01第一章 土的物理性質(zhì)及工程分類.doc

蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院教案課題: 第一章 土的物理性質(zhì)及工程分類 一、 教學(xué)目的：1.了解土的生成和工程力學(xué)性質(zhì)及其變化規(guī)律； 2.掌握土的物理性質(zhì)指標(biāo)的測定方法和指標(biāo)間的相互轉(zhuǎn)換； 3.熟悉土的抗?jié)B性與工程分類。 二、教學(xué)重點： 土的組成、土的物理性質(zhì)指標(biāo)、物理狀態(tài)指標(biāo)。 三、教學(xué)難點： 指標(biāo)間的相互轉(zhuǎn)換及應(yīng)用。 四、教學(xué)時數(shù)： 6 學(xué)時。五、習(xí)題：19第一章 土的物理性質(zhì)及工程分類一、 土的生成與特性1. 土的生成工程領(lǐng)域土的概念：土是指覆蓋在地表的沒有膠結(jié)和弱膠結(jié)的顆粒堆積物，土與巖石的區(qū)分僅在于顆粒膠結(jié)的強(qiáng)弱，土和石沒有明顯區(qū)分。土的生成: 巖石在各種風(fēng)化作用下形成的固體礦物、流體水、氣體混合物。不同風(fēng)化形成不同性質(zhì)的土，有下列三種：（1）物理風(fēng)化：只改變顆粒大小，不改變礦物成分。由物理風(fēng)化生成土為粗粒土（如塊碎石、礫石、砂土），為無粘性土。（2）化學(xué)風(fēng)化：礦物發(fā)生改變，生成新成分次生礦物。由化學(xué)風(fēng)化生成土為細(xì)粒土，具有粘結(jié)力（粘土和粘質(zhì)粉土），為粘性土。（3）生物風(fēng)化：動植物與人類活動對巖體的破壞。礦物成分沒有變化。2. 土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造（1） 土的結(jié)構(gòu)定義：土顆粒間的相互排列和聯(lián)結(jié)形式稱為土的結(jié)構(gòu)。1) 種類：l 單粒結(jié)構(gòu)：每一個顆粒在自重作用下單獨下沉并達(dá)到穩(wěn)態(tài)。l 蜂窩結(jié)構(gòu)：單個下沉，碰到已下沉的土顆粒，因土粒間分子引力大于重力不再下沉，形成大孔隙蜂窩狀結(jié)構(gòu)。l 絮狀結(jié)構(gòu)：微粒極細(xì)的粘土顆粒在水中長期懸浮，相互碰撞吸引形成小鏈環(huán)狀土集粒。小鏈之間相互吸引，形成大鏈環(huán)，稱絮狀結(jié)構(gòu)。圖1.1 土的結(jié)構(gòu)3）工程性質(zhì)：密實的單粒結(jié)構(gòu)工程性質(zhì)最好，蜂窩結(jié)構(gòu)與絮狀結(jié)構(gòu)如被擾動破壞天然結(jié)構(gòu)，則強(qiáng)度低、壓縮性高，不可用做天然地基。（2）土的構(gòu)造1）定義：同一土層中，土顆粒之間的相互關(guān)系。2）種類：l 層狀結(jié)構(gòu)：由不同顏色或不同粒徑的土組成層理，一層一層互相平行。l 分散構(gòu)造：土粒分布均勻，性質(zhì)相近，如砂與卵石層為分散構(gòu)造。l 結(jié)核狀構(gòu)造:在細(xì)粒土中混有粗顆粒或各種結(jié)核，屬結(jié)核狀構(gòu)造。l 裂隙狀構(gòu)造：土體中有很多不連續(xù)的小裂隙。3）工程性質(zhì)：分散結(jié)構(gòu)的工程性質(zhì)最好，結(jié)核狀取決于細(xì)粒土，裂隙狀滲透性大，工程性質(zhì)差。3. 土的工程特性(1)壓縮性高當(dāng)應(yīng)力數(shù)值相同，材料厚度一樣時，卵石的壓縮性為剛才壓縮性的數(shù)千倍；飽和細(xì)沙的壓縮性為C20混凝土的數(shù)千倍，足以證明土的壓縮性極高。軟塑或流塑狀態(tài)的粘性土比飽和細(xì)沙的壓縮性還要高。(2)強(qiáng)度低土的強(qiáng)度特指抗剪強(qiáng)度，而非抗壓強(qiáng)度或抗拉強(qiáng)度。無粘性土的強(qiáng)度來源于土粒表面滑動的摩擦和顆粒間的咬合摩擦；粘性土的強(qiáng)度出摩擦力外，還有粘聚力，均遠(yuǎn)小于建筑材料本身的強(qiáng)度。(3)透水性大土體顆粒間具有許多透水空隙，因此透水性比木材、混凝土都大，尤其是粗顆粒的卵石或砂土，其透水性更大。4. 土的生成與工程特性的關(guān)系(1)搬運(yùn)、沉積條件：沖積層優(yōu)于風(fēng)積層。(2)沉積年代：沉積年代越長，工程性質(zhì)越好。(3)自然環(huán)境：特殊土地基。二、 土的三相組成土的三相組成是指土由固體礦物、水和氣體三部分組成。1. 土的固體顆粒土的固體顆粒是土的三相組成中的主體，是決定土的工程性質(zhì)的主要成分。（1）土粒的礦物成分1）原生礦物由巖石經(jīng)物理風(fēng)化生成，它的成分與母巖的相同，常見的有石英，包括單礦物顆粒一個顆粒為單一的礦物，如常見的石英、長石、云母、角閃石與灰石等，砂土即為單礦物顆粒；多礦物顆粒一個顆粒中包含多種礦物，如巨粒土的漂石、卵石和粗粒土的礫石，往往為多礦物顆粒。2）次生礦物母巖經(jīng)化學(xué)風(fēng)化生成的新礦物，它的成分成分與母巖的完全不同。次礦物主要是粘土礦物，由兩種種原子層構(gòu)成：一種是Si-O四面體構(gòu)成的硅氧晶片，另一種是Al-OH八面體構(gòu)成的鋁氫氧晶片。因為這兩種晶片結(jié)合的情況不同，粘土礦物可分為下列三種：圖1.2 粘土礦物兩種原子層蒙脫石兩結(jié)構(gòu)單元之間沒有氫鍵，相互的聯(lián)結(jié)弱，水分子可以進(jìn)入量晶胞之間。因此，蒙脫石的親水性最大，具有強(qiáng)烈的吸水膨脹、失水收縮的特性。伊利石又稱水云母，部分Si-O四面體中的Si為Al、Fe所取代，損失的原子價由陽離子鉀補(bǔ)償。因此，晶格層組之間具有結(jié)合力，親水性低于蒙脫石。高嶺石晶胞之間有氫鍵，相互結(jié)合力較強(qiáng)，晶胞之間的距離不易改變，水分子不能進(jìn)入。因此，高嶺石的親水性最小。腐殖質(zhì)：土中腐殖質(zhì)含量多，使土的壓縮性增大。有機(jī)質(zhì)超過3%5%的不宜作為建筑材料。（2）土顆粒的大小和形狀通過界限粒徑（劃分粒組的分界尺寸）將土顆粒劃分為6個粒組：粘粒（小于0.005）、粉粒（0.005,0.075）、砂粒（0.075，2）、圓礫(角礫)（2，60）、卵石(碎石)/（60，200）、漂石(塊石）（大于200mm）。通常粗粒土的壓縮性低、強(qiáng)度高、滲透性大。表面粗糙抗剪強(qiáng)度越高。（3）土的顆粒級配 粒徑級配：土中各粒組的相對含量，占總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)。1） 篩分法：適用于礫石類和砂類土，0.075mm，主要設(shè)備為一套標(biāo)準(zhǔn)分析篩，孔徑分別為20，10，5，2.0，1.0，0.5，0.25，0.075mm。取樣數(shù)量：20mm，可取10002000g; 10mm，可取3001000g; 2mm，可取100300g;震篩1015min后稱取各級篩底盤試樣的質(zhì)量。2） 密度計法：適用于粉土和粘性土，0.075mm，測定懸濁液讀數(shù)。粒徑級配曲線上：縱坐標(biāo)10%所對應(yīng)的粒徑d10稱為有效粒徑；縱坐標(biāo)為60%所對應(yīng)的粒徑稱為限定粒徑；與的比值稱為不均勻系數(shù)，即 (1.1)不均勻系數(shù)為表示土顆粒組成的重要特征。當(dāng)很小時曲線很陡，表示土均勻；當(dāng)很大時曲線平緩，表示土的級配良好。曲率系數(shù)為表示土顆粒組成的又一特征，按下式計算： (1.2)式中為粒徑級配曲線上縱坐標(biāo)為30%所對應(yīng)的粒徑。礫石和砂土級配5且 =13為級配良好；級配不同時滿足這兩個要求則為級配不良。2. 土中水（1）結(jié)合水1）強(qiáng)結(jié)合水排列致密、定向性強(qiáng)；密度1g/cm3；冰點處于零下幾十度具有固體的的特性；接近固體，不傳遞靜水壓力；溫度高于100C時可蒸發(fā)，粘土只含結(jié)合水時呈堅硬狀態(tài)。2）弱結(jié)合水：位于強(qiáng)結(jié)合水之外，電場引力作用范圍之內(nèi)；密度大；不傳遞靜水壓力（不應(yīng)重力而移動）；有粘滯性。l 自由水：離土粒較遠(yuǎn)，位于電場引力范圍外，排列散亂。l 重力水：位于地下水位以下，具有浮力作用，可從總水頭較高處向較低處流動。l 毛細(xì)水：位于地下水位以上，受毛細(xì)作用上升，粉土中空隙小，毛細(xì)水上升高。（2）氣態(tài)水：水汽，影響不大。（3）固態(tài)水:0以下自由水發(fā)生凍脹。3. 土中氣體土顆粒中沒有被水填充的部分為氣體。（1） 自由氣體：與大氣連通，壓縮逸出，對工程無影響。（2）封閉氣體：與大氣隔絕，加載縮小，卸載膨脹，使土的滲透性降低。三、 土的物理性質(zhì)指標(biāo)1. 土的三項基本物理性質(zhì)指標(biāo)（此三項均由實驗室測定）（1）土的密度和土的重度1）物理意義：為單位體積土的重量，。單位體積土所受的重力，即。2）表達(dá)式 (1.3)3）常見值：。4）測定方法：環(huán)刀法（粘性土和粉土），灌水法（卵石、礫石與原狀砂）。（2）土粒比重1）物理意義：土中固體礦物的質(zhì)量與同體積4時的純水質(zhì)量的比值。2）表達(dá)式： (1.4）3）常見值：砂土=2.652,69，粉土=2.702.71,粘性土2.722.75，數(shù)值大小取決于礦物成分。4） 測定方法：比重瓶法；經(jīng)驗法。（3）土的含水率1）物理意義:土體中水的質(zhì)量與固體礦物質(zhì)量的比值，用百分?jǐn)?shù)表示。2）表達(dá)式： （1.5）3）常見值：砂土，粘性土，粘性土呈堅硬狀態(tài)。4）測定方法：烘箱法。2. 反映土的松密程度的指標(biāo)（1）土的孔隙比1）物理意義：土中孔隙體積與固體顆粒體積之比。2）表達(dá)式： (1.6)3） 常見值：砂土，粘性土4）確定方法：由實測值推算。（2）土的孔隙度（孔隙率）1）物理意義：表示孔隙體積含量，土中空隙占總體積的百分比。2）表達(dá)式： (1.7)3）常見值：4）確定方法：由實測值推算。3. 反映土中含水程度的指標(biāo)（1）含水率(前已述)（2）土的飽和度1）物理意義：水在空隙中的充滿程度。2）表達(dá)式： (1.8)3）常見值：4）確定方法：由實測值推算。5）工程應(yīng)用：砂土和粉土以飽和度分為稍濕（0.5）、很濕（0.50.8）、飽和（0.8）三類。4. 特定條件下土的密度（重度）（1）土的干密度和土的干重度1）物理意義：干密度為單位體積土的質(zhì)量，。2）土的干重度為單位體積干土所受的重力，即。3）表達(dá)式 (1.9)4） 常見值：。5）工程應(yīng)用：干密度或干重度越大，表明土體越密實，表明工程質(zhì)量越好。6）測定方法：環(huán)刀法，放射性同位素測試儀。（2）土的飽和密度和土的飽和重度1）物理意義：孔隙中全部充滿水時單位體積土的質(zhì)量，?？紫吨腥砍錆M水時單位體積土所受的重力，即。2）表達(dá)式 (1.10)3） 常見值：。（3）土的有效重度（浮重度）1）物理意義：地下水位以下土體單位體積土所受的重力扣除浮力。2）表達(dá)式 (1.11)3）常見值：。*有效密度： (1.12）延伸：各種密度和重度之間的大小關(guān)系規(guī)律總結(jié)：（1）當(dāng)設(shè)時， （2）當(dāng)設(shè)時，四、 土的物理狀態(tài)指標(biāo)1. 無粘性土的密實度（1） 孔隙比標(biāo)準(zhǔn)（同級配）（2） 相對密度標(biāo)準(zhǔn)： （1.13）用指標(biāo)可將土的密實程度分為：松散（1/3）中密（1/32/3）三種狀態(tài)。（3） 貫入試驗標(biāo)準(zhǔn) 一種現(xiàn)場原位測試試驗：63.5kg鋼錘提升76cm高度貫入30cm所需錘擊數(shù)N，反映貫入阻力的大小，亦即密實度的大小，將土分為松散（N10）稍密（10N15）中密（15N30）。2. 粘性土的物理狀態(tài)指標(biāo)無粘性土為單粒結(jié)構(gòu)，土粒與土中水的相互作用不明顯，但是粘性土顆粒很細(xì)，土粒與土中水相互作用明顯，關(guān)系密切，同一種土隨著含水率的增加土的狀態(tài)變化為固態(tài)半固態(tài)可塑狀態(tài)液體狀態(tài)，可見粘性土的主要物理特征并非非粘性土使用的指標(biāo)，而是稠度（反映土粒間的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度隨著含水率高低而變化的性質(zhì)）。（1） 液限（%）1） 定義粘性土呈液態(tài)與塑態(tài)之間的分界含水率。2）測定方法：l 錐式液限儀：l 蝶式液限儀：（2） 塑限（%）1） 定義粘性土半固態(tài)與塑態(tài)之間的分界含水率。2）測定方法：l 滾搓法l 液塑限聯(lián)合測定法（3） 塑性指數(shù)1） 定義液限與塑限的差值去掉百分?jǐn)?shù)即為塑性指數(shù)。 （1.14）2） 物理意義反映液塑限區(qū)間的大小，大，表明液塑區(qū)間大，吸附結(jié)合水多，但仍處于可塑狀態(tài)，說明該土的粘粒含量高或者礦物成分吸水能力強(qiáng)。3） 工程應(yīng)用：可作為粘性土與粉土定名的標(biāo)準(zhǔn)（下節(jié)敘述）。（4）液性指數(shù)1）定義天然含水率與塑限的差值和液限和塑限的差值之比，即 （1.15）2） 物理意義天然含水率靠近液限還是靠近塑限，反映土的軟硬不同。3） 工程應(yīng)用液性指數(shù)可以將土分為5中軟硬不同的狀態(tài)：堅硬（1）。（5）活動度1）定義塑性指數(shù)與土中膠粒含量百分?jǐn)?shù)的比值， （1.16）2） 物理意義：反映粘性土中所含礦物的活動性。根據(jù)活動度的大小可將土分為3種：不活動粘土（0.75）、正常粘土(0.751.25)。（6）靈敏度1）定義原狀土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與同一土經(jīng)重塑后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度之比 ： （1.17）3） 物理意義反映粘性土結(jié)構(gòu)性的強(qiáng)弱。根據(jù)靈敏度的大小可將土分為3類：高靈敏土（4）、中靈敏土(24)、低靈敏土(2)。工程應(yīng)用：保護(hù)基槽，利用觸變性（粘性土的抗剪強(qiáng)度隨時間恢復(fù)的膠體化學(xué)性質(zhì)）。五、 土的滲透及滲流在水位差作用下，水透過土體空隙流動的現(xiàn)象稱為滲透或滲流，土被水透過的性質(zhì)稱為滲透性，例如壩體滲流和基坑滲流。1. 層流滲流理論1856年法國學(xué)者Darcy對砂土的滲透性進(jìn)行研究，水在土中的滲透速度與試樣的水力梯度成正比： （1.18）注意：（1）由于水是從顆?？障堕g流過，故滲透速度非真實流速，為孔隙度。（2）反映土的滲透性大小，越大阻力越小，反之不易透過，是單位水力梯度的滲透速度。（3）為水力梯度，沿滲流方向單位距離的水頭損失：。 （1.19）2.達(dá)西定律適用范圍（1）砂土的滲透速度與水頭梯度呈線性關(guān)系（圖略）。（2）密實粘性土，需要克服結(jié)合水的粘滯阻力后才能發(fā)生滲透，同時滲透系數(shù)與水力坡降的規(guī)律偏離達(dá)西定律而呈非線性關(guān)系。即，水力梯度較大時才會產(chǎn)生滲流。（3）在礫類土和巨粒土中，若水頭梯度較大，水在其中的流動大多是紊流狀態(tài)，呈非線性關(guān)系，只有在較小的水頭梯度時，才可能是線性的，此時綜上：達(dá)西定律適用于飽和砂土，層流，不適用于紊流。3.滲透系數(shù)及確定方法（1） 室內(nèi)常水頭試驗保持土樣兩端水頭不變，測定一定時間內(nèi)流出的水量Q： 所以 （1.20）（2） 透水性較差可采用變水頭試驗 4.影響滲透系數(shù)的因素（1）土粒大小與級配土顆粒越粗，越渾圓，越均勻，滲透性越大。級配良好土，細(xì)顆粒填充在粗顆?？障吨?，滲透性變小。（2）土的密實度同種土在不同的密實狀態(tài)下具有不同的滲透系數(shù)，土的密實度增大，孔隙比降低，土的滲透性也減小。（3） 礦物成分和結(jié)合水膜粘性土中含有親水礦物或有機(jī)質(zhì)時，由于它們具有很大的膨脹性，就大大降低了土的滲透性。粘性土中結(jié)合水膜較厚時，滲透性也會降低。（4） 土中封閉氣體含量土中封閉氣體阻塞滲流通道，使土的滲透系數(shù)降低。封閉氣體含量愈多，土的滲透性愈小。（5） 土的結(jié)構(gòu)構(gòu)造粘土顆粒形狀是扁平的，有定向排列作用，在不等應(yīng)力作用下，土體造成了土體性質(zhì)的各向異性，也包含了土體滲透性的各向異性。（6） 水溫溫度高時，水的動力粘滯系數(shù)變小，滲透性變大。六、 土的動力特性1. 滲流力與臨界水頭梯度（1）滲流力滲流力：單位土體中的土顆粒所受到的滲流作用力，又稱動水力。它是體積力，單位kN/m。 (1.21)由于試樣的總滲流力和土粒對水的阻力是大小相等方向相反，所以，所以滲流作用于單位土體的力 (1.21)可見，滲流力是滲流對單位土體的作用力，是一種體積力，其大小與水頭梯度成正比，作用方向與滲流方向一致。滲流力的存在，將使土體內(nèi)部受力發(fā)生變化，這種變化對土體穩(wěn)定性有顯著的影響：l 滲流力方向與重力一致，促使土體壓密、強(qiáng)度提高，有利于土體穩(wěn)定；l 滲流力方向近乎水平，使土粒產(chǎn)生向下游移動的趨勢，不利于土體穩(wěn)定；l 滲流力方向與重力相反，當(dāng)滲透力大于土體的有效重度，土顆粒將被水流沖出。（2） 臨界水頭梯度 當(dāng)向上的滲透力大于土塊的水下重力時，土體處于懸浮狀態(tài)而失去穩(wěn)定，土粒隨水流動，這種現(xiàn)象稱為流砂或流土，發(fā)生流砂或流土?xí)r的水頭梯度為臨界水頭梯度。 (1.21)當(dāng)時發(fā)生流土。2. 滲透變形滲透水流將土體細(xì)顆粒沖走、帶走或局部土體產(chǎn)生移動導(dǎo)致的土體變形。（1）流土：滲流作用下，局部土體表面隆起，或某一范圍內(nèi)土粒群同時發(fā)生懸浮、移動的現(xiàn)象。防治措施：l 垂直截滲：如壩體下混凝土防滲墻，改變滲透路徑或隔水。l 水平鋪蓋：壩體存水側(cè)設(shè)置粘土鋪蓋。l 排水減壓：設(shè)置減壓井或深挖排水槽。l 下游加透水蓋。l 土層加固，如凍結(jié)法。（2）管涌：滲流作用下，土的細(xì)顆粒在粗顆粒形成的空隙中移動，以致流失，最終導(dǎo)致土體中形成貫通滲流通道，形成土體塌陷。防治措施：和防治流土措施基本相同。七、地基土的工程分類依據(jù)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范的分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類。1. 巖石（1） 定義顆粒間牢固聯(lián)結(jié)、呈整體或具有節(jié)理裂隙的巖體稱為巖石。（2） 分類1） 按堅硬程度劃分：堅硬巖、較硬巖、較軟巖、軟巖、極軟巖。2） 按分化程度劃分：未風(fēng)化、微風(fēng)化、弱風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、全分化。3） 按巖石完整程度劃分：完整、較完整、較破碎、破碎、極破碎。2. 碎石土（1） 定義土的粒徑大于2mm的顆粒含量超過全重50%的土稱為碎石土。（2） 分類依據(jù)以顆粒形狀與粒組含量為準(zhǔn)。（3） 定名：圓形和亞圓形為主的有漂石、卵石、圓礫；以棱角性為主的有塊石、碎石、角礫。（4） 工程性質(zhì)1） 密實碎石土：骨架顆粒含量大于總重的70%，呈交錯排列，連續(xù)接觸，優(yōu)良地基。2） 中密碎石土：骨架顆粒含量大于總重的60%70%，呈交錯排列，大部分接觸，優(yōu)良地基。3） 稍密碎石土：骨架顆粒含量大于總重的55%60%，排列混亂，大部分不接觸，良好地基。4） 松散碎石土：骨架顆粒含量小于總重的55%，排列十分混亂，絕大部分不接觸，良好地基。3砂土（1）定義：土的粒徑大于2mm的顆粒含量不超過全重50%且大于0.075mm的顆粒超過全重的50% 。（2）分類依據(jù)：粒徑級配。（3）定名：礫砂、粗砂、中砂、細(xì)砂、粉砂。（4）工程性質(zhì)1）密實與中密狀態(tài)的礫砂為優(yōu)良地基；稍密狀態(tài)的礫砂、粗砂、中砂為良好地基。2）密實粉砂與細(xì)砂為優(yōu)良地基；飽和疏松狀態(tài)時為不良地基。4.粉土（1）定義：塑性指數(shù)且粒徑大于0.075mm的顆粒含量不超過全重50%的土。（2）定名：單一分類。（3）工程性質(zhì)：密實時為良好地基，飽和和稍密時地震容易液化，為不良地基。5.粘性土（1）定義：塑性指數(shù)。（2）分類依據(jù)：塑性指數(shù)大小。（3）定名：為粘土，為粉質(zhì)粘土。（4）工程性質(zhì)：與含水量有關(guān)，硬塑狀態(tài)時為優(yōu)良地基，流塑狀態(tài)時為軟弱地基。6.人工填土（1）定義：由人類活動堆填形成的各類土。（2）分類依據(jù)：組成物質(zhì)和堆積年代。（3）定名：1）按組成和成因：素填土、壓實填土、雜填土、沖填土。2）按堆積年代：老黃土、新黃土。（4）工程性質(zhì)：工程性質(zhì)不良，強(qiáng)度低，壓縮性大且不均勻。7.特殊土定義：具有一定區(qū)域分布或工程意義上具有特殊成分、狀態(tài)和結(jié)構(gòu)特征的土。包括：軟土、紅粘土、膨脹土、多年凍土、鹽漬土等。課后習(xí)題詳解2.1工程地質(zhì)勘查中某住宅取原狀土做實驗。用天平秤50 濕土質(zhì)量為95.