土力学土的性质及工程分类解读

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1、土力学土力学 第一章第一章 土的物理性质及工程分类土的物理性质及工程分类 1 第一章 土的物理性质及工程分类 要点： *土体的形成 *土中颗粒、土中水、土中气体对土的工程性质影响。 土的颗粒组成，颗分试验，颗粒级配成果分 析，土体的初步分类。 *土的物理性质指标的工程意义 三相比例指标的定义及计算 *无粘性土（砂性土）的密实性 *粘性土的软硬性 粘性土的界限含水量意义，土体的进一步分 类。 *土体的压实原理 *规范中土体的分类 2 第一节 土的形成 地球表面在地质年代中经历着地壳运动、剥蚀 作用、沉积作用、成岩作用这样一个不断的循环过 程。地表的整体岩石在大气中经受长期的风化作用 而破碎后，形

2、成形状不同、大小不一的颗粒。这些 颗粒受各种自然力的作用，在各种不同的自然环境 下堆积下来，就形成通常所说的土。在土木工程中 ，土是指覆盖堆积物，它们大多数是在第四纪地质 历史时期内形成的。 3 一、土的搬运沉积 第四纪土，根据其搬运和沉积方式的不同，又 可分为残积土（图11）和运积土两大类。残积土 是指母岩表层经风化作用破碎成为岩屑或小颗粒后 ，未经搬运，残留在原地的堆积物。它的特征是颗 粒表面粗糙、多棱角、粗细不均、无层理。运积土 是指风化所形成的土颗粒，受自然力的作用，搬运 到远近不同的地点所沉积的堆积物，其特点是颗粒 经过滚动和相互摩擦，具有一定的浑圆度，即颗粒 因摩擦作用而变浑圆。在

3、沉积过程中因受水流等自 然力的分选作用而形成颗粒粗细不同的层次，粗颗 粒下沉快，细颗粒下沉慢而形成不同粗细的土层。 根据搬运的动力不同，运积土又可分为如下几类： 4 5 （1）坡积土残积土受重力和短期水流（如雨 水和雪水）的作用，被搬运到山坡或坡脚处沉积起 来的堆积物。此堆积物体内土颗粒粗细不均匀，性 质差异较大（图l2）。 （2）洪积土残积土和坡积土受洪水冲刷，被 搬运到山麓处沉积的堆积物。具有一定的分选性。 搬运距离近的沉积物其沉积颗粒较粗，力学性质较 好；而搬运距离远的沉积物其沉积颗粒较细，力学 性质较差（图13）。 6 7 8 (4）湖泊沼泽沉积土在极为缓慢水流或静 水条件下沉积形成的

4、堆积物。其特点是这种土除了 含有细小的颗粒外，常伴有生物化学作用所形成的 有机物的存在，成为具有特殊性质的淤泥或淤泥质 土，其工程性质一般较差。 （5）海相沉积土由水流挟带到大海沉积起 来的堆积物，其颗粒细，表层土质松软，工程性质 较差 （6）冰积土由冰川或冰水挟带搬运所形成 的沉积物，颗粒粗细变化也较大，土质不均匀。 （7）风积土由风力搬运形成的堆积物，颗 粒均匀，往往堆积层很厚而不具层理。我国西北的 黄土就是典型的风积土。 9 二、风化作用和土的主要特征 岩石和土在其存在和沉积的各个过程中都在不 断风化。不同的风化作用，形成不同性质的土。风 化作用有三种类型：物理风化、化学风化、生物风 化

5、。 1土的碎散性 物理风化是指岩石和土的粗颗粒受风、霜、雨 、雪的侵蚀，温度、湿度的变化，不均匀膨胀和收 缩，使岩石产生裂隙，崩解为碎块。这种风化作用 只改变颗粒的大小与形状，不改变矿物成分。 10 由物理风化生成的多为粗颗粒土，如碎石、卵石、 砾石、砂土等，呈松散状态，统称无粘性土。这类 土颗粒的矿物成分仍与原来的母岩相同，称为原生 矿物。虽然物理风化后的土可以当成只是颗粒大小 上量的变化，但是这种量变的积累结果使原来的大 块岩体获得了新的性质，变成了碎散的颗粒。颗粒 之间存在着大量的孔隙，可以透水和过气，这就是 土的第一个主要特征碎散性。 11 2土的三相体系 化学风化是指岩石碎屑与水、氧

6、气和二氧化碳 等物质接触而发生的变化，它改变了原来的矿物成 分，形成了新的矿物，也称次生矿物。化学风化常 见的反应有：水解作用、水化作用、氧化作用、溶 解作用、碳酸化作用等。化学风化的结果，形成十 分细微的土颗粒以及大量的可溶性盐类。 12 微细颗粒的表面积很大，具有吸附水分子的能力， 具有粘聚力，如粘土、粉质粘土等。因此，自然界 的土，一般都是由固体颗粒、水和气体三种成分构 成，这是土的第二个主要特征三相体系。 13 3土的自然变异性 在自然界中，土的风化作用时刻都在进行，而 且各种风化作用相互加强。由于形成过程的自然条 件不同，自然界的土也就多种多样。同一场地，不 同深度处土的性质也不一样

7、，即使同一位置的土， 其性质也往往随方向而异。例如沉积土往往竖直方 向的透水性小，水平方向的透水性大。因此，土是 自然界漫长的地质年代内所形成的性质复杂、不均 匀、各向异性且随时间不断变化的材料。这是土的 第三个主要特征自然变异性。 14 第二节 土的三相组成 土是由固体颗粒、水和气体三部分组成的三相 体系。固体部分即固体颗粒，一般由矿物质所组成 ，有时含有有机质。这一部分构成土的骨架，称为 土骨架。土骨架间布满相互贯通的孔隙，这些孔隙 有时完全被水充满，称为饱和土；有时一部分被水 占据，另一部分被气体占据，称为非饱和土；有时 也可能完全充满气体，称为干土。水和溶于水的物 质构成土的液体部分，

8、空气及其他一些气体构成土 的气体部分。这三部分本身的性质以及它们之间的 比例关系和相互作用决定了土的物理力学性质。 15 16 土体不是一般土层的组合体，而是与工程建筑的稳定、变 形有关的土层的组合体。土体是由厚薄不等，性质各异的若 干土层，以特定的上、下次序组合在一起的。 16 17 一、土的固体颗粒（固相） （一）土粒的矿物成分 矿物成分对土的性质有着重要影响，其 中以细粒组的矿物成分最为重要。 土颗粒的矿物成分 原生矿物 次生矿物 17 18 原生矿物：包括石英、长石和云母等。 为岩石物理风化的产物，化学性质稳定或较 为稳定。 次生矿物：为原生矿物化学风化的产物 。 次生矿物主要是粘土矿

9、物。 18 19 硅氧四面体硅氧晶片 铝氢氧八面体铝氢氧晶片 的基本单元 粘土矿物结构 19 20 硅片的结构 20 21 铝片的结构 21 22 由于晶片结合的情况不同，便形成了具 有不同性质的各种粘土矿物，主要有蒙脱石 、伊里石和高岭石。 蒙脱石：亲水性强（吸水膨胀、脱水收缩） 伊里石：亲水性中等 高岭石：亲水性差 这种亲水性的差别可由其结构示意图及 SEM图片体现出来 22 23 晶格结构示意图 蒙脱石 伊利石 高岭石 电镜(SEM)微观图片 蒙 脱 石 23 24 （二）土粒粒组 定义: 按土颗粒粒径（d）大小将土颗粒分组 ，称为粒组。划分粒组的分界尺寸称为界 限粒径。 巨粒：60mm

10、 粗粒：0.07560mm 细粒：0.075mm 土的粒组 24 2525 26 （三）土的颗粒级配 基本概念: 土颗粒的大小及其组成情况，通常以土中 土颗粒各个粒组的相对含量（各粒组占土粒 总量的百分数）来表示，称为土的颗粒级配 。 26 27 根据颗粒大小分析试验结果，可以绘制 颗粒级配累积曲线（横坐标为粒径，用对数 坐标表示；纵坐标为小于某粒径的土重含量 ，用常数坐标表示）。 颗粒级配曲线的坡度可以大致反映土的 均匀程度。 曲线陡，表示粒径大小相差不多，土颗 粒比较均匀；曲线缓，表示粒径大小相差悬 殊，土颗粒不均匀，级配良好。 27 28 定义: 几个特殊粒径：d10, d30 , d6

11、0 小于某粒径的土颗粒质量累积百分数为10%时 ，相应的粒径称为有效粒径d10。与之类似可以得到 d30 （中值粒径）和d60（限定粒径）。 土颗粒的级配指标： 不均匀系数 Cu= d60/ d10 曲率系数 Cc=(d30)2/(d60 d10) 28 29 Cu反映大小不同粒组的分布情况。 Cu越大，表示土颗粒大小的分布范围越 大，其级配良好。 Cc描写累积曲线的分布范围，反映曲线 的整体形状。 对于级配连续的土，在一般情况下, Cu 10，级配良好 29 30 Cu5 Cc=13 级配良好 砾类土或砂类土 对于级配不连续的土,单独用Cu来确定土 的级配情况是不够的，需同时参考Cc。 30

12、 31 颗粒粒径级配曲线 纵坐标表示小于某粒径的土粒含量百分比,横坐 标表示土粒的粒径(对数坐标） 31 Grading curves WWell graded 32 Grading curves WWell graded UUniform 33 Grading curves WWell graded UUniform PPoorly graded 34 Grading curves WWell graded UUniform PPoorly graded CWell graded with some clay 35 Grading curves WWell graded UUniform P

13、Poorly graded CWell graded with some clay FWell graded with an excess of fines36 37 筛析法 密度计法 d0.075mm 颗分试验 土的颗粒级配可由土的颗粒大小分 析试验（简称颗分试验）测定。 (四)颗粒分析试验 37 38 筛分法 用一套孔径不同的筛子，按 从上至下筛孔逐渐减小放置 。将事先称过质量的烘干土 样过筛，称出留在各筛上的 土质量，然后计算其占总土 粒质量的百分数 38 39 比重计法 利用不同大小的土粒在水中的 沉降速度不同来确定小于某粒 径的土粒含量 39 40 二、土中水和气 土中水 结合水 自

14、由水 强结合水 弱结合水 重力水 毛细水 土的含水量试验所测定的为土中的自由 水和弱结合水。 (一)土中水的存在形状 40 41 (二)粘土颗粒与水的相互作用 粘土颗粒表面带电性结合水分力定向排列图 土的颗粒越细，其分散性越大，水对土性质的影响 也越大。特别是粘土矿物颗粒，在水中一般带负电荷 ，围绕土粒形成电场。粘土颗粒表面与水具有很强的 相互作用力，这就是粘土的亲水性。 双电层结构及电位变化示意图 41 42 (三)毛细水： 毛细水在水和空气的交界面上会产生表面张力。在表面 张力作用下，水能沿土粒表面上升，超过自由水面一定的 高度。这种沿土中毛细孔隙上升的水叫毛细水 毛细压力示意图 毛细升高

15、原理图土中的毛细升高 42 43 (四)土的冻胀 地表下一定深度的水温,随着大气温度而改 变,土的冻胀现象是在一定条件下形成的: 土的因素 水的因素 温度的因素 冻胀现象影响因素 43 44 危害 路面翻浆 44 45 (被冻胀破坏的铁路) 45 46 (五)土中气 土中气体存在于土孔隙中未被水占满的部 分。在粗粒土中常可见与大气相连通的空气 ，在受力时，气体能很快从孔隙中逸出，一 般不影响土的性质。 在细粒土中，常存在与大气不相连通的封 闭气泡，在土体受压时，气体体积缩小，卸 荷后体积又恢复，这使土的弹性变形增大而 透水性减小。 46 47 1.3 土的物理性质指标 土的三相比例指标定量反映

16、了土的三相 的组成情况，有助于理解土的基本物理性 质。 土 液相（水） 气相（气） 固相（土颗粒） 土是三相体。 土的三相图 气 水 土粒 msmw m VsVw V Va 质量m 体积V Vv 47 48 一、指标的定义 土的物理性质指标即土的三相比例指标可分为 两类，一类可通过试验测定得到，另一类可通 过试验测定的指标换算得到。前者称为实测指 标，后者称为计算指标。 （一）土粒比重（土粒相对密度）ds（或Gs） （二）土的密度 （三）含水量 (%) 实测指标 48 49 计算指标 （一）孔隙比e （二）孔隙率n （三）饱和度Sr （四）土的干密度d （五）土的饱和密度sat （六）土的有效密度 49 50 土粒比重Gs：土粒质量与同体积的4时纯水的质量之比 。在数值上等于土粒密度，但无量纲。在试验室用“比重 瓶法”测定，一般土粒比重的变化幅度不大。 土粒比重决定于土粒的矿物成分。一般砂土的平均比重为 2.