土木工程中的土

1、緒論 基本概念 土力學(xué)：利用力學(xué)的一般原理，研究土的物理、化學(xué)和力學(xué)性質(zhì)及土體在荷載、水、溫度等 外界因素作用下工程性狀的應(yīng)用科學(xué)。 土：巖石經(jīng)過風(fēng)化、剝蝕、搬運、沉積而成的散粒的集合體。 地基：支承基礎(chǔ)的土體或者巖石 基礎(chǔ)：將結(jié)構(gòu)承受的各種作用傳遞到地區(qū)上的結(jié)構(gòu)組成成分 持力層：埋置基礎(chǔ)，直接支承基礎(chǔ)的土層 下臥層：在吃力層下方 軟弱下臥層：軟弱下臥層的強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于吃力層的強度 基礎(chǔ)工程：地基與基礎(chǔ)是建筑物的根本，是地基與基礎(chǔ)的統(tǒng)稱 地基與基礎(chǔ)設(shè)計必須滿足的條件： 強度條件（按承載力極限狀態(tài)設(shè)計） ：作用在地基上的荷載效應(yīng)不得超過地基容許承載力或 地基承載力的特征值。 變形條件：基礎(chǔ)沉降不得

2、超過地基變形容許值。 土的性質(zhì)及工程分類 土的滲透性 土的性質(zhì) 土的散粒性 土的壓縮性 土的強度弱 地基基礎(chǔ) 土與土木工程的關(guān)系 工程材料 工程介質(zhì) 土的三相組成，如下圖： 氣相 固相 液相 土的三相數(shù)量比例決定土的 物理性質(zhì)及狀態(tài)。 土的固相 固體顆粒構(gòu)成土的骨架， 其大小和形狀、 礦物成分及其組成情況是決定土物理力學(xué)性質(zhì)的重 要因素。 原生礦物：巖漿在冷凝過程中形成的礦物，如石英、長石等 土的礦物成分 次生礦物：原生礦物經(jīng)過風(fēng)化中后而形成的礦物（例如粘土礦物） 粘土礦物主要分為蒙脫石、伊利石和高嶺石三種主要類型 蒙脫石的晶體是由很多互相平行的晶層構(gòu)成， 每個晶層都是由頂、 底的硅氧四面體和

3、中 間的鋁氧八面體層構(gòu)成 （圖 1-2a） ，其化學(xué)分子式為 Al 2O34SiO2nH2O。相鄰兩晶層間以負(fù) 電荷的氧原子層相對，同性相斥，連結(jié)力極弱，有較強的活動性，遇水很不穩(wěn)定，晶層間可 吸收無定量的水分子。 晶層間的距離隨吸入水分子的量而發(fā)生變化， 吸入的水量越大， 則晶 層之間的距離越大， 這就是蒙脫石吸水膨脹的性能。 當(dāng)晶層間距離增大至失去連結(jié)力時， 蒙 脫石顆?？煞蛛x成更細(xì)小的土粒，最小者近于0.001mm，因此含有蒙脫石礦物的粘粒具有較 強的親水性，較大的膨脹與收縮性。 高嶺石的晶體也是由互相平行的晶層構(gòu)成， 每個晶層由一個硅氧四面體和一個鋁氧八面 體層構(gòu)成 （圖 1-2b）

4、，其化學(xué)分子式為 Al 2O32SiO22H2O。晶層頂?shù)撞粚ΨQ，相鄰兩晶層以 氧離子與氫氧離子相對， 為氫鍵連結(jié)，其連結(jié)力很強，致使晶格不能自由活動，水分子不易 進(jìn)入晶層之間，是遇水較為穩(wěn)定的礦物，故其顆粒較大，一般不小于0.002mm，主要呈粗粘 粒，少數(shù)可為粉粒，所以其親水性較弱，脹縮性均較小。 伊利石的晶體與蒙脫石相似， 每個晶層也是由頂、 底硅氧四面體和中間鋁氧八面體層構(gòu) 成（圖 1-2c） ，相鄰晶層間也能吸收不定量的水分子。但是硅氧四面體中的Si +4可以被 Fe+3、 Al+3 取代，從而產(chǎn)生過多的負(fù)電荷，為了補償晶層中正電荷的不足，在晶層之間常出現(xiàn)一價 正離子 （主要是 K+

5、） ，由于一價正離子在晶層間起一定的連結(jié)作用，而且平衡鉀一般是不可 交換的， 故伊利石晶層間的連結(jié)力介于蒙脫石與高嶺石之間， 其顆粒大小與特性也介于兩者 之間。 Si Al Si 數(shù)層水分子 Si Al Al SiO-2 Si Si Al Si K+ Si Al Si 蒙脫石 高嶺石 a b c 圖 1-2 粘土礦物結(jié)構(gòu)示意圖 三大類粘土礦物中， 高嶺石晶層之間連結(jié)牢固，水不能自由滲入， 伊利石 故其親水性差， 可塑 Si 性低，脹縮性弱；蒙脫石則反之，晶胞之間連結(jié)微弱，活動自由，親水性強，脹縮性亦強； 伊利石的性質(zhì)介于二者之間， 這說明各種不同類型的粘土礦物由于其結(jié)晶構(gòu)造不同， 其工程 性質(zhì)

6、的差異較大 土粒粒組 粒度：土粒的大小 粒組：工程上常把大小、性質(zhì)相近的土粒合并為一組 界限粒徑：劃分粒組的分界尺寸 土粒粒組的劃分如下表 粒組統(tǒng)稱 粒組名稱 粒徑 d 范圍( mm) 分析方法 主要特征 巨粒 漂石(塊石)粒 d200 直接測定 透水性很大，壓縮性極小，顆 粒間無粘結(jié)，無毛細(xì)性。 卵石(碎石)粒 60d200 篩 分 法 粗粒 礫粒 粗礫 20d 60 細(xì)礫 2d 20 砂粒 粗砂 0.5d2 透水性大， 壓縮性小， 無粘性， 有一定毛細(xì)性。 中砂 0.25d0.5 細(xì)砂 0.075d0.25 細(xì)粒 粉粒 0.005d 0.075 靜水沉降 原理 透水性小，壓縮性中等，毛細(xì)

7、上升高度大，微粘性。 粘粒 d 0.005 透水性極弱，壓縮性變化大， 具粘性和可塑性。 土的顆粒級配 級配： 土中所含各粒組的相對含量， 以土?？傊亓康陌俜?jǐn)?shù)表示， 它比哦啊是土粒的粗細(xì)搭 配的程度。 土的級配一般用土的顆粒曲線表示。如下圖 曲線的縱坐標(biāo)表示小于某土粒的累計質(zhì)量百分比，橫坐標(biāo)則是用對數(shù)值表示的圖的粒徑。 由曲線的形態(tài)可評定土顆粒大小的均勻程度。曲線平緩則表示粒徑大小相差懸殊，顆 粒不均勻，級配良好；反之，則顆粒均勻，級配不良。 要定量說明問題， 就引入了不均勻系數(shù) Cu 和曲率系數(shù) Cc 來反映土顆粒級配的不均勻程 度。 (Cu)和曲率系數(shù) (Cc) 。不均勻系 利用土的有效

8、粒徑和限制粒徑可以計算土的不均勻系數(shù) 數(shù)是土的限制粒徑 (d60) 和有效粒徑( d10)的比值，即為： Cu=d60/d10 Cu值越大，土粒越不均勻，累積曲線越平緩；反之，Cu 值越小，則土粒越均勻，曲線越 徒。工程實際中，將 Cu5 的土稱為級配良好的非均粒 土。曲率系數(shù)是土的限制粒徑 (d 30) 的平方與有效粒徑 (d 10)和限制粒徑 (d60) 乘積的比值，即 為： Cc d320 d10 d60 工程中常采用 Cc 值來說明累積曲線的彎曲情況或斜率是否連續(xù)，累積曲線斜率很大， 即 急傾斜狀， 表明某一粒組含量過于集中，其它粒組含量相對較少。 經(jīng)驗表明， 當(dāng)級配連 續(xù)時， Cc=

9、13；當(dāng) Cc3 時，均表示級配曲線不連續(xù)，這種土一般認(rèn)為是級配不良的 土。 式中 d10小于某粒徑的土粒質(zhì)量站土總質(zhì)量 D30小于某粒徑的土粒質(zhì)量站土總質(zhì)量 d60小于某粒徑的土粒質(zhì)量站土總質(zhì)量 10%的粒徑，稱有效粒徑 30%的粒徑，稱中值粒徑 60%的粒徑，稱限定粒徑 土中水和氣 、土中水的存在形態(tài) 土中水按存在形態(tài)分有液態(tài)水、固態(tài)水和氣態(tài)水（又稱礦物內(nèi)部結(jié)晶水或者內(nèi)部結(jié)合 水）。 （ 一 ） 礦物成分水 礦物成分水存在于礦物結(jié)晶格架的內(nèi)部又稱礦物內(nèi)部結(jié)合水。 按其與結(jié)晶格架結(jié)合的牢 固程度不同，又分為結(jié)構(gòu)水、結(jié)晶水和沸石水。結(jié)構(gòu)水是以H+和 OH- 離子的形式存在于礦物 結(jié)晶格架的固定

10、位置上，粘土礦物中鋁氧八面體中的OH- 就是結(jié)構(gòu)水。結(jié)晶水是水以分子形 式和一定的數(shù)量存在于礦物結(jié)晶格架的固定位置上，如石膏（CaSO42H2O）中的 H2O就是結(jié)晶 水。沸石水是水以分子形式不定量地存在于礦物相鄰晶層之間， 如蒙脫石的晶層之間就存在 這種水。在常溫條件下， 礦物成分水不能以分子形式析出，屬于固體部分， 它們對土的性質(zhì) 影響不明顯。只有在高溫條件下，則可能從原來礦物中析出，并形成新礦物，此時，土的性 質(zhì)也隨之發(fā)生變化。 （ 二 ） 孔隙中的水 孔隙中的水即存在于土粒間孔隙中的水， 可分為結(jié)合水、 液態(tài)水、 氣態(tài)水和固態(tài)水。氣 態(tài)水是土中氣體的一部分；固態(tài)水有成為內(nèi)部結(jié)晶水或內(nèi)部

11、結(jié)合水。 土中液態(tài)水分為結(jié)合水和自由水兩大類。 黏土粒表面帶有負(fù)電荷， 結(jié)合水是指受電分子 吸引力作用吸附于土粒表面成薄膜狀的 水。這種電分子吸引力高達(dá)幾千到幾萬 個大氣壓，使水分子和土粒表面牢固的 黏結(jié)在一起。它又可以細(xì)分為強結(jié)合水 和弱結(jié)合水 （如右圖），強結(jié)合水緊靠土 粒表面，其性質(zhì)接近于固體。黏土值含 強結(jié)合水時，呈固體狀態(tài)，磨碎后呈粉 末狀態(tài)；砂土的強結(jié)合水很少，僅含強 結(jié)合水時呈散粒狀。在強結(jié)合水外圍的 結(jié)合水膜成為弱結(jié)合水。弱結(jié)合水在強 結(jié)合水以外，電場作用范圍以內(nèi)，它也 受顆粒表面電荷所吸引而定向排列于顆 粒四周，但電場作用力原理顆粒而減弱。 自由水是存在于土粒表面電場影響范圍

12、 以外的土中水。 毛細(xì)水 概念：受到水與空氣交界處表面張力的作用、存在于地下水位以上的透水層中自由水。 碎石土：無毛細(xì)水上升現(xiàn)象 砂土：上升高度 2m 二、土中氣體 土中氣體主要為空氣與水氣， 一般與大氣連通， 處于動平衡狀態(tài)， 對土的性質(zhì)影響不大。 少數(shù)情況下土中存在封閉氣體時對土的性質(zhì)有一定的影響， 主要表現(xiàn)在透水不暢， 加固土?xí)r 不易使土壓實等。 另外封閉氣體的突然逸出可造成意外的沉陷?？傊?土中氣體對土性質(zhì)的 影響不如固體顆粒與土孔隙中的水。 土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造 土的結(jié)構(gòu)是指土顆粒或集合體的大小和形狀、 表面特征、 排列性質(zhì)以及他們之間的鏈接 特征， 而構(gòu)造指土層的層理、裂隙和大孔隙等宏

13、觀特征。 土的結(jié)構(gòu)一般分為單粒結(jié)構(gòu)、 蜂窩 結(jié)構(gòu)及絮凝結(jié)構(gòu)三種基本類型。 單粒結(jié)構(gòu)是由粗大土粒在水或空氣中下沉而形成，可也是疏松的，也可以是緊密的 蜂窩結(jié)構(gòu)是主要由粉粒（ 0.0050.075mm ）組成的土的結(jié)構(gòu)形式。 絮凝結(jié)構(gòu)：主要以粘粒為主的絮凝體為結(jié)構(gòu)的基本單元體，少量粗粒分布于其 中，絮凝體集粒內(nèi)粘土礦物多呈邊 面、邊 邊和少量面 面的排列方式，孔 隙連通性好，粘土礦物的定向性差，性質(zhì)較均勻 土的物理性質(zhì)指標(biāo) 可分為兩類： 一類是必須通過試驗測定的，如含水率、密度和土粒比重，稱為基本指標(biāo)； V 土的體積 Va 土中氣體所占的體積 Vs 土中氣體所占的體積 （1）、土的天然密度 土單位

14、體積的質(zhì)量成為土的密度（單位為g/cm3或 t/m3） m V 3 天然狀態(tài)下土的密度變化范圍很大，一般為1.6 2.2g / cm3 。土的密度一般采用“環(huán)刀法”測定。 （ 2）、土的含水量 土中的水的質(zhì)量與土粒質(zhì)量之比（用百分?jǐn)?shù)表示）成為土的含水量，即： mw 100% ms 含水量是標(biāo)志濕土的一個重要指標(biāo)。含水量越小，土越干；反之，土很濕或飽和。一般 來說， 同一類土， 當(dāng)其含水量增大時， 其強度就降低。 土的含水量一般采用 “烘干法” 測定。 3）、土粒相對密度 ds 土的固體顆粒質(zhì)量與同體積 4時純水的質(zhì)量之比，成為土粒相對密度，即： s w1 ms 1 ds Vs w1 比重瓶法”

15、測定。 土粒相對密度可在實驗室采用 另一類是根據(jù)直接指標(biāo)換算的，如孔隙比、孔隙率、飽和度等，稱為間接指標(biāo)。 反映土單位體積質(zhì)量（或重力）的指標(biāo) 1）、土的干密度 d 土單位體積中固體顆粒部分的質(zhì)量， 稱為的的干密度，即： mv dV 2）、土的飽和密度sat 土孔隙中充滿水時的單位體積質(zhì)量， 稱為土的飽和密度，即： ms Vv w sat V 3）、土的有效密度（或浮密度） 在地下水位以下，單位體積中土粒的質(zhì)量扣除同體積水的質(zhì)量后，即為單位土體積中 土粒的有效質(zhì)量，稱為土的有效密度 ，即： ms Vs w V 以上三種密度還對應(yīng)著土的三種重度指標(biāo)。重度就是的土的重力密度，土的重度指標(biāo) 包括土的濕重度 g 、干重度 d g 、飽和重度 sat sat g 、有