第4章土的工程性质与分类

第四章土的工程性质与分类,土(soil)是各种岩石矿物颗粒组成的松散集合体。土体(soilmass)是由一定的土体材料组成,具有一定的土体结构,赋存于一定地质环境中的地质体。,固相土液相气相,土中颗粒的大小、成分及三相之间的相互作用和比例关系，反映出土的不同性质,土的三相组成：,4.1土的组成与结构、构造,一、土的固相,土粒的大小、相关矿物成分以及大小搭配情况对土的物理力学性质有明显影响1.土的颗粒级配工程上将各种不同的土粒按其粒径范围，划分为若干粒组，为了表示土粒的大小及组成情况，通常以土中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，称为土的颗粒级配试验方法筛分法：适用于d0.075mm比重计法:适用于d0.075mm,土的粒组划分,筛分法,用一套孔径不同的筛子，按从上至下筛孔逐渐减小放置。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质量的百分数,比重计法：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,颗粒粒径级配曲线：纵坐标表示小于某粒径的土粒含量百分比,横坐标表示土粒的粒径(对数坐标）,颗粒级配的描述,工程上常用不均匀系数Cu描述颗粒级配的不均匀程度,Cu愈大，表示土粒愈不均匀。工程上把Cu5的土视为级配不良的土；Cu5的土视为级配良好的土,曲率系数Cc描述颗粒级配曲线整体形态，表明某粒组是否缺失情况,对于砾类土或砂类土，同时满足Cu5和Cc=13时，定名为良好级配砂或良好级配砾,d10、d30、d60小于某粒径的土粒含量为10%、30%和60%时所对应的粒径,2.土的矿物成分,矿物成分取决于母岩的矿物成分和风化作用原生矿物：由岩石经过物理风化形成，其矿物成分与母岩相同例：石英、云母、长石等特征：矿物成分的性质较稳定，由其组成的土具有无粘性、透水性较大、压缩性较低的特点,次生矿物：岩石经化学风化后所形成的新的矿物，其成分与母岩不相同例：粘土矿物有高岭石、伊利石、蒙脱石等特征：性质较不稳定，具有较强的亲水性，遇水易膨胀的特点,二、土中的水,土中水的含量明显地影响土的性质(尤其是粘性土)。土中水除了一部分以结晶水的形式吸附于固体颗粒的晶格内部外，还存在结合水和非结合水,1.结合水,强结合水：紧靠于颗粒表面、所受电场的作用力很大、几乎完全固定排列、丧失液体的特性而接近于固体弱结合水：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,2.非结合水,存在于土粒电场影响范围以外，性质和普通水无异，能传递水压力，冰点为0，有溶解能力以两种形式存在：毛细水、重力水,三、土中气体,土中气体存在于土孔隙中未被水占据的部分，分为与大气连通的非封闭气体和与大气不连通的封闭气体1.非封闭气体：受外荷作用时被挤出土体外，对土的性质影响不大2.封闭气体：受外荷作用，不能逸出，被压缩或溶解于水中，压力减小时能有所复原，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时间,四、土的结构,在成土过程中所形成的土粒的空间排列及其联结形式，与组成土的颗粒大小、颗粒形状、矿物成分和沉积条件有关,1.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，其特点是土粒间存在点与点的接触。根据形成条件不同，可分为疏松状态和密实状态,2.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，形成孔隙较大的蜂窝状结构,3.絮状结构：,细微粘粒大都呈片状或针状，质量极轻，在水中处于悬浮状态。当悬液介质发生变化时，土粒表面的弱结合水厚度减薄，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,五、土的构造,土的构造是指土体中各结构单元之间的关系。主要特征是土的成层性和裂隙性,即层理构造和裂隙构造，二者都造成了土的不均匀性1.层理构造：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,而沿竖向呈现出成层特征2.裂隙构造：土体被许多不连续的小裂隙所分割,在裂隙中常充填有各种盐类的沉淀物,4.2土的物理力学性质及其指标,一、土的三相比例指标,所谓土的物理性质就是表示土中三相比例关系的一些物理量。土的物理性质指标不仅可以描述土的物理性质和它所处的状态，而且在一定程度上反映了土的力学性质。,土的物理性质指标的分类,一类是必须通过试验测定的，如含水量、密度和土粒比重，称为直接指标一类是根据直接指标换算的，如孔隙比、孔隙率、饱和度等，称为间接指标,土的三相图,为便于说明这些物理性质指标的定义和它们的换算关系，常用三相图表示土体内三相的相对含量。,1.试验直接测定的物理性质指标土的密度和重度,密度,定义：单位体积土的质量，用表示,单位：kg/m3或g/cm3,表达式：,定义：单位体积土的重量，用表示,单位：KN/m3,表达式：,重度,土的密度和重度,测定方法：环刀法,土粒比重Gs,定义：土的质量（或重量）与同体积4时纯水的质量（或重量）之比表达式：,土粒比重变化范围不大：粘性土一般2.702.75；砂土一般为2.65左右。土中有机质含量增加，土粒比重减小,土的比重Gs,测定方法：比重瓶法，事先将比重瓶注满蒸馏水，称瓶加水的质量m1。然后把烘干土若干克(ms)装入空比重瓶内，再加纯水至满，称瓶加水加土的质量m2，按下式计算土粒比重,土的比重Gs,土的含水量w,含水量：土中水的质量与土粒质量之比，以百分数表示表达式：,土的含水量是标志土含水程度的一个重要物理指标。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环境等有关。,土的含水量,测定方法：烘干法。先称出天然湿土的质量，然后放在烘箱里，在100105下烘干，称干土的质量。,2.间接换算的物理性质指标土的孔隙比e,定义：土中孔隙的体积与土粒的体积之比，以小数表示表达式：,土中孔隙率n,定义：土中的孔隙的体积与土的总体积之比，以百分数表示表达式：,土的饱和度Sr,定义：土中孔隙水的体积与孔隙体积之比，以百分数表示表达式：,饱和度描述土中孔隙被水充满的程度。干土Sr=0,饱和土Sr=100%。砂土根据饱和度分为三种状态:,Sr50%稍湿；50Sr80%很湿；Sr80%饱和,干密度d干重度d,定义：单位体积内土粒的质量或重量表达式：,干密度d干重度d,土烘干，体积要减小，因而土的干密度不等于烘干土的密度。土的干密度或干重度是评价土密实程度的指标，干密度或干重度越大表明土越密实，反之越疏松。常用它来控制填土工程的施工质量。,饱和密度sat与饱和重度sat,定义：土中孔隙完全被水充满，土处于饱和状态时单位体积土的质量或重量表达式：,浮密度与浮重度,定义：单位体积内土粒质量与同体积水质量之差表达式：,各种密度之间的比较,土的三相比例指标中的质量密度指标共有4个，土的密度，饱和密度sat，干密度d，浮密度(kg/m3),相应的重度指标也有4个，土的重度，饱和重度sat，干重度d，浮重度(kN/m3),3.物理性质指标间的换算,常用的物理性质指标共有9个，一般说，已知其中任意3个，通过换算，可以求其余6个。,孔隙比与孔隙率的关系,干密度与湿密度和含水量的关系,孔隙比与比重和干密度的关系,饱和度与含水量、比重和孔隙比的关系,当土饱和时，即为Sr=100则,饱和含水量,浮密度与比重和孔隙比的关系,例题分析,【例】某土样经试验测得体积为100cm3，湿土质量为187g，烘干后，干土质量为167g。若土粒的比重Gs为2.66，求该土样的含水量、密度、重度、干重度d、孔隙比e、饱和重度sat和有效重度【解答】,二、无粘性土的密实状态,无粘性土与粘性土区别：1、矿物成分：无粘性土一般由原生矿物组成，颗粒较粗；粘性土一般由次生矿物组成，颗粒较细；2、土的结构：无粘性土颗粒较粗，土粒之间的粘结力很弱或无粘结，往往形成单粒结构；粘性土颗粒较细，呈现具有很大孔隙的蜂窝状结构或絮状结构，天然状态下具有一定的结构性、灵敏度和触变性。3、物理状态：无粘性土的工程性质取决于其密实度；而粘性土的工程性质取决于其软硬状态及土性稳定性。,无粘性土的相对密实度,对无粘性土来说，土体的松密程度对土的工程性质影响很大。土的密实程度越高，压缩性越小，其工程特性越好；土的密实程度越低，压缩性越大，其工程特性越差。描述土的松紧程度的指标有干密度和孔隙比，密实度在一定程度上可用其孔隙比来反映,无粘性土的相对密实度,无粘性土的孔隙比的范围受土粒的大小、形状和级配的影响很大。因此即便两种无粘性土具有同样的孔隙比也未必表明他们处于同样的状态。在工程上一般用相对密实度Dr来衡量无粘性土的松紧程度。它是用无粘性土自身最松和最密两种极限状态作为判别的基准。,相对密实度Dr,定义（理论表达式）,emax无粘性土处于最松状态时的孔隙比，可由其最小干密度换算,emin无粘性土处于最密状态时的孔隙比，可由其最大干密度换算,e0无粘性土的天然孔隙比,相对密实度Dr,定义（实用表达式）,dmax无粘性土的最大干密度,dmin无粘性土的最小干密度,d无粘性土的天然干密度,相对密实度Dr,无粘性土处于最密实的状态,无粘性土处于最松的状态,在工程上，用相对密实度划分无粘性土状态如下：,疏松,中密,密实,动力触探确定无粘性土的密实度,天然砂土的密实度，可按原位标准贯入试验的锤击数N进行评定。天然碎石土的密实度，可按原位重型圆锥动力触探的锤击数N63.5进行评定(GB50007-2002),标准贯入试验,质量为63.5kg的重锤从76cm高处落下将贯入器贯入土中30cm的锤击数,三、粘性土的稠度,定义：指粘性土在某一含水量下对外界引起的变形或破坏的抵抗能力，是粘性土最主要的物理状态指标。,粘性土的稠度,流动状态,可塑状态,半固体状态,固体状态,刚沉积的粘土，本身不能保持其形态，极易流动,体积不再收缩，空气进入土体，土的颜色变淡,含水率减小,丧失可塑性，在外力作用下，易于发生破裂,水分蒸发，上覆沉积层厚度增加，含水率减小，体积收缩,外力作用可改变其形状，而不改变其体积，并在外力卸除后仍能保持已获得的形状,粘性土的界限含水量,定义：粘性土从一种状态转变为另一状态，可用某一界限含水量来区分，称为稠度界限,（阿太堡）Atterberg界限,粘性土的界限含水量,粘性土的界限含水量,液限流动状态与可塑状态的界限含水量，可塑状态的上限含水量,塑限可塑状态与半固体状态的界限含水量，可塑状态的下限含水量,缩限半固体状态与固体状态的界限含水量，即粘性土随着含水量的减小而体积开始不变的含水量。,粘性土从一种状态转变为另外一种状态是逐渐过渡的，并无明确的界限。目前工程上只是根据某些通用的试验方法测定这些界限含水量。,塑限测定方法：,搓条法和液塑限联合测定法,塑限测定方法：,搓条法：调制均匀的湿土样，在毛玻璃上搓滚成3毫米直径的土条，若这个时刻恰好出现裂缝，就把土条的含水量定为塑限液塑限联合测定法：取代表性试样，加入不同数量的纯水，调制成三种不同稠度的试样，用电磁落锥测定圆锥在自重作用下经5秒后沉入试样的深度。以含水量为横坐标，圆锥入土深度为纵坐标，在双对数纸上绘制关系曲线(图4-26)。入土深度2毫米所对应的含水量为塑限。,塑限测定方法：,液限测定方法：,液塑限联合测定法和碟式仪法液塑限联合测定法：土工试验方法标准（GB/T50123-1999）规定入土深度恰好为17毫米所对应的含水量为17毫米液限，入土深度恰好为10毫米所对应的含水量为10毫米液限。,液限测定方法：,碟式液限仪：金属碟半径为54mm，糊状土样装入碟中厚8mm，在土样中开梯形小槽，底宽2mm，顶宽11mm。使碟上升1cm后再下落，下落25次后，如土槽合拢长度为13mm，这时土样的含水量即为液限。,缩限测定方法：收缩皿法,把土料的含水量调制到大于土的液限，然后将试样分层填入收缩皿中，刮平表面，烘干，测出干土样的体积并称其质量，按下式计算,塑性指数,液限和塑限之差（去掉百分号）称为塑性指数,塑性指数表示处于可塑状态时土的含水量可变化幅度。塑性指数越大，可塑状态含水量变化范围也大。塑性指数是反映粘性土性质的一个综合性指标。一般地，塑性指数越高，土的粘粒含量越高，所以常常用作粘性土的分类指标,液性指数,粘性土即使具有相同的含水量，也未必处于同样的状态，与无粘性土的相对密实度相似，粘性土的状态用液性指数来判别。液性指数表征了土的天然含水量与界限含水量之间的相对关系，表达了天然土所处的状态。,液性指数是粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数的比值。,判定,土处于坚硬状态,土处于可塑状态,土处于流动状态,注意,由于液限和塑限目前都是用扰动土测定的，土的结构已彻底破坏，而天然土一般在自重作用下已有很长的历史，它获得了一定的结构强度，以至于土的天然含水量大于它的液限也未必一定会发生流动。含水量大于液限只是意味着：若土的结构遭到破坏，它将转变为粘滞泥浆。,例题分析,【例】某砂土试样,试验测定土粒比重Gs=2.7,含水量=9.43%,天然密度=1.66g/cm3。已知砂样最密实状态时称得干砂质量ms1=1.62kg,最疏松状态时称得干砂质量ms2=1.45kg，其体积V=1000cm3。求此砂土的相对密度Dr,并判断砂土所处的密实状态,【解答】,砂土在天然状态下的孔隙比,砂土最小孔隙比,砂土最大孔隙比,相对密实度,（1/3,2/3,中密状态,四、土的力学性质,1、土的压缩性2、土的抗剪强度,1.土的压缩性,土的压缩性是指土在压力作用下体积缩小的特性,压缩量的组成固体颗粒的压缩土中水的压缩空气的排出水的排出,占总压缩量的1/400不到，忽略不计,压缩量主要组成部分,说明：土的压缩被认为只是由于孔隙体积减小的结果,无粘性土,透水性好，水易于排出,压缩稳定很快完成,粘性土,透水性差，水不易排出,压缩稳定需要很长一段时间,土的固结：土体在压力作用下，压缩量随时间增长的过程,沉降：在附加应力作用下，地基土产生体积缩小，从而引起建筑物基础的竖直方向的位移（或下沉）称为沉降,瞬时沉降,次固结沉降,主固结沉降,瞬时沉降Si指在加荷后立即发生的沉降饱和粘土在很短的时间内，孔隙中的水来不及排出，加之土体中的土粒和水是不可压缩的，因而瞬时沉降是在没有体积变形的条件下发生的，它主要是由于土体的侧向变形引起的瞬时沉降一般不予考虑对于控制要求较高的建筑物，瞬时沉降可用弹性理论估算。,主固结与主固结沉降在荷载作用下饱和土体中孔隙水的排除导致土体体积随时间逐渐减小，有效应力逐渐增加，这一过程称为主固结随着时间的增加，孔隙水应力逐渐消散，有效应力逐渐增加并最终达到一个稳定值，此时孔隙水应力消散为零，主固结沉降完成，这一过程所产生的沉降为主固结沉降。,次固结沉降土体在主固结成将完成之后有效应力不变的情况下还会随时间的增长进一步产生沉降，称为次固结沉降次固结沉降对某些土如软粘土是比较重要的，对于坚硬土或超固结土，这一分量相对较小。,为了研究土的压缩特性，通常需要进行试验,室内固结试验,现场原位试验（荷载试验、旁压试验）,压缩试验,研究土的压缩性大小及其特征的室内试验方法，亦称固结试验,压缩仪示意图,注意：土样在竖直压力作用下，由于环刀和刚性护环的限制，只产生竖向压缩，不产生侧向变形,用环刀切取扁园柱体，一般高2厘米，直径应于高度25倍，面积为30cm2或50cm2,试样连同环刀一起装入护环内，上下有透水石以便试样在压力作用下排水。在透水石顶部放一加压上盖，所加压力通过加压支架作用在上盖，同时安装一只百分表用来量测试样的压缩。由于试样不可能产生侧向变形而只有竖向压缩。于是，我们把这种条件下的压缩试验称为单向压缩试验或侧限压缩试验。,e-p曲线,研究土在不同压力作用下，孔隙比变化规律,Vve0,Vs1,Vve,Vs1,土样在压缩前后变形量为s，整个过程中土粒体积和底面积不变,土粒高度在受压前后不变,其中,根据不同压力p作用下，达到稳定的孔隙比e，绘制e-p曲线，为压缩曲线,整理,曲线A压缩性曲线B压缩性,e0,e,p,e-p曲线,e-p曲线越陡，土的压缩性越高,e-p曲线越平缓，土的压缩性越低,e-logp曲线,在较高的压力范围内，压缩曲线近似为一直线，很明显，该直线越陡，意味着土的压缩性越高。,压缩指数,压缩性指标,压缩性不同的土，曲线形状不同，曲线愈陡，说明在相同压力增量作用下，土的孔隙比减少得愈显著，土的压缩性愈高,压缩性指标:,1.压缩系数a和压缩指数Cc2.压缩模量Es3.变形模量E0,压缩系数a,土体在侧限条件下孔隙比减少量与竖向压应力增量的比值,p1,p2,e1,e2,e0,M1,M2,e-p曲线,利用单位压力增量所引起得孔隙比改变表征土的压缩性高低,e,p,在压缩曲线中，实际采用割线斜率表示土的压缩性,规范用p1100kPa、p2200kPa对应的压缩系数a1-2评价土的压缩性,a1-20.1MPa-1低压缩性土0.1MPa-1a1-20.5MPa-1中压缩性土a1-20.5MPa-1高压缩性土,压缩模量Es,土在侧限条件下竖向压应力与竖向总应变的比值，或称为侧限模量,说明：土的压缩模量Es与土的的压缩系数a成反比，Es愈大，a愈小，土的压缩性愈低,变形模量E0,土在无侧限条件下竖向压应力与竖向总应变的比值。,变形模量与压缩模量之间关系,其中,土的泊松比，一般00.5之间,2.土的抗剪强度,土的破坏主要是由于剪切引起的，剪切破坏是土体破坏的重要特点工程实践中与土的抗剪强度有关的工程主要有以下3类（1）稳定性问题（2）土压力问题（3）地基的承载力问题,滑动面的产生是由于滑动面上的剪应力达到土的抗剪强度,抗剪强度即土体对于外荷载所产生的剪应力的极限抵抗能力。,土的强度问题实质上是土的抗剪强度。,土的破坏主要是由于剪切引起的，剪切破坏是土体破坏的重要特点。,稳定性问题,是以土作为建造材料的土工构筑物的稳定性问题。如土坝、路堤等填方边坡、天然土坡等的稳定性。,土压力问题,是土作为工程构筑物环境的安全性问题。挡土墙、地下结构等的周围土体，它的强度破坏将造成对墙体过大的侧向土压力，以至可能导致这些工程构筑物发生滑动、倾覆等破坏事故。,地基承载力问题,是土作为建筑物地基，如果基础下的地基土体产生整体滑动或因局部剪切破坏而导致过大的地基变形，将会造成上部结构的破坏或影响其正常使用功能。,美国纽约某水泥仓库：是近代世界上最严重的建筑物破坏之一位于纽约汉森河旁1940年水泥仓库装载水泥，使粘性土超载，引起地基土剪切破坏而滑动。倾斜45度，地基土被挤出达5.18米，23米外的办公楼也发生倾斜。,确定强度指标的试验,测定土抗剪强度指标的试验称为剪