土力學與地基基礎(chǔ)

1、PAGE PAGE 141土力學與基礎(chǔ)工程課程實施大綱 教育的根本任務是立德樹人，培養(yǎng)德智體美全面發(fā)展的社會主義建設(shè)者和接班人。作為一所工程應用類本科院校，核心目標就是培養(yǎng)和實現(xiàn)人的全面發(fā)展，提高同學們的政治思想素質(zhì)、科學素質(zhì)、人文素質(zhì)和各種發(fā)展能力，同時推進工程教育與科學教育、人文教育的全面進步，培養(yǎng)出全面發(fā)展的現(xiàn)代工程技術(shù)人才。為了進一步實現(xiàn)我校建設(shè)應用型綜合大學和培養(yǎng)復合應用型人才的目標，必須繼續(xù)深化教育改革，合理設(shè)置課程教學體系，這樣才能培養(yǎng)出具有國際競爭力、創(chuàng)新能力和較強的適應能力的當代大學生，適應社會的發(fā)展和支持地方經(jīng)濟的騰飛。 課程設(shè)置就是對教育理念的一個重要體現(xiàn)，教學方法和手段

2、的改革對于提高整體教學質(zhì)量水平有著舉足輕重的作用，因此，我們要充分借助現(xiàn)代化的技術(shù)手段以滿足學生需要，改善教學效果。在教學方法方面，避免“填鴨式”的課堂講解，要充分根據(jù)課程內(nèi)容的特點設(shè)置室外模擬、小組討論、項目教學、任務驅(qū)動和啟發(fā)引導式等方法，激發(fā)學生的求知欲望和主觀能動性，讓學生參與到教學活動中來，培養(yǎng)他們獨立發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，形成有效的師生互動模式，提高課堂效率。在教學手段方面，應針對課程特點充分利用現(xiàn)代的教育手段。利用PowerPoint和Authorware開發(fā)平臺制作圖文并茂，交互良好的多媒體課件，激發(fā)學生濃厚的興趣。對于拓展性的知識還應建立相應的網(wǎng)站和論壇，為同學們提供一個

3、學習和交流的平臺，老師定期來為學生釋疑。課程介紹土力學與地基基礎(chǔ)是面向工科專業(yè)開設(shè)的一門理論性、系統(tǒng)性較強的專業(yè)必修課程，內(nèi)容密切聯(lián)系工程實際，不僅為抗震設(shè)計 、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計等課程的學習提供了必要的理論基礎(chǔ)，而且也在工程領(lǐng)域中有著廣泛的應用，學好本門課程具有非常重要的意義。本大綱主要服務于建筑工程技術(shù)專業(yè)，計劃學時數(shù)為學時，學分為分。是研究土的本構(gòu)關(guān)系、土與結(jié)構(gòu)物相互作用的規(guī)律以及地基基礎(chǔ)的穩(wěn)定性和變形。一是為經(jīng)濟合理地設(shè)計構(gòu)件提供必要的理論基礎(chǔ)和計算方法，為學習有關(guān)的后續(xù)課程打好必要的基礎(chǔ)；二是培養(yǎng)學生運用力學的概念和理論，分析解決工程實際問題；三是學習力學方法，培養(yǎng)學生邏輯思維能力，計算

4、表達能力等綜合素質(zhì)。教師簡介先修課程土木工程材料、理論力學、材料力學、結(jié)構(gòu)力學、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理、水力學等課程目標土力學與地基基礎(chǔ)是一門專業(yè)技術(shù)課，其目的是使同學們具有進行一般基礎(chǔ)工程設(shè)計的能力，獲得繼續(xù)深入學習專業(yè)知識的基本技能，為今后從事專業(yè)技術(shù)工作打下良好的基礎(chǔ)。同時培養(yǎng)認真負責的工作態(tài)度、嚴謹細致的工作作風和培養(yǎng)學生的自學能力，分析和解決問題的能力。1. 牢固掌握土的基本物理力學性質(zhì)，土的應力、變形、強度和地基計算等土力學的基本原理和計算方法；2. 在掌握基本理論的同時，還要掌握主要土工試驗的基本原理的一般操作技術(shù)；3. 應注重理論聯(lián)系實際，將土力學理論應用于實踐，在實踐中注意積累資

5、料及經(jīng)驗，再去豐富理論。4. 牢固掌握擋土墻上土壓力的概念、朗肯土壓力理論及庫倫土壓力理論。掌握幾種情況下的土壓力計算、擋土墻的計算及重力式擋土墻的設(shè)計。5.明確地基臨塑載荷、臨界載荷和極限載荷的意義及應用。掌握確定地基承載力的方法及土坡穩(wěn)定分析條分法。.利用土力學理論及地基勘察知識，掌握淺基礎(chǔ)的常規(guī)設(shè)計的原理與方法。掌握樁、樁基礎(chǔ)的類型及樁基礎(chǔ)的設(shè)計。掌握軟弱土地基處理方法。教材教材及參考書：清華大學出版社出版，陳希哲編著土力學地基基礎(chǔ)中國建筑工業(yè)出版社出版，華南理工大學等四校主編地基及基礎(chǔ)洪毓康主編，土質(zhì)學與土力學，人民交通出版社，1995。高等教育出版社出版的土力學與地基基礎(chǔ)。授課內(nèi)容及

6、學時安排課程內(nèi)容及學時安排章節(jié)章節(jié)名稱學時數(shù)緒論1第1章工程地質(zhì)概述第2章土的物理性質(zhì)及分類4第3章土的壓縮性與基礎(chǔ)沉降計算6第4章土的抗剪強度及地基承載力6第5章土壓力與土坡穩(wěn)定6第6章巖土工程勘察2第7章淺基礎(chǔ)設(shè)計6第8章樁基礎(chǔ)與深基礎(chǔ)6第章軟弱地基處理3總復習2總計457.課程教學實施本門課程的具體教學實施過程，詳細見以下內(nèi)容：授課時間2017年2月28日 第1周課時1課次1緒 論一、課程大綱：土力學、地基及基礎(chǔ)的概念。地基與基礎(chǔ)在建筑工程中的重要性。本課程的特點、要求和學習方法。本學科簡史及發(fā)展方向。二、考試內(nèi)容： 重點掌握土力學、地基及基礎(chǔ)的概念。掌握本課程的特點、要求和學習方法。了

7、解地基與基礎(chǔ)在建筑工程中的重要性及本學科簡史及發(fā)展方向。三、本章內(nèi)容：（一）、地基及基礎(chǔ)的概念 建筑物的全部荷載都由它下面的地層來承擔，受建筑物影響的那一部分地層稱為地基；建筑物向地基傳遞荷載的下部結(jié)構(gòu)就是基礎(chǔ)(參看圖0-1)。地基基礎(chǔ)設(shè)計應滿足以下二個基本條件： 要求作用于地基的荷載不超過地基的承載能力，保證地基在防止整體破壞方面有足夠的安全儲備?？刂苹A(chǔ)沉降，使之不超過地基的變形允許值，保證建筑物不因地基變形而損壞或者影響其正常使用。研究土的應力、變形、強度和穩(wěn)定以及土與結(jié)構(gòu)物相互作用等規(guī)律的一門力學分支稱為土力學。它是本課程的理論基礎(chǔ)?；A(chǔ)結(jié)構(gòu)的型式很多。設(shè)計時應該選擇能適應上部結(jié)構(gòu)、符

8、合使用要求、滿足地基基礎(chǔ)設(shè)計兩項基本要求以及技術(shù)上合理的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方案。通常把埋置深度不大，只須經(jīng)過挖槽、排水等普通施工程序就可以建造起來的基礎(chǔ)統(tǒng)稱為淺基礎(chǔ)(各種單獨的和連續(xù)的基礎(chǔ))。反之，稱為深基礎(chǔ)。當淺層土質(zhì)不良，而須把基礎(chǔ)埋置于深處的好地層時，就要借助于特殊的施工方法，建造各種類型的深基礎(chǔ)(樁基礎(chǔ)、沉井和地下連續(xù)墻等)。選定適宜的基礎(chǔ)型式后，地基不加處理就可以滿足要求的，稱為天然地基，否則，就叫做人工地基(例如采用換土墊層、深層密實、排水固結(jié)、化學加固、土工聚合物加筋等方法處理過的地基)。 建筑物的地基、基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)三部分，雖然各自功能不同、研究方法相異，然而，對一個建筑物來說，在荷載作

9、用下，這三方面卻是彼此聯(lián)系、相互制約的整體。目前，要把三部分完全統(tǒng)一起來進行設(shè)計計算還有困難。但在處理地基基礎(chǔ)問題時，應該從地基基礎(chǔ)上部結(jié)構(gòu)相互作用的整體概念出發(fā)，全面地加以考慮，才能收到比較理想的效果。地基和基礎(chǔ)是建筑物的根本，又屬于地下隱蔽工程。它的勘察、設(shè)計和施工質(zhì)量直接關(guān)系著建筑物的安危。實踐表明，建筑物事故的發(fā)生，很多與地基基礎(chǔ)問題有關(guān)，而且，地基基礎(chǔ)事故一旦發(fā)生，補救并非容易。此外，基礎(chǔ)工程費用與建筑物總造價的比例，視其復雜程度和設(shè)計、施工的合理與否，可以變動于百分之幾到幾十之間。因此，地基及基礎(chǔ)在建筑工程中的重要性是顯而易見的。工程實踐中，地基基礎(chǔ)事故的出現(xiàn)固然屢見不鮮，然而，只

10、要嚴格遵循基本建設(shè)原則，按照勘察設(shè)計施工的先后程序，切實抓好這三個環(huán)節(jié)，那末，地基基礎(chǔ)事故一般是可以避免的。（二）、本課程的特點和學習要求地基及基礎(chǔ)課程涉及工程地質(zhì)學、土力學、結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工幾個學科領(lǐng)域，所以內(nèi)容廣泛、綜合性強，學習時應該突出重點，兼顧全面。從本專業(yè)的要求出發(fā)，學習本課程時，應該重視工程地質(zhì)的基本知識，培養(yǎng)閱讀和使用工程地質(zhì)勘察資料的能力，同時必須牢固地掌握土的應力、變形，強度和地基計算等土力學基本原理，從而能夠應用這些基本概念和原理，結(jié)合有關(guān)建筑結(jié)構(gòu)理論和施工知識，分析和解決地基基礎(chǔ)問題。（三）、本學科發(fā)展概況地基及基礎(chǔ)既是一項古老的工程技術(shù)，又是一門年青的應用科學。追本溯源

11、，世界文化古國的遠古先民，在史前的建筑活動中，就已創(chuàng)造了自己的地基基礎(chǔ)工藝。我國西安半坡村新石器時代遺址和殷墟遺址的考古發(fā)掘，都發(fā)現(xiàn)有土臺和石礎(chǔ)。這就是古代“堂高三尺、茅茨土階”(語見韓非子)建筑的地基基礎(chǔ)型式。隋朝石工李春所修趙州石拱橋，不僅因其建筑和結(jié)構(gòu)設(shè)計的成就而著稱于世，就論其地基基礎(chǔ)的處理也是頗為合理的。作為本學科理論基礎(chǔ)的土力學的發(fā)端，始于十八世紀興起了工業(yè)革命的歐洲。1773年，法國的C.A庫倫(Coulomb)根據(jù)試驗創(chuàng)立了著名的砂土抗剪強度公式，提出了計算擋土墻土壓力的滑楔理論。九十余年后，英國的WJM朗肯(Rankine，1869)又從不同途徑提出了擋土墻土壓力理論。這對后

12、來土體強度理論的發(fā)展起了很大的作用。此外，法國J布辛奈斯克(Boussinesq，1885)求得了彈性半空間在豎向集中力作用下的應力和變形的理論解答，瑞典W費蘭紐斯為解決鐵路坍方問題作出了土坡穩(wěn)定分析法。1925年，K太沙基歸納發(fā)展了以往的成就，發(fā)表了土力學一書，接著，于1929年又與其他作者一起發(fā)表了工程地質(zhì)學。這些比較系統(tǒng)完整的科學著作的出現(xiàn)，帶動了各國學者對本學科各個方面的探索。從此，土力學及地基基礎(chǔ)就作為獨立的科學而取得不斷的進展。時至今日，土建，水利、橋梁、隧道、道路、港口、海洋等有關(guān)工程中，以巖土體的利用、改造與整治問題為研究對象的科技領(lǐng)域，因其區(qū)別于結(jié)構(gòu)工程的特殊性和各專業(yè)巖土問

13、題的共同性，已融合為一個自成體系的新專業(yè)。授課時間2017年3月3日 第1周課時3課次1-2第1章 工程地質(zhì)概述一、重點掌握內(nèi)容1.掌握土的透水性、流砂、潛蝕、地下水升降等對建筑工程的影響。2.了解主要造巖礦物的物理性質(zhì)，巖石的分類和主要特征；第四紀沉積物的類型、分布規(guī)律及特征；第四紀沉積物類型及其工程特點。3.了解地下水的埋藏條件。二、本章內(nèi)容：1-1 土的生成我們把地球最外層的堅硬固體物質(zhì)稱為地殼，地殼厚度一般為30-60km，人類生存與活動范圍僅限于地殼表層。在漫長的地質(zhì)年代中，由于內(nèi)動力地質(zhì)作用和外動力地質(zhì)作用，地殼表層的巖石經(jīng)歷風化、剝蝕、搬運、沉積生成大小懸殊的顆粒，稱之為土，在不

14、同的自然環(huán)境中，由各種營力的地質(zhì)作用生成了不同類型的土；而土歷經(jīng)壓密固結(jié)、膠結(jié)硬化也可再生成巖石。而現(xiàn)在所見到的土是近期地質(zhì)歷史-第四紀以來生成的尚未固結(jié)的松散物質(zhì)。1.1.1 地質(zhì)年代的概念地質(zhì)年代是指從最老的地層到最新的地層所代表的時代。即指地殼發(fā)展歷史與地殼運動、沉積環(huán)境及生物演化相應的時代段落。地質(zhì)年代分為相對地質(zhì)年代和絕對地質(zhì)年代。把各個地質(zhì)歷史時期形成的巖石，結(jié)合埋藏在巖石中能反映生物演化程序的化石和地質(zhì)構(gòu)造，按先后順序確定下來，展示巖石的新老關(guān)系，這就是相對年代。相對年代只能說明各種巖石、地層的相對新老關(guān)系，而不能說明某種巖石或巖層形成距今多少年。自然界中某些物質(zhì)的蛻變現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)

15、以后，地質(zhì)學家們就利用放射性同位素的蛻變規(guī)律來計算礦物和巖石的年齡，稱為同位素年齡或絕對年齡。相對地質(zhì)年代在地史的分析中廣為應用。它是根據(jù)古生物的演化和巖石形成的順序，將地殼歷史劃分成一些自然階段。在地質(zhì)學中，根據(jù)地層對比和古生物學方法把地質(zhì)年代劃分為五大代（太古代、元古代、古生代、中生代和新生代），每代又分為若干紀，每紀又細分為若干世和期。在新生代中最新近的一個紀稱為第四紀，第四紀是指約250萬年至今這段地質(zhì)時期。由原巖風化產(chǎn)物碎屑物質(zhì)，經(jīng)各種外力地質(zhì)作用（剝蝕、搬運、沉積）形成尚未膠結(jié)硬化的沉積物（層），通稱“第四紀沉積物（層）”或“土”。工程活動涉及的土體大都是在第四紀形成，它沉積在地表

16、，覆蓋在基巖之上，各種建筑物往往就建造在它上面。1.2.1 地質(zhì)作用的概念構(gòu)成天然地基的物質(zhì)是地殼中的巖石和土。地殼的一般厚度為3080Km，它的物質(zhì)、形態(tài)和內(nèi)部構(gòu)造是在不斷地改造和演變的。導致地殼成分變化和構(gòu)造變化的作用，稱為地質(zhì)作用。根據(jù)地質(zhì)作用的能量來源的不同，可分為內(nèi)動力地質(zhì)作用和外動力地質(zhì)作用。 巖漿是存在于地殼以下深處高溫、高壓的復雜硅酸鹽熔融體(它的主要成分為SiO2 )，富含揮發(fā)性物質(zhì)和金屬硫化物。巖漿活動可使巖漿沿著地殼薄弱地帶上升侵入地殼或噴出地表。巖漿冷凝后生成的巖石，稱為巖漿巖。在巖漿活動和地殼運動過程中，原巖(原來生成的各種巖石)在高溫，高壓及滲入揮發(fā)性物質(zhì)如SO2，

17、H2O，CO2等)的變質(zhì)作用下，生成的另一種類型巖石，稱為變質(zhì)巖。晝夜和季節(jié)的氣溫變化，可使地表各種原巖不斷發(fā)生熱脹脫離、冷縮開裂等機械破碎。水和水溶液的存在，可使原巖不斷發(fā)生水化、氧化、碳酸鹽化、溶解以及縫隙水凍脹引起崩裂等化學變化和機械破碎。動植物和微生物的活動，也可使原巖不斷發(fā)生機械破碎和化學變化。這種外力(包括大氣、水，生物)對原巖發(fā)生機械破碎和化學變化的作用，統(tǒng)稱為風化作用。原巖風化產(chǎn)物碎屑物質(zhì)，在雨雪水流、山洪急流、河流、湖浪、海浪、冰川或風等外力作用下，被剝蝕、搬運到大陸低洼處或海洋底部沉積下來，在漫長的地質(zhì)年代里，沉積的物質(zhì)逐漸加厚，逐漸壓密、脫水、膠結(jié)，硬化生成新的巖石，稱為

18、沉積巖。未經(jīng)成巖作用所生成的所謂沉積物，也就是通常所說的“土”。1.2 礦物與巖石的概念巖石是一種或多種礦物的集合體。巖石的特征及其工程性質(zhì)，在很大程度上決定于它的礦物成分。組成巖石的礦物稱為造巖礦物。礦物是地殼中天然生成的自然元素或化合物，它具有一定的物理性質(zhì)、化學成份和形態(tài)。1.2.1 造巖礦物地殼上已被發(fā)現(xiàn)的礦物有三千多種，但最主要的造巖礦物只有三十幾種，如石英，長石、輝石，角閃石、云母、方解石，高嶺石、綠泥石、石膏、赤鐵礦、黃鐵礦等。礦物按生成條件可分為原生礦物和次生礦物兩大類。原生礦物一般由巖漿冷凝生成，如石英、長石、輝石、角閃石、云母等，次生礦物一般由原生礦物經(jīng)風化作用直接生成，如

19、由長石風化而成的高嶺石、由輝石或角閃石風化而成的綠泥石等，或在水溶液中析出生成，如水溶液中析出的方解石CaCO3 和石膏CaSO4 2H2O等。1.2.2 巖石巖石按成因可劃分為三大巖類：巖漿巖（火成巖）、沉積巖和變質(zhì)巖。巖石的主要特征一般包括礦物成分、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造三方面。巖石的結(jié)構(gòu)是指巖石中礦物顆粒的結(jié)晶程度，大小和形狀，及其彼此間的組合方式等特征。巖石的構(gòu)造則是由巖石中礦物排列方式及填充方式?jīng)Q定的。不同類型的巖石，由于它們生成的地質(zhì)環(huán)境和條件的不同，就產(chǎn)生了各種不同的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造。1.2.3 巖石的工程分類作為建筑場地和建筑物地基的巖石，是根據(jù)它的堅固性和風化程度進行分類的。 巖石按堅固性分類

20、巖石根據(jù)堅固性可分為硬質(zhì)巖石和軟質(zhì)巖石二類。 風化作用及巖石按風化程度分類風化作用是一種使巖石在原地產(chǎn)生物理和化學變化的破壞作用。1風化作用的類型，風化作用根據(jù)其性質(zhì)和影響因素的不同分為物理風化、化學風化和生物風化三種類型。 (I)物理風化作用，地表巖石由于溫度變化和裂隙中水的凍結(jié)以及鹽類的結(jié)晶而逐漸破碎崩解，但其化學成分尚未發(fā)生變化，這種過程稱為物理風化作用。 (2)化學風化作用：地表巖石在水溶液、大氣以及有機體的化學作用或生物化學作用下所引起的破壞過程稱為化學風化作用。它不僅破壞巖石的結(jié)構(gòu)，而且使其化學成分改變，而形成新的礦物(次生礦物)。化學風化的主要方式有下列幾種：氧化作用、水化作用、

21、水解作用、溶解作用。(3)生物風化作用：它是指在生物活動過程中對巖石產(chǎn)生的破壞作用。這種作用可以引起巖石的機械破壞，如樹根生長時施加于周圍巖石的壓力可達10一15kg/cm2，穴居地下的蚯蚓；鼠類等的活動，破壞性也很大。此外，在巖石表面的細菌、苔蘚之類分泌出的有機酸溶液能分解巖石的成分，促使巖石破壞。2巖石按風化程度的劃分：在工業(yè)與民用建筑工程地質(zhì)勘察工作中，一般根據(jù)巖石由于風化所造成的特征，包括礦物變異、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造、堅硬程度以及可挖掘性或可鉆性等，而將巖石的風化程度劃分為微風化、中等風化和強風化三等。1-3 地質(zhì)構(gòu)造在漫長的地質(zhì)歷史發(fā)展過程中，地殼在內(nèi)、外力地質(zhì)作用下，不斷運動演變，所造成的

22、地層形態(tài)(如地殼中巖體的位置，產(chǎn)狀及其相互關(guān)系等)統(tǒng)稱為地質(zhì)構(gòu)造。它決定著場地巖土分布的均一性和巖體的工程地質(zhì)性質(zhì)。地質(zhì)構(gòu)造與場地穩(wěn)定性以及地震評價等的關(guān)系尤為密切，因而是評價建筑場地工程地質(zhì)條件所應考慮的基本因素。1.3.1 褶皺構(gòu)造地殼中層狀巖層在水平運動的作用下，使原始的水平產(chǎn)狀的巖層彎曲起來，形成褶皺構(gòu)造。褶皺的基本單元，即巖層的一個彎曲稱為褶曲。褶曲雖然有各式各樣的形式，但基本形式只有兩種，即背斜和向斜(圖1-4)。背斜由核部地質(zhì)年代較老到翼部較新的巖層組成，橫剖面呈凸起彎曲的形態(tài)。向斜則由核部新巖層和冀部老巖層組成，橫剖面呈向下凹曲的形態(tài)。必須指出，在山區(qū)見到的褶曲，一般來說其形成

23、的年代久遠，由于長期暴露地表使得部分巖層，尤其是軟質(zhì)或裂隙發(fā)育的巖石受到風化和剝蝕作用的嚴重破壞而喪失了完整的褶曲形態(tài)。1.3.2 斷裂構(gòu)造 巖體受力斷裂使原有的連續(xù)完整性遭受破壞而形成斷裂構(gòu)造。沿斷裂面兩側(cè)的巖層未發(fā)生位移或僅有微小錯動的斷裂構(gòu)造，稱為節(jié)理，反之，如發(fā)生了相對的位移，則稱為斷層。 節(jié)理巖層因地殼運動引起的剪應力形成的斷裂稱為剪節(jié)理，一般是閉合的，常呈兩組平直相交的X形。巖層受力彎曲時，外凸部位由拉應力引起的斷裂稱為張節(jié)理，其裂隙明顯，節(jié)理面粗糙。此外，由于巖漿冷凝收縮或因基巖風化作用產(chǎn)生的裂隙，統(tǒng)稱為非構(gòu)造節(jié)理。在褶皺山區(qū)，巖層強烈破碎，順向坡巖體易沿巖層層面和節(jié)理面滑動，而

24、喪失穩(wěn)定性。此外，節(jié)理發(fā)育的巖體加速了風化作用的進行，從而使巖體的強度大大降低。 斷層分居于斷層面兩側(cè)相互錯動的二個斷塊，其中位于斷層面之上的稱為上盤，位于斷層面之下的稱為下盤。若按斷塊之間的相對錯動的方向來劃分：上盤下降，下盤上升的斷層，稱正斷層(圖1-6)，反之，上盤上升，下盤下降的斷層稱逆斷層(圖1-7)，如兩斷塊水平互錯，則稱為平移斷層(圖1-8)。斷層面往往不是個簡單的平面而是有一定寬度的斷層帶。斷層規(guī)模越大，這個帶就越寬，破壞程度也越嚴重。工程設(shè)計原則上應避免將建筑物跨放在斷層帶上，尤其要注意避開近期活動的斷層帶。所以，調(diào)查活動斷層的位置、活動特點和強烈程度對于工程建設(shè)有著重要的實

25、際意義。1-4 第四紀沉積物(層)由原巖風化產(chǎn)物經(jīng)各種外力地質(zhì)作用而成的沉積物，至今其沉積歷史不長，所以只能形成未經(jīng)膠結(jié)硬化的沉積物，也就是通常所說的“第四紀沉積物”或“土”。不同成因類型的第四紀沉積物，各具有一定的分布規(guī)律和工程地質(zhì)特征，以下分別介紹其中主要的幾種成因類型。1.4.1 殘積物、坡積物和洪積物殘積物 殘積物是由巖石風化后，未經(jīng)搬運而殘留于原地的土，而另一部分則被風和降水所帶走。它處于巖石風化殼的上部，是風化殼中的劇風化帶，向下則逐漸變?yōu)榘腼L化的巖石。它的分布主要受地形的控制，在寬廣的分水嶺上，由雨水產(chǎn)生地表徑流速度小，風化產(chǎn)物易于保留的地方，殘積物就比較厚。在平緩的山坡上也常有

26、殘積物覆蓋。 坡積物坡積物是殘積物經(jīng)水流搬運，順坡移動堆積而成的土。即是雨雪水流的地質(zhì)作用將高處巖石風化產(chǎn)物緩慢地洗刷剝蝕，順著斜坡向下逐漸移動、沉積在較平緩的山坡上而形成的沉積物。其成份與坡上的殘積土基本一致。由于地形的不同，其厚度變化大，新近堆積的坡積土，土質(zhì)疏松，壓縮性較高。它一般分布在坡腰上或坡腳下，其上部與殘積物相接。坡積物底部的傾斜度決定于基巖的傾斜程度，而表面傾斜度則與生成的時間有關(guān)，時間越長，搬運、沉積在山坡下部的物質(zhì)就越厚，表面傾斜度就越小。 洪積物洪積土是山洪帶來的碎屑物質(zhì)，在山溝的出口處堆積而成的土。由暴雨或大量融雪驟然集聚而成的暫時性山洪急流，具有很大的剝蝕和搬運能力。

27、它沖刷地表，挾帶著大量碎屑物質(zhì)堆積于山谷沖溝出口或山前傾斜平原而形成洪積物。1.4.2 沖積物沖積物是河流流水的地質(zhì)作用將兩岸基巖及其上部覆蓋的坡積、洪積物質(zhì)剝蝕后搬運、沉積在河流坡降平緩地帶形成的沉積物。 平原河谷沖積物平原河谷除河床外，大多數(shù)都有河漫灘及階地等地貌單元。平原河流常以側(cè)向侵蝕為主，因而河谷不深而寬度很大。正常流量時，河水僅在河床中流動，河床兩側(cè)則是寬廣的河漫灘。只在洪水期中，河水才溢出河床，泛濫于河漫灘之上。山區(qū)河谷沖積層在山區(qū)，河谷兩岸陡削，大多僅有河谷階地地表水和地下水基本上都流向河床。山區(qū)河流流速很大，故沉積物質(zhì)較粗，大多為砂粒所填充的卵石，圓礫等。山間盆地和寬谷中有河

28、漫灘沖積物，其分選性較差，具有透鏡體和傾斜層理構(gòu)造，厚度不大，在高階地往往是巖石或堅硬土層，作為地基，其工程地質(zhì)條件很好。1.4.3風積物 風積物是由風作為搬運動力，將碎屑物由風力強的地方搬運到風力弱的地方沉積下來的土。風積土生成不受地形的控制，我國的黃土就是典型的風積土。主要分布在沙漠邊緣的干旱與半干旱氣候帶。風積黃土的結(jié)構(gòu)疏松，含水量小，浸水后具有濕陷性。1.4.4 其它沉積物除了上述四種主要成因類型的沉積物（殘積物、坡積物、洪積物和沖積物）外，還有海洋沉積物( Qm)、湖泊沉積物(Ql )及冰川沉積物(Qgl )等，它們是分別由海洋、湖泊及冰川等的地質(zhì)作用形成的。下面只簡略介紹海洋沉積物

29、和湖泊沉積物。 海洋沉積物( Qm)（海相沉積物） 海洋按海水深度及海底地形劃分為濱海帶(指海水高潮位時淹沒，而低潮位時露出的地帶)、淺海區(qū)(指大陸架，水深約0-200m，寬度約100-200km)、陸坡區(qū)(指大陸陡坡，即淺海區(qū)與深海區(qū)之間過渡的陡坡地帶，水深約200-1000m，寬度約100-200km)及深海區(qū)(海洋底盤，水深超過l000m)。與上述海洋分區(qū)，相應的四種海相沉積物如下：濱海沉積物主要由卵石，圓礫和砂等粗碎屑物質(zhì)組成(可能有粘性土夾層)，具有基本水平或緩傾斜的層理構(gòu)造，在砂層中常有波浪作用留下的痕跡。作為地基，其強度尚高，但透水性較大。粘性土夾層干時強度較高，但遇水軟化后，強

30、度很低。由于海水大量含鹽，因而使形成的粘土具有較大的膨脹性。淺海沉積物主要有細顆粒砂土、粘性土、淤泥和生物化學沉積物(硅質(zhì)和石灰質(zhì)等)。離海岸愈遠，沉積物的顆粒愈細小。淺海沉積物具有層理構(gòu)造，其中砂土較濱海帶更為疏松，因而壓縮性高且不均勻，一般近代粘土質(zhì)沉積物的密度小，含水量高，因而其壓縮性大，強度低。陸坡和深海沉積物主要是有機質(zhì)軟泥，成分均一。 湖泊沉積物(Ql )湖泊沉積物可分為湖邊沉積物和湖心沉積物。湖泊如逐漸淤塞，則可演變成沼澤，形成沼澤沉積物。湖邊沉積物主要由湖浪沖蝕湖岸、破壞岸壁形成的碎屑物質(zhì)組成的。在近岸帶沉積的多數(shù)是粗顆粒的卵石、圓礫和砂土，遠岸帶沉積的則是細顆粒的砂土和粘性土

31、。湖邊沉積物具有明顯的斜層理構(gòu)造。作為地基時，近岸帶有較高的承載力，遠岸帶則差些。湖心沉積物是由河流和湖流挾帶的細小懸浮顆粒到達湖心后沉積形成的，主要是粘土和淤泥，常夾有細砂，粉砂薄層，稱為帶狀粘土。這種粘土壓縮性高，強度低。沼澤沉積物又稱沼澤土，主要是由含有半腐爛的植物殘余體泥炭組成的。泥炭的特征是： (1)含水量極高(可達百分之百)，這是任何其它土類所沒有的，因為腐殖質(zhì)是吸水能力極高的物質(zhì)； (2)透水性很低； (3)壓縮性很高且不均勻，承載能力很低。因此，永久性建筑物不宜以泥炭層作為地基。腐殖質(zhì)含量低的泥炭，當其含水量稍低時，則有一定的承載能力，但必須注意地基沉降問題。1-5 地下水存在

32、于地面下土和巖石的孔隙、裂隙或溶洞中的水叫做地下水。一般說來，建筑場地的水文地質(zhì)條件主要包括地下水的埋藏條件，地下水位及其動態(tài)變化，地下水化學成分及其對混凝土的腐蝕性等。1.5.1 地下水的埋藏條件地下水按其埋藏條件可分為：上層滯水、潛水和承壓水三種類型1.上層滯水：是指埋藏在地表淺處，局部隔水透鏡體的上部，且具有自由水面的地下水。它的分布范圍有限，其來源主要是由大氣降水補給。因此，它的動態(tài)變化與氣候、隔水透鏡體厚度及分布范圍等因素有關(guān)。上層滯水地帶只有在融雪后或大量降水時才能聚集較多的水，因而只能擬作為季節(jié)性的或臨時性的水源。2.潛水：埋藏在地表以下第一個穩(wěn)定隔水層以上的具有自由水面的地下水

33、稱為潛水。潛水一般埋藏在第四紀沉積層及基巖的風化層中。潛水直接受雨水滲透或河流滲入土中而得到補給，同時也直接由于蒸發(fā)或流人河流而排泄，它的分布區(qū)與補給區(qū)是一致的。因此，潛水水位變化，直接受氣候條件變化的影響。3.承壓水：承壓水是指充滿于兩個穩(wěn)定隔水層之間的含水層中的地下水。它承受一定的靜水壓力。在地面打井至承壓水層時，水便在井中上升甚至噴出地表，形成所謂自流井。由于承壓水的上面存在隔水頂板的作用，它的埋藏區(qū)與地表補給區(qū)不一致。因此，承壓水的動態(tài)變化，受局部氣候因素影響不明顯。1.5.2 土的滲透性土的滲透性一般是指水流通過土中孔隙難易程度的性質(zhì)，或稱透水性。地下水的補給與排泄條件，以及在土中的

34、滲透速度與土的滲透性有關(guān)。在計算地基沉降的速率和地下水涌水量時都需要土的滲透性指標。地下水的運動有層流和紊流二種形式。地下水在土中孔隙或微小裂隙中以不大的速度連續(xù)滲透時屬層流運動，而在巖石的裂隙或空洞中流動時，速度較大，會有紊流發(fā)生，其流線有互相交錯的現(xiàn)象。如圖1-18。地下水在土中的滲透速度一般可按達西(Darcy)根據(jù)實驗得到的直線滲透定律計算，其公式如下： (1-1)式中 水在土中的滲透速度，cms，它不是地下水的實際流速，而是在一單位時間(sec)內(nèi)流過一單位土截面(cm)的水量 (cm);水頭梯度，即土中和兩點的水頭差()與兩點間的流線長度(L)之比；圖中、為兩點的壓頭，、為位頭，則

35、、為總水頭； 土的滲透系數(shù)，cms，與土的滲透性質(zhì)有關(guān)的待定常數(shù)。在式(1-1)中，當=1時，即土的滲透系數(shù)，其值等于水頭梯度為1時的地下水滲透速度，值的大小反映了土滲透性的強弱。實驗證明：在砂土中水的流動符合于達西定律(圖1-19中a線)，而在粘性土中只有當水頭梯度超過所謂起始梯度后才開始發(fā)生滲流。如圖1-19中b線所示，當水頭梯度不大時，滲透速度為零，只有當(起始梯度)時，水才開始在粘性土中滲透(0)。在滲透速度與水頭梯度的關(guān)系曲線上有1和2二個特征點。點1相應于起始梯度，在點1與點2之間滲透速度與水頭梯度成曲線關(guān)系，達到點2(相應的梯度為)后轉(zhuǎn)為直線(圖中直線2-3)，它與橫坐標相交于點

36、1。為了簡化計算，如采用該直線在橫坐標上的截距作為計算起始梯度，則用于粘性土的達西定律的公式如下： (1-2)土的滲透系數(shù)可以通過室內(nèi)滲透試驗或現(xiàn)場抽水試驗來測定。各種土的滲透系數(shù)變化范圍可以參考有關(guān)文獻。1.5.3 地下水的腐蝕性 地下水含有各種化學成分，當某些成分含量過多時，會腐蝕混凝土、石料及金屬管道而造成危害。下面僅介紹地下水對混凝土的腐蝕作用。地下水中硫酸離子含量過多時，將與水泥硬化后生成的Ca(OH)2起作用，生成石膏結(jié)晶CaSO42H 2O。石膏再與混凝土中的鋁酸四鈣4CaOA12O3 起作用，生成鋁和鈣的復硫酸鹽3CaOA1 2O3 CaSO31H O。這一化合物的體積比化合前

37、膨脹2.5倍，能破壞混凝土的結(jié)構(gòu)。氫離子濃度(負對數(shù)值)PH7的酸性地下水對混凝土中Ca(OH)2 及CaCO3 起溶解破壞作用。地下水中游離的CO2 可與混凝土中Ca(OH) 2化合生成一層CaCO3 硬殼，對混凝土起保護作用。但CO2 含量過多時，又會與CaCO3化合，生成Ca(HCO )2 而溶于水。這種過多的、能與CaCO3 起作用的那一部分游離CO2 稱為腐蝕性二氧化碳?？辈煲?guī)范將環(huán)境水對混凝土的腐蝕性分為：結(jié)晶類腐蝕，分解類腐蝕及結(jié)晶分解復合類腐蝕三類。在評價地下水是否具有腐蝕性時，尚應結(jié)合場地的地質(zhì)條件和物理風化條件綜合考慮?？辈煲?guī)范訂有詳細的評定標準和宜采用的抗腐蝕水泥品種及其

38、它防護措施。1.5.4 動水力、流砂和潛蝕地下水在滲流過程中受到土骨架的阻力，相應地，水對土產(chǎn)生反力，稱為動水力，GD 表示，單位為kNm。流砂是一種不良的工程地質(zhì)現(xiàn)象。例如在地下水位以下開挖基坑，若從基坑中排水，使坑外總水頭大于坑內(nèi)，則坑底下的地下水將向上滲流，在地基土中產(chǎn)生自下而上的動水力。當水頭差增大而使水頭梯度達到 時，就會出現(xiàn)流砂現(xiàn)象，坑底泥砂翻涌，給施工帶來很大困難，甚至影響鄰近建筑物的安全。防治流砂的原則主要是：1.減少或消除基坑內(nèi)外地下水的水頭差，例如采取先在基坑范圍外以井點降低地下水后開挖，或在不排水基坑內(nèi)以抓斗等工具進行水下挖土等施工方法。2.增長滲流路徑，例如沿坑壁打入深

39、度超過坑底的板樁，其長度足以使受保護土體內(nèi)的水頭梯度小于臨危梯度。3.在向上滲流出口處地表用透水材料覆蓋壓重以平衡動水力(此法多用于閘壩下游處)。當土中滲流的水頭梯度小于臨危梯度時，雖不致誘發(fā)流砂現(xiàn)象，但土中細小顆粒仍有可能穿過粗顆粒之間的孔隙被滲流挾帶而走，時間長了，在土層中將形成管狀空洞，使土體強度降低，壓縮性增大，這種現(xiàn)象稱為“機械潛蝕”。三、本章重點難點：重點：掌握土的滲透規(guī)律。土的生成。重點掌握滲流力及流沙、管涌的基本概念。掌握土的透水性、流砂、潛蝕、地下水升降等對建筑工程的影響。了解主要造巖礦物的物理性質(zhì)，巖石的分類和主要特征；第四紀沉積物的類型、分布規(guī)律及特征；第四紀沉積物類型及

40、其工程特點。了解地下水的埋藏條件。難點：褶皺構(gòu)造、斷裂構(gòu)造，地下水的埋藏條件，土的滲透性、地下水的腐蝕性、動水力、流砂和潛蝕。四、本章常見問題：相對年代內(nèi)動力地質(zhì)作用物理風化作用坡積物及其特征防治流砂的原則授課時間2017年3月7日、3月10日 第2周課時4課次3-4第2章 土的物理性質(zhì)及工程分類一、重點掌握內(nèi)容1土的各物理性質(zhì)指標的定義、表達式及其在工程上的實際應用。2三個基本指標的測定方法。3利用土的三相草圖和換算公式進行土的各種物理指標的換算。4無粘性土的密實度對其工程性質(zhì)的影響。砂土密實度按孔隙比、相對密實度、標準貫入錘擊數(shù)N的劃分方法。各類劃分方法的特點。碎石類土密實度的劃分方法。5

41、粘性土的含水量對其工程性質(zhì)的影響。界限含水量的概念，塑限、液限、縮限的定義及測量方法。塑性指數(shù)、液性指數(shù)的物理意義及表示方法。 二 、本章內(nèi)容：2-1 概述 土是連續(xù)、堅固的巖石在風化作用下形成的大小懸殊的顆粒、經(jīng)過不同的搬運方式，在各種自然環(huán)境中生成的沉積物。在漫長的地質(zhì)年代中，由于各種內(nèi)力和外力地質(zhì)作用形成了許多類型的巖石和土。巖石經(jīng)歷風化、剝蝕、搬運、沉積生成土，而土歷經(jīng)壓密固結(jié)，膠結(jié)硬化也可再生成巖石。作為建筑物地基的土，是土力學研究的主要對象。土的物質(zhì)成分包括有作為土骨架的固態(tài)礦物顆粒，孔隙中的水及其溶解物質(zhì)以及氣體。因此，土是由顆粒(固相)、水(液相)和氣(氣相)所組成的三相體系。

42、土的性質(zhì)主要是指土的物理力學性質(zhì)，包括物理性質(zhì)和力學性質(zhì)。土的物理性質(zhì)包括土的三相比例指標、無粘性土的密實度、粘性土的水理性質(zhì)、土的滲透性四部分內(nèi)容。2-2土的組成2.2.1 土的固體顆粒土的固體顆粒是由大小不等、形狀不同的礦物顆粒或巖石碎屑按照各種不同的排列方式組合在一起，構(gòu)成土的骨架。這些固體相的物質(zhì)稱為土粒，是土中最穩(wěn)定、變化最小的成分。土中的固體顆粒的大小和形狀，礦物成分及其組成情況是決定土的物理力學性質(zhì)的重要因素。土中不同大小顆粒的組合，也就是各種不同粒徑的顆粒在土中的相對含量，稱土的顆粒組成；組成土中各種土粒的礦物種類及其相對含量稱土的礦物組成。土的顆粒組成與礦物組成是決定土的物理

43、力學性質(zhì)的物質(zhì)基礎(chǔ)。 土的顆粒級配各個粒組隨著分界尺寸的不同而呈現(xiàn)出一定質(zhì)的變化。劃分粒組的分界尺寸稱為界限粒徑。目前土的粒組劃分方法并不完全一致，根據(jù)界限粒徑200、20、2、0.05和0.005mm把土粒分為六大粒組：漂石(塊石)顆粒、卵石(碎石)顆粒、圓礫(角礫)顆粒、砂粒，粉粒及粘粒。工程上常以土中各個粒組的相對含量（即各粒組占土粒總重的百分數(shù)）表示土中顆粒的組成情況，這種相對含量稱為土的顆粒級配。土的顆粒級配是通過土的顆粒大小分析試驗測定的。對于粒徑大于0.075mm的粗粒組可用篩分法測定。試驗時將風干、分散的代表性土樣通過一套孔徑不同的標準篩(例如20、2、0.5、0.25、0.1

44、、0.075mm)），稱出留在各個篩子上的土重，即可求得各個粒組的相對含量。粒徑小于0.075mm的粉粒和粘粒難以篩分，一般可以根據(jù)土粒在水中勻速下沉時的速度與粒徑的理論關(guān)系，用比重計法或移液管法(見土工試驗有關(guān)書籍)測得顆粒級配。實際上，土粒并不是球體顆粒，因此用理論公式求得的粒徑并不是實際的土粒尺寸，而是與實際土粒在液體中有相同沉降速度的理想球體的直徑(稱為水力直徑)。根據(jù)顆粒大小分析試驗成果，可以繪制顆粒級配累積曲線。 其橫坐標表示粒徑（因為土粒粒徑相差常在百倍，千倍以上，所以宜采用對數(shù)坐標表示）。縱坐標則表示小于(或大于)某粒徑的土重含量(或稱累計百分含量)。由曲線的坡度可以大致判斷土

45、的均勻程度。如曲線較陡，則表示粒徑大小相差不多，土粒較均勻，反之，曲線平緩，則表示粒徑大小相差懸殊，土粒不均勻，即級配良好。小于某粒徑的土粒質(zhì)量累計百分數(shù)為10時，相應的粒徑稱為有效粒徑。小于某粒徑的土粒質(zhì)量累計百分數(shù)為30時的粒徑用表示。當小于某粒徑的土粒質(zhì)量累計百分數(shù)為60時，該粒徑稱為限定粒徑用表示。利用顆粒級配累積曲線可以確定土粒的級配指標，如與的比值稱為不均勻系數(shù)，書上用Cu： (2-1)又如曲率系數(shù)用下式表示： (2-2)不均勻系數(shù)反映大小不同粒組的分布情況。越大表示土粒大小的分布范圍越大，其級配越良好，作為填方工程的土料時，則比較容易獲得較大的密實度。曲率系數(shù)描寫的是累積曲線的分

46、布范圍，反映曲線的整體形狀。在一般情況下，工程上把10的土，屬級配良好。實際上，單獨只用一個指標來確定土的級配情況是不夠的，要同時考慮累積曲線的整體形狀，所以需參考曲率系數(shù)值。一般認為： 礫類土或砂類土同時滿足5和=13兩個條件時，則定名為良好級配礫或良好級配砂。顆粒級配可以在一定程度上反映土的某些性質(zhì)。對于級配良好的土，較粗顆粒間的孔隙被較細的顆粒所填充，因而土的密實度較好，相應的地基土的強度和穩(wěn)定性也較好，透水性和壓縮性也較小，可用作堤壩或其他土建工程的填方土料。 土粒的礦物成分土粒的礦物成分主要決定于母巖的成分及其所經(jīng)受的風化作用。不同的礦物成分對土的性質(zhì)有著不同的影響，其中以細粒組的礦

47、物成分尤為重要。漂石、卵石、圓礫等粗大土粒都是巖石的碎屑，它們的礦物成分與母巖相同。砂粒大部分是母巖中的單礦物顆粒，如石英、長石和云母等。其中石英的抗化學風化能力強，在砂粒中尤為多見。粉粒的礦物成分是多樣性的，主要是石英和MgCO、CaCO等難溶鹽的顆粒。粘粒的礦物成分主要有粘土礦物，氧化物、氫氧化物和各種難溶鹽類(如碳酸鈣等)，它們都是次生礦物。粘土礦物的顆粒很微小，在電子顯微鏡下觀察到的形狀為鱗片狀或片狀，經(jīng)X射線分析證明其內(nèi)部具有層狀晶體構(gòu)造。粘土礦物基本上是由兩種原子層(稱為晶片)構(gòu)成的。一種是硅氧晶片，它的基本單元是SiO四面體，另一種是鋁氫氧晶片，它的基本單元是A1OH八面體。由于

48、晶片結(jié)合情況的不同，便形成了具有不同性質(zhì)的各種粘土礦物。其中主要有蒙脫石，伊里石和高嶺石三類。蒙脫石是化學風化的初期產(chǎn)物，其結(jié)構(gòu)單元(晶胞)是兩層硅氧晶片之間夾一層鋁氫氧晶片所組成的。由于晶胞的兩個面都是氧原子，其間沒有氫鍵，因此聯(lián)結(jié)很弱，水分子可以進入晶胞之間，從而改變晶胞之間的距離，甚至達到完全分散到單晶胞為止。因此當土中蒙脫石含量較大時，則具有較大的吸水膨脹和脫水收縮的特性。伊里石的結(jié)構(gòu)單元類似于蒙脫石，所不同的是SiO四面體中的Si可以被A1、Fe所取代，因而在相鄰晶胞間將出現(xiàn)若干一價正離子(K)以補償晶胞中正電荷的不足。所以伊里石的結(jié)晶構(gòu)造沒有蒙脫石那樣活動，其親水性不如蒙脫石。高嶺

49、石的結(jié)構(gòu)單元是由一層鋁氫氧晶片和一層硅氧晶片組成的晶胞。高嶺石的礦物就是由若干重疊的晶胞構(gòu)成的。這種晶胞一面露出氫氧基，另一面則露出氧原子。晶胞之間的聯(lián)結(jié)是氧原子與氫氧基之間的氫鍵，它具有較強的聯(lián)結(jié)力，因此晶胞之間的距離不易改變，水分子不能進入，因此它的親水性比伊里石還小。除粘土礦物外，粘粒組中還包括有氫氧化物和腐殖質(zhì)等膠態(tài)物質(zhì)。如含水氧化鐵，它在土層中分布很廣，是地殼表層的含鐵礦物質(zhì)分解的最后產(chǎn)物，使土呈現(xiàn)紅色或褐色。土中膠態(tài)腐殖質(zhì)的顆粒更小，能吸附大量水分子(親水性強)。 由于土中膠態(tài)腐殖質(zhì)的存在，使土具有高塑性、膨脹性和粘性，這對工程建設(shè)是不利的。2.2.2 土中的水和氣2.22.1 土

50、中水土中水是土的液體相組成部分。在自然條件下，土中總是含水的。土中水可以處于液態(tài)、固態(tài)或氣態(tài)三種形態(tài)。土中細粒愈多，即土的分散度愈大，水對土的性質(zhì)的影響也愈大。研究土中水，必須考慮到水的存在狀態(tài)及其與土粒的相互作用。存在于土粒礦物的晶體格架內(nèi)部或是參與礦物構(gòu)造中的水稱為礦物內(nèi)部結(jié)合水，它只有在比較高的溫度(80680，隨土粒的礦物成分不同而異)下才能化為氣態(tài)水而與土粒分離。從土的工程性質(zhì)上分析，可以把礦物內(nèi)部結(jié)合水當作礦物顆粒的一部分。水對無粘性土的工程地質(zhì)性質(zhì)影響較小，但粘性土中水是控制其工程地質(zhì)性質(zhì)的重要因素，如粘性土的可塑性、壓縮性及其抗剪性等，都直接或間接地與其含水量有關(guān)。存在于土中的

51、液態(tài)水可分為結(jié)合水和自由水兩大類：1.結(jié)合水實驗表明，極細的土粒表面一般帶有負電荷，圍繞土粒形成電場，由于水分子是極性分子，即一端為正電荷，另一端顯負電荷，在土粒電場范圍內(nèi)的水分子和陽離子一起吸附在土粒表面而定向排列形成一層薄的水膜，這層水就稱為結(jié)合水。結(jié)合水是指受電分子吸引力吸附于土粒表面的土中水。這種電分子吸引力高達幾千到幾萬個大氣壓，使水分子和土粒表面牢固地粘結(jié)在一起。由于土粒(礦物顆粒)表面一般帶有負電荷，圍繞土粒形成電場，在土粒電場范圍內(nèi)的水分子和水溶液中的陽離子(如Na、Ca、Al等)一起吸附在土粒表面。因為水分子是極性分子(氫原子端顯正電荷，氧原子端顯負電荷)，它被土粒表面電荷或

52、水溶液中離子電荷的吸引而定向排列。土粒周圍水溶液中的陽離子，一方面受到土粒所形成電場的靜電引力作用，另一方面又受到布朗運動(熱運動)的擴散力作用。在最靠近土粒表面處，靜電引力最強，把水化離子和極性水分子牢固地吸附在顆粒表面上形成固定層。在固定層外圍，靜電引力比較小，因此水化離子和極性水分子的活動性比在固定層中大些，形成擴散層。固定層和擴散層中所含的陽離子(反離子)與土粒表面負電荷一起即構(gòu)成雙電層水溶液中的反離子(陽離子)的原子價愈高，它與土粒之間的靜電引力愈強，則擴散層厚度愈薄。在實踐中可以利用這種原理來改良土質(zhì)，例如用三價及二價離子(如Fe、A1，Ca、Mg)處理粘土，使得它的擴散層變薄，從

53、而增加土的穩(wěn)定性，減少膨脹性，提高土的強度，有時，可用含一價離子的鹽溶液處理粘土，使擴散層增厚，而大大降低土的透水性。從上述雙電層的概念可知，反離子層中的結(jié)合水分子和交換離子，愈靠近土粒表面，則排列得愈緊密和整齊，活動性也愈小。因而，結(jié)合水又可以分為強結(jié)合水和弱結(jié)合水兩種。強結(jié)合水是相當于反離子層的內(nèi)層(固定層)中的水，而弱結(jié)合水則相當于擴散層中的水。(1)強結(jié)合水強結(jié)合水是指緊靠土粒表面的結(jié)合水。它的特征是：沒有溶解鹽類的能力，不能傳遞靜水壓力，只有吸熱變成蒸汽時才能移動。這種水極其牢固地結(jié)合在土粒表面上，其性質(zhì)接近于固體，密度約為1.22.4gcm，冰點為-78，具有極大的粘滯度、彈性和抗

54、剪強度。如果將干燥的土移在天然濕度的空氣中，則土的質(zhì)量將增加，直到土中吸著的強結(jié)合水達到最大吸著度為止。土粒愈細，土的比表面愈大，則最大吸著度就愈大。砂土的最大吸著度約占土粒質(zhì)量的1%，而粘土則可達17%。粘土中只含有強結(jié)合水時，呈固體狀態(tài)，磨碎后則呈粉末狀態(tài)。(2)弱結(jié)合水弱結(jié)合水緊靠于強結(jié)合水的外圍形成一層結(jié)合水膜。它仍然不能傳遞靜水壓力，但水膜較厚的弱結(jié)合水能向鄰近的較薄的水膜緩慢轉(zhuǎn)移。當土中含有較多的弱結(jié)合水時，土則具有一定的可塑性。砂土比表面較小，幾乎不具可塑性，而粘性土的比表面較大，其可塑性范圍就大。 弱結(jié)合水離土粒表面愈遠，其受到的電分子吸引力愈弱小，并逐漸過渡到自由水。2.自由

55、水自由水是存在于土粒表面電場影響范圍以外的水。它的性質(zhì)和普通水一樣，能傳遞靜水壓力，冰點為0，有溶解能力。 自由水按其移動所受作用力的不同，可以分為重力水和毛細水。 (1)重力水重力水是在重力或壓力差作用下運動的自由水，它是存在于地下水位以下的透水土層中的地下水，對土粒有浮力作用。重力水對土中的應力狀態(tài)和開挖基槽、基坑以及修筑地下構(gòu)筑物時所應采取的排水、防水措施有重要的影響。 (2)毛細水毛細水是受到水與空氣交界面處表面張力作用的自由水。毛細水存在于地下水位以上的透水層中。毛細水按其與地下水面是否聯(lián)系可分為毛細懸掛水(與地下水無直接聯(lián)系)和毛細上升水(與地下水相連)兩種，當土孔隙中局部存在毛細

56、水時，毛細水的彎液面和土粒接觸處的表面引力反作用于土粒上，使土粒之間由于這種毛細壓力而擠緊，土因而具有微弱的粘聚力，稱為毛細粘聚力。在施工現(xiàn)場常?？梢钥吹缴詽駹顟B(tài)的砂堆，能保持垂直陡壁達幾十厘米高而不坍落，就是因為砂粒間具有毛細粘聚力的緣故。在飽水的砂或干砂中，土粒之間的毛細壓力消失，原來的陡壁就變成斜坡，其天然坡面與水平面所形成的最大坡角稱為砂土的自然坡度角。在工程中，要注意毛細上升水的上升高度和速度，因為毛細水的上升對于建筑物地下部分的防潮措施和地基土的浸濕和凍脹等有重要影響。此外，在干旱地區(qū)，地下水中的可溶鹽隨毛細水上升后不斷蒸發(fā)，鹽分便積聚于靠近地表處而形成鹽漬土。土中毛細水的上升高度

57、可用試驗方法測定。 土中氣土中的氣體存在于土孔隙中未被水所占據(jù)的部位。在粗粒的沉積物中常見到與大氣相聯(lián)通的空氣，它對土的力學性質(zhì)影響不大。在細粒土中則常存在與大氣隔絕的封閉氣泡，使土在外力作用下的彈性變形增加，透水性減小。對于淤泥和泥炭等有機質(zhì)土，由于微生物(嫌氣細菌)的分解作用，在土中蓄積了某種可燃氣體(如硫化氫、甲烷等)，使土層在自重作用下長期得不到壓密，而形成高壓縮性土層。2.2.3 土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造 土的結(jié)構(gòu)是指由土粒單元的大小、形狀，相互排列及其聯(lián)結(jié)關(guān)系等因素形成的綜合特征。一般分為單粒結(jié)構(gòu)、蜂窩結(jié)構(gòu)和絮狀結(jié)構(gòu)三種基本類型。單粒結(jié)構(gòu)是由粗大土粒在水或空氣中下沉而形成的。全部由砂粒及更粗

58、土粒組成的土都具有單粒結(jié)構(gòu)。因其顆粒較大，土粒間的分子吸引力相對很小，所以顆粒間幾乎沒有聯(lián)結(jié)，至于未充滿孔隙的水分只可能使其具有微弱的毛細水聯(lián)結(jié)。單粒結(jié)構(gòu)可以是疏松的，也可以是緊密的。 蜂窩結(jié)構(gòu)是主要由粉粒(0.05-0.005mm)組成的土的結(jié)構(gòu)形式。據(jù)研究，粒徑在0.05-0.005mm左右的土粒在水中沉積時，基本上是以單個土粒下沉，當碰上已沉積的土粒時，由于它們之間的相互引力大于其重力，因此土粒就停留在最初的接觸點上不再下沉，形成具有很大孔隙的蜂窩狀結(jié)構(gòu)絮狀結(jié)構(gòu)是由粘粒(0.005mm)集合體組成的結(jié)構(gòu)形式。粘粒能夠在水中長期懸浮，不因自重而下沉。當這些懸浮在水中的粘粒被帶到電解質(zhì)濃度較

59、大的環(huán)境中(如海水)粘粒凝聚成絮狀的集粒(粘粒集合體)而下沉，并相繼和已沉積的絮狀集粒接觸，而形成類似蜂窩而孔隙很大的絮狀結(jié)構(gòu) 2-3 土的三相比例指標自然界中的土體結(jié)構(gòu)組成十分復雜，為了分析問題方便，將其看成是三相，簡化成一般的物理模型進行分析。土的三相，即土粒為 HYPERLINK /tzlx/wenjian/s3/s3-101.htm t _blank 固相；土中的水為 HYPERLINK /tzlx/wenjian/s3/s3-102.htm t _blank 液相；土中的氣為 HYPERLINK /tzlx/wenjian/s3/s3-103.htm t _blank 氣相。表示土的

60、三相組成部分質(zhì)量、體積之間的比例關(guān)系的指標，稱為土的三相比例指標。主要指標有： HYPERLINK /tzlx/wenjian/s3/s3-104.htm t _blank 比重、 HYPERLINK /tzlx/wenjian/s3/s3-105.htm t _blank 天然密度、 HYPERLINK /tzlx/wenjian/s3/s3-105.htm t _blank 含水量（這三個指標需用實驗室實測）和由它們?nèi)挥嬎愕贸龅闹笜?HYPERLINK /tzlx/wenjian/s3/s3-105.htm t _blank 干密度、飽和密度、 HYPERLINK /tzlx/wenji