土的物理性質(zhì)及及工程分類.doc

土的物理性質(zhì)及及工程分類土是由固體顆粒（又稱固相）、水和氣體所組成，故稱為三相系，土中顆粒的大小、成分及三相之間的比例關系，反映出土的不同性質(zhì)。第一節(jié) 土的生成與特性一、 土的生成土是地球表層巖石經(jīng)過風化（主要有三種：1、物理風化 巖石經(jīng)風霜雨雪的侵蝕，溫度和濕度的變化，不均勻膨脹和收縮，使巖石產(chǎn)生裂隙，崩解為碎塊。這種風化作用，只改變顆粒的大小和形狀，不改變礦物成分。2、化學風化 巖石碎屑與水、氧氣、二氧化碳等物質(zhì)接觸，使巖石碎屑發(fā)生化學變化，改變了原來組成礦物的成分，產(chǎn)生一種新的成分-次生礦物，土的顆粒變得很細，具有黏結(jié)性。3、生物風化 由動物、植物和人類活動對巖體的破壞。其礦物成分沒有變化。）、剝蝕、搬運、沉積，形成的固體礦物顆粒、水和氣體的集合體。不同的風化作用，形成不同性質(zhì)的土。二、 土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造,即物質(zhì)成分間的聯(lián)結(jié)特點、空間分布和變化規(guī)律反映了土物質(zhì)的存在形式。土的結(jié)構(gòu)指的是微觀結(jié)構(gòu)，而土的構(gòu)造是指整個土層空間構(gòu)成上特征的總和。（1） 土的結(jié)構(gòu)土的結(jié)構(gòu)是指土顆粒的大小、形狀、表面特征、相互排列及其聯(lián)結(jié)關系的綜合特征。一般有三種基本類型：單粒結(jié)構(gòu)、蜂窩結(jié)構(gòu)和絮狀結(jié)構(gòu)。1、 單粒結(jié)構(gòu)單粒結(jié)構(gòu)是無黏性土的基本組成形式，由較粗的礫石、砂粒在重力作用下沉積形成。2、 蜂窩結(jié)構(gòu)當土粒較細在水中單獨下沉，碰到已沉積的土粒，由于土粒之間的分子引力大于顆粒自重，則下沉土粒被吸引不再下沉，形成具有很大孔隙的蜂窩結(jié)構(gòu)。3、 絮狀結(jié)構(gòu)細粒土（小于0.005mm）在水中長期處于懸浮狀態(tài)，摻入某些電解質(zhì)，凝聚成類似（2） 土的構(gòu)造1、 層狀2、 分散、3、 裂隙4、 結(jié)核狀三、 土的常用指標土的物理性指標：含水率、比重、濕密度、干密度、飽和密度、浮密度、孔隙比、飽和度這九個指標。其中前三個為試驗指標，后六個為計算指標。土的物理狀態(tài)指標：液限、塑限、縮限、塑性指數(shù)、液性指數(shù)和砂的相對密度等。前五個指標描述的對象是細粒土，其中前四個指標是土樣經(jīng)過擾動后試驗獲得的。土的塑性指標越大，則黏粒含量越多。后一個指標描述的對象是砂土，液性指數(shù)和砂的相對密度均用于評價天然土層的物理狀態(tài)。土的力學性指標：壓縮系數(shù)、壓縮指數(shù)、固結(jié)系數(shù)、抗剪強度指標（凝聚力、內(nèi)摩擦角）、承載比、回彈模量、無側(cè)限抗壓強度以及黃土濕陷性指標、土的膨脹指標、凍土特性指標等。通?！皦嚎s”描述的是非飽和土體，“固結(jié)”描述的是飽和土體。常用土的水理性指標：滲透系數(shù)、濕化崩解量、毛細管水上升高度等。此外，還有土中化學成分的測定指標以及土中礦物成分的測定指標等。四、 土的一般性術語含水率：土中水的質(zhì)量與土顆粒質(zhì)量的比值。 單位 %。密度：單位體積的質(zhì)量。P 單位 g/cm3 kg/m3孔隙率：土的孔隙與土總體積的比值?？紫侗龋和恋目紫杜c固體顆粒體積的比值。土顆比重：土顆粒的質(zhì)量與4蒸餾水的質(zhì)量的比值，其在數(shù)值上與土粒的密度相同，只是意義不同。級配：土料按顆粒粗細的不同，將粒徑相似、工程性質(zhì)相近的顆粒劃分為若干個粒組，土中各粒組的相對含量，即為土顆粒的級配。它是以不均勻系數(shù)CU和曲率系數(shù)CC來評價構(gòu)成土的顆粒粒徑分布曲線狀態(tài)的一種概念。不均勻系數(shù)CU反映粒徑分布曲線上的土粒分布范圍，曲率系數(shù)CC反映粒徑分布曲線上的土粒分布形狀。級配是反映土顆粒幾何組成特征的重要指標，它是描述土的最基本組成的指標，是土的工程分類、定名的主要依據(jù)之一。稠度界限：黏性土隨含水率的變化從一種狀態(tài)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)時的界限含水率。稠度通常表現(xiàn)出的感觀認識是黏性土的軟、硬程度，基于土體的天然結(jié)構(gòu)被破壞后的概念基礎之上，土的不同稠度反映的是土所具有的不同狀態(tài)。通常土的稠度狀態(tài)分為固態(tài)、半固態(tài)、可塑態(tài)和液態(tài)（或流態(tài)），土的稠度狀態(tài)常用五個稠度狀態(tài)指標（縮限、塑限、液限、塑性指數(shù)和液性指數(shù)）來描述。縮限描述的是固態(tài)與半固態(tài)的界限含水率，塑限描述的是半固態(tài)與可塑態(tài)的界限含水率，液限描述的是可塑態(tài)與液態(tài)的界限含水率，該三個指標也稱為土的稠度界限指標。塑性指數(shù)反映了黏性土具有可塑性的含水率變化范圍，間接表明土的強度隨含水率改變而變化，綜合表明黏性土的粒度組成和礦物成分與水分之間相互作用的特征。塑性指數(shù)的大小反映了土中黏粒含量的多少。液性指數(shù)反映了天然土體（地基土）的軟硬程度。根據(jù)液性指數(shù)，可將天然地基土體的堅硬程度劃分為堅硬、硬塑、可塑、軟塑和流塑。應注意，液、塑限是用天然結(jié)構(gòu)破壞后擾動土樣來測定的，不能將土的結(jié)構(gòu)對強度的影響反映出來。固結(jié)：飽和土體地外荷載作用下，土體孔隙中水分逐漸排出，使土體體積減小、密度增長的過程。土的固結(jié)過程是飽和土中孔隙水壓力逐漸消散，有效應力逐漸增長的轉(zhuǎn)換過程。公路土工試驗規(guī)程中的固結(jié)是指飽和土體在側(cè)限情況下的單向固結(jié)壓縮變形。飽和土體根據(jù)歷史受力情況的不同，常分為正常固結(jié)土、超固結(jié)土和欠固結(jié)土。壓縮系數(shù)：在K0固結(jié)試驗中，土試樣的孔隙比減小量與有效壓力增加量的比值。即e-p壓縮曲線上某壓力段的割線斜率，以絕對值表示。壓縮系數(shù)是土體在側(cè)限情況下由單向壓縮試驗得出的土體壓縮性試驗指標。由于e-p壓縮曲線不是一條直線，所以壓縮系數(shù)不是一個常數(shù)，它隨e-p壓縮曲線與割線兩交點的位置不同而改變。壓縮系數(shù)適用于土在低壓力（100200kPa）工況下計算土體的壓縮變形，通常用“正值”表示。壓縮指數(shù)：壓縮試驗所得土孔隙比與有效壓力對數(shù)值關系曲線上直線段的斜率。即e-lgp壓縮曲線上大于先期固結(jié)壓力后的直線段斜率。壓縮指數(shù)是土體在側(cè)限情況下由單向壓縮試驗得出的土體在高壓力（大于土的先期固結(jié)壓力）情況下的壓縮試驗指標。由于e-lgp壓縮曲線在高壓力工況下是一條直線，所以壓縮指數(shù)是一個常數(shù)。壓縮指數(shù)適用于土在高壓力（大于土的先期固結(jié)壓力就是土體在歷史上所受到的最大固結(jié)壓力）工況下計算土體的壓縮變形。壓縮模量：土體在側(cè)限條件下受壓時，豎向有效壓力與豎向應變的比值。壓縮模量是根據(jù)土體在受力壓縮前的孔隙比和土的壓縮系數(shù)計算求出的壓縮性指數(shù)。因此壓縮模量反映的是土體在側(cè)限情況下單向壓縮的工況條件。回彈模量：土體在部分側(cè)限條件下，卸載過程中的豎向壓力與回彈應變的比值。公路土工試驗規(guī)程中的回彈模量是指在部分側(cè)限的條件下單向加載、卸載測定土的回彈變形量，計算得出的土體彈性變形的回彈模量。滲透指數(shù)：土中水滲透呈層流狀態(tài)時，其流速與作用水力梯度成正比關系的比例系數(shù)。滲透系數(shù)反映的是水流在滲透壓力作用下通過土顆粒孔隙流動時，單位滲透坡降（水力坡降）的滲透流速。滲透系數(shù)的測定有兩種試驗方法：常水頭滲透試驗適用于滲透流速較大（水流狀態(tài)為紊流狀態(tài)）的土（粗粒土），變水頭滲透試驗適用于滲透流速較?。ㄋ鳡顟B(tài)為層流狀態(tài)）的土（細粒土）?？辜魪姸龋和馏w在剪切面上所能承受的極限剪應力。土的抗剪強度是土抵抗破壞的能力。土的抗剪強度常用抗剪強度指標凝聚力（內(nèi)聚力）和摩擦角（內(nèi)摩擦角）表述。根據(jù)土體的工作狀態(tài)不同，選擇不同的試驗方法來確定土的抗剪強度指標。土的抗剪強度指標可通過直接剪切試驗（快剪、慢剪、固結(jié)快剪）或三軸壓縮試驗（不固結(jié)不排水剪、固結(jié)排水剪、固結(jié)不排水剪）獲得。若選用直接剪切試驗方法，則應采用庫侖強度理論整理試驗數(shù)據(jù)。若選用三軸壓縮試驗方法，則應采用摩爾庫侖強度理論整理試驗數(shù)據(jù)。土的抗剪強度指標按試驗方法的不同可分為總應力強度指標和有效應力強度指標，這樣就有總應力摩擦角和有效應力摩擦角以及總應力凝聚力和有效應力凝聚力。在理論上，粗粒土顆粒之間不存在凝聚力，但是不論粗粒土的直接剪切試驗還是三軸試驗，在成果整理上均出現(xiàn)凝聚力值，此時的凝聚力值實際反映的是粗粒土在剪切過程中，在剪切帶 內(nèi)粗顆粒翻滾、咬合作用產(chǎn)生的部分抵抗剪切變形的力，該力通常稱為咬合力。由于粗粒土在剪切過程中粗顆粒的翻滾、咬合對粗粒土剪切的摩擦和咬合效應分別有多大的貢獻還很難說清，因此有些業(yè)內(nèi)人士將粗粒土的抗剪強度指標統(tǒng)稱為粗粒土的抗剪結(jié)構(gòu)力指標。無側(cè)限抗壓強度：土體在無側(cè)限條件下，抵抗軸向壓力的極限強度。無側(cè)限抗壓強度試驗是三軸壓縮試驗的一個特例，即試樣置于不受側(cè)向限制的條件下進行的強度試驗，此時試樣所受的小主應力為零，而大主應力的極限值為無側(cè)限抗壓強度。無側(cè)限抗壓強度試驗常用于測定飽和軟黏土的靈敏度。靈敏度是原狀土的無側(cè)限抗壓強度與擾動土的無側(cè)限抗壓強度之比。目前使用的無側(cè)限抗壓強度儀一般有應力控制式和應變控制式兩種。第二節(jié) 土的工程分類土是巖石（母巖）風化的產(chǎn)物，是各種顆粒粒徑的集合體。因此，廣義上說土和巖石在尺度上沒有明確的劃分界限，但是在顆粒的膠結(jié)緊密程度上具有一定的區(qū)別。土的顆粒之間膠結(jié)較弱甚至沒有聯(lián)結(jié)，而組成巖石的顆粒之間具有較強的膠結(jié)能力。土與其他連續(xù)固體介質(zhì)相區(qū)別的最主要的特征，就是它的多孔性和散體性。土的工程分類就是將顆粒粒徑相近、工程性質(zhì)相似的土劃分為同一類型（稱為粒組），并為“土”分類定名奠定基礎。一般規(guī)定1、 土的工程分類（簡稱“分類”）適用于公路工程用土的鑒別、定名和描述，以便對土的性狀作定性評價。2、 應以土的下列特征作為土的分類依據(jù)：（1） 土顆粒組成特征。（2） 土的塑性指標：液限（wL）、塑限（WP）和塑性指數(shù)（IP）。 （3） 土中有機物存在情況。3、 本“分類”應按篩分法確定各粒組的含量；按液限塑限聯(lián)合測定法確定液限和塑限；按有機物在塑性圖上的分布來判別有機物存在情況。本“分類”將土分為巨粒土、粗粒土、細粒土和特殊土，可以滿足一般的工程需要。由于土分類系按擾動試樣進行，因此，土的天然狀態(tài)如密度的疏、密，含水狀態(tài)的干、濕，結(jié)構(gòu)狀態(tài)的成層或各向異性，歷史應力為正常固結(jié)或超固結(jié)等，分類中均無法統(tǒng)籌考慮。為此，像軟土等類型的土沒有列入本標準。土的地質(zhì)成因?qū)ν恋男再|(zhì)有一定的影響，但目前還沒有反映這種因素的定量指標，而且絕大多數(shù)分類都不是按成因劃分土類。填土實際上是一種無確定概念的材料，可以是本“分類”所包括的各種土類，也可以是建筑房渣或工業(yè)棄料。4、 土的顆粒應根據(jù)下列粒組范圍劃分粒組。粗粒土的性質(zhì)主要取決于土顆粒的粒徑分布和特征，而細粒土的性質(zhì)卻主要取決于土粒和水相互作用的狀態(tài)，即土的塑性。土中有機質(zhì)對土的工程性質(zhì)也有影響。5、 本“分類”將土分為巨粒土、粗粒土、細粒土和特殊土，分類總體系見圖： 粒組劃分界限系反映土的某些性質(zhì)改變的粒徑值，如具有分子上升、親水性、滲透性等。6、 土顆粒組成特征應以土的級配指標的不均勻系數(shù)（CU）和曲率系數(shù)（CC）表示。不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)反映粒徑分布曲線上的土粒分布范圍和分布形狀，按下式計算： CUd60/d10 CC=(d30)2/d10d60 粗粒土的可壓實性、強度、壓縮性和滲透性等均與土的級配有關。7、 細粒土應根據(jù)塑性圖分類。土的塑性圖以液限（wL）為橫坐標、塑性指數(shù)（IP）為縱坐標構(gòu)成。塑性圖是美、英、日、德等國長期用于細粒土分類的標準，國際上稱它為卡氏塑性圖圖中的液限是由國外廣泛應用的卡氏碟式儀測定的。應當注意的是，對于IP10且WL15%,這一范圍的土相關試驗得出的液限值很不準，因此塑性圖中的這一區(qū)域不能使用。8、 土的成分、級配、液限和特殊土等基本代號應按下列規(guī)定構(gòu)成：（1） 土的成分代號漂石 B 塊石 Ba 卵石 Cb 小塊石 Cba 礫 G 角礫 Ga 砂 S 粉土 M 黏土 C 細粒土（C和M合稱） F （混合）土（粗、細粒土合稱） SL 有機質(zhì)土 O（2） 土的級配代號 級配良好 W 級配不良 P（3） 土液限高低代號 高液限 H 低液限 L（4） 特殊土代號 黃土 Y 膨脹土 E 紅黏土 R 鹽漬土 St 凍土 Ft9、 土類名稱可用一個基本代號表示當由兩個基本代號構(gòu)成時，第一個代號表示土的主成分，第二個代號表示副成分（土的液限或土的級配）。當有三個基本代號構(gòu)成時，第一個代號表示土的主成分，第二個代號表示液限的高低（或級配的好壞），第三個代號表示土中所含次要成分。土類的名稱和代號名稱代號名稱代號名稱代號漂石B級配良好砂SW含礫低液限黏土CLG塊石Ba級配不良砂SP含砂高液限黏土CHS卵石Cb粉