朽木易折，金石可鏤。千里之行，始于足下。第頁/共頁需要課件請或第十二章土力學(xué)與地基基礎(chǔ)第一節(jié)土的物理性質(zhì)及工程分類一、土的生成和組成(一)土的成因類型建造工程中碰到的地基土,多數(shù)屬于第四紀沉積物;它是原巖受到風(fēng)化作用,經(jīng)剝蝕、搬運、沉積而未結(jié)硬的松散沉積物。按其成因類型分為:殘積土、坡積土、沖積土、淤積土、冰積土和風(fēng)積土等。1.殘積土殘積土是巖石經(jīng)物理風(fēng)化而殘留于原地的碎屑堆積物。其成分與母巖相關(guān),因為未經(jīng)搬運,碎屑物呈棱角狀,不勻稱,無層理,具有較大的孔隙。2.坡積土風(fēng)化碎屑物由水流沿斜坡搬運,或由本身重力作用在斜坡上或坡腳處堆積而成。坡積土顆粒分選性差,層理不顯然,厚度變化較大,在陡坡上較薄,坡腳地段較厚。因為坡積土堆積于傾斜的山坡上,容易沿基巖面發(fā)生滑動;為不良地質(zhì)條件。3.沖積土分洪積和沖積兩類。因為暴雨或融雪等暫時性洪流,把山區(qū)或高地堆積的風(fēng)化碎屑物攜帶到山谷沖溝出口處或山前平原堆積而成的為洪積土。這類土的主要特征是顆粒具有一定的分選性;在洪積扇頂部顆粒較粗,而邊緣處顆粒較細。因為歷次洪水能量不盡相同,因此洪積物常具有不規(guī)矩的交錯狀層理,透鏡體和夾層。普通離山前較近的洪積土具有較高的強度,常為較好的地基;離山前較遠的地段,顆粒較細,成分勻稱,厚度較大,地下水埋藏較深,通常也是較好的地基。但在上述兩部分之間地區(qū),常因地下水溢出地面而形成沼澤地帶,是不良的建造地基。河流流水沖刷兩岸基巖及其上的籠罩物,經(jīng)搬運沉積在河流坡降平緩地帶而形成的為沖積土。沖積土的主要特征,在河流上游顆粒較粗,向下逐漸變細,分選性和磨圓度較好,具有顯然的層理構(gòu)造。沖積土又可分為山區(qū)河流沖積土、平原河流沖積土和三角洲沖積土等類型。山區(qū)河谷兩岸陡峭、河流流速很大,故沉積物顆粒較粗,大多為砂粒所充填的卵石、圓礫等。河谷寬闊處有河漫灘沖積物,多為含黏土的礫石層,有傾斜層理,厚度不大。土的透水性大,壓縮性小,是良好的建造物地基。平原河床兩側(cè)是寬闊的河漫灘。河流受地殼運動而變化時,形成平臺狀河流階地。河床沉積物特征大多為中密的砂礫,壓縮性較低,承載力較高。河漫灘沉積物下層常為砂、卵石層與河床沉積物相連,上層為河流泛濫的沉積物,顆粒較細并夾有局部淤泥、泥炭等剛強土層,地下水埋藏淺,壓縮性大承載力低,是不良的建造地基。河流階地沉積物是河床沉積物和河漫灘沉積物升高演變而來,因為經(jīng)過干燥作用,土的強度普通較高。在河流入湖或入海口,攜帶的大量細小顆粒沉積下來,形成面積廣而厚度很大的三角洲沉積土,在三角洲地帶,地下水位很高,水系密布,沉積土由含水量較大的軟黏性土所組成,呈飽和狀態(tài),壓縮性高,承載力低,作為建造物地基時應(yīng)慎重對待。4.淤積土在靜水或緩慢的流水環(huán)境下沉積,并伴有生物化學(xué)作用而成的。如海相、湖泊相、沼澤相沉積的土。土的顆粒以粉粒和黏粒為主,且含有一定數(shù)量的有機質(zhì)或鹽類;土質(zhì)柔軟,含水量高,偶爾為淤泥質(zhì)結(jié)性土、粉土與粉砂互層,具有清晰的薄層理。沼澤土主要含有半腐爛的植物殘余體(泥炭)組成,含水量極高(可超過百分之百),壓縮性高且不勻稱。因此,永遠性建造物不宜以泥炭層作為地基。5.冰積土和風(fēng)積土由冰川搬運堆積而成的土稱為冰積土。這類土的顆粒以龐大塊石、碎石、砂、粉土、黏性土混合組成,分選性極差,無層理。風(fēng)積土是在干旱氣候條件下,碎屑物被風(fēng)吹揚,降臨堆積而成。顆粒以粉粒為主,土質(zhì)勻稱、孔隙大,結(jié)構(gòu)松散。(二)土的組成土的組成包括三大部分:構(gòu)成骨架的固體顆粒以及骨架孔隙中的水和藹。因為土顆粒的大小和礦物成分差別很大,在固體、液體和藹體組成的三相體系中會發(fā)生復(fù)雜的物理和化學(xué)作用,異常是黏土顆粒,它與周圍介質(zhì)互相作用,對黏性土的性質(zhì)變化具有重要的影響。1.土的固體顆粒土的固體部分是由大小、形狀和礦物成分不同的顆粒所組成。對土性質(zhì)的影響主要取決于粒度成分和礦物成分兩個方面。(1)粒度成分粒度成分就是土的顆粒級配。按適當?shù)牧椒秶殖扇舾闪＝M,同一粒組具有相類似的性質(zhì)。目前常用的粒組界限劃分標準詳見表12-1-1。土粒粒組的劃分表12-1-1粒組名稱粒徑范圍(mm)普通特征漂石或塊石顆粒卵石或碎石顆粒>200200~20透水性很大,無黏性,無毛細水圓礫或角礫顆粒粗中細20-1010-55~2透水性大,無黏性,毛細水升高高度不超過粒徑大小砂粒粗中細極細2~0.50.5~0.250.25~0.100.10~0.05易透水,當混入云母等雜質(zhì)時透水性減少,而壓縮性增強,無黏性,遇水不膨脹,干燥時松散,毛細水升高高度不大,隨粒徑變小而增大粉粒粗細0.05-0.010.01~0.005透水性小,濕時稍有站'性,遇水膨脹小,干時稍有收縮,毛細水升高高度大,易浮上凍脹現(xiàn)象黏粒<0.005透水性很小,濕時有勃性,可塑性,遇水膨脹大,干時收縮顯著;毛細水升高高度大,但速度緩慢注:1.漂石,卵石和圓礫顆粒均呈一定的磨圓形狀(圓形或亞圓形);塊石、碎石和角礫顆粒都帶有棱角;2.新?；蚍Q黏土顆粒;粉土或稱粉土顆粒;3.新粒的粒徑上限也有采用0.002mm的。土體中包含有各種大小的顆粒,為了表示顆粒大小的組成情況,通常以土中各粒組的相對含量來表示,稱為土的顆粒級配。測定土粒粒徑的主意有篩分法和沉降法兩種。對于粒徑大于0.lmm的粗顆粒采用篩分法;小于0.1mm的采用沉降法。沉降法的實驗原理是按照土粒在靜水中勻速下沉?xí)r的速度與粒徑的理論關(guān)系計算得到。沉降法包括比重計法和移液管法兩種。按照顆粒分析結(jié)果,可繪制在半對數(shù)坐標紙上得到如圖12-1-1所示粒徑級配累計曲線,縱坐標為小于某粒徑土的百分含量,橫坐標為土粒粒徑。從累計級配曲線可以得到各粒組的相對含量;級配曲線的坡度可以判斷土樣中所含顆粒大小的勻稱程度。如曲線較陡,表示顆粒粒徑大小相差不多,土粒大小較勻稱,從級配意義上講為級配不良;曲線平緩則表示土樣中大小顆粒都有,粒度不勻稱但級配良好。為了對土的不勻稱程度決定一個其中d60和dl0分離指分量百分含量為60%和10%所對應(yīng)的土粒粒徑。dl0稱為有效粒徑。很顯然Ku愈大,曲線愈平緩,土粒愈不勻稱。作為填方土料時,不勻稱的土比較容易壓實。工程實用上把Ku<5的土看作是勻稱的;Ku>10的土看作不勻稱的。(2)礦物成分土粒的礦物成分主要取決于母巖的成分及其所經(jīng)歷化學(xué)風(fēng)化的程度。不同礦物成分對土的性質(zhì)有著不同的影響,異常是細顆粒士尤為重要,詳見表12-1-2所示。土粒的礦物成分表12-1-2土粒名稱礦物成分與水互相作用能力漂石卵石圓礫角礫巖石的碎屑,其礦物成分與母巖相同不強砂粒母巖中單礦物顆粒,如石英、長石、云母等其中石英抗化學(xué)風(fēng)化能力強,親水性不強粉粒主要是石英、MgC03、CaC03等,難溶鹽因顆粒較細,有一定的親水能力,表現(xiàn)在濕時有微弱黏性和毛細性黏粒1.黏土礦物(次生礦物)蒙脫石伊利石高嶺石2.氧化物和氫氧化物3各種鹽類4有機物親水性強,異常是蒙脫石型的蒙古士礦物,能吸附大量的水分子而膨脹、干燥時大量收縮。使土具有塑性和黏性。毛細作用強,滲透性低從表中可以看出,粗顆粒土的性質(zhì)主要與顆粒粒徑及其級配有關(guān);而細顆粒土,礦物成分起著異常重要的作用。這是因為和土顆粒都是由化學(xué)風(fēng)化形成的次生礦物:高嶺石、伊利石和蒙脫石所組成,顆粒粒徑異常極小,在電子顯微鏡下看見到的都呈鱗片狀或片狀,內(nèi)部具有層狀晶體構(gòu)造。蒙脫石的顆粒最小,長度約為0.05μm,厚僅為0.001μm;伊利石次之,高嶺石顆粒最大。這些微粒表面都帶負電荷,因此具有很強的與水和水溶液中的水化陽離子互相作用的能力,稱為表面能。倘若用單位體積內(nèi)顆?？偙砻婷娣e定義為比表面,顆粒愈細比表面愈大,表面能愈強。例如,若將1cm3的顆粒分割成棱邊為0.001mm的微粒,這些微粒總的表面積可達6X104cm2。由此可見,黏土顆粒的親水性與膠體的電化學(xué)性質(zhì)相似,所以黏土顆粒又稱為膠粒。在黏土顆粒粒組中還包括氫氧化物、鹽類和有機質(zhì)。這些物質(zhì)也具有膠體性質(zhì);氫氧化物和鹽類還能起到顆粒與顆粒之間的膠結(jié)和固化作用,使土的骨架具有一定的強度。例如我國西北的黃土,顆粒成分為粉土,但膠結(jié)物為碳酸鹽,這種土干燥時強度很高,可以形成很陡的邊坡,但浸水時因為碳酸鹽的軟化或溶解,土的結(jié)構(gòu)破壞、強度喪失,壓縮性增強,使這類土具有"濕陷"的特性。2.土中的水和藹在天然條件下,土中總是含水的。土中的水存在于帶電顆粒之間。因此,土中水的存在狀態(tài)及其與土粒互相作用,會導(dǎo)致土的物理力學(xué)性質(zhì)的變化。水分子是一種極性分子。氫原子一端顯示正電荷,氧原子一端顯示負電荷。黏粒表面帶有負電荷,因此在土粒形成的電場范圍內(nèi),水分子會發(fā)生定向羅列而且和水溶液中的陽離子形成水化離子被動土顆粒所吸附。水溶液中的陽離子本身有一個小電場吸引水分子以水化離子的形式存在水溶液中。因此水分子和水化離子的活動狀態(tài)與離開黏粒表面的距離有關(guān)。按照受到吸引力的大小,土中的水可以分成結(jié)合水和自由水兩大類。(1)結(jié)合水結(jié)合水是指在土顆粒表面靜電引力作用范圍內(nèi)的水。結(jié)合水又可分成強結(jié)合水和弱結(jié)合水。1)強結(jié)合水緊靠土顆粒表面靜電引力最強,把水化離子和極性水分子結(jié)實地吸附在顆粒表面上形成固定層,這部分水稱為強結(jié)合水,它的特征是沒有溶解能力,不能傳遞靜水壓力,臨近于固體的性質(zhì),惟獨吸熱變成蒸汽時才干移動。干燥的土在空氣中會吸水分量增強直到最大吸濕容量為止。土顆粒愈細,比表面愈大則最大吸濕容量就愈大。砂土的最大吸濕容量約占干土分量的1%,而和土可達17%。2)弱結(jié)合水土粒表面上所具有的電位稱為熱力電位,被強結(jié)合水平衡一部分后在固定層界面上剩余的電位稱為電動電位,它繼續(xù)吸引水分子和水化離子,直到影響力徹低出現(xiàn)為止。弱結(jié)合水就是緊靠于強結(jié)合水的外圍形成的一層水膜,在這層水膜里水分子和水化離子仍受到一定程度的靜電引力。這層水膜稱為蔓延層,它依然不能傳遞靜水壓力,但水膜較厚的弱結(jié)合水會向鄰近水膜較薄的部位緩慢轉(zhuǎn)移。蔓延層和固定層中所含的水化陽離子與土粒表面的負離子一起構(gòu)成所謂"雙電層"。蔓延層水膜的厚度對黏性土的性質(zhì)影響很大。水膜厚度大,土的塑性高,壓縮性也大,土的強度低,容易膨脹和收縮。蔓延層的厚度可隨外界條件的變化而變化。水化離子的原子價愈高,蔓延層的厚度愈薄,在工程實踐中可利用這一原理來改良土壤。例如,用高價的鐵、鋁、鈣、續(xù)等離子來交換低價的專內(nèi)離子,使蔓延層變薄,從而增強土的穩(wěn)定性,減少膨脹性,提高土的強度;偶爾,又可用含一價離子的鹽溶液處理黏土使蔓延層變厚,從而大大降低士的透水性。(2)自由水自由水指不受土粒表面電荷電場影響的水。它的性質(zhì)和普通水一樣,能傳遞靜水壓力,具有溶解