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1、 土力学 2课程负责人: 谢康和浙江大学岩土工程研究所2008Warming-up专业词汇 Void Ratio Clay Cohesionless Soil Cohesive Soil Activity Index 活动性指数A Atterberg limits Liquid Limit Plastic Limit Shrinkage Limit Unsaturated soil Warming-up稠度consistency 不均匀系数coefficient of uniformity, uniformity coefficient 触变thixotropy 单粒结构single-grai
2、ned structure 蜂窝结构honeycomb structure 干重度dry unit weight 塑性指数plasticity index 含水量water content, moisture content 级配gradation, grading 结合水bound water, combined water, held water 颗粒级配particle size distribution of soils, mechanical composition of soil 粘性土的灵敏度sensitivity of cohesive soil 平均粒径mean diamet
3、er, average grain diameter 曲率系数coefficient of curvature第2章 土的物理性质与工程分类l2.1 概述l2.2 土的成因与组成l2.3 土的物理性质指标l2.4 无粘性土的物理性质l2.5 粘性土的物理性质l2.6 土的结构性l2.7 土的压实性l2.8 土的工程分类2.1 概述土作为建筑物地基的主体, 显然是土力学研究的主要对象。什么是土？简言之，土是岩石风化后的产物，是岩石经过外力地质作用而形成的碎散颗粒的集合体。土既然是散碎颗粒的集合体，颗粒间必然存在着孔隙，而孔隙中也必然包含着水或空气。因此，土是由土颗粒（固相）、水（液相）、和空气（
4、气相）组成的三相体。要研究土的性质就必须研究土的生成、组成及物理性质。而首先必须从研究土的成因着手。 2.2 土的成因与组成2.2.1 形成作用与成因类型（严格地说，土是由地质作用而生成的）地质作用导致地壳（3080km）成分变化和构造变化的作用。是土的生成的根本原因和动力。地质作用内力地质作用岩浆活动：岩浆从地球深处喷出地表，冷凝而成岩浆岩地壳运动升降运动：地壳的上拱 或下拗形成各种类型的 地质构造和地表 的基本形态（生成土和沉积岩）水平运动：使岩层产生 形态各异的褶皱和断裂 外力地质作用：包括气温变化、雨雪、山洪、河流、湖泊、海洋、冰川、风、生物等的作用；可概括为风化、剥蚀、搬运、沉积等作
5、用（生成岩浆岩和变质岩）地质作用内力地质作用由地球自转的旋转能和放射性元素的蜕变产生的热能所引起。外力地质作用由太阳的辐射能和地球的自重能所引起。内力与外力地质作用彼此独立又相互依存，前者对地壳的发展占主导地位。总之，地质作用形成了各种成因的地形，造就了岩浆岩、变质岩、沉积岩，也生成了土。对土的生成贡献最大的地质作用是风化作用。风化作用岩石经风化剥蚀作用而形成的碎散颗粒（土），有的存留在原地，有的则进一步经自然力的搬运而在别处沉积，这就形成了性质千差万别的各种土。物理风化：雨雪、冰川、风、热胀冷缩、冻融交替等对岩石的 剥蚀破坏作用（不改变颗粒矿物成份，只改变其大小和形状。量变）化学风化：水解、
6、离子交换、氧化还原等作用（细化颗粒, 并改变其矿物成分。质变）生物风化：微生物、植被等对岩石的破坏作用等风化作用按风化成因与沉积地理历史土的分类l按风化成因按沉积地理历史，土可分为： 残积土：未经自然力（水力、风力等）搬运，留存于原地的散碎体、碎 屑物。分布于山坡、山顶，近基岩。 沉积土：因各种自然力的作用和搬运而在他处沉积的土。 a. 风成沉积土：由风力形成。 b. 水成沉积土：由水力形成。 c. 冰川沉积土：由冰川活动形成。无粘性土：物理风化形成，颗粒较粗、相互无粘性、松散 （碎石、卵石、砂等。）粘性土：物理风化+化学风化形成，颗粒极细、相互粘结，湿呈粘性， 干则结硬（粘土、淤泥）土水成沉
7、积土水成沉积土又分为： 坡积土：由于雨雪水流的作用在平缓山坡沉积； 洪积土：由山洪的作用而形成； 冲积土：由于河流的作用搬运沉积而形成，包括平原河谷冲积土和山 区河谷冲积土；湖泊沉积土：在湖泊中沉积的土，包括沼泽沉积土；海相沉积土：各种冲积土被水力搬运至海洋而形成的。按海水深度的 不同可分为滨海沉积土、浅海沉积土、陆坡沉积土、深海沉积土（ 有机软泥）。三角洲沉积土：由于江河水流的搬运在江河入海口沉积而形成。土的形成年代地球的形成至今大约60亿年。相对地质年代根据古生物的演化和岩层形成的顺序，将地 壳历史划分成的一些自然时段，共划分为五大代：太古代、元古代 、古生代、中生代、新生代。代又分为纪，
8、纪又分为若干世和期，即代纪世期。每一地质年代中都划分有相应的地层，依次为界系统阶（层） 。在新生代中最新近的一个纪段称为第四纪，我们现在所见的土 就是在这一地质年代生成且尚未胶结成岩的，距今约1百万年。土的成岩作用需要指出：岩石经风化而成土，土也可经压实固结、脱水 、胶结硬化而成为岩石（沉积岩），即 当然这需要漫长的年代（以百万年计）。土与岩石的相互转化，虽然过程缓慢，但循环往复、 永不休止。这就是大自然演化的辩证法。岩石土。风化压实固结、胶结硬化2.2.2 土的组成1. 土中的固体颗粒 土中的固体颗粒（简称土粒）是土的主要组成部分，是土的骨架。土颗粒的大小、形状、矿物成分及组成情况是决定土的
9、物理力学性质的主要因素。（1）土的颗粒级配土是由大小不同的土粒组成的；随着颗粒的变化，土的性质将发生变化；例如：随着粒径的变细，土的性质由无粘性变为粘性。因此需区分土颗粒的大小和特征。为此, 常将其划分为不同的粒组(表2-1)。表2-1 土粒粒组的划分粒组名称粒径范围(mm)一般特征漂石或块石颗粒200透水性大，无粘性，无毛细水卵石或碎石颗粒20060圆砾或角砾 颗粒粗6020透水性大，无粘性，毛细水上升高度不超过 粒径大小中205细52砂粒粗20.5易透水，当混入云母等杂质时透水性减小， 而压缩性增加，无粘性，遇水不膨胀，干燥 时松散，毛细水上升高度不大，随粒径变小 而增大中0.50.25细
10、0.250.1极细0.10.075粉粒粗0.0750.01透水性小，湿时稍有粘性，遇水膨胀小，干 时稍有收缩，毛细水上升高度较大，极易出 现冻胀现象细0.010.005粘粒200mm）；卵石（或碎石）颗粒；圆砾（或角砾）颗粒；砂粒；粉粒；粘粒（0.1mm：将风干、分散的土通过一套孔径不同的标准筛 (孔径为0.075、0.1、0.25、20mm), 然后称出留在各筛子上的土重，然后算出占总重的百分数。颗粒级配曲线颗粒级配曲线以土中所含小于某粒径的土重含量（）为纵坐标，以土粒粒径（对数）为横坐标绘制的曲线。该曲线越平缓，表示该土所含土粒粒径相差越悬殊，土粒越不均匀，级配越好。则土的密实度越大，压缩
11、性越小，土越好。从该曲线可得：有效粒径d10；限定粒径d60；不均匀系数Cu= d60 / d10 ；曲率系数Cc=d302/（d60 d10）一般情况：Cu 10的土，属级配良好。对砾类土或砂类土： Cu 5且Cc=13，定名为良好级配砾或良好级配砂。 （2）土粒的矿物成分矿物地壳中天然生成的自然元素或化合物，也是构成岩石的基本元素或化合物。土的矿物成分组成土中固体颗粒的矿物类型、结构等。了解土粒的矿物成分，对认识土性十分重要。有机质：未分解的动植物残体；半分解的泥碳；全分解的腐殖质矿物质固体颗粒原生矿物：石英、云母、长石等次生矿物：粘土矿物；可溶盐（NaCl、CaCO3等）；无定形氧化物胶
12、体矿物成分l原生矿物（非粘土矿物）：由岩石物理风化而成，与母岩的矿物成 分相同，如石英、云母、长石等，以石英含量最多（因其不易化学 风化）。残积土、无粘性土一般均由此组成。l 次生矿物：由原生矿物进一步化学风化而成。如粘土矿物。粘土矿物是构成粘土的主要矿物。l 构成粘土矿物的两种晶片：硅氧晶片、铝氢氧晶片（如图2-2）。图2-2 粘土矿物晶片示意图1）常见粘土矿物两种基本晶片的不同组合就构成了不同的粘土矿物，主要有：蒙脱石 、伊利石、高岭石和绿泥石。（图23）l特点：扁平晶体结构（很薄, 1.0疏松、高压缩性。孔隙率： ，土中孔隙所占体积与总体积之比，以百分数表示。 6. 土的饱和度土中被水充
13、满的孔隙体积与总孔隙体积之比，以百分数表示。干土Sr = 0；饱和土Sr = 100%。7. 指标的换算l上述指标只有土粒比重ds、含水量w、土密度三个指标可通过试验测定， 其他指标则可由它们导出。常用图2-6（土的三相物理指标换算图）进行各 指标间关系的推导和换算。l令Vs = 1，则Vv = e，V = 1+e， ， 孔隙比 e 的推导：l 因为：l 所以：图2-6 土的三相物理指标换算图其他指标的推导对于饱和土：可见，土的三相物理指标共15个（ , w, e, n, Sr , 五种密度， 五种重度）。各指标的关系见表2-3。2.4 无粘性土的物理性质无粘性土主要是指砂土和碎石土，其工程性
14、质与其密实度密切相关。密实度 越大，土的强度越大。因此，密实度是反映无粘性土工程性质的主要指标 。评判无粘性土的密实度有以下方法：1. 根据相对密实度 判别e无粘性土的天然孔隙比； emax无粘性土的最大孔隙比（松砂 器法）； emin无粘性土的最小孔隙比（振击法）密实(1Dr0.67)；中密(0.67Dr0.33)；松散(0.33Dr0)。该法适用于透水性好的无粘性土，如纯砂、纯砾。2. 根据天然孔隙比判别e 越小，土越密实。一般，e 0.85时属松散。 该法适用 于砂土，但不能考虑矿物成分、级配等对密实度的影响。（见表2-4）表2-4 砂类土的密实度划分标准按相对密实 度Dr密实度密实的中
15、等密实的松散的指标1Dr0.670.67Dr0.330.33Dr0按孔隙比e中密稍密砾砂、粗砂 、中砂e 0.85细砂、粉砂e 0.953. 根据原位标准贯入等试验判别表2-5，密实（N 30）、中密（15N30）、稍密（10N15）、松散（N10）按标准贯入锤击数N密实度N10松散10N15稍密15N30中密N 30 密实表2-5 按标准贯入锤击数N判别砂土密实度4. 根据野外方法鉴别密实度骨架颗粒含量和排列可挖性可钻性密实骨架颗粒含量大于总重的 70%，呈交错排列，连续 接触锹、镐挖掘困难，用 撬棍方能松动；井壁 一般较稳定钻进极困难；冲击 钻探时，钻杆、吊 锤跳动剧烈；孔壁 较稳定中密骨架颗粒含量等于总重的 60%70%，呈交错排列 ，大部分接触锹、镐可挖掘；井壁 有掉块现象；从井壁 取出大颗粒处，能保 持颗粒凹面形状钻进较困难；冲击 钻探时，钻杆、吊 锤跳动不剧烈；孔 壁有坍塌现象稍密骨架颗粒含量小于总重的 60%，排列混乱，大部分 不接触锹可挖掘；井壁易坍 塌；从井壁取出大颗 粒后，充填物砂土立 即坍落钻进较容易；冲击 钻探时，钻杆稍有 跳动；孔壁易坍塌表2-6 碎石类土密实度野外鉴别方法（肉眼观察、挖、钻等）2.5 粘性土的物理性质2.5.1 粘性土的界限含水量2.5.2 粘性土的塑性指数和液性指数2.5.3 粘性
