第四章 土的工程性质与分类

第四章土的工程性质与分类土是连续、坚固的岩石在风化作用下形成的大小悬殊的颗粒，在原地残留或经过不同的搬运方式，在各种自然环境中形成的堆积物。土的物质成分包括作为骨架的固体矿物颗粒、孔隙中的水及其溶解物质以及气体。土是由颗粒（固相）、水溶液（液相）和气体（气相）所组成的三种体系。4.1土的组成与结构、构造土粒构成土的骨架主体，也是最稳定、变化最小的成分。从本质而言，土的工程性质主要取决于组成土的土粒的大小和矿物类型，即土的粒度成分和矿物成分。各种类型土的划分，首先是根据组成土的土粒成分，而土的结构特征，也是通过土粒大小、形状、排列方式及相互连结关系反映出来的。4.1.1土的粒度成分土是由各种大小不同的颗粒组成的。颗粒大小以直径（单位为mm）计，称为粒径（或粒度）。界于一定粒径范围的土粒，称为粒组；而土中不同粒组颗粒的相对含量，称为土的粒度成分（或称颗粒级配），它以各粒组颗粒的重量占该土颗粒的总重量的百分数来表示。粒组名称粒径范围（mm）一般特征漂石或块石颗粒卵石或碎石颗粒200200-20透水性很大；无粘性；无毛细作用圆砾或角砾颗粒粗中细20-1010-55-2透水性大；无粘性；毛细水上升高度不超过粘径大小砂粒粗中细极细2-0.50.5-0.250.25-0.10.1-0.075易透水；无粘性，无塑性，干燥时松散；毛细水上升高度不大（一般小于1m）粉粒粗细0.075-0.010.01-0.005透水性较弱；湿时稍有粘性（毛细力连结），干燥时松散，饱和时易流动；无塑性和遇水膨胀性；毛细水上升高度大；湿土振动之有水析现象（液化）粘粒0.005几乎不透水；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，但速度缓慢。从土粒粒组的一般特征，可以发现，颗粒愈细小，与水的作用愈强烈：毛细作用由无到毛细上升高度逐渐增大；透水性由大到小，甚至不透水；逐渐由无粘性、无塑性到具有愈大的粘性和塑性以及吸水膨胀等一系列特殊性质（结合水发育的结果）；在力学性质上，强度逐渐变小，受外力时，愈易变形。造成土的组成颗粒大小对物理力学产生性质产生重大影响的原因在于：组成土的颗粒大小不同，土的比表面不同，则土粒与水（或气）作用的表面能不同；天然土中不同大小颗粒的组成矿物类型不同，直接影响土的工程特性。颗粒级配累积曲线几个重要的粒径指标有效粒径d10：小于某粒径的土粒重要累计百分数为10%，相应的粒径称为有效粒径。限定粒径d60：当小于某粒径的土粒重要累计百分数为60%，该粒径称为限定粒径。不均匀系数Cu：反映颗粒级配的不均匀程度，数值上等于d60/d10。曲率系数Cc：反映累积曲线的弯曲情况。2301060CdCdd4.1.2土的矿物成分根据组成土的固体颗粒的矿物成分的性质及其对土的工程性质影响不同，分为以下四大类别：1.原生矿物2.不溶于水的次生矿物（以粘土矿物和硅、铝氧化物为主）3.可溶盐类及易分解的矿物4.有机质粘土矿物——高岭石高岭石的结晶格架的每个晶胞分别由一个铝氢氧八面体层和硅氧四面体层组成，即为1:1结构单位层。晶胞间除范德华力外，还有很强的氢键连结作用，因而类粘土矿物具有较稳固的结晶格架，水较难进入其结晶格架内，所以水与这类矿物之间的作用比较弱，膨胀性和压缩性等也较小。粘土矿物——蒙脱石蒙脱石的结晶格架的每个晶胞分别由两个硅氧四面体层夹一个铝氢氧八面体层组成，即为2:1结构单位层。晶胞间仅以范德华力相连，且具有电性相斥作用，因而不仅连接较弱，且不稳固，晶胞间易于移动。水分子很容易在晶胞之间楔入，吸水膨胀，失水收缩。因而该类矿物与水作用强烈，膨胀性和压缩性都很大。粘土矿物——伊里石伊里石与蒙脱石同属于2:1型结构单位层，不同的是其硅氧四面体中的部分离子常被、所置换，因而在相邻晶胞间将出现若干一价正离子以补偿晶胞中正电荷的不足，并将相邻晶胞连接。该类矿物的亲水性及对土的工程性质影响界于蒙脱石和高岭石之间。3Si3Al3FeK可溶盐类土中的可溶盐类常以夹层、透镜体、网脉、结核或呈分散的颗粒、薄膜或粒间胶结物含于土层中。可溶盐类对土的工程性质影响的实质，在于含盐土浸水、盐类被溶解后，土的粒间连接削弱，甚至消失，并同时增大土的孔隙性，从而降低土体的强度和稳定性，增大其压缩性。其影响程度，取决于（1）盐类的成分和溶解度、（2）含量以及（3）分布均匀性和分布方式。有机质在自然界一般土、特别是淤泥质土中，通常都含有一定数量的有机质，当其在粘性土中的含量达到或超过5%（在砂土中的含量达到或超过3%）时，就开始对土的工程性质具有显著的影响。有机质对土的工程性质的影响实质，在于它比粘土矿物具有更强的胶体特性和更高的亲水性。4.1.3土中水和气体及其与土粒的相互作用结合水（土粒表面结合水）：（1）强结合水（吸着水）（2）弱结合水非结合水：（1）液态水：(a)毛细水（实为半结合水）(b)重力水（自由水）（2）气态水（水蒸气）（3）固态水（冰）结合水双电层强结合水（亦称吸着水）弱结合水（亦称薄膜水）非结合水——毛细水毛细水是土的细小孔隙中，因与土粒的分子引力和水与空气界面的表面张力共同构成的毛细力作用而与土粒结合，存在于地下水面以上的一种过渡类型水。毛细现象。毛细水对土的工程性质及建筑工程的影响。非结合水——重力水、气态水和固态水重力水是存在于较粗大孔隙中，具有自由活动能力，在重力作用下流动的水。为普通液态水。机械潜蚀作用。化学潜蚀作用。气态水以水气状态存在，从气压高的地方向气压低的地方移动。当温度降低至零度以下时，土中的水，主要是重力水冻结成固态水（冰）。4.1.4土的结构和构造（1）土的结构是指土颗粒本身的特点和颗粒间相互关系的综合特征：1.土颗粒本身的特点，如土颗粒大小、形状和磨圆度及表面性质（粗糙度）等。2.土颗粒之间的相互关系特点，即粒间排列及其连结性质。4.1.4土的结构和构造（2）单粒结构：也称散粒结构，是碎石（卵石）、砾石类土及砂土等无粒性的基本结构形式，粒间几无静电引力连结和水胶连结，只有潮湿时具有微弱的毛细力连结。集合体结构：也称团聚结构或絮凝结构，为粘性土所特有，亦为构成粒性土结构的基本单元。4.1.4土的结构和构造（3）软粘性土的触变性是指其土体经扰动（如振动、搅拌、搓揉等）致使结构破坏时，土体强度剧烈减小；但如将受过扰动的土体静置一定的时间，则该土体强度将随静置时间的增大，而逐渐有所增长、恢复的特性。对软粘性土的触变特性，一般用灵敏度表示：保持天然结构和含水量的软粘性土的无侧限抗压强度同上土体，结构被破坏的无侧限抗压强度土的灵敏度愈高，其结构性愈强。'utuqSq4.1.4土的结构和构造（4）土的构造：整个土层（土体）构成上的不均匀性特征的总合，包括层理、夹层、透镜体、结核、组成颗粒大小悬殊及裂隙发育程度与特征等。4.2土的物理力学性质及其指标1.土的三相比例指标2.无粘性土的紧密状态3.粘性土的物理特征4.土的力学性质4.2.1土的三相比例指标（1）土的三相比例指标，即土的基本物理性质指标，包括土的颗粒比重、重度、含水量、饱和度、孔隙比和孔隙率。（1）土的颗粒比重：土粒重量与同体积的4时水的重量之比，称为颗粒比重，它在数值上为单位体积土粒的重量。11SSWWGVCG4.2.1土的三相比例指标（2）（2）土的重度：单位体积土的重量称为土的重度对具有一定成分的土而言，结构愈疏松，孔隙体积愈大，重度值将愈小，而比重不变。SWSV4.2.1土的三相比例指标（3）（3）土的干重度、饱和重度和浮重度土单位体积中固定颗粒部分的重量，称为土的干重度土孔隙中充满水时的单位体积重量，称为土的饱和重度地下水位以下，单位土体积中土粒的重量扣除浮力后，即为单位土体积中土粒的有效重量，称为土的浮重度或水下重度SdWVSVWsatWVV'SSWSVWWsatWWVWVVVVdsat'4.2.1土的三相比例指标（4）（4）土的含水量：土中水的重量与土粒重量之比（5）土的饱和度：土中被水充满的孔隙体积与孔隙总体积之比w100%WSrS100%WrVVSV4.2.1土的三相比例指标（5）（6）土的孔隙比和孔隙率土的孔隙比是土中孔隙体积与土粒体积之比土的孔隙率是土中孔隙所占体积与总体积之比，以百分数表示enVSVeV100%VVnV4.2.2无粘性土的紧密状态无粘性土一般指碎石土和砂土，粉土属于砂土和粘性土的过渡类型，但是其物质组成、结构及物理力学性质主要接近砂土，故列入无粘性土的工程特征问题一并讨论。无粘性土的紧密状态是判定其工程性质的重要指标，它综合反映了无粘性土颗粒的岩石和矿物组成、粒度组成（级配）、颗粒形状和排列等对其工程性质的影响。粉土样本（未捻碎）粉土样本（已捻碎）思考：土体为何会出现粘性与无粘性？影响土体粘性的因素很多，比如土体颗粒大小、矿物组成、沉积历史等。粒组名称粒径范围（mm）一般特征漂石或块石颗粒卵石或碎石颗粒200200-20透水性很大；无粘性；无毛细作用圆砾或角砾颗粒粗中细20-1010-55-2透水性大；无粘性；毛细水上升高度不超过粘径大小砂粒粗中细极细2-0.50.5-0.250.25-0.10.1-0.075易透水；无粘性，无塑性，干燥时松散；毛细水上升高度不大（一般小于1m）粉粒粗细0.075-0.010.01-0.005透水性较弱；湿时稍有粘性（毛细力连结），干燥时松散，饱和时易流动；无塑性和遇水膨胀性；毛细水上升高度大；湿土振动之有水析现象（液化）粘粒0.005几乎不透水；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，但速度缓慢。思考：土体为何会出现粘性与无粘性？影响土体粘性的因素很多，比如土体颗粒大小、矿物组成、沉积历史等。土体的粘性与颗粒大小密切相关；颗粒愈细小，土粒的比表面能就愈大，与水的作用愈强烈；土中的结合水和毛细水对土粒起到了粘结的作用。无粘性土紧密状态指标——天然孔隙比砂土的承载力不论其颗粒组成的粗细，均随着天然孔隙比的减小而显著地增大。砂土名称实密中密稍密疏松砾砂、粗砂、中砂0.60.6-0.750.75-0.850.85细砂、粉砂0.70.7-0.850.85-0.950.95无粘性土紧密状态指标——相对密度然而，由于砂土的密实度还与砂粒的形状、粒径级配有关（比如，疏松的级配良好的砂土的孔隙比，有时要比紧密的颗粒均匀的砂土的孔隙比小），因此仅采用天然孔隙比作为砂土紧密状态的分类指标缺乏概括性。maxmaxminreeDee紧密状态Dr密实0.67-1中密0.33-0.67稍密0.2-0.33松散0-0.24.2.3粘性土的物理特征粘性土的界限含水量：随着含水量的变化，粘性土由一种稠度转变为另一种状态，相应于转变点的含水量称为界限含水量，如缩限、塑限和液限。0缩限塑限液限含水量固态半固态可塑固态流动状态w液塑限仪粘性土的塑性指数和液性指数塑性指数：液限和塑限的差值，它表示土处在可塑状态的含水量变化范围，塑性指数愈大，土处于可塑状态的含水量范围也愈大，可塑性就愈强。液性指数：粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比，用以表征粘性土所处的软硬状态，液性指数愈大，土质愈软，反之，土质愈硬。PLPIwwPPLLPP4.2.4土的力学性质土的变形具有明显的非线性特征，但一般的建筑荷载作用下地基中应力的变化范围不大，因而也可以将之视为一种线性变形体。压缩系数、压缩模量、抗剪强度土的压缩性土的压力作用下体积缩小的特性称为土的压缩性。在一般压力作用下，土粒和水的压缩与土的总压缩量之比是很微小的，因此完全可以忽略不计，而将土的压缩看作为土中孔隙体积的减小。室内压缩试验。固结仪压缩过程示意图ipH0H0/（1+e）0ev=viev=v1v=s1v=sHiHi/（1+e）Hie-p曲线01002003004000.350.4