1、第2章土的物理性质及工程分类 2.1土的三相组成 2.2土的颗粒特征 2.3土的物理性质指标 2.4黏性土的界限含水量 2.5砂土的密实度 2.6土的工程分类 2.7土的现场鉴别2.1土的三相组成土的组成(Composition of Soil)是指土中的固体颗粒、液体(水)和气体三相物质组成及其比例关系。随着三相物质(固相、液相和气相)的质量和体积的比例不同,土的性质也不同,土中三相物质组成复杂。土的工程地质特性主要取决于组成的土粒大小和矿物类型,即土的颗粒级配与矿物成分,水和气体一般是通过其起作用的。土中液相部分对土的性质影响也较大,尤其是细粒土,土粒与水相互作用可形成一系列特殊的物理性质
2、。2.1土的三相组成2.1.1土的固相土中由固体颗粒相互联结所形成,可传递有效应力的构架称为土骨架(Soil Skeleton)。土的固相物质分无机矿物颗粒和有机质。矿物颗粒由原生矿物和次生矿物组成。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。原生矿物经化学风化作用后发生化学变化而形成新的次生矿物,如三氧化二铁、三氧化二铝、次生二氧化硅等。次生矿物按其与水的作用可分为可溶或不可溶次生矿物。2.1土的三相组成2.1.2土的液相土的液相是指土孔隙中存在的水。一般把土中的水看成是中性的、无色、无味、无臭。其密度为 1g/cm3,容重为 9.81kN/m3。在 0时冻结,在 100时
3、沸腾。但实际上,土中水是成分复杂的电解质水溶液,它与土粒间有着复杂的相互作用。在结合水膜以外的水,为正常的液态水溶液,它受重力的控制在土粒间的孔隙中流动,能传递静水压力,称为自由水(Free Water)。自由水包括毛细水及重力水。2.1土的三相组成2.1.3土的气相土的气相主要指土孔隙中充填的空气。土的含气量与含水量有密切关系。土孔隙中占优势的是气体还是水,其性质有很大的不同。土中气体成分与大气成分相比,主要区别在于CO2、O2 及N2的含量不同。一般土中气体含有更多的CO2,较少的O2,较多的N2。土中气体与大气的交换越困难,两者的差别就越大。2.2土的颗粒特征自然界中存在各种各样的土,其
4、颗粒大小由110-6mm的极细黏土颗粒一直变化到几米大小的岩石碎块。当其颗粒大小不同时,土的物理性质也明显不同。如,当土粒变细时,可由无黏性变为黏性,其强度、压缩性都发生较大变化。2.2土的颗粒特征2.2.1土颗粒的大小及粒组划分天然土是由大小不同的颗粒组成的,土粒的大小称为粒度。土粒大小是描述土最直观、最简单的标准,土粒的大小相差悬殊。对于较大的立方体或圆球体的土粒,可直接量测立方体的边长或圆球体的直径来描述土粒的大小。但实际上,土粒的形状往往是不规则的,很难直接量测土粒的大小,通过一些分析方法来定量地描述土粒的大小。常用的分析土粒大小的方法有两种,大于0.075mm 的土粒采用筛分析的方法
5、,小于 0.075mm 的土粒用沉降分析的方法。2.2土的颗粒特征筛分析法是指把试样放在筛网网孔逐级减小的一套标准筛上摇振,停留在某一筛网上的土粒质量即代表土粒大小为大于该筛孔而又小于上一筛孔的土粒质量。在沉降分析法中,土粒大小即相当于与实际土粒有相同沉降速度的理想圆球体的直径。粒组(Fraction)是指按土的粒径大小归并划分的粒径组。粒径(Grain size)是指土的固体颗粒的直径,可通过筛分时的筛网孔径和水中下沉的当量球体的直径表示。2.2土的颗粒特征粒组间的分界线是人为确定的。划分粒组有两种方式:1)任意划分的方式。即按一定的比例递减关系划分粒组的界限。2)考虑土粒性质变化的方式。即
6、使划分的粒组界限与粒组性质(如矿物成分、物理性质、水理性质、力学性质等)的变化相适应。2.2土的颗粒特征表2-1我国规范采用的粒组划分标准2.2土的颗粒特征2.2.2粒度成分及其表示方法土的粒度成分是指土中各种不同粒组的相对含量(以干土的质量百分比表示),它可用来描述土的各种不同粒径土粒的分布特性。常用的粒度成分表示方法有:表格法、累计曲线法和三角形坐标法。2.2土的颗粒特征1.表格法表格法是以列表形式直接表达各粒组的百分含量。2.累计曲线法累计曲线法是一种比较完善的图示方法,通常用半对数纸绘制。横坐标(按对数比例尺)表示某一粒径di,纵坐标表示小于某一粒径的土粒的累计百分含量pi。采用半对数
7、纸,可以把细粒的含量更好地表达清楚。三角坐标法三角坐标法是用三角坐标来表达三种粒组的含量。2.2土的颗粒特征3.三角坐标法三角坐标法是用三角坐标来表达三种粒组的含量。三角坐标由等边三角形表示,如图2-2所示。它是利用等边三角形内任一点到三角形各边的垂直距离之和等于三角形之高的原理,即h1+h2+h3=H。取三角形的高H=100%,h1为黏土颗粒的含量,h2为砂土颗粒的含量,h3为粉土颗粒的含量。2.2土的颗粒特征2.2.3粒度成分分析方法粒度成分分析的目的在于确定土中各粒组颗粒的相对含量。对于粒径大于0.075mm,小于60mm的粗粒土,可以采用筛分析方法,对于粒径小于0.075mm的细粒土,
8、采用沉降分析方法。当土中粗细粒兼有,则可联合使用筛分析方法和沉降分析方法。2.2土的颗粒特征1.筛分析法利用一套不同孔径的标准筛,粗筛(圆孔)孔径为60mm、40mm、20mm、10mm、5mm、2mm;细筛孔径为2.0mm、1.0mm、0.5mm、0.25mm、0.075mm。测定筛后留存在每一筛子上的土粒质量,计算占干土总质量的百分含量,见表2-2,并计算小于等于某一筛孔直径土粒累计百分含量,见表2-3。2.2土的颗粒特征2.沉降分析法沉降分析法有密度计法和移液管法。密度计法是依据斯托克斯(Stokes)定律进行测定。当土粒在液体中靠自重下沉时,较大的颗粒下沉较快,而较小的颗粒下沉则较慢。
9、2.2土的颗粒特征2.2.4土粒形状土粒形状对土的密实度及强度有显著影响。大部分粉砂粒及砂粒是浑圆或棱角状,而云母颗粒是片状,黏土颗粒则是薄片状。土粒的形状取决于矿物成分,它反映土料的来源和地质历史。如,云母是薄片状而石英砂却是颗粒状的;未经长途搬运的残积土的颗粒大多呈棱角状,而在河流下游沉积的颗粒大多已经磨圆。描述土粒形状一般用肉眼观察鉴别的方法,在勘察报告中都有定性的描述;或借助电子显微镜扫描照片以及计算机图像处理的方法研究土粒的几何参数;还有用体积系数和形状系数描述土粒形状的方法,这些指标只能用于定性的评价。2.2土的颗粒特征体积系数(Volumetric Coefficient)Vc的
10、计算公式为式中V土粒体积(mm3);dm土粒的最大直径(mm)。Vc越小,土粒离圆形越远。圆球Vc=1;立方体Vc=0.37;棱角状土粒Vc更小。2.3土的物理性质指标物理性质指标(Physical Indexes)是指表示土中固、液、气三相组成特性、比例关系及其相互作用特性的物理量。土是由固相(土粒)、液相(水溶液)和气相(空气)组成的三相分散体系,如图2-4a所示。从物理角度,可利用三相在体积上和质量(或重力)上的比例关系来反映土的干湿程度和紧密程度。土的三相比例指标是工程地质勘察报告中不可缺少的部分,是评定土工程性质最基本的物理性质指标。2.3土的物理性质指标a)土体b)土的三相图c)各
11、相的质量与体积2.3土的物理性质指标2.3.1试验指标通过土工试验测定的指标称为试验指标,有土的密度、土粒相对密度和土的含水量。1.质量密度质量密度(Density)是指单位体积岩土的质量,单位为g/cm3。重力密度(Unit Weight)是指单位体积岩土体所承受的重力,为岩土体的密度与重力加速度的乘积。2.3土的物理性质指标2.土粒相对密度Gs土粒相对密度(Specific Gravity of Soil Particle)是指土颗粒的质量与同体积蒸馏水在4时的质量之比,3.土的含水量含水量(Water Content)是指土中水的质量与土的固体颗粒质量之比,以百分数表示。2.3土的物理性
12、质指标2.3.2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)、浮重度、孔隙比、孔隙率和饱和度。1.土的干密度d 土的干密度(Dry Density)是单位体积岩土中所含固体成分的质量。2.土的饱和密度sat 土的饱和密度(Saturated Density)是指土孔隙中全部被水充满时的密度,2.3土的物理性质指标3.土的浮重度 土的浮重度(Buoyant Unit Weight)是指水下土体饱和重度与水的重度之差4.土的孔隙比e 土的孔隙比(Void Ratio)是指土体的孔隙体积与固体颗粒体积的比值5.土的孔隙率n
13、 土的孔隙率(Porosity)是指土体的孔隙体积与土体的总体积的比值,以百分数表示,6.土的饱和度Sr 土的饱和度(Degree of Saturation)是指土体孔隙中水的体积与孔隙总体积之比,以百分数表示,2.4黏性土的界限含水量当黏性土(Cohesive Soil)含水量变化时,其状态也发生相应的变化。在生活中经常可以看到这样的现象,雨天土路泥泞不堪,车辆驶过形成很深的车辙,而在久晴以后土路却变得坚硬。这种现象说明土的工程性质与含水量有密切的关系。2.4.1黏性土的状态与界限含水量含水量对黏性土的工程性质(如强度、压缩性等)有很大影响。当土从很湿逐渐变干时,土表现出不同的物理状态和工
14、程性质。黏性土从一种状态转为另一种状态的分界含水量称为界限含水量。2.4黏性土的界限含水量2.4.2塑性指数可塑性是黏性土区别砂土的重要特征。黏性土的塑性大小,可用土处于塑性状态的含水量变化范围,即黏性土的液限与塑限之差,表示土在可塑状态的含水量变化幅度,这个范围称为塑性指数IP。IP=L-P(2-24)塑性指数(Plasticity Index)习惯上用百分数的分子表示。塑性指数越大,表示土具有越高塑性。2.4黏性土的界限含水量2.4.3液性指数土的天然含水量在一定程度上反映土中水量的多少,但天然含水量不能说明土处于什么物理状态,因此还需要一个能够表示天然含水量与界限含水量关系的指标,即液性
15、指数IL。液性指数(Liquidity Index)是指黏性土的天然含水量与塑限之差除以液限与塑限之差。2.4黏性土的界限含水量当土达到塑限后继续变干时,土的体积随含水量的减少而收缩,达到某一含水量后,土的体积不再收缩,此时界限含水量称为缩限(Shrinkage Limit),用符号s表示,当土的含水量低于缩限时,土是不饱和的。2.4黏性土的界限含水量2.4.4液限、塑限的测定欧美等国家大都采用碟式液限仪测定液限,如图2-10所示。在一圆碟内盛土膏,表面刮平,用刻槽刮刀在土膏中刮一底宽为2mm的V形槽,以2次/s的速度转动摇柄,使仪器圆碟上抬10mm,然后自由下落在硬橡胶垫板上,记录土槽合拢1
16、3mm的下落次数后测定该土膏的含水量。液限相当于下落25次土槽恰好合拢13mm长时土膏的含水量。2.4黏性土的界限含水量图2-10碟式液限仪图2-11平衡锥式液限仪2.5砂土的密实度砂土的密实度对于其工程性质有重要的影响。密实的砂土具有较高的强度和较低的压缩性,是良好的建筑物地基。松散的砂土,尤其是饱和的松散砂土,不仅强度低,且水稳定性极差,容易产生流砂、液化等工程事故。对砂土评价的主要问题是正确地划分其密实度。相对密度、孔隙比和标准贯入击数都可以描述砂土的密实程度。2.5砂土的密实度2.5.1相对密度Dr一般用小数或百分比表示。当Dr=0,即e=emax时,表示砂土处于最疏松状态;当Dr=1
17、.0,即e=emin时,表示砂土处于最紧密状态。根据砂土的相对密度可以按表2-7将砂土划分为密实、中密和松散三种状态。2.5砂土的密实度2.5砂土的密实度2.5.2标准贯入击数在实际工程中,由于难以采集砂土原状土样,emax、emin的测定方法尚无统一标准,因此常用标准贯入试验或静力触探试验等原位测试评定砂土的密实度。2.5砂土的密实度2.5.3孔隙比在JTG D632007公路桥涵地基与基础设计规范和GB 500212001岩土工程勘察规范(2009年版)中,根据孔隙比e,按表2-9,将粉土密实度划分为密实、中密、稍密。2.6土的工程分类土是自然地质历史的产物,它的成分、结构和性质差别很大。
18、为了便于对土的性状做定性评价,有必要对土进行科学分类。目前我国各行业关于土的分类有不同的分类系统,如地质分类、土壤分类、粒径分类、结构分类等。每一种分类系统,反映了土某些方面的特征,在工程实践中需要适合于工程用途的分类系统,即按土的主要工程特性进行分类。2.6土的工程分类2.6.1一般规定1)土的分类依据。土的分类主要依据土颗粒组成特征、土的液限L和塑性指数IP、土中有机质含量情况。2)土粒组范围划分。土的颗粒应根据如图2-12所示粒组范围划分粒组。将土分为巨粒土(Giant-Grained Soil)、粗粒土(Coarse-Grained Soil)、细粒土(Fine-Grained Soi
19、l)和特殊土(Special Soil),分类总体系如图2-13所示。土颗粒组成特征,应以土级配指标的不均匀系数Cu和曲率系数Cc表示。2.6土的工程分类图2-12粒组划分图2.6土的工程分类图2-13土分类总体系2.6土的工程分类3)细粒土应根据塑性图分类。土的塑性图是以液限L为横坐标、塑性指数IP为纵坐标构成的。4)土的成分、级配、液限和特殊土等基本代号应按表2-10规定构成。2.6土的工程分类5)土类名称可用一个基本代号表示,当由两个基本代号构成时,第一个代号表示土的主成分,第二个代号表示副成分(土的液限或土的级配)。当由三个基本代号构成时,第一个代号表示土的主成分,第二个代号表示液限的
20、高低(或级配的好坏),第三个代号表示土中所含次要成分。2.6土的工程分类2.6.2巨粒土分类2.6土的工程分类2.6.3粗粒土分类(1)粗粒土试样中巨粒组土粒质量少于或等于总土质量的15%,且巨粒组土粒与粗粒组土粒质量之和多于总土质量50%的土称粗粒土。(2)砾类土粗粒土中砾粒组质量多于砂粒组质量的土称为砾类土。砾类土应根据其中细粒含量和类别以及粗粒组的级配进行分类,分类体系如图2-15所示。2.6土的工程分类2.6土的工程分类(3)砂类土粗粒土中砾粒组质量少于或等于砂粒组质量的土称砂类土。砂类土应根据其中细粒含量和类别以及粗粒组的级配进行分类,分类体系如图2-16所示。2.6土的工程分类2.
21、6.4细粒土分类试样中细粒组土粒质量多于或等于总质量50%的土称细粒土,分类体系如图2-18所示。2.6土的工程分类2.6土的工程分类细粒土应按其在图2-17中的位置,确定土名称。1)当细粒土位于塑性图A线或A线以上时,按下列规定命名:在B线或B线以右,称高液限黏土,记为CH。在B线以左,IP=7线以上,称低液限黏土,记为CL。2)当细粒土位于塑性图A线以下时,按下列规定命名:在B线或B线以右,称高液限粉土,记为MH。在B线以左,IP=4线以下,称低液限粉土,记为ML。3)黏土粉土过渡区(CLML)的土可以按相邻土层的类别考虑细分。2.6土的工程分类含粗粒的细粒土应先按本节的规定确定细粒土部分
22、的名称,再按以下规定最终定名:1)当粗粒组中砾粒组质量多于砂粒组质量时,称为含砾细粒土,应在细粒土代号后缀以代号“G”。2)当粗粒组中砂粒组质量多于或等于砾粒组质量时,称为含砂细粒土,应在细粒土代号后缀以代号“S”。土中有机质包括未完全分解的动植物残骸和完全分解的无定形物质。后者多呈黑色、青黑色或暗色,有臭味,有弹性和海绵感。借目测、手摸及嗅感判别。当不能判定时,可采用下列方法:将试样在105110的烘箱中烘烤,若烘烤24h后试样的液限小于烘烤前的3/4,则该试样为有机质土。有机质土应根据塑性图2-17按下列规定定名:2.6土的工程分类1)位于塑性图A线或A线以上时,在B线或B线以右,称有机质
23、高液限黏土,记为CHO;在B线以左,IP=7线以上,称有机质低液限黏土,记为CLO。2)位于塑性图A线以下时,在B线或B线以右,称有机质高液限粉土,记为MHO;在B线以左,IP=4线以下,称有机质低液限粉土,记为MLO。3)黏土粉土过渡区(CLML)的土可以按相邻土层的类别考虑细分。2.6土的工程分类2.6.5特殊土分类黄土、膨胀土和红黏土按特殊土塑性图(见图2-19)定名:1)黄土。低液限黏土(CLY),分布范围:大部分在A线以上,L50%。3)红黏土。高液限粉土(MHR),分布范围:大部分在A线以下,L55%。2.6土的工程分类2.7土的现场鉴别在公路路线勘测过程中,除了在沿线按需要采集一
24、些土样带回实验室测试有关指标数据外,常常还要在现场用眼观、手触、借助简易工具和试剂及时直观地对土的性质和状态做出初步鉴定,其目的是为选线、定位设计和编制工程预算,在土质方面提供第一手资料。土的现场鉴别包括取样土层的宏观描述、记录和基本性质初步判别;土样直观描述和鉴别、定名,供室内试验定名参考。2.7土的现场鉴别2.7.1取土现场记录与简易试验方法1.现场记录1)取样日期、地点或里程、方向或左右位置、沉积环境。2)土层的地质时代、成因类型和地貌特征。3)取样深度及层位、阶地、阴阳边坡。4)取样点距地下水位的高度和毛细水带的位置,季节和天气。5)取样土层的结构、构造、密实和潮湿程度或易液化程度等。
25、6)取样土层内夹杂物含量及分布。7)取样时土的状态(原状或扰动)。2.7土的现场鉴别2.简易试验方法现场简易试验方法,一般适用于粒径小于0.5mm颗粒的土样(1)可塑状态(2)湿土揉捏手感(3)干强度(4)韧性试验(5)摇振反应试验(6)盐渍土的简单定性试验2.7土的现场鉴别2.7.2野外对土的基本描述和鉴别1.土的基本描述在野外用肉眼鉴别土时,要对不同土类所规定的内容进行描述。现将不同土类描述的基本内容,列于表2-14。2.7土的现场鉴别2.土的野外鉴别1)碎石类土密实程度的鉴别,见表2-15。2.7土的现场鉴别2)砂类土潮湿程度的野外鉴别,见表2-16。3)黏性土的野外鉴别,见表2-17。2.7土的现场鉴别2.7土的现场鉴别4)黏性土潮湿程度的野外鉴别,见表2-18。2.7土的现场鉴别5)新近沉积黏性土的野外鉴别,见表2-19。2.7土的现场鉴别6)碎石类土及砂类土的野外鉴别,见表2-20。
