土质学与土力学第一章土的物理性质及工程分类.ppt

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1、第一章 土的物理性质及工程分类土质学与土力学课件系列 土质学与土力学课件系列土质学与土力学课件系列 主要内容 土的三相组成 土的颗粒特征 土的结构 土作为三相体的比例指标 粘性土的界限 砂土的密实度 第一节 土的三相组成土由固相、液相和气相三相组成，物质成分非常复杂。固相：土的固相物质分无机矿物颗粒及有机质，它们组成土的骨架。其固体颗粒的详细组成如下图所示。固体成份矿物质有机质原生矿物次生矿物石英长石云母粘土矿物Fe2O3Al2O3SiO2碳酸盐有机质主要是腐殖质矿物，其次是动植物残骸体及有机残余物。液相:土的液相是土孔隙中存在的水，一般看成中性，无色、无味、无臭，实质上土中水溶液是成分复杂的

2、电解质水溶液。在土中水以H2O 分子形式存在如下图所示。土中的水结合水自由水强结合水弱结合水毛细水重力水 当土粒与水相互作用时，土粒会吸附一部分水分子，在土粒表面形成一定厚度的水膜，由于受表面引力作用，而不服从静水力学规律，结合水的密度，粘滞度均比一般正常水为高，冰点比O 低。在结合水膜以外的水，为正常的液态水溶液，它受重力的控制而流动，能传递静水压力，为自由水。自由水又分为毛细水和重力水。毛细水除受重力作用外，还受毛细表面张力引起的毛细作用支配，毛细水上升的高度取决于毛细管的直径，毛细水对公路路基的干湿状态及冻害有重要影响。重力水为只受重力控制的自由水，它不受表面张力的影响，它在重力或压力差

3、作用下会在土中渗透。除了以上介绍的水的状态外，还可能有气态水，即呈蒸汽态水，以及固态水，即冰态的水。气相:土的气相是孔隙中存在空气，主要有CO2、O2、N2，其存在形式分为连通和不连通，不连通的对工程的影响比较大，属非饱和土力学的研究范围，是目前正在研究的热点内容。第二节 土的颗粒特征一、土粒大小及粒组划分 土粒大小是描述土的最直观和最简单的标准。对于立方体和浑圆球体的土粒，可直接量测，立方体的边长或圆柱体的直径，来描述土粒的大小。常用的分析方法有两种，对于大于0.075mm 的土粒常采用筛分析方法，而对于小于0.075mm的土粒则用沉降分析方法。沉降分析的方法：土粒大小即相当与实际土粒有相同

4、沉降速度的理想圆球体的直径。天然土体土粒大小变化很大，110-6mm 几米大小。土料的大小称为粒度，把大小相近的土粒合并成一组，称粒组，分界线是人为确定的。我国采用粗粒组划分办法，分为六大粒组，其分界粒径为200，20，2，1/20，1/200mm，根据需要再划分为若干亚组。划分粒组有两种方式：任意划分的方式，即按一定比例递减关系划分粒组的界限值。考虑土粒性质变化的方式，使划分的粒组界限值与粒组性质的变化相适应。二、粒度成分及其表示方法 土的粒度成分是指土中各种不同粒组的相对含量（%），它可用来描述土的各种不同粒径土粒的分布特征。常用的粒度成分的表示方法有表格法（如表1-1）、累计曲线（图1-

5、4）及三角形坐标法。土的粒度成分 表1-1粒组（mm）粒度成分（以百分计）土样a 土样b 土样c10 5 25.0 5 2 3.1 20.02 1 6.0 12.31 0.5 14.4 8.00.5 0.25 41.5 6.20.25 0.10 26.0 4.9 8.00.10 0.05 9.0 4.6 14.40.05 0.01 8.1 37.60.01 0.005 4.2 11.10.005 0.002 5.2 18.90.002 1.5 10.0图1-4图1-5根据粒径级配曲线可以得到以下指标 平均粒径d50：通过率是50%时的粒径。它表示了试料中粒径大小的中间值,所以,称为平均粒径。有

6、效粒径d10：通过率是10%时的粒径，是试料中所含细粒土大小程度的指标。通过该指标可知固结至某种程度的土的孔隙中，比土粒平均粒径d50小的细粒土的大小程度，所以d10可用于推定含砂量较多的土的渗透系数 表示土中水流过的难易程度的系数。同理，可得d30和d60见图1-5。不均匀系数Cu：Cu=d60/d10 该指标表示了颗粒累积曲线的倾斜度，Cu值大，叫做级配良好，Cu值小叫做级配不良。级配良好的土，土颗粒大小相间，在压实的时候容易压实，所以叫做极配良好。乒乓球的不均匀系数Cu=1，是级配最差的例子。曲率系数Cc:Cc=(d30*d30)/(d10*d60)该值表示了累积曲线的平滑程度，Cc值接

7、近于1，曲线平滑，表示土中含有大小不同的土颗粒。通常Cu10，Cc=13 的土是级配良好的土。三角形坐标法是由等边三角形组成，几何上已知三角形内一点，到三个边的距离之和为一常数，即h1+h2+h3=H,其中，h1粘土颗粒的含量h2砂土颗粒的含量h3粉土颗粒的含量根据该点在三角形的位置，确定土的名称、性质。三、粒度成分分析方法 土的颗粒级配由颗粒级配实验求出。在颗粒级配实验中,粗粒(75m 以上)土，用筛分法分析，细粒(75m 以下)土，因为土颗粒过小，用筛分法分不出来，采用水中沉降法(比重计法)分析。筛分法如图1-3(a)所示，把筛孔不同的筛，按筛孔的大小从大到小依次摞起来，最上层的筛中放入干

8、燥的土试料，加盖后振动，最后称量留在各个筛里的试料的质量，从而得出各种粒径所占的质量百分比。把这个结果绘在对数坐标纸上，得到图1-3(b)所示的颗粒大小与通过质量百分比的关系图。该曲线叫做颗粒级配曲线。另外，水中沉降法是一种聪明的方法，该方法利用了粒径大的颗粒沉降快(沉降速率与粒径的平方成比例)这一特性，分出粒径的大小。其方法是，把通过2mm 筛的试料放入水中，充分搅拌，震动后静置，然后，隔一定的时间用比重浮标(比重计)量测悬浊液的比重，根据悬浊液比重随时间的变化，并考虑到粒径大的颗粒沉降快，从而求出粒径分布。当粗细兼有时，两种办法联合使用。土粒越大，在静水中沉降速度越大，反之亦然。设有一个圆

9、球形颗粒在无限大的不可压缩的松滞性液体中，它在重力作用下产生的稳定沉降速度V，可由stokes 公式。V球形颗粒在液中的稳定沉降速度 球形颗粒的半径 颗粒及液体容重N/m3 液体的松滞系数=0.00114Pas w=9.81103N/m3 s=26103N/m3=悬液体积为1000cm3，其中所含di 的土粒重量为Wsi(g)悬液中di 土粒重量Wsi 占土粒总重Ws 的百分比P1 为第三节 土的结构 土的结构是指土的物质组成（主要指土粒、孔隙）的空间相互排列，以及土粒间的联结特征的综合。用肉眼或一般放大镜可以看到的土的结构称为宏观结构，如层理、裂隙、大孔隙等。用光学显微镜，电子显微镜才能观察

10、到的土的结构称为微观结构。土的结构，按其颗粒的排列及联结有：1 单粒结构：这是碎石类土和砂土的结构特征：土粒间无联结存在，或联结微弱，可以略去不计，分为疏松和紧密的。在静荷载作用下，尤其是在振动荷载作用下，疏松的单粒结构会趋于紧密，单粒结构的紧密程度取决于矿物成份，颗粒形状均匀程度，沉积条件，片状矿物组成的砂土最为疏松；浑圆的颗粒组成的砂比常有棱角的颗粒组成的砂土紧密，土粒愈不均匀，结构愈紧密，急速沉积的比缓慢沉积的土结构疏松些。2 聚粒结构：若干土粒以面-面方式聚合在一起，形成比较大的叠片状的集合体。3 絮凝结构：土粒或聚粒以边-边、边-面方式相互联结在一起，形成絮凝结构，它使土具有：细胞孔

11、隙性、粘聚性和弹性。土的结构在形成过程中，以及形成之后，当外界条件变化时，都会使土的结构发生变化。土体越干，土粒的联结强度越大，土体在外力作用下，絮状结构会趋于定向排列，土的强度及压缩性都随之发生变化。对土的结构的研究，近年来不仅研究土粒的排列及分布，并已开始研究土的孔隙率（孔隙大小、形状及分布）以及颗粒间联结性（接触数量，接触力的分布及）。第四节 土作为三相体的比例指标土 是 三 相 分 散 体 系，可 从 体 积 和 重 量 上 反 映 干 湿 程 度 及 紧 密程 度，其 实 际 组 成 的 三 相 图 和 经 抽 象 后 的 理 想 三 相 图 如 图1-6所示。(a)实际土体(b)土

12、三相图(c)各相的重量和体积 图1-6 土的三相组成从图1-6 可以得到以下式子：V=Vs+Vw+VaW=Ws+Ww+WaWa=0W=Ws+Ww 1.土的容重：土体单位体积的重力。它通常用环刀法在试验室测定，一般土的容重1622KN/m32 土粒容量s：土固体颗粒单位体积的重力（或重量）。3 土的含水量：是指土中水重与固体颗粒重之比，以百分比表示W 变化范围0 几百%，干砂接近于0，饱和粘土为百分之几百。4 干容量：是土的固体粒重力与土的总体积之比，即越大，土越密。5 饱和容重：指土孔隙中全部被水充满时的容重，即6 土的浮容重（浸水容重）：土浸没在水中受到浮力作用时的容重。当土浸没在水中时，就

13、会受到水的浮力作用，从而减小了土的容重。浮力的大小等于排开的水重，因而浮容重应等于含有乳隙在内的单位体积土中的颗粒重量减去同体积（即颗粒体积）的水重，当土的孔隙度为n 时，孔隙比为e 时，从图1-7、图1-8 可以得出：图1-7图1-87 孔隙比e：是指土中孔隙的体积与固体颗粒的体积之比，即用来评价土的紧密程度。8 孔隙率n，土中孔隙体积与总体积之比一般以百分率表示，e 与n 之间关系为：9 饱和度Sr：是孔隙中水的体积与孔隙体积之比它用来描述土中水充满空隙的程度，Sr=0 为完全干燥的土，Sr=1 为完全饱的土。把按饱和度将砂土分成三种状态,0 Sr0.5 稍湿0.5 Sr0.8 潮湿的（很

14、湿的）0.8 Sr1.0 饱和的在以上指标中，、是由试验测定，称为试验指标，其余指标均为导出指标。第五节 粘性土的界限含水量如图1-9 所示,粘性土充分加水搅拌后,像泥浆一样,不能成型,呈“液体状态”.然后使其渐渐干燥,随着含水量降低,水分蒸发,体积减小,逐渐达到容易成型的“半固体状态”.继续干燥下去,土颗粒相互接触,体积不再收缩,呈坚硬的“固体状态”.把与以上各种状态相适应的界限含水量分别称为液限(liquid limit)WL、塑限(plastic limit)Wp 和缩限(shrinkage limit)Ws,统称为稠度界限(consistency limit).所以说：土从液体状态向塑

15、性体状态过渡的界限含水量称为液限WL。土由塑性体状态向脆性固体状态过渡的界限含水量称为塑限Wp。土的体积随含水量的减少而收缩，但达某一含水量时，土体积，不再收缩，这个界限含水量称之为缩限Ws。另外从图1-9 也可知道天然土所处的状态。对于土体在界限点的状态一般不说。粘性土的塑性大小，可用土处于塑性体状态的含水量变化范围来衡量。液限与塑限之差值，称之为塑性指数Ip。图1-9用一个能够表示天然含水量与界限含水量之关系的指标即液性指数IL，即液性指数说明天然土所处的状态。可表示成下式Il=(w-wp)/(wl-wp)通过图1-9 可以对照着理解液性指数的含义。通常土的液限的测定用平衡锥式液限仪进行的

16、，土的塑限是用搓泥条法测定的。目前还有用液塑限联合测定仪测定土的液、塑限。第六节 砂土的密实度当 砂 土 样 以 最 疏 松 状 态 制 备 时，其 孔 隙 比 达 最 大 值emax；当砂 土 样 受 或 捣 实 时，砂 粒 相 互 靠 拢 压 紧，孔 隙 比 达 最 小 值emin，砂 土 的 天 然 状 态 的 孔 隙 比 为e，则 砂 土 的 天 然 状 态 的 紧 密 程度可用相对密度Dr 来表示：由于emax、emin的试验方法目前缺乏统一的标准，测定的结果往往离散性比较大，原状砂土取样困难较多，尤其水下，因此砂土的天然孔隙比也是难以测定。所以相对密度的表达式并不实用。一般采取标准

17、贯入试验：质量63.5kg 的穿心锤以760mm 的落距，把一个特制的对开式标准贯入器按一定的要求打入土中，记录每打下300mm 所需的锤击数即N63.5或N 值，根据实测平均的N63.5 值可划分砂土的密实程度。实测值应乘以长度修正系数、地下水、上覆土压、侧摩擦及设备试验方法，都可能对锤击数有影响。砂土密实度 砂土密实度 表1-2分级 相对密度Dr标准贯入平均击数密实 Dr 0.67 30-50中密 0.67Dr 0.3310-29稍松 0.33Dr 0.205-9极松 Dr 0.20 5第七节 土的工程分类 土是自然地质历史的产物，它的成分、结构和性质是千变万化的，大致地判断土的基本性质，

18、合理地选择研究内容及方法，以及在科学技术流中有共同的语言，有必要对土进行科学分类。分类的方法：地质分类、土壤分类、粒径分类、结构分类。为了解决渗流问题，则按土的渗透性进行分类，在考虑粒度成分界限值时，就注意到使粒组的划分能反映透水性的变化。在道路工程中，为了路基土压实和水稳性问题，则按土的不同粒组的级配进行土的分类。粗粒土，按粒度成分进行分类，粘性土则按塑性指数分类。一、公路桥涵地基与基础设计规范（JTJ024-85）与工业与民用建筑地基规范（TJ7-74）、工业与民用建筑工程地质勘查规范（TJ21-77）中的工程分类首先按颗粒级配或塑性指数划分为碎石土、砂土和粘性土1 碎石土：粒径大于2mm

19、 的颗粒含量超过全重50%的，再按表1-4 细分为、漂石、块石、卵石、碎石、圆砾和角砾。2 砂土：大于2mm 不超过50%且塑性指数IP 1 的土按表1-5 分砾砂、粗砂、细砂和粉砂。3 粘性土：IP1 的土。1）按沉积率代分（1）老年粘土：Q3 以及Q3 以前的沉积粘性土（2）一般粘土：Q4 沉积的粘性土（3）新近沉积粘性土：文化期以来沉积的粘性土2）按塑性指数分类见表1-3。粘性土的分类 表1-3土名 JTJ024-85规范土名 TJ7-74 及TJ21-22规范粘土 Ip 17 粘土 Ip 17亚粘土 7Ip 17 亚粘土 10 Ip 17亚砂土 1 Ip 7 亚砂土 3 Ip 7碎石土

20、的分类 表1-4土的名称 颗粒形状 颗粒级配漂石 圆形及亚圆形为主粒径大于200mm 的颗粒超过全重的50%块石 棱角形为主卵石 圆形及亚圆形为主粒径大于20mm 的颗粒超过全重的50%砾石 棱角形为主圆砾 圆形及亚圆形为主粒径大于2mm 的颗粒超过全重的50%角砾 棱角形为主 砂土的分类 表1-5土的名称 粒径大于2mm 的颗粒超过全重的25-50%砾砂 粒径大于0.5mm 的颗粒超过全重的50%粗砂 粒径大于0.25mm 的颗粒超过全重的50%中砂 粒径大于0.1mm 的颗粒超过全重的75%细砂 粒径大于0.1mm 的颗粒不超过全重的50%粉砂 粒径大于2mm 的颗粒超过全重的50%4 特

21、殊土、淤泥、淤泥质土、红粘土及人工填土1）淤泥和淤泥质土：在静水或缓慢的流水环境中沉积，经过生物化学作用形成，天然含水量W 大于液限WL，e1.0 的粘性土，当e1.5 为淤泥，1.0e1.0，W 接近WP，Sr85%。3）人工填土：由人类活动形成的堆积物。（1）素填土：有随时图、砂土、粘土等组成的填土，经分层夯实者统称压实填土。（2）杂填土：含有建筑垃圾、工业废料、生活垃圾等杂物的填土。（3）冲填土：由水力冲填泥砂形成的填土。二、公路路基土的分类土分类用的符号和含义如表1-6 所示，公路路基土的分类如表1-7 所示，其中将土分成砂土、砂性土、粉性土、粘性土、及重粘土五大类，然后再分成若干亚类

22、。土分类用的符号和含义 表1-6粗粒土 细粒土 有机土成分 G（Gravel）砾S(Sand)砂C(Clay)粘质土M(Silt or Mo)粉质土O(Organic)有机质土P(Peat)泥炭级配或液限W(Well graded)良好级配P(Poorly graded)不良好级配H(High Liquid Limit)高液限I(Intermediate Liquid limit)中液限L(Low Liquid)Limit)低液限 公路路基土的分类 表1-7 土组土名 老土名 分类符号颗粒组成（按重量计）塑性指数Ip液限Wl砂粒(2-0.074mm)粘粒(0.5mm多于50%中砂：0.25mm

23、多于50%细砂：0.1mm者多于75%极细砂：0.1mm者少于75%80 03 2 2 1628低液限粘土粗亚砂土细亚砂土CL50粗砂多于细砂50细砂多于粗砂3103102216281628粉性土粉质低液限粘土 粉质亚砂土 CLM 2050 010 2 1628粉土 粉土MLMI2 1628粉质中液限粘土粉质轻亚粘土粉质重亚粘土CIM45101828383850粘性土中液限粘土轻亚粘土重亚粘土CI454010202030101828383850高液限粘土 轻粘土 CH 26 5070重粘土很高液限粘土 重粘土 CV 50 40 70三、细粒土按塑性图分类 对于细粒土，国外大多采用塑性图分类，是以塑性指数为纵坐标，液限为横坐标的直角坐标图，土的坐标值落在那个区，就属那种土。