土的组成和物理性质

第四讲 土的组成和物理性质 一、    提要： 本讲主要讲述土的三相组成和三相指标、土的矿物组成和颗粒级配、土的结构、粘性土的界限含水量、塑性指数、液性指数、砂土的相对密实度、土的最佳含水量和最大干密度、土的分类 二、    重点、难点： 土的物理力学性质指标的计算 一、土的三相组成 土是由固体颗粒、水和气体三部分组成的，通常称为土的三相组成。随着三相物质的质量和体积的比例不同，土的性质也将不同。 【例题1】土的三相组成中不包括的部分是（　　）。 A.　水　　　B.　气体　　　C.　固体颗粒　　　D.　矿物成分　　　　：D     (一)土的固相 土的固相物质包括无机矿物颗粒和有机质，是构成土的骨架最基本的物质，称为土粒。对土粒应从其矿物成分、颗粒的大小和形状来描述。     1. 土的矿物成分     土中的矿物成分可以分为原生矿物和次生矿物两大类。     原生矿物是指岩浆在冷凝过程中形成的矿物，如石英、长石、云母等。 次生矿物是由原生矿物经过风化作用后形成的新矿物，如三氧化二铝、三氧化二铁、次生二氧化硅、粘土矿物以及碳酸盐等。 【例题2】在下列各类矿物中，属于次生矿物的是（　　　）。 A.　石英　　　　B.　长石　　　　C.　云母　　　　D.　蒙脱石　　　　答案：D     2. 土的粒度成分(颗粒级配)     天然土是由大小不同的颗粒组成的，土粒的大小称为粒度。工程上常用不同粒径颗粒的相对含量来描述土的颗粒组成情况，这种指标称为粒度成分。     (1)土的粒组划分     工程上常把大小相近的土粒合并为组，称为粒组。粒组间的分界线是人为划定的，划分时应使粒组界限与粒组性质的变化相适应，并按一定的比例递减关系划分粒组的界限值。     对粒组的划分，我国有关均将砂粒粒组与粉粒粒组的界限为0.075mm。其余粒组划分标准可参见《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)和《土的工程分类标准》(GBJl45-90)等。     (2)粒度成分及其表示     土的粒度成分是指土中各种不同粒组的相对含量(以干土质量的百分比表示)，它可用以描述土中不同粒径土粒的分布特征。 INCLUDEPICTURE "http://www.stucamp.com/user_center/classimages/2005615165831302.gif" \* MERGEFORMATINET  常用的粒度成分的表示方法是累计曲线法，也称颗分曲线法，它是一种图示的方法，通常用半对数纸绘制，横坐标(按对数比例尺)表示某一粒径，纵坐标表示小于某一粒径的土粒的百分含量，如图15-4-1所示。     在累计曲线上，可确定两个描述土的级配的指标：     (3)粒度成分测定方法 对于粗粒土可以采用筛分法，而对于细粒土(粒径小于0.075mm)则必须用沉降分析法测定其粒度成分。筛分法是用一套不同孔径的标准筛把各种粒组分离出来的方法。沉降分析法是根据土粒在悬液中沉降的速度与粒径的平方成正比的司笃克斯公式来确定各粒组相对含量的方法。 【例题3】粗粒土与细粒土的粒径界限是（　　　　）。 A.　2mm   　 　B.　 0.25mm 　　　C.　 0.075mm 　　　D.　0.05mm　　　答案：C 【例题4】在土体粒度成分的表示方法当中，称为有效粒径的是（①），称为限定粒径的是（②）。 A.　 d10　　　　　　　B.　 d30　　　　　　C.　 d50　　　　　　D.　 d60　　　　　　答案：① A；③ D　 【例题5】对于砂土，当确定其粒度成分时，采用的测定方法为（　　　）。 A.　 筛分法　　B.　 沉降分析法　　　C.　三轴试验　　　D.　直剪试验　　答案：A 【例题6】某土的Cu＝1~3，下列判断正确的是（　　　）。 A.　可以认为该土的粒径变化连续性好，填料中不缺失某种粒径含量； B.    可以认为该土的粒径变化连续性不好，填料中缺失某种粒径含量； C.    可以认为该土的粒径变化连续性好，该土的级配良好； D.　可以认为该土的粒径变化连续性不好，级配不良；　　　　　　　　　　　答案：A       (二)土的液相     土的液相是指存在于土孔隙中的水。按照水与土相互作用程度的强弱，可将土中水分为结合水和自由水两大类。     结合水是指处于土颗粒表面水膜中的水，它因受到表面引力的控制而不服从静水力学规律，其冰点低于零度。结合水又可分为强结合水和弱结合水。强结合水在最靠近土颗粒表面处，水分子和水化离子排列得非常紧密，以致其密度大于1，并有过冷现象，即温度降到零度以下不发生冻结的现象。在距离土粒表面较远地方的结合水称为弱结合水，由于引力降低，弱结合水的水分子的排列不如强结合水紧密，弱结合水可能从较厚水膜或浓度较低处缓慢地迁移到较薄的水膜或浓度较高处，亦即可从一个土粒迁移到另一个土粒，这种运动与重力无关，这层不能传递静水压力的水定义为弱结合水。     自由水包括毛细水和重力水。毛细水不仅受到重力的作用，还受到表面张力的支配，能沿着土的细孔隙从潜水面上升到一定的高度。这种毛细上升对于公路路基土的干湿状态及建筑物的防潮有重要影响。重力水在重力或压力差作用下能在土中渗流，对于土颗粒和结构物都有浮力作用，在土力学计算中应当考虑这种渗流及浮力的作用力。 【例题7】在土的液相中，冰点最低的是（　　　）。 A.　强结合水　　　B.　弱结合水　　　C.　毛细水　　　D.　重力水　　答案：A (三)土的气相     土的气相是指充填在土的孔隙中的气体，包括与大气连通的和不连通的两类。 与大气连通的气体对土的工程性质没有多大的影响，它的成分与空气相似，当土受到外力作用时，这种气体很快从孔隙中挤出；但是密闭的气体对土的工程性质有很大的影响，密闭气体的成分可能是空气、水汽或天然气。在压力作用下这种气体可被压缩或溶解于水中，而当压力减小时，气泡会恢复原状或重新游离出来。含气体的土称为非饱和土，非饱和土的工程性质研究已成为土力学的一个新分支。 【例题8】下列关于土的气相的叙述，正确的选项为（　　）。 A.    当土受到外力作用时，土中的气体会被很快从孔隙中排出； B.　当土受到外力作用时，与大气连通的气体会被从孔隙中排出，密闭的气体可被压缩； C.　当土受到外力作用时，对于密闭的气体不能被压缩； D.    对于饱和土而言，土内的气体仅存在密闭的气体； 答案：B 二、土的三相比例指标      土的三相物质在体积和质量上的比例关系称为三相比例指标。三相比例指标反映了土的干燥与潮湿、疏松与紧密，是评价土的工程性质的最基本的物理性质指标，也是工程地质勘察报告中不可缺少的基本内容。        推导土的三相比例指标时可采用图15-4-2所示的三相图。图15-4-2(c)中土样的体积V为土中空气的体积Va、水的体积Vw和土粒的体积Vs之和；土样的质量g为土中空气的质量ga水的质量gw和土粒的质量gs之和；由于空气的质量可以忽略，故土样的质量g可用水和土粒质量之和(gw+gs)表示。  三相比例指标可分为两种，一种是试验指标；另一种是换算指标。  (一)试验指标     通过试验测定的指标有土的密度、土粒密度和含水量。 含水量通常以百分数表示。含水量常用烘干法测定，它是描述土的干湿程度的重要指标。土的天然含水量变化范围很大，从干砂的含水量接近于零到蒙脱土的含水量可达百分之几百。 【例题9】在对土样进行土工试验时，不属于试验指标的是（　　）。 A.　密度　　　　 B.　土粒密度　　　 C.　孔隙比　　　 D.　含水量　　　 答案：C (二)换算指标     除了上述三个试验指标之外，还有六个可以计算求得的指标，称为换算指标，包括土的干密度(干重度)、饱和密度(饱和重度)、有效重度、孔隙比、孔隙率和饱和度。 三、土的结构 土的结构是指土粒(或团粒)的大小、形状、互相排列及联结的特征。 土的结构是在成土的过程中逐渐形成的，它反映了土的成分、成因和年代对土的工程性质的影响。土的结构按其颗粒的排列和联结可分为图15-4-3所示的三种基本类型。 1. 单粒结构  单粒结构是碎石土和砂土的结构特征。其特点是土粒间没有联结存在，或联结非常微  弱，可以忽略不计。疏松状态的单粒结构在荷载作用下，特别在振动荷载作用下会趋向密实，土粒移向更稳定的位置，同时产生较大的变形；密实状态的单粒结构在剪应力作用下会发生剪胀，即体积膨胀，密度变松。单粒结构的紧密程度取决于矿物成分、颗粒形状、粒度成分及级配的均匀程度。片状矿物颗粒组成的砂土最为疏松；浑圆的颗粒组成的土比带棱角的容易趋向密实；土粒的级配愈不均匀，结构愈紧密。 2. 蜂窝状结构 蜂窝状结构是以粉粒为主的土的结构特征。粒径在0.075～0.005mm左右的土粒在水中沉积时，基本上是单个颗粒下沉，在下沉过程中、碰上已沉积的土粒时，如土粒间的引力相对自重而言已经足够地大，则此颗粒就停留在最初的接触位置上不再下沉，形成大孔隙的蜂窝状结构。 3. 絮状结构 絮状结构是粘土颗粒特有的结构特征。悬浮在水中的粘土颗粒当介质发生变化时，土粒互相聚合，以边一边、面一边的接触方式形成絮状物下沉，沉积为大孔隙的絮状结构。 土的结构形成以后，当外界条件变化时，土的结构会发生变化。例如，土层在上覆土层作用下压密固结时，结构会趋于更紧密的排列；卸载时土体的膨胀(如钻探取土时土样的膨胀或基坑开挖时基底的隆起)会松动土的结构；当土层失水干缩或介质变化时，盐类结晶胶结能增强土粒间的联结；在外力作用下(如施工时对土的扰动或剪应力的长期作用)会弱化土的结构，破坏土粒原来的排列方式和土粒间的联结，使絮状结构变为平行的重塑结构，降低土的强度，增大压缩性。因此，在取土试验或施工过程中都必须尽量减少对土的扰动，避免破坏土的原状结构。 【例题12】在下列各类土中，其结构属于单粒结构的是（　　　）。 A.　粗砂　　　B.　粉土　　　C.　粉质粘土　　　D.　粘土　　　　答案：A 四、粘性土的界限含水量 1. 粘性土的状态 随着含水量的改变，粘性土将经历不同的物理状态。当含水量很大时，土是一种粘滞流动的液体即泥浆，称为流动状态；随着含水量逐渐减少，粘滞流动的特点渐渐消失而显示出塑性(所谓塑性就是指可以塑成任何形状而不发生裂缝，并在外力解除以后能保持已有的形状而不恢复原状的性质)，称为可塑状态；当含水量继续减少时，则发现土的可塑性逐渐消失，从可塑状态变为半固体状态。如果同时测定含水量减少过程中的体积变化，则可发现土的体积随着含水量的减少而减小，但当含水量很小的时候，土的体积却不再随含水量的减少而减小了，这种状态称为固体状态。 2. 界限含水量 粘性土从一种状态变到另一种状态的含水量分界点称为界限含水量。流动状态与可塑状态间的分界含水量称为液限wL；可塑状态与半固体状态间的分界含水量称为塑限wp；半固体状态与固体状态间的分界含水量称为缩限ws。 塑限wp，是用搓条法测定的。把塑性状态的土在毛玻璃板上用手搓条，在缓慢的、单方向的搓动过程中土膏内的水分渐渐蒸发，如搓到土条的直径为3mm左右时断裂为若干段，则此时的含水量即为塑限wp。 液限WL可采用平衡锥式液限仪测定。平衡锥重为76g，锥角为30˚。试验时使平衡锥在自重作用下沉入土膏，当沉入深度l0mm时的含水量即为液限WL。 【例题13】对于粘性土而言，流动状态与可塑状态间的分界含水量称为（　　）。 A.　液限wL；　　　B.　塑限wp　　　　　　C.　 缩限ws　　　　　　　　　　　　答案：A 【例题14】当利用平衡锥式液限仪进行试验时，使平衡锥在自重作用下沉入土膏，当沉入深度l0mm时的含水量即为（　　　）。 A.　液限wL；　　　B.　塑限wp　　　　　　C.　 缩限ws　　　　　　　　　　　　答案：A 3.　塑性指数 可塑性是粘性土区别于砂土的重要特征。可塑性的大小用土处在塑性状态的含水量变化范围来衡量，从液限到塑限含水量的变化范围愈大，土的可塑性愈好。这个范围称为塑性指数 六、土的压实原理 土体能够通过振动、夯实和碾压等方法调整土粒排列，进而增加密实度的性质称为土的压实性。 1.　土的压实与含水量的关系 土的含水量是影响填土压实性的主要因素之一。在低含水量时，水被土颗粒吸附在土粒表面，土颗粒因无毛细管作用而互相联结很弱，土粒在受到夯击等冲击作用下容易分散而难于获得较高的密实度。在高含水量时，土中多余的水分在夯击时很难快速排出而在土孔隙中形成水团，削弱了土颗粒间的联结，使土粒润滑而变得易于移动，夯击或碾压时容易出现类似弹性变形的“橡皮土”现象，失去夯击效果。 土的干密度 ，是反映土的密实度的重要指标，它与土的含水量、压实能量和填土的性质等有关。将同一种土配置成不同含水量的土样后进行室内击实试验，可以获得如图15-4-4所示的含水量w与干密度 之间的关系曲线，称作击实曲线。 七、土的工程分类 土的工程分类是把不同的土分别安排到各个具有相近性质的组合中去，其目的是为了人们有可能根据同类土已知的性质去评价其工程特性，或为工程师提供一个可供采用的描述与评价土的方法。通常对建筑地基可分成岩石、碎石土、砂土、粉土、粘性土和特殊性土六大类。 1. 岩石 岩石(基岩)是指颗粒间牢固联结，形成整体或具有节理、裂隙的岩体。它作为建筑场地和建筑地基可按下列原则分类： (1)按成因分为岩浆岩、沉积岩和变质岩。 (2)根据坚固性即未风化岩石的饱和单轴极限抗压强度q分为硬质岩石(q≥30MPa)和软质岩石(q<30MPa)。 (3)根据风化程度分为微风化、中等风化和强风化。 (4)按软化系数KR分为软化岩石和不软化岩石。KR为饱和状态与风干状态的岩石单轴极限抗压强度之比，KR<0.75为软化岩石，KR>0.75为不软化岩石。 2. 碎石土 碎石土是指粒径大于2mm的颗粒含量超过总质量的50％的土，按粒径和颗粒形状可进一步划分为漂石、块石、卵石、碎石、圆砾和角砾。 碎石土的密实度一般用定性的方法由野外描述确定，卵石的密实度可按超重型动力触探的锤击数划分。 3. 砂土 砂土是指粒径大于2mm的颗粒含量不超过总质量的50％且粒径大于0.075mm的颗粒含量超过总质量的50％的土。砂土可再划分为5个亚类，即砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂。 4. 粉土 粉土是指粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过总质量的50％，且塑性指数小于或等于10的土。粉土是介于砂土和粘性土之间的过渡性土类，它具有砂土和粘性土的某些特征，根据粘粒含量可以将粉土再划分为砂质粉土和粘质粉土。 5. 粘性土 粘性土是指塑性指数大于10的土。根据塑性指数大小，粘性土可再划分为粉质粘土和粘土两个亚类，当1017时为粘土。 6. 特殊性土 特殊性土包括填土、软土和湿陷性土等，其特性与分类将在第四节中介绍。