清华大学张丙印 第一章 土的物理性质及工程分类

清华大学土木水利学院岩土工程研究所张丙印《土力学1》之第一章土的物理性质与工程分类本章提要本章特点学习要点第一章：土的物理性质与工程分类•对土的特点进行详细解释•对土的组成和状态进行定量描述•内容琐碎、零散•理清各节间联系•理清各节内层次•注意物理概念的把握仁者乐山智者乐水渗透特性变形特性强度特性土的三相组成土的物理状态土的结构土的形成过程土的工程分类：便于研究和应用土的压实性：如何获得较好的土决定仁者乐山智者乐水提醒：请同学们上教育在线2003年版进行土力学实验预习IP地址：166.111.92.9用户名和密码已通知1-1，1-2，1-3，1-5，1-61-4（假定两种土的活性指数相同）1-8，1-9，1-10，1-12仁者乐山智者乐水第一章：土的物理性质与工程分类§1.1土的形成§1.2土的三相组成§1.3土的物理状态§1.4土的结构§1.5土的工程分类§1.6土的压实性仁者乐山智者乐水土的形成土岩石风化、搬运、沉积地质成岩作用土的组成、结构和物理力学性质过程、条件§1.2土的形成仁者乐山智者乐水土的形成与风化作用物理风化化学风化生物活动•岩石和土的粗颗粒受各种气候等物理因素的影响产生胀缩而发生裂缝,或在运动过程中因碰撞和摩擦而破碎•是颗粒大小发生量的变化•矿物成分与母岩相同，称原生矿物•产生无粘性土§1.2土的形成仁者乐山智者乐水•母岩表面和碎散的颗粒受环境因素的作用而改变其矿物的化学成分，形成新的矿物•颗粒成分发生质的变化•矿物成分与母岩不同，称次生矿物•形成十分细微的土颗粒，最主要为粘性颗粒及可溶盐类土的形成与风化作用物理风化化学风化生物活动§1.2土的形成仁者乐山智者乐水•包括植物、动物和土壤微生物的作用•可加剧物理和化学风化•构成土中有机质和营养物质的生物循环•导致腐殖质的形成，改变土壤的结构土的形成与风化作用物理风化化学风化生物活动§1.2土的形成仁者乐山智者乐水残积土无搬运运积土有搬运搬运与沉积母岩表层经风化作用破碎成岩屑或细小颗粒后，未经搬运残留在原地的堆积物残积土强风化弱风化微风化母岩体•颗粒表面粗糙•多棱角•粗细不均•无明显层理§1.2土的形成仁者乐山智者乐水§1.2土的形成搬运与沉积残积土无搬运运积土有搬运风化所形成的土颗粒，受自然力的作用搬运到远近不同的地点所沉积的堆积物•坡积土：土粒粗细不同，性质不均•洪积土：有分选性，近粗远细•冲积土：浑圆度分选性明显，土层交迭•湖泊沼泽沉积土：含有机物淤泥，土性差•海相沉积物：颗粒细，表层松软，土性差•冰积土：土粒粗细变化较大，性质不均匀•风积土：颗粒均匀，层厚而不具层理仁者乐山智者乐水第一章：土的物理性质与工程分类§1.1土的形成§1.2土的三相组成§1.3土的物理状态§1.4土的结构§1.5土的工程分类§1.6土的压实性•风化作用•搬运与沉积仁者乐山智者乐水土中气体气相次要作用固体颗粒固相构成土体骨架起决定作用土中水液相重要影响土体的三相构成饱和土：土体孔隙完全被水充满干土：土体孔隙完全被气充满非饱和土：孔隙中水和气均存在§1.2土的三相组成仁者乐山智者乐水固体颗粒-颗粒大小•粒组按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类•界限粒径d(mm)砾石砂粒粉粒粘粒胶粒6020.0750.0050.0020.250.5520粗中细粗中细0.075粗粒细粒粗粒土：以砾石和砂砾为主要组成的土，也称无粘性土。细粒土：以粉粒、粘粒和胶粒为主要组成的土，也称粘性土。巨粒60§1.2土的三相组成–固体颗粒仁者乐山智者乐水固体颗粒-粒径级配粒径级配：各粒组的相对含量，用质量百分数来表示分析方法：•筛分法：适用于粗粒土孔径大小不同的筛子•水分法：适用于细粒土常采用比重计法表述方法:粒径级配累积曲线§1.2土的三相组成–固体颗粒仁者乐山智者乐水§1.2土的三相组成–固体颗粒固体颗粒-粒径级配孔径105.02.01.00.50.250.1(0.075)200g土筛余0101618242238721009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数P（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)P100958778665536土的粒径级配累积曲线水分法粒径(mm)0.050.010.005百分数P(%)2613.510筛分法仁者乐山智者乐水1009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)土的粒径级配累积曲线固体颗粒–级配曲线d60d50d10d30特征粒径:斜率:某粒径范围内颗粒的含量陡-相应粒组含量多缓-相应粒组含量少平台-相应粒组缺乏d50:平均粒径d60:控制粒径d10:有效粒径d30§1.2土的三相组成–固体颗粒仁者乐山智者乐水§1.2土的三相组成–固体颗粒土的粗细度：用d50表示土的不均匀程度：用不均匀系数：Cu=d60/d10表示，Cu5，称为不均匀土，反之称为均匀土连续程度:用曲率系数Cc=d302/(d60×d10)度量,Cc=1~3为连续级配,3或1为不连续级配固体颗粒–级配曲线1009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)土的粒径级配累积曲线d60d50d10d30仁者乐山智者乐水1009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)土的粒径级配累积曲线d60d10d30曲线d60d10d30CuCcL0.330.0050.081663.98M0.0632.41R0.0300.545缺少小颗粒，Cc缺少大颗粒，CcCc=13,级配连续曲率系数举例§1.2土的三相组成–固体颗粒仁者乐山智者乐水§1.2土的三相组成–固体颗粒粒组含量用于土的分类定名；不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度：Cu5为不均匀土；Cu5为均匀土曲率系数Cc用于判定土的连续程度：Cc=1~3为级配连续土；Cc3或Cc1为级配不连续土不均匀系数Cu和曲率系数Cc用于判定土的级配优劣：Cu5且Cc=1~3为级配良好的土；如果Cu5或Cc3或Cc1为级配不良的土粒径级配曲线和指标的应用仁者乐山智者乐水§1.2土的三相组成–固体颗粒固体颗粒-矿物成分固体成分原生矿物-石英、长石、云母等次生矿物矿物质有机质无定形氧化物胶体可溶盐粘土矿物具有和原生矿物很不相同的特性对粘土性质的影响很大仁者乐山智者乐水§1.2土的三相组成–固体颗粒粘土矿物粘土矿物是一种复合的铝-硅盐晶体，颗粒呈片状，是由硅片和铝片构成的晶包所组叠而成，可分成高岭石、伊利石和蒙特石三种类型。硅片铝片SiSi氧离子O2-硅离子Si4+硅-氧四面体硅片的结构硅片简图仁者乐山智者乐水§1.2土的三相组成–固体颗粒粘土矿物粘土矿物是一种复合的铝-硅盐晶体，颗粒呈片状，是由硅片和铝片构成的晶包所组叠而成，可分成高岭石、伊利石和蒙特石三种类型。OH1-铝离子Al3+铝-氢氧八面体硅片的结构硅片简图AlAl硅片铝片仁者乐山智者乐水•晶层间通过氢键联结，联结力强，晶格不能自由活动，水难以进入晶格间•能组叠很多晶层，多达百个以上，成为一个颗粒。颗粒长宽约0.3-3，厚约0.03-1。•主要特征：颗粒较粗，不容易吸水膨胀和失水收缩，或者说亲水能力差。§1.2土的三相组成–固体颗粒粘土矿物依硅片和铝片组叠形式的不同，可分成如下三种类型：高岭石蒙特石伊利石SiSiAlAlSiSiAlAlSiSiAlAl高岭石微粒1:1的两层结构仁者乐山智者乐水•晶层间是O2-对O2-的连结，联结力很弱，水很容易进入晶层之间。•每一颗粒能组叠的晶层数较少。颗粒大小约为0.1-1，厚约0.001-0.01。•主要特征：颗粒细微，具有显著的吸水膨胀、失水收缩的特性，或者说亲水能力强。2:1的三层结构SiSiAlAlSiSiSiSiAlAlSiSi数层水分子§1.2土的三相组成–固体颗粒粘土矿物依硅片和铝片组叠形式的不同，可分成如下三种类型：高岭石蒙特石伊利石仁者乐山智者乐水§1.2土的三相组成–固体颗粒粘土矿物•是云母在碱性介质中风化的产物。•与蒙特石相似，由两层硅片夹一层铝片所形成的三层结构，但晶层之间有钾离子连结。•主要特征：连结强度弱于高岭石而高于蒙特石，其特征也介于两者之间。2:1的三层结构SiSiAlAlSiSiSiSiAlAlSiSi钾离子依硅片和铝片组叠形式的不同，可分成如下三种类型：高岭石蒙特石伊利石仁者乐山智者乐水§1.2土的三相组成–固体颗粒粘土矿物的带电性质研究表明，片状粘土颗粒表面常带有电荷，净电荷通常为负电荷粘土颗粒水分子阳离子粘土矿物的带电特性玻璃筒玻璃皿水位升高粘土粒粘土膏+-粘土的电泳和电渗现象(列依斯,1809)仁者乐山智者乐水颗粒形状和比表面积原生矿物：一般颗粒较粗，呈粒状。有圆状、浑圆状、棱角状等。次生矿物：颗粒较细，多呈针状、片状、扁平状。比表面积：单位质量土颗粒所拥有的总表面积。对于粘性土，其大小直接反映土颗粒与四周介质,特别是水,相互作用的强烈程度,是代表粘性土特征的一个很重要的指标。高岭石的比表面积为：10-20m2/g,伊利石：80-l00m2/g,蒙特石：800m2/g粗颗粒的形状粘土颗粒的形状§1.2土的三相组成–固体颗粒仁者乐山智者乐水§1.2土的三相组成–土中水土中水结晶水矿物内部的水结合水吸附在土颗粒表面的水自由水电场引力作用范围之外的水土中冰由自由水冻成，冻胀融沉水蒸气存在孔隙空气中仁者乐山智者乐水§1.2土的三相组成–土中水-强结合水：•排列致密，密度1g/cm3•冰点处于零下几十度•完全不能移动，具有固体的特性•温度略高于100°C时可蒸发-弱结合水：•受电场引力作用，为粘滞水膜•外力作用下可以移动•不因重力而流动，有粘滞性粘土颗粒引力d水分子阳离子强结合水弱结合水自由水土中水–结合水结合水：受颗粒表面电场作用力吸引而包围在颗粒四周，不传递静水压力，不能任意流动的水仁者乐山智者乐水§1.2土的三相组成–土中水-毛细水：由于土体孔隙的毛细作用升至自由水面以上的水。毛细水承受表面张力和重力的作用-重力水：自由水面以下的孔隙自由水，在重力作用下可在土中自由流动土中水–自由水自由水：不受颗粒电场引力作用的孔隙水hc毛细水重力水仁者乐山智者乐水§1.2土的三相组成–土中水生活在水面收缩膜顶面和地面的昆虫水蜘蛛仰泳的水蜘蛛收缩膜内压外压液体1液体2界面张力界面张力仁者乐山智者乐水§1.2土的三相组成–土中水毛管中流体的界面效应Tdkw空气固体=湿润角水aT=界面张力Dk=毛管直径ua-uwua-uw=压力差仁者乐山智者乐水§1.2土的三相组成–土中水毛细管hc土中毛细水上升高度T2rrThccos2上升高度r2hcw=2rTcos毛细升高与孔径成反比粘土粉土砂土砾石仁者乐山智者乐水§1.2土的三相组成–土中水张力TTuc水hc2ruc=-hcw水压+-TT则毛细压力：2πrTcosα+ucπr2=0cchu毛细管中的负静水压力毛细水压力仁者乐山智者乐水§1.2土的三相组成–土中水土颗粒缝隙处的弯液面r空气水固体颗粒弯液面在非饱和土中，孔隙中含有水和气，此时水多集中于颗粒间的缝隙处，称毛细角边水。由于毛细张力的作用，会形成如图所示的弯液面，使毛细角边水产生负压力，颗粒则受正压力。这是稍湿的砂土颗粒间存在假凝聚力的原因仁者乐山智者乐水§1.2土的三相组成–土中水气相-土中气自由气体：与大气连通连通的气体对土的性质影响不大封闭气体：被土颗粒和水封闭的气体其体积与压力有关。会增加土的弹性；阻塞渗流通道，降低渗透性溶解在水中的气体吸附于土颗粒表面的气体仁者乐山智者乐水§1.2土的