2.1土的组成与结构

第二章土的物理性质及分类,贵州大学土木建筑工程学院黄质宏,土力学地基基础系列讲座二,2,第2章土的物理性质及分类,第1节概述第2节土的三相组成及土的结构第3节土的物理性质指标第4节无粘性土的密实度第5节粘性土的物理特征第6节土的渗透性第7节土的动力特性第8节地基土（岩）的分类,3,第1节概述,土是岩石风化的产物。是各种矿物颗粒的集合体。,风化作用,物理作用：岩石产生量的变化,化学作用,生物作用,岩石产生质的变化,4,土是三相体。,土,液相（水）,气相（气）,固相（土颗粒）,土,残积土,运积土,风成沉积土,水成沉积土,冰川沉积土,5,饱和土中的孔隙均被水所充填，所以饱和土为二相体。,6,第2节土的三相组成一、固相二、液相三、气相,7,一、土的固相,（一）成土矿物（二）土粒的粒组（三）土粒的分析方法（四）土粒的级配,8,土粒的矿物成分矿物成分对土的性质有着重要影响，其中以细粒组的矿物成分最为重要。原生矿物：包括石英、长石和云母等。为岩石物理风化的产物，化学性质稳定或较为稳定。次生矿物：为原生矿物化学风化的产物。,土颗粒的矿物成分,原生矿物,次生矿物,9,次生矿物主要是粘土矿物。由于晶片结合的情况不同，便形成了具有不同性质的各种粘土矿物，主要有蒙脱石、伊里石和高岭石。,硅氧四面体,硅氧晶片,铝氢氧八面体,铝氢氧晶片,的基本单元粘土矿物结构,10,蒙脱石：亲水性强（吸水膨胀、脱水收缩）伊里石：亲水性中等高岭石：亲水性差,11,（一）成土矿物,土是岩石风化的产物，土粒的矿物成分取决于成土母岩的矿物成分风化后的风化作用，一般可分为两类：原生矿物：石英、长石、云母；岩石物理风化生成的土粒，土粒较粗，多呈浑圆状、块状或板状，吸附水的能力较弱，性质稳定，无塑性次生矿物：化学风化的产物，性质与母岩完全不同，一般为粘土矿物,12,成土矿物,砂粒一般由石英构成，其次是长石、云母，当砂土中含有大量呈片状的云母时将,粘粒包含由次生矿物构成的极细土粒，粘粒含量增加，土的透水性减小，可塑性和压缩性增高。,13,（二）土粒粒组按土颗粒粒径（d）大小将土颗粒分组，称为粒组。划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。,巨粒：60mm,粗粒：0.07560mm,细粒：0.075mm,土的粒组,14,土粒的粒组,天然土由无数大小不同的土粒组成，逐个研究它们的大小是不可能的，统称是将工程性质相近的土粒合并成一组称为粒组,漂石粒卵石粒砾粒砂粒粉粒粘粒胶粒巨粒组d60mm粗粒组60mm0.075mm细粒组d0.075mm,15,土粒的粒组,16,三、土粒的分析方法,土的性质取决于各不同粒组的相对含量。为了确定各粒组的相对含量，必须用试验方法（颗分试验）将各粒组区分开来，最常用的颗分试验方法有筛分法和比重计法两种。,17,土颗粒的大小及其组成情况，通常以土中土颗粒各个粒组的相对含量（各粒组占土粒总量的百分数）来表示，称为土的颗粒级配。土的颗粒级配可由土的颗粒大小分析试验（简称颗分试验）测定。,筛析法,密度计法（比重计法）,d0.075mm,颗分试验,18,筛分法：适用于粒径大于0.075mm的土,利用一套孔径由大到小的筛子，将事先称过质量的干试样放入筛中，经过充分震摇后，把留在各级筛上的土粒分别称量，算出小于某粒径的土粒含量，用以确定土中各粒组的土粒含量,19,筛分法：适用于粒径大于0.075mm的土,20,比重计法：适用于粒径小于0.075mm的土,比重计法是利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同来确定小于某粒径的土粒含量。将一定质量土浸入水中搅拌成悬液，搅拌停止后，土粒便开始下沉，悬液的浓度随之发生变化。利用特制的密度计，在不同时刻测悬液浓度的变化。即可换算出相应的粒径及小于该粒径的土粒质量，绘出级配曲线。,21,比重计法：适用于粒径小于0.075mm的土,22,颗粒分析试验曲线,试验结果可绘制在半对数纸上纵坐标：小于某粒径的土粒含量横坐标：使用对数尺度表示土的粒径，可以把粒径相差上千倍的粗粒都表示出来，尤其能把占总重量少，但对土的性质可能有总要影响的颗粒部分清楚地表达出来,23,颗粒分析试验曲线,24,颗粒分析试验曲线,25,颗粒分析的先进方法激光颗分,26,四、土粒的级配级配的概念,土的级配：指土中各粒组的相对含量，用土粒总重的百分数表示正常级配：土的颗粒大小分布是连续的，曲线坡度是渐变的不连续级配：土中缺乏某些粒径的土粒，曲线出现水平段级配良好：粒径分布曲线形状平缓，土粒大小分布范围广，土粒大小不均匀级配不良：粒径分布曲线形状较陡，土粒大小分布范围窄，土粒均匀,27,土粒的级配级配的概念,为了判别土粒级配是否良好，常用不均匀系数Cu和曲率系数Cc两个指标来描述粒径曲线的坡度和形状。,分别为粒径曲线纵坐标上小于某粒径含量60、30、10时所对应的粒径,有效粒径,控制粒径,28,土粒的级配颗分曲线分析,土的粒径范围窄，分布曲线陡，d10和d60靠近，土的不均匀系数小，表示土粒均匀土的粒径范围宽，分布曲线缓，d10和d60相距远，土的不均匀系数大，表示土粒不匀Cu大不均匀有细粒土填空压密度大Cu小均匀无细粒土填空压密度小,29,土粒的级配颗分曲线分析,对于级配不连续的情况，有时Cu虽然大，但渗透稳定性一样不好，故Cu虽大，但并不表明土粒级配良好，还要用Cc来衡量，Cu和Cc描述了级配曲线整体特征，可描述土级配的好坏。,Cc大,Cc小,台阶分布在,台阶分布在,30,土粒的级配颗分曲线分析,级配的好坏由土粒的均匀程度和粒径分布曲线的形状去定。,规范规定：,同时满足，级配良好,31,土粒的级配粒组频率曲线,32,土粒的级配粒组频率曲线,土的级配的连续性也可用粒组频率曲线来反应。若土的频率曲线呈单峰，则土的级配是连续的，若粒组频率曲线呈双峰，则土的级配既有可能是连续的，也有可能是不连续的。连续与否取决于双峰之间谷点对应粒组的土粒含量。当大于3%时，是连续的，否则是不连续的。缺乏中间粒径的土是级配不连续的典型情况。这时，谷点对应粒组的土粒含量为零。,33,二、土的液相,土的液相是水及各离子的溶液，其含量及性质明显地影响土，尤其是粘性土的性质，如增加水平，可使土地状态由坚硬变为可塑，甚至成为流动状态的土浆。土中水可分为下列各类：结晶水、结合水、自由水水在土中存在形态：液态、固态、气态,34,土中水,结合水,自由水,强结合水,弱结合水,重力水,毛细水,土的含水量试验所测定的为土中的自由水和弱结合水。,结晶水：土粒矿物内部的水,35,结晶水：土粒矿物内部的水,存在矿物结晶中的水，只有在高温（大于105）下，才能使之从矿物中析出，故可将它视作矿物本身的一部分。,36,结合水：与土粒表面结合的水,结合水是指附着在土粒表面呈薄膜状的水，受土粒表面引力作用而不服从静水力学规律，其冰点低于零度。它比普通水有较大的粘滞性，较小的能动性和不同的密度。粘土矿物颗粒具有较强的与水相互作用的能力，称之为亲水性。这种亲水性的土粒表面常常带有负电荷，电荷的大小与土粒表面积大小有关。常用比表面积来表示电荷对土粒性能的影响。比表面积大电荷作用能力强,37,结合水：强结合水水,土粒表面的负电荷吸引着周围极化了的水分子，靠近土粒表面的地方引力最大，土粒周围的水分子和离子被吸引在土粒表面附近，排列十分紧密，失去常见水的某些特性，通常把靠近土颗粒表面的一层水称为强结合水（强吸着水）。,38,结合水：弱结合水,土粒表面的引力随离开土粒表面的距离增大而迅速降低，距土粒表面稍远的地方，水分子虽仍为定向排列，但不如强吸着水那么紧密和严格，因此这层水有可能由水膜较厚处缓慢地迁移到另一土粒上去，这种运动与重力无关。这层水不能传递静水压力，称之为弱结合水（弱吸着水）。,39,结合水与土的物理力学性质,土粒为弱结合水（弱吸着水）分隔时，由于土粒相互受到土粒表面引力的作用，因而在土颗粒间表现一定的联接强度。弱吸着水越薄，土粒间距越小，引力越高，这时联接性就越强，土粒就越不易发生移动。反之弱吸着水越厚，引力降低，联接性间拖，就越易于移动。弱吸着水厚度的变化，会使土的物理力学性质发生改变。,40,结合水示意图,41,自由水（毛细管水、重力水）,自由水指土粒表面引力作用范围意外的水，与普通水一样，受重力支配，能传递静水压力并具有融解作用。,42,自由水毛细管水,土中孔隙,细水通道,自由水上升,毛细管水,表面张力,重力,43,毛细管水上升高度的影响因素,孔隙大小和形状粒径尺寸水的表面张力,44,毛细管水假凝聚力,毛细管压力,负孔隙水压力,可使土粒相互挤紧，可使无粘性土也象有粘聚力似得。由毛细管压力所造成无粘性土间的连接力，称之为假粘聚力。,沙坑倒塌,45,重力水,重力水是在重力和水位差作用下能在土中流动的自由水。它是土中其它类型水的来源。重力水具有融解能力，能传递静水和动水压力，并对土粒起浮力作用。应当指出，水是土的一个重要组成部分。根据实用观点，一般认为它不承受剪力，但能承受压力和一定的吸力；同时，说的压缩性很小，在通常所遇到的压力范围内，它的压缩量可以忽略不计,46,三、土的气相,与大气相通,无影响，易挤出,与大气不相通（空气、水气、天然气）,压力作用下可压缩或融解,封闭气体对土的性质有较大影响，导致渗透性减小，弹性增大，拖延土的压缩和膨胀变形随时间的发展过程。,47,四、土的结构和构造土的结构是指由土粒单元的大小、形状、相互排列及其联结关系等因素形成的综合特征。,土的结构,絮状结构：d0.075mm,分散结构：d0.005mm（粘粒在淡水中）,紧密,疏松,48,土的结构及其联结,1.粗粒土及粉土的结构,土的结构：土中颗粒及其集合物的堆积方式和相互联结方式。,粉土：蜂窝结构,生成时重力起主要作用，颗粒之间以机械作用为主。,粗粒土：单粒结构,49,2.粘性土的结构,结构类型：,颗粒间的作用力：范德华力、库仑力等。,特点：粘聚力和可塑性。,3.不均匀土的混合结构,分散结构：淡水,絮凝结构：海水,50,根据颗粒大小分析试验结果，可以绘制颗粒级配累积曲线（横坐标为粒径，用对数坐标表示；纵坐标为小于某粒径的土重含量，用常数坐标表示）。颗粒级配曲线的坡度可以大致反映土的均匀程度。曲线陡，表示粒径大小相差不多，土颗粒比较均匀；曲线缓，表示粒径大小相差悬殊，土颗粒不均匀，级配良好。,51,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/(d60d10),52,Cu反映大小不同粒组的分布情况。Cu越大，表示土颗粒大小的分布范围越大，其级配良好。Cc描写累积曲线的分布范围，反映曲线的整体形状。在一般情况下，,Cu,10，级配良好,53,Cu5,Cc=13,级配良好,砾类土或砂类土,单独用Cu来确定土的级配情况是不够的，需同时参考Cc。,54,二、土的液相,土中水,结合水,自由水,强结合水,弱结合水,重力水,毛细水,土的含水量试验所测定的为土中的自由水和弱结合水。,55,三、土的气相土孔隙中未被水所占据的部位由气体充填。土中的气体若与大气相通，则对土的力学性质影响不大;若与大气隔绝，使土的压缩性提高，透水性减小。,56,四、土的结构和构造土的结构是指由土粒单元的大小、形状、相互排列及其联结关系等因素形成的综合特征。,土的结构,絮状结构：d0.075mm,分散结构：d0.005mm（粘粒在淡水中）,紧密,疏松,57,第3节土的三相比例指标,土的三相比例指标定量反映了土的三相的组成情况，有助于理解土的基本物理性质。,土,液相（水）,气相（气）,固相（土颗粒）,土是三相体。,58,为了对土的基本物理性质有所了解，需要对土的三相的组成情况进行定量研究。表示土的三相组成比例关系的指标，称为土的三相比例指标，包括土粒比重ds、含水量w、密度、孔隙比e、孔隙率n和饱和度Sr。,土粒比重ds：土粒质量与同体积的4时纯水的质量之比。在数值上等于土粒密度，但无量纲。在试验室用“比重瓶法”测定，一般土粒比重的变化幅度不大。,59,土的含水量w：土中水的质量与土粒质量之比。在试验室一般用“烘干法”测定。一般来说，同一类土，当含水量增大时，其强度就降低。,土的密度,干密度,饱和密度,有效密度,干重度,饱和重度,有效重度,土的密度：土单位体积的质量。在试验室一般用“环刀法”测定。,60,土的孔隙比e：土中孔隙体积与土粒体积之比。可以用来评价天然土层的密实程度。,土的孔隙率n：土中孔隙体积与土体总体积之比。,土的饱和度Sr：土中被水充满的孔隙体积与孔隙总体积之比。,61,第4节无粘性土的密实度,无粘性土的密实度与其工程性质有着密切的关系。呈密实状态时，为良好地基；呈疏松状态时，为不良地基。无粘性土的最小孔隙比emin：处于最紧密状态的孔隙比。在试验室可用“振击法”测定。无粘性土的最大孔隙比emax：处于最疏松状态的孔隙比。在试验室可用“漏斗法”或“量筒法”测定。,62,无粘性土的相对密实度Dr：无粘性土的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。Dr=(emax-e)/(emax-emin)相对密实度的值介于01之间，值越大，表示越密实。,63,第5节粘性土的物理特征,一、粘性土的界限含水量同一种粘性土随着含水量的不同，可分别处于固态、半固态、可塑状态和流动状态。粘性土由一种状态转到另一种状态的分界含水量，称为界限含水量。,0,固态,半固态,可塑状态,流动状态,缩限ws,塑限wp,液限wl,w,64,液限仪,锥式液限仪,碟式液限仪,塑限：搓条法,液限,塑限,液限：,液塑限联合测定仪,横坐标：土样含水量,纵坐标：圆锥入土深度,65,二、粘性土的塑性指数和液性指数塑性指数Ip为液限和塑限的差值，表示土处于可塑状态的含水量变化范围。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(土的颗粒组成，土的矿物成分以及土中水的离子成分和浓度等)。液性指数Il为粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数的比值。,66,液性指数可以表示粘性土所处的软硬状态。液性指数的值越大，表示土质越软。三、粘性土的灵敏度和触变性土的灵敏度：原状土的强度与同一土经重塑（含水量不变，土的结构被彻底破坏）后的强度之比。土的灵敏度越高，其结构性越强，受扰动后土的强度降低就越多。施工中要尽量减少对土结构的扰动。,67,土的触变性：粘性土的结构遭到破坏，其强度就会降低，但随着时间发展土体的强度会逐渐恢复，这种胶体化学性质称为土的触变性。,68,第6节土的渗透性,土的渗透性：水流通过土中孔隙难易程度的土体性质。达西定律：土中渗流速度v与水力梯度i之间呈线性比例关系（比例常数k称为渗透系数）。公式表示为：v=ki在砂性土中水的流动满足达西定律。,69,在粘性土中只有当水头梯度超过起始梯度（临界梯度，梯度阈值）才开始发生渗流。,70,第7节地基土（岩）的分类,一、岩石的工程分类（一）岩石按坚硬程度分类1.硬质岩石（qu30MPa）2.软质岩石（qu30MPa）（二）岩石的风化程度1.微风化2.中等风化3.强风化,71,二、土的工程分类,一般土,粗粒土,细粒土,砾类土：260mm,砂类土：0.0752mm,粉土：60%,注：有机质含量Wu按烧失量试验确定。【引自中华人民共和国国家标准岩土工程勘察规范（GB50021-94）】,73,软土：指在静水或非常缓慢的流水环境中沉积，经生物化学作用下形成的软弱土。,物理力学特性软土的,天然孔隙比大：e1,天然含水量高：wwl,压缩系数高,渗透系数小,抗剪强度低,灵敏度高,74,淤泥：e1.5,淤泥质土：1.5e1.0,软土,75,三、细粒土按塑性图分类粗、细粒组的分界粒径：0.075mm。,土,粗粒土：按颗粒大小及级配分类,细粒土：按塑性图分类,土的塑性指数虽然是划分细粒土的良好指标，但是塑性指数反映的只是一个相对的含水量范围，具有相同的塑性指数，液、塑限却可能完全不同，土性也可能很不相同。,76,细粒土的科学合理的分类，应综合考虑塑性指数和液限（或塑限）。,0,Ip,wl,ML,MH,CH,CL,40,:Ip=0.63(wl-20):Ip=10:wl=40%,77,有机质土可在相应的土类代号之后缀以代号O，如CHO，MHO等。土的分类标准：1.粗粒土（试样中粗粒组质量总质量的50%）；2.细粒土（试样中细粒组质量总质量的50%）；3.含粗粒的细粒土（试样中粗粒组质量为总质量的2550%）。,78,关于几个问题的讨论1.“含水量”的名称：一个指标的名称应能准确地反映其所表示的内容和意义。用中国传统的词语习惯，“量”应为一量词，是有量纲（或单位）的，如“质量”（单位为g或kg）、“重量”（单位为N或kN）等。而从“含水量”的定义看，它是两个质量之比，是无量纲的。,79,所以从名称的科学化、规范化的角度，从不至于造成混淆、便于理解的意义上，本人认为“含水量”的名称需更改。现有学者将含水量改称为“含水率”，从无量纲上与定义是符合了，但本人认为似乎还不确切，因为“率”一般反映某相关部分占整体的比例（与时间有关的名词排除在外，如速率），如“升学率”、“效率”、“孔隙率”等；而“含水量”的定义却是整体中部分与部分