第一章土的物理性质与工程分类-第一章土的物理性质及工程分

1第一章土的物理性质及工程分类第一节土的组成与结构一、土的组成天然状态下的土的组成（一般分为三相）⑴固相：土颗粒--构成土的骨架,决定土的性质--大小、形状、成分、组成、排列⑵液相：水和溶解于水中物质⑶气相：空气及其他气体（1）干土=固体+气体（二相）（2）湿土=固体+液体+气体（三相）（3）饱和土=固体+液体（二相）二、土的固相——矿物颗粒土粒粒径大小及矿物成分不同，对土的物理力学性质有着较大影响。如当土粒粒径由粗变细时，土的性质可从无粘性变化到有粘性。（一）土的粒组划分工程上将物理力学性质较为接近的土粒划分为一个粒组，粒组与粒组之间的分界尺寸称为界限粒径。土颗粒根据粒组范围划分不同的粒组名称：六大粒组：块石（漂石）、碎石（卵石）、角粒（圆粒）、砂粒、粉粒、粘粒界限粒径分别是：200mm、20mm、2mm、0.075mm、0.005mm,见下表。表1-1粒组划分标准（GB50021—94）粒组名称粒组范围/mm粒组名称粒组范围/mm漂石（块石）粒组200砂粒粒组0.075~2卵石（碎石）粒组20~200粉粒粒组0.005~0.075角粒（圆粒）粒组2~20粘粒粒组0.005（二）土的颗粒级配自然界的土通常由大小不同的土粒组成，土中各个粒组重量（或质量）的相对含量百分比称为颗粒级配，土的颗粒级配曲线可通过土的颗粒分析试验测定。1.颗粒大小分析试验方法（1）筛分法：适用60—0.075mm的粗粒土（2）密度计法：适用小于0.075mm的细粒土2.颗粒级配曲线——半对数坐标系3.级配良好与否的判别1)定性判别（1）坡度渐变——大小连续——连续级配（级配曲线）（2）水平段（台阶）——缺乏某些粒径——不连续级配（1）曲线形状平缓——粒径变化范围大——不均匀——良好2（2）曲线形状较陡——变化范围小——均匀——不良2)定量判别：不均匀系数1060ddCu103060ddd分别表示级配曲线上纵坐标为60%30%10%时对应粒径不均匀系数越大，土粒越不均匀，工程上把5uC的看作是均匀的，级配不好；把10uC大于的土看作是不均匀的，级配良好。（三）土的矿物成分和土中的有机质土中矿物成分可分为原生矿物和次生矿物两大类。1.原生矿物——岩石经物理风化作用而成的颗粒（化学成分无变化），成分与母岩相同。原生矿物性质稳定。块石、碎石、角粒矿物成分与原生矿物相同，砂粒是原生矿物的单矿物颗粒，如：石英、长石——砾石、砂的主要矿物成分——性质稳定、强度高云母——薄片状——强度低、压缩性大、易变形粉粒的矿物成分是多样的主要有原生矿物的石英，次生矿物的难溶盐类2.次生矿物——原生矿物经化学风化作用而成的新矿物（化学成分变化）。如三氧化二铝、三氧化二铁、次生二氧化硅及各种粘土矿物。粘粒几乎都是次生矿物的粘土矿物、氧化物、难溶盐及腐植质。粘土矿物——亲水性、粘聚性、可塑性、膨胀性、收缩性。粘土矿物分为：①高岭石（土）：遇水后膨胀性与可塑性较小，颗粒相对较大——亲水性较弱，晶体结构较稳定。②伊利石（土）：性质介于高岭土与蒙脱土之间，接近蒙脱土。③蒙脱石（土）：遇水后膨胀性与可塑性极大，透水性小，多个晶体层——结构不稳定、颗粒最小、亲水性。水溶盐①难溶：CaCO3②中溶：石膏CaSO4.2H2O③易溶：NaClkClCaCl2KNa的SO42-CO32-3.土中的有机质——亲水性强，压缩性大，强度低三、土中水土中水分为结合水和自由水两大类。1.结合水：是吸附在土粒表面的结合水膜。土粒表面带负电荷，吸附电场范围内的水分子及水分子中的阳离子，越靠近土粒表面吸附作用越强，结合水从内向外可分为固定层和扩散层。强结合水：处于固定层中，性质接近于固体，不能传递水压，具有极大的粘滞性、弹3性和抗剪强度；弱结合水：处于扩散层中，性质呈粘滞体状态，在压力作用下可以挤压变形。弱结合水对粘性土的物理力学性质影响极大，而砂土因表面较小，可认为不含弱结合水。2.自由水：土粒结合水膜之外的水。重力水：只受重力作用而自由流动的水，能传递水压力和产生浮力作用，一般存在于地下水位以下的透水土层中。毛细水：土孔隙中受到表面张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层中，由于表面张力作用，毛细水在土粒之间形成环状弯液面，弯液面与土粒接触处的表面张力反作用于土粒，形成毛细压力，使土粒挤紧，土粒间的孔隙是连通的，形成无数不规则的毛细管，在表面张力作用下，地下水沿着毛细管上升，因此工程中要注意地基土的湿润和冻胀，同时应注意建筑物的防潮。四、土中气体粗粒土中气体常与大气相通，土受压时可很快逸出，对土的性质影响不大细粒土中气体常与大气隔绝而成封闭气泡，不宜逸出，因此增大了土的弹性和压缩性，同时降低了土的透水性。淤泥等含有有机质的土中，由于微生物的活动，在土中分解产生了一些可燃气体，如甲烷、硫化氢等，使土层在自重作用下不易压密而形成高压缩性的软土层。五、土的结构1.定义：土粒或土粒集合体的大小、形状、相互排列与连结等综合特征，称为土的结构。2.分类：（1）单粒结构：由较粗大的土粒（如碎石、砂粒等）组成，土粒间分子引力远小于土粒自重，土粒之间几乎没有相互联结作用。土粒排列有疏松及密实两种状态。密实状态时土的强度大，压缩性小，是良好的天然地基；疏松状态时空隙较大，土粒不稳定，不宜直接用作地基。（2）蜂窝结构：由粉粒串联而成，土粒间分子引力大于土粒自重，土粒下沉时停止在接触面而形成串联结构。（3）絮状结构：粘粒集合体串联而成。具有蜂窝结构和絮状结构（合称为海面结构）的土，其土粒间有较大的孔隙，结构不稳定，当天然结构被破坏后，土的压缩性增大而强度降低，故也称为有结构性土。土的结构形成以后，当外界条件变化时，土的结构会发生变化。例如，土层在上覆土层作用下压密固结时，结构会趋于更紧密的排列；卸载时土体的膨胀（如钻探取土时土样的膨胀或基坑开挖时基底的隆起）会松动土的结构；当土层失水干缩或介质变化时，盐类结晶胶结能增强土粒间的联结；在外力作用下（如施工时对土的扰动或剪应力的长期作用）会弱化土的结构，破坏土粒原来的排列方式和土粒间的联结，使絮状结构变为平行的重塑结构，降低土的强度，增大压缩性。因此，在取土试验或施工过程中都必须尽量减少对土的扰动，避免破坏土的原状结构。4第二节土的物理性质指标土的性质：（1）土三相组成中各项性质（2）三相之间量的比例关系工程中常用土的物理性质指标作为评价土体工程性质优劣的基本指标。一、土的三相图土的颗粒，水，气体混杂在一起，为分析问题方便常理想地将三相分别集中。二、土的物理性质指标（1）实测指标（基本指标）：γρWds试验得出（2）换算指标：据实测指标经换算得出ρdγsatγ′enSr（一）实测指标1．天然土的重力密度γ和质量密度ρ①物理意义：单位体积天然土的重力，称为重力密度，简称重度（kN/m3）单位体积天然土的质量，称为质量密度，简称密度（kg/m3或t/m3）②表达式：vvγwvwwv；vmgmgvvw水的重度3/8.9mkNw，土的重度一般在3/20~16mkN2．土粒相对密度ds（1）物理意义：土粒在105℃~110℃温度下烘至恒重时的质量与同体积4℃时纯水的质量之比。5（2）表达式：wsswsswswssvwVmwwmmd（3）测定方法：用比重瓶测定，一般土粒相对密度在2.6～2.8之间。（4）说明：①ds无量纲②ds值大小取决于土粒矿物成分和有机质含量。③有机质含量多时，相对密度明显减小。3土的含水量ω（1）物理意义：土中水的质量与土粒质量之比。（%）（2）表达式：（3）测定方法：烘干法。（现场核子密度仪）（二）换算指标：1．几种不同状态下的土的密度和重度。（1）干密度ρd和干重度γd①物理意义：单位体积土中土粒的质量。②表达式：Vmsd，Vwsd③工程应用：在填方工程中常被作为填土设计和施工质量控制的指标。（2）密度：ρsat饱和重度γsat①物理意义：土在饱和状态时，单位体积土的质量。②表达式：VVmVmmVwswssat/(3)浮重度（有效重度）γ/①物理意义：土在水下，土体受水的浮力作用时，单位体积的有效重量。②表达式：VVWwsssat2．孔隙率与孔隙比（1）土的孔隙率：物理意义：土体中的孔隙体积与总体积之比。表达式：%100VVnV6（2）孔隙比：物理意义：土体中的孔隙体积与土颗粒体积之比。表达式：sVVVe说明：①n:恒〈100%e:可〉1一般I.砂土：e=0.4---0.8II.粘土：0.6---1.5III.有机质②e和n是反映土的密实程度的指标。3．饱和度：Sr物理意义：指土中水的体积与孔隙体积之比，用百分数表示。表达式：%100vwrVVS工程应用：按饱和度Sr大小砂土分为：①Sr50%稍湿②50%Sr80%很湿③Sr80%饱和三.土的物理性质指标间的换算edSsr；1w；1)1(1)1(wswsdde1een；wdsatn；wsat/表1-2土的三相比例指标换算公式名称符号三相比例表达式常用换算公式单位常见的数值比例土粒相对密度ds粘性土2.72~2.76砂土2.70~2.71粉土2.65~2.697含水量w20%~60%密度g/cm31.6~2.0g/cm3干密度dg/cm31.3~1.8g/cm3饱和密度satg/cm31.8~2.3g/cm3有效密度'g/cm30.8~1.3g/cm3重度kN/m316~20kN/m3干重度dkN/m313~18kN/m3饱和重度satkN/m318~23kN/m38有效重度'kN/m38~13kN/m3孔隙比e粘性土和粉土：0.40~1.20砂土：25~45孔隙率n砂土：0.30~0.90饱和度Sr0~100%四、例题：见课本。例题1-1已知土的试验指标为=18kN/m3，=2.7g/cm3和w=12％，求e,Sr和d。【解】设土的体积等于1，则土的重力W=V=18kN。已知土粒的重力Ws与水的重力Ww之和等于土的重力W，即W=Ws+Ww。水的重力Ww与土的重力Ws之比等于含水量w，则Ww＝w×Ws＝0.12Ws，由此求得土粒的重力Ws＝15kN。土粒体积VS可由土粒的密度s和土粒的重力Ws求得，其值为0.559m3，孔隙的体积Vv则为0.45m3，水的体积Vw由水的重度w和水的重力Ww求得，其值为0.18m3。根据三相指标定义可计算孔隙比e，饱和度Sr和干重度d的数值：在实际工程计算中一般是先导出相应的换算公式，然后直接用换算公式计算。思考：1、颗粒级配曲线反映的是什么？级配良好有什么意义？如何判别级配是否良好？2、工程中是否可以以其他指标作为实测指标？3、各物理性质指标在工程中有何作用？*三相指标测定(1)土的密度试验土的密度一般用“环刀法”测定，使用一个圆环（刀刃向下）放在削平的原状土样面上，徐徐削去环刀外围的土，边削边压，使土样压满环刀内，称得环刀内土样质量，求出它与环刀容积之比值即为其密度。详细的试验步骤请查阅土性指标试验中的环刀法密度试验内容。（2）土的含水量试验10土的含水量一般用“烘干法”测定，先称取小块原状土样的湿土质量m，然后置于烘箱内维持100～105℃烘至恒重，再称出干土质量ms，湿土与干土质量之差为土块中水的质量mw，而土的含水量为详细的试验步骤请查阅土性指标试验中的含水量试验内容。(3)土粒相对密度试验土粒密度试验一般是采用比重瓶法测定土粒的相对密度，通过测定干土质量和瓶、水总质量以及瓶、水、试样总质量和悬液温度，由下式计算土粒的相对密度ds详细的试验步骤请查阅土性指标试验中的比重瓶法比重试验内容11第三节土的物理状态指标定义：土的物理状态：天然状态下，土所表现出的干湿、软硬、松密等。一、无粘性土的状态无粘性土的密实状态对工程性质影响很大：密实：强度高、稳定、压缩性小疏松：不稳定、易产生流砂碎石土的密实度根据野外鉴别方法确定，分为密实、中密、稍密三种状态。