土力学-土的组成性质及工程分类

第二章：土的组成性质和工程分类2.1概述(summary)1、土的生成和演变矿物和岩石(mineralandrock)矿物的种类:原生矿物：通常由岩浆冷凝而成，如石英、长石、角闪石、辉石、云母等。次生矿物：通常由原生矿物风化产生，如长石风化产生高岭石；辉石或角闪石.主要造岩矿物(mainmakingrockmineral)岩石的类型和性质(typesandqualitiesofrock)第四纪沉积层(Quaternarydepositformation)地表的岩石经风化，剥蚀成岩屑，又经搬运，沉积而成的沉积物。这类沉积物,年代不长,未经压紧硬结成岩石之前，呈松散状态，称第四纪沉积物，即“土”。根据搬运和沉积的情况不同，第四纪沉积层分以下几种类型：“残积层(eluvium)坡积层(slopewash)洪积层(diluvium;pluvium;proluvium)冲积层(alluvium)海湖沉积层(marinedeposit)2不良地质条件:断层、节理发育、山坡滑动等3地下水(undergroundwater)地下水对工程的影响地下水的分类地下水位:地下水位面通常指潜水位面4地下水的运动达西定律(Darcy’slaw)基本表达式：v=ki式中：i代表水头梯度或水力坡降;k代表土的渗透系数，cm/s,不同土质，k值不同。对比如下:如:卵石(1--6)10-1细砂(1--6)10-3粘土610-6动水力GD1)定义：流动的水对单位体积的土骨架产生的作用力.2)基本表达式：GD=iγw土的物理性质及工程分类(physicalcharactersofsoilanditsengineeringclassifies)基本要求：土的生成过程、土的物理性质指标及状态指标、三相草图运算、土的工程分类重点及难点：三相草图运算、Wp、Wl、Il、Ip的物理意义及其相互关系。2.2.土的生成及特性(演变)2.2.1土的生成•由完整、坚硬、连续的岩石经风化作用被剥蚀成颗粒，又经风、水的搬运形成的沉积物.土,自然之物，天然产物。•物理风化(physicalweathering)（地质构造力、温差、冰胀、碰撞）:物理风化的本质是机械破碎。经物理风化生成的土为粗颗粒土，例：碎石、砾石、砂土等呈松散状态，统称为无粘性土,单粒结构。(Cohesionlesssoil;frictionalsoil;non-cohesive-soil)•化学风化(chemicalweathering)（水解、水化、氧化、溶解）作用:产生次生矿物。经过化学风化以后，土的颗粒变小变细，并具有粘着力，生成细颗粒土，如粘土，粉质粘土，统称为粘性土(Cohesivesoil).•生物风化(biologicalweathering):本质上仍是一种物理风化，但由于是由生物活动引起的，故称为生物风化。生成无粘性土。各种风化作用并不是孤立的，常常是交替作用，甚至同时进行，经过漫长的地质年代，便形成了土。2.2.2土的特性(featuresofsoil)•一般来说，土具有碎散性、压缩性、剪变性及透水性等。1.非均匀各向异性(inhomogeneityandanisotropy)2.强度低(lowstrength)3.透水性大(greatpervious)4.压缩性大(greatcompressibility)土体的压缩主要是孔隙的缩小.而土的孔隙一般很大，所以土的压缩性大。5.变形不可恢复性(non-restitutioondeformation)土体只能受压不能受拉。变形不可恢复可以这样理解：加荷时，由于土体具有孔隙，可以透水，液与气可通过孔隙排出，压力达到一定程度后，土颗粒还将发生错动；卸去荷载以后，由于排出的水和空气不可再回来以及土粒的错动引起的变形也不可恢复，所以土体具有较强（大）的塑性，也叫变形不可恢复性。6.时效(timeeffect)土是固、液、气组成的三相体，土的压缩主要是孔隙被压小，在孔隙被压小的过程中，孔隙中水和气体的排出需要一个过程，也即需要一定的时间才能完成，从而使土体产生时效。土的生成条件与其特性的关系土的生成条件不同，其工程性质往往相差也很大。主要有两大类残积土、搬运土（坡积土、风积土、冲积土、洪积土、湖泊沼泽沉积土、海相沉积土、冰积土）搬运、沉积条件a.冲击层(alluvium)工程性质良好。b.风积层(wind-laiddeposit;eoliandeposit)工程性质差、细粉砂。例：陕西榆林一带的细粉砂层.•沉积年代•沉积的自然地理环境例：沿海地区多产生软土、淤泥质土（上海、江浙一带有较广泛的分布）特点：抗剪强度低，压缩性大，透水性差，工程性质不良。陕西、陇东、关中、山西等地的湿陷性黄土。特点：大孔隙(e1.0)湿陷性。湿陷性：指黄土在天然湿度下，有很大的硬度和强度；但由于黄土中含有较多可溶性的盐类，故而受水浸蚀损，发生崩解，造成黄土产生很大的变形，引起地基的不均匀沉降，导致建筑物的破坏.2.2.3土的沉积与成岩作用（自学）2.3土的物质组成2.3.1三相体的概念三相体的定义：土是由固体颗粒、液体水和气体三部分组成的，这就是三相体的概念；有的时候，土只有二相：如饱和土：只有固相和液相（孔隙完全充满水）。干土：只有固相和气相（液体蒸发，孔隙中充满气体）。影响因素：土是天然产物，必然会遭到自然环境的影响。例如：天气和晴雨、季节的变化（温度高低）、地下水位的升降等等。三相组成改变，土的工程性质必然改变。三相组成与工程性质的关系干粘土：坚硬；干砂：松散；湿粘土：具有可塑性；饱和细砂：受振动荷载后可产生液化,厂房地基、地震区地基应避免采用这种地基，因这种地基的承载力可能会突然丧失（第十一章）饱和粘土：这种地基完成固结沉降需要的时间很长，因排水期长。由此可见，土的三相组成不同，其工程性质差异很大。因此研究土的工种性质应从土的最基本的三相组成开始。2.3.2土的固体颗粒(Solidgrain)1.土粒的矿物成份(mineralogicalingredients)在土的三相组成中，土的矿物成份是决定土的工程性质的主要因素。–原生矿物(primaryminerals)：由岩石经过物理风化作用而成，其成份和母岩相同，存在于粗颗粒土中，如石英、云母、长石等。–次生矿物(secondaryminerals)：经物理风化的岩屑又经化学风化，形成次生矿物，其成份不同于母岩，是一种新矿物，颗粒细微。存在于细粒土中。如：蒙脱石、伊利石、高岭石等。–有机质(organicmatter)：动植物的残骸溶于水中，成为土颗粒的一部分，使土的压缩性增强。•原因：（这种物质溶于水中会减弱电分子之间的吸引力，使土粒在外力作用下易于移动，因而增大了土的压缩性）例：淤泥、淤泥质土便是含在大量有机质的土，工程上最忌讳用这种土做地基，因为其强度很低、透水性极差、压缩性很大。压实地基时所用的回填土，对其含量严格限制（3％～5％）2.粒度成份：(granularityingredients)•宏观上讲：土的颗粒有大有小，大的可以达到d200mm的溧石，小的可以小到d0.005mm的粘粒。土的颗粒大小不同，其工程性质也各不相同，为了研究方便，人们人为的将土按颗粒大小分为六组，称为粒组(fraction)，而在每个粒组内，工程性质是相似的。•天然土往往是由几种粒组组成的混合物，颗粒有粗有细。•土颗粒大小和土的工程性质的关系：土颗粒愈粗，土的压缩性愈小，强度愈高，透水性愈好，工程性质优良；土颗粒愈细，土的压缩性愈大，强度愈低，孔隙愈小，透水性愈差，不良地基。3.颗粒级配(graingradation;graingrading)1定义：用土中各粒组的相对含量占总重量的百分数表示颗粒的含量多少。是无粘性土分类定名的标准。那么，一个天然土样，如何知道各粒组的相对含量大小呢？2测定方法：–筛分法（主要用于粗粒土）：适用于d≥0.075mm的土，用一套标准筛，对粗粒土进行筛分，原理很直观；（入料、振动、秤重）–比重计法（主要用于细粒土）：又叫水分法，适用于d0.075mm的土；原理：根据土颗粒直径大小不同，在水中沉降的速度也不同的特性，用一种特定的比重瓶测定土颗粒含量；–对于实际工程中的土样，配合使用这两种方法，就可以测出土的颗粒级配，从而对土分类、定名。(d≥0.075mm的筛分；d0.075mm的水分4.级配曲级(gradationcurve)–定义：以土粒直径d为横坐标,以小于某粒径的土的重量占全重的百分数为纵坐标,绘制的表示土颗粒含量的曲级。一般用半对数尺寸logd表示横坐标(特点：log200-log2;log20-log2;log2-log0.02相同)–限定粒径(Constraineddiameter)：与曲线上纵坐标为60％所对应的粒径称为限定粒径，用d60表示。–有效粒径(有效粒径，用d10表示。•d60和d10的比值称为土的不均匀系数Cu,曲率系数Cc为表示土颗粒组成的又一特征。–不均匀系数Cu(coefficientofuniformity)•Cu≥5且Cc=1～3为级配良好；不同时满足上述要求，为级配不良。（老标准：当Cu5时（本质：d60和d10很接近），级配曲线较陡，表示土质均匀，级配差，工程性质不良；当Cu10时（本质：d60和d10相差较远），曲线平缓，表示土质不均匀，级配良好，工程性质优良。）例：用筛分法确定土的颗粒级配并绘级配曲线W＝1000g的土全部通过筛孔10mm的筛子；留在筛孔5mm筛子上的颗粒50g；留在筛孔1.0mm的筛子上的颗粒重量400g；留在筛孔0.5mm筛子上的重量100g，留在筛孔0.25mm筛孔上的重量为150g，留在筛孔0.075mm筛子上的重量为130g。•解：d10mm的土重量1000g，占全重100%，试验点A(10mm,100%)•d5mm的土重量950g，占全重95%，试验点B(5mm,95%)•d2mm的土重量800g，占全重80%，试验点C(2mm,80%)•d1mm的土重量400g，占全重40%，试验点D(1mm,40%)•d0.5mm的土重量300g，占全重30%，试验点E(0.5mm,30%)•d0.25mm的土重量150g，占全重15%，试验点F(0.25mm,15%)•d0.075mm的土重量30g，占全重3%，试验点G(0.075mm,3%)•可绘出级配曲线P10-P13例2.1、2.2前面重要概念土的生成过程三大风化作用土的六大特性三相体的概念固相-----由各种矿物组成的土颗粒部分:粒组颗粒级配级配曲线限定粒径有效粒径不均匀系数曲率系数2.3.3土中水(waterinsoil)土中水可有不同的形态，如固态的冰、气态的水蒸汽、液态的水，还有矿物颗粒晶格中的结晶水，这些都属于土中水。对土的性质影响最大的是液态水，尤其是粘性土，它所含的液态水对其性质影响最大。液态水主要有结合水和自由水二种形式1.结合水:解释结合水膜的概念•包括强结合水和弱结合水：强结合水(strongboundwater)(吸着水：absorbedwater):紧靠土粒表面，受到吸引力最大，约1000个大气压，厚度＜0.003μm(1μm=10-3mm)大约几个水分子层厚，特性：显示固体的性质，极大的粘滞性、弹性和抗剪强度，不传递静水压力。冰点很低，00C不冻结，1000C不蒸发，不能溶解盐类；粘土只含有强结合水时显示固体坚硬状态；砂土的强结合水含量极少,仅含强结合水的砂土呈散粒状态；参见P19弱结合水(weakboundwater)(又称薄膜水:filmwater,pellicularwater):紧靠强结合水的外侧，吸附力稍低，厚度稍大，＜0.5μm.特性：呈粘滞状态，不传递静水压力，不能自由流动，但有一定的活动能力。在较强的外电场作用下，薄膜水可以缓慢流动，自厚的部位向薄的部位作被充移动，弱结合水对粘性土的性质影响最大.弱结合水使湿粘土具有可塑性，并减小其抗剪强度；粘性土的一系列物理、力学性质都与弱结合水有关；砂性土由于矿物成份