土的物理性质及工程分类
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土的物理性质及工程分类
课题: 第一章土的物理性质及工程分类
一、教学目的:1.了解土的生成和工程力学性质及其变化规律;
2.把握土的物理性质指标的测定方法和指标间的相互转换;
3.熟识土的抗渗性与工程分类。
二、教学重点:土的组成、土的物理性质指标、物理状态指标。
三、教学难点:指标间的相互转换及应用。
四、教学时数: 6 学时。
五、习题:
第一章土的物理性质及工程分类
一、土的生成与特性
1.土的生成
工程领域土的概念:土是指掩盖在地表的没有胶结和弱胶结的颗粒积累物,土与岩石的区分仅在于颗粒胶结的强弱,土和石没有明显区分。
土的生成:岩石在各种风化作用下形成的固体矿物、流体水、气体混合物。
不同风化形成不同性质的土,有下列三种:
(1)物理风化:只转变颗粒大小,不转变矿物成分。由物理风化生成土为粗粒土(如块碎石、砾石、砂土),为无粘性土。
(2)化学风化:矿物发生转变,生成新成分—次生矿物。由化学风化生成土为细粒土,具有粘结力(粘土和粘质粉土),为粘性土。
(3)生物风化:动植物与人类活动对岩体的破坏。矿物成分没有变化。
2.土的结构和构造
(1)土的结构
定义:土颗粒间的相互排列和联结形式称为土的结构。
1)种类:
单粒结构:每一个颗粒在自重作用下单独下沉并达到稳态。
蜂窝结构:单个下沉,遇到已下沉的土颗粒,因土粒间分子引力大于重力不再下沉,形成大孔隙蜂窝状结构。
絮状结构:微粒极细的粘土颗粒在水中长期悬浮,相互碰撞吸引形成小链环状土集粒。小链之间相互吸引,形成大链环,称絮状结构。
图土的结构
3)工程性质:
密实的单粒结构工程性质最好,蜂窝结构与絮状结构如被扰动破坏自然结构,则强度低、压缩性高,不行用做自然地基。
(2)土的构造
1)定义:同一土层中,土颗粒之间的相互关系。
2)种类:
层状结构:由不同颜色或不同粒径的土组成层理,一层一层相互平行。
分散构造:土粒分布匀称,性质相近,如砂与卵石层为分散构造。
结核状构造:在细粒土中混有粗颗粒或各种结核,属结核状构造。
裂隙状构造:土体中有很多不连续的小裂隙。
3)工程性质:分散结构的工程性质最好,结核状取决于细粒土,裂隙状渗透性大,工程性质差。
3.土的工程特性
(1)压缩性高
当应力数值相同,材料厚度一样时,卵石的压缩性为刚才压缩性的数千倍;饱和细沙的压缩性为C20混凝土的数千倍,足以证明土的压缩性极高。软塑或流塑状态的粘性土比饱和细沙的压缩性还要高。
(2)强度低
土的强度特指抗剪强度,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;粘性土的强度出摩擦力外,还有粘聚力,均远小于建筑材料本身的强度。
(3)透水性大
土体颗粒间具有很多透水空隙,因此透水性比木材、混凝土都大,尤其是粗颗粒的卵石或砂土,其透水性更大。
4.土的生成与工程特性的关系
(1)搬运、沉积条件:冲积层优于风积层。
(2)沉积年月:沉积年月越长,工程性质越好。
(3)自然环境:特别土地基。
二、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。
1.土的固体颗粒
土的固体颗粒是土的三相组成中的主体,是打算土的工程性质的主要成分。
(1)土粒的矿物成分
1)原生矿物
由岩石经物理风化生成,它的成分与母岩的相同,常见的有石英,包括单矿物颗粒—一个颗粒为单一的矿物,如常见的石英、长石、云母、角闪石与灰石等,砂土即为单矿物颗粒;多矿物颗粒—一个颗粒中包含多种矿物,如巨粒土的漂石、卵石和粗粒土的砾石,往往为多矿物颗粒。
2)次生矿物
母岩经化学风化生成的新矿物,它的成分成分与母岩的完全不同。次矿物主要是粘土矿物,由两种种原子层构成:一种是Si-O四周体构成的硅氧晶片,另一种是Al-OH八面体构成的铝氢氧晶片。因为这两种晶片结合的状况不同,粘土矿物可分为下列三种:
图粘土矿物两种原子层
蒙脱石—两结构单元之间没有氢键,相互的联结弱,水分子可以进入量晶胞之间。因此,蒙脱石的亲水性最大,具有剧烈的吸水膨胀、失水收缩的特性。
伊利石—又称水云母,部分Si-O四周体中的Si为Al、Fe所取代,损失的原子价由阳离子钾补偿。因此,晶格层组之间具有结合力,亲水性低于蒙脱石。
高岭石—晶胞之间有氢键,相互结合力较强,晶胞之间的距离不易转变,水分子不能进
入。因此,高岭石的亲水性最小。
腐殖质:土中腐殖质含量多,使土的压缩性增大。有机质超过3%~5%的不宜作为建筑材料。
(2)土颗粒的大小和外形
通过界限粒径(划分粒组的分界尺寸)将土颗粒划分为6个粒组:粘粒(小于㎜)、粉
粒(,)、砂粒(,2)、圆砾(角砾)(2,60)、卵石(碎石)/(60,200)、漂石(块石)(大
于200mm)。通常粗粒土的压缩性低、强度高、渗透性大。表面粗糙抗剪强度越高。
(3)土的颗粒级配
粒径级配:土中各粒组的相对含量,占总质量的百分数。
1)筛分法:
适用于砾石类和砂类土,d >,主要设备为一套标准分析筛,孔径分别为20,10,5,,,,,。
取样数量:d <20mm ,可取1000~2000g; d <10mm ,可取300~1000g; d <2mm ,可取100~300g;
震筛10~15min 后称取各级筛底盘试样的质量。 2)密度计法:
适用于粉土和粘性土,d <,测定悬浊液读数。粒径级配曲线上:纵坐标10%所对应的
粒径
称为有效粒径;纵坐标为60%所对应的
粒径60d 称为限定粒径;60d 与10d 的比值称为不匀称系数u C ,即
6010
u d
C d =
不匀称系数u C 为表示土颗粒组成的重要特征。当u C 很小时曲线很陡,表示土匀称;当u C 很大时曲线平缓,表示土的级配良好。
曲率系数c C 为表示土颗粒组成的又一特征,c C 按下式计算:
230
1060c d C d d =
?
式中30d 为粒径级配曲线上纵坐标为30%所对应的粒径。
砾石和砂土级配u C ≥5且 c C =1~3为级配良好;级配不同时满意这两个要求则为级配不良。