第一章 土力学的简介.doc

第一章 地基土的物理性质与地下水1.1 岩土和土的成因类型1.1.1 岩石的成因类型自然界中岩石按成因分三类：岩浆岩、沉积岩和变质岩。岩浆冷凝后生成的岩石，称为岩浆岩。在岩浆活动和地壳运动过程中，原岩(原来生成的各种岩石)在高温，高压及渗入挥发性物质如SO2，H2O，CO2等)的变质作用下，生成的另一种类型岩石，称为变质岩。外力(包括大气、水，生物)对原岩发生机械破碎和化学变化的作用，统称为风化作用。原岩风化产物碎屑物质，在雨雪水流、山洪急流、河流、湖浪、海浪、冰川或风等外力作用下，被剥蚀、搬运到大陆低洼处或海洋底部沉积下来，在漫长的地质年代里，沉积的物质逐渐加厚，在覆盖压力和含有碳酸钙、二氧化硅、氧化铁等胶结物的作用下，使起初沉积的松软碎屑物质逐渐压密、脱水、胶结，硬化生成新的岩石，称为沉积岩。1.1.2 土的成因类型由原岩风化产物经各种外力地质作用而成的沉积物，至今其沉积历史不长，所以只能形成未经胶结硬化的沉积物，也就是通常所说的“第四纪沉积物”或“土”。不同成因类型的第四纪沉积物，各具有一定的分布规律和工程地质特征，以下分别介绍其中主要的几种成因类型。1）残积物、坡积物和洪积物残积物（Qel ）（Qel为第四纪地层的成因类型符号，下同此。）残积物是由岩石风化后，未经搬运而残留于原地的土，而另一部分则被风和降水所带走。坡积物(Qdl )坡积物是残积物经水流搬运，顺坡移动堆积而成的土。即是雨雪水流的地质作用将高处岩石风化产物缓慢地洗刷剥蚀，顺着斜坡向下逐渐移动、沉积在较平缓的山坡上而形成的沉积物。其成份与坡上的残积土基本一致。洪积物(Qpl )洪积土是山洪带来的碎屑物质，在山沟的出口处堆积而成的土。由暴雨或大量融雪骤然集聚而成的暂时性山洪急流，具有很大的剥蚀和搬运能力。它冲刷地表，挟带着大量碎屑物质堆积于山谷冲沟出口或山前倾斜平原而形成洪积物。2）冲积物冲积物是河流流水的地质作用将两岸基岩及其上部覆盖的坡积、洪积物质剥蚀后搬运、沉积在河流坡降平缓地带形成的沉积物。3）平原河谷冲积物平原河谷除河床外，大多数都有河漫滩及阶地等地貌单元4）山区河谷冲积层1.2 土的组成1.2.1 土的固体颗粒土是一种松散的颗粒堆积物。它是由固体颗粒、液体和气体三部份组成。土的固体颗粒一般由矿物质组成，有时含有胶结物和有机物，这一部分构成土的骨架。土的液体部分是指水和溶解于水中的矿物质。空气和其它气体构成土的气体部分。土骨架间的孔隙相互连通，被液体和气体充满。土的三相组成决定了土的物理力学性质。1） 土的固体颗粒土骨架对土的物理力学性质起决定性的作用。分析研究土的状态，就要研究固体颗粒的状态指标，即粒径的大小及其级配、固体颗粒的矿物成分、固体颗粒的形状。土中固体颗粒的大小及其含量，决定了土的物理力学性质。颗粒的大小通常用粒径表示。实际工程中常按粒径大小分组，粒径在某一范围之内的分为一组，称为粒组。粒组不同其性质也不同。常用的粒组有：砾石粒、砂粒、粉粒、粘粒、胶粒。以砾石和砂粒为主要组成成分的土称为粗粒土。以粉粒、粘粒和胶粒为主的土，称为细粒土。 土中各粒组的相对含量称土的粒径级配。土粒含量的具体含义是指一个粒组中的土粒质量与干土总质量之比，一般用百分比表示。土的粒径级配直接影响土的性质，如土的密实度、土的透水性、土的强度、土的压缩性等。要确定各粒组的相对含量，需要将各粒组分离开，再分别称重。这就是工程中常用的颗粒分析方法，实验室常用的有筛分法和密度计法。筛分法适用粒径大于0.075mm的土。利用一套孔径大小不同的标准筛子，将称过质量的干土过筛，充分筛选，将留在各级筛上的土粒分别称重，然后计算小于某粒径的土粒含量。密度计法适用于粒径小于0.075mm的土。基本原理是颗粒在水中下沉速度与粒径的平方成正比，粗颗粒下沉速度快，细颗粒下沉速度慢。根据下沉速度就可以将颗粒按粒径大小分组（详见土工试验书籍）。当土中含有颗粒粒径大于0.075mm和小于0.075mm的土粒时，可以联合使用密度计法和筛分法。工程中常用粒径级配曲线直接了解土的级配情况。曲线的横坐标为土颗粒粒径的对数，单位为mm；纵坐标为小于某粒径土颗粒的累积含量，用百分比（%）表示。从曲线中可直接求得各粒组的颗粒含量及粒径分布的均匀程度，进而估测土的工程性质。其中一些特征粒径，可作为选择建筑材料的依据，并评价土的级配优劣。特征粒径有：d10 土中小于此粒径的土的质量占总土质量的10%，也称有效粒径；d30 土中小于此粒径的土的质量占总土质量的30%；d50 土中小于此粒径的土的质量和大于此粒径的土的质量各占50%，也称平均粒径，用来表示土的粗细；d60 土中此粒径土的质量占总土质量的60%，也称限制粒径。粒径分布的均匀程度由不均匀系数Cu表示：Cu= d60/ d10 (1-1)Cu愈大，土愈不均匀，也即土中粗、细颗粒的大小相差愈悬殊。若土的颗粒级配曲线是连续的，Cu愈大，d60与d10相距愈远，则曲线愈平缓，表示土中的粒组变化范围宽，土粒不均匀；反之，Cu愈小，d60与d10相距愈近，曲线愈陡，表示土中的粒组变化范围窄，土粒均匀。工程中，把Cu5的土称为不均为土，Cu5的土称为均匀土。若土的颗粒级配曲线不连续，在该曲线上出现水平段，如图1-1曲线和所示，水平段粒组范围不包含该粒组颗粒。这种土缺少中间某些粒径，粒径级配曲线呈台阶状，土的组成特征是颗粒粗的较粗，细的较细，在同样的压实条件下，密实度不如级配连续的土高，其它工程性质也较差。土的粒径级配曲线的形状，尤其是确定其是否连续，可用曲率系数Cc反映：(1-2)若曲率系数过大，表示粒径分布曲线的台阶出现在d10和d30范围内。反之，若曲率系数过小，表示台阶出现在d30和d60范围内。经验表明，当级配连续时，Cc的范围大约在13。因此，当Cc 1或Cc3时，均表示级配曲线不连续。由上可知，土的级配优劣可由土中土粒的不均匀系数和粒径分布曲线的形状曲率系数衡量。我国土的分类标准（GBJ 145-90）规定：对于纯净的砂、砾石，当实际工程中，Cu大于或等于5，且Cc等于13时，它的级配是良好的；不能同时满足上述条件时，它的级配是不良的。2）土的液体部分如前所述，土中液体含量不同，土的性质就不同。土中的液体一部分以结晶水的形式存在于固体颗粒的内部，形成结合水；另一部分存在于土颗粒的孔隙中，形成自由水。（1）结合水在电场作用力范围内，水中的阳离子和极性分子被吸引在土颗粒周围，距离土颗粒越近，作用力越大；距离越远，作用力越小，直至不受电场力作用。通常称这一部分水为结合水。特点是包围在土颗粒四周，不传递静水压力，不能任意流动。（2）自由水不受电场引力作用的水称为自由水。自由水又可分为毛细水和重力水。 毛细水，毛细水分布在土颗粒间相互连通的弯曲孔道。由于水分子与土颗粒之间的附着力和水、气界面上的表面张力，地下水将沿着这些孔道被吸引上来，而在地下水位以上形成一定高度的毛细管水带。它与土中孔隙的大小、形状、土颗粒的矿物成分以及水的性质有关。 重力水，在重力本身作用下的水称重力水。重力水能在土体中自由流动，具有溶解能力，能传递水压力。水是土的重要成分之一。一般认为水不能承受剪力，但能承受压力和一定的吸力；一般情况下，水的压缩量很小，可以忽略不计。3）土的气体部分 在非饱和土中，土颗粒间的孔隙由液体和气体充满。土中气一般以下面两种形式存在于土中：一种是四周被颗粒和水封闭的封闭气体，另一种是与大气相通的自由气体。1.3 土的三相比例指标 在土力学中，为进一步描述土的物理力学性质，将土的三相成分比例关系量化，用一些具体的物理量表示，这些物理量就是土的物理力学性质指标。如含水量、密度、土粒比重、孔隙比、孔隙率和饱和度等。为了形象、直观地表示土的三相组成比例关系，常用三相图来表示土的三相组成，如图1-2所示。在三相图左侧，表示三相组成的质量，三相图的右侧，表示三相组成的体积。图中符号的意义如下：土粒质量；土中水质量；土的总质量，=+；土粒体积；土中水体积；土中气体积；土中孔隙体积，=+；土的总体积，=+1) 实测指标（1）土的含水率 ( )土的含水量 是指土中液体的质量 (mw ) 和土颗粒质量 (ms) 之比，用百分比表示。这一指标需通过试验取得。（1-4）式中土粒的质量 ms 就是干土的质量，是把土烘干至恒量后称得的，气体的质量忽略小计，液体的质量由总质量 m 和干土的质量ms 相减而得。（2）土的密度 ( r )土的密度 r 是指单位体积土的质量，在三相图中，即是总质量与总体积之比。单位用 或计。公式如下：（1-5）对粘性土，土的密度常用环刀法测得。即用一定容积V的环刀切取试样，称得质量m，即可求得密度 r 。r 通常称为天然密度或湿密度。工程计算中还常用到饱和密度和干密度两种密度。饱和密度(rsat)：孔隙完全被水充满时土的密度，公式为：（1-6）干密度（rd）：土被完全烘干时的密度，若忽略气体的质量，干密度在数值上等于单位体积中土粒的质量。公式为（1-7）实际工程中，由于人们习惯用重量表示物质含量的多少，所以还常用到土的重度。对应于上述几种密度，相应地用天然重度、饱和重度sat和干重度d来表示土在不同含水状态下单位体积的重量。在数值上，它们等于相应的密度乘以重力加速度g。此外，静水中土体受水的浮力作用，其重度等于土的饱和重度减去水的重度，称为浮重度，单位用计。由于重量 (G) 与质量 (m) 有存在G = mg 关系，所以土的重度与土的密度 r 的关系如下： = r g = 9.8r ( 1-8 )其中g为重力加速度（）有时工程上为了计算方便，取 。土的密度随土的三相组成比例不同而异，一般情况在1.60 2.20之间。（3） 土粒比重 ( Gs )土粒比重 ( Gs) 是土粒的质量与同体积纯蒸馏水在4时的质量之比，这一指标需试验取得，公式如下：（1-9）式中，r s为土粒的密度，即单位土体土粒的质量； 为4时纯蒸馏水的密度。土粒比重常用比重瓶法测得。将比重瓶加满蒸馏水，称水和瓶的总质量m1；然后把烘干土ms装入该空比重瓶，再加满蒸馏水，称总质量m2，按下面的公式求得土粒比重： ( 1-10 )实际上由于 = 1.0g/ ，故土粒比重在数值上等于土粒的密度，但无量纲。天然土的颗粒是由不同的矿物组成的，它们的比重一般并不相同。试验测得的是土粒的比重的平均值。土粒的比重变化范围较小，砂土一般在2.65左右，粘性土一般在2.75左右；若土中的有机质含量增加，则土的比重将减小。2）其它指标（1）孔隙比（ e）孔隙比是指孔隙的体积与固体颗粒实体的体积之比，用小数表示，公式为： (1-11)（2）孔隙度（ n）孔隙度是指孔隙的体积与土的总体积之比，用百分数表示，公式为： (%) ( 1-12 )根据二者的定义很容易证明，孔隙度 n 与孔隙比 e 之间有如下关系：( 1-13 )或( 1-14 )土的孔隙比和孔隙度都是用来表示孔隙体积的含量。同一种土，孔隙比和孔隙度不同，土的密实程度也不同。它们随土的形成过程中所受到的压力、粒径级配和颗粒排列的不同而有很大差异。一般来说，粗粒土的孔隙度小，如砂类土的孔隙度一般在30%左右；细粒土的孔隙度大，如粘性土的孔隙度有时可高达70%。（3）饱和度 (Sr)土的饱和度Sr是指土孔隙中液体的体积与孔隙的体积之比，用百分数表示，公式如下（1-15）含水率是用来表示土中含水程度的一个重要指标，饱和度Sr则用来确定孔隙中充满水的程度。很显然，干土的饱和度Sr=0,饱和土的饱和度Sr=100% 。土的物理性质指标之间的关系可用三相图来换算。1.4 无粘性土的密实度无粘性土的密实度指的是碎石土和砂土的疏密程度。无粘性土的密实度与其工程性质有着密切的关系，密实的无粘性土由于压缩性小，抗剪强度高，承载力大，可作为建筑物的良好地基。但如处于疏松状态，尤其是细砂和粉砂，其承载力就有可能很低，因为疏松的单粒结构是不稳定的，在外力作用下很容易产生变形，且强度也低，很难作天然地基。对于同一种无粘性土，当其孔隙比小于某一限度时，处于密实状态，随着孔隙比的增大，则处于中密、稍密直到松散状态。无粘性土的这种特性，是因为它所具有的单粒结构决定的。密实度的评价方法有三种：1、 室内测试孔隙比确定相对密实度的方法2、 利用标准贯入试验等原位测试方法3、 野外观测方法无粘性土的相对密实度：以最大孔隙比与天然孔隙比之差和最大孔隙比与最小孔隙比之差的比值，表示，即： 无粘性土的最小孔隙比是最紧密状态的孔隙比，用符号表示，一般采用“振击法”测定；无粘性土的最大孔隙比是土处于最疏松状态时的孔隙比，用符号表示。一般用“松砂器法”测定。从上式可知，若无粘性土的天然孔隙比接近于，即相对密度接近于1时，土呈密实状态，当接近于时，即相对密度接近于0，则呈松散状态。无粘性土的天然孔隙比如果接近(或)，则该无粘性土处于天然疏松(或密实)状态，这可用无粘性土的相对密实度进行评价。根据值可把砂土的密实度状态划分为下列三种： 10.67 密实的 0.670.33 中密的 0.330 松散的相对密实度试验适用于透水性良好的无粘性土，如纯砂、纯砾等。对于不同的无粘性土，其与的测定值也是不同的，与之差(即孔隙比可能变化的范围)也是不一样的。一般土粒粒径较均匀的无粘性土，其与之差较小；对不均匀的无粘性土，则其差值较大。 相对密实度是无粘性粗粒土密实度的指标，它对于土作为土工构筑物和地基的稳定性，特别是在抗震稳定性方面具有重要的意义。对于砂土，也可用天然孔隙比来评定其密实度。但是矿物成分、级配、粒度成分等各种因素对砂土的密实度都有影响，并且在具体的工程中，难于取得砂土原状土样，因此，利用标准贯入试验、静力触探等原位测试方法来评价砂土的密实度得到了工程技术人员的广泛采用。砂土根据标准贯入试验(见第6章)的锤击数N分为松散，稍密、中密及密实四种密实度，其划分标准见书上19页表1-3。碎石土可根据野外鉴别方法划分为密实、中密、稍密三种密实度状态。1.5 粘性土的物理特征1.5.1 粘性土的界限含水量粘性土由于其含水量的不同，而分别处于固态、半固态、可塑状态及流动状态。可塑状态就是当粘性土在某含水量范围内，可用外力塑成任何形状而不发生裂纹，并当外力移去后仍能保持既得的形状。土的这种性能叫做可塑性。粘性土由一种状态转到另一种状态的分界含水量，叫做界限含水量，它对粘性土的分类及工程性质的评价有重要意义。 图1-13 粘性土物理状态与含水量的关系如书21页图1-13所示，土由可塑状态转到流动状态的界限含水量叫做液限(也称塑性上限含水量或流限)，用符号表示，土由半固态转到可塑状态的界限含水量叫做塑限(也称塑性下限含水量)，用符号表示，土由半固体状态不断蒸发水分，则体积逐渐缩小，直到体积不再缩小时土的界限含水量叫缩限，用符号表示。它们都以百分数表示。 我国目前采用锥式液限仪(书中21页图1-15所示)来测定粘性土的液限。美国、日本等国家使用碟式液限仪来测定粘性土的液限。粘性土的塑限采用“搓条法”测定。近年来许多单位都在探索一些新方法，以便取代搓条法，如以联合法测定液限和塑限。联合测定法求液限、塑限是采用锥式液限仪以电磁放锥法对粘性土试样以不同的含水量进行若干次试验，并按测定结果在双对数坐标纸上作出76克圆锥体的入土深度与含水量的关系曲线。1.5.2 粘性土的塑性指数和液性指数塑性指数：是指液限和塑限的差值(省去符号)，即土处在可塑状态的含水量变化范围用符号表示，即： 在工程上常按塑性指数对粘性土进行分类。建筑地基基础设计规范GBJ7-89规定粘性土按塑性指数值可划分为粘土、粉质粘土。液性指数：粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比，用符号表示，即： 从式中可见，当土的天然含水量小于时，小于0，天然土处于坚硬状态；当大于时，大于1，天然土处于流动状态；当在与之间时，即在01之间，则天然土处于可塑状态。因此可以利用液性指数来表示粘性土所处的软硬状态。值愈大，土质愈软，反之，土质愈硬。建筑地基基础设计规范GBJ7-89规定粘性土根据液性指数值划分为坚硬，硬塑、可塑、软塑及流塑五种软硬状态。1.6 地基岩土的工程分类自然界中土的种类不同，其工程性质也必不相同。无粘性土和粘土。实际工程中，这种粗略的分类远远不能满足工程的要求，还必须用更能反映土的工程特性的指标来系统分类。1） 土的分类标准（GBJ 14590）为了与国际接轨，我国特制定了“土的分类标准”，这一分类体系与一些欧美国家的土分类体系原则相近，仅根据我国的实际情况作了适当修正。按GBJ 145-90分类法，土的总分类体系如下：对土进行分类时，首先根据有机质的含量把土分成有机土和无机土两大类。无机土中，再根据土中各粒组的相对含量把土再分为：巨粒土、含巨粒土、粗粒土和细粒土。根据土的分类标准，各粒组还可进一步细分。下面分别予以说明（1）巨粒土和含巨粒土土体颗粒粒径在60mm以上的称巨粒。若土中巨粒含量高于50%，该土属巨粒土；若土中巨粒含量在15%50%之间，该土属含巨粒土。（2）粗粒土粗粒土中大于0.075mm的粗粒含量在50%以上。粗粒土分为砾类土和砂类土两类。若土中粒径大于2mm的砾粒含量多于50%，则该土属砾类土；不足50%，则属砂类土。（3）细粒土的分类细粒土中粒径小于0.075mm在细粒含量在50%以上，且粗粒含量少于25%。2） 建筑地基基础设计规范（GB500072002）这种分类方法的体系比较简单，按照土颗粒的大小、粒组的土颗粒含量把地基土分成碎石土、砂土、粉土和粘性土和人工填土。1）碎石土粒径大于2mm的颗粒含量大于50%的土属碎石土。根据粒组含量及颗粒形状，可细分为漂石、块石、卵石、碎石、圆砾、角砾。2）砂土粒径大于2mm的颗粒含量在50%以内，同时粒径大于0.075mm的颗粒含量超过50%的土属砂土。砂土根据粒组含量不同又分为砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂五类。3）粉土粒径大于0.075mm的颗粒含量小于50%且塑性指数小于等于10的土属粉土。该类土的工程性质较差，如抗剪强度低，防水性差，粘聚力小等。4）粘性土粒径大于0.075mm的颗粒含量在50%以内，塑性指数大于10的土属粘性土。5）淤泥淤泥为在静水或缓慢的流水环境中沉积，并经生物化学作用形成，其天然含水率大于液限、天然孔隙比大于或等于1.