第九章第二节土的物理性质及其分类

gaocen · 发表于 2013-2-26 15:46:33

本帖最后由 gaocen 于 2013-2-27 08:56 编辑

一、概述

土作为建筑物地基的主体，显然是土力学研究的主要对象。土是岩石风化后的产物，是岩石经过风化、剥蚀作用等而形成的碎散颗粒的集合体。

土既然是散碎颗粒的集合体，颗粒间必然存在着孔隙，而孔隙也必然包含着水或空气。因此，土是由土颗粒（固相）、水（液相）和空气（气相）组成的三相体。

二、土的成因与组成

1 ．形成作用与成因类型

严格地说，土是由地质作用而生成的。地质作用—— 导致地壳（30~80km ）成分变化和构造变化的作用。是土的生成的根本原因和动力。

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内力与外力地质作用彼此独立又相互依存，前者对地壳的发展占主导地位。地质作用形成了各种成因的地形，造就了岩浆岩、变质岩、沉积岩，也生成了土。对土的生成贡献最大的地质作用是风化作用。

按风化成因，土可分为：

地质年代 ― 地壳发展历史与地壳运动、沉积环境及生物演化相应的世代段落。分为绝对的和相对的，后者应用最广。

相对地质年代 ― 根据古生物的演化和岩层形成的顺序，将地壳历史划分成的一些自然时段，共划分为五大代：太古代、元古代、古生代、中生代、新生代。

代又分为纪，纪又分为若干世和期，即代-纪-世-期。

每一地质年代中都划分有相应的地层，依次为界-系-统-阶（层）。

在新生代中最新近的一个纪段称为第四纪，我们现在所见的土就是在这一地质年代生成且尚未胶结成岩的，距今约 100 万年。

因此，我们现在所指的土可称为第四纪沉积物（层），需要指出：

岩石经风化而成土，土也可经压实固结、脱水、胶结硬化而成为岩石（沉积岩），即

2 ．土的组成

（1）土中的固体颗粒。

土中的固体颗粒（简称土粒）是土的主要组成部分，是土的骨架。土颗粒的大小、形状、和矿物成分及组成情况是决定土的物理力学性质的主要因素。

土是由大小不同的土粒组成的。随着颗粒的变化，土的性质将发生变化。例如：随着粒径的变细，土的性质由无黏性变为黏性。因此，为了区分土颗粒的特征，常将其划分为不同的粒组，粒组是指粒径界于一定范围内的土粒的集合。

颗粒级配 ― 土中所含各种粒组的重量所占土粒（干土）总重的百分数。它反映了土中各粒组的比例关系，由土的颗粒分析试验确定。

矿物 ― 地壳中天然生成的自然元素或化合物，也是构成岩石的基本元素或化合物。

土的矿物成分 ― 组成土中固体颗粒的矿物类型、结构等。了解土粒的矿物成分，对认识土性十分重要。

（ 2 ）土中水。

（ 3 ）土中气体。土中气占据了土中未被水占领的孔隙。

自由气体 ― 与大气连通、不影响土质，常存在于粗粒土中。

封闭气体 ― 与大气隔绝，增加土的弹性，减少土的透水性。

可燃气体 ― 由微生物的分解作用而形成，常存在于淤泥和泥炭等有机土中。

三、土的物理性质指标

土的物理性质指标 ― 表示土中三相比例关系的一些物理量（图 9-2 ），可分为如下两类：

1 ．土粒比重（土粒相对密度） ds

土粒质量与同体积的 4 ℃ 时纯水的质量之比，即：

土粒相对密度取决于矿物成分。一般土： 2 . 6 ~2 . 8 ；有机质土： 2 . 4 ~2 . 5 ；泥炭土： 1 . 5 ~1 . 8 。在实验室内用“比重瓶法”测定。

2 ．土的含水量 ω（质量之比）

土中所含水的质量与土粒质量之比，以百分数计，即：

3 ．土的密度ρ（又称天然密度）

天然状态下土单位体积的质量， g ／cm3或 t ／m3

黏性土：ρ=1 . 8 ~2 . 09 / cm3；砂土 1 . 6 ~2 . 09 g ／cm3；腐殖土 1 . 5 ~1 . 7g / cm3 。一般用“环刀法”测定。

4 ．土的干密度ρd 、饱和密度ρsat、有效密度ρ’

干密度是指土单位体积中固体颗粒部分的质量（工程上用作评定土体密实度，控制填土工程的施工质量）。

饱和密度是指土孔隙中充满水时土体的单位体积质量：

有效密度是指单位土体中土粒的有效质量（在地下水位以下，扣除浮力后单位土体积中土粒的质量） :

5 ．土的孔隙比e和孔隙率 n（体积之比）

孔隙比是指土中孔隙体积与土粒体积之比（无量纲）。用于评价土的密实度和压缩性：

e ＜0.6 密实、低压缩性；e＞1.0疏松、高压缩性。

孔隙率是指土中孔隙所占体积与总体积之比，以百分数表示

6 ．土的饱和度 Sr

土中被水充满的孔隙体积与总孔隙体积之比，以百分数表示：

干土Sr=0；饱和土Sr=100 ％。

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gaocen · 发表于 2013-2-26 15:53:06

本帖最后由 gaocen 于 2013-2-27 09:36 编辑

四、无黏性土的物理性质

无黏性土主要是指砂土和碎石土，其工程性质与其密实度密切相关。密实度越大，土的强度越大。因此，密实度是反映无黏性土工程性质的主要指标。

评判无黏性土的密实度有以下方法：

1 ．根据相对密实度 Dr （大小位于0~l 之间）判别

密实（ l ≥Dr≥0. 67 ）；中密（ 0 . 67≥Dr≥0 . 33 ）；松散（ 0 . 33 ≥ Dr≥0 ）。该法适用于透水性好的无黏性土，如纯砂、纯砾。

2 ．根据天然孔隙比e判别。

e越小，土越密实。一般，e＜0 . 6 时属密实，e＞ 1 . 0 时属疏松。该法适用于砂土，但不能考虑矿物成分、级配等对密实度的影响。

3 ．根据原位标准贯入等试验判别

密（ N > 30 ）、中密（ 15 ≤N≤ 30 ）、稍密（ 10≤N≤15 ）、松散（ N≤10 ）

4 ．根据野外方法鉴别（针对碎石类土）

肉眼观察、挖、钻等。

五、黏性土的物理性质

黏性土的特性主要是由于黏粒与水之间的相互作用产生，因此含水量是决定因素。黏性土的含水量对其物理状态和工程性质有重要影响。

液限（ωL, Liqud Limit ）：（也可理解为变为液态需要的最少含水量）土由可塑状态变到流动状态的界限含水量；土处于可塑状态的最大含水量，稍大即流态；

塑限（ωP， Plastic Limit ）：（也可理解为变为可塑需要的最少含水量）土由半固态变为可塑状态的界限含水量；土处于可塑状态的最小含水量，稍小即半固态；

缩限（ωS , Shrinkage Limit）：土由固态变为半固态的界限含水量；土处于半固态的最小含水量，稍小即为固态。

塑性指数IP ― 表示土处于可塑状态的含水量变化范围。

IP 越大，土处于可塑状态的含水量范围也越大。 ,,注册建筑师考试论坛,forum

土颗粒越细，黏粒含量越高，土能吸附的结合水量越多，则IP越大。黏土矿物蒙脱石含量越高，IP越大。IP在一定程度上综合反映了影响黏性土特征的各种主要因素，故常用于对黏性土进行分类。

液性指数IL ― 表示黏性土软硬程度的一个指标。

故可根据 IL 的大小评判土的软硬程度，分为如下 5 种（表 9-1 ）：

六、岩土的工程分类

作为建筑地基的岩土，可分为岩石、碎石土、砂土、粉土、黏性土和人工填土。

（ l ）岩石应为颗粒间牢固连接，呈整体或具有节理裂隙的岩体。作为建筑物地基，除应确定岩石的地质名称外，尚应按下面的（ 2 ）~（ 4 ）条来划分其坚硬程度和完整程度。

（ 2 ）岩石的软硬程度应根据岩块的饱和单轴抗压强度 frk按表 9-2 分为坚硬岩、较硬岩、较软岩、软岩和极软岩。当缺乏饱和单轴抗压强度资料或不能进行该项试验时，可在现场通过观察定性划分，划分标准可按《建筑地基基础设计规范》附录 A . 0 . 1 执行。岩石的风化程度可分为未风化、微风化、中风化、强风化和全风化。

（ 3 ）岩体完整程度应按表 9 一 3 划分为完整、较完整、较破碎、破碎和极破碎。

（ 4 ）碎石土为粒径大于 2mm 的颗粒含量超过全重50 ％的土。碎石土可按表 9-4 分为漂石、块石、卵石、碎石、圆砾和角砾。

（5）碎石土的密实度可按表 9 -5 分为松散、稍密、中密、密实。

（ 6 ）砂土为粒径大于 2mm 的颗粒含量不超过全重 50 ％、粒径大于0.075mm 的颗粒超过全重 50 ％的土。砂土可按表 9-6 分为砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂。

（ 7 ）砂土的密实度，可按表 9-7 分为松散、稍密、中密、密实。

（ 8 ）黏性土为塑性指数 IP 大于 10 的土，可按表 9-8 分为黏土、粉质黏土。

（ 9 ）黏性土的状态，可按表 9-9 分为坚硬、硬塑、可塑、软塑、流塑。

（ 10 ）粉土为介于砂土和黏性土之间，塑性指数IP≤10 且粒径大于0.075mm 的颗粒含量不超过全重 50 ％的土。

（ 11 ）淤泥为在静水或缓慢的流水环境中沉积，并经生物化学作用形成，其天然含水量大于液限、天然孔隙比大于或等于 1 . 5 的黏性土。当天然含水量大于液限而天然孔隙比小于 1 . 5 但大于或等于 1.0的黏性土或粉土为淤泥质土。

（ 12 ）红黏土为碳酸盐岩系的岩石经红土化作用形成的高塑性黏土。其液限一般大于 50 。红黏土经再搬运后仍保留其基本特征，其液限大于 45 的土为次生红钻土。

（ 13 ）人工填土根据其组成和成因，可分为素填土、压实填土、杂填土、冲填土。

素填土为由碎石土、砂土、粉土、黏性土等组成的填土。经过压实或夯实的素填土为压实填土。杂填土为含有建筑垃圾、工业废料、生活垃圾等杂物的填土。冲填土为由水力冲填泥砂形成的填土。

（ 14 ）膨胀土为土中黏粒成分主要由亲水性矿物组成，同时具有显著的吸水膨胀和失水收缩特性，其自由膨胀率大于或等于 40 ％的黏性土。

（ 15 ）湿限性土为浸水后产生附加沉降，其湿限系数大于或等于0.015的土。

七、工程特性指标

（ l ）土的工程特性指标应包括强度指标、压缩性指标以及静力触探探头阻力，标准贯人试验锤击数、载荷试验承载力等其他特性指标。

（ 2 ）地基土工程特性指标的代表值应分别为标准值、平均值及特征值。抗剪强度指标应取标准值，压缩性指标应取平均值，载荷试验承载力应取特征值。

（ 3 ）载荷试验包括浅层平板载荷试验和深层平板载荷试验。浅层平板载荷试验适用于浅层地基，深层平板载荷试验适用于深层地基。

（ 4 ）土的抗剪强度指标，可采用原状土室内剪切试验、无侧限抗压强度试验、现场剪切试验、十字板剪切试验等方法测定。当采用室内剪切试验确定时，应选择三轴压缩试验中的不固结不排水试验。经过预压固结的地基可采用固结不排水试验。每层土的试验数量不得少于 6 组。室内试验抗剪强度指标ck、ψk，可按本规范附录 E 确定。

在验算坡体的稳定性时，对于已有剪切破裂面或其他软弱结构面的抗剪强度，应进行野外大型剪切试验。

（ 5 ）土的压缩性指标可采用原状土室内压缩试验、原位浅层或深层平板载荷试验、旁压试验确定。

当采用室内压缩试验确定压缩模量时，试验所施加的最大压力应超过土自重压力与预计的附加压力之和，试验成果用e-logp 曲线表示。当考虑土的应力历史进行沉降计算时，应进行高压固结试验，确定先期固结压力、压缩指数，试验成果用 e-logp 曲线表示。为确定回弹指救，应在估计的先期固结压力之后进行一次卸荷，再继续加荷至预定的最后一级压力。

地基土的压缩性可按 pl 为100kPa ,p2为 200kPa 时相对应的压缩系数值 α1-2划分为低、中、高压缩性，并应按以下规定进行评价：