土的性质及工程分类概要

本章提要土的性质：物理性质、力学性质、水理性质和工程性质。土是由颗粒、水和气组成的三相分散体系。土中颗粒的大小、成分及三相之间的比例关系，反映出土的不同物理性质。土的物理性质又与力学性质有着密切的联系。进行土力学计算及处理地基基础问题时，必须熟练掌握反映土三相组成比例和状态的各指标的定义、试验或计算方法，以及按土的有关特征和指标确定地基土的分类方法。本章需了解土的三相组成，要牢固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，掌握无粘性土和粘性土的工程特性，熟练使用地基土的分类方法，深入了解工程中常用到的渗透定律、压实原理及流砂现象。2.1土的概念土是由岩石经过物理风化和化学风化后的产物，是由各种大小不同的土粒按各种比例组成的集合体，土粒之间的空隙中包含着水和气体，是一种三相体系。土的三相体系土的气相土的液相土的固相 土是由固体颗粒、水和气体三部分组成，通常称为土的三相组成。随着三相物质的质量和体积的比例不同，土的性质也将不同。2.2.1土的固相原生矿物：岩浆在冷凝过程中形成。如：石英、长石。次生矿物：原生矿物经过化学风化作用后形成的矿物，如粘土矿物、碳酸盐等。土的固体颗粒物质包括无机矿物颗粒和有机质，是构成土的骨架最基本的物质。无机矿物次生矿物原生矿物1、土的矿物成分2.2土的三相组成及土的结构构造次生矿物的水溶性对土的工程特性有很大的影响。粘土矿物：矿物发生分解，形成新的物质。某些矿物分解为次生的粘土矿物。粘土矿物具有很强的亲水性对土的工程性质影响很大。下面以三种主要粘土矿物为例，介绍其结构特征和基本的工程特性。难溶的易溶的不溶的次生矿物按与水的作用可分为：硅-氧四面体6个硅-氧四面体组成一个硅片铝-氢氧八面体4个八面体组成一个铝片粘土矿物依硅片和铝片的组叠形式的不同，可以分为蒙脱石、伊利石和高岭石三种主要类型。(2)伊利石膨胀性和收缩性都较蒙脱石小。(3)高岭石高岭石的亲水性、膨胀性和收缩性均小于伊利石，更小于蒙脱石。(1)蒙脱石土中蒙脱石含量较大时，该土可塑性和压缩性高，强度低，渗透性小，具有较大的吸水膨胀和脱水收缩的特性。2、土粒粒组(1)粒度：土粒的大小称为粒度。(2)粒组：工程上把大小、性质相近的土粒合并为一组。(3)界限粒径：划分粒组的分界尺寸。3、土的颗粒级配土中所含各粒组的相对含量，以土粒总重的百分数表示，称为土的颗粒级配。10.01.5---0.00128.96.7---0.00540.010.9---0.01077.619.0---0.07592.023.69.00.1100.028.535.00.25---34.776.50.5---42.792.91---55.098.92---75.01005---100.0--10土样C土样B土样A小于等于某粒径的土粒的累计百分含量(%)粒径(mm)限定粒径中值粒径有效粒径工程中常用不均匀系数Cu和曲率系数Cc来反映土颗粒级配的不均匀程度。可见，不均匀系数Cu反映了大小不同粒组的分布情况，曲率系数Cc描述了级配曲线分布的整体形态。工程上对土的级配是否良好可按如下规定判断：①对于级配连续的土：Cu>5，级配良好；反之，Cu<5，级配不良。②对于级配不连续的土，级配曲线上呈台阶状，则需同时满足Cu>5和Cc＝1～3两个条件时，才为级配良好，反之级配不良。4、颗粒分析试验对于粒径大于0.075mm的粗粒土，可用筛分法。对于粒径小于0.075mm的细粒土，则可用沉降分析法(水分法)。通常需上述两种方法联合使用。(1)筛分法(2)沉降分析法2.2.2土中水和气1、土中水土中水按存在形态分有液态水、固态水和气态水。重力水自由水弱结合水强结合水结合水土中液态水毛细水2、土的冻胀土的冻胀现象和融陷现象是季节性冻土的特性，亦即土的冻胀性。在持续负温作用下，地下水位较高处的粉砂、粉土、粉质粘土等土层常具有较大的冻胀危害。防治冻胀的工程主要措施措施是，要将构筑物基础底面置于当地冻结深度(可查有关 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 )以下，以防止冻害的影响。3、土中气在粗颗粒的沉积物中常见到与大气相连通的空气，它对土的工程性质影响不大。在细颗粒中则存在与大气隔绝的封闭气泡，封闭气体对土的工程性质影响较大。土的结构和构造土的结构是指土粒单元的大小、形状、相互排列及其联结关系等因素形成的综合特征。蜂窝结构单粒结构土的结构絮凝结构1、单粒结构单粒结构是碎石土和砂土的结构特征。紧密状单粒结构的土，强度较大，压缩性较小，是较为良好的天然地基；而具有疏松单粒结构的土，其骨架不稳定，当受到振动或其他外力作用时，引起土体较大的变形，这种土层如未经处理一般不宜作为建筑物的地基。2、蜂窝结构蜂窝状结构是以粉粒(0.075－0.005mm)为主的土的结构特征。可承担一般的水平静荷载。但当其承受较高水平荷载或动力荷载时，其结构将破坏，导致严重的地基沉降。3、絮状结构絮状结构是粘土颗粒特有的结构特征。土的结构形成以后，当外界条件变化时，土的结构会发生变化。在取土试验或 施工 文明施工目标施工进度表下载283施工进度表下载施工现场晴雨表下载施工日志模板免费下载 过程中都必须尽量减少对土的扰动，避免破坏土的原状结构。土的构造是指在同一土层中的物质成分和颗粒大小等都相近的各部分之间的相互关系的特征。土的构造最主要特征就是成层性，即层理构造。它是在土的形成过程中，由不同阶段沉积的物质成分、颗粒大小或颜色的不同，而沿竖向呈现的成层特征。土的构造的另一特征是土的裂隙性，如黄土的柱状裂隙。裂隙的存在大大降低土体的强度和稳定性，增大透水性，对工程不利。2.3土的物理性质指标一、土的三相比例指标：指土的三相物质在体积、质量上的比例关系。它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。二、土的三相图三、土的三项基本物理性质指标（也称试验指标）1、土的密度（ρ）和重度(γ)：单位体积的土的质量称为土的密度。单位体积的土的重力称为土的重度。所谓单位体积就是包括孔隙体积在内的体积。（g/cm3）测试方法：粘性土一般采用环刀法。(kN/m3)土的体积土的质量2、土的含水量含水量常用烘干法测定，它是描述土的干湿程度的重要指标。土的天然含水量变化范围很大，从干砂的含水量接近于零到蒙脱土的含水量可达百分之几百。土中水的质量mw与固体（土粒）质量ms之比。3、土粒相对密度2.74～2.762.71～2.732.712.702.65～2.69粘土粉质粘土粘质粉土砂质粉土砂土土粒相对密度变化不大，可按经验值选取。测试方法：用比重瓶法测定。一般的土粒相对密度为：土的固体颗粒质量与同体积4℃时的纯水质量之比。单位：g/m3四、换算指标1、干密度是指土的固相质量ms与土的总体积V之比。干重度：γd＝ρdg(kN/m3)（g/cm3）干密度ρd越大，土越密实，强度就越高，水稳定性越好。ρd常作为填土密实度的施工控制指标。常见值：ρd＝（1.3～1.8）(g/cm3)2、饱和密度（ρsat）和饱和重度(γsat)土的孔隙中全部为水所充满时土的密度。饱和重度：常见值：ρsat＝（1.8～2.3）(g/cm3)（g/cm3）(kN/m3)3、有效密度ρ’和有效重度γ’有效密度ρ’－水位以下的土体受到浮力作用时，单位体积的质量。有效重度（浮重度）γ’－指扣除浮力以后的固相重力与土的总体积之比。ρ’＝ρsat–ρw（g/cm3）4、土的孔隙比e指孔隙的体积VV与土粒的体积VS之比。e是评价土的紧密程度的指标。常见值：砂土e=0.5~1.0，当e<0.6呈密实状态，为良好地基。粘性土e=0.5~1.2，当e>1.0时为软弱土。5、土的孔隙率n孔隙的体积VV与土的总体积之比。常见值：n=(30~50)%6、土的饱和度sr孔隙中水的体积VW与孔隙体积VV之比。Sr和含水量w是反映土中含水程度的指标。常见值：sr＝0～1饱和土：sr＝1五、三相比例指标的相互换算利用换算公式求得全部计算指标。利用三相草图计算物理指标的方法：（1）首先绘制三相草图；（2）根据已知的三个试验指标计算其余的指标。技巧：令V=1或VS=1，可使计算大为简化。【解】1、绘三相草图；【例题】已知土的试验指标为：土的重度γ=17kN/m3，土粒重度γs=27.2kN/m3和含水量w=10％，求其余6个物理指标。2、设土的体积等于1，即V=1则土的质量：3、已知含水量而4、土粒密度而：5、孔隙体积：6、水的体积：7、气体的体积：8、根据土的物理性质指标表达式可求出：（1）孔隙比：（2）孔隙率：（3）饱和度：（4）干密度：（5）饱和密度：（6）有效密度：ρ’＝ρsat–ρw＝1.98－1＝0.98(g/m3)(g/m3)(g/m3)【例题2】 已知土的试验指标为：土的重度γ=18kN/m3，土粒密度ρs=2.7g/cm3和含水量w=12％，求e,Sr和γd。【解1】设土的体积等于1，即V=1则土的重力W=gV=18kN已知土粒的重力Ws与水的重力Ww之和等于土的重力W，即:W=Ws+Ww水的重力Ww与土的重力Ws之比等于含水量w，则Ww＝w×Ws＝0.12Ws代入式（1）：Ws＋0.12Ws＝W＝18kN解得：Ws＝16kNWw＝2kN土粒体积：Vs＝Ws/rsg=0.60m3孔隙的体积：Vv=V-Vs=1－0.60=0.40m3，水的体积：Vw＝Ww/gw=2/9.8=0.20 m3。根据三相指标定义可计算孔隙比e，饱和度Sr和干重度gd的数值：孔隙比e：饱和度Sr:干重度gd：【解2】直接利用表2.7的换算公式计算：孔隙比e：饱和度Sr:干重度gd：【例题2】 已知土的试验指标为：土的重度γ=18kN/m3，土粒密度ρs=2.7g/cm3和含水量w=12％，求e，Sr和γd。2.4无粘性土的密实度e>0.950.85≤e≤0.950.70≤e≤0.85e<0.70细砂、粉砂e>0.850.75≤e≤0.850.6≤e≤0.75e<0.60砾砂、粗砂、中砂松散稍密中密密实土的名称一、无粘性土密实度的工程意义砂、卵石等无粘性土的密实度对其工程性质具有重要的影响。密实的无粘性土具有较高的强度和较低的压缩性，是良好的建筑物地基；但松散的无粘性土土，尤其是饱和的松散砂土，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。二、工程中划分密实度的 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1、以孔隙比e为标准2、以相对密实度Dr为标准0.33～00.67～0.331～0.67相对密实度Dr疏松中密密实密实度砂土密实度划分标准砂土的相对密实度Dr：砂土处于密实状态时，其孔隙比emin称为最小孔隙比；处于最疏松状态时的孔隙比则称为最大孔隙比emax，e为土的天然孔隙比。3、以标准贯入试验锤击数N为标准15＜N≤30中密密实稍密松散密实度N＞3010＜N≤15N≤10N值《岩土工程勘察规范》（GB50021-94)按标准贯入锤击数N确定砂土密实度标准贯入试验：是用规定的锤重（63.5kg）和落距（76cm）把标准贯入器（带有刃口的对开管，外径50mm，内径35mm）打入土中，记录贯入一定深度（30cm）所需的锤击数N的原位测试方法。N反映了土层的松密和软硬程度，是一种简便的测试手段。2.5粘性土的物理特性一、粘性土的状态与界限含水量1、土的状态含水量大时，土呈流动状态；含水量减小时，土由流动状态过渡到可塑状态；含水量继续减小，土由可塑状态过渡到半固体状态；含水量低时，土由半固体状态转为固体状态。2、土的可塑性：指土可塑成任何形状而不发生裂缝，并在外力解除后能保持已有的形状而不恢复原状的性质。3、界限含水量：土从一种状态变到另一种状态时，含水量分界点称为界限含水量。液限WL：流动状态与可塑状态的分界含水量。测定方法：采用锥式液限仪或碟式液限仪测定。塑限WP：可塑状态与半固体状态的分界含水量。测定方法：搓条法。当搓的土条直径为3mm时断裂为若干段，此时测得的土条含水量即为该土的塑限。缩限WS：半固态到固态的分界含水量。二、塑性指数IP定义：可塑性是粘性土区别于砂土的重要特征。可塑性大小用土处于塑性状态的含水量的变化范围来衡量，该范围即为塑性指数。工程应用：用IP作为粘性土和粉土的定名标准。IP>17：粘土：101.00.754.02.0201017土的名称塑性指数细粒土：是指粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过总质量的50％的土。4、人工填土人工填土：由于人类活动而堆积的土，其物质成分杂乱，均匀性较差。（1）素填土：由碎石、砂土、粉土、粘性土等组成的填土。（2）杂填土：含有大量建筑垃圾、工业废料和生活垃圾等杂物的填土。（3）冲填土：由水力冲填泥砂形成的填土。5、特殊土具有一定分布区域或工程意义上具有特殊成分、状态和结构特征的土。大体可分为软土、红粘土、黄土、膨胀土、多年冻土和盐渍土等。《公路土工试验规程》（JTJ051－93）的土的分类标准位于塑性图A线上方粘质土位于塑性图A线下方粉质土细粒含量超过50％细粒土砂粒含量超过50％砂类土砾粒含量超过50％砾类土粗粒含量超过50％粗粒土巨粒含量50％～75％漂（卵）石夹土巨粒含量75％～100％漂（卵）石巨粒含量超过50％巨粒土划分标准亚类划分标准土类2.8土的动力特性2.8.1土的压实原理土的压实性：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。实际工程中采用压实的方法归纳为碾压、夯实和振动三类。粘性土在进行碾压或夯实时出现软弹现象。含水量不同，改变土中颗粒间的作用力，改变土的结构和状态，影响者土体的压实性。土的干密度是反映土的密实度的重要指标，它与土的含水量、压实能量和填土的性质等有关。1、击实曲线wop：在一定夯击能量下填土最易压实并获得最大密实度的含水量称作土的最优含水量（最佳含水量）。：在最优含水量下得到的干密度称作填土的最大干密度。2、含水量的影响（1）对较干的土进行夯实或碾压，不能使土充分压实；（2）对较湿的土进行夯实或碾压出现软弹现象。在含水量小于最优含水量时，土的抗剪强度和模量均比最优含水量时高；但将其浸泡后，其强度损失很大。只有在最优含水量时浸水饱和后的强度损失小，压实土的稳定性最好。3、土的级配的影响级配良好的土，压实时细颗粒能填充到粗颗粒形成的孔隙中，获得较高的干密度。反之，颗粒级配越均匀压实效果越差；对于粘性土，压实效果与粘土矿物成分含量有关。2.8.2土的振动液化土的液化：饱和状态砂土或粉土在一定强度的动荷载作用下表现出类似液体性质而完全丧失承载力的现象。1、砂土液化的表观现象喷砂冒水、震陷、滑坡、上浮。2、砂土液化的机理砂土在震前处于松散状态，当受水平方向的振动荷载作用，颗粒要挤密，最终形成紧密的排列。在由松变密的过程中，如果土是饱和的，孔隙内充满水，且孔隙水在振动的短促时间内排不出去，就将出现从松到密的过渡阶段。这时颗粒离开排列位置，而又未落到新的稳定位置上，与四周颗粒脱离接触，处于悬浮状态。这种情况下，颗粒的自重，连同在颗粒上的荷载将全部由水承担。3、影响砂土液化的主要因素（1）土类粘性土具有粘聚力，难以发生液化；砾石等粗粒土孔隙水压力易于消散，一般不会发生液化。粉、细砂土和粉土易于液化；级配均匀的土比级配良好的砂土易于液化。（2）土的密度 松砂在振动中体积易于缩小，比较容易液化。（3）土的初始应力状态固结压力越大，其他条件相同时越不易液化。（4）往复应力强度与往复次数    对于同一种土而言，往复应力越小，则需越多的振动次数才可能产生液化；反之，则很少振动次数就可产生液化。4、砂土液化的防治加强基础：桩基础等深基础，使桩穿过液化层进入稳定土层中。 清除或减轻液化可能性：换土、加密、胶结及设置排水系统等地基处理方法。