土的工程性質(zhì)與分類課件

一、概述

土的定義：

是連續(xù)、堅固的巖石在風(fēng)化作用下形成的大小懸殊的顆粒，在原地殘留或經(jīng)過不同的搬運方式，在各種自然環(huán)境中形成的堆積物。土的物質(zhì)組成：

包括作為上骨架的固體礦物顆粒、孔隙中的水及其溶解物質(zhì)以及氣體。因此，土是由顆料（固相）、水溶液（液相）和氣（氣相）所組成的三相體系。二、土的組成

(一).固體顆粒在土的三相組成物質(zhì)中，固體顆粒（以下簡稱土粒）是土的最主要的物質(zhì)成分。土的工程性質(zhì)主要取決于組成土的土粒的大小和礦物類型，即土的粒度成分和礦物成分。

1.基本概念

粒徑（度）：

顆粒大小以直徑（單位為mm）計，稱為粒徑（或粒度）。

粒組：

界于一定粒徑范圍的土粒，稱為粒組.

粒度成分（或稱顆粒級配）：

土中不同粒組顆粒的相對含量，稱為土的粒度成分（或稱顆粒級配），它以各粒組顆粒的重量占該土顆粒的總重量的百分?jǐn)?shù)來表示。

2.土的粒組劃分標(biāo)準(zhǔn)：

劃分方法不完全一致，一般采用的粒組劃分及各粒組土粒的性質(zhì)特征見表2-1。表中根據(jù)界限粒徑200、20、2、0.075和0.005mm把土粒分為六大粒組：漂石（塊石）顆粒:d＞200mm;

卵石（碎石）顆粒:200mm＞d＞20mm;

圓礫（角礫）顆粒:20mm＞d＞2mm;

砂粒:2mm＞d＞0.075mm;

粉粒:0.075mm＞d＞0.005mm;

粘粒:d＜0.005mm。

3.各粒組特征的規(guī)律：

★顆粒愈細(xì)小，與水的作用愈強烈。所以，毛細(xì)作用由無到毛細(xì)上升高度逐漸增大；★透水性由大到小，甚至不透水；★逐漸由無粘性、無塑性到具有愈大的粘性和塑性以及吸水膨脹性等一系列特殊性質(zhì)（結(jié)合水發(fā)育的結(jié)果）；★在力學(xué)性質(zhì)上，強度逐漸變小，受外力時，愈易變形。

4.粒度成分對土工程性質(zhì)影響的實質(zhì)

（1）組成土的顆粒大小不同，土的比表面不同，則土粒與水（或氣）作用的表面能大小不同。因此，不同大小顆粒與水（或氣）相互作用的程度，以至含水的種類、性質(zhì)和數(shù)量不同。

土的比表面一般用單位體積所有土粒的總表面積表示。由于土粒大小不同而造成比表面數(shù)值上的巨大變化，必然導(dǎo)致土的性質(zhì)的突變。

（2）天然土中不同大小顆粒的組成礦物類型不同，直接影響土的工程特性。

5.粒度分析及其成果表示

☆

土的粒度成分的測定方法：是通過土的粒度分析（亦稱顆粒分析）試驗測定的。

對于粒徑大于0.075mm的粗粒土，可用篩分法測定。

粒徑小于0.075mm的粉粒和粘粒難以篩分，一般可以根據(jù)土粒在水中勻速下沉?xí)r的速度與粒徑的理論關(guān)系，用比重計法或移液管法（見土工試驗有關(guān)書籍）測得顆粒級配。

☆顆粒分析試驗成果表示：可以繪制如圖所示的顆粒級配累積曲線。

6.表征土粒特征的概念

有效粒徑d10：

小于某粒徑的土粒重量累計百分?jǐn)?shù)為10％時，相應(yīng)的粒徑稱為有效粒徑d10。

限定粒徑d６0：

當(dāng)小于某粒徑的土粒重量累計百分?jǐn)?shù)為60％時，該粒徑稱為限定粒徑d６0。

不均勻系數(shù)Cu：

d６0與d10之比值反映顆粒級配的不均勻程度稱為不均勻系數(shù)Cu

：

Cu=d６0/d10

工程上把Cu＜5的上看作是均勻的；Cu＞10的土則是不均勻的，即級配良好的。

曲率系數(shù)（Cc）：

用于來說明累積曲線的彎曲情況，從而分析評述土粒度成分的組合特征：

Cc=d302/d10·

d６0

式中d10，d60的意義同上，d30為相應(yīng)累積含量為30％的粒徑值。

Cc值在1～3之間的土級配較好。Cc值小于1或大于3的土，累積曲線都明顯彎曲（凹面朝下或朝上）而呈階梯狀，粒度成分不連續(xù)，主要由大顆粒和小顆粒組成，缺少中間顆粒。

7.

土的礦物成分

根據(jù)組成土的固體顆粒的礦物成分的性質(zhì)及其對土的工程性質(zhì)影響不同，分為以下四大類別：

（1）原生礦物；

（2）不溶于水的次生礦物（以粘土礦物和硅、鋁氧化物為主）；

（3）可溶鹽類及易分解的礦物；

（4）有機(jī)質(zhì)。(二)

土中水

在自然條件下，土中總是含水的。在一般粘性土，特別是飽和軟粘性土，土中水的體積常占據(jù)整個土體相當(dāng)大的比例（一般為50％～60％，甚至高達(dá)80%）。

研究土中水，必須明確有關(guān)土中水的如下概念：

（1）水分子H2O是強極性分子.

（2）土中水是水溶液。（3）土中水溶液與土顆粒表面及氣體有著復(fù)雜的相互作用。

土中水的分類：按土中水所呈現(xiàn)的性質(zhì)差異及其對土的影響性質(zhì)與程度，可將土中水分為結(jié)合水和非結(jié)合水兩大類：

結(jié)合水（土粒表面結(jié)合水）:

強結(jié)合水（吸著水）弱結(jié)合水（薄膜水）非結(jié)合水:

液態(tài)水:

毛細(xì)水（實為半結(jié)合水）重力水（自由水）氣態(tài)水（水蒸氣）固態(tài)水（冰）(三)

土中氣體

土中的氣體，主要為空氣和水氣。但有時也可能含有較多的二氧化碳、沼氣及硫化氫，這些氣體大多因生物化學(xué)作用生成。

氣體的存在形式：一種是封閉氣體，另一種是游離氣體。

三、土的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造

土的工程性質(zhì)及其變化，除取決于其物質(zhì)成分外，在較大程度上還與諸如土的粒間連結(jié)性質(zhì)和強度；層理特點；裂隙發(fā)育程度和方向以及土質(zhì)的其他均勻性特征等土體的天然結(jié)構(gòu)和構(gòu)造因素有關(guān)。（一）土的結(jié)構(gòu)

1.

土的結(jié)構(gòu)：是指土顆粒本身的特點和顆粒間相互關(guān)系的綜合特征，具體來說是指：

（1）土顆粒本身的特點：土顆粒大小、形狀和磨圓度及表面性質(zhì)（粗糙度）等。

（2）土顆粒之間的相互關(guān)系特點：粒間排列及其連結(jié)性質(zhì)。

2.土的結(jié)構(gòu)類型：兩大基本類型：單粒（散粒）結(jié)構(gòu)和集合體（團(tuán)聚）結(jié)構(gòu)。

單粒結(jié)構(gòu)（散粒結(jié)構(gòu)），單粒結(jié)構(gòu)為砂性土所特有，對土的工程性質(zhì)影響主要在于其松密程度。

集合體結(jié)構(gòu)，也稱團(tuán)聚結(jié)構(gòu)或絮凝結(jié)構(gòu)。這類結(jié)構(gòu)為粘性土所特有。

單粒結(jié)構(gòu)特點：

1）具有單粒結(jié)構(gòu)的碎石土和砂土，雖然孔隙比較小，而孔隙大，透水性強，土粒間一般沒有內(nèi)聚力，但土粒相互依靠支承，內(nèi)摩擦力大，并且受壓力時土體積變化較小。

2）再者，由于這類土的透水性強，孔隙水很容易排出，在荷載作用下壓密過程很快。因此，即使原來比較疏松，當(dāng)建筑物結(jié)構(gòu)封頂，地基沉降也告完成。

3）對于具有單粒結(jié)構(gòu)的土體，一般情況（靜荷載作用）下可以不必?fù)?dān)心它的強度和變形問題。

集合體結(jié)構(gòu)特點：

1）孔隙度很大（可達(dá)50％～98％），而各單獨孔隙的直徑很小，特別是聚粒絮凝結(jié)構(gòu)的孔隙更小，但孔隙度更大，因此，土的壓縮性更大.

2）含水量很大，往往超過50％，而且因以結(jié)合水為主，排水困難，故壓縮過程緩慢.

3）具有大的易變性—不穩(wěn)定性。

（二）土的構(gòu)造

1.土的構(gòu)造定義與研究意義

土的構(gòu)造：指整個土層（土體）構(gòu)成上的不均勻性特征的總和。

整個土體構(gòu)成上的不均勻性包括：層理、夾層、透鏡體、結(jié)核、組成顆粒大小懸殊及裂隙發(fā)育程度與特征等。這種構(gòu)成上的不均勻性是由于土的礦物成分及結(jié)構(gòu)變化所造成的。

研究意義：（1）.土體構(gòu)造特征反映土體在力學(xué)性質(zhì)和其他工程性質(zhì)的各向異性或土體各部位的不均勻性，因此，要掌握其變化規(guī)律。如，由砂土和粘性土組成的層狀或互層構(gòu)造土體的物理力學(xué)性質(zhì)皆顯示其各向異性特點。又如，黃土由于其垂直節(jié)理（裂隙）發(fā)育，強烈地降低其抗水穩(wěn)定性和力學(xué)穩(wěn)定性，特別在邊坡地段，沿裂隙極易產(chǎn)生坍方和滑坡現(xiàn)象。（2）土體的構(gòu)造特征是決定勘探、取樣或原位測試布置方案和數(shù)量的重要因素之一。2.土的構(gòu)造特點：

（1）對于碎石土，粗石狀構(gòu)造和假斑狀構(gòu)造是最普遍的；

（2）對于砂土和砂質(zhì)粉土，各種不同形式的夾層、透鏡體或交錯層構(gòu)造，較為普遍。

（3）在粘性土中，常見有層狀、顯微層狀構(gòu)造及各種裂隙、節(jié)理構(gòu)造。

四、土的工程分類

1.土的工程分類的目的：（1）根據(jù)土類，可以大致判斷土的基本工程特性，并可結(jié)合其他因素評價地基土的承載力、抗?jié)B流與抗沖刷穩(wěn)定性，在振動作用下的可液化性以及作為建筑材料的適宜性等；（2）根據(jù)土類，可以合理確定不同上的研究內(nèi)容與方法；（3）當(dāng)土的性質(zhì)不能滿足工程要求時，也需根據(jù)土類（結(jié)合工程特點）確定相應(yīng)的改良與處理方法。

2.土的工程分類應(yīng)遵循的原則：

（1）工程特性差異性的原則。即分類應(yīng)綜合考慮土的各種主要工程特性（強度與變形特性等），用影響土的工程特性的主要因素作為分類的依據(jù)。（2）以成因、地質(zhì)年代為基礎(chǔ)的原則。土的工程性質(zhì)受土的成因（包括形成環(huán)境）與形成年代控制。（3）分類指標(biāo)便于測定的原則，即采用的分類指標(biāo)，要既能綜合反映土的基本工程特性，又要測定方法簡便。

3.我國土的工程分類（1）土按堆積年代可劃分

老堆積土：第四紀(jì)晚更新世Q3及其以前堆積的土層，一般呈超固結(jié)狀態(tài)，具有較高的結(jié)構(gòu)強度；一般堆積土：第四紀(jì)全新世（文化期以前Q4）堆積的上層；新近堆積土：文化期以來新近堆積的上層Q4，一般呈欠壓密狀態(tài)，結(jié)構(gòu)強度較低。

（2）土根據(jù)地質(zhì)成因分

可分為殘積土、坡積土、洪積土、沖積土、湖積土、海積土、風(fēng)積土和冰川沉積土，各成因類型沉積土的特征見書中有關(guān)章節(jié)。（3）土根據(jù)有機(jī)質(zhì)含量分

可分為無機(jī)土、有機(jī)質(zhì)土、泥炭質(zhì)土和泥炭。

（4）．土按顆粒級配和塑性指數(shù)分

1）碎石土：粒徑大于2mm的顆粒含量超過全重50％的土。

2）砂土：粒徑大于2mm的顆粒含量不超過全重50％，且粒徑大于0.075mm的顆粒含量超過全重50％的土。根據(jù)顆粒級配分為礫砂、粗砂、中砂、細(xì)砂和粉砂。

3）粉土：粒徑大于0.075mm的顆粒不超過全重50％，且塑性指數(shù)小于或等于10的土。根據(jù)顆粒級配（粘粒含量）分為砂質(zhì)粉土和粘質(zhì)粉土。

4）粘性土：塑性指數(shù)大于10的土。根據(jù)塑性指數(shù)分為粉質(zhì)粘土和粘土。

（5）．特殊類土：

具有一定分布區(qū)域或工程意義上具有特殊成分、狀態(tài)和結(jié)構(gòu)特征的土稱為特殊性土，規(guī)范分為濕陷性土、紅粘土、軟土（包括淤泥和淤泥質(zhì)土）、混合土、填土、多年凍土、膨脹土、鹽漬土、污染土。特征：物理風(fēng)化：量變過程，形成的土顆粒較粗；化學(xué)風(fēng)化：質(zhì)變過程，形成的土顆粒很細(xì)。

對一般的土而言，通常既經(jīng)歷過物理風(fēng)化，又有化學(xué)風(fēng)化，只不過哪種占優(yōu)而已。

4土的地質(zhì)成因分類細(xì)砂巖的球形風(fēng)化（湖北崇陽）

葉俊林?jǐn)z因寒冷風(fēng)化破裂的巖石森林火災(zāi)造成的巖石破裂植物根劈作用（北京房山）

葉俊林?jǐn)z花崗巖風(fēng)化形成的石蛋地貌

李英章攝沙灘（河北北戴河）黃河河漫灘及江心洲泥石流造成的礫石堆積（西藏）4土的地質(zhì)成因分類沉積環(huán)境土層空間分布土類組合物質(zhì)組成結(jié)構(gòu)特征工程特性

運積土是指風(fēng)化所形成的土顆粒，受自然力的作用，搬運到遠(yuǎn)近不同的地點所沉積的堆積物。其特點是顆粒經(jīng)過滾動和相互摩擦，具有一定的渾圓度，即顆粒因摩擦作用而變圓滑。在沉積過程中因受水流等自然力的分選作用而形成顆粒粗細(xì)不同的層次，粗顆粒下沉快，細(xì)顆粒下沉慢而形成不同粗細(xì)的土層。1殘積土：殘積土是殘留在原地未被搬運的那一部分巖石風(fēng)化剝蝕后的碎屑堆積物，其成分與母巖相同，顆粒不可能被磨圓和分選，一般呈棱角狀，無層理構(gòu)造，由于細(xì)小顆粒被沖走，孔隙度較大。殘積土分布于寬廣的分水嶺地帶和平緩的山坡。由于地形變化大，巖層風(fēng)化程度不一，因此土層厚度、組成成分、結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)變化大，均質(zhì)性差，作為建筑物地基容易引起不均勻沉降。

山坡的殘積土易產(chǎn)生沿基巖面或軟弱面的滑動不穩(wěn)定問題。4土的地質(zhì)成因分類4土的地質(zhì)成因分類坡積土是高處的風(fēng)化碎屑物在雨、雪水或本身重力的作用下順著山坡搬運而成的山坡堆積物。它一般分布在坡腰或坡腳下，其上部與殘積土相接，厚度變化較大，在斜坡陡處厚度較薄，坡腳處較厚。殘積土的顆粒組成有沿斜坡由上向下、由粗變細(xì)的的分選現(xiàn)象。殘積土土質(zhì)上下不均一，結(jié)構(gòu)疏松，壓縮性高，土層厚度變化大，對建筑物常有不均勻沉降問題。工程中容易產(chǎn)生沿著下臥殘積層或基巖面的滑動等不穩(wěn)定問題。2坡積土：4土的地質(zhì)成因分類洪積土是指由暴雨或大量融雪驟然集聚而形成的暫時性山洪急流將大量的殘積物、坡積物等碎屑物質(zhì)在山溝的出口處或山前傾斜平原堆積形成。山洪攜帶的大量碎屑物質(zhì)流出溝谷后，因水流流速驟減而形成扇形沉積體，稱洪積扇。洪積物質(zhì)隨近山到遠(yuǎn)山呈現(xiàn)由粗到細(xì)的分選作用，但由于每次洪流的搬運能力不同，使洪積土具有不規(guī)則交錯層理。

3洪積土：洪積扇一般分為上部、中部和下部三部分。上部多以礫石、卵石為主要成分。強度高、壓縮性小，可作為工業(yè)、民用建筑的良好地基。但其孔隙大，透水性強不易建壩。中部以砂土為主，下部以粘性土為主，它們一般都是良好地基。主要在砂土向粘性土過渡地帶及主要為粘性土分布地帶，由于透水性的差異及地下水埋藏淺等因素的影響，常有泉水出露，形成沼澤。沼澤地帶泥炭層強度低、壓縮性大。

4土的地質(zhì)成因分類4沖積土：沖積土是河流流水的地質(zhì)作用將兩岸基巖及其上部覆蓋的坡積、洪積物質(zhì)剝蝕后搬運、沉積在河流坡降平緩地帶形成的沉積物。根據(jù)形成條件和環(huán)境分為：A河床沖積土：因河床水流速度大，沉積物較粗。山區(qū)河流或河流上游大多是粗大的石塊、礫石和粗砂,一般厚度不超過計劃10m。河流中下游或平原區(qū)河流河床沉積物逐漸變細(xì)，但厚度增大,一般幾十米至數(shù)百米。古河床沖積物的壓縮性低、強度較高，是良好的建筑地基?，F(xiàn)代河床沖積物密實度較差、透水性強，尤其不利于作為水工建筑物地基。

B河漫灘沖積土：主要分布于河流的中下游和平原區(qū)河流。洪水期河水漫溢，河漫灘被淹沒，沉積的土粒較細(xì)，為粉土、粉質(zhì)粘土或粘土。河漫灘沖積物之下常為早先河床沉積的礫、砂和粉細(xì)砂，形成上細(xì)下粗“二元結(jié)構(gòu)”。河漫灘及階地沖積物一般都是較好的地基，但要注意其中的軟弱夾層以及粉細(xì)砂的振動液化問題。4土的地質(zhì)成因分類4沖積土：D河口三角洲沖積土：所搬運的大量細(xì)小碎屑物沉積而成，其面積廣、厚度大，并常有淤泥質(zhì)土和淤泥分布。

C牛軛湖沖積土：主要為較厚淤泥和泥炭層，常夾有細(xì)砂或粉質(zhì)粘土層。三