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1、第第4章章 土的工程性質(zhì)與分類土的工程性質(zhì)與分類概述土的組成土的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造土的工程分類土的成因類型一、概述 土的定義：土的定義：是連續(xù)、堅固的巖石在風(fēng)化作用下形成的大小懸殊的顆粒，在原地殘留或經(jīng)過不同的搬運(yùn)方式，在各種自然環(huán)境中形成的堆積物。土的物質(zhì)組成：包括作為上骨架的固體礦物顆粒、孔隙中的水及其溶解物質(zhì)以及氣體。因此，土是由顆料（固相）、水溶液（液相）和氣（氣相）所組成的三相體系。二、土的組成 (一).固體顆粒 在土的三相組成物質(zhì)中，固體顆粒固體顆粒（以下簡稱土粒土粒）是土的最主要的物質(zhì)成分。土的工程性質(zhì)主要取決于組成土的土粒的大小和礦物類型，即土的粒度成分粒度成分和礦物成分礦物成分。1.

2、基本概念 粒徑（度）粒徑（度）：顆粒大小以直徑（單位為mm）計，稱為粒徑粒徑（或粒度粒度）。粒組粒組：界于一定粒徑范圍的土粒，稱為粒組粒組.粒度成分粒度成分（或稱顆粒級配）：（或稱顆粒級配）：土中不同粒組顆粒的相對含量，稱為土的粒度成分（或稱顆粒級配），它以各粒組顆粒的重量占該土顆粒的總重量的百分?jǐn)?shù)來表示。2.土的粒組土的粒組劃分標(biāo)準(zhǔn)劃分標(biāo)準(zhǔn)：劃分方法不完全一致，一般采用的粒組劃分及各粒組土粒的性質(zhì)特征見表2-1。表中根據(jù)界限粒徑200、20、2、0.075和0.005mm把土粒分為六大粒組：漂石（塊石）顆粒:d200mm;卵石（碎石）顆粒:200mmd 200mm;圓礫（角礫）顆粒:20mm

3、d 2mm;砂粒:2mmd 0.075mm;粉粒:0.075mmd 0.005mm;粘粒:d 0.005mm。3.各粒組特征的規(guī)律各粒組特征的規(guī)律：顆粒愈細(xì)小，與水的作用愈強(qiáng)烈。所以，毛細(xì)作用由無到毛細(xì)上升高度逐漸增大；透水性由大到小，甚至不透水；逐漸由無粘性、無塑性到具有愈大的粘性和塑性以及吸水膨脹性等一系列特殊性質(zhì)（結(jié)合水發(fā)育的結(jié)果）；在力學(xué)性質(zhì)上，強(qiáng)度逐漸變小，受外力時，愈易變形。4.粒度成分對土工程性質(zhì)影響的實(shí)質(zhì)粒度成分對土工程性質(zhì)影響的實(shí)質(zhì) （1）組成土的顆粒大小不同，土的比表面不同，則土粒與水（或氣）作用的表面能大小不同。因此，不同大小顆粒與水（或氣）相互作用的程度，以至含水的種類

4、、性質(zhì)和數(shù)量不同。土的比表面一般用單位體積所有土粒的總表面積表示。由于土粒大小不同而造成比表面數(shù)值上的巨大變化，必然導(dǎo)致土的性質(zhì)的突變。（2）天然土中不同大小顆粒的組成礦物類型不同，直接影響土的工程特性。5.粒度分析及其成果表示粒度分析及其成果表示 土的粒度成分的測定方法：是通過土的粒度分析（亦稱顆粒分析）試驗(yàn)測定的。對于粒徑大于0.075mm的粗粒土，可用篩分法測定。粒徑小于0.075mm的粉粒和粘粒難以篩分，一般可以根據(jù)土粒在水中勻速下沉?xí)r的速度與粒徑的理論關(guān)系，用比重計法或移液管法（見土工試驗(yàn)有關(guān)書籍）測得顆粒級配。顆粒分析試驗(yàn)成果表示：可以繪制如圖所示的顆粒級配累積曲線。6.表征土粒特

5、征的概念 有效粒徑有效粒徑d10：小于某粒徑的土粒重量累計百分?jǐn)?shù)為10時，相應(yīng)的粒徑稱為有效粒徑d10。限定粒徑限定粒徑d0：當(dāng)小于某粒徑的土粒重量累計百分?jǐn)?shù)為60時，該粒徑稱為限定粒徑d0。不均勻系數(shù)不均勻系數(shù)Cu：d0與d10之比值反映顆粒級配的不均勻程度稱為不均勻系數(shù)Cu：Cu=d0/d10 工程上把Cu5的上看作是均勻的；Cu10的土則是不均勻的，即級配良好的。曲率系數(shù)（曲率系數(shù)（Cc）：用于來說明累積曲線的彎曲情況，從而分析評述土粒度成分的組合特征：Cc=d302/d10 d0 式中d10，d60的意義同上，d30為相應(yīng)累積含量為30的粒徑值。Cc值在13之間的土級配較好。Cc值小于

6、1或大于3的土，累積曲線都明顯彎曲（凹面朝下或朝上）而呈階梯狀，粒度成分不連續(xù)，主要由大顆粒和小顆粒組成，缺少中間顆粒。7.土的礦物成分土的礦物成分 根據(jù)組成土的固體顆粒的礦物成分的性質(zhì)及其對土的工程性質(zhì)影響不同，分為以下四大類別：（1）原生礦物；（2）不溶于水的次生礦物（以粘土礦物和硅、鋁氧化物為主）；（3）可溶鹽類及易分解的礦物；（4）有機(jī)質(zhì)。(二)土中水土中水 在自然條件下，土中總是含水的。在一般粘性土，特別是飽和軟粘性土飽和軟粘性土，土中水的體積常占據(jù)整個土體相當(dāng)大的比例（一般為5060，甚至高達(dá)80%）。研究土中水，必須明確有關(guān)土中水的如下概念：（1）水分子H2O是強(qiáng)極性分子強(qiáng)極性分

7、子.（2）土中水是水溶液水溶液。（3）土中水溶液水溶液與土顆粒表面顆粒表面及氣體氣體有著復(fù)雜的相互作用。土中水的分類：土中水的分類：按土中水所呈現(xiàn)的性質(zhì)差異及其對土的影響性質(zhì)與程度，可將土中水分為結(jié)合水結(jié)合水和非結(jié)非結(jié)合水合水兩大類：結(jié)合水（土粒表面結(jié)合水）:強(qiáng)結(jié)合水（吸著水）弱結(jié)合水（薄膜水）非結(jié)合水:液態(tài)水:毛細(xì)水（實(shí)為半結(jié)合水）重力水（自由水）氣態(tài)水（水蒸氣）固態(tài)水（冰）(三)土中氣體土中氣體 土中的氣體，主要為空氣和水氣。但有時也可能含有較多的二氧化碳、沼氣及硫化氫，這些氣體大多因生物化學(xué)作用生物化學(xué)作用生成。氣體的存在形式：一種是封閉氣體封閉氣體，另一種是游離氣體游離氣體。三、土的結(jié)

8、構(gòu)、構(gòu)造 土的工程性質(zhì)及其變化，除取決于其物質(zhì)成分外，在較大程度上還與諸如土的粒間連結(jié)性質(zhì)粒間連結(jié)性質(zhì)和強(qiáng)度強(qiáng)度；層層理特點(diǎn)理特點(diǎn)；裂隙發(fā)育程度裂隙發(fā)育程度和方向方向以及土質(zhì)的其他均勻性均勻性特征特征等土體的天然結(jié)構(gòu)和構(gòu)造因素有關(guān)。（一）土的結(jié)構(gòu) 1.土的結(jié)構(gòu)：土的結(jié)構(gòu)：是指土顆粒本身的特點(diǎn)和顆粒間相互關(guān)系的綜合特征，具體來說是指：（1）土顆粒本身的特點(diǎn)：土顆粒大小、形狀和磨圓度及表面性質(zhì)（粗糙度）等。（2）土顆粒之間的相互關(guān)系特點(diǎn)：粒間排列及其連結(jié)性質(zhì)。2.土的結(jié)構(gòu)類型：兩大基本類型：單粒單粒（散粒）結(jié)構(gòu)和集合集合體體（團(tuán)聚）結(jié)構(gòu)。單粒結(jié)構(gòu)（散粒結(jié)構(gòu)），單粒結(jié)構(gòu)為砂性土所特有，對土的工程性質(zhì)

9、影響主要在于其松松密程度密程度。集合體結(jié)構(gòu)，也稱團(tuán)聚結(jié)構(gòu)團(tuán)聚結(jié)構(gòu)或絮凝結(jié)構(gòu)絮凝結(jié)構(gòu)。這類結(jié)構(gòu)為粘性土所特有。單粒結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：1）具有單粒結(jié)構(gòu)的碎石土和砂土，雖然孔隙比較小，而孔隙大，透水性強(qiáng)，土粒間一般沒有內(nèi)聚力，但土粒相互依靠支承，內(nèi)摩擦力大，并且受壓力時土體積變化較小。2）再者，由于這類土的透水性強(qiáng)，孔隙水很容易排出，在荷載作用下壓密過程很快。因此，即使原來比較疏松，當(dāng)建筑物結(jié)構(gòu)封頂，地基沉降也告完成。3）對于具有單粒結(jié)構(gòu)的土體，一般情況（靜荷載作用）下可以不必?fù)?dān)心它的強(qiáng)度強(qiáng)度和變形變形問題。集合體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：1）孔隙度很大（可達(dá)5098），而各單獨(dú)孔隙的直徑很小，特別是聚粒絮凝結(jié)構(gòu)的孔隙更小

10、，但孔隙度更大，因此，土的壓縮性更大.2）含水量很大，往往超過50，而且因以結(jié)合水為主，排水困難，故壓縮過程緩慢.3）具有大的易變性不穩(wěn)定性。（二）土的構(gòu)造土的構(gòu)造 1.土的構(gòu)造定義與研究意義土的構(gòu)造定義與研究意義 土的構(gòu)造：指整個土層（土體）構(gòu)成土的不均勻性特征的總和。整個土體構(gòu)成土的不均勻性包括：層理、夾層、透鏡體、結(jié)核、組成顆粒大小懸殊及裂隙發(fā)育程度與特征等。這種構(gòu)成土的不均勻性是由于土的礦物成分及結(jié)構(gòu)變化所造成的。研究意義：（1）.土體構(gòu)造特征反映土體在力學(xué)性質(zhì)和其他工程性質(zhì)的各向異性或土體各部位的不均勻性，因此，要掌握其變化規(guī)律。如，由砂土和粘性土組成的層狀或互層構(gòu)造土體的物理力學(xué)性

11、質(zhì)皆顯示其各向異性特點(diǎn)。又如，黃土由于其垂直節(jié)理（裂隙）發(fā)育，強(qiáng)烈地降低其抗水穩(wěn)定性和力學(xué)穩(wěn)定性，特別在邊坡地段，沿裂隙極易產(chǎn)生坍方和滑坡現(xiàn)象。（2）土體的構(gòu)造特征是決定勘探、取樣或原位測試布置方案和數(shù)量的重要因素之一。2.土的構(gòu)造特點(diǎn)：（1）對于碎石土，粗石狀構(gòu)造和假斑狀構(gòu)）對于碎石土，粗石狀構(gòu)造和假斑狀構(gòu)造是最普遍的；造是最普遍的；（2）對于砂土和砂質(zhì)粉土，各種不同形式）對于砂土和砂質(zhì)粉土，各種不同形式的夾層、透鏡體或交錯層構(gòu)造，較為普遍。的夾層、透鏡體或交錯層構(gòu)造，較為普遍。（3）在粘性土中，常見有層狀、顯微層狀）在粘性土中，常見有層狀、顯微層狀構(gòu)造及各種裂隙、節(jié)理構(gòu)造。構(gòu)造及各種裂隙、

12、節(jié)理構(gòu)造。四、土的工程分類 1.土的工程分類的目的：目的：（1）根據(jù)土類，可以大致判斷土的基本工程特性，并可結(jié)合其他因素評價地基土的承載力、抗?jié)B流與抗沖刷穩(wěn)定性，在振動作用下的可液化性以及作為建筑材料的適宜性等；（2）根據(jù)土類，可以合理確定不同土的研究內(nèi)容與方法；（3）當(dāng)土的性質(zhì)不能滿足工程要求時，也需根據(jù)土類（結(jié)合工程特點(diǎn)）確定相應(yīng)的改良與處理方法。2.土的工程分類應(yīng)遵循的原則：原則：（1）工程特性差異性的原則。即分類應(yīng)綜合考慮土的各種主要工程特性（強(qiáng)度與變形特性等），用影響土的工程特性的主要因素作為分類的依據(jù)。（2）以成因、地質(zhì)年代為基礎(chǔ)的原則。土的工程性質(zhì)受土的成因（包括形成環(huán)境）與形成

13、年代控制。（3）分類指標(biāo)便于測定的原則，即采用的分類指標(biāo)，要既能綜合反映土的基本工程特性，又要測定方法簡便。3.我國土的工程分類我國土的工程分類 （1）土按堆積年代可劃分土按堆積年代可劃分 老堆積土：第四紀(jì)晚更新世Q3及其以前堆積的土層，一般呈超固結(jié)狀態(tài)，具有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；一般堆積土：第四紀(jì)全新世（文化期以前Q4）堆積的土層；新近堆積土：文化期以來新近堆積的土層Q4，一般呈欠壓密狀態(tài)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低。（2）土根據(jù)地質(zhì)成因分土根據(jù)地質(zhì)成因分 可分為殘積土、坡積土、洪積土、沖殘積土、坡積土、洪積土、沖積土、湖積土、海積土、風(fēng)積土積土、湖積土、海積土、風(fēng)積土和冰川冰川沉積土沉積土，各成因類型沉積土的

14、特征見書中有關(guān)章節(jié)。（3）土根據(jù)有機(jī)質(zhì)含量分土根據(jù)有機(jī)質(zhì)含量分 可分為無機(jī)土無機(jī)土、有機(jī)質(zhì)土有機(jī)質(zhì)土、泥炭質(zhì)土泥炭質(zhì)土和泥炭泥炭。（4）土按顆粒級配和塑性指數(shù)分）土按顆粒級配和塑性指數(shù)分 1）碎石土：粒徑大于2mm的顆粒含量超過全重50的土。2）砂土：粒徑大于2mm的顆粒含量不超過全重50，且粒徑大于0.075mm的顆粒含量超過全重50的土。根據(jù)顆粒級配分為礫砂、粗砂、中砂、細(xì)砂和粉砂。3）粉土：粒徑大于0.075mm的顆粒不超過全重50，且塑性指數(shù)小于或等于10的土。根據(jù)顆粒級配（粘粒含量）分為砂質(zhì)粉土和粘質(zhì)粉土。4）粘性土：塑性指數(shù)大于10的土。根據(jù)塑性指數(shù)分為粉質(zhì)粘土和粘土。（5）特殊類土：具有一定分布區(qū)域或工程意義上具有特殊成分、狀態(tài)和結(jié)構(gòu)特征的土稱為特殊性土，規(guī)范分為濕陷性土、紅粘土、軟土（包括淤泥和淤泥質(zhì)土）、混合土、填土、多年凍土、膨脹土、鹽漬土、污染土。