第2章(01)土的组份构成与工程性质.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第二章 土的物理性质及工程分类,(,YAO HUAN.professor),福 州 大 学 土 木 工 程 学 院,轨道与地下工程系/工程地质与岩土工程研究所,2.1,概述,2.2,土的三相组成及土的结构,2.3,土的物理性质指标,2.4,无粘性土的密实度,2.5,粘性土的物理性质,2.6,土(岩)的渗透性,2.7,土的压实原理,2.8,土(岩)的工程分类,2.1:,土的组份构成 及其物理性质概述,岩石,风化（,物理、化学和生物,）作用,岩石破碎或 化学成分改变,搬运沉积,大小、形状和成分都不相同的松散颗粒集合体,（土）,土,固相,液相,气相,土中颗粒的大小、成分及三相之间的相互作用和比例关系，反映出土的不同性质,2.2,土的三相组成及土的结构,土的三相图,气,水,土粒,m,s,m,w,m,V,s,V,w,V,V,a,质量,m,体积,V,V,v,描述土的三相组成的方法,固相：矿物成分、岩石碎屑（颗粒组成、骨架）,液相：基本成分，与固相的相互作用,气相：基本成分，在土体中所起的作用,一,.,土粒（固相）,固体成分,矿物质,原生矿物,次生矿物,石英、长石、云母,粘土矿物,无定形氧化物胶体,可溶盐,有机质,氧化铁 氧化铝,碳酸钙,硫酸钙,氯化钠,1,、原生矿物：,由岩石经过物理风化形成，其矿物成分与母岩相同,2,、次生矿物（粘土矿物）：,岩石经化学或生物风化后所形成的新的矿物，其成分与母岩不相同,例：,石英、云母、长石等,特征：,矿物成分的性质较稳定，由其组成的土具有无粘性、透水性较大、压缩性较低的特点,例：,粘土矿物有高岭石、伊利石、蒙脱石等,特征：,性质较不稳定，具有较强的亲水性，遇水易膨胀的特点,一,.,土粒（固相）,构成粘土矿物的两种晶片（,p6,）,蒙脱石,2,:,1,三层,高岭石,1:1,两层 氢键,伊利石,2:1,三层,K,+,1,个硅片含六个硅,-,氧四面体,1,个铝片含,4,个铝,-,氢氧八面体,氧原子可以和氢氧基作用形成氢键，氢键的存在与否决定了三种矿物的水稳定性,蒙脱石,：晶胞的两个面都是氧原子，相互间没有氢键；,高岭石,：晶胞的一面是氢氧基，另一面露出氧原子。形成氢键，因此晶胞间具有较强的联结力；,伊利石,：晶胞与蒙脱石一样，所不同的是硅氧四面体中的,Si,4+,被,Al,3+,或,Fe,2+,所取代，相邻晶胞间将出现若干一价正离子,K,+,、,Li,+,补偿晶胞中正电荷的不足。所以伊利石的结晶结构没有蒙脱石那样活动，其膨胀性和收缩性也较蒙脱石小，但是比高岭石大。,3,、三种主要粘土矿物的水稳定性,4.,土的颗粒级配,(P7),工程上将各种不同的土粒按其粒径范围，划分为若干粒组，为了表示土粒的大小及组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量（即各粒组占土粒总量的百分数）来表示，称为,土的颗粒级配。,试验方法,筛分法：,适用于,0.075,mmd60mm,水分法:,适用于,d0.075mm,粒度：,土粒的大小（,mm),粒组：,某一级粒径范围内变化，大小和性质相近的土粒；,共三类六个粒组：,巨粒,漂石或块石（,200,），卵石或碎石（,200d60,）；,粗粒,圆砾或角砾（,60d2,），砂粒（,2d0.075,）；,细粒,粉粒（,0.075d0.005,），粘粒（,0.005d),。,筛分法,0.075mm,相当于,200,号筛,美国,ASTM 1in,2,共有,200,个筛孔；最小孔径筛时采用水筛便于分开细颗粒,用一套孔径不同的筛子，按从上至下筛孔逐渐减小放置；,将事先称过质量的烘干土样过筛，称出留在各筛上的土质量,计算各筛上的土质量占总土粒质量的百分数；,计算粒径小于某筛孔径的土粒质量百分数,沉降分析法（水分法）：,Stokes,公式,d,2,=1.126v,球状细颗粒在水中的下沉速度与颗粒直径的平方成正比。粗颗粒下沉快，细颗粒下沉速度慢。,水力直径：与实际土粒具有相同沉降速度的理想球体的直径。,比重计法：,测定液体密度（浮泡中心处液体密度）间隔,1,2,5,15,30,60,240,和,1440,分钟分别测沉降距离和密度,移液管法：,用特定装置在规定时间和深度（,100mm,）吸出定量（,10ml,）悬液后烘干。,比重计法,0.075mm,利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同来确定小于某粒径的土粒含量,颗粒粒径级配曲线（各粒组质量的相对含量）,纵坐标表示小于某粒径的土粒含量百分比,横坐标表示土粒的粒径(对数坐标）,5,、颗粒级配的描述,工程上常用不均匀系数,C,u,描述颗粒级配的不均匀程度,D,10,（有效）,、,d,30,（中值）、,d,50,（平均）、,d,60,（限定、制或控制）,小于某粒径的土粒含量为,10%，30%，,50%,和,60%,时所对应的粒径,C,u,愈大，表示土粒愈不均匀。工程上把,C,u,5,的土视为级配不良的均匀土；,C,u,10,的土视为级配良好的土,曲率系数,C,c,描述颗粒级配曲线整体形态，表明某粒组是否缺失情况,对于砾类土或砂类土，同时满足,C,u,5,和,C,c,=,1,3,时，定名为良好级配砂或良好级配砾,坡度渐变,大小连续,连续级配,水平段（台阶）,缺乏某些粒径,不连续级配,曲线形状平缓,粒径变化范围大,不均匀,良好,曲线形状较陡,变化范围小,均匀,不良,到底工程上，土是级配均匀好，还是级配良好好？,级配均匀。,压实填料,级配良好。,反滤层,土中水的含量明显地影响土的性质(尤其是粘性土)。土中水除了一部分以结晶水的形式吸附于固体颗粒的晶格内部外，还存在结合水和自由水,1.,结合水,强结合水：紧靠于颗粒表面、所受电场的作用力很大、几乎完全固定排列、丧失液体的特性而接近于固体,弱结合水：紧靠强结合水的外围形成的结合水膜，所受的电场作用力随着与颗粒距离增大而减弱,2.,自由水,存在于土粒电场影响范围以外，性质和普通水无异，能传递水压力，冰点为,0,，有溶解能力,以两种形式存在：毛细水、重力水,二、土中水（液相）,3,、土的带电现象,3,、土的带电现象,1807,年莫斯科大学列依斯（,Ruess,）的实验表明粘土颗粒带负电,电渗：,阴极水面上升,电泳,:,阳极水面下降，水浑，粘土颗粒泳向阳极，,带电原因：,（,1,）离解,（,+,离子扩散于水溶液，,_,离子留在颗粒表面）；,（,2,）吸附；（,将水溶液的一些离子吸到颗粒表面）,（,3,）同晶型替换,（如粘土矿物八面体晶型不变但内部的铝被镁或铁置换，致使有不平衡的负电荷。,（,4,）晶体颗粒侧面断口常带正电,4,、颗粒形状和比表面积,比表面积：,单位质量的土颗粒所拥有的表面积,A,s,=A/m,原生矿物,:,粗大，粒状，三维尺度近同一数量级；粗粒土表面不带电，比表面积研究意义不大，磨圆度,次生矿物：,细微，片状或针状，愈细愈扁平，比表面积大；蒙脱石,800,m,2,/g,，,伊利石,80100,m,2,/g,，,高岭石,1020,m,2,/g,；,比表面积研究意义大，反应与水相互作用的强度,4,、双电层与扩散层（,P10,）,双电层,：土粒表面带的负电荷构成电场内层；吸引在土颗粒周围正离子和定向排列的极性水分子构成电场的外层,靠近土颗粒的一层，水化离子、水分子被土颗粒牢固吸引，为,固定层,；吸引的水（,强结合水,）,远离土颗粒的一层，水化离子、水分子布朗运动更为强烈，为,扩散层,；吸引的水（,弱结合水,）,扩散层之外的水为自由水；,5,、结合水的特性,结合水不传递静水压力，不能任意流动,（,1,）,强结合水,紧靠表面，电场作用力大（,1000MPa,），近于固体，冰点低于,0,度，密度比自由水大，高于,100,度可蒸发,（,2,）,弱结合书,强结合水外电场作用范围内粘滞水膜，受力时水能由水膜厚处移向薄处，可由一个土粒转移到另一土粒周围；可变形，不因重力流动,5,、结合水的作用,弱结合水的存在是土颗粒之间,粘性的来源,水源充分时，则大量水分可被吸收在土体中，结合水厚度大，土体,膨胀,，干旱时水分失去，土体收缩,开裂,结合水厚度变化导致土颗粒之间粘性,不稳定,工程中需要性能稳定的材料,6,、双电层厚度影响因素及其应用,与离子价成反比,与离子浓度成反比,与离子直径成正比,离子交换特性：高价大于低价；同价离子中半径大交换能力大,土质改良：石灰、水泥改良土,加水泥改良,3,、,毛细水,地下水位以上受到水与空气交界面处表面张力作用的自由水。土粒内部孔隙可看成毛细管。,按物理学概念：在毛细管周壁，水膜与空气的分界处存在着表面张力,T,。水膜表面张力的作用方向与毛细管壁成一夹角。由于表面张力的作用，毛细管内的水被提升到自由水面以上某一高度处。分析该高度水柱的静力平衡条件，因为毛细管内水面处即为大气压；若以大气压力为基准，则该处压力,Pa=0,设弯液面处毛细水的压力,p,c,，竖直方向合力为,0,则有,与静水压力相同：与水头高度成正比。自由水位以上的毛细区域内，颗粒间所受的毛细力为拉力，呈倒三角形分布，弯液面处最大，自由水面处为零，颗粒间受压力；自由水位下为压力，土骨架受浮力，颗粒间压力减小。,毛细角边水：,非饱和土，稍湿砂土存在粘结作用当饱和或蒸发时会消失成散粒体。,式中，水膜的张力系数,T,（与温度有关），当,10,时，,T=0.0756g/cm,，,20,时，,T,0.0742g/cm,a,方向角，其大小与土颗粒和水的性质有关。,r,、,d,毛细管半径、直径,y,w,水的容重,土中气体,存在于土孔隙中未被水占据的部分，分为,与大气连通的非封闭气体,和,与大气不连通的封闭气体,1.,非封闭气体：,受外荷作用时被挤出土体外，对土的性质影响不大,2.,封闭气体：,受外荷作用，不能逸出，被压缩或溶解于水中，压力减小时能有所复原，对土的性质有较大的影响，使土的渗透性减小，弹性增大和延长土体受力后变形达到稳定的历时,三、土中气体,*土的结构和构造*,(即土的各向异性),(,*粒间作用力*),1,重力,2,范德华力 分子间引力，作用范围小，数个分子的距离，颗粒紧密接触点处，距离稍远就不存在；与距离,7,次方成反比（土为,4,），细粒土粘结一起主要原因。,3,库伦力 静电作用力，与电荷间距离平方成反比，随距离衰减速度远比范德华力慢；可引可斥，据排列情况而论,4,胶结作用力 通过游离氧化物、碳酸盐和有机质等胶体连接；化合键，强度高,5,毛细压力 细粒土毛细压力计算尚待研究；饱和土体内部不存在,四、土的结构,在成土过程中所形成的土粒或团粒（土粒集合体）的空间排列及其联结形式，与组成土的颗粒大小、颗粒形状、矿物成分和沉积条件有关,1.,单粒结构（,粗粒土或无粘性土）,：,粗矿物颗粒在水或空气中在自重作用下沉落形成的单粒结构，其特点是土粒间存在点与点的接触。根据形成条件不同，可分为疏松状态和密实状态,密实状态,疏松状态,2.,蜂窝结构：,颗粒间点与点接触，由于彼此之间引力大于重力，接触后不再继续下沉，形成链环单位,很多链环联结起来，形成孔隙较大的蜂窝状结构,细粉粒（,0.075mm0.005mm,）；单粒下沉；停留在最初接触点上不再下沉,蜂窝结构,絮状结构,3.,絮状结构（,P14,）,：,细微粘粒,（,d0.005mm,）或胶粒（,d1,最密时,e0.35,若具有相同的孔隙比,0.35,，则（,1,）处于最密实；而（,2,）则不是。,不均匀系数较大的砂砾混合料,e0.30,;,干密度,d,=2.05g/cm,3,，,中等密实度，应予工程处理以加密。,四,.,相对密实度,D,r,综合反映土粒级配、形状和结构。,砂土在天然状态下孔隙比,砂土在最密实状态时的孔隙比（振击法）,砂土在最松散状态时的孔隙比（松散器法）,最小干密度（最大孔隙比）法：,（,1,）漏斗法：,采用锥形塞和长颈漏斗，使烘干砂土从漏斗底和塞子之间缝隙分散、缓慢和均匀地落入量筒，求得最大体积。常规方法。,（,2,）量筒法：,将定量的烘干砂置于量筒内倒转并缓慢转会原来位置，使颗粒重新排列，反复数次求得最大体积。慢速倒转，应用较少。,最大干密度法（最小孔隙比法）：振动锤击法,采用振动叉以一定频率人工敲击盛有砂土的金属圆筒，同时以一定质量的击锤自一定高度从表面击实砂土直至体积不变为止。,天然孔隙比测定困难，室内试验误差大。,当,D,r,=0,时，,e,=,e,min,，,表示土处于最疏松状态;当,D,r,=,1.0,时，,e,=,e,max,，表示土体处于最密实状态,五,.,相对密实度的工程运用,D,r,1/3,疏松状态,1/3,D,r,2/3,中密状态,2/3,D,r,1,密实状态,（,1,）实验室准确测定无粘性土理论上的最大和最小孔隙比困难：静水缓慢沉积土天然孔隙比实验室测得的最大孔隙比大；漫长地质年代经自然力压密堆积的土天然孔隙比较室内最小孔隙比还小。,（,2,）地下深处尤其是地下水位以下粗粒土的天然孔隙比难于准确测定。,（,3,）多用于填方质量控制；对于天然土尚难于应用。,当,D,r,=0,时，,e,=,e,min,，,表示土处于最疏松状态;当,D,r,=,1.0,时，,e,=,e,max,，表示土体处于最密实状态,六,.,按动力触探确定无粘性土的密实度,D,r,1/3,疏松状态,1/3,D,r,2/3,中密状态,2/3,D,r,1,密实状态,天然砂土的密实度，可按原位标准贯入试验的锤击数,N,进行评定。天然碎石土的密实度，可按原位重型圆锥动力触探的锤击数,N,63.5,进行评定,(,GB50007-2002),密实度,按,N,评定砂石密实度,按,N,63.5,评定碎石土密实度,松散,稍密,中密,密实,N,10,N,63.5,5,10,N,15,5,N,63.5,10,15,N,30,10,N,63.5,20,N,30,N,63.5,20,1-,穿心锤；,2-,锤垫；,3-,钻杆；,4-,贯入器头；,5-,出水孔；,6-,贯入器身；,7-,贯入器靴,标准贯入试验,（,spt,，,Standard Penetration Test,）,动力触探的一种。利用规定重量的穿心锤（,63.5Kg,），从恒定高度上自由落下（,76cm,），将一定规格的探头打人士中，根据打入的难易程度（打入,30cm,所需的锤击数,N,）判别土的性质。,四、,例题分析,【例,1】,某砂土试样,试验测定土粒相对密度,d,s,=2.7,含水量,=9.43%,天然密度,=1.66/cm,3,。,已知砂样最密实状态时称得单位体积干砂质量,m,s,1,=,1.62,吨,最疏松状态时称得单位体积干砂质量,m,s,2,=,1.45,吨,。,求此砂土的相对密度,D,r,并判断砂土所处的密实状态。,【,解答】,砂土在天然状态下的孔隙比,砂土最小孔隙比,砂土最大孔隙比,相对密实度,（1/3,2/3,砂土处于中密状态,【例,2】,某天然砂层，密度为,1.47g/cm,3,，含水量,13%,。由试验求得该砂土的最小干密度为,1.20g/cm,3,，最大干密度为,1.66g/cm,3,，问该砂层处于哪种状态？,【,解答】,该砂层处于疏松状态。,