土的生成 土力學(xué)與基礎(chǔ)工程

土的生成巖石風(fēng)化，剝蝕weathering,

denudation水、風(fēng)的搬運(yùn)或就地沉積土

土的形成歷史在地質(zhì)年代中較短，多數(shù)在100萬年內(nèi)，屬第四紀(jì)（符號為Q）堆積。

風(fēng)化作用位于地殼表面或接近于地面的巖石經(jīng)受著風(fēng)、電、大氣降水和溫度等大氣營力以及生物活動(dòng)等因素的影響，巖石會發(fā)生破碎或成分變化，這種變化的過程稱為風(fēng)化。

物理風(fēng)化PhysicalWeathering

溫度變化、冰凍等作用使巖石破碎（原生礦物），生成砂、礫等粗顆粒土。

水解、水化、氧化、碳酸化、溶解等作用，使化學(xué)成分發(fā)生變化（次生礦物），生成粘性土。

化學(xué)風(fēng)化ChemicalWeathering

生物風(fēng)化

Biologicalweathering第三章土的性質(zhì)及工程分類土土是由固體顆粒、水和空氣組成的三相體系三相體系決定了土的物理性質(zhì)（輕重、疏密、干濕、軟硬）土的物理性質(zhì)又決定了土的力學(xué)性質(zhì)

土是風(fēng)化的產(chǎn)物，是由固體顆粒、水和空氣組成的三相體系。在外力作用下，土體并不顯示為一般固體的特性，也不表現(xiàn)為一般液體的特性，因此，在研究土的工程性質(zhì)時(shí)，既有別于固體力學(xué)，也有別于液體力學(xué)。3.1土的組成3.1.1土的固體顆粒

土的固體顆粒的大小和形狀，礦物成分及其組成情況，是決定土的物理力學(xué)性質(zhì)的重要因素。土的粒徑組成和礦物成分主要影響粗顆粒土的性質(zhì)主要影響細(xì)顆粒土的性質(zhì)3.1.1.1土粒粒組自然界中存在的土，都是由大小不同的土粒組成的。將土中各種不同粒徑的土粒，按適當(dāng)?shù)牧椒秶譃槿舾山M。1.土的粒徑組成（顆粒級配或粒度成分）（1）粒組劃分

粒徑d/mm

0.005

0.075

2

60200粘粒clay粉粒silt砂粒sand圓礫(角礫)

gravel卵石(碎石)cobble漂石(塊石)boulder<0.002mm為膠粒

巨粒

粗粒

細(xì)粒()之外的顆粒較圓滑，之內(nèi)的具有棱角篩分法（0.075mm以上）和水分法（0.075mm以下）（2）粒徑分析105.02.01.00.50.250.1200g101618242238721009080706050403020100小于某粒徑之土質(zhì)量百分?jǐn)?shù)P（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒徑(mm)P%958778665536土的粒徑級配累積曲線水分法粒徑(mm)0.050.010.005百分?jǐn)?shù)P(%)2613.510(粉土與粘土，d<0.075mm)3.1.1.2土的顆粒級配

土中土粒的大小及其組成情況，通常以土中各個(gè)粒組的相對含量來表示，稱為土的顆粒級配。A(半徑=4r)A、B、C哪個(gè)孔隙面積大？B(半徑=2r)C(半徑=r)斜率:

某粒徑范圍內(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)粒組缺乏曲線平緩，粒徑大小相差懸殊，表示土中各種大小粒徑均有，土粒不均勻，級配良好。

對于級配良好的土，土的密實(shí)度較好，地基土的強(qiáng)度和穩(wěn)定性較好，透水性和壓縮性較小。

級配好壞用不均勻系數(shù)表示d60：限定粒徑d10：有效粒徑

不均勻系數(shù)

uniformitycoefficient

曲率系數(shù)coefficientofcurvatureCu越大，曲線越平緩，粒徑分布越不均勻。一般認(rèn)為Cu＜5，稱為均質(zhì)土，其級配不好；Cu

＞10，稱為級配良好的土。為獲得良好的級配，要求Cc=1～3。1.00.0520.0780.280.58

級配良好的土wellgradedCu>5且Cc=1～3Cu描寫的是累積曲線的分布范圍；Cc反映曲線的整體形狀

土顆粒

無機(jī)礦物

有機(jī)質(zhì)

次生礦物腐殖質(zhì)泥炭粘土礦物倍半氧化物及次生二氧化硅可溶性次生礦物石英、長石、云母等高嶺石、蒙脫石、伊利石(物理風(fēng)化)(化學(xué)風(fēng)化)

原生礦物3.1.1.3土的礦物成分由巖石經(jīng)物理風(fēng)化生成的顆粒通常是由一種或幾種原生礦物所組成，它的成分與母巖的相同，常見的有石英，長石和云母。顆粒一般較粗，多呈渾圓形，塊狀或板狀。吸附水的能力弱，性質(zhì)比較穩(wěn)，無塑性。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。礦物主要是粘土礦物，即高嶺石，伊利石和蒙脫石。顆粒極細(xì)，且多呈片狀。性質(zhì)活潑，有較強(qiáng)的吸附水能力（尤其是由蒙脫石組成的顆粒），具塑性。

原生礦物

次生礦物物理風(fēng)化產(chǎn)物，石英、長石、云母等。顆粒粗，為砂、礫組主要成分。（1）原生礦物parentmineral化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，水穩(wěn)性強(qiáng)，顆粒之間以機(jī)械作用為主。石英quartz（2）次生礦物長石feldspar云母mica化學(xué)風(fēng)化產(chǎn)物，顆粒細(xì)（<0.005mm），帶電，為粘粒組的主要成分。比表面積大，活性大，親水性watersensitive強(qiáng)。（2）次生礦物secondarymineral單位質(zhì)量顆粒的表面積，m2/ga.粘土礦物復(fù)合的鋁－硅酸鹽晶體，片狀。最重要的次生礦物高嶺石：伊利石：蒙脫石：高嶺石（氫鍵聯(lián)結(jié)）粘土礦物的晶格構(gòu)造蒙脫石伊利石粒徑比表面積脹縮性滲透性強(qiáng)度壓縮性大10-20m2/g小大大小中80-100m2/g中中中中小800m2/g大小小大比表面積：單位質(zhì)量土顆粒所擁有的總表面積9克蒙脫土的總表面積大約與一個(gè)足球場一樣大親水性：蒙脫石>伊利石>高嶺石

3.1.2土中的水和氣（一）土中水1.結(jié)合水是被土礦物顆粒表面的分子引力牢固吸附著的一層較薄的水。（1）強(qiáng)結(jié)合水直接靠近土粒表面，這種水及其牢固的結(jié)合在土粒表面上，其性質(zhì)接近于固體。粘土只含強(qiáng)結(jié)合水時(shí)，呈現(xiàn)固體狀態(tài)。土顆粒吸力達(dá)1000個(gè)大氣壓冰點(diǎn)為-78°具有極大的粘滯性具有彈性和抗剪強(qiáng)度沒有溶解能力不能傳遞靜水壓力

（2）弱結(jié)合水

在強(qiáng)結(jié)合水外層吸附力稍低的一層結(jié)合水。特點(diǎn)：不能傳遞靜水壓力，不能自由流動(dòng)。使粘土具有可塑性，抗剪強(qiáng)度減小，粘性土的一系列物理特性與弱結(jié)合水有關(guān)。⒉自由水

在土粒表面電場影響范圍之外，服從重力規(guī)律的土孔隙中的水，稱為自由水。

（1）重力水在土孔隙中只受重力作用而自由流動(dòng)，對土粒有浮力，會使土中的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，使建筑物產(chǎn)生附加沉降。（2）毛細(xì)水土孔隙中受到表面張力作用而存在的自由水。毛細(xì)水按其與地下水面是否聯(lián)系分為：毛細(xì)懸掛水和毛細(xì)上升水其上升高度與土質(zhì)有關(guān)，粘性土可上升5～6m，一般粒徑＞2mm的土顆粒無明顯的毛細(xì)水現(xiàn)象。（二）土中氣土中的氣體存在于未被水占據(jù)的土孔隙中。與大氣相連的氣體對土的力學(xué)性質(zhì)影響不大。在細(xì)粘土中存在與大氣隔絕的氣泡，使土具有彈性，受壓時(shí)氣體體積縮小，卸荷后體積又恢復(fù)，不易壓縮，只有強(qiáng)夯時(shí)才能壓縮。土的結(jié)構(gòu)單粒結(jié)構(gòu)蜂窩結(jié)構(gòu)絮狀結(jié)構(gòu)三、土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造

土的結(jié)構(gòu)：指土中土粒單元的大小、形狀、相互排列與聯(lián)合的綜合特征。(a)單粒結(jié)構(gòu)(2)緊密狀態(tài)(1)疏松狀態(tài)

1、單粒結(jié)構(gòu)

粗大土粒(碎石土和砂土)在水或空氣中下沉而形成的。單粒結(jié)構(gòu)可以是疏松的也可以是緊密的。緊密狀單粒結(jié)構(gòu)的土：土粒排列緊密、聯(lián)結(jié)穩(wěn)定、強(qiáng)度高壓縮性小，是良好的天然地基。疏松狀單粒結(jié)構(gòu)的土：土粒排列疏松，聯(lián)結(jié)不穩(wěn)定，土粒容易發(fā)生相對移動(dòng)，因此，一般未經(jīng)處理不宜作為建筑物的地基。2.

蜂窩狀結(jié)構(gòu)

較細(xì)的土粒如粉粒（0.075mm～0.005mm）組成的結(jié)構(gòu)形式。

3.絮狀結(jié)構(gòu)

細(xì)的土粒如粘粒＜0.005mm集合體組合的結(jié)構(gòu)形狀，粘粒能在水中長期懸浮，不因自重而下沉，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。(b)蜂窩狀結(jié)構(gòu)(c)絮狀結(jié)構(gòu)同一土層中的物質(zhì)成分和顆粒大小都相近的各部分之間的相互關(guān)系的特征稱為土的構(gòu)造。土的構(gòu)造層理構(gòu)造土的構(gòu)造裂隙構(gòu)造

結(jié)核狀構(gòu)造

2.2土的物理性質(zhì)指標(biāo)土顆粒氣體孔隙水(1)土的密度ρ

和重度(容重)

γ

density,unitweight1.三個(gè)基本指標(biāo)由室內(nèi)試驗(yàn)直接測定單位：g/cm3或kg/m3（1.6~2.2g/cm3）多采用環(huán)刀法測定。（取重力加速度g=10m/s2）單位：kN/m3(2)土的含水量(率)wwatercontent(3)土粒相對密度（比重）ds

specificgravityofsoilparticle用烘干法確定。問題：含水量是否可能超過100％？顆粒質(zhì)量與同體積4oC純水質(zhì)量之比。對大多數(shù)土，ds=2.65~2.76土粒密度用比重瓶法測定土粒重度(4)孔隙比e和孔隙率(度)nvoidratio,porosity(5)飽和度Sr

degreeofsaturation稍濕很濕飽和

50

80Sr砂土濕度劃分(6)各種密度（重度）指標(biāo)

干密度

ddrydensity用于評價(jià)填土的密實(shí)程度。

飽和密度

satsaturateddensity（1.8~2.3g/cm3）

浮密度

’submerged(buoyant)density

（0.8~1.3g/cm3）地下水位以下，單位體積土的質(zhì)量扣除同體積水的質(zhì)量。指標(biāo)換算

上述土的三相比例中，三相比重，含水量和相對密度三個(gè)指標(biāo)是通過試驗(yàn)測定的。在測定這三個(gè)指標(biāo)后，可導(dǎo)出其余各個(gè)指標(biāo)。

密度

干密度

令，并令則，，推導(dǎo)：孔隙比

飽和密度

有效密度

孔隙率

飽和度

其余各個(gè)指標(biāo)：【例】某土樣經(jīng)試驗(yàn)測得體積為100cm3，濕土質(zhì)量為187g，烘干后，干土質(zhì)量為167g。若土粒的相對密度ds為2.66，求該土樣的含水量ω、密度ρ、重度

、干重度

d

、孔隙比e、飽和重度

sat和有效重度

【解答】

3.3無粘性土的密實(shí)度

土的密實(shí)度指單位體積土中固體顆粒的含量。根據(jù)土顆粒含量的多少，天然狀態(tài)下的砂、碎石等處于從緊密到松散的不同物理狀態(tài)。無粘性土的密實(shí)度與其工程性質(zhì)有著密切關(guān)系emax與emin

：最大與最小孔隙比1.粗粒土的密實(shí)狀態(tài)密實(shí)度如何衡量?單位體積中固體顆粒含量的多少或孔隙含量的多少優(yōu)點(diǎn)：簡單方便缺點(diǎn)：不能反映級配的影響只能用于同一種土對策相對密度干容重

d或孔隙比e或孔隙率nemin

=0.35emin

=0.20還受級配影響1≥＞0.67

密實(shí)的0.67≥＞0.33

中密的0.33≥＞0

松散的

相對密實(shí)度是無粘性粗粒土密實(shí)度的指標(biāo)，對判斷地基穩(wěn)定性和強(qiáng)度，以及抗震穩(wěn)定性方面具有重要的意義?？紫秂max:最大孔隙比；將松散的風(fēng)干土樣通過長頸漏斗輕輕地倒入容器，避免重力沖擊，求得土的最小干密度再經(jīng)換算得到最大孔隙比emin:最小孔隙比；將松散的風(fēng)干土樣裝入金屬容器內(nèi)，按規(guī)定方法振動(dòng)和錘擊，直至密度不再提高，求得土的最大干密度再經(jīng)換算得到最小孔隙比注意：室內(nèi)測得理論上的最大與最小孔隙比有時(shí)很困難例題

已知天然狀態(tài)時(shí)、、把風(fēng)干砂放入擊實(shí)試驗(yàn)容器內(nèi)（1000），擊實(shí)后質(zhì)量1620，松散時(shí)為1450，求。求孔隙比

解：

首先求擊實(shí)時(shí)最大干密度、松散時(shí)最小密度例題

已知、、把風(fēng)干砂放入擊實(shí)試驗(yàn)容器內(nèi)（1000），擊實(shí)后質(zhì)量1620，松散時(shí)為1450，求。

該砂土天然狀態(tài)時(shí)的相對密度＞0.33是中密的最松散干燥

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)StandardPenetrationTest

標(biāo)準(zhǔn)貫入數(shù)N63.5

錘重：63.5kg

落距：760mm

打入深度：300mmN63.5

10

15

30松散稍密中密密實(shí)由于天然孔隙比e測定困難，因此可以用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)或靜力觸探試驗(yàn)來判別砂土的密實(shí)度。3.4粘性土的物理特征

粘性土的含水量低時(shí)，強(qiáng)度高；含水量高時(shí)，強(qiáng)度低，并且隨著含水量的變化，粘性土?xí)尸F(xiàn)出不同的物理狀態(tài)。

稠度指粘性土含水量不同時(shí)所表現(xiàn)出的物理狀態(tài),它反映了土的軟硬程度或?qū)ν饬σ鸬淖兓蚱茐牡牡挚鼓芰Φ男再|(zhì).隨著含水量的改變，粘性土將經(jīng)歷不同的物理狀態(tài)。當(dāng)含水量很大時(shí)，土是一種粘滯流動(dòng)的液體即泥漿，稱為流動(dòng)狀態(tài)；隨著含水量逐漸減少，粘滯流動(dòng)的特點(diǎn)漸漸消失而顯示出塑性，稱為可塑狀態(tài)；當(dāng)含水量繼續(xù)減少時(shí)，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(shí)測定含水量減少過程中的體積變化，則可發(fā)現(xiàn)土的體積隨著含水量的減少而減小，但當(dāng)含水量很小的時(shí)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)。1.粘性土的稠度和可塑性consistency,plasticity自由水液態(tài)

liquidstate可塑態(tài)

plasticstate固態(tài)或半固態(tài)solidstate,semi-solidstate強(qiáng)結(jié)合水粘粒弱結(jié)合水所謂可塑狀態(tài)，就是當(dāng)粘性土在某含水量范圍內(nèi)，可用外力塑成任何形狀而不發(fā)生裂紋，并當(dāng)外力移去后仍然能保持既得的形狀，土的這種狀態(tài)叫可塑狀態(tài)。顆粒水VsVs+Va固態(tài)solidwLwPws縮限Shrinkagelimit塑限plasticlimit液限liquidlimit半固態(tài)semisolid可塑態(tài)plastic液態(tài)liquidwVO阿太堡界限

Atterberglimit1911收縮膨脹2、粘性土的界限含水量——塑限和液限

界限含水量：粘性土由一種狀態(tài)轉(zhuǎn)到另一種狀態(tài)時(shí)的分界含水量。液限wL

流動(dòng)狀態(tài)與可塑狀態(tài)間的分界塑限wp

可塑狀態(tài)與半固體狀態(tài)間分界縮限ws

半固體狀態(tài)與固體狀態(tài)間的分界粘性土的稠度

液限和塑限的測定方法液限錐式（瓦氏）液限儀或碟式（卡式）液限儀塑限搓條法或液塑限聯(lián)合測定儀

其工作過程是：將粘性土調(diào)成均勻的濃糊狀，裝滿盛土杯，刮平杯口表面，將76克重圓錐體輕放在試樣表面的中心，使其在自重作用下徐徐沉入試樣，若圓錐體經(jīng)5秒種恰好沉入10mm深度，這時(shí)杯內(nèi)土樣的含水量就是液限Wl值。為了避免放錐時(shí)的人為晃動(dòng)影響，可采用電磁放錐的方法。錐式液限儀

搓條法:即用雙手將天然濕度的土樣搓成小圓球（球徑小于10mm），放在毛玻璃板上再用手掌慢慢搓滾成小土條，用力均勻，搓到土條直徑為3mm，出現(xiàn)裂紋，自然斷開，這時(shí)土條的含水量就是塑限Wp值。搓好的泥條

塑性指數(shù)liquidindex3.粘性土的塑性指數(shù)和液性指數(shù)（1）定義：是指液限和塑限的差值（省去%號），即土處在可塑狀態(tài)的含水量變化范圍。（2）物理意義：塑性指數(shù)愈大，土處于可塑狀態(tài)的含水量范圍也愈大。塑性指數(shù)可以反映粘性土中結(jié)合水的可能含量，土中結(jié)合水的含量與土的顆粒組成、礦物組成等因素有關(guān)。（3）工程應(yīng)用：由于塑性指數(shù)在一定程度上綜合反映了影響粘性土特征的各種重要因素，因此，在工程上常按塑性指數(shù)對粘性土進(jìn)行分類。

液性指數(shù)plasticindex固態(tài)或半固態(tài)可塑態(tài)液態(tài)巖土工程勘察規(guī)范

0

0.25

0.75

1.0堅(jiān)硬硬塑可塑軟塑流塑IL

塑限及液限均由重塑土獲得，以此判斷原狀土的狀態(tài)常偏于保守。

物理狀態(tài)指標(biāo)與原狀土的狀態(tài)4.影響粘性土可塑性的因素

粒徑組成的影響

粘粒（粒徑<0.005mm）含量的增加及粒徑的減小，使塑限及液限提高，但對液限的影響更為明顯，故可塑性隨粘粒含量的增加及粒徑的減小而提高。

礦物成分和交換離子成分的影響可塑性隨礦物成分親水性的加大而提高：蒙脫石>伊利石>高嶺石。三、粘性土的靈敏度和觸變形

由地層中取出的土樣，如能保持原有的結(jié)構(gòu)含水量不變，則稱為“原狀土樣”。如土樣的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造已受到人為的破壞或水分發(fā)生變化，則稱為“擾動(dòng)土”或“非原狀土”。粘性土的性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)是否被擾動(dòng)有密切的關(guān)系。擾動(dòng)的土比具有相同密度和含水量的原狀土，其力學(xué)性質(zhì)往往變壞。土的性質(zhì)受結(jié)構(gòu)擾動(dòng)的影響而改變的特性，稱為土的結(jié)構(gòu)性。粘性土是具有結(jié)構(gòu)性的土，而砂子和碎石土一般不具有結(jié)構(gòu)性。粘性土結(jié)構(gòu)性的強(qiáng)弱用靈敏度來表示—原狀土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，即單軸抗壓強(qiáng)度，—重塑試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，按靈敏度大小，粘性土可分低靈敏1～2

中靈敏2～4

高靈敏＞4應(yīng)變控制式無側(cè)限壓縮儀結(jié)構(gòu)未破壞結(jié)構(gòu)破壞結(jié)構(gòu)強(qiáng)度恢復(fù)飽和粘性土的結(jié)構(gòu)受擾動(dòng)，強(qiáng)度降低，擾動(dòng)停止后，土強(qiáng)度又隨時(shí)間而增長，這種特征稱為土的觸變性。

3.5地基土的工程分類

粗粒土和細(xì)粒土

粗粒土：粒徑較大，顆粒之間聯(lián)結(jié)微弱，僅有重力或毛細(xì)壓力作用，亦稱無粘性土。

細(xì)粒土：粒徑很小，顆粒之間由分子引力和靜電力，使土具有粘聚力，顆粒之間的結(jié)合水膜使其具有可塑性，其中的粘土礦物使其具有脹縮性。亦稱粘性土。

粗粒土和細(xì)粒土的工程劃分

粗粒土的工程性質(zhì)（強(qiáng)度、壓縮性、滲透性）主要取決于其顆粒級配，細(xì)粒土的則主要取決于顆粒的礦物成分。

工程上，粒徑大于0.075mm顆粒質(zhì)量占全部土粒質(zhì)量50％的稱為粗粒土，小于50％稱為細(xì)粒土。土（巖石）巖石碎石土粉土特殊土砂土按堅(jiān)硬程度和完整程度劃分按級配、圓度劃分粘性土按塑性指數(shù)Ip(IP≥17稱為粘土)

土（巖石）的工程分類（《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》）按級配和塑性指數(shù)Ip按塑性圖軟土紅粘土黃土膨脹土多年凍土鹽漬土性質(zhì)特殊且對工程不利的土。分類方法：