土的物理性质及分类剖析.pptx

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1、2023/3/111第一章 土的物理性质及分类主要内容1.1 概述1.2 土的生成1.3 土的组成、结构和构造1.4 土的物理性质指标1.5 无粘性土的特性1.6 粘性土的特性1.7 土的渗透性及达西定律1.8 土的工程分类第1页/共61页2023/3/1121.1 概述 土的概念 土的组成第一章 土的物理性质及分类 本章主要内容土是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。固（土颗粒）液（土中水）气（土中气）影 响三相组分的性质，相对含量等土的物理性质 决 定土的力学性质土的生成、组成、三相比例指标；无粘性土的密实度；粘性土的物理特征；土的渗透性

2、以及地基土(岩)的分类。第2页/共61页2023/3/113一、风化作用物理风化只改变岩石完整性或改变已碎裂岩石颗粒大小和形状，而未产生新矿物的风化作用称为物理风化作用。概念分类化学风化化学风化作用在改变岩石物质状态的同时改变了岩石中原有的矿物成分。水的作用：水化、水解、溶解溶蚀和再结晶；气体的作用：氧化、碳酸化、酸雨及硫酸化作用；生物的化学风化作用。概念分类第一章 土的物理性质及分类1.2 土的生成温度应力引起的胀缩作用；裂隙中结晶体膨胀引起的劈裂作用；岩体因卸荷而引起的膨胀崩解；树木生长过程中的根劈作用；重力作用下的岩块碎裂和搬运过程中的碰撞、磨圆；风的剥蚀作用。第3页/共61页2023/

3、3/1141.2 土的生成第一章 土的物理性质及分类二、地质作用的概念导致地壳成分变化和构造变化的作用，称为地质作用。岩浆岩岩浆冷 凝原岩变质岩沉积岩原岩风化产物 土风 化变质作用未经成岩作用压密、脱水胶结、硬化第4页/共61页2023/3/1151.2 土的生成三、矿物与岩石的概念第一章 土的物理性质及分类矿物：地壳中天然生成的自然元素或化合物。集 合多种矿物（造岩矿物）岩石 决 定矿物成分岩石的工程性质岩浆冷 凝原生矿物化学风化次生矿物无粘性土粘性土晶体非晶体形状规则形状不规则石英方解石正长石角闪石第5页/共61页2023/3/116硬度等级矿物名称野 外 简 易 鉴 定 方 法1滑石用软

4、铅笔划时留下条痕，用指甲容易刻划2石膏用指甲可刻划3方解石用黄铜板刻划可留下条痕。用小刀很容易刻划4萤石小刀可刻划5磷灰石用削铅笔刀刻划时可留下明显划痕，不能刻划玻确6正长石小刀可勉强留下看得见的划痕，能刻划玻璃7石英用小刀不能刻划8黄玉能割开玻确，难于刻划石英9刚玉能刻划石英10金刚石能刻划石英矿 物 的 硬 度 等 级第一章 土的物理性质及分类1.2 土的生成矿物与岩石的概念造岩矿物第6页/共61页2023/3/117物名形状颜色光泽硬度解理比重其它特征石英块状、六方柱状无色、乳白色玻璃、油脂7无2.6-2.7晶面有平行条纹，贝壳状断口正长石 柱状、板状玫瑰色、肉红色 玻璃6完全2.3-2

5、.6 两组晶面正交斜长石 柱状、板状灰白色玻璃6完全2.6-2.8两组晶面斜交，晶面上有条纹辉石短柱状深褐色、黑色玻璃5-6完全2.9-3.6 角闪石 针状、长柱状 深绿色、黑色玻璃5.5-6 完全2.8-3.6方解石 菱形六面体乳白色玻璃3三组完全 2.6-2.8 滴稀盐酸起泡云母薄片状银白色、黑色珍珠，玻璃2-3极完全2.7-3.2透明至半透明，薄片具有弹性绿泥石 鳞片状草绿色珍珠、玻璃 2-2.5 完全2.6-2.9半透明，磷片无弹性高岭石 鳞片状白色、淡黄色暗淡1无2.5-2.6土状断口，吸水膨胀滑粘石膏纤维状、板状 白色玻璃、丝绢2完全2.2-2.4易溶解于水产生大量SO4-最 主

6、要 造 岩 矿 物 特 征 表1.2 土的生成第一章 土的物理性质及分类矿物与岩石的概念造岩矿物第7页/共61页2023/3/1181.2 土的生成矿物与岩石的概念岩石颜色浅色(浅灰、浅红、肉红色)深色(深灰、深绿、黑色)化学成分（SiO2含量）酸性(%65)中性(65%-52%)基性(52%-40%)超基性(0.075 mm)水分法：适用于细粒土 (10,不均匀土；Cu 3 或 Cc 1,级配不连续土4）不均匀系数Cu和曲率系数Cc用于判定土的级配优劣：如果 Cu 5且 C c =1 3，级配 良好的土；如果 Cu 3 或 Cc 1g/cm3，性质近于固体；难于蒸发，更难于结冰。弱结合水：强

7、结合水外围的结合水膜。也不能传递静水压力，但能向邻近水膜更薄的土颗粒周围缓慢转移。第26页/共61页2023/3/1127自由水重力水：存在于地下水位以下，在自身重力作用下能在土体中产生渗流，对土粒及置于其中的结构物都由浮力作用。毛细水：受到水与空气交界面处表面张力作用的自由水。hc自由水面hcT毛细升高与孔径成反比1.3 土的组成、结构和构造二、土中的水第一章 土的物理性质及分类湿润角T表面张力Tr半径第27页/共61页2023/3/11281.3 土的组成、结构和构造第一章 土的物理性质及分类三、土中的气封闭气泡自由气体特点与大气完全相通，容易逸出，对工程的影响不大特点减小土体渗透性、增加

8、弹性，延缓土体变形随时间的发展过程四、土的冻胀机理自由水结冰继而弱结合水参与冻结导致颗粒电场力增强促使非冻结区水分通过毛细作用向冻结区迁移弱结合水再次冻结然后造成水分持续迁移第28页/共61页2023/3/1129蜂窝结构单粒结构特点较大颗粒因自重下落沉积而成。粒径较粗，粒间为点接触。密实状态的是良好地基；疏松状态的压缩性大，不适合直接作为地基。特点靠粉粒间引力联结而成。单个孔隙体积大于土粒本身尺寸，孔隙的体积也较大。絮状结构特点针、片状粘粒在较浓电解质溶液中凝聚沉积而成。孔隙体积比蜂窝结构更大，土体一般十分松软。1.3 土的组成、结构和构造第一章 土的物理性质及分类五、土的结构和构造土的构造

9、定义指各部分土的集合体之间的相互关系特征。主要是层理构造，此外还有结核构造、砂类土的分散构造、以及粘性土的裂隙构造。单粒结构蜂窝结构絮状结构第29页/共61页2023/3/11301.4 土的物理性质指标第一章 土的物理性质及分类液气固ma=0mwmsm质量VaVwVsVvV体积共九个参数:已知关系五个:V=Vs+Vw+Va;Vv=Vw+Va欲求得各参数之间比例关系（物性指标）尚缺:三个关系(指标)可通过室内实验测得导出其他指标V Vv Vs Va Vw/ms m w ma mm=ms+mw+ma;ma0;mw=wVw第30页/共61页2023/3/11311.4 土的物理性质指标第一章 土的

10、物理性质及分类一、土的实测物理性质指标土的含水量土粒比重定义定义土体中水的质量与土粒质量之比，用百分数表示。表达式:sms/Vs:土粒密度(g/m3)w1:一个大气压下4C纯水的密度(1g/m3)ds:土粒比重（无量纲）表达式:土的密度定义天然状态下，单位体积土体的质量表达式土粒的质量与一个大气压下同体积4C的纯水质量之比。第31页/共61页2023/3/11321.4 土的物理性质指标第一章 土的物理性质及分类二、土的换算物理性质指标孔隙率孔隙比定义定义饱和度定义液气固VaVwVsVvV体积 与孔隙体积有关的指标表达式表达式表达式土体中的孔隙体积与土颗粒体积之比。土中孔隙体积占土的总体积的百

11、分比。被水所充填的孔隙体积与孔隙总体积的百分比。第32页/共61页2023/3/11331.4 土的物理性质指标第一章 土的物理性质及分类二、土的换算物理性质指标 土的其它密度指标饱和密度干密度定义单位体积土体中固体颗粒部分的质量。定义单位体积的饱和土体质量。浮密度定义单位体积土体中土颗粒质量与同体积的水质量的差值。液气固ma=0mwmsm质量VaVwVsVvV体积表达式表达式各密度指标间关系：重度定义土的各相应密度指标与重力加速度的乘积。表达式第33页/共61页2023/3/11341.4 土的物理性质指标三、物理性质指标换算1.31.8g/m3d干密度1.62.0g/m3密度20%60%w

12、含水量粘性土:2.722.75粉 土:2.702.71砂类土:2.652.69ds土粒比重常见的数值范围单位常用换算公式三相比例指标符 号名 称第一章 土的物理性质及分类土的三相比例指标换算公式 第34页/共61页2023/3/1135常见的数值范围单位常用换算公式三相比例指标符号名称0100%饱和度粘性土和粉土:30%60%砂 类 土:25%60%孔隙率粘性土和粉土:0.401.20砂 类 土:0.300.90孔隙比0.81.3g/m3有效密度1.82.3g/m3饱和密度,土的三相比例指标换算公式(续)1.4 土的物理性质指标三、物理性质指标换算第一章 土的物理性质及分类第35页/共61页2

13、023/3/11361.5 无粘性土的特性第一章 土的物理性质及分类无粘性土包括状态密实：良好的天然地基疏松：不良的地基地层孔隙比相对密度特点特点简单方便，但不能反映不同级配土的密实度。密实度衡量指标：表达式Emax最大孔隙比，用松砂器法测定Emin最小孔隙比，用振密法测定准判别标碎石、砾石和砂类土等单粒结构的土。可以反映不同级配土的密实度，但天然孔隙比难于准确测定。Dr0.20，极松状态；0.20Dr0.33，稍密状态；0.33 0.67，密实状态。第36页/共61页2023/3/11371.5 无粘性土的特性第一章 土的物理性质及分类密实度衡量指标原位测试方法 标准贯入试验判定砂土密实度N

14、1010N1515N30N30标准贯入锤击数松散稍密中密密实密实度重型动力触探试验判定砂土密实度N63.555N63.51010N63.520N63.520重型动力触探锤击数松散稍密中密密实密实度超重型动力触探试验判定砂土密实度N33N66N1111N14N14超重型动力触探锤击数松散稍密中密密实很密密实度第37页/共61页2023/3/1138碎石类土密实度野外鉴别方法密实度骨架颗粒含量和排列可挖性可钻性密实骨架颗粒含量大于颗粒总量的70%，呈交错排列，连续接触锹、镐挖掘困难，用撬棍方能松动；井壁一般较稳定钻探极困难；冲击钻探时，钻杆、吊锤跳动剧烈；孔壁较稳定中密骨架颗粒含量等于颗粒总量的6

15、0%70%，呈交错排列，大部分接触锹、镐可挖掘；井壁有掉块现象，在井壁取出大颗粒处，能保持颗粒的凹面形状钻进较困难；冲击钻探时，钻杆、吊锤跳动不剧烈；孔壁有坍塌现象稍密骨架颗粒含量等于颗粒总量的55%60%，排列混乱，大部分不接触锹可以挖掘；井壁易坍塌；从井壁取出大颗粒后，充填物砂土立即坍落钻进较容易；冲击钻探时，钻杆稍有跳动；孔壁易坍落松散骨架颗粒含量小于颗粒总量的55%，排列十分混乱，绝大部分不接触锹易挖掘；井壁极易坍塌钻进很容易；冲击钻探时，钻杆无跳动；孔壁极易坍落1.5 无粘性土的特性第一章 土的物理性质及分类密实度衡量指标野外鉴别方法 第38页/共61页2023/3/11391.6

16、粘性土的特性第一章 土的物理性质及分类一、土的界限含水量和含水状态特征缩限 ws塑限 wp 液限 wl含水量w半固态 固态可塑状态 流动状态 10101002023461602040圆锥入土深度(mm)土样含水量(%)wpwl测定方法：锥式液限仪法液限：塑限：搓条法缺点手工操作，成果不稳定联合测定法解决办法经验计算法a，b经验系数第39页/共61页2023/3/11401.6 粘性土的特性第一章 土的物理性质及分类二、粘性土的塑性指数和液性指数塑性指数定义定义表达式表达式反映反映粘性土软硬程度的划分状态特征 坚硬硬塑可塑软塑流动液性指数 IL00IL0.250.25IL0.75 0.75IL1

17、.0 IL1.0土的液限和土的塑限各自省去百分号后的差值。粘性土软硬程度反映粘土颗粒含量、粘性大小液性指数天然含水量与塑限之差和液限与塑限之差的比值。第40页/共61页2023/3/11411.6 粘性土的特性第一章 土的物理性质及分类三、粘性土的活性数表达式Ip土的塑性指数m土中小于2m的微小颗粒百分含量（去掉百分号）An0.75，非活性粘土0.75 An 1.25，正常粘土An1.25，活性粘土四、粘性土的灵敏度和触变性表达式定义定义活性数灵敏度原状土的无侧限抗压强度与重塑土的无侧限抗压强度之比。触变性指被扰动粘性土的强度随时间推移而逐渐恢复的胶体化学性质。第41页/共61页2023/3/

18、11421.7 土的渗透性及达西定律第一章 土的物理性质及分类水的渗透定义定义一、达西定律在层流状态下，土中水的渗透速度与水位差成正比，与渗流长度成反比。h渗流起点和渗流终点间的水位差；L渗流起点到渗流终点的距离；k 土的渗透系数（cm/s）；v渗透速度（cm/s）。或者：其中：称为水力梯度影响渗透系数因素土的性质 水的温度 hLH1H2基准面指水在压力坡降作用下穿过土中连通孔隙发生缓慢流动的现象。土的渗透性指土体被水透过的性能。第42页/共61页2023/3/11431.7 土的渗透性及达西定律第一章 土的物理性质及分类一、达西定律(一)室内常水头渗透试验abLh2hh1Q土样 Q时段t内流

19、过土样的流量；A土的截面积；L渗流起点到渗流终点的距离；ha、b两点的水头差；kt土在时段t内的渗透系数（cm/s）。则：除有特殊需要，后文一般将kt记为k第43页/共61页2023/3/11441.7 土的渗透性及达西定律第一章 土的物理性质及分类一、达西定律(二)室内变水头渗透试验dQ时段dt内流过土样的流量；A土的截面积；L土样高度；k 渗透系数(cm/s)；h时段dt内储水管水头；a 储水管截面积；dh时间dt内水头下降量；且：则：积分：h1实验开始时储水管水头；h2经过时段t后储水管水头。则：aLh2dhh1土样h储水管第44页/共61页2023/3/11451.7 土的渗透性及达西

20、定律第一章 土的物理性质及分类一、达西定律(三)现场抽水试验适用于粗粒土或成层的土 Q时段t内从抽水井抽出的水量；A土的截面积；dh/dr任一半径r处的水力梯度；h半径r处的水头；k土的渗透系数（cm/s）。分离变量后得：积分，得：r2h2h1观测孔r1抽水井Q第45页/共61页2023/3/11461.7 土的渗透性及达西定律一、达西定律第一章 土的物理性质及分类流速v梯度r2vcr粗粒土的渗透规律粗粒土的渗透流速vvcr，服从达西定律流速vvcr，不服从达西定律i1i1cb流速v梯度r2砂土、粘性土的渗透规律 akiv=砂土的渗透服从达西定律粘性土的渗透不服从达西定律；ii1时才发生渗流，

21、i1称为初始水力梯度。为简化计算，常以直线近似表示：i1为直线与横轴的交点，称为计算初始水力梯度第46页/共61页2023/3/11471.7 土的渗透性及达西定律二、影响土渗透性的因素第一章 土的物理性质及分类土的孔隙比土粒大小和级配土颗粒愈粗、愈浑圆、愈均匀时，渗透性愈好;反之则差。孔隙比的大小，直接决定着土渗透系数的大小。土的结构构造 单粒结构蜂窝结构絮状结构;竖直裂隙土体，竖向渗透系数大，层状粘土水平向渗透系数大。土中水的温度 温度影响土中渗流的动力粘滞系数，从而影响渗透性。封闭气体的含量 当土中封闭气体的含量增加时，其渗透系数随之减小。第47页/共61页2023/3/1148(一)动

22、水力的计算公式1.7 土的渗透性及达西定律三、土的动水压力、流砂和潜蚀第一章 土的物理性质及分类渗流压力定义渗流水作用在单位体积土体中土颗粒上的力，用GD表示。h2h1H2z2z1H1DHL基准面水流ab土颗粒的阻力T：渗流压力:第48页/共61页2023/3/11491.7 土的渗透性及达西定律三、土的动水压力、流砂和潜蚀第一章 土的物理性质及分类(二)流土和潜蚀现象流土发生条件水的渗流自下而上发生，动水力大于等于的浮重度。即：潜蚀(或管涌)当水在砂类土中渗流时，土中的一些细小颗粒可能通过粗颗粒的孔隙被水流带走，并在粗颗粒之间形成管状孔隙，这种现象称为潜蚀或管涌，也称其为机械潜蚀。在渗流情况

23、下，地下水对岩土的矿物或化学成分产生溶蚀、溶滤并将其带走的现象称为化学潜蚀。第49页/共61页2023/3/1150发生管涌的临界水力梯度：渗流自下而上:渗流从侧向发生：1.7 土的渗透性及达西定律三、土的动水压力、流砂和潜蚀第一章 土的物理性质及分类(二)流土和潜蚀现象d3土中小于某粒径的颗粒占总颗粒质量的3%时，该粒径即为d3，cm；土渗透系数，cm/s；n土孔隙率；土内摩擦角；C常数，一般取C=42。防治流砂的主要原则是：减小或消除基坑内外地下水的水头差；通过设置防水板桩等增长渗流路径；在向上渗流出口处地表用透水材料覆盖压重以平衡动水力。第50页/共61页2023/3/11511.8 土

24、的工程分类目的和意义：便于应用，研究及交流第一章 土的物理性质及分类第51页/共61页2023/3/11521.8 土的工程分类一、根据土的颗粒级配或塑性指数分类土的名称 颗粒形状颗粒级配漂石块石圆形及亚圆形为主棱角形为主粒径大于200mm的颗粒超过全重的50%卵石碎石圆形及亚圆形为主棱角形为主粒径大于20mm的颗粒超过全重的50%圆砾角砾圆形及亚圆形为主棱角形为主粒径大于2mm的颗粒超过全重的50%碎石土的分类 定义第一章 土的物理性质及分类碎石土粒径大于2mm的颗粒含量超过颗粒总重量50%的土。第52页/共61页2023/3/1153土的名称颗粒级配砾砂粗砂中砂细砂粉砂粒径大于2mm的颗粒

25、占全重的25%50%粒径大于0.5mm的颗粒超过全重的50%粒径大于0.25mm的颗粒超过全重的50%粒径大于0.075mm的颗粒超过全重的85%粒径大于0.075mm的颗粒超过的50%定义1.8 土的工程分类一、根据土的颗粒级配或塑性指数分类第一章 土的物理性质及分类砂类土的分类砂类土粒径大于2mm的颗粒含量不超过颗粒总重量的50%、但粒径大于0.075mm的颗粒超过颗粒总重量的50%的土。第53页/共61页2023/3/1154定义粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过颗粒总重量50%、塑性指数Ip小于等于10的土。粉土1.8 土的工程分类一、根据土的颗粒级配或塑性指数分类第一章 土的物理

26、性质及分类特点砂质粉土：粒径小于0.005mm的颗粒含量小于等于颗粒总重量的10%。粘质粉土：粒径小于0.005mm的颗粒含量大于颗粒总重量的10%。吸附水能力弱于粘性土，但却明显强于砂土。第54页/共61页2023/3/1155定义指塑性指数Ip大于10的土。粘性土1.8 土的工程分类一、根据土的颗粒级配或塑性指数分类第一章 土的物理性质及分类特点受含水的影响极大，沉积历史愈久，结构性愈强、力学性质愈好。粉质粘土：10Ip17粘土：Ip17第55页/共61页2023/3/1156二、根据土的特殊性质进行分类(一)软土指主要由细粒土组成的孔隙比大、天然含水量高和强度低的土层。淤泥：天然孔隙比大

27、于等于1.5的粘性土。淤泥质土:天然孔隙比小于1.5但大于等于1.0的土。天然含水量大于液限有机质土：有机质含量大于5的土。泥炭：有机质含量大于5的土。(二)人工填土指由人类活动而堆填的土。素填土定义由碎石、砂或粉土、粘性土等一种或几种材料组成的填土，不含杂质或含杂质很少。杂填土 定义指大量的建筑垃圾、工业废料或生活垃圾等人工堆填物，不可直接作为建筑物地基。冲填土 定义人类借助水力冲填泥砂而形成的土，一般压缩性大、含水量大、强度低。1.8 土的工程分类第一章 土的物理性质及分类第56页/共61页2023/3/1157二、根据土的特殊性质进行分类(三)湿陷性土指在一定压力下被浸湿时产生湿陷变形量

28、达到一定数值的土。1.8 土的工程分类第一章 土的物理性质及分类(四)红粘土指碳酸盐岩系出露的岩石，经红土化作用形成并覆盖于基岩上的棕红、褐黄等色的高塑性粘土。(五)膨胀土一般是指粘粒成分主要由亲水性粘土矿物(以蒙脱石和伊里石为主)所组成的粘性土，在环境的温度和湿度变化时，可产生强烈的胀缩变形，具有吸水膨胀、失水收缩的特性。(六)多年冻土指土的温度等于或低于零摄氏度、含有固态水且这种状态在自然界连续保持三年或三年以上的土。(七)盐渍土指易溶盐含量大于0.5，且具有吸湿、松胀等特性的土。(八)污染土指由于外来的致污物质侵人土体而改变了原生性状的土。第57页/共61页2023/3/1158三、细粒

29、土按塑性图分类1.8 土的工程分类第一章 土的物理性质及分类0102030405060700102030405060708090100110Ip=10Ip=7BAA线 Ip=0.63(wL-20)B线 wL=40%塑性指数 Ip液限wL(%)所有粘土均位于A线和Ip=10的水平线以上；所有粉土均位于A线和Ip=7的水平线以下；位于B线左侧(wL40%)的为高液限土。第58页/共61页2023/3/1159习题1-1土中水有哪些形态，各种形态的水各具有哪些特性、对工程建设有何影响？1-2试分析下列各对土粒粒组的异同点；块石颗粒与圈砾颗粒；碎石颗粒与粉粒；砂位与粘粒。1-3何谓土的灵敏度和触变性？

30、其工程意义何在？1-4土的工程分类体系有哪些？掌握土的分类的结果。1-5某软土地基的干密度为d1.36g/cm3，土粒比重ds=2.71，含水量w=31.4%，求一立方米的土体中颗粒、水、与空气所占的体积与重量，并确定以下指标：g，gsat，Sr，e。第一章 土的物理性质及分类第59页/共61页2023/3/11601-6某无粘性土样的颗粒分析结果见下表，试定出该土样的名称；若该土在天然状态下的密度为1.79g/cm3，天然含水量为8.9%，土粒比重为2.69，通过试验得知其最大孔隙比为0.966，最小孔隙比为0.465，试求该土的相对密度，并评价其密实度。粒径(mm)10220.50.50.25 0.250.0750.075颗粒相对含量（%）45129348337141习题第一章 土的物理性质及分类第60页/共61页2023/3/1161感谢您的观看。第61页/共61页