第1章土的物理性质及分类

第一章土的物理性质及工程分类本章将首先阐明土的组成、土的基本物理性质指标及有关特征，再利用这些指标及特征对土进行分类。§1.1 土的组成土是一种松散的颗粒堆积物，它由固相、液相和气相三部分组成相部分主要是土粒，有时还有粒 间胶结物和有机质，它们在土中起着骨架作用；液相部分为水及其溶解物；气相部分为空气和其它气体。 如土中孔隙全部为水填充时，称为饱和土；如土中孔隙全部为气体充满时，为干土；如孔隙中同时存在空 气和水时，为湿土。在一般情况下，在地下水位以上一定高度范围内的土为湿土。饱和土和干土为二相系， 湿土为三相系，只有当饱和土完全冻结时，土才为单相系。一、土的固相土的固相是土粒的骨架部分，土粒的矿物成分、形状、大小及其搭配情况对土的工程性质有明显的影 响。1、矿物成分在自然界，土是风化作用的产物。其中：物理风化只引起岩块的机械破碎，使岩石产生量的变化，其 风化产物基本保持与母岩相同的成分，成为生矿物，如长石、石英、云母等，它们的性质比较稳定、无 塑性，砾石和砂等粗粒土主要由原生矿物所组成。而化学风化则使岩石发生质的变化，它不仅破坏了母岩 的结构，而且使其化学成分发生改变并形成新的矿物，这种矿物称:生矿物，如高岭石、伊利石、蒙脱 石等，它们的性质比较活泼，有较强的吸附水的能力，具有塑性。土中含粘土矿物愈多，土的粘性、塑性和胀缩性也愈大。因此，对工程性质评价时，必须重视土的形 成历史、环境及存在条件对土性的影响。2、土粒的大小和土的级配土颗粒的大小与成土矿物之间存在一定的相互关系。因此，土粒的大小也就在一定程度上反映了土粒 性质的差异。如：颗粒粗大的卵石、砾石和砂大多数为浑圆状或棱角状的石英颗粒，具有较大的透水性， 不具有粘性。而颗粒较小的粘粒，则具有粘性，透水性较低等。（在工程上，粗粒土的粒径用土粒所能通 过的最小筛孔尺寸表示，细粒土的粒径则为土粒的水力当量直径表示）天然土是由无数大小不同的土粒所组成，逐个的研究每个颗粒的大小是不可能的。因此，常常把大小 相接近的土粒合并在一起，称为粒组。工程上常用的粒组有：砾、砂粒、粉粒、粘粒、胶粒。其中，又把 粒径大于0.075mm的土粒称为粗粒组，小于0.075mm的土粒称为细粒组。各粒组的进一步细分和粒径范围 见下表：土的粒组粒组名称粒径范围粗粒组砾粗砾60 20中砾205细砾52砂 粒粗粒2 0.5中粒0.5 0.25细粒0.25 0.075细粒组粉粒0.0750.005粘粒<0.005胶粒<0.002为便于研究：土中某颗粒的土粒含量（X ）定义为WX = i X 100%w式中：w.某粒组中土粒质量W 干土总重而土中个粒组的相对含量称为土的级配。3、颗粒分析试验测定土中各粒组百分含量的过程，称颗粒分析。在实验室中，常用的试验方法有：对粒径大于0.075mm的粗粒土用筛析法；对粒径小于0.075mm的细 粒土用比重计法等。当土中兼含有大于和小于）.075mm的土粒时两种方法可联合使用。筛析法是利用一套孔径由大到小的筛子，将事先称过质量的干试样放入筛中，充分振摇，将留在各级 筛上的土分别称量，先算出小于某粒径的土粒含量，再确定土中各粒组的相对含量。比重计法是根据土粒在静水中的沉降速度不同来分离土粒组的。其实质是根据密度相同的土粒在静水 中自由下沉过程中，粒径大的沉速快，粒径小的沉速慢的原理进行的。根据斯托克斯（Stokes）公式，得v ='.七W , d2（粒径和速度的关系）1800q式中：Ps为土粒密度；Pw为水的密度；门为水的动力粘滞系数对于某一种土的悬液来说，当T不变时，上式中的g、Ps、P、门均为常数，令则 可见，1800q在一定T下，比重相当的土粒，沉速与粒径的平方成正比。另外，从质点运动原理学可得:lv =-t式中： 从而l为土粒沉降深度；为土粒沉降时间d 彳只/ .7一 =，一n d = A , -A tt所以，在实验室，只要测出l和t，d就可以求出，进而计算出各粒组的百分含量。4、颗粒分析成果的表示方法为使颗粒分析成果便于利用和容易看出规律，需要将粒径分析的资料加以整理并用较好的方法表现出 来。目前，通常采用表格法和图解法来表示。（1）表格法表格法是将分析资料填在已列好的表格内。如土样编号粒组的百分含量>22 0.50.5 0.250.25 0.10.1 0.050.05 0.005<0.005土样121861882910土样210.664.516.48.5该法简单，内容具体，但不易看出规律性。（2）图解法常用的图解法有累积曲线、分布曲线、三角图三种。这里着重介绍前两种。1）累积曲线：它是以土粒粒径为横坐标，以小于该粒径的土粒含量为纵坐标绘得。累积曲线有自然 数坐标和半对数坐械种，而后者应用较广。2）分布曲线：它是以各粒组的平均粒径为横坐标（对数比例尺），以各粒组的土粒含量为纵坐标绘得。举例说明颗粒分析试验及两种曲线的绘制过程。例1从干砂样中称取质量1000g的试样，放入标准筛中，经充分振摇，称各级筛上留下的土粒质量， 见下表，试求土中各粒组的土粒含量。筛孔径（mm）2.01.00.50.250.150.1底盘各级筛上的土粒质量（g）10010025030010050100小于各级筛孔直径的土粒含量（）908055251510各粒组的土粒含量（）10102530105 累积曲线100806040200.011 0.60.1 0.06土描惹径,Kmraif小于某粒径的土粒冷量( 某粒组的土粒含量1 由此可知，某粒组的百分含量等于其上限粒径对应的百分含量减去下限颗粒对应的百分含量。5、颗粒分析试验曲线的应用 累积曲线的用途它的形态表明土的分选性。曲线平缓，表示粒径大小相差悬殊，土粒不均匀，分选性差，“级配好”； 曲线陡，表示粒径大小相差不大，土粒较均匀，分选性好，“级配不好”。此外，根据累积曲线还可以直接 得出如下参数：a、土的有效粒径（d0）：是土的最有代表性的粒径，是非均粒土累积含量为10%的颗粒直径；b、土的控制（中值）粒径（d%），土的限制粒径（d60）；c、任一粒组的百分含量：某粒组的百分含量等于其上限粒径对应的百分含量减下限粒径对应的百分 含量；d、土的平均粒径（d50）；e、相当于任一百分含量的最大粒径；根据上述参数，可计算不均匀系数和曲率系数。10(1)不均匀系数(ii)曲率系数C =30 -c d - d累积曲线越陡，Cu越小，表示土粒越均匀；反之，曲线平缓，Cu越大，表示土粒不均匀因此，Cu 的大小可衡量土颗粒I的离散程度(均匀程度)。一般情况下，C越大:当它压实时可得较高的密实度。但 对某级配不连续的土，其累积曲线呈台阶状，尽管很大，但渗透稳定性仍然很差。u累积曲线的形状可用C反映。若C过大，表示台阶出现在dd之间；若C过小，表示台阶出 cc1030c现在d 30d 60之间。总之，土的级配好坏可用离散程度和曲线形状表示，也就可用C.和C来衡量。水电部制定的SDS01 79规程规定： 对于纯的砾、砂，当同时满足C N5且1W C W；时它的级配是良好的。反之，级 配不良。 分布曲线可反映土的级配连续性，若为单峰，则级配连续；若为双峰或多峰，则双峰之间各点对应粒组的土粒含量大于3%时，连续< 双峰之间各点对应粒组的土粒含量小于3%时，不连续例1、某砂土颗粒级配曲线上，d =0.1mm，d =0.25mm，d =0.90mm，不均匀系数C、曲率系数C和103060uv级配状态分别为：9，0.7，级配不良。例2、从某干砂中称取2000克的试样，放入标准筛中充分振摇，称各级筛上留下来的土粒质量见下表：筛孔径(mm)4.02.01.00.50.250.150.10底盘各级筛上的土粒质量(g)200250300500150300200100则：小于0.25mm的土粒含量为 30% ；小于1.0mm的土粒含量为 62.5% ；粒径在0.15mm2.0mm 范围内的土粒含量为 62.5%。二、土的液相1、土中所含的水对土的工程性质有很大的影响。 软化土粒，使土的压缩性增大，抗剪强度降低； 对细砂土和软粘土在振荡荷载的作用下，水的存在有可能导致砂土的液化和软粘土的触变，对工程 不利； 土中水的渗透会导致土的渗透破坏，使土体失稳； 水的浮力存在，会降低地基土的承载力。2、土中水的类型主要有：结合水(吸着水)：是由土粒表面的静电所吸附的水结合水又可分为强结合水和弱结合水。A、强结合水：牢固地结合在土颗粒表面，性质接近于固体；B、弱结合水：是薄膜水，在电场力作用下，可以从水膜厚的地方向水膜薄的地方转移，但不能传递 压力。自由水：是在土粒电场影响范围以外的水按其移动时所受作用力的不同可分为重力水和毛细水。重力水是在孔隙中受重力作用能自由流动的水，一般存在于地下水位以下的透水层中。毛细水是受水与空气界面的表面张力作用而存在于细孔隙中的自由水，一般存在于地下水位以上的透 水层中。三、土中的气相土孔隙中的气体有两种存在形式。 与大气相通的自由气体，它对土的性质影响不大； 与大气不相通的以气泡形式出现的封闭气体，它的存在将使土的弹性和压缩性增大，而使土的透水 性降低。§1.2土的物理性质指标土的物理性质指标就是表示土中三相比例关系的一些物理量。土的物理性质指标，可分为两类：一类是必须通过试验测定的，如 含水量、密度和土粒比重，称为直接测定指标；另一类是可以根据试 验测定的指标换算的，如孔隙比、孔隙率和饱和度等，称为间接指标。为便于说明，常利用三相图。如图，图中m表示质量，V表示体 积，下标a、w、s和v分别表示空气、水、土粒和孔隙。下面我们详细介绍以下土的各项指标。一、土的试验指标1、含水率W土的含水率，亦称为含水量，定义为土中水的质量与土粒质量之比，以百分数表示，其表达式为：O = 土 x 100% = m - ms x 100% mm其中，ms是将土放入100105°C的烘箱中烘至恒量称得，实验方法：先称m，再烘干后称tn,。 测定的方法常用烘干法。'2、土的密度P与容重（重度）Y土的密度（P ）：亦称湿密度、天然密度，定义为单位体积土的质量，用P表示，其单位为：Mg；m3 （或 g ：cm3）。其表达式为：m m + mP v FVTF测定方法：对于粘性土，常用环刀法、蜡封法、注水法、注沙法。土的重度亦称为容重，定义为单位体积土的重量，用Y表示，其单位为：KNm3。它与土的密度有 如下关系：y = pxg式中：g 一为重力加速度。工程中常用的密度有： 湿密度（p）：即土的密度。其表达式为：m m + mp v FVT测定方法：对于粘性土，常用环刀法、蜡封法、注水法、注沙法。 饱和密度（p aat）：±中孔隙完全为水充满时的密度。m +