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土力学2课程负责人:谢康和浙江大学岩土工程研究所2008Warming-up专业词汇VoidRatioClayCohesionlessSoilCohesiveSoilActivityIndex活动性指数AAtterberglimitsLiquidLimitPlasticLimitShrinkageLimitUnsaturatedsoilWarming-up稠度consistency不均匀系数coefficientofuniformity,uniformitycoefficient触变thixotropy单粒结构single-grainedstructure蜂窝结构honeycombstructure干重度dryunitweight塑性指数plasticityindex含水量watercontent,moisturecontent级配gradation,grading结合水boundwater,combinedwater,heldwater颗粒级配particlesizedistributionofsoils,mechanicalcompositionofsoil粘性土的灵敏度sensitivityofcohesivesoil平均粒径meandiameter,averagegraindiameter曲率系数coefficientofcurvature第2章土的物理性质与工程分类2.1概述2.2土的成因与组成2.3土的物理性质指标2.4无粘性土的物理性质2.5粘性土的物理性质2.6土的结构性2.7土的压实性2.8土的工程分类2.1概述土作为建筑物地基的主体,显然是土力学研究的主要对象。什么是土？简言之，土是岩石风化后的产物，是岩石经过外力地质作用而形成的碎散颗粒的集合体。土既然是散碎颗粒的集合体，颗粒间必然存在着孔隙，而孔隙中也必然包含着水或空气。因此，土是由土颗粒（固相）、水（液相）、和空气（气相）组成的三相体。要研究土的性质就必须研究土的生成、组成及物理性质。而首先必须从研究土的成因着手。2.2土的成因与组成2.2.1形成作用与成因类型（严格地说，土是由地质作用而生成的）地质作用——导致地壳（30～80km）成分变化和构造变化的作用。是土的生成的根本原因和动力。地质作用内力地质作用岩浆活动：岩浆从地球深处喷出地表，冷凝而成岩浆岩地壳运动升降运动：地壳的上拱或下拗形成各种类型的地质构造和地表的基本形态（生成土和沉积岩）水平运动：使岩层产生形态各异的褶皱和断裂外力地质作用：包括气温变化、雨雪、山洪、河流、湖泊、海洋、冰川、风、生物等的作用；可概括为风化、剥蚀、搬运、沉积等作用（生成岩浆岩和变质岩）地质作用内力地质作用——由地球自转的旋转能和放射性元素的蜕变产生的热能所引起。外力地质作用——由太阳的辐射能和地球的自重能所引起。内力与外力地质作用彼此独立又相互依存，前者对地壳的发展占主导地位。总之，地质作用形成了各种成因的地形，造就了岩浆岩、变质岩、沉积岩，也生成了土。对土的生成贡献最大的地质作用是风化作用。风化作用岩石经风化剥蚀作用而形成的碎散颗粒（土），有的存留在原地，有的则进一步经自然力的搬运而在别处沉积，这就形成了性质千差万别的各种土。物理风化：雨雪、冰川、风、热胀冷缩、冻融交替等对岩石的剥蚀破坏作用（不改变颗粒矿物成份，只改变其大小和形状。量变）化学风化：水解、离子交换、氧化还原等作用（细化颗粒,并改变其矿物成分。质变）生物风化：微生物、植被等对岩石的破坏作用等风化作用按风化成因与沉积地理历史土的分类按风化成因按沉积地理历史，土可分为：残积土：未经自然力（水力、风力等）搬运，留存于原地的散碎体、碎屑物。分布于山坡、山顶，近基岩。沉积土：因各种自然力的作用和搬运而在他处沉积的土。a.风成沉积土：由风力形成。b.水成沉积土：由水力形成。c.冰川沉积土：由冰川活动形成。无粘性土：物理风化形成，颗粒较粗、相互无粘性、松散（碎石、卵石、砂等。）粘性土：物理风化+化学风化形成，颗粒极细、相互粘结，湿呈粘性，干则结硬（粘土、淤泥）土水成沉积土水成沉积土又分为：坡积土：由于雨雪水流的作用在平缓山坡沉积；洪积土：由山洪的作用而形成；冲积土：由于河流的作用搬运沉积而形成，包括平原河谷冲积土和山区河谷冲积土；湖泊沉积土：在湖泊中沉积的土，包括沼泽沉积土；海相沉积土：各种冲积土被水力搬运至海洋而形成的。按海水深度的不同可分为滨海沉积土、浅海沉积土、陆坡沉积土、深海沉积土（有机软泥）。三角洲沉积土：由于江河水流的搬运在江河入海口沉积而形成。土的形成年代地球的形成至今大约60亿年。相对地质年代——根据古生物的演化和岩层形成的顺序，将地壳历史划分成的一些自然时段，共划分为五大代：太古代、元古代、古生代、中生代、新生代。代又分为纪，纪又分为若干世和期，即代→纪→世→期。每一地质年代中都划分有相应的地层，依次为界→系→统→阶（层）。在新生代中最新近的一个纪段称为第四纪，我们现在所见的土就是在这一地质年代生成且尚未胶结成岩的，距今约1百万年。土的成岩作用需要指出：岩石经风化而成土，土也可经压实固结、脱水、胶结硬化而成为岩石（沉积岩），即当然这需要漫长的年代（以百万年计）。土与岩石的相互转化，虽然过程缓慢，但循环往复、永不休止。这就是大自然演化的辩证法。岩石土。风化压实固结、胶结硬化2.2.2土的组成1.土中的固体颗粒土中的固体颗粒（简称土粒）是土的主要组成部分，是土的骨架。土颗粒的大小、形状、矿物成分及组成情况是决定土的物理力学性质的主要因素。（1）土的颗粒级配土是由大小不同的土粒组成的；随着颗粒的变化，土的性质将发生变化；例如：随着粒径的变细，土的性质由无粘性变为粘性。因此需区分土颗粒的大小和特征。为此,常将其划分为不同的粒组(表2-1)。表2-1土粒粒组的划分粒组名称粒径范围(mm)一般特征漂石或块石颗粒200透水性大，无粘性，无毛细水卵石或碎石颗粒200~60圆砾或角砾颗粒粗60~20透水性大，无粘性，毛细水上升高度不超过粒径大小中20~5细5~2砂粒粗2~0.5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，随粒径变小而增大中0.5~0.25细0.25~0.1极细0.1~0.075粉粒粗0.075~0.01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，极易出现冻胀现象细0.01~0.005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，但速度较慢颗粒分析试验及颗粒级配曲线粒组——粒径界于一定范围内的土粒的集合。共分6组（表2-1）：漂石（或块石）颗粒（200mm）；卵石（或碎石）颗粒；圆砾（或角砾）颗粒；砂粒；粉粒；粘粒（0.005mm）。由单一颗粒组成的土是没有的，故除了要了解土粒的大小或粗细外，还要了解土中各种颗粒所占的比例，也即了解土的颗粒级配。颗粒级配——土中所含各种粒组的重量所占土粒（干土）总重的百分数。它反映了土中各粒组的比例关系。由土的颗粒分析试验确定。根据试验结果，可以绘制颗粒级配曲线（图2-1）。比重计法：适用于粒径0.075mm颗粒分析试验筛分法：适用于粒径0.1mm：将风干、分散的土通过一套孔径不同的标准筛(孔径为0.075、0.1、0.25、…20mm),然后称出留在各筛子上的土重，然后算出占总重的百分数。颗粒级配曲线颗粒级配曲线——以土中所含小于某粒径的土重含量（％）为纵坐标，以土粒粒径（对数）为横坐标绘制的曲线。该曲线越平缓，表示该土所含土粒粒径相差越悬殊，土粒越不均匀，级配越好。则土的密实度越大，压缩性越小，土越好。从该曲线可得：有效粒径d10；限定粒径d60；不均匀系数Cu=d60/d10；曲率系数Cc=d302/（d60d10）一般情况：Cu5的土，可视为均粒土，属级配不良；Cu10的土，属级配良好。对砾类土或砂类土：Cu5且Cc=1~3，定名为良好级配砾或良好级配砂。（2）土粒的矿物成分矿物——地壳中天然生成的自然元素或化合物，也是构成岩石的基本元素或化合物。土的矿物成分——组成土中固体颗粒的矿物类型、结构等。了解土粒的矿物成分，对认识土性十分重要。有机质：未分解的动植物残体；半分解的泥碳；全分解的腐殖质矿物质固体颗粒原生矿物：石英、云母、长石等次生矿物：粘土矿物；可溶盐（NaCl、CaCO3等）；无定形氧化物胶体矿物成分原生矿物（非粘土矿物）：由岩石物理风化而成，与母岩的矿物成分相同，如石英、云母、长石等，以石英含量最多（因其不易化学风化）。残积土、无粘性土一般均由此组成。次生矿物：由原生矿物进一步化学风化而成。如粘土矿物。粘土矿物是构成粘土的主要矿物。构成粘土矿物的两种晶片：硅氧晶片、铝氢氧晶片（如图2-2）。图2-2粘土矿物晶片示意图1）常见粘土矿物两种基本晶片的不同组合就构成了不同的粘土矿物，主要有：蒙脱石、伊利石、高岭石和绿泥石。（图2－3）特点：扁平晶体结构（很薄,10-10m）；颗粒表面积大，具有很强的与水相互作用的能力。亲水性：蒙脱石（亲水性好）→伊利石→高岭石（亲水性差）图2-3粘土矿物构造单位示意图(a)蒙脱石(b)伊利石(c)高岭石2）粘土矿物的带电性1809年实验，图2-4：粘土颗粒(带负电荷)在电场作用下向阳极移动（水变混）→电泳水分子在电场作用下向负极移动（水面升高）→电渗图2-4粘土膏的电渗、电泳试验电动现象电泳：土粒电渗：水3）土的矿物成分与粒度成分的关系各粒组矿物成分取决于矿物的强度于物理化学稳定性。强度高，物理化学稳定性差的原生矿物多集中于粗粒组强度低，物理化学稳定性高的原生矿物多存在于细粒组粘粒组几乎全部有此生矿物及有机物组成2.土中水结合水土中水液态水固态水：矿物晶体内的结合水（结晶水），矿物的一部分，呈固态。自由水强结合水：紧靠土颗粒表面弱结合水：紧靠强结合水外围重力水：能形成水压力并能在土中流动的水，位于地下水位以下毛细水：受到水与空气交界面处表面张力作用的自由水，存在于地下水位以上的透水层中。气态水：土中气的一部分由于电分子引力作用而紧密吸附于土粒表面的水结合水的形成机理土颗粒表面：负电荷；水分子：极性分子H+、OH-;水溶液中带阳离子：Na＋，Ca＋等。土颗粒表面负电荷围绕土粒形成电场，在电场作用范围内的水分子和水溶液中的阳离子吸附于土粒表面（水分子作定向排列于土粒周围，阳离子受静电引力（电分子力）作用）。离土粒越近，电分子力越大，从而形成紧密吸附于土粒表面的固定层（强结合水）和在固定层外围的扩散层(弱结合水)，如图2-6。双电层固定层和扩散层中所含的阳离子土粒表面的负电荷图2-6结合水中的水分子定向排列示意图3.土中气体土中气占据了土中未被水占领的孔隙。自由气体——与大气连通、不影响土质，常存在于粗粒土中。封闭气体——与大气隔绝，增加土的弹性，减少土的透水性。可燃气体——由微生物的分解作用而形成，常存在于淤泥和泥炭等有机土中。2.3土的物理性质指标三相组成的定性分析，进一步对土的三相组成作定量上的分析，即分析土三相组成部分的质量和体积之间的比例关系。土的物理性质指标——表示土中三相比例关系的一些物理量，可分为如下两类：为了便于计算，用图2-5所示的土的三相组成示意图来表示各部分之间的数量关系。必须通过实验测定的指标即：土粒比重（土粒相对密度）、含水量、密度可根据已测指标推算的指标如:孔隙比、孔隙率、饱和度等物理性质指标图2-5土的三相组成示意图mw：土中水质量m：土的总质量，m=ms+mwVw：土中水体积mma=0mwms质量体积气水土粒VaVwVsVvVms：土粒质量ma：土中气质量Vs：土粒体积Va：土中气体积V：土的总体积V=Vv+VsVv：土中孔隙体积Vv=Va+Vw三相指标1.土粒比重（土粒相对密度）ds土粒质量与同体积的4℃时纯水的质量之比，即：其中：——土粒密度，g/cm3；——4℃时纯水的密度，1g/cm3或1t/m3；——天然水密度，1g/cm3。土粒比