1、第一章土的結(jié)構(gòu)與分類謝新宇韓同春1.1 土的形成土由巖石經(jīng)風(fēng)化作用而成.土的工程性質(zhì)與土的形成環(huán)境，過程，成分，結(jié)構(gòu)，構(gòu)造密切 相關(guān).物理風(fēng)化一一風(fēng)吹雨打，熱脹冷縮，加載卸對蜉等破壞作用風(fēng)化作用 化學(xué)風(fēng)化一一水解作用 離子交換作用，氧化還原作用，碳化作用等生物作用一一微生物，植被，樹木根系等的碾不作用殘積土f風(fēng)成沉積土 水成沉積土 冰成沉積土泥炭土,腐殖土（1）殘枳土一一巖石經(jīng)風(fēng)化殘留在原處的土。特點(diǎn)：未經(jīng)搬運(yùn)，未被摩圓和分選，沒層理，大孔隙，非均質(zhì)。（2）（風(fēng)成）沉積土一一經(jīng)風(fēng)力搬運(yùn)堆枳而成的土。例如黃土原生黃土一一未經(jīng)擾動中層理的黃土次生黃土一一經(jīng)水流侵蟲搬運(yùn)重新沉積的黃士黃土按年代分有老

2、黃土、新黃土，按濕陷性分有濕陷性黃土、非濕陷性黃土 砂丘一一在風(fēng)力作用下可以在地面上移動，由于風(fēng)的分選作用極不均勻。（3）水成沉枳土一一經(jīng)水流搬運(yùn)后沉積的土。坡積土洪積土水成沉枳土沖積土湖相沉積土三角洲沉積土海相沉積土坡枳土一 一巖石風(fēng)化物經(jīng)雨水雪水沖刷、侵蝕、攜帶、沉枳在平緩的山坡上形成的沉（堆） 積物。坡積土特點(diǎn)：搬運(yùn)距離短、土質(zhì)不均勻、厚度變化大、壓縮性高。洪枳土一一山洪急流沖刷地表土層，形成泥石流，在山谷沖溝出II或山前傾斜平原上形成 的堆枳物。泓積物洪積土特點(diǎn)：有不規(guī)則交錯的層理構(gòu)造（如夾層、透鏡體等），土質(zhì)不均勻。沖枳土一 一河流水力作用將坡枳土和洪積土侵蝕、搬運(yùn)、沉枳在河流坡降變

3、小的平緩地帶 形成的沉積物。沖積土特點(diǎn)：沿河流可形成上游沖枳土、下游沖積土，范圍越來越大，顆粒越來越小、越來越圓。湖相沉積土 一 一在湖泊沉積的土特點(diǎn)：在岸邊沉枳較粗大碎屑的物質(zhì)，湖底的中部多沉枳細(xì)小顆粒的物質(zhì)。三角洲沉積土一一河流流入海洋時，流速急劇減少，懸浮物質(zhì)在河11形成的沉積土。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，層理明顯或透鏡體，顆粒細(xì)，分布一定規(guī)律。5土的層理結(jié)構(gòu)海相沉積土一一由海岸巖石破壞后的碎屑物質(zhì)組成。濱海沉積物（主要有卵石，圓礫，砂等粗顆粒）、 L淺海沉枳物（離濱海100200km,主要有細(xì)顆粒砂土，粘性土，海相沉積土淤泥和生物化學(xué)沉積物）陸坡沉積物（離濱海200400km,主要有粘土，含鈣（

4、硅）的軟泥）,深海沉積物（離濱海400km以外，主要有粘土，含鈣（硅）的軟泥）特點(diǎn)：離海岸越遠(yuǎn)沉積物越細(xì)。（4）冰川沉積土一一冰川活動 搬運(yùn) 溶化 沉積冰川沉積物冰川沉積土冰川一河流沉積物冰川一湖泊沉積物沉積物沉積后的物理化學(xué)過程（1）風(fēng)化作用一 一塊體T大顆粒T小顆粒（2） 固化作用PeTI（3）成巖作用一一溫度、壓力、時間效應(yīng)、物質(zhì)轉(zhuǎn)化（4）溶解作用一一離子交換和可溶鹽的淋溶（如土洞、溶洞）、地光運(yùn)動地質(zhì)循環(huán)1.2 土的組成土的固相土的組成土的液相土的氣相1. 土的固相土的礦物成分一一取決于母巖的成分及其所經(jīng)受的風(fēng)化作用。原生礦物一一巖石碎屑杉成巖石結(jié)構(gòu)的礦物麟立土的礦物成分次生礦物一一由

5、原生礦物風(fēng)化形成 有機(jī)質(zhì)一一源于動植物遺體分解 鹽類(沉淀析出)粗大顆粒(d2mm) 一一巖石碎屑，其礦物成分與母巖相同。砂粒(d=0.0752mm) 一母巖中的單礦物顆粒，如石英，長石和云母等。粉粒(d=0.0050.0075mm) 主要是石英，MgCO3 CaCO3等難溶鹽的顆粒。粘粒(d0.005nmi) 一一主要有粘土礦物，氧化物，氫氧化物和各種難溶鹽類，如碳酸鈣。蒙脫石一一兩層硅氧晶I*之間夾一層鋁氫氧晶片伊利石一一結(jié)構(gòu)單元列以于蒙脫石，但文-。四面體中的S產(chǎn)可以被A戶,F戶取代, 粘土礦物因而晶胞間出現(xiàn)-依+高嶺石一一由一層鋁索晶片和一層硅氧晶片組成的晶胞綠泥石一一硅氧晶片司I面體

6、晶體交替迭合而我高嶺石結(jié)構(gòu)示意圖土的顆粒級配一一土的顆粒大小、形狀、級配對土的物理力學(xué)性質(zhì)有重要的影響。篩分法一一用一套孔徑遞減的篩子將風(fēng)干的土過篩分離，記錄每個篩子上留下來得土體 質(zhì)量，可得到土的顆粒級配。比重計法和移液管法的基礎(chǔ)是Stokes定律oStockes定律假定： 顆粒是球形的。顆粒周圍的水流是線流。顆粒大小比分子大得多。在靜止液體中一個球形顆粒下沉速度為：9/7式中r一顆粒半徑；rs 一顆粒重度；/ 一液體重度；一液體粘滯系數(shù)。于是18媯式中D一顆粒直徑；h-顆粒t時間時下沉距離。土的顆粒級配曲線一一根據(jù)顆粒粒徑分析結(jié)果繪制。&7c6o5o4o310級配良好。I 二曲率系數(shù)虬.反

7、映曲線的整體形狀。1060單獨(dú)用K“評估土的級配不夠全面，要同時考慮曲率系數(shù)匕 對J礫類土，當(dāng)時級配良好。I砂類土I虬=1-3n （ f 、對粗粒土：渾圓度一一用于描述土顆粒各個突角的尖銳程度， 5/。/=! /近球度一一用于描述土顆粒與球體接近的程度，令。一把土顆粒放置于其 平的一面時，與土顆粒投影面枳相等的直徑。一一該土顆粒最小外接圓直徑。2. 土的液相1） 土中水的存在形態(tài)土工原理與計算固態(tài)水-礦物中結(jié)晶水或稱內(nèi)智結(jié)合水（存在于土粒礦物晶格內(nèi)部或參與礦物構(gòu)造的水）f強(qiáng)結(jié)合水伊有溶解鹽類的能力，/9=1.22.4g/c?3、力口氣弱結(jié)合弒不能傳遞靜水壓力，冰點(diǎn)一78。土中水J液態(tài)水重力水（

8、地下水位以下）自由水毛細(xì)水（地下水位以警t毛細(xì)上升水氣態(tài)水-土中氣的一部分土中細(xì)粒越多，土的分散度越大，水對土的性質(zhì)影響也越大。一般來說，水對土的工程 特性總是產(chǎn)生不利影響，如凍漲現(xiàn)象，融陷現(xiàn)象。2）雙電層理論粘土顆粒間作用力電動現(xiàn)象電泳電滲1 = ( E 產(chǎn)3）離子交換粘土顆粒帶負(fù)電荷，外層吸附有帶正電荷的陽離子。被粘土顆粒吸附的各種陽離子，對 粘土的親和性是不同的，其順序?yàn)椋篈/升 Ca2+ Mg，+ NH： K+ H+ Li+ N”前面的某一種離子可以置換后面的離子，這種現(xiàn)象稱為離子交換。*粘土 + CaCl2 t Co粘土 + NaCl離子交換后產(chǎn)生交換能量，可交換的離3數(shù)量，通常以每

9、克粘土的亳克當(dāng)量來計。粘土種類離子交換能量mg當(dāng)量/100g高嶺石315伊利石10 40蒙脫石80 1504）飽和土中的靜孔隙水壓力5）毛細(xì)作用毛細(xì)作用可以使地下水位以上的部分土體中孔隙充滿水或部分充滿水，形成飽和土或濕 土。毛細(xì)水上升高度如的計算以大氣壓作為基準(zhǔn)面，則空氣壓力乙=0。根據(jù)彎液面上豎向力的平衡有:f c27 cosaTcosa（2S += 0 = u =r考慮毛細(xì)管中毛細(xì)水的平衡有：%顯然幾的大小取決于液體、毛細(xì)管材料和直徑，或者說水質(zhì)、土質(zhì)和密實(shí)度。（/?jmn決定飽和區(qū)（九）max決定濕土區(qū)。-hcYw - T cosa（2ri） = 0 =X hc =洞、泌1.3 土的三

10、相關(guān)系及土的結(jié)構(gòu)（a）（b土的三相關(guān)系及簡化圖土的三相關(guān)系固相（土顆粒）非飽和土 （液相（水、可溶鹽類） 氣相（空氣）土的質(zhì)量:m = m5 + mw土的體積：V = V 4-Vw. + V孔隙體積:V = V . + V九個三相比例指標(biāo)土的孔隙比V對非飽和土=工V對于飽和土 e = -粘性土和粉土 e=0.401. 20砂土e=0.300. 90低壓縮性土 e1.0土體孔隙率V對非飽和土 =工V對于飽和土 = %V孔隙率與孔隙比的關(guān)系一 K - 5、- e氣+嶺1 + K/氣l + e粘性土和粉土： n=30%60%砂土：n=25% 45%飽和度S, =4x100%S,=O% 100%Kr含

11、水量（用試驗(yàn)測定）Illw = xioo% w =20% 60%L土顆粒比重d =冬工g. p、l式中Q,. - 土顆粒密度，g/cm3；Pl 純水4C時的密度，g/cm3o一 般值：二2.602.80砂 土： ds=2. 65 2. 69粉 土： ds=2. 70 2. 71粉質(zhì)粘土： ds=2. 72 2. 73粘 土： ds=2. 74 2. 76土的密度111N dp =重度 y = ps粘性土： Q=l.8 2.0 g/cm3砂 土： Q=L62.0 g/cm3干密度團(tuán)=導(dǎo)= 干重度/d=Pdg飽和密度凡“=當(dāng)專4 n飽和重度yqp_g 浮密度q =竺二浮重度,=pg 式中g(shù)重力加速

12、度土的三相比例關(guān)系以上三相比例指標(biāo)中，土顆粒比重.、含水量W和密度Q三個指標(biāo)通過試驗(yàn)確定，其余指標(biāo)可以通過換算求得。土的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造土的結(jié)構(gòu)是指由土粒單元的大小、形狀、相互排列及其聯(lián)結(jié)關(guān)系等因素形成的綜合特單粒結(jié)構(gòu)（砂粒）疏松的或緊密的（重力吸引力）蜂窩結(jié)構(gòu)（d = 0.05 0.005m時（吸引力重力）絮凝結(jié)構(gòu)（dv0.005）電解質(zhì)濃度改變，粘粒凝聚成絮狀結(jié)合體。土的結(jié)椒在海水中，鹽類離子濃度大，排斥力減少: 呈面與邊接觸，形成絮伏結(jié)構(gòu)。分散結(jié)構(gòu)（/Pr 0.67中密狀態(tài)0.67 Dr 0.33松散狀態(tài) 0.33 Dr01.5粘性土的稠度阿太堡界限縮限 塑牌吧限 _含水最 ,固態(tài):半固態(tài)!可

13、塑狀態(tài)I流動狀了此土的狀態(tài)及界限含水量縮限的測定縮限試驗(yàn)塑限和液限的測定搓條法錐式或碟式液限儀錐式液限儀搖柄碟式液限儀塑液限聯(lián)合測定儀20150 8 6 4 3 2 I 日uffeJaWY 塑座00102QWr 30 40嘰 60 80 1土樣含水讀， 入土深度與含水量的關(guān)系塑性指數(shù)。一一反映土體處于可塑狀態(tài)的含水量變化范圍。Ip = *外（省略）土體含水量處于塑限和液限之間呈可塑狀態(tài)，根據(jù)塑性指數(shù)七,可以把土分為 粉質(zhì)粘土 10 Ip 17液性指數(shù)反映土體軟硬程度的指標(biāo)W W、=LW, - W根據(jù)液性指數(shù)可以把土分成五種軟硬狀態(tài)堅硬硬塑可塑軟塑流塑7/ 00/7 0.25 0.25 /, 0

14、.75 0.75 L 1.001.6 土的分類分類的目的：便于描述土的工程性質(zhì)，便于交流。巖土的工程分類按成因分巖漿巖、沉積巖、翎I巖I匚小米士按硬度分硬質(zhì)巖石（2 30A/P。）、軟質(zhì)巖石（V30A/P。）石伯分類法1按風(fēng)化分微風(fēng)化、中風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化按軟化系數(shù)分軟化巖石 成r 0.75）土的工S分類按沉積年代分老沉積土、一般沉積土、新近沉積土按成因分殘積土、坡積土、：羯土、沖積土等土分類法按有機(jī)質(zhì)含量分無機(jī)土、有機(jī)土、泥炭質(zhì)土和泥炭 按顆粒級配、塑性指麴卜碎石土、砂土、粉頊粘性土按土的工程特性般土、特殊土按顆粒級配、塑性指數(shù)分類（1）碎石土一一粒徑大于2mm的顆粒含量超過全重50%的土。一漂石

15、（塊石）VV/；00 50%碎石土卵石（碎石）VV/：0 50%圓礫（角礫）W（l2 50%（2）砂土一一粒徑大于2mm的顆粒含量不超過全重50%,粒徑大于0.075mm的顆粒含量 超過全重50%的土。礫砂 仇2 25%50% 粗砂也泌 50%砂土（中砂 Wy 50% 細(xì)砂叫5 85% 、粉砂 /o.75 50%（3 ）粉土一一粒徑大于0.075mm的顆粒含量不超過全重50%塑性指數(shù)。小于或等于10的 土。粉土J砂質(zhì)粉土 吼0.005 V10%7 1 粘質(zhì)粉土 VVJ10%（4）粘性土一一塑性指數(shù)。大于10的土。老粘性土（第四紀(jì)晚新世（Q）以前）粘性土一般粘性土（第四紀(jì)蠲I世（）（文化期以前）

16、或新近沉積粘性土（文伽j以來沉積的）”粉質(zhì)粘土粘 土10/p wL el.5淤泥W wLg1.0淤泥質(zhì)土軟土具有含水量高、壓縮性大、滲透性小和強(qiáng)度低的特性。細(xì)粒土按塑性圖分類（Casagrande 1948）細(xì)粒土小于O.lnim的土粒重量超過50%的土。土的塑性圖CL一一低液限粘質(zhì)土 CIML一低液限粉質(zhì)土 MI-OL中液限粘質(zhì)土 CH一一高液限粘質(zhì)土 中液限粉質(zhì)土 MH一高液限粉質(zhì)土 有機(jī)質(zhì)粉土 OH一有機(jī)質(zhì)粘土塑性圖（公路土工試驗(yàn)規(guī)程）1-7有效應(yīng)力原理流體孔隙壓力土體受力= J1.0不是顆粒內(nèi)部的應(yīng)力。土骨架有效應(yīng)力影響土體變形和強(qiáng)度的是顆粒接觸面的應(yīng)力,設(shè)作用于某平面上單位面積的總應(yīng)

17、力為b,則cr = asam + naaa + uwaw + R-A式中屯一顆粒間的應(yīng)力；一孔隙中的氣壓力和水壓力；單位面枳中土粒接觸面、孔隙氣和孔隙水的面積;R、A一單位而積中顆粒間的電斥力和電吸力。飽和土的有效應(yīng)力原理對高塑性飽和粘土S，b,%TO, uaaa = 0a = uw + R-A *對飽和粒狀土R 0, A 0, uaaa = 0b =+皿(1-0“)由于”較小(O.O1),以上兩式，Terzaghi認(rèn)為可寫成cr=(7 +u w式中b =R-A 對飽和粘性土； b = ysam對飽和粒狀土。Terzaghi試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)土的變形和強(qiáng)度與土中有效應(yīng)力b密切相關(guān)，并建立了有效應(yīng)力

18、原理。非飽和土的有效應(yīng)力原理在非飽和土中，土孔隙一部分被空氣所占，一部分被水所占，在空氣所占的孔隙中，孔 隙壓力等于孔隙氣壓力，在水所占的孔隙中，孔隙壓力為孔隙水壓力uw o根據(jù)平衡原理：b = b + uwaw + ua(1 - am - aw) T式中T一表面張力的合力。忽略則有+uwaw+ua(l-aw)-TBishop建議非飽和土的有效應(yīng)力原理= a +ua-/(ua-uw)式中/一試驗(yàn)測定參數(shù)，與他和度、土的類型和加荷的應(yīng)力路徑有關(guān)。3土體的有效應(yīng)力A點(diǎn)豎向應(yīng)力為A點(diǎn)孔隙水壓力W =九兀A點(diǎn)有效應(yīng)力(yz =cy.-u = hj + hw(ysal -yw) = hj + hj毛細(xì)作用產(chǎn)生負(fù)孔隙水壓力有滲流情況：a)向下滲流滲流水力梯度為. h i = h2式中叫一土層厚度；/? 一水頭差。b-b截面上孔隙水壓力為 =(/?1 + h2 - h)yw總應(yīng)力為b=y+h2,皿有效應(yīng)力為 b = (h/w + h2ysa,)一 (力i + h2 - h)yw = h2y + hyw b)向上滲流u =（如 + h? +b-b截面上孔隙水壓力為=(九+ h2 + h)yw總應(yīng)力為-=頃+項也有效應(yīng)力為b = b- u = h2/ -hyw當(dāng)b = 0時，會產(chǎn)生