工程地质学--第五章-土的工程性质及分类说课讲解.ppt

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1、工程地质学-第五章-土的工程性质及分类 土是岩石在风化破碎、搬运和沉积等一系列作用下形成的未固结成岩的松散堆积物。搬运、沉积搬运、沉积土土地球岩石岩石地球 风化风化形成过程形成过程形成条件形成条件物理力学物理力学性质性质影响气相固相液相+构成土骨架，起决定作用构成土骨架，起决定作用重要影响重要影响土体次要作用次要作用 土是由固体颗粒（固相）、颗粒间的孔隙水（液相）和气体（气相）组成的三相体系。由于三相性质的差异，三相物质的相对比例不同及三相间相互作用，共同反映了土的物理性质和物理状态的不同，即决定了土的物理性质和状态，而土的物理性质和状态又在很大程度上决定了它的力学性质。研究土的工程地质特性就

2、必须了解土的三相组成的比例、天然状态下的土的结构和构造等特征，同时还要熟悉描述土的物理性质及状态的指标，掌握土的工程分类原则和标准。5.1 土的组成与结构、构造 土的三相组成中，固体颗粒（土粒）是最主要的组成部分，构成土的骨架主体。三相之间的相互作用，土粒居于主导地位。从本质而言，土的工程性质主要取决于组成土的土粒大小和矿物成分类型即土的粒度成分和矿物成分。所以，各种类型土的划分，首先要根据组成土的土粒成分（土的粒度成分和矿物成分）。而土的结构特征，也是通过土粒大小、形状、排列方式及其相互连接关系反映出来的。5.1.1 土的粒度成分 土的粒度成分是决定土的工程性质的主要内在因素之一，因而也是土

3、的类别划分的主要依据。1.粒组划分、组成与土的工程性质关系 土是有各种大小不同的颗粒组成的，颗粒大小以直径（单位mm）计，称为粒径。介于一定粒径范围的成分相近、性质相似的土粒，称为粒组或粒级。土土的的粒粒径径由由大大到到小小逐逐渐渐变变化化时时，土土的的工工程程性性质质也也相相应应地地发发生生变变化化。因因此此，在在工工程程上上粒粒组组的的划划分分在在于于使使同同一一粒粒组组土土粒粒的的工工程程性性质质相相近近，而与而与相邻粒组土粒的性质有明显差别。粒组土粒的性质有明显差别。dmm卵石卵石砾石砾石砂粒砂粒粉粒粉粒粘粒粘粒胶粒胶粒60602 20.050.050.0050.005 0.0020.

4、0020.250.5520粗 中细 粗 中 细极细0.0750.075粗粒土粗粒土细粒土细粒土 界限粒径 各粒组特征的规律：颗粒越细小，与水的作用越强烈。表现为：毛细作用由无到毛细上升高度逐渐增大；透水性由大到小，甚至不透水；逐渐由无粘性、无塑性到具有很大的粘性和塑性以及吸水膨胀性等一系列特殊性质（结合水发育的结果）；在力学性质上，强度逐渐变小，受外力时，愈易变形。优势粒组优势粒组 各各类类土土都都是是各各粒粒组组颗颗粒粒的的组组合合。土土的的工工程程性性质与土中哪一粒组含量占优势有关。质与土中哪一粒组含量占优势有关。土土中中含含大大量量砂砂粒粒时时，则则透透水水性性大大，粘粘性性和和塑塑性弱

5、；性弱；土土中中含含大大量量粘粘粒粒时时，则则透透水水性性小小，有有显显著著的的粘性、塑性及膨胀性等。粘性、塑性及膨胀性等。2.2.粒度成分对土工程性质影响的实质粒度成分对土工程性质影响的实质 组组成成土土的的颗颗粒粒大大小小不不同同，土土的的比比表表面面不不同同，则则土土粒粒与与水水（或或气气）作作用用的的表表面面能能大大小小不不同同。因因此此，不不同同大大小小颗颗粒粒与与水水（或或气气）相相互互作作用用的的程度，以致含水的种类、性质和数量不同。程度，以致含水的种类、性质和数量不同。天天然然土土中中不不同同大大小小颗颗粒粒的的组组成成矿矿物物类类型型不不同同，直接影响土的工程特性。直接影响土

6、的工程特性。3.粒度分析及其成果表示粒径级配各粒组的相对含量，用质量百分数来表示。确定方法 筛分法：适用于粗粒土(0.075mm)水分法：适用于细粒土(0.075mm)表述方法表述方法 粒径级配累积曲线粒径级配累积曲线筛分法（d0.075mm的土）密度计法（d1g/cm1g/cm3 3 冰点处于零下几十度冰点处于零下几十度 具有固体的的特性具有固体的的特性 温度高于温度高于100C100C时可蒸发时可蒸发强结合水强结合水 位于强结合水之外，电场引位于强结合水之外，电场引 力作用范围之内力作用范围之内 外力作用下可以移动外力作用下可以移动 不因重力而移动，有粘滞性不因重力而移动，有粘滞性弱结合水

7、弱结合水毛细水毛细水vv分分布布在在结结合合水水外外围围，受受土土粒粒表表面面的的静静电电影影响响和和重重力力作作用用的的控控制制。所所以以毛毛细细水水是是存存在在于于土土中中细细小小的的孔孔隙隙中中、因因与与土土颗颗粒粒的的分分子子引引力力和和水水与与空空气气界界面面的的表表面面张张力力共共同同作作用用构构成成的的毛毛细细作作用用而而与与土土颗颗粒粒结结合合，存存在在于于一一种种过过渡渡类类型型水水。毛毛细细水水的的性性质质一一方方面面与与结结合合水水相相似似，另另一一方方面面与与重重力力水水相相仿仿，所所以以说说是是结结合合水水与与重重力力水水之之间间的过渡类型。的过渡类型。毛细水受土粒表

8、面静电引力的影响紧密一些，因此它的冰点比重力水低(在摄氏零度以下)，并有极微弱的抗剪强度，也能传递静水压力。在外力较小的情况下，它不同于结合水，而和重力水一样，立即发生显著的流动，并作层流运动。毛细管现象的物理解释毛细管现象的物理解释vv一一般般认认为为，在在土土的的孔孔隙隙中中，水水与与土土粒粒表表面面的的浸浸湿湿力力(分分子子引引力力)使使接接近近土土粒粒的的水水上上升升，而而孔孔隙隙中中的的水水形形成成弯弯液液面面，水水与与空空气气界界面面的的内内聚聚力力(表表面面张张力力)总总是是企企图图缩缩小小至至最最小小面面积积，即即使使弯弯液液面面变变为为水水平平面面。但但当当弯弯液液面面的的中

9、中心心部部分分有有所所升升起起时时，水水面面与与土土粒粒间间的的浸浸湿湿力力又又立立即即将将弯弯液液面面的的边边缘缘牵牵引引上上去去。这这样样，浸浸湿湿力力使使毛毛细细水水上上升升，并并保保持持弯弯液液面面，直直到到毛毛细细水水柱柱的的重重力力与与弯弯液液面面表表面面张张力力向向上上方方的的分分力力平平衡衡时时，水水才才停停止止上上升升。这这种种由由弯弯液液面面产产生生的的向向上上拉拉力力称称为为“毛毛细细力力”。由由毛毛细细力力维维持的水柱这部分水即为毛细水。持的水柱这部分水即为毛细水。毛细水的存在范围毛细水的存在范围vv主主要要存存在在于于砂砂土土的的毛毛细细孔孔隙隙(孔孔径径为为0.50

10、.50.002mm)0.002mm)中中。孔孔隙隙更更细细小小者者，土土粒粒周周围围的的结结合合水水膜膜有有可可能能充充满满孔孔隙隙而而不不能能再再有有毛毛细细水水。粗粗大大的孔隙，的孔隙，毛细力极弱，难以形成毛细水。毛细力极弱，难以形成毛细水。vv在在非非饱饱和和土土中中局局部部存存在在毛毛细细水水时时，产产生生毛毛细细内内聚聚力力或或假假内内聚聚力力，使使土土粒粒间间的的有有效效应应力力增增高高而而增增加加土土的的强强度度。但但当当土土体体浸浸水水饱饱和和或或失失水水干干燥燥时时，这这种种内内聚聚力力消消失失。在在工工程程上上为为安安全全考考虑虑，不不考考虑虑毛毛细细水水在在某某些些情情况

11、况下下引引起起的的有有利利因因素素，反反而而考考虑虑毛毛细细水水上上升升使使土土层层含含水水量量增增大大，从从而而降降低低土土的的强强度度和和增增大大土土的的压压缩缩性性等不利影响。等不利影响。vv当当毛毛细细水水上上升升接接近近建建筑筑物物基基础础底底面面时时，毛毛细细压压力力作作为为基基底底附附加压力的增值，加压力的增值，可能加大建筑物沉降量。可能加大建筑物沉降量。vv当当毛毛细细水水上上升升至至近近地地表表时时，不不仅仅能能引引起起沼沼泽泽化化、盐盐渍渍化化，而而且也使地基、路基土浸湿，且也使地基、路基土浸湿，降低土的力学强度；降低土的力学强度；vv在寒冷地区，还将在寒冷地区，还将加剧冻

12、胀作用。加剧冻胀作用。vv浸浸润润基基础础或或管管道道时时，水水中中盐盐分分对对混混凝凝土土和和金金属属材材料料常常具具有有腐腐蚀作用。蚀作用。毛细水对土工程性质及建筑工程的影响毛细水对土工程性质及建筑工程的影响重力水（自由水）重力水（自由水）分分布布在在毛毛细细水水层层以以外外，存存在在于于较较粗粗大大的的孔孔隙隙中中。水水分分子子不不受受土土粒粒表表面面静静电电引引力力的的影影响响，具具有有自自由由活活动动的的能能力力，只只受受重重力力的的控控制制，能能传传递静水压力。递静水压力。vv机机械械潜潜蚀蚀作作用用：水水在在流流动动时时产产生生动动水水压压力力，冲刷带走土中的细小颗粒的作用。冲刷

13、带走土中的细小颗粒的作用。vv化学潜蚀作用：溶解矿物颗粒的能力。化学潜蚀作用：溶解矿物颗粒的能力。潜潜蚀蚀作作用用的的结结果果使使土土体体中中的的孔孔隙隙增增大大，压压缩性提高，抗剪强度降低。缩性提高，抗剪强度降低。固态水固态水 在在常常压压下下，当当温温度度低低于于00时时，孔孔隙隙中中的的水水冻冻结结呈呈固固态态，往往往往以以冰冰夹夹层层、冰冰透透镜镜体体、细细小小的的冰冰晶晶体体等等形形式式存存在在于于土土中中。固固态态水水在在土土中中起起胶胶结结作作用用，提提高高了了土土的的强强度度。但但解解冻冻后后，土土体体的的强强度度往往往往低低于于结结冰冰前前的的强强度度，因因为为从从液液态态水

14、水转转为为固固态态水水时时，体体积积膨膨胀胀，使使土土体孔隙增大，解冻后土结构变得松散。体孔隙增大，解冻后土结构变得松散。气态水气态水 气气态态水水以以水水气气状状态态存存在在，严严格格地地讲讲，它它应应属属土土的的气气体体相相部部分分。它它可可以以从从气气压压高高的的地地方方向向气气压压低低的的地地方方移移动动，可可在在土土粒粒表表面面凝凝结结成成其其它它类类型型的的水水，在在一一定定的的温温度度与与压压力力条条件件下下，与与液液态态水水保保持持着着动动态态平平衡衡。气气态态水水的的迁迁移移和和聚聚凝凝可可使使土土中中水水和和气气体体的的分分布布状状况况发发生生变化，使土的性质改变。变化，使

15、土的性质改变。2.土中气体v自由气体：与大气连通，对土的性质影响不大v封闭气体：增加土的弹性；阻塞渗流通道 主要为空气和水气。但有时也可能会含有较多的二氧化碳、沼气及硫化氢等气体。这些气体大多因生物化学作用生成。与土中液体相组成部分比较起来，气体对于土体的工程地质性质影响较小；但在某些情况下，却有重要的意义。它能影响到土体的强度和变形。5.1.4 土的结构和构造 土的工程性质及其变化，除取决于其物质成分外，在较大的程度上还取决于土的结构和构造。1.土的结构 土的结构是指土颗粒本身的特点和颗粒间相互关系的综合特征。具体来说是指:(1)土颗粒本身的特点:大小、形状和摩圆度及表面性质等。这些结构特征

16、对粗粒土的物理力学性质有重要影响.但对细粒土的影响不大。(2)土颗粒之间的相互关系特点:粒间排列及其连结性质。据此可把土的结构分为单粒结构和集合体结构。这两大类结构特征的形成和变化取决于土的颗粒组成、矿物成分和所处环境条件。单粒结构(散粒结构）：碎石（卵石）、砾石类土和砂土等无粘性土的基本结构形式。单粒结构对土的工程性质影响取决于松密程度。而松密程度取决于沉积条件和后来的变化作用。疏疏松松的的：当当堆堆积积速速度度快快，土土粒粒浑浑圆圆度度又又较较低低时时，如如洪洪水水泛泛滥滥堆堆积积的的砂砂层层、砾砾石石层层，往往往往形形成成较较疏疏松松的的单单粒粒结结构构，可可存存在在较较大大孔孔隙隙，孔

17、孔隙隙率率亦亦大大，土土粒粒位位置置不不稳稳定定，在在较较大大压压力力，特特别别是是动动荷荷载载作作用用下下，土土粒粒易易移移动而趋于紧密。动而趋于紧密。紧紧密密的的：当当土土粒粒堆堆积积过过程程缓缓慢慢，并并且且被被反反复复推推移移。如如海海、湖湖岸岸边边激激浪浪的的冲冲击击推推移移作作用用，所所沉沉积积的的砂砂层层常常呈呈紧紧密密的的单单粒粒结结构构。砂砂粒粒浑浑圆圆光光滑滑者者排排列列将将更更紧紧密密，孔孔隙隙小小，孔孔隙隙率率也也小小，土土粒粒位位置置较较稳稳定定。因因此此，具具有有坚固的土粒骨架，静荷载对它几乎没有压缩作用。坚固的土粒骨架，静荷载对它几乎没有压缩作用。总总之之，具具有

18、有单单粒粒结结构构的的碎碎石石土土和和砂砂土土，孔孔隙隙比比较较小小，孔孔隙隙大大，透透水水性性强强，土土粒粒间间一一般般没没有有内内聚聚力力，但但土土粒粒相相互互依依靠靠支支承承，内内摩摩擦擦力力大大、并并且且受受压压力力时时土土体体积积变变化化较较小小。再再者者，由由于于这这类类土土的的透透水水性性强强，孔孔隙隙水水很很容容易易排排出出，在在荷荷载载作作用用下下压压密密过过程程很很快快。因因此此、即即使使原原来来比比较较疏疏松松，当当建建筑筑物物结构封顶，地基沉降也告完成。结构封顶，地基沉降也告完成。所所以以，对对于于具具有有单单粒粒结结构构的的土土体体，一一般般情情况况(静静荷载作用荷载

19、作用)下可以不必担心它的强度和变形问题。下可以不必担心它的强度和变形问题。集合体结构(团聚结构或絮凝结构）：粘性土特有结构形式。据颗粒组成、连结特点及性状的差异性，分为：据颗粒组成、连结特点及性状的差异性，分为：蜂蜂窝窝状状结结构构：由由较较粗粗粘粘粒粒和和粉粉粒粒的的单单个个颗颗粒粒之之间间以以面面-点点、边边-点点或或边边-边边受受异异性性电电引引力力和和分分子子引引力力相连结组合面成的疏松多孔结构。相连结组合面成的疏松多孔结构。絮絮状状结结构构：由由更更小小粘粘粒粒连连结结形形成成的的，是是上上述述蜂蜂窝窝状状的的若若干干聚聚粒粒之之间间，以以面面-边边或或边边-边边连连结结组组合合而而

20、成的更疏松、孔隙体积更大的结构。成的更疏松、孔隙体积更大的结构。集合体结构集合体结构分类分类具有集合体结构的土体的特征具有集合体结构的土体的特征 孔孔隙隙度度很很大大(可可达达50509898)，而而各各单单独独孔孔隙隙的的直直径径很很小小。特特别别是是聚聚粒粒絮絮凝凝结结构构的的孔孔隙隙更更小小，但但孔孔隙隙度度更大。更大。因此，土的压缩性更大；因此，土的压缩性更大；水水容容重重、含含水水量量很很大大，往往往往超超过过5050，而而且且因因以以结结合水为主，排水困难，合水为主，排水困难，压缩过程缓慢；压缩过程缓慢；具具有有大大的的易易变变性性-不不稳稳定定性性：外外界界条条件件变变化化(如如

21、加加压压、震震动动、干干燥燥、浸浸湿湿以以及及水水溶溶液液成成分分和和性性质质变变化化等等)对对它它的的影影响响很很敏敏感感，且且往往往往使使之之产产生生质质的的变变化化。故故集集合合体体结结构构又又称称为为易易变变结结构构。例例如如，软软粘粘性性土土的的触触变变性性就就是由于这类结构的不稳定性而形成的一种持殊性质。是由于这类结构的不稳定性而形成的一种持殊性质。2.土的构造 土的构造是指整个土层(土体)构成上的不均匀性特征的总合。整个土体构成上的不均匀性包括：层理、夹层、透镜体、结核、组成颗粒大小悬殊及裂隙发育程度与特征等。这种构成上的不均匀性是由于土的矿物成分及结构变化所造成的。一般土体的构

22、造在水平方向或竖立方向变化往往较大，其特征受成因控制。研究土体构造特征的重要意义研究土体构造特征的重要意义 (1)(1)土土体体构构造造特特征征反反映映土土体体在在力力学学性性质质和和其其他他工工程程性性质质的的各各向向异异性性或或土土体体各各部部位位的的不均匀性。不均匀性。因此，要掌握其变化规律。因此，要掌握其变化规律。例1:由砂土和粘性土组成的层状或互层构造土体的物理力学性质都显示了各向异性的特点。例2:黄土由于其垂直节理发育,其抗水稳定性和力学稳定性强烈降低,特别是在边坡地段,沿节理极易产生滑坡和塌方现象.(2)土体的结构特征是决定勘探、取样或原位测试布置方案和数量的重要因素之一。例如在

23、山前或山谷口洪积扇地带的建筑场地,按其土体的结构特点,则应对沿山沟口到洪积扇外缘方向多布孔,但勘探线间距可增大。土土体体的的构构造造和和它它的的结结构构特特征征一一样样，也也是是在在它它生生成成过过程程各各有有关关因因素素作作用用下下形形成成的的。所所以以，每每种种成成因因类类型型的的土土体体，都都具具有有其其各各自自特特有有的的构构造：造：vv碎石土：碎石土：粗石状构造和假斑状构造粗石状构造和假斑状构造粗石状构造粗石状构造 由由相相互互挤挤靠靠着着的的粗粗大大碎碎屑屑形形成成骨骨架架，外外表表很很象象“干干砌砌石石”一一样样。岩岩堆堆、泥泥石石流流上上游游堆堆积积及及山山区区河河流流上上游游

24、的的河河床床沉沉积积物物等等常常具具有有这这种种构构造造特征。特征。这这种种构构造造的的土土体体，一一般般具具有有很很高高的的强强度度和和很很好好的的透透水水性性(但但还还取取决决于于粗粗大大碎碎屑屑孔孔隙隙间间充充填填物的性质和充填程度物的性质和充填程度)。假斑状构造假斑状构造 在在较较细细颗颗粒粒组组成成的的土土体体中中，混混杂杂着着一一些些较较粗粗或或粗粗大大碎碎屑屑，而而粗粗大大碎碎屑屑(颗颗粒粒)互互不不接接触触，不不能能形形成成骨骨架架。例例如如，洪洪积积扇扇中中上上部部位位等等常常具具有有这种特征。这种特征。这这种种构构造造土土体体的的工工程程性性质质，主主要要取取决决于于其其中

25、中细细粒粒物物质质的的成成分分(土土类类)、性性质质、特特别别是是所所处处稠稠度度状状态态(对对于于粘粘性性土土)或或密密实实状状态态(对对于于砂砂土土和和粉土粉土)。夹层或透镜体构造夹层或透镜体构造 在在砂砂土土和和砂砂质质粉粉土土层层中中，常常具具有有粘粘性性土土或或淤淤泥泥质质粘粘性性土土夹夹层层和和透透镜镜体体构构造造，形形成成土土体体中中的的软软弱弱面面，而而可可能能造造成成建建筑筑物物地地基基失失稳稳或或边边坡坡土土体体产产生生滑滑动动；其其力力学学性性质质和和透透水水性性呈呈各各向异性。向异性。v 砂土和砂质粉土：各种不同形式的夹层、透镜体或交错层构造 交错层构造交错层构造 粒粒

26、度度较较均均匀匀的的交交错错层层构构造造，如如风风积积砂砂等等，对对其其性性质质可可看看成成是是均均质质的的在在静静荷荷载载作作用用下下强度较高。强度较高。夹层或透镜体构造夹层或透镜体构造 河河流流三三角角洲洲沉沉积积的的粘粘性性土土层层中中，常常含含有有砂砂夹夹层层或或透透镜镜体体。对对这这类类构构造造土土体体，除除需需注注意意其其物物理理力力学学性性质质的的各各向向异异性性特特征征外外，其其中中的的砂砂夹夹层层对对加加速速土土体体在在荷荷载载作作用用下下的的固结和强度增长是有利的。固结和强度增长是有利的。v 粘性土：层状、显微层状构造及各种裂隙、节理构造 显微层状构造显微层状构造 显显微微

27、层层状状构构造造是是指指厚厚层层粘粘性性土土层层中中间间夹夹数数量量极极多多的的极极薄薄层层(厚厚度度常常仅仅1 12mm)2mm)砂砂，呈呈“干干层层饼饼”状状的的构构造造。为为滨滨海海相相或或三三角角洲洲相相静静水水环环境境沉沉积积者者所所具具有有。这这类类构构造造也也使使土土体体具具有各向异性，并有利于排水固结。有各向异性，并有利于排水固结。膨膨胀胀土土的的裂裂隙隙常常在在其其近近地地表表2 23m3m以以浅浅范范围围呈呈网网状状分分布布，上上宽宽下下窄窄直直至至消消失失，一一般般宽宽度度常常达达2 25mm5mm，内内充充填填有有高高岭岭石石或或伊伊里里石石等等粘粘土土矿矿物物，浸浸水

28、水后后软软化化。粘粘性性土土层层的的裂裂隙隙、节节理理构构造造，使使土体丧失整体性，强度和稳定性剧烈降低。土体丧失整体性，强度和稳定性剧烈降低。裂隙、节理构造裂隙、节理构造5.2 土的物理力学性质及其指标5.2.1 土的三相比例指标 三相比例指标反映了土的干燥与潮湿、疏松与紧密，是评价土的工程性质的最基本的物理性质指标。土的三相比例指标包括土的颗粒比重、重度、含水量、饱和度、孔隙比和孔隙率等。WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量质量体积体积 三相草图三相草图（1）颗粒比重dS：土粒重量与同体积4时水的重量之比，在数值上等于单位体积土粒（固体部分）的重量。土的颗粒比重

29、决定于土的矿物成分。WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量质量体积体积（2）土的重度：单位体积土的重量。土的重度取决于土粒的重量，孔隙体积的大小和孔隙中水的重量，综合反映了土的组成和结构特性。土粒比重一般范围:粘性土 2.702.75；砂土 2.651.三相比例指标（3）土的干重度d、饱和重度sat和浮重度 土单位体积中固体颗粒部分的重量称为土的干重度d。在工程上常把干重度作为评定土体紧密程度的标准，以控制填土工程的施工质量。土孔隙中充满水时的单位体积质量，称为土的饱和重度 sat。在地下水位以下，单位土体积中土粒的重量扣除浮力后，即为单位土体积中土粒的有效重量，称为

30、土的浮重度。sat w（4）土的含水量W：土中水的重量与土粒重量之比，称为土的含水量，以百分数计。含水量是标志土的湿度的一个重要物理指标，与土的种类、埋藏条件及其所处的自然地理环境有关。（5）土的饱和度S:土中被水充满的孔隙体积与孔隙总体积之比，称为土的饱和度，以百分率计。饱和度值S越大，表明土孔隙中充水越多。工程实际中，按饱和度将土划分为三种含水状态：S50，稍湿的；S5080，很湿的；S 80，饱水的。（6）土的孔隙比e和孔隙率：土的孔隙比e是土中孔隙的体积与土粒体积之比。孔隙比是一个重要的物理性指标，可以用来评价天然土层的密实程度。一般e0.6的土为密实的低压缩性土，e1.0的土是疏松的

31、高压缩性土。土的孔隙率是土中孔隙所占的体积与总体积之比，用百分数表示。2.指标的换算关系 上述土的三相比例指标中，土粒的比重dS、含水量W和重度三个指标是通过试验测定的。在测定这三个指标后，可以推导出其余各个指标。WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量质量体积体积土的物理性质指标土的物理性质指标(三相间的比例关系三相间的比例关系)表表示示土的物理状态土的物理状态粗粒土的松密程度粗粒土的松密程度粘性土的软硬状态粘性土的软硬状态影响影响力学特性力学特性5.2.2 无粘性土的紧密状态 无粘性土包括碎石、砾石和砂类土等单粒结构的土。无粘性土的紧密状态是判定其工程性质的重要指标

32、，综合反映了无粘性土颗粒的岩石和矿物组成、粒度组成、颗粒形状和排列等对其工程性质的影响。无粘性土的紧密状态与其工程性质有着密切的关系。密实的砂土具有较高的强度和较低的压缩性，是良好的建筑物地基；但松散的砂土，尤其是饱和松散砂土，不仅强度低，且水稳定性很差，容易产生流砂、液化等工程事故。对砂土评价的主要问题是正确地划分其密实度。1.决定无粘性土紧密状态的因素 受荷历史：年代较老，有超压密历史的，密实度大。形成环境：洪积、坡积比冲积、冰积、海积的密实度小。颗粒组成：粗、不均匀，密实度大。矿物成分及颗粒形状：片状云母与柱状、粒状颗粒组成比，密实度小。2.无粘性土紧密状态指标及其确定方法 通常用来衡量

33、无粘性土密实程度的物理量有两个，一个是孔隙比，另一个是无粘性土的相对密度。（1）天然孔隙比e 砂土的承载力不论其颗粒组成的粗细，均随着天然孔隙比的减小而显著增大。通过测天然重度，换算天然孔隙比。天然重度测定方法地下水位以上湿砂：环刀法地下水位以上湿砂：环刀法地下水位以上干砂：灌砂法（注水法）地下水位以下砂土：难（2）相对密度Dr：天然孔隙比作为砂土密实状态的分类指标缺乏概括性，因土的密实度还与砂粒的形状、粒径级配等有关。例：疏松、级配良好的砂土孔隙比，比紧密、颗粒均匀的砂土孔隙比小。为了同时考虑孔隙比和级配的影响，引入相对密实度的概念。式中：emax最大孔隙比；emin 最小孔隙比；e天然孔隙

34、比砂土名称密实中密稍密疏松砾砂、粗砂、中砂细砂、粉砂0.600.700.600.750.700.850.750.850.850.950.850.95按天然孔隙比划分砂土的紧密状态0.670.330.20紧密状态Dr密实1中密0.67稍密0.33松散0.2按相对密度Dr划分砂土的紧密状态用孔隙比e为标准：优点：简捷方便；缺点：无法反映土的粒径级配因素。用相对密实度Dr为标准：优点：理论上完善；缺点：实际上难以操作。由于在实际工程中具体操作时难以取得无粘性土的原状试样，亦即难于确定其天然孔隙比，因此其应用就受到了一定限制。所以工程上还经常采用标准贯入试验。标准贯入试验是动力触探的一种，它利用一定的

35、锤击动能（锤重63.5kg，落距76cm），将一定规格的对开管式的贯入器打入钻孔孔底的土中，根据打入土中的贯阻抗，判别土层的工程性质。贯入阻抗用贯入器贯入土中30cm的锤击数N63.5表示，按标准贯入锤击数N63.5值确定砂土的密实度。按标准贯入锤击数N63.5值确定砂土的密实度 砂土密实度松散稍密中密密实N63.5N63.51010 N63.5 1515 N63.5 30N63.5 30碎石土密实度野外野外鉴别方法 密实度骨架颗粒含量和排列可挖性可钻性密实骨架颗粒质量大于总质量的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

36、壁较稳定中密骨架颗粒质量等于总质量的6070，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质量小于总质量的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，砂土充填物立即坍塌钻进较容易；冲击钻探时钻杆稍有跳动剧烈；孔壁易坍塌5.2.3 粘性土的物理特征1.粘性土的界限含水量 粘性土因含水量变化而表现出的稀稠软硬程度，称为稠度。它反映了土的软硬程度或对外力引起的变化或破坏的抵抗能力的性质。随着含水量的改变，粘性土将经历不同的物理状态。当含水量很大时，土是一种粘滞流

37、动的液体即泥浆，称为流动状态；随着含水量逐渐减少，粘滞流动的特点渐渐消失而显示出塑性，称为可塑状态；当含水量继续减少时，发现土的可塑性逐渐消失，从可塑状态变为半固体状态。如果同时测定含水量减少过程中的体积变化，则可发现土的体积随着含水量的减少而减小，但当含水量很小的时候，土的体积却不再随含水量的减少而减小了，这种状态称为固体状态。固态固态固态固态 缩限缩限缩限缩限半固态半固态半固态半固态塑限塑限塑限塑限塑态塑态塑态塑态液限液限液限液限流动状态流动状态流动状态流动状态小小小小大大大大含水量含水量含水量含水量界限含水量：粘性土由一种状态转到另一种状态时的分界含水量。液限wL：流动状态与可塑状态间的

38、分界含水量。流动状态与可塑状态间的分界含水量。塑限wP：可塑状态与半固体状态间分界含水量。可塑状态与半固体状态间分界含水量。缩限wS：半固体状态与固体状态间的分界含水量。半固体状态与固体状态间的分界含水量。一般采用锥式液限仪测定粘性土的液限；采用搓条法测试粘性土的塑限以及塑液限联合测定法求粘性土的液限和塑限。2.粘性土的塑性指数和液性指数（1）塑性指数Ip：液限与塑限的差值 表示土处在可塑状态的含水量的变化范围。表示土处在可塑状态的含水量的变化范围。Ip越大，越大，土处于可塑状态的含水量范围也越大，土的可塑性就越土处于可塑状态的含水量范围也越大，土的可塑性就越强。大小与土的粘粒含量、矿物成分及

39、土中水的离子成强。大小与土的粘粒含量、矿物成分及土中水的离子成分和浓度等因累有关。分和浓度等因累有关。塑性指数Ip常作为粘性土分类的作为粘性土分类的标准。岩土工程勘察规范按塑性指数标准。岩土工程勘察规范按塑性指数IPIP将粘性土分将粘性土分为：为：I IP P1717为粘土，为粘土，17I17IP P1010为粉质粘土，为粉质粘土，I IP P1010为粉土或为粉土或砂类土。砂类土。（2）液性指数IL：粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比。液性指数IL反映的是粘性土所处的软硬状态，根据液性指数IL数值划分粘性土的状态。粘性土的状态状态坚硬硬塑可塑软塑流塑液性指数ILIL00IL0.25

40、 0.25IL0.75 0.75IL1.0 IL1.0 5.2.4 土的力学性质 土的力学性质是指土在外力作用下所表现出来的一系列性质：主要包括土在压应力作用下体积缩小的压缩性和在剪应力作用下抵抗剪应力破坏的抗剪性，以及在动载荷作用下表现出来的一些性质。这里主要介绍土的压缩性和土的抗剪强度。1.土的压缩性 土在压力作用下体积缩小的特性。固体土粒固体土粒和水的可压缩量小，土的压缩可视为和水的可压缩量小，土的压缩可视为土中孔隙体积的减小。在荷载作用下，透水性大的饱和无粘性土，其压缩过程在短时间就可以结束。而对于透水性差的饱和粘性土，它的水分只能慢慢地排出，因此，它地压缩稳定所需地时间比砂土长得多。

41、土的压缩随时间而增长的过程，称为土的固结。饱和软粘性土的固结变形往往需要几年甚至几十年时间才能完成。所以必须考虑变形与时间的关系，以便控制施工加荷速率，确定建筑物的使用安全措施。对于饱和软粘性土而言，土的固结问题是十分重要的。水槽水槽内环内环环刀环刀透水石透水石试样试样传压板传压板百分表百分表（1）室内压缩实验 压缩试验时，用金属环刀切取保持天然结构的原状土样，并置于圆筒形压缩容器的刚性护环内，土样上下各垫有一块透水石，土样受压后土中水可以自由排出。由于金属环刀和刚性护环的限制，土样在压力作用下只可能发生竖向压缩，而无侧向变形。土样在天然状态下或经人工饱和后，进行逐级加压固结，以便测定各级压力

42、户作用下土样压缩稳定后的孔隙比变化。土土的的压压缩缩曲曲线线 土土的的孔孔隙隙比比与与相相应应压压力力的的关关系系曲曲线线，即即土土的的压压缩缩曲曲线线。压压缩缩曲曲线线两两种种方方法法绘绘制制：直直角角坐坐标标系系；双双对数坐标系。对数坐标系。在常规试验中，一般按P0.05、0.1、0.2、0.3、0.4MPa五级加荷。（2）土的压缩性指标 常用的土压缩性指标有压缩系数、压缩指数CC、压缩模量ES（室内压缩试验获得）和变形模量E（现场原位试验测试：如载荷试验、旁压试验等）。曲线愈陡，说明随着压力的增加，土孔隙比的减小愈显著，因而土的压缩性愈高。所以，曲线上任一点的切线斜率就表示了相应压力作用

43、下土的压缩性，称为压缩系数。压缩系数越大，土的压缩性就越大。为了便于应用和比较，并考虑到一般建筑地基收到的压力变化范围，一般采用P10.1MPa、P20.2MPa所得的压缩系数0.1-0.2来评定土得压缩性：0.1-0.2 0.1MPa-1时，属低压缩性土0.1MPa-1 0.1-0.2 0.5MPa-1时，属中压缩性土0.1-0.2 0.5MPa-1时，属高压缩性土 土土的的e-pe-p曲曲线线改改绘绘成成半半对对数数压压缩缩曲曲线线e elogplogp时时，它它的的后后段段接接近近直直线线。其其斜斜率率CcCc称称为为土土的压缩指数。的压缩指数。同样可以根据压缩指数的值来评定土的压缩性：

44、CC0.2时，属低压缩性土 CC0.20.4时，属中压缩性土 CC0.4时，属高压缩性土 根据ep曲线，可以求得另一个常用的压缩性指标压缩模量E。它是指土在完全侧限条件下受压时，相应的压力增量和应变增量的比值。为了便于比较和应用，工程上常采用压力间隔p10.1MPa和p20.2MPa所得的压缩模量ES(0.1-0.2)。ES(0.1-0.2)4MPa时，属高压缩性土 4MPa ES(0.1-0.2)15MPa时，属中压缩性土 ES(0.1-0.2)15MPa时，属低压缩性土2.土的抗剪强度 与土体强度有关的工程问题：建筑物地基稳定性、填方或挖方边坡、挡土墙压力等。土体强度表现为：一部分土体相对

45、与另一部分土体的滑动，滑动面上剪应力超过了极限抵抗能力即抗剪强度。所以，土的强度问题实质是土的抗剪强度问题。土的抗剪强度是指土体对于外荷载所产生的剪应力的极限抵抗能力。在外荷载的作用下，土体中任一截面将同时产生法向应力和剪应力，其中法向应力作用将使土体发生压密，而剪应力作用可使土体发生剪切变形。当土中一点某一截面上由外力所产生的剪应力达到土的抗剪强度时，它将沿着剪应力作用方向产生相对滑动，该点便发生剪切破坏。土的破坏主要是由于剪切所引起的，剪切破坏是土体破坏的重要特点。用直接剪切仪（简称直剪仪）来测定土的抗剪强度的试验称为直接剪切试验。直接剪切试验是测定预定剪破面上抗剪强度的最简便和最常用的方

46、法。直剪仪分应变控制式和应力控制式两种，前者以等应变速率使试样产生剪切位移直至剪破，后者是分级施加水平剪应力并测定相应的剪切位移。目前我国使用较多的是应变控制式直剪仪。试验时，通常用四个相同的试样，使它们分别在不同的正压应力作用下剪切破坏，得出相应的抗剪强度1、2、3、4，将试验结果绘制成下图所示的抗剪强度与正压应力关系曲线。抗剪强度与正压应力之间的关系 （a）无粘性土；（b）粘性土无粘性土的试验结果表明，它是通过原点而与横坐标成角的直线。由上式可知，无粘性土的抗剪强度不但决定于内摩擦角的大小，而且还随正应力的增加而增加，而内摩擦角的大小与无粘性土的密实度、土颗粒大小、形状、粗糙度和矿物成分以

47、及粒径级配的好坏程度等因素都有关，无粘性土的密实度愈大、土颗粒愈大，形状愈不规则、表向愈粗糙、级配愈好，则内摩擦角愈大。此外，无粘性土的含水量对严角的影响是水分在较粗颗粒之间起滑润作用、使摩阻力降低。粘性土的试验结果表明，粘性土的正压应力与抗剪强度之间基本上仍成直线关系，但不通过原点。由上式可知，无粘性土的抗剪强度不但决定于内摩擦角的大小，而且还随正应力的增加而增加以及内聚力的大小有关。经过长期的试验，人们认识到，土的抗剪强度指标c和是随试验条件变化而变的，其中关键是试验时的排水条件。3.土的动力特性 在震动或机器基础等的振动作用下，土体会发生一系列不同于静力作用下的物理力学现象。一般而言，土

48、体在动荷载作用下抗剪强度将有所降低，并且往往产生附加变形。土体在动荷载作用下抗剪强度降低及变形增大的幅度除决定于土的类别和状态等特性外，还与动荷载的振幅、频率及震动(或振动)加速度有关。5.3 土的工程分类5.3.1 土的工程分类原则与体系 自然界中土的种类很多，工程性质各异。为了便于正确系统地掌握各种土的工程地质特征，为工程规划、设计、施工提供必要的资料，按一定原则进行土的工程分类是十分重要的。土的工程分类的目的是：(1)根据土的类别大致判断土的基本工程特性，并结合其他因素评价地基土的承载力抗渗性与抗冲刷稳定性，在振动作用下的可液化性以及作为建筑材料的适宜性等；(2)根据土的分类合理确定不同

49、类型土的研究内容与方法；(3)当土的性质不能满足工程要求时，可根据土类确定相应的加固处理方法。土的工程分类应遵循以下原则：(1)考虑土的工程特性差异性的原则。根据土的各种主要工程特性，并以影响其特性的主要因素作为分类的依据，使所划分的不同土类之间在其主要工程特性方面有质或量上的显著差异。(2)以成因、地质年代为基础的原则。土的工程性质受其成因与形成年代的控制，不同成因类型和不同堆积年代的土，其物质成分、结构、构造和固结状态、强度与变形持征等具有明显差异。(3)分类指标便于测定的原则。所采用的分类指标即能综合反映土的基本工程特性，又要便于测定。土的工程分类体系：目前国内外主要有两种。（1）建筑工

50、程系统的分类体系：侧重于把土作为建筑地基和环境，故以原状土为基本对象。因此对土的分类除考虑土的组成外，很注重土的天然结构性，即土的粒间连接性质和强度。（2）材料系统的分类体系：侧重于把土作为建筑材料，用于路堤、土坝和填土地基等工程，以扰动土为基本对象，只考虑土的组成，不考虑土的天然结构性。5.3.2 我国工程土的分类 我国工程土的分类，首先考虑了按堆积年代和地质成因的划分，同时将某些特殊形成条件和特殊工程性质的区域性特殊土与普通土区别开来。在以上基础上，总体再按颗粒级配或塑性指数分为碎石土、砂土、粉土和粘性土四大类，并结合堆积年代、成因和某种特殊性质综合定名。5.4 土的成因类型特征 根据地质