工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)

1、緒 論 地球是太陽系族中的一個行星，地球體的表層，即地殼，是各種地質(zhì)作用進(jìn)行的場所，是人類賴以生活和活動的場所，一切工程建(構(gòu))筑物都建筑在地殼上,同時，也是建筑材料和礦產(chǎn)資源的主要來源地。因此，地殼是地球科學(xué)研究的主要對象，構(gòu)成人類生存和工程建筑的環(huán)境和物質(zhì)基礎(chǔ)。我們這些未來的工程師有必要了解和掌握這方面的有關(guān)知識。,1.1 地質(zhì)學(xué)與工程地質(zhì)學(xué) 1.1.1 地質(zhì)學(xué) 地質(zhì)學(xué)是一門關(guān)于地球的科學(xué)，它研究的對象主要是固體地球的上層，主要有以下方面內(nèi)容： （1）研究組成地球的物質(zhì)：礦物學(xué)、巖石學(xué)、地球化學(xué)等分支學(xué)科； （2）闡明地殼及地球的構(gòu)造特征：即研究巖石或巖石組合的空間分布，如構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、區(qū)域

2、地質(zhì)學(xué)、地球物理學(xué)等分支學(xué)科； （3）研究地球的歷史以及棲居在地質(zhì)時期的生物及其演變：如古生物學(xué)、地史學(xué)、巖相古地理學(xué)等； （4）地質(zhì)學(xué)的研究方法與手段，如同位素地質(zhì)學(xué)、數(shù)學(xué)地質(zhì)學(xué)及遙感地質(zhì)學(xué)等； （5）研究應(yīng)用地質(zhì)學(xué)以解決資源探尋、環(huán)境地質(zhì)分析和工程防災(zāi)問題：主要有兩方面，一是以地質(zhì)學(xué)理論和方法指導(dǎo)人們尋找各種礦產(chǎn)資源，如礦床學(xué)、煤田地質(zhì)學(xué)、石油地質(zhì)學(xué)等；二是運(yùn)用地質(zhì)學(xué)理論和方法研究地質(zhì)環(huán)境，查明地質(zhì)災(zāi)害的規(guī)律和防治對策，以確保工程建設(shè)安全、經(jīng)濟(jì)和正常運(yùn)行。,1.1.2 工程地質(zhì)學(xué)（Engineering geology） 工程地質(zhì)學(xué)是地質(zhì)學(xué)的重要分支學(xué)科，是把地質(zhì)學(xué)原理應(yīng)用于工程實(shí)際的一門

3、學(xué)問，它研究巖土工程中的地質(zhì)問題，即在工程建筑設(shè)計、施工和運(yùn)營的實(shí)施過程中合理地處理和正確地使用自然地質(zhì)條件和改造不良地質(zhì)條件。 （1）工程地質(zhì)學(xué)的發(fā)展 工程地質(zhì)學(xué)在經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國防建設(shè)中應(yīng)用非常廣泛，早在20世紀(jì)30年代就獲得迅速發(fā)展，并成為一門獨(dú)立的學(xué)科。我國工程地質(zhì)學(xué)的發(fā)展始于建國初期，經(jīng)過50多年的努力，不僅能適應(yīng)國內(nèi)建設(shè)的需要并開始走向世界，建立了具有我國特色的學(xué)科體系。隨著生產(chǎn)的發(fā)展和研究的深入，形成一些新的分支學(xué)科，如環(huán)境工程地質(zhì)、海洋工程地質(zhì)與地震工程地質(zhì)等。人類工程活動作為環(huán)境演化的積極而活動的因素及工程和環(huán)境的密切關(guān)聯(lián)性已成為當(dāng)今研究的重要方向。,（2）工程地質(zhì)學(xué)的主要任務(wù)

4、工程地質(zhì)研究的基本任務(wù)，可歸結(jié)為三方面： A區(qū)域穩(wěn)定性研究與評價，是指由內(nèi)力地質(zhì)作用引起的斷裂活動，地震對工程建設(shè)地區(qū)穩(wěn)定性的影響； B地基穩(wěn)定性研究與評價，是指地基的牢固、堅實(shí)性； C環(huán)境影響評價，是指人類工程活動對環(huán)境造成的影響。 工程地質(zhì)學(xué)的具體任務(wù)是： A評價工程地質(zhì)條件，闡明地上和地下建筑工程興建和運(yùn)行的有利和不利因素，選定建筑場地和適宜的建筑型式，保證規(guī)劃、設(shè)計、施工、使用、維修順利進(jìn)行； B從地質(zhì)條件與工程建筑相互作用的角度出發(fā)，論證和預(yù)測有關(guān)工程地質(zhì)問題發(fā)生的可能性、發(fā)生的規(guī)模和發(fā)展趨勢； C提出及建議改善、防治或利用有關(guān)工程地質(zhì)條件的措施、加固巖土體和防治地下水的方案； D研

5、究巖體、土體分類和分區(qū)及區(qū)域性特點(diǎn)； E研究人類工程活動與地質(zhì)環(huán)境之間的相互作用與影響。,（3）工程地質(zhì)學(xué)的研究方法 工程地質(zhì)學(xué)的研究對象是復(fù)雜的地質(zhì)體，所以其研究方法應(yīng)是地質(zhì)分析法與力學(xué)分析法、工程類比法與實(shí)驗法等的密切結(jié)合，即通常所說的定性分析與定量分析相結(jié)合的綜合研究方法。 要查明建筑區(qū)工程地質(zhì)條件的形成和發(fā)展，以及它在工程建筑物作用下的發(fā)展變化，首先必須以地質(zhì)學(xué)和自然歷史的觀點(diǎn)分析研究周圍其它自然因素和條件，了解在歷史過程中對它的影響和制約程度，從而才有可能認(rèn)識它形成的原因和預(yù)測其發(fā)展趨勢和變化，這就是地質(zhì)分析法。在闡明主要工程地質(zhì)問題形成機(jī)制的基礎(chǔ)上，建立模型進(jìn)行計算和預(yù)測，例如地基

6、穩(wěn)定性分析，地面沉降量計算，地震液化可能性計算等，這就屬于力學(xué)分析法。當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件十分復(fù)雜時，可根據(jù)條件類似地區(qū)已有資料對研究區(qū)的問題進(jìn)行定量預(yù)測，即采用類比法進(jìn)行評價。采用定量分析方法論證地質(zhì)問題時都需要采用實(shí)驗測試方法，即通過室內(nèi)或野外現(xiàn)場試驗，取得所需要的巖土的物理性質(zhì)、水理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)，通過長期觀測地質(zhì)現(xiàn)象的發(fā)展速度也是常用的試驗方法。 綜合應(yīng)用上述定性分析和定量分析方法，才能取得可靠的結(jié)論，并對可能發(fā)生的工程地質(zhì)問題制定出合理的防治對策。,1.2 工程地質(zhì)條件與工程地質(zhì)問題 1.2.1 工程地質(zhì)條件 工程地質(zhì)條件是指工程建筑物所在地區(qū)地質(zhì)環(huán)境各項因素的綜合，這些因素包括： A地層

7、巖性：是最基本的工程地質(zhì)因素，包括它們的成因、時代、巖性、產(chǎn)狀、成巖作用特點(diǎn)、變質(zhì)程度、風(fēng)化特征、軟弱夾層和接觸帶以及物理力學(xué)性質(zhì)等； B地質(zhì)構(gòu)造：工程地質(zhì)工作研究的基本對象，包括褶皺、斷層、節(jié)理構(gòu)造的分布和特征；地質(zhì)構(gòu)造，特別是形成時代新、規(guī)模大的優(yōu)勢斷裂，對地震等災(zāi)害具有控制作用，因而對建筑物的安全穩(wěn)定、沉降變形等具有重要意義； C水文地質(zhì)條件：重要的工程地質(zhì)因素，包括地下水的成因、埋藏、分布、動態(tài)和化學(xué)成分等；,D地表地質(zhì)作用：是現(xiàn)代地表地質(zhì)作用的反映，與建筑區(qū)地形、氣候、巖性、構(gòu)造、地下水和地表水作用密切相關(guān)，主要包括滑坡、崩塌、巖溶、泥石流、風(fēng)沙移動、河流沖刷與沉積等等，對評價建筑物

8、的穩(wěn)定性和預(yù)測工程地質(zhì)條件的變化意義重大； E地形地貌：地形是指地表高低起伏狀況、山坡陡緩程度與溝谷寬窄及形態(tài)特征等，地貌則說明地形形成的原因、過程和時代；平原區(qū)、丘陵區(qū)和山岳地區(qū)的地形起伏、土層厚薄和基巖出露情況、地下水埋藏特征和地表地質(zhì)作用現(xiàn)象都具有不同的特征，這些因素都直接影響到建筑場地和線路的選擇。,1.2.2 工程地質(zhì)問題 已有的工程地質(zhì)條件在工程建筑和運(yùn)行期間會產(chǎn)生一些新的變化和發(fā)展，構(gòu)成威脅影響工程建筑安全的地質(zhì)問題稱為工程地質(zhì)問題。主要的工程地質(zhì)問題包括： A地基穩(wěn)定性問題：是工業(yè)與民用建筑工程常遇到的主要工程地質(zhì)問題，它包括強(qiáng)度和變形兩個方面，另外巖溶、土洞等不良地質(zhì)作用和現(xiàn)

9、象都會影響地基穩(wěn)定，鐵路、公路等工程建筑則會遇到路基穩(wěn)定性問題； B斜坡穩(wěn)定性問題：自然界的天然斜坡是經(jīng)受長期地表地質(zhì)作用達(dá)到相對協(xié)調(diào)平衡的產(chǎn)物，人類工程活動尤其是道路工程需開挖和填筑人工邊坡(路塹、路堤、堤壩、基坑等)，斜坡穩(wěn)定對防止地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生及保證地基穩(wěn)定十分重要；斜坡地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造特征是影響其穩(wěn)定性的物質(zhì)基礎(chǔ)，風(fēng)化作用、地應(yīng)力、地震、地表水和地下水等對斜坡軟弱結(jié)構(gòu)面的作用往往破壞斜坡穩(wěn)定，而地形地貌和氣候條件是影響其穩(wěn)定的重要因素；,C洞室圍巖穩(wěn)定性問題：地下洞室被包圍于巖土體介質(zhì)(圍巖)中，在洞室開挖和建設(shè)過程中破壞了地下巖體原始平衡條件，便會出現(xiàn)一系列不穩(wěn)定現(xiàn)象，常遇到圍巖塌方

10、、地下水涌水等。一般在工程建設(shè)規(guī)劃和選址時要進(jìn)行區(qū)域穩(wěn)定性評價，研究地質(zhì)體在地質(zhì)歷史中受力狀況和變形過程，做好山體穩(wěn)定性評價，研究巖體結(jié)構(gòu)特性，預(yù)測巖體變形破壞規(guī)律，進(jìn)行巖體穩(wěn)定性評價以及考慮建筑物和巖體結(jié)構(gòu)的相互作用。這些都是防止工程失誤和事故、保證洞室圍巖穩(wěn)定所必要和必需的工作。 D區(qū)域穩(wěn)定性問題：地震、震陷和液化以及活斷層對工程穩(wěn)定性的影響，自1976年唐山地震后越來越引起巖土工程界的注意；對于大型水電工程、地下工程以及建筑群密布的城市地區(qū)，區(qū)域穩(wěn)定性問題應(yīng)該是需要首先論證的問題。,1.3 工程地質(zhì)在巖土工程中的應(yīng)用 1.3.1 基本概念 （1）建筑物：其含義廣泛，可分為房屋建筑和構(gòu)筑物

11、兩大類，住宅和公用建筑稱為建筑物，而為專門生產(chǎn)工藝使用的建筑物，如發(fā)電站、水塔、車間、橋梁、煙囪等稱為構(gòu)筑物。 （2）建筑場地：指工程建設(shè)所直接占有并直接使用的有限面積的土地，大體相當(dāng)于廠區(qū)、居民點(diǎn)和自然村的區(qū)域范圍的建筑物所在地；從工程勘察角度分析，場地的概念不僅代表著所劃定的土地范圍，還應(yīng)涉及建筑物所處的工程地質(zhì)環(huán)境與巖土體的穩(wěn)定問題。 （3）建筑物地基：指在土和巖層中修建建筑物，承受建筑物全部重量的那部分土和巖層；建筑物的基礎(chǔ)是其下部的組成部分，又稱做下部結(jié)構(gòu)；基礎(chǔ)承受整個建筑物的重量并將它們傳遞給地基；地基又分成持力層與下臥層兩部分，直接與基礎(chǔ)接觸的土層叫持力層，持力層下部的土層叫下臥

12、層。 （4）天然地基：指未經(jīng)加固處理、直接支承基礎(chǔ)的地基。 （5）軟弱地基：指主要由淤泥、淤泥質(zhì)土、松散的砂土、沖填土、雜填土或其他高壓縮性土層所構(gòu)成的地基。,（6）人工地基：若地基土層較軟弱，建筑物的荷重又較大，地基承載力和變形都不能滿足設(shè)計要求時，需對地基進(jìn)行人工加固處理，這種地基稱為人工地基。 （7）地基承載力：地基是否具有支承建筑物的能力，常用地基承載力來表達(dá)，地基承載力是指地基所能承受由建筑物基礎(chǔ)傳遞來的荷載的能力；要確保建筑物，地基穩(wěn)定和滿足建筑物使用要求，地基與基礎(chǔ)設(shè)計必須滿足兩個基本條件：要求作用于地基的荷載不超過地基的承載能力，保證地基具有足夠的防止整體破壞的安全儲備；控制基

13、礎(chǔ)沉降使之不超過地基的變形容許值，保證建筑物不因地基變形而損壞或影響其正常使用；良好的地基一般具有較高的強(qiáng)度和較低的壓縮性。 基礎(chǔ)（Foundation）指與地基接觸的建筑物下部結(jié)構(gòu)。 一般建筑物由上部結(jié)構(gòu)（Superstructure）和基礎(chǔ)兩部分組成。,1.3.2 工程地質(zhì)在巖土工程中的應(yīng)用 任何工程建筑物都是營造在一定的場地與地基之上，所有工程建設(shè)方式、規(guī)模和類型都受建筑場地的工程地質(zhì)條件所制約，會遇到各種各樣的自然條件和地質(zhì)問題，如青藏公路、三峽工程、南水北調(diào)工程等都是以地質(zhì)條件復(fù)雜著稱于世。地基的好壞不僅直接影響到建筑物的經(jīng)濟(jì)和安危，而且一旦出事故，處理比較難。因此，在設(shè)計每一個建筑

14、物之前，必須進(jìn)行場地與地基的巖土工程勘察，充分了解建筑場地與地基的工程地質(zhì)條件，論證和評價場地、地基的穩(wěn)定性和適宜性、不良地質(zhì)現(xiàn)象、軟弱地基處理與加固等巖土工程的技術(shù)決策和實(shí)施方案。工程地質(zhì)勘察報告中必須提供建筑場地巖土層的地基承載力值。 可見，工程地質(zhì)工作很重要，是設(shè)計之先驅(qū)，沒有足夠考慮工程地質(zhì)條件而進(jìn)行設(shè)計，這是盲目的設(shè)計，不僅會導(dǎo)致建筑費(fèi)用增高、工程量增大、施工期限拖長，而且產(chǎn)生安全隱患，在個別的情況下，建筑物將發(fā)生變形或破壞，甚至廢棄使用。,加拿大某谷倉地基破壞事例,淤泥質(zhì)軟粘土層厚達(dá)十余米 基底壓力大于極限承載力 導(dǎo)致地基整體滑動破壞,比薩斜塔傾斜原因及治理對策,基礎(chǔ)建立在一半是軟

15、粘土一半是砂卵石的地基上。由于次固結(jié)作用產(chǎn)生傾斜。 塔高56.7m。向南偏離了4.5m。 1990年停止開放。按南側(cè)每年沉降1.4mm推算，2003或2004年斜塔可能倒塌。 治理措施：1、用5根1040cm粗的鋼纜在下部打箍；2、將600噸鋁注入塔基北側(cè)；3、在南側(cè)地基中注水，扶正該塔。,虎丘斜塔 （959-961） 7層8面， 重6000噸。 殘高47.7m, NE斜2.34m (249,最大349),中國2002年的地質(zhì)災(zāi)害 2003年4月3日公布的中國國土資源公報說，2002年全國發(fā)生各類突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害40246起，造成853人死亡，109人失蹤，直接經(jīng)濟(jì)損失51億元。 目前，我國已完

16、成168個縣市調(diào)查，建立了相應(yīng)的信息系統(tǒng)和群測群防網(wǎng)絡(luò)，它們成功預(yù)報地質(zhì)災(zāi)害703次，避免人員傷亡近兩萬人，避免直接經(jīng)濟(jì)損失2.36億元。 三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害治理和監(jiān)測工程已全面實(shí)施。,三峽大壩是一座堅固的混凝土重力壩，大壩由萬噸混凝土外加萬噸鋼筋和.萬噸鋼材組成，壩高米，大壩底部寬米，壩高和壩寬都超過米。三峽大壩是重力壩，每一個壩塊都可以依靠自身的重力來保證自己的穩(wěn)定。另外，三峽水庫是“一線水”，而不是很多人想像中的“一盆水”，水庫的長度達(dá)多公里，平均寬度僅公里，其下游段為三峽河谷，千回百轉(zhuǎn)，全長公里，這是一個少見的“河床型”水庫。,連接四川省會成都和云南省會昆明的成昆鐵路，全長1100km。

17、成昆鐵路1958年北段開始施工，以后幾上幾下，至1964年，僅建成成都至青龍場61.5公里。1964年西南鐵路建設(shè)大會戰(zhàn)，重新開始建設(shè)，1970年7月1日建成通車。成昆鐵路范圍包括四川、云南兩省的7個地（州）、市，共13萬平方公里。沿線物產(chǎn)、資源豐富。成都至峨眉，穿過素有“川西糧倉”之稱的川西平原；鐵路通過的西昌、攀枝花地區(qū)，礦產(chǎn)、水力資源極為豐富，攀枝花大型鋼鐵基地，二灘等一批大型水電站的建設(shè)急需鐵路運(yùn)輸；鐵路沿線還埋藏著煤、鐵、銅、鋁、鋅等多種金屬礦和石棉、磷、巖鹽等多種非金屬礦。 成昆鐵路北接寶成鐵路、成渝鐵路，南連貴昆鐵路，是我國鐵路網(wǎng)中的重要干線，對于改善西南地區(qū)的交通狀況、密切西南

18、邊疆與全國各地的聯(lián)系、加強(qiáng)民族之間的團(tuán)結(jié)、促進(jìn)西南地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國防建設(shè)，都具有十分重要的意義。,成 昆 鐵 路,成昆鐵路由海拔500米左右的川西平原，逆大渡河、牛日河而上，穿越海拔2280米的沙木拉達(dá)隧道后，沿孫水河、安寧河、雅礱江，下至海拔1000米左右的金沙江河谷，再溯龍川江上行至海拔1900米左右的滇中高原。全線有700多公里穿過川西南和滇北山地，地形極為復(fù)雜，谷深坡陡，河流峽谷兩岸分布著數(shù)百米高的陡巖峭壁。鐵路所經(jīng)地區(qū)，由于歷次地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動的影響，斷裂發(fā)育，線路經(jīng)過的牛日河、安寧河、雅礱江、金沙江和龍川江，大都是沿著或平行大斷裂發(fā)育的構(gòu)造河谷。由于地質(zhì)新構(gòu)造運(yùn)動的影響，全線有500

19、多公里位于地震烈度7至9度地區(qū)，其中通過8度和9度地震區(qū)長度有200公里。 鐵路沿線不良地質(zhì)現(xiàn)象不僅種類繁多，滑坡、危巖落石、崩塌、巖堆、泥石流、山體錯落、巖溶、巖爆、有害氣體、軟土、粉砂等等，而且數(shù)量很大，較大的滑坡有183處、危巖落石近500處、泥石流溝249條、崩塌100多處、巖堆200多處。面對如此惡劣的地質(zhì)條件，有人稱為“修路禁區(qū)”。,成 昆 鐵 路,在如此困難的地形、地質(zhì)條件下，為了選好線路位置，先后進(jìn)行了1500平方公里的地質(zhì)測繪，地質(zhì)鉆探21.2萬米，挖探1.3萬米，經(jīng)過11000km的比較線勘測（是建成線路的10倍），大小300多個方案的比選，歷時13年，最后確定了線路。采用

20、了7處盤山展線，13跨牛日河，8跨安寧河，49次跨過龍川江，以此克服巨大的地形高差和繞避重大不良地質(zhì)地段。全線除成都和昆明外，共設(shè)車站122個。有42個車站設(shè)在橋上或隧道內(nèi)。 成昆鐵路工程艱巨，全線修建各種橋梁991座，總延長92.7km，占線路長度的8.5%；隧道427座，總延長341km，占線路長度的31.5%；橋梁、隧道總延長達(dá)433.7km，占線路長度的40%。在橋隧密集的一些地段，橋隧長度竟占線路長度的80%以上。成昆鐵路橋梁、隧道總延長超過了北京至山海關(guān)的距離。全線土石方9687萬m3；擋土墻和路基加固工程163.4萬m3。,成 昆 鐵 路,成昆鐵路是一條高標(biāo)準(zhǔn)、高質(zhì)量的山區(qū)鐵路干

21、線。高標(biāo)準(zhǔn)、高質(zhì)量的取得，依賴的是新技術(shù)、新設(shè)備、新工藝、新結(jié)構(gòu)、新材料和新的施工方法的廣泛采用。經(jīng)過全國各單位1200多名科研人員和工程技術(shù)人員直接參加的新技術(shù)戰(zhàn)斗組與全體筑路人員的努力奮斗，在牽引動力、通信信號、線路上部建筑、橋隧土石方各項工程快速施工等四個方面取得了突破性進(jìn)展，使我國的鐵路修建水平上了一個新臺階，成昆鐵路的修建技術(shù)獲得了“國家科技進(jìn)步特別獎”。,成 昆 鐵 路,1.4 工程地質(zhì)學(xué)的學(xué)習(xí)要求 （1）系統(tǒng)地掌握工程地質(zhì)的基本理論和知識，能正確運(yùn)用勘察數(shù)據(jù)和資料進(jìn)行設(shè)計與施工。 （2）能根據(jù)工程地質(zhì)的勘察成果，運(yùn)用已學(xué)過的工程地質(zhì)理論和知識，進(jìn)行一般的工程地質(zhì)問題分析及對不良地

22、質(zhì)現(xiàn)象采取處理措施。 （3）了解工程地質(zhì)勘察的基本內(nèi)容、方法和過程，各個工程地質(zhì)數(shù)據(jù)的來源、作用以及應(yīng)用條件，對一些中小型工程能夠進(jìn)行一般的工程地質(zhì)勘察。 （4）把學(xué)到的工程地質(zhì)學(xué)知識與專業(yè)知識和其他課程知識密切聯(lián)系起來，去解決工程實(shí)際中的工程地質(zhì)問題。,小結(jié) 工程地質(zhì)學(xué)； 工程地質(zhì)條件； 工程地質(zhì)問題。,第一篇 土的工程地質(zhì)性質(zhì) 第一章 土的物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu) 一、土的三相組成 土是由固體顆粒、水和氣體三部分組成的，通常稱為土的三相組成。隨著三相物質(zhì)的質(zhì)量和體積的比例不同，土的性質(zhì)也將不同。,1.土的固相 土的固相物質(zhì)包括無機(jī)礦物顆粒和有機(jī)質(zhì)，是構(gòu)成土的骨架最基本的物質(zhì)，稱為土粒。對土粒應(yīng)從其礦

23、物成分、顆粒的大小和形狀來描述。 （1）土的粒度成分（顆粒級配） 天然土是由大小不同的顆粒組成的，土粒的大小稱為粒度。工程上常用不同粒徑顆粒的相對含量來描述土的顆粒組成情況，這種指標(biāo)稱為粒度成分。 1）土的粒組劃分 工程上常把大小相近的土粒合并為組，稱為粒組。粒組間的分界線是人為劃定的，劃分時應(yīng)使粒組界限與粒組性質(zhì)的變化相適應(yīng)，并按一定的比例遞減關(guān)系劃分粒組的界限值。,表1-1 粒組劃分標(biāo)準(zhǔn)（GB 500212001）,2）粒度成分及其表示方法 土的粒度成分是指土中各種不同粒組的相對含量（以干土質(zhì)量的百分比表示），它可用以描述土中不同粒徑土粒的分布特征。 常用的粒度成分的表示方法是累計曲線法，

24、它是一種圖示的方法，通常用半對數(shù)值繪制，如圖1-1所示。,橫坐標(biāo)采用對數(shù)坐標(biāo)，表示土顆粒直徑，單位mm；縱坐標(biāo)為小于某粒徑土的累積含量，用百分比表示。 土的粗細(xì)常用平均粒徑（mm）d50表示，d50指土中大于或小于此粒徑的土粒含量均占50。d10，d30，d60分別相當(dāng)于累計百分含量為10，30和60的粒徑，d10稱為有效粒徑，d60稱為限制粒徑。,在累計曲線上，可確定兩個描述土的級配的指標(biāo)： 不均勻系數(shù),不均勻系數(shù)Cu反映大小不同粒組的分布情況（土的不均勻程度）， Cu10的土為非管涌土， Cu5的土稱為不均勻土， Cu5的土稱為勻粒土，級配不良；Cu越大，表示粒組分布范圍比較廣， Cu10

25、的土級配良好。但如 Cu過大，表示可能缺失中間粒徑，屬不連續(xù)級配，故需同時用曲率系數(shù)來評價。曲率系數(shù)則是描述累計曲線整體形狀的指標(biāo)。,在累計曲線上，可確定兩個描述土的級配的指標(biāo)：,曲率系數(shù),Cc=13時，為級配連續(xù)； Cc3時，級配不連續(xù)。 土的級配不均勻（ ），且級配連續(xù)(Cc=13 )的土稱為級配良好的土。不能同時滿足上述兩個條件的土稱為級配不良的土。,例 取烘干土200g（全部通過10mm篩），用篩分法求各粒組含量和小于某種粒徑土量占總土量的百分?jǐn)?shù)，并畫出土的粒徑級配累積曲線。,粒徑級配累積曲線,土的累計曲線,3）粒度成分測定方法 對于粗粒土可以采用篩分法，而對于細(xì)粒土（粒徑小于0.07

26、5 mm）則必須用沉降分析法測定其粒度成分。篩分法是用一套不同孔徑的標(biāo)準(zhǔn)篩把各種粒組分離出來的方法。沉降分析法是根據(jù)土粒在懸液中沉降的速度與粒徑的平方成正比的司篤克斯公式來確定各粒組相對含量的方法。,（2）土的礦物成分 土中的礦物成分可以分為原生礦物和次生礦物兩大類。 原生礦物是指巖漿在冷凝過程中形成的礦物，如石英、長石、云母等。 次生礦物是由原生礦物經(jīng)過風(fēng)化作用后形成的新礦物，如三氧化二鋁、三氧化二鐵、次生二氧化硅、粘土礦物以及碳酸鹽等。,2.土的液相 土的液相是指存在于土孔隙中的水。按照水與土相互作用程度的強(qiáng)弱，可將土中水分為結(jié)合水和自由水兩大類。 結(jié)合水是指處于土顆粒表面水膜中的水，它因

27、受到表面引力的控制而不服從靜水力學(xué)規(guī)律，其冰點(diǎn)低于零度。結(jié)合水又可分為強(qiáng)結(jié)合水和弱結(jié)合水。強(qiáng)結(jié)合水在最靠近土顆粒表面處，水分子和水化離子排列得非常緊密，以致其密度大于1 g/cm3，并有過冷現(xiàn)象，即溫度降到零度以下不發(fā)生凍結(jié)的現(xiàn)象。在距離土粒表面較遠(yuǎn)地方的結(jié)合水稱為弱結(jié)合水，由于引力降低，弱結(jié)合水的水分子的排列不如強(qiáng)結(jié)合水緊密，弱結(jié)合水可能從較厚水膜或濃度較低處緩慢地遷移到較薄的水膜或濃度較高處，亦即可從一個土粒遷移到另一個土粒，這種運(yùn)動與重力無關(guān)，這層不能傳遞靜水壓力的水定義為弱結(jié)合水。,自由水包括毛細(xì)水和自由水。毛細(xì)水不僅受到重力的作用，還受到表面張力的支配，能沿著土的細(xì)孔隙從潛水面上升到

28、一定的高度。這種毛細(xì)上升對于公路路基土的干濕狀態(tài)及建筑物的防潮有重要影響。重力水在重力或壓力差作用下能在土中滲流，對于土顆粒和結(jié)構(gòu)物都有浮力作用，在土力學(xué)計算中應(yīng)當(dāng)考慮這種滲流及浮力的作用力。,3.土的氣相 土的氣相是指充填在土的孔隙中的氣體，包括與大氣連通的和不連通的兩類。 與大氣連通的氣體對土的工程性質(zhì)沒有多大的影響，它的成分與空氣相似，當(dāng)土受到外力作用時，這種氣體很快從孔隙中擠出；但是密閉的氣體對土的工程性質(zhì)有很大的影響，密閉氣體的成分可能是空氣、水汽或天然氣。在壓力作用下這種氣體可被壓縮或溶解于水中，而當(dāng)壓力減小時，氣泡會恢復(fù)原狀或重新游離出來。,二、土的結(jié)構(gòu) 土的結(jié)構(gòu)是指土粒（或團(tuán)粒

29、）的大小、形狀、互相排列及聯(lián)結(jié)的特征。 土的結(jié)構(gòu)是在成土的過程中逐漸形成的，它反映了土的成分、成因和年代對土的工程性質(zhì)的影響。土的結(jié)構(gòu)按其顆粒的排列和聯(lián)結(jié)可分為圖1-2所示的三種基本類型。,圖1-2 土的結(jié)構(gòu)的基本類型,1單粒結(jié)構(gòu) 單粒結(jié)構(gòu)是碎石土和砂土的結(jié)構(gòu)特征。其特點(diǎn)是土粒間沒有聯(lián)結(jié)存在，或聯(lián)結(jié)非常微弱，可以忽略不計。疏松狀態(tài)的單粒結(jié)構(gòu)在荷載作用下，特別在振動荷載作用下會趨向密實(shí)，土粒移向更穩(wěn)定的位置，同時產(chǎn)生較大的變形；密實(shí)狀態(tài)的單粒結(jié)構(gòu)在剪應(yīng)力作用下會發(fā)生剪脹，即體積膨脹，密度變松。單粒結(jié)構(gòu)的緊密程度取決于礦物成分、顆粒形狀、粒度成分及級配的均勻程度。片狀礦物顆粒組成的砂土最為疏松；渾

30、圓的顆粒組成的土比帶棱角的容易趨向密實(shí)；土粒的級配愈不均勻，結(jié)構(gòu)愈密。 2.蜂窩狀結(jié)構(gòu) 蜂窩狀結(jié)構(gòu)是以粉粒為主的土的結(jié)構(gòu)特征。粒徑在0.020.002 mm左右的土粒在水中沉積時，基本上是單個顆粒下沉，在下沉過程中、碰上已沉積的土粒時，如土粒間的引力相對自重而言已經(jīng)足夠地大，則此顆粒就停留在最初的接觸位置上不再下沉，形成大孔隙的蜂窩狀結(jié)構(gòu)。,3絮狀結(jié)構(gòu) 絮狀結(jié)構(gòu)是粘土顆粒特有的結(jié)構(gòu)特征。懸浮在水中的粘土顆粒當(dāng)介質(zhì)發(fā)生變化時，土?；ハ嗑酆?，以邊-邊、面-邊的接觸方式形成絮狀物下沉，沉積為大孔隙的絮狀結(jié)構(gòu)。 土的結(jié)構(gòu)形成以后，當(dāng)外界條件變化時，土的結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化。例如，土層在上覆土層作用下壓密固結(jié)

31、時，結(jié)構(gòu)會趨于更緊密的排列；卸載時土體的膨脹（如鉆探取土?xí)r土樣的膨脹或基坑開挖時基底的隆起）會松動土的結(jié)構(gòu)；當(dāng)土層失水干縮或介質(zhì)變化時，鹽類結(jié)晶膠結(jié)能增強(qiáng)土粒間的聯(lián)結(jié)；在外力作用下（如施工時對土的擾動或切應(yīng)力的長期作用）會弱化土的結(jié)構(gòu)，破壞土粒原來的排列方式和土粒間的聯(lián)結(jié)，使絮狀結(jié)構(gòu)變?yōu)槠叫械闹厮芙Y(jié)構(gòu)，降低土的強(qiáng)度，增大壓縮性。因此，在取土試驗或施工過程中都必須盡量減少對土的擾動，避免破壞土的原狀結(jié)構(gòu)。,第二章 土的物理性質(zhì) 一、三相比例指標(biāo)的物理意義 土的三相物質(zhì)在體積和質(zhì)量上的比例關(guān)系稱為三相比例指標(biāo)。三相比例指標(biāo)反映了土的干燥與潮濕、疏松與緊密，是評價土的工程性質(zhì)的最基本的物理性質(zhì)指標(biāo)，

32、也是工程地質(zhì)勘察報告中不可缺少的基本內(nèi)容。 推導(dǎo)土的三相比例指標(biāo)時可采用圖2-1所示的三相圖。圖2-1（c）中土樣的體積V為土中空氣的體積Va，水的體積Vw和土粒的體積Vs之和；土樣的質(zhì)量m為土中空氣的質(zhì)量ma、水的質(zhì)量mw和土粒的質(zhì)量ms之和；由于空氣的質(zhì)量可以忽略，故土樣的質(zhì)量m可用水和土粒質(zhì)量之和（mwms）表示。,圖2-1 土的三相圖 三相比例指標(biāo)可分為兩種，一種是試驗指標(biāo)；另一種是換算指標(biāo)。,三相比例指標(biāo)可分為兩種，一種是試驗指標(biāo)；另一種是換算指標(biāo),二.試驗指標(biāo) 通過試驗測定的指標(biāo)有土的密度、土粒密度和含水量。 （1）土的密度 r 土的密度是單位體積土的質(zhì)量，設(shè)土的體積為V，質(zhì)量為m

33、，則土的密度 r 可由下式表示,土的密度常用環(huán)刀法測定，其單位是g/cm3，一般土的密度為1.602.20 g/cm3 。當(dāng)采用國際單位制計算重力W時，由土的質(zhì)量產(chǎn)生的單位體積的重力稱為重力密度 g ，簡稱為重度（單位為kN/m3）,即,對天然土求得的密度稱為天然密度，相應(yīng)的重度稱為天然重度。,（2）土粒密度 rs 土粒密度是干土粒的質(zhì)量與其體積之比，即,土粒密度也稱為比重，其值可由比重試驗求得。土粒密度主要取決于土礦物成分，不同土類的土粒密度變化幅度不大，在有經(jīng)驗的地區(qū)可按經(jīng)驗值選用。土粒相對密度是指土的質(zhì)量與4 時同體積水的質(zhì)量之比，其值與土粒密度相同，但沒有單位，在用作土的三相指標(biāo)計算時

34、必須乘以水的密度值才能平衡量綱。,（3）土的含水量w 土的含水量是土中水的質(zhì)量 mw 與固體（土粒）質(zhì)量 ms 之比，由下式表示,含水量通常以百分?jǐn)?shù)表示。含水量常用烘干法測定，它是描述土的干濕程度的重要指標(biāo)。土的天然含水量變化范圍很大，從干砂的含水量接近于零到蒙脫土的含水量可達(dá)百分之幾百。,三.換算指標(biāo) 除了上述三個試驗指標(biāo)之外，還有六個可以計算求得的指標(biāo)，稱為換算指標(biāo)，包括土的干密度（干重度）、飽和密度（飽和重度）、有效重度、孔隙比、孔隙率和飽和度。 （1）干密度 rd 干密度是土的固相質(zhì)量 ms 與土的總體積V 之比， 干密度的單位是g/cm3。土的干密度越大，土越密實(shí)，強(qiáng)度就越高，水穩(wěn)定

35、性也好。干密度常用作填土密實(shí)度的施工控制指標(biāo)。 （2）土的飽和密度 rsat 土的飽和密度是當(dāng)土的孔隙中全部為水所充滿時的密度，即全部充滿孔隙的水的質(zhì)量 mw 與固相質(zhì)量 ms 之和與土的總體積 V 之比，,土的飽和密度的單位是g/cm3。當(dāng)用干密度或飽和密度計算重力時，也應(yīng)乘以10變換為干重度或飽和重度。,（3） 有效重度g 有效重度是扣除浮力以后的固相重力與土的總體積之比（又稱為浮重度），,式中 gw 為水的重度，純水在 4 時的重度等于9.81kN/m3，在工程上常取為10 kN/m3。在計算地下水位以下土層的自重應(yīng)力時應(yīng)當(dāng)用有效重度。 4）土的孔隙比e 土的孔隙比是孔隙的體積 Vv 與

36、固相體積 Vs 之比，以小數(shù)計，,孔隙比常用來評價土的緊密程度，或從孔隙比的變化推算土的壓密程度。,（5）土的孔隙率n 土的孔隙率是孔隙的體積 Vv 與土的總體積 V 之比，,（6）土的飽和度Sr 土的飽和度是指孔隙中水的體積 Vw 與孔隙體積Vv 之比，常用百分?jǐn)?shù)表示，即,四.三相指標(biāo)之間的換算關(guān)系 在三相比例指標(biāo)中，三個試驗指標(biāo)是基本指標(biāo)，通過試驗指標(biāo)，所有三相比例指標(biāo)之間可以建立相互換算關(guān)系，具體的換算公式可見表2-1。,表2-1 土的三相比例指標(biāo)換算公式,在實(shí)際工程計算中一般是先導(dǎo)出相應(yīng)的換算公式，然后直接用換算公式計算。,五.三相指標(biāo)測定 (1)土的密度試驗 土的密度一般用“環(huán)刀法”

37、測定，使用一個圓環(huán)（刀刃向下）放在削平的原狀土樣面上，徐徐削去環(huán)刀外圍的土，邊削邊壓，使土樣壓滿環(huán)刀內(nèi)，稱得環(huán)刀內(nèi)土樣質(zhì)量，求出它與環(huán)刀容積之比值即為其密度。 （2）土的含水量試驗 土的含水量一般用“烘干法”測定，先稱取小塊原狀土樣的濕土質(zhì)量m，然后置于烘箱內(nèi)維持100105 烘至恒重，再稱出干土質(zhì)量ms，濕土與干土質(zhì)量之差為土塊中水的質(zhì)量mw，而土的含水量為,(3)土粒密度試驗 土粒密度試驗一般是采用比重瓶法測定土粒的比重，通過測定干土質(zhì)量和瓶、水總質(zhì)量以及瓶、水、試樣總質(zhì)量和懸液溫度，由下式計算土粒的比重Gs,式中 mbw為比重瓶、水總質(zhì)量，g；mbws為比重瓶、水、土總質(zhì)量，g； GIt

38、為ToC時純水或中性液體的比重。水的比重可查物理手冊；中性液體的比重應(yīng)實(shí)測。 詳細(xì)的試驗步驟請查閱土性指標(biāo)試驗中的比重瓶法比重試驗內(nèi)容。,六、砂土的相對密度 砂土的密實(shí)程度并不完全取決于孔隙比，而在很大程度上還取決于土的級配情況。粒徑級配不同的砂土即使具有相同的孔隙比，但由于顆粒大小不同，顆粒排列不同，所處的密實(shí)狀態(tài)也會不同。為了同時考慮孔隙比和級配的影響，引入砂土相對密實(shí)度的概念。 當(dāng)砂土處于最密實(shí)狀態(tài)時，其孔隙比稱為最小孔隙比；而砂土處于最疏松狀態(tài)時的孔隙比則稱為最大孔隙比。有關(guān)試驗標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了一定的方法測定砂土的最小孔隙比和最大孔隙比，然后可按下式計算砂土的相對密實(shí)度：,從上式可以看出，

39、當(dāng)砂土的天然孔隙比接近于最小孔隙比時，相對密實(shí)度Dr接近于1，表明砂土接近于最密實(shí)的狀態(tài)；而當(dāng)天然孔隙比接近于最大孔隙比時則表明砂土處于最松散的狀態(tài)，其相對密實(shí)度接近于0。根據(jù)砂土的相對密實(shí)度可以按表1-4將砂土劃分為密實(shí)、中密、和松散三種密實(shí)度。 表2-2砂土密實(shí)度劃分標(biāo)準(zhǔn),第三章 土的水理性質(zhì) 一、粘性土的稠度 1粘性土的狀態(tài) 隨著含水量的改變，粘性土將經(jīng)歷不同的物理狀態(tài)。當(dāng)含水量很大時，土是一種粘滯流動的液體即泥漿，稱為流動狀態(tài)；隨著含水量逐漸減少，粘滯流動的特點(diǎn)漸漸消失而顯示出塑性（所謂塑性就是指可以塑成任何形狀而不發(fā)生裂縫，并在外力解除以后能保持已有的形狀而不恢復(fù)原狀的性質(zhì)），稱為可

40、塑狀態(tài)；當(dāng)含水量繼續(xù)減少時，則發(fā)現(xiàn)土的可塑性逐漸消失，從可塑狀態(tài)變?yōu)榘牍腆w狀態(tài)。如果同時測定含水量減少過程中的體積變化，則可發(fā)現(xiàn)土的體積隨著含水量的減少而減小，但當(dāng)含水量很小的時候，土的體積卻不再隨含水量的減少而減小了，這種狀態(tài)稱為固體狀態(tài)。,2界限含水量 粘性土從一種狀態(tài)變到另一種狀態(tài)的含水量分界點(diǎn)稱為界限含水量。流動狀態(tài)與可塑狀態(tài)間的分界含水量稱為液限wL；可塑狀態(tài)與半固體狀態(tài)間的分界含水量稱為塑限wp；半固體狀態(tài)與固體狀態(tài)間的分界含水量稱為縮限ws。 塑限wp是用搓條法測定的。把塑性狀態(tài)的土在毛玻璃板上用手搓條，在緩慢的、單方向的搓動過程中土膏內(nèi)的水分漸漸蒸發(fā)，如搓到土條的直徑為3 mm

41、左右時斷裂為若干段，則此時的含水量即為塑限wp。詳細(xì)的試驗操作步驟請查閱滾搓法塑限試驗的內(nèi)容。,液限wL可采用平衡錐式液限儀測定。平衡錐重為76 g，錐角為30。試驗時使平衡錐在自重作用下沉入土膏，當(dāng)15 s內(nèi)正好沉入深度10 mm時的含水量即為液限wL。,3.塑性指數(shù)與液性指數(shù) （1）塑性指數(shù) 可塑性是粘性土區(qū)別于砂土的重要特征?？伤苄缘拇笮∮猛撂幵谒苄誀顟B(tài)的含水量變化范圍來衡量，從液限到塑限含水量的變化范圍愈大，土的可塑性愈好。這個范圍稱為塑性指數(shù) Ip ：,塑性指數(shù)習(xí)慣上用不帶的數(shù)值表示。塑性指數(shù)是粘土的最基本、最重要的物理指標(biāo)之一，它綜合地反映了粘土的物質(zhì)組成，廣泛應(yīng)用于土的分類和評價

42、。,2）液性指數(shù) 液性指數(shù) IL 是表示天然含水量與界限含水量相對關(guān)系的指標(biāo)，其表達(dá)式為：,可塑狀態(tài)的土的液性指數(shù)在0到l之間，液性指數(shù)越大，表示土越軟；液性指數(shù)大于1的土處于流動狀態(tài)；小于0的土則處于固體狀態(tài)或半固體狀態(tài)。,粘性土的狀態(tài)可根據(jù)液性指數(shù) IL 分為堅硬、硬塑、可塑、軟塑和流塑，見表3-1所示。 表3-1 按塑性指數(shù)值確定粘性土狀態(tài),二、粘性土的抗水性 1、粘性土的脹縮性 (1)粘性土的脹縮性基本概念 粘性土中含水量的變化不僅引起土稠度發(fā)生變化，也同時引起土的體積發(fā)生變化。粘性土由于含水量的增加，土體體積增大的性能稱為膨脹性；由于含水量的減少，體積減少的性能稱為收縮性。這種濕脹干

43、縮的性質(zhì)，統(tǒng)稱為土的脹縮性。膨脹、收縮等特性是說明土與水作用時的穩(wěn)定程度，故又稱土的抗水性。 土的膨脹可造成基坑隆起、坑壁拱起或邊坡的滑移、道路翻漿；土體積的收縮時常伴隨著產(chǎn)生裂隙，從而增大了土的透水性，降低了土的強(qiáng)度和邊坡的穩(wěn)定性。因此，研究土的脹縮性對工程建筑物的安全和穩(wěn)定具有重要意義。另外，還可利用細(xì)粒土的膨脹特性，將其作為填料或灌漿材料來處理裂隙。,(2)、粘性土膨脹性 指標(biāo) 表征土膨脹性的指標(biāo)主要有膨脹率、自由膨脹率、膨脹力、膨脹含水量。 膨脹率 原狀土在一定壓力和有側(cè)限條件下浸水膨脹穩(wěn)定后的高度增加量與原高度之比，稱為膨脹率，用百分率表示。其值愈大，說明土的膨脹性愈強(qiáng)。室內(nèi)試驗是用

44、環(huán)刀取土測定的，由于是在有側(cè)限條件下的膨脹，因此測得的膨脹率（線脹率）實(shí)際上就是體脹率即膨脹率，表達(dá)式為：,將一定體積的擾動烘干土樣經(jīng)充分吸水膨脹穩(wěn)定后，測得增加的體積與原干土體積之比即為自由膨脹率 原始土樣的體積不變時，由于浸水膨脹時產(chǎn)生的最大內(nèi)應(yīng)力稱為膨脹力。某些細(xì)粒土的膨脹力可達(dá)100kPa以上。 土樣膨脹穩(wěn)定后的含水量稱為膨脹含水量，此時擴(kuò)散層已達(dá)最大厚度，結(jié)合水含量增至極限狀態(tài).,( 3).土的收縮性指標(biāo) 體縮率 土樣失水收縮減少的體積與原體積之比，以百分率表示：,線縮率 土樣失水收縮減少的高度與原高度之比，以百分率表示：,收縮系數(shù) 原狀土樣在直線收縮階段，含水量每減少1%時的豎向線

45、縮率.,2.粘 性 土 的 崩 解 性 (1)粘性土的崩解性定義:粘性土由于浸水而發(fā)生崩解散體的特性稱崩解性. (2)粘性土的崩解形式是多種多樣的:有的是均勻的散粒狀,有的呈鱗片狀,碎塊狀或崩裂狀等. (3)崩解現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于土水化,使顆粒間連接減弱及部分膠結(jié)物溶解而引起的崩解.是表征土的抗水性的指標(biāo). (4)評價粘性土的崩解性一般采用下列三個指標(biāo): 崩解時間:一定體積的土樣完全崩解所需的時間; 崩解特征:土樣在崩解過程的各種現(xiàn)象,即出現(xiàn)的崩解形式; 崩解速度:土樣在崩解過程中質(zhì)量的損失與原土樣質(zhì)量之比,和時間的關(guān)系,三.土的透水性和毛細(xì)性 土的透水性就是指水在土孔隙中滲透流動的性能。水在土

46、體孔隙中流動的現(xiàn)象稱為滲流。土的滲透問題包括：滲透流量問題，滲透變形（或滲透破壞）問題，滲流控制問題等。 1.土的滲透規(guī)律 在層流狀態(tài)下，土中水的滲流速度與能量損失之間服從線性滲流規(guī)律即Darcy定律（法國工程師1856）。該定律認(rèn)為，滲出水量Q與圓筒過水?dāng)嗝娣eA和水力梯度I成正比，且與土的透水性質(zhì)有關(guān)，其表達(dá)式為：,式中：v-滲透速度（cm/s）；k-滲透系數(shù)（cm/s）。,斷面1,斷面2,Q,L,h,H2,H1,O,O,（2）上游置一個穩(wěn)定的溢水 裝置保持穩(wěn)定水頭 （3）實(shí)驗上端進(jìn)水，下端出水示意流線 （4）圓筒中上、下斷安裝測壓管測定兩個斷面的水頭，水頭差為h；兩斷面相距L （5）下端出

47、口測定流量為Q。,達(dá)西定律表達(dá)式：,達(dá)西定律線性滲透定律（Linear Law） 實(shí)驗條件： （1）等徑圓筒裝入均勻砂樣，斷面面積,水力學(xué)中：,達(dá)西定律另一表達(dá)式：,滲透系數(shù)是反映土的透水性能的比例系數(shù)，是水力梯度為1時的滲透速度。其物理含義是單位面積單位水力梯度單位時間內(nèi)透過的水量。 土的滲透系數(shù)參考表(3-2),圖3-1 土的滲透曲線,2.土的毛細(xì)性 土的毛細(xì)性是指存在于土毛細(xì)孔隙中的水，在彎液面力的作用下，沿著毛細(xì)孔隙向各方向運(yùn)動的性能。 毛細(xì)現(xiàn)象水在毛細(xì)孔隙中運(yùn)動的現(xiàn)象。 土中毛細(xì)水主要存在于孔徑為 0.0020.5mm的毛細(xì)孔隙中。 土的毛細(xì)性受土的粒度成分、礦物成分、水溶液的化學(xué)成

48、分和濃度、土的結(jié)構(gòu)、氣溫、蒸發(fā)等因素的影響。,第四章 土的力學(xué)性質(zhì) 一.土的壓縮性 1、壓縮變形的本質(zhì) 土的壓縮性是指土在壓力作用下體積壓縮變小的性能。 在研究土的壓縮變形中假定：土粒與水本身的微小變形可忽略不計，土的壓縮變形主要是由于孔隙中的水和氣體被排出，土粒相互移動靠攏，致使土的孔隙體積減小而引起的。 土體的壓縮變形實(shí)際上是孔隙體積壓縮，孔隙比減小所致。 對于飽和土來說，孔隙中充滿著水，土的壓縮主要是由于孔隙中的水被擠出引起孔隙體積減小，壓縮過程與排水過程一致，含水量逐漸減小。 孔隙水排出，土的壓縮隨時間而增長的過程，稱為土的固結(jié)。,2、土的壓縮試驗與壓縮定律 (1)壓縮試驗 室內(nèi)壓縮試

49、驗是取原狀土樣放入壓縮儀內(nèi)進(jìn)行試驗，壓縮儀的構(gòu)造如圖4-1所示。由于土樣受到環(huán)刀和護(hù)環(huán)等剛性護(hù)壁的約束，在壓縮過程中只能發(fā)生垂向壓縮，不可能發(fā)生側(cè)向膨脹，所以又叫側(cè)限壓縮試驗.,試驗的荷載逐級加上，根據(jù)各級壓力pi下的穩(wěn)定壓縮量hi，計算出相應(yīng)的穩(wěn)定孔隙比ei，有,式中：e0土樣的原始孔隙比；h0土樣的原始高度。,這樣，可根據(jù)壓縮試驗成果繪制孔隙比與壓力的關(guān)系曲線，稱壓縮曲線，如圖4-3所示。,(2）壓縮定律 壓縮系數(shù) 在壓縮曲線（圖4-3）上，當(dāng)壓力的變化范圍不大時，可將壓縮曲線上相應(yīng)一小段M1M2近似地用直線來代替。若M1點(diǎn)的壓力為p1相應(yīng)孔隙比為e1；M2點(diǎn)的壓力為p2相應(yīng)孔隙比為e2；

50、則M1M2段的斜率可用下式表示，即：,這個公式是土的力學(xué)性質(zhì)的基本定律之一，稱壓縮定律。它表明：在壓力變化范圍不大時，孔隙比的變化值(減小值)與壓力的變化值（增加值）成正比。其比例系數(shù)稱為壓縮系數(shù)，用符號a表示，單位為MPa-1。壓縮系數(shù)值越大，土的壓縮性就越高。,從圖4-3中可以看出，壓縮系數(shù)隨所取壓力變化范圍的不同而改變。在建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范（GBJ7-89）中規(guī)定,以p1=0.1MPa，p2=0.2MPa時相應(yīng)的壓縮系數(shù)a1-2作為判斷土的壓縮性的標(biāo)準(zhǔn)。 低壓縮性土：a1-20.1MPa-1 中等壓縮性土：0.1MPa-1a1-20.5 MPa-1 高壓縮性土：a1-20.5 MPa-

51、1 壓縮指數(shù) 當(dāng)采用半對數(shù)的直角坐標(biāo)來繪制室內(nèi)側(cè)限壓縮試驗e-p關(guān)系時，就得到了e-lgp曲線（見圖4-4）。在e-lgp曲線中可以看到，當(dāng)壓力較大時，e-lgp曲線接近直線，其斜率稱為壓縮指數(shù)Cc（無因次）：,壓縮指數(shù)Cc越大，土的壓縮性越大。 一般而言，低壓縮性土Cc0.4。粘性土的Cc值一般在0.1-1.0之間。,壓縮模量 壓縮模量Es：指土在側(cè)限條件下受壓時壓應(yīng)力z與相應(yīng)的應(yīng)變z之間的比值 (單位為MPa或kPa)，即：,因為,故壓縮模量Es與壓縮系數(shù)a之關(guān)系為：,式中：a為壓力從p1增加至p2時的壓縮系數(shù)；e1為壓力p1時對應(yīng)的孔隙比。,3.土的變形模量 土的變形模量是指土在無側(cè)限壓

52、縮條件下，壓應(yīng)力與相應(yīng)的壓縮應(yīng)變的比值，單位也是MPa，它是通過現(xiàn)場載荷試驗求得的壓縮性指標(biāo)，能較真實(shí)地反映天然土層的變形特性。 變形模量的確定方法：,現(xiàn)場載荷試驗得到的各級荷載與相應(yīng)的穩(wěn)定沉降量可繪制成載荷試驗ps曲線，如圖4-5。 設(shè)地基土壓密階段為彈性變形體，由ps曲線，可求地基的變形模量E0：,式中：s1相應(yīng)于比例界限p1的承壓板的下沉量； b承壓板的寬度或直徑； 土的泊松比，砂土可取0.20.25，粘性土可取0.250.45； 與承壓板有關(guān)的系數(shù)，對剛性載荷板取=0.88 (方形板)；=0.79（圓形板）。,4.土的前期固結(jié)壓力 (1)天然土層的固結(jié)狀態(tài) 一般來說，沉積時間較長的土層

53、經(jīng)歷固結(jié)時間長，比較密實(shí)，壓縮性較低；而沉積時間較短的土層經(jīng)歷固結(jié)時間短，比較疏松，壓縮性較高。 所謂固結(jié)是指土體在建筑物荷重或自重壓力及其它應(yīng)力作用下，其變形隨時間發(fā)展至完全穩(wěn)定的全過程。而前期固結(jié)壓力(p)是指土層在地質(zhì)歷史上曾經(jīng)受過的最大有效固結(jié)壓力。 工程中根據(jù)先期固結(jié)壓力與目前自重應(yīng)力的相對關(guān)系，將土層的天然固結(jié)狀態(tài)劃分為三種，即正常固結(jié)、超固結(jié)和欠固結(jié)。并用超固結(jié)比OCR作為反映土層天然固結(jié)狀態(tài)的定量指標(biāo)：,(2)前期固結(jié)壓力的確定 為了判斷天然土層的固結(jié)狀態(tài)及應(yīng)力歷史對地基變形的影響，需要確定土的前期固結(jié)壓力。目前工程實(shí)際中比較常用的是美國學(xué)者卡薩格蘭德（A. Casagrade

54、）的經(jīng)驗圖解法，簡稱C法，其步驟如下： （1）取原狀土做室內(nèi)高壓固結(jié)試驗，繪出e-log曲線，如圖4-6所示； （2）在e-log曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)處，找出相應(yīng)最小曲率半徑的點(diǎn)o，過o點(diǎn)作該曲線的切線ob和平行于橫坐標(biāo)的水平線oc； （3）作boc的分角線od，延長e-log曲線后段的直線段與od線相交于a點(diǎn)；則a點(diǎn)所對應(yīng)的有效固結(jié)壓力 ，即為該原狀土的前期固結(jié)壓力。,作 業(yè) （三） 1、土的壓縮變形特點(diǎn)？ 2、土的壓縮變形實(shí)質(zhì)？ 3、土的壓縮定律？ 4、土的壓縮模量，變形模量？ 5、土的固結(jié)？土的前期固結(jié)壓力 及其分類？ 6、不同土的壓縮特點(diǎn)？ 7、土的抗剪性？ 8、土的剪切試驗分類？ 9、庫侖定

55、律（土的抗剪性基本定律）？ 10、土的工程分類（巖土工程勘察規(guī)范分類法GB50021-2001）,二.土的抗剪性 土是由固體顆粒組成的，土粒間的連結(jié)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于土粒本身的強(qiáng)度，故在外力作用下土粒之間發(fā)生相互錯動，引起土中的一部分相對另一部分產(chǎn)生滑動。土粒抵抗這種滑動的性能，稱為土的抗剪性。 土的抗剪強(qiáng)度通過剪切試驗來研究。剪切試驗可分為直接剪切試驗和三軸剪切試驗兩大類。,直接剪切試驗 這是一種快速有效求抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的方法，在一般工程中普遍使用。直接剪切儀分為應(yīng)變控制式和應(yīng)力控制式兩種，前者是等速推動試樣產(chǎn)生位移，測定相應(yīng)的剪應(yīng)力，后者則是對試件分級施加水平剪應(yīng)力測定相應(yīng)的位移，目前我國普遍采用

56、的是應(yīng)變控制式直剪儀，該儀器的主要部件由固定的上盒和活動的下盒組成，試樣放在盒內(nèi)上下兩塊透水石之間。試驗時，由杠桿系統(tǒng)通過加壓活塞和透水石對試件施加某一垂直壓力P，然后等速轉(zhuǎn)動手輪對下盒施加水平推力，使試樣在上下盒的水平接觸面上產(chǎn)生剪切變形，直至破壞，剪應(yīng)力的大小可借助與上盒接觸的量力環(huán)的變形值計算確定。,對同一種土至少取4個試樣，分別在不同垂直壓力P下剪切破壞，一般可取垂直壓力為100、200、300、400kPa，將試驗結(jié)構(gòu)繪制成如圖所示的抗剪強(qiáng)度f和垂直壓力P之間關(guān)系，試驗結(jié)果表明，對于粘性土f-P基本上成直線關(guān)系，該直線與橫軸的夾角為內(nèi)摩擦角，在縱軸上的截距為內(nèi)聚力c。對于無粘性土，f

57、與P之間關(guān)系是通過原點(diǎn)的一條直線。 為了近似模擬土體在現(xiàn)場受剪的排水條件，直接剪切試驗可分為快剪、固結(jié)快剪和固結(jié)慢剪三種方法:快剪試驗是在試樣施加豎向壓力P后，立即快速施加水平剪應(yīng)力使試樣剪切破壞。固結(jié)快剪是允許試樣在豎向壓力下充分排水，待固結(jié)穩(wěn)定后，再快速施加水平剪應(yīng)力使試樣剪切破壞。慢剪試驗則是允許試樣在豎向壓力下排水，待固結(jié)穩(wěn)定后，以緩慢的速率施加水平剪應(yīng)力使試樣剪切破壞。直接剪切儀具有構(gòu)造簡單，操作方便等優(yōu)點(diǎn)，但它存在若干缺點(diǎn)，比如剪切面限定，不是沿土樣最薄弱的面剪切破壞；不能嚴(yán)格控制排水條件等。,應(yīng)變控制式直剪儀,三軸剪切試驗,三軸壓縮試驗是測定土抗剪強(qiáng)度的一種較為完善的方法。三軸壓

58、縮儀由壓力室、軸向加荷系統(tǒng)、施加周圍壓力系統(tǒng)、孔隙水壓力量測系統(tǒng)等組成。,常規(guī)試驗方法的主要步驟如下：將土切成圓柱體套在橡膠膜內(nèi)，放在密封的壓力室中，然后向壓力室內(nèi)壓入水，使試件在各個方向受到周圍壓力 ，并使液壓在整個試驗過程中保持不變，這時試件內(nèi)各向的三個主應(yīng)力都相等，因此不發(fā)生剪應(yīng)力。然后再通過傳力桿對試件施加豎向壓力，這樣，豎向主應(yīng)力就大于水平向主應(yīng)力，當(dāng)水平向主應(yīng)力保持不變，而豎向主應(yīng)力逐漸增大時，試件終于受剪而破壞。設(shè)剪切破壞時由傳力桿加在試件上的豎向壓應(yīng)力為1，則試件上的大主應(yīng)力為1=3+1，而小主應(yīng)力為3，以(1-3)為直徑可畫出一個極限應(yīng)力圓，如圖中的圓I，用同一種土樣的若干個

59、試件(三個上)按以上所述方法分別進(jìn)行試驗，每個試件施加不同的周圍壓力3，可分別得出剪切破壞時的大主應(yīng)力1，將這些結(jié)果繪成一組極限應(yīng)力圓，如圖中的圓、和。由于這些試件都剪切至破壞，根據(jù)莫爾-庫倫理論，作一組極限應(yīng)力圓的公共切線，即為土的抗剪強(qiáng)度包線，通?？山迫橐粭l直線，該直線與橫座標(biāo)的夾角即為土的內(nèi)摩擦角，直線與縱座標(biāo)的截距即為土的內(nèi)聚力c。,莫 爾- 庫 倫 理 論,三軸壓縮試驗按剪切前的固結(jié)程度和剪切時的排水條件，分為以下三種試驗方法：(1)不固結(jié)不排水試驗試樣在施加周圍壓力和隨后施加豎向壓力直至剪切破壞的整個過程中都不允許排水，試驗自始至終關(guān)閉排水閥門。(2)固結(jié)不排水試驗試樣在施加周

60、圍壓力3打開排水閥門，允許排水固結(jié)，待固結(jié)穩(wěn)定后關(guān)閉排水閥門，再施加豎向壓力，使試樣在不排水的條件下剪切破壞。 (3)固結(jié)排水試驗試樣在施加周圍壓力3時允許排水固結(jié)，待固結(jié)穩(wěn)定后，再在排水條件下施加豎向壓力至試件剪切破壞。三軸壓縮儀的突出優(yōu)點(diǎn)是能較為嚴(yán)格地控制排水條件以及可以量測試件中孔隙水壓力的變化。此外，試件中的應(yīng)力狀態(tài)也比較明確，破裂面是在最弱處，而不象直接剪切儀那樣限定在上下盒之間。,三、土的動力壓實(shí)性 土的壓實(shí)是指土體在壓實(shí)能量作用下，土顆?？朔ｉg阻力，產(chǎn)生位移，使土中孔隙減小，密度增加。 1.土的壓實(shí)與含水量的關(guān)系 土的含水量是影響填土壓實(shí)性的主要因素之一。在低含水量時，水被土顆