第四章 土的工程性质与分类

第4章土的工程性质与分类概述土的组成土的结构、构造土的工程分类土的成因类型一、概述土的定义：是连续、坚固的岩石在风化作用下形成的大小悬殊的颗粒，在原地残留或经过不同的搬运方式，在各种自然环境中形成的堆积物。土的物质组成：包括作为上骨架的固体矿物颗粒、孔隙中的水及其溶解物质以及气体。因此，土是由颗料（固相）、水溶液（液相）和气（气相）所组成的三相体系。二、土的组成(一).固体颗粒在土的三相组成物质中，固体颗粒（以下简称土粒）是土的最主要的物质成分。土的工程性质主要取决于组成土的土粒的大小和矿物类型，即土的粒度成分和矿物成分。1.基本概念粒径（度）：颗粒大小以直径（单位为mm）计，称为粒径（或粒度）。粒组：界于一定粒径范围的土粒，称为粒组.粒度成分（或称颗粒级配）：土中不同粒组颗粒的相对含量，称为土的粒度成分（或称颗粒级配），它以各粒组颗粒的重量占该土颗粒的总重量的百分数来表示。2.土的粒组划分标准：划分方法不完全一致，一般采用的粒组划分及各粒组土粒的性质特征见表2-1。表中根据界限粒径200、20、2、0.075和0.005mm把土粒分为六大粒组：漂石（块石）颗粒:d＞200mm;卵石（碎石）颗粒:200mm＞d＞200mm;圆砾（角砾）颗粒:20mm＞d＞2mm;砂粒:2mm＞d＞0.075mm;粉粒:0.075mm＞d＞0.005mm;粘粒:d＜0.005mm。3.各粒组特征的规律：★颗粒愈细小，与水的作用愈强烈。所以，毛细作用由无到毛细上升高度逐渐增大；★透水性由大到小，甚至不透水；★逐渐由无粘性、无塑性到具有愈大的粘性和塑性以及吸水膨胀性等一系列特殊性质（结合水发育的结果）；★在力学性质上，强度逐渐变小，受外力时，愈易变形。4.粒度成分对土工程性质影响的实质（1）组成土的颗粒大小不同，土的比表面不同，则土粒与水（或气）作用的表面能大小不同。因此，不同大小颗粒与水（或气）相互作用的程度，以至含水的种类、性质和数量不同。土的比表面一般用单位体积所有土粒的总表面积表示。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。（2）天然土中不同大小颗粒的组成矿物类型不同，直接影响土的工程特性。5.粒度分析及其成果表示☆土的粒度成分的测定方法：是通过土的粒度分析（亦称颗粒分析）试验测定的。对于粒径大于0.075mm的粗粒土，可用筛分法测定。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。☆颗粒分析试验成果表示：可以绘制如图所示的颗粒级配累积曲线。6.表征土粒特征的概念有效粒径d10：小于某粒径的土粒重量累计百分数为10％时，相应的粒径称为有效粒径d10。限定粒径d６0：当小于某粒径的土粒重量累计百分数为60％时，该粒径称为限定粒径d６0。不均匀系数Cu：d６0与d10之比值反映颗粒级配的不均匀程度称为不均匀系数Cu：Cu=d６0/d10工程上把Cu＜5的上看作是均匀的；Cu＞10的土则是不均匀的，即级配良好的。曲率系数（Cc）：用于来说明累积曲线的弯曲情况，从而分析评述土粒度成分的组合特征：Cc=d302/d10·d６0式中d10，d60的意义同上，d30为相应累积含量为30％的粒径值。Cc值在1～3之间的土级配较好。Cc值小于1或大于3的土，累积曲线都明显弯曲（凹面朝下或朝上）而呈阶梯状，粒度成分不连续，主要由大颗粒和小颗粒组成，缺少中间颗粒。7.土的矿物成分根据组成土的固体颗粒的矿物成分的性质及其对土的工程性质影响不同，分为以下四大类别：（1）原生矿物；（2）不溶于水的次生矿物（以粘土矿物和硅、铝氧化物为主）；（3）可溶盐类及易分解的矿物；（4）有机质。(二)土中水在自然条件下，土中总是含水的。在一般粘性土，特别是饱和软粘性土，土中水的体积常占据整个土体相当大的比例（一般为50％～60％，甚至高达80%）。研究土中水，必须明确有关土中水的如下概念：（1）水分子H2O是强极性分子.（2）土中水是水溶液。（3）土中水溶液与土颗粒表面及气体有着复杂的相互作用。土中水的分类：按土中水所呈现的性质差异及其对土的影响性质与程度，可将土中水分为结合水和非结合水两大类：结合水（土粒表面结合水）:强结合水（吸着水）弱结合水（薄膜水）非结合水:液态水:毛细水（实为半结合水）重力水（自由水）气态水（水蒸气）固态水（冰）(三)土中气体土中的气体，主要为空气和水气。但有时也可能含有较多的二氧化碳、沼气及硫化氢，这些气体大多因生物化学作用生成。气体的存在形式：一种是封闭气体，另一种是游离气体。三、土的结构、构造土的工程性质及其变化，除取决于其物质成分外，在较大程度上还与诸如土的粒间连结性质和强度；层理特点；裂隙发育程度和方向以及土质的其他均匀性特征等土体的天然结构和构造因素有关。（一）土的结构1.土的结构：是指土颗粒本身的特点和颗粒间相互关系的综合特征，具体来说是指：（1）土颗粒本身的特点：土颗粒大小、形状和磨圆度及表面性质（粗糙度）等。（2）土颗粒之间的相互关系特点：粒间排列及其连结性质。2.土的结构类型：两大基本类型：单粒（散粒）结构和集合体（团聚）结构。单粒结构（散粒结构），单粒结构为砂性土所特有，对土的工程性质影响主要在于其松密程度。集合体结构，也称团聚结构或絮凝结构。这类结构为粘性土所特有。单粒结构特点：1）具有单粒结构的碎石土和砂土，虽然孔隙比较小，而孔隙大，透水性强，土粒间一般没有内聚力，但土粒相互依靠支承，内摩擦力大，并且受压力时土体积变化较小。2）再者，由于这类土的透水性强，孔隙水很容易排出，在荷载作用下压密过程很快。因此，即使原来比较疏松，当建筑物结构封顶，地基沉降也告完成。3）对于具有单粒结构的土体，一般情况（静荷载作用）下可以不必担心它的强度和变形问题。集合体结构特点：1）孔隙度很大（可达50％～98％），而各单独孔隙的直径很小，特别是聚粒絮凝结构的孔隙更小，但孔隙度更大，因此，土的压缩性更大.2）含水量很大，往往超过50％，而且因以结合水为主，排水困难，故压缩过程缓慢.3）具有大的易变性—不稳定性。（二）土的构造1.土的构造定义与研究意义土的构造：指整个土层（土体）构成土的不均匀性特征的总和。整个土体构成土的不均匀性包括：层理、夹层、透镜体、结核、组成颗粒大小悬殊及裂隙发育程度与特征等。这种构成土的不均匀性是由于土的矿物成分及结构变化所造成的。研究意义：（1）.土体构造特征反映土体在力学性质和其他工程性质的各向异性或土体各部位的不均匀性，因此，要掌握其变化规律。如，由砂土和粘性土组成的层状或互层构造土体的物理力学性质皆显示其各向异性特点。又如，黄土由于其垂直节理（裂隙）发育，强烈地降低其抗水稳定性和力学稳定性，特别在边坡地段，沿裂隙极易产生坍方和滑坡现象。（2）土体的构造特征是决定勘探、取样或原位测试布置方案和数量的重要因素之一。2.土的构造特点：（1）对于碎石土，粗石状构造和假斑状构造是最普遍的；（2）对于砂土和砂质粉土，各种不同形式的夹层、透镜体或交错层构造，较为普遍。（3）在粘性土中，常见有层状、显微层状构造及各种裂隙、节理构造。四、土的工程分类1.土的工程分类的目的：（1）根据土类，可以大致判断土的基本工程特性，并可结合其他因素评价地基土的承载力、抗渗流与抗冲刷稳定性，在振动作用下的可液化性以及作为建筑材料的适宜性等；（2）根据土类，可以合理确定不同土的研究内容与方法；（3）当土的性质不能满足工程要求时，也需根据土类（结合工程特点）确定相应的改良与处理方法。2.土的工程分类应遵循的原则：（1）工程特性差异性的原则。即分类应综合考虑土的各种主要工程特性（强度与变形特性等），用影响土的工程特性的主要因素作为分类的依据。（2）以成因、地质年代为基础的原则。土的工程性质受土的成因（包括形成环境）与形成年代控制。（3）分类指标便于测定的原则，即采用的分类指标，要既能综合反映土的基本工程特性，又要测定方法简便。3.我国土的工程分类（1）土按堆积年代可划分老堆积土：第四纪晚更新世Q3及其以前堆积的土层，一般呈超固结状态，具有较高的结构强度；一般堆积土：第四纪全新世（文化期以前Q4）堆积的土层；新近堆积土：文化期以来新近堆积的土层Q4，一般呈欠压密状态，结构强度较低。（2）土根据地质成因分可分为残积土、坡积土、洪积土、冲积土、湖积土、海积土、风积土和冰川沉积土，各成因类型沉积土的特征见书中有关章节。（3）土根据有机质含量分可分为无机土、有机质土、泥炭质土和泥炭。（4）．土按颗粒级配和塑性指数分1）碎石土：粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50％的土。2）砂土：粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50％，且粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50％的土。根据颗粒级配分为砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂。3）粉土：粒径大于0.075mm的颗粒不超过全重50％，且塑性指数小于或等于10的土。根据颗粒级配（粘粒含量）分为砂质粉土和粘质粉土。4）粘性土：塑性指数大于10的土。根据塑性指数分为粉质粘土和粘土。（5）．特殊类土：具有一定分布区域或工程意义上具有特殊成分、状态和结构特征的土称为特殊性土，规范分为湿陷性土、红粘土、软土（包括淤泥和淤泥质土）、混合土、填土、多年冻土、膨胀土、盐渍土、污染土。