土的工程性质.docx

土的工程性质.docx

《土的工程性质.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《土的工程性质.docx（37页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

土的工程性质

土的工程性质

1.土的基本物理性质

物体的质量、体积和密度是最基本的物理量。

土的三相物质的质量（或重力）、体积之间的各种比值统称为土的基本物理性质指标，也称为土的三相指标。

土的基本物理性质指标中只要已知三个独立的指标便可计算出所有其他指标，故选定三个相对容易准确测定的指标作为试验指标，即土的含水量（或称含水率）、土的质量密度（简称土的密度）和土粒相对密度（土粒比重），其余的指标均为换算指标。

（1）试验指标

基本物理性质试验指标是通过室内试验（含水量试验、密度试验和土粒相对密度试验）直接测定土样相应的质量和体积，再经适当的计算得到的。

土的三相组成各部分的质量和体积示意图见图2-1-11。

图2-1-11土的三相组成示意图

1）土的含水量土中水的质量（液体）与土粒质量（固体）之比，以百分数表示：

×100%（2-1-5）

式中w——土的含水量（%）；

mw——土中水的质量（g）；

ms——土粒质量（g）。

土的含水量一般用烘干法测定，特定条件下也可采用酒精燃烧法、炒干法等测定。

2）土的密度土的质量（固体加液体）与土的体积（固体、液体、气体之和）之比，即单位土体积土的质量：

（2-1-6）

式中ρ——土的密度（g/cm3）；

m——土的质量（g）；

V——土的体积（cm3）。

土的密度常用环刀法测定，也可采用蜡封法、灌水法、灌砂法等测定。

由土的质量密度乘以重力加速度，可直接算得土的重力密度（简称土的重度）。

土的重力密度是指单位体积土的重力：

g（2-1-7）

式中γ——土的重力密度（kN/m3）；

g——重力加速度（m/s2）。

3）土粒相对密度（比重）土粒质量与同体积（固体体积）4℃时纯水的质量之比：

（2-1-8）

式中Gs——土粒相对密度；

Vs——土粒体积（cm3）；

——纯水在4℃时的密度（=1g/cm3）；

——土粒密度（g/cm3）。

土粒相对密度在数值上等于土粒密度，但土粒相对密度无量纲。

土粒相对密度的测定方法可根据颗粒大小分别采用比重瓶法、浮称法、虹吸筒法等。

（2）换算指标

基本物理性质的换算指标有下列几个。

1）土的孔隙比e土中孔隙体积Vv与土粒体积Vs之比，以小数表示。

2）土的孔隙率n（%）土中孔隙体积Vv与土的体积V之比，以百分数表示。

3）土的饱和度Sr（%）土孔隙中水的体积Vw与孔隙体积Vv之比，以百分数表示。

4）土的干密度

（g/cm3）土粒质量ms与土的体积V之比，即单位土体积的土粒质量。

由土的干密度乘以重力加速度可算得土的干重度

（kN/m3）。

5）土的饱和密度

（g/cm3）土的饱和质量（孔隙全部充满水时水的质量mw（sat）与土粒质量ms之和）与土的体积V之比，即单位土体积土的饱和质量。

由土的饱和密度乘以重力加速度可算得土的饱和重度

（kN/m3）。

6）土的有效密度

（g/cm3）又称浮密度，是指土的有效质量（土的饱和质量减去与土同体积水的质量）与土的体积V之比，即单位土体积土的有效质量。

由土的有效密度乘以重力加速度可算得土的有效重度

，又称浮重度（kN/m3）。

常用的土的基本物理性质换算指标计算公式见表2-1-17。

土的基本物理性质指标的换算关系表2-1-17

换算指标

用试验指标计算的公式

用其他指标计算的公式

孔隙比

孔隙率

饱和度

干重度

饱和重度

有效重度

注：

式中

为水的密度（≈1g/cm3）。

2.土的密实度、状态和湿度

（1）粗颗粒土（粉土）的密实度

碎石土、砂土和粉土的密实度反映土颗粒之间排列的紧密程度，与土的力学性质有直接的内在关系，故应重视对土的密实度的合理划分，并尽可能采用定量指标进行评定。

碎石土一般难以甚至无法取样，故不可能采用室内试验方法评定其密实度。

碎石土的密实度划分传统上常采用野外鉴别方法，即根据土的骨架颗粒的含量和排列、开挖与钻探的难易程度等来判定，这是一种定性描述方法，比较粗略且带有经验性。

《岩土工程勘察规范》（GB50021－2001）中采用按圆锥动力触探锤击数确定碎石土的密实度，属按定量指标进行鉴定的方法。

砂土的密实度可按土的天然孔隙比、相对密度或标准贯入试验锤击数等划分。

理论上讲，砂土的孔隙比越小则越密实，但这没有考虑到颗粒级配的因素。

颗粒级配不同的砂土，即使具有相同的孔隙比，所处的密实状态也可能不同。

为了同时考虑孔隙比和级配的影响，可采用砂的相对密度（相对密实度）。

砂的相对密度按下列公式计算：

（2-1-9）

或

（2-1-10）

式中

——砂的相对密度；

——最大干密度（g/cm3）；

——最小干密度（g/cm3）；

——天然干密度（g/cm3）；

——最大孔隙比；

——最小孔隙比；

——天然孔隙比。

当砂土的天然孔隙比等于最大孔隙比时，其相对密度等于0，表明砂土处于最松散的状态；而当天然孔隙比等于最小孔隙比时，其相对密度等于1，表明土处于最密实的状态。

砂土的相对密度介于0～1之间，则表明土处于不同的密实度。

采用砂的相对密度来评定砂土的密实度，从理论上讲考虑了颗粒级配因素，要比直接用孔隙比评价合理些。

但采用砂的相对密度也存在不足之处：

测定天然孔隙比或天然干密度的原状砂往往难以保证质量，测定最大干密度和最小干密度的试验也易产生人为误差。

此外，无论是按天然孔隙比还是按相对密度来评定砂土的密实度，都要采取原状砂样，而地下水位以下的砂层中采取原状砂样常具有一定困难，这就使得这些方法的应用受到限制。

标准贯入试验评定砂土的密实度，属原位测试方法，避免了原状砂样的取样问题，故目前在实际工程中得到广泛应用。

1）《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTJ024－85）中土的密实度划分

碎石土的密实程度，根据土的天然骨架和开挖、钻探等难易程度划分为松散、中密和密实，见表2-1-18。

碎石土密实程度划分表表2-1-18

密实程度

骨架和充填物

天然坡和开挖情况

钻探情况

松散

多数骨架颗粒不接触而被充填物包裹，充填物松散

不能形成陡坎，天然坡接近于粗颗粒的安息角。

锹可以挖掘，坑壁易坍塌，从坑壁取出大颗粒后，砂土即塌落

钻进较容易，冲击钻探时，钻杆稍有跳动，孔壁易坍塌

中密

骨架颗粒疏密不均，部分不连续，孔隙填满，充填物中密

天然陡坡不太稳定，或陡坡下堆积物较多，但大于粗颗粒的安息角。

镐可以挖掘，坑壁有掉块现象，从坑壁取出大颗粒处砂土不易保持凹面形状

钻进较难，冲击钻探时，钻杆、吊锤跳动不剧烈，孔壁有坍塌现象

密实

骨架颗粒交错紧贴，孔隙填满，充填物密实

天然陡坡较稳定，坎下堆积物较少。

镐挖掘困难，用撬棍方能松动；坑壁稳定，从坑壁取出大颗粒后，能保持凹面形状

钻进困难，冲击钻探时，钻杆、吊锤跳动剧烈，孔壁较稳定

砂土的密实度根据砂的相对密度和标准贯入试验锤击数划分，见表2-1-19。

砂土密实度表表2-1-19

分级

相对密度Dr

标准贯入锤击数

密实

Dr≥0.67

30～50

中密

0.67＞Dr≥0.33

10～29

松散

稍松

0.33＞Dr≥0.20

5～9

极松

Dr＜0.20

＜5

注:

标准贯入锤击数为实测锤击数N的平均值。

2）《岩土工程勘察规范》（GB50021—2001）中土的密实度划分

碎石土的密实度根据圆锥动力触探锤击数确定，重型圆锥动力触探按N63.5查表2-1-20，超重型圆锥动力触探按N120查表2-1-21，表中的N63.5和N120均为进行杆长修正后的锤击数。

碎石土密实度的野外鉴别可按表2-1-22进行。

碎石土密实度（按N63.5分类）表2-1-20

重型动力触探锤击数N63.5

密实度

重型动力触探锤击数N63.5

密实度

N63.5≤5

松散

10＜N63.5≤20

中密

5＜N63.5≤10

稍密

N63.5＞20

密实

注:

本表适用于平均粒径等于或小于50mm,且最大粒径小于100mm

的碎石土。

对于平均粒径大于50mm,或最大粒径大于100mm的

碎石土,可用超重型动力触探或用野外观察鉴别。

碎石土密实度（按N120分类）表2-1-21

超重型动力触探锤击数N120

密实度

超重型动力触探锤击N120

密实度

N120≤3

松散

11＜N120≤14

密实

3<＜N120≤6

稍密

N120＞14

很密

6＜N120≤11

中密

碎石土密实度野外鉴别表2-1-22

密实度

骨架颗粒含量和排列

可挖性

可钻性

松散

骨架颗粒质量小于总质量的60%，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，立即塌落

钻进较易，钻杆稍有跳动，孔壁易坍塌

中密

骨架颗粒质量等于总质量的60%～70%，呈交错排列，大部分接触

锹镐可挖掘，井壁有掉块现象，从井壁取出大颗粒处，能保持凹面形状

钻进较困难，钻杆、吊锤跳动不剧烈，孔壁有坍塌现象

密实

骨架颗粒质量大于总质量的70%，呈交错排列，连续接触

锹镐挖掘困难，用撬棍方能松动，井壁较稳定

钻进困难，钻杆、吊锤跳动剧烈，孔壁较稳定

注:

①骨架颗粒系指与表2-1-15中碎石土分类名称相对应粒径的颗粒；

②密实度应按表列各项特征综合确定。

砂土的密实度根据标准贯入试验锤击数实测值N划分为密实、中密、稍密和松散，按表2-1-23确定。

当用静力触探方法划分砂土密实度时，可根据当地经验确定。

砂土密实度分类表2-1-23

标准贯入锤击数N

密实度

标准贯入锤击数N

密实度

N≤10

松散

15＜N≤30

中密

10＜N≤15

稍密

N＞30

密实

粉土的密实度根据孔隙比划分为密实、中密和稍密，按表2-1-24确定。

粉土密实度分类表2-1-24

孔隙比e

密实度

e＜0.75

密实

O.75≤e≤.90

中密

e＞0.90

稍密

注:

当有经验时,也可用原位测试或其他方法划分粉土的密实度。

（2）黏性土的状态

黏性土的状态（稠度状态）反映了土是处于塑性状态还是其它非塑性状态及其塑性的程度，与黏性土的力学性质有着非常密切的相关性。

黏性土状态的判定指标采用液性指数IL:

（2-1-11）

当土的含水量低于塑限时，土样处于坚硬状态，则液性指数小于0；当土的含水量处于塑限与液限之间时，土样处于塑性状态，则液性指数介于0～1范围内；当土的含水量高于液限时，土样处于流动状态，则液性指数大于1。

由于液限和塑限都是根据重塑土样测定的，故并没有反映土的原状结构的影响。

实际工程中，保持原状结构的土即使天然含水量高于液限，由于存在结构强度，土并不一定呈流动状态。

但若此时的原状结构被破坏，导致结构强度丧失，则土将呈现流动状态。

液性指数的公式与砂的相对密度公式非常类似，故可将液性指数理解为相对含水量。

但两者的取值范围有差别，砂的相对密度只能在0～1范围内取值，而液性指数的取值不受此限制。

1）《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTJ024－85）中黏性土的状态划分

黏性土的状态根据液性指数IL划分为四级，按表2-1-25确定。

黏性土的状态划分表表2-1-25

分级

液性指数IL

坚硬、半坚硬状态

IL＜0

可塑状态

硬塑

0≤IL＜0.5

软塑

0.5≤IL＜1.0

流塑状态

IL≥1.0

2）《岩土工程勘察规范》（GB50021—2001）中黏性土的状态划分

黏性土的状态根据液性指数IL划分为坚硬、硬塑、可塑、软塑和流塑等五级，按表2-1-26确定。

黏性土状态分类表2-1-26

液性指数

状态

液性指数

状态

IL≤0

0＜IL≤0.25

0.25＜IL≤0.75

坚硬

硬塑

可塑

0.75＜IL≤1

IL＞1

软塑

流塑

（3）土的湿度

1）《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTJ024－85）中土的湿度划分

碎石和砂土的潮湿度按土的饱和度Sr（以小数表示）划分为稍湿、潮湿（很湿）、饱和，见表2-1-27。

碎石和砂土潮湿度表表2-1-27

分级

饱和度Sr

稍湿

Sr≤0.5

潮湿（很湿）

0.5＜Sr≤0.8

饱和

Sr＞0.8

2）《岩土工程勘察规范》（GB50021—2001）中土的湿度划分

粉土的湿度根据含水量W（%）划分为稍湿、湿、很湿，见表2-1-28。

粉土湿度分类表2-1-28

含水量W（%）

湿度

W＜20

稍湿

20≤W≤30

湿

W＞30

很湿

3.土的渗透性

土的渗透性是指土中的自由水能以土的孔隙为通道在重力作用下运动的性质。

在公路工程中，常需根据土的渗透性进行设计或控制，防治土体发生渗透破坏。

（1）渗流和达西定律

液体在多孔介质中的流动，包括地下水在土孔隙中的流动，称为渗流。

渗流运动定律即达西（H.Darcy）定律是研究地下水运动的最基本且最重要的定律。

水文地质学的众多理论以及土力学中的固结理论等都是建立在达西定律的基础上。

达西定律可表示为：

（2-1-12）

式中

——渗流速度（cm/s）；

——渗流流量（cm3/s）；

——过水土的截面积（cm2）；

——渗透系数（cm/s）；

——渗流路径两端的水头差（cm）；

——渗流路径长度（cm）；

——水力梯度，即沿流程单位长度上的水头损失（水头差）。

达西公式中的渗流速度是以渗流流量除以土的截面积（并非仅孔隙截面积）得到，因而是一假想的平均速度，并不是实际水质点的流速。

达西定律表明渗流速度与水力梯度的一次方成正比，见图2-1-12

（1），该定律只符合层流的运动。

层流和紊流是液体运动的两种形态，当液体的流速较小时，液体质点运动轨迹互不掺混、有规则地向前运动，称为层流；而当液体的流速较大时，液体质点运动轨迹极不规则、相互掺混地向前运动，称为紊流。

水力学中根据雷诺数来判别液体运动的形态。

通常地下水在土的孔隙或微小裂隙中以不大的速度连续渗透时属层流运动。

达西定律有一定的适用范围，一般适用于中砂、细砂、粉砂等土类的渗流运动，这类土的渗流速度与水力梯度的关系如图2-1-12

（1）所示。

黏土中的渗流由于受到结合水的黏滞阻力，不完全符合达西定律，需要进行修正。

水力梯度很小时，由于结合水的黏滞阻力，黏土中不发生渗流或渗流速度与水力梯度呈明显的非线性关系；只有当水力梯度大于某一数值时，克服了结合水的黏滞阻力后，才能产生渗流，且渗流速度与水力梯度近似于线性关系。

黏土中开始产生渗流时的水力梯度称为黏土的起始水力梯度，其渗流定律可简化表示为式2-1-13，渗流速度与水力梯度的关系如图2-1-12

（2）所示。

（2-1-13）

式中

——黏土的起始水力梯度。

砾石、卵石等粗颗粒土，只有在较小的水力梯度下，此时流速也较小，渗流速度才与水力梯度呈线性关系；而当水力梯度增大时，水的渗流速度也相应增大，当流速大于某一数值（称为临界流速

）时，水流呈紊流状态，渗流速度则与水力梯度呈非线性关系，故达西定律不再适用，这类土的渗流速度与水力梯度的关系如图2-1-12（3）所示。

（1）

（2）（3）

图2-1-12不同土类渗流速度与水力梯度的关系

1-中细砂等；2-黏土；3-砾卵石等

（2）渗透系数

渗透系数是土中水的渗流呈层流状态时，渗流速度与水力梯度成正比关系的比例系数，其物理意义可叙述为当水力梯度等于1时的渗流速度。

渗透系数是综合反映土的渗透能力的定量指标，是有关渗流计算的基本参数。

渗透系数取决于孔隙的性质（孔隙的大小、形状、含量及分布等）和流水的性质（水的黏滞度和密度）两方面。

影响渗透系数的因素主要有下列一些。

1）土的粒度成分颗粒大小、形状和级配等直接影响孔隙的大小、形状和含量。

2）土的矿物成分和化学性质黏土矿物的成分、含量和水的化学性质将直接影响结合水膜的厚度，结合水黏滞阻力的大小间接改变了孔隙的性质。

3）土的结构和构造颗粒排列的紧密程度及土中是否存在密闭气体将影响孔隙的大小、形状及连通状况；土中的细小层理，如黏土中夹有薄层粉砂，将对土的渗透性产生极大的影响，并使其表现出非常悬殊的各向异性。

4）水的温度一般水的密度随温度变化很小，但水温变化对水的黏滞度有较显著的影响。

渗透系数可通过室内渗透试验或现场试验测定。

室内渗透试验的的方法可分为常水头渗透试验和变水头（实际是降水头）渗透试验，分别适用于不同的土类，且渗透系数的计算公式也不同。

常水头渗透试验适用于粗粒土，渗透系数的计算公式直接采用达西定律。

变水头渗透试验适用于细粒土，渗透系数的计算公式通过积分推导出来。

对于透水性很低的软土可通过固结试验测定固结系数、体积压缩系数后，计算土的渗透系数：

（2-1-14）

式中

——土的渗透系数（m/s）；

——固结系数（m2/s）；

——体积压缩系数（kPa-1）；

——水的重度（kN/m3）。

现场试验包括抽水试验、注水试验、压水试验及渗水试验，对于地下水位以下的土，抽水试验比较常用。

室内渗透试验的结果，要想较准确地符合现场实际情况具有一定难度，尤其在土质不均匀的条件下，其出入往往非常大。

有条件的情况下或对于重要工程，应通过现场试验测定渗透系数。

土的渗透系数取值应将室内渗透试验的结果与现场抽水试验或注水试验的成果比较后确定。

表2-1-29列出各类土渗透系数取值的数量级范围，可供参考。

渗透系数k的数量级范围表2-1-29

土类

砾石

砾砂

粗砂

中砂

细砂

粉砂

粉土

粉质黏土

黏土

k值范围（cm/s）

＞10-1

10-1

10-2

10-2

10-3

10-3～10-4

10-4～10-5

10-5～10-7

＜10-7

注：

本表引自《岩土工程手册》。

（3）渗流力和渗透破坏

水在土中渗流时，受到土颗粒的阻力作用，并引起水头损失。

根据作用力与反作用力定律，渗流流过土时也必然对土颗粒施加一种渗流作用力。

渗流发生时单位体积土中土颗粒所受到的渗流作用力称为渗流力，又称动水力或渗透力等。

（2-1-15）

式中

——渗流力（kN/m3）。

渗流力是一种体积力，量纲与

的相同，其大小与水力梯度成正比，方向与渗流的流线方向一致。

渗流力在工程实践中具有重要意义，当评价土在发生渗流时的稳定性，就需考虑渗流力的作用。

在渗流力作用下发生的土颗粒流失或局部土体移动的现象，包括流土和管涌，称为渗透变形。

由流土或管涌等引起的危害工程安全的土体破坏称为渗透破坏。

流土是指在渗流力作用下，土体表面渗流逸出处的土颗粒处于悬浮状态而随水一起流失的现象。

流土现象只发生于表面渗流逸出处，而不发生于土体内部。

常见的典型流土现象是基坑开挖时发生流砂现象。

发生流砂时土颗粒间的有效应力为零，颗粒群产生悬浮、流动现象。

流砂主要发生在细砂、粉砂及部分粉土中，粗颗粒土和一般黏土中不易发生。

流砂发生与否取决于土的性质和水力条件两方面。

发生流砂的水力条件是土中的渗流力等于或大于土的有效重度：

≥

。

渗流力等于土的有效重度时的水力梯度，即开始发生流砂现象时的水力梯度称为临界水力梯度。

（2-1-16）

式中

——临界水力梯度；

——土的有效重度（kN/m3）；

——水的重度（kN/m3）；

Gs——土粒相对密度（土粒比重）；

e——土的孔隙比。

临界水力梯度是反映土性质的参数,即土中发生流砂难易程度的指标。

当渗流的水力梯度大于等于临界水力梯度时，则发生流砂。

理论上，土的临界水力梯度越小，越容易发生流砂；反之则不易发生流砂。

临界水力梯度与土的粒度成分、密实度等有关。

管涌是指在渗流力作用下，土中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中随水移动或流失，随着孔隙的不断扩大，最终在土内形成管状通道的现象。

图2-1-13给出堤坝下发生管涌的示意图。

管涌现象可发生于渗流逸出处，也可能发生于土体内部。

管涌可仅发生在局部范围，但也可能逐步扩大，最后导致土体失稳破坏。

发生管涌的临界水力梯度远小于发生流砂的临界水力梯度。

管涌临界水力梯度与土的颗粒大小及级配状况有着密切关系。

图2-1-13堤坝下发生管涌示意图

4.土的压缩性和固结特性

（1）土的压缩性

1）土的压缩变形机理

土的压缩性是指土在压力作用下体积缩小的特性，在单向固结试验中表现为竖向压缩变形。

在一般工程压力范围，土粒和土中水的压缩量可以忽略不计，因此，土的压缩主要是土中孔隙体积的缩小。

对于非饱和土，孔隙体积的缩小主要由于孔隙中气体的体积被压缩而造成；对于饱和土，孔隙体积的缩小主要由于孔隙中的水被排出，在单向固结试验中表现为沿竖向排水。

随着土中孔隙的体积的压缩，土粒位置调整重新排列，并相互挤紧，形成整个土体积不断缩小。

这就是土的压缩变形的机理，即土在压力作用下体积缩小的根本原因。

土的压缩理论不考虑时间因素，这是压缩理论与固结理论的主要差别之一。

从土的压缩变形的机理可见，孔隙比的变化可以用来描述土的压缩变形。

在单向固结试验中，土的压缩变形只能沿着竖向进行，因此，土的竖向压缩变形量与孔隙比的变化量成正比。

只要能测定土的孔隙比的变化量，就可通过计算求得土的竖向压缩变形量。

若将基底下压缩层范围内各层土的竖向压缩变形量累加起来，即为基础的沉降量，这就是分层总和法计算基础沉降量的基本原理。

2）常规固结试验指标

常规固结试验反映土的压缩性的成果一般可用土的压缩曲线（e～p曲线）和若干土的压缩性指标来表示。

在e～p曲线中，e是土样达到压缩稳定或超孔隙水压力基本消散时的孔隙比；对于p的理解，若从力的可量测性角度看当属总应力，但从与孔隙比的对应关系看其数值大小相当于有效应力。

这就是采用固结试验的压缩性指标所计算的沉降量为最终沉降量的原因。

土的e～p曲线见图2-1-14。

图2-1-14土的压缩曲线（e～p曲线）

由e～p曲线可得到下列土的压缩性指标。

①压缩系数

（2-1-17）

式中

——压缩系数（MPa-1）；

——孔隙比减小量；

——竖向应力增量（MPa）；

、

——竖向应力的初值、终值（MPa）；

、

——对应于

、

的孔隙比。

土的压缩系数是土在侧限条件下孔隙比减小量与竖向有效压应力增量的比值，即e～p曲线上某一压力段的割线斜率。

同一压力段，土的压缩系数愈大，则e～p曲线愈陡，表明孔隙比的减小愈显著，因而土的压缩性愈高。

②压缩模量

（2-1-18）

式中

——压缩模量（MPa）。

土的压缩模量是土在侧限条件下竖向有效压应力增量与竖向应变的比值，表现为e～p曲线上某一压力段的割线模量。

同一压力段，土的压缩模量愈大，表明土的压缩性愈低。

③体积压缩系数

（2-1-19）

式中

——体积压缩系数（MPa-1）。

土的体积压缩系数的定义是土在侧限条件下体积应变与竖向有效压应力增量的比值。

由于固结试验的两个水平向应变均为零，土的体积应变就等于竖向应变，因此可推导得土的体积压缩系数