土力学-土的性质及工程分类

1土力学第一章土的物理性质及工程分类2第一章土的物理性质及工程分类要点：*土体的形成*土中颗粒、土中水、土中气体对土的工程性质影响。——土的颗粒组成，颗分试验，颗粒级配成果分析，土体的初步分类。*土的物理性质指标的工程意义——三相比例指标的定义及计算*无粘性土（砂性土）的密实性*粘性土的软硬性——粘性土的界限含水量意义，土体的进一步分类。*土体的压实原理*《规范》中土体的分类3第一节土的形成地球表面在地质年代中经历着地壳运动、剥蚀作用、沉积作用、成岩作用这样一个不断的循环过程。地表的整体岩石在大气中经受长期的风化作用而破碎后，形成形状不同、大小不一的颗粒。这些颗粒受各种自然力的作用，在各种不同的自然环境下堆积下来，就形成通常所说的土。在土木工程中，土是指覆盖堆积物，它们大多数是在第四纪地质历史时期内形成的。4一、土的搬运沉积第四纪土，根据其搬运和沉积方式的不同，又可分为残积土（图1－1）和运积土两大类。残积土是指母岩表层经风化作用破碎成为岩屑或小颗粒后，未经搬运，残留在原地的堆积物。它的特征是颗粒表面粗糙、多棱角、粗细不均、无层理。运积土是指风化所形成的土颗粒，受自然力的作用，搬运到远近不同的地点所沉积的堆积物，其特点是颗粒经过滚动和相互摩擦，具有一定的浑圆度，即颗粒因摩擦作用而变浑圆。在沉积过程中因受水流等自然力的分选作用而形成颗粒粗细不同的层次，粗颗粒下沉快，细颗粒下沉慢而形成不同粗细的土层。根据搬运的动力不同，运积土又可分为如下几类：56（1）坡积土——残积土受重力和短期水流（如雨水和雪水）的作用，被搬运到山坡或坡脚处沉积起来的堆积物。此堆积物体内土颗粒粗细不均匀，性质差异较大（图l－2）。（2）洪积土——残积土和坡积土受洪水冲刷，被搬运到山麓处沉积的堆积物。具有一定的分选性。搬运距离近的沉积物其沉积颗粒较粗，力学性质较好；而搬运距离远的沉积物其沉积颗粒较细，力学性质较差（图1－3）。789(4）湖泊沼泽沉积土——在极为缓慢水流或静水条件下沉积形成的堆积物。其特点是这种土除了含有细小的颗粒外，常伴有生物化学作用所形成的有机物的存在，成为具有特殊性质的淤泥或淤泥质土，其工程性质一般较差。（5）海相沉积土——由水流挟带到大海沉积起来的堆积物，其颗粒细，表层土质松软，工程性质较差．（6）冰积土——由冰川或冰水挟带搬运所形成的沉积物，颗粒粗细变化也较大，土质不均匀。（7）风积土——由风力搬运形成的堆积物，颗粒均匀，往往堆积层很厚而不具层理。我国西北的黄土就是典型的风积土。10二、风化作用和土的主要特征岩石和土在其存在和沉积的各个过程中都在不断风化。不同的风化作用，形成不同性质的土。风化作用有三种类型：物理风化、化学风化、生物风化。1．土的碎散性物理风化是指岩石和土的粗颗粒受风、霜、雨、雪的侵蚀，温度、湿度的变化，不均匀膨胀和收缩，使岩石产生裂隙，崩解为碎块。这种风化作用只改变颗粒的大小与形状，不改变矿物成分。11由物理风化生成的多为粗颗粒土，如碎石、卵石、砾石、砂土等，呈松散状态，统称无粘性土。这类土颗粒的矿物成分仍与原来的母岩相同，称为原生矿物。虽然物理风化后的土可以当成只是颗粒大小上量的变化，但是这种量变的积累结果使原来的大块岩体获得了新的性质，变成了碎散的颗粒。颗粒之间存在着大量的孔隙，可以透水和过气，这就是土的第一个主要特征——碎散性。122．土的三相体系化学风化是指岩石碎屑与水、氧气和二氧化碳等物质接触而发生的变化，它改变了原来的矿物成分，形成了新的矿物，也称次生矿物。化学风化常见的反应有：水解作用、水化作用、氧化作用、溶解作用、碳酸化作用等。化学风化的结果，形成十分细微的土颗粒以及大量的可溶性盐类。13微细颗粒的表面积很大，具有吸附水分子的能力，具有粘聚力，如粘土、粉质粘土等。因此，自然界的土，一般都是由固体颗粒、水和气体三种成分构成，这是土的第二个主要特征——三相体系。143．土的自然变异性在自然界中，土的风化作用时刻都在进行，而且各种风化作用相互加强。由于形成过程的自然条件不同，自然界的土也就多种多样。同一场地，不同深度处土的性质也不一样，即使同一位置的土，其性质也往往随方向而异。例如沉积土往往竖直方向的透水性小，水平方向的透水性大。因此，土是自然界漫长的地质年代内所形成的性质复杂、不均匀、各向异性且随时间不断变化的材料。这是土的第三个主要特征——自然变异性。15第二节土的三相组成土是由固体颗粒、水和气体三部分组成的三相体系。固体部分即固体颗粒，一般由矿物质所组成，有时含有有机质。这一部分构成土的骨架，称为土骨架。土骨架间布满相互贯通的孔隙，这些孔隙有时完全被水充满，称为饱和土；有时一部分被水占据，另一部分被气体占据，称为非饱和土；有时也可能完全充满气体，称为干土。水和溶于水的物质构成土的液体部分，空气及其他一些气体构成土的气体部分。这三部分本身的性质以及它们之间的比例关系和相互作用决定了土的物理力学性质。1616土体不是一般土层的组合体，而是与工程建筑的稳定、变形有关的土层的组合体。土体是由厚薄不等，性质各异的若干土层，以特定的上、下次序组合在一起的。1717一、土的固体颗粒（固相）（一）土粒的矿物成分矿物成分对土的性质有着重要影响，其中以细粒组的矿物成分最为重要。土颗粒的矿物成分原生矿物次生矿物1818原生矿物：包括石英、长石和云母等。为岩石物理风化的产物，化学性质稳定或较为稳定。次生矿物：为原生矿物化学风化的产物。次生矿物主要是粘土矿物。1919硅氧四面体硅氧晶片铝氢氧八面体铝氢氧晶片的基本单元粘土矿物结构2020硅片的结构2121铝片的结构2222由于晶片结合的情况不同，便形成了具有不同性质的各种粘土矿物，主要有蒙脱石、伊里石和高岭石。蒙脱石：亲水性强（吸水膨胀、脱水收缩）伊里石：亲水性中等高岭石：亲水性差这种亲水性的差别可由其结构示意图及SEM图片体现出来2323晶格结构示意图蒙脱石伊利石高岭石电镜(SEM)微观图片蒙脱石伊利石伊利石高岭石高岭石2424（二）土粒粒组定义:※按土颗粒粒径（d）大小将土颗粒分组，称为粒组。划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。巨粒：60mm粗粒：0.075~60mm细粒：≤0.075mm土的粒组25252626（三）土的颗粒级配基本概念:※土颗粒的大小及其组成情况，通常以土中土颗粒各个粒组的相对含量（各粒组占土粒总量的百分数）来表示，称为土的颗粒级配。2727根据颗粒大小分析试验结果，可以绘制颗粒级配累积曲线（横坐标为粒径，用对数坐标表示；纵坐标为小于某粒径的土重含量，用常数坐标表示）。颗粒级配曲线的坡度可以大致反映土的均匀程度。曲线陡，表示粒径大小相差不多，土颗粒比较均匀；曲线缓，表示粒径大小相差悬殊，土颗粒不均匀，级配良好。2828定义:几个特殊粒径：d10,d30,d60小于某粒径的土颗粒质量累积百分数为10%时，相应的粒径称为有效粒径d10。与之类似可以得到d30（中值粒径）和d60（限定粒径）。土颗粒的级配指标：不均匀系数Cu=d60/d10曲率系数Cc=(d30)2/(d60×d10)2929Cu反映大小不同粒组的分布情况。Cu越大，表示土颗粒大小的分布范围越大，其级配良好。Cc描写累积曲线的分布范围，反映曲线的整体形状。对于级配连续的土，在一般情况下,Cu5，均粒土，为级配不良10，级配良好3030Cu≥5Cc=1~3级配良好砾类土或砂类土对于级配不连续的土,单独用Cu来确定土的级配情况是不够的，需同时参考Cc。3131颗粒粒径级配曲线纵坐标表示小于某粒径的土粒含量百分比,横坐标表示土粒的粒径(对数坐标）32Gradingcurves0.00010.0010.010.1110100020406080100Particlesize(mm)%FinerWWellgraded33Gradingcurves0.00010.0010.010.1110100020406080100Particlesize(mm)%FinerWWellgradedUUniform34Gradingcurves0.00010.0010.010.1110100020406080100Particlesize(mm)%FinerWWellgradedUUniformPPoorlygraded35Gradingcurves0.00010.0010.010.1110100020406080100Particlesize(mm)%FinerWWellgradedUUniformPPoorlygradedCWellgradedwithsomeclay36Gradingcurves0.00010.0010.010.1110100020406080100Particlesize(mm)%FinerWWellgradedUUniformPPoorlygradedCWellgradedwithsomeclayFWellgradedwithanexcessoffines3737筛析法密度计法d0.075mm移液管法d0.075mm颗分试验※土的颗粒级配可由土的颗粒大小分析试验（简称颗分试验）测定。(四)颗粒分析试验3838筛分法用一套孔径不同的筛子，按从上至下筛孔逐渐减小放置。将事先称过质量的烘干土样过筛，称出留在各筛上的土质量，然后计算其占总土粒质量的百分数3939比重计法利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同来确定小于某粒径的土粒含量4040二、土中水和气土中水结合水自由水强结合水弱结合水重力水毛细水※土的含水量试验所测定的为土中的自由水和弱结合水。(一)土中水的存在形状4141(二)粘土颗粒与水的相互作用粘土颗粒表面带电性结合水分力定向排列图土的颗粒越细，其分散性越大，水对土性质的影响也越大。特别是粘土矿物颗粒，在水中一般带负电荷，围绕土粒形成电场。粘土颗粒表面与水具有很强的相互作用力，这就是粘土的亲水性。双电层结构及电位变化示意图4242(三)毛细水：毛细水在水和空气的交界面上会产生表面张力。在表面张力作用下，水能沿土粒表面上升，超过自由水面一定的高度。这种沿土中毛细孔隙上升的水叫毛细水毛细压力示意图毛细升高原理图土中的毛细升高4343(四)土的冻胀•地表下一定深度的水温,随着大气温度而改变,土的冻胀现象是在一定条件下形成的:土的因素水的因素温度的因素冻胀现象影响因素4444危害路面翻浆4545(被冻胀破坏的铁路)4646(五)土中气土中气体存在于土孔隙中未被水占满的部分。在粗粒土中常可见与大气相连通的空气，在受力时，气体能很快从孔隙中逸出，一般不影响土的性质。在细粒土中，常存在与大气不相连通的封闭气泡，在土体受压时，气体体积缩小，卸荷后体积又恢复，这使土的弹性变形增大而透水性减小。47471.3土的物理性质指标土的三相比例指标定量反映了土的三相的组成情况，有助于理解土的基本物理性质。土液相（水）气相（气）固相（土颗粒）土是三相体。土的三相图气水土粒msmwmVsVwVVa质量m体积VVv4848一、指标的定义土的物理性质指标即土的三相比例指标可分为两类，一类可通过试验测定得到，另一类可通过试验测定的指标换算得到。前者称为实测指标，后者称为计算指标。（一）土粒比重（土粒相对密度）ds（或Gs）（二）土的密度（三）含水量(%)实测指标4949计算指标（一）孔隙比e（二）孔隙率n（三）饱和度Sr（四）土的干密度ρd（五）土的饱和密度ρsat（六）土的有效密度ρ′5050※土粒比重Gs：土粒质量与同体积的4℃时纯水的质量之比。在数值上等于土粒密度，但无量纲。在试验室用“比重瓶法”测定，一般土粒比重的变化幅度不大。ssssVmG土粒比重决定于土粒的矿物成分。一般砂土的平均比重为2.65，粘土为2.75。当土中含有有机质时，土粒比重可以降到2.4实测指标:5151※土的含水量w：土中水的质量与土粒质量之比。在试验室一般用“烘干法”测定，是把土放入105～110℃烘箱内烘至恒重后称得。一般来说，同一类土，当含水量增大时，其强度就降低。土的密度干密度饱和密度有效密度干重度饱和重度有