地基基础第一章土的物理性质及工程分类

第一章、土的物理性质及工程分类学习基本要求1．了解土的成因和组成2．掌握土的物理性质指标3．熟练掌握无粘性土和粘性土的物理性质4．了解土的结构性和击实性5．掌握土的工程分类原则，土的类别与其工程特性的关系1.1土的成因与组成一、土的成因•土是第四纪沉积物，是母岩风化后的产物。•内力外力的地质作用下，原岩经风化、剥蚀、搬运、沉积，形成沉积岩，而第四纪所形成的沉积物，沉积历史不长未经胶结硬化形成土。二、土的三相组成（一）土的固体颗粒固体颗粒构成土的骨架，大小、形状、矿物成分及组成情况决定土的物理力学性质。1、土的矿物成分固体颗粒物质：无机矿物颗粒（原生矿物、次生物矿）与有机质•原生矿物矿物成分与母岩相同，形成粗粒土，如卵石、圆砾。特点：比表面积小、与水作用能力强。比表面积：单位质量土颗粒所拥有的表面积As=A/m直径0.1mm圆球，As=0.03m2/g高岭石：10—20m2/g；伊利石：80—100；蒙脱石：800•次生物矿包括：粘土矿物氧化物（三氧化二铝、三氧化二铁、次生二氧化硅）水溶性盐类（如碳酸盐）特点：颗粒小、片状、比表面积大、能发生一系列物理、化学变化。2.粘土矿物的结构特征主要由两种原子构成（晶片）：硅氧晶片，铝氢氧晶片硅氧晶片：1个硅离子+4个氧离子配位组成，由6个硅氧四面体组成一个硅体铝氢氧晶片：1个铝离子+6个氧或氢氧离子以相等的距离排列而成，4个铝氢氧八面体组成硅氧四面体和铝氢氧八面体的不同组合堆叠，形成了具有不同性质的各种粘土矿物。•蒙脱石：2个硅片中间夹1个铝片所构成。晶胞的两个面都是氧原子，其间没有氢键，联结力很弱。水分子可以进入晶胞之间，改变晶胞的距离。含有蒙脱石较多时，土的可塑性和压缩性高，强度低、渗透性小，具有较大的吸水膨胀和脱水收缩的特性。伊利石：同蒙脱石，但硅氧四面体中Si+4可被AL+3、Fe+3取代，而在晶胞之间出现若干一价正离子。没有蒙脱石那样活动，其膨胀性和收缩性比蒙拖脱石小。高岭石：一层硅氧晶片和一层铝氢氧晶片组成的晶胞，晶胞之间具有较强的联结力，水分子不能进入，亲水性比伊利石小。3.土的颗粒分析（1）粒组工程上把粒径大小和性质相近的土粒划分为一组---粒组划分方法：粒径（土粒大小）三大类：巨粒（d60mm）:粗粒(d200mm)、细粒（200—60mm）漂石/块石卵石/碎石透水性大、无粘性、无毛细水粗粒（60—0.075mm）：砾粒（60—2mm）砂粒（2—0.075mm）细粒（0.075）：粉粒：0.075--0.005mm粘粒：﹤0.005mm透水性小、可塑性大、毛细水上升高度大(2)土的颗粒级配（混合土）颗粒级配：土中所含各粒组的相对含量，以占土粒总重量的百分数表示。描述土中不同粒径土粒的分布特征。颗粒分析试验：确定土中各个粒组相对含量的方法d0.075粗粒土：筛分法d0.075细粒土：沉降分析法例如：先用小孔筛，逐步换大径筛子，用粒径小于某个数占总重量的百分数来表示颗粒级配曲线：用横坐标表示颗粒的直径，纵坐标表示小于某粒径土质量占总质量的百分数。d小于某粒径土质量占总质量的百分数%**级配曲线的特点：•曲线平缓：拉长（左右）颗粒相差悬殊、不均匀、级配良好→工程上易于压实。•曲线陡：颗粒相差不大、均匀、级配不良→工程上不易压实。某粒径的土粒质量占总量60%的粒径，称限定粒径小于某粒径的土粒质量占总量的10%的粒径，称有效粒径60d10d不均匀系数1060ddCuCu↑,→曲线平缓→级配良好，在填方工程时，易获得较大的密实度。Cu描述的是级配曲线的分布范围，反映曲线的形状。不均匀系数Cu反映大小不同粒组的分布情况，Cu＜5的土称为匀粒土，级配不良；Cu越大，表示粒组分布范围比较广，Cu＞10的土级配良好Cu过大，表示可能缺失中间粒径，属不连续级配，故需同时用曲率系数来评价。曲率系数则是描述累计曲线整体形状的指标。d30--小于某粒径的土粒质量占总量的30%的粒径，称中值粒径；cC6010230ddd曲率系数=同时满足：Cu5及Cc=1~3级配良好不同时满足Cu与Cc这两个要求，级配不良。Cu、Cc是描述土的渗透性的重要指标。（二）土中水和气•**粘土颗粒表面带负电荷,•**土的空隙中的水是极性分子，H+和O-2(氢原子、氧原子)静电引力强,水分子牢牢吸引,固定层.静电引力弱,扩散层双电层引力范围外,水分子自由流动内层：土粒表面的负电荷外层：被吸引到表面的阳离子和定向排列的极性水分子。固定层：水分子处于较强的电场范围内，紧紧被吸引到土粒表面。扩散层：引力较弱，水分子不太固定，可转移到相邻的颗粒的电场中，具有不太稳定,或扩散到相邻颗粒的扩散层中去。结合水：强结合水与弱结合水自由水：在电场引力范围外，水分子自由流动→自由水。！！扩散层的厚度：显然与土粒大小、矿物成分有关系，弱结合水是土具有可塑性的原因。土中水：固态水：存在矿物晶格内部的水，矿物颗粒的部分液态水：结合水：强结合水弱结合水自由水：（按受力方式）重力水：地下水位下毛细水：受水与空气表面张力作用，存在于地下水位面以上的土中水毛细水水沿着细小的空隙移动的现象----毛细现象。上升高度：与土粒粒度、成分有关。易发生毛细现象的土层：粉土、粉质粘土wwdTrTchcos4cos2cos22rThrwcT表面张力地下水位面毛细水中的静水压力概念地下水位下一定深度h的压力为wh在弯液面处毛细水的压力为，分析该处水膜受力的平衡条件。cu受力分析：表面张力和水压力，二者平衡0cos22rurTccwwcchrrhrTucos)cos2(2cos2结论：在毛细水区，静水压力为拉力，与上升高度成正比，比例系数为水的重度，与一定深度的水的压力相似。土力学中称为孔隙水压力（静水压力）土的冻胀性机理：负温度，自由水冻结成冰晶体，弱结合水的最外层开始冻结，冰晶体扩大，冰晶体周围土粒的结合水膜变薄，土粒产生剩余分子引力，其他水流过来参与冻结。cwhhw发生冻结的条件土的因素：细粒土中易发生，粉砂、粉土、粉质粘土最严重水的因素：水源补充温度（三）水中气体（气相）土的气相是指充填在土的孔隙中的气体，包括与大气连通的和不连通的两类自由气体：与大气相通封闭气体：增加了土的弹性，阻塞渗流通道。第二节土的结构和构造结构：土的物质组成的空间排列方式及土粒联结特征的综合包括：土粒单元的大小、形状、土粒分布情况，土粒之间吸引的情况。水中下沉过程中，由于表面吸力吸引，尚无下沉到最下面时被粘附到其它粒表面，形成不规则排列，具有很大空隙。而砂粒之间的粘结力很弱。三种基本结构：•单粒结构：粗大颗粒•蜂蜜结构：粉粒(0.075~0.005mm)•絮凝结构：粘粒（d0.005mm）或胶粒(d0.002)土的结构：•受沉积条件的影响；•受沉积后外界各种条件变化的影响。构造：同一层土中物质成分和颗粒大小都相近的各部分之间相互关系特征。反映地质作用的性质。层理构造：由外力地质作用生成裂隙性：造成土的不均匀性。第三节土的物理性质指标一、三相组成三相组成直接影响土的工程性质气体颗粒水气水土粒msmwmVsVwVVa质量m体积VVvma气水土粒msmwmVsVwVVa质量m体积V1.土的密度(density)ρ：单位体积土的质量密度单位：g/cm3,t/m3天然状态下土的密度变化范围很大，一般为1.6~2.2g/cm3。测定方法：通常用环刀法(cutting-ringmethod)awswsVVVmmVm二、直接测定指标g重力加速度，近似取10m/s2单位：kN/m3水的重度10kN/m3ma工程中常用重度(unitweight)来表示单位体积土的重力23m/s10g/cm123-63m/s10mkg/1010323/mm/skg10103kN/m10气水土粒msmwmVsVwVVa质量m体积V2.土的含水量(moisturecontent)w：土中水的质量与土粒质量之比，以百分数表示%100%100ssswmmmmmw土的含水量是标志土含水程度的一个重要物理指标。天然土层含水量变化范围较大，与土的种类、埋藏条件及其所处的自然地理环境等有关。测定方法：通常用烘干法(ovendryingmethod)，亦可近似用酒精燃烧法ma气水土粒msmwmVsVwVVa质量m体积V3.土粒相对密度ds（土粒比重)(specificdensityofsoilparticles)：土粒质量与同体积的4℃时纯水的质量之比土粒相对密度变化范围不大：细粒土（粘性土）一般2.70～2.75；砂土一般为2.65左右。土中有机质含量增加，土粒相对密度减小测定方法：通常用比重瓶法(pycnometricmethod)w1sw1sssVmdma三、换算指标气水土粒msmwmVsVwVVVa质量m体积V1.孔隙比e和孔隙率n孔隙比(voidratio)e：土中孔隙体积与土粒体积之比svVVe孔隙率(porosity)n：土中孔隙体积与总体积之比，以百分数表示%100VVnve和n是反映土体密实度的重要指标；一般e0.6的土是密实的，e1.0的土是疏松的maVVnvvsvVVVsvsssvVVVVVV///ee12.土的饱和度(degreeofsaturation)Sr：土中孔隙水的体积与孔隙总体积之比，以百分数表示饱和度描述土中孔隙被水充满的程度。干土Sr=0,饱和土Sr=100%。砂土根据饱和度分为三种状态:%100vwrVVSSr≤50%稍湿；50％＜Sr≤80%很湿；Sr＞80%饱和气水土粒msmwmVsVwVVVa质量m体积Vma3.不同状态下土的密度和重度饱和密度(saturationdensity)ρsat：土体中孔隙完全被水充满时的土的密度干密度(drydensity)ρd:单位体积中固体颗粒部分的质量VVmvssatVmsd浮密度(buoyantdensity)ρ：土单位体积内土粒质量与同体积水的质量之差VVmss土的三相比例指标中的质量密度指标共有4个，土的密度ρ，饱和密度ρsat，干密度ρd，浮密度ρ(t/m3),相应的重度指标也有4个，土的重度(unitweight)，饱和重度sat，干重度d，浮重度(kN/m3)气水土粒msmwmVsVwVVVa质量m体积VmadsatwwswswsswVssatVVVmVVVmVVm)(wsatwsat气水土粒dsρwVs＝11+e质量m体积VVv=ewdsρwds（1＋w）ρw0VVmwvssatVVmssVmwsd0VVmVmwwsdsat气水土粒dsρwVs＝11+e质量m体积VVv=ewdsρwds（1＋w）ρw0假定Vs=1svVVeeeVVsvwsssVmdsswsVdmswdswmmwwdwmmwsswwswsdwmmm)1(wdmVs/ewdVm1)1(wswedVmd11wssewdVmVVSrswVwVweedVVmsat1)(wswVsed1)1(wswsat四、指标间的换算也可假定V=1例题1:某干砂试样密度,土粒比重,置于雨中,若砂样体积不变,饱和度增至40%时,此砂样在雨中的含水量是多少?3/66.1cmg69.2sd分析：干砂的密度等于其干密度.根据定义,后来在雨中和干的时候相比，体积不变，土粒的质量无论如何是不变的，则雨中的砂的干密度就等于原先干砂的干密度。Vmds3/66.1cmgd69.2sd%40rS计算wedVmwssd11dwsde由得到孔隙比ewdVVSsvwr由)1(dwssrsrddSdeSw求出例题2