土的物理性質及工程分類

第一章土的物理性質及工程分類

第一節(jié)土的組成與結構一、土的組成天然狀態(tài)下的土的組成（一般分為三相）⑴固相：土顆粒一構成土的骨架,決定土的性質一大小、形狀、成分、組成、排列，⑵液相：水和溶解于水中物質L⑶氣相：空氣及其他氣體，（1）干土=固體+氣體（二相）V（2）濕土=固體+液體+氣體（三相）日3）飽和土=固體+液體（二相）二、土的固相一一礦物顆粒土粒粒徑大小及礦物成分不同，對土的物理力學性質有著較大影響。如當土粒粒徑由粗變細時，土的性質可從無粘性變化到有粘性。（一）土的粒組劃分工程上將物理力學性質較為接近的土粒劃分為一個粒組，粒組與粒組之間的分界尺寸稱為界限粒徑。土顆粒根據粒組范圍劃分不同的粒組名稱：六大粒組：塊石（漂石）、碎石（卵石）、角粒（圓粒）、砂粒、粉粒、粘粒界限粒徑分別是：200mm、20mm、2mm、0.075mm、0.005mm,見下表。表1-1粒組劃分標準（GB50021—94）粒組名稱粒組范圍/mm粒組名稱粒組范圍/mm漂石（塊石）粒組>200砂粒粒組0.075~2卵石（碎石）粒組20~200粉粒粒組0.005~0.075角粒（圓粒）粒組2~20粘粒粒組<0.005（二）土的顆粒級配自然界的土通常由大小不同的土粒組成，土中各個粒組重量（或質量）的相對含量百分比稱為顆粒級配，土的顆粒級配曲線可通過土的顆粒分析試驗測定。顆粒大小分析試驗方法（1）篩分法：適用60—0.075mm的粗粒土（2）密度計法：適用小于0.075mm的細粒土顆粒級配曲線一一半對數坐標系級配良好與否的判別1）定性判別（1）坡度漸變一一大小連續(xù)一一連續(xù)級配（級配曲線）（2）水平段（臺階）一一缺乏某些粒徑一一不連續(xù)級配（1）曲線形狀平緩一一粒徑變化范圍大一一不均勻一一良好（2）曲線形狀較陡一一變化范圍小一一均勻一一不良2）定量判別：不均勻系數C=%ud10d60d30di0分別表示級配曲線上縱坐標為60%30%10%時對應粒徑不均勻系數越大，土粒越不均勻，工程上把Cu<5的看作是均勻的，級配不好；把C>10大于的土看作是不均勻的，級配良好。u（三）土的礦物成分和土中的有機質土中礦物成分可分為原生礦物和次生礦物兩大類。原生礦物一一巖石經物理風化作用而成的顆粒（化學成分無變化）成分與母巖相同。原生礦物性質穩(wěn)定。塊石、碎石、角粒礦物成分與原生礦物相同，砂粒是原生礦物的單礦物顆粒，如：石英、長石一一礫石、砂的主要礦物成分一一性質穩(wěn)定、強度高云母一一薄片狀一一強度低、壓縮性大、易變形粉粒的礦物成分是多樣的主要有原生礦物的石英，次生礦物的難溶鹽類次生礦物一一原生礦物經化學風化作用而成的新礦物（化學成分變化）。如三氧化二鋁、三氧化二鐵、次生二氧化硅及各種粘土礦物。粘粒幾乎都是次生礦物的粘土礦物、氧化物、難溶鹽及腐植質。粘土礦物一一親水性、粘聚性、可塑性、膨脹性、收縮性。粘土礦物分為：高嶺石（土）：遇水后膨脹性與可塑性較小，顆粒相對較大一一親水性較弱，晶體結構較穩(wěn)定。伊利石（土）：性質介于高嶺土與蒙脫土之間，接近蒙脫土。蒙脫石（土）：遇水后膨脹性與可塑性極大，透水性小，多個晶體層一一結構不穩(wěn)定、顆粒最小、親水性。水溶鹽①難溶：CaCO3中溶：石膏casqMgo易溶：NaClkClCaCl2KNa的SO;-CO：-土中的有機質一一親水性強，壓縮i生大，強度低三、土中水土中水分為結合水和自由水兩大類。結合水：是吸附在土粒表面的結合水膜。土粒表面帶負電荷，吸附電場范圍內的水分子及水分子中的陽離子，越靠近土粒表面吸附作用越強，結合水從內向外可分為固定層和擴散層。強結合水：處于固定層中，性質接近于固體，不能傳遞水壓，具有極大的粘滯性、彈性和抗剪強度；弱結合水：處于擴散層中，性質呈粘滯體狀態(tài)，在壓力作用下可以擠壓變形。弱結合水對粘性土的物理力學性質影響極大，而砂土因表面較小，可認為不含弱結合水。自由水：土粒結合水膜之外的水。重力水：只受重力作用而自由流動的水，能傳遞水壓力和產生浮力作用，一般存在于地下水位以下的透水土層中。毛細水：土孔隙中受到表面張力作用而存在的自由水，一般存在于地下水位以上的透水土層中，由于表面張力作用，毛細水在土粒之間形成環(huán)狀彎液面，彎液面與土粒接觸處的表面張力反作用于土粒，形成毛細壓力，使土粒擠緊，土粒間的孔隙是連通的，形成無數不規(guī)則的毛細管，在表面張力作用下，地下水沿著毛細管上升，因此工程中要注意地基土的濕潤和凍脹，同時應注意建筑物的防潮。四、土中氣體粗粒土中氣體常與大氣相通，土受壓時可很快逸出，對土的性質影響不大細粒土中氣體常與大氣隔絕而成封閉氣泡，不宜逸出，因此增大了土的彈性和壓縮性，同時降低了土的透水性。淤泥等含有有機質的土中，由于微生物的活動，在土中分解產生了一些可燃氣體，如甲烷、硫化氫等，使土層在自重作用下不易壓密而形成高壓縮性的軟土層。五、土的結構定義：土?；蛲亮＜象w的大小、形狀、相互排列與連結等綜合特征，稱為土的結構。分類：（1）單粒結構：由較粗大的土粒（如碎石、砂粒等）組成，土粒間分子引力遠小于土粒自重，土粒之間幾乎沒有相互聯(lián)結作用。土粒排列有疏松及密實兩種狀態(tài)。密實狀態(tài)時土的強度大，壓縮性小，是良好的天然地基；疏松狀態(tài)時空隙較大，土粒不穩(wěn)定，不宜直接用作地基。（2）蜂窩結構：由粉粒串聯(lián)而成，土粒間分子引力大于土粒自重，土粒下沉時停止在接觸面而形成串聯(lián)結構。（3）絮狀結構：粘粒集合體串聯(lián)而成。具有蜂窩結構和絮狀結構（合稱為海面結構）的土，其土粒間有較大的孔隙，結構不穩(wěn)定，當天然結構被破壞后，土的壓縮性增大而強度降低，故也稱為有結構性土。土的結構形成以后，當外界條件變化時，土的結構會發(fā)生變化。例如，土層在上覆土層作用下壓密固結時，結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）會松動土的結構；當土層失水干縮或介質變化時，鹽類結晶膠結能增強土粒間的聯(lián)結；在外力作用下（如施工時對土的擾動或剪應力的長期作用）會弱化土的結構，破壞土粒原來的排列方式和土粒間的聯(lián)結，使絮狀結構變?yōu)槠叫械闹厮芙Y構，降低土的強度，增大壓縮性。因此，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構。

第二節(jié)土的物理性質指標土的性質：（1）土三相組成中各項性質（2）三相之間量的比例關系工程中常用土的物理性質指標作為評價土體工程性質優(yōu)劣的基本指標。一、土的三相圖土的顆粒，水，氣體混雜在一起，為分析問題方便常理想地將三相分別集中。土的三相組成示竟圖二、土的物理性質指標（1）實測指標（基本指標）：YPWds試驗得出（2）換算指標：據實測指標經換算得出PdYsatYenSr（一）實測指標天然土的重力密度Y和質量密度p物理意義：單位體積天然土的重力，稱為重力密度，簡稱重度（kN/m3）單位體積天然土的質量，稱為質量密度，簡稱密度（kg/m3或t/m3）②表達式：y=w=ws+ww=w「*vw；p=-vvvVmgvpg水的重度y=9.8kN/m3,土的重度一般在16?20kN/m3土粒相對密度ds物理意義：土粒在105°C~110°C溫度下烘至恒重時的質量與同體積4°C時純水的質量之比。表達式：d=土=二二二二二smwVpvy測定方法：用比重瓶測定，一般土粒相對密度在2.6?2.8之間。說明：①ds無量綱ds值大小取決于土粒礦物成分和有機質含量。有機質含量多時，相對密度明顯減小。3土的含水量④物理意義：土中水的質量與土粒質量之比。(%)神=―幻。。％表達式：舛測定方法：烘干法。(現場核子密度儀)換算指標：幾種不同狀態(tài)下的土的密度和重度。干密度Pd和干重度Yd①物理意義：單位體積土中土粒的質量。mw②表達式：pd=7，yd=V③工程應用：在填方工程中常被作為填土設計和施工質量控制的指標。(2)密度：Pt飽和重度-Yt①物理意義;土在飽和狀態(tài)時，單位體積土的質量。②表達式:m+m/m+pVTOC\o"1-5"\h\zPsat^V_^*'V"''②表達式:(3)浮重度(有效重度)Y/①物理意義：土在水下，土體受水的浮力作用時，單位體積的有效重量。②表達式:\o"CurrentDocument"W-Vyy=ss—\o"CurrentDocument"yssatV②表達式:孔隙率與孔隙比土的孔隙率：物理意義：土體中的孔隙體積與總體積之比。表達式：n=，x100%孔隙比：物理意義：土體中的孔隙體積與土顆粒體積之比。V表達式：e=V」s說明：①n:恒〈100%e:可〉1一般I.砂土：e=0.4---0.8II.粘土：0.6---1.5III.有機質②e和n是反映土的密實程度的指標。飽和度：Sr物理意義：指土中水的體積與孔隙體積之比，用百分數表示。表達式：S=Lx100%rVv工程應用：按飽和度Sr大小砂土分為:「①Sr50%稍濕，②50%<Sr80%很濕'③Sr>80%飽和土的物理性質指標間的換算_dP(1+①)dy(1+①)

e=―s——w—1=—s_w—1pyy/=y—ysatw表1-2土的三相比例指標換算公式名稱符號三相比例表達式常用換算公式單位土粒相對密度dsA-5常見的數值比例粘性土2.72~2.76砂土2.70~2.71含水量密度干密度飽和密度有效密度重度干重度飽和重度git1十神）（1+神）d=^LxlOO%1十曰缶J4+宙扁p1.十神PPdPtsatP'YYdYsatVmr=—=m命=襯’g=此’g1￡3Ly&P~PwntPvai（7-1_《fl+神）g/cm3g/cm3g/cm3g/cm3kN/m3kN/m3kN/m3粉土

2.65~2.6920%~60%1.6~2.0g/cm31.3~1.8g/cm31.8~2.3g/cm30.8~1.3g/cm316~20kN/m313~18kN/m318~23kN/m3有效重度丫kN/m8~13kN/m3孔隙比e處粘性土和粉土:0.40~1.20砂土：25~45砂土：0.30~0.90V孔隙率n礦砂土：0.30~0.90飽和度V■r=^x]QO%0~100%"w四、例題：見課本。例題1-1已知土的試驗指標為y=18kN/m3p=2.7g/cm3和w=12%，求e,Sr和y?！窘狻吭O土的體積等于1,則土的重力咋yV=18kN。已知土粒的重力ws與水的重力W之和等于土的重力W，即W=Ws+Ww。水的重力Ww與土的重力WS之比等于含水量w,則Ww=wxWs=0.12WS,由此求得土粒的重力Ws=15kN。土粒體積Vs可由土粒的密度ps和土粒的重力Ws求得，其值為0.55m3，孔隙的體積Vv則為0.45m3,水的體積Vw由水的重度yw和水的重力Ww求得，其值為0.18m3。根據三相指標定義可計算孔隙比e，飽和度Sr和干重度yd的數值:次=玲土5在實際工程計算中一般是先導出相應的換算公式，然后直接用換算公式計算。思考：1、顆粒級配曲線反映的是什么？級配良好有什么意義？如何判別級配是否良好？2、工程中是否可以以其他指標作為實測指標？3、各物理性質指標在工程中有何作用？*三相指標測定（1）土的密度試驗土的密度一般用“環(huán)刀法”測定，使用一個圓環(huán)（刀刃向下）放在削平的原狀土樣面上，徐徐削去環(huán)刀外圍的土，邊削邊壓，使土樣壓滿環(huán)刀內，稱得環(huán)刀內土樣質量，求出它與環(huán)刀容積之比值即為其密度。詳細的試驗步驟請查閱土性指標試驗中的環(huán)刀法密度試驗內容。（2）土的含水量試驗土的含水量一般用“烘干法”測定，先稱取小塊原狀土樣的濕土質量m,然后置于烘箱內維持100?105°C烘至恒重，再稱出干土質量吐，濕土與干土質量之差為土塊中水的質量mw，而土的含水量為f神=一-1X100%mc詳細的試驗步驟請查閱土性指標試驗中的含水量試驗內容。土粒相對密度試驗土粒密度試驗一般是采用比重瓶法測定土粒的相對密度，通過測定干土質量和瓶、水總質量以及瓶、水、試樣總質量和懸液溫度，由下式計算土粒的相對密度ds詳細的試驗步驟請查閱土性指標試驗中的比重瓶法比重試驗內容第三節(jié)土的物理狀態(tài)指標定義：土的物理狀態(tài)：天然狀態(tài)下，土所表現出的干濕、軟硬、松密等。一、無粘性土的狀態(tài)無粘性土的密實狀態(tài)對工程性質影響很大：〈密實：強度高、穩(wěn)定、壓縮性小I疏松：不穩(wěn)定、易產生流砂碎石土的密實度根據野外鑒別方法確定，分為密實、中密、稍密三種狀態(tài)。砂土的密實度對其工程性質具有重要的影響。密實的砂土具有較高的強度和較低的壓縮性，是良好的建筑物地基；但松散的砂土，尤其是飽和的松散砂土，不僅強度低，且水穩(wěn)定性很差，容易產生流砂、液化等工程事故。對砂土評價的主要問題是正確地劃分其密實度。（一）孔隙比判別一級配相同的砂J孔隙比愈小，表明愈密實I孔隙比愈大，表明土愈疏松砂土的密實程度不完全取決于孔隙比，而在很大程度上還取決于土的級配情況。粒徑級配不同的砂土即使具有相同的孔隙比，但由于顆粒大小不同，顆粒排列不同，所處的密實狀態(tài)也會不同。為了同時考慮孔隙比和級配的影響，引入砂土相對密實度的概念。（二）相對密實度判別當砂土處于最密實狀態(tài)時，其孔隙比稱為最小孔隙比；而砂土處于最疏松狀態(tài)時的孔隙比則稱為最大孔隙比。有關試驗標準中規(guī)定了一定的方法測定砂土的最小孔隙比和最大孔隙比，然后可按下式計算砂土的相對密實度：結論：Dr愈大，土愈密實Dr=0時，土處于最疏松狀態(tài)Dr=1時，土處于最緊密狀態(tài)從上式可以看出，當砂土的天然孔隙比接近于最小孔隙比時，相對密實度。^_接近于1，表明砂土接近于最密實的狀態(tài)；而當天然孔隙比接近于最大孔隙比時則表明砂土處于最松散的狀態(tài)，其相對密實度接近于0。根據砂土的相對密實度可以按表1-3將砂土劃分為密實、中密、和松散三種密實度。表1-3砂土密實度劃分標準密實度密實中密松散相對密度1.0?0.670.67?0.330.33?0工程應用：（三）標準貫入試驗判別方法：用標準貫入試驗錘擊數N63..來劃分。見表1-4。表1-4砂土密實度劃分密實度密實中密稍密松散相對密度N635>3030NN—〉1515NN63>10.5N635W10二、粘性土的狀態(tài)（一）粘性土的稠度狀態(tài)概念：稠度：指粘性土的某一含水率時的稀稠程度或軟硬程度隨著含水量的改變，粘性土將經歷不同的物理狀態(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），稱為可塑狀態(tài)；當含水量繼續(xù)減少時，則發(fā)現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變化，則可發(fā)現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)。(二)界限含水量液限：流動狀態(tài)過渡到可塑狀態(tài)分界含水量塑限：可塑狀態(tài)下的下限含水量縮限：由半固態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)時的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。詳細的試驗操作步驟請查閱滾搓法塑限試驗的內容。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°。試驗時使平衡錐在自重作用下沉入土中，當15s內正好沉入深度10mm時的含水量即為液限wL。目前在液限與塑限的測定中還有根據平衡圓錐沉入深度與液限、塑限的對應關系而采取的液限塑限聯(lián)合測定法，其試驗操作步驟請查閱液限塑限聯(lián)合測定法的內容塑性指數和液性指數(1)塑性指數

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IP：Fp=神!,一Mp，17NI/10為粉質粘土，IP>17為粘土塑性指數習慣上用不帶％的數值表示。塑性指數是粘土的最基本、最重要的物理指標之一，它綜合地反映了粘土的物質組成，廣泛應用于土的分類和評價。(2)液性指數液性指數IL是表示天然含水量與界限含水量相對關系的指標，其表達式為：4=——-%―堆可塑狀態(tài)的土的液性指數在0到i之間，液性指數越大，表示土越軟；液性指數大于1的土處于流動狀態(tài)；小于0的土則處于固體狀態(tài)或半固體狀態(tài)。粘性土的狀態(tài)可根據液性指數IL分為堅硬、硬塑、可塑、軟塑和流塑，見表1-5示。表1-5按塑性指數值確定粘性土狀態(tài)I值ILW00<IlW0.250.25<IlW0.750.75<IlW1.01.0<Il狀態(tài)堅硬硬塑可塑軟塑流塑【例題1-2】已知粘性土的密度p=27.5g/cm3，液限為40%，塑限為22%，飽和度為0.98，孔隙比為1.15，試計算塑性指數、液性指數及確定粘性土的狀態(tài)。27.5【解】根據液限和塑限可以求得塑性指數為18,土的含水量及液性指數可由下式求w=gML=l.l5xl0xQ.9g=41%村-％0.41-0.22、心27.5Ir===1.06LWL-TVP0.40-0.22IL>l，故此粘性土為流塑狀態(tài)。三、粉土的特征塑性指數1舟10,且粒徑大于0.075mm的顆粒含量不超過全重的50%的土稱為粉土，介于粘性土和砂土之間，明顯不同于粘土和砂土。粉土的毛細現象活躍，可呈現假塑性;力學性能指標不同于粘性土；土易被振動液化，且難以壓實，也不宜用石灰加固，沉樁較困難。四、土的工程分類土的工程分類原則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的組合中去，其目的是為了人們有可能根據同類土已知的性質去評價其工程特性，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、粘性土五大類。土的工程分類方法（1）巖石的分類巖石（基巖）是指顆粒間牢固聯(lián)結，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、沉積巖和變質巖。2）根據堅固性即未風化巖石的飽和單軸極限抗壓強度q分為硬質巖石（qN30MPa）和軟質巖石（q<30MPa）。3）根據風化程度分為微風化、中等風化和強風化。4）按軟化系數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