土的物理性质和工程分类解析课件.ppt

1、 1 1.1 .1 土的生成土的生成 风化、搬运、堆积 岩石 土 压密、岩化一、土的概念一、土的概念土：土：覆盖在地表上的碎散矿物集合体。覆盖在地表上的碎散矿物集合体。岩石：构成地壳的基本物质，是一种或多种矿物的聚合体。岩石：构成地壳的基本物质，是一种或多种矿物的聚合体。统称为大自然的产物统称为大自然的产物土是岩石经过风化后在不同条件下形成的自然历史的产物土是岩石经过风化后在不同条件下形成的自然历史的产物第1页，共29页。岩石风化分为岩石风化分为物理风化、化学风化和生物风化物理风化、化学风化和生物风化。物理风化物理风化：岩石经受风、霜、雨、雪的侵蚀，或受波浪的冲击、地震：岩石经受风、霜、雨、雪

2、的侵蚀，或受波浪的冲击、地震等引起各种力的作用，温度的变化、冻胀等因素使整体岩石产生裂隙、等引起各种力的作用，温度的变化、冻胀等因素使整体岩石产生裂隙、崩解碎裂成岩块、岩屑的过程。崩解碎裂成岩块、岩屑的过程。化学风化化学风化：岩体（或岩块、岩屑）与氧气、二氧化碳等各种气体：岩体（或岩块、岩屑）与氧气、二氧化碳等各种气体、水和各种水溶液等物质相接触，经氧化、碳化和水化作用，使、水和各种水溶液等物质相接触，经氧化、碳化和水化作用，使这些岩石或岩屑逐渐产生化学变化，分解为极细颗粒的过程。这些岩石或岩屑逐渐产生化学变化，分解为极细颗粒的过程。特征：特征：物理风化物理风化：量变过程，形成的土颗粒较粗；：

3、量变过程，形成的土颗粒较粗；化学风化化学风化：质变过程，形成的土颗粒很细。：质变过程，形成的土颗粒很细。对一般的土而言，通常既经历过物理风化，又有化学风化，只对一般的土而言，通常既经历过物理风化，又有化学风化，只不过哪种占优势而已不过哪种占优势而已。1 1.1.1 土的生成土的生成第2页，共29页。土是固体颗粒、水和空气的混合物，常称土为土是固体颗粒、水和空气的混合物，常称土为三相系三相系。固相固相：土的颗粒、粒间胶结物；：土的颗粒、粒间胶结物；液相液相：土体孔隙中的水；：土体孔隙中的水；气相气相：孔隙中的空气。：孔隙中的空气。1 1.2.2 土的三相组成土的三相组成第3页，共29页。当土骨架

4、的孔隙全部被水占满时，这种土称为当土骨架的孔隙全部被水占满时，这种土称为饱和土饱和土；当土骨架的孔隙仅含空气时，就成为当土骨架的孔隙仅含空气时，就成为干土干土；一般在地下水位以上地面以下一定深度内的土的孔隙中兼一般在地下水位以上地面以下一定深度内的土的孔隙中兼含空气和水，此时的土体属三相系，称为含空气和水，此时的土体属三相系，称为湿土湿土。根据土的粘性分：根据土的粘性分：粘性土粘性土：颗粒很细；：颗粒很细；无粘性土无粘性土：颗粒较粗，甚至很大。砂、碎石、甚：颗粒较粗，甚至很大。砂、碎石、甚 至堆石（直径几十至堆石（直径几十cm甚至甚至1m）不同类型的土不同类型的土1 1.2.2 土的三相组成土

5、的三相组成第4页，共29页。一、土的固相一、土的固相 土的固相物质包括无机矿物颗粒和有机质，是构成土的骨土的固相物质包括无机矿物颗粒和有机质，是构成土的骨架最基本的物质，称为土粒。对土粒应从其架最基本的物质，称为土粒。对土粒应从其矿物成分、颗粒的矿物成分、颗粒的大小大小来描述。来描述。（一）成土矿物：（一）成土矿物：原生矿物，次生矿物原生矿物，次生矿物 原生矿物原生矿物是指岩浆在冷凝过程中形成的矿物，如石英、长石是指岩浆在冷凝过程中形成的矿物，如石英、长石、云母等。、云母等。次生矿物次生矿物是由原生矿物经过风化作用后形成的新矿物，如三氧是由原生矿物经过风化作用后形成的新矿物，如三氧化二铝、三氧

6、化二铁、次生二氧化硅、粘土矿物以及碳酸盐等化二铝、三氧化二铁、次生二氧化硅、粘土矿物以及碳酸盐等。1 1.2.2 土的三相组成土的三相组成第5页，共29页。（三）颗粒大小分析试验三）颗粒大小分析试验测定土中各粒组颗粒质量所占该土总质量的百分数，确定粒径测定土中各粒组颗粒质量所占该土总质量的百分数，确定粒径分布范围的试验称为分布范围的试验称为土的颗粒大小分析试验土的颗粒大小分析试验。常用的方法：常用的方法：筛分法筛分法：粒径：粒径0.075mm利用一套孔径由大到小的利用一套孔径由大到小的筛子，将按规定方法取得的一定质量的干试样放入一次叠好的筛筛子，将按规定方法取得的一定质量的干试样放入一次叠好的

7、筛中，置振筛机上充分振摇后，称出留在各级筛上的土粒的质量中，置振筛机上充分振摇后，称出留在各级筛上的土粒的质量密度计法：粒径密度计法：粒径0.075mm 根据粗颗粒下沉速度快，细颗根据粗颗粒下沉速度快，细颗粒下沉速度慢的原理，可以把颗粒按下沉速度进行粗细分组粒下沉速度慢的原理，可以把颗粒按下沉速度进行粗细分组。联合测定联合测定：既有粒径：既有粒径0.075mm 1 1.2.2 土的三相组成土的三相组成第6页，共29页。105.02.01.00.50.250.1200g101618242238721009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数小于某粒径之土质量百分数P（）（

8、）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径粒径(mm)P%958778665536土的粒径级配累积曲线土的粒径级配累积曲线水分法水分法粒径粒径(mm)(mm)0.050.010.005百分数百分数P(%)P(%)2613.5101 1.2.2 土的三相组成土的三相组成第7页，共29页。结合水：受分子引力作用吸附在土粒表面的土中水。结合水：受分子引力作用吸附在土粒表面的土中水。自由水：离开土颗粒表面较远，不受土颗粒电分子引力作用，且可自由水：离开土颗粒表面较远，不受土颗粒电分子引力作用，且可自由移动的水称为自由水。自由移动的水称为自由水。（分为毛细管水和重力水）（分

9、为毛细管水和重力水）土粒或土粒集合体在空间的排列和互相联结形式称为土的结土粒或土粒集合体在空间的排列和互相联结形式称为土的结构构.单粒结构：由颗粒大的土粒在水或空气中下沉堆积而成，是单粒结构：由颗粒大的土粒在水或空气中下沉堆积而成，是碎石土和砂土的结构特征。碎石土和砂土的结构特征。峰窝结构：由粉粒或细沙粒组成的土的结构形式。峰窝结构：由粉粒或细沙粒组成的土的结构形式。絮状结构：由粘粒（絮状结构：由粘粒（0.005mm）集合体组成的结构形式）集合体组成的结构形式。1 1.2.2 土的三相组成土的三相组成第8页，共29页。土体的构造一般可以分为以下四类：土体的构造一般可以分为以下四类：(1)层状构

10、造层状构造(2)分散构造分散构造(3)裂隙状构造裂隙状构造(4)结核状构造结核状构造1 1.3.3 土的结构、构造土的结构、构造第9页，共29页。1 1.4.4 土的三相物理性质指标的测定及计算土的三相物理性质指标的测定及计算 土的三相图土的三相图从右图可以容易得到以下关系：从右图可以容易得到以下关系：Vv=Vw+Va V=Vs+Vv=Vs+Vw+Va m=ms+mw 第10页，共29页。一、试验直接测定的物理性质指标一、试验直接测定的物理性质指标（一）土粒相对密度（土粒比重）（一）土粒相对密度（土粒比重）ds土粒相对密度定义为土粒相对密度定义为土粒的质量（或重量）与同体积土粒的质量（或重量）

11、与同体积4时纯水的质量时纯水的质量（或重量）之比（无因次），（或重量）之比（无因次），其表达式为：其表达式为：（1.4.1）或或 （1.4.2）式中：式中：土粒的密度，即土粒单位体积的质量；土粒的密度，即土粒单位体积的质量；4时纯水的密度，时纯水的密度，1.0g/cm3土粒相对密度在数值上等于土粒的密度土粒相对密度在数值上等于土粒的密度wswssswssVVmmdwsssVdmsw1 1.4.4 土的三相物理性质指标的测定及计算土的三相物理性质指标的测定及计算第11页，共29页。土粒相对密度常用土粒相对密度常用比重瓶法比重瓶法测定，事先将比重瓶注满纯水，称测定，事先将比重瓶注满纯水，称瓶加水的

12、质量。然后把烘干土若干克装入该空比重瓶内，再加纯瓶加水的质量。然后把烘干土若干克装入该空比重瓶内，再加纯水至满，称瓶加土加水的质量，按下式计算土粒相对密度：水至满，称瓶加土加水的质量，按下式计算土粒相对密度：21mmmmdsss式中：式中：m1瓶瓶+水水的质量；的质量；m2瓶瓶+土土+水水的质量；的质量；ms烘干土烘干土的质量；的质量；1 1.4.4 土的三相物理性质指标的测定及计算土的三相物理性质指标的测定及计算第12页，共29页。（二）土的天然含水量（二）土的天然含水量w土的天然含水量，定义为土的天然含水量，定义为土中水的质量与土粒的质量之比土中水的质量与土粒的质量之比，以，以百分数表示，

13、其表达式为：百分数表示，其表达式为：（1.4.3）将式（将式（1.4.2）代入（）代入（1.4.3）中得）中得测定含水率常用的方法是测定含水率常用的方法是烘干法烘干法，先称出天然土的质量，然后，先称出天然土的质量，然后放在烘箱中，在放在烘箱中，在100105常温下烘干，称得干土质量，按上常温下烘干，称得干土质量，按上式可算得。式可算得。%100swmmwsswVdm 1 1.4.4 土的三相物理性质指标的测定及计算土的三相物理性质指标的测定及计算第13页，共29页。（三）土的天然密度（三）土的天然密度与重度与重度土的密度定义为土的密度定义为单位体积土的质量单位体积土的质量，用，用表示，单位为表

14、示，单位为Mg/m3(或或g/cm3)。表达式如下：表达式如下：（1.4.5）对于粘性土，土的密度常用对于粘性土，土的密度常用环刀法环刀法测定。测定。awsawsVVVmmmVm1 1.4.4 土的三相物理性质指标的测定及计算土的三相物理性质指标的测定及计算第14页，共29页。二、间接换算得物理性质指标二、间接换算得物理性质指标（一）土的孔隙比（一）土的孔隙比e定义：定义：土中孔隙的体积与土粒的体积之比土中孔隙的体积与土粒的体积之比，以小数表示，其，以小数表示，其表达式为：表达式为：（1.4.10）（二）土的孔隙率（二）土的孔隙率n定义：定义：土中孔隙的体积与土的总体积之比土中孔隙的体积与土的

15、总体积之比，或单位体积内孔，或单位体积内孔隙的体积，以百分数表示，其表达式为：隙的体积，以百分数表示，其表达式为：（1.4.11）svVVe%100VVnv1 1.4.4 土的三相物理性质指标的测定及计算土的三相物理性质指标的测定及计算第15页，共29页。（三）土的饱和度三）土的饱和度Sr定义：定义：土中孔隙水的体积与孔隙体积之比土中孔隙水的体积与孔隙体积之比，以百分数表示，其表达式，以百分数表示，其表达式为：为：（1.4.12）%100vwrVVS1 1.4.4 土的三相物理性质指标的测定及计算土的三相物理性质指标的测定及计算第16页，共29页。土的干重度：土的干重度：单位体积内土粒的重量单

16、位体积内土粒的重量，表达式为：，表达式为：（1.4.14）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。土的干密度或干重度也是评定土密实程度的指标，干密度或干重度愈大表干密度或干重度也是评定土密实程度的指标，干密度或干重度愈大表明土愈密实，反之愈疏松。明土愈密实，反之愈疏松。gVgmVWdssd（四）干密度四）干密度d与干重度与干重度d 土的干密度：土的干密度：单位体积内土粒的质量单位体积内土粒的质量，表达式：，表达式：（1.4.13）Vmsd1 1.4.4 土的三相物理性质指标的测定及计算土的三相物理性质指标的测定及计算第

17、17页，共29页。（五）饱和密度（五）饱和密度sat与饱和重度与饱和重度sat饱和密度定义：饱和密度定义：土中孔隙完全被水充满土处于饱和状态时单位土中孔隙完全被水充满土处于饱和状态时单位体积土的质量体积土的质量。表达式为。表达式为 （1.4.15）VVmwvssat在饱和状态下，单位体积土的重量称为饱和重度，其表达式为：在饱和状态下，单位体积土的重量称为饱和重度，其表达式为：（1.4.16）gVgVgmVVWsatwvswvssat1 1.4.4 土的三相物理性质指标的测定及计算土的三相物理性质指标的测定及计算第18页，共29页。（六）浮密度六）浮密度与浮重度（有效重度）与浮重度（有效重度）土

18、在水下，受到重力水的浮力作用，此时土中固体颗粒的质量土在水下，受到重力水的浮力作用，此时土中固体颗粒的质量再扣去固体颗粒排开水的质量与土样总体积之比再扣去固体颗粒排开水的质量与土样总体积之比 （1.4.17）VVmwss浮密度浮密度1 1.4.4 土的三相物理性质指标的测定及计算土的三相物理性质指标的测定及计算第19页，共29页。与其相应，提出了浮密度的概念，土的浮密度是与其相应，提出了浮密度的概念，土的浮密度是单位体积内的土单位体积内的土粒质量与同体积水质量之差粒质量与同体积水质量之差，其表达式为：，其表达式为：（1.4.18）或或 （1.4.19）从上述四种土的密度或重度的定义可知，同一土

19、样各种密度或重度在从上述四种土的密度或重度的定义可知，同一土样各种密度或重度在数值上有如下关系：数值上有如下关系：dsatdsatwsatgVgVgmVVWwsswss1 1.4.4 土的三相物理性质指标的测定及计算土的三相物理性质指标的测定及计算第20页，共29页。三、常用物理性质指标的实用计算公式三、常用物理性质指标的实用计算公式(重点、难点重点、难点)常用的土的物理指标共有九个。已知其中任意三个，通过换算可以求常用的土的物理指标共有九个。已知其中任意三个，通过换算可以求出其余的六个。出其余的六个。（一）孔隙比与孔隙率的关系（一）孔隙比与孔隙率的关系设土体内土粒的体积为设土体内土粒的体积为

20、1，则，则 可知，孔隙的体积可知，孔隙的体积Vv为为e，土体的体积土体的体积V为（为（1e），），于是有：于是有：或或 eeVVnv1nne1 孔隙 e 1+e 土粒 1 三相示意图（a）svVVe 1 1.4.4 土的三相物理性质指标的测定及计算土的三相物理性质指标的测定及计算第21页，共29页。（二）干密度与天然密度和含水量的关系二）干密度与天然密度和含水量的关系设土体的体积设土体的体积V为为1，则，则d=ms/V，土体内土粒的质量土体内土粒的质量ms为为d，由由w=mw/ms水的质量水的质量mw为为w d。于是，按于是，按t天然密度的定义可天然密度的定义可得：得：或或 （1-22）)1(

21、1wwVmdddwd11 1.4.4 土的三相物理性质指标的测定及计算土的三相物理性质指标的测定及计算第22页，共29页。（三）孔隙比与土粒相对密度和干密度的关系（三）孔隙比与土粒相对密度和干密度的关系设土体内土粒的体积为设土体内土粒的体积为1，则按，则按 ，孔隙的体积孔隙的体积Vv为为e；由由s ms/Vs得土粒的质量得土粒的质量ms为为s。于是，按于是，按d的定义可得：的定义可得：应用式（应用式（16）整理得：）整理得：eVmssd11dwsdesvVVe 1 1.4.4 土的三相物理性质指标的测定及计算土的三相物理性质指标的测定及计算第23页，共29页。（四）饱和度与含水量、相对密度和孔

22、隙比的关系（四）饱和度与含水量、相对密度和孔隙比的关系设土体内土粒的体积为设土体内土粒的体积为1，则按，则按e=VV/VS得体积得体积VV=e；由由s ms/Vs得土粒的质量得土粒的质量ms=s。按按w=mw/ms，得质量，得质量mw=ws，则则得体积得体积Vw=mw/w=ws/w。于是，于是，当土饱和时，即当土饱和时，即Sr为为100，则：，则：式中：式中：wsat饱和含水率。饱和含水率。ewdewVVSswsvwrssatdwe 1 1.4.4 土的三相物理性质指标的测定及计算土的三相物理性质指标的测定及计算第24页，共29页。（五）浮密度与土粒相对密度和孔隙比的关系（五）浮密度与土粒相对

23、密度和孔隙比的关系设土体内土粒体积为设土体内土粒体积为1，则按，则按e=VV/VS，孔隙的体积，孔隙的体积VV为为e；由由s ms/Vs得土粒的质量得土粒的质量ms为为s。于是，按式浮密度的定义可于是，按式浮密度的定义可得得 edeVVmwswswss1111 1.4.4 土的三相物理性质指标的测定及计算土的三相物理性质指标的测定及计算第25页，共29页。稠度：稠度：指粘性土的干湿程度或在某一含水率下抵抗指粘性土的干湿程度或在某一含水率下抵抗外力作用而变形或破坏的能力，是粘性土最主要外力作用而变形或破坏的能力，是粘性土最主要的物理状态指标。的物理状态指标。二、粘性土的稠度（二、粘性土的稠度（1

24、.6节）节）（一）粘性土的稠度状态（一）粘性土的稠度状态粘性土的稠度状态常用粘性土的稠度状态常用流动、软、可塑、硬流动、软、可塑、硬等描述。等描述。粘性土粘性土1.5 和和1.6 土的物理状态指标土的物理状态指标第26页，共29页。1.塑性指数塑性指数pLpwwI（三）塑性指数和液性指数（三）塑性指数和液性指数 塑性指数塑性指数：液限和塑限之差的百分数值（去掉百分号）。：液限和塑限之差的百分数值（去掉百分号）。用用Ip表示，取整数。表示，取整数。粘土粘土 粉质粘土粉质粘土 粉土粉土 103171017pppIII1.5 和和1.6 土的物理状态指标土的物理状态指标第27页，共29页。pppLp

25、LIwwwwwwI2.液性指数液性指数式中：式中：IL液性指数，以小数表示；液性指数，以小数表示；w土的天然含水率。土的天然含水率。1989和和2002建筑地基基础设计规范建筑地基基础设计规范都根据都根据I L将粘性土划将粘性土划分成了表分成了表1.6.1中的五种状态。中的五种状态。粘性土的软硬状态粘性土的软硬状态 表表1.6.11.6.1状 态坚 硬硬 塑可 塑软 塑 流 塑液性指数I LI L 0 0 I L0.25 0.25IL0.75 0.7511.5 和和1.6 土的物理状态指标土的物理状态指标第28页，共29页。练习题【题【题1-1】某干砂试样某干砂试样 ，经细雨后，体积未变，饱，

26、经细雨后，体积未变，饱和度达到和度达到Sr=40%，试问细雨后砂样的密度、重度和含水量各是多少？，试问细雨后砂样的密度、重度和含水量各是多少？70.2,/1069.133sdmkg1 1.4.4 土的三相物理性质指标的测定及计算土的三相物理性质指标的测定及计算【题【题1-2】有一个完全饱和的粘土土样，测得总体积】有一个完全饱和的粘土土样，测得总体积V1=100cm3，已知土粒对水的相对密，已知土粒对水的相对密度度ds=2.66，土样含水量，土样含水量w1=45%，将该土样置于烘箱中烘了一段时间之后，测得，将该土样置于烘箱中烘了一段时间之后，测得土样的体积土样的体积V2=95cm3，w2=35%，问土样烘干前后的密度、干密度、孔隙比、饱和度各，问土样烘干前后的密度、干密度、孔隙比、饱和度各为多少？为多少？【题题1-3】某一块试样在天然状态下的体积为某一块试样在天然状态下的体积为60cm3，称得其质量为称得其质量为108g，将其烘干后将其烘干后称得质量为称得质量为96.43g，根据试验得到的土粒比重根据试验得到的土粒比重ds为为2.7，试求试样的湿密度、干密度、饱和，试求试样的湿密度、干密度、饱和密度、含水率、孔隙比、孔隙率和饱和度。密度、含水率、孔隙比、孔隙率和饱和度。第29页，共29页。