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1、兰州交通大学博文学院教案课题: 第一章 土的物理性质及工程分类 一、 教学目的：1.了解土的生成和工程力学性质及其变化规律； 2.掌握土的物理性质指标的测定方法和指标间的相互转换； 3.熟悉土的抗渗性与工程分类。 二、教学重点： 土的组成、土的物理性质指标、物理状态指标。 三、教学难点： 指标间的相互转换及应用。 四、教学时数： 6 学时。五、习题：19第一章 土的物理性质及工程分类一、 土的生成与特性1. 土的生成工程领域土的概念：土是指覆盖在地表的没有胶结和弱胶结的颗粒堆积物，土与岩石的区分仅在于颗粒胶结的强弱，土和石没有明显区分。土的生成: 岩石在各种风化作用下形成的固体矿物、流体水、气
2、体混合物。不同风化形成不同性质的土，有下列三种：（1）物理风化：只改变颗粒大小，不改变矿物成分。由物理风化生成土为粗粒土（如块碎石、砾石、砂土），为无粘性土。（2）化学风化：矿物发生改变，生成新成分次生矿物。由化学风化生成土为细粒土，具有粘结力（粘土和粘质粉土），为粘性土。（3）生物风化：动植物与人类活动对岩体的破坏。矿物成分没有变化。2. 土的结构和构造（1） 土的结构定义：土颗粒间的相互排列和联结形式称为土的结构。1) 种类：l 单粒结构：每一个颗粒在自重作用下单独下沉并达到稳态。l 蜂窝结构：单个下沉，碰到已下沉的土颗粒，因土粒间分子引力大于重力不再下沉，形成大孔隙蜂窝状结构。l 絮状结
3、构：微粒极细的粘土颗粒在水中长期悬浮，相互碰撞吸引形成小链环状土集粒。小链之间相互吸引，形成大链环，称絮状结构。图1.1 土的结构3）工程性质：密实的单粒结构工程性质最好，蜂窝结构与絮状结构如被扰动破坏天然结构，则强度低、压缩性高，不可用做天然地基。（2）土的构造1）定义：同一土层中，土颗粒之间的相互关系。2）种类：l 层状结构：由不同颜色或不同粒径的土组成层理，一层一层互相平行。l 分散构造：土粒分布均匀，性质相近，如砂与卵石层为分散构造。l 结核状构造:在细粒土中混有粗颗粒或各种结核，属结核状构造。l 裂隙状构造：土体中有很多不连续的小裂隙。3）工程性质：分散结构的工程性质最好，结核状取决
4、于细粒土，裂隙状渗透性大，工程性质差。3. 土的工程特性(1)压缩性高当应力数值相同，材料厚度一样时，卵石的压缩性为刚才压缩性的数千倍；饱和细沙的压缩性为C20混凝土的数千倍，足以证明土的压缩性极高。软塑或流塑状态的粘性土比饱和细沙的压缩性还要高。(2)强度低土的强度特指抗剪强度，而非抗压强度或抗拉强度。无粘性土的强度来源于土粒表面滑动的摩擦和颗粒间的咬合摩擦；粘性土的强度出摩擦力外，还有粘聚力，均远小于建筑材料本身的强度。(3)透水性大土体颗粒间具有许多透水空隙，因此透水性比木材、混凝土都大，尤其是粗颗粒的卵石或砂土，其透水性更大。4. 土的生成与工程特性的关系(1)搬运、沉积条件：冲积层优
5、于风积层。(2)沉积年代：沉积年代越长，工程性质越好。(3)自然环境：特殊土地基。二、 土的三相组成土的三相组成是指土由固体矿物、水和气体三部分组成。1. 土的固体颗粒土的固体颗粒是土的三相组成中的主体，是决定土的工程性质的主要成分。（1）土粒的矿物成分1）原生矿物由岩石经物理风化生成，它的成分与母岩的相同，常见的有石英，包括单矿物颗粒一个颗粒为单一的矿物，如常见的石英、长石、云母、角闪石与灰石等，砂土即为单矿物颗粒；多矿物颗粒一个颗粒中包含多种矿物，如巨粒土的漂石、卵石和粗粒土的砾石，往往为多矿物颗粒。2）次生矿物母岩经化学风化生成的新矿物，它的成分成分与母岩的完全不同。次矿物主要是粘土矿物
6、，由两种种原子层构成：一种是Si-O四面体构成的硅氧晶片，另一种是Al-OH八面体构成的铝氢氧晶片。因为这两种晶片结合的情况不同，粘土矿物可分为下列三种：图1.2 粘土矿物两种原子层蒙脱石两结构单元之间没有氢键，相互的联结弱，水分子可以进入量晶胞之间。因此，蒙脱石的亲水性最大，具有强烈的吸水膨胀、失水收缩的特性。伊利石又称水云母，部分Si-O四面体中的Si为Al、Fe所取代，损失的原子价由阳离子钾补偿。因此，晶格层组之间具有结合力，亲水性低于蒙脱石。高岭石晶胞之间有氢键，相互结合力较强，晶胞之间的距离不易改变，水分子不能进入。因此，高岭石的亲水性最小。腐殖质：土中腐殖质含量多，使土的压缩性增大
7、。有机质超过3%5%的不宜作为建筑材料。（2）土颗粒的大小和形状通过界限粒径（划分粒组的分界尺寸）将土颗粒划分为6个粒组：粘粒（小于0.005）、粉粒（0.005,0.075）、砂粒（0.075，2）、圆砾(角砾)（2，60）、卵石(碎石)/（60，200）、漂石(块石）（大于200mm）。通常粗粒土的压缩性低、强度高、渗透性大。表面粗糙抗剪强度越高。（3）土的颗粒级配 粒径级配：土中各粒组的相对含量，占总质量的百分数。1） 筛分法：适用于砾石类和砂类土，0.075mm，主要设备为一套标准分析筛，孔径分别为20，10，5，2.0，1.0，0.5，0.25，0.075mm。取样数量：20mm，可
8、取10002000g; 10mm，可取3001000g; 2mm，可取100300g;震筛1015min后称取各级筛底盘试样的质量。2） 密度计法：适用于粉土和粘性土，0.075mm，测定悬浊液读数。粒径级配曲线上：纵坐标10%所对应的粒径d10称为有效粒径；纵坐标为60%所对应的粒径称为限定粒径；与的比值称为不均匀系数，即 (1.1)不均匀系数为表示土颗粒组成的重要特征。当很小时曲线很陡，表示土均匀；当很大时曲线平缓，表示土的级配良好。曲率系数为表示土颗粒组成的又一特征，按下式计算： (1.2)式中为粒径级配曲线上纵坐标为30%所对应的粒径。砾石和砂土级配5且 =13为级配良好；级配不同时满
9、足这两个要求则为级配不良。2. 土中水（1）结合水1）强结合水排列致密、定向性强；密度1g/cm3；冰点处于零下几十度具有固体的的特性；接近固体，不传递静水压力；温度高于100C时可蒸发，粘土只含结合水时呈坚硬状态。2）弱结合水：位于强结合水之外，电场引力作用范围之内；密度大；不传递静水压力（不应重力而移动）；有粘滞性。l 自由水：离土粒较远，位于电场引力范围外，排列散乱。l 重力水：位于地下水位以下，具有浮力作用，可从总水头较高处向较低处流动。l 毛细水：位于地下水位以上，受毛细作用上升，粉土中空隙小，毛细水上升高。（2）气态水：水汽，影响不大。（3）固态水:0以下自由水发生冻胀。3. 土中
10、气体土颗粒中没有被水填充的部分为气体。（1） 自由气体：与大气连通，压缩逸出，对工程无影响。（2）封闭气体：与大气隔绝，加载缩小，卸载膨胀，使土的渗透性降低。三、 土的物理性质指标1. 土的三项基本物理性质指标（此三项均由实验室测定）（1）土的密度和土的重度1）物理意义：为单位体积土的重量，。单位体积土所受的重力，即。2）表达式 (1.3)3）常见值：。4）测定方法：环刀法（粘性土和粉土），灌水法（卵石、砾石与原状砂）。（2）土粒比重1）物理意义：土中固体矿物的质量与同体积4时的纯水质量的比值。2）表达式： (1.4）3）常见值：砂土=2.652,69，粉土=2.702.71,粘性土2.722
11、.75，数值大小取决于矿物成分。4） 测定方法：比重瓶法；经验法。（3）土的含水率1）物理意义:土体中水的质量与固体矿物质量的比值，用百分数表示。2）表达式： （1.5）3）常见值：砂土，粘性土，粘性土呈坚硬状态。4）测定方法：烘箱法。2. 反映土的松密程度的指标（1）土的孔隙比1）物理意义：土中孔隙体积与固体颗粒体积之比。2）表达式： (1.6)3） 常见值：砂土，粘性土4）确定方法：由实测值推算。（2）土的孔隙度（孔隙率）1）物理意义：表示孔隙体积含量，土中空隙占总体积的百分比。2）表达式： (1.7)3）常见值：4）确定方法：由实测值推算。3. 反映土中含水程度的指标（1）含水率(前已述
12、)（2）土的饱和度1）物理意义：水在空隙中的充满程度。2）表达式： (1.8)3）常见值：4）确定方法：由实测值推算。5）工程应用：砂土和粉土以饱和度分为稍湿（0.5）、很湿（0.50.8）、饱和（0.8）三类。4. 特定条件下土的密度（重度）（1）土的干密度和土的干重度1）物理意义：干密度为单位体积土的质量，。2）土的干重度为单位体积干土所受的重力，即。3）表达式 (1.9)4） 常见值：。5）工程应用：干密度或干重度越大，表明土体越密实，表明工程质量越好。6）测定方法：环刀法，放射性同位素测试仪。（2）土的饱和密度和土的饱和重度1）物理意义：孔隙中全部充满水时单位体积土的质量，。孔隙中全部
13、充满水时单位体积土所受的重力，即。2）表达式 (1.10)3） 常见值：。（3）土的有效重度（浮重度）1）物理意义：地下水位以下土体单位体积土所受的重力扣除浮力。2）表达式 (1.11)3）常见值：。*有效密度： (1.12）延伸：各种密度和重度之间的大小关系规律总结：（1）当设时， （2）当设时，四、 土的物理状态指标1. 无粘性土的密实度（1） 孔隙比标准（同级配）（2） 相对密度标准： （1.13）用指标可将土的密实程度分为：松散（1/3）中密（1/32/3）三种状态。（3） 贯入试验标准 一种现场原位测试试验：63.5kg钢锤提升76cm高度贯入30cm所需锤击数N，反映贯入阻力的大小，亦即密实度的大小，将土分为松散（
