第一章、土的性质及工程分类(2011)

第1章、土的物理性质和分类§1.1概述“土”一词在不同的学科领域有其不同的涵义。就土木工程领域而言，土是指覆盖在地表的没有胶结和弱胶结的颗粒堆积物。土与岩石的区分仅在于颗粒间胶结的强弱。土的三相组成固相：包括多种矿物成分组成土的骨架，骨架间的空隙为液相和气相填满，这些空隙是相互连通的，形成多孔介质。液相：主要是水(溶解有少量的可溶盐类)。气相：主要是空气、水蒸气，有时还有沼气等§1.2土的组成1.2.1土的固体颗粒土的固体颗粒:是由大小不等、形状不同的矿物颗粒或岩石碎屑按照各种不同的排列方式组合在一起，构成土的骨架。这些固体相的物质称为“土粒”，是土中最稳定、变化最小的成分。土的颗粒组成:土中不同大小颗粒的组合，也就是各种不同粒径的颗粒在土中的相对含量，称土的颗粒组成；土的矿物组成:组成土中各种土粒的矿物种类及其相对含量称土的矿物组成。土的颗粒组成与矿物组成是决定土的物理力学性质的物质基础。土的骨架颗粒扫描电镜照片内动力地质作用内动力地质作用一般认为是由于地球自转产生的旋转能和放射性元素蜕变产生的热能等，引起地壳物质成分、内部结构以及地表形态发生变化的作用和过程，如岩浆侵入与火山喷发，地壳运动导致的褶皱、断裂、地震等。地壳运动褶皱构造地壳运动u断层构造地震作用1999年台湾地震外动力地质作用外动力地质作用是指地壳的表层在气温变化、雨雪、山洪、河流、冰川、风、生物、人类活动等的作用下，不断地被风化、剥蚀，将高处物质搬运到低洼处沉积下来的过程。金沙江石林贺兰山西麓泥石流堆积层中的叠瓦构造（流向自右向左）天山石流坡海蚀地貌东昆仑北坡1号冰川风的作用风化作用物理风化：指由于温度变化、水的冻胀、波浪冲击、地震等引起的物理力使岩体崩解、碎裂成岩块、岩屑的过程。物理风化仅使岩石产生量的变化。化学风化：指岩体(或岩块、岩屑)与空气、水和各种水溶液相接触，经氧化、碳化和水化作用分解为极细颗粒的过程，生物的活动也可助长风化的进程。而化学风化却使岩石产生质的变化。土的矿物成分矿物是地质作用形成的单质或化合物，各种矿物具有特定的晶体结构，是组成地壳的基本物质。原生矿物次生矿物矿物原生矿物岩石经物理风化后，破碎成土粒，风化破碎前母岩中的矿物成分仍然保留着，这种矿物称为原生矿物，如石英、长石、云母等。原生矿物的抗风化能力强，性质比较稳定，粗的卵砾组与砂粒组土粒一般都是原生矿物或矿物组合。次生矿物原生矿物在一定的气候条件下，经化学风化作用后，使其颗粒变小，呈胶粒或准胶粒，同时矿物的晶体结构被破坏，化学成分也发生迁移或重新组合，形成新的矿物，这种矿物称为次生矿物。粘粒组的矿物成分主要有粘土矿物、氧化物、氢氧化物和各种难溶岩类，它们都是次生矿物。粘土矿物粘土矿物如蒙脱石、伊利石、高岭石等，是一组复合的层状硅酸盐矿物，主要由原生硅酸盐矿物经化学风化而形成。它们具有高分散性、高亲水性、较强的吸附性及离子置换性能。粘土矿物的晶格构造高岭石蒙脱石伊利石粒径比表面积胀缩性渗透性强度压缩性大10-20m2/g小大大小中80-100m2/g中中中中小800m2/g大小小大比表面积：单位质量土颗粒所拥有的总表面积9克蒙脱土的总表面积大约与一个足球场一样大粘土矿物组成粘土矿物的颗粒极细，多呈片状，比表面积很大，与水作用具有活跃的物理－化学特性。当土中含有粘土矿物时，其工程地质性质对水的敏感性明显增强，如亲水性、透水性、可塑性、膨胀性等都有较大变化。因此，矿物组成，尤其是粘土矿物，对土的工程地质性质有很大的影响。高岭石高岭石伊利石伊利石蒙脱石1.2.2土粒粒度分析方法自然界中的土粒，大小悬殊、性质各异，直径变化幅度很大，从数米的漂石到万分之几毫米的胶粒，为了研究土中各种大小土粒的相对含量及其与土的工程地质性质的关系，就有必要将工程地质性质相似的土粒归并成组，按其粒径的大小分为若干组别，这种组别称粒组。工程上常以土中各个粒组的相对含量即各粒组占土粒总重的百分数表示土中颗粒的组成情况，这种相对含量称为颗粒级配。土粒粒组的划分粒组名称粒径范围一般特征漂石或块石颗粒＞200透水性很大，无粘性，无毛细水卵石戎碎石颗粒200～60圆砾或角砾颗粒粗中细60～2020～55～2透水性很大，无粘性，毛细水上升高度不超过粒径大小砂粒粗中细2～0.50.5～0.250.25～0.075易透水，当混入云母等杂质时透水性减小，而压缩性增加；无粘性，遇水不膨胀，干燥时松散，毛细水上升高度不大，随粒径变小而增大粉粒0.075～0.005透水性小，湿时稍有粘性，遇水膨胀小，干时稍有收缩，毛细水上升高度较大较快，极易出现冻胀现象粘粒＜0.005透水性很小，湿时有粘性、可塑性，遇水膨胀大，干时收缩显著，毛细水上升高度大，但速度较慢土的颗粒级配土是由大小不同的土粒组成的。土粒的粒径由粗到细逐渐变化时，土的性质相应地发生变化。例如土的性质随着粒径的变细可由无粘性变化到有粘性。界限粒径——划分粒组的分界尺寸。土的颗粒级配——土中各个粒组的相对含量(各粒组占土粒总重的百分数)。颗粒级配累积曲线颗粒级配累积曲线——颗粒大小分析试验成果，由其横坐标（对数坐标）表示粒径。纵坐标则表示用小于(或大于)某粒径的土重含量(或称累计百分含量)。颗粒级配累积曲线土粒质量累计百分数为10％时，相应的粒径称为有效粒径d10。小于某粒径的土粒质量累计百分数为30％时的粒径用d３0表示。当小于某粒径的土粒质量累计百分数为60％时，该粒径称为限定粒径d６0。1060ddCu6010230dddCC不均匀系数曲率系数CU越大表示土粒大小的分布范围越大、其级配越良好，作为填方工程的土料时，则比较容易获得较大的密实度。曲率系数Cc描写累积曲线的分布范围，反映曲线的整体形状。CU5及Cc=1-3土级配良好.对于级配良好的土，较粗颗粒间的孔隙被较细的颗粒所填充，因而土的密实度较好，相应的地基土的强度和稳定性也较好．透水性和压缩性也较小，可用作堤坝或其它土建工程的填方土料。颗粒分析实验1、筛分法用于粒径0.075mm的粗粒土2、沉降分析法：用于粒径0.075mm的细粒土1.2.3土中水和气土中水的存在状态土中水处于不同位置和温度条件下，可具有不同的物理状态——固态、液态、气态。液态水是土中孔隙水的主要存在状态，因其受土粒表面双电层影响程度的不同可分为结合水、毛细水、重力水。后两者也称为非结合水（自由水）。水的类型主要作用力结合水物理化学力毛细水表面张力和重力非结合水重力水重力1.土中水2.土中气土中的气体主要是空气和水气，土中气体按其所处的状态和结构特点可分以下几种类型：吸附于土颗粒表面的气体，溶解于水中的气体，四周为颗粒和水所封闭的气体以及自由气体。通常认为自由气体与大气连通，对土的性质无大影响。密闭气体的体积与压力有关，压力增加，则体积缩小，压力减小，则体积胀大。因此，密闭气体的存在增加了土的弹性，同时还可阻塞土中的渗流通道，减小上的渗透性。1.2.4粘土颗粒与水的相互作用土粒表面通常是带负电荷的，在土粒周围就产生一个电场。水溶液中的阳离子一方面受土粒表面的静电引力作用，一方面又受到布朗运动(热运动)的扩散力作用，这两个相反趋向作用的结果，使土粒周围的阳离子呈不均匀分布，其分布与地球周围的大气层分布相仿。在土粒表面所吸附的阳离子是水化阳离子，土粒表面除水化阳离子外，还有一些水分子也为土粒所吸附，吸附力极强。土粒表面被强烈吸附的水化阳离子和水分子构成了吸附水层(也称为强结合水或吸着水)。双电层的概念在土粒表面．阳离子浓度最大，随着离土粒表面距离的加大，阳离子浓度逐渐降低，直至达到孔隙中水溶液的正常浓度为止。从土粒表面直至阳离子浓度正常为止，这个范围称为扩散层。当然，在扩散层内阴离子则为土粒表面的负电荷所排斥，随着离土粒表面距离的加大，阴离子浓度逐渐增高，最后阴离子也达水溶液中的正常浓度。土粒表面的负电荷和扩散层合起来称为双电层。土粒表面的负电荷为双电层的内层，扩散层为双电层的外层。扩散层是由水分子、水化阳离子和阴离子所组成，形成土粒表面的弱结合水(也称为薄膜水)。强结合水强结合水紧靠土粒表面，厚度只有几个水分子厚，小于0.003μm(1μm＝0.001mm)，受到约1MPa(1万个大气压)的静电引力，使水分子紧密而整齐地排列在土粒表面不能自由移动。强结合水的性质与普通水不同，其性质接近固体，不传递静水压力，100℃不蒸发，-78℃低温才冻结成冰，密度ρw＝(1.2—2.4)g／cm3，平均为2.0g／cm3，具有很大的粘滞性、弹性和抗剪强度。当粘土只含强结合水时呈固体坚硬状态,砂土含强结合水时呈散粒状态。弱结合水弱结合水在强结合水外侧，呈薄膜状，也是由粘土表面的电分子力吸引的水分子，水分子排列也较紧密，密度密度ρw＝(1.2—2.4)g／cm3，大于普通液态水。弱结合水也不传递静水压力，呈粘滞体状态，也具有较高的粘滞性和抗剪强度，冰点在-20—-30℃。其厚度变化较大，水分子有从厚膜处向较薄处缓促移功的能力，在其员外围有成为普通液态水的趋势。此部分水对粘性土的影响最大。非结合水在双电层影响以外的水为自由液态水，它主要受重力作用的控制，土粒表面吸引力居次要地位，这部分水称为非结合水，它包括毛细水和重力水。毛细水毛细水是受到水与空气交界面处表面张力作用的自由水。毛管现象是毛细管壁对水的吸力和水的表面张力共同作用的结果。毛细水按其与地下水面是否联系可分为毛细悬挂水(与地下水无直接联系)和毛细水上升水（与地下水相连）两种。重力水重力水是存在于地下水位以下的适水土层中的地下水。它是在重力或压力差作用下运动的自由水，对土粒有浮力作用。重力水只受重力控制，不受土粒表面吸引力的影响。1.2.5土的结构和构造一、土的结构(微观特征)是指土粒的原位集合体特征，由土粒单元的大小、形状、相互排列及其连接关系等因素形成的综合特征。二、土的构造(宏观特征)是指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相互关系的特征。土的结构絮状结构：d0.005mm（粘粒在海水中）蜂窝结构：d=0.005~0.075mm（粒）单粒结构：d0.075mm分散结构：d0.005mm（粘粒在淡水中）紧密疏松单粒结构：蜂窝结构：土的构造1.层理构造（水平层理、交错层理、斜层理等）2.裂隙构造层状构造透镜体尖灭1.3土的物理性质指标ms-土粒质量mω-土中水质量m-土的总质量m=ms+mω土粒水气体mmsmwVs-土粒体积Vω-土中水体积Va-土中气体积VV-土中空隙体积VV=Vω+VaV-土的总体积VV=Vs+Vω+Va土粒比重式中ρs－土粒密度（g/cm3）；ρw1－纯水在4℃时的密度（单位体积的质量），等于1g/cm3或者1t/m3。土粒水气体mmsmw土粒质量与同体积的4℃时纯水的质量之比，一般用ds表示，无量纲。即：111wswSssVmd数值:一般:2.6－2.8有机质土:2.4－2.5泥炭土:1.5-1.8土的含水量土中水的质量与土粒质量之比，一般用w表示，以百分数计，即：土粒水气体mmsmw%mmwsw100一般粗砂:接近于0饱和砂土:40%坚硬粘性土:30%饱和软粘土:60%以上土的密度一般分为：天然密度，干密度，饱和密度和有效密度。天然密度ρ：天然状态下，单位体积土的质量，单位为g/cm3或t/m3，即：Vm土粒水气体mmsmw数值:粘性土:ρ=1.8－2.0g/cm3；砂土ρ=1.6－2.0g/cm3；腐殖土ρ=1.5－1.7g/cm3土的干密度土的干密度ρd：土单位体积中固体颗粒部分质量，即：wssdedwVm11土粒水气体mmsmw在工程上常把干密度作为评定土体密实程度的指标，以控制填土工程的施工质量。土的饱和密度土的饱和密度ρsat：土孔隙中充满水时，单位体积质量，即：eedVVmwswVssat1)(土粒水气体mmsmw土的有效密度(浮密度)土的有效密度ρˊ：土体中土粒的质量扣除浮力后，即为单位体积中土粒的有效质量，即：edVVVmVVVmVVmwswsatwwVswvswss