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1、第二章 土的组成及工程分类 1 土的组成 岩石 风化 碎块 搬运（重力、风、水、冰川等）松散沉积层（土） 土的三相组成： 土颗粒(固相）、孔隙（充填水、气） 土的特点： 强度低、变形大、可透水，对工程影响极大 一.土的固体颗粒 土的固体颗粒(土粒)构成了土的骨架。 它是由大小不等、形状不同、成分不一的 矿物颗粒组成的 (一)土的矿物成分 矿物：构成地层物质的化合物或单一元素 1.原生矿物：由岩石经物理风化而成，其成分与母岩相同。如石 英、长石、角闪石等。原生矿物一般颗粒较粗，性质稳定,2.次生矿物：由岩石经化学、生物风化而成，其成分与母岩不同。 如Al2O3、Fe2O3、腐殖质、粘土矿物等。次
2、生矿物一般颗粒细 小，性质不稳定 粘土矿物的特性： 颗粒很细，粒径小于0.005mm，颗粒的比表面积很大，由于其特 有的晶胞结构，使其颗粒表面带有负电荷，故具有很强的与水作用 能力,粘土矿物的类型： 蒙脱石：是碱性条件下形成的粘土矿物，具有三层晶胞结构，亲水 性大，遇水膨胀，失水收缩 伊利石：具有三层晶胞结构，但晶胞间由于离子置换而出现K+，K+ 在晶胞间起连接作用，减小了其亲水性 高岭石：是酸性条件下形成的粘土矿物，具有不活动的双层晶胞结 构，亲水性较弱，遇水膨胀量不大 土的矿物成分决定了土的性质 (二)土的粒度成分（土的级配） 粒径：以其直径来表示土颗粒的大小。单位mm 1.土的粒组划分
3、随着颗粒粒径的变化，土的矿物成分和性质也逐渐发生变化， 但是，当土粒的粒径在某一大小范围内变化时，土的成分和性质变 化不大，可以认为具有大致相同的成分和性质。为了便于研究，工 程上常把大小相近的土粒合并为一组，称为粒组,2.土的粒度成分(颗粒级配) 颗粒级配：指土中各种不同粒组的相对含量 (1)粒度成分分析方法 粒径大于0.1mm (或0.075mm)： 采用筛分法，套筛孔径为10-5-2-1 -0.5-0.25-0.1-0.075 粒径小于0.1mm(或0.075mm)：比重计法 斯托克斯公式： d：土粒直径（mm) h：比重计读数 t：静置时间(秒） G：土粒比重（g/cm3) Gw：水的
4、比重（g/cm3) ：水的动力粘滞系数（克.秒/厘米3）,(2)粒度成分表示方法 A：表格法 B：累计曲线法 纵坐标表示小于某粒径土占总重的百分比，横坐标为土的粒径， 用对数尺度 (3)累计曲线的用途 A：根据曲线的形态，判断土的均匀性 曲线越陡，则表示土颗粒大小相差不多，土粒较均匀；曲线越 缓，则表示土颗粒大小相差悬殊，土粒不均匀 B：根据曲线，确定相应参数 不均匀系数 Cu=d60/d10 Cu值越大，土粒越不均匀，级配良好，Cu10，称为级配良好的非 均匀土 Cu值越小，土粒越均匀，级配不良，Cu5，称为级配不良的均粒土 曲率系数 Cc=d302/(d10d60),Cc1或Cc 3，称为
5、级配不良的土 1 Cc 3，称为级配良好的土 二.土中水 按照水与土颗粒相互作用的强弱，土中水可分为： (一)结合水 结合水：细小的土粒表面带有负电荷，在其作用下，与土粒表面接 触部分的水分子可以被极化，并吸附在土粒周围形成水膜 结合水的特点： 不受重力影响，密度大，不传递静水压力，冰点低，有粘滞性和 一定的抗剪强度 (二)自由水 1.毛细水 由于毛细作用保持在土孔隙中的水 毛细水的特点：冰点低于0C，有极微弱的抗剪强度，能传递静水 压力，在外力较小情况下就可以发生流动,2.重力水 不受颗粒吸附和毛细作用控制，在重力作用下能自由流动的水 重力水的特点：能传递静水压力，具有溶解固体物质的能力，无
6、 抗剪强度，在孔隙中流动时，产生动水压力，能带走土 中细颗粒 三.土中的气体 与大气连通的，对工程性质无较大影响 与大气不连通的(密闭的)，对工程性质有影响，如增大了土的弹 性和压缩性，同时降低了土的透水性 四.土的结构 土的结构：指土颗粒或集合体的大小和形状、表面特征、排列形式 以及它们之间的连接特征。常见的土的结构有：,2 土的基本物理性质指标 土的三相比例指标：土的三相物质在体积和质量上的比例关系 按获取指标的方法: 一.试验指标：通过试验直接测定,1.土的密度()：单位体积土的质量，单位g/cm3 它的大小取决于矿物成分、孔隙数量和含水情况 试验方法：环刀法 几种常见土天然密度（平均值
7、） 2.土的含水量(w)：土中水的质量与固体(土粒)质量之比 试验方法：烘干法,3.土粒相对密度(土粒密度Gs)：单位体积土粒的质量与同体积 4 c时纯水的质量之比，无量纲 它的大小取决于组成土的各矿物密度的平均值 试验方法：煮沸法,二.换算指标：通过试验指标换算得到 1.干密度(d)：单位体积土粒的质量，g/cm3 此指标常用作填土密实度的施工控制指标 2.土的饱和密度(sat)：土中孔隙被水充满时土的密度，g/cm3 3.土的浮密度()：地下水位以下，土单位体积中土粒的质量 与同体积水的质量之差 4.土的孔隙比(e)：土中孔隙体积与土粒体积之比。常见值0.5-1.0,砂土按孔隙比分类 5.
8、孔隙率(n)：孔隙体积与土的总体积之比 常见值为(33-50)% 6.饱和度(Sr)：土中孔隙被水充填的体积与孔隙总体积之比 根据Sr的大小，对土的饱和状态进行分类： Sr50% 稍湿 50%Sr 80% 很湿 Sr80% 饱和,7.砂土的相对密度(Dr) 砂土的密实度状态 砂土密实度划分,三.指标的换算 用试验指标换算可以得到换算指标,3 粘性土的物理特性 一.粘性土状态与界限含水量 界限含水量：随着含水量的变化，细粒土可由一种状态转变为另一 种状态，相应于转变点的分界含水量 固(半)态 可塑状态 流动状态 塑限wp 液限 wl W,工程中常用的界限含水量： 1.液限(wl)：流动状态与可塑
9、状态间的分界含水量 试验方法：液限仪测定（液塑限联合测定法） 2.塑限(wp)：可塑状态与固(半)态间的分界含水量 试验方法：搓条法（液塑限联合测定法） 我国现有规范还可用联合测定法，通过作图，确定液塑限,二.塑性指数(Ip) 塑性指数：液限含水量与塑限含水量之差 此指标用来衡量土的可塑性大小。Ip越大，意味着土处于塑态 的含水量范围越大，则可塑性越强 影响Ip的因素： 矿物成分、粒度成分、土中水的化学成分、浓度和PH值等 三.液性指数(Il) 液性指数：土的天然含水量与塑限含水量的差值与塑性指数之比 此指标用来鉴别土的天然物理状态,四.粘性土的灵敏性与触变性 （一）粘性土灵敏度 灵敏性：粘性
10、土受到外力扰动作用，结构遭到破坏，土的强度降 低，压缩性增高的性质 灵敏度（st)：粘性土原状样和重塑样的无侧限抗压强度之比 qu，qu：分别为原状样与重塑样的无侧限抗压强度 粘性土灵敏性分类： （二）粘性土的触变性 触变性：饱和粘性土受到扰动后，结构遭到破坏，土的强度降低， 土的强度随时间逐渐增长的性质,4 土的渗透性 渗透：土孔隙中的重力水在一定压力差作用下，透过土中的孔隙发 生流动的现象 渗透性：水在土孔隙中渗透流动的性能 一.地下水的渗透规律 水在孔隙中流动形式：层流和紊流 （一）对于层流，其运动服从达西定 v=kJ V：流速，指单位时间通过单位面积的水量，cm/s K：渗透系数，cm
11、/s J：水力坡度，水在空隙中流动，由于阻力作用，沿程必然伴随 着能量损失，表现为渗流路径上的水头损失 J=h/L h：渗流路径上的水头差 L：渗流路径长,（二）对于紊流，其运动服从哲才定律 v=kJ1/2 （三）少数粘土，其运动服从修正的达西定律 v=k（J-J0） J0：起始水力坡度 二.影响土的透水性的因素 矿物成分；粒度成分；土的密度；土中的气体等 三.渗透变形破坏 渗透压力(动水压力)：渗透水流作用于岩土上的力 渗透变形(渗透破坏)：当渗透压力达到一定值时，岩土体中一些颗 粒甚至整体就会发生移动而被渗流携走，从而引起岩体结 构变松、强度降低、甚至整体发生破坏的现象 渗透变形破坏对工程
12、的影响： 1.坝工建设 2.矿山作业地下巷道开拓和基坑开挖及坑底土体稳定 3.堤防工程,例.如图所示，观察孔a、b的水位标高分别为23.50m和23.20m，两 孔的水平距离为20m，试： 1)确定ab段的平均水力梯度 2)如该土层为细砂，渗透系数k=510-2mm/s，确定ab段的地下水流 速度和每小时通过1m2截面积(垂直于纸面)的流量 3)同2，但该土层为粉质粘土，渗透系数k=510-5mm/s，计算起始 水力梯度io=0.005 解：1） J=h/L=（23.5-23.2）/20=0.015 2） v=kJ=510-20.015=7.510-4 mm/s=7.510-7 m/s Q=v
13、At=7.510-713600=2.710-3 m3=2.7升 3）v=k(J-J0)=510-5(0.015-0.005)=510-7 mm/s=510-10 m/s Q=vAt=510-1013600=1.810-6 m3=1.810-3升,思考题 1.曲线越陡，则表示土颗粒大小相差 ，土粒较 ； 一般 工程可选择该土料：曲线越缓，则表示土颗粒 大小相差 悬殊，土粒较 ，一般 工 程可选择该土料 2.土中 矿物对土的性质影响很大；按土与水相互作用的 强弱，土孔隙中的水可分为 、 、 等 三类，其中对土的性质影响较大的是 ，对基坑施工影 响较大的是 。,思考题 1.土的三相比例指标中，哪些可
14、通过试验得到，哪些通过换算得到 2.何为土的渗流。粘性土渗流规律如何,5 土的压实性及动力特性 一.土的压实原理 土的压实性：指扰动土在压实功能作用下的特性 （一）击实试验 从击实曲线上可以得到扰动土的最大干密度,（二）影响粘性土击实效果的因素 1.含水量 在最优含水量情况下，才能达到最大干密度。细粒土最优含水 量一般为wp2.0%或(0.58-0.62)wL 2.土质 颗粒越粗，则干密度越大 3.击实功能 压实机具重量、碾压次数、 作用时间有关 (三）压实特性在人工填土工程中的应用 压实度（压实系数）：,二.土的振动液化 砂土液化：饱水砂土因地震而受到强烈振动，使砂粒处于悬浮状 态，丧失强度
15、，致使地基失效的现象 砂土液化最常见的表现：地表出现“喷砂冒水”，引起地表塌陷 影响土液化的主要因素： 1.土的类型和性质 粉砂土、细沙土、松砂、粉土宜液化： 级配均匀的砂土比级配良好的砂土宜液化： 疏松饱水状态下宜液化： 2.砂土的埋藏深度 砂土埋藏越浅，砂层厚度越厚，则液化的可能性越大； 3.地震振动强度和历时长短 地震越强，历时越长，则宜液化，且波及范围广，破坏严重,6 土的工程分类 一.土按堆积年代划分 1.老沉积土：第四纪更新世Q3及以前沉积的土。一般呈超固结状 态，具有较高的结构强度 2.新近沉积土：第四纪更新世中近期沉积的土。一般处于欠固结状 态，结构强度较低 二.根据地质成因划
16、分：残积土、坡积土、洪积土、冲积土、淤积 土、冰积土、风积土海积土等 三.根据有机质含量划分：无机土、有机土、泥炭质土和泥炭 四.按颗粒级配(粒度成分)和塑性指数划分 (一)碎石土 粒径大于2mm的颗粒含量超过总质量50% 根据颗粒级配和颗粒形状再细分为以下几类 (二)砂土 粒径大于2mm的颗粒含量不超过土的总质量的50%，且粒径大于 0.075mm的颗粒含量超过土的总质量的50%,(三)粉土 粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过总质量的50%，且塑性指数小 于10的土 (四)粘性土 塑性指数大于10的土 按塑性指数大小细分为：,五.根据土的成因 人工填土：由于人类工程活动而形成的土。按成分划分： 素填土：由碎石、砂土、粉土、粘性土等组成的填土 杂填土：含有大量建筑垃圾、工业废料或生活垃圾等杂物的填土 冲填土：由水力
