第5章--土的性质和分类

1第5章土的工程性质和分类§5.1土的生成与基本特征工程上所称的土，是岩石风化的产物。风化、剥蚀、搬运和沉积等过程后，形成的各种松散的堆积物。＊风化包括物理风化和化学风化。物理风化是岩石受到机械破坏作用以后，岩石分裂成很多小的碎屑的过程。引起该风化作用的因素很多，主要是温度的变化（日晒雨淋）岩石裂隙中水份的冻结。只发生量的变化，原生矿物。2化学风化是指岩石与空气水和各种水溶液相接触，经氧化碳化后形成细小颗粒的过程。其特点是不仅发生了破碎，而且化学成分也发生了变化，即岩石发生了质的变化，次生矿物。3不同成因类型的土(1)残积土图5-1残积土层剖面残积土是由岩石风化后，未经搬运而残留于原地的土。它处于岩石风化壳的上部，是风化壳中的剧风化带，向下则逐渐变为半风化的岩石。它的分布主要受地形的控制，在雨水产生地表迳流速度小，风化产物易于保留的地方，残积物就比较厚。4(2)坡积土图5-2坡积土层剖面坡积土是残积土经水流搬运，顺坡移动堆积而成的土。其成份与坡上的残积土基本一致。由于地形的不同，其厚度变化大，新近堆积的坡积土，土质疏松，压缩性较高。5(3)洪积土图5-3洪积土层剖面洪积土是山洪带来的碎屑物质，在山沟的出口处堆积而成的土。山洪流出沟谷后，由于流速骤减，被搬运的粗碎屑物质首先大量堆积下来，离山渐远，洪积物的颗粒随之变细，其分布范围也逐渐扩大。其地貌特征，靠山近处窄而陡，离山较远宽而缓，形如锥体，故称为洪积扇。山洪是周期性发生的，每次的大小不尽相同，堆积下来的物质也不一样，因此，洪积土常呈现不规则交错的层理。6(4)冲积土冲积土是由于河流的流水作用，将碎屑物质搬运堆积在它流经的区域内，随着从上游到下游水动力的不断减弱，搬运物质从粗到细逐渐沉积下来，一般在河流的上游以及出山口,沉积有粗粒的碎石土、砂土,在中游丘陵地带沉积有中粗粒的砂土和粉土,在下游平原三角洲地带，沉积了最细的粘土。冲积土分布广泛,特别是冲积平原是城市发达、人口集中的地带。对于粗粒的碎石土、砂土，是良好的天然地基，但如果作为水工建筑物的地基，由于其透水性好会引起严重的坝下渗漏；而对于压缩性高的粘土，一般都需要处理地基。7(5)风积土风积土是由风作为搬运动力，将碎屑物由风力强的地方搬运到风力弱的地方沉积下来的土。风积土生成不受地形的控制，我国的黄土就是典型的风积土。主要分布在沙漠边缘的干旱与半干旱气候带。风积黄土的结构疏松，含水量小，浸水后具有湿陷性。8(6)湖泊沉积物湖泊沉积物可分为湖边沉积物和湖心沉积物。湖边沉积物是湖浪冲蚀湖岸形成的碎屑物质在湖边沉积而形成的，湖边沉积物中近岸带沉积的多是粗颗粒的卵石、圆砾和砂土，远岸带沉积的则细颗粒的砂土和粘性土。湖边沉积物具有明显的斜层理构造，近岸带土的承载力高，远岸带则差些。湖心沉积物是由河流和湖流挟带的细小悬浮颗粒到达湖心后沉积形成的，主要是粘土和淤泥，常夹有细砂、粉砂簿层，土的压缩性高，强度低。若湖泊逐渐淤塞，则可演变为沼泽，沼泽沉积土称为沼泽土，主要由半腐烂的植物残体和泥炭组成的，泥炭的含水量极高，承载力极低，一般不宜作天然地基。9(7)海洋沉积物按海水深度及海底地形，海洋可分为滨海带、浅海区和深海区，相应的四种海相沉积物性质也各不相同。滨海沉积物主要由卵石、圆砾和砂等组成，具有基本水平或缓倾的层理构造，其承载力较高，但透水性较大。浅海沉积物主要由细粒砂土、粘性土、淤泥和生物化学沉积物（硅质和石灰质）组成，有层理构造，较滨海沉积物疏松、含水量高、压缩性大而强度低。陆坡和深海沉积物主要是有机质软泥，成分均一。海洋沉积物在海底表层沉积的砂砾层很不稳定，随着海浪不断移动变化，选择海洋平台等构筑物地基时，应慎重对待。10（8）冰积土和冰水沉积土冰积土和冰水沉积土是分别由冰川和冰川融化的冰下水进行搬运堆积而成。其颗粒以巨大块石、碎石、砂、粉土及粘性土混合组成。一般分迭性极差，无层理，但冰水沉积常具斜层理。颗粒呈棱角状，巨大块石上常有冰川擦痕。11土的基本特征（1）土是自然历史的产物（2）土是相系组合体（3）土是多矿物组合体12§5.2土的组成与结构、构造土的三相组成土是由固体颗粒、水和气体三部分组成的。如果这三种物质在土中所占的比例不同，那么土的性质也将不同。13固体颗粒、孔隙中的水和孔隙中的气体通常称为土的三相组成。固相：构成土的骨架，决定土的性质（大小、形状、成分、组成、排列）。液相：水和溶解于水中物质。气相：空气及其他气体。145.2.1土的固相一、土的固相部分主要是土粒，有时还有粒间胶结物和有机质，他们构成了土的骨架。二、土粒的矿物成分原生矿物：物理风化的产物，颗粒较粗，矿物成分同风化前的母岩，如石英、长石和云母等。吸附水的能力弱，性质较稳定，无塑性。次生矿物：是经化学风化后生成的新矿物，它的成分与母岩完全不同，次生矿物主要是粘土矿物，即高岭石、伊利石和蒙脱石。次生矿物颗粒极细，吸附水的能力比较强，有可塑性。：1516根据组成土的固体颗粒的矿物成分的性质极其对土的工程性质影响不同，分为以下四大类别：原生矿物、不溶于水的次生矿物（以粘土矿物和硅、铝氧化物为主）、可溶盐类及易分解的矿物、有机质。（1）原生矿物组成土的原生矿物主要有石英、长石、角闪石、辉石、云母等。这些矿物是组成卵石、砾石、砂粒和粉粒的主要成分。它们的特点是颗粒粗大，物理、化学性质一般比较稳定，所以它们对土的工程性质影响比其他几种矿物要小得多。它们对土的工程性质影响的相互差异，主要在于其颗粒形状、坚硬程度和抗风化稳定性等因素。17（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——为含水铝硅酸盐，主要有高岭石、伊里石、蒙脱石等三个基本类别，它们是组成粘粒的主要成分。这类矿物的最主要特点是呈高度分散状态——胶态或准胶态。因此，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。所以，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、强度剧烈降低等等。18（3）可溶盐类及易分解的矿物土中常见的可溶盐类，按其被水溶解的难易程度可分为：①易溶盐——主要有NaCI,CaCI2,Na2SO4·10H2O（芒硝）,Na2CO3·10H2O（苏打）等；②中溶盐——主要为CaSO4·2H2O（石膏）,MgSO4等；③难溶盐——主要为CaCO3，MgCO3等。土中易分解矿物常见的主要有黄铁矿（FeS2）及其他硫化物和硫酸盐类。处于还原环境的土（例如深水海淤）中，常含有黄铁矿，呈大小不同的结核状或与土颗粒紧密结合的薄膜状和充填物。19（4）有机质在自然界一般土，特别是淤泥质土中，通常都含有一定数量的有机质，当其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。有机质在土中一般呈混合物与组成土粒的其它成分稳固地结合一起，也有时以整层或透镜体形式存在。例如在古湖沼和海湾地带的泥炭层和腐殖层等。有机质对土的工程性质的影响的实质，在于它比粘土矿物有更强的胶体特征和更高的亲水性。所以，有机质比粘土矿物对土性质的影响更剧烈。20三、土粒的大小和形状1．粒组在自然界中存在的土,都是由大小不同的土粒组成的，土的粒径由粗到细逐渐变化时,土的性质相应地发生变化。因此可将大小相近，性质相似的颗粒划归为一组，称为粒组划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。常用界限粒径200、20、2、0.075、0.005mm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。见下表。21表5-1土的粒组划分方案粒组统称粒组名称粒径d范围（mm）分析方法主要特征巨粒漂石（块石）粒d200直接测定透水性很大，压缩性极小，颗粒间无粘结，无毛细性。卵石（碎石）粒60d≤200筛分法粗粒砾粒粗砾20d≤60细砾2d≤20砂粒粗砂0.5d≤2透水性大，压缩性小，无粘性，有一定毛细性。中砂0.25d≤0.5细砂0.075d≤0.25细粒粉粒0.005d≤0.075静水沉降原理透水性小，压缩性中等，毛细上升高度大，微粘性。粘粒d≤0.005透水性极弱，压缩性变化大，具粘性和可塑性。22筛分法是将风干、分散的代表性土样通过一套筛孔直径与土中各粒组界限值相等的标准筛，称出经过充分过筛后留在各筛盘上的土粒质量，即可求得各粒组的相对百分含量。目前我国采用的标准筛的最小孔径为0.075mm（或0.1mm）。静水沉降法首先应将土中集合体分散制成悬液，然后根据不同粒径的土粒在静水中的沉降速度不同的原理（斯托克斯定律），测定细粒组的颗粒级配。23土粒在静水中沉降时受到土粒的重力和液体水的阻力两种力的作用，斯托克斯（Stokes）根据这两种力的平衡条件建立了土粒直径与沉降速度的关系，即：v——土粒在静水中的沉降速度（cm/s）；d——土粒直径（mm）；g——重力加速度（981cm/s2）；ρs——土粒密度（g/cm3）；ρw——水的密度（g/cm3）；η——水的动力粘滞系数（10-3KPa·s）。24tLg)1(G18dGGtLwswsw1ssGs——土粒比重ρw1——400C纯水的密度（=1g/cm3）第一公式反映的是土粒直径（d）与时间（t）和距离（L）之间的关系，土粒沉降速度与其直径的平方成正比，即大颗粒比小颗粒下沉快得多。利用第二公式进行细粒组的测定，可将土粒与水充分搅拌、停止搅拌后，可测得经某一时间（t），土粒至悬液表面下沉至某一深度处所对应的颗粒直径，这样就可以将大小不同的土粒分离开来或求得小于某粒径（d）的颗粒在土中的百分含量。252．粒度成分土的粒度成分指土中各种不同粒组的相对含量（以干土质量的百分比表示），用以描述土中不同粒径土粒的分布特征。粒度成分也称为颗粒级配。土的粒度成分的表示方法：颗粒级配（累积）曲线累积曲线法是一种图示的方法，用半对数纸绘制，横坐标（按对数比例尺）表示某一粒径，纵坐标表示小于某一粒径的土粒的百分含量，如下图所示。2627颗粒级配曲线的应用：①颗粒级配曲线的坡度与土的均匀性、级配之间的关系:曲线陡，土粒均匀，级配不好。曲线平缓，土粒不均匀，级配好。②确定土粒的级配指标不均匀系数Cu值越大，土粒不均匀，累积曲线越平缓；反之，Cu值越小，则土粒越均匀，曲线越陡。工程实际中，将Cu5的土视为级配不良的均粒土，而Cu10的土称为级配良好的非均粒土。28d60、d30、d10——分别表示配曲线上纵坐标为60%、30%、10%时对应粒径。有效粒径(d10)，中值粒径(d30)，限制粒径(d60)；d60d30d10。曲率系数1060230dddCc工程中常用Cc值来说明累积曲线的弯曲情况，累积曲线斜率很大，表明某一粒组含量过于集中，其它粒组含量相对较少。经验表明，当级配连续时，Cc=1--3；当Cc1或Cc3时，均表示级配曲线不连续，这种土一般认为是级配不良的土。295.2.2土中的水和气一、土中水土中水可以处于液态、固态和气态。根据作用力的不同，土中水可分为：土中水的分类水的类型主要作用力结合水化学作用力自由水毛细水表面张力及重力重力水重力土中水和气体是土的基本组成部分，如果二者比例发生变化，土的状态和性质也会发生改变，其中水对土的性质影响较为显著，气体则不太明显。30三大类粘土矿物中，高岭石晶层之间不仅有较弱的范德华键力外，更主要是氧原子和氢氧原子之间的氢键联结，连结牢固，水不能自由渗入，故其亲水性差，可塑性低，胀缩性弱；蒙脱石则反之，晶胞之间只有氧原子和氧原子的范德华键力连结，没有氢键，键力很弱，水分子可自由进入，亲水性强，胀缩性亦强；伊利石的性质介于二者之间（水化离子）。粘土矿物结构单元示意图31二、土粒与水的相互作用1．粘土矿物的结晶结构和基本特征粘土矿物是主要的次生矿物，是组成粘粒的主要矿物成分。粘土矿物大多具有由硅氧四面体与铝氧八面体两个基本单位所组成的层状结晶格架。根据不同结晶格架，可形成很多种类的粘土矿物，其中分布较广且对土性质影响较大的是蒙脱石、高岭石和伊利石(或水云母)三种。粘土矿物晶片示意图322．粘粒的带电