土力学1-土的物理性质及分类

《土力学》第1章土的组成和物理性质1第1章：土的组成和物理性质§1.1土的三相组成§1.2土的三相比例指标§1.3土的结构§1.4粘性土的界限含水率§1.5砂土的密实度§1.6土的压实原理§1.7土的工程分类《土力学》第1章土的组成和物理性质2§1.2土的三相比例指标土的三相物质在体积和质量上的比例关系，称为三相比例指标。三相比例指标是评价土的工程性质的最基本的物理指标；《土力学》第1章土的组成和物理性质3土的三相图空气水土粒ma=0mwmsm质量VaVwVsVvV体积三相比例指标可分为试验指标（基本指标）和换算指标《土力学》第1章土的组成和物理性质4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ρ土粒密度试验ρs土的含水率试验w•1.2.1试验指标《土力学》第1章土的组成和物理性质5•定义：单位体积土的质量awswsVVVmmVm1.土的密度•一般范围:1.60~2.20g/cm3•单位:kg/m3或g/cm3•表达式：空气水土粒ma=0mwmsm质量VaVwVsVvV体积•土的重力密度10g《土力学》第1章土的组成和物理性质6密度测定：环刀法环刀：内径61.8mm和79.8mm，高度20mm。《土力学》第1章土的组成和物理性质7•定义：干土粒的质量与其体积之比•表达式：•单位:kg/m3或g/cm3•一般范围：粘性土2.70~2.75，砂土2.652.土粒密度s空气水土粒ma=0mwmsm质量VaVwVsVvV体积ssVms《土力学》第1章土的组成和物理性质8•定义：土粒的质量与4˚C时同体积水的质量之比•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dsC4w=1.0g/cm3土粒比重在数值上等于土粒的密度注意：空气水土粒ma=0mwmsm质量VaVwVsVvV体积《土力学》第1章土的组成和物理性质9测定方法：比重瓶法m0msm1m2空瓶质量烘干土的质量瓶+水的质量瓶+土+水的质量m1+ms——瓶+水（满）的质量+干土的质量；m1+ms-m2——与土粒体积相同的水的质量。《土力学》第1章土的组成和物理性质10•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ssswmmmmm(%)w注意:其实是含水比,可达到或超过100％3.土的含水率W空气水土粒ma=0mwmsm质量VaVwVsVvV体积《土力学》第1章土的组成和物理性质11测定法：烘干法《土力学》第1章土的组成和物理性质121.2.2换算指标1.土的干密度ρd——土的固相质量与土的总体积之比Vmsd空气水土粒ma=0mwmsm质量VaVwVsVvV体积2.土的饱和密度ρsat——土的孔隙中全部为水充满时的密度VVmwvssat3.土的有效密度（或浮密度）ρ′——扣除浮力以后的固相质量与土的总体积之比。VVmwsswsat''＞＞＞＞dsats《土力学》第1章土的组成和物理性质13反映土单位体积重力的换算指标——土的重度（重力密度）与密度mggVsddmggVsvwsatsatmVggVsswmVggV天然重度干重度饱和重度有效重度22g9.8m/s10/ms式中satwdsat《土力学》第1章土的组成和物理性质14反映土的孔隙特征、含水程度的指标4.土的孔隙比e——土的孔隙体积与固相体积之比（用小数表示）svVVe5.土的孔隙率n——孔隙体积与总体积之比（%)%100VVnv6.土的饱和度Sr——孔隙中水的体积与孔隙体积之比（%）%100vwrVVS《土力学》第1章土的组成和物理性质15土的孔隙比e和土的孔隙率n，都是反映土体密实度的重要物理性质指标；e和n愈大，土愈疏松；反之，愈密实；e＜0.6，土是密实的，压缩性小；e＞1.0，土是疏松的，压缩性高；土的饱和度反映土中孔隙被水充满的程度。Sr=100%，土完全饱和；Sr=0，土完全干燥；Sr≤50%，稍湿；50%Sr≤80%,很湿；Sr80%，饱和▲关于指标的说明dsat《土力学》第1章土的组成和物理性质161.2.3三相指标之间的换算关系三个试验指标土的天然密度ρ土的含水率w土粒密度ρs六个换算指标（可以计算求得）土的干密度ρd土的有效密度（或浮密度）ρ′土的饱和密度ρsat土的孔隙比e土的饱和度Sr土的孔隙率n《土力学》第1章土的组成和物理性质171sVww11vsvVeVVeVe由孔隙比wsswsssdmVmd11100%wwsswsmwmwmwdmewdVmws1)1(wedVmwssd11令：则：由土粒相对密度定义得得由含水量定义得《土力学》第1章土的组成和物理性质土的三相比例换算公式《土力学》第1章土的组成和物理性质19【例题1】某一块试样在天然状态下的体积为60cm3，称得其质量为108g，将其烘干后称得质量为96.43g，根据试验得到的土粒比重ds为2.7，试求试样的湿密度、干密度、饱和密度、含水率、孔隙比、孔隙率和饱和度。【解】（1）已知V＝60cm3，m=108g，则由式（1－4）得ρ=m／v=108／60=1.8g/cm3（2）已知ms=96.43g，则mw=m－ms=108－96.43=11.57g按式（1－9），于是w=mw／ms＝11.57／96.43=12%（3）已知ds=2.7，则Vs=ms／ρs=96.43／2.7＝35.7cm3Vv=V－Vs=60－35.7＝24.3cm3[例题分析]《土力学》第1章土的组成和物理性质20按式（1－10），于是e=Vv／Vs＝24.3／35.7=0.68（4）按式（1－11）n=Vv／V＝24.3／60=40.5％（5）根据ρw的定义Vw=mw／ρw=11.57／1＝11.57cm3于是按式（1－12）St=Vw／Vv=11.57／24.3＝48％(6)ρd=ms／v=96.43／60=1.61g/cm3ρsat=ms+Vvρw／v=96.43+24.3×1/60=2.01g/cm3ρ’=ms-Vsρw／v=96.43-35.7×1／60=1.01g/cm3=ρsat-1=2.01-1=1.01g/cm3《土力学》第1章土的组成和物理性质解二：三个基本指标计算同前（1）已知V＝60cm3，m=108g，则由式（1－4）得ρ=m／v=108／60=1.8g/cm3（2）已知ms=96.43g，则mw=m－ms=108－96.43=11.57g按式（1－9），于是w=mw／ms＝11.57／96.43=12%（3）ds=2.7已知。在图示各个指标中，只有e未知。根据密度指标定义：ρ=m/v=ds(1+w)/(1+e)得：e=ds(1+w)/ρ–1=2.7×(1+0.12)/1.8–1=0.6821《土力学》第1章土的组成和物理性质（4）利用三相比例指标图、各指标的定义进行解答。n=e/(1+e)=0.68/(1+0.68)×100%=40.5%St=wds/e=12%×2.7/0.68=48%ρd=ds/(1+e)=2.7/(1+0.68)=1.61g/cm3ρsat=(ds+e)/(1+e)=(2.7+0.68)/(1+0.68)=2.01g/cm3ρ’=(ds-1)/(1+e)=(2.7-1)/(1+0.68)=1.01g/cm322《土力学》第1章土的组成和物理性质23【例2】某土样经试验测得体积为100cm3，湿土质量为187g，烘干后，干土质量为167g。若土粒的相对密度Gs为2.66，求该土样的含水量ω、密度ρ、重度、干重度d、孔隙比e、饱和重度sat和有效重度【解答】%98.11167167187%100smm3/87.1100187cmgVm3/7.181087.1mkNg3/7.1610100167mkNgdd593.0187.1)1198.01(66.21)1(sGe%7.53593.066.21198.0eGSsr3/4.2010593.01593.066.21mkNeeGssat3/4.10104.20mkNwsat《土力学》第1章土的组成和物理性质24《土力学》第1章土的组成和物理性质25第1章：土的组成和物理性质§1.1土的三相组成§1.2土的三相比例指标§1.3土的结构§1.4粘性土的界限含水率§1.5砂土的密实度§1.6土的压实原理§1.7土的工程分类《土力学》第1章土的组成和物理性质定义：土的结构是指土粒的大小、形状、互相排列及联结的特征。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§1.3土的结构《土力学》第1章土的组成和物理性质1.单粒结构单粒结构是碎石土和砂土的结构特征，其特点是土粒间存在点与点的接触。粗粒土的结构疏松的单粒结构稳定性差，在荷载作用下，特别是振动荷载作用下会产生较大变形。密实的单粒结构较稳定，力学性能好，是良好的天然地基。单粒结构《土力学》第1章土的组成和物理性质2.蜂窝状结构蜂窝状结构是以粉粒为主的土的结构特征。粒径在0.02~0.002mm左右的土粒在水中因自重作用而下沉时，碰上已沉积的土粒，由于土粒间的引力大于下沉土粒的重力，后沉土粒就停留在最初的接触位置上不再下沉，形成大孔隙的蜂窝状结构。细粒土的结构排列形式：面与面蜂窝结构《土力学》第1章土的组成和物理性质3.絮状结构絮状结构是粘土颗粒特有的结构特征。悬浮在水中的粘土颗粒当介质发生变化时，土粒互相聚合，以边-边、面-边的接触方式形成絮状物下沉，沉积为大孔隙的絮状结构。细粒土的结构絮状结构土的结构形成以后，当外界条件变化时，土的结构会发生变化。在取土试验或施工中都必须尽量减少对土的扰动，破坏土的原状结构。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。《土力学》第1章土的组成和物理性质30第1章：土的组成和物理性质§1.1土的三相组成§1.2土的三相比例指标§1.3土的结构§1.4粘性土的界限含水率§1.5砂土的密实度§1.6土的压实原理§1.7土的工程分类《土力学》第1章土的组成和物理性质31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)表示影响力学特性密实度稠度§1.4粘性土的界限含水率《土力学》第1章土的组成和物理性质32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1.4.1粘性土的状态《土力学》第1章土的组成和物理性质•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《土力学》第1章土的组成和物理性质34•土的几种稠度状态：•流动状态——含水量很大时，土就成为泥浆，为粘滞性的液体；•塑性状态——含水量减少，粘滞流动的特点消失，显示出塑性；•半固体状态—含水量继续减少，土的可塑性逐渐消失，从可塑状态变为半固体状态；•固体状态——当含水量很小时，土的体积不再随着含水量的减小而减小了，称为固体状态。《土力学》第1章土的组成和物理性质35缩限塑限液限0固态半固态可塑状态流动状态工程上常用的有液性界限wL和塑性界限wp•液性界限，粉土的液限在32~38%之间，粉质粘土为38~46%，粘土为40~50%。•塑性界限，常见值为17~28%1.4.2界限含水率定义：