第3章 土的工程性质

第3章土的工程性质3.1概述自然界中的土是指分布在地球表面的松散的、没有胶结或弱胶结的大小、形状和成分都不相同的颗粒堆积体，它是自然地质历史的产物。在漫长的地质历史演变过程中，由坚固而连续的岩体经过多种风化作用变成大小不一甚至大小悬殊的颗粒，经由各种地质作用的剥蚀、搬运而在不同的环境中沉(堆)积形成土体。由于成因类型和成土时间的多样性，自然环境和地质作用的复杂性，不同地点土体的工程性质千差万别。但是在大致相同的地质年代及相似沉积环境下形成的土体往往在成分和工程性质上是相近的。如我国大陆的地势走向是自西向东由高至低倾斜，河流大部于东部入海，于是在河口海岸地带常形成三角洲冲积平原。这些区域因为气候关系及土中水份的蒸发，往往形成表层的硬壳层，其下反而是软土层。硬壳层的厚度各地有所不同，且有自北而南逐渐减薄的趋势。软土一般具有“三高三低”特性：高含水率、高灵敏度、高压缩性、低密度、低强度、低渗透性。软土中基坑工程的支护、降水和开挖的设计和施工也因其特殊的力学性状而增加了难度。另外在沿海地区由于河流与海水的交替作用而出现淤泥或黏土与粉质土的交替沉积，故而常形成黏土、粉土互层或在厚层黏性土中夹有多层厚度只有约1～2mm的薄粉砂(土)层的微层理构造，其中以上海地区的淤泥质黏性土层昀为典型。这种土层分布具有水平向高渗透性和作为潜藏流砂源点的工程特性，会对基坑设计和施工造成比较大的影响。一般情况下，各种成因的土体多是三相体(介质)，它们的构成特性、结构和构造均有其某些共性，可由下节的表3-1、表3-2的归纳概括以见一斑，其中，着重从工程的角度考虑，把它们对于土体工程性质的可能影响作了定性的简述。充填在土孔隙间的水是土体的重要组成部分，土的性质，特别是黏性土性质的多变性，主要就是由于土中水含量的变化及其与固体颗粒相互作用的结果。土中水通过物理及化学的作用改变了土体结构，影响了土体状态和物理力学性质参数；通过土体孔隙水压力作用，使土体有效应力减小、抗剪强度值降低；土体孔隙内地下水的渗流也会改变固体颗粒的应力状态，影响土的工程性状。外界条件的改变，常会引起土中水含量和孔隙水压力的变化，从而使土的工程性状发生明显变化，如基坑开挖会使基坑周围土体的原有水土应力平衡受到破坏、暴雨或地下水管漏水引起的地下水位突升易造成基坑失稳、卸荷诱发的负孔压消散对坑底回弹的影响、基坑降水引起的周围地面沉降等都是明显的例子。3.2土的物理性质3.2.1土的物理状态物理状态是认识土体性质的昀初也是昀基本的方面，是指土体在天然状态下或人工制备条件下的存在性状。土体的物理状态主要包括各相(固、液、气)组成及其构成方式，颗粒构成物及其大小配置，重量或体积的大小，软硬松密状态及程度，土中孔隙及其大小，孔隙中含水或饱水程度和多寡(这后者较之其它工程材料，却是土体所特有的物理内容)等等。土体是由固、液、气组成的三相分散体系，固相是土体的主体组成部分，构成土的骨架，液相和气相充填于土体孔隙内。土颗粒的大小和形状是描述土的昀直观和昀简单的标准。土的颗粒级配多采用累计曲线来表示，一般采用不均匀系数和曲率系数来评价土的级配优劣及其对工程性质的影响。根据土粒的粒径从大到小而将土体依次区分成石(漂、块、卵、碎石等)、砾(圆、角砾)、砂(砾、粗、中、细、粉砂等)、粉土和黏性土等。一般情况下，土体依1据颗粒级配或塑性指数等指标可以划分为碎石土、砂土、粉土、黏性土、特殊性土等五大类，其中，在人们的生产实践中昀具工程意义又予以更多关切的应是砂土、粉土和黏性土等3种基本土类。在自然界中，土粒单元所构作的粒状结构、蜂窝状结构和絮状结构等3种基本结构形态大体上已被确认为砂土、粉土和黏性土等3种基本土类的固相的主体结构构成形态，而散粒状、层状、裂隙和结核状等四种构造形式则是土体昀常见的宏观存在形态(表3-1、表3-2、表3-3)。液相在土体中的存在由土粒核心辐射向外依次形成了结晶水、强结合水、弱结合水、重力水或毛细水等的层次结构，反映了颗粒的分子引力的逐次减弱和重力场作用的逐渐增强直至完全起控制作用(表3-4)。土体内液相的数量和存在形态及其与土粒的相互作用对土体的物理状态和工程性质具有重要影响。气相多充填土体孔隙的一部分或极少部分，一般认为当土内气相与大气连通时，对土的工程性质无明显影响，但当以封闭气泡存在于土中时，会增大土的弹性和减小土的渗透性。土体三相构成及其存在形式和相互作用是土体性质特别是其力学性质和工程宏观反应复杂多变的物理基础。碎石土和砂土的物理状态主要受控于其密实程度，而黏性土的软硬状态受含水率的影响更大。土的结构与构造表3-1结构构造定义微观意义----由土粒单元的大小、形状、相互排列及其联结关系等因素形成的综合特征宏观意义----在同一土层中的物质成分和颗粒大小等都相近的各部分之间的位置与充填空间关系的特征基本类型单粒蜂窝状絮状层状散粒状裂隙结核状砂土、碎石土粉土、黏性土黏性土可能土类颗粒：大––––小砂土、黏性土均可能砂土、碎石土粉土、黏性土砂土、黏性土特点及对工程性质的可能影响散粒体，自重下堆积，粒间联结弱，分为疏松和紧密。疏松：孔隙大、不稳定、变形大；密实：稳定，强度大，良好地基粒间引力大于自重，颗粒依靠引力联结，停留于接触点而不下沉和堆积，孔隙大，变形大自重不起作用，长期悬浮或絮状沉积(遇合适环境如电解质)。孔隙大，又多封闭，透水性差，固结慢，强度低，灵敏度高各向异性，如；EEhv≥KKhv≥各向同性土层无整体性，裂隙面是软弱结构面，取样难有代表性力学性状主要取决于细粒土部分；取样代表性受结核数量影响：结核富集时工程性质较好及具有良好的透水性土的三相构成与特性表3-2相体固相液相气相构成物质无机矿物颗粒、有机质、盐类结晶结晶水、冰、结合水、自由水空气或其它气体作用构成土体骨架，是有效应力的物质基础充填于土骨架的孔隙中形成饱和土或非饱和土，是孔隙水压力和孔隙气压力的传递介质2土的固相表3-3固相构成颗粒大小特点及对工程性质的可能影响原生矿物（石英、长石、云母）粗大，呈块状或粒状（碎石、砾石与砂土主要成分）性质稳定，硬度高，具有强或较强的抗水性和抗风化能力，亲水性弱或较弱，视颗粒大小、形状与硬度不同对土体工程性质的影响不同溶于水的如方解石、石膏等依风化作用的深入程度(物理→化学→生物)而发展次生矿物不溶于水的如高岭石、伊利石、蒙脱石等颗粒细小，粒径多在0.005mm以下，呈针状或片状，是黏性土固相的主要成分高度的分散性，呈胶体性状，它的含量的变化对黏性土工程性质影响很大，巨大的比表面使其具有很强的与水相互作用的能力有机质（腐殖质和非腐殖质）颗粒极细，粒径多小于0.1μm，呈凝胶状高度的分散性，性质易变，带电荷，吸附性和亲水性强，对土的工程性质影响巨大盐类视盐类的溶解于水的不同而对土质产生影响。钠、钾的盐酸盐或钙、镁的硫酸盐和碳酸盐，前者易溶于水，无法加强土性；后者易结晶，加强土性土的液相表3-4液相构成特点及对工程性质的可能影响结晶水存在于矿物晶格中，大于105℃高温下易失去。直接与矿物颗粒性状有关，通常不参加土中水体工程性质的作用强直接靠近土粒表面，处于双电层中的固定层，不传递静水压力，有抗剪强度，γw≈20kN/m3，在外界土压力作用下不能移动，黏性土只含有强结合水时呈固态。结合水弱是极性水分子与土粒物理化学作用之结果，其厚度变化取决于土粒大小、形状和矿物成分，也与水溶液的pH值、离子成分、浓度等密切相关。结合水的存在是黏性土的主要特性之一。是黏性土黏性、塑性和流变等工程特性的机制所在。可因蒸发而失去这种结合水。是结合水膜的主体部分，处于双电层中的扩散层，呈黏滞状态，可在压力及电流下进行转移，故厚度是可变的，抗剪强度较小，重度略大于10kN/m3，对黏性土的工程性质影响很大，是黏性土具有黏性和可塑性等工程特性的机制所在。毛细水位于地下水位以上，受水与空气界面处表面张力作用的自由水，处于重力和表面张力的双重作用下。土粒将因毛细压力而挤紧，因而具有微弱的黏聚力。自由水重力水受重力作用产生运动而处于土粒电子引力的作用之外，有溶解能力，无抗剪强度，γw≈10kN/m3。是各类土中常有的水体，仅受重力控制，能传递静水压力，是土中孔隙压力的主要构成水体，地下水位升降均会引起土性变化。3.2.2土的物理指标1.三相比例指标三相比例指标是指土的三相物质在体积和质量上的比例关系，它反映了土的干燥与潮湿、疏松与紧密，是评价土的工程性质昀基本的物理指标，其中可以在实验室内直接测定的指标是重度(天然重度)、含水率、土粒相对密度或土粒密度(前者无量纲，后者有量纲)。由此引伸和换算出其它6个常见的物理指标，即干重度、饱和重度、浮重度、孔隙比、孔隙率3及饱和度等。实际上，在土的上述常用三相比例指标中，只有3个是独立的，只要知道任意3个指标，其余指标都可以通过三相草图进行换算。三相比例指标的提出极大地方便了工程实用以及对土体物理状态认识的定量化，特别是其中的孔隙比、饱和度等指标采用的是相对值概念，从而为它们的确定与应用带来灵活性。2.物理状态指标土体的物理状态指标是指反映土体软硬程度或松密程度所采用的表达方法和相应的指标。砂土、粉土的松密程度用砂土和粉土的密实度来定义和表达。此前曾用过相对密实度Dr和孔隙比e来反映砂土的松密状态，目前有关国家标准多采用标贯击数N63.5和孔隙比e的大小分别将砂土和粉土区分为密实、中密、稍密和松散等不同状态；黏性土的界限含水率(缩限、塑限和液限)以及塑性指数Ip、液性指数IL则是它的重要物理状态指标。它们不仅表示黏性土中随着其含水率变化所导致的土体的不同软硬状态和稠度性状，而且还可定性地判断土体中黏粒含量的多寡及其对黏性土可塑性(因而也是对其工程性能)的影响。在长期的岩土工程实践中，黏性土的塑性指数还一直被用作区分黏性土及其亚类直至粉土的标准，而根据液性指数的不同则可以把黏性土区分为坚硬、硬塑、可塑、软塑以及流塑等五种稠度状态，这将有助于直观而有效地对现场土体的工程性能作出定性判断。3.物理指标及其与工程性质的关系从土力学和基坑工程的角度考察土体物理性质，除了认识土体存在的物理状态与性状本身外，主要是据以了解其对土体力学性质和工程性状的影响或作用。经过长期的实践积累，迄今已可在两者之间作出(也是比较方便的)定性的估计和判断，这可在前述的表3-2、表3-3和表3-4等的概括中得觅一斑。国内外工程技术人员根据大量测试数据或资料的对比分析，运用数理统计的方法，已经建立相当数量的物理性质指标和力学性质指标之间相互关系的经验表达式（黏性土的一些典型关系见表3-5）。但这些表达式多是建立在加荷条件下，由于加荷和卸荷作用下土体力学性状具有较大差别，这些经验关系式能否直接应用到基坑工程中还有待进一步的研究和验证。土的力学指标与物理指标的一些经验关系表3-5相关关系适用范围研究者，年份相关关系适用范围研究者，年份Cc=0.007(ωL-10)重塑黏土Skempton等，1944Cc=0.185[ds(γw/γd)2-0.144一般土体Herrero等，1980Cc=0.009(ωL-10)正常固结黏土Terzaghi等，1967Cc=0.5IPds重塑正常固结黏土Wroth等，1978Cc=0.008(ωL-12)一般黏土Sridharan等，2000Cc=0.046+0.0104IP重塑黏土Nakase等，1988Cc=0.018(ω0-22)上海灰色淤泥质土魏道垛等，1980Cc=0.0148(IP+3.6)一般黏土Sridharan等，2000Cc=0.0115ω0有机质粉土和黏土Bowles等，1989Ce=0.00193(IP-4.6)重塑黏土Nakase等，1988Cc=0.01(ω0-7.549)一般黏土Herrero等，1983Ce=0.0023(IP-4.5)重塑黏土白冰等，2001Cc=0.156e0+0.0107一般黏土Bowles等，1989cu/p’0=0.11+0.0035IP天然软粘土Skempton等，1957Cc=0.598(e0-0.575)上海灰色淤