土力學(xué)-土的組成性質(zhì)及工程分類

1、第二章：土的組成性質(zhì)和工程分類,2.1 概述(summary)1、 土的生成和演變 礦物和巖石(mineral and rock)礦物的種類:原生礦物：通常由巖漿冷凝而成，如石英、長石、角閃石、輝石、云母等。 次生礦物：通常由原生礦物風(fēng)化產(chǎn)生，如長石風(fēng)化產(chǎn)生高嶺石；輝石或角閃石. 主要造巖礦物(main making rock mineral) 巖石的類型和性質(zhì)(types and

2、qualities of rock) 第四紀(jì)沉積層(Quaternary deposit formation)地表的巖石經(jīng)風(fēng)化，剝蝕成巖屑，又經(jīng)搬運(yùn)，沉積而成的沉積物。這類沉積物,年代不長,未經(jīng)壓緊硬結(jié)成巖石之前，呈松散狀態(tài)，稱第四紀(jì)沉積物，即“土”。根據(jù)搬運(yùn)和沉積的情況不同，第四紀(jì)沉積層分以下幾種類型：“,殘積層(eluvium) 坡積層(slope wash) 洪積層(diluvium; pluvium; p

3、roluvium) 沖積層(alluvium) 海湖沉積層(marine deposit)2 不良地質(zhì)條件:斷層 、 節(jié)理發(fā)育、 山坡滑動(dòng)等3 地下水(underground water) 地下水對(duì)工程的影響 地下水的分類 地下水位:地下水位面通常指潛水位面,4 地下水的運(yùn)動(dòng) 達(dá)西定律(Darcy’s law) 基本表達(dá)式：v=k i 式中： i 代表水頭梯度或水力坡降; k代

4、表土的滲透系數(shù)，cm/s ,不同土質(zhì)，k值不同。對(duì)比如下:如: 卵石 (1--6)?10-1 細(xì)砂 (1--6) ?10-3 粘土<6 ?10-6 動(dòng)水力GD1)定義：流動(dòng)的水對(duì)單位體積的土骨架產(chǎn)生的作用力.2)基本表達(dá)式：GD=iγw,土的物理性質(zhì)及工程分類(physical characters of soil and its engineering classifies),基本要求：土的生成過程、土的

5、物理性質(zhì)指標(biāo)及狀態(tài)指標(biāo)、三相草圖運(yùn)算、土的工程分類重點(diǎn)及難點(diǎn)：三相草圖運(yùn)算、Wp 、 Wl 、 Il 、 Ip的物理意義及其相互關(guān)系。,2.2.土的生成及特性(演變)2.2.1土的生成由完整、堅(jiān)硬、連續(xù)的巖石經(jīng)風(fēng)化作用被剝蝕成顆粒，又經(jīng)風(fēng)、水的搬運(yùn)形成的沉積物. 土,自然之物，天然產(chǎn)物。物理風(fēng)化(physical weathering)（地質(zhì)構(gòu)造力、溫差、冰脹、碰撞）:物理風(fēng)化的本質(zhì)是機(jī)械破碎。經(jīng)物理風(fēng)化生成的土為粗顆粒

6、土，例：碎石、礫石、砂土等呈松散狀態(tài)，統(tǒng)稱為無粘性土,單粒結(jié)構(gòu)。(Cohesionless soil; frictional soil; non-cohesive-soil)化學(xué)風(fēng)化(chemical weathering)（水解、水化、氧化、溶解）作用:產(chǎn)生次生礦物。經(jīng)過化學(xué)風(fēng)化以后，土的顆粒變小變細(xì)，并具有粘著力，生成細(xì)顆粒土，如粘土，粉質(zhì)粘土，統(tǒng)稱為粘性土(Cohesive soil).生物風(fēng)化(biological weat

7、hering):本質(zhì)上仍是一種物理風(fēng)化，但由于是由生物活動(dòng)引起的，故稱為生物風(fēng)化。生成無粘性土。各種風(fēng)化作用并不是孤立的，常常是交替作用，甚至同時(shí)進(jìn)行，經(jīng)過漫長的地質(zhì)年代，便形成了土。,2.2.2土的特性(features of soil),一般來說，土具有碎散性、壓縮性、剪變性及透水性等。1.非均勻各向異性(inhomogeneity and anisotropy)2.強(qiáng)度低(low strength)3.透水性大(grea

8、t pervious)4.壓縮性大(great compressibility)土體的壓縮主要是孔隙的縮小.而土的孔隙一般很大，所以土的壓縮性大。5.變形不可恢復(fù)性(non-restitutioon deformation)土體只能受壓不能受拉。變形不可恢復(fù)可以這樣理解：加荷時(shí)，由于土體具有孔隙，可以透水，液與氣可通過孔隙排出，壓力達(dá)到一定程度后，土顆粒還將發(fā)生錯(cuò)動(dòng)；卸去荷載以后，由于排出的水和空氣不可再回來以及土粒的錯(cuò)動(dòng)引起的

9、變形也不可恢復(fù)，所以土體具有較強(qiáng)（大）的塑性，也叫變形不可恢復(fù)性。6.時(shí)效(time effect)土是固、液、氣組成的三相體，土的壓縮主要是孔隙被壓小，在孔隙被壓小的過程中，孔隙中水和氣體的排出需要一個(gè)過程，也即需要一定的時(shí)間才能完成，從而使土體產(chǎn)生時(shí)效。,土的生成條件與其特性的關(guān)系土的生成條件不同，其工程性質(zhì)往往相差也很大。主要有兩大類殘積土、搬運(yùn)土（坡積土、風(fēng)積土、沖積土、洪積土、湖泊沼澤沉積土、海相沉積土、冰積土）搬運(yùn)

10、、沉積條件a.沖擊層(alluvium) 工程性質(zhì)良好。b.風(fēng)積層(wind-laid deposit;eolian deposit) 工程性質(zhì)差、細(xì)粉砂。例：陜西榆林一帶的細(xì)粉砂層.沉積年代沉積的自然地理環(huán)境例：沿海地區(qū)多產(chǎn)生軟土、淤泥質(zhì)土（上海、江浙一帶有較廣泛的分布）特點(diǎn)：抗剪強(qiáng)度低，壓縮性大，透水性差，工程性質(zhì)不良。陜西、隴東、關(guān)中、山西等地的濕陷性黃土。特點(diǎn)：大孔隙(e>1.0)濕陷性。濕陷性：指黃土

11、在天然濕度下，有很大的硬度和強(qiáng)度；但由于黃土中含有較多可溶性的鹽類，故而受水浸蝕損，發(fā)生崩解，造成黃土產(chǎn)生很大的變形，引起地基的不均勻沉降，導(dǎo)致建筑物的破壞.2.2.3 土的沉積與成巖作用（自學(xué)）,2.3 土的物質(zhì)組成,2.3.1 三相體的概念三相體的定義：土是由固體顆粒、液體水和氣體三部分組成的，這就是三相體的概念；有的時(shí)候，土只有二相：如飽和土：只有固相和液相（孔隙完全充滿水）。干土：只有固相和氣相（液體蒸發(fā)，孔隙中充滿氣

12、體）。影響因素：土是天然產(chǎn)物，必然會(huì)遭到自然環(huán)境的影響。例如：天氣和晴雨、季節(jié)的變化（溫度高低）、地下水位的升降等等。三相組成改變，土的工程性質(zhì)必然改變。三相組成與工程性質(zhì)的關(guān)系干粘土：堅(jiān)硬；干砂：松散；濕粘土：具有可塑性；飽和細(xì)砂：受振動(dòng)荷載后可產(chǎn)生液化,廠房地基、地震區(qū)地基應(yīng)避免采用這種地基，因這種地基的承載力可能會(huì)突然喪失（第十一章）飽和粘土：這種地基完成固結(jié)沉降需要的時(shí)間很長，因排水期長。由此可見，土的三相組成不同，

13、其工程性質(zhì)差異很大。因此研究土的工種性質(zhì)應(yīng)從土的最基本的三相組成開始。,2.3.2土的固體顆粒(Solid grain),1.土粒的礦物成份(mineralogical ingredients)在土的三相組成中，土的礦物成份是決定土的工程性質(zhì)的主要因素。原生礦物(primary minerals)：由巖石經(jīng)過物理風(fēng)化作用而成，其成份和母巖相同，存在于粗顆粒土中，如石英、云母、長石等。次生礦物(secondary minerals

14、)：經(jīng)物理風(fēng)化的巖屑又經(jīng)化學(xué)風(fēng)化，形成次生礦物，其成份不同于母巖，是一種新礦物，顆粒細(xì)微。存在于細(xì)粒土中。如：蒙脫石、伊利石、高嶺石等。有機(jī)質(zhì)(organic matter)：動(dòng)植物的殘骸溶于水中，成為土顆粒的一部分，使土的壓縮性增強(qiáng)。原因：（這種物質(zhì)溶于水中會(huì)減弱電分子之間的吸引力，使土粒在外力作用下易于移動(dòng)，因而增大了土的壓縮性）例：淤泥、淤泥質(zhì)土便是含在大量有機(jī)質(zhì)的土，工程上最忌諱用這種土做地基，因?yàn)槠鋸?qiáng)度很低、透水性極差、壓

15、縮性很大。壓實(shí)地基時(shí)所用的回填土，對(duì)其含量嚴(yán)格限制（3％～5％）,2.粒度成份：(granularity ingredients),宏觀上講：土的顆粒有大有小，大的可以達(dá)到d>200mm的溧石，小的可以小到d<0.005mm的粘粒。土的顆粒大小不同，其工程性質(zhì)也各不相同，為了研究方便，人們?nèi)藶榈膶⑼涟搭w粒大小分為六組，稱為粒組(fraction)，而在每個(gè)粒組內(nèi)，工程性質(zhì)是相似的。天然土往往是由幾種粒組組成的混合物，顆粒有

16、粗有細(xì)。土顆粒大小和土的工程性質(zhì)的關(guān)系：土顆粒愈粗，土的壓縮性愈小，強(qiáng)度愈高，透水性愈好，工程性質(zhì)優(yōu)良；土顆粒愈細(xì)，土的壓縮性愈大，強(qiáng)度愈低，孔隙愈小，透水性愈差，不良地基。,3.顆粒級(jí)配(grain gradation; grain grading),1 定義：用土中各粒組的相對(duì)含量占總重量的百分?jǐn)?shù)表示顆粒的含量多少。是無粘性土分類定名的標(biāo)準(zhǔn)。那么，一個(gè)天然土樣，如何知道各粒組的相對(duì)含量大小呢？2 測定方法：篩分法（主要用于粗粒

17、土）：適用于d≥0.075mm的土，用一套標(biāo)準(zhǔn)篩，對(duì)粗粒土進(jìn)行篩分，原理很直觀；（入料、振動(dòng)、秤重）比重計(jì)法（主要用于細(xì)粒土）：又叫水分法，適用于d<0.075mm的土； 原理：根據(jù)土顆粒直徑大小不同，在水中沉降的速度也不同的特性，用一種特定的比重瓶測定土顆粒含量；對(duì)于實(shí)際工程中的土樣，配合使用這兩種方法，就可以測出土的顆粒級(jí)配，從而對(duì)土分類、定名。(d≥0.075mm的篩分；d<0.075mm的水分,4.級(jí)配曲級(jí)

18、(gradation curve)定義：以土粒直徑d為橫坐標(biāo),以小于某粒徑的土的重量占全重的百分?jǐn)?shù)為縱坐標(biāo),繪制的表示土顆粒含量的曲級(jí)。一般用半對(duì)數(shù)尺寸log d表示橫坐標(biāo)(特點(diǎn)：log200-log2; log20-log2; log2-log0.02相同),限定粒徑(Constrained diameter)：與曲線上縱坐標(biāo)為60％所對(duì)應(yīng)的粒徑稱為限定粒徑，用d60表示。有效粒徑(有效粒徑，用d10 表示。d60和d10的比值

19、稱為土的不均勻系數(shù)Cu,曲率系數(shù)Cc為表示土顆粒組成的又一特征。不均勻系數(shù)Cu(coefficient of uniformity)Cu≥5且Cc=1～3為級(jí)配良好；不同時(shí)滿足上述要求，為級(jí)配不良。（老標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)Cu10時(shí)（本質(zhì)： d60和d10相差較遠(yuǎn) ），曲線平緩，表示土質(zhì)不均勻，級(jí)配良好，工程性質(zhì)優(yōu)良。）,例：用篩分法確定土的顆粒級(jí)配并繪級(jí)配曲線W＝1000g的土全部通過篩孔10mm的篩子；留在篩孔5mm篩子上的顆粒50g；

20、留在篩孔1.0mm的篩子上的顆粒重量400g；留在篩孔0.5mm篩子上的重量100g，留在篩孔0.25mm篩孔上的重量為150g，留在篩孔0.075mm篩子上的重量為130g。解：d<10mm的土重量1000g，占全重100%，試驗(yàn)點(diǎn) A(10mm,100%)d<5mm的土重量950g，占全重95%，試驗(yàn)點(diǎn)B(5mm,95%)d<2mm的土重量800g，占全重80%，試驗(yàn)點(diǎn)C(2mm,80%)d<1mm的

21、土重量400g，占全重40%，試驗(yàn)點(diǎn)D(1mm,40%)d<0.5mm的土重量300g，占全重30%，試驗(yàn)點(diǎn)E(0.5mm,30%)d<0.25mm的土重量150g，占全重15%，試驗(yàn)點(diǎn)F(0.25mm,15%)d<0.075mm的土重量30g，占全重3%，試驗(yàn)點(diǎn)G(0.075mm,3%)可繪出級(jí)配曲線P10-P13例2.1、2.2,,前面重要概念土的生成過程 三大風(fēng)化作用

22、 土的六大特性 三相體的概念固相-----由各種礦物組成的土顆粒部分:粒組 顆粒級(jí)配 級(jí)配曲線 限定粒徑 有效粒徑 不均勻系數(shù) 曲率系數(shù),2.3.3土中水(water in s

23、oil),土中水可有不同的形態(tài)，如固態(tài)的冰、氣態(tài)的水蒸汽、液態(tài)的水，還有礦物顆粒晶格中的結(jié)晶水，這些都屬于土中水。對(duì)土的性質(zhì)影響最大的是液態(tài)水，尤其是粘性土，它所含的液態(tài)水對(duì)其性質(zhì)影響最大。液態(tài)水主要有結(jié)合水和自由水二種形式1.結(jié)合水:解釋結(jié)合水膜的概念包括強(qiáng)結(jié)合水和弱結(jié)合水：強(qiáng)結(jié)合水(strong bound water) (吸著水：absorbed water):緊靠土粒表面，受到吸引力最大，約1000個(gè)大氣壓，厚度＜0

24、.003μm (1μm=10-3mm)大約幾個(gè)水分子層厚，特性：顯示固體的性質(zhì)，極大的粘滯性、彈性和抗剪強(qiáng)度，不傳遞靜水壓力。冰點(diǎn)很低，00C不凍結(jié)，1000C不蒸發(fā)，不能溶解鹽類；粘土只含有強(qiáng)結(jié)合水時(shí)顯示固體堅(jiān)硬狀態(tài)；砂土的強(qiáng)結(jié)合水含量極少,僅含強(qiáng)結(jié)合水的砂土呈散粒狀態(tài)；參見P19,,,弱結(jié)合水(weak bound water) (又稱薄膜水:film water,pellicular

25、 water):緊靠強(qiáng)結(jié)合水的外側(cè)，吸附力稍低，厚度稍大，＜0.5μm.特性：呈粘滯狀態(tài)，不傳遞靜水壓力，不能自由流動(dòng)，但有一定的活動(dòng)能力。在較強(qiáng)的外電場作用下，薄膜水可以緩慢流動(dòng)，自厚的部位向薄的部位作被充移動(dòng)，弱結(jié)合水對(duì)粘性土的性質(zhì)影響最大.弱結(jié)合水使?jié)裾惩辆哂锌伤苄?，并減小其抗剪強(qiáng)度；粘性土的一系列物理、力學(xué)性質(zhì)都與弱結(jié)合水有關(guān)；砂性土由于礦物成份不同及土粒比表面積較小，吸著力差，故可認(rèn)為砂土不含弱結(jié)合水。,2.自由水在

26、土粒表面電場的影響范圍之外，服從重力規(guī)律的土中孔隙水，稱自由水。特性：不能抗剪，能傳遞靜水壓力，在重力作用下能在土體孔隙中由高處向低處自由流動(dòng)，具有溶解鹽類的能力，自由水按移動(dòng)時(shí)受力不同分:重力水(gravitational water):指在土孔隙中受重力作用而自由流動(dòng)的水。存在于地下水位面以下的透水中。特性：具有溶解和潛蝕作用。（潛蝕：水流把土體粗粒孔隙中充填的細(xì)粒土帶走，破壞土的結(jié)構(gòu)，形成地表塌陷、陶空）1.傳遞靜水壓力并

27、具有浮力2.運(yùn)動(dòng)時(shí)服從流體力學(xué)規(guī)律3.對(duì)土的物理、力學(xué)性質(zhì)影響較大，尤其對(duì)于粘性土，重力水會(huì)使其強(qiáng)度降低，壓縮性增大。對(duì)工程性質(zhì)的影響：1.使土中應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化2.引起建筑物附加沉降（當(dāng)水位面下降的時(shí)候）3.對(duì)基坑開挖產(chǎn)生很大影響,毛細(xì)水(capillary water):指同時(shí)受到表面張力和重力作用而移動(dòng)的自由水。存在于水位面以上的透水層中（原因：土中孔隙形成的對(duì)水的表面張力往往大于重力），也存在于不飽和土的較大孔隙中。

28、不具有浮力作用.毛細(xì)作用(capillarity): 土粒和土粒接觸點(diǎn)上水對(duì)土粒的潤濕作用形成環(huán)狀彎液面。土粒對(duì)水形成所謂表面張力，這種張力反作用于土粒，使土粒之間由于這種作用（毛細(xì)壓力）而擠緊，水與土粒之間的這種相互作用稱毛細(xì)作用。張力的概念：液體和氣體接觸面上存在的一種有使液體離開趨勢的力，這種力就是張力，其作用使液表面發(fā)生彎曲。土粒之間的孔隙相互貫通，形成無數(shù)不規(guī)則的毛細(xì)管，在表面張力的作用下，毛細(xì)水沿著不規(guī)則的毛

29、細(xì)管上升，形成毛細(xì)上升帶。在工程中，應(yīng)注意毛細(xì)水上升的速度和高度，這對(duì)建筑物的底層防潮，及地基土的浸濕、凍脹都有重要影響。,2.3.4土中氣(air in soil)土的孔隙中未被水占據(jù)的部分都是氣體。包括：1)自由氣體(free air)：指土的孔隙中與大氣相連通的氣體，當(dāng)土體壓縮時(shí)，自由氣體逸出，對(duì)工程無很大影響。2)封閉氣體(entrapped air)：:這部分氣體與大氣隔絕，以封閉氣泡的形式存在于粘性土中，當(dāng)土體壓縮時(shí)

30、，封閉氣泡被壓小。封閉氣泡愈多，土的壓縮性就愈大，工程性質(zhì)越差；而且封閉氣泡愈多，土的透水性也會(huì)變差。問題：測定無粘性土顆粒級(jí)配的方法？土體壓縮的本質(zhì)？如何用Cu,Cc評(píng)價(jià)土的工程性質(zhì)？土的工程性質(zhì)與顆粒級(jí)配之間的關(guān)系？弱結(jié)合水對(duì)粘性土的工程性質(zhì)影響如何?,2.4 土-水-電解質(zhì)系統(tǒng)及其相互作用（自學(xué)） 1、土的觸變性與陳化 2.5 土的結(jié)構(gòu)（參見P31、自學(xué)） 1、土的微觀結(jié)

31、構(gòu)； 2、土的宏觀結(jié)構(gòu),2.6.1 土的三相草圖土的物理性質(zhì)指標(biāo)(physical character indexes of soil) 在地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，確定地基承載力f是依據(jù)土的物理性質(zhì)。前面又提到，土是固、液、氣組成的三相體。這三相在體積和重量上的比例關(guān)系反映著土的干燥和濕潤、堅(jiān)硬和軟弱、密實(shí)與松散等等性質(zhì)，是評(píng)價(jià)土的工程性質(zhì)的最基本的性能指標(biāo)。所以土的三相在體積和重量上的比例關(guān)系稱為土的三相物理指標(biāo)。

32、為了方便于研究，人們?nèi)藶榈膶⑼馏w中實(shí)際上是均勻分散的三個(gè)相體理想化的各自集合起來，畫成三相草圖，以便討論土體三相之間的定量關(guān)系。,2.6土的物理性質(zhì)指標(biāo)(physical character indexes of soil),m：土的總質(zhì)量 mW：土中水的質(zhì)量 ma：土中氣體的質(zhì)量、可忽略ms：土中固體顆粒質(zhì)量 v：土的總體積 va：土中氣體的體積 vw：土中水的體積 vs：中固體顆粒的體積vv：土中孔

33、隙的體積 vv＝vw＋vs,2.6.2三相基本物理指標(biāo)(三個(gè))1容重γ(unit weight)：實(shí)測指標(biāo) (密度ρ: 實(shí)測指標(biāo))物理意義：表示土的松密程度：γ：單位體積土的重量ρ：單位體積土的質(zhì)量常見值：ρ=(1.6～2.2)g/cm3,γ=(16～22)kn/m3測定方法：粘性土采用環(huán)刀法1)設(shè)計(jì)中：取土樣,在施工現(xiàn)場鉆機(jī)開孔取一土柱體，放入鉛盒，用布包好，并用蠟封好，帶回試驗(yàn)室，并避免擾動(dòng)

34、，用環(huán)刀法測定。2)教學(xué)上：試驗(yàn)室采用重塑土樣（老師事先制好放在一個(gè)大玻璃皿中），用環(huán)刀切下去，并用削土刀把上下抹平，秤重。土體積＝環(huán)刀體積；土樣重量＝（環(huán)刀＋土樣重）- 環(huán)刀重γ＝土樣重量／土樣體積 取3次平均值即為所求。3)現(xiàn)場條件下的粗粒土（有時(shí)施工現(xiàn)場急于了解土的重度時(shí)） 灌砂法或灌水法,2.天然含水量w (natural moisture content) ：實(shí)測指標(biāo) 物理意義：

35、表示土中含水的多少，反映土的濕度。表達(dá)式：常見值：砂土：0～40%；粘性土：(20～60)%土體含水量愈大，則壓縮性愈高，強(qiáng)度愈低。測定方法：烘箱烘干法（適合于粘性土、粉土、砂土） 取代表性試樣15～20g放入鉛盒，并用天平稱重，然后放入烘箱內(nèi)，控制105℃-110℃，加溫至恒重（使結(jié)合水蒸發(fā)），再稱干土重。（濕土＋盒重）－（干土＋盒重）＝水重（mw）（干土＋盒重）－ 盒重 ＝干土重（ms）

36、.酒精燃燒法（工地上沒有烘箱，而又急于了解土的含水量時(shí)，用此法）試樣入盒稱重，而后倒入酒精，點(diǎn)燃，幾分鐘后熄滅，用針將試樣調(diào)拌均勻，重復(fù)3次，可認(rèn)為土中水全部揮發(fā)，求解mw , ms 及w.鐵鍋炒干法，適用于卵石或砂夾卵石，取代表發(fā)試樣3～5kg，稱重后倒入鐵鍋中干炒，直到不冒氣為止，再稱重，計(jì)算mW , ms 及w，原理直觀。,3.土粒比重G(dS) (specific gravity of solid particles)：

37、 實(shí)測指標(biāo)物理意義：土中固體礦物的質(zhì)量與同體積純水的質(zhì)量的比值。表達(dá)式： ds＝ mS / vs *ρW ds＝ mS /（ mS +m1- m2）*ρW式中：mS ：干土的質(zhì)量；（ mS +m1- m2）：表示與干土同體積的純水的質(zhì)量。m1：瓶與水的總質(zhì)量； m2瓶、水、土的總質(zhì)量；ρW：4C純水的密度；常見值：砂土：2.65～2.69;粘性土：2.72～2.75;粉土：2.70～2.71土粒比重G的大小，

38、取決于土的礦物成份。測定方法：比重瓶法（工程上G均采用實(shí)測數(shù)值）100ml玻璃制的比重瓶，將烘干15g的試樣放入瓶中，并用1／1000精度的天平稱瓶加干土質(zhì)量。注入半瓶純水后煮沸小時(shí)左右以排除土中氣體，冷卻后將純水注滿比重瓶，再稱總質(zhì)量和瓶內(nèi)水溫計(jì)算而得。*：經(jīng)驗(yàn)法；因各種土的土粒比重值相差不大，僅小數(shù)點(diǎn)后第二位不同。若當(dāng)?shù)匾堰M(jìn)行了大量土粒比重試驗(yàn)，則往往采用經(jīng)驗(yàn)值。但新到一地區(qū)則必須采用試驗(yàn)實(shí)測值。,2.6.3 反映土中含水程

39、度的指標(biāo)（換算指標(biāo)）,1)含水量（略）2)土的飽和度Sr(degree of saturation)物理意義：土的飽和度表示孔隙被水充滿的程度。常見值：Sr=0～100%確定方法：由ρ(γ),w,G計(jì)算而得。工程應(yīng)用：砂土和粉土以其作為其濕度的劃分標(biāo)準(zhǔn)。,2.6.4特定條件下土的重度（密度）,1)土的干重度γd（ρd干密度）(dry unit weight)物理意義：單位體積的土，水分烘干后的重量（質(zhì)量）。常見值：γd=

40、 (13～20)kn/m3,ρd= (13～20)g/cm3工程應(yīng)用：γd土體壓實(shí)質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)。γd↑，土體壓實(shí)質(zhì)量愈高測定方法：a.大環(huán)刀法 環(huán)刀容積500cm3,其余同環(huán)刀法. b.放射性同位素法(可代替環(huán)刀法,提高效率20倍)2)土的飽和重度γsat(飽和密度ρsat)物理意義：孔隙中全部充滿水時(shí)，單位體積土的重量（質(zhì)量）常見值：ρsat=（1.8—2.3）g/cm3; γsat=(18—23)k

41、n/m33)土的有效重度γˊ（ρˊ）物理意義：指地下水位面以下，土體受水的浮力作用時(shí)，單位體積土的重量（質(zhì)量）。常見值：γˊ=(8—13)kn/m3, ρˊ=(0.8—1.3)g/cm3,2.6.5 反映土的松密程度的指標(biāo),1)孔隙比e (void ratio) 物理意義：土中孔隙體積與固體顆粒的體積之比常見值：砂土：e = 0.5---1.0，當(dāng)e1.0時(shí)，軟弱地基。確定方法：由ρ, G及w實(shí)測值計(jì)算而得，建筑工程中應(yīng)用

42、很廣，是確定地基承載力的重要指標(biāo)（第七章講述）2)孔隙度（率）n (porosity)物理意義：表示土中孔隙大小的程度，為土中孔隙體積占總體積的百分比。常見值：n = (30～50)%確定方法：由ρ,G, w 換算而得，與e相比，n在工程上應(yīng)用較少。,小 結(jié),共9個(gè)物理性質(zhì)指標(biāo):3個(gè)實(shí)測指標(biāo)（獨(dú)立指標(biāo)），也稱為三個(gè)基本指標(biāo)，:γ w G(dS)6個(gè)換算指標(biāo):e n sr γd γsat γˊ均可由上述3個(gè)指標(biāo)換算而得

43、，9指標(biāo)中只有3個(gè)是獨(dú)立的。換算的媒介是三相草圖。各指標(biāo)換算關(guān)系參見表2.8,m：土的總質(zhì)量 mW：土中水的質(zhì)量 ma：土中氣體的質(zhì)量、可忽略ms：土中固體顆粒質(zhì)量 v：土的總體積 va：土中氣體的體積 vw：土中水的體積 vs：中固體顆粒的體積vv：土中孔隙的體積 vv＝vw＋vs,指標(biāo)換算（最基本的技能之一，要求熟練掌握）,首先繪制三相草圖，而后根據(jù)三個(gè)已知指標(biāo)數(shù)值和各未知物理

44、指標(biāo)的定義式列出方程，把三相草圖左側(cè)質(zhì)量和右側(cè)的體積一共8個(gè)未知量，逐個(gè)計(jì)算出來并填入草圖，再由各未知指標(biāo)的定義式求解未知指標(biāo)。問題的提出: 已知ρ,w, ds三個(gè)實(shí)測指標(biāo),求解其它六個(gè)指標(biāo).1.求未知數(shù)m, ms, mw, Va, Vs, Vv , Vw, V(共8個(gè))據(jù)定義式列方程：ρ= m/v…………………(1) mw= Vw·ρw………… (7 )ds=ms/vs/ρw………….. (2

45、) m = ms+mw………… ( 4 )w =mw/ms ……………. (3 ) Vv = Va+ Vw………... ( 6 )V = Va+ Vw+ Vs………( 5) V = 1(補(bǔ)充)………… ( 8 )列出8個(gè)獨(dú)立方程，下面求解各未知量。,例題1 (參見P48),,例2：已知,解：,2.7土的物理狀態(tài)指標(biāo)(physical state indexes of soil),2.7.

46、1 無粘性土的密實(shí)度(compactness) 無粘性土主要指砂土和碎石土，這類土由于缺乏粘土礦物，呈單粒結(jié)構(gòu)，它們最主要的物理狀態(tài)指標(biāo)是密實(shí)度，密實(shí)度劃分的標(biāo)準(zhǔn)如下： 1) 孔隙比e標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)缺點(diǎn)分析：優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)用方便（用一個(gè)單值參數(shù)e）同一種土，密砂的孔隙比e，松砂的孔隙比e’小，則必然ee’，即密砂的孔隙比反而大于松砂的孔隙比。結(jié)論：同一種土，可用e衡量其密實(shí)度，但不同種的土，不能用e衡量。,2)相對(duì)密度

47、Dr標(biāo)準(zhǔn),e：土在天然狀態(tài)下的孔隙比。 emin(emax)：土在最密實(shí)（最松散）狀態(tài)下的孔隙比。均由試驗(yàn)測出。一般：Dr愈大，土愈密實(shí)；反之，土愈松散。P48中部 給出了用Dr衡量砂土密實(shí)度的標(biāo)準(zhǔn)。優(yōu)缺點(diǎn)分析：優(yōu)點(diǎn)：理論上較完善，能反映土的粒徑級(jí)配；（原因：不同礦物成份，不同顆粒級(jí)配，不同粒度成份的砂土，其emax 、emin均不相同，所以Dr比e能全面反映上述各種因素）缺點(diǎn)：測定emax 、emin的方法不夠完善，存

48、在較大主觀性，因此導(dǎo)致用衡量無粘性土密實(shí)度的方法并不普遍。換句話講，Dr本身的表達(dá)式?jīng)]什么問題，但測定emax 、emin的方法有待進(jìn)一步的改善，使其更加科學(xué)。,評(píng)價(jià)： 優(yōu)點(diǎn)：可以把土的級(jí)配考慮進(jìn)去，理論上較為完善 缺點(diǎn)：emax和emin難以準(zhǔn)確測定,3) 標(biāo)準(zhǔn)貫如入試驗(yàn)（標(biāo)貫錘擊數(shù)(N63.5) (Standard Penetration Test───SPT):一種原位測試，起源于美國：用錘重140磅(63.5kg)，落

49、距30寸(76.2cm)，將一標(biāo)貫器打入土中1尺(30.48cm)，并記錄所需錘擊數(shù)(N63.5)。一般： N63.5↑，說明土體愈密實(shí) N63.5↓，說明土體愈松散因此， N63.5的大小反映了土的貫入阻力的大小，也即反映了土密實(shí)度的大小。特點(diǎn)：SPT快速、準(zhǔn)確、原位測試，應(yīng)用很廣泛?？偨Y(jié)：以上即是無粘性土的物理狀態(tài)指標(biāo)：天然孔隙比e，相對(duì)密度Dr, SPT的 N63.5,《建筑地基基礎(chǔ)規(guī)范》規(guī)

50、定： 63.5kg錘，升到76cm高，自由落下，使標(biāo)準(zhǔn)貫入器入土深度30cm，所需錘數(shù)為N63.5,2.7.2.粘性土的物理特征(physical characters of cohesive soil),如果說密實(shí)度體現(xiàn)了無粘性土的物理狀態(tài)，那么稠度則體現(xiàn)了粘性土的物理特征。具體如下:1 .界限含水量(bounding moisture content)粘性土由某一狀態(tài)轉(zhuǎn)入另一狀態(tài)的分界含水量，稱為土的界限含水量。,2)液限

51、(Liquid Limit ── LL)- WL粘性土由液態(tài)變化到塑態(tài)的界限含水量用表示W(wǎng)l測定方法：國外（歐美、日本）用蝶式液限儀； 過去國內(nèi)：錐式液限儀。操作步驟：（錐式液限儀重76g）先制備糊狀土樣，如圖所示備好1)手持液限儀頂部的小柄，將圓錐體的錐尖置于土樣中部表面，松手，讓其自由下落，并沉入土中；（一般15s）2)若液限儀沉入土中，錐尖刻度（在離錐尖10mm處有一刻度）恰好與土樣表面齊平，則

52、此土樣的含水量即為液限。若15s內(nèi)錐尖入土樣深度低于10mm或大于10mm，即停止下沉，說明土樣含水量小于液限或大于液限。應(yīng)挖出土糊重新制備土樣，直到達(dá)到要求為止，而后測其此時(shí)含水量即可。蝶式液限儀：《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GBJ123－88)規(guī)定使用蝶式液限儀測定液限。方法如下：將調(diào)制成濃糊狀的試樣放入銅蝶內(nèi)，刮平表面，用開槽器挖出V型小槽，轉(zhuǎn)動(dòng)搖柄，試樣受振動(dòng)而合攏長13mm時(shí)為止，這時(shí)的含水量即是液限。（不同的人，不同的方法測出

53、的結(jié)果有誤差，這有人為因素，也有試驗(yàn)方法中的因素）,3)塑限(plastic limit ── PL)- WP土由塑態(tài)變化為半固態(tài)的界限含水量用Wp表示測定方法：搓條法操作方法：取塑態(tài)的土重塑均勻后，用手掌在毛玻璃板上沿著一個(gè)方向輕輕滾搓，邊搓邊捏，以免中空，當(dāng)搓至土條直徑恰為3mm時(shí)，如果土條表面出現(xiàn)均勻裂紋，并自動(dòng)斷裂，此時(shí)土條的含水量就是塑限。如果土條搓至直徑3mm時(shí)仍不裂不斷，說明太濕(W>Wp)，用電吹風(fēng)烤一烤

54、或用干布包一包,重搓.如果土條尚未搓至3 mm，即裂即斷，說明太干(W<Wp)，灑點(diǎn)水重搓。直到符合標(biāo)準(zhǔn)為止。將符合標(biāo)準(zhǔn)的斷裂的小土條放入鉛盒中，秤重烘干計(jì)算其W，這個(gè)W就是Wp?技術(shù)難度較大，不易掌握，現(xiàn)在用光電式液、塑限聯(lián)合儀,4)縮限Ws,土體由半固態(tài)過渡到固態(tài)的分界含水量. W≤Ws后，土體體積發(fā)生收縮。5)塑性指數(shù)Ip.(plasticity index-PI)粘性土液限與塑限的差值稱為塑性指數(shù)。注解：二種

55、界限含水量，均以百分?jǐn)?shù)表示；而Ip則以（ Wl － Wp ）去掉百分號(hào)表示，習(xí)慣上如此。例：Wp=17%，Wl=30%，則Ip=13，而非Ip=13%。,6)液性指數(shù)Il(Liquidity index ── LI)又名相對(duì)稠度(relative consistency)物理意義：將土的天然含水量W與Wl 及Wp相比較，以表明W是靠近Wl還是靠近Wp，反映土的軟硬程度。工程應(yīng)用：劃分土的不同狀態(tài)（用Il將粘性土劃分為5個(gè)狀態(tài)）

56、有三個(gè)等級(jí)：硬塑、可塑、軟塑。液性指數(shù)Il除了可直觀描述土的狀態(tài),還有一個(gè)工程應(yīng)用即:確定粘性土 f 的重要指標(biāo).,總結(jié)：以上介紹的均可以說是粘性土的物理特征指標(biāo)，最重要的是Wp Wl Ip Il ,體現(xiàn)粘性土物理狀態(tài)的改變,粘性土物理狀態(tài)的改變，反映了土中水對(duì)土工程性質(zhì)的影響。當(dāng)土中自由水含量較多時(shí)，土粒被水隔開，相距較遠(yuǎn)，電分子吸引力非常弱，土體處于流動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)水分子減少到大多數(shù)土粒被弱結(jié)合水隔開時(shí)，

57、土粒在外力作用下可相互滑動(dòng)而不產(chǎn)生顆粒之間聯(lián)接的破壞，這時(shí)，土處于可塑狀態(tài)，也就是說，土之所以可塑，是由于弱結(jié)合水的作用。當(dāng)弱結(jié)合水含量減少時(shí)，水膜變薄可塑性降低,土的粘滯性增大，土向半固態(tài)轉(zhuǎn)化；當(dāng)土中主要含強(qiáng)結(jié)合水時(shí)，土處于固體狀態(tài)；當(dāng)強(qiáng)結(jié)合水也被蒸發(fā)掉以后，土粒間距離已十分接近，并相互吸引形成固體。,2.8 地基土的工程分類(Engineering Classfies of Subsoil),1、建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB500

58、07-2002）分類法2、建設(shè)部《土的分類標(biāo)準(zhǔn)》（GBJ145-90）3、水利部《土工試驗(yàn)規(guī)程》（SL237-1999）4、交通部《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ051-93）主要有以下幾類：1、巖石(rock) 表2.12、13定義：顆粒間牢固聯(lián)接、呈整體或具有節(jié)理裂隙的巖體。分類：按堅(jiān)固性分:硬質(zhì)巖石(hard rock) 軟質(zhì)巖石(soft rock)按風(fēng)化程度分:微風(fēng)化巖石(tiny-weathering r

59、ock)：顆粒較大;中等風(fēng)化巖石(medium-weathering rock)：顆粒較小強(qiáng)風(fēng)化(strong-weathering rock)：顆粒細(xì)微。工程性質(zhì)差異：微風(fēng)化的硬質(zhì)巖石，優(yōu)良地基強(qiáng)風(fēng)化的軟質(zhì)巖石，工程性質(zhì)差,2 碎石類土(crushed stone soil),定義：粒徑d>2mm的顆粒含量超過全重50%的土。分類依據(jù)：各粒組的相對(duì)含量、顆粒形狀。定名：顆粒形狀以圓形為主的土，由大到小依次為：溧石，卵

60、石、圓礫；顆粒形狀以棱角狀為主的土，相應(yīng)分：塊石、碎石、角礫3種。 漂石（塊石）：boulder(chunk stone,block tone) ：d>200mm的含量>50% 卵石（碎石）：cobble(crushed stone) ：d>20mm的含量>50% 圓礫（角礫）：round grarel：d>2mm的含量>50%注：定名時(shí)應(yīng)根據(jù)粒組含量由大到小，

61、以最先符合者確定例：一地基土，經(jīng)篩分知：d>200mm的含量占全重的38%，200mm≥d>20mm的含量占全重的25％，…………試為此地基土定名。解： d>20mm的含量占全重的38％＋25％＝63％＞50％ 定義為卵石（碎石)d>2mm的含量占全重的38％＋25％＋20％＝83％＞50％ 定義為圓礫（角礫）∴此土定名為卵石（碎石）?！啻送炼麨槁咽ㄋ槭９こ绦再|(zhì)：常見的碎石土，強(qiáng)度大、

62、壓縮性小，滲透性好，優(yōu)良地基。,3 砂類土(sandy soil),定義：粒徑d>2mm的顆粒含量≤50%且d>0.075mm的顆粒含量>50%的土。分類依據(jù)：粒組含量。定名：P52。工程性質(zhì)：礫砂、粗砂、中砂為良好的天然地基粉砂：密實(shí)時(shí)，性質(zhì)良好；飽和、疏松態(tài)時(shí)，不良地基。,4、粉土(silt),定義：粒徑d>0.075mm的顆粒含量≤50%，且塑性指數(shù)Ip≤10的土。（老標(biāo)準(zhǔn)）

63、 定義：塑性指數(shù)Ip≤10的土。（新標(biāo)準(zhǔn)） 分類依據(jù)：標(biāo)準(zhǔn)不一.有的以Ip來分類（北京市）；有的以 粒組相對(duì)含量來分（上海市）,區(qū)別對(duì)待。 定名：北京市,砂質(zhì)粉土：Ip≤7；粘質(zhì)粉土：7＜Ip≤10。密實(shí)性：浙江省標(biāo)準(zhǔn)：以孔隙比e為劃分標(biāo)準(zhǔn)：e>0.90，稍密；0.90≥e>0.75，為中密；e<0.75，密實(shí)。工程性

64、質(zhì)：密實(shí)的粉土為良好地基；飽和稍密的粉土，不良地基。,定義：塑性指數(shù)Ip＞10的土，粘性土分布面積廣，為最常見的一種土。分類依據(jù)：Ip定名：國家標(biāo)準(zhǔn)（GBJ7-89規(guī)范），Ip＞17粘土(clay)；10＜Ip≤17粉質(zhì)粘土（亞粘土）(silty clay)工程性質(zhì)：粘性土的工程性質(zhì)與其含水量的大小密切相關(guān)。密實(shí)硬塑的粘性土為優(yōu)良地基；疏松流塑狀態(tài)的粘性土軟弱地基。 下面介紹兩類特殊的粘性土：（也可認(rèn)為屬于特

65、殊土, P56 ）淤泥和淤泥質(zhì)土：在靜水或緩慢的流水環(huán)境中沉積，并經(jīng)生物化學(xué)作用形成，其天然含水量大于液限，天然孔隙比e≥1.5的粘性土稱為淤泥；當(dāng)1≤e＜1.5時(shí)稱淤泥質(zhì)土。分布在沿海一帶，內(nèi)陸的河流下游、湖泊與沼澤地區(qū)。紅粘土：碳酸鹽巖系的巖石經(jīng)江土化作用形成的高塑性粘土稱為江粘土。其液限一般大于50；再搬運(yùn)后仍保留紅粘土的基本特征，液限大于45的土稱為次生紅粘土。 特點(diǎn)：e大，W大，但以含結(jié)合水為主，土體仍處于硬塑或堅(jiān)硬狀

66、態(tài)，較高強(qiáng)度，較低壓縮性。但失水干縮，網(wǎng)狀裂隙。,5.粘性土(cohesive soil),6 人工填土(artifical fill),定 義：由人類活動(dòng)堆填形成的各類土。 分類依據(jù)：按其組成物質(zhì)和堆積年代 定 名： 按組成物質(zhì)分以下3種： 素填土（plain fill）：由碎石土，砂土，粉土，粘性土等構(gòu)成，性質(zhì)良好。

67、 雜填土（miscellaneous fill）：由工業(yè)廢料，生活垃圾，建筑垃圾等構(gòu)成。 城市的地表一般都有一層雜填土 沖填土（allurial fill）：由水力沖刷泥砂形成的填土。 按堆積年代分： 老填土（paleo fill）：粘性土填筑時(shí)間超過半10年，粉土超過5年； 新填土（recently fill）：粘性土填筑時(shí)間小于10