土力学及地基基础第2版教学作者陈兰云中国机械工业

1土的物理性质及工程分类1.1土的成因与组成1.2土的物理性质指标1.3土的压实及最优含水量1.4土的物理状态指标及地基土（岩）的工程分类普通高等教育“十一五”国家级规划教材主要内容教学目标知道土的成因与组成，熟悉土的物理性质指标熟悉土的物理状态指标，能正确的对土进行分类重点土的组成土的物理性质指标土的压实及最优含水量土的物理状态指标及地基土（岩）的工程分类难点土的物理性质指标土的物理状态指标及地基土（岩）的工程分类1.1土的成因与组成岩石风化（物理、化学、生物）作用岩石破碎、化学成分改变搬运沉积大小、形状和成分都不相同的松散颗粒集合体（土）主要成因类型残积物1.1.1土的成因坡积物洪积物冲积物图1-1河谷横断面图1.1.2土的组成在天然状态下，自然界中的土是由固体颗粒、水和气体组成的三相体系。固体颗粒构成土的骨架，骨架之间贯穿着孔隙，孔隙中充有水和气体，因此，土也被称为三相孔隙介质。土固相液相气相土的三相比例不同，土的状态和工程性质也不相同。若土位于地下水位线以下，土中孔隙全部充满水时，称为饱和土；当土中孔隙没有水时，则称为干土；土中孔隙同时有水和气体存在时，称为非饱和土（湿土）。1．土的固体颗粒土的固体颗粒即为固相。土粒的大小、形状、矿物成分以及大小搭配情况对土的物理力学性质有明显影响。自然界中的土都是由大小不同的土颗粒组成。土颗粒的大小与土的性质密切相关。粒径大小在一定范围内的土，其矿物成分及性质都比较相近。因此，可将土中各种不同粒径的土粒，按适当的粒径范围，分为若干粒组，各个粒组的性质随分界尺寸的不同而呈现出一定质的变化。划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。我国习惯把土粒分为六大粒组:漂石(块石)、卵石（碎石）、圆粒（角砾）、砂粒、粉粒和黏粒。为了表示土粒的大小及组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量（各个粒组占土粒总量的百分数）来表示，称为土的颗粒级配。表1-1粒组划分标准粒组名称粒组范围/mm一般特征漂石(块石)粒组200透水性很大，无黏性，无毛细水卵石（碎石）粒组20～200砾石粒组2～20透水性大，无黏性，毛细水上升高度不超过粒径砂粒粒组0.075～2易透水，当混入云母等杂质时透水性减小，而压缩性增加；无黏性，遇水不膨胀，干燥时松散；毛细水上升高度不大，随粒径变小而增大粉粒粒组0.005～0.075透水性小，湿时稍有黏性，遇水膨胀小，干燥时有收缩；毛细水上升高度较大较快，极易出现冻胀现象黏粒粒组0.005透水性很小，湿时有黏性、可塑性，遇水膨胀大，干时收缩显著；毛细水上升高度大，但速度慢确定各个粒组相对含量的颗粒分析试验方法适用粗颗粒土，一般用于粒径小于等于60mm，大于0.075mm的土。它是用一套孔径不同的筛子，按从上至下筛孔逐渐减小放置。将事先称过质量的烘干土样过筛，称出留在各筛上的土质量，然后计算占总土粒质量的百分数。试验器具筛分法密度瓶法适用于细颗粒土，一般用于粒径小于0.075mm的土粒质量占试样总质量的10%以上的土。密度瓶法图1-2颗粒级配曲线纵坐标表示小于某粒径的土粒含量百分比,横坐标表示土粒的粒径(对数坐标）。颗粒粒径级配曲线颗粒级配的描述工程上常用不均匀系数Cu描述颗粒级配的不均匀程度1060ddCud10、d30、d60小于某粒径的土粒含量为10%、30%和60%时所对应的粒径工程上把Cu＜5的土视为级配不良的土；Cu＞10的土视为级配良好的土曲率系数Cc描述颗粒级配曲线整体形态，表明某粒组是否缺失情况6010230dddCc对于砾类土或砂类土，同时满足Cu≥5和Cc=1～3时，定名为良好级配砂或良好级配砾土中水与土颗粒之间的相互作用对土的性质影响很大，而且土颗粒越细影响越大。土中液态水主要有结合水和自由水两大类。（1）结合水：是指由土粒表面电分子引力吸附的土中水。（2）自由水：是指存在于土粒电场范围以外的水，自由水又可分为毛细水和重力水。2．土中水3.土中气体土中气体存在于土孔隙中未被水占据的部分，分为与大气连通的非封闭气体和与大气不连通的封闭气体。非封闭气体封闭气体受外荷作用时被挤出土体外，对土的性质影响不大受外荷作用，不能逸出，被压缩或溶解于水中，压力减小时能有所复原，对土的性质有较大的影响，使土的渗透性减小，弹性增大和延长土体受力后变形达到稳定的历时1.1.3土的结构土的结构是指由土粒单元的大小、形状、表面特征、相互排列及其联结关系等因素形成的综合特征。土的结构单粒结构蜂窝结构絮状结构单粒结构a）疏松状态b）紧密状态蜂窝状结构絮状结构1.1.4土的构造土的构造是指土体中各结构单元之间的关系。主要特征是土的成层性和裂隙性,即层理构造和裂隙构造，二者都造成了土的不均匀性。层理构造土体被许多不连续的小裂隙所分割,在裂隙中常充填有各种盐类的沉淀物。土粒在沉积过程中,由于不同阶段沉积的物质成分、颗粒大小或颜色不同,而沿竖向呈现出成层特征。裂隙构造1.1.5土的特性土与钢材、混凝土等连续介质相比，具有以下特性高压缩性由于土是一种松散的集合体，土的压缩性远远大于钢筋和混凝土等。强渗透性土的渗透性远比其他材料大。特别是粗粒土具有很强的渗透性。低承载力土的抗剪强度较低，而土体的承载力实质上取决于土的抗剪强度，故土的承载力较低。1.2土的物理性质指标1.2.1土的三相图气水土粒msmwmVsVwVVa质量m体积VVv气水土粒msmwmVsVwVVa质量m体积V1.2.2基本指标土的三相比例指标中有三个指标可用土样进行试验测定，称为基本指标，也称为试验指标。基本指标土的密度和重度土粒比重（土粒相对密度）ds土的天然含水量w土的密度和重度单位体积内土的质量称为土的密度；单位体积内土的重量称为土的重度。=m/V（1-3）=g（1-4）天然状态下土的密度变化范围比较大，一般黏性土=1.8～2.0g/cm3,砂土=1.6～2.0g/cm3。黏性土的密度一般用“环刀法”测定。土粒比重（土粒相对密度）ds土中固体矿物的质量与土粒同体积4oC纯水质量的比值，称为土粒比重（无量纲）。ds=ms/Vsw=s/w（1-5）ds的变化范围不大，常用比重瓶法测定，取决于土的矿物成分。黏性土的ds一般在2.72～2.75；粉土一般在2.70～2.71;砂土一般在2.65～2.69。土的天然含水量w土中水的质量与土粒质量之比（用百分数表示），称为土的含水量。w=mw/ms×100%（1-6）含水量是标志土的湿度的一个重要物理指标。天然土层的含水量变化范围很大，它与土的种类、埋藏条件及其所处的自然地理环境等有关。同一类土，含水量越高，则土越湿，一般来说也就越软。1.2.3换算指标气水土粒msmwmVsVwVVVa质量m体积V1.干密度d和干重度d干密度d：单位体积内土颗粒的质量。2．土的饱和密度sat和饱和重度sat：饱和密度是指土中孔隙完全充满水时，单位体积土的质量；饱和重度是指土中孔隙完全充满水时，单位体积内土的重量。sat=（ms+Vvρw）/V干重度d：单位体积内土颗粒的重量。d=ms/Vsat=satgd=ρdg3．土的有效密度＇和有效重度＇＇=（ms-Vsw）/V＇=＇g土的有效密度是指在地下水位以下，单位土体积中土粒的质量扣除土体排开同体积水的质量；土的有效重度是指在地下水位以下，单位土体积中土粒所受的重力扣除水的浮力。4.土的孔隙比e和孔隙率n孔隙比为土中孔隙体积与土粒体积之比，用小数表示；孔隙率为土中孔隙体积与土的总体积之比，以百分数表示。e=Vv/Vsn=（Vv/V）×100%孔隙比是评价土的密实程度的重要物理性质指标。一般孔隙比小于0.6的土是低压缩性的土，孔隙比大于1.0的是高压缩性的土。土的孔隙率也可用来表示土的密实程度。5．土的饱和度Sr土中水的体积与孔隙体积之比，称为土的饱和度，以百分率表示。Sr=（Vw/Vv）×100%饱和度用作描述土体中孔隙被水充满的程度。干土的饱和度Sr=0%，当土处于完全饱和状态时Sr=100%。根据饱和度，土可划分为稍湿、很湿和饱和三种湿润状态：Sr≤50%稍湿50%＜Sr≤80%很湿Sr＞80%饱和指标间的换算气水土粒dsρwVs＝11+e质量m体积V土的三相指标中，土粒比重ds，含水量w和密度ρ是通过试验测定的，可以根据三个基本指标换算出其余各指标Vv=eωdsρwds（1＋w）ρwewdVmws1)1(wedVmwssd11推导：换算关系式：1)1(1wsdwswddeeedVVmwswVssat1)(edwssat1)1(eeVVnV1ewdVmVVSsWVwVwr【例1-1】某土样经试验测得体积为100cm3，湿土质量为187g，烘干后，干土质量为167g。若土粒相对密度ds为2.66，试求该土样的含水量w、密度、重度、干重度d、孔隙比e、饱和度Sr、饱和重度sat和有效重度＇。【解答】w=mw/ms×100%=(187-167)×100%/167=11.98%=m/V=187/100=1.87g/cm3=g=1.87×10=18.7kN/m3d=dg=msg/V=167×10/100=16.7kN/m3e=ds(1+w)w/-1=2.66(1+0.1198)/1.87-1=0.593Sr=wds/e=0.1198×2.66/0.593=0.537=53.7%sat=(ds+e)w/(1+e)=(2.66+0.593)×10/(1+0.593)=20.4kN/m3＇=(ds-1)w/(1+e)=sat-w=20.4-10=10.4kN/m31.3土的压实及最优含水量在工程实践中，对垫层的碾压质量的检验，是要求能获得填土的最大干密度dmax，与之相对应的制备含水量为最优含水量。其最大干密度可用室内击实实验确定。击实试验的操作步骤如下:1.将代表性的风干或在低于60oC温度下烘烤干的土样放在橡皮板上用木碾碾散，过5mm筛，拌匀备用。2.测定土样风干含水量，按土的塑限估计其最优含水量，按依次相差约2%的含水量制备一组（不少于5个）试样，其中有两个大于和小于最优含水量，计算所需加水量。3.按预定含水量制备试样。称取土样，每个约2.5kg，平铺于一不吸水的平板上，用喷水设备往土样上均匀喷洒预定的水量，稍静置一段时间再装入塑料袋内或密封盛样器内浸润备用。浸润时间对高塑性黏土不得少于一昼夜，对低塑性黏土可酌情缩短，但不少于12h。4.将直径9.125cm，高15cm的击实筒放在坚实地面上，将制备好的试样600～800g（其数量应使击实后的试样略大于筒高的1/3）倒入筒内，整平其表面，并用圆木板稍加压紧，然后用锤（锤重2.5kg，锤底直径5cm）进行击实，锤击时锤应自由铅直落下，落距46cm，对砂土和粉土，每层为20击，对粉质黏土和黏土，每层为30击。锤迹必须均匀分布于土面。然后安装套环，把土面刨成毛面，重复上述步骤进行第二层及第三层的击实，击实后超出击实筒的余土高度不得大于10mm。5.用修土刀沿套环内壁削挖后，扭动并取下套环，齐筒顶细心削平试样，拆除底板。6.用推土器推出击实筒内试样，从试样中心处取2个各约15～30g土样测定其含水量。7.按4～6步骤重复进行其他不同含水量试样的击实试验。图1-7砂土和黏土的压实曲线计算上述五个不同含水量w试样的五个相应干密度d，以干密度为纵坐标，含水量为横坐标，绘制d和w关系曲线，如图1-7所示。在曲线上，d的峰值即为最大干密度dmax，与之相对应的制备含水量为最优含水量wop。图1-8压实功能对压实曲线的影响在室内击实试验时，根据不同的锤击数得到的干密度，可绘制数条d-w关系曲线（见图1-8）及各锤击数下最大干密度的轨迹ab。1.4土的物理状态指标及地基土（岩）的工程分类1.4.1无黏性土的密实度砂土、碎石土统称为无黏性土。无黏性土的密实度与其工程性质有着密切的关系，呈密实状态时，强度较高，压缩性较小，可作为良好的