土的性质及工程分类.ppt

第1章、土的物理性质和分类,1.1 概述,“土”一词在不同的学科领域有其不同的涵义。就土木工程领域而言，土是指覆盖在地表的没有胶结和弱胶结的颗粒堆积物。土与岩石的区分仅在于颗粒间胶结的强弱。,土的三相组成,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,土的骨架颗粒扫描电镜照片,1.2 土的组成,1.2.1 土的固体颗粒,土的固体颗粒: 是由大小不等、形状不同的矿物颗粒或岩石碎屑按照各种不同的排列方式组合在一起，构成土的骨架。这些固体相的物质称为“土粒”，是土中最稳定、变化最小的成分。 土的颗粒组成: 土中不同大小颗粒的组合，也就是各种不同粒径的颗粒在土中的相对含量，称土的颗粒组成； 土的矿物组成: 组成土中各种土粒的矿物种类及其相对含量称土的矿物组成。 土的颗粒组成与矿物组成是决定土的物理力学性质的物质基础。,内动力地质作用,内动力地质作用一般认为是由于地球自转产生的旋转能和放射性元素蜕变产生的热能等，引起地壳物质成分、内部结构以及地表形态发生变化的作用和过程，如岩浆侵入与火山喷发，地壳运动导致的褶皱、断裂、地震等。,地壳运动,断层构造,地震作用,1999年台湾地震,外动力地质作用,外动力地质作用是指地壳的表层在气温变化、雨雪、山洪、河流、冰川、风、生物、人类活动等的作用下，不断地被风化、剥蚀，将高处物质搬运到低洼处沉积下来的过程。,石林,海蚀地貌,东昆仑北坡1号冰川,天山石流坡,金沙江,泥石流泻入长江影响航道,风化作用,物理风化：指由于温度变化、水的冻胀、波浪冲击、地震等引起的物理力使岩体崩解、碎裂成岩块、岩屑的过程。物理风化仅使岩石产生量的变化。 化学风化：指岩体(或岩块、岩屑)与空气、水和各种水溶液相接触，经氧化、碳 化和水化作用分解为极细颗粒的过程，生物的活动也可 助长风化的进程。而化学风化却使岩石产生质的变化。,土的矿物成分,矿物是地质作用形成的单质或化合物，各种矿物具有特定的晶体结构，是组成地壳的基本物质。,原生矿物,次生矿物,矿物,原生矿物,岩石经物理风化后，破碎成土粒，风化破碎前母岩中的矿物成分仍然保留着，这种矿物称为原生矿物，如石英、长石、云母等。原生矿物的抗风化能力强，性质比较稳定，粗的卵砾组与砂粒组土粒一般都是原生矿物或矿物组合。,次生矿物,原生矿物在一定的气候条件下，经化学风化作用后，使其颗粒变小，呈胶粒或准胶粒，同时矿物的晶体结构被破坏，化学成分也发生迁移或重新组合，形成新的矿物，这种矿物称为次生矿物。 粘粒组的矿物成分主要有粘土矿物、氧化物、氢氧化物和各种难溶岩类，它们都是次生矿物。,粘土矿物,粘土矿物如蒙脱石、伊利石、高岭石等，是一组复合的层状硅酸盐矿物，主要由原生硅酸盐矿物经化学风化而形成。它们具有高分散性、高亲水性、较强的吸附性及离子置换性能。,粘土矿物,组成粘土矿物的颗粒极细，多呈片状，比表面积很大，与水作用具有活跃的物理-化学特性。当土中含有粘土矿物时，其工程地质性质对水的敏感性明显增强，如亲水性、透水性、可塑性、膨胀性等都有较大变化。因此，矿物组成，尤其是粘土矿物，对土的工程地质性质有很大的影响。,1.2.2 土粒粒度分析方法,自然界中的土粒，大小悬殊、性质各异，直径变化幅度很大，从数米的漂石到万分之几毫米的胶粒，为了研究土中各种大小土粒的相对含量及其与土的工程地质性质的关系，就有必要将工程地质性质相似的土粒归并成组，按其粒径的大小分为若干组别，这种组别称粒组。 工程上常以土中各个粒组的相对含量即各粒组占土粒总重的百分数表示土中颗粒的组成情况，这种相对含量称为颗粒级配。,土粒粒组的划分,土的颗粒级配,土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。 界限粒径划分粒组的分界尺寸。 土的颗粒级配土中各个粒组的相对含量(各粒组占土粒总重的百分数)。,颗粒级配累积曲线,颗粒级配累积曲线颗粒大小分析试验成果，由其横坐标（对数坐标）表示粒径。纵坐标则表示用小于(或大于)某粒径的土重含量(或称累计百分含量)。 土粒质量累计百分数为10时，相应的粒径称为有效粒径d10。小于某粒径的土粒质量累计百分数为30时的粒径用d0表示。当小于某粒径的土粒质量累计百分数为60时，该粒径称为限定粒径d0。,颗粒级配累积曲线,不均匀系数,曲率系数,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。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。 CU 5及Cc=1-3土级配良好,曲线平缓，粒径大小相差悬殊，土粒不均匀。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。,级配良好,颗粒分析实验,1、筛分法 用于粒径0.075mm的粗粒土 2、沉降分析法： 用于粒径0.075mm的细粒土,1.2.3 土中水和气,土中水的存在状态 土中水处于不同位置和温度条件下，可具有不同的物理状态固态、液态、气态。 液态水是土中孔隙水的主要存在状态，因其受土粒表面双电层影响程度的不同可分为结合水、毛细水、重力水。后两者也称为非结合水（自由水）。,1.土中水,2. 土中气,土中的气体主要是空气和水气，土中气体按其所处的状态和结构特点可分以下几种类型：吸附于土颗粒表面的气体，溶解于水中的气体，四周为颗粒和水所封闭的气体以及自由气体。通常认为自由气体与大气连通，对土的性质无大影响。密闭气体的体积与压力有关，压力增加，则体积缩小，压力减小，则体积胀大。因此，密闭气体的存在增加了土的弹性，同时还可阻塞土中的渗流通道，减小上的渗透性。,1.2.4 粘土颗粒与水的相互作用,土粒表面通常是带负电荷的，在土粒周围就产生一个电场。水溶液中的阳离子一方面受土粒表面的静电引力作用，一方面又受到布朗运动(热运动)的扩散力作用，这两个相反趋向作用的结果，使士粒周围的阳离子呈不均匀分布，其分布与地球周围的大气层分布相仿。在土粒表面所吸附的阳离子是水化阳离子，土粒表面除水化阳离子外，还有一些水分子也为土粒所吸附，吸附力极强。土粒表面被强烈吸附的水化阳离子和水分子构成了吸附水层(也称为强结合水或吸着水)。,双电层的概念,在土粒表面阳离子浓度最大，随着离土粒表面距离的加大，阳离子浓度逐渐降低，直至达到孔隙中水溶液的正常浓度为止。从土粒表面直至阳离子浓度正常为止，这个范围称为扩散层。当然，在扩散层内阴离子则为土粒表面的负电荷所排斥，随着离土粒表面距离的加大，阴离子浓度逐渐增高，最后阴离子也达水溶液中的正常浓度。土粒表面的负电荷和扩散层合起来称为双电层。,土粒表面的负电荷为双电层的内层，扩散层为双电层的外层。扩散层是由水分子、水化阳离子和阴离子所组成，形成土粒表面的弱结合水(也称为薄膜水)。,强结合水,强结合水紧靠土粒表面，厚度只有几个水分子厚，小于0.003m(1m0.001mm)，受到约1Mpa(1万个大气压)的静电引力，使水分子紧密而整齐地排列在土粒表面不能自由移动。强结合水的性质与普通水不同，其性质接近固体，不传递静水压力，100不蒸发，-78低温才冻结成冰，密度w(1.22.4)gcm3，平均为2.0 gcm3，具有很大的粘滞性、弹性和抗剪强度。当粘土只含强结合水时呈固体坚硬状态,砂土含强结合水时呈散粒状态。,弱结合水,弱结合水在强结合水外侧，呈薄膜状，也是由粘土表面的电分子力吸引的水分子，水分子排列也较紧密，密度密度w(1.22.4)gcm3，大于普通液态水。弱结合水也不传递静水压力，呈粘滞体状态，也具有较高的粘滞性和抗剪强度，冰点在-20-30。其厚度变化较大，水分子有从厚膜处向较薄处缓促移功的能力，在其员外围有成为普通液态水的趋势。此部分水对粘性土的影响最大。,非结合水,在双电层影响以外的水为自由液态水，它主要受重力作用的控制，土粒表面吸引力居次要地位，这部分水称为非结合水，它包括毛细水和重力水。,毛细水,毛细水是受到水与空气交界面处表面张力作用的自由水。毛管现象是毛细管壁对水的吸力和水的表面张力共同作用的结果。 毛细水按其与地下水面是否联系可分为毛细悬挂水(与地下水无直接联系)和毛细水上升水（与地下水相连）两种。,毛细水,毛细水是受毛细管作用控制的水，可以把土的孔隙看作是连续变截面的毛细管，毛细管放在水中，管中的水位会上升到自由水位以上的一定高度，毛管直径愈细上升高度愈高。在常温下毛细上升高度hc与毛管半径r有以下关系：,当r=0.1mm时，hc=150mm，这与砂土(粒径为0.5l mm)中的情况大致相当。粘土的孔隙直径约为0.1 ，按上式计算毛细上升高度将达150m。？,毛细区域内的水压力与一般静水压力的概念相同，它与水头高度非常hc成正比。负号表示拉力。自由水位以下为压力，自由水位以上，毛细区域内为拉力。颗粒骨架承受水的反作用力，因此自由水位以下。上骨架受浮托力，减小颗粒间的压力。自由水位以上，毛细区域内，颗粒间受拉力，毛细压力呈倒三角形分布。弯液面处最大，自由水面处为零。,毛细压力增加了土粒间的联结，所以 散粒状的砂土，当含有少量水分时具 有假粘聚力，但是当土饱和时，这种 联结作用即告消失。因此，由于毛细 力而呈现的粘性是暂时性的,重力水,重力水是存在于地下水位以下的适水土层中的地下水。它是在重力或压力差作用下运动的自由水，对土粒有浮力作用。重力水只受重力控制，不受土粒表面吸引力的影响。,1.2.5 土的结构和构造,土的结构是指土的物质组成（主要指土颗粒，也包括孔隙）的空间相互排列和土粒的联结特征的综合。 1水胶联结 2水联结 3无联结 4胶结联结 5冻结联结,单粒结构,是碎石类土和砂土的结构特征。其特点是土粒间没有联结或只有极微弱的水联结，可以略去不计。按土粒间的相互排列方式和紧密程度不同，可将单粒结构分为松散结构和紧密结构，,蜂窝结构：,主要是颗粒细小的粘性土具有的结构形式。当土粒粒径在0.02-0.002mm时，单个土粒在水中下沉，碰到已沉积的土粒，因土粒之间的分子引力大于土粒自重，则下沉的土粒被吸引不再下沉，逐渐由单个土粒串联成小链状体，边沉积边合围而成内包孔隙的似蜂窝状的结构。这种结构的孔隙一般远大于土粒本身尺寸，若沉积后的土层没有受过比较大的上覆压力，在建筑物的荷载作用下会产生较大沉降。,絮状结构(又称二级蜂窝结构),这是颗粒