第二章土工程性质和工程分类

1、第二章土工程性质和工程分类 化学工业出版社化学工业出版社 第二章土工程性质和工程分类 第一节 土的物理性质 v概念 v所谓土的物理性质就是表示土中三相比例关 系的一些物理量。 v土的物理性质指标不仅可以描述土的物理性 质和它所处的状态，而且在一定程度上反映 了土的力学性质。 化学工业出版社化学工业出版社 第二章土工程性质和工程分类 v土的物理性质指标的分类 v一类是必须通过试验测定的，如含水率、 密度和土粒比重，称为基本指标； v一类是根据直接指标换算的，如孔隙比、 孔隙率、饱和度等，称为间接指标 化学工业出版社化学工业出版社 第二章土工程性质和工程分类 v土的三相图 为便于说明这 些物理性质

2、指标 的定义和它们的 换算关系，常用 三相图表示土体 内三相的相对含 量。 化学工业出版社化学工业出版社 第二章土工程性质和工程分类 v试验直接测定的物理性质指标 土的密度和容重 密 度 单位体积土的质量，用表示定义： 单位： Mg/m3或 g/cm3 表达式： aws aws VVV mmm V m 容 重 定义：单位体积土的重量，用表示 单位：kN/m3 表达式： g V gm V W 化学工业出版社化学工业出版社 第二章土工程性质和工程分类 v土的密度和容重 v测定方法：环刀法 化学工业出版社化学工业出版社 第二章土工程性质和工程分类 v土粒的相对密度 v定义： 土的质量与同体积4时纯水

3、的质量 之比（无因次） v表达式 ： cw s cws s s V m G 44 )()( 化学工业出版社化学工业出版社 第二章土工程性质和工程分类 v土的相对密度Gs v测定方法： 比重瓶法，事先将比重瓶注满纯 水，称瓶加水的质量m1。然后把烘干土若 干克(ms)装入空比重瓶内，再加纯水至满， 称瓶加水加土的质量m2，按下式计算土粒 比重 21 mmm m G s s s 化学工业出版社化学工业出版社 第二章土工程性质和工程分类 v土的相对密度Gs 化学工业出版社化学工业出版社 第二章土工程性质和工程分类 土的含水率 含水率： 土中水的质量与土粒质量之比，以百 分数表示 表达式： %100

4、s w m m w 化学工业出版社化学工业出版社 第二章土工程性质和工程分类 土的含水率 测定方法： 烘干法。先称出天然湿土的质量，然 后放在烘箱里，在100105下烘干， 称干土的质量。 化学工业出版社化学工业出版社 第二章土工程性质和工程分类 间接换算的物理性质指标 定义： 土中孔隙的体积与土粒的体积之比， 以小数表示 表达式： s v V V e 化学工业出版社化学工业出版社 第二章土工程性质和工程分类 土中孔隙率n 定义： 土中的孔隙的体积与土的总体积之比， 以百分数表示 表达式： %100 V V n v 化学工业出版社化学工业出版社 第二章土工程性质和工程分类 土的饱和度Sr 定义

5、： 土中孔隙水的体积与孔隙体积之比， 以百分数表示 表达式： %100 v w r V V S 化学工业出版社化学工业出版社 第二章土工程性质和工程分类 干密度d干容重d 定义：单位体积内土粒的质量或重量 表达式： V ms d g V gm d s d 化学工业出版社化学工业出版社 第二章土工程性质和工程分类 干密度d干容重d 土烘干，体积要减小，因而土的干密度不 等于烘干土的密度。 土的干密度或干容重是评价土密实程度的 指标，干密度或干容重越大表明土越密实， 反之越疏松。常用它来控制填土工程的施 工质量。 化学工业出版社化学工业出版社 第二章土工程性质和工程分类 饱和密度sat与饱和容重s

6、at 定义： 土中孔隙完全被水充满，土处于 饱和状态时单位体积土的质量或重量 表达式： V Vm wvs sat g V VW sat wvs sat 化学工业出版社化学工业出版社 第二章土工程性质和工程分类 浮密度 与浮容重 定义： 单位体积内土粒质量与同体积水质 量之差 表达式： V Vm wss g wsat 化学工业出版社化学工业出版社 第二章土工程性质和工程分类 v各种密度之间的比较 dsat 化学工业出版社化学工业出版社 第二章土工程性质和工程分类 v物理性质指标间的换算 v常用的物理性质指标共有9个，一般说，已 知其中任意3个，通过换算，可以求其余6 个。 化学工业出版社化学工业

7、出版社 第二章土工程性质和工程分类 v孔隙比与孔隙率的关系 e e V V n v 1 n n e 1 化学工业出版社化学工业出版社 第二章土工程性质和工程分类 v干密度与湿密度和含水率的关系 w w V m d dd 1 1 w d 1 化学工业出版社化学工业出版社 第二章土工程性质和工程分类 v孔隙比与相对密度和干密度的关系 eV m ss d 1 1 d ws G e 化学工业出版社化学工业出版社 第二章土工程性质和工程分类 v饱和度与含水率、相对密度和孔隙比的关系 e wG eV V S s w v w r w s ssat Gwe sat w饱和含水率 化学工业出版社化学工业出版社

8、第二章土工程性质和工程分类 v浮密度与相对密度和孔隙比的关系 e G eV Vm wswswss 1 1 1 化学工业出版社化学工业出版社 第二章土工程性质和工程分类 第二节 土的水理性质 一、土的毛细性、冻胀性 二、黏性土的稠度和可塑性 化学工业出版社化学工业出版社 第二章土工程性质和工程分类 v土的毛细性、冻胀性 v土层中的毛细水带 土中毛细水分布图 化学工业出版社化学工业出版社 第二章土工程性质和工程分类 v毛细水上升的原因 v1.水与空气的分界面上存在着表面张力， 而液体总是力图缩小自己的表面积，以使 表面自由能变得最小。 v2.毛细管管壁的分子和水分子之间有引力 作用，这个引力使与管

9、壁接触部分的水面 呈向上的弯曲形状，这种现象称为浸润现 象。 v3.毛细水上升的实际高度一般不超过数米。 化学工业出版社化学工业出版社 第二章土工程性质和工程分类 土的冻胀性 v 在寒冷天气，受大气负温影响，土中 的自由水首先冻结成冰晶体，随着气温继 续下降，弱结合水的最外层也开始冻结， 使冰晶体逐渐扩大。另外 ，下卧层未冻结 区水膜较厚处的弱结合水，被吸引到水膜 较薄的冻结区，并参与冻结，使冰晶体增 大 ，在土层中形成冰夹层，土体随之发生 隆起，即冻胀现象。 ww dr h 42 max 化学工业出版社化学工业出版社 第二章土工程性质和工程分类 v 当土层解冻时，土中积聚的冰晶体融 化，土体

10、含水量突然增加，使地基土体软 化并下陷，即出现融陷现象。土的冻胀现 象和融陷现象是季节性冻土的特性，亦即 土的冻融特性。 v 发生冻胀时，路基隆起，柔性路面鼓 包、开裂、刚性路面错缝或折断；发生融 陷后，路基土在车辆反复辗压下，轻者路 面变得松软，重者路面断裂翻浆 化学工业出版社化学工业出版社 第二章土工程性质和工程分类 v土的冻胀规律： v土的毛细现象显著则冻涨性较强 v地下水位较高，水源补给充足，冻涨性也 较强 v气温缓慢下降而负温持续时间越长，冻涨 性越强 化学工业出版社化学工业出版社 第二章土工程性质和工程分类 v黏性土的稠度和可塑性 v黏性土的稠度的概念 v黏性土因含水多少而表现出的

11、稀稠软硬程 度或在外力作用下引起变形或破坏的抵抗 能力，称为稠度 。 v因含水多少而呈现出的不同的物理状态称 为黏性土的稠度状态。土的稠度状态因含 水量的不同，可表现为固态、塑态与流态 三种，其中固态又可细分为固态和半固态 两种。 化学工业出版社化学工业出版社 第二章土工程性质和工程分类 v黏性土由一种稠度状态转变为另一种稠度 状态时，所对应的转变点(临界点)的含水 量称为稠度界限(界限含水量) v由固态转变到半固态的界限含水量，称为 缩限（wS）；半固态转变到塑态的界限含水 量，称为塑限(wP)；由塑态转变到流态的界 限含水量，称为液限(wL) v液塑限的测定可以采用“联合测定法” 化学工业

12、出版社化学工业出版社 第二章土工程性质和工程分类 光电式液塑限联合测定仪 化学工业出版社化学工业出版社 第二章土工程性质和工程分类 v黏性土的液性指数 v P P PL P L I ww ww ww I 粘性土即使具有相同的含水率，也未必处于同样的状态， 与无粘性土的相对密实度相似，粘性土的状态用液性指数 来判别。 液性指数表征了土的天然含水率与界限含水率之间的相对 关系，表达了天然土所处的状态。 化学工业出版社化学工业出版社 第二章土工程性质和工程分类 v塑性指数 v液限和塑限之差的百分数值（去掉百分号） 成为塑性指数 p I 塑性指数表示处于可塑状态时土的含水率可变化幅 度。塑性指数越大，

13、可塑状态含水率变化范围也大。塑 性指数是反映粘性土性质的一个综合性指标。一般地， 塑性指数越高，土的粘粒含量越高，所以常常用作粘性 土地分类指标 化学工业出版社化学工业出版社 第二章土工程性质和工程分类 v判定 P ww 0 L I 土处于坚硬状态 LP www 0 . 10 L I 土处于可塑状态 wwL 0 . 1 L I 土处于流动状态 化学工业出版社化学工业出版社 第二章土工程性质和工程分类 v注意 v由于液限和塑限目前都是用扰动土测定 的，土的结构已彻底破坏，而天然土一 般在自重作用已有很长的历史，它获得 了一定的结构强度，以至于土的天然含 水率大于它的液限也未必一定会发生流 动。含

14、水率大于液限只是意味着：若土 的结构遭到破坏，它将转变为粘滞泥浆。 化学工业出版社化学工业出版社 第二章土工程性质和工程分类 v第三节土的力学性质土的力学性质 v土的压缩性、抗剪性和压实性 v黏性土灵敏度和触变性 v影响土的力学性质的因素 化学工业出版社化学工业出版社 第二章土工程性质和工程分类 v土的压缩性 v土的压缩性指土在压力作用下体积压缩变 小的性能 v土的压缩通常有三部分：（1）固体土颗粒 被压缩；（2）土中水及封闭气体被压缩； （3）水和气体从孔隙中挤出 v对于透水性较大的无黏性土，由于水容易 排出，压缩过程很快就可完成；而对于饱 和黏性土，由于透水性小，排水缓慢，故 要达到压缩稳

15、定需要很长时间。 化学工业出版社化学工业出版社 第二章土工程性质和工程分类 v土的抗剪性 v土的抗剪性是指土抵抗剪切破坏的性质 v土是由固体颗粒组成的，土粒间的连结强 度远远小于土粒本身的强度，故在剪应力 作用下，多数土体(如砂类土、细粒土)发 生的剪切破坏，并不是土粒本身的破坏， 而是土粒间发生相对错动，引起土的一部 分相对另一部分沿着某个面发生与剪切方 向一致的滑动 化学工业出版社化学工业出版社 第二章土工程性质和工程分类 v土的压实性 v人们很早就用土作为建筑材料，而且知 道要把松土击实。公元前200多年，我 国秦朝修筑驰实（行车大道），就有用 “铁锥筑土坚实”的记载，说明那时人 们已经

16、认识到土的密度和土的工程特性 有关。 化学工业出版社化学工业出版社 第二章土工程性质和工程分类 v土的压实性指在一定的含水率下，以人工 或机械的方法，使土体能够压实到某种密 实程度的性质。 v土工建筑物，如土坝、土堤及道路填方是 用土作为建筑材料填筑而成，为了保证填 土有足够的强度，较小的压缩性和透水性。 在施工中常常需要压密填料，以提高土的 密实度和均匀性。填土的密实度常以其干 密度来表示。 v在实验室内研究土的密实性是通过击实试 验进行的。 化学工业出版社化学工业出版社 第二章土工程性质和工程分类 v击实试验 轻型：粒径小于5毫米 重型：粒径小于40毫米 3 947cmV KgG5 . 2

17、 cmH5 .30 25下，分三层击实 3 2104cmV KgG5 . 4 cmH7 .45 56下，分5层击实 化学工业出版社化学工业出版社 第二章土工程性质和工程分类 击实仪 化学工业出版社化学工业出版社 第二章土工程性质和工程分类 v影响土的压实性的因素 v含水率的影响 v对同一种土料，分别在不同的 含水率下，用同一击数将他们 分层击实，测定土样的含水率 和密度，然后以含水率为横坐 标，干密度为纵坐标，绘制击 实曲线。 v从图中可以看出，当含水率较 小时，土的干密度随着含水率 的增加而增大，而当干密度增 加到某一值后，含水率继续增 加反而使干密度减小。干密度 的这一最大值称为该击数下的

18、 最大干密度，此时对应的含水 率称为最优含水率。 化学工业出版社化学工业出版社 第二章土工程性质和工程分类 v击实功能的影响 v实验室中的击实功能是用击数来反映的， 对同一种土，压实功能小，则能达到的最 大干密度也小，最优含水率大；压实功能 大，则能达到的最大干密度也大，最优含 水率小 v用同一种土料在不同含水率下分别用不同 的击数进行击实试验，就能得到一组随击 数而异的含水率与干密度关系曲线。 化学工业出版社化学工业出版社 第二章土工程性质和工程分类 影响土的压实性的因素 1.土料的最大干密度和最 优含水率不是常数。最大干 密度随击数的增加而逐渐增 大，最优含水率则逐渐减小。 但是这种增大或

19、减小的速率 是递减的，因而光靠增加击 实功能来提高土的干密度是 有一定限度的。 2.含水率较低时击数的影响显著。当含水率较高时，含水率与干密度 的关系曲线趋近于饱和线，也就是说，这时提高击实功能是无效的。填 料的含水率过高和过低都是不利的，过高恶化土体的力学性质，过低则 填土遇水后容易引起湿陷。 化学工业出版社化学工业出版社 第二章土工程性质和工程分类 v影响土的压实性的因素 v土类和级配的影响 v同样的含水率情况下，粘性土 的粘粒含量越高或塑性指数越 大，越难于压实 v对于无粘性土，含水率对压实 性的影响没有像粘性土那么敏 感，其击实曲线与粘性土是不 同的，在含水率较大时得到较 高的干密度。

20、因此在无粘性土 的实际填筑中，同时需要不断 洒水使其在较高含水率下压实。 无粘性土的填筑标准，通常是 用相对密实度来控制的，一般 不进行击实试验 v级配良好的土易于压实，反之 则不易压实 化学工业出版社化学工业出版社 第二章土工程性质和工程分类 v影响土的压实性的因素 v粗粒含量的影响 v由于击实仪尺寸的限 制，实际试验中可能 剔除超出粒径的部分， 然后进行试验。这样 测得的最大干密度和 最有含水率与实际土 料在相同击实功能下 的最大干密度和最有 含水率不同。对于轻 型击实试验，可按下 式修正 5 5 max 5 max 1 1 swd d G PP 55 1PwPww abopop 化学工业

21、出版社化学工业出版社 第二章土工程性质和工程分类 v黏性土的灵敏度和触变性黏性土的灵敏度和触变性 v土的灵敏度就是在不排水条件下，原状土 的无侧限抗压强度与重塑土的无侧限抗压 强度之比，用St表示 v与灵敏度密切相关的另一黏性土的特性称 触变性。被扰动黏性土的强度随时间推移 而逐渐恢复的胶体化学性质称为土的触变 性。 化学工业出版社化学工业出版社 第二章土工程性质和工程分类 v影响土的力学性质的因素影响土的力学性质的因素 v土质与颗粒级配 v含水率 v土的应力状态 化学工业出版社化学工业出版社 第二章土工程性质和工程分类 v第四节 土的工程分类 v一、分类的目的和原则一、分类的目的和原则 土的

22、分类体系就是根据土的工程性质差异将土划分土的分类体系就是根据土的工程性质差异将土划分 成一定的类别，目的在于通过通用的鉴别标准，便于在成一定的类别，目的在于通过通用的鉴别标准，便于在 不同土类间作有价值的比较、评价、积累以及学术与经不同土类间作有价值的比较、评价、积累以及学术与经 验的交流验的交流 分类原则：分类原则： 1.分类要简明，既要能综合反映土的主要工程性质，又分类要简明，既要能综合反映土的主要工程性质，又 要测定方法简单，使用方便要测定方法简单，使用方便 2.土的分类体系所采用的指标要在一定程度上反映不同土的分类体系所采用的指标要在一定程度上反映不同 类工程用土的不同特性类工程用土的

23、不同特性 化学工业出版社化学工业出版社 第二章土工程性质和工程分类 v二、分类体系与方法二、分类体系与方法 分类体系：分类体系： 1.建筑工程系统分类体系建筑工程系统分类体系 2.工程材料系统分类体系工程材料系统分类体系 侧重把土作为建筑地基和环境，研究对象为原状土，侧重把土作为建筑地基和环境，研究对象为原状土， 例如：例如：建筑地基基础设计规范建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)地地 基土分类方法基土分类方法 侧重把土作为建筑材料，用于路堤、土坝和填土地基侧重把土作为建筑材料，用于路堤、土坝和填土地基 工程。研究对象为扰动土，例如：工程。研究对象为扰动土，例如：公路桥涵地基与公路

24、桥涵地基与 基础设计规范基础设计规范(JG D63-2007)工程用土的分类和工程用土的分类和公公 路土工试验规程路土工试验规程(JTG E40-2007)土的工程分类土的工程分类 化学工业出版社化学工业出版社 第二章土工程性质和工程分类 v分类方法 1.1.建筑地基基础设计规范建筑地基基础设计规范(GB500072002) 根据土粒大小、粒组的土粒含量或土的塑性指数把根据土粒大小、粒组的土粒含量或土的塑性指数把 地基土（岩）分为岩石、碎石土、砂土、粉土和粘性土地基土（岩）分为岩石、碎石土、砂土、粉土和粘性土 五大类五大类 a.岩石的分类岩石的分类 颗粒间牢固粘结颗粒间牢固粘结, ,呈整体或具

25、有节理隙的岩体称为岩呈整体或具有节理隙的岩体称为岩 石，坚硬程度可根据岩块的饱和单轴抗压强度石，坚硬程度可根据岩块的饱和单轴抗压强度frk分类分类 坚硬程度类别坚硬程度类别 饱和单轴抗压饱和单轴抗压 强度强度frk( (Mpa) 坚硬岩坚硬岩较硬岩较硬岩较软岩较软岩软岩软岩极软岩极软岩 30frk60frk6015frk30 5frk15frk 5 b.碎石土的分类碎石土的分类 粒径大于粒径大于2mm的颗粒含量超过全重的颗粒含量超过全重50%的土称为碎石土的土称为碎石土 化学工业出版社化学工业出版社 第二章土工程性质和工程分类 碎石土的分类碎石土的分类 c.砂土的分类砂土的分类 粒径大于粒径大

26、于2mm的颗粒含量不超过全重的颗粒含量不超过全重50%的土，且粒径的土，且粒径 大于大于0.075mm的颗粒含量超过全重的颗粒含量超过全重50%的土称为砂土的土称为砂土 土的名称土的名称 漂石漂石 块石块石 卵石卵石 碎石碎石 圆砾圆砾 角砾角砾 颗粒形状颗粒形状 圆形及亚圆形为主圆形及亚圆形为主 棱角形为主棱角形为主 圆形及亚圆形为主圆形及亚圆形为主 棱角形为主棱角形为主 圆形及亚圆形为主圆形及亚圆形为主 棱角形为主棱角形为主 颗粒级配颗粒级配 粒径大于粒径大于200mm的颗粒的颗粒 含量超过全重含量超过全重50 粒径大于粒径大于20mm的颗粒的颗粒 含量超过全重含量超过全重50 粒径大于粒

27、径大于2mm的颗粒含的颗粒含 量超过全重量超过全重50 注：定名时应根据颗粒级配由大到小以最先符合者确定注：定名时应根据颗粒级配由大到小以最先符合者确定 碎石土的分类碎石土的分类 v砂土的分类砂土的分类 d.粉土的分类粉土的分类 粒径大于粒径大于0.075mm的颗粒含量超过的颗粒含量超过 全重全重50%，塑性指数，塑性指数IP10的土称为的土称为 粉土粉土 土的名称土的名称 砾砂砾砂 粗砂粗砂 中砂中砂 细砂细砂 粉砂粉砂 颗粒级配颗粒级配 粒径大于粒径大于2mm的颗粒含量占全重的颗粒含量占全重2550 注：定名时应根据颗粒级配由大到小以最先符合者确定注：定名时应根据颗粒级配由大到小以最先符合

28、者确定 粒径大于粒径大于0.5mm的颗粒含量超过全重的颗粒含量超过全重50 粒径大于粒径大于0.25mm的颗粒含量超过全重的颗粒含量超过全重50 粒径大于粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重的颗粒含量超过全重85 粒径大于粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重的颗粒含量超过全重50 砂土的分类砂土的分类 e.粘性土的分类粘性土的分类 土的名称土的名称 粘土粘土 粉质粘土粉质粘土 塑性指数塑性指数 注：塑性指数由相应于注：塑性指数由相应于76g圆圆 锥体沉入土样中深度为锥体沉入土样中深度为10mm 测定的液限计算而得测定的液限计算而得 IP17 10IP17 粒径大于粒径大于0.075mm

29、的颗粒含量不超的颗粒含量不超 过全重过全重50%，塑性指数，塑性指数IP10的土称为的土称为 粘性土，粘性土根据塑性指数细分粘性土，粘性土根据塑性指数细分 化学工业出版社化学工业出版社 第二章土工程性质和工程分类 vf.人工填土的分类人工填土的分类 由于人类活动而形成的堆积物称为人工填土。物质成分由于人类活动而形成的堆积物称为人工填土。物质成分 较杂乱较杂乱, ,均匀性较差，根据其物质组成和成因均匀性较差，根据其物质组成和成因, ,可分为素填土、可分为素填土、 压实填土、杂填土和冲填土压实填土、杂填土和冲填土 2.2.公路桥涵地基与基础设计规范公路桥涵地基与基础设计规范(JTG D632007

30、) （一）岩石（一）岩石 岩石指颗粒间连接牢固、呈整体或具有节理裂隙的地岩石指颗粒间连接牢固、呈整体或具有节理裂隙的地 质体质体 （二）碎石土（二）碎石土 碎石土指粒径大于碎石土指粒径大于2mm2mm的颗粒含量超过总质量的颗粒含量超过总质量50%50%的土的土 。分。分 为漂石、块石、卵石、碎石、圆砾和角砾为漂石、块石、卵石、碎石、圆砾和角砾 化学工业出版社化学工业出版社 第二章土工程性质和工程分类 （三）砂土（三）砂土 砂土指粒径大于砂土指粒径大于2mm2mm的颗粒含量不超过总的颗粒含量不超过总 质量的质量的50%50%、粒径大于、粒径大于0.075mm0.075mm的颗粒超过的颗粒超过 总质量总质量50%50%的土的土 ，分为砾砂、粗砂、中砂、分为砾砂、粗砂、中砂、 细砂和粉砂细砂和粉砂 （四）粉土（四）粉土 粉土指塑性指数粉土指塑性指数I IP P1010且粒径大于且粒径大于 0.075mm0.075mm的颗粒含量不超过总质量的颗粒含量不超过总质量50%50%的土的土 化学工业出版社化学工业出版社 第二章土工程性质和工程分类 （五）黏性土（五）黏性土 黏性土指塑性指数黏性土指塑性指数1010且粒径大于且粒径大于0.075mm0.075mm 的颗粒含量