土的物理、水理、力学性质综述

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,土的物理、水理、力学性质,土的物理性质、水理性质和力学性质,第一节 土的物理性质,第二节 土的水理性质,第三节 土的力学性质,第一节 土的物理性质,土的物理性质就是研究三相的质量与体积间的相互比例关,系以及固、液两相相互作用表现出来的性质。,Water,Air,Soil,m,a,=0,m,w,m,s,m,V,a,V,w,V,s,V,v,V,质,量,体,积,第一节 土的物理性质,土的物理性质指标，可分为两类：,一类是必须通过试验测定的，如含水量，,密度和土粒比重；另一类是可以根据试,验测定的指标换算的；如孔隙比，孔隙,率和饱和度等。,第一节 土的物理性质,土的密度,定义：,土的密度是指土的总质量,m,与总体,积,V,之比，也即为土的单位体积的质量。,表达式：,单位：,g/cm,3,气,水,土粒,m,s,m,w,m,V,s,V,w,V,V,a,质量,m,体积,V,土的密度取决于土粒的密度，孔隙体积的大小和孔隙中水的质量多少，,它综合反映了土的物质组成和结构特征。室内一般采用“环刀法”测定,。,砂土一般是,.4,g/cm,3；,粉质砂土及粉质粘土,.4,g/cm,3；,粘土为.4,g/cm3,第一节 土的物理性质,土粒,密度,定义：,土粒密度是指固体颗粒的质量,m,s,与其体,积,Vs,之比；即土粒的单位体积质量,表达式：,单位：,g/cm,3,土粒密度仅与组成土粒的矿物密度有关，而与土的孔隙大小,和含水多少无关。实际上是土中各种矿物密度的加权平均值。,砂土的土粒密度一般为：,2.65,g/cm,3,左右,粉质砂土的土粒密度一般为：,2.68,g/cm,3,粉质粘土的土粒密度一般为：,2.682.72,g/cm,3,粘土的土粒密度一般为：,2.7-2.75,g/cm,3,气,水,土粒,m,s,m,w,m,V,s,V,w,V,V,a,质量,m,体积,V,第一节 土的物理性质,干密度,定义：,土的孔隙中完全没有水时的密度，,称干密度；是指土单位体积中土粒的重量，,即：固体颗粒的质量与土的总体积之比值。,气,水,土粒,m,s,m,w,m,V,s,V,w,V,V,a,质量,m,体积,V,表达式：,单位：,g/cm,3,干密度反映了土的孔隙性，因而可用以计算土的孔隙率，,它往往通过土的密度及含水率计算得来，但也可以实测。,土的干密度一般常在,1.41.7 g/cm,3,在工程上常把干密度作为评定,土体紧密程度的标准，以控制,填土工程的施工质量。,第一节 土的物理性质,饱和密度,定义:,土的孔隙完全被水充满时的密度称为饱和,密度。即，土的孔隙中全部充满液态水时,的单位体积质量,气,水,土粒,m,s,m,w,m,V,s,V,w,V,V,a,质量,m,体积,V,表达式:,单位:,g/cm,3,土的饱和密度的常见值为,1.82.30,g/cm,3,第一节 土的物理性质,浮,密度,定义:,土的浮密度是土单位体积中土,粒质量与同体积水的质量之差.,表达式:,=(m,s,-,v,s,w,)/V,单位:,g/cm,3,同一种土在体积不变的条件下，它的各种,密度在数值上有如下关系：,气,水,土粒,m,s,m,w,m,V,s,V,w,V,V,a,质量,m,体积,V,第一节 土的物理性质,土的含水性,含水率（含水量）,饱和度,定义:,土的含水性指土中含水情况，说明土的干湿程度,气,水,土粒,m,s,m,w,m,V,s,V,w,V,V,a,质量,m,体积,V,第一节 土的物理性质,含水率,定义:,土的含水量定义为土中水的质量与,土粒质量之比，以百分数表示,表达式:,气,水,土粒,m,s,m,w,m,V,s,V,w,V,V,a,质量,m,体积,V,或,土的孔隙全部被普通液态水充满,时的含水率称饱和含水率,天然状态下土的含水率称土的天然含,水率。一般砂土天然含水率都不超过,40%,，以,1030%,最为常见；一般粘,土大多在,1080%,之间，常见值,20,50%,。,第一节 土的物理性质,饱和度,定义:,土中孔隙水的体积与孔隙体积,之比，以百分数表示,表达式:,气,水,土粒,m,s,m,w,m,V,s,V,w,V,V,a,质量,m,体积,V,或,饱和度愈大，表明土中孔隙中充水愈,多，它在,0100%,；干燥时,Sr,=0,。,孔,隙全部为水充填时，,Sr,=100%,。,工程上,Sr,作为砂土湿度划分的标准。,Sr,80%,饱和的,第一节 土的物理性质,孔隙性,孔隙率,砂土的相对密度,气,水,土粒,m,s,m,w,m,V,s,V,w,V,V,a,质量,m,体积,V,定义:,孔隙性指土中孔隙的大小，数量、形状、性,质以及连通情况。,第一节 土的物理性质,孔隙率 与孔隙比,定义:孔隙率,是土的孔隙体积与土体积之比，,或单位体积土中孔隙的体积，以百分数表示,表达式:,定义:,孔隙比是土中孔隙体积与土粒体,积之比，以小数表示,表达式:,气,水,土粒,m,s,m,w,m,V,s,V,w,V,V,a,质量,m,体积,V,两者关系:,孔隙比,e,是个重要的物理性指,标，可以用来评价天然土层的,密实程度。一般,e1.0,的,土是疏松的无压缩性土。,第一节 土的物理性质,砂土的相对密度,定义式:,计算式:,Dr,在工程上常应用于：,（1）评价砂土地基的允许承载力；,（2）评价地震区砂体液化；,（3）评价砂土的强度稳定性。,砂土按相对密度分类：,疏松的,中密的,密实的,第一节 土的物理性质,基本物理性质指标间的相互关系,孔隙率与孔隙比:,孔隙比与比重和干密度,:,饱和度与含水量，比重和孔隙比:,干密度与湿密度和含水量,:,第二节 土的水理性质,粘性土的稠度和塑性,稠度定义:,指土体在各种不同的,湿度条件下，受外力作用后所具,有的活动程度。,塑性,:,物体在外力作用下，可被,塑成任何形态，而整体性不破坏；,即不产生裂隙,固态或半固态,塑限,P,可塑状态,液限,L,流动状态,0,w,V,O,半固态,颗 粒,水,V,s,+,V,a,V,s,固态,可塑态,液态,w,s,w,P,w,L,阿特堡界限,(,Atterberg,limit),粘 粒,强结合水,弱结合水,自由水,液 态,可塑态,固态或半固态,稠度状态,固态或,半固态,塑态,流态,土中水的形态,强结合水,弱结合水,自由水,w,含水量,稠度界限,塑限,p,强结合水膜最大,液限,l,出现自由水,粘性土的稠度反映土中水的形态,液限和塑限的测定方法：,液限（,Liquid Limit,）：,锥式（瓦氏）液限仪或碟式（卡式）液限仪,塑限（,Plastic Limit,）：,搓条法或液塑限联合测定仪,塑性指数,反映粘性土,可塑性,的大小。,综合,反映粘性土的,特性,以及各类重要,因素,的,影响,，因此可用于土的分类及其性质的评估。,液性指数,反映粘性土软硬程度（稠度，潮湿程度）。,固态或半固态,可塑态,液 态,重塑土和原状土,状态,液性指数,坚硬,硬塑,可塑,软塑,流塑,I,L,0,0,I,L,0.25,0.25,I,L,0.75,0.75,I,L,1,I,L,1,第二节 土的水理性质,触变性,当粘性土结构受扰动时，土的强度降低。,但静置一段时间，土的强度又逐渐增长，,这种性质称为土的触变性。这是由于土粒、,离子和水分子体系随时间而趋于新的平衡,状态之故。,土的触变性是土结构中联,结形态发生变化引起的，,是土结构随时间变化的宏,观表现。,目前尚没有合理的描述土,触变性的方法和指标。,结构强度恢复,结构破坏,结构未破坏,触变性,第二节 土的水理性质,粘性土的胀缩性,膨胀性,收缩性,粘性土由于含水量的增加,而发生体积增大的性能称,膨胀性,由于土中水分蒸发而引起,体积减少的性能称收缩性,胀缩性,1膨胀率,e,p,常用线膨胀率：,2,膨胀力,3,膨胀含水率:,4,自由膨胀率,:,一般认为引起土体膨胀的原因主要有,以下几方面：粘粒的水化作用、粘性,表面双电层的形成、扩散层增厚等因,素。其膨胀大致分两个阶段：第一阶段：,干粘粒表面吸附单层水分子；,“晶层间膨胀”或“粒间膨胀”,第二阶段：由于双电层的形成，使粘,粒或晶层进一步推开。“渗透膨胀”,收缩性,1体缩率,2,线缩率,4,收缩系数:作图求解,3,缩,限:作图求解,粘性土的收缩性是由于水分蒸发引,起的。其收缩过程可分为两个阶段：,第一阶段（,AB）,表示了土体积的缩,小与含水率的减小成正比，呈直线,关系；土之减小的体积等于水分散,失的体积；第二阶段（,BC）,表示了,土体积的缩小与含水率的减少呈曲,线关系。土体积的减少量小于失水,体积，随着含水率的减少，土体积,收缩愈来愈慢。,粘性土的崩解性,定义：,粘性土由于浸水而发生崩解,散体的特性称崩解性,评价粘性土的崩解性一般采用下列三个指标：,1、崩解时间：一定体积的土样完全崩解所需的时间；,2、崩解特征：土样在崩解过程的各种现象，即出现的,崩解形式；,3、崩解速度：土样在崩解过程中质量的损失与原土样,质量之比，和时间的关系。,崩解现象的产生是由于土水,化，使颗粒间连接减弱及部,分胶结物溶解而引起的崩解。,是,表征土的抗水性的指标。,第三节 土的力学性质,力学性质,土的压缩性,土的抗剪性,土的击实性,压缩变形的本质,压缩性指标,抗剪性,本质,抗剪,强度与剪切定律,击实特性,压实,本质,1,压缩试验,2,压缩系数,3,压缩指数(,Cc),Cc=(e1-e2)/(lgp,2,lgp,1,),Cc,越大，土的压缩性越高。,当,Cc0.2,时，属于低压缩性土；,当,Cc0.4,时属于高压缩性土。,压缩系数和压缩指数关系,：,Cc,4,压缩模量（,Es,）,表达式：,Es,z,/,q,z,单位：,Mpa,Es,是指在侧限条件下受压时,压应力,z,与相应应变,q,z,之,比值；,Es,越大，表明在同一,压力范围内土的压缩变形越,小，土的压缩性越低,。,5,载荷试验和变形模量,地基变形的三个阶段：,（1）压密变形阶段：弹性变形,（2）剪切变形阶段：塑性变形,（3）完全破坏阶段：破坏变形,临界荷载,极限荷载,变形模量,E,0,z/,z,E,0,：,是指在无侧限条件下受压时，压应力与相应应变,之比值；一般是用载荷试验成果绘制的,s-p,关系曲线，,以曲线中的直线变形段，按弹性理论公式求得，即,E,0,（1,2,）P/,Sd,土的变形模量与压缩模量的关系,6前期固结压力和固结比,前期固结压力是指土层在过去历史上曾,经受过的最大固结压力，通常用,P,c,来表,示。前期固结压力也是反映土体压密程,度及判别其固结状态的一个指标。,固结比（,OCR）：,前期,固结应力与上覆土层自,重应力之比值。,当,OCR,大于1 超固结土,当,OCR,等于1 正常固结土,当,OCR,小于1 欠固结土,土的抗剪性,土的抗,剪性,本质：,土是由固体颗粒组成的，土粒间的连,结强度远远小于土粒本身的强度，故,在外力作用下，土粒之间发生相对错,动，引起土中的一部分相对于另一部,分产生移动。研究土的强度特征，就,是研究土的抗剪强度特性，简称抗剪性。,土的抗剪强度,f,：,是指土体抵,抗剪切破坏的极限能力，其数,值等于剪切破坏时滑动面上的,剪应力。,剪切面（剪切带）：土体剪切破坏,是沿某一面发生与剪切方向一致的,相对位移，这个面通常称为剪切面。,抗剪强度和剪切定律,剪切定律：,无粘性土：,粘性土：,+,C,库仑定律说明：土的抗剪强度由土的内摩擦力,和内聚力,c,两部分组成。内摩擦力与剪切面上的法向,压力成正比，其比值为土的内摩擦系数 。,土的抗剪强度指标：土,的内摩擦角和内聚力。,直接剪切与三轴剪切,抗,剪,强,度,指,标,的,确,定,总,应力法,有效应力法,排水剪（慢剪）,不排水剪（快剪）,固结不排水剪（固结快剪）,土的击实性（压实性）,压实：,指通过夯打、振动、碾压等，使,土体变得密实、以提高土的强度、减小,土的压缩性和渗透性,压实性：,指土在一定压实能量作用下密,度增长的特性,研究击实性的目的：,以最小的能量消