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1、第四章 土的工程性质与分类,从工程的角度考虑问题,主要内容:1.土的组成与结构构造2.土的物理力学性质及其指标3.土的工程分类4.土的成因类型特征5.特殊土的主要工程性质,土,固相,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,第一节 土的组成与结构构造,一.土的粒度成分,(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，粒组的划分见书本表1-1.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0.075mmd60mm,比重计法:适用于d0.0
2、75mm,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,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,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；Cu10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
3、，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,二.土的矿物成分,可溶盐类及易分解的矿物:黄铁矿,硫化物和硫酸盐类,1.原生矿物,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,2.次生矿物,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,特征：性质较不稳定，具有较强的亲水性，遇水易膨胀的特点,3.可溶盐类及易分解的矿物(1).易溶盐(2).中溶盐(3).难溶盐4.有机质 有机质对土的工程性质的影响程度的主要
4、取决因素(P64),三.土中水和气体及其与土粒的相互作用,1.土中的水和气,2.结合水,3.非结合水,(1).毛细水,(2).重力水,四.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.土的结构和构造,1.土的结构,(1).土的结构的定义和分类,(2).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
5、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,(3).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。,(4).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。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。,2.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
6、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。,第二节 土的物理力学性质及其指标,一.土的三相比例指标 土的三相比例关系,反映土的重量性质,含水性和孔隙性等基本物理性质的不同,并随各种条件的变化而改变.指标包括:比重,重度,干重度,饱和重度,浮重度,土的含水量,土的饱和度,土的孔隙率和孔隙比指标的换算关系,土的物理性质指标,1、土的三相图,2、直接测定指标,(1).土的密度：单位体积土的质量,工程中常用重度来表示单位体积土的重力.,重力加速度，近似取10m/s2,(2).土粒相对密度Gs（土粒比重）：土粒质量与
7、同体积的4时纯水的质量之比.,土粒相对密度变化范围不大：细粒土（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，土粒相对密度减小.,(3).土的含水量：土中水的质量与土粒质量之比，以百分数表示.（含水率）,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。,测定方法：通常用烘干法，亦可近似用酒精燃烧法,3、换算指标,(1).孔隙比e和孔隙率n,孔隙比e：土中孔隙体积与土粒体积之比,(2).土的饱和度Sr：土中孔隙水的体积与孔隙总体积之比，以百分数表示,饱和度描述土中孔隙被水充满的程度。干土Sr=
8、0,饱和土Sr=100%。砂土根据饱和度分为三种状态:,孔隙率n：土中孔隙体积与总体积之比，以百分数表示,Sr50%稍湿；50Sr80%很湿；Sr80%饱和,(3).不同状态下土的密度和重度,饱和密度sat：土体中孔隙完全被水充满时的土的密度,干密度d：单位体积中固体颗粒部分的质量,浮密度：土单位体积内土粒质量与同体积水的质量之差,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),4、指标间的换算,质量m,体积V,土的三相指标中，土粒比重Gs，含水量和密度是通过试
9、验测定的，可以根据三个基本指标换算出其余各指标,推导：,换算关系式：,5、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。若土粒的相对密度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、无粘性土的紧密状态,土的密实度指单位体积土中固体颗粒的含量。根据土颗粒含量的多少，天然状态下的砂、碎石等处于从紧密到松散的不同物理状态。无粘性土的密实度与其工程性质有着密切关系,1.孔隙比e,孔隙比e可以用来表示砂土的密实度。对于同一种土，当孔隙比小于某一限度时，处于密实状态。孔隙比愈大，土愈松散,2.
10、相对密实度Dr,砂土在天然状态下孔隙比,砂土在最密实状态时的孔隙比,砂土在最松散状态时的孔隙比,当Dr=0时，e=emax，表示土处于最疏松状态;当Dr=1.0时，e=emin，表示土体处于最密实状态,3.按动力触探确定无粘性土的密实度,Dr1/3,疏松状态,1/3Dr2/3,中密状态,2/3Dr1,密实状态,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),三、粘性土的物理特征,1.粘性土的稠度状态,稠度是指土的软硬程度或土受外力作用所引起变形或破坏的抵抗能力,是粘性土最主要的物理状态
11、特征,0,固态或半固态,可塑状态,流动状态,塑限P,液限L,粘性土由某一种状态过渡到另一状态的界限含水量称为土的稠度界限.也叫界限含水率.,液塑限测定根据土工试验规程(SL237-007-1999)规定，采用液塑限联合测定仪进行测定。,液塑限联合测定仪,下沉深度为17mm所对应的含水量为液限;下沉深度为2mm处所对应的含水量为塑限。,2.粘性土的塑性指数和液性指数,塑性指数IP是液限和塑限的差值(省去%)，即土处在可塑状态的含水量变化范围,说明：塑性指数的大小取决于土颗粒吸附结合水的能力,即与土中粘粒含量有关。粘粒含量越多,塑性指数就越高,说明：液性指数表征土的天然含水量与界限含水量间的相对关
12、系。当IL0时,P,土处于坚硬状态;当IL1时,L,土处于流动状态。根据IL值可以直接判定土的软硬状态,液性指数IL是粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比,四、土的力学性质,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,透水性好，水易于排出,压缩稳定很快完成,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,1、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,
13、三联固结仪,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,（1）.压缩仪示意图,（2）.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,整理,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。,e0,p,e,e-p曲线,2、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,根据压缩曲线可以得到三个压缩性指标,1.压缩系数a 2.压缩模量Es 3
14、.变形模量E0,曲线A压缩性曲线B压缩性,（1）.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,M1,M2,e0,e-p曲线,p,e,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,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,（2）.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
15、反比，Es愈大，a愈小，土的压缩性愈低,（3）.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,（4）.土的回弹与再压缩,a,d,b,1.土的卸荷回弹曲线不与原压缩曲线重合，说明土不是完全弹性体，其中有一部分为不能恢复的塑性变形2.土的再压缩曲线比原压缩曲线斜率要小得多，说明土经过压缩后，卸荷再压缩时，其压缩性明显降低,3、土的抗剪强度,（1）、库仑定律,1776年，库仑根据砂土剪切试验,f=tan,砂土,后来，根据粘性土剪切试验,f=c+tan,粘土,c,库仑定律：土的抗剪强度是剪切面上的法向总应力 的线性函数,c
16、:土的粘聚力:土的内摩擦角,（2）、土体抗剪强度影响因素,摩擦力的两个来源 1.滑动摩擦：剪切面土粒间表面的粗糙所产生的摩擦 2.咬合摩擦：土粒间互相嵌入所产生的咬合力 粘聚力：由土粒之间的胶结作用和分子引力等因素形成 抗剪强度影响因素摩擦力：剪切面上的法向总应力、土的初始密度、土粒级配、土粒形状以及表面粗糙程度。粘聚力：土中矿物成分、粘粒含量、含水量以及土的结构。,4、土的压实特性,影响土压实性的因素很多，主要有含水量、击实功能、土的种类和级配等,（1）.含水量的影响,当含水率较低时，击实后的干密度随含水量的增加而增大。而当干密度增大到某一值后，含水量的继续增加反招致干密度的减小。干密度的这
17、一最大值称为该击数下的最大干密度，与它对应的含水量称为最优含水量,说明：当击数一定时，只有在某一含水量下才获得最佳的击实效果.,（2）.击实功能的影响,说明：填料的含水率过高或过低都是不利的。含水率过低，填土不易夯实，遇水后容易引起湿陷；过高又将恶化填土的其他力学性质。因此，在实际施工中填土的含水率控制得当与否，不仅涉及到经济效益，而且影响到工程质量,a.土料的最大干密度和最优含水量不是常数。最大干密度随击数的增加而逐渐增大,最优含水量逐渐减小。然而，这种变化速率是递减的。同时，光凭增加击实功能来提高土的最大干密度是有限的,b.当含水量较低时击数的影响较显著。当含水量较高时，含水量与干密度关系
18、曲线趋近于饱和线，这时提高击实功能是无效的,（3）.土类和级配的影响,击实试验表明，在相同击实功能下，粘性土粘粒含量愈高或塑性指数愈大，压实愈困难，最大干密度愈小，最优含水量愈大,无粘性土的击实曲线和粘性土击实曲线不同，在含水量较大时得到较高的干密度，因此在无粘性土实际填筑中，通常要不断洒水使其在较高的含水量下压实.,d,0,说明：土的级配对土的压实性影响很大。级配良好的土，易于压实，级配不良的土，不易压实，因为级配良好的土有足够的细粒去充填较粗粒形成的孔隙，因而能获得较高的干密度.,第三节 土的工程分类,一、分类的目的和原则,土的分类体系就是根据土的工程性质差异将土划分成一定的类别，目的在于
19、通过通用的鉴别标准，便于在不同土类间作有价值的比较、评价、积累以及学术与经验的交流,分类原则：,分类要简明，既要能综合反映土的主要工程性质，又要测定方法简单，使用方便,二、分类体系与方法,1、分类体系：,（1）.建筑工程系统分类体系,（2）.工程材料系统分类体系,侧重把土作为建筑地基和环境，研究对象为原状土，例如：建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)地基土分类方法.,侧重把土作为建筑材料，用于路堤、土坝和填土地基工程。研究对象为扰动土，例如：土的分类标准(GBJ145-90)工程用土的分类和公路土工试验规程(JTJ051-93)土的工程分类.,2、分类方法：,（1）.建筑地基基础设
20、计规范(GB500072002),根据土粒大小、粒组的土粒含量或土的塑性指数把地基土（岩）分为岩石、碎石土、砂土、粉土和粘性土五大类,a.岩石的分类,颗粒间牢固粘结,呈整体或具有节理隙的岩体称为岩石，坚硬程度可根据岩块的饱和单轴抗压强度frk分类,b.碎石土的分类,粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50%的土称为碎石土,c.砂土的分类,粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50%的土，且粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50%的土称为砂土,d.粉土的分类,粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重50%，塑性指数IP10的土称为粉土,e.粘性土的分类,粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重
21、50%，塑性指数IP10的土称为粘性土，粘性土根据塑性指数细分,f.人工填土的分类,由于人类活动而形成的堆积物称为人工填土。物质成分较杂乱,均匀性较差，根据其物质组成和成因,可分为素填土、杂填土和冲填土,（2）.土的分类标准(GBJ14590),根据各粒组的相对含量把土分为巨粒土、含巨粒土、粗粒土和细粒土四大类,a.巨粒土和含巨粒土的分类,巨粒土和含巨粒土按土中粒径大于60mm的巨粒含量区分。若土中巨粒含量多于50%,属于巨粒土；若土中巨粒含量在15%50%之间，属于含巨粒土,b.粗粒土的分类,巨粒含量少于15%，剔除巨粒后，若土中粒径大于0.075mm的粗粒含量多于余土的50%，属于粗粒土。
22、粗粒土分为砾类土和砂类土两类,g.其它特殊类土,软土（淤泥等）、红粘土、黄土等,c.细粒土的分类,土中粒径小于0.075mm的细粒含量多于或等于50%，且粗粒含量少于25%的土属于细粒土。,图中液限为17mm液限,细粒土按塑性图进行细分,作业：,【例】下图为某三种土A、B、C的颗粒级配曲线,试按地基规范分类法确定三种土的名称,【解答】,A土:从A土级配曲线查得,粒径小于2mm的占总土质量的67%、粒径小于0.075mm占总土质量的21%,满足粒径大于2mm的不超过50%,粒径大于0.075mm的超过50%的要求,该土属于砂土；又由于粒径大于2mm的占总土质量的33%,满足粒径大于2mm占总土质
23、量25%50%的要求,故此土应命名为砾土,B土:粒径大于2mm的没有,粒径大于0.075mm占总土质量的52%,属于砂土。按砂土分类表分类,此土应命名为粉砂,C土:粒径大于2mm的占总土质量的67%,粒径大于20mm的占总土质量的13%,按碎石土分类表可得,该土应命名为圆砾或角砾,第四节 土的成因类型特征,土是岩石风化形成的。一般是第四纪以来形成的（2百万年以后形成），沉积时间短，未固结成岩，结构松散。,1 土在工程上的作用：作为建筑物的地基；作为建筑材料；作为建筑物周围的介质或环境；,2 土的成因类型：残积土 坡积土 洪积土 冲积土 湖积土 海积土 冰积土 风积土,残积土：岩石经风化后未被搬
24、运而残留于原地的碎屑物质所组成的土体，它处于岩石风化壳的上部。其粒度成分和矿物成分受气候和母岩岩性的控制。其发育情况还和地形有关。,残积土的工程性质：孔隙度、强度、压缩性，均质性差，但具有一定的结构强度。原位测试强度室内测试值。,坡积土：雨水将山坡高处的风化碎屑物顺坡冲洗，堆积在较平缓的山坡脚处而形成。坡积土的工程性质：结构疏松，一般具较高的压缩性。坡积形成的黄土湿陷性较大。,洪积土:由暴雨形成的暂时性山洪急流带来的碎屑物质在山沟出口处堆积而成。,分选性较好，离山前较近的洪积土颗粒粗，地下水位埋藏深，具有较高的承载力，压缩性低，是工民建的良好地基。离山较远的地带，洪积土的颗粒细，透水性不好，土
25、质弱，承载力低，作为建筑物地基时应慎重对待。,冲积土：由河流的流水作用将碎屑物质搬运到河谷坡降平缓的地带堆积而成。,湖积土：湖边沉积物是湖浪冲蚀湖岸形成的碎屑物质在湖边沉积而形成的。近岸带沉积的多是粗颗粒的卵石、圆砾和砂土，远岸带则是细颗粒的砂土和粘性土。湖心沉积物是由河流携带的细小悬浮颗粒到达湖心后沉积形成，主要是粘土和淤泥，常夹有细砂、粉砂薄层，土的压缩性高，强度低。沼泽土主要由半腐烂的植物残体泥炭组成，含水量极高，承载力极低，不宜作天然地基。,海积土：滨海沉积物主要由卵石、圆砾和砂组成，承载力较高。浅海沉积物主要由细粒砂土、粘性土、淤泥和生物化学沉积物组成，有层理构造，较疏松，含水量高，
26、压缩性大而强度低。深海沉积物主要是有机质软泥。,风积土：在干旱的气候条件下，岩石的风化碎屑物被风吹扬，搬运一段距离后，在有利的条件下堆积起来的一类土，最常见的是风成砂和风成黄土。,特殊性土的主要工程性质特殊性土是指某些具有特殊物质成分和结构、工程性质也较特殊的土。是在一定的条件下形成的，其分布有明显的区域性特征。,特殊性土的种类有：沿海及内陆静水沉积的淤泥类软土南方和中南地区的膨胀土西南亚热带湿热气候条件下的红粘土西北、华北干旱气候区的黄土西北、华北干旱气候区的盐渍土高纬度、高海拔寒冷气候区的冻土各地人类工程活动的人工填土,淤泥类粘土：是在静水或水流缓慢的环境中沉积，并有微生物的参与，含有较多
27、有机质的疏松软弱粘性土。分布:沿海地区滨海相、泻湖相、三角洲相,分类：孔隙比e 1.5时,称淤泥;1.5e1.0 时,称淤泥质土;10%有机质含量5%时,称有机质土;60%有机质含量10%时,称泥炭质土;有机质含量60%时,称泥炭.,工程特性：含水量高，天然含水量液限，软塑流塑状态。透水性低，水平向渗透系数较大。压缩性大，强度低，欠压密状态。显著的蠕变和触变性(高灵敏度)。蠕变：在一定荷载下，土的剪切变形随时间增长的特性。触变：土受扰动后强度降低，但随时间增长强度能部分恢复的性能。,膨胀土 是一种富含亲水性粘土矿物,且随含水量的增减体积发生显著胀缩变形的硬塑性粘土。分布:全国,云南、广西、贵州
28、、湖北最具代表性。一般位于山前丘陵地区或河谷高阶地上。,特征：1)呈黄褐、灰白、花斑等颜色.2)粘粒含量高，且为亲水性很强的蒙脱石等粘土矿物，土中可溶盐及有机质含量较低，常含铁锰或钙质结核，结构致密.3)表面有大量网状裂隙，裂面有腊状光泽的挤压面。,工程特性：低含水量，呈坚硬硬塑状态孔隙比小，密度大高塑性，含粘粒及粉粒为主具膨胀力,自由膨胀量40%天然状态下压缩性低，承载力高，但由于干缩裂隙发育,稳定性差.浸水后或被扰动时,强度骤然降低.,红粘土：由碳酸盐类岩石在湿热气候条件下，经强烈风化作用而形成的高塑性粘土。分布:云贵高原、四川东部、广西、粤北及鄂西、湘西。低山丘陵地带顶部和山间盆地、缓坡
29、及坡脚地段。,特征：1)呈褐红色,富含铁铝氧化物，粘粒含量很高，具有高度分散性，颗粒细而均匀，粘土矿物以高岭石为主。2)土层中常有石芽、溶洞或土洞分布其间。3)地表裂隙发育。4)沿深度含水量增大，土质由硬变软。5)在水平方向上厚度变化较大，造成地基不均匀性。,工程特性：高含水量、高塑性，硬塑或可塑状态。孔隙比大、低密度、孔隙饱水。压缩性低、强度高、地基承载力高。浸水后膨胀量小，但失水后收缩剧烈。,黄土：是干旱气候条件下形成的一种特殊沉积物。分布:我国西北及华北地区,面积约63万km2。,特征：以粉粒为主，富含碳酸钙，肉眼可见大孔隙，垂直节理发育，常呈现直立的天然边坡。工程特性：塑性较弱含水较少
30、，坚硬硬塑状态压实程度差，孔隙比高，孔隙大抗水性弱，遇水强烈崩解，湿陷明显透水性较强，且呈各向异性强度较高，粒间连接较强，压缩性中等。,黄土湿陷性：在一定压力下受水浸润后,结构迅速破坏而产生显著沉陷的性质。湿陷系数s：由室内浸水压缩试验测得的黄土样在某种规定压力下的湿陷量与土样原始高度的比值。s0.015为湿陷性黄土。湿陷类型：自重湿陷与非自重湿陷。实测或计算自重湿陷量7 cm 时,为自重湿陷性黄土场地.湿陷起始压力:开始出现明显湿陷的压力。,人工填土:指由于人类工程活动而形成的土.1)素填土:主要由碎石、砂土或粘性土组成。其工程性质取决于密实度和均匀性。2)杂填土:建筑垃圾土、工业废料土、生活垃圾土。后一种不宜作为建筑物地基。3)冲填土:系由水力冲填泥沙形成的沉积土.含水量大,透水性弱,排水固结差,一般呈软塑-流塑状态。,
