土的物理性质水理性质和力学性质.docx
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1、其次章 土的物理性质、水理性质和力学性质第一节 土的物理性质土是土粒固体相,水液体相和空气气体相三者所组成的;土的物理性质就是争论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。土的物理性质指标,可分为两类:一类是必需通过试验测定的, 如含水量,密度和土粒比重;另一类是可以依据试验测定的指标换算的;如孔隙比,孔隙率和饱和度等。一、土的根本物理性质土的三相图见教材P62 图一土粒密度(particle density)10土粒密度是指固体颗粒的质量 ms与其体积 Vs 之比;即土粒的单位体积质量:mr=ssVg/cm3s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
2、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/cm3 左右粉质砂土的土粒密度一般为:2.68g/cm3粉质粘土的土粒密度一般为:2.682.72g/cm3 粘土的土粒密度一般为:2.7-2.75g/cm3土粒密度是实测指标。二土的密度(soil density)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。其中:V=Vs+Vv;m=m +msw按孔隙中充水程度不同,有自然密度,干密度,饱和密度之分。1自然密度湿密度(density)自然状态下土的密度称自然密度,以下式表示:mm+ mg/cm3r = V =swV+ Vsv土的密
3、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构造特征。砂土一般是.4 g/cm3粉质砂土及粉质粘土.4 g/cm3粘土为.4 g/cm3泥炭沼泽土:.4 g/cm3土的密度可在室内及野外现场直接测定。室内一般承受“环刀法” 测定,称得环刀内土样质量,求得环刀容积;两者之比值。 2干密度dry density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。=srmg/cm3dV干密度反映了土的孔隙生,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 1.4
4、1.7 g/cm3在工程上常把干密度作为评定土体严密程度的标准,以把握填土工程的施工质量。3饱和密度saturatio density土的孔隙完全被水布满时的密度称为饱和密度。即,土的孔隙中全部布满液态水时的单位体积质量,可用下式表示:rsatm+ V rg/cm3=svwV式中: rw:水的密度工程计算中可取 1 g/cm3土的饱和密度的常见值为 1.82.30 g/cm3此外:1浮密度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,即ssw=(m -v )/V 或r” = r- rsatw由此可见: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:r r r r r”ssa
5、td2容重:单位体积的重量三土的含水性土的含水性指土中含水状况,说明土的干湿程度。1. 含水率含水量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,即 w =mw 100% =m - ms100%mmss土的含水率也可用土的密度与干密度计算得到:r - rw =rss 100%室内测定:一般用“洪干法”,先称小块原状土样的湿土质量, 然后置于烘箱内维持 100105 摄氏度烘至恒重,再称干土质量,湿、干土质量之差与干土质量的比值就是土的含水量。自然状态下土的含水率称土的自然含水率。一般砂土自然含水率都不超过 40%,以1030%最为常见;一般粘土大多在1080%之间, 常见值 205
6、0%。土的孔隙全部被一般液态水布满时的含水率称饱和含水率V rwsat= vw 100%msr水的密度,又称饱和水容度。w饱和含水率又称饱和水密度,它既反映了水中孔隙布满一般液态水时的含水特性,又反映了孔隙的大小。土的含水率又可分为体积含水率与引用体积含水率:体积含水率n :为土中水的体积与体积之比。wn= V100%wwV引用体积含水率e:为土中水的体积与土粒体积之比。we= V100%wwV2. 饱和度degree of saturation定义为:土中孔隙水的体积与孔隙体积之比,以百分数表示,即:s= v100%wrvv或自然含水率与饱和含水率之比:wws=100%rsat饱和度愈大,说
7、明土中孔隙中充水愈多,它在 0100%;枯燥时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% 饱和的工程争论中,一般将Sr 大于 95%的自然粘性土视为完全饱和土; 而砂土Sr 大于 80%时就认为已到达饱和了。四土的孔隙性孔隙性指土中孔隙的大小,数量、外形、性质以及连通状况。1. 孔隙率porosity与孔隙比(void ratio)孔隙率n: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,即:n = Vv 100%V孔隙比:定义为土中孔隙体积与土粒体积之比,以小数表示,即:Ve = vVs孔隙比和孔隙率度都是用以表示孔隙体
8、积含量的概念。两者有如下关系:enn =或e =1 + e1 - n土的孔隙比或孔隙度都可用来表示同一种土的松,密程度。它随土形成过程中所受的压力、粒径级配和颗粒排列的状况而变化。一般说:粗粒土的孔隙度小,细粒土的孔隙度大。孔隙比e 是个重要的物理性指标,可以用来评价自然土层的密实程度。一般 e1.0 的土是疏松的无压缩性土饱和含水率是用质量比率来反映土的孔隙性构造指标的,它与孔隙率和孔隙比,有如下关系:n = w rdsatre = wsatwr r sw2. 砂土的相对密度对于砂土,孔隙比有最大值与最小值,即最松散状态和最严密状态的孔隙比。e:一般承受“振击法”测定;mine:一般用“松砂
9、器法”测定。max砂土的松密程度还可以用相对密度来评价:e- eD=maxremax- enin式中: eemax:最大孔隙比。:最小孔隙比。mine:自然孔隙比。砂土按相对密度分类:0 Dr 0.33疏松的0.33 Dr 0.66中密的0.66 Dr 1密实的通常砂土的相对密度的有用表达式为:Dr =(r(rd- rrd min)rd)mrax-d maxd mind由于最大或最小干密度可直接求得。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。例题:某自然砂层,密度为 1.47g/cm3,含水量 13%,由试验求得该砂土的最小干密度为 1.
10、20g/cm3;最大干密度为 1.66 g/cm3;问该砂层处于哪种状态?解: r = 1.47w = 13%r= 1.20g / c m 3r= 1.66g/cm3d mind max由公式: r =r1 + w得r= 1.30g/cm3d(r- r)r(1.30 -1.20)1.66Dr =(rdd maxd minr-d mind)mraxd= (1.66-1.20)1.30= 0.28D= 0.28 0.33r该砂层处于疏松状态。五根本物理性质指标间的相互关系1、孔隙比与孔隙率的关系设土体内土粒体积 Vs =1 , 则孔隙体积 V= e , 土体体积vV = V+ V= 1 + e,于
11、是,由n = V=或e =nvesvV1 + e1 - n2、干密度与湿密度和含水量的关系设土体体积V=1,则土体内土粒质量m= r,水的质量:m= wrsdwd于是由: r =mm+ mr=sw =(1 + w)VVdr=rd1 + w3、孔隙比与比重和干密度的关系设土体内土粒体积 Vs = 1 ,则孔隙体积V= e ,土粒质量 m= r ,vss于是:由r =m得:sVr=rsd1 + ere = r s - 1dswe = G r-1rd4、饱和度与含水量,比重和孔隙比的关系设土体内土粒体积 Vs=1,则孔隙体积Vv = e ,土粒质量ms = rs ,孔隙水质量mw= wrs孔隙水体积
12、:Vwwr= r swwrs由: S= Vw 得SrwrwG=w=s =srVrveerew当S= 100% 时,土饱和,则:re = w Gms式中: wm饱和含水量,Gs:土粒比重。常见的物理性质指标及相互关系换算公式见教材P69 表 5-5例题:某原状土样,经试验测得自然密度 r = 1.67 g / cm3 含水量w=12。9%,土粒比重Gs=2.67,求孔隙比e,孔隙度n 和饱和度Sr。解:绘三相草图(1) 设土的体积V=1.0cm3依据密度定义得: m = r V = 1.67 1 = 1.67 g(2) 依据含水量定义得: mw= wms= 0.129ms从三相图可知: m =
13、ma+ m+ mws m= 0am+ mws= m ,即0.129m+ mss1.67= 1.67 ms = 1.129= 1.18gm= 1.67 - 1.48 = 0.19gw3依据土粒比重定义:土粒的质量与同体积纯蒸馏水在4 摄氏mr度时质量之比,即G=( s)=ss G= 2.67r= 1swVr 4度rswwr= 2.67 1 = 2.67g / cm3m ssVs = r1.48= 2.67= 0.554cm34Vwsm=wrw0.190=1.0= 0.190cm3(5) 从三相可知V = Va+ V+ VwS= 1cm3或V= 1 - V- Vaws= 1 - 0.554 - 0
14、.190 = 0.256cm3V= V - Vvs= 1 - 0.554 = 0.446(6) 依据孔隙比定义: e = Vv 得Ve = Va + VwVss= 0.256 + 0.19 = 0.805 0.554(7) 依据孔隙度定义: n = Vv 得VV- V0.256 + 0.19n = aw = 0.446 = 44.6%V1或n =e0.805= 0.446 = 44.6%1 + e1 + 0.8058依据饱和度定义: Sr= Vw 得VvV0.19S=w= 0.426 = 42.6%rV+ Vaw0.256 + 0.19例题薄壁取样器实行的土样,测出其体积V 与重量分别为38.
15、4cm3 和 67.21g,把土样放入烘箱烘干,并在烘箱内冷却到室温后,测得重量为 49.35g。试求土样的r 自然密度,r干密度,w含d水量,e孔隙比,n孔隙率,饱和度。 Gs= 2.69 解:r = m = ms + mw= 67.21 = 1.750g / cm3VV+ Vsv38.40m r=sm - m=v= 49.35 = 1.285g / cm3dVV38.40 w =mm - mw 100% =s= 67.21 - 49.35 100% = 36.19%mm49.35ss e = Grrw - 1 =sd2.69 1 1.285-1 = 1.093 n =e=1.093100%
16、 = 52.22%1 + e1 + 1.093 S=w Gs= 36.19 2.69 = 89.07%re1.093其次节 土的水理性质一、粘性土的稠度consistency和塑性(plasticity)一稠度与液性指数粘性土的物理状态常以稠度来表示。稠度的涵义是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。粘性土的稠度,可以打算粘性土的力学性质及其在建筑物作用下的性状。在土质学中,常承受以下稠度状态来区分粘性土在各种不同温度条件下所具备的物理状态。粘性土的标准稠度及其特征标准温度或稠稠度状态稠度的特征度界限液流状呈薄层流淌液体粘流状触变状呈厚层流淌状触变界限具有塑体的性质,并粘
17、着其粘塑状液限 Wc塑体他物体粘着性界限状具有塑体的性质,但不粘着稠塑状塑限 Wp其他物体收缩界限 Ws失掉塑体性质,具有半固体固体半固体状性质状固体状具有固体性质相邻两稠度状态,既相互区分又是渐渐过渡的,稠度状态之间的转变界限叫稠度界限,用含水量表示,称界限含水量。在稠度的各界限值中,塑性上限 Wl和塑性下限Wp的实际意义最大。它们是区分三大稠度状态的具体界限,简称液限和塑限。土所处的稠度状态,一般用液性指数I 即稠度指标B来表示LW - WI=pLW- Wcp式中:W自然含水量Wl液限含水量Wp塑限含水量按液性指数I 粘性土的物理状态可分为:L坚硬: I 0软塑: 0.75 I 1LL硬塑
18、: 0 1LL可塑: I 0.75L在稠度变化中,土的体积随含水量的降低而渐渐收缩变小,到确定值时,尽管含水量再降低,而体积却不再缩小,其变化过程见教材图所示。二塑性和塑性指数plasticity index塑性的根本特征:1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。2外力除去后,物体能保持变形后的形态,而不恢复原状。有的物体是在确定的温度条件下具有塑性;有的物体在确定的压力条件下具有塑性;而粘性土则是在确定的湿度条件下具有塑性粘性土具有塑性,砂土没有塑性,故粘性土又称塑性土,砂土称非塑性土。在岩土工程中常用二个界限含水量又称 Atterberg 界限,瑞典土壤学家,1
19、911 年表示粘性土的塑性。(1) 、塑性下限或称塑限:是半固态和塑态的界限含水量,它是使土颗粒相对位移而土体整体性不破坏的最低含水量。(2) 、塑性上限或称液限:即塑态与流态的界限含水量,也即是强结合水加弱结合水的含量。二个界限含水量的差值为塑性指数(plasticity index),即:Ip=WlWp塑性指数表示粘性土具有可塑性的含水量变化范围,以百分数表示。塑性指数数值愈大,土的塑性愈强,土中粘粒含量越多。例题:从某地基取原状土样,测的土的液限为 37.4%,塑限为23.0%,自然含水量为 26.0%,问地基土处于何种状态?解: : wc= 37.4%wp= 23.0%w = 16.0
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