第2章 土的物理性质及工程分类 (土力学与地基基础教案)

第2章土的物理性质及工程分类一、知识点：2.1概述2.2土的组成2.2.1土的固体颗粒2.2.2土中的水和气2.2.3土的结构和构造2.3土的三相比例指标2.3.1指标的定义2.3.2指标的换算2.4无粘性土的密实度2.5粘性土的水理性质2.5.1粘性土的界限含水量2.5.2粘性土的塑性指数和液性指数2.5.3粘性土的灵敏度和触变性2.6土的压实原理2.7地基土(岩)的分类2.7.1岩石的工程分类2.7.2无粘性土分类2.7.3粉土分类2.7.4粘性土分类2.7.5特殊土分类2.7.6细粒土按塑性图分类二、考试内容：重点掌握内容1．土的各物理性质指标的定义、表达式及其在工程上的实际应用。2．三个基本指标的测定方法。3．利用土的三相草图和换算公式进行土的各种物理指标的换算。4．无粘性土的密实度对其工程性质的影响。砂土密实度按孔隙比、相对密实度、标准贯入锤击数N的划分方法。各类划分方法的特点。碎石类土密实度的划分方法。5．粘性土的含水量对其工程性质的影响。界限含水量的概念，塑限、液限、缩限的定义及测量方法。塑性指数、液性指数的物理意义及表示方法。一般掌握内容1．土的三相组成、形态和构造特征。2．地基土的分类依据和命名方法。三、本章内容：§2-1概述土是连续、坚固的岩石在风化作用下形成的大小悬殊的颗粒、经过不同的搬运方式，在各种自然环境中生成的沉积物。在漫长的地质年代中，由于各种内力和外力地质作用形成了许多类型的岩石和土。岩石经历风化、剥蚀、搬运、沉积生成土，而土历经压密固结，胶结硬化也可再生成岩石。作为建筑物地基的土，是土力学研究的主要对象。土的物质成分包括有作为土骨架的固态矿物颗粒，孔隙中的水及其溶解物质以及气体。因此，土是由颗粒(固相)、水(液相)和气(气相)所组成的三相体系。各种土的颗粒大小和矿物成分差别很大，土的三相间的数量比例也不尽相同，而且土粒与其周围的水又发生了复杂的物理化学作用。所以，要研究土的性质就必须了解土的三相组成以及在天然状态下土的结构和构造等特征。土的三相组成、物质的性质、相对含量以及土的结构构造等各种因素，必然在土的轻重、松密、干湿、软硬等一系列物理性质和状态上有不同的反映。土的物理性质又在一定程度上决定了它的力学性质，所以物理性质是土的最基本的工程特性。在处理地基基础问题和进行土力学计算时，不但要知道土的物理性质特征及其变化规律，从而了解各类土的特性，而且还必须掌握表示土的物理性质的各种指标的测定方法和指标间的相互换算关系，并熟悉按土的有关特征和指标来制订地基土的分类方法。土的性质主要是指土的物理力学性质，包括物理性质和力学性质。土的物理性质包括土的三相比例指标、无粘性土的密实度、粘性土的水理性质、土的渗透性（第1章）四部分内容。土的力学性质包括土的压缩性（第3章）、土的抗剪性（第4章）、土的击实性三部分内容。本章主要介绍土的组成、土的三相比例指标、无粘性土的密实度、粘性土的水理性质、土的压实原理以及地基土(岩)的分类。§2-2土的组成2.2.1土的固体颗粒土的固体颗粒是由大小不等、形状不同的矿物颗粒或岩石碎屑按照各种不同的排列方式组合在一起，构成土的骨架。这些固体相的物质称为土粒，是土中最稳定、变化最小的成分。土中的固体颗粒的大小和形状，矿物成分及其组成情况是决定土的物理力学性质的重要因素。土中不同大小颗粒的组合，也就是各种不同粒径的颗粒在土中的相对含量，称土的颗粒组成；组成土中各种土粒的矿物种类及其相对含量称土的矿物组成。土的颗粒组成与矿物组成是决定土的物理力学性质的物质基础。粗大土粒往往是岩石经物理风化作用形成的碎屑，或是岩石中未产生化学变化的矿物颗粒，如石英和长石等，而细小土粒主要是化学风化作用形成的次生矿物和生成过程中混入的有机物质。粗大土粒其形状都呈块状或粒状，而细小土粒其形状主要呈片状。土粒的组合情况就是大大小小土粒含量的相对数量关系。2.2.1.1土的颗粒级配在自然界中存在的土，都是由大小不同的土粒组成的。自然界中的土粒，大小悬殊、性质各异，直径变化幅度（从数米的漂石到万分之几毫米的胶粒）很大，土粒的粒径由粗到细逐渐变化时，土的性质相应地发生变化，例如土的性质随着粒径的变细可由无粘性变化到有粘性。为了研究土中各种大小土粒的相对含量及其与土的工程地质性质的关系，就有必要将工程地质性质相似的土粒归并成组，按其粒径的大小分为若干组别，这种组别称粒组。各个粒组随着分界尺寸的不同而呈现出一定质的变化。划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。目前土的粒组划分方法并不完全一致，第10页表1－1提供的是一种常用的土粒粒组的划分方法，表中根据界限粒径200、20、2、0.05和0.005mm把土粒分为六大粒组：漂石(块石)颗粒、卵石(碎石)颗粒、圆砾(角砾)颗粒、砂粒，粉粒及粘粒。工程上常以土中各个粒组的相对含量（即各粒组占土粒总重的百分数）表示土中颗粒的组成情况，这种相对含量称为土的颗粒级配。土的颗粒级配是通过土的颗粒大小分析试验测定的。对于粒径大于0.075mm的粗粒组可用筛分法测定。试验时将风干、分散的代表性土样通过一套孔径不同的标准筛(例如20、2、0.5、0.25、0.1、0.075mm)（见第10页图1－4），称出留在各个筛子上的土重，即可求得各个粒组的相对含量。粒径小于0.075mm的粉粒和粘粒难以筛分，一般可以根据土粒在水中匀速下沉时的速度与粒径的理论关系，用比重计法或移液管法(见土工试验有关书籍)测得颗粒级配。实际上，土粒并不是球体颗粒，因此用理论公式求得的粒径并不是实际的土粒尺寸，而是与实际土粒在液体中有相同沉降速度的理想球体的直径(称为水力直径)。根据颗粒大小分析试验成果，可以绘制如第11页图1-5所示的颗粒级配累积曲线。其横坐标表示粒径（因为土粒粒径相差常在百倍，千倍以上，所以宜采用对数坐标表示）。纵坐标则表示小于(或大于)某粒径的土重含量(或称累计百分含量)。由曲线的坡度可以大致判断土的均匀程度。如曲线较陡，则表示粒径大小相差不多，土粒较均匀，反之，曲线平缓，则表示粒径大小相差悬殊，土粒不均匀，即级配良好。小于某粒径的土粒质量累计百分数为10％时，相应的粒径称为有效粒径10d。小于某粒径的土粒质量累计百分数为30％时的粒径用03d表示。当小于某粒径的土粒质量累计百分数为60％时，该粒径称为限定粒径用60d表示。利用颗粒级配累积曲线可以确定土粒的级配指标，如60d与10d的比值uK称为不均匀系数，书上用Cu：1060/ddKu(2-1)又如曲率系数cK用下式表示：6010230/dddKc(2-2)不均匀系数uK反映大小不同粒组的分布情况。uK越大表示土粒大小的分布范围越大，其级配越良好，作为填方工程的土料时，则比较容易获得较大的密实度。曲率系数cK描写的是累积曲线的分布范围，反映曲线的整体形状。在一般情况下，工程上把uK5的土看作是均粒土，属级配不良，uK10的土，属级配良好。实际上，单独只用一个指标uK来确定土的级配情况是不够的，要同时考虑累积曲线的整体形状，所以需参考曲率系数cK值。一般认为：砾类土或砂类土同时满足uK≥5和cK=1～3两个条件时，则定名为良好级配砾或良好级配砂。颗粒级配可以在一定程度上反映土的某些性质。对于级配良好的土，较粗颗粒间的孔隙被较细的颗粒所填充，因而土的密实度较好，相应的地基土的强度和稳定性也较好，透水性和压缩性也较小，可用作堤坝或其他土建工程的填方土料。2.2.1.2土粒的矿物成分土粒的矿物成分主要决定于母岩的成分及其所经受的风化作用。不同的矿物成分对土的性质有着不同的影响，其中以细粒组的矿物成分尤为重要。漂石、卵石、圆砾等粗大土粒都是岩石的碎屑，它们的矿物成分与母岩相同。砂粒大部分是母岩中的单矿物颗粒，如石英、长石和云母等。其中石英的抗化学风化能力强，在砂粒中尤为多见。粉粒的矿物成分是多样性的，主要是石英和MgCO3、CaCO3等难溶盐的颗粒。粘粒的矿物成分主要有粘土矿物，氧化物、氢氧化物和各种难溶盐类(如碳酸钙等)，它们都是次生矿物。粘土矿物的颗粒很微小，在电子显微镜下观察到的形状为鳞片状或片状，经X射线分析证明其内部具有层状晶体构造。粘土矿物基本上是由两种原子层(称为晶片)构成的。一种是硅氧晶片，它的基本单元是Si—O四面体，另一种是铝氢氧晶片，它的基本单元是A1—OH八面体。由于晶片结合情况的不同，便形成了具有不同性质的各种粘土矿物。其中主要有蒙脱石，伊里石和高岭石三类。蒙脱石是化学风化的初期产物，其结构单元(晶胞)是两层硅氧晶片之间夹一层铝氢氧晶片所组成的。由于晶胞的两个面都是氧原子，其间没有氢键，因此联结很弱，水分子可以进入晶胞之间，从而改变晶胞之间的距离，甚至达到完全分散到单晶胞为止。因此当土中蒙脱石含量较大时，则具有较大的吸水膨胀和脱水收缩的特性。伊里石的结构单元类似于蒙脱石，所不同的是Si—O四面体中的Si4可以被A13、Fe3所取代，因而在相邻晶胞间将出现若干一价正离子(K)以补偿晶胞中正电荷的不足。所以伊里石的结晶构造没有蒙脱石那样活动，其亲水性不如蒙脱石。高岭石的结构单元是由一层铝氢氧晶片和一层硅氧晶片组成的晶胞。高岭石的矿物就是由若干重叠的晶胞构成的。这种晶胞一面露出氢氧基，另一面则露出氧原子。晶胞之间的联结是氧原子与氢氧基之间的氢键，它具有较强的联结力，因此晶胞之间的距离不易改变，水分子不能进入，因此它的亲水性比伊里石还小。由于粘土矿物是很细小的扁平颗粒，颗粒表面具有很强的与水相互作用的能力，表面积愈大，这种能力就愈强。粘土矿物表面积的相对大小可以用单位体积(或质量)的颗粒总表面积(称为比表面)来表示。例如一个棱边为lcm的立方体颗粒，其体积为lcm³，总表面积只有6cm²，比表面为6cm²／cm³=6cm1若将lcm³立方体颗粒分割为棱边0.001mm的许多立方体颗粒，则其总表面积可达6×104cm²，比表面可达6×104cm1。由此可见，由于土粒大小不同而造成比表面数值上的巨大变化，必然导致土的性质的突变，所以，土粒大小对土的性质所起的重要作用是可以想象的。除粘土矿物外，粘粒组中还包括有氢氧化物和腐殖质等胶态物质。如含水氧化铁，它在土层中分布很广，是地壳表层的含铁矿物质分解的最后产物，使土呈现红色或褐色。土中胶态腐殖质的颗粒更小，能吸附大量水分子(亲水性强)。由于土中胶态腐殖质的存在，使土具有高塑性、膨胀性和粘性，这对工程建设是不利的。2.2.2土中的水和气2.22.1土中水土中水是土的液体相组成部分。在自然条件下，土中总是含水的。土中水可以处于液态、固态或气态三种形态。土中细粒愈多，即土的分散度愈大，水对土的性质的影响也愈大。研究土中水，必须考虑到水的存在状态及其与土粒的相互作用。存在于土粒矿物的晶体格架内部或是参与矿物构造中的水称为矿物内部结合水，它只有在比较高的温度(80—680℃，随土粒的矿物成分不同而异)下才能化为气态水而与土粒分离。从土的工程性质上分析，可以把矿物内部结合水当作矿物颗粒的一部分。水对无粘性土的工程地质性质影响较小，但粘性土中水是控制其工程地质性质的重要因素，如粘性土的可塑性、压缩性及其抗剪性等，都直接或间接地与其含水量有关。存在于土中的液态水可分为结合水和自由水两大类：1.结合水实验表明，极细的土粒表面一般带有负电荷，围绕土粒形成电场，由于水分子是极性分子，即一端为正电荷，另一端显负电荷，在土粒电场范围内的水分子和阳离子一起吸附在土粒表面而定向排列形成一层薄的水膜，这层水就称为结合水。结合水是指受电分子吸引力吸附于土粒表面的土中水。这种电分子吸引力高达几千到几万个大气压，使水分子和土粒表面牢固地粘结在一起。由于土粒(矿物颗粒)表面一般带有负电荷，围绕土粒形成电场，在土粒电场范围内的水分子和水溶液中的阳离子(如Na、Ca2、Al3等)一起吸附在土粒表面。因为水分子是极性分子(氢原子端显正电荷，氧原子端显负电荷)，它被土粒表面电荷或水溶液中离子电荷的吸引而定向排列(第12页图1-6)。土粒周围水溶液中的阳离子，一方面受到土粒所形成电场的静电引力作用，另