三相图
余弦定理-人人草大香蕉
2023年2月21日发(作者：长城杯)第一章土的物理性质
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第一章土的物理性质
§1.1土的生成
岩浆(magmaticrock))()(soilrock土岩石风化作用冷却
土是地壳表层的岩石长期经受风化作用和水流、冰川、风等自然力搬运、剥
蚀及堆积作用而生成的松散堆积物。
一、风化作用(weathering)
1物理风化：气温变化、机械破坏
特征：机械破坏、成分相同。
2化学风化：岩石与水、气、二氧化碳等化学作用。
特征：化学成分改变。
3生物风化：生物活动对岩石的破坏。
特征：树根使岩石机械破坏，微生物使岩石成分改变。
二、土的沉积(soilsedimentation)类型
土的沉积类型：残积土(residualsoil)、坡积土(slopewash)、洪积土(diluvial
soil)、湖沼积土、海积土(marinesoil)、冰川积土、风积土(Aeoliandeposit)等。
土的类型、土的成分、土的结构、颗粒大小、力学性质都有很大差别。
图1.1残积土、坡积土及洪积土的形成
备注
结合《工程地
质》课程，介绍
土的生成。
黑板板书，介绍
土的沉积类型，
增强学生印象。
第一章土的物理性质
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表1.1残积土、坡积土及洪积土的形成及其特征
类
型
形成特征
残
积
土
经风化作用而残留在原
地的碎屑堆积物
无分选、打磨、无明显层理。
坡
积
土
在雨水、融雪将山坡高
处的岩石风化产物洗
刷、剥蚀，顺坡向下搬
运的堆积物
由粗到细分选，层理不明显，矿物成分与下卧基岩
无关，厚度逐渐变大。
洪
积
土
暂时性山洪将风化产物
挟带到沟谷口或平原处
而成的沉积物。
谷口是含有泥砂的石块和粗颗粒，远处是细粒泥砂。
靠近山区，颗粒较粗，地下水位低，承载力高，离
山区远处，细粒组成，周期性干旱，发生胶结作用，
承载力高，中间过渡段为沼泽地，承载力低。
三、特殊土（specialsoil）
沿海地区的软土(softclay)、黄土(loess)、膨胀土(expansivesoil)、冻土frozen
soil)，区域性强。
四、土的沉积年代对土性质的影响
一般生成年代越久，上覆土层越厚，压得越密，化学作用或胶结作用越
强，土得强度也越大，压缩性就越小，反之新近沉积的土质较松软，工程性
质较差。
五、土的三相组成
土颗粒固相水液相空气气相
§1.2土的粒径组成和矿物成分
一、土的粒径（grainsize）组成
1.粒径(grainsize):颗粒的直径
2.粒组
(fraction)：大
小相近的颗
粒归为一组。
3.颗粒级配：
土中不同大
小颗粒的相
对含量。
备注
设问法介绍不
同类型沉积土
的特征。结合工
程设计，介绍设
计中遇到坡积
土和洪积土地
段时需要注意
的一些问题。
第一章土的物理性质
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二、粒径分析(grainsizeanalysis)
1．粒径分析方法
粒径分析方法:筛分法(0.1mm 图1.2筛子图1.3比重计法 ①筛分法：标准筛共五层，孔径分别为2.01.00.50.250.1mm 盖 底 盘 2 0 m1 2m 3m 4m 5m 6m 图1.4标准筛 计算小于某 式中W d 第一章土的物理性质 4 土粒重 W s 土粒总重（=m 1 +m 2 +m 3 +m 4 +m 5 +m 6 ） d<0.1mmP 1 =%1006 s W m 备注 土力学中标准筛与建筑材料中标准筛之间的区别？ d<0. 以此类推 d<2 .0mm P 5 = 5432 S W mmmmm ②比重计法 (自学) 2．粒径分布 曲线(grain size distribution curve)(级配 曲线) 以粒径d 的对数为横 坐标lgd，小 于某粒径的 含量P为纵 坐标，绘制 P~lgd关系曲 线，即级配曲 线。 第一章土的物理性质 5 图1.5三种不同土的粒径分布曲线 讨论 （1）级配曲线比较陡时，表明颗粒比较均匀 （2）级配曲线比较平缓时，表明颗粒比较不均匀，粒径范围变化大。 3．粒径级配曲线的应用 d 60 ，d 10 ，d 30 ——分别为粒径分布曲线纵坐标p等于60%、10%、30%时 对应的粒径。其中d 10 称为有效粒径(effectivegrainsize)。 （1）不均匀系数C u (coefficientofuniformity) 10 60 d d C u C u 越大，曲线越平缓，粒径分布不均匀。 （2）曲率系数C c (coefficientofcurvature) C c = 6010 2 30 dd d C c 反映曲线弯曲形状，表明中间粒径和较小粒径相对含量的组合情况。 备注 设问法讨论级 配曲线对土的 颗粒分布均匀 性进行定性分 析，引入后面的 定量分析。 (3)应用 对于 粗粒土常 用不均匀 系数C u 和 曲率系数 第一章土的物理性质 6 C c 来评价土的颗粒级配情况。 ①C u ≧5和C c =1~3时，粒径分布不均匀且级配良好(well-gradedsoil)，土 易被压实，是适合的工程填料；相反，则为不良级配土(poorly–graded soil) ②C u ＜5，粒径分布均匀，颗粒大小相差不大。 ③C c <1，中间粒径颗粒偏少，较小粒径颗粒偏多。 ④C c >3，中间粒径颗粒偏多，较小粒径颗粒偏少。 ⑤如曲线上出现水平线，即缺少某种中间粒径的土。 三、土中矿物成分(自学) §1.3土中的水和气体 本节主要自学 土中水的类型和数量对土的状态和性质有重大影响。土中水包括矿物内 部结合水和粒间孔隙水。孔隙水存在形式：冰（固态水）、水汽（气态水）、 液态水。土中的气体主要是空气和水气。 §1.4土的结构及联结(soilstructure) 一、砂土的振动密实和液化 1.松砂受振动时土粒在振动中调整相互位置，土的结构趋于更加密实、稳 定。 2.颗粒较细的砂土被水饱和，在突然振密而排水不畅的情况下，土粒受到 孔隙水的反作用而处于悬浮状态，变成液体状，称为液化或流砂(quickof sand)。是建筑物地基破坏的主要原因。 二、粘性土的结构性和灵敏度 1结构性：粘性土在保持天然结构时（原状土）(undisturbedsoilsample)的工 程性质与它的结构破坏后（扰动土）(disturbedsoilsample)的工程性质常有很 大差别，这就是土具有的结构性。 2灵敏度(sensitivity)S t ：灵敏度是常用的评价粘性土结构性对强度影响的指标。 定义如下： '( ( u u tq q S 或不排水抗剪强度）侧限抗压强度重塑土（扰动土）的无 或不排水抗剪强度）度原状土的无侧限抗压强 备注 结合路基填料 的工程应用讲 解。 采用比喻的方 法加深学生的 理解：路基填 料，希望级配良 好;正如军队 中，要求战士们 年龄级配均匀， 以便于训练与 战斗，而不同级 别军官年龄则 应级配良好，可 发挥不同年龄 段人的经验，阅 历和威望。 第一章土的物理性质 7 结合地基处理的换填法和汶川地震讲解 土的结构性越强，灵敏度越大。 三、粘性土的触变性 触变性(thixotropy)：含水率和密度不变，土因重塑而软化，又因静置而逐渐硬 化，强度有所恢复的性质。 图1.6粘性土的强度随时间的变化曲线 触变性指导工程实践的实例： （1）粘性土中打桩。 （2）堤坝、路基工程中，压实粘性土的强度会在压实结束后逐渐提高。 （3）触变性强的黏土制泥浆护壁。 备注 结合工程应用 讲解。 结构未破坏 结构破坏 结构强度恢复 lgt 第一章土的物理性质 8 §1.5土的三相含量指标 土的三相草图 图1.7土的三相图 由上图可知： WsaWs WWWWWW VsaWs VVVVVV 一、三个基本指标 1.土的密度(density)和容重(unitweight) = V体积 质量M （g/cm3）（环刀法测定） = V体积 重量W (kg/m3) =g (g为重力 加速度) 2.含水率w (water content) = s W W M M 土粒质量 土中水的质量 （烘干法测 定） 3.土粒容重 s 和土粒比重 G s (specific gravityofsoil particle)（土 粒相对密度） s = s s V W 土粒体积 土粒重量 (KN/m3) G s = C W 水的重同体积 土粒重量 4 （重 瓶煮沸 法） 备注 土颗粒 水 气体 s m w m m a V w V s V v V V 0 w m 第一章土的物理性质 9 假想将土的三相成分分开，详细讲解该图。 采用设问法，与学生互动，介绍三个基本指标。 含水量和含水率的区别？ 以上三个指标可以由试验直接测定，称为基本指标. 二、导出指标 1.孔隙比(voidratio)和孔隙率n(porosity) e= s v V V 土粒体积 孔隙体积 (e=0.25~4.0) n= V V v 土体积 孔隙体积 = %100 sv v VV V (n<1.0) 用三相草 图来推导e或 n 图1.8单元 土的三相简图 e= 1 )1( s n= e e eVV Ve V V ss sv 1 e或n越 大，土越松， 越小则越密。 2.土的饱和 度S r (degree ofsaturation) e G V V Ss V w r 第一章土的物理性质 10 饱和度越大，土越湿。饱和度用百分数或小数表示，值0~1。 3.土的饱和容重sat 、浮容重’、干容重 d （1）土的饱和容重 饱和度等于100%的饱和土的容重 sat 。 sat = e e V W ws 1 (kN/m3) （2）土的浮容重’ e ws wsat 1 ' (kN/m3) 备注 多媒体配合黑板板书，详细讲解由土的三相图变化为三相简图的过程，推导孔隙比e的 计算公式。 课后作业：推导该公式 （3）土的干 容重 d 1eV W ss d (kN/m3) （4）不同含 水率下密度 的比较 dsat 三、最大干 容重和最 优含水率 （土的压 实原理） 路基压 实时，一般要 先通过击实 试验得到最 大干密度 (maximum drydensity) 和最优含水 率(optimum moisture 第一章土的物理性质 11 content)。 四、典型例题讲解 某原状土样，试验测得基本指标如下：天然密度=1.67g/cm3，含水率w=12.9%， 土粒比重G S =2.67，试求其它指标。 解法一：利用书中公式求解 解法二：绘制三相草图，假设V s =1.0 解法三：绘制三相草图，假设V=1.0 计算结果 33 3 /k3.9',/k8.14 ,/k3.19,43.0%,4.44,8.0 mNmN mNSne d satr 备注 采用设问法，比较不同含水率下密度。 黑板板书，结合路基填筑及检测的现场经验，讲解最大干密度、最优含水率、压实度和 “橡皮土”等概念及土的压实原理，注意启发学生思考问题。 该例题是本节 所讲内容的综 合，讲解时采用 设问的方法启 发学生的解题 思路。注意比较 三种方法的难 易程度。给出答 案，课后学生自 己完善解题过 程。 §1.6土 的物理状 态及其有 关指标 土的物理状 态主要指：土 的松、密（对 无粘性土）和 0.1 s V 0.1V 第一章土的物理性质 12 软、硬（粘性土） 一、无粘性土(cohesionlesssoil)的密实程度 评价指标：相对密实度D r 、标准贯入锤击数N 63.5 。 1．相对密度D r (relativedensity) D r = minmax max ee ee 式中e max 、e min —土的最大、最小孔隙比，相对于最松、最密状态。 e—土的天然状态孔隙比。 D r =0~1。 表1.2铁路桥规按Dr划分砂土密实程度 密实程度极松稍松中密密实 相对密度Dr 5 1 3 1 ~ 5 1 3 2 ~ 3 1 3 2 评价：相对密度的概念比较合理，但试验困难。 2．标准贯入试验 5.63 N 63.5kg的穿心锤，以760mm的落距，将标准贯入器打入土中，记录打入 300mm所需的锤击数。根据实测平均的N 63.5 值来划分砂土的密实程度。 评价：现场操作方便，需修正。 二、粘性土的稠度和可塑性 1.稠度指粘性土在不同含水率时呈现的不同软硬程度。 在不同含水率下，粘性土表现为不同稠度状态：干硬（固态）、半干硬（半 固态）、可塑状态、液态。 2.稠度界限(consistencylimit) 备注 设问法引出土 的松、密、软、 硬状态 结合工程现场， 将Dr和N63.5 在工程中的应 用。 设问法引导学 生了解粘性土 的不同稠度状 第一章土的物理性质 13 态。 图1.9土的稠度界限 （1）塑限w p (plasticlimit)和液限w L (liquidlimit)的测定 （2）塑性指数 P I(plasticityindex)和液性指数 L I(liquidityindex) ①塑性指数 P I PLP wwI 注意：塑性指数在国外常用百分率表示，在国内用百分数的分子表示。 塑性指数常作为细粒土工程分类的依据。 ②液性指数 L I P P PL P LI I a.用来判别粘性土的软硬状态. 流动 可塑 半干硬或干硬 1 1~0 0 L I 确定土的稠度状态 确定地基的承载力 应用.b 备注 采用比喻的方 法加深学生的 理解：对于粘性 土，塑性指数是 不变的，液性指 数是可变化的。 塑性指数如同 第一章土的物理性质 14 你的姓，将你划归了哪一家就不变了。液性指数如同你的年龄，是“状态”的描述。 §1.8土的膨胀、收缩及冻胀（自学） 1.土的膨胀和收缩 粘性土可能吸水膨胀，也可能失水（干燥）收缩（非粘性土无此特点）， 如果收缩和膨胀十分强烈，就会引起建筑物因地基强度降低和不均匀变形而 破坏、土坡崩裂、路面开裂、挡土结构破坏。 粘性土的膨胀性和收缩性在减少，它原来承受的压力或增加外界压力的 情况下也会由类似的表现。 2.土的冻胀(frostheave) 土中水受冻结时，使体积有不同程度的膨胀，称为冻胀。 较强的冻胀会使地面明显隆起，春夏温度高，冻结土融化；使土层变得 稀软。冻胀和融化是不均匀的，故可能造成建筑物的严重破坏。 据黑龙江地区铁路桥梁冻害调查统计资料，不少桥梁遭受冻害，冻起高 度一般大于50米，有的桥墩身被拔断。 §1.9土（岩）的工程分类 我国目前应用较广的分类方法是先将土（岩）分成五大类：岩石、碎石 （类）土、砂（类）土、粘性土（或细粒土）、特殊土。 1.岩石 指被地质界面（如:面层、节理、破碎带等）分割的岩体的块体。 （一）根据强度分类 根据风化程度、节理发育程度分类分级 2.碎石类土 粒径大于2mm的颗粒质量超过总质量50%的土。 3.砂（类）土 粒径大于2mm的颗粒质量不超过总质量50%，且粒径大于0.075mm的颗粒 质量超过总质量的50%的土。 4.粉土 若土的塑性 指数小于或 等于10，且粒 径大于 0.075mm的 颗粒质量不 超过总质量 的50％，则该 土属于粉土。 5.粘性土 （细粒 土） 比砂类土更 细小，I P >3 但工民建规 范把粘性土 限于I P >10的 细粒土，而把 塑性指数小 于等于10的 细粒土称为 粉土。 工民建规范： 粉土 (I P <10)、粉 质粘土 (10 P <17)、 粘土(I P >17) 备注 第一章土的物理性质 15 结合工程实践介绍具体的分类方法。 6.特殊土(specialsoil) （1）黄土(loess) 老黄土：大孔结构退化，土质密实，无湿陷性） 新黄土：大孔发育，有湿陷性） （2）软土(softsoil) 天然含水率大于液限，天然孔隙比大于或等于1的细粒土。 （3）冻土(frozensoil) 分季节性冻土和多年冻土 （4）膨胀土(expansivesoil) （5）红粘土(laterite) （6）盐渍土(salinesoil) （7）人工填土(artificialfill) 图1.9土的 工程分类 备注 第一章土的物理性质 16 对土的分类进行归纳总结。