1、土力學 第一章,第一章 土的物理性質和工程分類,土力學 第一章,第一章 土的物理性質和工程分類,1,2,3,4,5,土的形成,土的三相組成,土的工程分類,土的物理性質指標,土的物理狀態(tài)指標,土力學 第一章,1,土的形成,第一章 土的物理性質和工程分類,土力學 第一章,土是指：地球表面的完整巖石在大氣中經受長期的風化、 剝蝕、搬運、沉積而形成的由固體礦物顆粒、水、氣體 三種成分組成的集合體。,1.1 土的形成,巖石,松散堆積物,風化、剝蝕 搬運、沉積,地質成巖作用,土力學 第一章,1.1 土的形成,土力學 第一章,1.1 土的形成,土力學 第一章,物理風化 化學風化 生物活動,巖石和土的粗顆粒受

2、各種氣候等物理因素的影響產生脹縮而發(fā)生裂縫,或在運動過程中因碰撞和摩擦而破碎 是顆粒大小發(fā)生量的變化 礦物成分與母巖相同，稱原生礦物 產生無粘性土,1.1 土的形成,土力學 第一章,母巖表面和碎散的顆粒受環(huán)境因素的作用而改變其礦物的化學成分，形成新的礦物 顆粒成分發(fā)生質的變化 礦物成分與母巖不同，稱次生礦物 形成十分細微的土顆粒，最主要為粘性顆粒及可溶鹽類,物理風化 化學風化 生物活動,1.1 土的形成,土力學 第一章,包括植物、動物和土壤微生物的作用 可加劇物理和化學風化 構成土中有機質和營養(yǎng)物質的生物循環(huán) 導致腐殖質的形成，改變土壤的結構,物理風化 化學風化 生物活動,1.1 土的形成,土

3、力學 第一章,搬運與沉積,殘積土 無搬運,沉積土 有搬運,母巖表層經風化作用破碎成巖屑或細小顆粒后，未經搬運殘留在原地的堆積物,風化所形成的土顆粒，受自然力的作用搬運到遠近不同的地點所沉積的堆積物,1.1 土的形成,土力學 第一章,土的形成,變形特性 強度特性 滲透特性,土的三相組成 土的物理狀態(tài) 土的結構,土的工程分類,決 定,影響,便于研究和應用,形成過程 形成條件,物理力學性質,影響,固相（固體顆粒) 液相（土中水） 氣相（土中氣）,1.1 土的形成,土力學 第一章,2,土的三相組成,第一章 土的物理性質和工程分類,土力學 第一章,氣相,固相,液相,+,+,構成土骨架，起決定作用,重要影

4、響,次要作用,1.2 土的三相組成,土力學 第一章,1) 土粒的成分,原生礦物,次生礦物,在物理風化作用下，土粒保持與成土原巖相同的礦物成分。,如：石英、長石、云母顆粒,在化學風化作用下，由于改變了成土原巖原來的礦物成分，形成了新礦物。主要是粘土礦物。,如：蒙脫石、伊利石、高嶺石,1.2 土的三相組成,土力學 第一章,石英,云母,長石,1.2 土的三相組成,土力學 第一章,蒙脫石,伊利石,高嶺石,比表面積,親水性,800,80,15,大,中,小,1.2 土的三相組成,土力學 第一章,2) 顆粒級配,各粒組的質量分數:各粒組的質量占全部土?？傎|量的百分比,即土中各粒組的相對含量。,粒徑 土粒的大

5、小 粒組 按粗細進行分組，將粒徑接近的歸成一類 界限粒徑 劃分粒組的分界尺寸,1.2 土的三相組成,土力學 第一章,mm,卵石,圓礫,砂粒,粉粒,粘粒,20,2,0.005,0.25,0.5,5,10,粗,中,細,粗,中,細,0.075,200,塊石,0.1,極細,細,粗,0.01,碎石,漂石,角礫,土粒粒組的劃分（GBJ145-90),1.2 土的三相組成,土力學 第一章,粗砂,粘 土,卵石,碎 石,1.2 土的三相組成,土力學 第一章,確定方法 顆粒分析試驗 篩分法：適用于粗粒土 (0.075 mm) 水分法：適用于細粒土 (0.075 mm),表述方法 顆粒級配曲線：根據顆粒分析結果求出

6、各粒組的含量占全部土粒重量的百分比，然后按小顆粒至大顆粒計算累積百分含量，用半對數坐標繪制成顆粒級配累積曲線。,1.2 土的三相組成,土力學 第一章,標準篩,1.2 土的三相組成,土力學 第一章,10 5.0 2.0 1.0 0.5 0.25 0.1,200g,10g 16g 18g 24g 22g 38g 72g,P % 95 87 78 66 55 36,累積質量百分數,1.2 土的三相組成,土力學 第一章,粒徑(mm),1.2 土的三相組成,土力學 第一章,d60,d10,d30,特征粒徑: d60 : 限定粒徑 d10 : 有效粒徑 d30 :中值粒徑,不均勻程度： Cu = d60

7、/ d10,Cu 5,顆粒大小不均勻,1.2 土的三相組成,土力學 第一章,斜率: 某粒徑范圍內顆粒的含量 陡相應粒徑集中 緩-相應粒徑多 平臺-相應粒組缺乏,連續(xù)程度: Cc = d302 / (d60 d10 ) 曲率系數,C c = 1 3 級配連續(xù)性好,1.2 土的三相組成,d60,d10,d30,土力學 第一章,顆粒級配累積曲線及指標的用途：,1）粒組含量用于土的分類定名；,3）不均勻系數Cu用于判定土的不均勻程度： Cu 5，不均勻土； Cu 5, 均勻土。,4）曲率系數Cc用于判定土的連續(xù)程度： C c = 1 3，級配連續(xù)土； Cc 3 或 Cc 1，級配不連續(xù)土。,5）不均勻

8、系數Cu和曲率系數Cc用于判定土的級配優(yōu)劣： 如果 Cu 5且 C c = 1 3 ， 級配 良好的土； 如果 Cu 3 或 Cc 1，級配 不良的土。,2）顆粒分布情況用于大致判定土的均勻程度： 曲線平緩，粒組分布范圍廣，土顆粒不均勻； 曲線較陡，粒組分布較集中，土顆粒均勻。,1.2 土的三相組成,土力學 第一章,例圖1.1 顆粒級配累積曲線,【例題1.1】 如例圖1.1所示A、B、C為三種用不同粒徑曲線所代表的土。不均勻系數Cu及曲率系數Cc各為多少?并對各曲線所反映的土的級配特性進行分析。,1.2 土的三相組成,土力學 第一章,【解】,按曲線A得知 d60 =0.165 d10 =0.1

9、0 d30 =0.15,雖然Cc在13之間，但從曲線看其坡度陡， Cu5，故為級配不良的土。,1.2 土的三相組成,土力學 第一章,從曲線看其坡度較緩，Cu及Cc都滿足條件， 故屬級配良好的土。,2) 按曲線B得知 d60 =0.115 d10 =0.018 d30 =0.05,1.2 土的三相組成,土力學 第一章,從曲線上看，曲線呈臺階狀，級配不連續(xù)，缺乏中間粒徑，雖然Cu5，但Cc不在13之間，因此不能同時滿足兩個條件，屬級配不良的土。,3) 按曲線C得知 d60 =2.8 d10 =0.165 d30 =0.25,1.2 土的三相組成,土力學 第一章,結晶水 礦物內部的水 結合水 吸附在

10、土顆粒表面的水 自由水 電場引力作用范圍之外的水 土中冰 由自由水凍成，凍脹融陷,土中水的存在形態(tài),天然土體中常含有一定數量呈液態(tài)、固態(tài)或氣態(tài)的水。一般土需研究液態(tài)水，凍土還需研究固態(tài)水的含量。土中氣態(tài)水，對土的性質影響不大，通常不作重點研究。,3) 土中水,1.2 土的三相組成,土力學 第一章,土中水的分類,結合水,自由水,強結合水(強束縛水或吸著水) 緊附于礦物顆粒表面。,重力水 重力水可以在土孔隙中自由流動,毛細水 受到水和空氣交界面處表面壓力的作用，存在于地下水位以上的透水層中自由水,弱結合水 是在強結合水外圍形成的一層結合水膜。,1.2 土的三相組成,土力學 第一章,結合水,排列致密

11、、定向性強 密度1g/cm3 冰點處于零下幾十度 具有固體的的特性 溫度高于100C時可蒸發(fā),強結合水,位于強結合水之外，電場引 力作用范圍之內 外力作用下可以移動 不因重力而移動，有粘滯性,弱結合水,1.2 土的三相組成,土力學 第一章,毛細水：由于土體孔隙的毛細作用升至自由水面以上的水。毛細水承受表面張力和重力的作用 重力水：自由水面以下的孔隙自由水，在重力作用下可在土中自由流動,自由水：不受顆粒電場引力作用的孔隙水,hc,毛細水,重力水,1.2 土的三相組成,土力學 第一章,r2hcw= 2rTcos,毛細水,分布在土粒內部相互貫通的孔隙可以看成許多形狀不一、直徑互異、彼此連通的毛細管,

12、毛細升高與孔徑成反比,分析對象: 水柱,毛細水上升的高度取決于土的孔隙、有效粒徑、土孔隙中吸附的空氣和水的性質等,1.2 土的三相組成,土力學 第一章,自由氣體：與大氣連通，對土的性質影響不大 在粗粒土中?？梢娕c大氣相連通的空氣，在受力時，氣體能很快從孔隙中逸出，一般不影響土的性質。 封閉氣體：增加土的彈性；阻塞滲流通道 在細粒土中，常存在與大氣不相連通的封閉氣泡，在土體受壓時，氣體體積縮小，卸荷后體積又恢復，這使土的彈性變形增大而透水性減小。,土中氣（氣相）,1.2 土的三相組成,土力學 第一章,土有三個組成部分：固相、液相和氣相,固體顆粒 土中水 土中氣體,粒徑級配 礦物成分 顆粒形狀,結

13、合水 ：強結合水、弱結合水 自由水 ：重力水、毛細水,自由氣體 封閉氣體,1.2 土的三相組成,土力學 第一章,3,土的 物理性質指標,第一章 土的物理性質和工程分類,土力學 第一章,土的物理狀態(tài) 粗粒土的松密程度 粘性土的軟硬狀態(tài),土的物理性質指標 (三相間的比例關系),力學特性,影響,表示,基本方法:,三相草圖法,1.3 土的物理性質指標,土力學 第一章,三相草圖,質量,體積,為了研究土粒、水和空氣這三相在數量上的相互關系，我們設想把土體的各相分別集中在一起，用三相圖來直觀地表示三相物質在體積和質量上的相對關系 。,1.3 土的物理性質指標,土力學 第一章,三相草圖,共有九個參數: V V

14、v Vs Va Vw ms mw ma m,三個獨立變量,三相草圖法,物性指標是比例關系: 可假設任一參數為1,實驗室測定,其它指標,1.3 土的物理性質指標,土力學 第一章,定義：土單位體積的質量 表達式： 單 位: kg/m3 或 g/cm3 一般范圍: 1.602.20 g/cm3,土的密度,1.3 土的物理性質指標,土力學 第一章,定義：土粒的密度與4C時純蒸餾水密度的比值 表達式： 單 位: 無量綱 一般范圍：粘性土 2.702.75， 砂土 2.65,土粒比重Gs,=1.0 g/cm3,土粒比重在數值上等于土粒的密度,1.3 土的物理性質指標,土力學 第一章,定義：土中水的質量與土

15、粒質 量之比，用百分數表示 表達式： 單 位: 無量綱 一般范圍：變化范圍大,注意: 其實是含水比,可達到或超過100,土的含水量W,1.3 土的物理性質指標,土力學 第一章,可表示同一種土的松密，二者之間存在關系：,砂類土：28-35% 粘性土：30-50%，有的可達60-70%,孔隙比e：土中孔隙體積與固體顆粒體積之比, 為無量綱,孔隙率(孔隙度)n：土中孔隙體積與總體積之比, 用百分數表示,可用三相草圖推出,1.3 土的物理性質指標,土力學 第一章,對干土：Sr=0 對飽和土：Sr=1,含水量：,飽和度：土中水的體積與孔隙體積的比值,飽和度表示孔隙中充滿水的程度：,1.3 土的物理性質指

16、標,土力學 第一章,為計算方便，可采用簡單的填圖法。,三相草圖,指標間的換算關系,1.3 土的物理性質指標,土力學 第一章,將e移至等式左端,則有,1.3 土的物理性質指標,土力學 第一章,1.3 土的物理性質指標,土力學 第一章,某一取自地下水位下的飽和試樣，用環(huán)刀法測定其容重。環(huán) 刀的體積為50cm3，環(huán)刀重為80g，環(huán)刀加土重為172.5g， 該土的土粒比重為2.7，試計算該土樣的天然容重、飽和容 重、干容重和孔隙比。,位于地下水位下,土樣體積V,土重m,環(huán)刀體積,環(huán)刀加土重 環(huán)刀重,解題思路,1.3 土的物理性質指標,土力學 第一章,已知土粒比重為2.68，土的密度為1.91g/cm3

17、， 含水率為29%，求土的干密度、孔隙比、孔隙率和飽和度。,已知,解題思路,求解,1.3 土的物理性質指標,土力學 第一章,物理性質指標,土的三個組成相的體積和質量上的比例關系,密實程度 干濕程度 ,特點: 指標概念簡單，數量很多,要點：名稱、概念或定義、符號、表達式、 單位或量綱、常見值或范圍、聯系與區(qū)別,定義,基本方法:,三相草圖法,室內測定的三個物理性質指標 土的密度、土粒相對密度、土的含水量,三相草圖有助于直觀理解物性指標的概念,其它常用的物理性質指標 表示土中孔隙含量的指標 表示土中含水程度的指標 表示土中密度和重度的指標,三相草圖可用于確定物性指標之間的關系,三相草圖法是求取物理性

18、質指標的簡單而有效的方法,1.3 土的物理性質指標,土力學 第一章,4,土的 物理狀態(tài)指標,第一章 土的物理性質和工程分類,土力學 第一章,密實度,如何衡量?,單位體積中固體顆粒含量的多少,優(yōu)點：簡單方便,缺點：不能反映級配的影響,對策,1) 按天然孔隙比 e 確定,emin = 0.35,emin = 0.20,無粘性土的密實度,2) 按相對密實度Dr確定,1.4 土的物理狀態(tài)指標,土力學 第一章,emax: 最大孔隙比；將松散的風干土樣通過長頸漏斗輕輕地倒入容器，避免重力沖擊，求得土的最小干密度再經換算得到最大孔隙比,emin: 最小孔隙比；將松散的風干土樣裝入金屬容器內，按規(guī)定方法振動和

19、錘擊，直至密度不再提高，求得土的最大干密度再經換算得到最小孔隙比,emax與emin ：最大與最小孔隙比,注意：室內測得理論上的最大與最小孔隙比有時很困難,相對密實度,1.4 土的物理狀態(tài)指標,土力學 第一章,粗粒土的密實狀態(tài)指標,判別標準： Dr = 1 最密狀態(tài) Dr = 0 最松狀態(tài) Dr 1/3 松散狀態(tài) 1/3 2/3 密實狀態(tài),相對密實度,1.4 土的物理狀態(tài)指標,土力學 第一章,3) 按國標地基規(guī)范推薦的方法確定,砂土:,標準貫入試驗的錘擊數N (見P15表1.4),碎石土:,重型圓錐動力觸探試驗的錘擊數 N63.5(見P19表1.11),1.4 土的物理狀態(tài)指標,土,土力學 第

20、一章,塑限 wp,液限wL,界限含水量,固態(tài)或半固態(tài),可塑態(tài),流態(tài),強結合水膜最大,出現自由水,強結合水,弱結合水,自由水,稠度狀態(tài),含水量,土中水的形態(tài),w,1.4 土的物理狀態(tài)指標,粘性土的稠度和可塑性,土力學 第一章,粘性土的界限含水量,1) 液限 定義：土呈流動狀態(tài)的最低含水量稱為液限，液限即為流動狀態(tài)與可塑狀態(tài) 的界限含水量，也是可塑狀態(tài)的上限含水量。用符號wL表示。 測定方法：液限可采用碟式液限儀或錐式液限儀測定。,2) 塑限 定義：土呈可塑狀態(tài)的最低含水量為土的塑限，它既是可塑狀態(tài)與半固態(tài)的界限含水量，也是半固態(tài)的上限含水量。用符號wp表示。 測定方法：在國內常用搓條法測定塑限。

21、,3) 縮限 定義：土的縮限是指粘性土隨含水量的減少，體積開始不變時的含水量，即半固態(tài)與固態(tài)的界限含水量，用符號ws表示。,1.4 土的物理狀態(tài)指標,土力學 第一章,粘性土的可塑性及其指標,當土在一定條件下，因受外力作用被塑造或搓揉成任意形狀而不產生 裂縫，且當外力移去后，仍能保持既得形狀的性能，稱為土的可塑性。,塑性指數,地基規(guī)范規(guī)定用塑性指數作為粘性土劃分的標準。,塑性指數表示粘性土呈可塑狀態(tài)時含水量的變化范圍。,1.4 土的物理狀態(tài)指標,土力學 第一章,相對稠度,對于不同的粘土，含水量相同，稠度可能不同,液性指數,不同的粘土，wp、wL 大小不同,定義：,wP,w,wL,IL1,堅硬狀態(tài)

22、 可塑狀態(tài) 流 態(tài),0.00 0.25 0.25 0.75 0.75 1.00,硬塑 可塑 軟塑,液性指數,w,1.4 土的物理狀態(tài)指標,土力學 第一章,粘性土的靈敏度St,定義:,原狀土無側限抗壓強度與重塑土無側限抗壓強度之比。,分類:,低靈敏度土 0 4,表達式:,- 原狀土的無側限抗壓強度;,- 擾動土的無側限抗壓強度。,1.4 土的物理狀態(tài)指標,土力學 第一章,5,土的 工程分類,第一章 土的物理性質和工程分類,土力學 第一章,目的：,建筑地基基礎設計規(guī)范-GB50007-2002 分類法,便于研究及應用,定義：,根據對土(巖)的工程性質最有影響的基本特征指標，把工程性質接近的土劃分為一類并定以相應的名稱。,1.5 土的工程分類,土力學 第一章,1.5 土的工程分類,土力學