第一章

土的物理性質(zhì)及工程分類土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)課件系列第一頁，共45頁。主要內(nèi)容土的三相組成土的顆粒特征土的構(gòu)造土作為三相體的比例指標(biāo)粘性土的界限砂土的密實度第二頁，共45頁。第一節(jié)土的三相組成土由固相、液相和氣相三相組成，物質(zhì)成分非常復(fù)雜。固相：土的固相物質(zhì)分無機礦物顆粒及有機質(zhì)，它們組成土的骨架。其固體顆粒的詳細(xì)組成如以下圖所示。第三頁，共45頁。固體成份礦物質(zhì)有機質(zhì)原生礦物次生礦物石英長石云母∶粘土礦物Fe2O3Al2O3SiO2碳酸鹽第四頁，共45頁。有機質(zhì)主要是腐殖質(zhì)礦物，其次是動植物殘骸體及有機殘余物。液相:土的液相是土孔隙中存在的水，一般看成中性，無色、無味、無臭，實質(zhì)上土中水溶液是成分復(fù)雜的電解質(zhì)水溶液。在土中水以H2O分子形式存在如下圖所示。土中的水結(jié)合水自由水強結(jié)合水弱結(jié)合水毛細(xì)水重力水第五頁，共45頁。當(dāng)土粒與水互相作用時，土粒會吸附一部分水分子，在土粒外表形成一定厚度的水膜，由于受外表引力作用，而不服從靜水力學(xué)規(guī)律，結(jié)合水的密度，粘滯度均比一般正常水為高，冰點比O℃低。在結(jié)合水膜以外的水，為正常的液態(tài)水溶液，它受重力的控制而流動，能傳遞靜水壓力，為自由水。自由水又分為毛細(xì)水和重力水。毛細(xì)水除受重力作用外，還受毛細(xì)外表張力引起的毛細(xì)作用支配，毛細(xì)水上升的高度取決于毛細(xì)管的直徑，毛細(xì)水對公路路基的干濕狀態(tài)及凍害有重要影響。重力水為只受重力控制的自由水，它不受外表張力的影響，它在重力或壓力差作用下會在土中浸透。除了以上介紹的水的狀態(tài)外，還可能有氣態(tài)水，即呈蒸汽態(tài)水，以及固態(tài)水，即冰態(tài)的水。第六頁，共45頁。第七頁，共45頁。氣相:土的氣相是孔隙中存在空氣，主要有CO2、O2、N2，其存在形式分為連通和不連通，不連通的對工程的影響比較大，屬非飽和土力學(xué)的研究范圍，是目前正在研究的熱點內(nèi)容。第八頁，共45頁。第二節(jié)土的顆粒特征一、土粒大小及粒組劃分土粒大小是描繪土的最直觀和最簡單的標(biāo)準(zhǔn)。對于立方體和渾圓球體的土粒，可直接量測，立方體的邊長或圓柱體的直徑，來描繪土粒的大小。常用的分析方法有兩種，對于大于0.075mm的土粒常采用篩分析方法，而對于小于0.075mm的土粒那么用沉降分析方法。沉降分析的方法：土粒大小即相當(dāng)與實際土粒有一樣沉降速度的理想圓球體的直徑。天然土體土粒大小變化很大，1×10-6mm~幾米大小。土料的大小稱為粒度，把大小相近的土粒合并成一組，稱粒組，分界限是人為確定的。我國采用粗粒組劃分方法，分為六大粒組，其分界粒徑為200，20，2，1/20，1/200mm，根據(jù)需要再劃分為假設(shè)干亞組。劃分粒組有兩種方式：第九頁，共45頁。任意劃分的方式，即按一定比例遞減關(guān)系劃分粒組的界限值?？紤]土粒性質(zhì)變化的方式，使劃分的粒組界限值與粒組性質(zhì)的變化相適應(yīng)。二、粒度成分及其表示方法土的粒度成分是指土中各種不同粒組的相對含量〔%〕，它可用來描繪土的各種不同粒徑土粒的分布特征。常用的粒度成分的表示方法有表格法〔如表1-1〕、累計曲線〔圖1-4〕及三角形坐標(biāo)法。第十頁，共45頁。土的粒度成分表1-1粒組（mm）粒度成分（以百分計）土樣a土樣b土樣c10～525.05～23.120.02～16.012.31～0.514.48.00.5～0.2541.56.20.25～0.1026.04.98.00.10～0.059.04.614.40.05～0.018.137.60.01～0.0054.211.10.005～0.0025.218.9＜0.0021.510.0第十一頁，共45頁。圖1-4第十二頁，共45頁。圖1-5第十三頁，共45頁。根據(jù)粒徑級配曲線可以得到以下指標(biāo)平均粒徑d50：通過率是50%時的粒徑。它表示了試料中粒徑大小的中間值,所以,稱為平均粒徑。有效粒徑d10：通過率是10%時的粒徑，是試料中所含細(xì)粒土大小程度的指標(biāo)。通過該指標(biāo)可知固結(jié)至某種程度的土的孔隙中，比土粒平均粒徑d50小的細(xì)粒土的大小程度，所以d10可用于推定含砂量較多的土的浸透系數(shù)[表示土中水流過的難易程度的系數(shù)]。同理，可得d30和d60見圖1-5。

不均勻系數(shù)Cu：Cu=d60/d10

第十四頁，共45頁。該指標(biāo)表示了顆粒累積曲線的傾斜度，Cu值大，叫做級配良好，Cu值小叫做級配不良。級配良好的土，土顆粒大小相間，在壓實的時候容易壓實，所以叫做極配良好。乒乓球的不均勻系數(shù)Cu=1，是級配最差的例子。

曲率系數(shù)Cc:Cc=(d30*d30)/(d10*d60)

該值表示了累積曲線的平滑程度，Cc值接近于1，曲線平滑，表示土中含有大小不同的土顆粒。通常Cu≥10，Cc=1—3的土是級配良好的土。第十五頁，共45頁。三角形坐標(biāo)法是由等邊三角形組成，幾何上三角形內(nèi)一點，到三個邊的間隔之和為一常數(shù)，即h1+h2+h3=H,其中，h1——粘土顆粒的含量h2——砂土顆粒的含量h3——粉土顆粒的含量根據(jù)該點在三角形的位置，確定土的名稱、性質(zhì)。第十六頁，共45頁。三、粒度成分分析方法土的顆粒級配由顆粒級配實驗求出。在顆粒級配實驗中,粗粒(75μm以上)土，用篩分法分析，細(xì)粒(75μm以下)土，因為土顆粒過小，用篩分法分不出來，采用水中沉降法(比重計法)分析。篩分法如圖1-3(a)所示，把篩孔不同的篩，按篩孔的大小從大到小依次摞起來，最上層的篩中放入枯燥的土試料，加蓋后振動，最后稱量留在各個篩里的試料的質(zhì)量，從而得出各種粒徑所占的質(zhì)量百分比。把這個結(jié)果繪在對數(shù)坐標(biāo)紙上，得到圖1-3(b)所示的顆粒大小與通過質(zhì)量百分比的關(guān)系圖。該曲線叫做顆粒級配曲線。另外，水中沉降法是一種聰明的方法，該方法利用了粒徑大的顆粒沉降快(沉降速率與粒徑的平方成比例)這一特性，分出粒徑的大小。其方法是，把通過2mm篩的試料放入水中，充分?jǐn)嚢?，震動后靜置，然后，隔一定的時間用比重浮標(biāo)(比重計)量測懸濁液的比重，根據(jù)懸濁液比重隨時間的變化，并考慮到粒徑大的顆粒沉降快，從而求出粒徑分布。當(dāng)粗細(xì)兼有時，兩種方法結(jié)合使用。第十七頁，共45頁。

土粒越大，在靜水中沉降速度越大，反之亦然。設(shè)有一個圓球形顆粒在無限大的不可壓縮的松滯性液體中，它在重力作用下產(chǎn)生的穩(wěn)定沉降速度V，可由stokes公式。V——球形顆粒在液中的穩(wěn)定沉降速度——球形顆粒的半徑——顆粒及液體容重N/m3——液體的松滯系數(shù)第十八頁，共45頁。=0.00114Pa·s

w=9.81×103N/m3

s=26×103N/m3=第十九頁，共45頁。懸液體積為1000cm3，其中所含≤di的土粒重量為Wsi(g)懸液中≤di土粒重量Wsi占土?？傊豔s的百分比P1為第二十頁，共45頁。第三節(jié)土的構(gòu)造土的構(gòu)造是指土的物質(zhì)組成〔主要指土粒、孔隙〕的空間互相排列，以及土粒間的聯(lián)結(jié)特征的綜合。用肉眼或一般放大鏡可以看到的土的構(gòu)造稱為宏觀構(gòu)造，如層理、裂隙、大孔隙等。用光學(xué)顯微鏡，電子顯微鏡才能觀察到的土的構(gòu)造稱為微觀構(gòu)造。土的構(gòu)造，按其顆粒的排列及聯(lián)結(jié)有：1．單粒構(gòu)造：這是碎石類土和砂土的構(gòu)造特征：土粒間無聯(lián)結(jié)存在，或聯(lián)結(jié)微弱，可以略去不計，分為疏松和嚴(yán)密的。在靜荷載作用下，尤其是在振動荷載作用下，疏松的單粒構(gòu)造會趨于嚴(yán)密，單粒構(gòu)造的嚴(yán)密程度取決于礦物成份，顆粒形狀均勻程度，沉積條件，片狀礦物組成的砂土最為疏松；渾圓的顆粒組成的砂比常有棱角的顆粒組成的砂土嚴(yán)密，土粒愈不均勻，構(gòu)造愈嚴(yán)密，急速沉積的比緩慢沉積的土構(gòu)造疏松些。第二十一頁，共45頁。2．聚粒構(gòu)造：假設(shè)干土粒以面-面方式聚合在一起，形成比較大的疊片狀的集合體。3．絮凝構(gòu)造：土?；蚓哿Ｒ赃?邊、邊-面方式互相聯(lián)結(jié)在一起，形成絮凝構(gòu)造，它使土具有：細(xì)胞孔隙性、粘聚性和彈性。土的構(gòu)造在形成過程中，以及形成之后，當(dāng)外界條件變化時，都會使土的構(gòu)造發(fā)生變化。土體越干，土粒的聯(lián)結(jié)強度越大，土體在外力作用下，絮狀構(gòu)造會趨于定向排列，土的強度及壓縮性都隨之發(fā)生變化。對土的構(gòu)造的研究，近年來不僅研究土粒的排列及分布，并已開場研究土的孔隙率〔孔隙大小、形狀及分布〕以及顆粒間聯(lián)結(jié)性〔接觸數(shù)量，接觸力的分布及〕。第二十二頁，共45頁。第四節(jié)土作為三相體的比例指標(biāo)土是三相分散體系，可從體積和重量上反映干濕程度及緊密程度，其實際組成的三相圖和經(jīng)抽象后的理想三相圖如圖1-6所示。(a)實際土體(b)土三相圖(c)各相的重量和體積圖1-6土的三相組成第二十三頁，共45頁。從圖1-6可以得到以下式子：V=Vs+Vw+VaW=Ws+Ww+WaWa=0W=Ws+Ww1.土的容重γ：土體單位體積的重力。它通常用環(huán)刀法在試驗室測定，一般土的容重16~22KN/m3第二十四頁，共45頁。2．土粒容量γs：土固體顆粒單位體積的重力（或重量）。3．土的含水量：是指土中水重與固體顆粒重之比，以百分比表示W(wǎng)變化范圍0~幾百%，干砂接近于0，飽和粘土為百分之幾百。4．干容量：是土的固體粒重力與土的總體積之比，即越大，土越密。第二十五頁，共45頁。5．飽和容重：指土孔隙中全部被水充滿時的容重，即6．土的浮容重〔浸水容重〕：土浸沒在水中受到浮力作用時的容重。當(dāng)土浸沒在水中時，就會受到水的浮力作用，從而減小了土的容重。浮力的大小等于排開的水重，因此浮容重應(yīng)等于含有乳隙在內(nèi)的單位體積土中的顆粒重量減去同體積〔即顆粒體積〕的水重，當(dāng)土的孔隙度為n時，孔隙比為e時，從圖1-7、圖1-8可以得出：第二十六頁，共45頁。第二十七頁，共45頁。圖1-7第二十八頁，共45頁。圖1-8第二十九頁，共45頁。7．孔隙比e：是指土中孔隙的體積與固體顆粒的體積之比，即用來評價土的緊密程度。8．孔隙率n，土中孔隙體積與總體積之比一般以百分率表示，e與n之間關(guān)系為：第三十頁，共45頁。9．飽和度Sr：是孔隙中水的體積與孔隙體積之比它用來描述土中水充滿空隙的程度，Sr=0為完全干燥的土，Sr=1為完全飽的土。把按飽和度將砂土分成三種狀態(tài),0＜Sr≤0.5稍濕0.5＜Sr≤0.8潮濕的（很濕的）0.8＜Sr≤1.0飽和的在以上指標(biāo)中，、、是由試驗測定，稱為試驗指標(biāo)，其余指標(biāo)均為導(dǎo)出指標(biāo)。第三十一頁，共45頁。第五節(jié)粘性土的界限含水量如圖1-9所示,粘性土充分加水?dāng)嚢韬?像泥漿一樣,不能成型,呈“液體狀態(tài)〞.然后使其漸漸枯燥,隨著含水量降低,水分蒸發(fā),體積減小,逐漸到達(dá)容易成型的“半固體狀態(tài)〞.繼續(xù)枯燥下去,土顆?；ハ嘟佑|,體積不再收縮,呈堅硬的“固體狀態(tài)〞.把與以上各種狀態(tài)相適應(yīng)的界限含水量分別稱為液限(liquidlimit)WL、塑限(plasticlimit)Wp和縮限(shrinkagelimit)Ws,統(tǒng)稱為稠度界限(consistencylimit).所以說：土從液體狀態(tài)向塑性體狀態(tài)過渡的界限含水量稱為液限WL。土由塑性體狀態(tài)向脆性固體狀態(tài)過渡的界限含水量稱為塑限Wp。土的體積隨含水量的減少而收縮，但達(dá)某一含水量時，土體積，不再收縮，這個界限含水量稱之為縮限Ws。第三十二頁，共45頁。另外從圖1-9也可知道天然土所處的狀態(tài)。對于土體在界限點的狀態(tài)一般不說。粘性土的塑性大小，可用土處于塑性體狀態(tài)的含水量變化范圍來衡量。液限與塑限之差值，稱之為塑性指數(shù)Ip。圖1-9第三十三頁，共45頁。用一個可以表示天然含水量與界限含水量之關(guān)系的指標(biāo)即液性指數(shù)IL，即液性指數(shù)說明天然土所處的狀態(tài)?？杀硎境上率絀l=(w-wp)/(wl-wp)通過圖1-9可以對照著理解液性指數(shù)的含義。通常土的液限的測定用平衡錐式液限儀進(jìn)展的，土的塑限是用搓泥條法測定的。目前還有用液塑限結(jié)合測定儀測定土的液、塑限。第三十四頁，共45頁。第六節(jié)砂土的密實度當(dāng)砂土樣以最疏松狀態(tài)制備時，其孔隙比達(dá)最大值emax；當(dāng)砂土樣受或搗實時，砂粒相互靠攏壓緊，孔隙比達(dá)最小值emin，砂土的天然狀態(tài)的孔隙比為e，則砂土的天然狀態(tài)的緊密程度可用相對密度Dr來表示：由于emax、emin的試驗方法目前缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，測定的結(jié)果往往離散性比較大，原狀砂土取樣困難較多，尤其水下，因此砂土的天然孔隙比也是難以測定。所以相對密度的表達(dá)式并不實用。第三十五頁，共45頁。一般采取標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗：質(zhì)量63.5kg的穿心錘以760mm的落距，把一個特制的對開式標(biāo)準(zhǔn)貫入器按一定的要求打入土中，記錄每打下300mm所需的錘擊數(shù)即N63.5或N值，根據(jù)實測平均的N63.5值可劃分砂土的密實程度。實測值應(yīng)乘以長度修正系數(shù)、地下水、上覆土壓、側(cè)摩擦及設(shè)備試驗方法，都可能對錘擊數(shù)有影響。砂土密實度

砂土密實度表1-2分級相對密度Dr標(biāo)準(zhǔn)貫入平均擊數(shù)密實Dr≥0.6730-50中密0.67〉Dr≥0.3310-29稍松0.33〉Dr≥0.205-9極松Dr〈0.20〈5第三十六頁，共45頁。第七節(jié)土的工程分類土是自然地質(zhì)歷史的產(chǎn)物，它的成分、構(gòu)造和性質(zhì)是千變?nèi)f化的，大致地判斷土的根本性質(zhì)，合理地選擇研究內(nèi)容及方法，以及在科學(xué)技術(shù)流中有共同的語言，有必要對土進(jìn)展科學(xué)分類。分類的方法：地質(zhì)分類、土壤分類、粒徑分類、構(gòu)造分類。為理解決滲流問題，那么按土的浸透性進(jìn)展分類，在考慮粒度成分界限值時，就注意到使粒組的劃分能反映透水性的變化。在道路工程中，為了路基土壓實和水穩(wěn)性問題，那么按土的不同粒組的級配進(jìn)展土的分類。粗粒土，按粒度成分進(jìn)展分類，粘性土那么按塑性指數(shù)分類。第三十七頁，共45頁。一、?公路橋涵地基與根底設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)?〔JTJ024-85〕與?工業(yè)與民用建筑地基標(biāo)準(zhǔn)?〔TJ7-74〕、?工業(yè)與民用建筑工程地質(zhì)勘查標(biāo)準(zhǔn)?〔TJ21-77〕中的工程分類首先按顆粒級配或塑性指數(shù)劃分為碎石土、砂土和粘性土1．碎石土：粒徑大于2mm的顆粒含量超過全重50%的，再按表1-4細(xì)分為、漂石、塊石、卵石、碎石、圓礫和角礫。2．砂土：大于2mm不超過50%且塑性指數(shù)IP≯1的土按表1-5分礫砂、粗砂、細(xì)砂和粉砂。3．粘性土：IP>1的土。1〕按沉積率代分〔1〕老年粘土：Q3以及Q3以前的沉積粘性土〔2〕一般粘土：Q4沉積的粘性土〔3〕新近沉積粘性土：文化期以來沉積的粘性土2〕按塑性指數(shù)分類見表1-3。第三十八頁，共45頁。粘性土的分類表1-3土名JTJ024-85規(guī)范土名TJ7-74及TJ21-22規(guī)范粘土Ip＞17粘土Ip＞17亞粘土7＜Ip≤17亞粘土10＜Ip≤17亞砂土1＜Ip≤7亞砂土3＜Ip≤7第三十九頁，共45頁。碎石土的分類表1-4土的名稱顆粒形狀顆粒級配漂石圓形及亞圓形為主粒徑大于200mm的顆粒超過全重的50%塊石棱角形為主卵石圓形及亞圓形為主粒徑大于20mm的顆粒超過全重的50%礫石棱角形為主圓礫圓形及亞圓形為主粒徑大于2mm的顆粒超過全重的50%角礫棱角形為主第四十頁，共45頁。砂土的分類表1-5土的名稱粒徑大于2mm的顆粒超過全重的25-50%礫砂粒徑大于0.5mm的顆粒超過全重的50%粗砂粒徑大于0.25mm的顆粒超過全重的50%中砂粒徑大于0.1mm的顆粒超過全重的75%細(xì)砂粒徑大于0.1mm的顆粒不超過全重的50%粉砂粒徑大于2mm的顆粒超過全重的50%第四十一頁，共45頁。4．特殊土、淤泥、淤泥質(zhì)土、紅粘土及人工填土1〕淤泥和淤泥質(zhì)土：在靜水或緩慢的流水環(huán)境中沉積，經(jīng)過生物化學(xué)作用形成，天然含水量W大于液限WL，e>1.0的粘性土，當(dāng)e>1.5為淤泥，1.0<e<1.5時為淤泥質(zhì)土。2〕紅粘土：〔N〕nCO3類巖石經(jīng)過風(fēng)化殘積、坡積形成的褐色紅色粘土，e>1.0，W接近WP，Sr>85%。3〕人工填土：由人類活動形成的堆積物?！?〕素填土：有隨時圖、砂土、粘土等組成的填土，經(jīng)分層夯實者統(tǒng)稱壓實填土?！?〕雜填土：含有建筑垃圾、工業(yè)廢料、生活垃圾等雜物的填土?！?〕沖填土：由水力沖填泥砂形成的填土。第四十二頁，共45頁。二、公路路基土的分類土分類用的符號和含義如表1-6所示，公路路基土的分類如表1-7所示，其中將土分成砂土、砂性土、粉性土、粘性土、及重粘土五大類，然后再分成假設(shè)干亞類。土分類用的符號和含義表1-6粗粒土細(xì)粒土有機土成分G（Gravel）礫S(Sand)砂C(Clay)粘質(zhì)土M(SiltorMo)粉質(zhì)土O(Organic)有機質(zhì)土P(Peat)泥炭級配或液限W(Wellgraded)良好級配P(Poorlygraded)不良