1、土的物理性质及工程分类211 土的生成21 土的生成与特性前面已经阐明土是由岩石，经物理化学风化、剥蚀、搬运、沉积，形成固体矿物、流体水和气体的一种集合体。不同的风化作用形成不同性质的土，风化作用有下列三种：(1)物理风化岩石经受风、霜、雨、雪的侵蚀，温度、湿度的变化，发生不均匀膨胀缩，使岩石产生裂隙，崩解为碎块。这种风化作用，只改变颗粒的大小与形状，不改变原来的矿物成分，称为物理风化。由物理风化生成的土为粗粒土，如块碎石、砾石和砂土等，这种土总称无粘性土。(2)化学风化岩石的碎屑与水、氧气和二氧化碳等物质相接触时，逐渐发生化学变化，原来组成矿物的成分发生了改变，产生一种新的成分次生矿物。这类
2、风化称为化学风化。经化学风化生成的土为细粒土，具有粘结力，如粘土与粉质粘土， 。总称粘性土。(3)生物风化由动物、植物和人类活动对岩体的破坏称生物风化，例如：长在岩石缝隙中的树，因树根伸展使岩石缝隙扩展开裂。而人们开采矿山、石材，修铁路打隧道，劈山修公路等活动形成的土，其矿物成分没有变化。212 土的结构和构造1土的结构1)定义土颗粒之间的相互排列和联结形式称为土的结构。2)种类土的结构分为下列三种：(1)单粒结构 凡粗颗粒土(如卵石和砂土等)，在沉积过程中，每一个颗粒在自重作用下单独下沉并达到稳定状态，如图 21(a)所示。(2)蜂窝结构 当土颗粒较细(粒径在 0O 2 mm 以下)时，在水
3、中单个下沉，碰到已沉积的土粒，因土粒之间的分子引力大于土粒自重，则下沉的土粒被吸引不再下沉。依次一粒粒被吸引，形成具有很大孔隙的蜂窝状结构如图 21(b)所示。(3)絮状结构(二级蜂窝结构) 那些粒径极细的粘土颗粒(粒径小于 O00 5 mm)在水中长期悬浮，这种土粒在水中运动相互碰撞而吸引逐渐形成小链环状的土集粒，质量增大而下沉，当一个小链环碰到另一小链环时相互吸引不断扩大形成大链环状，称为絮状结构。因小链环中已有孔隙，大链环中又有更大孔隙，形象地称为二级蜂窝结构，此种絮状结构在海积粘土中常见，如图 21(c)所示。图 21 土的结构3)工程性质以上三种结构中，以密实的单粒结构工程性质最好，
4、蜂窝结构与絮状结构如被扰动破坏天然结构，则强度低、压缩性高，不可以用作天然地基。2土的构造1)定义同一土层中土颗粒之间相互关系的特征称为土的构造。2)种类士的构造常见的有下列几种：（1）层状构造(2)分散构造 土层中土粒分布均匀，性质相近，如砂与卵自层为分散构造。(3)结核状构造 在细粒土中混有粗颗粒或各种结核，如含礓石的粉质粘土、含砾石的冰碛粘土等，均属结构状构造。(4)裂隙状构造 土体中有很多不连续的小裂隙，某些硬塑或坚硬状态的粘土为此种构造。3)工程性质通常分散构造的工程性质最好。结核状构造工程性质好坏取决于细粒土部分。裂隙状构造中，因裂隙强度低、渗透性大，工程性质差。213 土的工程特
5、性土与其他连续介质的建筑材料相比，具有下列三个显著的工程特性：(1)压缩性高反映材料压缩性高低的指标弹性模量 E(土称变形模量)，随着材料性质不同而有极大的差别，例如：钢材 E1=21 X 10 5 MPa；C20 混凝土 E2=26 X10 4MPa；卵石 E3=405 0 MPa；饱和细砂 E4=816 MPa。由此可知：E14200E3，E2 1600 E4。当应力数值相同，材料厚度一样时，卵石的压缩性为钢材压缩性的数千倍；饱和细砂的压缩性为 C2 0 混凝土的压缩性的数千倍，这足以证明土的压缩性极高。软塑或流塑状态的粘性土往往比饱和细砂的压缩性还要高很多。(2)强度低土的强度特指抗剪强
6、度，而非抗压强度或抗拉强度。无粘性土的强度来源于土粒表面滑动的摩擦和颗粒间的咬合摩擦；粘性土的强度除摩擦力外，还有粘聚力。无论摩擦力还是粘聚力，均远远小于建筑材料本身的强度，因此，土的强度比其他建筑材料(如钢材、混凝土等)都低得多。(3)透水性大材料的透水性可以用实验来说明：将一小杯水倒在木板上可以保留很长时问，说明木材透水性小。如将水倒在混凝土地板上，也可保留一段时间。若将水倒在室外土地上，则发现水很快不见了，这是由于土体中固体矿物颗粒之间具有许多透水的孔隙。因此土的透水性比木材、混凝土都大，尤其是粗颗粒的卵石或砂土，其透水性更大。上述土的三个工程特性(压缩性高、强度低、透水性大)与建筑工程
7、设计和施工关系密切，需高度重视。214 土的生成与工程特性的关系由于各类土的生成条件不同，它们的工程特性往往相差悬殊，下面分别加以说明。1搬运、沉积条件 通常流水搬运沉积的土优于风力搬运沉积的土。例如，北京西郊八宝山一带地基为卵石层，它是永定河的冲积层，工程性质非常好。该处卵石层范围很大，长宽各达数千米。当地设置很多砂石料场，开挖卵石，供首都基本建设作混凝土骨料之用。料场开挖深度一般为 58m，安全开挖边坡为 1：03(边坡坡角 7 3。 1 8 ， )，很陡，而且 经历多年暴雨冲刷和冻融作用，砂石料场边坡保持稳定状态而不发生坍塌。用一种特制工具钩连枪掏挖砂石料场坡脚时，当坡脚被掏空后，上面的
8、卵石因失去支承而下滑，滑动后的新鲜剖面的边坡坡度仍为 1：03，卵石层很密实，为良好的天然地基。又如陕北榆林、靖边县一带，地表普遍存在一层粉细砂，是由内蒙毛乌素沙漠，经风力搬运沉积下来的风积层。这种粉细砂松散，工程性质差。这种风积层一踩一个脚印，很疏松，不能作为天然地基。当地西北大风搬运量惊人，整个榆林城曾被沙淹没，三次南迁。2沉积年代通常土的沉积年代越长，土的工程性质越好。例如，第四纪晚更新世 Q3 及其以前沉积的粘性土，称为老粘性土，这种土密度大、强度高、压缩性低，为良好的天然地基。第四纪全新世 Q4 沉积的粘性土为常见的粘性土，它的工程性质好坏需要通过试验与分析确定。至于沉积年代短的新近
9、沉积粘性土，如在湖、塘、沟、谷、河漫滩及三角洲新近沉积土以及 5 年以内人工新填土，强度低，压缩性高，工程性质不良。3沉积的自然地理环境 由于我国地域辽阔，全国各地的地形高低、气候冷热、雨量多少相差很悬殊，这些自然地理环境不同所生成的土的工程性质差异也很大。例如，沿海地区天津塘沽、连云港、上海、温州等地存在的深厚的淤泥与淤泥质软弱土，西北地区陇西、陇东、陕北、关中及山西等地的大面积的湿陷性黄土，西南地区云南、贵卅、广西一带的红粘土，湖北、云南、广西、贵卅、四川等省区的膨胀土以及高寒地区的多年冻土，都具有特殊的工程性质。22 土的三相组成土的三相组成是指土由固体矿物、水和气体三部分组成。土中的固
10、体矿物构成土的骨架，在自然状态下，骨架之间存在大量孔隙，孔隙中充填着水和空气。在同一地点的土体，它的三相组成随着环境的变化而改变。例如，天气的晴雨、季节变化、温度高低以及地下水的升降等等，都会引起土的三相之间的比例产生变化。土体三相比例不同，土的状态和工程性质也随之各异，例如：固体+气体(液体=0)为干土。此时粘土呈坚硬状态。固体+液体+气体为湿土，此时粘土多为可塑状态。固体+液体(气体=0 为饱和土。此时松散的粉细砂或粉土遇强烈地震，可能产生液化而使工程遭受破坏；粘土地基受建筑荷载作用发生沉降，有时需几十年才能稳定。由此可见，研究土的各项工程性质，首先需从最基本的、组成土的三相(即固相、液相
11、和气相)本身开始研究。土的固体颗粒土的固体颗粒是土的三相组成中的主体，是决定土的工程性质的主要成分。1土粒的矿物成分土粒中的矿物成分分为三类：(1)原生矿物由岩石经物理风化而成，其成分与母岩相同。(2)次生矿物母岩岩屑经化学风化，改变原来的化学成分，成为一种很细小的新矿物，主要是粘土矿物。粘土矿物的粒径 d200mm，细粒土粘粒 d0075mm 的土。筛析法的主要设备为一套标准分析筛，筛子孔径分别为 20，10，5，2.0，1.0，05，025，O075mm。取样数量：粒径 d3 mm 已断裂，说明土条含水率大于或小于塑限，将此土条丢弃，重新取土样滚搓。将搓好的合格土条 35 g 测定含水率即
12、为所求塑限。(2)液、塑限联合测定法 此法可以减少反复测试液、塑限时间。制备三份不同稠度的试样试样的含水率分别为接近液限、塑限和两者的中间状态。用 7 6 g 质量的圆锥式液限仪，分别测定三个试样的圆锥下沉深度和相应的含水率，然后以含水率为横坐标，圆锥下沉深度为纵坐标，绘于双对数坐标纸上，将测得的三点连成直线。由含水率与圆锥下沉深度关系曲线上：查出下沉 10mm 对应的含水率即为叫液限；查得下沉深度为 2 mm 所对应的含水率即为叫塑限； 3缩限 ()工程中一般不做此实验1)定义粘性土呈半固态与固态之间的分界含水率称为缩限议 h 这是因为土样含水率减小至缩限后，土体体积不再发生收缩而得名。4塑
13、性指数1)定义液限与塑限的差值，去掉百分数符号，称塑性指数。 (21 3)2)物理意义细颗粒土体处于可塑状态下，含水率变化的最大区间。一种土的液限与塑限之间的范围大，即塑性指数大表明该土能吸附结合水多，但仍处于可塑状态，则该土粘粒含量高或矿物成分吸水能力强。3)工程应用用塑性指数作为粘性土与粉土定名的标准。5液性指数1)定义粘性土的液性指数为天然含水率与塑限的差值和液限与塑限差值之比。2)物理意义液性指数又称相对稠度，是将土的天然含水率与液限及塑限相比较，以表明天然含水率是靠近液限还是靠近塑限，反映土的软硬不同。3)工程应用据液性指数大小不同，可将粘性土分为 5 种软硬不同的状态，如图 21
14、3 所示。坚硬 硬塑一 可塑一软塑一 流塑6活动度 A1)定义粘性土的塑性指数与土中胶粒含量百分数的比值，称为活动度 A， 2)物理意义活动度反映粘性土中所含矿物的活动性。根据活动度的大小粘土可分为 3 种：A12 5 活动粘土7灵敏度 St1)定义粘性土的原状土无侧限抗压强度与原土结构完全破坏的重塑土(保持含水率和密度不变)的无侧限抗压强度的比值，称为灵敏度 St，即：2)物理意义灵敏度反映粘性土结构性的强弱。根据灵敏度的数值大小粘性土可分为 3 类土：St4 高灵敏土22 mm 的颗粒含量超过全重 50的土称为碎石土。2分类依据根据土的粒径级配中各粒组的含量和颗粒形状两者进行分类定名。3定
15、名颗粒形状以圆形及亚圆形为主的土，由大至小分为漂石、卵石、圆砾 3 种，颗粒彤状以棱角形为主的土，相应分为块石、碎石、角砾 3 种，共计 6 种，见表表 24 碎石土的分类。4工程性质碎石土的工程性质与其密实度紧密相关，根据密实度的不同，碎石土可分为以下四种。1)密实碎石土骨架颗粒含量大于总重的 70，呈交错排列，连续接触。锹镐挖掘困难，井擘一般较稳定钻进极困难，冲击钻探时钻杆、吊锤跳动剧烈。这种土为优等地基。2)中密碎石土骨架颗粒含量等于总重的 6070，呈交错排列，大部分接触。镐可挖掘，井壁有掉块现象，从井壁取出大颗粒处，能保持颗粒凹面形状。钻进较困难，冲击钻探时钻杆、吊锤跳动不剧烈。这种
16、土为优良地基。3)稍密碎石土骨架颗粒含量等于总重的 5 560，排列混乱，大部分不接触。锹可以挖掘，井壁易坍塌，从井壁取出大颗粒后砂土立即坍落。钻进较容易，冲击钻探时，钻杆稍有跳动。这种土为良好地基。4)松散碎石土骨架颗粒含量小于总重的 5 5，排列十分混乱，绝大部分不接触。锹易挖掘，井壁极易坍塌。钻进很容易，冲击钻探时，钻杆无跳动，孔壁极易坍塌。这种土不宜直接用做地基，经密实处理后，可成为良好地基。常见的碎石土，强度大，压缩性小，渗透性大，为优良的地基。253 砂土1定义粒径 d2 mm 的颗粒含量不超过全重 50，且 d00 7 5 mm 的颗粒超过全重 5 0的土称为砂土。2分类依据根据
17、土的粒径级配各粒组含量分类。3定名按土的粒径由大到小砂土分为砾砂、粗砂、中砂、细砂、粉砂五种，见表25。4工程性质1)密实与中密状态的砾砂、粗砂、中砂为优良地基；稍密状态的砾砂、粗砂、中砂为良好地基。2)粉砂与细砂：密实状态时为良好地基；饱和疏松状态时为不良地基。【例题 22】 某住宅进行工程地质勘察时，取回一砂土试样。经筛析试验，得到各粒组含量百分比，试定砂土名称。粒径 d（mm）0075 025 05 20 5014 1 6 14 26 22 8含量（）图 214 住宅砂样的粒径级配【解】 由图 21 4 可知，按表 24 标准：砂土粒径 d00 7 5 mm 含量占 8 65 0，定为粉
18、砂；粒径 dO0 7 5 mm 含量占 8 68 5，可定为细砂；粒径 dO2 5 mm 含量占 705 o，可定为中砂；粒径 dO5 mm 含量占 5 65 0，可定为粗砂；粒径 d2mm 含量占 3 0，在 2 55 0之间，也可定为砾砂。此住宅地基的砂样可定名为 5 种砂，但只能定一种名称。从表 25 的注：定名时应根据粒径分组含量由上到下最先符合者确定所以判断为砾砂。2-5.4 粉土1定义塑性指数1 0 且粒径大于 00 7 5 mm 的颗粒含量不超过全重 50的土称为粉土。2定名国家标准中粉土的性质介于砂土与粘性土之问，单列为一大类。3工程性质密实的粉土为良好地基。饱和稍密的粉土，地
19、震时易产生液化，为不良地基。255 粘性土1定义土的塑性指数 1 0 时，称为粘性土。2分类依据按塑性指数的大小来定名。3定名塑性指数 1 7，为粘土；1 01 o 反映土的什么性质?26 土体中的土中水包括哪几种?结合水有何特性?土中固态水(冰)对工程有何影响?27 土的物理性质指标有哪些?其中哪几个可以直接测定?常用测定方法是什么?28 土的密度 fD 与土的重力度)，的物理意义和单位有何区别?说明天然重度 y、饱和重度 y 州、有效重度 y和干重度死之间的相互关系，并比较其数值的大小。29 何谓孔隙比?何谓饱和度?用三相草图计算时，为什么有时要设总体积V 一 1 7 什么情况下设 V。一
20、 1 计算更简便? 淤泥质土由粉土形成。描述土粘土)f21 o 土粒比重 G。的物理意义是什么?如何测定 G。值?常见值砂土 G。大约是多少?粘土 G。一般是多少?2 无粘性土最主要的物理状态指标是什么?用孔隙比 g、相对密度 D，和标准贯人试验击数 N 来划分密实度各有何优缺点?21 2 粘性土的物理状态指标是什么?何谓液限?如何测定?何谓塑限?如何测定?21 3 塑性指数的定义和物理意义是什么?JP 大小与土颗粒粗细有何关系?JP 大的土具有哪些特点?21 4 何谓液性指数?如何应用液性指数 h 来评价土的工程性质?何谓硬塑、软塑状态?IL1o 的粘性土地基，为什么还有一定的承载力?21
21、5 已知甲土的含水率硼大于乙土的含水率洌 2，试问甲土的饱和度S。 ，是否大于乙土的饱和度 S。：?2 】6 下列土的物理指标中，哪几项对粘性土有意义，哪几项对无粘性土有意义?粒径级配；相对密度；塑性指数；液性指数；灵敏度。21 7 无粘性土和粘性土在矿物成分、土的结构、构造及物理状态诸方面，有哪些重要区别?21 8 地基土分哪几大类?各类土划分的依据是什么?21 9 何谓粉土?为何将粉土单列一大类?粉土的工程性质如何评价?220 淤泥和淤泥质土的生成条件、物理性质和工程特性是什么?21 某住宅工程地质勘察中取原状土做试验。用天平称 5 o cm3 湿土质量为9 51 5 g，烘干后质量为 7
22、 5o 5 g，土粒比重为 26 7。计算此土样的天然密度、干密度、饱和密度、天然含水率、孔隙比、孔隙度以及饱和度。 (答案：19 o，15 0，19 4 gcm3，2 68，o78，4 38，o9 1 8)22 一工厂车间地基表层为杂填土厚 12 m，第 2 层为粘性土厚 5 m，地下水位深 18m。在粘性土中部取土样做试验，测得天然密度 IO 一 184 gcm3，土粒比重 G。一 27 5。计算此土的删，冈，e 和阳。 (答案：3 94，13 2 gcm3，108，5 2)23 某宾馆地基土的试验中，已测得土样的干密度阳一 15 4 gcm3，含水率硼一 1 93，土粒比重 G。一 27 1。计算土的 P 川和 S， 。此土样又测得训。 。一 2 83，础 P 一 1 67，计算 JP 和 n，描述土的物理状态，定出土的名称。 (答案：o7 6，4 32，o6 9；116，o2 2 4，硬塑状态，粉质粘土)24 一办公楼地基土样，用体积为 l oocm3 的环刀取样试验，用天平测得环刀加湿土的质量为 241009，环刀质量为 5 5oog，烘干后土样质量为 1 6 2oog，土粒比重为 27 o。计算该土样的训，S， ，P，门，lD，B。 。和风，并比较各种密度的大小。 (答案：1 48，060，o67，40o；1869cm3，
