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同济大学土力学复习
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土质学与土力学思考题
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工程地质学基础复习题答案
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第1章 土的物理性质及工程分类
第一章 土的物理性质及工程分类第1章 土的物理性质及工程分类四川大学水电学院 省岩土工程重点实验室第一章 土的物理性质及工程分类作业1-7; ; 1-11; 1-13; 1-16第一章 土的物理性质及工程分类：内容§1.1 土的形成§1.2 §1 2 土的结构与构造 §1.3 土的组成 §1 4 土的三相比例指标 §1.4 §1.5 土的物理状态 §1.6 土的压实原理 §1.7 土的 § 土的工程分类 程分类第一章§1.1土的形成概述?土是松散颗粒的堆积物，是岩石经过风化后在不同条 件下形成的自然历史的产物； ?土包含天然土和人造土（粉煤灰、矿渣）； ?土力学的研究对象主要是天然土，以后简称为土，但 是目前土力学中的较为成熟的理论是针对重塑土的。 是目前土力学中的较为成熟的理论是针对重塑土的粉煤灰碎石黏土第一章§1.1土的形成风化作用?物理风化：岩石中发生的只改变颗粒的大小与形状，而不 改变原来的矿物成分的变化过程，比如：机械破碎、膨胀或 收缩引起的破裂； ?化学风化：岩石在环境的作用下，内部的化学成分发生变 化 从而导致其组成矿物成分发生改变的过程 比如：水解 化，从而导致其组成矿物成分发生改变的过程，比如：水解 作用、水化作用和氧化作用、溶解作用和碳酸化作用等； ?生物风化：动植物和人类活动对岩石的破坏作用，分为物 理生物风化和化学生物风化； 物理风化：量变过程，形成的土颗粒较粗，为原生矿物 化学风化：质变过程，形成的土颗粒很细，为次生矿物第一章§1.1土的形成土的成因类型及基本特征?残积土：岩石风化后产生的碎屑物质保留在原地而构成的 土，特征是：颗粒表面粗糙、多棱角、粗细不均、无层理； ?运积土：岩石风化后产生的土颗粒在自然力的作用下被搬 运到远近不同地点所沉积的堆积物，特点是：颗粒圆滑、成 层性； （1）坡积土：残积土受重力和暂时性流水（雨水、雪水）的 作用，搬运到山坡或坡脚处沉积起来的土，特点：具有分选 性和局部层理； （2）洪积土：残积土和坡积土受洪水冲刷、搬运，在山沟出 口处或山前平原沉积下来的土，特点：有一定的分选性和磨 圆度； （3）冲积土：河流的流水作用搬运到河谷坡陡平缓的地带沉 积下来的土 特点：较好的分选性和磨圆度； 积下来的土，特点：较好的分选性和磨圆度；第一章§1.1土的形成（4）风积土：由风力搬运形成的土，特点：颗粒磨 圆度好、分选性好； ； （5）湖泊沼泽沉积土：在湖泊及沼泽等极为缓慢水 流或静水条件下沉积下来的土 特点：含有大量细 流或静水条件下沉积下来的土，特点：含有大量细 微颗粒，且伴有有机物； （6）海积土：由河流流水搬运到海洋环境下沉积下来 的土； （7）冰积土：由冰川或冰水夹带搬运形成的沉积物， 特点：颗粒粗细变化大、土质不均匀。第一章§1.2土的结构与构造§1.1 土的形成 成§1 2 土的结构与构造 §1.2§1.3 土的组成 §1 4 土的三相比例指标 §1.4 §1.5 土的物理状态 §1.6 土的压实原理 §1.7 土的 § 土的工程分类 程分类第一章§1.2土的结构与构造概述如图所示为黏土和其重塑土 样的对比。可见，原状土样 与重塑土样的力学性质有很 大差别，土的组成成分并不 完全决定土的性质，土的结 构和构造对土的性质也有很 大影响。黏土对比第一章§1.2土的结构与构造天然土的结构土的构造（宏观）：指同一土层 的构 （宏 ） 指同 中的物质成分和颗粒大小等都相 近的各部分之间的相互关系的特 征 表征 征，表征了土层的层理、裂隙及 层的层 裂隙 大孔隙等宏观特征。 （1）层理构造：土粒在沉积过 程中,由于不同阶段沉积的物质 成分、颗粒大小或颜色不同,而 , 沿竖向呈现出成层特征 ； （2）裂隙构造：土体被许多不 连续的小裂隙所分割 在裂隙中 连续的小裂隙所分割,在裂隙中 常充填有各种盐类的沉淀物。土 的构造特征造成土的不均匀性 的构造特征造成土的不均匀性。土的结构（微观）：又称组构，指土粒的原位几何体特征，是 由土粒单元的大小 矿物成分 形状 相互排列及其联接关系 由土粒单元的大小、矿物成分、形状、相互排列及其联接关系、 土中水的性质及孔隙特征等因素形成的综合特征。第一章§1.2土的结构与构造单粒结构粗矿物颗粒在水或空气中在自重作用下沉落形成的单粒结构， 其特点是土粒间存在点与点的接触。根据形成条件不同，可分 为疏松状态和密实状态。为碎石土和砂土的结构特征。疏松状态 密实状态 紧密状态单粒结构的土：强度大、压缩性小； 疏松状态单粒结构的土 骨架 稳定 土粒易移动 变形大 疏松状态单粒结构的土：骨架不稳定、土粒易移动、变形大。第一章§1.2土的结构与构造蜂窝结构蜂窝结构 颗粒间点与点接触，由于彼此之间引力大于重力，接触后， 不再继续下沉，形成链环单位，很多链环联结起来，形成孔 隙较大的蜂窝状结构 为主要由粉粒或细砂组成的土的结构 隙较大的蜂窝状结构。为主要由粉粒或细砂组成的土的结构 形式。可以承担一般的荷载，但是荷载高时，结构易破坏会 导致地基变形大。 导致地基变形大第一章§1.2土的结构与构造絮状结构细微粘粒大都呈针状或片状，质量极轻，在水中处于悬浮状态。 当悬液介质发生变化时，土粒表面的弱结合水厚度减薄，粘粒 互相接近，凝聚成絮状物下沉，形成孔隙较大的絮状结构。 特征：土粒之间以角、边与面的接触或边与边的搭接形式为主， 特征 粒 间 角 与面的接 或 与 的 接形式为 ， 土粒任意排列，孔隙较大，因此强度低、压缩性高、对扰动敏 感，但是土颗粒的联接强度会由于压密和胶结作用而逐渐增强。角、边与面的接触絮状结构第一章§1.2土的结构与构造天然沉积 的土以团 粒形式存 在，团粒 及土粒的 排列呈现 出各向异 性。土粒排列第一章§1.3土的组成§1.1 土的形成 成 §1.2 土的结构与构造§1.3 土的组成§1.4 §1 4 土的三相比例指标 §1.5 土的物理状态 §1.6 土的压实原理 §1.7 土的 § 土的工程分类 程分类第一章§1.3土的组成土体固相 + 液相 + 气相构成土骨架，起决定作用： 重要影响：水 粒径大小 不同粒径的含量 粒径大小、不同粒径的含量、 的状态和相对 矿物成分及形状 含量次要作用： 含量饱和土：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：当土骨架的孔隙全部被水占满时，这种土称为饱和土； 干土：当土骨架的孔隙中仅含空气时，这种土称为干土； 湿土：一般在地下水位以上地面以下一定深度内的土的孔隙中 般在地 水 地 度内的 的 中 兼含空气和水，此时的土体属三相系，称为湿土第一章§1.3土的组成土的固体颗粒土粒大小与形状、颗粒级配与矿物成分对土的物理力学性质有 明显影响 1.土的颗粒大小与级配 粒径 粒径：土颗粒的大小通常以粒径表示，但是这里的粒径并非 颗粒的 小通常 粒径表示，但是这里的粒径并非 是真实直径，而是与筛孔直径（筛分法）或与实际土粒有相 同沉降速度的理想球体的直径（密度计法）等效的名义粒径。 粒组：工程上把性质和粒径大小相接近的土粒划为一组。01 0.1粗粒(mm) 60细粒粉粒 0.075 粘粒 胶粒d砾石粗 中20 5砂粒细 粗 中 细 极细20 5 0.25 0.5 0 250.0050.002第一章§1.3土的组成01 0.1粗粒(mm) 60细粒粉粒 粘粒 胶粒d砾石粗 中20 5 0.5砂粒细 粗 中 细 极细0.2520.0750.0050.002界限粒径：划分粒组的界限尺寸为界限粒径。 土的级配：为了表示土粒的大小及组成情况，通常以土中 的 为了表示 粒的 小 成情 ，通常 中 各个粒组的相对含量（即各粒组占土粒总量的百分数）来 表示，称为土的颗粒级配。土的级配好坏将直接影响到土 的 的工程性质。 质第一章§1.3土的组成2 颗粒分析试验 2.颗粒分析试验 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 径分布范围的试验称为土的颗粒大小分析试验 径分布范围的试验称为土的颗粒大小分析试验。 试验方法 筛分法：适用于0.075mm≤d≤60mm 水分法（沉降分析法）:适用于d＜0.075mm筛分法：用一套孔径不同的筛 子，按从上至下筛孔逐渐减小 放置。将事先称过质量的烘干 土样过筛，称出留在各筛上的 土质量，然后计算其占总土粒 质量的百分数。粗筛筛孔直径 直 为60、40、20、10、5、2mm； 细筛筛孔直径为2 1 0 5 细筛筛孔直径为2、1、0.5、 0.25、0.075mm。第一章1.3土的组成密度计水分法：根据土粒在水中匀速 水分法 根据土粒在水中匀速 下沉时的速度与粒径的理论关 系（Stokes定律认为球状的细颗 粒在水中的下沉速度与颗粒直 径的平方成正比），用密度计 法或移液管法测得土粒沉降距 离L处的悬液密度，并可由此算 出小于该粒径 d 的累计百分含量。 的累计百分含量 实际上，土粒并不是球体颗粒， 因此用理论公式求得的粒径并 不是实际的土粒尺寸，而是与 实际土粒在液体中有相同沉降 速度的理想球体的直径(称为水 力直径或名义粒径)。 参见《土工试验规程》第一章§1.3土的组成3.颗粒级配曲线特殊粒径：d10 （有效粒径）、 d30 （连续粒径）、d60 （限制粒 径），分别为小于某粒径的土粒 含量为10%、 30%和60%时所对 应的粒径。不均匀系数：土颗粒大小的均 匀程度 Cu = d60 / d10 曲率系数：曲线分布的整体形 态 Cc = d302 / (d60×d10 )第一章§1.3土的组成土的级配的好坏可 由土中的土粒均匀 程度和粒径分布曲 线的形状来决定， 而土粒的均匀程度 和曲线的形状又可 用不均匀系数和曲 率系数来衡量 如 率系数来衡量。如 图所示。Cu愈大，表示土粒愈不均 匀。一般情况下，工程上 把 Cu ＜5的土视为级配不 良的土； Cu ＞10的土视 为级配良好的土 。对于砾类土或砂类土， 同时满足 Cu≥5和 Cc=1～ 3时 定名为良好级配砂 3时，定名为良好级配砂 或良好级配砾 ；不能同 时 满 足 上 述 条 件 时，级 配是不良的。第一章§1.3土的组成4 土粒的矿物成分 4. 土粒的矿物成分主要决定于目岩的成分及其所经受 的风化作用 不同的矿物成分对土的性质有着不同 的风化作用。不同的矿物成分对土的性质有着不同 的影响，其中以细粒组的矿物成分尤为重要。 原生矿物：是岩浆在冷凝过程中形成的矿物，常见 如石英、长石、云母等，原生矿物颗粒是原岩经物 理风化形成的，其物理性质较稳定，成分与母岩完 全相同。 次生矿物：原岩经化学风化形成的新矿物，其成分 与母岩完全不同。主要是粘土矿物，包括三种类型 ， 种 高岭石、伊里石、蒙脱石。还有无定形的氧化物胶 体和可溶盐类（碳酸盐、硫酸盐和NaCl等）。 有机质：以腐蚀质为主，具有多孔的海绵状结构。第一章§1.3土的组成粘土矿物基本上是由两种原子层(称为晶片)构成的。一种是硅 氧晶片，它的基本单元是Si―O四面体，另一种是铝氢氧晶片， 它的基本单元是A1 OH八面体 它的基本单元是A1―OH八面体。硅氧晶片铝氢氧晶片第一章§1.3土的组成高岭石 高岭蒙脱石高岭石:结构单元是由一层铝氢氧晶片和 一层硅氧晶片组成的晶胞。高岭石的矿物 就是由若干重叠的晶胞构成的。这种晶胞 一面露出氢氧基，另一面则露出氧原子。 面露出氢氧基 另 面则露出氧原子 晶胞之间的联结是氧原子与氢氧基之间的 氢键，它具有较强的联结力，因此晶胞之 间的距离不易改变，水分子不能进入，因 此它的亲水性比伊里石还小。 蒙脱石:是化学风化的初期产物，其结构 单元(晶胞)是两层硅氧晶片之间夹一层铝 氢氧晶片所组成的 由于晶胞的两个面都 氢氧晶片所组成的。由于晶胞的两个面都 是氧原子，其间没有氢键，因此联结很弱， 水分子可以进入晶胞之间 从而改变晶胞 水分子可以进入晶胞之间，从而改变晶胞 之间的距离，甚至达到完全分散到单晶胞 为止。因此当土中蒙脱石含量较大时，则 具有较大的吸水膨胀和脱水收缩的特性。第一章§1.3土的组成伊利石:结构单元类似于蒙脱石，所不同的是 伊利石:结构单元类似于蒙脱石 所不同的是 Si―O四面体中的Si 可以被A1 、Fe 所取代， 因而在相邻晶胞间将出现若干一价正离子(K 因而在相邻晶胞间将出现若干 价 离子( ) 以补偿晶胞中正电荷的不足。所以伊里石的 结晶构造没有蒙脱石那样活动，其亲水性不 如蒙脱石。 蒙 伊利石 比表面积 : 单位体积(或质量)的颗粒总表面积， 单位体积(或质量)的颗粒总表面积 它可以表示粘土矿物表面积的相对大小。由 于粘土矿物是很细小的扁平颗粒 颗粒表面 于粘土矿物是很细小的扁平颗粒，颗粒表面 具有很强的与水相互作用的能力，表面积愈 大，这种能力就愈强。第一章§1.3土的组成研究表明：黏土矿物颗粒 表面带有电荷，天然状态 下，负电荷多于正电荷。颗粒形状原生矿物： 圆状、浑圆状、棱角状； 次生矿物： 针状、片状、扁平状。颗粒形状示意图第一章§1.3土的组成土中水土中水可以处于液态、固态和气态；矿 物内部结合水是存在于土粒矿物的晶体 物内部结合水是存在于 粒矿物的晶体 构架内部或是参与矿物构造的水；存在 与土中的液态水分为结合水和自由水。 1.结合水 ：受到电分子吸引力而吸附于 土粒表面的土中水。 强结合水：紧靠于颗粒表面、所受电场 结合水 紧靠 粒表 受电场 的作用力很大、几乎完全固定排列、丧 失液体的特性而接近于固体 ，冰点很低、 冰点很低 沸点较高、不能传递压力； 弱结合水：紧靠强结合水的外围形成的 结合水膜，所受的电场作用力随着与颗 粒距离增大而减弱，呈粘滞状态、不能 传递压力、不能自由流动、可以转移 （在电场引力的作用下）。第一章§1.3土的组成2.自由水 .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 移动的水，能传递水压力，冰点为0℃，有溶解能力，分为毛 细水和重力水。 在一定直径 d 的管中，水的表面张力 和水与玻璃间的夹角α 决定了水 和水与玻璃间的夹角 决定了水上升 升 毛细水 的高度。取玻璃管下部容器中水面为 基准面，当考虑玻璃管中水体竖向平 衡时，有 有4T cos α hcγ w ? =0 dhc = 4 T c os α γ wd毛细现象上式中 hc为毛细水的上升高度。从水 压力角度看 ， 如取大气压 为 0，则毛 细管中水位上部的压为：uw = ?hcγ w第一章§1.3土的组成毛细水上升高度：土体中存在着相互贯通的弯曲孔道，可以看 成许多形状不一、大小不同、彼此连同的毛细管。由于水分子 和土粒分子之间的吸附力及水、气界面上的表面张力，地下水 将沿着这些毛细管被吸引上来 而在地下水位以上形成 定高 将沿着这些毛细管被吸引上来，而在地下水位以上形成一定高 度的毛细水带，这一高度为毛细水上升高度。第一章§1.3土的组成毛细压力 在非饱和土的较大孔隙中，在水、气界面上，由于湾液面表面张 力的存在，以及水与土粒表面的浸润作用，孔隙水的压力也将小 于孔隙内的大气压力 于是 沿着毛细湾液面的切线方向 将产 于孔隙内的大气压力。于是，沿着毛细湾液面的切线方向，将产 生迫使相邻土粒相互积紧的压力，这个压力称为毛细压力。 当土骨架内含有水和气时，在 当土骨架内含有水和气时 在 水和气的分界面也存在张力， 形成左图的湾液面，孔隙中的 水为毛细角边水，毛细角边水 受拉力T，则土颗粒受压力Pc。 湿砂具有一定的可塑性，表现 有 为似黏聚力。 球状颗粒间缝隙处的湾液面 毛细水的工程影响：建筑物防 潮、地基土的浸润、冻胀有重 要影响；干旱地区形成盐渍土。 要影响；干旱地区形成盐渍土第一章§1.3土的组成重力水重力水是在重力或压力差作用下运动的自由水，它 是存在于地下水位以下的透水土层中的地下水 对 是存在于地下水位以下的透水土层中的地下水，对 土粒有浮力作用。重力水对土中的应力状态和开挖 基槽、基坑以及修筑地下构筑物时所应采取的排水、 防水措施有重要的影响。土中气体游离气体：受外荷作用时被挤出土体外，对土的性质影 响不大； 封闭气体：受外荷作用，不能逸出，被压缩或溶解于水 中，压力减小时能有所复原，对土的性质有较大的影响， 使土的渗透性减小，弹性增大和延长土体受力后变形达 到稳定的历时。第一章§1.4土的三相比例指标§1.1 土的形成 成 §1.2 土的结构与构造 §1.3 土的组成 §1.5 土的物理状态 § 土的压实原理 §1.6 的 实 §1.7 土的工程分类§1 4 土的三相比例指标 §1.4第一章§1.4土的三相比例指标概论?土的三相：土粒为固相、土中的水为液相、土中的气体 为气相； ?土的三相比例指标：表示土的三相组成部分质量、体积 之间的比例关系的指标，又称土的物理性质指标； ?土的物理状态指标：对于粗粒土主要指土的密实度；对 的物 状态指标 对于粗粒 要指 的密实度；对 于细粒土则指土的软硬程度或称为粘性土的稠度； ?土的物理性质指标可以描述土的物理性质、土的物理状 态、反映土的力学性质。第一章§1.4土的三相比例指标土的三相草图 ma=0 m mw ms质量气 水 固Va Vv Vw Vs体积V第一章§1.4土的三相比例指标土的三相草图 的 相草图质量体积实测指标m = m s + m w + m a 独立的量4个 ma ≈ 0 实测指标：含水 量 密度和土粒 量、密度和土粒 m w = ρw Vw 比重 V = Vs + Va + Vw 导出指标：孔隙 Vv = Va + Vw 比、孔隙率、饱 和度等土的密度ρ：或土的天然密度，定义为：单位体积土的质量； 单位: kg/m k /m3 或 g/cm / m3；一般为1.6 ； 般为1 6 ~ 2.2 2 2 g/cm / m3。 ms + mw m W m× g ρ= = γ= = = ρ×g V Vs +Vw +Va V V 土的重度γ：也称容重；定义为：单位体积土的重量，单位 为kN/ 3。 为kN/m 对于粘性土，土的密度常用环刀法测定。第一章§1.4土的三相比例指标土的三相草图 土的含水量w ：土中水的 质量与土粒质量之比 以 质量与土粒质量之比，以 百分数表示。mw m ? ms w= × 100% = × 100% ms ms质量体积测定含水量常用的方法是烘干法，先称出天然土的质量，然后 放在烘箱中 在100℃～105℃常温下烘干 放在烘箱中，在100℃ 105℃常温下烘干，称得干土质量，按上 称得干土质量 按上 式可算得。 土的含水量是标志土含水程度的一个重要物理指标。天然土层含 土的含水量是标志土含水程度的 个重要物理指标 天然土层含 水量变化范围较大，与土的种类、埋藏条件及其所处的自然地理 环境等有关。第一章§1.4土的三相比例指标土的三相草图土粒比重Gs:土颗粒的质量 与同体积的4℃时纯水的质 量之比，无量纲 。Gs = msV s ρ w1ρs = ρ w1质量体积ρ s ：土粒的密度，即土粒单位体积的质量，单位g/cm 粒的密度，即 粒单位体 的质 ，单位g/ 3；ρ w1：4℃时纯水的密度，1.0g/cm3；土粒比重用比 土粒比重变化范围不大：细粒土（粘性土）一 粒比重变 范 大 粒 （粘 ） 般2.70～2.75；砂土一般为2.65左右。土中有机质 重瓶法测定。 含量增加 土粒相对密度减小 含量增加，土粒相对密度减小。 土粒重度 γ s = ρ s g第一章§1.4土的三相比例指标 土的三相草图导出指标1.孔隙比e ：土中孔隙体积与土 粒体积之比，以小数表示e = V Vv s孔隙率 n ：土中孔隙体积与总 体积之比，以百分数表示 。V n = v × 100 % V质量体积土的孔隙比和孔隙率是表征土的密实程度的重要指标。数值愈 大 表明土中孔隙愈大 即土愈疏松；反之 愈密实 大，表明土中孔隙愈大，即土愈疏松；反之，愈密实。 2.土的饱和度Sr ：土中孔隙水的体积与孔隙总体积之比，以百 分数表示Sr = Vw × 100 % Vv饱 和 度 描 述 土 中 孔 隙 被 水 充 满 的 程 度 。 干 土 Sr=0, 饱 和 土 Sr=100%。第一章§1.4土的三相比例指标 土的三相草图3.干密度 3 干密度ρd ：单位体积中固 体颗粒部分的质量，表示为ρd =γd =ms m ? mw = V VWs ms g = = ρd g V V土的干密度或干重度也是评 定土密实程度的指标。 4.饱和密度 ρsat：土体中孔隙 完全被水充满时的土的密度 ， 表示为质量体积ms +Vv ρw ρsat = Vγ sat =Ws + Vvγ w = ρ sat g V第一章§1.4土的三相比例指标 土的三相草图5.浮密度 5 浮密度 ρ’ ：土单位体积内土粒 质量与同体积水的质量之差 ，表 示为 m ?V ρρ′ =s s wV= ρ sat ? ρ wγ′=Ws ? Vsγ w = γ sat ? γ w V不同密度或重度的比较ρ sat =质量体积ms + Vv ρ w m + Vw ρ w m m ? Vs ρ w ≥ρ= s ≥ ρd = s ≥ ρ ′ = s V V V Vγ sat t ≥ γ ≥ γd & γ′三相指标间的换算 相指标间的换算参见教科书P21、P22页 从物理意义上理解指标间的关系； 不鼓励死记硬背； 必要时利用三相草图推导。第一章§1.4土的三相比例指标【例】某土样经试验测得体积为100cm 100 3，湿土质量为187g 187 ，烘干后，干土质量为167g。若土粒的相对密度Gs为2.66， 求该土样的含水量w、密度ρ、重度γ 、干重度γd 、孔隙 比e、饱和重度γsat和有效重度γ′ 。m 187 3 mw 187 ? 167 ρ = = = 1 . 87 g / cm = 11.98% × 100% = w= V 100 ms 167 167 3 γ d = ρd g = ×10 = 16.7kN / m3 γ = ρg = 1.87 ×10 = 18.7kN / m 100 G (1 + w) ρ w 2.66(1 + 0.1198) e= s ?1 = ? 1 = 0.593 1.87 ρ wGs 0.1198× 2.66 Sr = = = 53.7% γ ′ = γ sat ? γ w = 20.4 ?10 = 10.4kN / m3 e 0.593【解答】γ sat =Gs + e 2.66 + 0.593 γw = × 10 = 20 .4 kN / m 3 1+ e 1 + 0.593第一章§1.5土的物理状态§1.1 土的形成 成 §1.2 土的结构与构造 §1.3 土的组成 §1 4 土的三相比例指标 §1.4 §1.6 土的压实原理 § 的 实 §1.7 土的工程分类§1.5 土的物理状态第一章§1.5土的物理状态1 无黏性土的密实度 1.无黏性土的密实度无黏性土一般指粒径大于0.075mm的颗粒质量超过总质量的 50％的土，主要指碎石土和砂土； ％的 ，主要指碎 和砂 ； 无黏性土一般粘粒含量很少，呈单粒结构，不具有可塑性； 无黏性土的物理性质主要取决于土的密实度状态，密实度 无黏性土的物理性质主要取决于土的密实度状态 密实度 愈大，强度愈高、压缩性愈小；反之，愈疏松则强度愈低、 压缩性愈大。如何评价无黏性土的密实度？孔隙比e ?可以用来反映无黏性土的密实程度，但是孔隙比的变 化范围受土粒的大小 形状和级配的影响很大 化范围受土粒的大小、形状和级配的影响很大； ?具有相同孔隙比的两种无黏性土，也不一定就处于同 样的密实状态。 样的密实状态第一章§1.5土的物理状态相对密度Dr 无黏性土在最松散 状态时的孔隙比， 最大孔隙比 无粘性土在天然 状态下孔隙比 无黏性土在最密实状 态时的孔隙比，最小 孔隙比e max ? e Dr = e max ? e min i最大孔隙比用漏斗法测定；最小孔隙比用振动法测定。 当Dr=0时， e=emax ，表示无黏性土处于最疏松状态;当Dr=1.0时， e=emin ，表示土体处于最密实状态。 表示土体处于最密实状态 Dr≤1/3 疏松状态 1/3＜Dr≤2/3 中密状态 2/3＜Dr≤1 密实状态第一章§1.5土的物理状态2 黏性土的稠度 2.黏性土的稠度粘性土由于其含水量的不同，而分别处于固态、半固态、可塑 状态及流动状态； 可塑状态就是当粘性土在某含水量范围内，可用外力塑成任何 形状而不发生裂纹 并当外力移去后仍能保持既得的形状 土 形状而不发生裂纹，并当外力移去后仍能保持既得的形状。土 的这种性能叫做可塑性； 土的稠度指粘性土的含水量变化而表现出的各种不同物理状态， 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 土最主要的物理状态指标 土最主要的物理状态指标。 0 塑限wP 可塑状态 液限wL 流动状态w固态或半固态第一章§1.5土的物理状态粘性土从一种状态过渡到 粘性土从 种状态过渡到 另一种状态，可用某一界 限含水率来区分 这种界 限含水率来区分，这种界 限含水率称为稠度界限或 阿太堡界限； 液限（ wL）： 土由可塑状 态转到流动状态的界限含 水量叫做液限 ， 也就是可 塑状态的上限含水率； 塑限（wP）：土由半固态 转到可塑状态的界限含水 量叫做塑限 ， 也就是可塑 状态的下限含水率；黏性土的状态转变过程 缩限 （ ws）： 土由半固体状态不 断蒸发水分 则体积逐渐缩小 断蒸发水分，则体积逐渐缩小， 直到体积不再缩小时土的界限含 水量叫缩限；邮箱： 邮箱 密码：scucivileng i il第一章 §1.5土的物理状态液限的测定测定液限的方法：锥 测定液限的方法 锥 式液限仪法、碟式液 限仪法和液、塑限联 合测定法。手柄和圆锥体盛土 杯底座 锥式液限仪 锥式液限平衡 球采用质量为７６ｇ、 锥角为３０°的锥体， 若圆锥体经5秒钟恰好 沉入10mm深度，这时 杯内土样的含水量就 是液限蝶式液限仪见P27第一章§1.5土的物理状态塑限的测定 限的测定 测定塑限的方法：搓滚法和液、 塑限联合测定 塑限联合测定法 搓滚法:即用双手将天然湿度的土样 搓成小圆球(球径小于l0mm)，放在 毛玻璃板上再用手掌慢慢搓滚成小 土条，用力均匀，搓到土条直径为 3 3mm，出现裂纹，自然断开，这时 出现裂纹 自然断开 这时 断裂土条的含水量就是塑限。液塑限联合测定仪 塑限联合测定法：对粘性土样以不同的含水量进行若干次试验 （一般３组），并按测定结果在双对数坐标内上做出７６ｇ圆 锥体的 土 度与含水量的关系曲线 试验 明近 锥体的入土深度与含水量的关系曲线：试验证明近于一条直线。 条直线 《土工试验方法标准规定》入土深度为17mm所对应的含水量 为１７ｍｍ液限 入土深度为2mm处所对应的含水量为塑限 。 为１７ｍｍ液限，入土深度为2mm处所对应的含水量为塑限第一章§1.5土的物理状态塑性指数 IP 是液限和塑限的差值(省去%符号)，即土处在可 塑状态的含水量变化范围：I p = wL ? wP塑性指数愈大，土处于可塑状态的含水量范围也愈大。 塑性指数的大小与土中结合水的可能含量有关：土粒越细、 塑性指数的大小与土中结合水的可能含量有关：土粒越细 且细颗粒的含量越高；粘土矿物 (其中尤以蒙脱石类为最大)； 随着反离子层中的低价阳离子的增加，土中结合水的可能 含量大，则塑性指数大。第一章§1.5土的物理状态液性指数IL是粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比w ? wP IL = = wL ? wP IP w ? wp液性指数表征土的天然含水量与界限含水量间的相对关系。当 IL≤0时, w≤wP,土处于坚硬状态;当IL＞1时,w＞wL,土处于流动状 态；当IL在0和1之间时, 在0和1之间时 wP ≤w≤ wL土处于流动状态。根据 土处于流动状态 根据IL值 可以直接判定土的软硬状态 。 黏性土状态的划分状态 液性指数 坚硬 IL≤0 硬塑 0＜IL≤0.25 可塑 0.25＜IL≤0.75 软塑 0.75＜IL≤1 流塑 IL＞1第一章§1.5土的物理状态【例】 某１０００ cm3 砂土试样,试验测定土粒相对密度Gs=2.7,含水量w=9.43%,天然密度ρ=1.66/cm3。已知砂样最 密实状态时称得干砂质量ms1=1.62kg g,最疏松状态时称得干 砂质量ms2=1.45kg。求此砂土的相对密度Dr,并判断砂土所 处的密实状态。【解答】 砂土在天然状态下的孔隙比e= Gs (1 + w) ρ w 2.7(1 + 0.0943) ? 1 = 0.78 1.66ρ?1 =砂土最小孔隙比ρ d maxm = s1 = 1.62 g / cm 3 V砂土最大孔隙比ρd min =e maxe min =Gs ρwρ d max? 1 = 0 . 67相对密实度Dr =e max ? e = 0 . 42 ∈（1/3,2/3] 中密状态 e max ? e minms2 = 1.45g / cm3 V G ρ = s w ? 1 = 0 . 86 ρ d min第一章1.6土的压实原理§1.1 土的形成 成 §1.2 土的结构与构造 §1.3 土的组成 §1 4 土的三相比例指标 §1.4 §1.5 土的物理状态 §1.7 土的 § 土的工程分类 程分类§1 6 土的压实原理 §1.6第一章§1.6土的压实原理？土可以作为建筑材料吗？ 如何保证作为建筑材料的土体有足够的强 度呢？ 土的压实：指在夯打、振动、碾压等施加的 压实能量作用下，土颗粒克服粒间阻力，产 生位移，使土中孔隙气和孔隙水被排出，孔 ， 中 ， 隙体积减小，密实度增加，以提高土的强度、 减小土的压缩性和渗透性。 土的压实性：指在一定的含水量下，以人工或 机械方式 使土能够压实到某种密实度的性质 机械方式，使土能够压实到某种密实度的性质。第一章§1.6土的压实原理室内击实试验试验设备：击实筒V 1000cm3； 试验设备：击实筒V=1000cm 击实锤w=25牛顿； 试验条件：土样分层n=3层；落 高d=30cm；击数N=27/层； 击实能量E= wdNn = 607.5KN ? m / m 3 V试验方法：对w为常数的土；分 三层压实；测定击实后的w、ρ， 算ρd； 注意：仅适用于细粒土；对粗粒土，可用较大尺寸的击实仪。第一章§1.6土的压实原理影响土压实性的因素很多，主要有含水量、击实功能、土的种 影 因素 ， 要有 种 类和级配等 ( )含水 的影响 (1)含水量的影响 含水量过大会出现“橡皮土”、过小 不易压实。 不易压实 在一定的压实能量下使土最容易压实， 并能达到最大密实度时的含水量，称 为土的最优含水量(或称最佳含水量)， w 用 表示。相对应的干密度叫 做最大干密度 以 做最大干密度，以 表示 表示。 ρopd max土的最优含水量可在试验室内进行击实试验测得。试验时将 同 种土 配制成若干份不同含水量的试样 用同样的压实 同一种土，配制成若干份不同含水量的试样，用同样的压实 能量分别对每一份试样进行击实后，测定各试样击实后的含 水量 和干密度 ，从而绘制含水量与干密度关系曲线，称为压 从而绘制含水量与干密度关系曲线 称为压 实曲线。第一章§1.6土的压实原理具有最优含水量的土，其压实效果 最好 最好。这是因为含水量较小时，土 是因为含水 较小时， 中水主要是强结合水，土粒周围的 结合水膜很薄，使颗粒间具有很大 的分 引力 的分子引力，阻止颗粒移动；压实 粒移动 实 就比较困难，当含水量适当增大时， 土中结合水膜变厚 土粒之间的联 土中结合水膜变厚，土粒之间的联 结力减弱而使土粒易于移动，压实 效果就变好，但当含水量继续增大， 果 ， ， 以致土中出现了自由水，击实时孔 隙中过多的水分不易立即排出，势 必阻止土粒的靠拢，所以压实效果 阻止土粒的靠拢 所 实效果 反而下降。第一章§1.6土的压实原理(2)击实功能的影响1.土料的最大干密度和最优含水量 1 土料的最大干密度和最优含水量 不是常数。最大干密度随击数的 增加而逐渐增大,最优含水量逐渐 减小。然而，这种变化速率是递 减的。同时，光凭增加击实功能 来提高土的最大干密度是有限的； 来提高土的最大干密度是有限的2.当含水量较低时击数的影响较显著。 当含水量较高时，含水量与干密度关 系曲线趋近于饱和线，这时提高击实 功能是无效的。第一章§1.6土的压实原理3.饱和线。即饱和度为100％时 含水量与干密度的关系曲线， 其表达式为：wsatρw 1 = ? ρ d Gs填料的含水量过高或过低都是不利的。含水量过低，填 土遇水后容易引起湿陷；过高又将恶化填土的其他力学 性质。因此，在实际施工中填土的含水量控制得当与否， 不仅涉及到经济效益，而且影响到工程质量。第一章§1.6土的压实原理（３）土类和级配的影响 1.击实试验表明，在相同击实功能下，粘性土粘粒含量愈高 或塑性指数愈大，压实愈困难，最大干密度愈小，最优含 水量愈大 ； 2.无粘性土的击实曲线 粘 的击实曲线 和粘性土击实曲线不同， 在含水量较大时得到较 高的干密度，因此在无 粘 粘性土实际填筑中，通 填 中， 常要不断洒水使其在较 高的含水量下压实。用 相对密度控制； 相对密度控制 3.土的级配对土的压实性影响很大。级配良好的土，易于压 实 级配不良的土 不易压实 因为级配良好的土有足够的 实，级配不良的土，不易压实，因为级配良好的土有足够的 细粒去充填较粗粒形成的孔隙，因而能获得较高的干密度。第一章§1.7土的工程分类§1.1 土的形成 成 §1.2 土的结构与构造 §1.3 土的组成 §1 4 土的三相比例指标 §1.4 §1.5 土的物理状态 §1 6 土的压实原理 §1.6§1.7 土的工程分类第一章§1.7土的工程分类土的分类体系就是根据土的工程性质差异将土划 分成一定的类别，目的在于通过通用的鉴别标准， 便于在不同土类间作有价值的比较 评价 积累 便于在不同土类间作有价值的比较、评价、积累 以及学术与经验的交流； 一般来说粗粒土按颗粒组成进行分类；粘性土按 塑性指数分类；建设部《土的分类标准》（ＧＢＪ１４５－１９９０） 建设部《建筑地基基础设计规范》（ＧＢ５０００７－２ ００２） 交通部《公路土工试验规程》（ＪＴＪ０５１－１９９３） 水利部《土工试验规程》（ＳＬ２３７－１９９９）第一章§1.7土的工程分类1 《土的分类标准》 1.有机质（指未完全分解的动植物残骸和无定形物质） 含量超过５％的土规定为有机质土。第一章§1.7土的工程分类巨粒土和含巨粒土的分类巨粒土和含巨粒土应按试样中所含粒径大于60mm的巨粒组含 量来划分 试样中含巨粒组质量多于总质量的50％的土称为 量来划分。试样中含巨粒组质量多于总质量的50％的土称为 巨粒土；试样中巨粒组质量为总质量的15％～50％的土称为 巨粒混合土；试样中巨粒组质量少于总质量的 5％的土，可 巨粒混合土；试样中巨粒组质量少于总质量的15％的土，可 扣除巨粒，按粗粒土或细粒土的相应规定分类定名。 粗粒土的分类 试样中粒径大于0.075mm的粗粒组质量多于总质量50％的土称 为粗粒土 粗粒土又分为砾类土和砂类土两类 试样中粒径 为粗粒土。粗粒土又分为砾类土和砂类土两类。试样中粒径 大于2mm的砾粒组质量多于总质量的50％的土称为砾类土； 试样中粒径大于 试样中粒径大于2mm的砾粒组质量少于或等于总质量50％的 的砾粒组质量少于或等于总质量50％的 土称为砂类土。 对于细粒土质砾和细粒土质砂，定名时根据粒径小于０.０７ 对于 粒 质 和 粒 质砂，定 时根据粒径小于 ５ｍｍ土的液限值和塑性指数按塑性图分类。第一章§1.7土的工程分类细粒土的分类试样中粒径小 于0 075mm的 于0.075mm的 细粒组质量多 于或等于总质 量的50％的土 称为细粒土。 细粒土可按塑 性图分类。17mm液限所对应的塑性图第一章§1.7土的工程分类2. 《建筑地基基础设计规范》该规范按土粒大小、粒组的土粒含量或土的塑性指数把地基 土分为岩石、碎石土、砂土、粉土、粘性土和人工填土 然 土分为岩石、碎石土、砂土、粉土、粘性土和人工填土，然 后再进一步细分。 岩石的分类 颗粒间牢固粘结，呈整体或具有节理隙的岩体称为岩石，坚 硬程度可根据岩块的饱和单轴抗压强度frk分类 。第一章§1.7土的工程分类碎石土的分类 粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50%的土称为碎石土。 粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50%的土称为碎石土第一章§1.7土的工程分类砂土的分类 砂 的分类 粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50%的土，且粒径 大于0.075mm的颗粒含量超过全重50%的土称为砂土。粉土的分类 粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50%，塑性指数 IP≤10的土称为粉土第一章§1.7土的工程分类黏性土的分类 黏性 的分类 粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重50%，且塑性指数 IP ＞10的土称为粘性土，粘性土根据塑性指数细分。人工填土的分类 由于人类活动而形成的堆积物称为人工填土。物质成分较杂 乱,均匀性较差，根据其物质组成和成因,可分为素填土、压 成 成 素填 实填土、杂填土和冲填土第一章§1.7土的工程分类特殊土 分布在一定地理区域、有工程意义上的特殊成分、状态和结 构特征的土称为特殊土。我国特殊土的类别有软土、红粘土、 人工填土、膨胀土、黄土、冻土等。分类标准的评价细粒土，不同的分类方法得出的土名称可能不一致。 《土的分类标准》中塑性图采用双标准，而《建筑地基基础 的分类标准 中塑性图采用 标准，而 建筑 基基 设计规范》分类法只有一个参数标准。第一章习题讲解1．确定各粒组相对含量的方法称为颗粒分析试验，分为 1 确定各粒组相对含量的方法称为颗粒分析试验 分为 和 法。 筛分法和水分法 2．砂粒与粉粒的分界粒径是 mm。 ０.０７５ 3．当砾类土或砂类土同时满足Cu≥ 视为良好级配。 视为良好级配 ５； １～３ 4．土的结构可分为 、 和法Cc =两个条件时，三种基本类型。单粒 构 蜂窝 构和絮状 构 单粒结构、蜂窝结构和絮状结构 5． （判断）甲土的饱和度大于乙土，则甲土的含水量一定高 于乙土。 于w= Sre Gs第一章习题讲解6．土粒的矿物成分取决于母岩的矿物成分及风化作用，可 粒的矿物成分取 于母岩的矿物成分 风 作用，可 分为 矿物和 矿物。 原 和 原生和次生 7．土的物理性质指标中有三个基本指标可直接通过土工试 验测定，它们分别是 、 和 。 密度、含水量和土粒比重 8．土的物理性质指标中 可描述土体中孔隙被水充 满的程度。 饱和度 9.（判断）粘性土土的含水率越高，越容易被压实。 10.粘性土随着含水量的增加而分别处于 10 粘性土随着含水量的增加而分别处于 、 、 及流动状态。 固态、半固态和可塑态第一章习题讲解１1 （判断）土料的最大干密度和最优含水率不是常数。 １1． 土料的最大干密度和最优含水率不是常数 击实功能、最大干密度和最优含水量 １2． （判断）土粒的比重在数值上等于土的密度。 ms ρs Gs = = Vs ? ρ w1 ρ w1 １3. （判断）依《建筑地基基础设计规范》的规定，若土的 １ 依 建筑地基基础设计规范 的规定 若土的 塑性指数大于10，且粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过总量 的50% 则该土属于黏性土 的50%，则该土属于黏性土。 根据定义 14. （判断）若土呈固体状态时，其含水率为零。 14 若土呈固体状态时 其含水率为零 15．依相对密度的公式Dr =（emax－e）/(emax－emin)可知，当Dr = 时 表示土处于最疏松状态 时，表示土处于最疏松状态。 ０第一章习题讲解16. 对粘性 对粘性土的性质影响最大的水是（ 的性质影响最 的水是（ ） ）。 A．强结合水 B．弱结合水 C．气态水 强结合水：几乎完全固定排列、接近于固体 ，冰点很低、沸 点较高、不能传递压力； 弱结合水：所受的电场作用力随着与颗粒距离增大而减弱，呈 粘滞状态、不能传递压力、不能自由流动、可以转移（在电场 引力的作用下）。 17. 对土体性质影响较大的气体是（ ） A．非封闭气体 B．封闭气体第一章英文单词The weathering of rock, residual soil, transported soil, the size and shape of particles, size range, physical process or chemical process, freezing and thawing, parent rock, single grain structure, specific surface, needle-shaped particles, a silicon-oxygen tetrahedron, an aluminium-hydroxyl octahedron,Clay mineral, Kaolinite, illite, montmorilloni, , dispersed p structures, , flocculated structures, , natural clay, particle size analysis, coarse soils, fine soils, sedimentation, the settling velocity, the particle size distribution, well graded, a uniform soil, plastic limit, liquid limit, soil classification, organic soils plasticity chart, soils, chart the water content, content liquidity index, index degree of saturation, porosity, void ratio,Bulk density, specific gravity of the soil particle, particle soil compaction, compaction the compactive effort, effort dry density第一章结束本章结束THANKS!
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