土的物理性質(zhì)和工程分類剖析

1、學(xué)習(xí)要求 了解土的成因和三相組成，掌握土的物理性質(zhì)和物理狀態(tài)指標(biāo)的定義、物理概念、計(jì)算公式和單位。要求熟練地掌握物理指標(biāo)的三相換算。了解地基土的工程分類依據(jù)與準(zhǔn)確定名。基本內(nèi)容 ◆土的三相組成 ◆土的三相比例指標(biāo) ◆土的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造 ◇粘性土的界限含水量 ◇砂土的密實(shí)度 ◇土的工程分類,土的物理性質(zhì)和工程分類,土的三相組成…1,土是由固相、液相、氣相組成的三相分

2、散系。 固相——包括多種礦物成分組成土的骨架，骨架間的空隙為液相和氣相填滿，這些空隙是相互連通的，形成多孔介質(zhì)； 液相——主要是水(溶解有少量的可溶鹽類)； 氣相——主要是空氣、水蒸氣，有時(shí)還有沼氣等。,土的三相組成…2,土體三相比例不同，土的狀態(tài)和工程性質(zhì)也隨之各異，例如： 固體+氣體（液體=0）為干土，此時(shí)粘土呈堅(jiān)硬狀態(tài)

3、 砂土呈松散狀態(tài)； 固體+液體+氣體為濕土，此時(shí)粘土多為可塑狀態(tài)； 固體+液體（氣體=0）為飽和土，此時(shí)粉細(xì)砂或粉土遇強(qiáng)烈地震，可能 產(chǎn)生液化，而使工程遭受破壞；

4、 粘土地基受建筑物荷載作用發(fā)生沉降 需幾十年才能穩(wěn)定。,什么是液化？,土的三相組成…3,如果飽和疏松的土是由細(xì)砂粒或粉砂粒所組成，在強(qiáng)烈的振動(dòng)作用下，土的結(jié)構(gòu)會(huì)突然破壞變成流動(dòng)狀

5、態(tài)，引起所謂“砂土液化”現(xiàn)象，使地基失去承載力，在地震區(qū)將會(huì)引起震害。 1964年6月16日，日本新瀉發(fā)生里氏7.5級(jí)地震后，因地基土發(fā)生液化所造成的破壞。,倒了，但結(jié)構(gòu)未破壞,土的三相組成…4,土的形成 自然界的土是由巖石經(jīng)風(fēng)化、搬運(yùn)、堆積而形成的。 “土”一詞在不同的學(xué)科領(lǐng)域有其不同的涵義。就土木工程領(lǐng)域而言，土是指覆蓋在地表的沒有膠結(jié)和弱膠結(jié)的顆粒堆積物。土與巖石的區(qū)分僅在

6、于顆粒間膠結(jié)的強(qiáng)弱。 物理風(fēng)化——指巖石經(jīng)受風(fēng)、霜、雨、雪的侵蝕，溫度濕度的變化、不均勻膨脹與收縮，使巖石產(chǎn)生裂隙，崩解為碎塊。這種風(fēng)化僅改變顆粒大小與形狀，不改變?cè)瓉淼V物成分。生成的土呈松散狀態(tài)，無粘性土。 化學(xué)風(fēng)化——指巖石碎屑與空氣、水和各種水溶液相接觸，經(jīng)氧化、碳化和水化作用，改變?cè)瓉淼V物成分，形成新的礦物(次生礦物)。生成的土為細(xì)粒土，粘性土。 生物風(fēng)化——由動(dòng)物、植物

7、和人類對(duì)巖體的破壞稱生物風(fēng)化。,土的三相組成…5,土的三相組成…6,土的固體顆粒 土是巖石風(fēng)化的產(chǎn)物。因此土粒的礦物組成將取決于成土母巖的礦物組成及其后的風(fēng)化作用。成土礦物可分為兩大類：原生礦物 次生礦物 ◇由巖石經(jīng)物理風(fēng)化生成的 ◇由原生礦物經(jīng)化學(xué)風(fēng)化生成的新礦物 ◇顆粒成分與母巖的相同 ◇它的成分成分與母巖的完全不同 ◇常見的有石英、長(zhǎng)石和云母 ◇有高嶺

8、石、伊利石和蒙脫石粘土礦物 ◇顆粒較粗，多呈渾圓形狀 ◇顆粒極細(xì)，且多呈片狀 ◇吸附水的能力弱，無塑性 ◇性質(zhì)活潑，吸附水能力強(qiáng)，具塑性水溶鹽 可溶性次生礦物。常見的有巖鹽、鉀鹽、石膏、方解石，硫酸鹽類還對(duì)金屬和混凝土有一定的腐蝕作用。有機(jī)質(zhì) 動(dòng)植物分解后的殘骸，稱為腐殖質(zhì)。其顆粒極細(xì)，粒徑小于0.1m，呈凝膠狀，帶有電荷，具極強(qiáng)的吸附性。,土的三相組成…7,土的三相組成…8,土的顆粒

9、級(jí)配 1.土顆粒的大小直接決定土的性質(zhì)； 2.粒徑——顆粒直徑大小，界限粒徑——?jiǎng)澐至＝M的分界尺寸。 3.粒組——將粒徑大小接近、礦物成分和性質(zhì)相似的土粒歸并為若干組別即稱為粒組。 4.顆粒級(jí)配——土粒的大小及組成情況，通常以土中各個(gè)粒組的相對(duì)含量來表示，稱為土的顆粒級(jí)配。級(jí)配的測(cè)定方法 篩分法(>0.075mm)

10、 比重計(jì)法(<0.075mm),土的三相組成…9,粒度成分表示法——表格法(教材p5表1-2)粒度成分表示法——級(jí)配曲線(教材p6圖1-1) 顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果，繪制圖的粒徑級(jí)配曲線。用半對(duì)數(shù)坐標(biāo)繪制?？v坐標(biāo)表示小于某粒徑的土重占總土重的百分?jǐn)?shù)，橫坐標(biāo)用對(duì)數(shù)坐標(biāo)表示土的粒徑。 ①不均勻系數(shù)定義為（Cu） ②曲率系數(shù)定義為（Cc）式中，d

11、60—限定粒徑。當(dāng)小于某粒徑的土粒質(zhì)量累計(jì)百分?jǐn)?shù)為 60%時(shí)，相應(yīng)的粒徑稱為d60；d10—有效粒徑。當(dāng)小于某粒徑的土粒質(zhì)量累計(jì)百分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，相應(yīng)的粒徑稱為d10；d30—當(dāng)小于某粒徑的土粒質(zhì)量累計(jì)百分?jǐn)?shù)30%時(shí)的粒徑用d30表示。,土的三相組成…10,土的三相組成…11,不均勻系數(shù)Cu反映大小不同粒組的分布情況。 Cu越大表示土粒大小的分布范圍越大、其級(jí)配越良好，作為填方工程的土料時(shí)，則比較容易獲得較大的密實(shí)度。曲率系數(shù)

12、Cc描寫累積曲線的分布范圍，反映曲線的整體形狀。 曲線平緩，粒徑大小相差懸殊，土粒不均勻。顆粒級(jí)配可以在一定程度上反映土的某些性質(zhì)。對(duì)于級(jí)配良好（ Cu >10，且Cc =1~3)的土，較粗顆粒間的孔隙被較細(xì)的顆粒所填充，因而土的密實(shí)度較好，相應(yīng)的地基土的強(qiáng)度和穩(wěn)定性也較好．透水性和壓縮性也較小，可用作堤壩或其它土建工程的填方土料。 Cu <5的土稱為勻粒土，級(jí)配不良,土的三相組成…12,土粒的形狀

13、 土粒形狀對(duì)于土的密實(shí)度和土的強(qiáng)度有顯著的影響，棱角狀的顆粒能形成比較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度較高；磨圓度好的顆粒之間容易滑動(dòng)，土體的穩(wěn)定性比較差。描述土粒的形狀一般用肉眼觀察鑒別的方法。體積系數(shù) 形狀系數(shù)式中 V——土粒體積，mm3； dm——土粒的最大粒徑，mm。 A、B、C——分別為土

14、粒的最大、中間和最小粒徑。,土的三相組成…13,土中水 土中水處于不同位置和溫度條件下，可具有不同的物理狀態(tài)——固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)。液態(tài)水是土中孔隙水的主要存在狀態(tài)，因其受土粒表面雙電層影響程度的不同可分為結(jié)合水、毛細(xì)水、重力水。后兩者也稱為非結(jié)合水（自由水）。,土的三相組成…14,結(jié)合水 土顆粒表面帶有一定的電荷，當(dāng)土粒與水相接觸時(shí)，由于靜電作用力，將吸引水化離子和水分子，形成雙電層，在雙電層影響下的水膜稱為表面

15、結(jié)合水。雙電層的厚薄也反映了結(jié)合水的厚薄，結(jié)合水具有與一般自由水不同的性質(zhì)，其密度較大、粘滯度高、流動(dòng)性差、冰點(diǎn)低、比熱較大、介電常數(shù)較低。這種差異隨距離增加而減弱。自由水(非結(jié)合水) 在雙電層影響以外的水為自由液態(tài)水，它主要受重力作用的控制，土粒表面吸引力居次要地位，這部分水稱為非結(jié)合水，它包括毛細(xì)水和重力水。 ◇毛細(xì)水 毛細(xì)水是受到水與空氣交界面處表面張力作用的自由水。毛細(xì)現(xiàn)象是毛細(xì)管壁對(duì)水的

16、吸力和水的表面張力共同作用的結(jié)果。,土的三相組成…15,◇重力水 重力水是存在于地下水位以下的適水土層中的地下水。它是在重力或壓力差作用下運(yùn)動(dòng)的自由水，對(duì)土粒有浮力作用。重力水只受重力控制，不受土粒表面吸引力的影響。土中氣 土中的氣體：◇與大氣相通 壓縮性高 ◇與大氣隔絕 降低透水性 成分：◇一般空氣中成分 ◇微生物產(chǎn)生可燃?xì)怏w（H2S）,,

17、,,,顆粒通常是由一種或幾種原生礦物所組成，它的成分與母巖的相同，顆粒一般較粗，吸附水的能力弱，性質(zhì)比較穩(wěn)，無塑性。,化學(xué)風(fēng)化僅使巖 石產(chǎn)生質(zhì)的變化,原生礦物經(jīng)化學(xué)風(fēng)化生成的新礦物，它的成分與母巖的完全不同。顆粒極細(xì)，性質(zhì)活潑，有較強(qiáng)的吸附水能力，具塑性。,土的性質(zhì)隨土粒的粒徑的變化而發(fā)生變化,,土,,巖石,次生礦物,原生礦物,物理風(fēng)化僅使巖石產(chǎn)生量的變化,,,,,土的物理性質(zhì)指標(biāo)…1,土的三相比例指標(biāo)是其物理性質(zhì)的反映，但與其力學(xué)

18、性質(zhì)有內(nèi)在聯(lián)系，顯然固相成分的比例越高，其壓縮性越小，抗剪強(qiáng)度越大，承載力越高。 三相比例指標(biāo)反映了土的干燥與潮濕、疏松與緊密，是評(píng)價(jià)土的工程性質(zhì)的最基本的物理性質(zhì)指標(biāo)，也是工程地質(zhì)勘察報(bào)告中不可缺少的基本內(nèi)容。 三相比例指標(biāo)可分為兩種，一種是試驗(yàn)指標(biāo)（基本指標(biāo)）；另一種是換算指標(biāo)。,土的物理性質(zhì)指標(biāo)…2,反映土的松密程度的指標(biāo)有：土的孔隙比e、孔隙率n； 反映了土的含水程度的指標(biāo)有：含水量w

19、、飽和度Sr； 土的重度有：重度g、干重度gd 、飽和重度gsat 、浮重度g ′； 三項(xiàng)基本指標(biāo)有： 重度g 、比重ds、含水量w。土的重度 定義：?jiǎn)挝惑w積土的重量。 公式： 單位：kN/m3 換算公式： 范圍：16~22 測(cè)定方法：環(huán)刀法。,土的物理性質(zhì)指標(biāo)…3,土粒比重（相對(duì)密度） 定義：土粒重度與同體積4℃時(shí)純水的重度比值。 公式：

20、 單位：無量綱 換算公式： 范圍：,土的物理性質(zhì)指標(biāo)…4,含水量 定義：土中水的重量與土粒重量之比值。 公式： 單位：無，% 換算公式： 常見值：砂土w=（0~40)%；粘性土w=（20~60)% 意義：表示濕度的物理指標(biāo)，與土的種類，埋藏條件及其所處的自然地理環(huán)境等有關(guān)。 測(cè)定方法：烘干法。,土的物理性質(zhì)指標(biāo)…5,干重度

21、 定義：?jiǎn)挝惑w積土中固體顆粒的重量。 物理意義：表示水在孔隙中充滿的程度。 公式： 單位：kN/m3 范圍：13~18 換算公式：,土的物理性質(zhì)指標(biāo)…6,飽和重度 定義：土的孔隙中全部充滿水時(shí)單位體積土的重量。 公式： 單位：kN/m3 范圍：13~18 換算公式：,土的物理性質(zhì)指標(biāo)…7,浮重度(有效重度) 定義：地下水位以下，

22、土體受水的浮力作用時(shí)，扣除水的浮力后單位體積土的重量。 公式： 單位：kN/m3 范圍：8~13 換算公式：,土的物理性質(zhì)指標(biāo)…8,土的孔隙比 定義：土中孔隙體積與土粒體積之比。 公式： 單位：無量綱 換算公式： 范圍：粘性土和粉土:(0.4~1.2)；砂土: (0.3~0.9)。 ◇e1.0 高壓縮性土,土的物理性質(zhì)指標(biāo)

23、…9,孔隙率 定義：土中孔隙所占總體積之比，用百分?jǐn)?shù)表示。 物理意義：表示土中孔隙大小的程度。 公式： 單位：% 換算公式： 范圍：粘性土和粉土:(30~60);砂土: (25~45)。,土的物理性質(zhì)指標(biāo)…10,飽和度 定義：土中水的體積與孔隙體積之比，用%表示。 物理意義：表示水在孔隙中充滿的程度。 公式：

24、 范圍：0~1 工程應(yīng)用：飽和度可以反映土的干濕程度，砂土根據(jù)飽和度Sr的指標(biāo) 值分為稍濕、很濕與飽和三種濕度狀態(tài)，其劃分標(biāo)準(zhǔn)見下 表：,土的物理性質(zhì)指標(biāo)…11,幾種重度之間的內(nèi)在聯(lián)系,土的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造…1,土的結(jié)構(gòu) 1.定義：指土顆粒的大小、形狀、表面特征，相互排列及其聯(lián)結(jié)關(guān)系的綜合特征。 2.分類： 單粒結(jié)構(gòu)

25、 砂層，礫石層 蜂窩結(jié)構(gòu) 粉粒 絮狀結(jié)構(gòu) 粘粒 土的構(gòu)造(不考) 1.定義：指同一土層中成分和大小都相近的顆?；蝾w粒集合體相互關(guān)系的特征。 2.分類： 層狀構(gòu)造 分散構(gòu)造 砂，礫石，卵石

26、 裂隙構(gòu)造 粘性土 通常分散構(gòu)造的工程性質(zhì)最好，裂隙狀構(gòu)造中，因裂隙強(qiáng)度低、滲透性大，工程性質(zhì)差。,單粒結(jié)構(gòu),單粒結(jié)構(gòu)是由粗大土粒在水或空氣中下沉而形成的。因其顆粒較大、土粒間的分子吸引力相對(duì)很小，所以顆粒間幾乎沒有聯(lián)結(jié)，至于未充滿孔隙的水分只可能使其具有微弱的毛細(xì)水聯(lián)結(jié)。單粒結(jié)構(gòu)可以是疏松的，也可以是緊密的。 呈緊密狀單粒結(jié)構(gòu)的土，由于其土粒

27、排列緊密，在動(dòng)、靜荷載作用下部不會(huì)產(chǎn)生較大的沉降，所以強(qiáng)度較大，壓縮性較小，是較為良好的天然地基。 具有疏松單粒結(jié)構(gòu)的土，其骨架是不穩(wěn)定的，當(dāng)受到展動(dòng)及其他外力作用時(shí)、土粒易于發(fā)生移動(dòng)，土中孔隙劇烈減少。引起土的很大變形，因此，這種土層如未經(jīng)處理一般不宜作為建筑物的地基。→ “砂土液化”,土的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造…2,蜂窩結(jié)構(gòu),蜂窩結(jié)構(gòu)是主要由粉粒(0.075～0.005mm)組成的土的結(jié)構(gòu)形式。據(jù)研究，粒徑在0.075～0.00

28、5mm左右的土粒在水中沉積時(shí)，基本上是以單個(gè)土粒下沉，當(dāng)碰上已沉積的土粒時(shí)，由于它們之間的相互引力大于其重力，因此土粒就停留在最初的接觸點(diǎn)上不再下沉，形成具有很大孔隙的蜂窩狀結(jié)構(gòu)。,,土的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造…3,絮狀結(jié)構(gòu),絮狀結(jié)構(gòu)是由粘粒(<0.005mm)集合體組成的結(jié)構(gòu)形式。粘粒能夠在水中長(zhǎng)期懸浮，不因自重而下沉。當(dāng)這些懸浮在水中的粘粒被帶到電解質(zhì)濃度較大的環(huán)境中(如海水)粘粒凝聚成絮狀的集粒(粘粒集合體)而下沉，并相繼和已沉積的絮狀

29、集粒接觸，而形成類似蜂窩而孔隙很大的絮狀結(jié)構(gòu)(也稱二級(jí)蜂窩結(jié)構(gòu))。,,土的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造…4,具有蜂窩結(jié)構(gòu)和絮狀結(jié)構(gòu)的土，顆粒間存在大量微細(xì)孔隙，其壓縮性大、強(qiáng)度低、透水性弱。又因土粒之間的聯(lián)結(jié)較弱且不甚穩(wěn)定，在受擾力作用下(如施工擾動(dòng)影響)，土粒接觸點(diǎn)可能脫離，部分結(jié)構(gòu)遭受破壞，土的強(qiáng)度會(huì)迅速降低。 具有蜂窩結(jié)構(gòu)和絮狀結(jié)構(gòu)的土，其土粒之間的聯(lián)結(jié)力(結(jié)構(gòu)強(qiáng)度)往往由于長(zhǎng)期的壓密作用和膠結(jié)作用而得到加強(qiáng)。,土的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造…5,

30、粘性土結(jié)構(gòu)性的演示 　　 粘性土因受擾動(dòng)而原結(jié)構(gòu)被破壞后，其工程性質(zhì)通常會(huì)變差，強(qiáng)度將明顯下降。土中所示土樣在保持天然結(jié)構(gòu)時(shí)(原狀土)，其上承受了1.5kg的壓力，但當(dāng)結(jié)構(gòu)完全破壞而成為重塑土?xí)r，變?yōu)榭闪鲃?dòng)的泥漿。 基坑(槽)泡水 開挖基坑未設(shè)排水溝或擋水堤，地面水流入基坑，或在地下水位以下挖土，未采取降排水措施，將水位降至基底開挖面以下等原因。造成地基土被水浸泡，地基松軟，承載力降低

31、，地基下沉。,土的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造…6,層狀構(gòu)造 土粒在沉積過程中，由于不同階段沉積的物質(zhì)成分、顆粒大小或顏色不同，沿豎向呈層狀特征。,,淤泥夾粘土透鏡體,,粘土尖滅,,砂土夾粘土層,水平層理 交錯(cuò)層理,,土的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造…7,分散構(gòu)造 土層中各部分的土粒無明顯差別，分布均勻，各部分性質(zhì)亦接近。例如，各種經(jīng)過分選的砂、礫石