土力学课件 第2章 土的物理性质及其工程分类

第2章土的物理性质及其工程分类学习基本要求:＊了解土的三相组成；＊熟练掌握土的物理性质指标的定义、有关指标的换算、试验和应用；＊了解无粘性土和粘性土的工程特性；＊了解练使用地基土的工程分类方法。 第一节土的三相组成一、土的三相组成土是岩石经风化、剥蚀、搬运、沉积形成的固体矿物、水和空气的集合体。土的物质成分包括有作为土骨架的固态矿物颗粒、孔隙中的水以及气体。因此，土是由颗粒(固相)、水(液相)和气(气相)所组成的三相体系。土中的固体颗粒(简称土粒)的大小和形状、矿物成分及其组成情况是决定土的物理力学性质的重要因素。土固相（土颗粒）液相（水）气相（气） 固体矿物颗粒（固相）土中气体（气相）土中水（液相）固相—包括多种矿物成分组成土的骨架，骨架间的空隙为液相和气相填满，这些空隙是相互连通的，形成多孔介质。液相—主要是水(溶解有少量的可溶盐类)；气相—主要是空气、水蒸气，有时还有沼气等。 土的三相图 土体三相比例不同，土的状态和工程性质也随之各异，例如：1.固体+气体（液体=0）为干土，此时粘土呈坚硬状态,砂土呈松散状态；2.固体+液体+气体为湿土，此时粘土多为可塑状态；3.固体+液体（气体=0）为饱和土，此时粉细砂或粉土遇强烈地震，可能产生液化，而使工程遭受破坏；粘土地基受建筑物荷载作用发生沉降需几十年才能稳定。什么是液化？ 如果饱和疏松的土是由细砂粒或粉砂粒所组成，在强烈的振动作用下，土的结构会突然破坏变成流动状态，引起所谓“砂土液化”现象，使地基失去承载力，在地震区将会引起震害。1964年6月16日，日本发生里氏7.5级地震后，因地基土发生液化所造成的破坏。倒了，但结构未破坏 二、土的颗粒级配在自然界中存在的土，都是由大小不同的土粒组成的。土粒的粒径由粗到细逐渐变化时，土的性质相应地发生变化。例如：土的性质随着粒径的变细可由无粘性变化到有粘性。将土中各种不同粒径的土粒，按适当的粒径范围，分为若干粒组，各个粒组随着分界尺寸的不同而呈现出一定质的变化。划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。下表提供的是一种常用的土粒粒组的划分方法。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。 粒组名称粒径范围一般特征漂石、块石颗粒>200渗透性很大、无粘性、无毛细水。碎石、卵石颗粒20～200圆砾、角砾颗粒2～20渗透性很大、无粘性、毛细水上升高度不超过粒径大小。砂粒0.075～2易透水，当混入云母等杂质时透水性减小，而压缩性增加；无粘性，遇水不膨胀，干燥时松散，毛细水上升高度不大，随粒径变小而增大。粉粒0.005～0.075透水性小，湿时稍有粘性，遇水膨胀小，干时稍有收缩，毛细水上升高度较大较快，极易出现冻胀现象。粘粒<0.005透水性很小，湿时有粘性、可塑性，遇水膨胀大，干时收缩显著，毛细水上升高度大，但速度较慢。 土的颗粒级配:土粒的大小及其组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量(各粒组占土粒总量的百分数)来表示。颗粒分析试验方法：筛分法（d>0.075mm的土）比重计法（d<0.075mm的土） 筛分法（d>0.075mm的土） 颗粒级配曲线图 曲线的纵坐标表示小于某土粒的累计质量百分比,横坐标则是用对数表示的土的粒径。由曲线的坡度可判断土的均匀程度，曲线平缓，粒径大小相差悬殊，土粒不均匀。 几个特殊粒径：d10,d30,d60小于某粒径的土颗粒质量累积百分数为10%时，相应的粒径称为有效粒径d10。与之类似可以得到d30和d60（限定粒径）。土颗粒的级配指标：不均匀系数Cu=d60/d10曲率系数Cc=(d30)2/(d60×d10) 式中,d60—限定粒径。当小于某粒径的土粒质量累计百分数为60%时，相应的粒径称为d60；d10—有效粒径。当小于某粒径的土粒质量累计百分数为10%时，相应的粒径称为d10；d30—当小于某粒径的土粒质量累计百分数30%时的粒径用d30表示。 不均匀系数Cu反映大小不同粒组的分布情况。Cu越大表示土粒大小的分布范围越大，其级配越良好，作为填方工程的土料时，则比较容易获得较大的密实度。连续级配土CU>5,well-graded（级配良好）CU<5,poorly-graded（级配不好）曲率系数Cc描写累积曲线的分布范围，反映曲线的整体形状。但如Cu过大，表示可能缺失中间粒径，属不连续级配，故需同时用曲率系数来评价。不连续级配土CU>=5且CC=1-3（级配良好） 从曲线的形态上,可评定土颗粒大小的均匀程度。如曲线平缓，表示粒径大小相差悬殊，土粒不均匀，级配良好。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，可用作堤坝或其它土建工程的填方土料。 第二节土的物理性质指标土的三相比例指标是其物理性质的反映，但与其力学性质有内在联系，显然固相成分的比例越高，其压缩性越小，抗剪强度越大，承载力越高。三相比例指标反映了土的干燥与潮湿、疏松与紧密，是评价土的工程性质的最基本的物理性质指标，也是工程地质勘察报告中不可缺少的基本内容。三相比例指标可分为两种，一种是试验指标（基本指标）；另一种是换算指标。 一、土的三个基本试验指标土的天然密度公式：ρ=m/v测定：环刀法土的含水量公式：w=mw/ms×100％测定：烘干法土粒相对密度（土粒比重）公式：ds=ms/mw测定：比重瓶法 1.土的天然密度定义：单位体积土的质量。公式：范围：1.6-2.2g/cm3测定方法：环刀法。用一个圆环刀（刀刃向下）放置于削平的原状土样面上，垂直边压边削至土样伸出环刀口为止，削去两端余土，使与环刀口面齐平，称出环刀内土质量。 2.土粒比重（相对密度或比重）定义：单位体积土粒的质量与4度是纯水的密度之比。公式：单位：无量纲范围：土的名称砂土粉土粘性土土粒比重2.65~2.692.70~2.712.72~2.74 3.含水量W(以%表示)定义：土中水的质量与土粒质量之比值。公式：单位：无，%常见值：砂土W=（0~40)%；粘性土W=（20~60)%意义：表示湿度的物理指标，与土的种类，埋藏条件及其所处的自然地理环境等有关。测定方法：烘干法。 1.孔隙比(以小数表示)定义：土中孔隙体积与土粒体积之比。公式：单位：无量纲换算公式：范围：粘性土和粉土:(0.4-1.2)；砂土:(0.3-0.9)。◇e<0.6低压缩性土◇e>1.0高压缩性土二、反映土松密程度的指标 2.孔隙率(以%表示)定义：土中孔隙所占总体积之比。物理意义：表示土中孔隙大小的程度。公式：换算公式：范围：粘性土和粉土:(30~60);砂土:(25~45)。 饱和度(用%表示)定义：土中水的体积与孔隙体积之比，。物理意义：表示水在孔隙中充满的程度。公式：范围：0-1换算公式：三、反映土中含水量的指标 工程应用：饱和度可以反映土的干湿程度，砂土根据饱和度Sr的指标值分为稍湿、很湿与饱和三种湿度状态，其划分标准见下表：砂土湿度状态稍湿很湿饱和饱和度Sr(%)Sr≤505080 1.干密度定义：土单位体积中固体颗粒部分的重量。物理意义：表示水在孔隙中充满的程度。工程上常用土的干密度来评价土的密实程度,以控制填土、高等级公路路基和坝基的施工质量。公式：范围：13~18单位：kN/m3四、特定条件下土的密度指标 2.饱和密度定义：土的孔隙中全部充满水时单位体积土的质量。公式：范围：18~23kN/m3 3.浮密度(有效密度)定义：地下水位以下，土体受水的浮力作用时，扣除水的浮力后单位体积土的质量。公式：范围：8~13kN/m3 在计算自重应力时，须采用土的重力密度，简称重度。土的湿重度r土的干重度rd=r/(1+w)土的饱和重度rsat=(ds+e)rw/(1+e)土的有效重度r,=rsat-rw以上重度等于各自的密度乘以g 几种重度之间的内在联系 计算题例：某地基土样数据如下：环刀体积60cm3，湿土质量0.1204kg，干土质量0.0992kg，土粒相对密度为2.71，试计算：天然含水量w，天然重度γ，干重度γd，孔隙比e。 第三节土的结构与构造一、土的结构1.定义：指土颗粒的大小、形状、表面特征，相互排列及其联结关系的综合特征。2.分类：单粒结构砂层，砾石层蜂窝结构粉粒絮状结构粘粒二、土的构造1.定义：指同一土层中成分和大小都相近的颗粒或颗粒集合体相互关系的特征。2.分类：层状构造分散构造砂，砾石，卵石裂隙构造粘性土通常分散构造的工程性质最好，裂隙状构造中，因裂隙强度低、渗透性大，工程性质差。 单粒结构单粒结构是由粗大土粒在水或空气中下沉而形成的。因其颗粒较大、土粒间的分子吸引力相对很小，所以颗粒间几乎没有联结，至于未充满孔隙的水分只可能使其具有微弱的毛细水联结。单粒结构可以是疏松的，也可以是紧密的。呈紧密状单粒结构的土，由于其土粒排列紧密，在动、静荷载作用下部不会产生较大的沉降，所以强度较大，压缩性较小，是较为良好的天然地基。具有疏松单粒结构的土，其骨架是不稳定的，当受到展动及其他外力作用时、土粒易于发生移动，土中孔隙剧烈减少。引起土的很大变形，因此，这种土层如未经处理一般不宜作为建筑物的地基。→“砂土液化” 蜂窝结构蜂窝结构是主要由粉粒(0.075～0.005mm)组成的土的结构形式。据研究，粒径在0.075～0.005mm左右的土粒在水中沉积时，基本上是以单个土粒下沉，当碰上已沉积的土粒时，由于它们之间的相互引力大于其重力，因此土粒就停留在最初的接触点上不再下沉，形成具有很大孔隙的蜂窝状结构。 絮状结构絮状结构是由粘粒(<0.005mm)集合体组成的结构形式。粘粒能够在水中长期悬浮，不因自重而下沉。当这些悬浮在水中的粘粒被带到电解质浓度较大的环境中(如海水)粘粒凝聚成絮状的集粒(粘粒集合体)而下沉，并相继和已沉积的絮状集粒接触，而形成类似蜂窝而孔隙很大的絮状结构(也称二级蜂窝结构)。 具有蜂窝结构和絮状结构的土，颗粒间存在大量微细孔隙，其压缩性大、强度低、透水性弱。又因土粒之间的联结较弱且不甚稳定，在受扰力作用下(如施工扰动影响)，土粒接触点可能脱离，部分结构遭受破坏，土的强度会迅速降低。具有蜂窝结构和絮状结构的土，其土粒之间的联结力(结构强度)往往由于长期的压密作用和胶结作用而得到加强。三、土的工程特性1）压缩性2）强度低3）透水性大 一、粘性土的状态与界限含水量稠度指粘性土含水量不同时所表现出的物理状态,它反映了土的软硬程度或对外力引起的变化或破坏的抵抗能力的性质。随着含水量的改变，粘性土将经历不同的物理状态。◇当含水量很大时，土是一种粘滞流动的液体即泥浆，称为流动状态；◇随着含水量逐渐减少，粘滞流动的特点渐渐消失而显示出塑性，称为可塑状态；第四节粘性土的界限含水量 ◇当含水量继续减少时，则发现土的可塑性逐渐消失，从可塑状态变为半固体状态。◇如果同时测定含水量减少过程中的体积变化，则可发现土的体积随着含水量的减少而减小，但当含水量很小的时候，土的体积却不再随含水量的减少而减小了，这种状态称为固体状态。 界限含水量：粘性土由一种状态转到另一种状态时的分界含水量。液限wL：流动状态与可塑状态间的分界含水量称液限；塑限wp：可塑状态与半固体状态间分界含水量称塑限；缩限ws：半固体状态与固体状态间的分界含水量称缩限。 测试方法用搓条法测定塑限wp搓条法:即用双手将天然湿度的土样搓成小圆球（球径小于10mm），放在毛玻璃板上再用手掌慢慢搓滚成小土条，用力均匀，搓到土条直径为3mm，出现裂纹，自然断开，这时土条的含水量就是塑限wp值。搓好的泥条 用平衡锥式液限仪测定wL其工作过程是：将粘性土调成均匀的浓糊状，装满盛土杯，刮平杯口表面，将76克重圆锥体轻放在试样表面的中心，使其在自重作用下徐徐沉入试样，若圆锥体经5秒种恰好沉入10mm深度，这时杯内土样的含水量就是液限wL值。为了避免放锥时的人为晃动影响，可采用电磁放锥的方法。锥式液限仪 二、塑性指数Ip定义：是指液限和塑限的差值（省去%号），即土处在可塑状态的含水量变化范围，用Ip表示。物理意义：塑性指数愈大，土处于可塑状态的含水量范围也愈大。塑性指数的大小与土中结合水的可能含量有关，土中结合水的含量与土的颗粒组成、矿物组成以及土中水的离子成分和浓度等因素有关。工程应用：由于塑性指数在一定程度上综合反映了影响粘性土特征的各种重要因素，因此，在工程上常按塑性指数对粘性土进行分类。粘土粉质粘土 三、液性指数IL定义：是指粘性土的天然含水量与塑限的差值除以塑性指数，用IL表示。即物理意义：液性指数也称相对稠度，反映了土的硬度不同。工程应用：根据IL不同，可划分五种软硬不同的状态。状态坚硬硬塑可塑软塑流塑液性指数IL≤001.0 第五节砂土的密实度砂土的密实度对其工程性质具有重要的影响。密实的砂土具有较高的强度和较低的压缩性，是良好的建筑物地基；松散的砂土，尤其是饱和松散砂土，不仅强度低，且水稳定性很差，容易产生流砂、液化等工程事故。对砂土评价的主要问题是正确地划分其密实度。土的密实度通常是指单位体积中固体颗粒充满的程度。密实度反映无粘性土工程性质的主要指标。判别砂土的密实度有以下三种方法。 1.用孔隙比e为标准砂土的密实度（规范）砂土的密实度并不单独取决于孔隙比，而在很大程度上取决于土的级配情况评价：（1）优点：简捷方便；（2）缺点：无法反映土的粒径级配因素。密实中密稍密松散砾砂粗砂中砂e<0.60.60.85细砂粉砂e<0.70.70.95 2.用相对密实度Dr为标准Dr—土的相对密实度；emax—土的最大孔隙比；emin—土的最小孔隙比；e—土的天然孔隙比。评价：（1）优点：计入土的级配因素，理论上完善；（2）缺点：天然孔隙比难以获取，且emax,emin的测定受人为的影响较大。密实度密实中密松散相对密度1.0～0.670.67～0.330.33～0 3.用标准贯入试验N为标准（工程实践中划分砂土密实度的最常用的方法）标准贯入试验(SPT)是动力触探的一种，它利用一定的锤击动能(锤重63.5kg，落距76cm)，将一定规格的对开管式的贯入器打入钻孔孔底的土中，根据打入土中的贯阻抗，判别土层的工程性质。贯入阻抗用贯入器贯入土中30cm的锤击数N表示，N也称为标贯击数。该实验的应用主要有评定砂土的相对密度、评定地基土承载力、估算单桩承载力等。建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)锤击数N63.5N≤101030密实度松散稍密中密密实 标准贯入试验(SPT) 第六节土的压实性一、土的压实性土体能够通过振动、夯实和碾压等方法调整土粒排列，进而增加密实度的性质。二、影响压实效果的因素1．含水量的影响。含水量是影响压实效果的决定因素，在最佳含水量时土处于硬塑状态，较易获得最佳压实效果。压实到最大密实度的土体，水稳定性最好。 2．土类及级配的影响不同类型土的压实性能是不一样的，就填土压实而言，最适宜的是砂砾土、砂土和砂性土，这些土易压实，有足够的稳定性，沉陷小。最难压实的是粘土，在潮湿状态下这种土不稳定，最佳含水量比其它土类大，而最大干密度却较小，但经压实的粘土仍具有良好的不透水性。 3．压实功能同一类土，其最佳含水量随压实功能的加大而减小，而最大干容重则随压实功能的加大而增大。当土偏干时，增加压实功能对提高干容重影响较大，偏湿时则收效甚微。另外，当压实功能加大到一定程度后，对最佳含水量的减小和最大干容重的提高都不明显了。这就是说，单纯用增大压实功能来提高土的密实度未必合算，压实功能过大还会破坏土体结构。 土的工程特征土与其它连续介质的建筑材料，具有下列三个显著的工程特征：1.压缩性高反映材料压缩性高低的指标弹性模量E(土称变形模量),随着材料的不同而有极大的差别,例如:钢筋E=21万MPa;C20混凝土E=2.0万MPa;卵石E=50MPa;饱和细砂E=10MPa.2.强度低抗剪强度低，而非抗压、抗拉强度；3.透水性大颗粒之间有无数孔隙。第七节土的工程分类 岩石定义：颗粒间牢固联结，形成整体、节理、裂隙的岩体。分类：◇按成因分为岩浆岩、沉积岩和变质岩；◇按坚硬程度分为坚硬岩、较硬岩、较软岩、软岩、极软岩等；◇按风化程度分为未风化、微风化、中风化、强风化、全风化等；◇根据完整性可分完整、较完整、较破碎、破碎和极破碎等。 碎石土定义：粒径>2mm的颗粘含量超过全重的50%。分类：按粒径和颗粒形状可进一步划分为漂石、块石、卵石、碎石、圆砾和角砾，见下表。碎石土的分类碎石土没有粘性和塑性，属于单粒结构土的名称颗粒形状粒组含量漂石块石圆形及亚圆形为主棱角形为主粒径>200mm的颗粒超过全重的50％卵石碎石圆形及亚圆形为主棱角形为主粒径>20mm的颗粒超过全重的50％圆砾角砾圆形及亚圆形为主棱角形为主粒径>2mm的颗粒超过全重的50％ 砂土定义：指粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重的50%、粒径大于0.075mm的颗粒超过全重50%的土。分类：砂土按粒组含量分类如下表碎石土的分类土的名称颗粒级配砾砂粒径>2mm的颗粒占全重的25～50％粗砂粒径>0.5mm的颗粒超过全重的50％中砂粒径>0.25mm的颗粒超过全重的50％细砂粒径>0.75mm的颗粒超过全重的85％粉砂粒径>0.75mm的颗粒超过全重的50％ 粉土定义：粉土是指粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过总质量的50％，且塑性指数Ip≤10的土。粉土是介于砂土和粘性土之间的过渡性土类，它具有砂土和粘性土的某些特征，根据粘粒含量可以将粉土再划分为砂质粉土和粘质粉土。 粘性土定义：粘性土是指塑性指数Ip>10的土。根据塑性指数大小，粘性土可再划分为粉质粘土和粘土两个亚类：当1017时为粘土。又可按沉积年代分类老粘土：Q3及以前的土，强度高，压缩性低一般粘性土：Q4新近沉积的粘性土：文化期以来(久固结) 人工填土定义：人工填土是指由人类活动而堆填的土。其物质成分较杂，均匀性较差。根据其物质组成和堆填方式，填土可分为素填土、杂填土、冲填土和压实填土四类。各类填土应根据下列特征予以区别：1、素填土是由碎石、砂或粉土、粘性土等一种或几种材料组成的填土其中不含杂质或含杂质很少。按主要组成物质分为碎石素填土、砂性素填土、粉性素填土及粘性填土。经分层压实后则称为压实填土。2、杂填土是含大量建筑垃圾、工业废料或生活垃圾等杂物的填土。按其组成物质成分和特征分为建筑垃圾土、工业废料土及生活垃圾土。3、冲填土为由水力冲填泥浆形成的填土。 特殊土定义：特殊土是指在特定地理环境或人为条件下形成的具有特殊性质的土。它的分布一般具有明显的地域性。特殊土包括软土、人工填土、湿陷性黄土、红粘土、膨胀土、多年冻土等。软土是指沿海的滨海相、三角洲相、湖泊相、沼泽相等主要由细粒土组成的土，具有孔隙比大（一般大于1）、天然含水量高（接近或大于液限）、压缩性高和强度低的特点。包括淤泥、淤泥质粘性土、淤泥质粉土等。多数还具有高灵敏度的结构。 淤泥：天然含水量大于液限，天然孔隙比e≥1.5的粘性土。淤泥质土：天然孔隙比1.0≤e<1.5的粘性土。当土中有机质含量大于5%时称为有机质土；大于60%时则称泥炭。泥炭往往以夹层构造存在于一般粘性土层中，对工程十分不利，必须引起足够重视。 湿陷性黄土：是指土体在一定压力下受水浸湿时产生湿陷变形量达到一定数值的土。(湿陷变形量按野外浸水载荷试验确定)红粘土：是指碳酸盐岩系的岩石，经红土化作用形成并覆盖于基岩上的棕红、褐黄等颜色的高塑性粘土。其液限一般大于50，上硬下软，具明显的收缩性，裂隙发育，经坡、洪积再搬运后仍保留红粘土基本特征，液限大于45小于50的土称为次生红粘土。我国的红粘土以贵州、云南、广西等省区最为典型，分布广。 膨胀土：一般是指粘粒成分主要由亲水性粘土矿物（以蒙脱石和伊利石为主）所组成的粘性土，在环境和湿度变化时，可产生强烈的胀缩变形，具有吸水膨胀、失水收缩的特性。已有的建筑经验证明，当土中水份聚集时，土体膨胀，可能对与其接触的建筑物产生强烈的膨胀上抬压力而导致建筑物的破坏；土中水分减少时，土体收缩并可使土体产生程度不同的裂隙，导致其自身强度的降低或消失。 多年冻土：是指温度等于或低于摄氏零度、含有固态水且这种状态在自然界连续保持三年或三年以上的土。当自然条件改变时，会产生冻胀、融陷、热融滑塌等特殊不良地质现象及发生物理力学性质的改变。 土层分布示意