土力学与基础工程课件.ppt

1、土力学与基础工程土力学与基础工程 1 1 绪绪 论论 土力学土力学是力学的一个分支，是一是力学的一个分支，是一 门研究土的学科，是为了解决工程中有门研究土的学科，是为了解决工程中有 关土的问题。关土的问题。一、土力学的概念一、土力学的概念 土力学：土力学：利用力学的一般原理利用力学的一般原理，研究土，研究土的物理、化学和力学性质及土体在荷载、的物理、化学和力学性质及土体在荷载、水、温度等外界因素作用下工程性状的应水、温度等外界因素作用下工程性状的应用科学用科学。二、土力学的研究对象二、土力学的研究对象 土力学研究对象：土力学研究对象：与工程建设有关的土。与工程建设有关的土。 就土木工程领域而言

2、，就土木工程领域而言，土是指覆盖在地土是指覆盖在地 表的没有胶结和弱胶结的颗粒堆积物。表的没有胶结和弱胶结的颗粒堆积物。 土与岩石的区分土与岩石的区分仅在于颗粒间胶结的仅在于颗粒间胶结的 强弱。强弱。 二、土力学的研究对象二、土力学的研究对象土的形成：土的形成： 土土是由地壳表层的整体岩石经受是由地壳表层的整体岩石经受风化风化作用作用后形成的大小悬殊的颗粒，经过后形成的大小悬殊的颗粒，经过不同不同的搬运方式的搬运方式，在各种自然环境中，在各种自然环境中生成的生成的沉积物沉积物。二、土力学的研究对象二、土力学的研究对象风化作用：风化作用： 物理风化物理风化：不改变原来矿物成分：不改变原来矿物成分

3、 化学风化化学风化：改变原来矿物成分：改变原来矿物成分 生物风化生物风化：动、植物等对岩体的破坏：动、植物等对岩体的破坏二、土力学的研究对象二、土力学的研究对象土的特点：土的特点：p 松散性松散性p 孔隙性孔隙性p 多相性多相性p 自然变异性自然变异性二、土力学的研究对象二、土力学的研究对象土的两个延伸概念：土的两个延伸概念： 土具有成层性。物质组成、物理化学土具有成层性。物质组成、物理化学状态基本一致，工程性质大体相仿的同一状态基本一致，工程性质大体相仿的同一层土称为层土称为土层土层。 由若干厚度不等、性质各异、以一定由若干厚度不等、性质各异、以一定上下层序组在一起的土层集合体称为上下层序组

4、在一起的土层集合体称为土体土体。三、土力学的研究内容三、土力学的研究内容 土力学不仅研究土体当前的性状，土力学不仅研究土体当前的性状， 也要分析其性质的形成条件，并结合自也要分析其性质的形成条件，并结合自 然条件和建筑物修建后对土体的影响，然条件和建筑物修建后对土体的影响， 分析并预测土体性质的可能变化，提出分析并预测土体性质的可能变化，提出 有关的工程措施，以满足各类工程建筑有关的工程措施，以满足各类工程建筑 的要求。的要求。 四、地基与基础四、地基与基础 支承基础的土体或岩体称为支承基础的土体或岩体称为地基地基。地基地基 可分为天然地基与人工地基。可分为天然地基与人工地基。 基础基础是将结

5、构承受的各种作用传递到是将结构承受的各种作用传递到 地基上的结构组成部分。地基上的结构组成部分。(上 部 荷 载)P基 础地 下 水 位地 基基础埋深上 部 结 构地基与基础设计必须满足的基本条件：地基与基础设计必须满足的基本条件：1、作用在地基上的荷载效应（基底压应力）不得超过地基容许承载力；2、基础沉降不得超过地基变形容许值；3、挡土墙、边坡以及地基基础保证具有足够防失稳破坏的安全储备。五、由土引起的工程问题五、由土引起的工程问题上海楼房倒塌事件上海楼房倒塌事件上海楼房倒塌事件上海楼房倒塌事件上海楼房倒塌事件上海楼房倒塌事件杭州地铁事故杭州地铁事故 杭州地铁事故杭州地铁事故 杭州地铁事故杭

6、州地铁事故地面开裂地面开裂 杭州地铁事故杭州地铁事故塌陷示意图塌陷示意图 基础建在一半是软粘土基础建在一半是软粘土一半是砂卵石的地基上。一半是砂卵石的地基上。 塔高塔高56.7m56.7m。近一个世。近一个世纪以来，塔已向南倾斜了大纪以来，塔已向南倾斜了大约约3030厘米，斜度达到厘米，斜度达到8 8度，塔身超过垂直平面度，塔身超过垂直平面5.15.1米。米。 按南侧每年沉降按南侧每年沉降1.4mm1.4mm推算，推算，20032003或或20042004年斜塔可能倒塌。年斜塔可能倒塌。比萨斜塔：比萨斜塔： 在斜塔北侧的塔基下码在斜塔北侧的塔基下码放了数百吨重的铅块，并使放了数百吨重的铅块，并

7、使用钢丝绳从斜塔的腰部向北用钢丝绳从斜塔的腰部向北侧拽住，还抽走了斜塔北侧侧拽住，还抽走了斜塔北侧的许多淤泥，并在塔基地下的许多淤泥，并在塔基地下打入打入1010根根5050米长的钢柱。米长的钢柱。 历时历时1010年半的比萨斜塔拯救工作已全部结年半的比萨斜塔拯救工作已全部结束。纠偏校斜束。纠偏校斜43438 8厘米，除自然因素外，可厘米，除自然因素外，可确保确保3 3个世纪内不发生倒塌危险。个世纪内不发生倒塌危险。 比萨斜塔治理措施：比萨斜塔治理措施： 目前该塔倾斜严重塔顶目前该塔倾斜严重塔顶偏离中心线偏离中心线2.31m2.31m。经勘探。经勘探发现，该塔位于倾斜基岩上，发现，该塔位于倾斜

8、基岩上，复盖层一边深复盖层一边深3.8m3.8m，另一边，另一边为为5.8m5.8m。由于在一千余年前。由于在一千余年前建造该塔时，没有采用扩大基础，直接将塔建造该塔时，没有采用扩大基础，直接将塔身置于地基上，造成了不均匀沉降，引起塔身置于地基上，造成了不均匀沉降，引起塔身倾斜，危及安全。身倾斜，危及安全。苏州虎丘塔：苏州虎丘塔：处理：处理：在塔四周建造一圈桩排在塔四周建造一圈桩排式地下式地下连续连续墙并对塔周围与塔墙并对塔周围与塔基进行基进行钻孔注浆钻孔注浆和打设树根桩和打设树根桩加固塔加固塔身，获得成功身，获得成功. .。 原因：坐落于不均匀粉质粘土原因：坐落于不均匀粉质粘土层上，层上，产

9、生产生不不 均匀沉降均匀沉降。加拿大特朗斯康谷仓加拿大特朗斯康谷仓 事故：事故：19131913年年9 9月装谷物，月装谷物，1010月月1717日日装了装了3182231822谷物时，谷物时，1 1小时竖向沉降达小时竖向沉降达30.5cm30.5cm2424小时倾斜小时倾斜26265353西端下沉西端下沉7.32m7.32m 东端上抬东端上抬1.52m1.52m上部钢混筒仓完好无损上部钢混筒仓完好无损概况：长概况：长59.4m59.4m，宽，宽23.5m23.5m，高，高31.0m31.0m，共，共6565个圆筒仓。钢混筏板基础，厚个圆筒仓。钢混筏板基础，厚61cm61cm，埋深，埋深3.6

10、6m3.66m。19111911年动工，年动工，19131913年完工，自重年完工，自重20000T20000T。加拿大特朗斯康谷仓加拿大特朗斯康谷仓 原因：原因： 地基土事先未进行调查，地基土事先未进行调查，据邻近结构物基槽开挖取土据邻近结构物基槽开挖取土试验结果，计算地基承载力试验结果，计算地基承载力应用到此谷仓。应用到此谷仓。19521952年经勘年经勘察试验与计算，地基实际承察试验与计算，地基实际承载力远小于谷仓破坏时发生载力远小于谷仓破坏时发生的基底压力。因此，的基底压力。因此，谷仓地谷仓地基因超载发生强度破坏而滑基因超载发生强度破坏而滑动。动。处理：处理：事后在下面做了七十多个支撑

11、于基岩上的混凝土墩，使用事后在下面做了七十多个支撑于基岩上的混凝土墩，使用388388个个50t50t千斤顶以及支撑系统，才把仓体逐渐纠正过来，但其千斤顶以及支撑系统，才把仓体逐渐纠正过来，但其位置比原来降低了米。位置比原来降低了米。 五、由土引起的工程问题五、由土引起的工程问题变形问题：变形问题： 变形超过限度。变形超过限度。稳定问题：稳定问题： 受力超过限度，取决于土的强度。受力超过限度，取决于土的强度。六、土力学课程的特点六、土力学课程的特点l土力学的研究必须注意土的本质特性。土力学的研究必须注意土的本质特性。l土力学的研究必须注意实践性。土力学的研究必须注意实践性。l土力学的研究必须注

12、意工程实用性。土力学的研究必须注意工程实用性。l土力学是一门偏于计算的学科。土力学是一门偏于计算的学科。 2 2 土的性质及工程分类土的性质及工程分类学习要求：学习要求： 了解土的成因和三相组成，掌握土的了解土的成因和三相组成，掌握土的 物理性质和物理状态指标的定义、物理概物理性质和物理状态指标的定义、物理概 念、计算公式和单位。要求熟练地掌握物念、计算公式和单位。要求熟练地掌握物 理指标的三相换算。了解地基土的工程分理指标的三相换算。了解地基土的工程分 类依据与准确定名。类依据与准确定名。2.1 概概 述述 土是由固、液、气相组成的三相分散系。土是由固、液、气相组成的三相分散系。 固相固相包

13、括多种矿物成分组成土的骨架，包括多种矿物成分组成土的骨架， 骨架间的空隙为液相和气相填满，这骨架间的空隙为液相和气相填满，这 些空隙是相互连通的，形成多孔介质；些空隙是相互连通的，形成多孔介质； 液相液相主要是水；主要是水；气相气相主要是空气、水蒸气。主要是空气、水蒸气。思考：思考： 不同的土体三相比例是固定不变的吗？不同的土体三相比例是固定不变的吗？ 同一种土体三相比例的改变是否会对性质产同一种土体三相比例的改变是否会对性质产 生影响呢？生影响呢？ 土体三相比例不同，土的状态和工程性土体三相比例不同，土的状态和工程性质也随之各异，例如：质也随之各异，例如： 固体固体+ +气体（液体气体（液体

14、=0=0）为）为干土干土，此时粘土呈坚硬状态，此时粘土呈坚硬状态，砂土呈松散状态；砂土呈松散状态； 固体固体+ +液体液体+ +气体为湿土气体为湿土，此时粘土多为可塑状态；此时粘土多为可塑状态； 固体固体+ +液体（气体液体（气体=0=0）为饱和土）为饱和土，此时，此时粉细砂或粉土遇强烈地震，可能产生液化，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；粘土地基受建筑物荷载而使工程遭受破坏；粘土地基受建筑物荷载作用发生沉降需几十年才能稳定。作用发生沉降需几十年才能稳定。2.2 土的三相组成及土的结构土的三相组成及土的结构2.2.1 2.2.1 土的固体颗粒（固相）土的固体颗粒（固相）2

15、.2.2 2.2.2 土中水和气土中水和气2.2.3 2.2.3 土的结构和构造土的结构和构造2.2.1 2.2.1 土的固体颗粒（固相）土的固体颗粒（固相） 土是岩石风化的产物。因此土粒的矿土是岩石风化的产物。因此土粒的矿物组成将取决于物组成将取决于成土母岩的矿物组成成土母岩的矿物组成及其及其所经受的所经受的风化作用风化作用。成土矿物可分为两大。成土矿物可分为两大类：类：原生矿物和次生矿物原生矿物和次生矿物。原生矿物原生矿物次生矿物次生矿物由岩石经物理风化生由岩石经物理风化生成的。成的。由原生矿物经化学风由原生矿物经化学风化生成的新矿物。化生成的新矿物。颗粒成分与母岩的相颗粒成分与母岩的相同

16、。同。它的成分与母岩的完它的成分与母岩的完全不同。全不同。常见的有石英、长石常见的有石英、长石和云母。和云母。有高岭石、伊利石和有高岭石、伊利石和蒙脱石粘土矿物。蒙脱石粘土矿物。颗粒较粗，多呈浑圆颗粒较粗，多呈浑圆形状。形状。颗粒极细，且多呈片颗粒极细，且多呈片状。状。吸附水的能力弱，无吸附水的能力弱，无塑性。塑性。性质活泼，吸附水能性质活泼，吸附水能力强，具塑性。力强，具塑性。岩石物理风化化学风化土土原生矿物原生矿物次生矿物次生矿物颗粒通常是由一种或几种原生矿物所组成，它的成分与母岩的相同，颗粒一般较粗， 吸附水的能力弱，性质比较稳，无塑性。化学风化仅使岩 石产生质的变化物理风化仅使岩 石产

17、生量的变化原生矿物经化学风化生成的新矿物，它的成分与母岩的完全不同。颗粒极细，性质活泼，有较强的吸附水能力，具塑性。土粒的粒径由粗到细逐渐变化时，土的性质相应地发生变化土粒的大小及其组成粘土颗粒性质2.2.1 2.2.1 土的固体颗粒（固相）土的固体颗粒（固相） 土粒的大小称为粒度；土粒的大小称为粒度； 大小、性质相近的土粒合并为一组大小、性质相近的土粒合并为一组, , 称为粒组，可划分为：称为粒组，可划分为： 200 60 2 0.075 0.005mm200 60 2 0.075 0.005mm漂石漂石 卵石卵石 砾石砾石 砂粒砂粒 粉粒粉粒 粘粒粘粒 划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。划分

18、粒组的分界尺寸称为界限粒径。土土粒粒粒粒组组的的划划分分 粒 组 名 称 粒径范围 一 般 特 征 漂石、块石颗粒 200 卵石、碎石颗粒 20020 透水性很大，无粘性，无毛细水 圆砾、角砾颗粒 粗 中 细 2010 105 52 透水性很大，无粘性，毛细水上升高度不超 过粒径大小 砂 粒 粗 中 细 极细 20.5 0.50.25 0.250.1 0.10.05 易透水，当混入云母等杂质时透水性减小，而压缩性增加；无粘性，遇水不膨胀，干燥时松散，毛细水上升高度不大，随粒径变小而增大 粉 粒 粗 细 0.050.01 0.010.005 透水性小，湿时稍有粘性，遇水膨胀小，干时稍有收缩，毛细

19、水上升高度较大较快，极易出现冻胀现象 粘 粒 0.005 透水性很小，湿时有粘性、可塑性，遇水膨胀大，干时收缩显著，毛细水上升高度大，但速度较慢 粘粘土土2.2.1 2.2.1 土的固体颗粒（固相）土的固体颗粒（固相）试验方法试验方法筛分法筛分法： 适用于适用于0.075mmd60mm0.075mmd60mm沉降分析法沉降分析法: : 适用于适用于d d0.075mm0.075mm摇摆式筛析机摇摆式筛析机筛分法筛分法0.075MM0.075MM沉降分析法沉降分析法 利用不同大小的利用不同大小的土粒在水中的沉降速土粒在水中的沉降速度不同来确定小于某度不同来确定小于某粒径的土粒含量。粒径的土粒含量

20、。沉降分析法沉降分析法0.075mm0.075mmvd126. 12.2.1 2.2.1 土的固体颗粒（固相）土的固体颗粒（固相）土的颗粒级配土的颗粒级配 通常以通常以土中各个粒组的相对含量土中各个粒组的相对含量来表来表 示，称为土的颗粒级配。颗粒分析试验结示，称为土的颗粒级配。颗粒分析试验结 果，绘制图的粒径级配曲线。果，绘制图的粒径级配曲线。用半对数坐用半对数坐 标绘制标绘制。纵坐标表示纵坐标表示小于某粒径的土重占小于某粒径的土重占 总土重的百分数，总土重的百分数，横坐标横坐标用对数坐标表示用对数坐标表示 土的粒径。土的粒径。 如曲线平缓表示粒径大小相差悬殊，如曲线平缓表示粒径大小相差悬殊

21、，颗粒不均匀，级配良好；反之，则颗粒均颗粒不均匀，级配良好；反之，则颗粒均匀，级配不良。匀，级配不良。2.2.1 2.2.1 土的固体颗粒（固相）土的固体颗粒（固相）工程上常用不均匀系数工程上常用不均匀系数CuCu描描述颗粒级配的不均匀程度。述颗粒级配的不均匀程度。1060ddCu曲率系数曲率系数CcCc描述颗粒级配曲描述颗粒级配曲线整体形态，表明某粒组是线整体形态，表明某粒组是否缺失情况。否缺失情况。6010230dddCc2.2.1 2.2.1 土的固体颗粒（固相）土的固体颗粒（固相） CuCu愈大，表示土粒愈不均匀。工程上把愈大，表示土粒愈不均匀。工程上把CuCu5 5的土视为级配不良的

22、土；的土视为级配不良的土； CuCu5 5的的土视为级配良好的土土视为级配良好的土。 对于砾类土或砂类土，同时满足对于砾类土或砂类土，同时满足Cu5Cu5和和Cc=1Cc=13 3时，定名为良好级配砂或良好时，定名为良好级配砂或良好级配砾级配砾 。1001009090808070706060505040403030202010100 0小于某粒径之土质量百分数（）小于某粒径之土质量百分数（）10105.05.01.01.00.50.50.100.100.050.050.010.010.0050.0050.0010.001粒径粒径(mm)(mm)土的粒径级配累积曲线土的粒径级配累积曲线d60d1

23、0d30CuCc0.330.0050.063662.411009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（）小于某粒径之土质量百分数（）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径粒径(mm)土的粒径级配累积曲线土的粒径级配累积曲线d60d10d30曲线d60d10d30CuCcL0.330.0050.081663.98M0.0632.41R0.0300.545粒径级配累积曲线及指标的用途：粒径级配累积曲线及指标的用途：1 1）粒组含量用于土的分类定名；）粒组含量用于土的分类定名；2 2）不均匀系数）不均匀系数C Cu u用于判定土的不均匀程度：用

24、于判定土的不均匀程度： C Cu u 5, 5, 不均匀土；不均匀土； C Cu u 5, 3 或 C Cc c 1,级配不连续土级配不连续土4 4）不均匀系数）不均匀系数C Cu u和曲率系数和曲率系数C Cc c用于判定土的级配优劣：用于判定土的级配优劣： 如果如果 C Cu u 5 5且且 C C c c = = 1 3 1 3 ， 级配级配 良好的土；良好的土； 如果如果 C Cu u 5 3 3 或或 C Cc c 1, 1, 级配级配 不良的土不良的土2.2.2 2.2.2 土中水和气土中水和气 土中水处于不同位置和温度条件下，土中水处于不同位置和温度条件下，可具有不同的物理状态可

25、具有不同的物理状态固态、液态、固态、液态、气态。气态。液态水是土中孔隙水的主要存在状液态水是土中孔隙水的主要存在状态态，因其受土粒表面双电层影响程度的不，因其受土粒表面双电层影响程度的不同可分为同可分为结合水、毛细水、重力水。后两结合水、毛细水、重力水。后两者也称为非结合水（自由水）者也称为非结合水（自由水）。 水 的 类 型 主要作用力 结 合 水 物理化学力 毛 细 水 表面张力和重力 非 结 合 水 重 力 水 重 力 2.2.2 2.2.2 土中水和气土中水和气土中的气体土中的气体 成分成分与大气相通与大气相通 压缩性高；压缩性高；与大气隔绝与大气隔绝 降低透水性降低透水性一般空气中成

26、分；一般空气中成分；微生物产生可燃气体（微生物产生可燃气体（H H2 2S S）2.2.2 2.2.2 土的结构和构造土的结构和构造 土的结构是指土粒单元的大小、形状、土的结构是指土粒单元的大小、形状、相互排列及其联结关系等因素形成的综合相互排列及其联结关系等因素形成的综合特征。特征。 单粒结构单粒结构 砂层，砾石层砂层，砾石层土的结构土的结构 蜂窝结构蜂窝结构 粉粒粉粒 絮状结构絮状结构 粘粒粘粒2.2.2 2.2.2 土的结构和构造土的结构和构造1 1、单粒结构、单粒结构密实状态密实状态疏松状态疏松状态2.2.2 2.2.2 土的结构和构造土的结构和构造 2 2、蜂窝结构、蜂窝结构 3 3

27、、絮状结构、絮状结构蜂窝结构蜂窝结构絮状结构絮状结构2.2.2 2.2.2 土的结构和构造土的结构和构造土的构造土的构造 土的构造是指土体中各结构单元之间土的构造是指土体中各结构单元之间的关系。主要特征是土的成层性和裂隙性的关系。主要特征是土的成层性和裂隙性, ,即层理构造和裂隙构造，二者都造成了土即层理构造和裂隙构造，二者都造成了土的不均匀性。的不均匀性。2.2.2 2.2.2 土的结构和构造土的结构和构造土的结构和构造的概念区别土的结构和构造的概念区别：土的结构：指的是微观结构，借助于显微镜对实 体扫描、放大鉴定到的细节。土的构造：是指整个土层（土体）空间构成上特 征的总和，借助肉眼或放大

28、镜鉴别。2.3 土的物理性质指标土的物理性质指标 土是三相分散体系；从物理性质上可土是三相分散体系；从物理性质上可利用利用三相在体积上和重量上的比例关系三相在体积上和重量上的比例关系来来反映反映土的干湿程度和松密程度土的干湿程度和松密程度。反映三相。反映三相关系的指标称为关系的指标称为基本物理性质指标基本物理性质指标。2.3 土的物理性质指标土的物理性质指标可分为两类：可分为两类： 一类是必须通过试验测定的，如含水一类是必须通过试验测定的，如含水率、密度和土粒比重，称为率、密度和土粒比重，称为直接指标直接指标； 另一类是根据直接指标换算的，如孔另一类是根据直接指标换算的，如孔隙比、孔隙率、饱和

29、度等，称为隙比、孔隙率、饱和度等，称为间接指标间接指标。2.3 土的物理性质指标土的物理性质指标一、土的三相图（一、土的三相图（已知的关系已知的关系）气气水水土粒土粒msmwmVsVwVVa质量质量m(mass)体积体积V(volume)Vv孔隙孔隙v(vacancy)气相：气相：air液相：液相：water固相：固相：solid2.3 土的物理性质指标土的物理性质指标二、基本指标二、基本指标3 3个个1 1、土的密度土的密度 ：单位体积土的质量：单位体积土的质量 气气水水土粒土粒msmwmVsVwVVaVv质量质量体积体积awswsVVVmmVm工程中常用重度工程中常用重度 来表示来表示单位

30、体积土的重力单位体积土的重力2.3 土的物理性质指标土的物理性质指标 测定方法：测定方法： 环刀法环刀法环刀法环刀法2.3 土的物理性质指标土的物理性质指标2 2、土的含水量土的含水量 土中水的质量与土粒质量之比，土中水的质量与土粒质量之比，以百分以百分数表示数表示。气气水水土粒土粒msmwmVsVwVVaVv质量质量体积体积%100%100sssmmmmm2.3 土的物理性质指标土的物理性质指标测定方法：测定方法：烘干法烘干法酒精燃烧法酒精燃烧法2.3 土的物理性质指标土的物理性质指标3.3.土粒相对密度土粒相对密度d ds s（土粒比重）（土粒比重） 土的固体颗粒质量与土的固体颗粒质量与同

31、体积同体积44时纯水的质量时纯水的质量之比，称为土粒相对密度之比，称为土粒相对密度（或比重）。（或比重）。ssssmdV比重瓶法比重瓶法2.3 土的物理性质指标土的物理性质指标干密度干密度d d ：单位体积土中固体颗粒部分：单位体积土中固体颗粒部分 的质量。的质量。气气土粒土粒msmVsVVa质量质量m m体积体积V VVmsd2.3 土的物理性质指标土的物理性质指标不同状态下土的密度和重度不同状态下土的密度和重度饱和密度饱和密度satsat ：土体中孔隙完全被水充：土体中孔隙完全被水充满时的土的密度。满时的土的密度。水水土粒土粒msmwmVsVwV质量质量m m体积体积VVVmvssat2.

32、3 土的物理性质指标土的物理性质指标有效密度有效密度 ：土单位体积内土粒质量与：土单位体积内土粒质量与同体积水的质量之差。同体积水的质量之差。VVmss气气水水土粒土粒msmwmVsVwVVaVv质量质量体积体积2.3 土的物理性质指标土的物理性质指标 土的三相比例指标中的质量密度指标共土的三相比例指标中的质量密度指标共 有有4 4个个: : 土的密度土的密度，饱和密度，饱和密度satsat， 干密度干密度d d，有效密度，有效密度 单位：单位：(kg/m(kg/m3 3););2.3 土的物理性质指标土的物理性质指标相应的重度指标也有相应的重度指标也有4 4个个: : 土的重度土的重度 ，饱

33、和重度，饱和重度 satsat， 干重度干重度 d d，有效重度，有效重度 单位：单位：(kN/m(kN/m3 3) ) 这些物理指标侧重评价土的作为荷载这些物理指标侧重评价土的作为荷载体的性质。体的性质。2.3 土的物理性质指标土的物理性质指标4 4、换算指标、换算指标6 6个个孔隙比孔隙比e e和孔隙率和孔隙率n n孔隙比孔隙比e e ：土中孔隙体积与土粒体积之比：土中孔隙体积与土粒体积之比孔隙率孔隙率n n ：土中孔隙体积与总体积之比，：土中孔隙体积与总体积之比， 以百分数表示以百分数表示。 svVVe 100%vVnV2.3 土的物理性质指标土的物理性质指标土的饱和度土的饱和度S Sr

34、 r 土中孔隙水的体积与孔隙总体积之比，土中孔隙水的体积与孔隙总体积之比，以百分数表示以百分数表示。%100vrVVS2.3 土的物理性质指标土的物理性质指标饱和度描述土中饱和度描述土中孔隙被水充满的孔隙被水充满的程度。程度。干土干土S Sr=0;r=0;饱和土饱和土S Sr=100%r=100%。砂土根据饱和度砂土根据饱和度分为三种状态分为三种状态: :S Sr r50%50%稍湿；稍湿；5050S Sr r80%80%很湿；很湿；S Sr r80%80%饱和。饱和。三相草图法三相草图法WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量质量体积体积常用的物理性质指标间的换算关系

35、常用的物理性质指标间的换算关系（一）孔隙比与孔隙率的关系设土体内土粒的体积为1，则e=Vv/V可知，孔隙的体积Vv为e，土体的体积V为（1e），于是有：eeVVnv 1nne 1 孔隙 e 1+e 土粒 1 （二）干密度与湿密度和含水率的关系设土体的体积V为1，则d = ms /V，土体内土粒的质量ms为d，由w = mw / ms，水的质量mw为wd。于是，按定义可得： )1 (1wwVmdddwd1（三）孔隙比与比重和干密度的关系设土体内土粒的体积为1，则按e = Vv/Vs，孔隙的体积Vv为e；由s ms / Vs，得土粒的质量ms为s。于是，按d的定义可得：整理得： eVmssd11s

36、wdde（四）饱和度与含水率、比重和孔隙比得关系设土体内土粒的体积为1，则按e=Vv/Vs，得体积Vv=e；由sms/Vs，得土粒的质量ms=s。按w= mw/ms ，水得质量mw=ws，则水得体积Vw=mw/w =ws/w。于是，Sr定义可得： 当土饱和时，即Sr为100，则：式中：wsat饱和含水率。swwsrvwVwdSVeesatsewd（五）有效密度与比重和孔隙比得关系设土体内土粒体积为1，则按e=Vv/Vs，孔隙的体积Vv为e；由s ms / Vs得土粒的质量ms为s。于是，则可得：111swsswswdmVVee2.3 土的物理性质指标土的物理性质指标【例例】某土样经试验测得体积

37、为某土样经试验测得体积为100cm100cm3 3，湿土质量为湿土质量为187g187g，烘干后，干土质量为，烘干后，干土质量为167g167g。若土粒的相对密度。若土粒的相对密度d ds s为为2.662.66，求该，求该土样的含水量土样的含水量、密度、密度、重度、重度 、干重、干重度度 d d 、孔隙比、孔隙比e e、饱和重度、饱和重度 satsat和有效重度和有效重度 。【解答解答】187167100%11.98%167smm31871.87 /100mg cmV31.871018.7/gkNm31671016.7/100ddgkNm(1)2.66(1 0.1198)110.5931.8

38、7sGe 0.1198 2.6653.7%0.593srGSe320.4 10 10.4/satwkN m32.660.5931020.4/11 0.593ssatdekN me习题习题1 有一完全饱和的原状土样切满于容积有一完全饱和的原状土样切满于容积为为21.7cm3的环刀内，称得总质量为的环刀内，称得总质量为72.49g，经烘干至恒重为经烘干至恒重为61.28g，已知环刀质量为，已知环刀质量为32.54g，土粒相对密度为，土粒相对密度为2.74，试求该土样，试求该土样的密度、含水量、干密度及孔隙比。的密度、含水量、干密度及孔隙比。习题习题2 某原状土样，试验测得土的天然密度为某原状土样，

39、试验测得土的天然密度为1.7t/m3，含水量为，含水量为22%，土粒相对密度，土粒相对密度2.72。试求该土样的孔隙比，孔隙率，饱和度、干试求该土样的孔隙比，孔隙率，饱和度、干重度、饱和重度及浮重度。重度、饱和重度及浮重度。习题习题3 一干砂试样的密度为一干砂试样的密度为1.66g/cm3，土粒，土粒相对密度为相对密度为2.70，将此干砂试样置于雨中，将此干砂试样置于雨中，若砂样体积不变，饱和度增加到若砂样体积不变，饱和度增加到0.60，试，试计计算此湿砂的密度和含水量。算此湿砂的密度和含水量。2.4 无粘性土的密实度无粘性土的密实度所谓土的物理状态，所谓土的物理状态，对于无粘性土是指对于无粘

40、性土是指 土的密实度；对于粘性土是指土的软硬土的密实度；对于粘性土是指土的软硬 程度或称粘性土的稠度程度或称粘性土的稠度。 土的密实度通常是指单位体积中固土的密实度通常是指单位体积中固 体颗粒充满的程度体颗粒充满的程度. .密实度反映无粘性密实度反映无粘性 土工程性质的主要指标。土工程性质的主要指标。判别砂土的密判别砂土的密 实度有以下三种方法实度有以下三种方法。1. 1. 用孔隙比用孔隙比E E为标准为标准 表表1 砂土的密实度（砂土的密实度（74规范）规范） 密实度土的名称密实中密稍密松散砾砂、粗砂、中砂 e0.60.6 e0.750.75 e0.85e0.85细砂、粉砂e0.70.7 e

41、0.850.85 e0.95e0.95评价：评价： （1） 优点优点 简捷方便；简捷方便； （2） 缺点缺点 无法反映土的粒径级配因素。无法反映土的粒径级配因素。 2. 2. 用相对密实度用相对密实度DRDR为标准为标准 Dr土的相对密实度；土的相对密实度； emax土的最大孔隙比土的最大孔隙比 ； emin土的最小孔隙比；土的最小孔隙比； e土的天然孔隙比。土的天然孔隙比。评价评价： （1） 优点优点 理论上完善；理论上完善； （2） 缺点缺点 实际上难以操作。实际上难以操作。maxmaxminreeDeeemin = 0.35= 0.35emin = 0.20= 0.20e emaxmax

42、: : 最大孔隙比；将松散的风干土样通过长颈漏最大孔隙比；将松散的风干土样通过长颈漏斗轻轻地倒入容器，避免重力冲击，求得土的最小斗轻轻地倒入容器，避免重力冲击，求得土的最小干密度再经换算得到最大孔隙比干密度再经换算得到最大孔隙比e eminmin: : 最小孔隙比；将松散的风干土样装入金属容最小孔隙比；将松散的风干土样装入金属容器内，按规定方法振动和锤击，直至密度不再提高，器内，按规定方法振动和锤击，直至密度不再提高，求得土的最大干密度再经换算得到最小孔隙比求得土的最大干密度再经换算得到最小孔隙比e emaxmax与与e eminmin ：最大与最小孔隙比最大与最小孔隙比注：注：室内测得理论上

43、的最大与最小孔隙比有时很困难室内测得理论上的最大与最小孔隙比有时很困难粗粒土的密实状态指标粗粒土的密实状态指标 判别标准：判别标准： D Dr r = 1 , = 1 , 最密状态最密状态 D Dr r = 0 , = 0 , 最松状态最松状态 D Dr r 1/3 , 1/3 , 疏松状态疏松状态 1/3 1/3 2/3 , 2/3 , 密实状态密实状态相对密度相对密度minmaxmaxeeeeDr ddddddrD )()(minmaxmaxmin 3. 3. 用标准贯入试验用标准贯入试验N N为标准为标准 该实验的的应用主要有评定砂土的相对密该实验的的应用主要有评定砂土的相对密 度、评定

44、地基土承载力、估算单桩承载力等。度、评定地基土承载力、估算单桩承载力等。 标准贯入试验标准贯入试验(SPT)(SPT)是动是动力触探的一种，它利用一力触探的一种，它利用一定的锤击动能（定的锤击动能（锤重锤重63.563.5kgkg，落距，落距76cm76cm），将一定），将一定规格的对开管式的贯入器规格的对开管式的贯入器打入钻孔孔底的土中，根打入钻孔孔底的土中，根据打入土中的贯阻抗，判据打入土中的贯阻抗，判别土层的工程性质。别土层的工程性质。贯入贯入阻抗用贯入器贯入土中阻抗用贯入器贯入土中30cm30cm的锤击数的锤击数N63.5N63.5表示表示， N63.5 N63.5 也称为标贯击数。也

45、称为标贯击数。2.5 粘性土的物理特性粘性土的物理特性 粘性土：具有可塑性质的土，在外力作粘性土：具有可塑性质的土，在外力作用下，可塑成任何形状而不发生开裂；当外用下，可塑成任何形状而不发生开裂；当外力取消后，仍可保持原来形状不变。力取消后，仍可保持原来形状不变。 土的这种性质称为土的这种性质称为可塑性可塑性。 稠度稠度是指土的软硬程度或土受外力作用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所引起变形或破坏的抵抗能力, ,是粘性土最是粘性土最主要的物理状态特征。主要的物理状态特征。 粘性土的软硬状态也称稠度状态稠度状态与含水量有关粘性土含水量较硬变软流动2.5 粘性土的物理特性粘

46、性土的物理特性塑限塑限p液限液限l稠度界限稠度界限粘性土的稠度反映土中水的形态粘性土的稠度反映土中水的形态固态或固态或半固态半固态塑态塑态 流态流态 强结合水膜最大强结合水膜最大出现自由水出现自由水强结合水强结合水弱结合水弱结合水自由水自由水稠度状态稠度状态含水量含水量土中水的形态土中水的形态w2.5 粘性土的物理特性粘性土的物理特性0固态或半固态固态或半固态可塑状态可塑状态流动状态流动状态塑限塑限P液限液限L粘性土的界限含水量图粘性土的界限含水量图界限含水量界限含水量 粘性土由一种状态转到另一种粘性土由一种状态转到另一种状态时的分界含水量。状态时的分界含水量。液限液限w wL L 流动状态与

47、可塑状态间的分界含水量流动状态与可塑状态间的分界含水量塑限塑限w wp p 可塑状态与半固体状态间分界含水量可塑状态与半固体状态间分界含水量缩限缩限w ws s 半固体状态与固体状态间分界含水量半固体状态与固体状态间分界含水量（亦即粘性土随着含水率的减小而体积开始不变时的（亦即粘性土随着含水率的减小而体积开始不变时的含水率。）含水率。）测试方法测试方法1. 1. 用搓条法测定塑限用搓条法测定塑限w wp p2. 2. 用平衡锥式液限仪测定液限用平衡锥式液限仪测定液限w wL L3. 3. 采取的液限塑限联合测定法采取的液限塑限联合测定法1. 1. 用搓条法测定塑限用搓条法测定塑限W WP P搓

48、条法搓条法：搓到土条直径为：搓到土条直径为3mm3mm，出现裂纹，自，出现裂纹，自然断开，这时土条的含水量就是塑限然断开，这时土条的含水量就是塑限W Wp p值值。 搓好的泥条搓好的泥条2. 2. 用平衡锥式液限仪测定液限用平衡锥式液限仪测定液限W WL L判断标准：若圆锥体经判断标准：若圆锥体经1515秒种恰好沉入秒种恰好沉入10mm10mm深度，这时杯内土样的含水量就是液限深度，这时杯内土样的含水量就是液限W Wl l。锥式液限仪锥式液限仪3. 3. 采取的液限塑限联合测定法采取的液限塑限联合测定法液塑限联合测定仪液塑限联合测定仪圆锥入土深度与含水量关系圆锥入土深度与含水量关系下沉深度为下

49、沉深度为10mm所对应的含水量所对应的含水量为为液限液限;下沉深度下沉深度为为2mm处所对应处所对应的含水量为的含水量为塑限塑限。2.5 粘性土的物理特性粘性土的物理特性粘性土的塑性指数和液性指数粘性土的塑性指数和液性指数 塑性指数塑性指数IP是液限和塑限的差值是液限和塑限的差值(习习惯上不带惯上不带%表示表示)，即土处在可塑状态的含，即土处在可塑状态的含水量变化范围。水量变化范围。PLpI2.5 粘性土的物理特性粘性土的物理特性 塑性指数的大小塑性指数的大小取决于土颗粒吸附结合取决于土颗粒吸附结合水的能力，即与土中粘粒含量有关水的能力，即与土中粘粒含量有关。 IP越大，越大，表明土的颗粒越细

50、，比表面积越大，土的粘表明土的颗粒越细，比表面积越大，土的粘粒含量就越高，土处于可塑状态的含水量变粒含量就越高，土处于可塑状态的含水量变化范围就越大。粘粒含量越多化范围就越大。粘粒含量越多,塑性指数就塑性指数就越高。越高。pLpI 塑性指数塑性指数常作为细粒土工程分类的依据常作为细粒土工程分类的依据缺点：不能充分缺点：不能充分反映粘土颗粒含量反映粘土颗粒含量 不同的粘土矿物结合水的能力不同不同的粘土矿物结合水的能力不同去掉百分号2.5 粘性土的物理特性粘性土的物理特性2-107原生矿物原生矿物 石英石英、长石长石、云母云母等次生矿物次生矿物 主要是主要是粘土矿物，包括三种类型粘土矿物，包括三种