘土矿物的亲水性依次增强。粘土矿物:由硅氧四面体和铝氢氧八面体构成的晶胞所组合而成决定于母岩的矿物成分及风化作用硅氧四面体晶片的结构铝氢氧八面体晶片的结构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大小小大二、土中水(液相)根据土体中水分子受到电场力的作用大小,土体中的液态水主要可以分为:结合水借助于电分子引力牢固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重力水毛细水强结合水弱结合水液态水固态水气态水1、土中水分类2、水的性质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强结合水性质稳定强结合水位于强结合水之外，以水膜的形式包围着土粒外力作用下可以移动不因重力而移动，有粘滞性弱结合水固定层扩散层土中毛细现象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、彼此连通的毛细管重力水是位于地下水位以下的土空隙中，能在重力或压力作用下流动。其性质能传递静水压力并产生浮力。三、土中气体(气相)土体中的气体是指存于土体空隙中未被水占据的部分,存在形式有两种:自由气体:与大气相通,对土的性质影响不大封闭气体:与大气隔绝,增大土体的弹性和压缩性土体中气体§2.3土物理性质指标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)力学特性影响表示一.土的三相图水气土粒VaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积二、土的物理性质指标的确定A基本指标：有3个基本指标，可通过试验测定，直接测定指标。（1）土的密度：单位体积土的质量。awswsVVVmmVm＝33//mtcmg或土的密度可用环刀法测定。重度表示单位体积土的重力密度g2/10smg（近似取）A基本指标：（2）土粒比重土粒质量与同体积的4℃纯水的质量之比。（可用比重瓶法测定）——4℃时纯水的密度，等于（无量纲）)(ssGdwswsssVmd＝w33/1/1mtcmg或故数值上ssd＝A基本指标：（3）土的含水量w土中水的质量与土粒质量之比。（以百分数计）（烘干法测定）是标志土的湿度的重要指标。%100swmmwB导出指标（反映土的孔隙特征、含水程度的指标（1）（2）（3））（1）土的孔隙比：土中孔隙体积与土粒体积之比，用小数表示。是反映土的密实程度的重要指标。svVVe），为软弱地基为高压缩性土（粘性土地基，呈密实状态，是良好为低压缩性土（砂土）0.16.0eeB导出指标（2）土的孔隙率：土中孔隙体积与总体积的百分比。反映土中孔隙大小的程度。%100VVnv粗粒土孔隙率小，细粒土孔隙率大，也可表示一种土的松密程度。B导出指标（3）土的饱和度：土中所含水分的体积与孔隙体积之比，以百分数计。描述土体中孔隙被水充满的程度。%100vwrVVs—完全饱和土—％＝—饱和土—％—很湿土—％—稍湿土—％—干土—1008080%50500rrrrrsssssB导出指标反映土的相关密度的指标：（4）、（5）、（6）（4）干密度：单位体积中土粒质量。Vmsd＝工程上常把作为评定土体紧密程度的标准，以控制填土工程的施工质量。dB导出指标（5）饱和密度：土孔隙中充满水时单位体积质量。VVmwvssatB导出指标（6）有效密度：在地下水位以下，单位土体积中土粒的质量扣除同体积水的质量后即为单位土体积中土粒的有效质量。VVmwvs'wsat'wsat''dsat'dsat反映土的密度指标有五个：ρρdρsatρ’ds反映土的湿度指标有两个：ωsr反映土的土的孔隙特征有两个：en土的天然密度ρ三个指标最基本物理指标，可直接通过实验测定得出天然含水量ω土的比重ds以上9项物理性质指标，其中，则三、指标间的相互换算指标间的相互换算：常根据土的三相比例指标换算图进行各指标间关系的推导。1sV＝vsVVee1VeswsssVmd令wswsssdVdmwsswwdwmmwswdm)1(换算公式的推导：质量m气wdsρwe11+e水土粒土的三相比例指标换算图dsρw(1+w)dsρwwds体积Vewdvmws1)1(＝wedVmwssd11eedVVmwswvssat1)(1)1(1wssssvwdmVVVVVe换算公式的推导：wsatwwvswvswssVVVmVVVmVVm)('edVVmwswss1)1('eeVVnv1ewdVVssvwr例题分析例1.某一原状土样，经试验测得的基本指标值如下：密度3/67.1cmg＝。含水量w=12.9%，土粒比重67.2sd。求孔隙比e，孔隙率n，饱和度rs，干密度d，饱和密度sat以及有效密度'。解：805.0167.11%)9.121(67.21)1(wsede%6.44805.01805.01een例题分析%43805.067.2129.0ewdssr例1解（续）：）（3/48.1129.0167.11cmgwd）（＝＝3/93.1805.01805.067.21)(cmgeedwssat）（＝＝3'/93.0193.1cmgwsat例题分析例2.有一完全饱和的原状土样切满于容积为37.2