土力学课件 第一章 土的物理性质和工程分类

土的物理性质和工程分类（１）土的物理性质和工程分类（２）本章主要讨论土的物质组成以及定性、定量描述其物质组成的方法，包括:土的三相组成土的三相指标**土的结构构造粘性土的界限含水量**砂土的密实度**土的工程分类*这些内容是学习土力学原理和基础工程设计与施工技术所必需的基本知识，也是评价土的工程性质、分析与解决土的工程技术问题时讨论的最基本的内容。1.1土的形成（生成）土是由岩石经风化、搬运、堆积的产物自然界的土是由岩石经风化、搬运、堆积而形成。影响土的组成的主要因素:母岩成分(原生矿物，次生矿物)风化性质（物理、化学、生物风化）搬运过程（水、风、重力）堆积的环境（河、湖、海、沙漠）1.2土的（三相）组成固体颗粒水气体（a）实际土体；（b）土的三相图；（c）各相的质量与体积图1-1土的三相图一、土的固相土的固相物质包括无机矿物颗粒和有机质，是构成土的骨架最基本的物质，称为土粒。对土粒应从其矿物成分、颗粒的大小和形状来描述。（一）土的粒度成分（土粒级配）（１）天然土是由大小不同的颗粒组成的，土粒的大小称为粒度。土颗粒的大小相差悬殊，从大于几十厘米的漂石到小于几微米的胶粒。土粒的形状是不规则的，很难直接测量土粒的大小，只能用间接的方法来定量地描述土粒的大小及各种颗粒的相对含量。（一）土的粒度成分（土粒级配）（２）粒度成分：用不同粒径颗粒的相对含量来描述土的颗粒组成。粒度成分测定常用方法:1）筛分法：对粒径大于0.075mm的土粒2）沉降分析法：对小于0.075mm的土粒1．土的粒组划分（１）天然土的粒径一般是连续变化的，为了描述方便，工程上常把大小相近的土粒合并为组，称为粒组。粒组间的分界线是人为划定的，划分时应使粒组界限与粒组性质的变化相适应，并按一定的比例递减关系划分粒组的界限值。1．土的粒组划分（２）粒径d:＞=200，200-60，60-2，2-0.075，0.075-0.005,＜＝0.005粒组：漂石卵石圆砾砂粒粉粒粘粒块石碎石角砾1．土的粒组划分（3）对粒组的划分，各个国家，甚至一个国家的各个部门有不同的规定。从70年代末到80年代末这十年中，我国的粒组划分标准出现了一些变化。《建筑地基基础设计规范》（GBJ7一89）和《岩土工程勘察规范》(GB50021一94)在修订和编制过程中经过充分论证，将砂粒粒组与粉粒组的界限从0.05mm改为0.075mm。表1-1粒组划分标准(GB50021-94)粒组名称粒组范围(mm)粒组名称粒组范转(mm)漂石(块石)粒组200砂粒粒组0.075~2卵石(碎石粒组)20~200粉粒粒组0.005~0.075砾石粒粗2~20粘粒粒组0.0051．土的粒组划分（4）我国上述规范采用的粒组划分标准见表1-1。《土的工程分类标准》（GBJ145-90）在砂粒粒组与粉粒粒组的界限上取与上述规范相同的标准，但将卵石粒组与砾石粒组界限改为60mm，其粒组划分标准见表1-2。表1-2粒组划分(GBJ145-90)粒组统称粒组名称粒组范围(mm)巨粒漂石(块石)粒组卵石(碎石)粒组200200~60粗粒粗砾砾粒细砾砂粒60~2020~22~0.075细粒粉粒粘粒0.075~0.0050.0052．粒度成分分析方法（１）对于粗粒土可以采用筛分法，而对于细粒土则必须用沉降分析法（比重计法）分析粒度成分。（１）筛分法是用一套不同孔径的标准筛把各种粒组分离出来，这和建筑材料的粒径级配筛分试验是一样的。2．粒度成分分析方法（２）按我国原有的标准，最小孔径的筛是0.1mm,但是新的筛孔标准已改为0.075mm,这相当于美国ASTM标准的200号筛（即在1平方英寸面积上共有200个筛孔）。图１－2细筛2．粒度成分分析方法（3）（２）沉降分析法是根据土粒在悬液中沉降的速度与粒径的平方成正比的司笃克斯公式来确定各粒组相对含量的方法。（比重计法）但实际上，土粒并不是球形颗粒，因此用上述公式计算的并不是实际土粒的尺寸，而是与实际土粒有相同沉降速度的理想球体的直径，称为水力直径。2．粒度成分分析方法（4）用沉降分析法测定土的粒度成分可用两种方法，即比重计法和移液管法。１）比重计是用测定液体密度的一种仪器，对于不均匀的液体，从比重计读出的密度只表示浮泡形心处的液体密度。２）移液管法是用一种特定的装置在一定深度处吸出一定量的悬液，用烘干的方法求出其密度。用上述二种方法都可以求出土粒的粒径和累计百分含量。3．粒度成分及其表示方法（１）土的粒度成分是指土中各种不同粒组的相对含量（以干土质量的百分比表示），它可用以描述土中不同粒径土粒的分布特征。常用的粒度成分的表示方法有表格法、累计曲线法和三角坐标法。（１）表格法：是以列表形式直接表达各粒组的相对含量。它用于粒度成分的分类是十分方便的，例如表1-3给出了3种土样的粒度成分分析结果。表1-3粒度成分分析结果(%)粒组(mm)土样A土样B土样C0.10~0.0759.04.614.40.075~0.01－8.137.60.01~0.005－4.211.10.005~0.001－5.218.90.001－1.510.0粒组(mm)土样A土样B土样C10~5－25.0－5~23.120.0－2~16.012.3－1~0.516.48.0－0.5~0.2541.56.2－0.25~0.1026.04.98.03．粒度成分及其表示方法（2）（２）累计曲线法：是一种图示的方法，通常用半对数纸绘制，１）横坐标（按对数比例尺）表示某一粒径，２）纵坐标表示小于某一粒径的土粒的百分含量。3．粒度成分及其表示方法（3）表1-3中的三种土的累计曲线如图1-1所示。3．粒度成分及其表示方法（4）在累计曲线上，可确定两个描述土的级配的指标：•不均匀系数•曲率系数式中：分别相当于累计百分含量为10％、30％和60％的粒径；称为有效粒径；称为限制粒径；称为平均粒径。2306010(11)sbdCdd103060ddd、、6010(11)uadCd10d60d103060ddd、、103060ddd、、3．粒度成分及其表示方法（5）不均匀系数、反映大小不同粒组的分布情况：=5、=1-3的土级配良好，其余情况为级配不良。5的土称为匀粒土，级配不良；越大，表示粒组分布范围比较广10的土级配良好但如过大，表示有可能缺失中间粒径，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。uCcCuCuCuCuCcCuC3．粒度成分及其表示方法（6）（３）三角坐标法：这也是一种图示法，它利用等边三角形内任意一点至三个边(、、)的垂直距离的总和恒等于三角形之高的原理，用表示组成土的三个粒组相对含量，即土中的三个垂直距离可以确定一点的距离。三角形坐标只适用于划分为三个粒组的情况。例如当把粘性土划分为砂土、粉土和粘土粒组时,就可以用图1-2所示的三角形坐标图来表示。1h2h3hH3．粒度成分及其表示方法（7）三种方法特点和适用条件（１）表格法能很清楚的用数量说明土样的个粒组含量，但对于大量土样之间的比较就显得过于冗长，且无直观概念，使用比较困难。（２）累计曲线法能用一条曲线表示一种土的粒度成分，而且可以在一张图上同时表示多种土的粒度成分，能直观的比较其级配情况。3．粒度成分及其表示方法（8）（３）三角坐标法能用一点表示一种土的粒度成分，在一张图上能同时表示许多种土的粒度成分，便于进行土料的级配设计。三角坐标图中不同的区域表示土的不同组成，因而还可以用来确定按粒度成分菜蜘住名。（４）在工程上可根据使用的要求选用适合的表示方法，也可以在不同的场合选用不同的方法。3．粒度成分及其表示方法（9）图1-3三角坐标图（二）土的矿物成分（１）土中的矿物成分：1．原生矿物：原生矿物是指岩浆在冷凝过程中形成的矿物，如石英、长石、云母等。单矿物颗粒：石英、长石、云母等。多矿物颗粒：母岩碎屑、卵石、碎石。（二）土的矿物成分（２）2．次生矿物：粘土矿物，难溶盐１）次生矿物是由原生矿物经过风化作用后形成的新矿物（如三氧化二铝、三氧化二铁、次生二氧化硅、粘土矿物以及碳酸盐等）。次生矿物按其与水的作用可分为易溶的、难溶的和不溶的，次生矿物的水溶性对土的性质有重要的影响。（二）土的矿物成分（３）２）粘土矿物主要有两种原子结构单元组成：硅氧四面体铝氢氧八面体粘土矿物的主要代表性矿物为高岭石：蒙脱石：具强烈的吸水膨胀、失水收缩特性伊利石：（二）土的矿物成分（４）由于其亲水性不同，当其含量不同时土的工程性质就各异。在以物理风化为主的过程中，岩石破碎而并不改变其成分，岩石中的原生矿物得以保存下来。在化学风化的过程中，有些矿物分解成为次生的粘土矿物。粘土矿物是很细小的扁平颗粒，表面具有极强的和水相互作用的能力。颗粒愈细，表面积愈大，这种亲水的能力就愈强，对土的工程性质的影响也就愈大。（二）土的矿物成分（5）3．有机质：腐殖质，泥炭在风化过程中，在微生物作用下，土中产生复杂的腐殖质，此外还会有动植物残体等有机物，如泥炭等。有机颗粒紧紧地吸附在无机矿物颗粒的表面形成了颗粒间的连接，但是这种连接的稳定性较差。（二）土的矿物成分（6）4．粘土矿物的带电性粘土矿物带电性在19世纪就为列依斯通过实验发现了，称为电渗电泳试验（列依斯试验）：如图，接通电源后，发现阳极筒中水位不断下降，变混浊，阴极筒内水位上升说明：粘土颗粒带负电正极=电泳水分子阳离子负极=电渗细颗粒（二）土的矿物成分（7）在工程上可以利用这一物理现象处理一些地基问题。带电的原因：①从组成：组成粘土矿物晶片的边面处为负离子，带负电，面棱角处带电，②了解作用：矿物一般在水中要离解的正负离子，正离子一向扩散到水中，所以矿物果粒带负电：③吸附作用及置换作用→低价阳离子，置换晶体中的高价阳离子土里粒带负电。（二）土的矿物成分（８）（三）土粒的形状（１）土粒的形状是多种多样的，卵石接近于圆形而碎石颇多棱角，云母是薄片状而石英砂却是颗粒状的。土粒形状对于土的密实度和土的强度有显著的影响，棱角状的颗粒互相嵌挤咬合形成比较稳定的结构，强度较高；磨圆度好的颗粒之间容易滑动，土体的稳定性比较差。（三）土粒的形状（２）土粒的形状与土的矿物成分有关，也与土的形成条件及地质历史有关。原生矿物：粒状片状次生矿物：片状针状颗粒的比表面积定义：比表面积砂高岭土蒙脱土cA2颗粒的总表面积/土的总重量（m/g）2110/mg224.9/mg2(0.250.5)0.75/dmmmg中砂二、土的液相结晶水（强、弱）结合水自由水土的液相是指存在于土孔隙中的水。通常认为水是中性的，在零度时冻结。但实际上土中的水是一种成分非常复杂的电解质水溶液，它和亲水性的矿物颗粒表面有着复杂的物理化学作用。水-极性分子。１．结合水（１）按照水与土相互作用程度的强弱，可将土中水分为结合水和自由水两大类。结合水是指处于土颗粒表面水膜中的水，受到表面引力的控制而不服从静水力学规律，其冰点低于零度。结合水又可分为：强结合水弱结合水。１．结合水（２）（１）强结合水在最靠近土颗粒表面处，水分子和水化离子排列得非常紧密，以致其密度大于1，并有过冷现象，即温度降到零度以下不发生冻结的现象。１．结合水（３）（２）在距土粒表面较远地方的结合水称为弱结合水。由于引力降低，弱结合水的水分子的排列不如强结合水紧密，弱结合水可能从较厚水膜或浓度较低处缓慢地迁移到较薄的水膜或浓度较高处，亦即可从一个土粒迁移到另一个土粒，这种运动与重力无关，这层不能传递静水压力的水定义为弱结合水。１．结合水（４）图1-4吸着水示意图１．结合水（５）图1-5土粒、结合水、自由水示意图２．自由水（１）２.自由水包括：毛细水重力水１）毛细水不仅受到重力的作用，还受到表面张力的支配，能沿着土的细孔隙从潜水面上升到一定的高度。这种毛细上升对于公路路基土的干湿状态及建筑物的防潮有重要影响。2）重力水在重力或压力差作用下能在土中渗流，对于土颗粒和结构物都有浮力作用，在土力学计算中应当考虑这种渗流及浮力的作用力。在以后的章节中将进一步讨论重力水的渗流及浮力的作用与计算问题。２．