土力学第章 土的物理性质及工程分类

第1章土的物理性质及工程分类1.1土的形成岩土体是地壳的物质组成。岩体是地壳表层圈层，经建造和改造而形成的具一定组分和结构的地质体。它赋存于一定的地质环境之中，并随着地质环境的演化和地质作用的持续，仍在不断的变化着。土体是岩石风化的产物，是一种松散的颗粒堆积物。由于岩土材料组成的复杂性，其性质在许多方面不同于其它材料，具有其特有的多变性及复杂性。以下就岩土的特性分别简述之。1.2土的组成1.1.1土的结构与特性土是一种松散的颗粒堆积物。它是由固体颗粒、液体和气体三部份组成。土的固体颗粒一般由矿物质组成，有时含有胶结物和有机物，这一部分构成土的骨架。土的液体部分是指水和溶解于水中的矿物质。空气和其它气体构成土的气体部分。土骨架间的孔隙相互连通，被液体和气体充满。土的三相组成决定了土的物理力学性质。1）土的固体颗粒土骨架对土的物理力学性质起决定性的作用。分析研究土的状态，就要研究固体颗粒的状态指标，即粒径的大小及其级配、固体颗粒的矿物成分、固体颗粒的形状。（1）固体颗粒的大小与粒径级配土中固体颗粒的大小及其含量，决定了土的物理力学性质。颗粒的大小通常用粒径表示。实际工程中常按粒径大小分组，粒径在某一范围之内的分为一组，称为粒组。粒组不同其性质也不同。常用的粒组有：砾石粒、砂粒、粉粒、粘粒、胶粒。以砾石和砂粒为主要组成成分的土称为粗粒土。以粉粒、粘粒和胶粒为主的土，称为细粒土。土的工程分类见本章第三节。各粒组的具体划分和粒径范围见表1-1。土中各粒组的相对含量称土的粒径级配。土粒含量的具体含义是指一个粒组中的土粒质量与干土总质量之比，一般用百分比表示。土的粒径级配直接影响土的性质，如土的密实度、土的透水性、土的强度、土的压缩性等。要确定各粒组的相对含量，需要将各粒组分离开，再分别称重。这就是工程中常用的颗粒分析方法，实验室常用的有筛分法和密度计法。筛分法适用粒径大于0.075mm的土。利用一套孔径大小不同的标准筛子，将称过质量的干土过筛，充分筛选，将留在各级筛上的土粒分别称重，然后计算小于某粒径的土粒含量。密度计法适用于粒径小于0.075mm的土。基本原理是颗粒在水中下沉速度与粒径的平方成正比，粗颗粒下沉速度快，细颗粒下沉速度慢。根据下沉速度就可以将颗粒按粒径大小分组（详见土工试验书籍）。当土中含有颗粒粒径大于0.075mm和小于0.075mm的土粒时，可以联合使用密度计法和筛分法。工程中常用粒径级配曲线直接了解土的级配情况。曲线的横坐标为土颗粒粒径的对数，单位为mm；纵坐标为小于某粒径土颗粒的累积含量，用百分比（%）表示。如图1-1。颗粒级配曲线在土木、水利水电等工程中经常用到。从曲线中可直接求得各粒组的颗粒含量及粒径分布的均匀程度，进而估测土的工程性质。其中一些特征粒径，可作为选择建筑材料的依据，并评价土的级配优劣。特征粒径有：d10－土中小于此粒径的土的质量占总土质量的10%，也称有效粒径；d30－土中小于此粒径的土的质量占总土质量的30%；d50－土中小于此粒径的土的质量和大于此粒径的土的质量各占50%，也称平均粒径，用来表示土的粗细；d60－土中此粒径土的质量占总土质量的60%，也称限制粒径。粒径分布的均匀程度由不均匀系数Cu表示：Cu=d60/d10(1-1)Cu愈大，土愈不均匀，也即土中粗、细颗粒的大小相差愈悬殊。若土的颗粒级配曲线是连续的，Cu愈大，d60与d10相距愈远，则曲线愈平缓，表示土中的粒组变化范围宽，土粒不均匀；反之，Cu愈小，d60与d10相距愈近，曲线愈陡，表示土中的粒组变化范围窄，土粒均匀。工程中，把Cu＞5的土称为不均为土，Cu≤5的土称为均匀土。若土的颗粒级配曲线不连续，在该曲线上出现水平段，如图1-1曲线②和③所示，水平段粒组范围不包含该粒组颗粒。这种土缺少中间某些粒径，粒径级配曲线呈台阶状，土的组成特征是颗粒粗的较粗，细的较细，在同样的压实条件下，密实度不如级配连续的土高，其它工程性质也较差。土的粒径级配曲线的形状，尤其是确定其是否连续，可用曲率系数Cc反映：(1-2)若曲率系数过大，表示粒径分布曲线的台阶出现在d10和d30范围内。反之，若曲率系数过小，表示台阶出现在d30和d60范围内。经验表明，当级配连续时，Cc的范围大约在1－3。因此，当Cc＜1或Cc＞3时，均表示级配曲线不连续。由上可知，土的级配优劣可由土中土粒的不均匀系数和粒径分布曲线的形状曲率系数衡量。我国《土的分类标准》（GBJ145-90）规定：对于纯净的砂、砾石，当实际工程中，Cu大于或等于5，且Cc等于1~3时，它的级配是良好的；不能同时满足上述条件时，它的级配是不良的。（2）固体颗粒的成份土中固体颗粒的成份绝大多数是矿物质，或有少量有机物。颗粒的矿物成份一般有两大类，一类是原生矿物，另一类是次生矿物。（3）固体颗粒的形状原生矿物的颗粒一般较粗，多呈粒状；次生矿物的颗粒一般较细，多呈片状或针状。土的颗粒愈细，形状愈扁平，其表面积与质量之比愈大。。对于粗颗粒，比表面积没有很大意义。对于细颗粒，尤其是粘性土颗粒，比表面积的大小直接反应土颗粒与四周介质的相互作用，是反应粘性土性质特征的一个重要指标。2）土的液体部分如前所述，土中液体含量不同，土的性质就不同。土中的液体一部分以结晶水的形式存在于固体颗粒的内部，形成结合水；另一部分存在于土颗粒的孔隙中，形成自由水。（1）结合水在电场作用力范围内，水中的阳离子和极性分子被吸引在土颗粒周围，距离土颗粒越近，作用力越大；距离越远，作用力越小，直至不受电场力作用。通常称这一部分水为结合水。特点是包围在土颗粒四周，不传递静水压力，不能任意流动。由于土颗粒的电场有一定的作用范围，因此结合水有一定的厚度，其厚度首先与颗粒的粘土矿物成分有关。在三种粘土矿物中，由蒙脱石组成的土颗粒，尽管其单位质量的负电荷最多，但其比表面积较大，因而单位面积上的负电荷反而较少，结合水层较薄；而高岭石则相反，结合水层较厚。伊利石介于二者之间。其次，结合水的厚度还取决于水中阳离子的浓度和化学性质，如水中阳离子浓度越高，则靠近土颗粒表面的阳离子也越多，极性分子越少，结合水也就越薄。（2）自由水不受电场引力作用的水称为自由水。自由水又可分为毛细水和重力水。①毛细水，毛细水分布在土颗粒间相互连通的弯曲孔道。由于水分子与土颗粒之间的附着力和水、气界面上的表面张力，地下水将沿着这些孔道被吸引上来，而在地下水位以上形成一定高度的毛细管水带。它与土中孔隙的大小、形状、土颗粒的矿物成分以及水的性质有关。在潮湿的粉、细砂中，由于孔隙中的气与大气相通，孔隙水中的压力也小于大气压力，此时孔隙水仅存于土颗粒接触点周围。②重力水，在重力本身作用下的水称重力水。重力水能在土体中自由流动，具有溶解能力，能传递水压力。水是土的重要成分之一。一般认为水不能承受剪力，但能承受压力和一定的吸力；一般情况下，水的压缩量很小，可以忽略不计。3）土的气体部分在非饱和土中，土颗粒间的孔隙由液体和气体充满。土中气一般以下面两种形式存在于土中：一种是四周被颗粒和水封闭的封闭气体，另一种是与大气相通的自由气体。当土的饱和度较低，土中气体与大气相通时，土体在外力作用下，气体很快从孔隙中排出，则土的强度和稳定性提高。当土的饱和度较高，土中出现封闭气体时，土体在外力作用下，则体积缩小；外力减小，则体积增大。因此，土中封闭气体增加了土的弹性。同时，土中封闭气体的存在还能阻塞土中的渗流通道，减小土的渗透性。1.3土的物理性质指标由于土是由固体颗粒、液体和气体三部分组成，各部分含量的比例关系，直接影响土的物理性质和土的状态。例如，同样一种土，松散时强度较低，经过外力压密后，强度会提高。对于粘性土，含水量不同，其性质也有明显差别，含水量多，则软；含水量少，则硬。在土力学中，为进一步描述土的物理力学性质，将土的三相成分比例关系量化，用一些具体的物理量表示，这些物理量就是土的物理力学性质指标。如含水量、密度、土粒比重、孔隙比、孔隙率和饱和度等。为了形象、直观地表示土的三相组成比例关系，常用三相图来表示土的三相组成，如图1-2所示。在三相图左侧，表示三相组成的质量，三相图的右侧，表示三相组成的体积。1)实测指标（1）土的含水率(ω)土的含水量ω是指土中液体的质量(mw)和土颗粒质量(ms)之比，用百分比表示。这一指标需通过试验取得。（1-4）式中土粒的质量ms就是干土的质量，是把土烘干至恒量后称得的，气体的质量忽略小计，液体的质量由总质量m和干土的质量ms相减而得。（2）土的密度()土的密度是指单位体积土的质量，在三相图中，即是总质量与总体积之比。单位用或计。公式如下：（1-5）对粘性土，土的密度常用环刀法测得。即用一定容积V的环刀切取试样，称得质量m，即可求得密度。通常称为天然密度或湿密度。工程计算中还常用到饱和密度和干密度两种密度。饱和密度(sat)：孔隙完全被水充满时土的密度，公式为：（1-6）干密度（d）：土被完全烘干时的密度，若忽略气体的质量，干密度在数值上等于单位体积中土粒的质量。公式为（1-7）实际工程中，由于人们习惯用重量表示物质含量的多少，所以还常用到土的重度。对应于上述几种密度，相应地用天然重度γ、饱和重度γsat和干重度γd来表示土在不同含水状态下单位体积的重量。在数值上，它们等于相应的密度乘以重力加速度g。此外，静水中土体受水的浮力作用，其重度等于土的饱和重度减去水的重度，称为浮重度γ′，单位用计。由于重量(G)与质量(m)有存在G=mg关系，所以土的重度γ与土的密度的关系如下：γ=╳g=9.8(1-8)其中g为重力加速度（）有时工程上为了计算方便，取。土的密度随土的三相组成比例不同而异，一般情况在1.60~2.20之间。（3）土粒比重(Gs)土粒比重(Gs)是土粒的质量与同体积纯蒸馏水在4℃时的质量之比，这一指标需试验取得，公式如下：（1-9）式中，s为土粒的密度，即单位土体土粒的质量；为4℃时纯蒸馏水的密度。土粒比重常用比重瓶法测得。将比重瓶加满蒸馏水，称水和瓶的总质量m1；然后把烘干土ms装入该空比重瓶，再加满蒸馏水，称总质量m2，按下面的公式求得土粒比重：(1-10)实际上由于=1.0g/，故土粒比重在数值上等于土粒的密度，但无量纲。天然土的颗粒是由不同的矿物组成的，它们的比重一般并不相同。试验测得的是土粒的比重的平均值。土粒的比重变化范围较小，砂土一般在2.65左右，粘性土一般在2.75左右；若土中的有机质含量增加，则土的比重将减小。2）其它指标（1）孔隙比（e）孔隙比是指孔隙的体积与固体颗粒实体的体积之比，用小数表示，公式为：(1-11)（2）孔隙度（n）孔隙度是指孔隙的体积与土的总体积之比，用百分数表示，公式为：(%)(1-12)根据二者的定义很容易证明，孔隙度n与孔隙比e之间有如下关系：(1-13)或(1-14)土的孔隙比和孔隙度都是用来表示孔隙体积的含量。同一种土，孔隙比和孔隙度不同，土的密实程度也不同。它们随土的形成过程中所受到的压力、粒径级配和颗粒排列的不同而有很大差异。一般来说，粗粒土的孔隙度小，如砂类土的孔隙度一般在30%左右；细粒土的孔隙度大，如粘性土的孔隙度有时可高达70%。（3）饱和度(Sr)土的饱和度Sr是指土孔隙中液体的体积与孔隙的体积之比，用百分数表示，公式如下（1-15）含水率ω是用来表示土中含水程度的一个重要指标，饱和度Sr则用来确定孔隙中充满水的程度。很显然，干土的饱和度Sr=0,饱和土的饱和度Sr=100%。土的物理性质指标之间的关系可用三相图来换算。1.4土的物理状态指标1.5.1粘性土（细粒土）的物理状态指标粘性土最主要的特征是它的稠度，稠度是指粘性土在某一含水量下的软硬程度和土体对外力引起的变形或破坏的抵抗能力。当土中含水量很低时，水被土颗粒表面的电荷吸着于颗粒表面，土中水为强结合水，土呈现固态或半固态。当土中含水量增加，吸附在颗粒周围的水膜加厚，土粒周围除强结合水外还有弱结合水。弱结合水不能自由流动，但受力时可以变形，此时土体受外力作用可以被捏成任意形状，外力取消后仍保持改变后的形状，这种状态称为塑态。当土中含水量继续增加，土中除结合水外已有相当数量的水处于电场引力范围外，这时，土体不能受剪应力，呈现流动状态。实质上，土的稠度就是反应土体的含水量。土从一种状态转变成另一种状态的界限含水量，称为稠度界限。工程上常用的稠度界限有液限和塑限。国际上称为阿太堡界限（AterbergLimit）。1）液限()液限指土从塑性状态转变为液性状态时的界限含水量；2）塑限()塑限指土从半固体状态转变为塑性状态时的界限含水量。实验室测定液限使用液限仪，测定塑性用搓条法。具体方法请参阅“土工试验规程”。实际上，由于粘性土从一种状态转变为另一种状态是渐变的，没有明确的界限，因此只能根据这些通用的试验方法测得的含水量代替界限含水量。此外，为了表征土体天然含水量与界限含水量之间的相对关系，工程上还常用液性指数和塑性指数两个指标判别土体的稠度。3）塑性指数(1-32)式中，为液限，为塑限。塑性指数越大，土性越粘，工程中根据塑性指数的大小对粘性土进行分类（见表1-16）。4）液性指数：（1-33）当=0时，，土从半固态进入可塑状态。当=1时，土从可塑状态进入液态。因此，可以根据的值直接判定土的软硬状态。工程上按液性指数的大小，可把粘性土的状态区分开来：≤0坚固状态态0<≤1.0可塑状状态>>1.0流流动状态应当注意，实验验室测定塑塑限和液限限时，是用用扰动样，土土的结构已已经破坏，实实测值要比比实际值小小，因此，用用液性指数数反映天然然土的稠度度有一定缺缺点，用于于判别重塑塑土的稠度度较为合适适。1）相对密实度（Dr）相对密实度是指指砂土的密密实程度。孔孔隙比、干干容重在一一定程度上上也可以反反映土的密密度程度，但但这两个指指标没有考考虑粒径级级配对土的的密度程度度的影响。不不难验证，不不同极配的的砂土，可可以具有相相同的孔隙隙比e，若土颗颗粒的大小小、形状和和级配不同同，则土的的密实程度度也明显不不同。如均均匀颗粒的的土与包含含大颗粒和和小颗粒的的土，其密密实程度是是不同的。为为此，实际际工程中，一一般用相对对密实度DDr来表征砂砂土的密实实程度。公公式为：（1-34）式中,指砂土的的天然孔隙隙比；指砂砂土的最大大孔隙比，由由它的最小小干密度换换算而得；；指砂砂土的最小小孔隙比，由由它的最大大干密度换换算而得；；将式(1-34)中中的孔隙比比用干密度度替换，可可得到用干干密度表示示的相对密密度表达式式：(1-35)式中，指砂土的的天然干密密度；指砂土的的最大干密密度；指砂土的的最小干密密度。最大干密度和最最小干密度度可直接由由试验测定定。具体测测定方法请请参阅“土工试验验规程”。当时，，表示土土处于最松松状态。当当时，，表示土土处于最密密实状态。工工程中，用用相对密度度判别砂土土的密实状状态标准为为：疏松中密密实粘性土不存在最最大和最小小孔隙比，因因此粘性土土的密实度度只能依据据孔隙比和和干密度来来判别。1.5土的工程程分类自然界中土的种种类不同，其其工程性质质也必不相相同。从直直观上，可可以粗略的的把土分成成两大类，一一类是土体体中肉眼可可见松散颗颗粒，颗粒粒间连结弱弱，这就是是前面提到到的无粘性性土（粗粒粒土）；另另一类是颗颗粒非常细细微，颗粒粒间连结力力强，这就就是前面提提到的粘土土。实际工工程中，这这种粗略的的分类远远远不能满足足工程的要要求，还必必须用更能能反映土的的工程特性性的指标来来系统分类类。前面已已介绍过，影影响土的工工程性质的的主要因素素是土的三三相组成和和土的物理理状态，其其中最主要要的因素是是三相组成成中土的固固体颗粒。如如颗粒的粗粗细、颗粒粒的级配等等。目前，国国际、国内内土的工程程分类法并并不统一。即即使同一国国家的各个个行业、各各个部门，土土的分类体体系也都是是结合本专专业的特点点而制定的的。本节主主要介绍我我国“土的分类类标准”(GBJJ1455－90)和“建筑地基基基础设计计规范”（GB500007－2002）。1）土的分类标准（GBJ145－90）为了与国际接轨轨，我国特特制定了“土的分类类标准”，这一分分类体系与与一些欧美美国家的土土分类体系系原则相近近，仅根据据我国的实实际情况作作了适当修修正。按GBJ145--90分类法，土土的总分类类体系如下下：对土进行分类时时，首先根根据有机质质的含量把把土分成有有机土和无无机土两大大类。无机机土中，再再根据土中中各粒组的的相对含量量把土再分分为：巨粒粒土、含巨巨粒土、粗粗粒土和细细粒土。根根据土的分分类标准，各各粒组还可可进一步细细分。下面面分别予以以说明（1）巨粒土和含巨巨粒土土体颗粒粒径在在60mm以上的的称巨粒。若若土中巨粒粒含量高于于50%，该土属属巨粒土；；若土中巨巨粒含量在在15%～50%之间，该该土属含巨巨粒土。巨巨粒土和含含巨粒土依依据其中所所含漂石粒粒含量进一一步划分如如表1-10。表1--10巨粒土和和含巨粒土土的分类5含%含量量（2）粗粒土粗粒土中大于00.0755mm的粗粗粒含量在在50%以上。粗粗粒土分为为砾类土和和砂类土两两类。若土土中粒径大大于2mm的砾粒粒含量多于于50%，则该土土属砾类土土；不足50%，则属砂砂类土。砾类土和砂类土土再按细粒粒土(<0.0775mm))的含量进进一步细分分。具体细细粒含量和和其它相关关指标见表表1-11、表1-12。表1-11砾类土的分类名称代号类别细粒含量级配或塑性图分分类级配良好砾GW砾类土砾＜5%Cu≥5，Cc=1～3级配不良砾GP不能同时满足上上述条件含细粒土砾GF含细粒土砾5%～15%粘土质砾GC细粒土质砾＞15%≤50%粘土粉土质砾GM粉土表1-12砂类土的分类名称代号类别细粒含量级配或塑性图分分类级配良好砂SW砂类土砂＜5%Cu≥5，Cc=1～3级配不良砂SP不能同时满足上上述条件含细粒土砂SF含细粒土砂5%～15%粘土质砂SC细粒土质砂＞15%≤50%粘土粉土质砂SM粉土（3）细粒土的分类类细粒土中粒径小小于0.0075mmm在细粒含含量在50%以上，且且粗粒含量量少于25%。细粒土土按塑性图图分类。塑塑性图以液液限为横坐坐标，塑性性指数为纵坐标标，见图1-5，图中用A、B二条线和和和及的二段水水平线将整整张图分成成5个区域。若若土的液限限和塑性指指数在图中中A线以上，B线以左，线线之上，则则该土属低低液限粘土土；若土的的液限和塑塑性指数在在图中A线以下，B线以右，则则该土属高高液限粉土土。土的具具体分类和和名称见表表1-13。表1-113细粒土的分类名称代号液限()塑性指数()高液限粘土CH≥50%≥0.73(－20)且≥10低液限粘土CL＜50%高液限粉土MH≥50%<0.73(－20)且低液限粉土ML＜50%2）建筑地基基础设设计规范（GB50007―2002）这种分类方法的的体系比较较简单，按按照土颗粒粒的大小、粒粒组的土颗颗粒含量把把地基土分分成碎石土土、砂土、粉粉土和粘性性土和人工工填土。按按我国“土的分类类标准”，碎石土土和砂土属属于粗粒土土，粉土和和粘性土属属于细粒土土。粗粒土土按粒径级级配分类，细细粒土则按按塑性指数数分类。1）碎石土粒径大于2mmm的颗粒含含量大于50%的土属碎碎石土。根根据粒组含含量及颗粒粒形状，可可细分为漂漂石、块石石、卵石、碎碎石、圆砾砾、角砾。具具体见表1-14。表4名称颗粒形状粒组的颗粒含量漂石块石圆形及次圆形为为主棱角形为主粒径大于2000mm的颗粒粒超过50%卵石碎石圆形及次圆形为为主棱角形为主粒径大于20mmm的颗粒粒含量超过过50%圆砾角砾圆形及次圆形为为主棱角形为主粒径大于2mmm的颗粒含含量超过50%注：分类时应根根据粒组含含量栏从上上到下以最最先符合者者确定。2）砂土粒径大于2mmm的颗粒含含量在50%以内，同同时粒径大大于0.0075mmm的颗粒含含量超过50%的土属砂砂土。砂土土根据粒组组含量不同同又分为砾砾砂、粗