2-土的基本物理性质及工程分类

主要内容：•第一章绪论•第二章土的物理性质及工程分类•第三章土中应力计算•第四章土的变形性质及地基沉降计算•第五章土的抗剪强度•第六章土应力、地基承载力和土坡稳定•第七章浅基础设计•第八章桩基础第二章土的物理性质及工程分类•土的组成与土的结构•土的物理性质指标•土的物理状态指标•土的渗透及渗流•土的动力特性•地基土(岩)的工程分类§2.1土的物理性质概述岩石风化（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）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气相固相液相++构成土骨架，起决定作用重要影响土体次要作用§2.2土的组成及土的结构一、土的固相物理状态力学特性粒径级配矿物成分颗粒形状1.土粒的矿物成分矿物成分取决于母岩的矿物成分和风化作用◆原生矿物：由岩石经过物理风化形成，其矿物成分与母岩相同例：石英、云母、长石等特征：矿物成分的性质较稳定，组成的土无粘性、透水性较大、压缩性较低◆次生矿物：岩石经化学风化后所形成的新的矿物，其成分与母岩不相同例：粘土矿物有高岭石、伊利石、蒙脱石等特征：性质较不稳定，具有较强亲水性，遇水易膨胀2.粒径级配颗粒大小各粒径成分在土中占的比例影响土性的主因颗粒大小•粒组按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类•界限粒径d(mm)d(mm)砾石砂粒粉粒粘粒胶粒6020.0750.0050.0020.250.5520粗中细粗中细极细0.1粗粒细粒P7表2.1粒径级配•确定方法筛分法：适用于粗粒土(0.075mm≤d≤60mm)比重计法:适用于细粒土(d＜0.075mm)——工程上为了表示土粒的大小及组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量（即各粒组占土粒总量的百分数）用质量百分数来表示。•表述方法粒径级配累积曲线颗粒粒径级配曲线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）Cu筛分法用一套孔径不同的筛子（60、40、20、10、5、2、1、0.5、0.25、0.1、0.075mm），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比重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Vd126.1105.02.01.00.50.250.1200g101618242238721009080706050403020100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)土的粒径级配累积曲线水分法粒径(mm)0.050.010.005百分数P(%)2613.510P100%95%87%78%66%55%36%小于某粒径的土质量百分数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d60d50d10d30d60d10d30CuCc0.330.0050.063662.41特征粒径:d50:平均粒径d60:限定粒径d10:有效粒径d30:中值粒径不均匀程度：Cu=d60/d10—不均匀系数粗细程度：用d50表示连续程度:Cc=d302/(d60×d10)—曲率系数Cu≥5,土不均匀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d60d50d10d30d60d10d30CuCc0.330.0050.063662.41特征粒径:d50:平均粒径d60:限定粒径d10:有效粒径d30:中值粒径不均匀程度：Cu=d60/d10—不均匀系数粗细程度：用d50表示连续程度:Cc=d302/(d60×d10)—曲率系数Cu≥5,土不均匀Cc=1~3,级配连续性好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曲线d60d10d30CuCcL0.330.0050.081663.98M0.0632.41R0.0300.545斜率:某粒径范围内颗粒的含量陡—相应粒组质量集中缓--相应粒组含量少平台--相应粒组缺乏连续程度: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粒径级配累积曲线及指标的用途：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；如果Cu5或Cc3或Cc1,级配不良的土二、土中的水土中水的含量明显地影响土的性质(尤其是粘性土)。结合水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1.结合水•排列致密、定向性强•密度1g/cm3•具有固体的特性•温度高于100°C时可蒸发强结合水•位于强结合水之外，电场引力作用范围之内•外力作用下可以移动•不因重力而移动，有粘滞性弱结合水强结合水：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二、土中的水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、重力水自由水重力水毛细水在重力作用下可在土中自由流动•存在于固气之间•在重力与表面张力作用下可在土粒间空隙中自由移动三、土中气体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四、土的结构:在成土过程中所形成的土粒的空间排列及其联结形式密实状态疏松状态蜂窝结构絮状结构五、土的构造土的构造是指土体中各结构单元之间的关系。1.层理构造：土粒在沉积过程中,由于不同阶段沉积的物质成分、颗粒大小或颜色不同,而沿竖向呈现出成层特征2.裂隙构造：土体被许多不连续的小裂隙所分割,在裂隙中常充填有各种盐类的沉淀物3.分散构造：土层中各部分的土粒组成无明显差别，分布均匀，性质亦相近。土的三个组成相的体积和质量上的比例关系松密程度干湿程度轻重程度特点: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、联系与区别定义基本方法:三相草图法§2.3土的物理性质指标§2.3土的物理性质指标•一、土的三相图WaterAirSolidVaVwVsVvVmamwmsm质量体积sawvawVVVVVVVswaa已知关系五个:共有九个参数:VVvVsVaVw/msmwmam剩下三个独立变量三相草图法物性指标是比例关系:可假设任一参数为1对于饱和土,Va=0剩下两个独立变量实验室测定其它指标是一种简单而实用的方法WaterAirSolidVaVwVsVvVmamwmsm质量体积WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积－土的密度、土粒的比重、土的含水量土的容重工程上更常用,用于计算土的自重应力单位:kg/m3或g/cm3单位:kN/m3一般范围:1.60—2.20g/cm3定义:单位体积土的质量表达式:相关指标:三相草图有助于直观理解物性指标的概念二、直接测定指标(3)1.土的密度ρ（土的天然密度）awswsVVVmmVm近似取10m/s2g测定方法：通常用环刀法(内径61.8±0.15mm，高20+0.016mm，体积为60cm3)切土方式示意图WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积s:土粒的密度，单位体积土粒的质量sssVm单位:无量纲土粒比重一般范围:粘性土2.72—2.76粉土2.70—2.71砂土2.65—2.69w：4˚C时纯蒸馏水的密度w=1.0g/cm3土粒比重在数值上等于土粒的密度定义:土粒质量与同体积的4℃时纯水的质量之比表达式:2.土粒相对密度ds（土粒比重）ssssVmd测定方法：通常用比重瓶法定义:土中水的质量与土粒质量之比,用百分数表示注意:其实是含水比,可达到或超过100％3.土的含水量ω表达式:%100%100sssmmmmm测定方法：通常用烘干法，亦可近似用酒精燃烧法WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积•三、换算指标(6)1.表示土中孔隙含量的指标(2)2.表示土中含水程度的指标(1)3.表示土的密度和容重的指标(3)孔隙比孔隙率(孔隙度)svVVeVV(%)nv关系:e1enn1ne在某种程度上反映土的松密砂类土：28-35%粘性土：30-50%有的可达60-70%定义:土中孔隙体积与固体颗粒体积之比,无量纲表达式:WaterAirSolidVaVwVsVvV体积定义: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+eWaterAirSolid体积1.表示土中孔隙含量的指标——孔隙比e和孔隙率nswmm(%)w含水量饱和度WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm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.表示土中含水程度的指标——土的含水量和饱和度Sr%100vrVVSSr≤50%稍湿；50％＜Sr≤80%很湿；Sr＞80%饱和天然密度干密度饱和密度awswsVVVmmVm天然容重干容重VmsdggddVVmvwssatgsatsat浮容重wsat浮密度有效容重饱和容重WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积单位:kg/m3或g/cm3单位:kN/m3定义:土被完全烘干时的密度,等于单位体积内土粒的质量（人工填土压实质量控制指标）表达式:3.表示土的密度和容重的指标VVmss土中孔隙充满水时单位体积内土的质量各种密度容重之间的大小关系：dsatdsat天然密度干密度饱和密度VmVmsdVVmvwssat天然容重干容重ggddgsatsat浮容重wsat饱和容重WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积•四、指标间的换算气水土粒dsρwVs＝11+e质量m体积VVv=eωdsρwds（1＋ω）ρwedVmws1)1(11edVmwssd1)1(1wsdwsddeeedVVmwswVssat1)(edwssat1)1(eeVVnV1edVmVVSsWVwVwr要点•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－土的密度、土粒的比重、土的含水量定义:单位体积土的质量直接测定指标(3)1.土的密度ρ（土的天然密度）awswsVVVmmVm定义:土粒质量与同体积的4℃时纯水的质量之比2.土粒相对密度ds（土粒比重）ssssVmd定义:土中水的质量与土粒质量之比,用百分数表示3.土的含水量ω%100%100s