第一章土的性质与工程分类

第一章土的性质与工程分类学习指导内容简介土的物理性质是指三相的质量与体积之间的相互比例关系及固、液二相相互作用表现出来的性质。土的物理性质在一定程度上决定了它的力学性质，其指标在工程计算中常被直接应用。土的工程分类应能反映土性质的变化规律。教学目标掌握土的基本物理性质、粘性土的稠度与可塑性、土的工程分类学习要求1、重点掌握土的各种物理性质指标的定义2、掌握影响各指标大小的因素及各指标的单位与常见值3、掌握各指标之间的关系及求取方法，熟悉各指标的实际应用4、了解土的透水性和土的结构5、了解土的各种工程特性6、熟悉工程分类中的土质分类原则及建设部的土质分类标准基本概念天然密度、土粒密度、含水量、孔隙比、孔隙度、饱和度、容重、稠度、塑限、液限、塑性指数、液性指数学习内容第一节土的基本物理性质第二节土的结构第三节土的水理性质第四节粘性土的稠度与可塑性第五节土的压实性第六节土的工程分类第七节特殊土介绍学时安排本章总学时数：6.5学时第一节1.0学时第二节1.0学时第三节0.5学时第四节0.5学时第五节0.5学时第六节1.0学时第七节2.0学时主要教学内容第一节土的基本物理性质土的基本物理性质是指三相的质量与体积之间的相互比例关系。一、土的三相图土的三相物质在体积和质量上的比例关系称为三相比例指标。三相比例指标反映了土的干燥与潮湿、疏松与紧密，是评价土的工程性质的最基本的物理性质指标，也是工程地质勘察报告中不可缺少的基本内容。可采用土的三相示意图使三相比例关系形象化和阐述方便。图土的三相示意图V—土的总体积，cm3；m—土的总质量，g；Vs—土中固体颗粒实体的体积，cm3；ms—土的固体颗粒质量，g；Vv—土中孔隙体积，cm3；mw—土中液体的质量，g；Vw—土中液体的体积，cm3；ma—土中空气的质量，（ma=0）；Va—土中气体的体积，cm3。二、三相基本试验指标土的密度、土粒密度、土的含水量三个指标可在实验室内直接测定，是实测指标，常称为土的三相基本试验指标。1.土的密度（天然密度）土的密度是指土的总质量与总体积之比，即单位体积土的质量，其单位是g/cm3，常见值为1.6~2.2g/cm3（见下表）。工程实际中，常将土的密度换算成土的重度（γ），重度等于密度乘以重力加速度g，其单位是kN/m3，即：，土的密度常用环刀法测定。2.土粒密度（土粒比重）土粒密度是指固体颗粒的质量与其体积之比，即单位体积土粒的质量，其单位为g/cm3。土粒密度也称土粒比重（土粒相对密度），是指土的质量与4℃时同体积水的质量之比，其值与土粒密度相同，但没有单位，在用作土的三相指标计算时必须乘以水的密度值才能平衡量纲。土粒密度大小决定于土粒的矿物成分，与土的孔隙大小和含水多少无关，它的数值一般在2.6~2.8g/cm3之间（见表）。表各种主要类型土的土粒密度土的种类砾类土砂类土粉土粉质粘土粘土土粒密度（g/cm3）常见值2.65~2.752.65~2.702.65~2.702.68~2.732.72~2.76平均值2.662.682.712.74土粒密度常用比重试验法测定。3.土的含水量土中所含水分的质量与固体颗粒质量之比，以百分数表示，又称土的含水率。含水量通常以百分数表示，它是描述土的干湿程度的重要指标。土的天然含水量变化范围很大，从干砂的含水量接近于零到蒙脱石的含水量可达百分之几百。含水量常用烘干法测定。三、其它常用换算指标除了上述三个试验指标之外，还有六个可以计算求得的指标，称为换算指标，包括以下指标。1.表示土中孔隙含量的常用指标土中孔隙大小、形状、分布特征、连通情况与总体积等，称为土的孔隙性。其主要取决于土的颗粒级配与土粒排列的疏密程度。实际上土的孔隙性指标一般反映的是土中孔隙体积的相对含量，主要有孔隙度和孔隙比两个指标。（1）孔隙度孔隙度——又称孔隙率，指土中孔隙总体积与土的总体积之比，用百分数表示。土的孔隙度取决于土的结构状态，砂类土的孔隙度常小于粘性土的孔隙度。土的孔隙度一般为27~52%。（2）孔隙比孔隙比——指土中孔隙体积与土中固体颗粒总体积的比值，用小数表示。土的孔隙比说明土的密实程度，按其大小可对砂土或粉土进行密实度分类。如在《岩土工勘察规范》中，用天然孔隙比来确定粉土的密实度。e0.75为密实；0.75≤e≤0.9为中密；e0.9为稍密的粉土。（3）孔隙比与孔隙度的关系2.表示土中含水程度的指标表示土中水含量的指标除含水量外，还有饱和度。饱和度——土孔隙中所含水的体积与土中孔隙体积的比值称为土的饱和度，以百分数表示。饱和度可以说明土孔隙中充水的程度，其数值为0~100%，干土Sr=0；饱和土Sr=100%。3.表示土的密度和容重的指标（1）饱和密度土的孔隙完全被水充满时的密度称为饱和密度，是指土孔隙中全部充满液态水时的单位体积土的质量，即式中：ρw为水的密度（g/cm3），常近似取1.0g/cm3。（2）干密度干密度指土在干燥状态下的密度，在数值上等于单位体积中土粒的质量，即干密度的单位是g/cm3。土的干密度越大，土越密实，强度就越高，水稳定性也好。干密度常用作填土密实度的施工控制指标。在工程中饱和密度或干密度乘以重力加速度g，分别变换为饱和重度或干重度，另外，处于地下水位以下的土层，如果土层是透水的，此时土受水的浮力作用，土的实际重量将减小，那么这种处于地水位以下的有效重度常特称为土的浮重度，即饱和重度与浮重度之间有关系，对于同一种土来讲，土的天然重度、干重度、饱和重度、浮重度在数值上有如下关系：四、指标之间的换算关系上述表示土的三相比例关系的指标一共有9个，即：土粒密度、天然密度、干密度、饱和密度、浮重度、含水量、饱和度、孔隙度、孔隙比。它们主要反映了土的密实程度与干湿状态，而且相互之间都有内在联系。土的三相指标之间可以进行换算，由于三个基本指标可以实测，因此，一般用它们来换算其他指标。换算的一般方法是：第一种方法：第二种方法：三相比例指标之间可以建立相互换算关系，具体的换算公式可查阅换算表2-2，计算例题见例题。表2-2三相比例指标之间的换算表指标名称三相比例定义式常用换算公式单位天然密度ρg/cm3土粒密度ρsg/cm3干密度ρdg/cm3饱和密度ρsatg/cm3浮重度γ′kN/m3孔隙比e孔隙度n含水量ω饱和度Sr例题某原状土样，经试验测得ρ=1.85g/cm3,w=25%,ρs=2.70g/cm3,求ρd，e，n，Sr。解法1：由三相图，根据各指标的定义式求解绘三相图如上，设得Vs=1.0cm31)确定三相组成的体积与质量2)按定义求其它各指标解法2：由指标之间的变换关系式直接求解五、无粘性土的密实度无粘性土的密实程度用相对密度Dr来表示，式中：emax为最大孔隙比，即最疏松状态下的孔隙比；emin为最小孔隙比，即紧密状态下的孔隙比；e为天然孔隙比，即通常所指天然状态下的孔隙比。砂土的天然孔隙比界于最大和最小孔隙比之间，故相对密度Dr=0~1；当e=emax时，Dr=0，砂土处于最疏松状态；当e=emin时，则Dr=1，砂土处于最紧密状态。工程实际中，常用相对密度判别砂土的震动液化，或评价砂土的密实程度。按相对密度值可将砂土分为三种密实状态，实际上，由于砂土原状样不易取得，测定天然孔隙比较为困难，加上实验室测定砂土的与精度有限，因此计算的相对密度值误差较大，在实际工程中，常用标准贯入测试来判定砂土的密实状态，见表2-3。表用标贯击数判定砂土的密实状态第二节土的结构土的结构是指组成土的土粒大小、形状、表面特征，土粒间的连结关系和土粒的排列情况，其中包括颗粒或集合体间的距离、孔隙大小及其分布特点。土的结构是土的基本地质特征之一，也是决定土的工程性质变化趋势的内在依据。土的结构与土的颗粒级配，矿物成分、颗粒形状及沉积条件有关。一、土粒间的连结关系土中颗粒与颗粒之间的连结主要有如下几种类型：1．接触连结2．胶结连结3．结合水连结4．冰连结二、土的结构类型1、粗粒土的结构粗粒土的结构主要为单粒结构。根据颗粒间的排列接触关系可分为松散结构和密实结构。2、细粒土的结构粘土矿物一般呈片状。它们之间的接触方式主要有面-面、边-边、边-面三种基本类型。面对面的片状堆积结构称为分散结构或片堆结构（叠聚体）。以边-面、边-边联结的结构称为凝聚结构或片架结构（絮凝体）。3、两个相关概念：（1）土的灵敏度：以同一种土的原状土强度与经过重塑（含水量不变、土的结构彻底破坏）后的强度之比。（2）土的触变性：当扰动停止后，饱和粘性土的抗剪强度随时间而逐渐增大的性质。第三节土的水理性质土的透水性就是指水在土孔隙中渗透流动的性能。水在土体孔隙中流动的现象称为渗流。土的渗透问题包括：渗透流量问题，渗透变形（或渗透破坏）问题，渗流控制问题等。一、土的渗透规律在层流状态下，土中水的渗流速度与能量损失之间服从线性渗流规律——即Darcy定律（1856）。该定律认为，渗出水量Q与圆筒过水断面积A和水力梯度I成正比，且与土的透水性质有关，其表达式为：或式中：v--渗透速度（cm/s）；k--渗透系数（cm/s）。渗透系数是反映土的透水性能的比例系数，是水力梯度为1时的渗透速度，其量纲与渗透速度相同。其物理含义是单位面积单位水力梯度单位时间内透过的水量。不同类型的土，其渗透系数不同，可查阅土的渗透系数参考值表。表土的渗透系数参考表土类k（m/s）土类k(m/s)土类k(m/s)粘土粉质粘土粉土5×10-95×10-9~10-85×10-8~10-6粉砂细砂中砂10-6~10-510-5~5×10-55×10-5~2×10-4粗砂砾石卵石2×10-4~5×10-45×10-4~10-310-3~5×10-31.砂土、粉土的渗透规律基本属于层流，故其渗透规律服从达西定律（见下图a）。2.纯砾以上很粗的土的渗透规律水力梯度较大时，水在这类土中的流态已不再是层流，而是紊流。这时达西定律不适用，渗透速度与水力梯度之间的关系不再保持直线而变为次线性的曲线（见下图b）。3.粘性土的渗透规律目前对饱和均质粘性土中水的渗透规律有着不同的认识。如图c所示的渗透规律曲线可大致反映粘性土的渗透规律。a-砂、粉土；b-纯砾以上很粗的土；c-粘性土图土的渗透曲线二、渗透力流经土体的水流会对土颗粒和土体施加作用力每单位土体内土颗粒所受的渗流作用力称为渗透力，用j表示。渗透力是一种体积力，单位为kN/m3，其大小和水力坡降成正比，方向与渗流方向一致。渗透力方向与重力方向一致时，渗透力对土骨架起渗流压密作用，对稳定有利；渗透力方向与重力方向相反时，渗透力对土骨架起浮托作用，对稳定不利。三、临界水力坡降当向上的渗流力克服了重力，土体就要发生浮起，俗称流土。此时的水力坡降就称为临界水力坡降，用icr表示，根据土骨架的静力平衡条件可推得：土的临界水力坡降取决于土的物理性质指标——浮重度γ′，由此可得四、渗透变形土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏称为渗透变形或渗透破坏。渗透变形的基本型式为流土和管涌。1、流土指在向上的渗透水流作用下，表层土局部范围内的土体或颗粒同时发生悬浮、移动的现象。判断流土的可能性2、管涌指在渗透水流的作用下，土中的颗粒被水流逐渐带走，最终导致土体内形成贯通的渗流管道，造成土体坍塌的现象。一般粘性土只会发生流土，而不会发生管涌，属于非管涌土。无粘性土中粗颗粒构成的孔隙直径大于细颗粒的直径时，才可能让细颗粒在其中移动，这是发生管涌的必要条件无粘性土是否发生管涌的判别标准为（几何条件）：发生管涌的水力条件：表发生管涌的条件第四节粘性土的稠度与可塑性粘性土的稠度与可塑性是土粒与水相互作用后所表现出来的物理性质。一、粘性土的稠度状态粘性土因含水多少而表现出的稀稠软硬程度，称为稠度。因含水多少而呈现出的不同的物理状态称为粘性土的稠度状态。土的稠度状态因含水量的不同，可表现为固态，塑态与流态三种状态。固态：含水量相对较少，粒间主要为强结合水连结（强结合水或固定层重叠），连结牢固，土质坚硬，力学强度高，不能揉塑变形，形状大小固定。塑态：含水量较固态为大，粒间主要为弱结