第章 土的性质及工程分类

第二章土的性质及工程分类§2.4无粘性土的密实度§2.5粘性土的物理特性§2.6土的渗透和渗流§2.7土的动力特性§2.8地基土（岩）的工程分类主要内容上一节课加深印象复习题1.土的粒度是指：（A）土颗粒的大小（B）土颗粒大小的级配（C）土颗粒性质2.土颗粒的大小及其级配，通常是用颗粒累计级配曲线来表示的。级配曲线越平缓表示：（A）土粒大小不均匀，级配不良（B）土粒大小均匀，级配良好（C）土粒大小不均匀，级配良好3土的颗粒级配，也可用不均匀系数来表示，不均匀系数是用小于某粒径的土颗粒质量累计百分数的两个限定粒径之比来表示的，即：（A）4.作为填方工程的土料，压实效果与不均匀系数的关系：（A）大好（B）小好（C）与压实效果无关

5土的不均匀系数越大，表示土的级配：（A）土粒大小不均匀，级配不良（B）土粒大小均匀，级配良好（C）土粒大小不均匀，级配良好6土的三相比例指标包括：土粒比重、含水率、重度、孔隙比、孔隙率和饱和度，其中哪些为直接试验指标：（A）含水率、孔隙比、饱和度（B）重度、含水率、孔隙比、（C）土粒比重、含水率、重度、7所谓土的含水量是指：（A）水的质量与土体总质量比（B）水的体积与孔隙的体积比（C）水的质量与土体中固体部分质量比§2.4无粘性土的密实度

土的密实度指单位体积土中固体颗粒的含量。根据土颗粒含量的多少，天然状态下的砂、碎石等处于从紧密到松散的不同物理状态。无粘性土的密实度与其工程性质有着密切关系1.孔隙比e孔隙比e可以用来表示砂土的密实度。对于同一种土，当孔隙比小于某一限度时，处于密实状态。孔隙比愈大，土愈松散

2.相对密实度Dr砂土在天然状态下孔隙比砂土在最密实状态时的孔隙比砂土在最松散状态时的孔隙比当Dr=0时，e=emax，表示土处于最疏松状态;当Dr=1.0时，e=emin，表示土体处于最密实状态3.按动力触探确定无粘性土的密实度Dr≤1/3疏松状态1/3＜Dr≤2/3中密状态2/3＜Dr≤1密实状态天然砂土的密实度，可按原位标准贯入试验的锤击数N进行评定。天然碎石土的密实度，可按原位重型圆锥动力触探的锤击数N63.5进行评定(GB50007-2002)

密实度按N评定砂石密实度按N63.5评定碎石土密实度松散稍密中密密实N≤10N63.5≤510＜N≤155＜N63.5≤1015＜N≤3010＜N63.5≤20N＞30N63.5＞20标准贯入击数定义:63.5kg重锤，760mm落距下落，将标准贯入器击入土中，累计深度达300mm时需要的锤击数,记做N63.5。提示:反映了贯入的难易程度，从而反映了贯入阻力的大小。

而贯入阻力主要取决于土的密实度，因而采用该参数可有效地衡量现场土层中无粘性土的密实度。特点：依据统一的试验规程，采用标准贯入试验设备，测定的参数值具有可比性，因而广泛应用于工程勘探。标准：见铁道规范，建筑地基基础设计规范。例题分析【例】某砂土试样,试验测定土粒相对密度ds=2.7,含水量ω=9.43%,天然密度ρ=1.66/cm3。已知砂样最密实状态时称得单位体积干砂质量ms1=1.62kg,最疏松状态时称得干砂质量ms2=1.45kg。求此砂土的相对密度Dr,并判断砂土所处的密实状态【解答】砂土在天然状态下的孔隙比砂土最小孔隙比砂土最大孔隙比相对密实度∈（1/3,2/3]中密状态§2.5粘性土的物理特性1.粘性土的稠度状态粘土是指具有可塑状态性质的土，在外力的作用下，可塑成任何形状而不产生裂缝，当外力去除后，仍可保持原形状不变。这种性质称为可塑性。含水量对粘性土的工程性质有极大的影响。0粘性土由某一种状态过渡到另一状态的分界含水量称为土的界限含水量。液塑限测定根据《土工试验规程》(SL237-007-1999)规定，采用液塑限联合测定仪进行测定。固态可塑状态流动状态ω塑限ωP液限ωL半固态缩限ωS液塑限联合测测定仪下沉深度为10mm所对应的含水水量为液限;下沉深度为为2mm处所对应的含含水量为塑限限2.粘性土的塑性性指数和液性性指数塑性指数IP是液限和塑限限的差值(省去%)，即土处在可塑塑状态的含水水量变化范围围说明：塑性指数的大大小取决于土土颗粒吸附结结合水的能力力,即与土中中粘粒含量有有关。粘粒含含量越多,塑塑性指数就越越高说明：液性指数表征征土的天然含含水量与界限限含水量间的的相对关系。。当IL≤0时,ω≤ωP,土处于坚硬状状态;当IL＞1时,ω＞ωL,土处于流动状状态。根据IL值可以直接判判定土的软硬硬状态液性指数IL是粘性土的天然含水水量和塑限的的差值与塑性性指数之比状态液性指数坚硬硬塑可塑软塑流塑IL≤00＜IL≤0.250.25＜IL≤0.750.75＜IL≤1IL＞1稠度：公路建设中，，有时也用稠稠度来区分黏黏性土的状态态。稠度为土土的液限与天天然含水量之之差和塑性指指数之比。结构性：天然状态的软软土常具有一一定的结构性性，即土体受受到外力扰动动作用时，其其结构遭到破破坏，土体强强度降低，压压缩性增高的的特点。常用用灵敏度来衡量结构性性对强度的影影响：1<St<=2.0时，低灵敏性性；2.0<St<=4.0时，中等灵敏敏；St>=4.0时，高灵敏。。触变性：粘性土结构遭遭到破坏，强强度降低，但但随着时间发发展土体强度度恢复的胶体体化学性质称称之为土的触触变性。桩体体施工要“一气呵成”就是这个道理理。例题：从某地地基取原状土土样，测的土土的液限为37.4%，塑限为23.0%，天然含水量量为26.0%，问地基土处处于何种状态态？∴该地基土处处于硬塑状态态解：§2.6土的渗透及渗渗流§2.6.1达西定律§2.6.2渗透系数及其其确定方法§2.6.3渗透力与渗透透变形§2.6.4渗流工程问题题与处理措施施主要内容土的渗透问题题概述浸润线流线等势线下游上游土坝蓄水后水水透过坝身流流向下游H隧道开挖时，，地下水向隧隧道内流动在水位差作用用下，水透过过土体孔隙的的现象称为渗透§2.6.1达西定律一、达西定律1855年法国学者Darcy对砂土的渗透性进行行研究结论：水在土中的渗渗透速度与试试样的水力梯梯度成正比渗透试验播放达西定律:q/A=v=ki水力梯度，即即沿渗流方向向单位距离的水头头损失二、达西定律律适用范围与与起始水力坡坡降达西定律讨论：砂土的渗透速速度与水力梯梯度呈线性关关系密实的粘土，，需要克服结结合水的粘滞滞阻力后才能能发生渗透;同时渗透系系数与水力坡坡降的规律还还偏离达西定定律而呈非线线性关系ib起始水力坡降降虚直线简化v=kiivO砂土0iv密实粘土§2.6.2渗透系数及其其确定方法一、渗透试验验（室内）时间t内流出的水量量1.常水头试验————整个试验过程程中水头保持持不变适用于透水性性大（k>10-3cm/s）的土，例如砂砂土。2.室外测定方法法（现场抽水水实验）适用于粗颗粒粒土或成层土土(不易取得原状状土样)假定：土体中中任一半径处处的水力梯度度为常数，则则：渗透系数k为单位水力坡坡降下的渗透透速度，和渗渗透速度量纲纲相同，即cm/s.二、影响渗透透系数的因数数1.土粒大小与级配

细粒含量愈多，土的渗透性愈小，例如砂土中粉粒及粘粒含量愈多时，砂土的渗透系数就会大大减小。2.土的密实度

同种土在不同的密实状态下具有不同的渗透系数，土的密实度增大，孔隙比降低，土的渗透性也减小。3.土中封闭气体含量

土中封闭气体阻塞渗流通道，使土的渗透系数降低。封闭气体含量愈多，土的渗透性愈小。2.6.2二维渗流及流流网（不作考考试要求，可可自学）§2.6.3渗透力与渗透透变形一、渗透力和和临界水力梯梯度1.渗透力—渗透水流施加加于单位体积积土骨架上的的力，为体积积力h2h1h21L沿水流方向放放置两个测压压管,则L段水的沿水流流方向的受力力为：水流流经这段段土体，受到到土颗粒的阻阻力，阻力引引起的水头损损失为h土粒对水流的的阻力应为根据牛顿第三三定律，试样样的总渗流力力G和土粒对水流流的阻力T大小相等，方方向相反说明：渗透力GD是渗流对单位土体的作用力，是是一种体积力力，其大小与与水力坡降成成正比，作用用方向与渗流流方向一致，，单位为kN/m3渗透力的存在，将使土体内部受力发生变化，这种变化对土体稳定性有显著的影响abc渗透力方向与与重力一致，，促使土体压压密、强度提提高，有利于于土体稳定渗流方向近乎乎水平，使土土粒产生向下下游移动的趋趋势，对稳定定不利渗流力与重力力方向相反，，当渗透力大大于土体的有有效重度，土土粒将被水流流冲出2.临界水力梯度度———使土体开始发发生渗透变形形的水力坡降降GJ当渗透力大于于或等于土颗颗粒的浮重度度时，土颗粒粒发生浮起而而随水流动，，好像处于悬悬浮状态，这这种现象称之之为流砂。这时的水力力坡降即为临临界水力坡降降或在工程计算中中，将土的临临界水力坡降降除以某一安安全系数Fs(2～3)，作为允许水水力坡降[i]。设计时，为保保证建筑物的的安全，将渗渗流逸出处的的水力坡降控控制在允许坡坡降[i]内二、渗透变形形渗透水流将土土体的细颗粒粒冲走、带走走或局部土体体产生移动，，导致土体变变形—————渗透变形问题题（流土，管管涌）1.流土——在渗流作用下下，局部土体体表面隆起，，或某一范围围内土粒群群同时发生移移动的现象流土发生于地地基或土坝下下游渗流出逸逸处，不发生生于土体内部部。开挖基坑坑或渠道时常常遇到的流砂砂现象，属于于流土破坏。。细砂、粉砂砂、淤泥等较较易发生流土土破坏2.管涌——在渗流作用下下，无粘性土土中的细小颗颗粒通过较大大颗粒的孔隙隙，发生移动动并被带出的的现象土体在渗透水水流作用下，，细小颗粒被被带出，孔隙隙逐渐增大，，形成能穿越越地基的细管管状渗流通道道，掏空地基基或坝体，使使其变形或失失稳。管涌既既可以发生在在土体内部，，也可以发生生在渗流出口口处，发展一一般有个时间间过程，是一一种渐进性的的破坏三、例题分析析【例】某土坝地基土土的比重ds=2.68，孔隙比e=0.82，下游渗流出口口处经计算水水力坡降i为0.2，若取安全系系数Fs为2.5，试问该土坝坝地基出口处处土体是否会会发生流土破破坏【解答】临界水力坡降降由于实际水力力坡降i<[i]，故土坝地基出出口处土体不不会发生流土土破坏允许水力坡降降2.7.1土的压实原理理压实方法：碾碾压、夯实和和振动。最优含水量：：一定的压实实功下，使土土体最容易压压实并达到最大密实度度对应的含水水量，wop。粘土击实原理理可用结合水水膜润滑理论论解释。含水量低时，，呈结合水，，水膜薄，分分子间距小引引力大，外加加粘聚力、摩摩擦力，土颗颗粒发生相对对位移阻力大大。含水量增大，，水膜变厚，，引力减小斥斥力增大，土土体变软，容容易发生位移移。变现为干干密度逐渐增增大，至最优优含水量时达达到最大干密密度。含水量继续增大，，出现自由水，水水、气不易排出，，封闭气体阻止土土体发生移动，击击实功下土体不宜宜密实。§2.7土的动力特性粗颗粒土一般在完完全干燥和洒水饱饱和状态下最容易易密实。主要因为为在潮湿状态下，，土中的水为毛细细水，毛细水压增增加了粒间阻力。。2.7.2、土的击实试验在试验室内通过击击实试验研究土的的压实性。击实试试验有轻型和重型型两种。击实筒护筒击锤导筒轻型击实试验适用于粒径小于5mm的土，击实筒容积积为947cm3，击锤质量为2.5kg。把制备成一定含水水量的土料分三层层装入击实筒，每每层土料用击锤均均匀锤击25下，击锤落高为30.5cm重型击实试验适用于粒径小于20mm的土，击实筒容积积为2104cm3，击锤质量4.5kg，击锤落高为45.7cm。分五层击实，每层层56击。根据击实后土土样的密度和实测测含水量计算相应应的干密度击实曲线的特点：：土的干密度随含水水量变化而变化，，存在一个干密度度峰值，对应最优优含水量；击实曲线位于理论论饱和曲线左边；；最优含水量两侧左左陡右缓；表明在在偏干状态时含水水量对土的密实度度（即干密度）影影响较显著；试验方法：取5个不同含水量的同同一土样，分层（（3-5层）夯实，计算天天然密度，测量含含水量，进而换算算干密度，得出击击实曲线如右图。。2.7.2.2、影响土压实性的因因素主要有含水量、击击实功能、土的种种类和级配等1.含水量的影响ρdmaxωρd0ωop当含水率较低时，，击实后的干密度度随含水量的增加加而增大。而当干干密度增大到某一一值后，含水量的的继续增加反招致致干密度的减小。。干密度的这一最最大值称为该击数下的最大干密度，与它对应的含水水量称为最优含水量说明：当击数一定时，只只有在某一含水量量下才获得最佳的的击实效果。2.击实功能的影响ω0ρd击数403020饱和线1.土料的最大干密度和最优含水量不是常数。最大干密度随击击数的增加而逐渐渐增大,最优含水水量逐渐减小。然然而，这种变化速速率是递减的。同同时，光凭增加击击实功能来提高土土的最大干密度是是有限的2.当含水量较低时击击数的影响较显著著。当含水量较高高时，含水量与干干密度关系曲线趋趋近于饱和线，这这时提高击实功能能是无效的3.土类和级配的影响响击实试验表明，在在相同击实功能下下，粘性土粘粒含含量愈高或塑性指指数愈大，压实愈愈困难，最大干密密度愈小，最优含含水量愈大无粘性土的击实曲曲线和粘性土击实实曲线不同，在含含水量较大时得到到较高的干密度，，因此在无粘性土土实际填筑中，通通常要不断洒水使使其在较高的含水水量下压实ωρd0无粘性土的击实曲线说明：土的级配对土的压压实性影响很大。。级配良好的土，，易于压实，级配配不良的土，不易易压实，因为级配配良好的土有足够够的细粒去充填较较粗粒形成的孔隙隙，因而能获得较较高的干密度2.7.2土的振振动液化工程危害喷砂冒泥土层震震陷滑坡结结构物上浮机理振动改变土颗粒间间接触状态，土体积减小(松散砂土有剪缩缩性)，从而导致致孔隙水压力上升，土颗粒间的有效应力减小，直至有效应力完全丧失失，而孔隙水承担担了总应力，最终终使土颗粒呈悬浮浮状态，土体表现为整体体可流动的液化状状态；液化的土体中向地地表方向发生渗流流，当水头梯度达达到临界水头梯度度时，渗流通道上的地表表土颗粒即被托起起，液化的土体喷出出地表，形成喷砂砂冒泥。(渗流液化)注：(1)振动多为为瞬间或极短时间间内完成，此期间间孔隙水不可能完完全排出，孔隙水水压力上升是必然然的；(2)饱和土的的有效应力原理：：土体总应力=有有效应力（土颗粒粒承担）+孔隙水水压力(参见教材材第3章§3.4)影响振动液化的因因素土的类别：粉砂土土、细砂土、粉土土易发生土的密实度：密实实度大，体积缩小小量少，孔压增大大量小。土体中的初始应力力状态往复荷载的强度和和频率土体振动液化判别别及防治措施判别依据：根据标准贯入击数数，按经验公式判判别防治措施：改善土性：改善土土性、提高密实度度、提高固结度改变基础设计：采采用深基础穿过液液化危险地层§2.8地基基土(岩)的工程程分类2.8.1分类现现状无论国际还是国内内，不同行业部门门间土的分类标准准不统一。原因：不同部门对土的工工程性质研究的侧侧重点不同。建筑领域：侧重研究地基土的的承载力，沉降性；道路交通：填土路基的压实性性水利水电：土的渗透性2.8.2总体体分类依据粗颗粒土：按粒径径级配原因：粗颗粒土的的工程性质主要取取决于颗粒级配细颗粒土：按塑性性指数、液限原因：细颗粒土工工程性质主要受矿物成分和比表面面积。即吸水能力力（反映在液塑限、、塑性指数上）、实际含水量（直观表现为土的的坚硬程度或稠度度，该特征可通过过液性指数或稠度度取值加以判断））影响。2.8.3《建筑筑地基基础设计规规范》关于地基土的分类岩石：颗粒间牢固固联结，呈呈整体或具具有节理、、裂隙的岩岩体坚硬程度：按饱和试样单单轴抗压强强度标准值值划分完整程度：：按完整性指数数=(岩体体纵波波速速/岩块纵纵波波速)2碎石土：粒径大于2mm的土颗粒超超过全重的的50%碎石土分类类：漂石、块石石、卵石、、碎石、圆圆砾、角砾砾碎石土密实实度：按重型圆锥动动力触探锤锤击数N63.5划分，砂土：粒径大于2mm的土颗粒不不超过全重重的50%，但粒径径大于0.075mm的土颗粒超超过全重的的50%砂土分类：砾砂粗粗砂中中砂砂细砂粉粉砂砂土密实度度按标准贯入入击数N63.5(简记做N)划分粉土：粒径大于0.075mm的土粒不超超过全重50%，且且Ip≤10粘性土：Ip>10分类：粉质粘土：：10<Ip≤17粘土土：Ip>17坚硬程度：：按液性指数数分：坚硬硬、硬塑、、可塑、软软塑、流塑塑，工程程性质与含含水量密切切相关人工填土：：由于人类活活动而堆填填形成的各各类土。按成分、成成因分类素填土：不含或基本本不含杂质质；杂填土：含杂质（生生活、建筑筑、工业垃垃圾）；冲填土：水力冲积泥泥砂(如河河道清淤，，泥浆泵抽抽取淤泥、砂砂于低洼处处沉淀沉积积形成的土土)按形成时间间：老填土：超过10年年的粘性填填土及超过过5年的粉粉质填土新填土：新填土的自自重固结量量较大，应应注意自重沉降。特殊土软土土：