第二章土的工程性质及分类

1、1土的物理性质与工程分类第二章2第一节 土的物理性质 概念 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。 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。 3 土的物理性质指标的分类 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； 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 4 土的三相图 为便于说明这些物理性质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。 5土的物理性质指标1 指标定义（1）土粒比重（土粒相对密度）土粒比重（土粒相对密度） 土粒质量与同体积的4时纯水的质量之比

2、。即： 土粒的比重可在试验室内用比重瓶法测定。sd1.sssswwmdv6 土的相对密度ds7(2)(2)土的含水量土的含水量 土中水的质量与土粒质量之比，称为土的含水量，以百分数计。即： 。 含水量是标志土湿度的一个重要物理指标，一般用烘干法测定。100%wsmm8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。 9(3)(3)土的密度土的密度 土单位体积的质量称为土的密度（单位 或 ），即： 。土的密度一般用环刀法测定。3g cm3t mmv定义：单位体积土的重量，用表示容重表达式：gVgmVW单位：kN/m310 土的密度和容重 测定方法：环

3、刀法11(4)(4)土的干密度土的干密度 , ,饱和密度饱和密度 和有效密度和有效密度 土单位体积中固体颗粒部分的质量，称为土的干密度 ，即： 土孔隙中充满水时的单位体积质量，称为饱和密度 ，即： 单位土体积中土颗粒的质量扣除同体积水后的质量，即为单位土体积中土粒的有质量，称为土的有效密度 ,即： dsdmvsatsvwsatmvvsswmvv 12(5) (5) 土的孔隙比土的孔隙比e e和孔隙率和孔隙率n n 土的孔隙比是土中孔隙体积与土粒体积之比，即： 土的孔隙率是土中孔隙所占体积与总体积之比，用百分数计，即：（6 6）土的饱和度）土的饱和度 土中被水充满的孔隙体积与孔隙总体积之比，以百

4、分数表示，即： 。vsvevrs100%wrvvsv100%vvnv131. 三相草图三相草图WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积14可推导出可推导出 :(1)1swdmve (1)1swde 11sswdmdve1vvenvewwsrvvwvmdsvve15例题例题: :1.某一原状土样,经试验测得基本指标如下:密度 , 含水量 , 土粒比重求:孔隙比，孔隙率，饱和度、干密度、饱和密度和有效密度。31.67g cm12.9%2.67sd 16例2：土密度的应用：条件：某填土工程的填量为 ，压实后的干密度要求不小于 ，压实时的最优含水量为 ，取土现场土料，天然

5、含水量 ，天然密度要求：（1）需运来多少立方米的土料？ （2）为使土料达到最优含水量，在压实 前需加多少水？ 330000Vm31.70dt m18%op15%31.64t m说明：在一定击数下，某一含水量能获得最说明：在一定击数下，某一含水量能获得最佳击实效果，这一含水量称为最佳含水量。佳击实效果，这一含水量称为最佳含水量。17三相草图三相草图WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量质量体积体积sawvawVVVVVVVswaawwwmmmmm0mV 已知关系五个已知关系五个: :共有九个参数共有九个参数: V Vv Vs Va Vw / / ms m w ma m

6、剩下三个独立变量剩下三个独立变量三相草图法三相草图法物性指标是比例关系物性指标是比例关系: :可假设任一参数为可假设任一参数为1实验室测定实验室测定其它指标其它指标是一种简单而实用的方法是一种简单而实用的方法18二.土的物理状态指标土的物理状态粗粒土的松密程度粗粒土的松密程度粘性土的软硬程度粘性土的软硬程度土的物理性质指标( (三相间的比例关系三相间的比例关系) )力学特力学特性性影影响响表表示示19 2 粘性土的物理特性粘性土的物理特性1、粘性土的界限含水量 粘性土从一种状态转变为另一种状态的分界含水量称为界限含水量。四种状态：固态 半固态 可塑状态 流动状态粘性土就是指具有可塑状态性质的土

7、。可塑性：土在外力作用下，可塑成任何形状而不发裂，当外力卸除后仍能保持已有的形状。 含水量对粘性土的工程性质有着极大的影响。含水量对粘性土的工程性质有着极大的影响。202 2. . 粘性土的软硬状态粘性土的软硬状态也称也称稠度状态稠度状态稠度状态与含水量有关稠度状态与含水量有关含水量含水量较较硬硬变变软软流流动动界限含水量界限含水量:随天然含水量的增加随天然含水量的增加,粘性土由一种粘性土由一种物理状态向另一种状态过渡的含水量的界限值物理状态向另一种状态过渡的含水量的界限值.塑性塑性:在一定条件下在一定条件下,因受外力作用其形状发生变因受外力作用其形状发生变化化,但不产生裂隙但不产生裂隙,外力

8、卸去后外力卸去后,仍能保持既得形状仍能保持既得形状的一种性能的一种性能.可塑性是粘性土区别于无粘性土的可塑性是粘性土区别于无粘性土的主要特征主要特征.21塑限塑限wp液限液限wl稠度界限稠度界限粘性土的稠度反映土中水的形态粘性土的稠度反映土中水的形态固态或固态或半固态半固态塑态塑态 流态流态 强结合水膜最大强结合水膜最大出现自由水出现自由水强结合水强结合水弱结合水弱结合水自由水自由水稠度状态稠度状态含水量含水量土中水的形态土中水的形态wplpIww吸附弱结合吸附弱结合水的能力水的能力塑性指数塑性指数土由可塑状态转到流动状态的界限含水量叫液限土由可塑状态转到流动状态的界限含水量叫液限. .土由半

9、固态转到可塑状的界限含水量叫塑限土由半固态转到可塑状的界限含水量叫塑限. .222.液、塑限的测定测定塑限的方法：搓滚法和液、塑限联合测定法。测定液限的方法：碟式仪法和液、塑限联合测定法。液、塑限联合测定法： 塑限5秒入土2mm时的含水量 液限5秒入土17mm时的含水量23联合测定仪243、塑性指数和液性指数 1.塑性指数 塑性指数：液限和塑限之差的百分数值（去掉百分号）。 用Ip表示，取整数，即： 塑性指数越高，吸着水含量可能高，土的粘粒含量越高。 pLpwwI常作为细粒土工程分类的依据常作为细粒土工程分类的依据不同的粘土矿物结合水的能力不同不同的粘土矿物结合水的能力不同25 2.液性指数

10、粘性土的状态可用液性指数来判别。 定义为： 式中：IL液性指数，以小数表示； w土的天然含水量。pppLpLIwwwwwwI26 液性指数表征了土的天然含水量与界限含水量之间的相对关系，表达了天然土所处的状态。 wLw时，IL1.0，土处于流动状态。 wwp时，IL0，土处于坚硬状态； wpw wL时，0IL1.0，土处于可塑状态；27相对稠度相对稠度pLlpwwIww 即使即使含水量相同，稠度可能不同稠度可能不同液性指数液性指数对不同的粘土，对不同的粘土，wp、wl 大小不同大小不同定义：定义：wpwwlIL1坚硬状坚硬状态态可塑状可塑状态态流流 态态0.00 0.250.25 - 0.75

11、0.75 1.00硬硬塑塑可可塑塑软软塑塑对同一种粘土，含水量可反映其稠度对同一种粘土，含水量可反映其稠度问题：问题：28例例4：某土样其含水量为32.5%,密度 土的相对密度 ，液限 ，塑限 。求：土样的物理状态。 2.65sd 31.8g cm36.4%L18.9%p29uutqqS 反映粘性土结构性的指标反映粘性土结构性的指标 03 uquq 相同含水量、密度相同含水量、密度1 1. .粘性土的灵敏度粘性土的灵敏度 S St t =原状土原状土结构性结构性相同含水量相同含水量密度、组成密度、组成粉碎粉碎重塑重塑重塑土重塑土强度降低强度降低St11-22-44-88-1616粘性土粘性土不

12、灵敏不灵敏低灵敏低灵敏中等灵中等灵敏敏灵敏灵敏很灵敏很灵敏流动流动原状土的无侧限抗压强原状土的无侧限抗压强度度重塑土的无侧限抗压强重塑土的无侧限抗压强度度30含水量不变，密度不变，因重塑而强度降低，含水量不变，密度不变，因重塑而强度降低，又因静置而逐渐强化，强度逐渐恢复的现象，又因静置而逐渐强化，强度逐渐恢复的现象，称为称为触变性触变性。土的触变性是土结构中联结形态发生变化引起土的触变性是土结构中联结形态发生变化引起的，是土结构随时间变化的宏观表现。的，是土结构随时间变化的宏观表现。目前尚没有合理的描述土触变性的方法和指标。目前尚没有合理的描述土触变性的方法和指标。2 2. . 粘性土的触变性

13、粘性土的触变性 31e emaxmax与与e eminmin ：最大与最小孔隙比最大与最小孔隙比1. 粗粒土的密实状态粗粒土的密实状态密实度密实度如何衡量如何衡量? ?单位体积中固体颗粒含量的多少单位体积中固体颗粒含量的多少 或或 孔隙含量的多少孔隙含量的多少优点：优点：简单方简单方便便缺点：缺点：不能反映级配的影不能反映级配的影响响 只能用于同一种土只能用于同一种土对对策策相对密度相对密度minmaxmaxreeeeD 干容重干容重 d d或或孔隙比孔隙比e e或孔隙率或孔隙率n nemin = 0.35emin = 0.202.4 无粘性无粘性土的物理状态土的物理状态32e emaxmax

14、: : 最大孔隙比；将松散的风干土样通过长颈漏斗轻轻地倒入容器，避免重力冲击，求得土的最小干密度再经换算得到最大孔隙比e eminmin: : 最小孔隙比；将松散的风干土样装入金属容器内，按规定方法振动和锤击，直至密度不再提高，求得土的最大干密度再经换算得到最小孔隙比e emaxmax与与e eminmin ：最大与最小孔隙比最大与最小孔隙比注意：注意：室内测得理论上的最大与最小孔隙比有时很室内测得理论上的最大与最小孔隙比有时很困难困难33粗粒土的密实状态指标粗粒土的密实状态指标 判别标准：判别标准：D Dr r = 1 , = 1 , 最密状态最密状态 D Dr r = 0 , = 0 ,

15、最松状态最松状态 D Dr r 1/3 , 1/3 , 疏松状态疏松状态 1/3 1/3 2/3 , 2/3 , 密实状态密实状态相对密度相对密度minmaxmaxreeeeD dmindmaxdmaxdminddr)()(D 34例例3 3：某砂土土样的密度：某砂土土样的密度 ，含水，含水量量 ，土粒的相对密度，土粒的相对密度 ，对该砂样进行相对密度试验，得到其最大干密对该砂样进行相对密度试验，得到其最大干密度度 ，最小干密度，最小干密度 。求：确定该砂土的相对密实度并判断其密实程求：确定该砂土的相对密实度并判断其密实程度。度。31.77 g cm3max1.74dg cm3min1.37d

16、g cm9.8%2.68sd 35无粘性土密实度划分的其他方法无粘性土密实度划分的其他方法1.砂土按天然孔隙比划分砂土按天然孔隙比划分密实中密稍密松散 e0.600.60e0.750.75e0.85 e0.60 e0.700.70e0.850.85e0.95 e0.60砾石、粗、中砂砾石、粗、中砂细砂、粉砂细砂、粉砂2.砂土密实度按标准贯入击数砂土密实度按标准贯入击数N划分划分密实度密实中密稍密松散标贯击数标贯击数N 5030 29 10 9 5 5公路桥涵地基与基础设计规范(JTJ024-85)36无粘性土密实度划分的其他方法无粘性土密实度划分的其他方法2.砂土密实度按标准贯入击数砂土密实度

17、按标准贯入击数N划分划分密实度密实中密稍密松散标贯击数标贯击数N 30 30N15 15N1010建筑地基与基础设计规范(GB5007-2002)372.5 粉土的密实度和湿度粉土的密实度和湿度密实度密实中密稍密孔隙比 e0.750.75e0.90 e0.90细砂、粉砂细砂、粉砂2.粉土湿度的分类粉土湿度的分类湿度 稍湿 湿 很湿含水量含水量w w20 20w30 e301.粉土密实度的分类粉土密实度的分类382.6 土的胀缩性、湿陷性和冻胀性土的胀缩性、湿陷性和冻胀性2.6.1 土的胀缩性土的胀缩性 土的胀缩性是指粘性土有吸水膨胀和失水收土的胀缩性是指粘性土有吸水膨胀和失水收缩的特征缩的特征

18、.主要原因是岩土体中含有大量的亲水性主要原因是岩土体中含有大量的亲水性矿物成分矿物成分,如蒙脱石如蒙脱石,伊利石伊利石.用自由膨胀率和膨胀率来表示用自由膨胀率和膨胀率来表示1.自由膨胀率自由膨胀率2.膨胀率膨胀率00wephhh00wefVVV392.6.2 土的湿陷性土的湿陷性 土的湿陷性是指土在自重作用下或自重和附土的湿陷性是指土在自重作用下或自重和附加压力综合作用下加压力综合作用下,受水浸湿后土的结构迅速破受水浸湿后土的结构迅速破坏而发生的显著附加下陷的特征坏而发生的显著附加下陷的特征.黄土的湿陷性评价黄土的湿陷性评价:湿陷性系数湿陷性系数:自重湿陷性系数自重湿陷性系数 时时,应定义为湿

19、陷性黄土应定义为湿陷性黄土 时时,应定义为非湿陷性黄土应定义为非湿陷性黄土0zzzshhh0.015s0.015s0ppshhh402.场地湿陷性类型场地湿陷性类型 当自重湿陷性量当自重湿陷性量7cm时时, 应定义为非自重湿应定义为非自重湿陷性场地陷性场地 当自重湿陷性量当自重湿陷性量7cm时时, 应定义为自重湿陷应定义为自重湿陷性场地性场地自重湿陷性量的计算自重湿陷性量的计算:总湿陷性量的计算总湿陷性量的计算:0zszsiihssiih0.015s注注: 时时,土层湿陷量不累计土层湿陷量不累计0.015zs41例例:某地区黄土资料如下某地区黄土资料如下,湿陷性黄土深度为湿陷性黄土深度为10米

20、米,求黄土的自重湿陷量和总湿陷量求黄土的自重湿陷量和总湿陷量取样深度自重湿陷系数自重湿陷系数湿陷系数湿陷系数10.0210.02720.0200.02830.0120.01940.0170.01350.0180.01960.0140.01870.0160.01980.0250.02390.0220.012100.0110.00901.2,0.742土的冻胀性土的冻胀性 有负温或零温有负温或零温,其中含有冰的各种土为冻土其中含有冰的各种土为冻土,只有负温或零温只有负温或零温,但不含有冰的各种土为寒土但不含有冰的各种土为寒土. 冬季冻结冬季冻结,夏季融化的土为季节冻土夏季融化的土为季节冻土,冻结状

21、冻结状态持续二年以上的土为多年冻土态持续二年以上的土为多年冻土. 地基土产生冻胀有三要素地基土产生冻胀有三要素:水分水分,土土,负温度负温度43dzzzdzdzhz-地表冻胀量地表冻胀量(mm)-设计深度设计深度(mm)h-冻层厚度冻层厚度(mm)44例例:某季节性冻土场地地面标高为某季节性冻土场地地面标高为290.136m,冬季冬季冻结后地表最大标高为冻结后地表最大标高为290.296m,冻土层最低标冻土层最低标高为高为288.130m,春季融化后地面标高又降至春季融化后地面标高又降至290.136m.求冻胀率求冻胀率45目的：依据：建筑地基基础设计规范-GB50007-2002分类法 2.

22、7 2.7 土的工程分类土的工程分类是将工程性质相近的是将工程性质相近的土归为一类土归为一类便于研究、交流及应用能反映土的物理力学性质土的组成土的组成土的状态土的状态土的结构土的结构46各行业规范对土分类各行业规范对土分类二、我国各行各业规范对土分类方法二、我国各行各业规范对土分类方法 我国土的分类体系大致有三大类：我国土的分类体系大致有三大类：一类是以土的工程分类标准一类是以土的工程分类标准 GB/T 50145-2007 GB/T 50145-2007（简称国标）为代表的，中华人民共和国水利部（简称国标）为代表的，中华人民共和国水利部19991999年发布的土工试验规程（年发布的土工试验规

23、程（SL237-1999SL237-1999）（简称水）（简称水利标准）和公路土工试验规程利标准）和公路土工试验规程JTG E402007JTG E402007（简称公路标准）分类方法；它们土分类的共同点是：（简称公路标准）分类方法；它们土分类的共同点是：粗粒土按粒度成分分类，细粒土是按塑性图（粗粒土按粒度成分分类，细粒土是按塑性图（19421942年年美国卡萨格兰德提出）分类。美国卡萨格兰德提出）分类。47各行业规范对土分类各行业规范对土分类 第二类是以目前我国工程建设中应用最广泛的第二类是以目前我国工程建设中应用最广泛的岩土工程岩土工程勘察规范勘察规范GB 50021GB 50021200

24、92009（简称勘察规范）（简称勘察规范）为代表的，为代表的， 建筑地基基础设计规范建筑地基基础设计规范 GB50007-2002 GB50007-2002（简称建筑规（简称建筑规范）、港口工程地质勘察规范范）、港口工程地质勘察规范 JTJ240-97 JTJ240-97（简称港口规（简称港口规范）、公路桥涵与地基基础设计规范（桥涵规范）范）、公路桥涵与地基基础设计规范（桥涵规范）（JTG D632007JTG D632007）、北京地区建筑地基基础勘察设计规）、北京地区建筑地基基础勘察设计规范范D BJ01-501-92D BJ01-501-92（北京规范）、上海地区建筑地基基（北京规范）、

25、上海地区建筑地基基础设计规范础设计规范9999（上海规范）（上海规范） 的分类方法，它们分类的的分类方法，它们分类的共同点是粗粒土按粒度成分分类，细粒土是按塑性指数分类共同点是粗粒土按粒度成分分类，细粒土是按塑性指数分类48各行业规范对土分类各行业规范对土分类 第三类是铁路工程岩土分类标准第三类是铁路工程岩土分类标准(TB10077-(TB10077-2001)2001)20042004年年148148号文件局部修订条文（简称铁路规范）的分类方号文件局部修订条文（简称铁路规范）的分类方法，它的分类特点是粗粒土的分类第二类土相似，但细粒土法，它的分类特点是粗粒土的分类第二类土相似，但细粒土分类是

26、按第一类方法一样用塑性图。在以下的比较中分类是按第一类方法一样用塑性图。在以下的比较中, ,铁路规铁路规范粗粒土与第二类土归在一起范粗粒土与第二类土归在一起, ,细粒土比较时和第一类土一起细粒土比较时和第一类土一起作比较作比较. .以下就把上述涉及到的十种规范按粗粒土的分类，和以下就把上述涉及到的十种规范按粗粒土的分类，和细粒土的分类进行比较。细粒土的分类进行比较。49建筑地基基础设计规范-GB50007-2002分类法 土土岩石岩石碎石土碎石土砂土砂土粉土粉土粘性土粘性土特殊土特殊土50岩石岩石: :岩石是指颗粒间牢固联结、呈整体或具有节理裂隙的岩体。岩石按其成因可分为岩浆岩、沉积岩和变质岩

27、。岩石按其坚硬程度可分坚硬岩、较硬岩、较软岩、软岩、极软岩。岩石按风化程度可分为未风化、微风化、中风化、强风化和全风化。岩石按其完整程度可分为完整、较完整、较破碎、破碎、极破碎。51碎石土：是指粒径大于2mm的颗粒含量超过总质量的50%的土土的名称土的名称 颗粒形状颗粒形状 粒组含量粒组含量漂石块石圆形及亚圆形为主棱角形为主粒径大于200mm的颗粒超过全质量50%卵石碎石圆形及亚圆形为主棱角形为主圆形及亚圆形为主棱角形为主圆砾角砾粒径大于20mm的颗粒超过全质量50%粒径大于2mm的颗粒超过全质量50%52砂土：是指粒径大于2mm的颗粒含量不超过总质量的50%，且粒径大于0.075mm的颗粒超

28、过总量的50%的土。土的名称土的名称 粒组含量粒组含量粒径大于2mm的颗粒占全质量25 - 50%砾砂粗砂中砂细砂粉砂粒径大于0.5mm的颗粒超过全质量50%粒径大于0.25mm的颗粒超过全质量50%粒径大于0.075mm的颗粒超过全质量85%粒径大于0.075mm的颗粒超过全质量50%53粉土粒径大于粒径大于0.075mm0.075mm的颗粒含量小的颗粒含量小于全质量于全质量50%50%而塑性指数而塑性指数I Ip p1010的土的土塑性指数塑性指数IpIp1010的土的土粘性土10I101717的土的土粘土粘土粉质粘土粉质粘土54特殊土：是指分布在一定地理区域、有工程意特殊土：是指分布在一

29、定地理区域、有工程意义的特殊成分、状态和结构特征的土。义的特殊成分、状态和结构特征的土。（1）淤泥和淤泥质土：在静水或缓慢水流中沉积，并经生物化学作用形成。我们把天然含水量大于液限，天然孔隙比大于或等于1.5的土称为淤泥;而天然含水量大于液限，天然孔隙比小于1.5但大于等于1.0的土称为淤泥质土。（2）人工填土：是指人类活动而形成的堆积物。按其组成及成因，可分为素填土、压实填土、杂填土和冲填土。这类土一般压缩性高、强度低、透水性差。55红粘土与次生红粘土：红粘土与次生红粘土：红粘土为碳酸盐岩系的岩石经红土化学作用形成的高塑性粘土，其液限一般大于50%。红粘土经过再搬运后仍保留其基本特征，其液限

30、大于45%的土为次生红粘土。膨胀土：膨胀土：是指土中粘粒成分主要由亲水性矿物组成，同时具有显著的吸水膨胀和失水收缩特性，其自由膨胀率大于或等于40%的粘性土。 这类土虽然强度高、压缩性低；但是遇水膨胀隆起，失水收缩下沉，会引起地基的不均匀沉降，对建筑物危害极大。56粒径(mm) 0.075 0.0750.25 0.250.5 0.522.0占全重% 14.7 32.6 34.7 12.85.2例：某土样不同粒组的含量如下要求：确定土的名称要求：确定土的名称57压实：压实：指通过夯打、振动、碾压等，使土体变得密指通过夯打、振动、碾压等，使土体变得密实、以提高土的强度、减小土的压缩性和渗透性实、以提高土的强度、减小土的压缩性和渗透性压实性：指土在一定压实能量作用下密度增长的特性研究击实性的目的： 以最小的能量消耗获得最大的压实密度 击实方法：室内击实试验现场试验: 夯打、振动、碾压2.8 2.8 土的压实性土的压实性58一. 室内击实试验 试验设备试验设备 击实筒击实筒V=V=1000cm1000cm3 3；击实锤击实锤w=25w=25牛顿牛顿 试验条件试验条件 土样分层土样分层n=3n=3层；落高层；落高d=30cmd=30cm；击数击数N=27N=27/ /层层 击实能量击实能量 3m/mKN5 .607VwdNnE 试验方法试验方法 对对=cosns