第二章 土的物理性质及分类.ppt
土力学课件第2章_土的物理性质及分类
2.2.1 土的三相比例关系图
质量
m mw ms
气 水 土粒
体积
Va
Vv
Vw
V
Vs
ms：土粒质量 mw：土中水质量 m：土的总质量
100 %
（7）干密度ρd干容重γd • 定义：单位体积内土粒的质量或重量
• 表达式：
d
ms V
d
ms g V
d
g
• 土烘干，体积要减小，因而土的干密度不 等于烘干土的密度。
• 土的干密度或干容重是评价土密实程度的 指标，干密度或干容重越大表明土越密实， 反之越疏松。常用它来控制填土工程的施 工质量。
干密度与湿密度和含水率的关系
m
V
d
wd
1
d 1 w
d
1 w
孔隙比与比重和干密度的关系
d
ms V
s
1 e
e dsw 1 d
饱和度与含水率、比重和孔隙比的关系
Sr
Vw Vv
ws w
e
wd s e
当土饱和时，即为Sr=100％
则
e wsat ds
w
sat
Gs e 1 e
w
Gs 1 1 e
e Gs (1 w)w 1
n 1 d Gs w
St
w d nw
kN/m3 kN/m3 kN/m3 kN/m3
土力学-第2章 第2讲
目 的： • 便于调查研究； • 便于比较、分析、评价； • 便于学术与经验的交流 (基于共同的概念)
原 则： 1）简明原则—采用的指标能综合反映土的主要工程
性质；测定方法简单，使用方便。 2）工程性质差异原则—采用的指标一定程度上反映 不同类工程用土的不同特性。
2.7 土的胀缩性、巨粒湿土 陷性和漂 卵石石冻胀性
1、按沉积年代和地质成因划分
(ii) 运积土
洪积土
2.7 土的分类
建筑地基土的分类
1、按沉积年代和地质成因划分
(ii) 运积土
冲积土
2.7 土的分类
建筑地基土的分类
1、按沉积年代和地质成因划分
(ii) 运积土
风积土，如：黄土
2.7 土的分类
建筑地基土的分类
1、按沉积年代和地质成因划分
B土：粒径大于2mm的没有，粒径大于0.075mm的占全重的52%，属于 砂土。按砂土的分类此土命名为粉砂。
C土：粒径大于2mm的占全重的67%，粒径大于20mm的占全重的13%， 按碎石土分类，该土命名为圆砾或角砾。
2.7 土的分类
分类体系：
1.建筑工程系统分类体系
侧重把土作为建筑地基和环境，研究对象为原状土，例如： 《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTJ D63-2007)地基土分类 方法
2.工程材料系统分类体系
侧重把土作为建筑材料，用于路堤、土坝和填土地基工程。研 究对象为扰动土，例如： 《土的分类标准》(GB/T 501452007)工程用土的分类和《公路土工试验规程 》(JTG E402007)土的工程分类
孔密隙实比的e 无黏性土由于压缩性小，抗剪强度高，承载力大， 对可同作一为种建土筑，当物孔的隙良比好小地于基某。一限度时，土体处于密实状态，孔隙
第二章土的工程性质及分类
For personal use only in study and research; not for commercial use第二章土的性质及工程分类土的性质包括：物理性质、力学性质、水理性质、工程性质。
土是由固体颗粒、水和空气组成的三相体系。
由于三相比例的不同，决定了土的物理性质（轻重、疏密、干湿、软硬）。
土的物理性质又决定了土的力学性质，因此土的物理性质是我们研究的主要特性之一。
本章主要介绍土的组成及土的结构土的物理性质指标无粘性土的密实度粘性土的物理特性土的渗透性及渗流土的动力特性地基(岩)土的工程分类2.1概述土是风化的产物，是由固体颗粒、水和空气组成的三相体系，下面看三相组成示意图。
在外力作用下，土体并不显示为一般固体的特性，也不表现为一般液体的特性，因此，在研究土的工程性质时，既有别于固体力学，也有别于液体力学。
2.2土的三相组成及土的结构2.2.1 土的组成一、土的固体颗粒土的固体颗粒的大小和形状，矿物成分及其组成情况，是决定土的物理力学性质的重要因素。
2.2.1.1土的矿物成分矿物成分分为原生矿物、次生矿物2.2.1.2土粒粒组自然界中存在的土，都是由大小不同的土粒组成的。
土粒的粒径由粗到细逐渐变化时，土的性质也相应地发生变化。
例如，土的性质随着粒径的变细，可由无粘性变化到有粘性。
因此可以将土中各种不同粒径的土粒，按适当的粒径范围，分为若干组，各个粒组，随着分界尺寸的不同而呈现一定质的变化，划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。
目前我国常用的土粒粒组划分方法，按照界限粒径的大小，将土粒分为六个组：漂石（块石）（＞200）、卵石（碎石）（200～60）、圆砾（角砾）（60～2）砂粒（2～0.075）、粉粒（0.075～0.005）和粘粒＜0.005（注漂石、卵石、圆砾是一定磨圆形状、圆形或亚圆形）土中土粒的大小及其组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量来表示，称为土的颗粒级配。
如何来分析土中的颗粒级配情况，通常用筛分法与水分法两种。
土力学_第2章(土的物理性质和工程分类)
强结合水
固体 状态
结合水
土中的水
液 态
不任意流动
弱结合水 毛细水
自由水
重力水
气 态
四种—书中P13
+ + + +_ + _ _ _ _ + _ _ _ __ + _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _
粘土颗粒
强结合水
弱结合水
自由水
O 2
粘粒
H+
105o
H+
水分子 极 性
（c）土中的气体（空气）
判断标准：
N63.5 ≤5 松散
稍密 中密 密实 N ≤ 10 松散 稍密 中密
碎石土
5＜ N63.5 ≤10 10＜ N63.5 ≤20 N63.5 ＞20
砂 土
密实状态
10＜ N ≤15 15＜ N ≤30
密实状态
N ＞30
标准贯入 击数
密实
重Ⅰ型 动力触探击数
（3） 粘性土的物理状态（软－硬状态）
Va 气体 ma=0 mw=w ρs Vw
水
mw
Vv=e V =e+1
ms= ρs
Vs 土粒 ms
Vs=1
干容重计算公式：
ms g s g Gs w g Gs w d d g V e 1 e 1 e 1
浮容重：静水下的土体受到水的浮力作用，其容重等于土的饱和容重减去水的容重。
隙比e与该种土达到最密时的孔隙比emin和最松时的孔隙比emax相对 比的办法，来表示孔隙比e时土的密实度。
emax e Dr emax emin
0.67＜Dr≤1.0 密实 中密 松散 （《地基与基础》－p27）
土的物理性质及地基土的工程分类
第二章 土的物理性质及地基土的工程分类1. 土力学的研究对象：土土——土是连续、坚固的岩石在风化作用下形成的大小悬殊的颗粒，经过不同的搬运方式，在各种自然环境中生成的沉积物。
§2-1 土的组成一、土的组成⎪⎩⎪⎨⎧孔隙中的水液气体气冰土颗粒固:::土中颗粒的大小、成分及三相之间的比例关系反映出土的不同性质，如干湿、轻重、松紧、软硬等。
这就是土的物理性质。
二、土的固体颗粒（一）土的颗粒级配1．土颗粒的大小直接决定土的性质 2．粒径——颗粒直径大小3．粒组——为了研究方便，将粒径大小接近、矿物成分和性质相似的土粒归并为若干组别即称为粒组。
粒组的划分：漂石 粘粒 4．颗粒级配——土粒的大小及组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量来表示，称为土的颗粒级配。
颗粒级配的测室方法：——筛析法 比重计法 试验成果分析：①颗粒级配累积曲线（半对数坐标） 见P17 图1-10分析⎩⎨⎧级配良好不均匀粒径大小接近曲线陡级配良好不均匀粒径大小悬殊曲线平缓②不均匀系数（C u ）1060u d /d C = ⎩⎨⎧<>级配不良级配良好5C 0C u u式中：d 60——当小于某粒径的土粒质量累计百分数为60%时，该粒径称为限定粒径d 60。
d 10——当小于某粒径的土粒质量累计百分数为10%时，相应的粒径称为有效粒径d 10。
③曲率系数（C c ）6010230c d d d C ⋅=式中：d 30——当小于某粒径的土粒质量累计百分数为30%时的粒径用d 30表示。
C c ——曲率系数，它描写的是累积曲线的分布范围，反映曲线的整体形状。
C c =1~3时 级配良好 （二）土粒的矿物成分漂石、卵石、砾石等粗大土粒的矿物成分以原生矿物为主。
（与每岩相同） 砂粒的矿物成分大多为母岩中的单矿物颗粒。
如石英等。
粉粒的矿物成分以粘土矿物为主。
粘土矿物由两种原子层构成，主要类型⎪⎩⎪⎨⎧高岭石伊利石蒙脱石粘土矿物的特点：细小、亲水性强，吸水膨胀，脱水收缩。
土力学-第2章 土的物理性质及分类
三相草图法
第二章 土的物理性质及分类
ma=0
m mw ms
质量 空气 air 水 Water
Va
Vv Vw V
固体 Solid
Vs
体积
三 相 草 图(three-phase soil models)
第二章 土的物理性质及分类
九个物理量:
V Vv Vs Va Vw ms m w ma m
物理量关系:
ma=0
空气
Va
Vv Vw V
m mw
水
ms
质量
固体
Vs
体积
位: 无量纲 • 一般范围：粘性土 2.70~2.75， 砂土 2.65
• 单
=1.0 g/cm3
土粒比重在数值上 等于土粒的密度
基本试验指标-土粒比重
第二章 土的物理性质及分类
土的含水量W
• 定义：土中水的质量与土粒质 量之比，用百分数表示 • 表达式：
黏聚力
原始黏聚力（由粒间电分子引力产生） 固化黏聚力（由粒间胶结物产生）
土受扰动时，这两类黏聚力被（部分）破坏，使土的强度降低。但 扰动停止后，原始黏聚力可随时间部分恢复，故强度有所恢复。但固化 黏聚力是无法在短时间内恢复的。所以易于触变的土，被扰动而降低的 强度仅能部分恢复
土中水的离子成分和浓度→水中低价阳离子浓度增加，IP越大
黏土的物理状态指标
第二章 土的物理性质及分类
不同的粘土，wp、wL 大小不同。对于不同的粘土，含水 量相同，稠度可能不同
w wP w w P 液性指数： IL wL wP IP
wp w wL IL 0 坚硬(半固态) 0<IL0.25 硬塑 0.25 <IL 0.75 可塑 0.75 <IL 1 软塑 IL>1 流塑
土力学 第2版 第二章 土的物理性质及分类
环刀的容积V=60cm3； 环刀的质量m1； 环刀和土的质量m2；
土的密度: m2 m1
V
2.2.2 指标的定义
土力学
2.特殊条件下土的密度
质量m
体积V
Vw Va Vv
气
mw
水
m
ms
土粒
Vs V
（1）干密度ρd ：单位体积中固
体颗粒部分的质量 （紧密程度）
d
ms V
（2）饱和密度ρsat ：土体中孔 （3）浮密度ρ ：在地下水位
出合适的名称，可以概略评价土的工程性质。
第2章 土的物理性质及分类
2.1 概述 2.2 土的三相比例指标 2.3 粘性土的物理特征 2.4 无粘性土的密实度 2.5 粉土的密实度和湿度 2.6 土的胀缩性、湿陷性和冻胀性 2.7 土的分类
土力学
2.2 土的三相比例指标
2.2.1 土的三相比例关系图 2.2.2 指标的定义 2.2.3 指标的换算
土力学
2.2.1 土的三相比例关系图
土力学
质量m
气
mw —土中水质量
mw
水
m
ms —土粒质量
ms
土粒
Vs V
Vw Va Vv
体积V
Va —土中气体积 Vw —土中水体积
Vs —土粒体积
m ms mw
Vv Vw Va
（土的总质量）
（土中孔隙体积）
V Vs Vw Va
（土的总体积）
2.2 土的三相比例指标
ds
ms
Vs 1
s 1
测定方法：比重瓶法
ρs—土粒密度，单位体积土粒质量 ρw1 —纯水在40C时的密度，1g/cm3
土粒相对密度变化范围不大：一般，砂类土2.65～2.69；粉性土
2土的物理性质及工程分类
进行评定。天然碎石土的密实度，可按原位重型圆锥动
力触探的锤击数N63.5进行评定(GB50007-2002)
密实度
松散 稍密
中密
密实
按N评定砂石密实度 N≤10 10＜N≤15 15＜N≤30 N＞30
按N63.5评定碎石土密实度 N63.5≤5 5＜N63.5≤10 10＜N63.5≤20 N63.5＞20
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
0
塑限ωP
液限ωL
ω
固态或半固态 可塑状态 流动状态
粘性土由某一种状态过渡到另一状态的界限含水量称为 土的稠度界限
液塑限测定根据《土工试验规程》(SL237-007-1999)规定， 采用液塑限联合测定仪进行测定。
d
sat
ms
VV w
V
(Gs e)w
1 e
d
ms V
Gs w
1 e
1
n VV e V 1e
sat
(Gs 1)w
1 e
Sr
Vw VV
mw
VV W
Gs
e
五、例题分析
【例】某土样经试验测得体积为100cm3，湿土质量为 1为827.g6，6，烘求干该后土，样干的土含质水量量为ω1、67密g。度若ρ、土重粒度的相、对干密重度度Gs
三、例题分析
【ω=例9.4】3%某,天砂然土密试度样ρ,试=1验.66测/c定m3土。粒已相知对砂密样度最G密s=实2.状7,含态水时量称
得干砂质量ms1=1.62kg,最疏松状态时称得干砂质量 m实s2状=1态.45kg。求此砂土的相对密度Dr,并判断砂土所处的密
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❖ 2.
灵敏度：St
原状 重塑
( 无侧限抗压强度 )
❖ 低灵敏度： 1.0＜St≤2.0 St越大，土样扰动后强度降低越明显。
❖ 中等灵敏度：2.0＜St≤4.0
❖ 高等灵敏度: 4.0＜St
❖ 3 触变性：土体扰动后,结构受到破坏强度降低;但停止扰动后,强 度有逐渐增大的现象。
§2 . 4 无粘性土的密实度
❖
❖
自由膨胀率
ef
VwVo Vo
膨胀土的特征：①δef ≥40%
2.6.2 土的湿陷性： 是指土在自重压力或附加压力作用下,受 水浸湿后土的结构迅速破坏而发生显著附加下陷的特征。
①． 以粉粒为主,蜂窝结构；②． 以盐质胶结为主； ③． 以 甘、陕、晋等地的黄土最为显著
湿陷系数 s = (hp—h’p)÷ho 当 s ＜0.015时, 为非湿陷性黄土。
土中孔隙体积与总体积之比，以百分数表示，即：
（3）土的饱和度Sr ❖ 土中水的体积与孔隙体积之比，以百分数表示，即：
❖ 土的饱和度反映土的潮湿程度。如果Sr=100%，表明土孔隙中 充满水，土是完全饱和的；Sr=0，则土是完全干燥的。通常可 根据饱和度的大小将砂土划分为稍湿、很湿和饱和三种状态： Sr≤50% 稍湿 50%＜Sr≤80% 很湿 Sr＞80% 饱和
无粘性土： 粘粒含量很少的单粒结构土. 如： 砂 、 砾……
2 . 4 . 1D砂r 土em的emax相ax e对mei密n 度
或
Dr
pd max( pd pd min pd( pd max pd min)
Dr≤1/3，
疏松状态
1/3＜Dr≤2/3，
中密状态
2/3＜Dr≤1，
密实状态
2 . 4 . 2 其它测定方法 (1). 标贯试样法：(相对砂) N63.5 见表 2-9 2-10 (2). 重力触探法：(碎石土、砾 、 卵石) N63.5 见表 2-11 (3). 现场鉴别法：具有一定 自稳能力或粘粒的砂砾碎石土.
s ≥ 0.015时,为湿陷性黄土。
2 . 6 . 3 土的冻胀性：是指土的冻胀和冻融给建筑物或土工建筑 物带来危害的变形特征。
量。
③ 光电式联合测定仪：
❖ 在双对数座标纸上作直线 (2mm wp \ 10mm wl )
2 . 3 . 2 粘性土的物理状态指标
塑性指数IP是液限和塑限的差值(省去%)，即土处在可塑状态的 含水量变化范围
I p L P
液性指数IL是粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比
IL
P
IP
根据IL值可以直接判定土的软硬状态
V的土体，是由固体颗粒、水和气体组成的，假设能 够将三者分离开来，如下图所示：
图中：ma------土中气体的质量（可忽略，即ma = 0） mw------土中水的质量 ms-------土中固体颗粒的质量 m-------土的总质量 Va-------土中气体所占体积 Vw-------土中水所占体积 Vs-------土中固体颗粒所占体积 Vv-------土中孔隙部分体积，Vv = Vw + Va V-----土的总体积，V = Vv + Vs = Va + Vw + Vs
❖ 界限含水量： 是指粘性土从一种状态转变为另一种状态的 分界含水量。
❖ 液限Wl 流态----------可塑 ❖ 塑限WP 可塑---------半固态 ❖ 缩限 Ws 半固态----------体积不再减少
3.测定方法 ①液限：锥式液限仪，锥重＞6g 锥角20° 锥入深
度10mm的含水量 ❖ (水利 17mm \ 公路 20mm ) 国外碟式仪 ② 塑限： 搓条法:小土条直径3 mm，开裂时的含水
第二章 土的物理性质及分类 §2.1 概述
土的物理在一定程度上影响土的力学性质， 所以物理性质是土最基本的工程特性。
影响土体物理力学性质的主要因素是土颗粒 和水 。
§2.2 土的三相比例指标
❖ 2. 2 . 1 土的三相比例关系图 ❖ 土的三相在体积和重量上的关系称为土的三相比
例指标。 ❖ 为研究土的三相比例指标，在土中任取一体积为
状态
坚硬
硬塑
可塑
液性指数 IL≤0 0＜IL≤0.25 0.25＜IL≤0.75
软塑 0.75＜IL≤1
流塑 IL＞1
天然稠度ωC
c
l p
( 作为公路路评价用 )
2 . 3 . 3 粘性土的活动度、灵敏度和触变性
❖ 1. 活动度： 反映粘性土中所含矿物的活动性
❖ A Ip ( 粘性百分比含量 ) m
2.2.3指标的换算
利用比例关系,可假设V=1,或 Vs=1,进行推导, 过程 略，见表2-2。
§2 . 3 粘性土的物理特征
2.3.1 粘性土的可塑性及界限含水量
❖ 1. 可塑性
❖
处于一定范围含水量的土，在外力作用下可塑成某种
形状而不产生裂纹，当外力移去后，仍能保持既得形状的
特性。.
❖ 2.界限含水量
§2 . 5 粉土的密实度和湿度 1.粉土的密实度：按孔隙比e的大小分
e≤0.75， 0.75＜e≤0.9， e≥0.9，
密实 中密 稍密
2. 粉土的湿度：按含水量(%)分
w≤20， 20＜w≤30， w≥30，
稍湿 湿 很湿
§2 . 6 土的膨胀性、湿陷性和冻胀性
❖ 2 . 6 . 1 土的膨胀性: 是指粘性土吸水膨胀，失水收缩的特性。 ❖ 亲水矿物： 蒙脱石。
2. 2 . 2 指标的定义
1. 实测指标(基本指标)
❖ 〈1〉土粒相对密度(比重)
❖ 比重瓶法： 砂: 2.65～2.71 粘土:2.72～2.75
❖ 〈2〉 含水量ω
❖ 烘干法、烧考法， 100-105°C
〈3〉土的密度ρ
环刀法: 粘性土 1.8～.0 g/cm3 砂土1.6～2.0g/cm3 2.特殊条件下的密度
干密度Pd：土的固相质量ms与总体积v之比，即:
饱和密度： 有效密度：
sat
ms
Vv V
， ms Vs
V
3. 描述土的孔隙体积及充水程度的指标
（1）土的孔隙比е ❖ 土中孔隙体积与颗粒体积之比，称为孔隙比，即
e=Vv/Vs ❖ 孔隙比是表明土密实程度的一个很重要的物理指标，建筑物的沉
降量与土的孔隙比有着密切的关系。天然状态下的粘性土е< 0.6， 土是密实的，低压缩的；当е> 1时，土是松软的，建筑物的沉降 量也大，属高压缩性土。 （2）孔隙率（度）n