01第一章土的物理性質(zhì)及工程分類

1、課題：第一章土的物理性質(zhì)及工程分類一、教學(xué)目的：1.了解土的生成和工程力學(xué)性質(zhì)及其變化規(guī)律;掌握土的物理性質(zhì)指標(biāo)的測定方法和指標(biāo)間的相互轉(zhuǎn)換;熟悉土的抗?jié)B性與工程分類。二、教學(xué)重點：土的組成、土的物理性質(zhì)指標(biāo)、物理狀態(tài)指標(biāo)。三、教學(xué)難點：指標(biāo)間的相互轉(zhuǎn)換及應(yīng)用。四、教學(xué)時數(shù)：6學(xué)時。五、習(xí)題：第一章土的物理性質(zhì)及工程分類一、土的生成與特性土的生成工程領(lǐng)域土的概念：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)分僅在于顆粒膠結(jié)的強弱，土和石沒有明顯區(qū)分。土的生成:巖石在各種風(fēng)化作用下形成的固體礦物、流體水、氣體混合物。不同風(fēng)化形成不同性質(zhì)的土，有下列三種：（1）物理風(fēng)化：只改變顆粒

2、大小，不改變礦物成分。由物理風(fēng)化生成土為粗粒土（如塊碎石、礫石、砂土），為無粘性土。（2）化學(xué)風(fēng)化：礦物發(fā)生改變，生成新成分一次生礦物。由化學(xué)風(fēng)化生成土為細粒土，具有粘結(jié)力（粘土和粘質(zhì)粉土），為粘性土。（3）生物風(fēng)化：動植物與人類活動對巖體的破壞。礦物成分沒有變化。土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造（1）土的結(jié)構(gòu)定義：土顆粒間的相互排列和聯(lián)結(jié)形式稱為土的結(jié)構(gòu)。1）種類：單粒結(jié)構(gòu)：每一個顆粒在自重作用下單獨下沉并達到穩(wěn)態(tài)。蜂窩結(jié)構(gòu)：單個下沉，碰到已下沉的土顆粒，因土粒間分子引力大于重力不再下沉，形成大孔隙蜂窩狀結(jié)構(gòu)。絮狀結(jié)構(gòu)：微粒極細的粘土顆粒在水中長期懸浮，相互碰撞吸引形成小鏈環(huán)狀土集粒。小鏈之間相互吸引，形成大

3、鏈環(huán)，稱絮狀結(jié)構(gòu)。圖土的結(jié)構(gòu)3）工程性質(zhì)：密實的單粒結(jié)構(gòu)工程性質(zhì)最好，蜂窩結(jié)構(gòu)與絮狀結(jié)構(gòu)如被擾動破壞天然結(jié)構(gòu)，則強度低、壓縮性高，不可用做天然地基。(2)土的構(gòu)造定義：同一土層中，土顆粒之間的相互關(guān)系。種類：層狀結(jié)構(gòu)：由不同顏色或不同粒徑的土組成層理，一層一層互相平行。分散構(gòu)造：土粒分布均勻，性質(zhì)相近，如砂與卵石層為分散構(gòu)造。結(jié)核狀構(gòu)造:在細粒土中混有粗顆?；蚋鞣N結(jié)核，屬結(jié)核狀構(gòu)造。裂隙狀構(gòu)造：土體中有很多不連續(xù)的小裂隙。工程性質(zhì)：分散結(jié)構(gòu)的工程性質(zhì)最好，結(jié)核狀取決于細粒土，裂隙狀滲透性大，工程性質(zhì)差。土的工程特性壓縮性高當(dāng)應(yīng)力數(shù)值相同，材料厚度一樣時，卵石的壓縮性為剛才壓縮性的數(shù)千倍；飽和細

4、沙的壓縮性為C20混凝土的數(shù)千倍，足以證明土的壓縮性極高。軟塑或流塑狀態(tài)的粘性土比飽和細沙的壓縮性還要高。強度低土的強度特指抗剪強度，而非抗壓強度或抗拉強度。無粘性土的強度來源于土粒表面滑動的摩擦和顆粒間的咬合摩擦；粘性土的強度出摩擦力外，還有粘聚力，均遠小于建筑材料本身的強度。(3)透水性大土體顆粒間具有許多透水空隙，因此透水性比木材、混凝土都大，尤其是粗顆粒的卵石或砂土，其透水性更大。土的生成與工程特性的關(guān)系搬運、沉積條件：沖積層優(yōu)于風(fēng)積層。沉積年代：沉積年代越長，工程性質(zhì)越好。自然環(huán)境：特殊土地基。二、土的三相組成土的三相組成是指土由固體礦物、水和氣體三部分組成。土的固體顆粒土的固體顆粒

5、是土的三相組成中的主體，是決定土的工程性質(zhì)的主要成分。土粒的礦物成分原生礦物由巖石經(jīng)物理風(fēng)化生成，它的成分與母巖的相同，常見的有石英，包括單礦物顆粒一個顆粒為單一的礦物，如常見的石英、長石、云母、角閃石與灰石等，砂土即為單礦物顆粒；多礦物顆粒一個顆粒中包含多種礦物，如巨粒土的漂石、卵石和粗粒土的礫石，往往為多礦物顆粒。2）次生礦物母巖經(jīng)化學(xué)風(fēng)化生成的新礦物，它的成分成分與母巖的完全不同。次礦物主要是粘土礦物，由兩種種原子層構(gòu)成：一種是Si-O四面體構(gòu)成的硅氧晶片，另一種是Al-OH八面體構(gòu)成的鋁氫氧晶片。因為這兩種晶片結(jié)合的情況不同，粘土礦物可分為下列三種：圖粘土礦物兩種原子層蒙脫石兩結(jié)構(gòu)單元

6、之間沒有氫鍵，相互的聯(lián)結(jié)弱，水分子可以進入量晶胞之間。因此，蒙脫石的親水性最大，具有強烈的吸水膨脹、失水收縮的特性。伊利石一又稱水云母，部分Si-o四面體中的Si為Al、Fe所取代，損失的原子價由陽離子鉀補償。因此，晶格層組之間具有結(jié)合力，親水性低于蒙脫石。高嶺石晶胞之間有氫鍵，相互結(jié)合力較強，晶胞之間的距離不易改變，水分子不能進入。因此，高嶺石的親水性最小。腐殖質(zhì)：土中腐殖質(zhì)含量多，使土的壓縮性增大。有機質(zhì)超過3%5%的不宜作為建筑材料。（2）土顆粒的大小和形狀通過界限粒徑（劃分粒組的分界尺寸）將土顆粒劃分為6個粒組：粘粒（小于mm）、粉粒（,）、砂粒（，2）、圓礫（角礫）（2，60）、卵石

7、（碎石）/（60，200）、漂石（塊石）（大于200mm）。通常粗粒土的壓縮性低、強度高、滲透性大。表面粗糙抗剪強度越高。（3）土的顆粒級配粒徑級配：土中各粒組的相對含量，占總質(zhì)量的百分數(shù)。1）篩分法：適用于礫石類和砂類土，,主要設(shè)備為一套標(biāo)準分析篩，孔徑分別為20,10,5,取樣數(shù)量：dV20mm，可取10002000g;d10mm，可取3001000g;dV2mm，可取100300g;震篩1015min后稱取各級篩底盤試樣的質(zhì)量。2)密度計法:適用于粉土和粘性土，d1g/cm3；冰點處于零下幾十度具有固體的的特性；接近固體，不傳遞靜水壓力；溫度高于100C時可蒸發(fā)，粘土只含結(jié)合水時呈堅硬狀

8、態(tài)。弱結(jié)合水：位于強結(jié)合水之外，電場引力作用范圍之內(nèi)；密度大；不傳遞靜水壓力(不應(yīng)重力而移動)；有粘滯性。自由水：離土粒較遠，位于電場引力范圍外，排列散亂。重力水：位于地下水位以下，具有浮力作用，可從總水頭較高處向較低處流動。毛細水：位于地下水位以上，受毛細作用上升，粉土中空隙小，毛細水上升高。(2)氣態(tài)水：水汽，影響不大。(3)固態(tài)水:0C以下自由水發(fā)生凍脹。3.土中氣體土顆粒中沒有被水填充的部分為氣體。（1）自由氣體：與大氣連通，壓縮逸出，對工程無影響。（2）封閉氣體：與大氣隔絕，加載縮小，卸載膨脹，使土的滲透性降低。三、土的物理性質(zhì)指標(biāo)土的三項基本物理性質(zhì)指標(biāo)（此三項均由實驗室測定）（1

9、）土的密度P和土的重度Y1）物理意義：P為單位體積土的重量，g/cm3。Y單位體積土所受的重力，即Y=Pg=9,8pq10p,kN/m3。2）表達式土的總質(zhì)量mp=土的總體積V3）常見值：p=1.62.2g/cm3,丫=1622kN/cm3。4）測定方法：環(huán)刀法（粘性土和粉土），灌水法（卵石、礫石與原狀砂）（2）土粒比重G（d）ss1）物理意義：土中固體礦物的質(zhì)量與同體積4C時的純水質(zhì)量的比值。ms-2）表達式：G_固體顆粒的密度=V_Ps-純水4c時的密度=p（4c）-p（4c）ww3）常見值：砂土G=2,69,粉土G=,粘性土，數(shù)值大小取決于礦物成分。ss4）測定方法：比重瓶法；經(jīng)驗法。（

10、3）土的含水率o1）物理意義:土體中水的質(zhì)量與固體礦物質(zhì)量的比值，用百分數(shù)表示。2）表達式：水的質(zhì)量mwX100%固體顆粒質(zhì)量ms3）常見值：砂土o二0%-40%，粘性土o二20%-60%,oq0，粘性土呈堅硬狀態(tài)。4）測定方法：烘箱法。反映土的松密程度的指標(biāo)（1）土的孔隙比e1）物理意義：土中孔隙體積與固體顆粒體積之比?？紫扼w積=V2）表達式：e=固體顆粒體積=礦S3）常見值：砂土e二0.51.0，粘性土e二0.51.24）確定方法：由p、Gs、O實測值推算。V2）土的孔隙度（孔隙率）n2）表達式：n-孔隙體積-紅X100%土體總體積V1）物理意義：表示孔隙體積含量，土中空隙占總體積的百分比

11、。3）常見值：n二30%50%4）確定方法：由p、G、實測值推算。S3.反映土中含水程度的指標(biāo)（1）含水率（前已述）（2）土的飽和度Sr1）物理意義：水在空隙中的充滿程度。2）表達式：水的體積VS=wr孔隙體積VV3）常見值：S=01r4）確定方法：由p、G、實測值推算。S5）工程應(yīng)用：砂土和粉土以飽和度分為稍濕（V）、很濕（）、飽和（）三類。4.特定條件下土的密度（重度）（1）土的干密度P和土的干重度Ydd1）物理意義：干密度為單位體積土的質(zhì)量，g/cm3。3）表達式固體顆粒質(zhì)量mp=d土的總體積V2）土的干重度為單位體積干土所受的重力，即y=pg二9.8pu10pkN/m3。dddd4)常

12、見值：p二1.32.0g/cm3；y二1320kN/cm3dd5）工程應(yīng)用：干密度或干重度越大，表明土體越密實，表明工程質(zhì)量越好。6）測定方法：環(huán)刀法，放射性同位素測試儀。（2）土的飽和密度y和土的飽和重度psatsat1）物理意義：孔隙中全部充滿水時單位體積土的質(zhì)量，g/cm3?？紫吨腥砍錆M水時單位體積土所受的重力，即y=Pg二9.8pusatsatsat2）表達式孔隙全部充滿水的總質(zhì)量=m+m+Vppsat土的總體積V10pkN/m3。satm+Vp=sv-w3)常見值：p=1.82.3g/cm3；y二18-23kN/cm3satd3）土的有效重度（浮重度）y1）物理意義：地下水位以下土

13、體單位體積土所受的重力扣除浮力。2）表達式Y(jié)=Y-Ysatw3）常見值：y=813kN/m3。*有效密度：p二代-Vs）V延伸：各種密度和重度之間的大小關(guān)系天然密度：干密度：飽和密度：psatmpVmp二一sdVm+pVswvVpppsat天然重度：Y=pg、干重度：Y=pgddd飽和重度：Y=pgsatsat浮重度：y=y-ysatw=YYYYsatd規(guī)律總結(jié)：（1）當(dāng)設(shè)V=1時,(1+)G1=rr1sV=1nm=Gnm=Gsssws=Vnm=G(1+w)nV=(口/nVspv當(dāng)設(shè)V=1時,*ppp*pV=1nm=pnm=nm=VnV=nV=1s1+ww1+wwsG(1+w)vG(1+w)S

14、S四、土的物理狀態(tài)指標(biāo)1.無粘性土的密實度孔隙比標(biāo)準(同級配)(2)相對密度標(biāo)準：e-e=maxre-emaxmin用D指標(biāo)可將土的密實程度分為：松散（D1/3）中密（1/3D2/3）rrrr三種狀態(tài)。（3）貫入試驗標(biāo)準一種現(xiàn)場原位測試試驗：鋼錘提升76cm高度貫入30cm所需錘擊數(shù)N,反映貫入阻力的大小，亦即密實度的大小，將土分為松散（N10）稍密（10N15）中密（15N30）。2.粘性土的物理狀態(tài)指標(biāo)無粘性土為單粒結(jié)構(gòu)，土粒與土中水的相互作用不明顯，但是粘性土顆粒很細，土粒與土中水相互作用明顯，關(guān)系密切，同一種土隨著含水率的增加土的狀態(tài)變化為固態(tài)一半固態(tài)一可塑狀態(tài)一液體狀態(tài)，可見粘性土的

15、主要物理特征并非非粘性土使用的指標(biāo)，而是稠度（反映土粒間的聯(lián)結(jié)強度隨著含水率高低而變化的性質(zhì)）。（1）液限3（%）L1）定義粘性土呈液態(tài)與塑態(tài)之間的分界含水率。2）測定方法：錐式液限儀：蝶式液限儀：（2）塑限3（%）P1）定義粘性土半固態(tài)與塑態(tài)之間的分界含水率。2）測定方法：滾搓法液塑限聯(lián)合測定法（3）塑性指數(shù)IP1）定義液限與塑限的差值去掉百分數(shù)即為塑性指數(shù)。I=（33）X100（）PLP2）物理意義反映液塑限區(qū)間的大小，I大，表明液塑區(qū)間大，吸附結(jié)合水多，但仍處于可塑狀態(tài),P說明該土的粘粒含量高或者礦物成分吸水能力強。3）工程應(yīng)用：可作為粘性土與粉土定名的標(biāo)準（下節(jié)敘述）。（4）液性指數(shù)I

16、l1）定義天然含水率與塑限的差值和液限和塑限的差值之比，即33/、I二（）L33LP2）物理意義天然含水率靠近液限還是靠近塑限，反映土的軟硬不同。3）工程應(yīng)用液性指數(shù)可以將土分為5中軟硬不同的狀態(tài)：堅硬（0）、硬塑（0,）、可塑（,）、軟塑（,1）、流塑（1）。（5）活動度A1）定義塑性指數(shù)與土中膠粒含量百分數(shù)的比值，A二-R（）m2）物理意義：反映粘性土中所含礦物的活動性。根據(jù)活動度的大小可將土分為3種不活動粘土（A）、正常粘土A、活動粘土（A。（6）靈敏度1）定義原狀土的無側(cè)限抗壓強度與同一土經(jīng)重塑后的無側(cè)限抗壓強度之比：S二和（）tqu3）物理意義反映粘性土結(jié)構(gòu)性的強弱。根據(jù)靈敏度的大小

17、可將土分為3類：高靈敏土（St4）、中靈敏土（2StW4）、低靈敏土（StW2）。工程應(yīng)用：保護基槽，利用觸變性（粘性土的抗剪強度隨時間恢復(fù)的膠體化學(xué)性質(zhì)）五、土的滲透及滲流在水位差作用下，水透過土體空隙流動的現(xiàn)象稱為滲透或滲流，土被水透過的性質(zhì)稱為滲透性，例如壩體滲流和基坑滲流。層流滲流理論1856年法國學(xué)者Darcy對砂土的滲透性進行研究，水在土中的滲透速度與試樣的水力梯度成正比：v=ki（）注意：（1）由于水是從顆?？障堕g流過，故滲透速度非真實流速，v=nv、n為孔實際隙度。2）k反映土的滲透性大小，越大阻力越小，反之不易透過，是單位水力梯度的滲透速度。i為水力梯度，沿滲流方向單位距離的

18、水頭損失：i=Ah/L。()達西定律適用范圍砂土的滲透速度與水頭梯度呈線性關(guān)系(圖略)。密實粘性土，需要克服結(jié)合水的粘滯阻力后才能發(fā)生滲透，同時滲透系數(shù)與水力坡降的規(guī)律偏離達西定律而呈非線性關(guān)系。即v=k(i-i)，水力梯度較大時才會產(chǎn)生滲流。在礫類土和巨粒土中，若水頭梯度較大，水在其中的流動大多是紊流狀態(tài)，呈非線性關(guān)系，只有在較小的水頭梯度時，才可能是線性的，此時v=eJi綜上：達西定律適用于飽和砂土，層流，不適用于紊流。滲透系數(shù)及確定方法(1)室內(nèi)常水頭試驗保持土樣兩端水頭不變，測定一定時間內(nèi)流出的水量Q：hQ=qt=kiFt=kFt所以QLhFt透水性較差可采用變水頭試驗影響滲透系數(shù)的因

19、素土粒大小與級配土顆粒越粗，越渾圓，越均勻，滲透性越大。級配良好土，細顆粒填充在粗顆?？障吨校瑵B透性變小。土的密實度同種土在不同的密實狀態(tài)下具有不同的滲透系數(shù)，土的密實度增大，孔隙比降低，土的滲透性也減小。礦物成分和結(jié)合水膜粘性土中含有親水礦物或有機質(zhì)時，由于它們具有很大的膨脹性，就大大降低了土的滲透性。粘性土中結(jié)合水膜較厚時，滲透性也會降低。土中封閉氣體含量土中封閉氣體阻塞滲流通道，使土的滲透系數(shù)降低。封閉氣體含量愈多，土的滲透性愈小。土的結(jié)構(gòu)構(gòu)造粘土顆粒形狀是扁平的，有定向排列作用，在不等應(yīng)力作用下，土體造成了土體性質(zhì)的各向異性，也包含了土體滲透性的各向異性。水溫溫度高時，水的動力粘滯系數(shù)

20、變小，滲透性變大。六、土的動力特性滲流力與臨界水頭梯度(1)滲流力滲流力：單位土體中的土顆粒所受到的滲流作用力，又稱動水力。它是體積力，單位kN/m3oF=yhAW由于試樣的總滲流力J和土粒對水的阻力F是大小相等方向相反，所以J=F=YhA,W所以滲流作用于單位土體的力JALYhAw-AL二iYw可見，滲流力是滲流對單位土體的作用力，是一種體積力，其大小與水頭梯度成正比,作用方向與滲流方向一致。滲流力的存在，將使土體內(nèi)部受力發(fā)生變化，這種變化對土體穩(wěn)定性有顯著的影響：滲流力方向與重力一致，促使土體壓密、強度提高，有利于土體穩(wěn)定；滲流力方向近乎水平，使土粒產(chǎn)生向下游移動的趨勢，不利于土體穩(wěn)定；滲

21、流力方向與重力相反，當(dāng)滲透力大于土體的有效重度，土顆粒將被水流沖出。(2)臨界水頭梯度當(dāng)向上的滲透力大于土塊的水下重力時，土體處于懸浮狀態(tài)而失去穩(wěn)定，土粒隨水流動，這種現(xiàn)象稱為流砂或流土，發(fā)生流砂或流土?xí)r的水頭梯度為臨界水頭梯度iocrG-_Y_Yssatcr1+eYYww當(dāng)ii時發(fā)生流土。cr滲透變形滲透水流將土體細顆粒沖走、帶走或局部土體產(chǎn)生移動導(dǎo)致的土體變形。流土：滲流作用下，局部土體表面隆起，或某一范圍內(nèi)土粒群同時發(fā)生懸浮、移動的現(xiàn)象。防治措施:垂直截滲：如壩體下混凝土防滲墻，改變滲透路徑或隔水。水平鋪蓋：壩體存水側(cè)設(shè)置粘土鋪蓋。排水減壓：設(shè)置減壓井或深挖排水槽。下游加透水蓋。土層加固

22、，如凍結(jié)法。（2）管涌：滲流作用下，土的細顆粒在粗顆粒形成的空隙中移動，以致流失，最終導(dǎo)致土體中形成貫通滲流通道，形成土體塌陷。防治措施：和防治流土措施基本相同。七、地基土的工程分類依據(jù)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范的分類標(biāo)準進行分類。巖石（1）定義顆粒間牢固聯(lián)結(jié)、呈整體或具有節(jié)理裂隙的巖體稱為巖石。（2）分類1）按堅硬程度劃分：堅硬巖、較硬巖、較軟巖、軟巖、極軟巖。2）按分化程度劃分：未風(fēng)化、微風(fēng)化、弱風(fēng)化、強風(fēng)化、全分化。3）按巖石完整程度劃分：完整、較完整、較破碎、破碎、極破碎。碎石土（1）定義土的粒徑大于2mm的顆粒含量超過全重50%的土稱為碎石土。（2）分類依據(jù)以顆粒形狀與粒組含量為準。（3）

23、定名：圓形和亞圓形為主的有漂石、卵石、圓礫；以棱角性為主的有塊石、碎石、角礫。（4）工程性質(zhì)1）密實碎石土：骨架顆粒含量大于總重的70%，呈交錯排列，連續(xù)接觸，優(yōu)良地基。2）中密碎石土：骨架顆粒含量大于總重的60%70%，呈交錯排列，大部分接觸，優(yōu)良地基。3）稍密碎石土：骨架顆粒含量大于總重的55%60%，排列混亂，大部分不接觸，良好地基。4）松散碎石土：骨架顆粒含量小于總重的55%，排列十分混亂，絕大部分不接觸，良好地基。3砂土（1）定義：土的粒徑大于2mm的顆粒含量不超過全重50%且大于的顆粒超過全重的50%。（2）分類依據(jù)：粒徑級配。（3）定名：礫砂、粗砂、中砂、細砂、粉砂。（4）工程性

24、質(zhì)1）密實與中密狀態(tài)的礫砂為優(yōu)良地基；稍密狀態(tài)的礫砂、粗砂、中砂為良好地基。2）密實粉砂與細砂為優(yōu)良地基；飽和疏松狀態(tài)時為不良地基。4.粉土（1）定義：塑性指數(shù)Ip-10且粒徑大于的顆粒含量不超過全重50%的土。（2）定名：單一分類。（3）工程性質(zhì)：密實時為良好地基，飽和和稍密時地震容易液化，為不良地基。粘性土（1）定義：塑性指數(shù)I10。P（2）分類依據(jù)：塑性指數(shù)大小。（3）定名：I17為粘土，10IPPsatd已知某土樣的土粒比重G=2.72，孔隙比為，飽和度為。若將此土的飽和度提高到,S則每1m3加多少水解：已知G二2.72,e二0.95,S二0.37,S二0.9,V二1m3Sr1r1=eV=0.95V,V=SV=0.37Vvsswrvv二V+V二1.95V二1m3,V二0.513m3svss二0.95x0.513二0.487m3v=0.37V二0.37x0.487二0.18m3TOC o 1-5 h zw1v=0.9V=0.9x0.487=0.438m3w2vV=V-V=0.438-0.18=0.258m3v2v1加水質(zhì)量m=V=0.258t=258kg一干砂試樣的密度為g/cm3,土粒比重。將此干砂試樣置于雨中，若砂樣體積不變，飽和度增加到。計算此濕砂的密度和含水率。解：設(shè)V=1c