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1、4-6 土的物理力学性质及其指标,土的三相组成,固体（土粒）液体（水）气体（气体）,1 土的三相比例指标,V：总体积 W:总重量(KN)Vs:土粒体积 Ws:土粒重量Vw:土中水的体积 Ww:土中水的重量Va:土中空气体积Vv:土中孔隙体积,V=Vs+Vw+Va=Vv+VsW=Ws+Ww,土粒,水,气体,Vv,（1）土粒比重G（土粒重量与同体积的4时水的重量之比）,水在4时单位体积的重量，等于10kNm3。颗粒比重决定于土的矿物成分，同一种类的土，其颗粒比重变化幅度很小。颗粒比重可在试验室内用比重瓶法测定。由于颗粒变化的幅度不大，通常可按经验数值选用。,在数值上等于土粒密度，但比重没有单位,（
2、2）土的重度（单位体积土的重量（单位为kNm3）,天然状态下土的重度变化范围较大。土的重度一般用“环刀法”测定，用一个圆环刀(刀刃向下)放在削平的原状土样面上，徐徐削去环刀外围的土，边削边压，使保持天然状态的土样压满环刀容积内，称得环刀内土样重量，求得它与环刀容积之比值即天然重度。,（3）土的干重度：土单位体积中固体颗粒部分的重量（单位为kNm3）,（4）饱和重度：土孔隙中充满水时的单位体积重量。（单位为kNm3）,（5）土的有效重度（浮重度或水下重度）：在地下水位以下，单位土体积中土粒的重量扣除浮力后，即为单位土体积中土粒的有效重量,（6）土的含水量：土中水的重量与土粒重量之比，以百分数计,
3、天然土层的含水量变化范围很大，它与土的种类、埋藏条件及其所处的自然地理环境等有关。一般说来，同一类土，当其含水量越，强度越低。土的含水量一般用“烘干法”测定。先称小块原状土样的湿土重，然后置于烘箱内维持100105烘至恒重，再称干土重，湿、干土重之差与干土重的比值，就是土的含水量。,(7)土的饱和度：土中被水充满的孔隙体积与孔隙总体积 之比，以百分率计,饱和度值愈大，表明土孔隙中充水愈多。孔隙完全为水充满时，Sr=100%，土处于饱和状态；孔隙中全是气体，没有水分，Sr=0%，土处于干燥状态(自然界实际很少)。工程实际中，按饱和度常将土划分为如下三种含水状态：,对粘性土通常不按饱和度，而按稠度
4、指标液性指数IL评述其含水状态。,对于粉土，由于毛细作用引起的假塑性，按液性指数评价状态无意义，所以按含水量述粉土的含水(湿度)状态。,(8)孔隙比：土中孔隙体积与土粒体积之比，用小数表示,一般e1.0的土是疏松的高压缩性土。,（9）孔隙率：土中孔隙体积与总体积之比，以百分数表示,孔隙率和孔隙比都说明土中孔隙体积的相对数值。但工程计算中常用孔隙比。自然界土的孔隙率与孔隙比的数值取决于土的结构状态，数值愈大，土中孔隙体积愈大，土结构愈疏松；反之，结构愈密实。由于土的松密程度差别极大，土的孔隙比变化范围也大，无粘性土虽孔隙较大，但因数量少，孔隙比相对较低；粘性土则因孔隙数量多和大孔隙的存在，孔隙比
5、常相对较高。,2 无粘性土的紧密状态,1)决定无粘性土紧密状态的因素(1)首先取决于无粘性土的受荷历史和形成环境。(2)与无粘性土的颗粒组成、矿物成分及颗粒形状等因素有关。1)组成颗粒愈粗，粒间孔隙愈大，但孔隙比愈小，愈较密实，稳定性愈好。组成颗粒均匀，粒间不易相互填充，使密实度相对较小；组成颗粒不均匀，较粗大颗粒粒间孔隙为微细颗粒所充填，孔隙比变小，使密实度相对较大。2)主要由片状颗粒组成土的孔隙比远大于由柱状和粒状颗粒组成者。因此，砂土和粉土中含云母愈多，密实度愈差，强度和稳定性愈小。,按孔隙比e：,2）无粘性土紧密状态的确定方法,原状砂样,对于位于地下水位以上的砂土，可用环刀法、或灌砂法
6、(或注水法)来测定其天然重度：其中环刀法适用于湿砂；灌砂法(或注水法)适用于干砂。对于位于地下水位以下的砂土，特别是粉细砂，必需于钻孔内取样。,灌砂法,按相对密度（具有概括性，但由于各参数测定的困难，致使应用并不广泛）,砂土在最松散状态时的孔隙比(测定方法：将疏松的风干砂样，通过长颈漏斗轻轻地倒入容器，求其最小重度。)；砂土在最密实状态时的孔隙比(测定方法：将疏松的风干砂样分几次装入金属容器，并加以振动或锤击夯实，直至密度不变为止，求其最大重度。)；e 砂土的天然孔隙比。从上式可知，若无粘性土的天然孔隙比e接近于，即相对密度Dr接近于1时，土呈密实状态；当e接近于 时，即相对密度Dr接近于0，
7、则呈松散状态。,原状砂样,按标准贯入锤击数,3 粘性土的物理性质,（1）粘性土的界限含水量,测定方法,锥式液限仪 碟式液限仪,搓条法,收缩皿法,现常用联合法测定液限和塑限或按液限与塑限的相关关系确定塑限。,扰动土,（2）粘性土的液性指数和塑性指数,塑性指数IP：指液限和塑限的差值,液性指数IL：指粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比,当小于P时，IL小于0，天然土处于坚硬状态；当大于L时，IL大于1，天然土处于流动状态；当在P与L之间时，即IL在01之间，则天然土处于可塑状态。因此可以利用液性指数IL来表征粘性土所处的软硬状态。IL值愈大，土质愈软；反之，土质愈硬。,4 土的力学性质,
8、1）土的压缩性压缩系数a：在eP曲线上任一点的切线斜率，表示相应 于压力P作用下土的压缩性,原状土,压缩系数愈大，表明在同一压力变化范围内土的孔隙比减小得愈多，土的压缩性愈大。,压缩指数Cc：半对数压缩曲线e 后段的斜率。,同压缩系数a一样，压缩指数Cc值越大，土的压缩性越高。与压缩系数a不同，它在直线段范围内并不随压力而变。,压缩模量Es：土在完全侧限条件下的竖向附加压应力与 相应的应变增量之比值。,压缩模量Es与压缩系数a成反比，即Es越小土的压缩性越高。为了便于比较和应用，通常采用压力间隔p1=0.1MPa增加到p2=0.2MPa所得的压缩模量，则上式改为：,2）土的抗剪强度,在抗剪强度
9、与正压应力关系曲线图上，土的抗剪强度是通过坐标原点而与横坐标成角的直线。,无粘性土的抗剪强度不但决定于内摩擦角的大小，而且还随正压应力的增加而增加，而内摩擦角的大小与无粘性土的密实度、土颗粒大小、形状、粗糙度和矿物成分以及粒径级配的好坏程度等因素都有关，无粘性土的密实度愈大、土颗粒愈大、形状愈不规则、表面愈粗糙、级配愈好，则内摩擦角愈大。而无粘性土的含水量愈大，则内摩擦角愈小。,(1)无粘性土的抗剪强度,(2)粘性土的抗剪强度,在一定排水条件下，粘性土的正压应力与抗剪强度之间基本上仍成直线关系，但不通过原点,3）土的动力特性,土体在动荷载作用下的抗剪强度比在静荷载作用下的有所降低，并且往往产生
10、附加变形。土体在动荷载作用下抗剪强度降低及变形增大的幅度除取决于土的类别和状态等特性外，还与动荷载的振幅、频率及震动(或振动)加速度有关。,4-7 特殊土的主要工程性质,一、软土 软土泛指淤泥及淤泥质土，是在各种静水或非常缓慢的流水环境中沉积，并经生物化学作用形成的饱和软粘性土。它富含有机质，天然含水量大于液限L，天然孔隙比e 1.0。软土主要由粘粒和粉粒等细小颗粒组成。粘粒的粘土矿物成分以水云母和蒙脱石为主。这些粘土矿物和有机质颗粒表面带有大量负电荷，与水分子作用非常强烈，因而在其颗粒外围形成很厚的结合水膜，且在沉积过程中由于粒间静电引力和分子引力作用，形成絮状和蜂窝状结构。,软土的物理力学
11、特性:(1)高含水量和高孔隙性 软土的天然含水量大于液限L，并且天然含水量随液限的增大而增加。天然孔隙比e 1.0。软土的高含水量和高孔隙性决定其高压缩性和低抗剪强度。(2)渗透性低 由于软土主要由粘粒和粉粒等细小颗粒组成，所以其渗透系数很小。,(3)压缩性高 软土属高压缩性土，其压缩系数 一般为0.71.5MPa-1（0.5 MPa-1高压缩性土），其压缩性随着土的液限和天然含水量的增大而增高。该类土的变形有如下特征：1)变形大而不均匀 2)变形稳定历时长（渗透性很弱，水分不易出）,(4)抗剪强度低 软土的抗剪强度小且与加荷速度及排水固结条件密切相关。(5)较显著的触变性和蠕变性 软土触变性
12、显著。表现在长期恒定应力作用下，软土将产生缓慢的剪切变形，并导致抗剪强度的衰减；在固结沉降完成之后，软土还可能继续产生次固结沉降。,二 湿陷性黄土,1湿陷性黄土的特征和分类 特征：黄土是第四纪干旱和半干旱气候条件下形成的一种特殊沉积物。颜色多呈黄色、淡灰黄色或褐黄色；颗粒组成以粉粒为主，粒度大小较均匀，粘粒含量较少；含碳酸盐、硫酸盐及少量易溶盐；含水量小；孔隙比大，一般在1.0左右，且具有肉眼可见的大孔隙；具有垂直节理。,分类（1）按成因可分为：原生黄土风成黄土为原生黄土，无层理，具上述典型特征 次生黄土一般不完全具备上述黄土特征，具有层理，并含有较多的砂粒以至细砾，故也称为黄土状土。（2）按
13、湿陷性可分为：湿陷性黄土在上覆土的自重压力作用下，或在上覆土的自重压 力与附加压力共同作用下，受水浸湿后土的结构迅 速破坏而发生显著附加下沉。非湿陷性黄土工程性质接近于一般粘性土。黄土在我国分布很广，其中湿陷性黄土约占34，其湿陷性由西北向东南逐渐减弱，厚度变薄。（3）按形成年代可分为：老黄土和新黄土。黄土形成年代愈久，由于盐分溶滤较充分，固结成岩程度大，大孔结构退化，土质愈密实，强度高而压缩性小，湿陷性减弱甚至不具湿陷性。,2黄土湿陷性的形成及影响因素(1)黄土湿陷性的形成原因 黄土的结构特征及其物质组成是产生湿陷的内在因素。水的浸润和压力作用仅是产生湿陷的外部条件。,(2)黄土湿陷性的影响
14、因素 1)骨架颗粒的大小、含量和胶结物的聚集形式。骨架颗粒愈多，胶结物含量较少，成薄膜状包围颗粒，粒间连结脆弱，因而湿陷性愈强；相反，骨架颗粒较细，胶结物丰富，颗粒被完全胶结，则粒间连结牢固，结构致密，湿陷性弱或无湿陷性。2)粘土粒的含量愈多，并均匀分布在骨架颗粒之间，则具有较大的胶结作用，土的湿陷性愈弱。3)黄土中的盐类，以难溶盐类胶结作用的，湿陷性弱，而易溶盐含量愈大，土的湿陷性愈强。,4)天然孔隙比和天然含水量。天然孔隙比愈大，则湿陷性愈强。天然含水量愈多，湿陷性愈弱。5)在一定的天然孔隙比和天然含水量情况下，黄土的湿陷变形量将随浸湿程度和压力的增加而增大，但当压力增加到某一个定值以后，
15、湿陷量却又随着压力的增加而减少。6)堆积年代和成因。形成年代愈久，由于盐分溶滤较充分，固结成岩程度大，大孔结构退化，土质愈趋密实，强度高而压缩性小，湿陷性减弱甚至不具湿陷性。7)所处环境条件。地下水位深度愈大，湿陷性愈大；埋藏深度愈小而土层厚度愈大的，湿陷影响愈强烈。,3黄土湿陷性及湿陷类型判别(1)黄土湿陷性的判别 判别黄土是否具有湿陷性，可根据室内压缩试验，在规定压力下测定的湿陷系数 来判定。湿陷系数 是天然土样单位厚度的湿陷量。0.07，为强湿陷性黄土。,(2)黄土及其建筑场地的湿陷类型与判别类型：自重湿陷性黄土：湿陷性黄土受水浸湿后，在其自重 压力下发生湿陷的；非自重湿陷性黄土：湿陷性
16、黄土受水浸湿后，在其自重 压力与附加压力共同作用下才发生 湿陷的。,1)黄土的湿陷类型可按室内压缩试验，在土的饱和(Sr0.85)自重压力下测定的自重湿陷系数 判定。当 0.015时，为非自重湿陷性黄土；0.015时，为自重湿陷性黄土。2)建筑场地或地基的湿陷类型，应按实测自重湿陷量或按累计的计算自重湿陷量判定。当实测或计算自重湿陷量7cm时，为非自重湿陷性黄土场地；当实测或计算自重湿陷量7cm时，为自重湿陷性黄土场地；,4黄土湿陷起始压力 湿陷性黄土地基在某一压力下浸水开始出现湿陷时，此压力即为湿陷起始压力()。即当黄土地基上的自重压力和附加压力之和小于湿陷起始压力时，地基土只产生压缩变形，
17、不会发生湿陷。只有当外部压力增大到某一界限，足以克服其浸水后的结构强度时，则发生结构破坏，即发生湿陷。浸水结构强度愈小的土，湿陷系数愈大，而湿陷起始压力愈小。所以湿陷起始压力 也反映黄土湿陷性的强烈程度。,湿陷起始压力的实用意义：(1)用于确定土层和场地的湿陷类型 凡湿陷起始压力 小于上覆饱和自重压力 的土层，即为自重湿陷性黄土；反之为非自重湿陷性黄土。(2)对于非自重湿陷性黄土地基，如果控制基底压力不超过土的湿陷起始压力，则地基即使受水浸湿也不致产生湿陷变形，因而可不采取设防措施。(3)对非自重湿陷性黄土地基，如果设计使在地基的某一深度以下，作用在土体上的饱和自重压力 与附加压力 之和小于土
18、的湿陷起始压力 时，则这一深度以下受水浸润时将不致产生湿陷。所以当需要消除地基全部湿陷性时，可利用基底以下各土层与分布曲线对比，决定处理湿陷性黄土层的厚度H。,风成黄土的特征：各地风成黄土的矿物组成基本一致，不受下伏基岩影响，黄土中的矿物碎屑成分有50余种，石英和长石占90%以上；分选性良好，大部分颗粒粒度局限在0.050.005mm的范围内；由于黄土颗粒细，又呈悬移搬运，故其磨圆度差；黄土层理不明显，发育垂直节理；孔隙度高达44%55%；常含钙质结核。,黄土破碎塬,黄土涧,黄土墚,黄土起伏墚,黄土滑坡,风成沙山,风蚀残丘,三 红 粘 土,1、红粘土的概述 红粘土是指在亚热带湿热气候条件下，碳
19、酸盐类岩石及其间夹的其他岩石，经红土化作用形成的高塑性粘土。红粘土一般呈褐红、棕红等颜色，液限大于50%。经流水再搬运后仍保留其基本特征，液限大于45%的坡、洪积粘土，称为次生红粘土，在相同物理指标情况下，其力学性能低于红粘土。红粘土的一般特点是天然含水量和孔隙比很大，但其强度高、压缩性低，工程性能良好。,2、红粘土的组成成分 由于红粘土系碳酸盐类及其他类岩石的风化后期产物，母岩中的较活动性的成分SO2-4，Ca2+，Na+，K+等经长期风化淋滤作用相继流失，SiO2部分流失，此时地表则多集聚含水铁铝氧化物及硅酸盐矿物，并继而脱水变为氧化铁铝Fe2O3和Al2O3或A1(OH)3。使土染成褐红
20、至砖红色。因此，红粘土的矿物成分除仍含有一定数量的石英颗粒外，大量的粘土颗粒则主要为多水高岭石、水云母类、胶体SiO2、及赤铁矿、三水铝土矿等组成，不含或极少含有机质。,3、红粘土的一般物理力学特征 1)天然含水量高，一般为40%60%，高达90%。2)密度小，天然孔隙比高（一般为1.41.7，最高2.0），具有大孔性。3)高塑性。液限一般为60%80%，高达110%；塑限一般为40%60%，高达90%；塑性指数一般为2050。4)由于塑限很高，所以尽管天然含水量高，一般仍处于坚硬或硬可塑状态，液性指数IL一般小于0.25。但其饱和度一般在90%以上，因此，甚至坚硬粘土也处于饱水状态。5)一般
21、呈现较高的强度和较低的压缩性。6)不具有湿陷性；原状土浸水后膨胀量很小(2%)，但失水后收缩剧烈，原状土体积收缩率为25%，而扰动土可达40%50%。,4、红粘土的物理力学性质变化规律 1)在沿深度方向，随着深度的加大，其天然含水量、孔隙比和压缩性都有较大的增高，状态由坚硬、硬塑变为可塑、软塑以至流塑状态，因而强度大幅度降低。所以基础宜尽量浅埋。2)在水平方向，在地势较高的部位，由于排水条件好，其天然含水量、孔隙比和压缩性均较低，强度较高，而地势较低处则相反。3)平面分布上次生坡积红粘土与红粘土的差别也较显著：原生残积红粘土土质致密，次生坡积红粘土颜色较浅，其物理性质与残积土有时相近，但较松散
22、，结构强度较差，故雨、旱季土质变化较大。4)裂隙对红粘土强度和稳定性的影响 红粘土具有较小的吸水膨胀性，但具有强烈的失水收缩性。故裂隙发育。,红土及铝土矿,四 膨胀土,1、概论 膨胀土是指含有大量的强亲水性粘土矿物成分，具有显著的吸水膨胀和失水收缩、且胀缩变形往复可逆的高塑性粘土。膨胀土多分布于级以上的河谷阶地或山前丘陵地区，个别处于I级阶地。呈黄、黄褐、灰白、花斑(杂色)和棕红等色。它一般强度较高，压缩性低，易被误认为工程性能较好的土，但由于具有膨胀和收缩特性，在膨胀土地区进行工程建筑，如果不采取必要的设计和施工措施，会导致大批建筑物的开裂和损坏，并往往造成坡地建筑场地崩塌、滑坡、地裂等严重
23、的不稳定因素。,从成因看：残积坡积、湖积、冲积洪积和冰水沉积等，其中以残积坡积型和湖积型胀缩性最强。从形成年代看：一般为上更新世(Q3)及其以前形成的土层。从分布的气候条件看：在亚热带气候区，胀缩性较为强烈。,2、膨胀土的特征 1)粘粒含量多达35%85%。液限一般为40%50%。塑性指数多在2235之间。2)天然含水量接近或略小于塑限，故一般呈坚硬或硬塑状态。3)天然孔隙比小，变化范围常在0.500.80之间。且随土体湿度的增减而变化，即土体增湿膨胀，孔隙比变大；土体失水收缩，孔隙比变小。4)自由膨胀量一般超过40%，也有超过100%的。膨胀力、收缩率差异很大。5)裂隙发育，致使土体承载力降
24、低，并丧失稳定性。6)当膨胀土的含水量剧烈增大或土的原状结构被扰动时，土体强度会骤然降低，压缩性增高。,3、影响膨胀土胀缩变形的主要因素(1)主要内在因素：土的粘粒含量和蒙脱石含量、土的天然含水量和密实度及结构强度等。粘粒含量愈多，亲水性强的蒙脱石含量愈高，土的膨胀性和收缩性就愈大；天然含水量愈小，膨胀率愈大，但失水收缩率则愈小。同样成分的土，吸水膨胀率随天然孔隙比的增大而减小，而收缩则相反；但是，土的结构强度愈大，土体抵制胀缩变形的能力也愈大。(2)主要外部因素：气候条件、地形地貌及建筑物地基不同部位的日照、通风及局部渗水影响等各种引起地基土含水量剧烈或反复变化的各种因素。,五 填土,填土是
25、一定的地质、地貌和社会历史条件下，由于人类活动而堆填的土。填土层无论从堆填方式、组成成分、分布特征及其工程性质等方面，均表现出一定的复杂性。,1、填土的工程分类及工程地质问题 填土根据其组成物质和堆填方式形成的工程性质的差异，划分为素填土、杂填土和冲填土三类。(1)素填土 素填土为由碎石、砂土、粉土或粘性土等一种或几种材料组成的填土，其中不含杂质或杂质很少。按其组成物质分为碎石素填土、砂性素填土、粉性素填土和粘性素填土。素填土经分层压实者，称为压实填土。,利用素填土作为地基应注意的工程地质问题：1)素填土的工程性质取决于它的密实度和均匀性。在堆填过程中，未经人工压实者，一般密实度较差，但堆积时
26、间较长，由于土的自重压密作用，也能达到一定密实度，可以作为一般建筑物的天然地基。2)素填土地基的不均匀性，因而防止建筑物不均匀沉降问题是利用填土地基的关键。3)对于压实填土应保证压实质量，保证其密实度。,(2)杂填土 杂填土为含有大量杂物的填土。按其组成物质成分和特征分：1)建筑垃圾土：主要为碎砖、瓦砾、朽木等建筑垃圾夹土石组成，有机质含量较少；2)工业废料土：由工业废渣、废料，诸如矿渣、煤渣、电石渣等夹少量土石组成；3)生活垃圾土：由居民生活中抛弃的废物组成。一般含有机质和未分解的腐殖质较多，组成物质混杂、松散。以生活垃圾和腐蚀性及易变性工业废料为主要成份的杂填土，一般不宜作为建筑物地基；以
27、建筑垃圾或一般工业废料主要组成的杂填土，采用适当的措施进行处理后可作为一般建筑物地基。,利用杂填土作为地基时应注意的工程地质问题：1)不均匀性：表现在颗粒成分、密实度和平面分布及厚度的不均匀性。2)工程性质随堆填时间而变化：堆填时间愈久，则土愈密实，其有机质含量相对减少。一般认为，填龄达五年左右其性质才逐渐趋于稳定，承载力则随填龄增大而提高。3)由于杂填土形成时间短，结构松散，干或稍湿的杂填土一般具有浸水湿陷性。4)含腐殖质及水化物问题：以生活垃圾为主的填土，腐殖质的含量常较高。随有机质的腐化，地基的沉降将增大；以工业残渣为主的填土，其中可能含水化物，遇水后容易发生膨胀和崩解，使填土的强度迅速降低，地基产生严重的不均匀变形。,(3)冲填土(吹填土)冲填土系由水力冲填泥砂形成的沉积土，即在整理和疏通江河航道时，有计划地用挖泥船，通过泥浆泵将泥砂夹大量水分，吹送至江河两岸而形成的一种填土。,冲填土工程特性：1)冲填土的颗粒组成和分布规律与所冲填泥砂的来源及冲填时的水力条件有着密切的关系。如果为多次冲填而成，由于泥砂的来源不同，造成在纵横方向上的不均匀性，土层多呈透镜体状或薄层状构造。2)冲填土的含水量大，透水性较弱，排水固结差，一般呈软塑或流塑状态。3)冲填土一般比同类自然沉积饱和土的强度低，压缩性高。,
