學(xué)習(xí)要求

了解土的成因和三相組成，掌握土的物理性質(zhì)和物理狀態(tài)指標(biāo)的定義、物理概念、計(jì)算公式和單位。要求熟練地掌握物理指標(biāo)的三相換算。了解地基土的工程分類依據(jù)與準(zhǔn)確定名?；緝?nèi)容

◆土的三相組成

◆土的三相比例指標(biāo)

◆土的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造

粘性土的界限含水量

砂土的密實(shí)度

土的工程分類土的物理性質(zhì)和工程分類土的三相組成…1

土是由固相、液相、氣相組成的三相分散系。固相——包括多種礦物成分組成土的骨架，骨架間的空隙為液相和氣相填滿，這些空隙是相互連通的，形成多孔介質(zhì)；液相——主要是水(溶解有少量的可溶鹽類)；氣相——主要是空氣、水蒸氣，有時(shí)還有沼氣等。土的三相組成…2

土體三相比例不同，土的狀態(tài)和工程性質(zhì)也隨之各異，例如：

固體+氣體（液體=0）為干土，此時(shí)粘土呈堅(jiān)硬狀態(tài)砂土呈松散狀態(tài)；固體+液體+氣體為濕土，此時(shí)粘土多為可塑狀態(tài)；固體+液體（氣體=0）為飽和土，此時(shí)粉細(xì)砂或粉土遇強(qiáng)烈地震，可能產(chǎn)生液化，而使工程遭受破壞；粘土地基受建筑物荷載作用發(fā)生沉降需幾十年才能穩(wěn)定。什么是液化？土的三相組成…3

如果飽和疏松的土是由細(xì)砂粒或粉砂粒所組成，在強(qiáng)烈的振動(dòng)作用下，土的結(jié)構(gòu)會(huì)突然破壞變成流動(dòng)狀態(tài)，引起所謂“砂土液化”現(xiàn)象，使地基失去承載力，在地震區(qū)將會(huì)引起震害。

1964年6月16日，日本新瀉發(fā)生里氏7.5級(jí)地震后，因地基土發(fā)生液化所造成的破壞。倒了，但結(jié)構(gòu)未破壞土的三相組成…4土的形成

自然界的土是由巖石經(jīng)風(fēng)化、搬運(yùn)、堆積而形成的?！巴痢币辉~在不同的學(xué)科領(lǐng)域有其不同的涵義。就土木工程領(lǐng)域而言，土是指覆蓋在地表的沒有膠結(jié)和弱膠結(jié)的顆粒堆積物。土與巖石的區(qū)分僅在于顆粒間膠結(jié)的強(qiáng)弱。物理風(fēng)化——指巖石經(jīng)受風(fēng)、霜、雨、雪的侵蝕，溫度濕度的變化、不均勻膨脹與收縮，使巖石產(chǎn)生裂隙，崩解為碎塊。這種風(fēng)化僅改變顆粒大小與形狀，不改變?cè)瓉淼V物成分。生成的土呈松散狀態(tài)，無粘性土?；瘜W(xué)風(fēng)化——指巖石碎屑與空氣、水和各種水溶液相接觸，經(jīng)氧化、碳化和水化作用，改變?cè)瓉淼V物成分，形成新的礦物(次生礦物)。生成的土為細(xì)粒土，粘性土。生物風(fēng)化——由動(dòng)物、植物和人類對(duì)巖體的破壞稱生物風(fēng)化。土的三相組成…5土的三相組成…6土的固體顆粒土是巖石風(fēng)化的產(chǎn)物。因此土粒的礦物組成將取決于成土母巖的礦物組成及其后的風(fēng)化作用。成土礦物可分為兩大類：原生礦物次生礦物

由巖石經(jīng)物理風(fēng)化生成的

由原生礦物經(jīng)化學(xué)風(fēng)化生成的新礦物

顆粒成分與母巖的相同

它的成分成分與母巖的完全不同

常見的有石英、長(zhǎng)石和云母

有高嶺石、伊利石和蒙脫石粘土礦物

顆粒較粗，多呈渾圓形狀

顆粒極細(xì)，且多呈片狀

吸附水的能力弱，無塑性

性質(zhì)活潑，吸附水能力強(qiáng)，具塑性水溶鹽可溶性次生礦物。常見的有巖鹽、鉀鹽、石膏、方解石，硫酸鹽類還對(duì)金屬和混凝土有一定的腐蝕作用。有機(jī)質(zhì)動(dòng)植物分解后的殘骸，稱為腐殖質(zhì)。其顆粒極細(xì)，粒徑小于0.1m，呈凝膠狀，帶有電荷，具極強(qiáng)的吸附性。土的三相組成…7土的三相組成…8土的顆粒級(jí)配

1.土顆粒的大小直接決定土的性質(zhì)；

2.粒徑——顆粒直徑大小，界限粒徑——?jiǎng)澐至＝M的分界尺寸。

3.粒組——將粒徑大小接近、礦物成分和性質(zhì)相似的土粒歸并為若干組別即稱為粒組。

4.顆粒級(jí)配——土粒的大小及組成情況，通常以土中各個(gè)粒組的相對(duì)含量來表示，稱為土的顆粒級(jí)配。級(jí)配的測(cè)定方法篩分法(>0.075mm)

比重計(jì)法(<0.075mm)土的三相組成…9粒組名稱粒徑范圍一般特征漂石、塊石顆粒>200滲透性很大、無粘性、無毛細(xì)水。碎石、卵石顆粒20～200圓礫、角礫顆粒2～20滲透性很大、無粘性、毛細(xì)水上升高度不超過粒徑大小。砂粒0.075～2易透水，當(dāng)混入云母等雜質(zhì)時(shí)透水性減小，而壓縮性增加；無粘性，遇水不膨脹，干燥時(shí)松散，毛細(xì)水上升高度不大，隨粒徑變小而增大。粉粒0.005～0.075透水性小，濕時(shí)稍有粘性，遇水膨脹小，干時(shí)稍有收縮，毛細(xì)水上升高度較大較快，極易出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象。粘粒<0.005透水性很小，濕時(shí)有粘性、可塑性，遇水膨脹大，干時(shí)收縮顯著，毛細(xì)水上升高度大，但速度較慢。粒度成分表示法——表格法(教材p5表1-2)粒度成分表示法——級(jí)配曲線(教材p6圖1-1)

顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果，繪制圖的粒徑級(jí)配曲線。用半對(duì)數(shù)坐標(biāo)繪制?？v坐標(biāo)表示小于某粒徑的土重占總土重的百分?jǐn)?shù)，橫坐標(biāo)用對(duì)數(shù)坐標(biāo)表示土的粒徑。①不均勻系數(shù)定義為（Cu）

②曲率系數(shù)定義為（Cc）式中，d60—限定粒徑。當(dāng)小于某粒徑的土粒質(zhì)量累計(jì)百分?jǐn)?shù)為60%時(shí)，相應(yīng)的粒徑稱為d60；d10—有效粒徑。當(dāng)小于某粒徑的土粒質(zhì)量累計(jì)百分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，相應(yīng)的粒徑稱為d10；d30—當(dāng)小于某粒徑的土粒質(zhì)量累計(jì)百分?jǐn)?shù)30%時(shí)的粒徑用d30表示。土的三相組成…10土的三相組成…11

不均勻系數(shù)Cu反映大小不同粒組的分布情況。Cu越大表示土粒大小的分布范圍越大、其級(jí)配越良好，作為填方工程的土料時(shí)，則比較容易獲得較大的密實(shí)度。曲率系數(shù)Cc描寫累積曲線的分布范圍，反映曲線的整體形狀。

曲線平緩，粒徑大小相差懸殊，土粒不均勻。顆粒級(jí)配可以在一定程度上反映土的某些性質(zhì)。對(duì)于級(jí)配良好（Cu

>10，且Cc

=1~3)的土，較粗顆粒間的孔隙被較細(xì)的顆粒所填充，因而土的密實(shí)度較好，相應(yīng)的地基土的強(qiáng)度和穩(wěn)定性也較好．透水性和壓縮性也較小，可用作堤壩或其它土建工程的填方土料。Cu

<5的土稱為勻粒土，級(jí)配不良土的三相組成…12土粒的形狀土粒形狀對(duì)于土的密實(shí)度和土的強(qiáng)度有顯著的影響，棱角狀的顆粒能形成比較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度較高；磨圓度好的顆粒之間容易滑動(dòng)，土體的穩(wěn)定性比較差。描述土粒的形狀一般用肉眼觀察鑒別的方法。體積系數(shù)形狀系數(shù)式中V——土粒體積，mm3；

dm——土粒的最大粒徑，mm。

A、B、C——分別為土粒的最大、中間和最小粒徑。土的三相組成…13土中水土中水處于不同位置和溫度條件下，可具有不同的物理狀態(tài)——固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)。液態(tài)水是土中孔隙水的主要存在狀態(tài)，因其受土粒表面雙電層影響程度的不同可分為結(jié)合水、毛細(xì)水、重力水。后兩者也稱為非結(jié)合水（自由水）。水的類型主要作用力結(jié)合水物理化學(xué)力非結(jié)合水毛細(xì)水表面張力和重力重力水重力土的三相組成…14結(jié)合水土顆粒表面帶有一定的電荷，當(dāng)土粒與水相接觸時(shí)，由于靜電作用力，將吸引水化離子和水分子，形成雙電層，在雙電層影響下的水膜稱為表面結(jié)合水。雙電層的厚薄也反映了結(jié)合水的厚薄，結(jié)合水具有與一般自由水不同的性質(zhì)，其密度較大、粘滯度高、流動(dòng)性差、冰點(diǎn)低、比熱較大、介電常數(shù)較低。這種差異隨距離增加而減弱。自由水(非結(jié)合水)

在雙電層影響以外的水為自由液態(tài)水，它主要受重力作用的控制，土粒表面吸引力居次要地位，這部分水稱為非結(jié)合水，它包括毛細(xì)水和重力水。

毛細(xì)水

毛細(xì)水是受到水與空氣交界面處表面張力作用的自由水。毛細(xì)現(xiàn)象是毛細(xì)管壁對(duì)水的吸力和水的表面張力共同作用的結(jié)果。

土的三相組成…15

重力水

重力水是存在于地下水位以下的適水土層中的地下水。它是在重力或壓力差作用下運(yùn)動(dòng)的自由水，對(duì)土粒有浮力作用。重力水只受重力控制，不受土粒表面吸引力的影響。土中氣土中的氣體：

與大氣相通壓縮性高

與大氣隔絕降低透水性成分：

一般空氣中成分

微生物產(chǎn)生可燃?xì)怏w（H2S）顆粒通常是由一種或幾種原生礦物所組成，它的成分與母巖的相同，顆粒一般較粗，吸附水的能力弱，性質(zhì)比較穩(wěn)，無塑性?；瘜W(xué)風(fēng)化僅使巖石產(chǎn)生質(zhì)的變化原生礦物經(jīng)化學(xué)風(fēng)化生成的新礦物，它的成分與母巖的完全不同。顆粒極細(xì)，性質(zhì)活潑，有較強(qiáng)的吸附水能力，具塑性。土的性質(zhì)隨土粒的粒徑的變化而發(fā)生變化土巖石次生礦物原生礦物物理風(fēng)化僅使巖石產(chǎn)生量的變化土的物理性質(zhì)指標(biāo)…1

土的三相比例指標(biāo)是其物理性質(zhì)的反映，但與其力學(xué)性質(zhì)有內(nèi)在聯(lián)系，顯然固相成分的比例越高，其壓縮性越小，抗剪強(qiáng)度越大，承載力越高。三相比例指標(biāo)反映了土的干燥與潮濕、疏松與緊密，是評(píng)價(jià)土的工程性質(zhì)的最基本的物理性質(zhì)指標(biāo)，也是工程地質(zhì)勘察報(bào)告中不可缺少的基本內(nèi)容。三相比例指標(biāo)可分為兩種，一種是試驗(yàn)指標(biāo)（基本指標(biāo)）；另一種是換算指標(biāo)。土的物理性質(zhì)指標(biāo)…2

反映土的松密程度的指標(biāo)有：土的孔隙比e、孔隙率n；反映了土的含水程度的指標(biāo)有：含水量w、飽和度Sr；土的重度有：重度g、干重度gd

、飽和重度gsat

、浮重度g′；三項(xiàng)基本指標(biāo)有：

重度g

、比重ds、含水量w。土的重度定義：?jiǎn)挝惑w積土的重量。公式：

單位：kN/m3

換算公式：范圍：16~22

測(cè)定方法：環(huán)刀法。土的物理性質(zhì)指標(biāo)…3土粒比重（相對(duì)密度）定義：土粒重度與同體積4℃時(shí)純水的重度比值。公式：

單位：無量綱換算公式：范圍：土的名稱砂土粉土粘性土土粒比重2.65~2.692.70~2.712.72~2.74土的物理性質(zhì)指標(biāo)…4含水量定義：土中水的重量與土粒重量之比值。公式：

單位：無，%

換算公式：

常見值：砂土w=（0~40)%；粘性土w=（20~60)%

意義：表示濕度的物理指標(biāo)，與土的種類，埋藏條件及其所處的自然地理環(huán)境等有關(guān)。測(cè)定方法：烘干法。土的物理性質(zhì)指標(biāo)…5干重度定義：?jiǎn)挝惑w積土中固體顆粒的重量。物理意義：表示水在孔隙中充滿的程度。

公式：?jiǎn)挝唬簁N/m3

范圍：13~18

換算公式：土的物理性質(zhì)指標(biāo)…6飽和重度定義：土的孔隙中全部充滿水時(shí)單位體積土的重量。公式：?jiǎn)挝唬簁N/m3

范圍：13~18

換算公式：土的物理性質(zhì)指標(biāo)…7浮重度(有效重度)

定義：地下水位以下，土體受水的浮力作用時(shí)，扣除水的浮力后單位體積土的重量。公式：?jiǎn)挝唬簁N/m3

范圍：8~13

換算公式：土的物理性質(zhì)指標(biāo)…8土的孔隙比定義：土中孔隙體積與土粒體積之比。公式：

單位：無量綱換算公式：

范圍：粘性土和粉土:(0.4~1.2)；砂土:(0.3~0.9)。

e<0.6

低壓縮性土

e>1.0

高壓縮性土土的物理性質(zhì)指標(biāo)…9孔隙率定義：土中孔隙所占總體積之比，用百分?jǐn)?shù)表示。物理意義：表示土中孔隙大小的程度。

公式：

單位：%

換算公式：

范圍：粘性土和粉土:(30~60);砂土:(25~45)。

土的物理性質(zhì)指標(biāo)…10飽和度定義：土中水的體積與孔隙體積之比，用%表示。物理意義：表示水在孔隙中充滿的程度。

公式：

范圍：0~1

工程應(yīng)用：飽和度可以反映土的干濕程度，砂土根據(jù)飽和度Sr的指標(biāo)值分為稍濕、很濕與飽和三種濕度狀態(tài)，其劃分標(biāo)準(zhǔn)見下表：

砂土濕度狀態(tài)稍濕很濕飽和飽和度Sr(%)Sr

≤5050<Sr

≤80Sr>80土的物理性質(zhì)指標(biāo)…11幾種重度之間的內(nèi)在聯(lián)系

土的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造…1土的結(jié)構(gòu)

1.定義：指土顆粒的大小、形狀、表面特征，相互排列及其聯(lián)結(jié)關(guān)系的綜合特征。

2.分類：?jiǎn)瘟＝Y(jié)構(gòu)砂層，礫石層蜂窩結(jié)構(gòu)粉粒絮狀結(jié)構(gòu)粘粒土的構(gòu)造(不考)1.定義：指同一土層中成分和大小都相近的顆粒或顆粒集合體相互關(guān)系的特征。

2.分類：層狀構(gòu)造分散構(gòu)造砂，礫石，卵石裂隙構(gòu)造粘性土通常分散構(gòu)造的工程性質(zhì)最好，裂隙狀構(gòu)造中，因裂隙強(qiáng)度低、滲透性大，工程性質(zhì)差。單粒結(jié)構(gòu)

單粒結(jié)構(gòu)是由粗大土粒在水或空氣中下沉而形成的。因其顆粒較大、土粒間的分子吸引力相對(duì)很小，所以顆粒間幾乎沒有聯(lián)結(jié)，至于未充滿孔隙的水分只可能使其具有微弱的毛細(xì)水聯(lián)結(jié)。單粒結(jié)構(gòu)可以是疏松的，也可以是緊密的。

呈緊密狀單粒結(jié)構(gòu)的土，由于其土粒排列緊密，在動(dòng)、靜荷載作用下部不會(huì)產(chǎn)生較大的沉降，所以強(qiáng)度較大，壓縮性較小，是較為良好的天然地基。

具有疏松單粒結(jié)構(gòu)的土，其骨架是不穩(wěn)定的，當(dāng)受到展動(dòng)及其他外力作用時(shí)、土粒易于發(fā)生移動(dòng)，土中孔隙劇烈減少。引起土的很大變形，因此，這種土層如未經(jīng)處理一般不宜作為建筑物的地基?！吧巴烈夯蓖恋慕Y(jié)構(gòu)與構(gòu)造…2蜂窩結(jié)構(gòu)

蜂窩結(jié)構(gòu)是主要由粉粒(0.075～0.005mm)組成的土的結(jié)構(gòu)形式。據(jù)研究，粒徑在0.075～0.005mm左右的土粒在水中沉積時(shí)，基本上是以單個(gè)土粒下沉，當(dāng)碰上已沉積的土粒時(shí)，由于它們之間的相互引力大于其重力，因此土粒就停留在最初的接觸點(diǎn)上不再下沉，形成具有很大孔隙的蜂窩狀結(jié)構(gòu)。土的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造…3絮狀結(jié)構(gòu)

絮狀結(jié)構(gòu)是由粘粒(<0.005mm)集合體組成的結(jié)構(gòu)形式。粘粒能夠在水中長(zhǎng)期懸浮，不因自重而下沉。當(dāng)這些懸浮在水中的粘粒被帶到電解質(zhì)濃度較大的環(huán)境中(如海水)粘粒凝聚成絮狀的集粒(粘粒集合體)而下沉，并相繼和已沉積的絮狀集粒接觸，而形成類似蜂窩而孔隙很大的絮狀結(jié)構(gòu)(也稱二級(jí)蜂窩結(jié)構(gòu))。土的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造…4

具有蜂窩結(jié)構(gòu)和絮狀結(jié)構(gòu)的土，顆粒間存在大