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土是岩石经过物理风化、化学风化、生物风化作用后的产物，是由各种大小不同的土粒按各种比例组成的集合体。土粒之间的孔隙中包含着水和气体，是一种三相体系。第一节土的三相组成无机矿物颗粒原生矿物：岩浆在冷凝过程中形成的矿物，如石英、长石、云母等固体颗粒次生矿物：原生矿物风化作用的新矿物32OAl、32OFe、次生2SiO、（固相）粘土矿物以及碳酸盐等有机质：由于微生物作用，土中产生的复杂的腐殖质矿物，还有动植物残体等有机物，如泥炭等。土结合水强结合水水弱结合水（液相）自由水毛细水重力水气体与大气联通：与空气相似，受到外力作用时排出，对土的工程性质没多大影响。（气相）与大气不连通：密闭气体，压力大被压缩或溶解于水中，压力小时气泡恢复原状或重游离，对土的工程性质有很大影响。（含气体的土成为非饱和土，非饱和土的工程性质研究已成为土力学的一个新分支）第二节土的颗粒特征1．描述土粒大小及各种颗粒的相对含量的常用方法：对粒径0.075mm的土粒，筛分法；粒径0.075mm的土粒，沉降分析法。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Stokes公式来确定各粒组相对含量的方法。2．土粒大小划分：块-碎-砾-砂-粉-粘（粉：砂粉，粘粉；粘：粉粘，粘土）粘土粒径0.002mm，为很细小的扁平颗粒，表面具有极强的和水相互作用的能力。第三节土的三相比例指标土的三相五只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（物理风化）（化学风化）（生物风化）查报告中不可缺少的基本内容。土样体积：awsVVVV（awVVVV）土样质量：wsmmm三相比例指标分为两种：试验指标，换算指标一、试验指标包括土的密度、土粒密度、含水量1．土的密度：单位体积土的质量，vm（3/cmg）。土的密度常用环刀法测定，单位是3/cmg，一般土的密度为1.60～2.203/cmg。（重度：由土的质量产生的单位体积的重力，等于密度乘以重力加速度，10g)/(3mkN2．土粒密度：干土粒的质量sm与其体积sV之比，sssvm)/(3cmg。一般在2.65～2.76。由砂到粘越来越重。3．土的含水量：水的质量wm与固体（土粒）sm质量之比，%100swmm含水量常用烘干法测定，是描述土的干湿程度的重要指标，常以百分数表示。二、换算指标包括土的干密度（干重度）、饱和密度（饱和重度）、有效重度、孔隙比、孔隙率、饱和度1．干密度d：土的固相质量sm与土的总体积V之比，Vmsd)/(3cmg。土的干密度越大，土越密实，强度就越高，水稳定性也好。常用作填土密实度的施工控制指标。2．饱和密度sat：当土的孔隙中全部为水充满时的密度，Vmmwssat)/(3cmg。3．有效重度：当涂浸没在水中时，土的固相收到水的浮力的作用，土体的重力也应扣除浮力。计算地下水位以下土层的自重应力时应当用有效重度，有效重度是扣除浮力以后的固相重力与土的总体积之比（又称浮重度），wsat)/(3mkN水的重度w，纯水在4℃是的重度等于9.813/mkN，在工程上化整为103/mkN。（为有效密度（浮密度））4．土的孔隙比：孔隙的体积vV与土的固相体积sV之比，svVVe/5．土的孔隙率：孔隙的体积vV与土的总体积V之比，VVnv/6．土的饱和度：孔隙中水的体积wV与孔隙体积vV之比，vwrVVS/第四节粘性土的界限含水量一、粘性土的状态与界限含水量（从一种状态到另一种状态的含水量分界点成为界限含水量）液限测定，用碟式液限仪和锥式液限仪。塑限测定，撮条法。（把塑性状态的土在毛玻璃上用手搓条，搓到土条直径为3mm左右时断裂）二、塑性指数pI可塑性是粘土区别于砂土的重要特征。从液限到塑限含水量的变化范围越大，土的可塑性越好。PLpI塑性指数pI习惯上用不带%的数值表示。三、液性指数LIPLpLI液性指数LI：0LI1时，液性指数越大，表示土越软；LI1时，土处于流动状态；LI0时，处于半固体或固体状态。第五节砂土的密实度砂土的密实度对其工程性质具有重要的影响。密实的砂土具有较高的强度和较低的压缩性，是良好的建筑物地基；一、相对密实度土的孔隙比一般可以用来描述土的密实程度，但砂土还取决于土的级配情况。为了同时考虑孔隙比和级配的影响，引入砂土相对密实度的概念。最小孔隙比mine：砂土处于最密实状态时的孔隙比；流动状态可塑状态半固体状态固体状态液限L塑限P缩限s最大孔隙比maxe：砂土处于最疏松状态时的孔隙比。相对密实度rD：minmaxmaxeeeeDrrD越接近1，越密实；越接近0，越松散。二、标准贯入试验从理论上讲，用相对密实度划分砂土的密实度比较合理。但实际不好操作。在工程实践中，通常用标准贯入击数来划分砂土的密实度。标准贯入试验：使用规定的锤重（63.5kg）和落距（76cm）把标准贯入器（带有刃口的对开管，外径50cm，内径35cm）打入土中，记录贯入一定深度（30cm）所需的锤击数N值的原位测试方法。标准贯入试验的贯入锤击数反映了土层的松密和软硬程度，是一种简便的测试手段。第六节土的工程分类第二章粘性土的物理化学性质粘性土根据界限含水量分为四个状态，砂土没有这种性质。粘性土的这种特质取决于粘粒粒组的含量与粘粒的矿物成分。粘土的粒径0.002mm，因此它具有很大的表面积。颗粒越细，比表面积越大，表面能越大。粘土可以分为蒙脱石、伊利石、高岭石三种类型。粘土的塑性、压缩性、胀缩性、强度等工程性质受到原子、分子间键力的制约，这是粘土物理化学特性的本质。第一节键力的基本概念键力：原子与原子之间或分子与分子之间的一种联结力。包括化学键、分子键、氢键三种。一、化学键化学键：原子与原子之间的联结。也称为主键或高能键。分为离子键、共价键、金属键三种。简单的说，不同元素的原子通过化学反应构成一种新的物质分子。异性原子之间的联结力称为离子键；两个同性原子形成同一元素分子的联结力称为共价键；通过自由电子将原子或离子联结成结晶格架的力称为金属键。化学键影响范围最小，约为0.1～0.2m，但联结力最大，相当于8.4～84kmolJ/。二、分子键即范德华键，或称次键、低能键。分子与分子之间的联结力。三、氢键介于主键与次键之间的一种键力。第二节粘土矿物颗粒的结晶结构粘土矿物大都属于硅酸盐，晶体的原子排列与矿物颗粒的物理性质、化学性质和光学性质有非常密切的关系。粘土矿物的结晶结构主要是两个基本结构单元组成：硅氧四面体和氢氧化铝八面体。第三节粘土颗粒的胶体化学性质粘土颗粒粒径非常微小，0.002mm，在介质中具有明显的胶体化学特性，因为粘土颗粒表面带负电。第四节粘土工程性质的利用和改良粘土矿物具有特殊的结晶构造和带电的特性。一、电渗排水和电化学加固二、利用离子交换改良粘土的工程性质蒙脱石和伊利石，具有很强的亲水性，具有吸水膨胀和失水收缩的特性，称为膨胀土。在工程中，可以用高价阳离子置换低价离子的办法来改善土的工程性质。因为低价离子使土颗粒周围的水膜变厚，即液限明显上升，可塑性增加。三、粘土的结构性在粘土颗粒薄片的面上分布着负电荷，而在边角处呈现正电荷。四、粘土的抗剪强度粘土的抗剪强度由粘聚力分量和摩擦力分量组成。五、触变性和触变泥浆将纯粘土矿物（高岭土或蒙脱石等）与水制成泥浆时，矿物颗粒吸附大量水化离子和水分子，由于颗粒的水膜很厚，颗粒与颗粒之间的引力很薄弱，可以长时期悬浮在水中。当悬浮液在静止状态时，颗粒之间的微弱引力，使其聚集起来，悬液成为一种糊状、粘滞度较大的流体。一旦受到振动或扰动时，颗粒之间的联结立即丧失，又恢复成为流动的液体。这种性质成为触变性。第三章土中水的运动规律第一节土的毛细性土的毛细性是指能够产生毛细现象的性质。土的毛细现象是指土中水在表面张力作用下，沿着细的孔隙向上及其他方向移动的现象。这种细微孔隙中的水被称为毛细水。一、土层中的毛细水带从下到上分为：正常毛细水带→毛细网状水带→毛细悬挂水带毛细悬挂水带：由地表水渗入而成。当地表有大气降水补给时，在重力作用下向下移动。三个毛细水带不一定同时存在，取决于当地的水文地质。如地下水位很高时，可能就只有正常毛细水带，而没有毛细网状水带和毛细悬挂水带；反之，当地下水位较低时，则可能三个同时出现。二、毛细水上升高度及上升速度一个细管插入水中，可以看到水会沿着毛细管上升。湿润现象。三、毛细压力干燥的砂土是松散的，湿砂可捏成团。因为湿砂的土粒间有一些粘结力，这个粘结力是由于土粒间接触面上一些水的毛细压力形成的。第二节土的渗透性土的渗透性：土孔隙中的自由水在重力作用下发生运动的现象，称为土的渗透性。一、渗流模型二、土的层流渗透定律三、土的渗透性四、影响土的渗透性的因素1．土的粒度成分及矿物成分2．结合水膜的厚度3．土的结构构造4．水的粘滞度5．土中气体五、动水力及渗流破坏流砂：若水的渗流方向自下而上，当向上的动水力与土的有效重度相等时，这时土颗粒间的压力等于零，土颗粒将处于悬浮状态而失去稳定，这种现象成为流砂现象。管涌：当水在砂土中渗流时，土中的一些细小颗粒在动水力的作用下，可能通过粗颗粒的孔隙被水流带走，这种现象称为管涌。第三节流网及其应用第四节土在冻结过程中水分的迁移和积聚一、冻土现象及其对工程的危害冻土根据冻融情况分为：季节性冻土、隔年冻土和多年冻土。冻土现象是由冻结及融化两种作用引起的。冻胀现象：某些细粒土在冻结时，往往会发生土层体积膨胀，使地面隆起成丘，即冻胀现象。冻胀的原因：不仅是由于水分冻结成冰时体积要增大9%，而主要是由于土层冻结，周围未冻结区中的水分会向表层冻结区集聚，使冻结区土层中水分增加，冻结后的冰晶体不断增大，土体积也随着发生膨胀隆起。冻胀的危害：冻土的冻胀会使路基隆起，使柔性路面鼓包、开裂，使刚性路面错缝或折断；冻胀还能使修建在其上的建筑物抬起，引起建筑物开裂、倾斜，甚至倒塌。对工程危害更大的是在季节性冻土地区。二、冻胀的机理与影响因素1．冻胀的原因是因为冻结时土中的水向冻结区迁移和积聚。2．影响冻胀的因素（1）土的因素：冻胀通常发生在细粒土中，特别是粉土、粉质粘土中，冻结时水分迁移积聚最强烈，冻胀现象最严重。相反粘土较前两者为小。砂砾等粗颗粒土，不会发生冻胀。所以在工程实践中，常在路基或路基中换填砂土，以防治冻胀。（2）水的因素开敞型冻胀（有外来水源补给）和封闭型冻胀（没有外来水源补给）。开敞型冻胀更强烈。3．温度的因素气温骤降且冷却强度很大时，这时形成的冻土一般无明显的冻胀；气温缓慢下降，冷却强度小，冻胀明显。上述三方面的因素是图层发生冻胀的三个必要因素。因此，在持续负温作用下，地下水较高处的粉砂、粉土、粉质粘土等土层具有较大的冻胀危害。三、冻结深度一般设计中，均要求将基础底面至于当地冻结深度以下。第四章土中应力计算有效应力是指总应力里由土颗粒间的接触面承担。的那一部分应力第五章土的压缩性与地基沉降计算第一节概述1．土的压缩性：在外力作用下土体积缩小的特性土的压缩性的两个特点：（1）土的压缩主要是由于孔隙体积减少引起的。土中水具有流动性，在外力作用下会沿着土中孔隙排出，从而引起土体积减少而发生压缩。（2）由于孔隙水的排出而引起的压缩对于饱和粘土来说是需要时间的，土的压缩随时间增长的过程称为土的固结。这是由于粘性土的透水性很差，土中水沿着孔隙排出速度很慢。2．沉降：在建筑物载荷作用下，地基土主要由于压缩而引起的竖直方向的位移称为沉降。由此，研究建筑物地基沉降包含两方面内容：（1）绝对沉降量的大小，即最终沉降。（2）沉降与时间的关系。第二节研究土压缩性的试验及指标一、室内侧限压缩试验及压缩模量室内侧限压缩试验（亦称固结试验）是研究土压缩性的最基本的方法。二、现场载荷试验及变形模量三、弹性模量及试验测定弹性模量是指正应力与弹性（即可恢复）正应变d的比值，通常用E来表示。四、关于三种模量的讨