孔隙比e孔隙比e可以用来划分砂土的密实度

第一章土的物理性质本章学习要点1、明确土的粒度、粒组、粒度成分的概念及粒度成分的分析与表示方法；2、掌握土的物理性质指标和物理状态指标的定义，能够利用绘制土的三相草图，进行指标换算；3、完成土的三大指标测定和液塑限测定试验。第一节土的三相组成岩石风化（物理化学）作用岩石破碎化学成分改变搬运沉积大小、形状和成分都不相同的松散颗粒集合体（土）1、碎散性2、多相性3、自然变异性一、土的生成二、土的三大特征第一节土的三相组成土固相液相气相土中颗粒的大小、成分及三相之间的相互作用和比例关系，反映出土的不同性质。土体三相比例不同，土的状态和工程性质也随之各异。饱和粉细砂或粉土遇强烈地震，可能产生液化，而使工程遭受破坏；饱和粘土地基受建筑荷载作用发生沉降需几十年才能稳定。固体＋液体(气体＝0)为饱和土固体＋液体＋气体为湿土，湿粘土多为可塑状态。固体＋气体(液体＝0)为干土，干粘土呈坚硬状态，干砂呈松散状态。一、土中固体颗粒土中固体颗粒是土的三相组成中的主体，构成土体骨架的基本物质，其粒度成分和矿物成分决定着土的工程性质。（一）粒度成分1、土颗粒的大小与形状土颗粒的大小称为粒度。为便于研究，工程上把大小相近的土粒合并为组，称为粒组。土粒形状对土体的密度及稳定性有显著影响。大部分粉砂粒及砂粒是浑圆的或棱角的，而云母颗粒往往是片状的，粘土颗粒则往往是薄片状的。土粒的形状取决于矿物成分，它反映土料的来源和地质历史。（1）浑圆度NiiNRr1R为土粒内接圆的半径；浑圆度可反映土粒尖角的尖锐程度。如何描述土粒形状呢？常用的有：浑圆度及球度。ir为颗粒突出角的半径；N为颗粒尖角的数量。cdDD（2）球度为在扁平面上与土粒投影面积相等的圆的半径；dDcD为最小外接圆的半径。球度可反映土粒接近于圆的程度。当球度为1时，说明此土粒为圆球体。2、粒度成分及粒度成分分析方法粒度成分（土的颗粒级配）：指土中各种不同粒组的相对含量（以占干土重量的百分比表示）。试验方法筛分法：适用于0.074mm≤d≤60mm比重计法:适用于d＜0.074mm粒度成分分析方法粒度成分用来描述土中的各种不同粒径的土粒的分布特征。当土中粗细粒兼有时，可联合使用上述两种方法。筛分法用一套孔径不同的筛子，按从上至下筛孔逐渐减小放置。将事先称过质量的烘干土样过筛，称出留在各筛上的土质量，然后计算其占总土粒质量的百分数。筛分法（d≥0.074mm的土）沉降分析法（比重计法、密度计法）利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同来确定小于某粒径的土粒含量。3、粒度成分的表示方法常用的表示方法有表格法、累计曲线法和三角座标法。（1）表格法以列表形式直接表达各粒组的相对含量。两种表示法：以累计含量百分比表示；以粒组表示。（2）颗粒粒径级配曲线（累计曲线法）纵坐标表示小于某粒径的土粒含量百分比,横坐标表示土粒的粒径(对数坐标）。粘粒粉粒砂砾（角砾）卵石漂石细砂中砂粗砂细砾中砾粗砾0.0020.002～0.0740.074～0.250.25～0.50.5~22~55~2020~6060~200200颗粒级配的描述工程上常用不均匀系数Cu描述颗粒级配的不均匀程度。1060ddCud10、d30、d60小于某粒径的土粒含量为10%、30%和60%时所对应的粒径Cu愈大，表示土粒愈不均匀。工程上把Cu＜5的土视为级配不良的土；Cu＞10的土视为级配良好的土。曲率系数Cc描述颗粒级配曲线整体形态，表明某粒组是否缺失情况。6010230dddCc对于砾类土或砂类土，同时满足Cu≥5和Cc=1～3时，定名为良好级配砂或良好级配砾。（二）矿物成分原生矿物次生矿物不可溶的可溶的粘土矿物倍半氧化物次生氧化物难溶盐中溶盐易溶盐有机质腐殖质泥炭土中水的含量明显地影响土的性质(尤其是粘性土)。土中水除了一部分以结晶水的形式吸附于固体颗粒的晶格内部外，还存在结合水和自由水.1.结构水（结合水）强结合水：紧靠于颗粒表面、所受电场的作用力很大、几乎完全固定排列、丧失液体的特性而接近于固体.弱结合水：紧靠强结合水的外围形成的结合水膜，所受的电场作用力随着与颗粒距离增大而减弱.2.自由水存在于土粒电场影响范围以外，性质和普通水无异，能传递水压力，冰点为0℃，有溶解能力.以两种形式存在：毛细水、重力水.二、土中的水3、气态水当气温降至零度以下时，液态的自由水结冰为固态水，使基础发生冻胀，寒冷地区基础的埋深要考虑冻胀问题。4、固态水土中气体存在于土孔隙中未被水占据的部分，分为与大气连通的非封闭气体和与大气不连通的封闭气体.1.非封闭气体：受外荷作用时被挤出土体外，对土的性质影响不大.2.封闭气体：受外荷作用，不能逸出，被压缩或溶解于水中，压力减小时能有所复原，对土的性质有较大的影响，使土的渗透性减小，弹性增大和延长土体受力后变形达到稳定的历时.三、土中气体土的结构是指土颗粒之间的相互排列和连接形式的综合。1.单粒结构：粗矿物颗粒在水或空气中在自重作用下沉落形成的单粒结构，其特点是土粒间存在点与点的接触。根据形成条件不同，可分为疏松状态和密实状态.密实状态疏松状态第二节土的结构2.蜂窝结构：颗粒间点与点接触，由于彼此之间引力大于重力，接触后，不再继续下沉，形成链环单位,很多链环联结起来，形成孔隙较大的蜂窝状结构.3.絮状结构：细微粘粒大都呈针状或片状，质量极轻，在水中处于悬浮状态。当悬液介质发生变化时，土粒表面的弱结合水厚度减薄，粘粒互相接近，凝聚成絮状物下沉，形成孔隙较大的絮状结构.蜂窝结构絮状结构第三节土的物理性质指标及物理状态指标土的物理性质指标反映土的工程性质的特征，具有重要的实用价值。例如，地基基础设计中，一个关键的问题是确定地基土的承载力，如何确定地基承载力？常用方法是《规范法》，若地基土为粉土，据孔隙比和含水量，可用《规范》查出地基承载力数值。土中的孔隙体积大，土就松散；含水多，土就软弱。(一)、土的三相图水mwVwm质量m土粒msVs气VaV体积VVv一、土的物理性质指标实际土体土的三相图(二)、直接测定指标1.土的密度ρ：单位体积土的质量。工程中常用容重来表示单位体积土的重力。重力加速度，工程近似取10γ=ρg3cmgVm土的总体积土的总质量常见值ρ=（1.6～２.２）g/cm3γ＝(１６～２２)KN/m3常用测定方法①环刀法（细粒土）②灌水法（粗、巨粒土）不锈钢环刀2、土粒比重Gs（土粒相对密度）砂土（1）物理意义：土在105～110℃下烘至恒重时的质量与同体积4℃蒸馏水质量的比值。（2）表达式数值上近似纯水质量同体积固体颗粒的质量ssswsssVmVmCG4（3）常见值69.2~65.2sG粉土71.2~70.2sG粘性土75.2~72.2sG①比重瓶法（4）常用测定方法②浮称法③虹吸筒法④经验法⑴物理意义——土的含水量表示土中含水的数量，为土体中水的质量与固体颗粒质量的比值，用百分数表示。3、土的含水量ω⑵表达式(%)100smm固体颗粒质量水的质量⑶常见值⑷测定方法砂土ω=(0～40)%；粘性土ω=(20～60)%.①烘箱法②红外线法③酒精燃烧法④铁锅炒干法三、换算指标（1）孔隙比e土中孔隙体积与土粒体积之比svVVe土中孔隙体积与总体积之比，以百分数表示%100VVnv1、反映土的松密程度的指标（2）孔隙率（孔隙度）n表达式常见值：砂土e=0.5～1.0粘性土e=0.5～1.2n=(30～50)%物理意义二者相比，孔隙比e在公路工程中的应用更加广泛。孔隙比e可直接反映土的密实程度，e越大，土越疏松；e越小，土越密实。它是确定地基承载力的指标。当砂土e0.6时，成密实状态，为良好地基。当粘性土e1.0时，为软弱地基。工程经验：（2）土的饱和度Sr干土Sr=0,饱和土Sr=1。2、反映土中含水程度的指标（1）含水量ω土中孔隙水的体积与孔隙总体积之比。饱和度描述土中孔隙被水充满的程度。VWrVVS孔隙体积水的体积Sr≤0.5稍湿；0.5＜Sr≤0.8很湿；Sr＞0.8饱和砂土根据饱和度划分湿度状态:工程应用当粘土处于饱和状态时，其力学性质可能降低为0粘土对含水量ω的变化十分敏感，含水量增加，体积膨胀，结构也要发生改变。3、特定条件下土的密度及容重土体中孔隙完全被水充满时的土的密度干密度ρdVVmvssatVmsd单位体积内土粒质量与同体积水的质量之差VVmss单位体积中固体颗粒部分的质量有效密度ρ饱和密度ρsat通常用作填方工程，包括土坝、路基和人工压实地基，作为土体压实质量控制的标准。干密度的工程应用干密度越大，表明土体压得越密实，工程质量越好；一般来说，所用的压实费用也越高。土的物理性质指标中的质量密度指标共有4个，土的密度ρ，饱和密度ρsat，干密度ρd，有效密度ρ,四者的物理意义应理解清楚。四、指标间的换算土的三相指标中，土粒比重Gs，含水量ω和密度ρ是通过试验测定的，可以根据这三个基本指标换算出其余各指标。五、例题分析【例】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、干密度d、孔隙比e、饱和重度sat和有效重度【解题思路】1）先求三相的质量和体积；2）再按各指标的物理意义求解。二、土的物理状态指标（一）粗粒土（无粘性土）的密实度土的密实度指单位体积土中固体颗粒的含量。所谓土的物理状态，对于粗粒土，是指土的密实程度；对于细粒土，指土的软硬程度或称为粘性土的稠度。工程上常用孔隙比e、相对密度Dr和标准贯入试验N作为划分密实度的标准。工程中以什么作为划分密实度的标准呢？1、孔隙比e孔隙比e可以用来划分砂土的密实度。优点:用一个指标e,无法反映土的粒径级配因素。例如，两种级配不同的砂，一种颗粒均匀的密砂，其孔隙比为e1，另一种级配良好的松砂，孔隙比为e2，结果e1e2,即密砂孔隙比反而大于松砂的孔隙比。用一个e即可判别砂土的密实度，应用方便。同一种砂土，密砂的孔隙比e1,松砂的孔隙比e2,则必然e1e2.缺点:对于同一种土，当e小于某一限度时，处于密实状态。e愈大，土愈松散。2、相对密实度DrminmaxmaxeeeeDr砂土在天然状态下孔隙比砂土在最密实状态时的孔隙比砂土在最松散状态时的孔隙比为克服上述方法的缺陷，可用天然孔隙比e与同一种砂的最松状态孔隙比emax和最密实状态孔隙比emin进行对比，看e靠近emax或靠近emin,以此为判别它的密实度，即相对密实度。用相对密度Dr作为判别砂土密实度的标准，计入土的级配因素，理论上完善。用长颈漏斗法测定emax或用振动叉和击锤振击金属圆筒法测定emin,因人而异，测定的数值与测试人员的素质、劳动态度有关，难以获得科学的数据。在实践中很少使用。当Dr=0时，e=emin，表示土处于最疏松状态;Dr≤1/3疏松状态1/3＜Dr≤2/3中密状态2/3＜Dr≤1密实状态优点：缺点：当Dr=1.0时，e=emax，表示土体处于最密实状态minmaxmaxeeeeDr3、标准贯入试验N试验方法：用卷扬机将质量为63.5kg的钢锤提升76cm高度，让钢锤自由下落，打击贯入器，使贯入器贯入土中深为30cm所需的锤击数计为N63.5（简化为N）。(二)、粘性土的稠度1.粘性土的稠度状态稠度是指土的软硬程度或土受外力作用所引起变形或破坏的抵抗能力,是粘性土最主要的物理状态特征。流动状态可塑状态固体状态半固体状态刚沉积的粘土，本身不能保持其形态，极易流动外力作用可改变其形状，而不改变其体积，并在外力卸除后仍能保持已获得的形状水分蒸发，上覆沉积层厚度增加，含水率减小，体积收缩含水率减小,丧失可塑性，在外力作用下，易于发生破裂体积不再收缩，空气进入土体，土的颜色变淡0半固态可塑状态流动状态ω塑限ωP液限ωL缩限的测定采用收缩皿法。液、塑限的测定根据《公路土工试验规程》规定，采用液塑限联合测定仪进行测定。固态缩限ωsGYS-2型光电式液塑限联合测定仪下沉