土的組成和物理性質(zhì)

1、第四講土的組成和物理性質(zhì) 一、內(nèi)容提要：本講主要講述土的三相組成和三相指標、土的礦物組成和顆粒級配、土的結(jié)構、粘性土的界限含水量、塑性指數(shù)、液性指數(shù)、砂土的相對密實度、土的最佳含水量和最大干密度、土的工程分類 二、重點、難點：土的物理力學性質(zhì)指標的計算 一、土的三相組成 土是由固體顆粒、水和氣體三部分組成的，通常稱為土的三相組成。隨著三相物質(zhì)的質(zhì)量和體積的比例不同，土的性質(zhì)也將不同。 【例題1】土的三相組成中不包括的部分是（）。 A.水B.氣體C.固體顆粒D.礦物成分答案：D (一)土的固相 土的固相物質(zhì)包括無機礦物顆粒和有機質(zhì)，是構成土的骨架最基本的物質(zhì)，稱為土粒。對土粒應從其礦物成分、顆粒

2、的大小和形狀來描述。 1.土的礦物成分 土中的礦物成分可以分為原生礦物和次生礦物兩大類。 原生礦物是指巖漿在冷凝過程中形成的礦物，如石英、長石、云母等。 次生礦物是由原生礦物經(jīng)過風化作用后形成的新礦物，如三氧化二鋁、三氧化二鐵、次生二氧化硅、粘土礦物以及碳酸鹽等。 【例題2】在下列各類礦物中，屬于次生礦物的是（）。 A.石英B.長石C.云母D.蒙脫石答案：D 2.土的粒度成分(顆粒級配) 天然土是由大小不同的顆粒組成的，土粒的大小稱為粒度。工程上常用不同粒徑顆粒的相對含量來描述土的顆粒組成情況，這種指標稱為粒度成分。 (1)土的粒組劃分 工程上常把大小相近的土粒合并為組，稱為粒組。粒組間的分界

3、線是人為劃定的，劃分時應使粒組界限與粒組性質(zhì)的變化相適應，并按一定的比例遞減關系劃分粒組的界限值。 對粒組的劃分，我國有關規(guī)范均將砂粒粒組與粉粒粒組的界限為0.075mm。其余粒組劃分標準可參見巖土工程勘察規(guī)范(GB50021-2001)和土的工程分類標準(GBJl45-90)等。 (2)粒度成分及其表示方法 土的粒度成分是指土中各種不同粒組的相對含量(以干土質(zhì)量的百分比表示)，它可用以描述土中不同粒徑土粒的分布特征。常用的粒度成分的表示方法是累計曲線法，也稱顆分曲線法，它是一種圖示的方法，通常用半對數(shù)紙繪制，橫坐標(按對數(shù)比例尺)表示某一粒徑，縱坐標表示小于某一粒徑的土粒的百分含量，如圖15

4、-4-1所示。 在累計曲線上，可確定兩個描述土的級配的指標： (3)粒度成分測定方法 對于粗粒土可以采用篩分法，而對于細粒土(粒徑小于0.075mm)則必須用沉降分析法測定其粒度成分。篩分法是用一套不同孔徑的標準篩把各種粒組分離出來的方法。沉降分析法是根據(jù)土粒在懸液中沉降的速度與粒徑的平方成正比的司篤克斯公式來確定各粒組相對含量的方法。 【例題3】粗粒土與細粒土的粒徑界限是（）。 A.2mmB.0.25mmC.0.075mmD.0.05mm答案：C 【例題4】在土體粒度成分的表示方法當中，稱為有效粒徑的是（），稱為限定粒徑的是（）。 A.d10B.d30C.d50D.d60答案：A；D 【例題

5、5】對于砂土，當確定其粒度成分時，采用的測定方法為（）。 A.篩分法B.沉降分析法C.三軸試驗D.直剪試驗答案：A 【例題6】某土的Cu13，下列判斷正確的是（）。 A.可以認為該土的粒徑變化連續(xù)性好，填料中不缺失某種粒徑含量； B.可以認為該土的粒徑變化連續(xù)性不好，填料中缺失某種粒徑含量； C.可以認為該土的粒徑變化連續(xù)性好，該土的級配良好； D.可以認為該土的粒徑變化連續(xù)性不好，級配不良；答案：A(二)土的液相 土的液相是指存在于土孔隙中的水。按照水與土相互作用程度的強弱，可將土中水分為結(jié)合水和自由水兩大類。 結(jié)合水是指處于土顆粒表面水膜中的水，它因受到表面引力的控制而不服從靜水力學規(guī)律，

6、其冰點低于零度。結(jié)合水又可分為強結(jié)合水和弱結(jié)合水。強結(jié)合水在最靠近土顆粒表面處，水分子和水化離子排列得非常緊密，以致其密度大于1，并有過冷現(xiàn)象，即溫度降到零度以下不發(fā)生凍結(jié)的現(xiàn)象。在距離土粒表面較遠地方的結(jié)合水稱為弱結(jié)合水，由于引力降低，弱結(jié)合水的水分子的排列不如強結(jié)合水緊密，弱結(jié)合水可能從較厚水膜或濃度較低處緩慢地遷移到較薄的水膜或濃度較高處，亦即可從一個土粒遷移到另一個土粒，這種運動與重力無關，這層不能傳遞靜水壓力的水定義為弱結(jié)合水。 自由水包括毛細水和重力水。毛細水不僅受到重力的作用，還受到表面張力的支配，能沿著土的細孔隙從潛水面上升到一定的高度。這種毛細上升對于公路路基土的干濕狀態(tài)及建

7、筑物的防潮有重要影響。重力水在重力或壓力差作用下能在土中滲流，對于土顆粒和結(jié)構物都有浮力作用，在土力學計算中應當考慮這種滲流及浮力的作用力。 【例題7】在土的液相中，冰點最低的是（）。 A.強結(jié)合水B.弱結(jié)合水C.毛細水D.重力水答案：A (三)土的氣相 土的氣相是指充填在土的孔隙中的氣體，包括與大氣連通的和不連通的兩類。 與大氣連通的氣體對土的工程性質(zhì)沒有多大的影響，它的成分與空氣相似，當土受到外力作用時，這種氣體很快從孔隙中擠出；但是密閉的氣體對土的工程性質(zhì)有很大的影響，密閉氣體的成分可能是空氣、水汽或天然氣。在壓力作用下這種氣體可被壓縮或溶解于水中，而當壓力減小時，氣泡會恢復原狀或重新游

8、離出來。含氣體的土稱為非飽和土，非飽和土的工程性質(zhì)研究已成為土力學的一個新分支。 【例題8】下列關于土的氣相的敘述，正確的選項為（）。 A.當土受到外力作用時，土中的氣體會被很快從孔隙中排出； B.當土受到外力作用時，與大氣連通的氣體會被從孔隙中排出，密閉的氣體可被壓縮； C.當土受到外力作用時，對于密閉的氣體不能被壓縮； D.對于飽和土而言，土內(nèi)的氣體僅存在密閉的氣體； 答案：B 二、土的三相比例指標 土的三相物質(zhì)在體積和質(zhì)量上的比例關系稱為三相比例指標。三相比例指標反映了土的干燥與潮濕、疏松與緊密，是評價土的工程性質(zhì)的最基本的物理性質(zhì)指標，也是工程地質(zhì)勘察報告中不可缺少的基本內(nèi)容。推導土的

9、三相比例指標時可采用圖15-4-2所示的三相圖。圖15-4-2(c)中土樣的體積V為土中空氣的體積Va、水的體積Vw和土粒的體積Vs之和；土樣的質(zhì)量g為土中空氣的質(zhì)量ga水的質(zhì)量gw和土粒的質(zhì)量gs之和；由于空氣的質(zhì)量可以忽略，故土樣的質(zhì)量g可用水和土粒質(zhì)量之和(gw+gs)表示。三相比例指標可分為兩種，一種是試驗指標；另一種是換算指標。(一)試驗指標 通過試驗測定的指標有土的密度、土粒密度和含水量。 含水量通常以百分數(shù)表示。含水量常用烘干法測定，它是描述土的干濕程度的重要指標。土的天然含水量變化范圍很大，從干砂的含水量接近于零到蒙脫土的含水量可達百分之幾百。 【例題9】在對土樣進行土工試驗時

10、，不屬于試驗指標的是（）。 A.密度B.土粒密度C.孔隙比D.含水量答案：C (二)換算指標 除了上述三個試驗指標之外，還有六個可以計算求得的指標，稱為換算指標，包括土的干密度(干重度)、飽和密度(飽和重度)、有效重度、孔隙比、孔隙率和飽和度。 三、土的結(jié)構 土的結(jié)構是指土粒(或團粒)的大小、形狀、互相排列及聯(lián)結(jié)的特征。 土的結(jié)構是在成土的過程中逐漸形成的，它反映了土的成分、成因和年代對土的工程性質(zhì)的影響。土的結(jié)構按其顆粒的排列和聯(lián)結(jié)可分為圖15-4-3所示的三種基本類型。 1.單粒結(jié)構 單粒結(jié)構是碎石土和砂土的結(jié)構特征。其特點是土粒間沒有聯(lián)結(jié)存在，或聯(lián)結(jié)非常微弱，可以忽略不計。疏松狀態(tài)的單粒

11、結(jié)構在荷載作用下，特別在振動荷載作用下會趨向密實，土粒移向更穩(wěn)定的位置，同時產(chǎn)生較大的變形；密實狀態(tài)的單粒結(jié)構在剪應力作用下會發(fā)生剪脹，即體積膨脹，密度變松。單粒結(jié)構的緊密程度取決于礦物成分、顆粒形狀、粒度成分及級配的均勻程度。片狀礦物顆粒組成的砂土最為疏松；渾圓的顆粒組成的土比帶棱角的容易趨向密實；土粒的級配愈不均勻，結(jié)構愈緊密。 2.蜂窩狀結(jié)構 蜂窩狀結(jié)構是以粉粒為主的土的結(jié)構特征。粒徑在0.0750.005mm左右的土粒在水中沉積時，基本上是單個顆粒下沉，在下沉過程中、碰上已沉積的土粒時，如土粒間的引力相對自重而言已經(jīng)足夠地大，則此顆粒就停留在最初的接觸位置上不再下沉，形成大孔隙的蜂窩狀

12、結(jié)構。 3.絮狀結(jié)構 絮狀結(jié)構是粘土顆粒特有的結(jié)構特征。懸浮在水中的粘土顆粒當介質(zhì)發(fā)生變化時，土?；ハ嗑酆希赃呉贿?、面一邊的接觸方式形成絮狀物下沉，沉積為大孔隙的絮狀結(jié)構。 土的結(jié)構形成以后，當外界條件變化時，土的結(jié)構會發(fā)生變化。例如，土層在上覆土層作用下壓密固結(jié)時，結(jié)構會趨于更緊密的排列；卸載時土體的膨脹(如鉆探取土時土樣的膨脹或基坑開挖時基底的隆起)會松動土的結(jié)構；當土層失水干縮或介質(zhì)變化時，鹽類結(jié)晶膠結(jié)能增強土粒間的聯(lián)結(jié)；在外力作用下(如施工時對土的擾動或剪應力的長期作用)會弱化土的結(jié)構，破壞土粒原來的排列方式和土粒間的聯(lián)結(jié)，使絮狀結(jié)構變?yōu)槠叫械闹厮芙Y(jié)構，降低土的強度，增大壓縮性。因此

13、，在取土試驗或施工過程中都必須盡量減少對土的擾動，避免破壞土的原狀結(jié)構。 【例題12】在下列各類土中，其結(jié)構屬于單粒結(jié)構的是（）。 A.粗砂B.粉土C.粉質(zhì)粘土D.粘土答案：A 四、粘性土的界限含水量 1.粘性土的狀態(tài) 隨著含水量的改變，粘性土將經(jīng)歷不同的物理狀態(tài)。當含水量很大時，土是一種粘滯流動的液體即泥漿，稱為流動狀態(tài)；隨著含水量逐漸減少，粘滯流動的特點漸漸消失而顯示出塑性(所謂塑性就是指可以塑成任何形狀而不發(fā)生裂縫，并在外力解除以后能保持已有的形狀而不恢復原狀的性質(zhì))，稱為可塑狀態(tài)；當含水量繼續(xù)減少時，則發(fā)現(xiàn)土的可塑性逐漸消失，從可塑狀態(tài)變?yōu)榘牍腆w狀態(tài)。如果同時測定含水量減少過程中的體積

14、變化，則可發(fā)現(xiàn)土的體積隨著含水量的減少而減小，但當含水量很小的時候，土的體積卻不再隨含水量的減少而減小了，這種狀態(tài)稱為固體狀態(tài)。 2.界限含水量 粘性土從一種狀態(tài)變到另一種狀態(tài)的含水量分界點稱為界限含水量。流動狀態(tài)與可塑狀態(tài)間的分界含水量稱為液限wL；可塑狀態(tài)與半固體狀態(tài)間的分界含水量稱為塑限wp；半固體狀態(tài)與固體狀態(tài)間的分界含水量稱為縮限ws。 塑限wp，是用搓條法測定的。把塑性狀態(tài)的土在毛玻璃板上用手搓條，在緩慢的、單方向的搓動過程中土膏內(nèi)的水分漸漸蒸發(fā)，如搓到土條的直徑為3mm左右時斷裂為若干段，則此時的含水量即為塑限wp。 液限WL可采用平衡錐式液限儀測定。平衡錐重為76g，錐角為30

15、。試驗時使平衡錐在自重作用下沉入土膏，當沉入深度l0mm時的含水量即為液限WL。 【例題13】對于粘性土而言，流動狀態(tài)與可塑狀態(tài)間的分界含水量稱為（）。 A.液限wL；B.塑限wpC.縮限ws答案：A 【例題14】當利用平衡錐式液限儀進行試驗時，使平衡錐在自重作用下沉入土膏，當沉入深度l0mm時的含水量即為（）。 A.液限wL；B.塑限wpC.縮限ws答案：A 3.塑性指數(shù) 可塑性是粘性土區(qū)別于砂土的重要特征?？伤苄缘拇笮∮猛撂幵谒苄誀顟B(tài)的含水量變化范圍來衡量，從液限到塑限含水量的變化范圍愈大，土的可塑性愈好。這個范圍稱為塑性指數(shù) 六、土的壓實原理 土體能夠通過振動、夯實和碾壓等方法調(diào)整土粒排

16、列，進而增加密實度的性質(zhì)稱為土的壓實性。1.土的壓實與含水量的關系 土的含水量是影響填土壓實性的主要因素之一。在低含水量時，水被土顆粒吸附在土粒表面，土顆粒因無毛細管作用而互相聯(lián)結(jié)很弱，土粒在受到夯擊等沖擊作用下容易分散而難于獲得較高的密實度。在高含水量時，土中多余的水分在夯擊時很難快速排出而在土孔隙中形成水團，削弱了土顆粒間的聯(lián)結(jié)，使土粒潤滑而變得易于移動，夯擊或碾壓時容易出現(xiàn)類似彈性變形的“橡皮土”現(xiàn)象，失去夯擊效果。 土的干密度，是反映土的密實度的重要指標，它與土的含水量、壓實能量和填土的性質(zhì)等有關。將同一種土配置成不同含水量的土樣后進行室內(nèi)擊實試驗，可以獲得如圖15-4-4所示的含水量

17、w與干密度之間的關系曲線，稱作擊實曲線。七、土的工程分類 土的工程分類是把不同的土分別安排到各個具有相近性質(zhì)的組合中去，其目的是為了人們有可能根據(jù)同類土已知的性質(zhì)去評價其工程特性，或為工程師提供一個可供采用的描述與評價土的方法。通常對建筑地基可分成巖石、碎石土、砂土、粉土、粘性土和特殊性土六大類。 1.巖石 巖石(基巖)是指顆粒間牢固聯(lián)結(jié)，形成整體或具有節(jié)理、裂隙的巖體。它作為建筑場地和建筑地基可按下列原則分類： (1)按成因分為巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖。 (2)根據(jù)堅固性即未風化巖石的飽和單軸極限抗壓強度q分為硬質(zhì)巖石(q30MPa)和軟質(zhì)巖石(q30MPa)。 (3)根據(jù)風化程度分為微風化、中等風化和強風化。 (4)按軟化系數(shù)KR分為軟化巖石和不軟化巖石。KR為飽和狀態(tài)與風干狀態(tài)的巖石單軸極限抗壓強度之比，KR0.75為不軟化巖石。 2.碎石土 碎石土是指粒徑大于2mm的顆粒含量超過總質(zhì)量的50的土，按粒徑和顆粒形狀可進一步劃分為漂石、塊石、卵石、碎石、圓礫和角礫。 碎石土的密實度一般用定性的方法由野外描述確定，卵石的密實度可按超重型動力觸探的錘擊數(shù)劃分。 3.砂土 砂土是指粒徑大于2mm的顆粒含量不