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1、 第一章 土的物理性质与工程分类 土力学第一节 土的生成与特性一、土的生成 1形成作用地壳表层的岩石在阳光、大气、水和生物等因素影响下发生风化作用，使岩石崩解、破碎；经流水、风、冰川等动力搬运作用，在各种自然环境下沉积，形成土体，因此说：“土是岩石风化的产物”。风化作用包括：1） 物理风化 是指由于温度变化、水的冻胀、波浪冲击、地震等引起的物理力使岩体崩解、碎裂的过程，这种作用使岩体逐渐变成细小的颗粒。土体中的粗颗粒便是物理风化的产物。2） 化学风化 是指岩体(或岩块、岩屑)与空气、水和各种水溶液相互作用的过程，这种作用不仅使岩石颗粒变细，更重要的是使岩石的矿物成分发生变化，形成大量细微颗粒(
2、粘粒)和可溶盐类。土体中的粘粒便是化学风化的产物。3） 生物风化 由动物、植物和人类活动对岩体的破坏称生物风化，例如：长在岩石缝隙中的树，因树根伸展使岩石缝隙扩展开裂；人们开采矿山、石材，修铁路、打隧道，劈山修公路等活动形成的土等。2土的主要成因类型及其特征由于形成条件、搬运方式和沉积环境不同，自然界的土也就有不同的成因类型，可分为陆相沉积和海相沉积两类。1） 陆相沉积陆地环境下的沉积，包括：（1）残积土（物）岩石经风化作用后残留在原地的碎屑堆积物称为残积土，如图1-1a所示。残积土没有分选作用和层理构造，与基岩之间没有明显的界限，矿物成分与基岩大致相同。由于山区原始地形变化很大且岩层风化程度
3、不一，使残积土的厚度在小范围内就有很大变化。当残积土被风或降水带走一部分细小颗粒后土中存在较大的孔隙。因此，该种沉积土均匀性很差，作为建筑物地基时，要特别注意其不均匀沉降。（2）坡积土（物）高处的风化物经雨水、雪水或本身的重力作用搬运后，沉积在较平缓的山坡上的堆积物称为坡积土，如图1-1b所示。它般分布在坡腰上或坡脚下，其上部与残积土相接，坡积土的厚度变化很大，有时上部厚度不足1m，而下部可达几十米。坡积土由上而下具有一定的分选性，土质不均匀，还常易发生沿基岩倾斜面的滑动。尤其是新近堆积的坡积土土质疏松、压缩性较高，在工程建设中要引起重视。（3）洪积土在山区或高地由暂时性的山洪急流把大量的残积
4、土、坡积土，剥蚀、搬运到山谷中或山麓平原上而形成的堆积物称为洪积土，如图l-1c所示。山洪流出沟谷口后，由于流速骤减，被搬运的粗碎屑物质，如块石、砾石、粗砂等首先大量堆积下来，离山越远，洪积土的颗粒越细，分布范围也越来越广，形成扇形地貌，故也称为洪积扇。有时相邻沟谷口的洪积扇互相连接起来组成洪积扇群，称为洪积平原。洪积土具有分选性，但因搬运距离较短，颗粒磨圆程度较差，且山洪不规则地暴发，堆积物质各不一样，所以洪积土还具有不规则交替的层理构造，并具有夹层、尖灭等产状。一般地，靠近山地的粗粒碎屑堆积物，地下水位埋藏较深，土质较均匀，是良好的天然地基；离山较远的山前平原开阔地段由较细的粉砂、粘土颗粒
5、堆积，厚度较大，颗粒均匀，其形成过程中受到周期性干旱的影响，细小粘土颗粒发生凝聚作用，同时析出可镕性盐类，使土质较为密实，通常这部分洪积土也是良好的天然地由基；而中间地带，土粒组成复杂，常由于地下水溢出地面而形成沼泽地带，土质较弱而承载力较低，工程建设时应特别注意。（4）冲积土由河流流水作用将两岸基岩及其上部覆盖的物，剥蚀后，搬运、沉积在河流坡降平缓地带而形成的堆积物称为冲积土。冲积土具有明显的层理构造，由于搬运距离大，土颗粒的磨圆程度较好，搬运距离越大，沉积物的颗粒越细。冲积土分布很广，主要分为平原河谷冲积土和山区河谷冲积土。山区河谷的冲积土，如图1-1d所示，颗粒较粗，多为砂粒填充的卵石、
6、圆砾组成，所以，透水性好、压缩性小，是良好的建筑地基。平原河谷的冲积土，如图1-1e所示。河床沉积土大多为中密砾砂，承载力高且压缩性低，但必须注意河流的冲刷作用导致地基毁坏和岩坡稳定性问题；河漫滩沉积土具有两层地质构造，上层为河流泛滥的沉积物，颗粒较细局部夹有有机物，承载力低，压缩性大，下层河床沉积物为砂石类土，地基承载力高，但开挖时可能发生流砂现象，不可忽视；河流阶地是由河床沉积土和河漫滩沉积土上升演变而成，形成时间长，又受干燥作用，所以结构强度较高，是良好的地基。在河流入海或入湖口处，所搬运的大量细颗粒沉积下来，形成了面积相当宽广、厚度较大的三角洲沉积土，它的含水量很高，孔隙率大，呈饱和状
7、态，常有较厚的淤泥或淤泥质土层，因而承载力较低，压缩变形量大。但在三角洲沉积土的表面，有一层厚度不大且经过长期干燥而形成的粘性土硬壳层，承载力较高，可作为一般建筑物基础的持力层。图1-1 各种沉积土（a）残积土；（b）坡积土；（c）洪积土（d）山区河谷冲积土横断面；（e）平原河谷冲积土横断面（5）湖泊沉积土 由湖浪作用而在湖中沉积的堆积土称湖泊沉积土。 近岸的沉积土主要由粗颗粒的卵石、圆砾、砂土组成，作为地基具有较高的承载力；远岸的沉积土则主要由细颗粒的砂土、粘性土组成，承载力较前者低。湖心沉积土是由河流和湖流挟带的细小悬浮颗粒到达湖心后沉积，主要由粘土和淤泥组成，常夹有细砂粉砂薄层，该沉积土
8、强度低，压缩性高。若湖泊逐渐淤塞后则可变成沼泽，形成沼泽土，它主要是由泥炭（有机物含量近60以上）组成，其主要特征是：含水量极高，透水性极低，压缩性很高且不均匀，承载力也很低，一般不宜作为天然地基。此外还有冰积土和风积土。它们分别是在冰川地质作用和风的地质作用下形成的。2） 海相沉积由河水带入海洋的物质和海岸风化后的物质以及化学、生物物质在搬运过程中随着流速逐渐降低在海洋各分区(海滨、浅海、陆坡、深海地区)中沉积下来的堆积物称海洋沉积土。海滨（海水高潮位时淹没，低潮位时露出的海洋地带）沉积土主要由卵石、圆砾和砂等粗碎屑物质组成，有时有粘性土夹层，具有基本水平或缓倾斜的层理构造，作为地基，强度较
9、高；但在河流入海口地区常有淤泥沉积，这是河流带来的泥砂及有机物与海中有机物沉积的结果。浅海（水深约0200m，宽度约100200km的大陆架）沉积土主要由细颗粒砂土、粘性土、淤泥和生物化学沉积物组成；离海岸越远，沉积物的颗粒越细小；该沉积土具有层理构造，其中砂土比滨海带更疏松，易发生流砂现象，其分布广，厚度不均匀，压缩性高；在浅海带近代沉积的粘土则密度小、含水量高，因而其压缩性大、承载力低；而古老的粘土则密度大、含水量低，压缩性小，承载力高。陆坡（浅海区与深海区之间过渡的陆坡地带，水深约2001000m，宽度约100200km）及深海（水深超过1000m的海洋底盘）的沉积物主要为有机质淤泥，成
10、分均一。二、土的一般特性土的形成过程决定了它具有特殊的物理力学性质，与一般建筑材料相比，土具有三个重要特点。1散体性：颗粒之间无粘结或弱粘结，存在大量孔隙，可以透水、透气。2多相性：土往往是由固体颗粒、水和气体组成的三相体系，三相之间质和量的变化直接影响它的工程性质。3成层性：土粒在沉积过程中，不同阶段沉积物成分、颗粒大小及颜色等不同，而使竖向呈现成层的特征。4. 变异性：土是在自然界漫长的地质历史时期演化形成的多矿物组合体，性质复杂，不均匀，且随时间还在不断变化。第二节 土的三相组成一、土的三相组成在天然状态下，土是由固体、液体、气体三部分所组成的三相体系。固体部分即为土粒，由矿物颗粒或有机
11、质组成，构成土的骨架。骨架间有许多孔隙，可为水和气体所填充。土体三个组成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土的物理力学性质。1土的固体颗粒土的固体颗粒即为土的固相，是土的主要组成部分。土颗粒的大小、形状、矿物成分及颗粒级配对土的物理力学性质有明显的影响。1）土的颗粒级配自然界的土都是由大小不同的土粒所组成。当土粒的粒径在一定范围内变化时，这些土粒的性质接近，因此，工程上将不同的土粒按其粒径范围，划分成若干粒组。表1-1为建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）的划分标准；表1-2为水电部（SL237-1999）的划分标准；表1-3为土的分类标准（GBJ145-90）的划
12、分标准。 土粒粒组的划分 表1-1粒组统称粒 组 名 称粒径范围mm巨粒组漂石或块石颗粒200卵石或碎石颗粒20020粗粒组圆砾或角砾颗粒粗2010中105细52砂 粒粗20.5中0.50.25细0.250.1极细0.10.075细粒组粉 粒粗0.0750.01细0.010.005粘 粒0.005 土粒粒组的划分 表1-2粒组统称粒 组 名 称粒径范围mm巨粒组漂石或块石颗粒200卵石或碎石颗粒20060粗粒组圆砾或角砾颗粒粗6020中205细52砂 粒粗20.5中0.50.25细0.250.075细粒组粉 粒0.0750.005粘 粒0.005土粒粒组的划分 表1-3粒组统称粒 组 名 称粒
13、径范围mm巨粒组漂石或块石颗粒200卵石或碎石颗粒20060粗粒组圆砾或角砾颗粒粗6020细202砂 粒20.075细粒组粉 粒0.0750.005粘 粒0.005工程上，常以土中各粒组的相对含量（各粒组占土粒总重的百分数）表示土中颗粒大小的组成情况，即颗粒级配。颗粒级配可通过土的颗粒分析试验测定，其结果在半对数纸上绘出如图1-2所示的颗粒级配曲线a、b。根据曲线的陡缓可进行粗略分析：如曲线平缓，表示粒径相差悬殊，土粒不均匀，即级配良好（图1-2中a线）；反之，曲线很陡，表示粒径均匀，级配不好（图1-2中b线）。图1-2 颗粒级配曲线在工程计算中常以不均匀系数Cu作为定量分析，表示颗粒的不均匀
14、程度，即 （1-1）式中：d60小于某粒径土的质量占土总质量60时的粒径，该粒径称为限定粒径；d10小于某粒径土的质量占土总质量10时的粒径，该粒径称为有效粒径。颗粒级配曲线越陡，不均匀系数Cu越小、表示土粒越均匀。工程上把Cu10的土视为不均匀的。不均匀土颗粒级配良好，作为填方或垫层材料时，易获得较好的压实效果。实际上，单独只用一个指标Cu确定土的级配情况是不够的，要同时考虑级配曲线的的整体形状。所以，需参考曲率系数Cc值，即 （1-2）式中：d30小于某粒径的土的质量占土总质量30时的粒径。 一般认为：砾类土或砂类土同时满足Cu=510且Cc=13两个条件时，则定名为良好级配砾或良好级配砂，否则级配不好。2）土粒的矿物成分 土粒的矿物成分取决于母岩的矿物成分及风化作用，可分为原生矿物和次生矿物。原生矿物由岩石经过物理风化后形成，其矿物成分与母岩相同，常见的如石英、长石和云母等。一般较粗颗粒的砾石、砂等都是由原生矿物组成。这种矿物成分的性质较稳定，由其组成的土具有无粘性、透水性较大、压缩性较低等特征。次生矿物是岩石经化学风化后所形成的新的矿物，其成分与母岩
