土的物理性質(zhì)、水理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)

1、《土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)》安徽理工大學(xué)資源與環(huán)境工程系,第二章土的物理性質(zhì)、水理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì),第一節(jié) 土的物理性質(zhì)第二節(jié) 土的水理性質(zhì)第三節(jié) 土的力學(xué)性質(zhì),第一節(jié) 土的物理性質(zhì),土的物理性質(zhì)就是研究三相的質(zhì)量與體積間的相互比例關(guān)系以及固、液兩相相互作用表現(xiàn)出來(lái)的性質(zhì)。,質(zhì)量,體積,第一節(jié) 土的物理性質(zhì),土的物理性質(zhì)指標(biāo)，可分為兩類：一類是必須通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定的，如含水量，密度和土粒比重；另一類是可以根據(jù)試驗(yàn)測(cè)定的指標(biāo)換算的

2、；如孔隙比，孔隙率和飽和度等。,第一節(jié) 土的物理性質(zhì),土粒密度,定義：土粒密度是指固體顆粒的質(zhì)量ms與其體積Vs之比；即土粒的單位體積質(zhì)量,表達(dá)式：,單位：g/cm3,土粒密度僅與組成土粒的礦物密度有關(guān)，而與土的孔隙大小和含水多少無(wú)關(guān)。實(shí)際上是土中各種礦物密度的加權(quán)平均值。,砂土的土粒密度一般為：2.65 g/cm3左右粉質(zhì)砂土的土粒密度一般為：2.68g/cm3粉質(zhì)粘土的土粒密度一般為：2.68~2.72g/cm3 粘土

3、的土粒密度一般為：2.7-~2.75g/cm3,第一節(jié) 土的物理性質(zhì),土的密度,定義：土的密度是指土的總質(zhì)量m與總體積V之比，也即為土的單位體積的質(zhì)量。,表達(dá)式：,單位：g/cm3,土的密度取決于土粒的密度，孔隙體積的大小和孔隙中水的質(zhì)量多少，它綜合反映了土的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)特征。室內(nèi)一般采用“環(huán)刀法”測(cè)定 。,砂土一般是１.4 g/cm3；粉質(zhì)砂土及粉質(zhì)粘土１.4 g/cm3；粘土為１.4 g/cm3,第一節(jié) 土的物理性質(zhì),干密度

4、,定義：土的孔隙中完全沒有水時(shí)的密度，稱干密度；是指土單位體積中土粒的重量，即：固體顆粒的質(zhì)量與土的總體積之比值。,表達(dá)式：,單位： g/cm3,,干密度反映了土的孔隙生，因而可用以計(jì)算土的孔隙率，它往往通過(guò)土的密度及含水率計(jì)算得來(lái)，但也可以實(shí)測(cè)。,土的干密度一般常在1.4~1.7 g/cm3,在工程上常把干密度作為評(píng)定土體緊密程度的標(biāo)準(zhǔn)，以控制填土工程的施工質(zhì)量。,第一節(jié) 土的物理性質(zhì),飽和密度,定義:土的孔隙完全被水充滿時(shí)

5、的密度稱為飽和密度。即，土的孔隙中全部充滿液態(tài)水時(shí)的單位體積質(zhì)量,表達(dá)式:,單位: g/cm3,,土的飽和密度的常見值為1.8~2.30 g/cm3,第一節(jié) 土的物理性質(zhì),,浮密度,定義:土的浮密度是土單位體積中土粒質(zhì)量與同體積水的質(zhì)量之差.,表達(dá)式:,ρ’=(ms-vsρw)/V,單位: g/cm3,同一種土在體積不變的條件下，它的各種密度在數(shù)值上有如下關(guān)系：,,第一節(jié) 土的物理性質(zhì),土的含水性,含水率（含水量）,飽和度,定義

6、:土的含水性指土中含水情況，說(shuō)明土的干濕程度,,,第一節(jié) 土的物理性質(zhì),含水率,定義:土的含水量定義為土中水的質(zhì)量與土粒質(zhì)量之比，以百分?jǐn)?shù)表示,表達(dá)式:,,,或,土的孔隙全部被普通液態(tài)水充滿時(shí)的含水率稱飽和含水率,天然狀態(tài)下土的含水率稱土的天然含水率。一般砂土天然含水率都不超過(guò)40%，以10~30%最為常見；一般粘土大多在10~80%之間，常見值20~50%。,,第一節(jié) 土的物理性質(zhì),飽和度,定義:土中孔隙水的體積與孔隙體積

7、之比，以百分?jǐn)?shù)表示,表達(dá)式:,,,或,飽和度愈大，表明土中孔隙中充水愈多，它在0~100%；干燥時(shí)Sr=0?？紫度繛樗涮顣r(shí)，Sr=100%。,工程上Sr作為砂土濕度劃分的標(biāo)準(zhǔn)。Sr 80% 飽和的,第一節(jié) 土的物理性質(zhì),孔隙性,孔隙率,砂土的相對(duì)密度,,定義:孔隙性指土中孔隙的大小，數(shù)量、形狀、性 質(zhì)以及連通情況。,,第一節(jié) 土的物理性質(zhì),孔隙率 與孔隙比,定義:孔隙率是土的孔隙體積與土體積之比，或單

8、位體積土中孔隙的體積，以百分?jǐn)?shù)表示,表達(dá)式:,,定義:孔隙比是土中孔隙體積與土粒體積之比，以小數(shù)表示,表達(dá)式:,,兩者關(guān)系:,,孔隙比e是個(gè)重要的物理性指標(biāo)，可以用來(lái)評(píng)價(jià)天然土層的密實(shí)程度。一般e1.0的土是疏松的無(wú)壓縮性土。,第一節(jié) 土的物理性質(zhì),砂土的相對(duì)密度,定義式:,計(jì)算式:,,,Dr在工程上常應(yīng)用于：（1）評(píng)價(jià)砂土地基的允許承載力；（2）評(píng)價(jià)地震區(qū)砂體液化；（3）評(píng)價(jià)砂土的強(qiáng)度穩(wěn)定性。,砂土按相對(duì)密度分類： 疏

9、松的 中密的密實(shí)的,,,,第一節(jié) 土的物理性質(zhì),基本物理性質(zhì)指標(biāo)間的相互關(guān)系,孔隙率與孔隙比:,孔隙比與比重和干密度 :,飽和度與含水量，比重和孔隙比:,干密度與濕密度和含水量 :,,,,,第二節(jié) 土的水理性質(zhì),粘性土的稠度和塑性,稠度定義:指土體在各種不同的濕度條件下，受外力作用后所具有的活動(dòng)程度。,塑性 :物體在外力作用下，可被塑成任何形態(tài)，而整體性不破壞；即不產(chǎn)生裂隙,,固態(tài)或半固態(tài),,塑限ωP,可塑狀態(tài),,液限ωL

10、,流動(dòng)狀態(tài),0,ω,Vs,ws,wP,wL,,阿特堡界限 (Atterberg limit),,,,自由水,液 態(tài),可塑態(tài),固態(tài)或半固態(tài),,稠度狀態(tài),固態(tài)或半固態(tài),塑態(tài),流態(tài),土中水的形態(tài),強(qiáng)結(jié)合水,弱結(jié)合水,自由水,,,,,,w,含水量,稠度界限,塑限ωp,強(qiáng)結(jié)合水膜最大,液限ωl,出現(xiàn)自由水,粘性土的稠度反映土中水的形態(tài),液限和塑限的測(cè)定方法：,液限（Liquid Limit）： 錐式（瓦氏）液限儀或碟式（卡式）

11、液限儀,塑限（Plastic Limit）： 搓條法或液塑限聯(lián)合測(cè)定儀,塑性指數(shù),反映粘性土可塑性的大小。,綜合反映粘性土的特性以及各類重要因素的影響，因此可用于土的分類及其性質(zhì)的評(píng)估。,液性指數(shù),反映粘性土軟硬程度（稠度，潮濕程度）。,固態(tài)或半固態(tài),可塑態(tài),液 態(tài),重塑土和原狀土,第二節(jié) 土的水理性質(zhì),粘性土的活性指數(shù),定義:,,顆粒的含量,根據(jù)活性指標(biāo)的大小，他把粘性土分為：非活性粘土：正常粘土：活性粘土：,

12、,,,活性粘土的礦物成分以吸水能力很強(qiáng)的蒙脫石等礦物為主，而非活性粘土中的礦物成分，則以高嶺石等吸水能力較差的礦物為主。,,靈敏度,,=,原狀土,,結(jié)構(gòu)性,,粉碎重塑,相同含水量密度,重塑土,,強(qiáng)度降低,,,,靈敏度高的土，其結(jié)構(gòu)性愈高，受擾動(dòng)后土的強(qiáng)度降低就愈多，施工時(shí)應(yīng)特別注意保護(hù)基槽，使結(jié)構(gòu)不擾動(dòng)，避免降低地基強(qiáng)度。,第二節(jié) 土的水理性質(zhì),觸變性,當(dāng)粘性土結(jié)構(gòu)受擾動(dòng)時(shí)，土的強(qiáng)度降低。但靜置一段時(shí)間，土的強(qiáng)度又逐

13、漸增長(zhǎng)，這種性質(zhì)稱為土的觸變性。這是由于土粒、離子和水分子體系隨時(shí)間而趨于新的平衡狀態(tài)之故。,土的觸變性是土結(jié)構(gòu)中聯(lián)結(jié)形態(tài)發(fā)生變化引起的，是土結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化的宏觀表現(xiàn)。,目前尚沒有合理的描述土觸變性的方法和指標(biāo)。,,,,觸變性,第二節(jié) 土的水理性質(zhì),粘性土的脹縮性,膨脹性,收縮性,,粘性土由于含水量的增加而發(fā)生體積增大的性能稱膨脹性,由于土中水分蒸發(fā)而引起體積減少的性能稱收縮性,,,脹縮性,1膨脹率ep,,常用線膨

14、脹率：,,2膨脹力,,3膨脹含水率:,,4自由膨脹率:,,一般認(rèn)為引起土體膨脹的原因主要有以下幾方面：粘粒的水化作用、粘性表面雙電層的形成、擴(kuò)散層增厚等因素。其膨脹大致分兩個(gè)階段：第一階段：干粘粒表面吸附單層水分子；“晶層間膨脹”或“粒間膨脹” 第二階段：由于雙電層的形成，使粘 粒或晶層進(jìn)一步推開?！皾B透膨脹”,收縮性,1體縮率,2線縮率,4收縮系數(shù):作圖求解,3縮限:作圖求解,,,粘性土的收縮性是由于水分蒸發(fā)引起的

15、。其收縮過(guò)程可分為兩個(gè)階段：第一階段（AB）表示了土體積的縮小與含水率的減小成正比，呈直線關(guān)系；土之減小的體積等于水分散失的體積；第二階段（BC）表示了土體積的縮小與含水率的減少呈曲線關(guān)系。土體積的減少量小于失水體積，隨著含水率的減少，土體積收縮愈來(lái)愈慢。,粘性土的崩解性,定義：粘性土由于浸水而發(fā)生崩解散體的特性稱崩解性,評(píng)價(jià)粘性土的崩解性一般采用下列三個(gè)指標(biāo)：1、崩解時(shí)間：一定體積的土樣完全崩解所需的時(shí)間；2、崩

16、解特征：土樣在崩解過(guò)程的各種現(xiàn)象，即出現(xiàn)的崩解形式；3、崩解速度：土樣在崩解過(guò)程中質(zhì)量的損失與原土樣質(zhì)量之比，和時(shí)間的關(guān)系。,崩解現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于土水化，使顆粒間連接減弱及部分膠結(jié)物溶解而引起的崩解。是表征土的抗水性的指標(biāo)。,土的透水性和毛細(xì)性 自學(xué),第三節(jié) 土的力學(xué)性質(zhì),力學(xué)性質(zhì),土的壓縮性,土的抗剪性,土的擊實(shí)性,壓縮變形的本質(zhì),壓縮性指標(biāo),抗剪性本質(zhì),抗剪強(qiáng)度與剪切定律,擊實(shí)特性,壓實(shí)本質(zhì),,,,,土的壓縮性

17、,1壓縮本質(zhì)：,土的壓縮主要是由于孔隙中的水分和氣體被擠出，土粒相互移動(dòng)靠攏，致使土的孔隙體積減小而引起的。,2壓縮試驗(yàn)與壓縮系數(shù),,e,壓縮系數(shù),壓縮曲線,,在工程實(shí)際中，規(guī)范常以p1=0.1Mpa，p2=0.2Mpa的壓縮系數(shù)即a1-2作為判斷土的壓縮性高低的標(biāo)準(zhǔn)。低壓縮性土：a1-2＜0.1Mpa-1 中壓縮性土：0.1≤a1-2＜0.5 Mpa-1 高壓縮性土：a1-2≥0.5 Mpa-1,3壓縮指數(shù)(Cc),Cc

18、=(e1-e2)/(lgp2－lgp1),Cc越大，土的壓縮性越高。當(dāng)Cc＜0.2時(shí)，屬于低壓縮性土；當(dāng)Cc＞0.4時(shí)屬于高壓縮性土。,壓縮系數(shù)和壓縮指數(shù)關(guān)系：,,Cc＝,4壓縮模量（Es）,表達(dá)式：,Es＝ δz/ qz,單位：Mpa,Es是指在側(cè)限條件下受壓時(shí)壓應(yīng)力δz與相應(yīng)應(yīng)變qz之比值；Es越大，表明在同一壓力范圍內(nèi)土的壓縮變形越小，土的壓縮性越低。,5載荷試驗(yàn)和變形模量,地基變形的三個(gè)階段：（1）壓密變形階段：彈

19、性變形 （2）剪切變形階段：塑性變形 （3）完全破壞階段：破壞變形,,,臨界荷載,極限荷載,變形模量,E0＝δz/εz,E0：是指在無(wú)側(cè)限條件下受壓時(shí)，壓應(yīng)力與相應(yīng)應(yīng)變之比值；一般是用載荷試驗(yàn)成果繪制的s-p關(guān)系曲線，以曲線中的直線變形段，按彈性理論公式求得，即 E0＝（1－μ2）P/Sd,土的變形模量與壓縮模量的關(guān)系,,6前期固結(jié)壓力和固結(jié)比,前期固結(jié)壓力是指土層在過(guò)去歷史上曾經(jīng)受過(guò)的最大固結(jié)壓力

20、，通常用Pc來(lái)表示。前期固結(jié)壓力也是反映土體壓密程度及判別其固結(jié)狀態(tài)的一個(gè)指標(biāo)。,固結(jié)比（OCR）：前期固結(jié)應(yīng)力與上覆土層自重應(yīng)力之比值。當(dāng)OCR大于1 超固結(jié)土當(dāng)OCR等于1 正常固結(jié)土當(dāng)OCR小于1 欠固結(jié)土,“土的壓縮過(guò)程”和“影響土的壓縮性的主要因素 ” 自學(xué),土的抗剪性,土的抗剪性本質(zhì)：,土是由固體顆粒組成的，土粒間的連結(jié)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于土粒本身的強(qiáng)度，故在外力作用下，土粒之間發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，引起土中的一

21、部分相對(duì)于另一部分產(chǎn)生移動(dòng)。研究土的強(qiáng)度特征，就是研究土的抗剪強(qiáng)度特性，簡(jiǎn)稱抗剪性。,土的抗剪強(qiáng)度τf：是指土體抵抗剪切破壞的極限能力，其數(shù)值等于剪切破壞時(shí)滑動(dòng)面上的剪應(yīng)力。,剪切面（剪切帶）：土體剪切破壞是沿某一面發(fā)生與剪切方向一致的相對(duì)位移，這個(gè)面通常稱為剪切面。,抗剪強(qiáng)度和剪切定律,剪切定律：,無(wú)粘性土： 粘性土：,,+ C,庫(kù)侖定律說(shuō)明：⑴土的抗剪強(qiáng)度由土的內(nèi)摩擦力σ 和內(nèi)聚力c兩部分組成。⑵內(nèi)摩擦

22、力與剪切面上的法向壓力成正比，其比值為土的內(nèi)摩擦系數(shù) 。,,土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)：土的內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力。,直接剪切與三軸剪切,抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的確定,總應(yīng)力法,有效應(yīng)力法,排水剪（慢剪）,不排水剪（快剪）,固結(jié)不排水剪（固結(jié)快剪）,,,“土的流變特性與動(dòng)力特性”和“土的擊實(shí)性（壓實(shí)性） ”自學(xué),土的擊實(shí)性（壓實(shí)性）,壓實(shí)：指通過(guò)夯打、振動(dòng)、碾壓等，使土體變得密實(shí)、以提高土的強(qiáng)度、減小土的壓縮性和滲透性,壓實(shí)性

23、：指土在一定壓實(shí)能量作用下密度增長(zhǎng)的特性,研究擊實(shí)性的目的： 以最小的能量消耗獲得最大的壓實(shí)密度，揭示擊實(shí)作用下土的干密度、含水率和擊實(shí)功三者之間的關(guān)系和基本規(guī)律。,擊實(shí)方法：室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn): 夯打、振動(dòng)、碾壓,,土,,粘性土的擊實(shí)性,,,,,飽和曲線,?dmax=1.86,wop=12.1,0 4 8 12 16 20 24 28含水量w(%),擊實(shí)性曲線：,特點(diǎn)：①具

24、有峰值②位于飽和曲線之下,最大干密度最優(yōu)含水量,實(shí)踐證明，土被擊實(shí)到最佳情況時(shí)，飽和度一般在80%左右。,,,,,,,飽和線,影響因素,1. 擊實(shí)功能,2. 土的級(jí)配,3. 擊實(shí)方式 夯實(shí)、輾壓、振動(dòng)；輾壓對(duì)粘土比較合適,壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn),a. 粘性土存在最優(yōu)含水量ωop，在填土施工中應(yīng)該將土料的含水量控制在ωop左右，以期得到ρdmax，通常取,b. 工程上常采用壓實(shí)度Dc控制（作為填方密度控制標(biāo)準(zhǔn)）,Ⅰ、Ⅱ級(jí)土石壩