土的物理性質(zhì)及及工程分類(lèi).doc

土的物理性質(zhì)及及工程分類(lèi)土是由固體顆粒（又稱(chēng)固相）、水和氣體所組成，故稱(chēng)為三相系，土中顆粒的大小、成分及三相之間的比例關(guān)系，反映出土的不同性質(zhì)。第一節(jié) 土的生成與特性一、 土的生成土是地球表層巖石經(jīng)過(guò)風(fēng)化（主要有三種：1、物理風(fēng)化 巖石經(jīng)風(fēng)霜雨雪的侵蝕，溫度和濕度的變化，不均勻膨脹和收縮，使巖石產(chǎn)生裂隙，崩解為碎塊。這種風(fēng)化作用，只改變顆粒的大小和形狀，不改變礦物成分。2、化學(xué)風(fēng)化 巖石碎屑與水、氧氣、二氧化碳等物質(zhì)接觸，使巖石碎屑發(fā)生化學(xué)變化，改變了原來(lái)組成礦物的成分，產(chǎn)生一種新的成分-次生礦物，土的顆粒變得很細(xì)，具有黏結(jié)性。3、生物風(fēng)化 由動(dòng)物、植物和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)巖體的破壞。其礦物成分沒(méi)有變化。）、剝蝕、搬運(yùn)、沉積，形成的固體礦物顆粒、水和氣體的集合體。不同的風(fēng)化作用，形成不同性質(zhì)的土。二、 土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造,即物質(zhì)成分間的聯(lián)結(jié)特點(diǎn)、空間分布和變化規(guī)律反映了土物質(zhì)的存在形式。土的結(jié)構(gòu)指的是微觀(guān)結(jié)構(gòu)，而土的構(gòu)造是指整個(gè)土層空間構(gòu)成上特征的總和。（1） 土的結(jié)構(gòu)土的結(jié)構(gòu)是指土顆粒的大小、形狀、表面特征、相互排列及其聯(lián)結(jié)關(guān)系的綜合特征。一般有三種基本類(lèi)型：?jiǎn)瘟＝Y(jié)構(gòu)、蜂窩結(jié)構(gòu)和絮狀結(jié)構(gòu)。1、 單粒結(jié)構(gòu)單粒結(jié)構(gòu)是無(wú)黏性土的基本組成形式，由較粗的礫石、砂粒在重力作用下沉積形成。2、 蜂窩結(jié)構(gòu)當(dāng)土粒較細(xì)在水中單獨(dú)下沉，碰到已沉積的土粒，由于土粒之間的分子引力大于顆粒自重，則下沉土粒被吸引不再下沉，形成具有很大孔隙的蜂窩結(jié)構(gòu)。3、 絮狀結(jié)構(gòu)細(xì)粒土（小于0.005mm）在水中長(zhǎng)期處于懸浮狀態(tài)，摻入某些電解質(zhì)，凝聚成類(lèi)似（2） 土的構(gòu)造1、 層狀2、 分散、3、 裂隙4、 結(jié)核狀三、 土的常用指標(biāo)土的物理性指標(biāo)：含水率、比重、濕密度、干密度、飽和密度、浮密度、孔隙比、飽和度這九個(gè)指標(biāo)。其中前三個(gè)為試驗(yàn)指標(biāo)，后六個(gè)為計(jì)算指標(biāo)。土的物理狀態(tài)指標(biāo)：液限、塑限、縮限、塑性指數(shù)、液性指數(shù)和砂的相對(duì)密度等。前五個(gè)指標(biāo)描述的對(duì)象是細(xì)粒土，其中前四個(gè)指標(biāo)是土樣經(jīng)過(guò)擾動(dòng)后試驗(yàn)獲得的。土的塑性指標(biāo)越大，則黏粒含量越多。后一個(gè)指標(biāo)描述的對(duì)象是砂土，液性指數(shù)和砂的相對(duì)密度均用于評(píng)價(jià)天然土層的物理狀態(tài)。土的力學(xué)性指標(biāo)：壓縮系數(shù)、壓縮指數(shù)、固結(jié)系數(shù)、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)（凝聚力、內(nèi)摩擦角）、承載比、回彈模量、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度以及黃土濕陷性指標(biāo)、土的膨脹指標(biāo)、凍土特性指標(biāo)等。通?！皦嚎s”描述的是非飽和土體，“固結(jié)”描述的是飽和土體。常用土的水理性指標(biāo)：滲透系數(shù)、濕化崩解量、毛細(xì)管水上升高度等。此外，還有土中化學(xué)成分的測(cè)定指標(biāo)以及土中礦物成分的測(cè)定指標(biāo)等。四、 土的一般性術(shù)語(yǔ)含水率：土中水的質(zhì)量與土顆粒質(zhì)量的比值。 單位 %。密度：?jiǎn)挝惑w積的質(zhì)量。P 單位 g/cm3 kg/m3孔隙率：土的孔隙與土總體積的比值?？紫侗龋和恋目紫杜c固體顆粒體積的比值。土顆比重：土顆粒的質(zhì)量與4蒸餾水的質(zhì)量的比值，其在數(shù)值上與土粒的密度相同，只是意義不同。級(jí)配：土料按顆粒粗細(xì)的不同，將粒徑相似、工程性質(zhì)相近的顆粒劃分為若干個(gè)粒組，土中各粒組的相對(duì)含量，即為土顆粒的級(jí)配。它是以不均勻系數(shù)CU和曲率系數(shù)CC來(lái)評(píng)價(jià)構(gòu)成土的顆粒粒徑分布曲線(xiàn)狀態(tài)的一種概念。不均勻系數(shù)CU反映粒徑分布曲線(xiàn)上的土粒分布范圍，曲率系數(shù)CC反映粒徑分布曲線(xiàn)上的土粒分布形狀。級(jí)配是反映土顆粒幾何組成特征的重要指標(biāo)，它是描述土的最基本組成的指標(biāo)，是土的工程分類(lèi)、定名的主要依據(jù)之一。稠度界限：黏性土隨含水率的變化從一種狀態(tài)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)時(shí)的界限含水率。稠度通常表現(xiàn)出的感觀(guān)認(rèn)識(shí)是黏性土的軟、硬程度，基于土體的天然結(jié)構(gòu)被破壞后的概念基礎(chǔ)之上，土的不同稠度反映的是土所具有的不同狀態(tài)。通常土的稠度狀態(tài)分為固態(tài)、半固態(tài)、可塑態(tài)和液態(tài)（或流態(tài)），土的稠度狀態(tài)常用五個(gè)稠度狀態(tài)指標(biāo)（縮限、塑限、液限、塑性指數(shù)和液性指數(shù)）來(lái)描述?？s限描述的是固態(tài)與半固態(tài)的界限含水率，塑限描述的是半固態(tài)與可塑態(tài)的界限含水率，液限描述的是可塑態(tài)與液態(tài)的界限含水率，該三個(gè)指標(biāo)也稱(chēng)為土的稠度界限指標(biāo)。塑性指數(shù)反映了黏性土具有可塑性的含水率變化范圍，間接表明土的強(qiáng)度隨含水率改變而變化，綜合表明黏性土的粒度組成和礦物成分與水分之間相互作用的特征。塑性指數(shù)的大小反映了土中黏粒含量的多少。液性指數(shù)反映了天然土體（地基土）的軟硬程度。根據(jù)液性指數(shù)，可將天然地基土體的堅(jiān)硬程度劃分為堅(jiān)硬、硬塑、可塑、軟塑和流塑。應(yīng)注意，液、塑限是用天然結(jié)構(gòu)破壞后擾動(dòng)土樣來(lái)測(cè)定的，不能將土的結(jié)構(gòu)對(duì)強(qiáng)度的影響反映出來(lái)。固結(jié)：飽和土體地外荷載作用下，土體孔隙中水分逐漸排出，使土體體積減小、密度增長(zhǎng)的過(guò)程。土的固結(jié)過(guò)程是飽和土中孔隙水壓力逐漸消散，有效應(yīng)力逐漸增長(zhǎng)的轉(zhuǎn)換過(guò)程。公路土工試驗(yàn)規(guī)程中的固結(jié)是指飽和土體在側(cè)限情況下的單向固結(jié)壓縮變形。飽和土體根據(jù)歷史受力情況的不同，常分為正常固結(jié)土、超固結(jié)土和欠固結(jié)土。壓縮系數(shù)：在K0固結(jié)試驗(yàn)中，土試樣的孔隙比減小量與有效壓力增加量的比值。即e-p壓縮曲線(xiàn)上某壓力段的割線(xiàn)斜率，以絕對(duì)值表示。壓縮系數(shù)是土體在側(cè)限情況下由單向壓縮試驗(yàn)得出的土體壓縮性試驗(yàn)指標(biāo)。由于e-p壓縮曲線(xiàn)不是一條直線(xiàn)，所以壓縮系數(shù)不是一個(gè)常數(shù)，它隨e-p壓縮曲線(xiàn)與割線(xiàn)兩交點(diǎn)的位置不同而改變。壓縮系數(shù)適用于土在低壓力（100200kPa）工況下計(jì)算土體的壓縮變形，通常用“正值”表示。壓縮指數(shù)：壓縮試驗(yàn)所得土孔隙比與有效壓力對(duì)數(shù)值關(guān)系曲線(xiàn)上直線(xiàn)段的斜率。即e-lgp壓縮曲線(xiàn)上大于先期固結(jié)壓力后的直線(xiàn)段斜率。壓縮指數(shù)是土體在側(cè)限情況下由單向壓縮試驗(yàn)得出的土體在高壓力（大于土的先期固結(jié)壓力）情況下的壓縮試驗(yàn)指標(biāo)。由于e-lgp壓縮曲線(xiàn)在高壓力工況下是一條直線(xiàn)，所以壓縮指數(shù)是一個(gè)常數(shù)。壓縮指數(shù)適用于土在高壓力（大于土的先期固結(jié)壓力就是土體在歷史上所受到的最大固結(jié)壓力）工況下計(jì)算土體的壓縮變形。壓縮模量：土體在側(cè)限條件下受壓時(shí)，豎向有效壓力與豎向應(yīng)變的比值。壓縮模量是根據(jù)土體在受力壓縮前的孔隙比和土的壓縮系數(shù)計(jì)算求出的壓縮性指數(shù)。因此壓縮模量反映的是土體在側(cè)限情況下單向壓縮的工況條件?；貜椖Ａ浚和馏w在部分側(cè)限條件下，卸載過(guò)程中的豎向壓力與回彈應(yīng)變的比值。公路土工試驗(yàn)規(guī)程中的回彈模量是指在部分側(cè)限的條件下單向加載、卸載測(cè)定土的回彈變形量，計(jì)算得出的土體彈性變形的回彈模量。滲透指數(shù)：土中水滲透呈層流狀態(tài)時(shí)，其流速與作用水力梯度成正比關(guān)系的比例系數(shù)。滲透系數(shù)反映的是水流在滲透壓力作用下通過(guò)土顆粒孔隙流動(dòng)時(shí)，單位滲透坡降（水力坡降）的滲透流速。滲透系數(shù)的測(cè)定有兩種試驗(yàn)方法：常水頭滲透試驗(yàn)適用于滲透流速較大（水流狀態(tài)為紊流狀態(tài)）的土（粗粒土），變水頭滲透試驗(yàn)適用于滲透流速較小（水流狀態(tài)為層流狀態(tài)）的土（細(xì)粒土）?？辜魪?qiáng)度：土體在剪切面上所能承受的極限剪應(yīng)力。土的抗剪強(qiáng)度是土抵抗破壞的能力。土的抗剪強(qiáng)度常用抗剪強(qiáng)度指標(biāo)凝聚力（內(nèi)聚力）和摩擦角（內(nèi)摩擦角）表述。根據(jù)土體的工作狀態(tài)不同，選擇不同的試驗(yàn)方法來(lái)確定土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)可通過(guò)直接剪切試驗(yàn)（快剪、慢剪、固結(jié)快剪）或三軸壓縮試驗(yàn)（不固結(jié)不排水剪、固結(jié)排水剪、固結(jié)不排水剪）獲得。若選用直接剪切試驗(yàn)方法，則應(yīng)采用庫(kù)侖強(qiáng)度理論整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)。若選用三軸壓縮試驗(yàn)方法，則應(yīng)采用摩爾庫(kù)侖強(qiáng)度理論整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)。土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)按試驗(yàn)方法的不同可分為總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)和有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)，這樣就有總應(yīng)力摩擦角和有效應(yīng)力摩擦角以及總應(yīng)力凝聚力和有效應(yīng)力凝聚力。在理論上，粗粒土顆粒之間不存在凝聚力，但是不論粗粒土的直接剪切試驗(yàn)還是三軸試驗(yàn)，在成果整理上均出現(xiàn)凝聚力值，此時(shí)的凝聚力值實(shí)際反映的是粗粒土在剪切過(guò)程中，在剪切帶 內(nèi)粗顆粒翻滾、咬合作用產(chǎn)生的部分抵抗剪切變形的力，該力通常稱(chēng)為咬合力。由于粗粒土在剪切過(guò)程中粗顆粒的翻滾、咬合對(duì)粗粒土剪切的摩擦和咬合效應(yīng)分別有多大的貢獻(xiàn)還很難說(shuō)清，因此有些業(yè)內(nèi)人士將粗粒土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)統(tǒng)稱(chēng)為粗粒土的抗剪結(jié)構(gòu)力指標(biāo)。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度：土體在無(wú)側(cè)限條件下，抵抗軸向壓力的極限強(qiáng)度。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)是三軸壓縮試驗(yàn)的一個(gè)特例，即試樣置于不受側(cè)向限制的條件下進(jìn)行的強(qiáng)度試驗(yàn)，此時(shí)試樣所受的小主應(yīng)力為零，而大主應(yīng)力的極限值為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)常用于測(cè)定飽和軟黏土的靈敏度。靈敏度是原狀土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與擾動(dòng)土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度之比。目前使用的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度儀一般有應(yīng)力控制式和應(yīng)變控制式兩種。第二節(jié) 土的工程分類(lèi)土是巖石（母巖）風(fēng)化的產(chǎn)物，是各種顆粒粒徑的集合體。因此，廣義上說(shuō)土和巖石在尺度上沒(méi)有明確的劃分界限，但是在顆粒的膠結(jié)緊密程度上具有一定的區(qū)別。土的顆粒之間膠結(jié)較弱甚至沒(méi)有聯(lián)結(jié)，而組成巖石的顆粒之間具有較強(qiáng)的膠結(jié)能力。土與其他連續(xù)固體介質(zhì)相區(qū)別的最主要的特征，就是它的多孔性和散體性。土的工程分類(lèi)就是將顆粒粒徑相近、工程性質(zhì)相似的土劃分為同一類(lèi)型（稱(chēng)為粒組），并為“土”分類(lèi)定名奠定基礎(chǔ)。一般規(guī)定1、 土的工程分類(lèi)（簡(jiǎn)稱(chēng)“分類(lèi)”）適用于公路工程用土的鑒別、定名和描述，以便對(duì)土的性狀作定性評(píng)價(jià)。2、 應(yīng)以土的下列特征作為土的分類(lèi)依據(jù)：（1） 土顆粒組成特征。（2） 土的塑性指標(biāo)：液限（wL）、塑限（WP）和塑性指數(shù)（IP）。 （3） 土中有機(jī)物存在情況。3、 本“分類(lèi)”應(yīng)按篩分法確定各粒組的含量；按液限塑限聯(lián)合測(cè)定法確定液限和塑限；按有機(jī)物在塑性圖上的分布來(lái)判別有機(jī)物存在情況。本“分類(lèi)”將土分為巨粒土、粗粒土、細(xì)粒土和特殊土，可以滿(mǎn)足一般的工程需要。由于土分類(lèi)系按擾動(dòng)試樣進(jìn)行，因此，土的天然狀態(tài)如密度的疏、密，含水狀態(tài)的干、濕，結(jié)構(gòu)狀態(tài)的成層或各向異性，歷史應(yīng)力為正常固結(jié)或超固結(jié)等，分類(lèi)中均無(wú)法統(tǒng)籌考慮。為此，像軟土等類(lèi)型的土沒(méi)有列入本標(biāo)準(zhǔn)。土的地質(zhì)成因?qū)ν恋男再|(zhì)有一定的影響，但目前還沒(méi)有反映這種因素的定量指標(biāo)，而且絕大多數(shù)分類(lèi)都不是按成因劃分土類(lèi)。填土實(shí)際上是一種無(wú)確定概念的材料，可以是本“分類(lèi)”所包括的各種土類(lèi)，也可以是建筑房渣或工業(yè)棄料。4、 土的顆粒應(yīng)根據(jù)下列粒組范圍劃分粒組。粗粒土的性質(zhì)主要取決于土顆粒的粒徑分布和特征，而細(xì)粒土的性質(zhì)卻主要取決于土粒和水相互作用的狀態(tài)，即土的塑性。土中有機(jī)質(zhì)對(duì)土的工程性質(zhì)也有影響。5、 本“分類(lèi)”將土分為巨粒土、粗粒土、細(xì)粒土和特殊土，分類(lèi)總體系見(jiàn)圖： 粒組劃分界限系反映土的某些性質(zhì)改變的粒徑值，如具有分子上升、親水性、滲透性等。6、 土顆粒組成特征應(yīng)以土的級(jí)配指標(biāo)的不均勻系數(shù)（CU）和曲率系數(shù)（CC）表示。不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)反映粒徑分布曲線(xiàn)上的土粒分布范圍和分布形狀，按下式計(jì)算： CUd60/d10 CC=(d30)2/d10d60 粗粒土的可壓實(shí)性、強(qiáng)度、壓縮性和滲透性等均與土的級(jí)配有關(guān)。7、 細(xì)粒土應(yīng)根據(jù)塑性圖分類(lèi)。土的塑性圖以液限（wL）為橫坐標(biāo)、塑性指數(shù)（IP）為縱坐標(biāo)構(gòu)成。塑性圖是美、英、日、德等國(guó)長(zhǎng)期用于細(xì)粒土分類(lèi)的標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)際上稱(chēng)它為卡氏塑性圖圖中的液限是由國(guó)外廣泛應(yīng)用的卡氏碟式儀測(cè)定的。應(yīng)當(dāng)注意的是，對(duì)于IP10且WL15%,這一范圍的土相關(guān)試驗(yàn)得出的液限值很不準(zhǔn)，因此塑性圖中的這一區(qū)域不能使用。8、 土的成分、級(jí)配、液限和特殊土等基本代號(hào)應(yīng)按下列規(guī)定構(gòu)成：（1） 土的成分代號(hào)漂石 B 塊石 Ba 卵石 Cb 小塊石 Cba 礫 G 角礫 Ga 砂 S 粉土 M 黏土 C 細(xì)粒土（C和M合稱(chēng)） F （混合）土（粗、細(xì)粒土合稱(chēng)） SL 有機(jī)質(zhì)土 O（2） 土的級(jí)配代號(hào) 級(jí)配良好 W 級(jí)配不良 P（3） 土液限高低代號(hào) 高液限 H 低液限 L（4） 特殊土代號(hào) 黃土 Y 膨脹土 E 紅黏土 R 鹽漬土 St 凍土 Ft9、 土類(lèi)名稱(chēng)可用一個(gè)基本代號(hào)表示當(dāng)由兩個(gè)基本代號(hào)構(gòu)成時(shí)，第一個(gè)代號(hào)表示土的主成分，第二個(gè)代號(hào)表示副成分（土的液限或土的級(jí)配）。當(dāng)有三個(gè)基本代號(hào)構(gòu)成時(shí)，第一個(gè)代號(hào)表示土的主成分，第二個(gè)代號(hào)表示液限的高低（或級(jí)配的好壞），第三個(gè)代號(hào)表示土中所含次要成分。土類(lèi)的名稱(chēng)和代號(hào)名稱(chēng)代號(hào)名稱(chēng)代號(hào)名稱(chēng)代號(hào)漂石B級(jí)配良好砂SW含礫低液限黏土CLG塊石Ba級(jí)配不良砂SP含砂高液限黏土CHS卵石Cb粉