土的物理性質及分類 土的物理性質及分類 第1節概述第2節土的組成第3節土的三相比例指標第4節無粘性土的密實度第5節粘性土的物理特征第6節土的滲透性第7節地基土 巖 的分類 第1節概述 土是巖石風化的產物 風化作用 物理作用 巖石產生量的變化 化學作用 生物作用 巖石產生質的變化 土是三相體 土 液相 水 氣相 氣 固相 土顆粒 土 殘積土 運積土 風成沉積土 水成沉積土 冰川沉積土 飽和土中的孔隙均被水所充填 所以飽和土為二相體 第2節土的組成 一 土的固相 一 土的顆粒級配按土顆粒粒徑 d 大小將土顆粒分組 稱為粒組 劃分粒組的分界尺寸稱為界限粒徑 巨粒 60mm 粗粒 0 075 60mm 細粒 0 075mm 土的粒組 土顆粒的大小及其組成情況 通常以土中土顆粒各個粒組的相對含量 各粒組占土粒總量的百分數 來表示 稱為土的顆粒級配 土的顆粒級配可由土的顆粒大小分析試驗 簡稱顆分試驗 測定 篩析法 密度計法 d 0 075mm 移液管法 d 0 075mm 顆分試驗 根據顆粒大小分析試驗結果 可以繪制顆粒級配累積曲線 橫坐標為粒徑 用對數坐標表示 縱坐標為小于某粒徑的土重含量 用常數坐標表示 顆粒級配曲線的坡度可以大致反映土的均勻程度 曲線陡 表示粒徑大小相差不多 土顆粒比較均勻 曲線緩 表示粒徑大小相差懸殊 土顆粒不均勻 級配良好 幾個特殊粒徑 d10 d30 d60小于某粒徑的土顆粒質量累積百分數為10 時 相應的粒徑稱為有效粒徑d10 與之類似可以得到d30和d60 限定粒徑 土顆粒的級配指標 不均勻系數Cu d60 d10曲率系數Cc d30 2 d60 d10 Cu反映大小不同粒組的分布情況 Cu越大 表示土顆粒大小的分布范圍越大 其級配良好 Cc描寫累積曲線的分布范圍 反映曲線的整體形狀 在一般情況下 Cu 5 均粒土 為級配不良 10 級配良好 Cu 5 Cc 1 3 級配良好 礫類土或砂類土 單獨用Cu來確定土的級配情況是不夠的 需同時參考Cc 二 土粒的礦物成分礦物成分對土的性質有著重要影響 其中以細粒組的礦物成分最為重要 原生礦物 包括石英 長石和云母等 為巖石物理風化的產物 化學性質穩定或較為穩定 次生礦物 為原生礦物化學風化的產物 土顆粒的礦物成分 原生礦物 次生礦物 次生礦物主要是粘土礦物 由于晶片結合的情況不同 便形成了具有不同性質的各種粘土礦物 主要有蒙脫石 伊里石和高嶺石 硅氧四面體 硅氧晶片 鋁氫氧八面體 鋁氫氧晶片 的基本單元粘土礦物結構 蒙脫石 親水性強 吸水膨脹 脫水收縮 伊里石 親水性中等高嶺石 親水性差 二 土的液相 土中水 結合水 自由水 強結合水 弱結合水 重力水 毛細水 土的含水量試驗所測定的為土中的自由水和弱結合水 三 土的氣相土孔隙中未被水所占據的部位由氣體充填 土中的氣體若與大氣相通 則對土的力學性質影響不大 若與大氣隔絕 使土的壓縮性提高 透水性減小 四 土的結構和構造土的結構是指由土粒單元的大小 形狀 相互排列及其聯結關系等因素形成的綜合特征 土的結構 絮狀結構 d 0 005mm 粘粒在海水中 蜂窩結構 d 0 005 0 075mm 粉粒 單粒結構 d 0 075mm 分散結構 d 0 005mm 粘粒在淡水中 緊密 疏松 第3節土的三相比例指標 土的三相比例指標定量反映了土的三相的組成情況 有助于理解土的基本物理性質 土 液相 水 氣相 氣 固相 土顆粒 土是三相體 為了對土的基本物理性質有所了解 需要對土的三相的組成情況進行定量研究 表示土的三相組成比例關系的指標 稱為土的三相比例指標 包括土粒比重ds 含水量w 密度 孔隙比e 孔隙率n和飽和度Sr 土粒比重ds 土粒質量與同體積的4 時純水的質量之比 在數值上等于土粒密度 但無量綱 在試驗室用 比重瓶法 測定 一般土粒比重的變化幅度不大 土的含水量w 土中水的質量與土粒質量之比 在試驗室一般用 烘干法 測定 一般來說 同一類土 當含水量增大時 其強度就降低 土的密度 干密度 飽和密度 有效密度 干重度 飽和重度 有效重度 土的密度 土單位體積的質量 在試驗室一般用 環刀法 測定 土的孔隙比e 土中孔隙體積與土粒體積之比 可以用來評價天然土層的密實程度 土的孔隙率n 土中孔隙體積與土體總體積之比 土的飽和度Sr 土中被水充滿的孔隙體積與孔隙總體積之比 第4節無粘性土的密實度 無粘性土的密實度與其工程性質有著密切的關系 呈密實狀態時 為良好地基 呈疏松狀態時 為不良地基 無粘性土的最小孔隙比emin 處于最緊密狀態的孔隙比 在試驗室可用 振擊法 測定 無粘性土的最大孔隙比emax 處于最疏松狀態的孔隙比 在試驗室可用 漏斗法 或 量筒法 測定 無粘性土的相對密實度Dr 無粘性土的最大孔隙比與天然孔隙比之差和最大孔隙比與最小孔隙比之差的比值 Dr emax e emax emin 相對密實度的值介于0 1之間 值越大 表示越密實 第5節粘性土的物理特征 一 粘性土的界限含水量同一種粘性土隨著含水量的不同 可分別處于固態 半固態 可塑狀態和流動狀態 粘性土由一種狀態轉到另一種狀態的分界含水量 稱為界限含水量 0 固態 半固態 可塑狀態 流動狀態 縮限ws 塑限wp 液限wl w 液限儀 錐式液限儀 碟式液限儀 塑限 搓條法 液限 塑限 液限 液塑限聯合測定儀 橫坐標 土樣含水量 縱坐標 圓錐入土深度 二 粘性土的塑性指數和液性指數塑性指數Ip為液限和塑限的差值 表示土處于可塑狀態的含水量變化范圍 塑性指數在一定程度上綜合反映了影響粘性土特征的各種重要因素 土的顆粒組成 土的礦物成分以及土中水的離子成分和濃度等 液性指數Il為粘性土的天然含水量和塑限的差值與塑性指數的比值 液性指數可以表示粘性土所處的軟硬狀態 液性指數的值越大 表示土質越軟 三 粘性土的靈敏度和觸變性土的靈敏度 原狀土的強度與同一土經重塑 含水量不變 土的結構被徹底破壞 后的強度之比 土的靈敏度越高 其結構性越強 受擾動后土的強度降低就越多 施工中要盡量減少對土結構的擾動 土的觸變性 粘性土的結構遭到破壞 其強度就會降低 但隨著時間發展土體的強度會逐漸恢復 這種膠體化學性質稱為土的觸變性 第6節土的滲透性 土的滲透性 水流通過土中孔隙難易程度的土體性質 達西定律 土中滲流速度v與水力梯度i之間呈線性比例關系 比例常數k稱為滲透系數 公式表示為 v ki在砂性土中水的流動滿足達西定律 在粘性土中只有當水頭梯度超過起始梯度 臨界梯度 梯度閾值 才開始發生滲流 第7節地基土 巖 的分類 一 巖石的工程分類 一 巖石按堅硬程度分類1 硬質巖石 qu 30MPa 2 軟質巖石 qu 30MPa 二 巖石的風化程度1 微風化2 中等風化3 強風化 二 土的工程分類 一般土 粗粒土 細粒土 礫類土 2 60mm 砂類土 0 075 2mm 粉土 0 075mm 粘土 0 075mm 巨粒土 60mm 特殊土 軟土 黃土 膨脹土等 工程用土 土按有機質含量 Wu 的分類 土 無機土 Wu 5 有機質土 10 Wu 5 泥炭質土 60 Wu 10 泥炭 Wu 60 注 有機質含量Wu按燒失量試驗確定 引自中華人民共和國國家標準 巖土工程勘察規范 GB50021 94 軟土 指在靜水或非常緩慢的流水環境中沉積 經生物化學作用下形成的軟弱土 物理力學特性軟土的 天然孔隙比大 e 1 天然含水量高 w wl 壓縮系數高 滲透系數小 抗剪強度低 靈敏度高 淤泥 e 1 5 淤泥質土 1 5 e 1 0 軟土 三 細粒土按塑性圖分類粗 細粒組的分界粒徑 0 075mm 土 粗粒土 按顆粒大小及級配分類 細粒土 按塑性圖分類 土的塑性指數雖然是劃分細粒土的良好指標 但是塑性指數反映的只是一個相對的含水量范圍 具有相同的塑性指數 液 塑限卻可能完全不同 土性也可能很不相同 細粒土的科學合理的分類 應綜合考慮塑性指數和液限 或塑限 0 Ip wl ML MH CH CL 40 Ip 0 63 wl 20 Ip 10 wl 40 有機質土可在相應的土類代號之后綴以代號O 如CHO MHO等 土的分類標準 1 粗粒土 試樣中粗粒組質量 總質量的50 2 細粒土 試樣中細粒組質量 總質量的50 3 含粗粒的細粒土 試樣中粗粒組質量為總質量的25 50 關于幾個問題的討論1 含水量 的名稱 一個指標的名稱應能準確地反映其所表示的內容和意義 用中國傳統的詞語習慣 量 應為一量詞 是有量綱 或單位 的 如 質量 單位為g或kg 重量 單位為N或kN 等 而從 含水量 的定義看 它是兩個質量之比 是無量綱的 所以從名稱的科學化 規范化的角度 從不至于造成混淆 便于理解的意義上 本人認為 含水量 的名稱需更改 現有學者將含水量改稱為 含水率 從無量綱上與定義是符合了 但本人認為似乎還不確切 因為 率 一般反映某相關部分占整體的比例 與時間有關的名詞排除在外 如速率 如 升學率 效率 孔隙率 等 而 含水量 的定義卻是整體中部分與部分的比值 所以稱 含水率 似也不妥 建議稱為 含水比 或 水比 水比 似更好一些 亦可與 孔隙比 相比照 2 液性指數 的名稱 塑性指數 為兩個含水量 液限和塑限 之差 而 液性指數 卻為兩個含水量之差的比值 完全不同的概念名稱卻都用 指數 的稱謂 似欠妥 不便于理解 可否改為 相對可塑度 與 液性指數 的定義相符 也可與無粘性土的 相對密實度 相比照 3 有機質含量與燒失量 現行的中華人民共和國國家標準 巖土工程勘察規范 GB50021 94 在按 有機質含量 對土進行分類時注明 有機質含量Wu按燒失量試驗確定 中國國家標準匯編 GB7876 87 中是這樣定義 燒失量 的 燒失量不包括吸濕水 僅包括有機質和水合水 石灰性土壤中還包括二氧化碳 由燒失量的定義可知 有機質含量高 燒失量就高 燒失量高 有機質含量卻并不一定高 也就是說 燒失量的高低并不一定能準確地反映土中的有機質含量水平 因此 燒失量與有機質含量是兩個不能相等同的概念 二者之間既有聯系又存在著區別 而現行的規范卻把兩個不同的概念混同了 由此可見 以與有機質含量不同概念的燒失量作為判定是否為有機土的指標 是不科學的 有失偏頗的 本人建議應當及時地修訂現行規范中的有關條款和內容 制定以真正的有機質含量作為衡量指標的科學的判定標準 4 孔隙率 從實用價值上看 在土力學中 孔隙率 這個指標的實用意義不大 況且與 孔隙比 的關系過于簡單 兩者保留一個即可 這不是原則問題 第2章內容勘誤 1 p24 從上向下第8行 單