土力学 第1章 土的物理性质及工程分类.pdf

第一章 土的物理性质及工程分类 第1章 土的物理性质及工程分类土的物理性质及工程分类 四 川 大 学 水 电 学 院四 川 大 学 水 电 学 院 省岩土工程重点实验室省岩土工程重点实验室省岩土工程重点实验室省岩土工程重点实验室 第一章 土的物理性质及工程分类 作业作业 1 7 1 11 1 13 1 16 第一章 土的物理性质及工程分类 内容 1 1 土的形成 1 1 土的形成 1 21 2 土的结构与构造土的结构与构造 1 1 2 2 土的结构与构造土的结构与构造 1 3 土的组成 1 3 土的组成 1 41 4 土的三相比例指标土的三相比例指标 1 1 4 4 土的三相比例指标土的三相比例指标 1 5 土的物理状态 1 5 土的物理状态 1 6 土的压实原理 1 6 土的压实原理 1 7 1 7 土的土的工工程分类程分类 土的程分类土的程分类 第一章 1 1 土的形成 概述概述 土是松散颗粒的堆积物 是岩石经过风化后在不同条 概述概述 件下形成的自然历史的产物 土包含天然土和人造土 粉煤灰 矿渣 土力学的研究对象主要是天然土 以后简称为土 但 是目前土力学中的较为成熟的理论是针对重塑土的是目前土力学中的较为成熟的理论是针对重塑土的 粉煤灰碎石黏土粉煤灰碎石黏土 第一章 1 1 土的形成 风化作用风化作用 物理风化 岩石中发生的物理风化 岩石中发生的只改变颗粒的大小与形状只改变颗粒的大小与形状 而 而不不 风化作用风化作用 改变原来的矿物成分改变原来的矿物成分的变化过程 比如 机械破碎 膨胀或 收缩引起的破裂 的变化过程 比如 机械破碎 膨胀或 收缩引起的破裂 化学风化 岩石在环境的作用下 内部的化学成分发生变化学风化 岩石在环境的作用下 内部的化学成分发生变 化化从而导致其组成矿物成分发生改变的过程从而导致其组成矿物成分发生改变的过程比如比如 水解水解化化 从而导致其组成矿物成分发生改变的过程从而导致其组成矿物成分发生改变的过程 比如比如 水解水解 作用 水化作用和氧化作用 溶解作用和碳酸化作用等 作用 水化作用和氧化作用 溶解作用和碳酸化作用等 生物风化 动植物和人类活动对岩石的破坏作用 分为物 理生物风化和化学生物风化 生物风化 动植物和人类活动对岩石的破坏作用 分为物 理生物风化和化学生物风化 物理风化物理风化 量变过程 形成的土颗粒较粗 为原生矿物量变过程 形成的土颗粒较粗 为原生矿物 化学风化化学风化 质变过程质变过程 形成的土颗粒很细形成的土颗粒很细 为次生矿物为次生矿物化学风化化学风化 质变过程质变过程 形成的土颗粒很细形成的土颗粒很细 为次生矿物为次生矿物 第一章 1 1 土的形成 土的成因类型及基本特征土的成因类型及基本特征 残积土残积土 岩石风化后产生的碎屑物质岩石风化后产生的碎屑物质保留在原地保留在原地而构成的而构成的 土土 特征是特征是 颗粒表面粗糙颗粒表面粗糙 多棱角多棱角 粗细不均粗细不均 无层理无层理 土的成因类型及基本特征土的成因类型及基本特征 土土 特征是特征是 颗粒表面粗糙颗粒表面粗糙 多棱角多棱角 粗细不均粗细不均 无层理无层理 运积土运积土 岩石风化后产生的土颗粒在自然力的作用下岩石风化后产生的土颗粒在自然力的作用下被搬被搬 运到远近不同地点运到远近不同地点所沉积的堆积物所沉积的堆积物 特点是特点是 颗粒圆滑颗粒圆滑 成成运到远近不同地点运到远近不同地点所沉积的堆积物所沉积的堆积物 特点是特点是 颗粒圆滑颗粒圆滑 成成 层性层性 1 坡积土 残积土受 1 坡积土 残积土受重力重力和和暂时性流水暂时性流水 雨水 雪水 的 雨水 雪水 的 作用 搬运到山坡或坡脚处沉积起来的土 特点 作用 搬运到山坡或坡脚处沉积起来的土 特点 具有分选 性和局部层理 具有分选 性和局部层理 2 洪积土 残积土和坡积土受 2 洪积土 残积土和坡积土受洪水洪水冲刷 搬运 在山沟出 口处或山前平原沉积下来的土 特点 冲刷 搬运 在山沟出 口处或山前平原沉积下来的土 特点 有一定的分选性和磨有一定的分选性和磨 圆度圆度 圆度圆度 3 冲积土 河流的 3 冲积土 河流的流水作用流水作用搬运到河谷坡陡平缓的地带沉搬运到河谷坡陡平缓的地带沉 积下来的土积下来的土特点特点 较好的分选性和磨圆度较好的分选性和磨圆度 积下来的土积下来的土 特点特点 较好的分选性和磨圆度较好的分选性和磨圆度 第一章 1 1 土的形成 4 风积土 由 4 风积土 由风力风力搬运形成的土 特点 颗粒磨 圆度好 分选性好 搬运形成的土 特点 颗粒磨 圆度好 分选性好 5 湖泊沼泽沉积土 在湖泊及沼泽等极为缓慢 5 湖泊沼泽沉积土 在湖泊及沼泽等极为缓慢水水 流或静水流或静水条件下沉积下来的土条件下沉积下来的土特点特点 含有大量细含有大量细流或静水流或静水条件下沉积下来的土条件下沉积下来的土 特点特点 含有大量细含有大量细 微颗粒 且伴有有机物微颗粒 且伴有有机物 6 海积土 由河流 6 海积土 由河流流水流水搬运到海洋环境下沉积下来 的土 搬运到海洋环境下沉积下来 的土 7 冰积土 由 7 冰积土 由冰川或冰水夹带搬运冰川或冰水夹带搬运形成的沉积物 形成的沉积物 特点特点 颗粒粗细变化大颗粒粗细变化大 土质不均匀土质不均匀 特点特点 颗粒粗细变化大颗粒粗细变化大 土质不均匀土质不均匀 第一章 1 2 土的结构与构造 成成 1 1 土的形 1 1 土的形成成 1 21 2 土的结构与构造土的结构与构造 1 1 2 2 土的结构与构造土的结构与构造 1 3 土的组成 1 3 土的组成 1 41 4 土的三相比例指标土的三相比例指标 1 1 4 4 土的三相比例指标土的三相比例指标 1 5 土的物理状态 1 5 土的物理状态 1 6 土的压实原理 1 6 土的压实原理 1 7 1 7 土的土的工工程分类程分类 土的程分类土的程分类 第一章 1 2 土的结构与构造 概述概述概述概述 如图所示为如图所示为黏土黏土和和其重塑土其重塑土 样的对比样的对比 可见可见 原状土样原状土样样的对比样的对比 可见可见 原状土样原状土样 与重塑土样的力学性质有很与重塑土样的力学性质有很 大差别大差别 土的土的组成成分组成成分并并不不大差别大差别 土的土的组成成分组成成分并并不不 完全决定土的性质 土的完全决定土的性质 土的结结 构构和和构造构造对土的性质也有很对土的性质也有很构构和和构造构造对土的性质也有很对土的性质也有很 大影响 大影响 黏土对比黏土对比 第一章 1 2 土的结构与构造 土土的构的构造造 宏宏观观 指同指同一土层一土层的构的构 宏宏 指同指同 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 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 征征表征层的表征层的层层裂隙裂隙征征 表征表征了土了土层的层的层层理理 裂隙裂隙及及 大孔隙大孔隙等宏观特征 等宏观特征 1 1 层理构造层理构造 土粒在沉积过土粒在沉积过 1 1 层理构造层理构造 土粒在沉积过土粒在沉积过 程中 由于不同阶段沉积的物质 成分 颗粒大小或颜色不同 程中 由于不同阶段沉积的物质 成分 颗粒大小或颜色不同 而而 沿竖向呈现出成层特征 沿竖向呈现出成层特征 2 裂隙构造 2 裂隙构造 土体被许多不 土体被许多不 连续的小裂隙所分割连续的小裂隙所分割 在裂隙中在裂隙中连续的小裂隙所分割连续的小裂隙所分割 在裂隙中在裂隙中 常充填有各种盐类的沉淀物 土常充填有各种盐类的沉淀物 土 的构造特征造成土的的构造特征造成土的不均匀性不均匀性 天然土的结构天然土的结构 土的结构 微观 土的结构 微观 又称 又称组构组构 指 指土粒的原位几何体特征土粒的原位几何体特征 是 是 由土粒单元的大小由土粒单元的大小矿物成分矿物成分形状形状相互排列及其联接关系相互排列及其联接关系 的构造特征造成土的的构造特征造成土的不均匀性不均匀性 由土粒单元的大小由土粒单元的大小 矿物成分矿物成分 形状形状 相互排列及其联接关系相互排列及其联接关系 土中水的性质及孔隙特征等因素形成的综合特征 土中水的性质及孔隙特征等因素形成的综合特征 第一章 1 2 土的结构与构造 单粒结构单粒结构单粒结构单粒结构 粗矿物颗粒在水或空气中在自重作用下沉落形成的单粒结构 粗矿物颗粒在水或空气中在自重作用下沉落形成的单粒结构 其其特点特点是土粒间存在点与点的接触是土粒间存在点与点的接触 根据形成条件不同根据形成条件不同 可分可分其其特点特点是土粒间存在点与点的接触是土粒间存在点与点的接触 根据形成条件不同根据形成条件不同 可分可分 为疏松状态和密实状态 为碎石土和砂土的结构特征为疏松状态和密实状态 为碎石土和砂土的结构特征 密实状态密实状态 疏松状态疏松状态 密实状态密实状态 疏松状态疏松状态 紧密状态单粒结构紧密状态单粒结构的土 强度大 压缩性小 的土 强度大 压缩性小 疏松状态单粒结构疏松状态单粒结构的土的土骨架稳定骨架稳定土粒易移动土粒易移动变形大变形大疏松状态单粒结构疏松状态单粒结构的土的土 骨架骨架不不稳定稳定 土粒易移动土粒易移动 变形大变形大 第一章 1 2 土的结构与构造 蜂窝结构蜂窝结构蜂窝结构蜂窝结构 蜂窝结构蜂窝结构 颗粒间点与点接触 由于彼此之间引力大于重力 接触后 不再继续下沉 形成链环单位 很多链环联结起来 形成孔 颗粒间点与点接触 由于彼此之间引力大于重力 接触后 不再继续下沉 形成链环单位 很多链环联结起来 形成孔 隙较大的蜂窝状结构隙较大的蜂窝状结构为主要由粉粒或细砂组成的土的结构为主要由粉粒或细砂组成的土的结构隙较大的蜂窝状结构隙较大的蜂窝状结构 为主要由粉粒或细砂组成的土的结构为主要由粉粒或细砂组成的土的结构 形式 可以承担一般的荷载 但是荷载高时 结构易破坏会形式 可以承担一般的荷载 但是荷载高时 结构易破坏会 导致地基变形大导致地基变形大导致地基变形大导致地基变形大 第一章 1 2 土的结构与构造 絮状结构絮状结构絮状结构絮状结构 细微粘粒大都呈针状或片状 质量极轻 在水中处于悬浮状态 细微粘粒大都呈针状或片状 质量极轻 在水中处于悬浮状态 当悬液介质发生变化时当悬液介质发生变化时 土粒表面的弱结合水厚度减薄土粒表面的弱结合水厚度减薄 粘粒粘粒当悬液介质发生变化时当悬液介质发生变化时 土粒表面的弱结合水厚度减薄土粒表面的弱结合水厚度减薄 粘粒粘粒 互相接近 凝聚成絮状物下沉 形成孔隙较大的絮状结构 互相接近 凝聚成絮状物下沉 形成孔隙较大的絮状结构 特征特征 土 土粒粒之之间间以以角角 边 边与面的接与面的接触触或或边边与与边边的的搭搭接形式为接形式为主主 特征特征粒间角粒间角与面的接或与的接形式为与面的接或与的接形式为 土粒任意排列 孔隙较大 因此强度低 压缩性高 对扰动敏 感 但是土颗粒的联接强度会由于压密和胶结作用而逐渐增强 土粒任意排列 孔隙较大 因此强度低 压缩性高 对扰动敏 感 但是土颗粒的联接强度会由于压密和胶结作用而逐渐增强 角 边与面的接触角 边与面的接触 絮状结构絮状结构 第一章 1 2 土的结构与构造 天然沉积天然沉积 的土以团的土以团的土以团的土以团 粒形式存粒形式存 在在 团粒团粒在在 团粒团粒 及土粒的 排列呈现 及土粒的 排列呈现 出各向异 性 出各向异 性 土粒排列土粒排列 第一章 1 3 土的组成 成成 1 1 土的形 1 1 土的形成成 1 2 土的结构与构造 1 2 土的结构与构造 1 3 土的组成 1 3 土的组成 1 41 4 土的三相比例指标土的三相比例指标 1 1 4 4 土的三相比例指标土的三相比例指标 1 5 土的物理状态 1 5 土的物理状态 1 6 土的压实原理 1 6 土的压实原理 1 7 1 7 土的土的工工程分类程分类 土的程分类土的程分类 第一章 1 3 土的组成 土体 气相固相液相 构成土骨架 起决定作用 构成土骨架 起决定作用 粒径大小粒径大小不同粒径的含量不同粒径的含量 重要影响 重要影响 水水 的状态和相对的状态和相对 次要作用 次要作用 含量含量粒径大小粒径大小 不同粒径的含量不同粒径的含量 矿物成分及形状 矿物成分及形状 的状态和相对的状态和相对 含量含量 含量含量 饱和土饱和土 当土骨架的孔隙全部被水占满时当土骨架的孔隙全部被水占满时这种土称为饱和土这种土称为饱和土 饱和土饱和土 当土骨架的孔隙全部被水占满时当土骨架的孔隙全部被水占满时 这种土称为饱和土这种土称为饱和土 干土 干土 当土骨架的孔隙中仅含空气时 这种土称为干土 当土骨架的孔隙中仅含空气时 这种土称为干土 般在地水地度内的的中般在地水地度内的的中湿土 湿土 一一般在地般在地下下水水位以上位以上地地面以下一定深面以下一定深度内的度内的土土的的孔隙孔隙中中 兼含空气和水 此时的土体属三相系 称为湿土兼含空气和水 此时的土体属三相系 称为湿土 第一章 1 3 土的组成 土的固体颗粒土的固体颗粒土的固体颗粒土的固体颗粒 土粒大小与形状 颗粒级配与矿物成分对土的物理力学性质有土粒大小与形状 颗粒级配与矿物成分对土的物理力学性质有 明显影响明显影响明显影响明显影响 1 土的颗粒大小与级配1 土的颗粒大小与级配 粒径粒径 土土颗粒的颗粒的大大小通常小通常以以粒径表示粒径表示 但是这里的粒径但是这里的粒径并非并非粒径粒径颗粒的小通常粒径表示颗粒的小通常粒径表示 但是这里的粒径但是这里的粒径并非并非 是真实直径是真实直径 而是与筛孔直径 筛分法 或与实际土粒有相 同沉降速度的理想球体的直径 密度计法 而是与筛孔直径 筛分法 或与实际土粒有相 同沉降速度的理想球体的直径 密度计法 等效的名义粒径等效的名义粒径 粒组粒组 工程上把性质和粒径大小相接近的土粒划为一组 工程上把性质和粒径大小相接近的土粒划为一组 0 1 砾石砂粒粉粒粘粒胶粒 0 1 粗粒细粒 d mm d mm 砾石砂粒粉粒粘粒胶粒 0 250 5520 粗 中细 粗 中 细 极细 6020 0750 0050 002 0 250 5520 第一章 1 3 土的组成 0 10 1 粗粒细粒 d mm d mm 砾石砂粒粉粒粘粒胶粒 粗 中细粗 中细 极细 mm mm 6020 0750 0050 002 0 250 5520 粗 中细粗 中细 极细 界限粒径界限粒径 划分粒组的界限尺寸为界限粒径 划分粒组的界限尺寸为界限粒径 土土的的级配级配 为了表示为了表示土土粒的粒的大大小小及组及组成情成情况况 通常通常以土以土中中的的为了表示粒的小成情为了表示粒的小成情 通常通常中中 各个粒组的相对含量各个粒组的相对含量 即各粒组占土粒总量的百分数 来 表示 称为土的颗粒级配 土的级配好坏将直接影响到土 即各粒组占土粒总量的百分数 来 表示 称为土的颗粒级配 土的级配好坏将直接影响到土 的质的质的的工程性工程性质质 第一章 1 3 土的组成 2 2 颗粒分析试验颗粒分析试验 测定土中各粒组颗粒质量所占该土总质量的百分数 确定粒测定土中各粒组颗粒质量所占该土总质量的百分数 确定粒 径分布范围的试验称为径分布范围的试验称为土的颗粒大小分析试验土的颗粒大小分析试验 2 2 颗粒分析试验颗粒分析试验 径分布范围的试验称为径分布范围的试验称为土的颗粒大小分析试验土的颗粒大小分析试验 试验方法试验方法 筛分法 适用于0 075mm d 60mm筛分法 适用于0 075mm d 60mm 水分法水分法 沉降分析法沉降分析法 适用于适用于d 试验方法试验方法 水分法水分法 沉降分析法沉降分析法 适用于适用于d 0 075mm 筛分法筛分法 用一套孔径不同的筛用一套孔径不同的筛筛分法筛分法 用一套孔径不同的筛用一套孔径不同的筛 子 按从上至下筛孔逐渐减小子 按从上至下筛孔逐渐减小 放置放置 将事先称过质量的烘干将事先称过质量的烘干放置放置 将事先称过质量的烘干将事先称过质量的烘干 土样过筛 称出留在各筛上的 土质量 然后计算其占总土粒 土样过筛 称出留在各筛上的 土质量 然后计算其占总土粒 直直质量的百分数 粗筛筛孔质量的百分数 粗筛筛孔直直径 为60 40 20 10 5 2mm 径 为60 40 20 10 5 2mm 细筛筛孔直径为细筛筛孔直径为2 21 10 0 5 5细筛筛孔直径为细筛筛孔直径为2 2 1 1 0 0 5 5 0 25 0 075mm 0 25 0 075mm 第一章1 3 土的组成 水分法根据土粒在水中匀速水分法 根据土粒在水中匀速 下沉时的速度与粒径的理论关 系 Stokes定律认为球状的细颗系 Stokes定律认为球状的细颗 粒在水中的下沉速度与颗粒直 径的平方成正比 用密度计 法或移液管法测得土粒沉降距 离L处的悬液密度 并可由此算 出小于该粒径d的累计百分含量出小于该粒径d的累计百分含量 实际上 土粒并不是球体颗粒 因此用理论公式求得的粒径并因此用理论公式求得的粒径并 不是实际的土粒尺寸 而是与 实际土粒在液体中有相同沉降 速度的理想球体的直径 称为水 力直径或名义粒径 密度计密度计 参见 土工试验规程 参见 土工试验规程 第一章 1 3 土的组成 3 颗粒级配曲线3 颗粒级配曲线 特殊粒径 特殊粒径 d10 有效粒径 有效粒径 不均匀系数不均匀系数 土颗粒大小的均土颗粒大小的均 d30 连续粒径 连续粒径 d60 限制粒 径 分别为小于某粒径的土粒 限制粒 径 分别为小于某粒径的土粒 含量为含量为10 30 和和60 时所对时所对 不均匀系数不均匀系数 土颗粒大小的均土颗粒大小的均 匀程度匀程度 Cu d60 d10 曲率系数曲率系数 曲线分布的整体形曲线分布的整体形 含量为含量为10 30 和和60 时所对时所对 应的粒径 应的粒径 曲率系数曲率系数 曲线分布的整体形曲线分布的整体形 态态 Cc d302 d60 d10 第一章 1 3 土的组成 土的级配的好坏可土的级配的好坏可土的级配的好坏可土的级配的好坏可 由土中的由土中的土粒均匀土粒均匀 程度程度和和粒径分布曲粒径分布曲程度程度和和粒径分布曲粒径分布曲 线的形状线的形状来决定 而土粒的均匀程度 来决定 而土粒的均匀程度 和曲线的形状又可 用 和曲线的形状又可 用不均匀系数不均匀系数和和曲曲 率系数率系数来衡量来衡量如如率系数率系数来衡量来衡量 如如 图所示 图所示 C Cu u愈大 表示土粒愈不均 匀 愈大 表示土粒愈不均 匀 一般情况下 一般情况下 工程上工程上 对于砾类土或砂类土 同时满足 对于砾类土或砂类土 同时满足C Cu u 5和和C Cc c 1 3时时定名为良好级配砂定名为良好级配砂 把把C Cu u 5的土视为级配不 良的土 的土视为级配不 良的土 C Cu u 10的土视的土视 为级配良好的土为级配良好的土 3时时 定名为良好级配砂定名为良好级配砂 或良好级配砾 不能同或良好级配砾 不能同 时满足上述条件时时满足上述条件时 级级 为级配良好的土为级配良好的土 时满足上述条件时时满足上述条件时 级级 配是不良的 配是不良的 第一章 1 3 土的组成 4 4 土粒的矿物成分土粒的矿物成分4 4 土粒的矿物成分土粒的矿物成分 土粒的矿物成分主要决定于目岩的成分及其所经受土粒的矿物成分主要决定于目岩的成分及其所经受 的风化作用的风化作用不同的矿物成分对土的性质有着不同不同的矿物成分对土的性质有着不同的风化作用的风化作用 不同的矿物成分对土的性质有着不同不同的矿物成分对土的性质有着不同 的影响 其中以细粒组的矿物成分尤为重要 的影响 其中以细粒组的矿物成分尤为重要 原生矿物原生矿物 是岩浆在冷凝过程中形成的矿物 常见 如石英 长石 云母等 原生矿物颗粒是原岩经物 是岩浆在冷凝过程中形成的矿物 常见 如石英 长石 云母等 原生矿物颗粒是原岩经物 理风化形成的 其物理性质较稳定 成分与母岩完 全相同 理风化形成的 其物理性质较稳定 成分与母岩完 全相同 次生矿物次生矿物 原岩经化学风化形成的新矿物 其成分 与母岩完全不同 主要是粘土矿物 原岩经化学风化形成的新矿物 其成分 与母岩完全不同 主要是粘土矿物 包括三包括三种种类型类型 种种 高岭石 伊里石 蒙脱石 还有无定形的氧化物胶 体和可溶盐类 碳酸盐 硫酸盐和NaCl等 高岭石 伊里石 蒙脱石 还有无定形的氧化物胶 体和可溶盐类 碳酸盐 硫酸盐和NaCl等 有机质有机质 以腐蚀质为主 具有多孔的海绵状结构 以腐蚀质为主 具有多孔的海绵状结构 第一章 1 3 土的组成 粘土矿物粘土矿物基本上是由两种原子层 称为晶片基本上是由两种原子层 称为晶片 构成的 一种是构成的 一种是硅 氧晶片 硅 氧晶片 它的基本单元是Si O四面体 另一种是它的基本单元是Si O四面体 另一种是铝氢氧晶片铝氢氧晶片 它的基本单元是它的基本单元是A1A1OHOH八面体八面体它的基本单元是它的基本单元是A1A1 OHOH八面体八面体 硅氧晶片硅氧晶片 铝氢氧晶片铝氢氧晶片 第一章 1 3 土的组成 高岭石高岭石 结构单元是由一层结构单元是由一层铝氢氧晶片铝氢氧晶片和和 一层一层硅氧晶片硅氧晶片组成的晶胞 高岭石的矿物 就是由若干重叠的晶胞构成的 这种晶胞 组成的晶胞 高岭石的矿物 就是由若干重叠的晶胞构成的 这种晶胞 面露出氢氧基面露出氢氧基另面则露出氧原子另面则露出氧原子一一面露出氢氧基面露出氢氧基 另另一一面则露出氧原子面则露出氧原子 晶胞之间的联结是氧原子与氢氧基之间的 晶胞之间的联结是氧原子与氢氧基之间的 氢键氢键 它具有它具有较强的联结力较强的联结力 因此晶胞之因此晶胞之氢键氢键 它具有它具有较强的联结力较强的联结力 因此晶胞之因此晶胞之 间的距离不易改变 水分子不能进入 因 此它的 间的距离不易改变 水分子不能进入 因 此它的亲水性比伊里石还小亲水性比伊里石还小 高岭高岭石石 蒙脱石蒙脱石 是化学风化的初期产物 其结构 单元 晶胞 是 是化学风化的初期产物 其结构 单元 晶胞 是两层硅氧晶片两层硅氧晶片之间之间夹夹一层一层铝铝 氢氧晶片氢氧晶片所组成的所组成的由于晶胞的两个面都由于晶胞的两个面都 高岭高岭 氢氧晶片氢氧晶片所组成的所组成的 由于晶胞的两个面都由于晶胞的两个面都 是氧原子 其间没有氢键 因此是氧原子 其间没有氢键 因此联结很弱联结很弱 水分子可以进入晶胞之间水分子可以进入晶胞之间从而改变晶胞从而改变晶胞水分子可以进入晶胞之间水分子可以进入晶胞之间 从而改变晶胞从而改变晶胞 之间的距离 甚至达到完全分散到单晶胞 为止 因此当土中蒙脱石含量较大时 则 之间的距离 甚至达到完全分散到单晶胞 为止 因此当土中蒙脱石含量较大时 则 具有具有较大的吸水膨胀较大的吸水膨胀和和脱水收缩脱水收缩的特性 的特性 蒙脱石蒙脱石 第一章 1 3 土的组成 伊利石伊利石 结构单元类似于蒙脱石结构单元类似于蒙脱石所不同的是所不同的是伊利石伊利石 结构单元类似于蒙脱石结构单元类似于蒙脱石 所不同的是所不同的是 Si O四面体中的Si 可以被A1 Fe 所取代 Si O四面体中的Si 可以被A1 Fe 所取代 因而在相邻晶胞间将出现若干因而在相邻晶胞间将出现若干一一价价正正离子离子 K K 因而在相邻晶胞间将出现若干价离子因而在相邻晶胞间将出现若干价离子 以补偿晶胞中正电荷的不足 所以伊里石的 结晶构造 以补偿晶胞中正电荷的不足 所以伊里石的 结晶构造没有蒙脱石那样活动 其亲水性不没有蒙脱石那样活动 其亲水性不 蒙蒙如如蒙蒙脱石脱石 伊利石伊利石 比表面积比表面积 单位体积单位体积 或质量或质量 的颗粒总表面积的颗粒总表面积比表面积比表面积 单位体积单位体积 或质量或质量 的颗粒总表面积的颗粒总表面积 它可以表示粘土矿物表面积的相对大小 由 它可以表示粘土矿物表面积的相对大小 由 于粘土矿物是很细小的扁平颗粒于粘土矿物是很细小的扁平颗粒颗粒表面颗粒表面于粘土矿物是很细小的扁平颗粒于粘土矿物是很细小的扁平颗粒 颗粒表面颗粒表面 具有很强的与水相互作用的能力 表面积愈 大 这种能力就愈强 具有很强的与水相互作用的能力 表面积愈 大 这种能力就愈强 第一章 1 3 土的组成 研究表明 黏土矿物颗粒 表面带有电荷 天然状态 研究表明 黏土矿物颗粒 表面带有电荷 天然状态 下 负电荷多于正电荷 下 负电荷多于正电荷 颗粒形状颗粒形状 颗粒形状示意图颗粒形状示意图 颗粒形状颗粒形状 原生矿物 圆状 浑圆状 棱角状 次生矿物 针状 片状 扁平状 第一章 1 3 土的组成 土中水土中水 土中水可以处于土中水可以处于液态 固态液态 固态和和气态气态 矿矿 物内部结合水物内部结合水是存在于是存在于土土粒矿物的晶体粒矿物的晶体 土中水土中水 物内部结合水物内部结合水是存在于粒矿物的晶体是存在于粒矿物的晶体 构架内部或是参与矿物构造的水 存在 与土中的液态水分为 构架内部或是参与矿物构造的水 存在 与土中的液态水分为结合水结合水和和自由水自由水 1 结合水 1 结合水 受到电分子吸引力而吸附于 土粒表面的土中水 受到电分子吸引力而吸附于 土粒表面的土中水 结合水结合水紧靠粒表紧靠粒表受电场受电场强强结合水结合水 紧靠紧靠于颗于颗粒表粒表面 所面 所受电场受电场 的作用力很大 几乎完全固定排列 丧的作用力很大 几乎完全固定排列 丧 失液体的特性而接近于固体失液体的特性而接近于固体冰点很低冰点很低失液体的特性而接近于固体失液体的特性而接近于固体 冰点很低冰点很低 沸点较高 不能传递压力 沸点较高 不能传递压力 弱结合水弱结合水 紧靠强结合水的外围形成的紧靠强结合水的外围形成的弱结合水弱结合水 紧靠强结合水的外围形成的紧靠强结合水的外围形成的 结合水膜 所受的电场作用力随着与颗 粒距离增大而减弱 呈粘滞状态 不能 结合水膜 所受的电场作用力随着与颗 粒距离增大而减弱 呈粘滞状态 不能 传递压力 不能自由流动 可以转移 在电场引力的作用下 传递压力 不能自由流动 可以转移 在电场引力的作用下 第一章 1 3 土的组成 2 2 自由水自由水 自由水自由水 离开土颗粒表面较远 不受土颗粒电分子引力作用 且离开土颗粒表面较远 不受土颗粒电分子引力作用 且可自由 移动 可自由 移动的水 能的水 能传递水压力传递水压力 冰点为0 有溶解能力 分为 冰点为0 有溶解能力 分为毛毛 毛细水毛细水 在一定直径在一定直径d d的管中 水的表面张力的管中 水的表面张力 和水与玻璃间的夹角和水与玻璃间的夹角 决定了水决定了水上上升升 细水细水和和重力水重力水 毛细水毛细水 和水与玻璃间的夹角和水与玻璃间的夹角决定了水升决定了水升 的高度 取玻璃管下部容器中水面为 基准面 当考虑玻璃管中水体竖向平 的高度 取玻璃管下部容器中水面为 基准面 当考虑玻璃管中水体竖向平 有有衡时 衡时 有有 4 cos 0 T h 4cosT h 0 cw h d c w h d 上式中上式中hc为毛细水的上升高度 从水为毛细水的上升高度 从水 毛细现象毛细现象 压力角度看 如取大气压为0 则毛 细管中水位上部的压为 压力角度看 如取大气压为0 则毛 细管中水位上部的压为 wcw uh 第一章 1 3 土的组成 毛细水上升高度毛细水上升高度 土体中存在着相互贯通的弯曲孔道 可以看 土体中存在着相互贯通的弯曲孔道 可以看 成许多形状不一 大小不同 彼此连同的成许多形状不一 大小不同 彼此连同的毛细管毛细管 由于水分子 和土粒分子之间的吸附力及水 气界面上的表面张力 地下水 由于水分子 和土粒分子之间的吸附力及水 气界面上的表面张力 地下水 将沿着这些毛细管被吸引上来将沿着这些毛细管被吸引上来而在地下水位以上形成定高而在地下水位以上形成定高将沿着这些毛细管被吸引上来将沿着这些毛细管被吸引上来 而在地下水位以上形成而在地下水位以上形成一一定高定高 度的毛细水带 这一高度为度的毛细水带 这一高度为毛细水上升高度毛细水上升高度 第一章 1 3 土的组成 毛细压力毛细压力 在非饱和土的较大孔隙中 在水 气界面上 由于湾液面表面张 力的存在 以及水与土粒表面的浸润作用 孔隙水的压力也将小 在非饱和土的较大孔隙中 在水 气界面上 由于湾液面表面张 力的存在 以及水与土粒表面的浸润作用 孔隙水的压力也将小 于孔隙内的大气压力于孔隙内的大气压力于是于是沿着毛细湾液面的切线方向沿着毛细湾液面的切线方向将产将产于孔隙内的大气压力于孔隙内的大气压力 于是于是 沿着毛细湾液面的切线方向沿着毛细湾液面的切线方向 将产将产 生迫使相邻土粒相互积紧的压力 这个压力称为生迫使相邻土粒相互积紧的压力 这个压力称为毛细压力毛细压力 当土骨架内含有水和气时当土骨架内含有水和气时在在当土骨架内含有水和气时当土骨架内含有水和气时 在在 水和气的分界面也存在张力 水和气的分界面也存在张力 形成左图的湾液面形成左图的湾液面 孔隙中的孔隙中的形成左图的湾液面形成左图的湾液面 孔隙中的孔隙中的 水为毛细角边水 毛细角边水 受拉力T 则土颗粒受压力 水为毛细角边水 毛细角边水 受拉力T 则土颗粒受压力P Pc c 有有湿砂具湿砂具有有一定的可塑性 表现 为似黏聚力 一定的可塑性 表现 为似黏聚力 球状颗粒间缝隙处的湾液面 毛细水的工程影响 建筑物防 潮 地基土的浸润 冻胀有重球状颗粒间缝隙处的湾液面 毛细水的工程影响 建筑物防 潮 地基土的浸润 冻胀有重 要影响要影响 干旱地区形成盐渍土干旱地区形成盐渍土要影响要影响 干旱地区形成盐渍土干旱地区形成盐渍土 第一章 1 3 土的组成 重力水重力水重力水重力水 重力水是在重力或压力差作用下运动的重力水是在重力或压力差作用下运动的自由水自由水 它 它 是存在于地下水位以下的透水土层中的地下水是存在于地下水位以下的透水土层中的地下水对对是存在于地下水位以下的透水土层中的地下水是存在于地下水位以下的透水土层中的地下水 对对 土粒有浮力作用 重力水对土中的应力状态和开挖 基槽 基坑以及修筑地下构筑物时所应采取的排水 土粒有浮力作用 重力水对土中的应力状态和开挖 基槽 基坑以及修筑地下构筑物时所应采取的排水 防水措施有重要的影响 防水措施有重要的影响 土中气体土中气体土中气体土中气体 游离气体游离气体 受外荷作用时被挤出土体外 对土的性质影 受外荷作用时被挤出土体外 对土的性质影 响不大响不大 响不大响不大 封闭气体封闭气体 受外荷作用 不能逸出 被压缩或溶解于水 受外荷作用 不能逸出 被压缩或溶解于水 中中 压力减小时能有所复原压力减小时能有所复原 对土的性质有较大的影响对土的性质有较大的影响 中中 压力减小时能有所复原压力减小时能有所复原 对土的性质有较大的影响对土的性质有较大的影响 使土的渗透性减小 弹性增大和延长土体受力后变形达 到稳定的历时 使土的渗透性减小 弹性增大和延长土体受力后变形达 到稳定的历时 第一章 1 4 土的三相比例指标 成成 1 1 土的形 1 1 土的形成成 1 2 土的结构与构造 1 2 土的结构与构造 1 3 土的组成 1 3 土的组成 1 41 4 土的三相比例指标土的三相比例指标 1 1 4 4 土的三相比例指标土的三相比例指标 1 5 土的物理状态 1 5 土的物理状态 的实的实 1 6 土1 6 土的的压压实实原理 1 7 土的工程分类 原理 1 7 土的工程分类 第一章 1 4 土的三相比例指标 概论概论概论概论 土的三相土的三相 土粒为固相 土中的水为液相 土中的气体 土粒为固相 土中的水为液相 土中的气体 为气相 为气相 土的三相比例指标土的三相比例指标 表示土的三相组成部分质量 体积 表示土的三相组成部分质量 体积 之间的比例关系的指标 又称土的物理性质指标 之间的比例关系的指标 又称土的物理性质指标 土土的物的物理理状态指标状态指标 对于粗粒对于粗粒土主土主要指要指土土的密实度的密实度 对对的物状态指标的物状态指标对于粗粒要指的密实度对于粗粒要指的密实度 对对 于细粒土则指土的软硬程度或称为粘性土的稠度 于细粒土则指土的软硬程度或称为粘性土的稠度 土的物理性质指标土的物理性质指标可以描述土的物理性质可以描述土的物理性质 土的物理状土的物理状 土的物理性质指标土的物理性质指标可以描述土的物理性质可以描述土的物理性质 土的物理状土的物理状 态 反映土的力学性质 态 反映土的力学性质 第一章 1 4 土的三相比例指标 土的三相草图土的三相草图土的三相草图土的三相草图 气V a Vv ma 0 水 Vw v V mw m 固 Vs ms 固 Vs s 质量 体积 质量 体积 第一章 1 4 土的三相比例指标 土土的的三三相草图相草图 mmmm 独立的量独立的量4 4个个 的相草图的相草图 swa a mmmm m0 mV 独立的量独立的量4 4个个 实测指标实测指标 含水 含水 量量密度和土粒密度和土粒 www mV saw VVVV 量量 密度和土粒密度和土粒 比重比重 导出指标导出指标 孔隙孔隙 质量体积质量体积 vaw VVV 导出指标导出指标 孔隙孔隙 比 孔隙率 饱 和度等 比 孔隙率 饱 和度等 实测指标实测指标实测指标实测指标 土的密度土的密度 或 或土的天然密度 定义为 单位体积土的质量 土的天然密度 定义为 单位体积土的质量 单位单位 k mk m3 3或或 m m3 3 般为般为1 1 6 62 2 2 2 m m3 3单位单位 k kg g m m3 3或或 g g c cm m3 3 一一般为般为1 1 6 6 2 2 2 2 g g c cm m3 3 ws VVV mm V m g gmW aws VVVV 土的重度土的重度 也称容重 定义为 单位体积土的重量 单位也称容重 定义为 单位体积土的重量 单位 为为kN kN 3 3 g VV 为为kN kN m m3 3 对于粘性土 土的密度常用对于粘性土 土的密度常用环刀法环刀法测定 测定 第一章 1 4 土的三相比例指标 土的三相草图土的三相草图 土的含水量土的含水量w 土中水的土中水的 质量与土粒质量之比质量与土粒质量之比以以质量与土粒质量之比质量与土粒质量之比 以以 百分数表示 百分数表示 质量体积质量体积 100 100 s s s w m mm m m w 测定含水量常用的方法是测定含水量常用的方法是烘干法烘干法 先称出天然土的质量 然后 先称出天然土的质量 然后 放在烘箱中放在烘箱中在在100100 105105 常温下烘干常温下烘干称得干土质量称得干土质量按上按上放在烘箱中放在烘箱中 在在100100 105105 常温下烘干常温下烘干 称得干土质量称得干土质量 按上按上 式可算得 式可算得 土的含水量是标志土含水程度的个重要物理指标土的含水量是标志土含水程度的个重要物理指标天然土层含天然土层含土的含水量是标志土含水程度的土的含水量是标志土含水程度的一一个重要物理指标个重要物理指标 天然土层含天然土层含 水量变化范围较大 与土的种类 埋藏条件及其所处的自然地理水量变化范围较大 与土的种类 埋藏条件及其所处的自然地理 环境等有关环境等有关 环境等有关环境等有关 第一章 1 4 土的三相比例指标 土粒比重土粒比重G 土颗粒的质量土颗粒的质量 土的三相草图土的三相草图 土粒比重土粒比重Gs 土颗粒的质量土颗粒的质量 与同体积的与同体积的4 时纯水的质时纯水的质 量之比量之比 无量纲无量纲 土的三相草图土的三相草图 量之比量之比 无量纲无量纲 ss m G 11wws s V G 质量质量体积体积 土 土粒的密度粒的密度 即即土土粒单位体粒单位体积积的质的质量量 单位单位g g cmcm3 3 s 质量质量体积体积 粒的密度粒的密度 即粒单位体的质即粒单位体的质 单位单位g g 4 时纯水的密度 1 0g cm 4 时纯水的密度 1 0g cm3 3 1w 粒比重变范大粒比重变范大粒粒 粘粘 土粒比重用比土粒比重用比 土土粒比重变粒比重变化化范范围不围不大大 细 细粒粒土土 粘粘性土性土 一 般2 70 2 75 砂土一般为2 65左右 土中有机质 一 般2 70 2 75 砂土一般为2 65左右 土中有机质 含量增加含量增加土粒相对密度减小土粒相对密度减小 土粒比重用比土粒比重用比 重瓶法测定 重瓶法测定 含量增加含量增加 土粒相对密度减小土粒相对密度减小 土粒重度土粒重度g ss 第一章 1 4 土的三相比例指标 土的三相草图土的三相草图 导出指标导出指标 1 孔隙比1 孔隙比e e 土中孔隙体积与土 粒体积之比 以小数表示 土中孔隙体积与土 粒体积之比 以小数表示 导出指标导出指标 s v V V e 孔隙率孔隙率n 土中孔隙体积与总土中孔隙体积与总 质量体积质量体积 孔隙率孔隙率 土中孔隙体积与总土中孔隙体积与总 体积之比 以百分数表示 体积之比 以百分数表示 100 V n v 100 V n 土的孔隙比和孔隙率是表征土的密实程度的重要指标 数值愈土的孔隙比和孔隙率是表征土的密实程度的重要指标 数值愈 大大表明土中孔隙愈大表明土中孔隙愈大即土愈疏松即土愈疏松 反之反之愈密实愈密实大大 表明土中孔隙愈大表明土中孔隙愈大 即土愈疏松即土愈疏松 反之反之 愈密实愈密实 2 土的饱和度2 土的饱和度S Sr r 土中孔隙水的体积与孔隙总体积之比 以百土中孔隙水的体积与孔隙总体积之比 以百 分数表示分数表示分数表示分数表示 饱度描述中隙被水充满的度饱度描述中隙被水充满的度饱饱 100 v w r V V S 饱饱和和度描述度描述土土中中孔孔隙被水充满的隙被水充满的程程度度 干土 干土S Sr r 0 0 饱饱和土和土 S Sr r 100 100 第一章 1 4 土的三相比例指标 土的三相草图土的三相草图 3 3 干密度干密度 单位体积中固单位体积中固3 3 干密度干密度 d 单位体积中固单位体积中固 体颗粒部分的质量 表示为体颗粒部分的质量 表示为 V mm V m ws d g V gm V W d ss d 质量体积质量体积 土的干密度或干重度也是评 定土密实程度的指标 土的干密度或干重度也是评 定土密实程度的指标 4 饱和密度4 饱和密度 sat 土体中孔隙 完全被水充满时的土的密度 土体中孔隙 完全被水充满时的土的密度 V Vm wvs sat 表示为表示为 V VW wvs g V sat wvs sat 第一章 1 4 土的三相比例指标 土的三相草图土的三相草图 5 5 浮密度浮密度 土单位体积内土粒土单位体积内土粒5 5 浮密度浮密度 土单位体积内土粒土单位体积内土粒 质量与同体积水的质量之差 表 示为 质量与同体积水的质量之差 表 示为 Vm wsat wss V Vm wsat wss V VW 质量体积质量体积 V VVV 不同密度或重度的比较不同密度或重度的比较 dt V Vm V m V Vm V Vm wsss d wwswvs sat dsat 三三相指标间的换算相指标间的换算相指标间的换算相指标间的换算 参见教科书P21 P22页参见教科书P21 P22页 从物理意义上理解指标间的关系 从物理意义上理解指标间的关系 不鼓励死记硬背不鼓励死记硬背 不鼓励死记硬背不鼓励死记硬背 必要时利用三相草图推导 必要时利用三相草图推导 第一章 1 4 土的三相比例指标 例 某土样经试验测得体积为某土样经试验测得体积为100 3 湿土质量为湿土质量为187 例 某土样经试验测得体积为某土样经试验测得体积为100cm3 湿土质量为湿土质量为187g 烘干后 干土质量为烘干后 干土质量为167g 若土粒的相对密度 若土粒的相对密度Gs为为2 66 求该土样的含水量求该土样的含水量w w 密度密度 重度重度 干重度干重度 d 孔隙孔隙求该土样的含水量求该土样的含水量w w 密度密度 重度重度 干重度干重度 d 孔隙孔隙 比比e 饱和重度 饱和重度 sat和有效重度和有效重度 解答解答 解答解答 98 11 167 167187 100 w m m w 3 87 1 100 187 cmg V m 167 s m 3 7 181087 1mkNg 3 7 1610 100 167 mkNg dd 119801 662 1 wG 593 01 87 1 1198 01 66 2 1 1 w s wG e 753 66 21198 0 wG S s3 41010420kN 7 53 593 0 e S s r 3 4 2010 59301 593 066 2 1 mkN eG w s sat 3 4 10104 20mkN wsat 593 011e wsat 第一章 1 5 土的物理状态 成成 1 1 土的形 1 1 土的形成成 1 2 土的结构与构造 1 2 土的结构与构造 1 3 土的组成 1 3 土的组成 1 41 4 土的三相比例指标土的三相比例指标 1 1 4 4 土的三相比例指标土的三相比例指标 1 5 土的物理状态 1 5 土的物理状态 的实的实 1 6 土1 6 土的的压压实实原理 1 7 土的工程分类 原理 1 7 土的工程分类 第一章 1 5 土的物理状态 1 1 无黏性土的密实度无黏性土的密实度1 1 无黏性土的密实度无黏性土的密实度 无黏性土一般指粒径大于0 075mm的颗粒质量超过总质量的 50 无黏性土一般指粒径大于0 075mm的颗粒质量超过总质量的 50 的的土土 主要指碎主要指碎石土石土和砂和砂土土 的的 主要指碎和砂主要指碎和砂 无黏性土一般粘粒含量很少 呈单粒结构 不具有可塑性 无黏性土一般粘粒含量很少 呈单粒结构 不具有可塑性 无黏性土的物理性质主要取决于土的无黏性土的物理性质主要取决于土的密实度状态密实度状态密实度密实度无黏性土的物理性质主要取决于土的无黏性土的物理性质主要取决于土的密实度状态密实度状态 密实度密实度 愈大 强度愈高 压缩性愈小 反之 愈疏松则强度愈低 愈大 强度愈高 压缩性愈小 反之 愈疏松则强度愈低 压缩性愈大压缩性愈大 如何评价无黏性土的密实度 孔隙比孔隙比 压缩性愈大压缩性愈大 孔隙比孔隙比e 可以用来反映无黏性土的密实程度 但是孔隙比的变可以用来反映无黏性土的密实程度 但是孔隙比的变 化范围受土粒的大小化范围受土粒的大小形状和级配的影响很大形状和级配的影响很大化范围受土粒的大小化范围受土粒的大小 形状和级配的影响很大形状和级配的影响很大 具有相同孔隙比的两种无黏性土 也不一定就处于同具有相同孔隙比的两种无黏性土 也不一定就处于同 样的密实状态样的密实状态样的密实状态样的密实状态 第一章 1 5 土的物理状态 相对密度相对密度D相对密度相对密度Dr 无粘性土在天然 状态下孔隙比 无黏性土在最松散 状态时的孔隙比 状态下孔隙比 无黏性土在最密实状 状态时的孔隙比 最大孔隙比 i max ee ee D r 无黏性土在最密实状 态时的孔隙比 最小 孔隙比 minmax ee 最大孔隙比用漏斗法测定 最小孔隙比用振动法测定 最大孔隙比用漏斗法测定 最小孔隙比用振动法测定 当当Dr 0时 0时 e emax 表示无黏性土处于最疏松状态 当 表示无黏性土处于最疏松状态 当Dr 1 0时 时 表示土体处于最密实状态表示土体处于最密实状态e emin 表示土体处于最密实状态表示土体处于最密实状态 D Dr