工程地质学--第五章-土的工程性质及分类

第五章土的工程性质与分类主要内容§5.1土的组成与结构、构造§5.2土的物理力学性质及其指标§5.3土的工程分类§5.4土的成因类型特征§5.5特殊土的主要工程性质土是岩石在风化破碎、搬运和沉积等一系列作用下形成的未固结成岩的松散堆积物。搬运、沉积土地球岩石地球风化形成过程形成条件物理力学性质影响气相固相液相++构成土骨架，起决定作用重要影响土体次要作用土是由固体颗粒（固相）、颗粒间的孔隙水（液相）和气体（气相）组成的三相体系。由于三相性质的差异，三相物质的相对比例不同及三相间相互作用，共同反映了土的物理性质和物理状态的不同，即决定了土的物理性质和状态，而土的物理性质和状态又在很大程度上决定了它的力学性质。研究土的工程地质特性就必须了解土的三相组成的比例、天然状态下的土的结构和构造等特征，同时还要熟悉描述土的物理性质及状态的指标，掌握土的工程分类原则和标准。§5.1土的组成与结构、构造土的三相组成中，固体颗粒（土粒）是最主要的组成部分，构成土的骨架主体。三相之间的相互作用，土粒居于主导地位。从本质而言，土的工程性质主要取决于组成土的土粒大小和矿物成分类型即土的粒度成分和矿物成分。所以，各种类型土的划分，首先要根据组成土的土粒成分（土的粒度成分和矿物成分）。而土的结构特征，也是通过土粒大小、形状、排列方式及其相互连接关系反映出来的。5.1.1土的粒度成分土的粒度成分是决定土的工程性质的主要内在因素之一，因而也是土的类别划分的主要依据。1.粒组划分、组成与土的工程性质关系土是有各种大小不同的颗粒组成的，颗粒大小以直径（单位mm）计，称为粒径。介于一定粒径范围的成分相近、性质相似的土粒，称为粒组或粒级。土的粒径由大到小逐渐变化时，土的工程性质也相应地发生变化。因此，在工程上粒组的划分在于使同一粒组土粒的工程性质相近，而与相邻粒组土粒的性质有明显差别。dmm卵石砾石砂粒粉粒粘粒胶粒6020.050.0050.0020.250.5520粗中细粗中细极细0.075粗粒土细粒土界限粒径各粒组特征的规律：颗粒越细小，与水的作用越强烈。表现为：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、无塑性到具有很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。优势粒组•各类土都是各粒组颗粒的组合。土的工程性质与土中哪一粒组含量占优势有关。•土中含大量砂粒时，则透水性大，粘性和塑性弱；•土中含大量粘粒时，则透水性小，有显著的粘性、塑性及膨胀性等。2.粒度成分对土工程性质影响的实质•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，以致含水的种类、性质和数量不同。•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。3.粒度分析及其成果表示粒径级配—各粒组的相对含量，用质量百分数来表示。确定方法筛分法：适用于粗粒土(＞0.075mm)水分法：适用于细粒土(＜0.075mm)表述方法粒径级配累积曲线筛分法（d0.075mm的土）密度计法（d0.075mm的土）105.02.01.00.50.250.075200g101618242238721009080706050403020100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)P%958778665536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由曲线的坡度可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(工程性质较差)；反之，曲线平缓，则表示粒径大小相差悬殊，土粒不均匀，及级配良好(土的工程性质较好)。颗粒累积曲线法中的几个概念有效粒径：小于某粒径的土粒重量累积百分数为10%时相应的粒径。记为d10d10之所以被称为有效粒径,是因为它是土中有代表性的粒径,对分析评定土的某些工程性质有一定意义。限定粒径：小于某粒径的土粒重量累积百分数为60%时相应的粒径。记为d60平均粒径：小于某粒径的土粒重量累积百分数为50%时相应的粒径。记为d50d30：小于某粒径的土粒重量累积百分数为30%时相应的粒径。土颗粒级配是否良好的判别常用不均匀系数CU和曲率系数CC两个指标来分别描述级配曲线的坡度和形状。限定粒径d60与有效粒径d10的比值反映颗粒级配的不均匀程度,称为不均匀系数CU。1060ddCu不均匀系数CU越大，土粒越不均匀。工程上把CU＜5的土看作是均匀的，级配不良的土；CU＝5～10的为级配一般的土；CU＞10的土则是不均匀的，即级配良好的。土的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。曲率系数CC反映累积曲线的弯曲情况，从而分析评述土粒的组合特征。6010230dddCc曲率系数CC在1～3之间，土粒级配良好。小于1或大于3，则累积曲线明显弯曲呈阶梯状，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。5.1.2土的矿物成分土的固相部分，实质是矿物颗粒，土粒矿物的性质和相对含量与粒度成分一样，也是影响土的工程性质的重要因素。根据土粒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：1.原生矿物:土中常见的原生矿物主要有石英、长石、云母、角闪石、石榴石等。这些矿物是组成砂粒和粉粒以上土颗粒的主要成分。对土的工程性质的影响在于其颗粒形状、坚硬程度和抗风化稳定性等因素。2.不溶于水的次生矿物组成土的这类矿物主要有:粘土矿物:含水铝硅酸盐。主要是(高岭石类、蒙脱石类和伊里石、水云母类）。次生二氧化硅：胶态、准胶态倍半氧化物最主要特点：呈高度分散状态-胶态或准胶态。这决定了它们具有很高的表面能、亲水性及一系列特殊的性质。对土的工程性质影响小于粘土矿物后果：只要这类矿物在土中有少量存在，就往往引起土的工程性质的显著改变，如产生大的塑性、强度剧烈降低等。本质：其原因本质上在于它们具有不同的化学成分和结晶格架构造。粘土矿物的晶格结构主要由两种基本结构单元组成，即由硅氧四面体和铝氢氧八面体组成，它们各自联结排列成硅氧四面体层和铝氢氧八面体层的层状结构。硅氧四面体层和铝氢氧八面体层蒙脱石伊利石伊利石高岭石高岭石粘土矿物的晶格构造高岭石蒙脱石伊利石粒径比表面积胀缩性渗透性强度压缩性大10-20m2/g小大大小中80-100m2/g中中中中小800m2/g大小小大比表面积：单位质量土颗粒所拥有的总表面积9克蒙脱土的总表面积大约与一个足球场一样大3.可溶盐类的分类这些盐类常以夹层、透镜体、网脉、结核或呈分散的颗粒、薄膜或粒间胶结物含于土层中。其中易溶盐类极易被大气降水或地下水溶滤出去，所以分布范围较窄，但在干旱气候区和地下水排泄不良地区，它是地表上层土中的典型产物，即形成所谓盐碱土和盐渍上。可溶盐类对土的工程性质影响的实质，在于含盐土浸水后盐类被溶解后，使土的粒间连结削弱，甚至消失，并同时增大土的孔隙性，从而降低土体的强度和稳定性，增大其压缩性。其影响程度，取决于三个方面：盐类的成分与溶解度含量分布的均匀性及分布方式。均匀、分散分布者，盐分溶解对土的工程性质及结构工程的影响较小，且土的抗溶蚀能力较强；不均匀、集中分布(例如至厚的透镜状）者，盐分溶解对土工程性质及结构工程的影响则愈剧烈。4.有机质及其影响当有机质在粘性土中的含量达到或超过5％(在砂土中的含量达到或超过3％)时，就开始对土的工程性质具有显著的影响。例如在天然状态下这种粘性土的含水量显著增大，呈现高压缩性和低强度等。有机质对土的工程性质的影响实质，在于它比粘土矿物有更强的胶体特性和更高的亲水性。所以，有机质比粘土矿物对土性质的影响更剧烈。有机质对土的工程性质的影响程度的决定因素有机质的含量高，对土的性质影响愈大；有机质的分解程度愈高，影响愈剧烈；土被水浸的程度或饱和度：水浸程度或饱和度不同，有机质对土有截然不同的影响。较干燥时，有机质可起到较强的粒间连结作用；而当土的含水量增大，结合水膜剧烈增厚，削弱土的粒间连结，必然使土的强度显著降低；有机质土层的厚度、分布均匀性及分布方式。5.1.3土中水和气体及其与土粒的相互作用1.土中水在自然条件下，土中总是含水的。水常以不同的形态存在于土中，并与土相互作用，是影响土的工程地质性质的重要因素。土中细粒越多，即土的分散度越大，水对土的性质的影响也越大。按照土中水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。土中水结合水（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（半结合水）重力水（自由水）气态水（水蒸汽）固态水（冰）结合水：指受分子引力、静电引力吸附于土粒表面的土中水。•排列致密、定向性强•密度1g/cm3•冰点处于零下几十度•具有固体的的特性•温度高于100°C时可蒸发强结合水•位于强结合水之外，电场引力作用范围之内•外力作用下可以移动•不因重力而移动，有粘滞性弱结合水毛细水分布在结合水外围，受土粒表面的静电影响和重力作用的控制。所以毛细水是存在于土中细小的孔隙中、因与土颗粒的分子引力和水与空气界面的表面张力共同作用构成的毛细作用而与土颗粒结合，存在于一种过渡类型水。毛细水的性质一方面与结合水相似，另一方面与重力水相仿，所以说是结合水与重力水之间的过渡类型。毛细水受土粒表面静电引力的影响紧密一些，因此它的冰点比重力水低(在摄氏零度以下)，并有极微弱的抗剪强度，也能传递静水压力。在外力较小的情况下，它不同于结合水，而和重力水一样，立即发生显著的流动，并作层流运动。毛细管现象的物理解释一般认为，在土的孔隙中，水与土粒表面的浸湿力(分子引力)使接近土粒的水上升，而孔隙中的水形成弯液面，水与空气界面的内聚力(表面张力)总是企图缩小至最小面积，即使弯液面变为水平面。但当弯液面的中心部分有所升起时，水面与土粒间的浸湿力又立即将弯液面的边缘牵引上去。这样，浸湿力使毛细水上升，并保持弯液面，直到毛细水柱的重力与弯液面表面张力向上方的分力平衡时，水才停止上升。这种由弯液面产生的向上拉力称为“毛细力”。由毛细力维持的水柱这部分水即为毛细水。毛细水的存在范围主要存在于砂土的毛细孔隙(孔径为0.5～0.002mm)中。孔隙更细小者，土粒周围的结合水膜有可能充满孔隙而不能再有毛细水。粗大的孔隙，毛细力极弱，难以形成毛细水。在非饱和土中局部存在毛细水时，产生毛细内聚力或假内聚力，使土粒间的有效应力增高而增加土的强度。但当土体浸水饱和或失水干燥时，这种内聚力消失。在工程上为安全考虑，不考虑毛细水在某些情况下引起的有利因素，反而考虑毛细水上升使土层含水量增大，从而降低土的强度和增大土的压缩性等不利影响。当毛细水上升接近建筑物基础底面时，毛细压力作为基底附加压力的增值，可能加大建筑物沉降量。当毛细水上升至近地表时，不仅能引起沼泽化、盐渍化，而且也使地基、路基土浸湿，降低土的力学强度；在寒冷地区，还将加剧冻胀作用。浸润基础或管道时，水中盐分对混凝土和金属材料常具有腐蚀作用。毛细水对土工程性质及建筑工程的影响重力水（自由水）分布在毛细水层以外，存在于较粗大的孔隙中。水分子不受土粒表面静电引力的影响，具有自由活动的能力，只受重力的控制，能传递静水压力。机械潜蚀作用：水在流动时产生动水压力，冲刷带走土中的细小颗粒的作用。化学潜蚀作用：溶解矿物颗粒的能力。潜蚀作用的结果使土体中的孔隙增大，压缩性提高，抗剪强度降低。固态水在常压下，当温度低于0℃时，孔隙中的水冻结呈固态，往往以冰夹层、冰透镜体、细小的冰晶体等形式存在于土中。固态水在土中起胶结作用，提高了土的强度。但解冻后，土体的强度往往低于结冰前的强度，因为从液态水转为固态水时，体积膨胀，使