1土的物理性质和工程分类

1、一土的物理性质与工程分类积土成山，风雨兴焉劝学本章大纲 土的形成 土的三相组成 土的结构性 土的三相关系与物理状态 土的胀缩性 土的工程分类 本章实验1、土的形成p 风化作用土的成因p 搬运与沉积土的形成机理土与岩石关系图解岩石压密、岩化风化作用颗粒堆积物土搬运、堆积土的“生长期”第四纪 第四纪包括更新世（2.588 ± 0.005）和全新世（0.011700） 人类的出现与进化是第四纪最重要的之一古新世 65.5 ± 0.3 除岩石露的陡峻山坡外，古近纪始新世 55.8 ± 0.2全球几乎到处被第四纪沉积物覆盖渐新世 33.9 ± 0.1中新世 23.

2、03 ± 0.05 第四纪沉积物形成较晚，大多未胶结，保存比较完整 上新世 5.332 ±0.005更新世 2.588 ± 0.005全新世 0.011700第四纪新近纪岩石土颗粒化作用 物理风化（原生矿物）p 气候变化引起的胀缩开裂，搬运过程中的碰撞和摩擦p 矿物成份与母岩相同，产生碎散性 化学风化（次生矿物）p 环境因素（水、空气等）引起矿物发生化学反应p 包括：水解、水化、氧化、溶解等作用p 微细颗粒和可溶性盐，吸水，产生三相结构性土的形成与年代相关，且随着时间增长继续发生变化自然变异性(不均一性）搬运和堆积 残积土(Residual soils)p 未移动

3、、覆盖下部母岩p 颗粒粗糙、多棱角、粗细不均、无明显层理p 施工中宜挖去残积土，采用下部基岩 运积土(Transported soils)p 洪积土、冲积土、湖泊沼泽沉积土、海相沉积土p 坡积土p 冰积土、风积土残积土水力运积土 洪积土p 洪水搬运，颗粒由粗及细，需重视“透镜体”（引 冲积土p 河水搬运，颗粒圆滑，形成砂粘土交叠层 湖泊沼泽沉积土p 极缓水流沉积，生物化学作用形成淤泥质 海相沉积土p 入海口堆积，颗粒细，土质松软，工程性质差降）重力运积土及其他 坡积土p 在降雨或重力作用下，坡脚处形成的堆积物，土粒性质不 均，需注意滑坡 冰积土p 冰川或冰水挟带搬运所形成的沉积物，颗粒粗细变化

4、较大， 土质不均匀 风积土p颗粒与土相关的工程设计总是与工程地质因素 密不可分冰积土实例珠峰昆布冰川猜猜：什么？什么土？成因？风化作用风化作用类型 物理风化p 温差、河流 化学风化p 水解、水化、氧化 生物风化p 植物分解头骨的故事？ 不同地区，自然条件不同，物理、化学风化有主次之分 从地表向下随深度增加，风化作用迅速减弱2、土的三相组成p 土中的固相土的骨架p 土中的液相与气相土体孔隙中的填充物土的三相示意）固相：土骨架土）土体固相分析 颗粒级配p 决定土的透水性、粘性和可塑性等物理性质p 工程用土的基本评价指标 土颗粒成分p 矿物化学结构影响土中水与固相结合的性质 土颗粒形状p 比表面积影

5、响土的力学性质颗粒分析 土颗粒粒径分组 共三个粒组p 巨粒组一般透水性很大，无粘性，细水p 粗粒组一般易透水，无粘性，毛细水上升高度不大p 细粒组一般透水性很小，湿时有粘性、可塑性，毛细水上升高度较大(mm)2006020520.50.250.0750.005(0.002)巨粒组粗粒组细粒组漂石(块石)卵石(碎石)圆砾(角砾)砂粒粉粒黏粒粗中细粗中细土的级配测量方法 土的颗粒组成情况用土中各种不同粒组的相对含量来描述，这种指标称为土的颗粒级配 级配测量方法p 筛分法（d>0.075mm）p 比重计法（d<0.075mm）筛分试验示意图土的粒径级配累积曲线10090807060504

6、03020100P% 958778665536105.02.01.00.50.25.075粒径(mm)沉降法小于某粒径之土质量百分数P（）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)0.050.010.005百分数P(%)2613.510200g10161824223872粒径级配累积曲线的应用土的粒径级配累积曲线1009080706050403020级配是否良好 量化级配的质量指标p 不均匀系数Cup 曲率系数Cd600.40d 0.0730c 级配指标分析d100.005p Cu 越大则粒径越悬殊，填筑密实 100p Cu<5 级配不良，Cu>

7、10 级配良好p Cc 表征土颗粒级配的连续性p 1<Cc<3 级配连续，否则不连续粒径(mm)105.01.00.50.100.050.010.0050.001土颗粒成分示意图原生矿物石英、长石、云母土颗粒成分无机物（矿物质）粘土矿物有机物次生矿物氧化物胶体(Fe O 、Al O )2323可溶盐(CaCO3、CaSO4、NaCl)粘土矿物结构与分类 基本晶体结构p 硅片p 铝片 粘土矿物分类p 高岭石(Kaolinite)p 伊利石(Illite)p 蒙脱石(Montmorillonite)高岭石伊利石蒙脱石三类粘土矿物性质对比特征指标高岭石伊利石蒙脱石比表面积(m2/g)10

8、-2080-100800胀缩性小中大强度大中小压缩性小中大活动性中大粘土矿物带电性质 列依斯电泳试验p 粘土颗粒泳向正极（电泳）p 水渗向负极（电渗）p 应用：电渗固结法粘土颗粒双电层结构 固定层和扩散层与土粒p PH值表面负电荷一起电层 形成规律双p 粘土颗粒的静电引力与布朗运动（热运动）的扩散力作用p 溶液原子价p 矿物成分土中水 结合水p 静电引力作用下，不传递 自由水p 重力水(gravity water)静水，不能自由n 存在于水层p 毛细水(capillarity water)水位以下的透p 强结合水n 几个水0.003m厚，厚度小于n 性质接近于固体n 粘滞性、弹性和抗剪强度p

9、弱结合水n 厚度小于0.5mn 使粘性土具有可塑性n 存在于层n 浸湿、冻胀、盐渍土n 负压水位以上透水𝑯= 𝟐𝑻 𝒄𝒐𝒔𝜶𝒄𝒓 𝜸𝒘毛细分析 毛细水位高度 hcp 重力平衡𝟐𝝅𝒓 𝑻𝒄𝒐𝒔𝜶 = 𝝅𝒓𝟐 𝒉𝒄

10、20632;𝒘Tuc 毛细水压uc2rp 水压平衡𝟐𝝅𝒓 𝑻𝒄𝒐𝒔𝜶 + 𝝅𝒓𝟐 𝒖𝒄= 𝟎𝒖= 𝟐𝑻𝒄𝒐𝒔𝜶 = 𝒉 𝜸𝒄𝒓𝒄𝒘𝒉=

11、𝟐𝑻𝒄𝒐𝒔𝜶𝒄𝒓𝜸𝒘hc土中的气 自由气体p 与大气连通，成分相似，对土的性质无明显影响， 工程中一般不予以考虑 封闭气体p 四周被土颗粒与水所封闭p受的影响较大，增加土体的弹性，阻塞土中渗流通道，减小渗透性p 非饱和土力学的重点研究对象3、土的结构性p 试验表明，土中的土粒或团粒的空间排列以及相互连接方式对土的性质有很大的影响p 土的结构受组成、沉积环境和沉积年代的影响粗粒土的结构&动力沉积作用松散单粒结构密实单粒结构单粒结构

12、、蜂窝状结构和絮状结构单粒结构由粗大土粒在水或空气中下沉而形成的 颗粒间相互不连接，相互引力 紧密状单粒结构可做为良好的天然地基，疏散单粒结构需要处理 饱和松散的粉细砂，易发生砂土液化，需重视蜂窝状结构由粉粒(0.0750.005mm)组成 土粒间相互引力大于重力而形成 抗水平荷载能力较弱絮状结构由粘粒(<0.005mm)集合体组成 土粒之间完全依靠相互吸引力，连接形式由颗粒间的带电性决定 孔隙较大，对扰动比较敏感，各向同性 较蜂窝结构强度更高，压缩性较小，渗透性较差砂土的液化（东京）灵敏度与触变性 灵敏度重塑土的强度干扰程度p 土的结构性越强，灵敏度越高低灵敏 1.0<St2.0

13、 触变性中等灵敏 2.0<St4高灵敏 St>4.0p 土因重塑而软化，又因静置而逐渐硬化，强度有所恢复的性质𝑺= 𝒒𝒖𝒕𝒒𝒖土的构造p 层理构造不同阶段沉积物的成分、颗粒大小等不同，沿竖直方向呈现出成层特征p 裂隙构造土体被许多不连续的小裂隙分割，在裂隙中常充填各种盐类沉积物。裂隙的存在会大大降低土体的强度和稳定性，增加透水性，对工程非常不利p 结核或孔洞土体中的结核和孔洞会造成土体的不均一性，从而导致非均匀沉降，例如：高压缩性的透镜体。4、土的三相关系与物理状态p 土的三相关系三相比

14、例的度量p 土的物理状态粗粒土的密实程度、细粒土的软硬程度土的三相比例示意图三相基本指标容重（密度） 质量基本关系 - d 天然容重 、干容重d 天然密度测定方法环刀法 饱和容重 sat 、浮容重𝜸= 𝑾𝒔 + 𝑽𝒗𝜸𝒘𝒔𝒂𝒕𝑽𝜸 = 𝑾𝒔 𝑽𝒔𝜸𝒘𝑽𝜸𝒔

15、9938;𝒕 > 𝜸 > 𝜸𝒅 > 𝜸𝜸 = 𝑾 = 𝒎𝒈 = 𝝆𝒈𝑽𝑽𝜸= 𝑾𝒔𝒅𝑽𝜸 = 𝑾 = 𝑾𝒔 + 𝑾𝒘 = 𝑾𝒔𝟏 + 𝑾

16、;𝒘= 𝜸𝟏 + 𝒘𝑽𝑽𝑽𝑾𝒔𝒅𝒎 = 𝒎𝒔 + 𝒎𝒘三相基本指标含水率、比重 含水率w 比重Gs 测定方法原理p 烘干法测定含水率：将天然原状土质量m，减去完全烘干土的质量ms，最终湿、干土质量之差m-ms与干土质量ms之比值p 比重瓶法测比重：将干土粒（ ms ）放入比重瓶，加蒸馏水煮沸除气，测得土粒排开水的体积Vs，代入公式计算土的三相指标中，天然容重

17、 、含水率w和比重Gs含三者比较容易通过试验得到，所以，这三个基本试验必须完全掌握原理、目的等𝑤 = 𝑊𝑤 = 𝑚𝑤𝐺=𝑚𝑠= 𝜌𝑠𝑊𝑠𝑚𝑠𝑠𝜌𝑤𝑉𝑠𝜌𝑤三相体积指标 体积基本关系饱和度Sr 孔隙比ee - n 孔隙率n𝑛 = 𝑉&

18、#119907;𝑉𝑉𝑣𝑒 = 𝑉𝑣 =𝑉𝑣=𝑉=𝑛𝑉𝑠𝑉 𝑉𝑣1 𝑉𝑣1 𝑛𝑉𝑛 =𝑒1 + 𝑒𝑒 = 𝑉𝑣𝑉𝑠𝑆= 𝑉𝑤

19、;𝑟𝑉𝑣V = 𝑉𝑠 + 𝑉𝑣 = 𝑉𝑠 + 𝑉𝑤 + 𝑉𝑎三相指标换算草图法(e,Gs,w) 天然容重 气体Vv=e 干容重d水m=wG V =wGws wwsV=1+e 饱和度Srmms=GswVs=1土𝑆𝑟𝑒 = 𝑤𝐺𝑠𝑆= 𝑉𝑤 =

20、19908;𝐺𝑠𝑟𝑉𝑣𝑒𝛾=𝛾= 𝐺𝑠𝛾𝑤𝑑1 + 𝑤1 + 𝑒𝛾 = 𝑊 = 𝑊𝑠 + 𝑊𝑤 =1 + 𝑤 𝐺𝑠𝛾𝑤𝑉𝑉𝑠 +

21、19881;𝑣1 + 𝑒饱和土体换算 饱和容重 sat= 𝑾𝒔+𝑽𝒗𝜸𝒘p 𝜸𝒔𝒂𝒕=𝑽𝑽𝒔𝑮𝒔𝜸𝒘+𝑽𝒔𝒆𝜸𝒘mw=ew=水V =Vw=ev𝑽𝒔+𝑽𝒗

22、𝑮𝒔+𝒆 𝜸𝒘V=1+e𝟏+𝒆 浮容重mms=Gsw土= 𝑾𝒔𝑽𝒔𝜸𝒘p 𝜸=𝑮𝒔𝟏𝑽𝑽𝒔𝑮𝒔𝜸𝒘𝑽𝒔𝜸𝒘𝜸𝒘=

23、9933;𝒔+𝑽𝒗𝟏+𝒆例题：三个基本指标的推导应用 某原状土样，V7.0810-3 m3，m=13.95 kg，w=9.8%，Gs=2. 66 求：e、Sr、d、sat、nØ 𝝆 = 𝒎 = 𝟏𝟑.𝟗𝟓×𝟏𝟎𝟑 =Ø 𝝆=𝑮𝒔+𝒆 𝝆𝒘 =

24、9933;𝟕.𝟎𝟖×𝟏𝟎𝟑𝒔𝒂𝒕𝟏+𝒆𝟏. 𝟗𝟕𝟎 𝒈 𝒄𝒎𝟑𝟐.𝟔𝟔+𝟎.𝟒𝟖 ×𝟏 =𝟏+𝟎.𝟒𝟖

25、;Ø 𝝆=𝝆= 𝟏.𝟗𝟕=𝟐. 𝟏𝟐𝟐 𝒈 𝒄𝒎𝟑𝒅𝟏+𝒘𝟏.𝟎𝟗𝟖𝟏. 𝟕𝟗𝟒 𝒈 𝒄𝒎𝟑Ø 𝒏 =⻚

26、2;=𝟎.𝟒𝟖= 𝟎. 𝟑𝟐𝟒𝟏+𝒆𝟏+𝟎.𝟒𝟖Ø 𝒆 = 𝑮𝒔𝝆𝒘 𝟏 = 𝟐.𝟔𝟔×𝟏 Ø 𝑺= 𝒘𝑮𝒔 = 𝟎.&#

27、120782;𝟗𝟖×𝟐.𝟔𝟔 =𝝆𝒅𝟏.𝟕𝟗𝟒𝒓𝒆𝟎.𝟒𝟖𝟏 = 𝟎. 𝟒𝟖𝟓𝟒. 𝟑%无粘性土的物理状态指标 密实度：体积中固体颗粒含量p 前述三相比例指标中，干容重d 和孔隙比 e 均可表示此概念，但均未考虑粒径级配这

28、一重要影响e=0.20e=0.35松散中密密实相对密实度：𝑫=𝒆𝒎𝒂𝒙𝒆𝒓𝐷< 11 < 𝐷 < 23𝑟32 < 𝐷3𝑟𝒆𝒎𝒂𝒙𝒆𝒎𝒊𝒏𝑟3土样一：土样二：无粘性土密实度判定 标准贯入试验采用重量为63.5kg穿心锤，以76cm的落距 自由

29、下落，把标准贯入靴打入土中，先打入15cm不计数， 接着每打入10cm记下击数，累计打入30cm的锤击数，即为标准贯入击数N。 野外鉴别密 实中 密 30N >15 20N >10稍 松 15N >10 10N >5松散(极松) N10 N5 N >30砂土：碎石土： N >20可挖性、可钻性细粒土的压实性 室内击实曲线 影响因素p 类型、级配p 击实功能p 含水率等𝝆𝒅 = 𝑮𝒔𝝆𝒘𝒘𝑮 𝟏 +𝑺

30、𝒔𝒓细粒土压实标准 试验得到最优含水率wop，工程上取w=wop±23% 工程上常采用压实度Dc 准）（作为填方密度标=填土干密度=𝜌𝑑p 𝐷𝑐室内击实试验最大干密度𝜌𝑑𝑚𝑎𝑥 击实试验的作用p 判别在某一击实功作用下土的击实性能是否良好，土可能 达到的最佳密实度范围与相应的含水率值p 研究现场填土的力学特性时，提供合理的密度和含水率。粗粒土压实性 室内击实曲线 压实特征p 不存在最优含水率p 在完全风干和饱和

31、两种状态下易于击实p 潮湿状态下d明显降低 压实标准rdw20%p 相对密实度Dr>0.70.75p 施工过程中要么风干，要么就充分洒水粘性土的物理状态指标 三种稠度状态 Atterberg稠度状态固态半固态可塑态塑限wp态缩限ws液限wl含水率增加状态可塑状态固态和半固态界限含水率测定方法 碟式仪液限试验p 适用于粒径小于0.5mm的土 搓条法塑限试验p 土条直径恰好为3 mm左右土条自动断裂，此时土条的含水率即为塑限。mm 液、塑限测定法p 坐标上对应于圆锥体入土深度为10mm(17mm)和2mm时土样的含水率分别为该土的液限和塑限粘土稠度状态评价 液性指数IL 塑性指数IP

32、19868;𝑃 = 𝑤𝑙 𝑤𝑝𝑤𝑤𝑝 𝐼=𝐿𝑤𝑙𝑤𝑝状 态可 塑软 塑流 塑坚塑地础设计规范(GB500072002)液性指数IL00<IL0.250.25<IL0.750.75<IL1IL>1公路桥涵地基与基础设计规范(JTG D63-2007)状 态软塑流塑坚塑液性指数IL<00IL<0.50.5IL<1IL1土的可塑性影响因素

33、 粒径p 细粘粒含量增加，液限与塑限都在增长，但液限增长更为明显 矿物成分p 亲水性强的矿物成份（蒙脱石） 活性指数𝐴 =𝐼𝑃𝑝0.002A<0.750.751.25>1.25活性等级 非活动性的 正常活动性的活动性的粒径/mm>0.0050.0050.0020.0020.001<0.001<0.0005可塑性一般没有微弱不大强烈特强5、土的胀缩性p 粘性土由于含水率的增加，土体体积增大的性能称为膨胀性p 由于含水率的减少，体积减少的性能称为收缩性p 土的膨胀可造成基坑隆起或边坡滑移等问题p 土体积收

34、缩产生裂隙，对土的透水性、强度和边坡的稳定性有很大影响膨胀指标 膨胀率epp 适用于原状土或扰动粘土在特定荷载和有侧限条件下的膨胀率𝛿= 𝑤 0 × 100%𝑒𝑝0 自由膨胀率efp 适用于扰动粘土𝛿= 𝑉𝑤 𝑉0 × 100%𝑒𝑓𝑉0 膨胀力p 粘土遇水膨胀而产生的内应力。在伴随此力的解除时，土体发生膨胀收缩指标 线缩率si𝛿= 0 𝑖 × 100%

35、9904;𝑖0 体缩率V𝛿= 𝑉0 𝑉𝑑 × 100%𝑉𝑉0p 天然含水率越小，膨胀性越大，反之则收缩性越大p 扰动土的胀缩性比原状土大，因抵抗胀缩的联结强度较小冻胀土 机理分析p 弱结合水冻结而使水膜变薄，粘粒表面的不平衡电荷对结合水产生吸附引力，导致冰晶体逐渐增大，体积增加 冻胀指标p 冻胀力：冻胀过程中土体的内应力，数值很可能大过上部结构p 冻胀率：n = 10 × 100%0冻胀率nn2%2%<n3.5% 3.5%<n6%n>6%冻胀等级

36、不冻胀土弱冻胀土冻胀土强冻胀土6、土的工程分类p 工程分类依据p 各规范中土的分类分类原则与分类体系 原则p 分类简明，能同时反映土的工程性质，且测定简便p 分类参考的指标要反映工程用土的相应特征 分类体系工程系统分类体系pn地础设计规范(GB50007-2011)n 岩土工程勘察规范(GB50021-2009)p 工程材料系统分类体系n 公路土工试验规程（JTG_E40-2007）n 土的工程分类标准（GBT50145-2007）工程系统分类方法 岩石p 坚硬程度p 完整程度p 风化程度风化程度等级全风化强风化弱风化微风化风化指数𝐾𝑓 = 风化岩石Ү

37、91;𝑟𝑘<551515303060新鲜岩石𝑓𝑟𝑘完整程度等级极破碎破碎较破碎较完整完整完整性指数岩体纵波波速 2<0.150.150.350.350.550.550.75>0.75𝐾𝑉 =岩块纵波波速坚硬程度类别极软岩软岩较软岩较硬岩坚硬岩饱和单轴抗压强度<551515303060>60标准值frk(MPa)工程系统分类方法 碎石土（d>2mm 的颗粒含量超过全重50%的土）土的名称颗粒形状粒组含量漂石圆形及亚圆形为主粒径大于200mm 的颗粒含量>50%块石棱角形为主卵石圆形及亚圆形为主粒径大于20mm 的颗粒含量>50%碎石棱角形为主圆砾圆形及亚圆形为主粒径大于2mm 的颗粒含量>50%角砾棱角形为主工程系统分类方法 砂土（d>2mm 的颗粒含量不超过全重50%的土，d>0.075mm 的颗粒含量>50%的土）粒径节点土的名称>2mm>0.5mm>0.25mm>0.075砾砂25%50%粗砂>50%中砂>50%细砂>85%