注岩土力学讲义土的物理性质和工程分类

第十八章土力学与基础工程第一节土的物理性质和工程分类一、土力学、地基和基础的概念土力学是用力学知识和土工测试技术，研究土的物理、力学性质，研究土的变形及其强度规律的一门科学。工程上所研究的土，可作为建筑环境（如地下工程周围的土介质）、建筑材料（如修筑路基和土坝的土料）和支承建筑物荷载的地基。建筑物或构筑物可分为上部结构、下部结构两部分。下部结构即基础，其作用是支承上部结构荷载，并将其传给地基，见示意图18-1。二、土的生成和组成（一）土的生成土是岩石经风化（物理、化学、生物风化）作用后，再经其他各种外力地质作用（如搬运、沉积）的产物。是由固体颗粒、水和空气组成的三相体，这三种成分混合分布。为研究方便，将三相体中的固体颗粒（简称为土粒）、水和气体分别集中起来，用如图18-2所示的三相组成示意图来表示各部分之间的数量关系。图中符号的意义如下：（二）土的组成及相关概念简述1．固相——即土的颗粒，它的矿物成分、颗粒大小、形状与级配影响土的物理力学性质。(1)土的粒组，将土中颗粒按适当粒径范围分组，使各组内土粒大小、性质大体相近。划分粒组的分界尺寸，称为界限粒径。我国按界限粒径200、20、2、0.05、和0.005（单位为mm）把土粒分为六组：漂石（块石）、卵石、圆砾、砂粒、粉粒和粘粒。(2)土的级配，即土中各粒组的相对含量（各粒组质量占全部粒组质量的百分比），可通过颗粒分析试验测得，用级配累计曲线表示。如图18-3所示为三种土样的级配情况，利用级配曲线可求得不均匀系数Cu、曲率系数Cc以判断土的级配情况。不均匀系数(18-2)曲率系数(18-3)式中：d10、d30、d60——分别相当于累计百分比含量为10%、30%和60%的对应粒径，d10为有效粒径，d60为限制粒径。曲线越缓，Cu越大，表示土粒大小分布范围越大，Cu＞10，称为级配良好的土，宜作为良好地基。反之，曲线越陡，土粒大小分布范围越小，Cu＜5，称为均粒土，其级配不好，不宜做地基。可做反滤料。但实际上仅用单独一个指标Cu来确定土的级配情况是不够的，还必须同时考察累计曲线的整体形状，故需兼顾曲率系数Cu值。当同时满足不均匀系数Cu>5和曲率系数Cc=1～3这两个条件时，土为级配良好的土；如不能同时满足，则土为级配不良的土。(3)土的结构，指土粒及其集合体的大小、形状、相互排列与联结等综合特征。有三种：单粒结构（颗粒较大），如砂粒、碎石；蜂窝结构（颗粒较细），如粉粒；絮状结构（颗粒极细），如粘粒。(4)土的构造，指物质成分和颗粒大小等相近的各部分土层之间的相互联系特点。主要有层理构造（分水平、交错两种）、裂隙构造和分散构造。2．液相——即土中水。可以呈固态（冰）、液态（水）、气态（水蒸气）存在于土中。从水膜理论的角度来看，水的分类如下：（1）结合水强结合水（吸着水）可塑状态黏土仅含此水呈固态弱结合水（薄膜水）可塑状态黏土多含此水，特别对黏性土的性质影响大地下水位以下透水层中的水(2)自由水重力水地下水位以下透水层中的水毛细水孔隙中的自由水，也能在地下水位以上存在3．气相一一即土中气通畅气与大气相连，常存在于粗粒土中封闭气封闭于孔隙中，常存在于细粒土中三、土的三相比例指标（一）由试验直接测定的基本指标（1）土的重度（重力密度）γ：可用环刀法、灌砂法测定。天然状态下单位体积土的重力称为天然重度(kN/m3)，W=mg，而(18-4)453它与土的矿物成分、孔隙大小、含水多少等有关。一般γ=16～22kN/m3之间。(2)土的含水率ω：可用烘干法、酒精燃烧法测定。土中水的重力与土颗粒重力之比，称为含水率，常用百分比表示(18-5)它反映土的干湿程度。含水率越大土越湿越软，地基土承载力越低，我国沿海软黏土含水量常接近50%，高者达60%～70%，地基土容许承载力仅50～80kPa。（3）土里相对密度（旧称“比重”）ds：可用比重瓶法测定。土粒重力与同体积4℃时水的重力之比称为土粒相对密度，即(18-6)式中：γw－－4℃时水的重度，近似取γw=l0kN/m3。其大小随土粒矿物成分而异。砂土约为2.65～2.69，黏土在2.72～2.76之间。土中含大量有机质时，土粒相对密度则显著减少。（二）换算的物理性质指标1.土的饱和重度γsat、浮重度γ´及干土重度γd(1)饱和重度γsat。土的孔隙全部被水充满时的重度，称为饱和重度γsat(kN/m3)，即(18-7)(2)浮重度（有效重度）γ´。一般从地下水位以下取出的土，其天然重度，可作为饱和重度。当土处于地下水位以下时，则受到水的浮力作用，单位土体积中颗粒的有效重力，由单位土体积中土颗粒的重力扣除浮力后的重度称为土的浮重度γ´(kN/m3)，即（γw≈10kN/m3）(18-8)(3)干重度（干重力密度）单位土体积中固体颗粒的重力称为土的干重度γd(kN/m3)，即(18-9)干土重度反映土颗粒排列的紧密程度，工程上用γd作为人工填土压实质量的控制指标。一般γd达到l6kN/m3以上时，土就比较密实。2.土的孔隙比е土中孔隙体积与土的颗粒体积之比，称为孔隙比，即(18一10)它表明土的密实程度，建筑物的沉降与土的孔隙比有着密切的关系。天然状态的黏性土，一般当e<0.6时，土密实、压缩性低；当e>l.O时，土是松软的。高压缩性的淤泥质土、淤泥的e值则高达1.5以上。地基土层含有e>l.O的黏性土时，建筑物的沉降量较大。3.土的饱和度Sr土中水的体积与孔隙体积之比称为饱和度Sr，以百分数表示，即(18-11)它表示土的潮湿程度，如Sr=100%，表明土孔隙中充满水，土是完全饱和的；Sr=0，