工程地质及土力学—土的物理性质及渗透性(新版).pptx
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1、工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性 2015年11月工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性目目目目 录录录录 4.1 土的三相组成与结构 4.2 土的三相物理性质指标及换算 4.5 渗流的工程问题 4.3 土的物理状态 4.4 土的渗透性 4.6 地基土的工程分类工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性土土 的的 形形 成成土土岩石岩石风化、搬运、沉积风化、搬运、沉积地质成岩作用地质成岩作用土的组成、结构土的组成、结构和物理力学性质和物理力学性质过程、条件过程、条件4.1土的三相组成与结构工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性土的形成与风化作用土的形成与风化作
2、用 物理风化物理风化 化学风化化学风化 生物活动生物活动岩石和土的粗颗粒受各种气岩石和土的粗颗粒受各种气候等物理因素的影响产生胀候等物理因素的影响产生胀缩而发生裂缝缩而发生裂缝,或在运动过或在运动过程中因碰撞和摩擦而破碎程中因碰撞和摩擦而破碎是颗粒大小发生量的变化是颗粒大小发生量的变化矿物成分与母岩相同,称原矿物成分与母岩相同,称原生矿物生矿物产生无粘性土产生无粘性土工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性母岩表面和碎散的颗粒受环母岩表面和碎散的颗粒受环境因素的作用而改变其矿物境因素的作用而改变其矿物的化学成分,形成新的矿物的化学成分,形成新的矿物颗粒成分发生质的变化颗粒成分发生质的变化
3、矿物成分与母岩不同,称次矿物成分与母岩不同,称次生矿物生矿物形成十分细微的土颗粒,最形成十分细微的土颗粒,最主要为粘性颗粒及可溶盐类主要为粘性颗粒及可溶盐类土的形成与风化作用土的形成与风化作用 物理风化物理风化 化学风化化学风化 生物活动生物活动工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性包括植物、动物和土壤微包括植物、动物和土壤微生物的作用生物的作用可加剧物理和化学风化可加剧物理和化学风化构成土中有机质和营养物构成土中有机质和营养物质的生物循环质的生物循环导致腐殖质的形成,改变导致腐殖质的形成,改变土壤的结构土壤的结构土的形成与风化作用土的形成与风化作用 物理风化物理风化 化学风化化学风化
4、 生物活动生物活动工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性土中气体土中气体 气相气相 次要作用次要作用固体颗粒固体颗粒 固相固相 构成土体骨架构成土体骨架 起决定作用起决定作用土中水土中水 液相液相 重要影响重要影响土体的三相构成土体的三相构成饱和土饱和土 :土体孔隙完全被水充满:土体孔隙完全被水充满干干 土土 :土体孔隙完全被气充满:土体孔隙完全被气充满非饱和土:孔隙中水和气均存在非饱和土:孔隙中水和气均存在工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性固体颗粒固体颗粒 -颗粒大小颗粒大小 粒组粒组 按粗细进行分组,将粒径接近的归成一类按粗细进行分组,将粒径接近的归成一类 界限粒径界限
5、粒径d(mm)砾石砾石砂粒砂粒粉粒粉粒粘粒粘粒胶粒胶粒6020.0750.0050.0020.250.5520粗 中 细粗 中 细0.075粗粒粗粒细粒细粒粗粒土:以砾石和砂砾为主要组成的土,也称无粘性土。粗粒土:以砾石和砂砾为主要组成的土,也称无粘性土。细粒土:以粉粒、粘粒和胶粒为主要组成的土,也称粘性土。细粒土:以粉粒、粘粒和胶粒为主要组成的土,也称粘性土。巨粒巨粒604.1.14.1.1土的三相组成土的三相组成 固体颗粒固体颗粒 工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性固体颗粒固体颗粒 -粒径级配粒径级配F 粒径级配:粒径级配:各粒组的相对含量,用质量百分各粒组的相对含量,用质量百
6、分 数来表示数来表示F 分析方法:分析方法:筛分法:适用于粗粒土筛分法:适用于粗粒土 孔径大小不同的筛子孔径大小不同的筛子 水分法:适用于细粒土水分法:适用于细粒土 常采用比重计法常采用比重计法F 表述方法表述方法:粒径级配累积曲线粒径级配累积曲线1.2 1.2 土的三相组成土的三相组成 固体颗粒固体颗粒 工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性4.1.14.1.1土的三相组成土的三相组成 固体颗粒固体颗粒 固体颗粒固体颗粒 -粒径级配粒径级配孔径孔径105.02.01.00.50.250.1(0.075)200g土土筛余筛余0101618242238721009080706050403
7、020100小于某粒径之土质量百分数小于某粒径之土质量百分数P P()()105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径粒径(mm)(mm)P100958778665536土的粒径级配土的粒径级配累积曲线累积曲线水分法水分法粒径粒径(mm)(mm)0.050.050.010.010.0050.005百分数百分数P(%)P(%)262613.513.51010筛筛分分法法工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性1009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数()小于某粒径之土质量百分数()105.01.00.50.100.050.010.0050
8、.001粒径粒径(mm)(mm)土的粒径级配累积曲线土的粒径级配累积曲线固体颗粒固体颗粒 级配曲线级配曲线d60d50d10d30特征粒径特征粒径:斜率斜率:某粒径范围内颗某粒径范围内颗 粒的含量粒的含量 陡陡-相应粒组含量多相应粒组含量多 缓缓-相应粒组含量少相应粒组含量少 平台平台-相应粒组缺乏相应粒组缺乏d50:平均粒径平均粒径d60:控制粒径控制粒径d10:有效粒径有效粒径d304.1.14.1.1土的三相组成土的三相组成 固体颗粒固体颗粒 工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性4.1.14.1.1土的三相组成土的三相组成 固体颗粒固体颗粒 土的粗细度:土的粗细度:用用d50
9、表示表示土的不均匀程度:土的不均匀程度:用不用不均匀系数:均匀系数:Cu=d60/d10 表示,表示,Cu 5,称为不均,称为不均匀土,反之称为均匀土匀土,反之称为均匀土连续程度连续程度:用曲率系数用曲率系数 Cc=d302/(d60 d10)度量度量,Cc=13为连续级为连续级配配,33或或13 或或 Cc1为级配不连续为级配不连续土土F 不均匀系数不均匀系数Cu和曲率系数和曲率系数Cc 用于判定土的用于判定土的级配优劣级配优劣:Cu 5且且 Cc=13为级配为级配 良好的土;如果良好的土;如果Cu3 或或Cc1g/cm3 冰点处于零下几十度冰点处于零下几十度 完全不能移动,具有固体的特性完
10、全不能移动,具有固体的特性 温度略高于温度略高于100C时可蒸发时可蒸发-弱结合水:弱结合水:受电场引力作用,为粘滞水膜受电场引力作用,为粘滞水膜 外力作用下可以移动外力作用下可以移动 不因重力而流动,有粘滞性不因重力而流动,有粘滞性粘土粘土颗粒颗粒-+引力引力d水分子水分子阳离子阳离子强结合水强结合水弱结合水弱结合水自由水自由水土中水土中水 结合水结合水n结合水:结合水:受颗粒表面电场作用力受颗粒表面电场作用力吸引而包围在颗粒四周,不传递静水吸引而包围在颗粒四周,不传递静水压力,不能任意流动的水压力,不能任意流动的水工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性4.1.2 4.1.2 土的三
11、相组成土的三相组成 土中水土中水 -毛细水:毛细水:由于土体孔隙的毛细由于土体孔隙的毛细作用升至自由水面以上的水。作用升至自由水面以上的水。毛细水承受表面张力和重力的毛细水承受表面张力和重力的作用作用-重力水:重力水:自由水面以下的孔隙自由水面以下的孔隙自由水,在重力作用下可在土自由水,在重力作用下可在土中自由流动中自由流动土中水土中水 自由水自由水n自由水:自由水:不受颗粒电场引不受颗粒电场引力作用的孔隙水力作用的孔隙水hc毛细水毛细水重力水重力水工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性4.1.34.1.3土的三相组成土的三相组成 土中气土中气 气相气相 -土中气土中气F自由气体:自由
12、气体:与大气连通连通的气体与大气连通连通的气体对土的性质影响不大对土的性质影响不大F封闭气体:封闭气体:被土颗粒和水封闭的气体被土颗粒和水封闭的气体其体积与压力有关。会增加土的弹性;其体积与压力有关。会增加土的弹性;阻塞渗流通道,降低渗透性阻塞渗流通道,降低渗透性F溶解在水中的气体溶解在水中的气体F吸附于土颗粒表面的气体吸附于土颗粒表面的气体工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性原原状状土土和和重重塑土的强度塑土的强度沉沉积积或或碾碾压压土土的的各各向向异异性性土的结构土的结构土土的的结结构构是是指指土土粒粒的的原原位位集集合合体体特特征征,是是由由土土粒粒单单元元的的大大小小、形状、
13、相互排列及其联结关系等因素形成的综合特征。形状、相互排列及其联结关系等因素形成的综合特征。土颗粒或粒团的空间土颗粒或粒团的空间排列和相互联结。排列和相互联结。土体土体的性质的性质单粒结构单粒结构蜂窝结构蜂窝结构絮状结构絮状结构 土的结构土的结构4.1.44.1.4土的三相组成土的三相组成 土的结构土的结构工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性F 粗粗颗颗粒粒土土在在水水中中或或空空气气中中下下沉沉而而成成的的,是是碎碎石石土土和和砂砂类类土土的的结构特征。结构特征。w 单粒结构单粒结构F 特点特点:土粒间的分子吸引力很小,颗粒几乎没有联结。:土粒间的分子吸引力很小,颗粒几乎没有联结。F
14、 粒粒间间作作用用力力:重重力力起起决决定定性性的的作作用用。在在非非饱饱和和土土中中,还还受受到毛细力的作用。到毛细力的作用。F 排列形式排列形式:点与点、点与面:点与点、点与面工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性w 蜂窝结构蜂窝结构F 当当土土颗颗粒粒较较细细,在在水水中中单单个个下下沉沉,碰碰到到已已沉沉积积的的土土粒粒,由由于于土土粒粒之之间间的的分分子子吸吸力力大大于于颗颗粒粒自自重重,则则土土粒粒被被吸吸引引不不再再下下沉沉,逐逐渐渐形形成成土土粒粒链链,土土粒粒链链组组成成弓弓架架结结构构,形形成成很很大大孔孔隙隙的的蜂蜂窝窝状状结结构构。是是粉粒土的结构形式。粉粒土的
15、结构形式。F 特特点点:孔孔隙隙大大,高高水水平平荷荷载载作作用用下下,结结构构破破坏坏,易易导致严重的地基沉降。导致严重的地基沉降。工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性w 絮状结构絮状结构F 粒粒径径小小于于0.005mm0.005mm的的黏黏土土颗颗粒粒,在在水水中中长长期期悬悬浮浮并并在在水水中中运运动动时时,形形成成小小链链环环状状的的土土集集粒粒而而下下沉沉。这这种种小小链链环环碰碰到到另另一一小小链链环环被被吸吸引引,形形成成大大链链环状的絮状结构。环状的絮状结构。F 特特点点:不不稳稳定定的的,随随溶溶液液性性质质的的改变或受到震荡后可重新分散。改变或受到震荡后可重新分
16、散。工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性4.2土的三相物理性质指标及换算物理性质指标物理性质指标土的三个组成相的体积土的三个组成相的体积和质量上的比例关系和质量上的比例关系密实程度密实程度干湿程度干湿程度 特点特点:指标概念简单,数量很多指标概念简单,数量很多 要点:要点:名称、概念或定义、符号、表达式、名称、概念或定义、符号、表达式、单位或量纲、常见值或范围、联系与区别单位或量纲、常见值或范围、联系与区别 基本方法基本方法:定义定义三相草图法三相草图法工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性4.2.1土的三相物理性质指标空气空气 Air三三 相相 草草 图图水水 Water固
17、体固体 Solidma=0mwmsm质量质量VaVwVsVvV体积体积工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性三三 相相 草草 图图九个物理量九个物理量:V Vv Vs Va Vw ms m w ma m物性指标是比物性指标是比例关系例关系:可假设可假设任一参数为任一参数为1物理量关系物理量关系:空气空气水水固体固体ma=0mwmsm质量质量VaVwVsVvV体积体积三个独立变量,三个独立变量,干土或饱和土二干土或饱和土二个独立变量个独立变量其它指标:其它指标:三相草图法计算三相草图法计算实验室实验室测定测定工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性基本物理性质试验基本物理性质试验为
18、了确定三相草图诸量中的三个量,通为了确定三相草图诸量中的三个量,通常进行三个基本的物理性质试验:常进行三个基本的物理性质试验:F 土的密度试验土的密度试验F 土粒比重试验土粒比重试验F 土的含水量试验土的含水量试验工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性定义:土单位体积的质量定义:土单位体积的质量表达式:表达式:单单 位位:kg/m3 或或 g/cm3一般范围一般范围:1.602.20 g/cm3n 土的密度土的密度 空气空气水水固体固体ma=0mwmsm质量质量VaVwVsVvV体积体积 相关指标相关指标:土的容重土的容重 =g 单位单位:kN/m3 工程上更常用工程上更常用,用于计算
19、土的用于计算土的自重应力自重应力基本试验指标基本试验指标-土的密度土的密度工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性定义:土粒的密度与定义:土粒的密度与4C时时纯蒸馏水密度的比值纯蒸馏水密度的比值表达式:表达式:单单 位位:无量纲无量纲一般范围:粘性土一般范围:粘性土 2.702.75,砂土砂土 2.65n 土粒比重土粒比重ds基本试验指标基本试验指标-土粒比重土粒比重=1.0 g/cm3土粒比重在数值上土粒比重在数值上等于土粒的密度等于土粒的密度空气空气水水固体固体ma=0mwmsm质量质量VaVwVsVvV体积体积工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性基本试验指标基本试验指标-
20、含水量含水量 定义:土中水的质量与土粒质定义:土中水的质量与土粒质 量之比,用百分数表示量之比,用百分数表示表达式:表达式:单单 位位:无量纲无量纲一般范围:变化范围大一般范围:变化范围大注意注意:其实是含水比其实是含水比,可达到或超过可达到或超过100100n 土的含水量土的含水量W空气空气水水固体固体ma=0mwmsm质量质量VaVwVsVvV体积体积工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性换算指标n 可表示同一种土的松密,二者之间存在关系:可表示同一种土的松密,二者之间存在关系:表示土中孔隙含量的指标表示土中孔隙含量的指标砂类土:砂类土:28-35%粘性土:粘性土:30-50%,有
21、的可达,有的可达60-70%n孔隙比孔隙比e:土中孔隙体积与固土中孔隙体积与固体颗粒体积之比体颗粒体积之比,为无量纲为无量纲n孔隙率孔隙率(孔隙度孔隙度)n:土中孔隙体土中孔隙体积与总体积之比积与总体积之比,用百分数表示用百分数表示可用三相草图推出可用三相草图推出空气空气水水固体固体ma=0mwmsm质量质量VaVwVsVvV体积体积工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性表示土中含水程度的指标表示土中含水程度的指标对干土:对干土:Sr=0对饱和土:对饱和土:Sr=1 n饱和度:饱和度:土中水的体积与孔土中水的体积与孔隙体积的比值隙体积的比值饱和度表示孔隙中充满水的饱和度表示孔隙中充满水
22、的程度:程度:空气空气水水固体固体ma=0mwmsm质量质量VaVwVsVvV体积体积工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性表示土体密度和容重的指标表示土体密度和容重的指标n干密度:干密度:土被烘干时的密度,土被烘干时的密度,干容重:干容重:n天然密度天然密度 天然容重天然容重n饱和密度:饱和密度:土被饱和时的密度,土被饱和时的密度,饱和容重:饱和容重:n浮容重:浮容重:静水下的静水下的有效容重有效容重空气空气水水固体固体ma=0mwmsm质量质量VaVwVsVvV体积体积工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性各种密度容重间的大小关系各种密度容重间的大小关系n天然密度天然密度n
23、干密度干密度n饱和密度饱和密度n天然容重天然容重n干容重干容重n饱和容重饱和容重n浮容重浮容重空气空气水水固体固体ma=0mwmsm质量质量VaVwVsVvV体积体积工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性步骤步骤:首先绘出三相草图;首先绘出三相草图;明确所求指标的表达式或定义;明确所求指标的表达式或定义;作假设以减少未知量作假设以减少未知量,求解。,求解。4.2.2物理性质指标之间的换算空气空气水水固体固体ma=0mwmsm质量质量VaVwVsVvV体积体积工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性例如例如设:设:工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性推求推求工程地质及土力
24、学 第四章 土的物理性质及渗透性土的物理状态指标土的物理状态指标土的物理状态土的物理状态粗粒土的松密程度粗粒土的松密程度粘性土的软硬状态粘性土的软硬状态土的物理性质指标土的物理性质指标(三相间的比例关系三相间的比例关系)表表示示影响影响力学特性力学特性密实度密实度稠度稠度4.3土的物理状态工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性4.3.1无粘性土的密实度粗粒土的密实状态粗粒土的密实状态n 密实度:密实度:通常指单位体积中固体颗粒含量的多少通常指单位体积中固体颗粒含量的多少简单方便,但只能用于同一种简单方便,但只能用于同一种土,不能反映级配的影响土,不能反映级配的影响 l 物理性质指标物理
25、性质指标:孔隙比:孔隙比e e(孔隙率(孔隙率n n)干容重干容重 d demin=0.35emin=0.20l 相对密实度相对密实度:e emaxmax与与e emin min:最大与最小孔隙比:最大与最小孔隙比工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性F最大孔隙比最大孔隙比e emaxmax:将松散的风干土样通过长颈漏将松散的风干土样通过长颈漏斗轻轻地倒入容器,避免重力冲击,求得土的斗轻轻地倒入容器,避免重力冲击,求得土的最小干密度再经换算得到最大孔隙比最小干密度再经换算得到最大孔隙比F最小孔隙比最小孔隙比emin:将松散的风干土样装入金属容将松散的风干土样装入金属容器内,按规定方法振
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