土力學(xué)基礎(chǔ)-土的成因、組成、物理性質(zhì)和壓實機(jī)理分析

1、土力學(xué)基礎(chǔ)土的成因、組成、物理性質(zhì)和壓實機(jī)理分析本次課的主要問題：土的形成土三相組成土的三相指標(biāo)學(xué)習(xí)要求、基本內(nèi)容土的形成及顆粒特性搬運(yùn)、堆積形成過程形成條件物理力學(xué)性質(zhì) 風(fēng)化土地球影響巖石地球1.土的形成 自然界的土是由巖石經(jīng)風(fēng)化、搬運(yùn)、堆積而形成的。土的形成及顆粒特性生物風(fēng)化物理風(fēng)化化學(xué)風(fēng)化量變無粘性土原生礦物質(zhì)變粘性土次生礦物動植物的活動風(fēng)化有 機(jī) 質(zhì)巖石和土的粗顆粒受各種氣候因素的影響產(chǎn)生脹縮而發(fā)生裂縫，或在運(yùn)動過程中因碰撞和摩擦而破碎。母巖表面和碎散的顆粒受環(huán)境因素的作用而改變其礦物的化學(xué)成分，形成新的礦物土的形成及顆粒特性物理風(fēng)化：指巖石經(jīng)受風(fēng)、霜、雨、雪的侵蝕，溫度濕度的變化、不

2、均勻膨脹與收縮，使巖石產(chǎn)生裂隙，崩解為碎塊。這種風(fēng)化僅改變顆粒大小與形狀，不改變原來礦物成分。生成的土呈松散狀態(tài)，無粘性土?；瘜W(xué)風(fēng)化：指巖石碎屑與空氣、水和各種水溶液相接觸，經(jīng)氧化、碳化和水化作用，改變原來礦物成分，形成新的礦物(次生礦物)。生成的土為細(xì)粒土，粘性土。生物風(fēng)化：由動植物和人類對巖體的破壞稱生物風(fēng)化。土的形成及顆粒特性搬運(yùn)與堆積殘積土無搬運(yùn)運(yùn)積土有搬運(yùn)土質(zhì)較好強(qiáng)風(fēng)化弱風(fēng)化微風(fēng)化母巖體顆粒表面粗糙多棱角粗細(xì)不均無層理母巖表層經(jīng)風(fēng)化作用破碎成巖屑或細(xì)小顆粒后，未經(jīng)搬運(yùn)殘留在原地的堆積物風(fēng)化所形成的土顆粒，受自然力的作用搬運(yùn)到遠(yuǎn)近不同的地點所沉積的堆積物土的形成及顆粒特性運(yùn)積土有搬運(yùn)重

3、力 流水冰川坡積土:土粒粗細(xì)不同，性質(zhì)不均勻洪積土:有分選性，近粗遠(yuǎn)細(xì)沖積土:渾圓度分選性明顯，土層交迭湖泊沼澤沉積土:含有機(jī)物淤泥，土性差海相沉積物:顆粒細(xì)，表層松軟，土性差冰積土:土粒粗細(xì)變化較大，性質(zhì)不均勻風(fēng)積土:顆粒均勻，層厚而不具層理風(fēng)土的形成及顆粒特性2.土的固體顆粒 土是巖石風(fēng)化的產(chǎn)物，因此土粒的礦物組成將取決于成土母巖的礦物組成及其后的風(fēng)化作用。成土礦物：原生礦物由巖石經(jīng)物理風(fēng)化生成的顆粒成分與母巖的相同顆粒較粗，多呈渾圓形狀吸附水的能力弱，無塑性次生礦物由原生礦物經(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顆粒極細(xì)，且多呈片狀性質(zhì)活潑，吸附水能力強(qiáng)，塑性物理狀態(tài)力學(xué)特性

4、顆粒形狀粒徑級配礦物成分土的形成及顆粒特性粒徑級配 土各粒組的相對含量，用質(zhì)量百分?jǐn)?shù)來表示。 粒組：按粗細(xì)進(jìn)行分組，將粒徑接近的歸成一類。 界限粒徑：影響土性的主因顆粒大小d(mm)礫粒砂粒粉粒粘粒膠粒6020.050.0050.0020.250.5520粗 中 細(xì)粗 中 細(xì) 極細(xì)0.075粗粒細(xì)粒土的形成及顆粒特性確定方法 篩分法：適用于粗粒土 (0.075 mm) 沉降分析法(水分法)：適用于細(xì)粒土 (0.075 mm)常用表述方法 級配曲線 顆粒分析試驗結(jié)果，繪制圖的粒徑級配曲線?？v坐標(biāo)表示小于某粒徑的土重占總土重的百分?jǐn)?shù)，橫坐標(biāo)用(對數(shù)坐標(biāo))表示土的粒徑。 土的形成及顆粒特性200g1

5、009080706050403020100小于某粒徑之土質(zhì)量百分?jǐn)?shù)P()10.05.02.01.00.0750.050.010.0050.001粒徑(mm)土的粒徑級配累積曲線沉降分析法粒徑(mm)0.050.010.005百分?jǐn)?shù)P26%13.5%10%1016182422387295%87%78%66%55%36%土的形成及顆粒特性 特征粒徑d60 : 限定粒徑d10 : 有效粒徑d30 : 中值粒徑不均勻系數(shù)定義為(Cu) 表示不均勻程度 曲率系數(shù)定義為(Cc) 表示連續(xù)程度當(dāng)小于某粒徑的土粒質(zhì)量累計百分?jǐn)?shù)60%時的粒徑用d60表示土的形成及顆粒特性10090807060504030201

6、00小于某粒徑之土質(zhì)量百分?jǐn)?shù)()10.5.02.01.00.0750.050.010.0050.001粒徑(mm)土的粒徑級配累積曲線d60d10d30斜率: 某范圍內(nèi)顆粒的含量 陡相應(yīng)粒組質(zhì)量集中 緩相應(yīng)粒組含量少 平臺相應(yīng)粒組缺乏較大顆粒缺少Cc 減小較小顆粒缺少Cc 增大Cc = 13, 級配連續(xù)性好土的形成及顆粒特性 粒徑級配累積曲線及指標(biāo)的用途粒組含量用于土的分類定名；不均勻系數(shù)Cu用于判定土的不均勻程度： Cu 5, 不均勻土； Cu 3 或 Cc 1，級配不連續(xù)不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc用于判定土的級配優(yōu)劣： 如果 Cu 5且 Cc = 13 ，級配良好的土； 如果 Cu 3

7、或 Cc 1g/cm3冰點處于零下幾十度具有固體的特性溫度高于100C時可蒸發(fā)強(qiáng)吸著水弱吸著水位于強(qiáng)吸著水之外，電場引力作用范圍之內(nèi)外力作用下可以移動不因重力而移動，有粘滯性土的形成及顆粒特性自由水(非吸著水) 在雙電層影響以外的水為自由液態(tài)水，它主要受重力作用的控制，土粒表面吸引力居次要地位，這部分水稱為非吸著水，它包括毛細(xì)水和重力水。毛細(xì)水 毛細(xì)水是受到水與空氣交界面處表面張力作用的自由水。毛細(xì)現(xiàn)象是毛細(xì)管壁對水的吸力和水的表面張力共同作用的結(jié)果。重力水 重力水是存在于地下水位以下的適水土層中的地下水。它是在重力或壓力差作用下運(yùn)動的自由水，對土粒有浮力作用。重力水只受重力控制，不受土粒表面

8、吸引力的影響。土的形成及顆粒特性自由水重力水毛細(xì)水在重力作用下可在土中自由流動存在于固氣之間，在重力與表面張力作用下，可在土粒間空隙中自由移動空氣水lTua-uw毛細(xì)現(xiàn)象毛細(xì)升高與孔徑成反比粘土粉土砂土礫石土的形成及顆粒特性4.土中氣土中的氣體：自由氣體：與大氣連通，對土的性質(zhì)影響不大，壓 縮性高。 封閉氣體：增加土的彈性；阻塞滲流通道，降低 透水性。成分：一般空氣中成分 微生物產(chǎn)生可燃?xì)怏w(H2S)土的結(jié)構(gòu)及工程性質(zhì)5.土的結(jié)構(gòu) 定義：指土顆粒的大小、形狀、表面特征，相互排列及其聯(lián)結(jié)關(guān)系的綜合特征。分類： 單粒結(jié)構(gòu) 砂層，礫石層 蜂窩狀結(jié)構(gòu) 粉粒絮狀結(jié)構(gòu) 粘粒土的結(jié)構(gòu)及工程性質(zhì) 單粒結(jié)構(gòu)是由

9、粗大土粒在水或空氣中下沉而形成的。因其顆粒較大、土粒間的分子吸引力相對很小，所以顆粒間幾乎沒有聯(lián)結(jié)，至于未充滿孔隙的水分只可能使其具有微弱的毛細(xì)水聯(lián)結(jié)。單粒結(jié)構(gòu)可以是疏松的，也可以是緊密的。評價呈緊密狀單粒結(jié)構(gòu)的土是較為良好的天然地基； 具有疏松單粒結(jié)構(gòu)的土，如未經(jīng)處理一般不宜作為建筑物的地基。 “砂土液化”單粒結(jié)構(gòu)土的結(jié)構(gòu)及工程性質(zhì)什么是砂土液化 如果飽和疏松的土是由細(xì)砂?；蚍凵傲ＫM成，在強(qiáng)烈的振動作用下，土的結(jié)構(gòu)會突然破壞變成流動狀態(tài)，引起所謂“砂土液化”現(xiàn)象，使地基失去承載力。1964年6月16日，日本新瀉發(fā)生里氏級地震后，因地基土發(fā)生液化所造成的破壞。土的結(jié)構(gòu)及工程性質(zhì) 蜂窩結(jié)構(gòu)是主

10、要由粉粒組成的土的結(jié)構(gòu)形式。據(jù)研究，粒徑在0.0750.005 mm左右的土粒在水中沉積時，基本上是以單個土粒下沉，當(dāng)碰上已沉積的土粒時，由于它們之間的相互引力大于其重力，因此土粒就停留在最初的接觸點上不再下沉，形成具有很大孔隙的蜂窩狀結(jié)構(gòu)。蜂窩結(jié)構(gòu)土的結(jié)構(gòu)及工程性質(zhì) 絮狀結(jié)構(gòu)是由粘粒集合體組成的結(jié)構(gòu)形式。粘粒能夠在水中長期懸浮，不因自重而下沉。當(dāng)這些懸浮在水中的粘粒被帶到電解質(zhì)濃度較大的環(huán)境中(如海水)粘粒凝聚成絮狀的集粒(粘粒集合體)而下沉，并相繼和已沉積的絮狀集粒接觸，而形成類似蜂窩而孔隙很大的絮狀結(jié)構(gòu)(也稱二級蜂窩結(jié)構(gòu))。絮狀結(jié)構(gòu)土的結(jié)構(gòu)及工程性質(zhì)評價 具有蜂窩結(jié)構(gòu)和絮狀結(jié)構(gòu)的土，顆粒

11、間存在大量微細(xì)孔隙，其壓縮性大、強(qiáng)度低、透水性弱。又因土粒之間的聯(lián)結(jié)較弱且不甚穩(wěn)定，在受擾力作用下(如施工擾動影響)，土粒接觸點可能脫離，部分結(jié)構(gòu)遭受破壞，土的強(qiáng)度會迅速降低。 具有蜂窩結(jié)構(gòu)和絮狀結(jié)構(gòu)的土，其土粒之間的聯(lián)結(jié)力(結(jié)構(gòu)強(qiáng)度)往往由于長期的壓密作用和膠結(jié)作用而得到加強(qiáng)。土的結(jié)構(gòu)及工程性質(zhì)粘性土結(jié)構(gòu)性 粘性土因受擾動而原結(jié)構(gòu)被破壞后，其工程性質(zhì)通常會變差，強(qiáng)度將明顯下降。土中所示土樣在保持天然結(jié)構(gòu)時(原狀土)，其上承受了的壓力，但當(dāng)結(jié)構(gòu)完全破壞而成為重塑土?xí)r，變?yōu)榭闪鲃拥哪酀{。土的結(jié)構(gòu)及工程性質(zhì)6.土的構(gòu)造定義：指同一土層中成分和大小都相近的顆?；蝾w粒集合體相互關(guān)系的特征。分類： 層狀

12、構(gòu)造分散構(gòu)造 砂，礫石，卵石裂隙構(gòu)造 粘性土結(jié)核狀結(jié)構(gòu) 土的結(jié)構(gòu)及工程性質(zhì)層狀構(gòu)造 土粒在沉積過程中，由于不同階段沉積的物質(zhì)成分、顆粒大小或顏色不同，沿豎向呈層狀特征。淤泥夾粘土透鏡體粘土尖滅砂土夾粘土層水平層理 交錯層理土的結(jié)構(gòu)及工程性質(zhì)分散構(gòu)造 土層中各部分的土粒無明顯差別，分布均勻，各部分性質(zhì)亦接近。例如，各種經(jīng)過分選的砂、礫石、卵石等沉積厚度較大時，無明顯層次，都屬于分散構(gòu)造。 具有分散構(gòu)造的上可作為各向同性體看待。裂隙構(gòu)造 土體被許多不連續(xù)的小裂隙所分割，在裂隙中常充填有各種鹽類的沉淀物。不少堅硬和硬塑狀態(tài)的粘性土具有此種構(gòu)造。黃土具有特殊的柱狀裂隙。裂隙破壞土的整體性，增大透水性，

13、對工程不利。土的三相組成及物理性質(zhì)指標(biāo)氣相液相+構(gòu)成土骨架，起決定作用重要影響土體次要作用固相土的三相組成及物理性質(zhì)指標(biāo) 土體三相比例不同，土的狀態(tài)和工程性質(zhì)也隨之各異，例如： 固體+氣體(液體=0)為干土，此時粘土呈堅硬狀態(tài) 砂土呈松散狀態(tài)； 固體+液體+氣體為濕土，此時粘土多為可塑狀態(tài)； 固體+液體(氣體=0)為飽和土，此時粉細(xì)砂或粉土遇強(qiáng)烈地震，可能產(chǎn)生液化，而使工程遭受破壞； 粘土地基受建筑物荷載作用發(fā)生沉降需幾十年才能穩(wěn)定。土的三相組成及物理性質(zhì)指標(biāo) 三相比例指標(biāo)反映了土的干燥與潮濕、疏松與密實，是評價土的工程性質(zhì)的最基本的物理性質(zhì)指標(biāo)，也是工程地質(zhì)勘察報告中不可缺少的基本內(nèi)容。 三

14、相比例指標(biāo)可分為兩種：試驗指標(biāo)(基本指標(biāo))換算指標(biāo)。土的三相組成及物理性質(zhì)指標(biāo)三項基本指標(biāo)有：密度r、土粒相對密度ds、含水量w反映土的松密程度的指標(biāo)有：土的孔隙比e、孔隙率n反映了土的含水程度的指標(biāo)有：含水量w、飽和度Sr土的密度：密度r、干密度rd、飽和密度rsat、浮密度r7.土的天然密度定義：單位體積土的質(zhì)量，g/cm3公式： 換算公式：范圍：定方法：環(huán)刀法。重度WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm質(zhì)量體積土的三相組成及物理性質(zhì)指標(biāo)8.含水量定義：土中水的質(zhì)量與土粒質(zhì)量之比值，無量綱，% 公式： 常見值：砂土w =(040)%；粘性土w =(2060)%意義：表

15、示濕度的物理指標(biāo)，與土的種類，埋藏條件及其 所處的自然地理環(huán)境等有關(guān)。測定方法：烘干法。注: 含水量可達(dá)到或超過100WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm質(zhì)量體積土的三相組成及物理性質(zhì)指標(biāo)9.土粒相對密度定義：土粒密度與同體積4時純水的密度比值，無量綱公式：測定方法：比重瓶法范圍： 土粒的相對密度在數(shù)值上等于土粒比重砂土粉土粘性土ds2.652.692.702.712.722.75WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm質(zhì)量體積土的三相組成及物理性質(zhì)指標(biāo)10.干密度定義：單位體積土中固體顆粒的質(zhì)量，g/cm3公式： 范圍： 物理意義：常用作填土密實度

16、的施工控制指標(biāo)。 WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm質(zhì)量體積土的三相組成及物理性質(zhì)指標(biāo)11.飽和密度定義：土孔隙中全部充滿水時單位體積土的質(zhì)量，g/cm3 公式： 范圍： WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm質(zhì)量體積土的三相組成及物理性質(zhì)指標(biāo)12.浮密度(有效密度)定義：地下水位以下，土體受水的浮力作用時，扣除水的 浮力后單位體積土的質(zhì)量，g/cm3公式： 范圍： WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm質(zhì)量體積土的三相組成及物理性質(zhì)指標(biāo)天然密度干密度飽和密度天然容重干容重浮容重飽和容重各種密度容重之間的大小關(guān)系浮密度土的三

17、相組成及物理性質(zhì)指標(biāo)13.土的孔隙比定義：土中孔隙體積與土粒體積之比，無量綱公式： 范圍：粘性土和粉土:(0.41.2)；砂土: (0.30.9)。 e0.6 低壓縮性土e 高壓縮性土物理意義：用來評價土的緊密程度WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm質(zhì)量體積土的三相組成及物理性質(zhì)指標(biāo)14.孔隙率(孔隙度)定義：土中孔隙所占總體積之比，無量綱，。 公式： 范圍：粘性土和粉土:(3060)；砂土: (2545)。物理意義：表示土中孔隙大小的程度。 WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm質(zhì)量體積土的三相組成及物理性質(zhì)指標(biāo)15.飽和度定義：土中水的體積與孔隙體積之比， 無量綱，%。公式： 范圍：0100物理意義：表示水在孔隙中充滿的程度。 工程應(yīng)用：飽和度可以反映土的干濕程度，砂土根據(jù)飽和 度Sr的指標(biāo)值分為稍濕、很濕與飽和三種濕度 狀態(tài)，其劃分標(biāo)準(zhǔn)見下表：砂土濕度狀態(tài)稍濕很濕飽和飽