1、第2章 土的组成、性质和工程分类,2.1 概述土的组成物理性质工程分类2.2 土的生成和演变,土的形成：地质历史的产物，是地球表面的整体岩石在大气中经受自然力和自然环境的长期风化作用形成。 反向过程：土经过很长的地质年代，发生复杂的物理化学变化，逐渐压密、岩化，最终又可形成岩石。循环演变：岩石土岩石土。重复进行。地质概念：第四纪地质：（1）更新世：1.3万年到71万年（2）全新世：小于0.25万年到1.3万年。新近代沉积土：有人类文化期以来沉积的土。,2.2.1 风化作用 （1）物理风化地质构造力；温度变化；冰冻作用；碰撞作用颗粒大小发生改变，化学成分保持不变。,（2）化学风化水解作用；水化作
2、用；氧化作用；溶解作用矿物化学成分变化，形成次生矿物。正长石 高磷石(水解 ),（3）生物风化植物根分泌有机酸；遗体腐烂；微生物作用 动植物或人类活动的影响。,小结：（1）物理风化（2）化学风化（3）生物风化,需要注意：a、上述风化作用常常是同时存在的。b、不同地区，自然条件不同，风化作用有主次。c、风化作用由地表向下逐渐减弱,2.2.2 不同生成条件下土的特点 1. 残积土 概念：母岩经风化作用破碎成为岩屑或细小颗粒，残留原地。 特点：颗粒表面粗糙、多棱角、粗细不均、无层理。2. 搬运土 概念：风化所形成的土颗粒，受自然力作用，搬运到远近不同的地点沉积。 特点：颗粒经滚动和摩擦作用而变圆滑。
3、受水流等自然力的分选作用而形成不同的层次，粗颗粒下沉快，细颗粒下沉慢。,搬运土分类： 坡积土 风积土 冲积土 洪积土 湖泊沼泽沉积土 海相沉积土 冰积土,2.2.3 土的沉积与成岩作用成岩作用：土经过搬运和沉积，经过一系列变化，最后固结成坚硬的岩石(沉积岩)。几种作用：压固脱水、胶结、重结晶沉积岩。(见图2-1),图2-1 土与岩石的相互转化,2.3 土的物质组成,2.3.1 土中固体颗粒（土的固相）1. 粒组的划分和颗粒级配曲线 （1）几个基本概念 粒度:土粒的大小称为粒度。 粒度成分：不同粒径颗粒的相对含量。 粒组：大小相近的土粒合并为组。 a、粒组间的分界线是人为划定的; b、划分时应使
4、粒组界限与粒组性质的变化相适应; c、按一定的比例递减关系划分粒组的界限值。 d、表2-1给出国内常用的粒组划分方法。,表2-1 粒组的划分,（2）颗粒级配和颗粒分析试验,a. 筛分法：适用于粒径大于0.075mm的粗颗粒土。,图6 摆筛图,b. 密度计法：适用于粒径小于0.075mm的细颗粒土。斯托克斯(stokes)定理：颗粒下沉速度与颗粒直径的平方成正比。 c. 综合分析筛分法和密度计法结合,（3）颗粒级配曲线,用半对数纸表示颗粒级配曲线 横坐标(按对数比例尺)：表示某一粒径（d）； 纵坐标：表示小于某一粒径的土粒百分含量（%）。,由颗粒级配曲线可知道某一粒径范围的百分含量！ 问题：如何
5、判断级配的好坏？,两个指标表示大小、均匀程度及其级配情况 不均匀系数：,d60（限定粒径）小于该粒径的含量占总量的60%d10（有效粒径）小于该粒径的含量占总量的10%,该指标考虑了大颗粒和小颗粒含量的差异； Cu愈大，颗粒愈不均匀；,d30（连续粒径）小于该粒径的含量占总量的30%,曲率系数：,该指标考虑了中间粒径的影响； Cc大于3，曲率变化快，土均匀； Cc小于1，曲率变化平缓，中间颗粒少；,a、级配良好土：曲线光滑连续，不存在平台段，坡度平缓满足Cu5及Cc=1-3两个条件（图2-2的B土曲线）,（4）土级配优劣的标准,图2-2 土的颗粒级配曲线,b、级配不良土：级配曲线坡度陡峭，粗细
6、颗粒均匀；级配曲线存在平台段，即存在不连续粒径。不能同时满足Cu5及Cc=1-3两个条件（图2-2的C土和A土曲线）,图2-2 土的颗粒级配曲线,图2-2 土的颗粒级配曲线,例2-1：取天然土样500g，试用筛分法测定其粒组含量。例题2.1 粗粒部分筛分试验结果,图2-3 细颗粒土试验结果,土的矿物成分与粒组关系（图2-4）,图2-4 土的矿物成分与粒组的关系,2.4 土-水-电解质系统及其相互作用 2.4.1 粘粒的胶体特性 2.4.2 粘土的双电层 2.4.3 粘土的触变与陈化,2.5土的结构性,土的结构性： 指土的物质组成(主要指土粒，也包括孔隙)的空间相互排列，以及土粒间的联结特征的综
7、合。 土结构的影响： 对土的物理力学性质有重要的影响。 土结构的变化和意义： 土的结构在形成过程中及形成之后，当外界条件变化时都会使土的结构发生变化。,图A 砂土结构特点,图B 粘土结构特点,a 单粒非絮凝结构结构,b 粒组的非絮凝结构,d 单粒的角-角凝絮结构,e 粒组的角-面絮凝结构,f 粒组的角-角絮凝结构,c 单粒的角-面絮凝结构,g 粒组的角-面絮凝结构与角-角絮凝结构,2.6 土的物理性质指标,物理模型 假定模型,总质量：m=ms+mw 总体积：V=Vs+Vv=Vs+Va+Vw符号： ssoil vvoid aair wwater,图2-25 土的三相图,2.6.1土的三相草图,可
8、用三相草图来描述土的三相组成定义土的物理性质指标。,三相草图的意义：,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； 评价土的工程性质的最基本的物理性质指标； 工程地质勘察报告中不可缺少的基本内容。,2.6.2 三个实测物理性质指标,直接测定指标（可在实验室内直接测定）：重度、含水量、土粒比重Gs（土粒密度s）。换算指标：其它指标均为换算指标（孔隙比、饱和度）。,1、土的密度和重度,2、含水量,3、土粒比重,Gs固体颗粒质量与同体积水(在4时)质量之比,表2-7 土粒比重范围,2.6.3 换算的物理性质指标,孔隙比,于是可得两者关系：,孔
9、隙率,饱和度,一般 0Sr1 饱和土：Sr=1 干土：Sr=0,土的饱和重度sat,土的密度与重度的关系：,土的有效重度（浮重度）,土的干重度,2.6.5 几种常用指标之间关系式的推导,土的三相比例指标之间可以互相换算： 方法1：由三相图及其定义计算，见教材48页例2-3。假定V=1, 或者假定Vs=1,方法2：由三相图导出的计算公式（见表2-8 ）。,2.7 土的物理状态指标,2.7.1 粗颗粒土的密实度（砂土的密实度）,用孔隙比e可评价砂土的密实度； 优缺点： 优点：应用方便、简单 缺点：不能考虑颗粒大小、级配和形状的影响 所以： 应与最大孔隙比与最小孔隙比比较； 建立相对密度的概念。,最
10、小孔隙比：砂土处于最密实状态时的孔隙比，emin用“振击法”测定。最大孔隙比：砂土处于最疏松状态时的孔隙比，emax用“松散器法”测定。相对密度：,最大孔隙比、最小孔隙比的概念：,举例说明建立相对密度概念的意义：,结论： 土样1：密实； 土样2：不密实,问题：哪个土样密实？,1 用Dr表示砂土密实度,见表2-9，铁路工程技术规范（P50）,当e=emax时，Dr=0，最松状态；当eemin时，Dr=1.0，最密状态。优点：可以把土的级配考虑进去，理论上较为完善缺点：emax和emin难以准确测定，给Dr的确定带来困难。,2、标准贯入试验方法,方法： 63.5kg锤，升到76cm高，自由落下 标
11、准贯入器入土深度30cm，所需锤数为N63.5,显然：,规范： 建筑地基基础设计规范(GB500072002)表2-10 ，详见第8章,判断标准：,2.7.2 粘性土的稠度（界限含水量）,Atterberg（瑞典土壤学家，1911）,塑性： 可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。 Plasticity。,在陶瓷工业、农业科学和土木工程中有广泛应用。,土体体积随含水量的变化：,图2-29 含水量与体积的关系,土的界限含水量（Atterberg limits）,缩限：半固体状态与固体状态间的分界含水量。当含水量小于该值时，体积不发生变化。Shrinkage
12、 limit, wS。 塑限：可塑状态与半固体状态间的分界含水量。Plastic limit, wP。 液限：流动状态与可塑状态间的分界含水量。Liquid limit, wL。,“界限含水量是土的一种固有的性质，与含水量无关”,问题：缩限、塑限、液限是否与土样的含水量有关？,注意：塑限和液限是土力学中常用的。,液限的测定： 锥式液限仪（中国）； 碟式液限仪（欧美，详见ASTM试验规程）。,碟式液限仪 平衡锥式液限仪,17mm,液限测定演示：,17mm,液限测定演示：,液限测定演示：,塑限的测定：搓条法测定。3mm土条。 缩限的测定：收缩皿法测定。,讨论： 液限和塑限也可用光电式液塑限联合测定
13、仪测定； 试验的具体程序和步骤详见土工试验方法标准； 界限含水量由重塑土测定，而现场原状土有一定结构性； 所以，有时现场土含水量比液限大但地基未流动。,（1）塑性指数IP,概念:塑性状态时含水量变化范围，IP（Plasticity index）。,常省略 %；变化范围很大（如大于200）；是粘性土区别于砂土的重要特征； 反映了土与水之间物理化学作用的强弱。,物理意义：,思考：,一个问题：,结论：不能。,结果： 土样1：可塑态； 土样2：半固态；,问题：判断土样物理状态？,“必须建立含水量与界限含水量的关系”,（2）液性指数IL,表2-11 粘性土的稠度标准,天然状态含水量和界限含水量相对关系的
14、指标（Liquidity index）。,在0到1之间。越大，表示土越软；大于1，处于流动状态；小于0，处于固体状态或半固体状态。,关于IL结论：,例题：,证明：,例2-5 某粘性土的天然含水量w=19.3%，液限wL=28.3%，塑限wP=16.7%。求塑性指数IP和液性指数IL，确定该土状态。,查表2-11可知该土的状态为硬塑状态。,IL= = =0.224,解：IP=wL-wP=28.3-16.7=11.6,“土的工程分类是勘察、设计的首要内容”,2.8 土的工程分类,分类存在不同体系，主要有：(1) 建设部土的分类标准(GBJl4590)；(2) 建设部建筑地基基础设计规范(GB500
15、072002)；(3) 水利部土工试验规程(SL2371999)中的12884分类法；(4) 交通部公路土工试验规程(JTJ05193)。,分类原则和特点：,2.8.1 建筑地基基础设计规范 (GB500072002),对粗颗粒土，考虑了结构和粒径级配； 对细颗粒土，考虑了土的塑性和成因； 给出岩石的分类标准； 将天然土分为6大类：岩石、碎石土、砂类土、粉土、粘性土和人工填土。,天然土分为6大类：,岩石：表2-12和表2-13 碎石类土：表2-14 砂类土:表2-15 粉土：表2-16 粘性土：表2-17 人工填土:表2-18,问题：土的粒组的划分和土的分类是否是一回事？ （例如：粉粒组和粉土
16、是否是一个概念）,回答： 粉粒组:0.075mm=d0.005mm 粉土：大于0.075mm的颗粒含量不超过全重的50%，且塑性指数IP10的土。,分类原则和特点：,2.8.2 土的分类标准(GBJl4590),考虑了土的有机质含量、颗粒组成特征以及土的塑性指标。 （总的分类体系如图2-30）； 先判断该土属于有机土还是无机土。 若属于无机土，则可先按表2-20划分其粒组。 根据土内各粒组的相对含量，将土分为： 巨粒土和含巨粒土 粗粒土 细粒土,表2-21,1 巨粒土和含巨粒土,表2-22、2-23、2-24,2 粗粒土,表2-25和塑性图2-31,3 细粒土,图2-31 塑性图,CHclay, high CLclay, low MHmo, high MLmo, low Oorganic 粘土clay 粉土mo，silt 砾石gravel 砂sand,作业： 2-1 2-2 2-4 2-6 2-9 2-10,
