第一章土壤的性質(zhì)-課件

第一章土壤的物理機(jī)械性質(zhì)

土壤是工程機(jī)械的作業(yè)對(duì)象或支撐基礎(chǔ)，大部分工程機(jī)械都要與土壤和地面發(fā)生聯(lián)系，在現(xiàn)代機(jī)器與地面的相互作用已經(jīng)發(fā)展成為工程力學(xué)的一個(gè)新的分支，即地面力學(xué)。

地面力學(xué)主要研究機(jī)器與其工作地面或土壤之間的相互作用過(guò)程，故又叫土壤—系統(tǒng)力學(xué)，它應(yīng)用力學(xué)原理和土壤工程實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究土的專(zhuān)門(mén)性技術(shù)學(xué)科，它以力學(xué)和工程地質(zhì)學(xué)為基礎(chǔ)，對(duì)土的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究，為各項(xiàng)工程服務(wù)，如鐵道工程、路橋工程等。

工程機(jī)械只有和地面相互作用，才能完成其功能，車(chē)輛在地面行駛要靠土體支撐，要借助土的反力來(lái)發(fā)揮推進(jìn)力。舉例:牽引力的產(chǎn)生。§1土壤的物理機(jī)械性質(zhì)

§1.1土的形成與結(jié)構(gòu)一、土的形成土是經(jīng)巖石風(fēng)化作用后,以不同的搬運(yùn)方式,在不同的地點(diǎn)堆積下來(lái)的自然歷史產(chǎn)物,同時(shí)在搬運(yùn)和堆積過(guò)程中風(fēng)化仍在繼續(xù),而且是經(jīng)過(guò)多次的搬運(yùn)和堆積的,由于風(fēng)化、剝蝕、搬運(yùn)和沉積等成土過(guò)程各環(huán)節(jié)的交錯(cuò)反復(fù),成土的自然地理環(huán)境的復(fù)雜多樣性,使土的類(lèi)型和性質(zhì)千差萬(wàn)別。但是凡在大致相同的地質(zhì)年代及相似的沉積條件下形成的堆積物,其成分及性質(zhì)相近。

二、土的結(jié)構(gòu)

自然界的土是以顆?；蝾w粒的集合形式存在的。1.土的結(jié)構(gòu)：土?；蛲亮＜象w的大小、形狀、相互排列與連接等綜合特征，稱(chēng)為土的結(jié)構(gòu)。

2.分類(lèi)：

分為:單粒結(jié)構(gòu)、蜂窩結(jié)構(gòu)、絮狀結(jié)構(gòu)。

（1）單粒結(jié)構(gòu):為砂土和碎石的結(jié)構(gòu)，是由土粒在水或空氣中，在其自身重力作用下沉落堆積而成。由于土粒尺寸較大，顆粒間的分子引力遠(yuǎn)小于土粒自重，故土粒間幾乎沒(méi)有相互連接作用，是典型的散粒狀結(jié)構(gòu)。（2）蜂窩結(jié)構(gòu):多為顆粒細(xì)小的粘土所具有的結(jié)構(gòu)形式，粒徑在0.02mm~0.002mm左右的土粒在水中沉積，下沉途中碰上已堆積的土粒時(shí)，由于土粒間分子引力與自重相比已足夠大，土粒便停留在最初接觸點(diǎn)上不再下降，形成孔隙很大的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，其中的孔隙遠(yuǎn)大于土粒本身的尺寸。（3）絮狀結(jié)構(gòu):是顆粒最細(xì)小的粘土所具有的結(jié)構(gòu)形式，直徑小于0.002mm的土粒能夠在水中長(zhǎng)期漂浮，不會(huì)因自重而下沉，當(dāng)水中加入某些電解質(zhì)后，顆粒間的排斥力消弱，運(yùn)動(dòng)著的土粒凝聚成絮狀物下沉，形成類(lèi)似蜂窩狀但孔隙更大的結(jié)構(gòu)?！?.2土的組成

工程中所研究的土并不是土的顆粒,而是松散堆積物的整體。土是由不同的相所構(gòu)成的多相體系,礦物顆粒組成土的骨架,其間有孔隙,若孔隙中同時(shí)存在著水和氣體,則土是三相的,土粒、水和氣體分別稱(chēng)為土的固相、液相和氣相。有時(shí)土粒間的孔隙完全被水充滿(mǎn),則形成飽和土,則土是兩相的,即只有固相和液相。當(dāng)土粒中的孔隙只存在著空氣時(shí),即形成無(wú)水的干土,也是兩相的。

一、土的固體顆粒

土的骨架是由各種不同尺寸的土粒組成,自然界的土粒大小很不均勻,碎石顆粒的直徑可達(dá)10cm以上,而在平靜水中緩慢沉積的細(xì)微粘土顆粒的直徑只有萬(wàn)分之一mm,不同大小的土粒在土中的相對(duì)含量是決定土的工程性質(zhì)的重要指標(biāo)之一,因此,首先按土粒的直徑大小進(jìn)行歸并與分類(lèi),將土粒分成若干粒組,每一粒組具有一定的土粒直徑變化范圍,按此范圍將土進(jìn)行分類(lèi)。表1—1土的粒組劃分顆粒名稱(chēng)粒徑（mm）礫石（渾圓或圓棱）或角礫（尖棱）（土中不具有毛細(xì)力，土粒間不存在相互的連接）大20~10中10~4小4~2砂粒（土中存在毛細(xì)力，但不具備粘聚性，遇水不膨脹）大2~0.5中0.5~0.25小0.25~0.05粉粒（土粒具有粘聚性，但隨著水分的減少，連接力減弱）0.05~0.005粘土粒（具有很大的粘聚性，并遇水膨脹且干燥收縮顯著，土?xí)S著水分的減少而更堅(jiān)硬）小于0.005二、土的級(jí)配

實(shí)際的土多是不同粒度土粒的混合物,這種混合土的性質(zhì)取決于不同粒度顆粒的相對(duì)含量。確定土粒組相對(duì)含量的方法,叫顆粒分析實(shí)驗(yàn)。工程中實(shí)用的顆粒分析方法有篩分法和比重計(jì)法兩種。篩分法適用于粒徑大于0.1mm以上的土壤；比重計(jì)法適用于粒徑小于0.1mm的土。如果土中同時(shí)含有大于和小于0.1mm的土粒時(shí),則兩種方法并用。篩分法：實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用一套標(biāo)準(zhǔn)篩，各篩的篩孔自上而下分別為10、5.2、1、0.5.0.25.0.1mm，上加頂蓋，下加底盤(pán)，疊在一起，將干土樣放入第一層篩中，用搖篩機(jī)振蕩，使細(xì)土粒通過(guò)篩孔漏下，稱(chēng)出存留在每層篩子和底盤(pán)上的土粒重量，就可以計(jì)算出某一直徑的土顆粒占總重量的百分比。對(duì)于顆粒細(xì)微的粘土，由于無(wú)法制作相應(yīng)的細(xì)篩，同時(shí)也不能使彼此連接很緊的土粒全部分散開(kāi)來(lái)，故不能采用篩分法。對(duì)此，可用水將土粒彼此分散，制成懸液，然后根據(jù)不同粒徑的土粒在靜止水中下沉的速度不同的原理，來(lái)測(cè)定各粒組的百分含量。1、概念：土的級(jí)配：土的各級(jí)土粒組合情況，用其含量的百分?jǐn)?shù)表示，稱(chēng)為土的顆粒級(jí)配。2.表示方法：土的級(jí)配常以顆粒級(jí)配曲線表示。如圖所示,縱坐標(biāo)表示小于（大于）某一粒徑的土粒占土樣總量的百分?jǐn)?shù)；橫坐標(biāo)表示顆粒直徑。級(jí)配曲線可反映以下內(nèi)容:（1）粒組范圍及土的級(jí)配；（2）顆粒分布情況；當(dāng)曲線平緩時(shí)，說(shuō)明土中大的及小的顆粒都有，顆粒不均勻，即各級(jí)粒組搭配良好，稱(chēng)為級(jí)配良好的土；當(dāng)曲線較陡時(shí)，表示土中顆粒直徑范圍較小，顆粒均勻，屬于級(jí)配不好的土。3.土的不均勻系數(shù)：顆粒分布均勻程度通常用不均勻系數(shù)CU來(lái)表示，即:CU＝d60/d10式中:d60——限定粒徑，對(duì)應(yīng)于級(jí)配曲線上60％數(shù)值的顆粒直徑；d10——有效粒徑，對(duì)應(yīng)于級(jí)配曲線上10％數(shù)值的顆粒直徑；CU值越大,說(shuō)明粒徑級(jí)配曲線愈平緩,土的級(jí)配越好。CU<4～5,為級(jí)配均勻的土；CU>10,為級(jí)配良好的土,此種土大顆粒之間的空間被小顆粒所填充,土壤易被壓實(shí),能形成一種更穩(wěn)定的鋪層。

三、土的物理性質(zhì)指標(biāo)

土是由土粒、水分和氣體組成的多相體系,土的體積和重量包含著這三相的體積和重量,為便于分析,通常將土中的土粒、水分和氣體的體積和重量按相集中成三部分,構(gòu)成分析模型,即三相圖。MMaMWMSVVaVWVS1.土壤的含水量ω：土中水的重量與土粒重量（干重量）之比，用百分?jǐn)?shù)表示。土壤的含水量通常用烘干法測(cè)定，將重量為M的土樣在105℃下烘干，至恒重，即得土粒的干重量。2.土的天然密度γ0和干密度γd：土的天然密度γ0：土在天然狀態(tài)（自然含水量）下的重量與體積之比。土的干密度γd:土粒的重量與土的總體積之比。3.土固體顆粒的相對(duì)密度ws和密度γs：土固體顆粒的相對(duì)密度ws：土的干重量與同體積4℃的水重量之比。注：在公路、鐵路、建筑等的設(shè)計(jì)計(jì)算中，對(duì)于水面以下的土體應(yīng)考慮浮力的作用，此時(shí)采用相對(duì)密度。土固體顆粒的密度γs:土的干重量與其固體顆粒體積之比。4.土的孔隙率n和孔隙比e：土的孔隙率n：土壤的孔隙體積與土的總體積之比?？紫侗萫：土的孔隙體積與土中固體顆粒體積之比。土的孔隙度n和孔隙比e都反映了土的密實(shí)程度。四、土的物理狀態(tài)指標(biāo)

1.土的塑性：土在外力作用下可以改變形狀，但不改變體積，不發(fā)生斷裂，并且在外力解除后，仍能保持已有的變形而不恢復(fù)原狀的性質(zhì)。塑性是粘性土的一種特殊性能，即粘性土屬于可塑性的土，而砂土和礫石土則為非塑性土。含水量對(duì)粘土塑性的影響:含水量對(duì)粘性土的可塑性有重要影響，只有含水量在一定范圍內(nèi)時(shí)其塑性才能表現(xiàn)出來(lái)。根據(jù)含水量的不同，可將粘性土分為四種狀態(tài):固態(tài)、半固態(tài)、可塑狀態(tài)和流動(dòng)狀態(tài)。（1）液限WL:當(dāng)含水量大于一定界限時(shí)，土粒中的孔隙全部被水充滿(mǎn)，土顆粒處于懸浮狀態(tài)，相鄰顆粒的水化膜彼此脫離，土處于懸浮狀態(tài)而不具有可塑性。如逐漸蒸發(fā)土中水分，隨著水分的減少，必然會(huì)伴隨土的密度的增大和體積的收縮，在土粒彼此逐漸接近的過(guò)程中，土開(kāi)始具有粘聚性，土粒在外力作用下可相互滑動(dòng)而不產(chǎn)生顆粒間連接的破壞，并開(kāi)始呈塑性狀態(tài)，這一分界含水量為土的液限WL。WL也稱(chēng)為流動(dòng)界限。（2）塑限WP:隨著水分的繼續(xù)蒸發(fā)，自由水進(jìn)一步減少，體積進(jìn)一步收縮，而土仍呈塑性狀態(tài)，當(dāng)孔隙中的自由水大致蒸發(fā)完時(shí)，土的強(qiáng)度開(kāi)始迅速提高，并開(kāi)始失去可塑性而呈半固體狀態(tài)，這一分界含水量為土的塑限WP。WP也稱(chēng)為壓延界限。（3）縮限WC:繼續(xù)蒸發(fā)土中的水分，土的體積仍將隨之收縮，但收縮的量不斷減少，直到停止收縮，相應(yīng)的含水量為收縮界限，即縮限WC。WC也稱(chēng)為收縮界限。（4）液限和塑限的測(cè)定:液限:采用錐式液限儀。根據(jù)粘性土的貫入強(qiáng)度，利用錐角為30度，重為76g的平衡錐，在其自重下5s內(nèi)沉入土中10mm的含水量。塑限:采用搓條法。將可塑性狀態(tài)的粘性土搓成粗細(xì)均勻的土條，當(dāng)搓成3mm直徑的土條時(shí)，開(kāi)始斷裂的含水量。（5）塑性指數(shù)IP:塑性指數(shù)IP:工程上將液限與塑限之差稱(chēng)為塑性指數(shù)。當(dāng)土中粘粒的含量增加時(shí),液限和塑限都將提高,因?yàn)橥林姓沉５暮吭蕉?比表面積越大,當(dāng)其從半固態(tài)轉(zhuǎn)入塑態(tài),及由塑態(tài)轉(zhuǎn)入流動(dòng)狀態(tài)時(shí)需要吸附更多的結(jié)合水水膜,同時(shí)隨著粘粒含量的增多,液限的增加速度要比塑限快的多,即塑性指數(shù)加大。塑性指數(shù)反映了土的可塑性范圍,其影響因素很多,如土中粘粒含量、土的礦物成分等。土的塑性指數(shù)越高,其粘性與可塑性越高。

塑性土壤按其塑性指數(shù)的大小又可分為高塑性土壤(粘土）、塑性土壤（亞粘土）和低塑性土壤(亞砂土)。見(jiàn)下表

土的種類(lèi)粘土（高塑性土）亞粘土（塑性土）亞砂土（低塑性土）砂土（非塑性土）塑性指數(shù)﹥177~171~7﹤12.土的粘著性：土的粘著性是指土壤粘附在其他物體上的能力。粘性土的顆粒有粘在一起的性質(zhì),也可以粘在其他物體的表面上,土的粘性來(lái)源于土粒之間的內(nèi)聚力,當(dāng)粘性土的含水量增加到一定程度后,土開(kāi)始具有粘附在不同物體上的能力。土的粘著性指標(biāo)是粘著界限和比粘著力。粘著界限:當(dāng)粘性土的含水量增加到一定程度后，土開(kāi)始具有粘附在不同物體上的能力，這一含水量即為粘著界限。比粘著力:使單位面積的金屬片與土脫離所需要的力。對(duì)于粘土，比粘著力約等于7~8MPa；對(duì)于亞粘土，約為5~7MPa。土的粘著性是大部分塑性土有適當(dāng)?shù)暮繒r(shí)所共有的特性。粘著性對(duì)土方鏟掘機(jī)械的實(shí)際意義是土壤粘附在工作機(jī)構(gòu)上會(huì)增大鏟掘阻力和減少工作機(jī)構(gòu)的實(shí)際容量。五、土的密實(shí)度土的密實(shí)度是表示土質(zhì)密實(shí)程度的一項(xiàng)指標(biāo)。土的密實(shí)程度可以用土的密度、孔隙比等物理特性來(lái)表示。但是,由于在取出土樣時(shí)要正確無(wú)誤地保持土的原始狀態(tài)往往是比較困難的,同時(shí)在施工現(xiàn)場(chǎng)常常希望有一種快速的方法來(lái)測(cè)定土的相對(duì)密實(shí)程度。就出現(xiàn)了以靜載和動(dòng)載方法來(lái)測(cè)定土的相對(duì)密實(shí)度的方法。這些方法不僅與土的密實(shí)程度有關(guān),而且還綜合地反映了土的機(jī)械特性。1.圓錐指數(shù)圓錐指數(shù)是將一頂角為30度、投影面積約為3.2cm2的圓錐壓頭,以大約0.5cm／s的速度壓入土內(nèi)至一定深度時(shí)，單位圓錐投影面積上所需的力即為圓錐指數(shù)。圓錐指數(shù)通常是隨著壓入深度而變化的，所以也可以用圓錐指數(shù)隨壓深而變化的關(guān)系曲線來(lái)表示土的機(jī)械特性。2.沖擊指數(shù)沖擊指數(shù)是將一面積為1cm2的圓形平壓頭，在每次10J沖擊功之作用下，將壓頭壓入土中達(dá)10cm深度時(shí)所需的沖擊次數(shù)即為沖擊指數(shù)。表1—2按沖擊指數(shù)確定土的等級(jí)土的等級(jí)土質(zhì)沖擊指數(shù)Ⅰ砂土、亞砂土、無(wú)夾雜物的輕質(zhì)亞粘土、粉質(zhì)土0~7Ⅱ中等含水量無(wú)夾雜物及較高含水量的亞粘土8~15Ⅲ低含水量密實(shí)亞粘土、含礫石和卵石的重質(zhì)亞粘土、中等含水量的亞粘土16~23Ⅳ密實(shí)的粘土、干燥的黃土、輕質(zhì)的泥巖、未膠結(jié)的磷鈣土和礫巖24~30§2土的強(qiáng)度土的強(qiáng)度是土的重要力學(xué)性質(zhì),對(duì)于車(chē)輛的行走和牽引性能有重大影響。行走時(shí)車(chē)輛的行走裝置承受來(lái)自土壤的反作用力而產(chǎn)生推進(jìn)力（即牽引力）,其大小取決于土壤的強(qiáng)度,同時(shí)機(jī)械在作業(yè)時(shí)土的切削阻力也和土的強(qiáng)度有關(guān)。大量實(shí)驗(yàn)和破壞的實(shí)例表明,土的破壞多是剪切破壞,即因土的強(qiáng)度不足以抵抗某一剪切面上的剪應(yīng)力作用,會(huì)沿著該剪應(yīng)力方向的剪切變形急劇發(fā)展造成的破壞。土壤在受到剪應(yīng)力作用時(shí),土具有抵抗剪切的能力,即土的抗剪強(qiáng)度?？辜魪?qiáng)度—土所具有的抵抗剪切破壞的能力。土壤在剪切力作用下開(kāi)始破壞時(shí)的抗剪反作用力,稱(chēng)為土壤的最大抗剪強(qiáng)度。因此可用剪切面上的臨界剪應(yīng)力數(shù)值來(lái)確定土壤的最大抗剪強(qiáng)度。

土壤的抗剪強(qiáng)度是決定機(jī)械作業(yè)時(shí)能否發(fā)揮最大牽引力的主要因素。一、抗剪強(qiáng)度的確定:對(duì)于土和混凝土混合料而言，當(dāng)材料內(nèi)部某一平面上的法向力和剪應(yīng)力的組合達(dá)到某種限度時(shí)，材料即可破壞，土的抗剪強(qiáng)度是剪切面上法向應(yīng)力的函數(shù)?？捎靡韵碌闹苯蛹羟性囼?yàn)測(cè)定。實(shí)驗(yàn)證明,土的抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力呈線性關(guān)系,可用直線方程表示——庫(kù)侖定律土的剪切強(qiáng)度由兩部分組成:（1）土顆粒之間在單位滑動(dòng)面積上的內(nèi)摩擦力；（2）土顆粒之間的粘聚力某些土在一定的狀態(tài)下，能夠承受不大的拉力并能承受剪力，能保持一定高度的豎直邊坡，稱(chēng)之為粘聚性。松散的砂土在干燥狀態(tài)下不具備粘聚性，而粘性土的粘聚性十分明顯。土的性質(zhì)不同，其強(qiáng)度公式也不同（1）純砂性土:C=0（2）粘性土:當(dāng)法向應(yīng)力為零時(shí)，仍具有抗剪強(qiáng)度。土在剪切力的作用下,有使土粒與土粒間、這部分土壤與另一部分土壤之間產(chǎn)生相對(duì)位移的趨勢(shì),這種相對(duì)位移受土壤抗剪強(qiáng)度的制約。當(dāng)土壤受剪切力作用時(shí)就會(huì)在剪切表面出現(xiàn)抗剪切應(yīng)力τ,當(dāng)土壤因受剪切而失效時(shí),此時(shí)的抗剪應(yīng)力達(dá)到最大值τm,稱(chēng)為土壤的抗剪強(qiáng)度?？辜魪?qiáng)度決定了地面所能提供的最大牽引力,而大多數(shù)情況下土壤并未破壞,此時(shí)要研究車(chē)輛的牽引力必須先清楚剪切應(yīng)力與位移的關(guān)系。二、剪切應(yīng)力與位移的關(guān)系:土壤的剪切應(yīng)力—位移曲線如下圖:1.脆性土壤：在脆性土壤上(未經(jīng)攪動(dòng)的緊密土壤，如堅(jiān)實(shí)的砂、粉土和凍結(jié)的雪等)抗剪應(yīng)力出現(xiàn)“駝峰”后，再降低到恒定的值，即為剩余剪切應(yīng)力，曲線出現(xiàn)駝峰的原因是由于土粒間的咬合作用引起的，當(dāng)這種咬合作用被克服后，就只剩下表面摩擦力了，因此抗剪強(qiáng)度降低。這種土被移位后，原來(lái)的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，新的結(jié)構(gòu)不具有原始結(jié)構(gòu)的抗剪強(qiáng)度，只有摩擦力而無(wú)粘性力，故重塑土比原始土的抗剪強(qiáng)度低。2.塑性土壤：在塑性土壤上(松散的土壤，飽和粘土或大多數(shù)攪動(dòng)過(guò)的土壤等)，則剪應(yīng)力達(dá)到一定值后，基本上不變。即相當(dāng)于被壓實(shí)后，剪應(yīng)力為恒值。對(duì)于這類(lèi)土建議用下式表示剪切應(yīng)力與變形的關(guān)系：式中:j—土壤的剪切變形；K—土壤的水平剪切模量。K值的含義:對(duì)上式取微分，并令j=0，求出原點(diǎn)處的斜率為:

由上圖K就是曲線在原點(diǎn)處的切線與τm所作水平線的交點(diǎn)A的橫坐標(biāo)值。K值相當(dāng)于剪應(yīng)力為0.632τm

的土的剪應(yīng)變值?！?土壤的垂直載荷與沉陷的關(guān)系

工程機(jī)械在作業(yè)或行駛過(guò)程中,土受到壓縮而變形,產(chǎn)生了沉陷,增加了運(yùn)動(dòng)阻力,此時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系對(duì)施工影響很大,如行駛阻力。由于土是一種固、液、氣三相復(fù)合的材料,很難用純理論去解決這一問(wèn)題。通常用實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)建立某些經(jīng)驗(yàn)公式以表達(dá)兩者之間的關(guān)系。土壤的抗壓強(qiáng)度直接影響到機(jī)械的下陷及其行駛阻力,為了確定土的抗壓強(qiáng)度,必須知道土壤的垂直變形規(guī)律,即知道法向應(yīng)力p與土的垂直變形z的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)時(shí)將一塊代表充氣輪胎或履帶接地面積的平板,用均布的負(fù)荷壓入土內(nèi),則靜止下陷量z和法向應(yīng)力p之間的關(guān)系將如下圖所示。建議這些曲線可用如下方程式來(lái)表示:p=kzn式中:k——土