土的物理性质及及工程分类

1、土的物理性质及及工程分类土是由固体颗粒（又称固相）、水和气体所组成，故称为三相系，土中颗粒的大小、成分及三相之间的比例关系，反映出土的不同性质。第一节 土的生成与特性一、 土的生成土是地球表层岩石经过风化（主要有三种：1、物理风化 岩石经风霜雨雪的侵蚀，温度和湿度的变化，不均匀膨胀和收缩，使岩石产生裂隙，崩解为碎块。这种风化作用，只改变颗粒的大小和形状，不改变矿物成分。2、化学风化 岩石碎屑与水、氧气、二氧化碳等物质接触，使岩石碎屑发生化学变化，改变了原来组成矿物的成分，产生一种新的成分-次生矿物，土的颗粒变得很细，具有黏结性。3、生物风化 由动物、植物和人类活动对岩体的破坏。其矿物成分没有变

2、化。）、剥蚀、搬运、沉积，形成的固体矿物颗粒、水和气体的集合体。不同的风化作用，形成不同性质的土。二、 土的结构和构造土的结构和构造,即物质成分间的联结特点、空间分布和变化规律反映了土物质的存在形式。土的结构指的是微观结构，而土的构造是指整个土层空间构成上特征的总和。（1） 土的结构土的结构是指土颗粒的大小、形状、表面特征、相互排列及其联结关系的综合特征。一般有三种基本类型：单粒结构、蜂窝结构和絮状结构。1、 单粒结构单粒结构是无黏性土的基本组成形式，由较粗的砾石、砂粒在重力作用下沉积形成。2、 蜂窝结构当土粒较细在水中单独下沉，碰到已沉积的土粒，由于土粒之间的分子引力大于颗粒自重，则下沉土粒

3、被吸引不再下沉，形成具有很大孔隙的蜂窝结构。3、 絮状结构细粒土（小于0.005mm）在水中长期处于悬浮状态，掺入某些电解质，凝聚成类似（2） 土的构造1、 层状2、 分散、3、 裂隙4、 结核状三、 土的常用指标土的物理性指标：含水率、比重、湿密度、干密度、饱和密度、浮密度、孔隙比、饱和度这九个指标。其中前三个为试验指标，后六个为计算指标。土的物理状态指标：液限、塑限、缩限、塑性指数、液性指数和砂的相对密度等。前五个指标描述的对象是细粒土，其中前四个指标是土样经过扰动后试验获得的。土的塑性指标越大，则黏粒含量越多。后一个指标描述的对象是砂土，液性指数和砂的相对密度均用于评价天然土层的物理状态

4、。土的力学性指标：压缩系数、压缩指数、固结系数、抗剪强度指标（凝聚力、内摩擦角）、承载比、回弹模量、无侧限抗压强度以及黄土湿陷性指标、土的膨胀指标、冻土特性指标等。通常“压缩”描述的是非饱和土体，“固结”描述的是饱和土体。常用土的水理性指标：渗透系数、湿化崩解量、毛细管水上升高度等。此外，还有土中化学成分的测定指标以及土中矿物成分的测定指标等。四、 土的一般性术语含水率：土中水的质量与土颗粒质量的比值。 单位 %。密度：单位体积的质量。P 单位 g/cm3 kg/m3孔隙率：土的孔隙与土总体积的比值。孔隙比：土的孔隙与固体颗粒体积的比值。土颗比重：土颗粒的质量与4蒸馏水的质量的比值，其在数值上

5、与土粒的密度相同，只是意义不同。级配：土料按颗粒粗细的不同，将粒径相似、工程性质相近的颗粒划分为若干个粒组，土中各粒组的相对含量，即为土颗粒的级配。它是以不均匀系数CU和曲率系数CC来评价构成土的颗粒粒径分布曲线状态的一种概念。不均匀系数CU反映粒径分布曲线上的土粒分布范围，曲率系数CC反映粒径分布曲线上的土粒分布形状。级配是反映土颗粒几何组成特征的重要指标，它是描述土的最基本组成的指标，是土的工程分类、定名的主要依据之一。稠度界限：黏性土随含水率的变化从一种状态变为另一种状态时的界限含水率。稠度通常表现出的感观认识是黏性土的软、硬程度，基于土体的天然结构被破坏后的概念基础之上，土的不同稠度反

6、映的是土所具有的不同状态。通常土的稠度状态分为固态、半固态、可塑态和液态（或流态），土的稠度状态常用五个稠度状态指标（缩限、塑限、液限、塑性指数和液性指数）来描述。缩限描述的是固态与半固态的界限含水率，塑限描述的是半固态与可塑态的界限含水率，液限描述的是可塑态与液态的界限含水率，该三个指标也称为土的稠度界限指标。塑性指数反映了黏性土具有可塑性的含水率变化范围，间接表明土的强度随含水率改变而变化，综合表明黏性土的粒度组成和矿物成分与水分之间相互作用的特征。塑性指数的大小反映了土中黏粒含量的多少。液性指数反映了天然土体（地基土）的软硬程度。根据液性指数，可将天然地基土体的坚硬程度划分为坚硬、硬塑、

7、可塑、软塑和流塑。应注意，液、塑限是用天然结构破坏后扰动土样来测定的，不能将土的结构对强度的影响反映出来。固结：饱和土体地外荷载作用下，土体孔隙中水分逐渐排出，使土体体积减小、密度增长的过程。土的固结过程是饱和土中孔隙水压力逐渐消散，有效应力逐渐增长的转换过程。公路土工试验规程中的固结是指饱和土体在侧限情况下的单向固结压缩变形。饱和土体根据历史受力情况的不同，常分为正常固结土、超固结土和欠固结土。压缩系数：在K0固结试验中，土试样的孔隙比减小量与有效压力增加量的比值。即e-p压缩曲线上某压力段的割线斜率，以绝对值表示。压缩系数是土体在侧限情况下由单向压缩试验得出的土体压缩性试验指标。由于e-p

8、压缩曲线不是一条直线，所以压缩系数不是一个常数，它随e-p压缩曲线与割线两交点的位置不同而改变。压缩系数适用于土在低压力（100200kPa）工况下计算土体的压缩变形，通常用“正值”表示。压缩指数：压缩试验所得土孔隙比与有效压力对数值关系曲线上直线段的斜率。即e-lgp压缩曲线上大于先期固结压力后的直线段斜率。压缩指数是土体在侧限情况下由单向压缩试验得出的土体在高压力（大于土的先期固结压力）情况下的压缩试验指标。由于e-lgp压缩曲线在高压力工况下是一条直线，所以压缩指数是一个常数。压缩指数适用于土在高压力（大于土的先期固结压力就是土体在历史上所受到的最大固结压力）工况下计算土体的压缩变形。压

9、缩模量：土体在侧限条件下受压时，竖向有效压力与竖向应变的比值。压缩模量是根据土体在受力压缩前的孔隙比和土的压缩系数计算求出的压缩性指数。因此压缩模量反映的是土体在侧限情况下单向压缩的工况条件。回弹模量：土体在部分侧限条件下，卸载过程中的竖向压力与回弹应变的比值。公路土工试验规程中的回弹模量是指在部分侧限的条件下单向加载、卸载测定土的回弹变形量，计算得出的土体弹性变形的回弹模量。渗透指数：土中水渗透呈层流状态时，其流速与作用水力梯度成正比关系的比例系数。渗透系数反映的是水流在渗透压力作用下通过土颗粒孔隙流动时，单位渗透坡降（水力坡降）的渗透流速。渗透系数的测定有两种试验方法：常水头渗透试验适用于

10、渗透流速较大（水流状态为紊流状态）的土（粗粒土），变水头渗透试验适用于渗透流速较小（水流状态为层流状态）的土（细粒土）。抗剪强度：土体在剪切面上所能承受的极限剪应力。土的抗剪强度是土抵抗破坏的能力。土的抗剪强度常用抗剪强度指标凝聚力（内聚力）和摩擦角（内摩擦角）表述。根据土体的工作状态不同，选择不同的试验方法来确定土的抗剪强度指标。土的抗剪强度指标可通过直接剪切试验（快剪、慢剪、固结快剪）或三轴压缩试验（不固结不排水剪、固结排水剪、固结不排水剪）获得。若选用直接剪切试验方法，则应采用库仑强度理论整理试验数据。若选用三轴压缩试验方法，则应采用摩尔库仑强度理论整理试验数据。土的抗剪强度指标按试验方

11、法的不同可分为总应力强度指标和有效应力强度指标，这样就有总应力摩擦角和有效应力摩擦角以及总应力凝聚力和有效应力凝聚力。在理论上，粗粒土颗粒之间不存在凝聚力，但是不论粗粒土的直接剪切试验还是三轴试验，在成果整理上均出现凝聚力值，此时的凝聚力值实际反映的是粗粒土在剪切过程中，在剪切带 内粗颗粒翻滚、咬合作用产生的部分抵抗剪切变形的力，该力通常称为咬合力。由于粗粒土在剪切过程中粗颗粒的翻滚、咬合对粗粒土剪切的摩擦和咬合效应分别有多大的贡献还很难说清，因此有些业内人士将粗粒土的抗剪强度指标统称为粗粒土的抗剪结构力指标。无侧限抗压强度：土体在无侧限条件下，抵抗轴向压力的极限强度。无侧限抗压强度试验是三轴

12、压缩试验的一个特例，即试样置于不受侧向限制的条件下进行的强度试验，此时试样所受的小主应力为零，而大主应力的极限值为无侧限抗压强度。无侧限抗压强度试验常用于测定饱和软黏土的灵敏度。灵敏度是原状土的无侧限抗压强度与扰动土的无侧限抗压强度之比。目前使用的无侧限抗压强度仪一般有应力控制式和应变控制式两种。第二节 土的工程分类土是岩石（母岩）风化的产物，是各种颗粒粒径的集合体。因此，广义上说土和岩石在尺度上没有明确的划分界限，但是在颗粒的胶结紧密程度上具有一定的区别。土的颗粒之间胶结较弱甚至没有联结，而组成岩石的颗粒之间具有较强的胶结能力。土与其他连续固体介质相区别的最主要的特征，就是它的多孔性和散体性

13、。土的工程分类就是将颗粒粒径相近、工程性质相似的土划分为同一类型（称为粒组），并为“土”分类定名奠定基础。一般规定1、 土的工程分类（简称“分类”）适用于公路工程用土的鉴别、定名和描述，以便对土的性状作定性评价。2、 应以土的下列特征作为土的分类依据：（1） 土颗粒组成特征。（2） 土的塑性指标：液限（wL）、塑限（WP）和塑性指数（IP）。 （3） 土中有机物存在情况。3、 本“分类”应按筛分法确定各粒组的含量；按液限塑限联合测定法确定液限和塑限；按有机物在塑性图上的分布来判别有机物存在情况。本“分类”将土分为巨粒土、粗粒土、细粒土和特殊土，可以满足一般的工程需要。由于土分类系按扰动试样进行

14、，因此，土的天然状态如密度的疏、密，含水状态的干、湿，结构状态的成层或各向异性，历史应力为正常固结或超固结等，分类中均无法统筹考虑。为此，像软土等类型的土没有列入本标准。土的地质成因对土的性质有一定的影响，但目前还没有反映这种因素的定量指标，而且绝大多数分类都不是按成因划分土类。填土实际上是一种无确定概念的材料，可以是本“分类”所包括的各种土类，也可以是建筑房渣或工业弃料。4、 土的颗粒应根据下列粒组范围划分粒组。粗粒土的性质主要取决于土颗粒的粒径分布和特征，而细粒土的性质却主要取决于土粒和水相互作用的状态，即土的塑性。土中有机质对土的工程性质也有影响。5、 本“分类”将土分为巨粒土、粗粒土、

15、细粒土和特殊土，分类总体系见图： 粒组划分界限系反映土的某些性质改变的粒径值，如具有分子上升、亲水性、渗透性等。6、 土颗粒组成特征应以土的级配指标的不均匀系数（CU）和曲率系数（CC）表示。不均匀系数和曲率系数反映粒径分布曲线上的土粒分布范围和分布形状，按下式计算： CUd60/d10 CC=(d30)2/d10d60 粗粒土的可压实性、强度、压缩性和渗透性等均与土的级配有关。7、 细粒土应根据塑性图分类。土的塑性图以液限（wL）为横坐标、塑性指数（IP）为纵坐标构成。塑性图是美、英、日、德等国长期用于细粒土分类的标准，国际上称它为卡氏塑性图图中的液限是由国外广泛应用的卡氏碟式仪测定的。应当

16、注意的是，对于IP<10且WL<15%,这一范围的土相关试验得出的液限值很不准，因此塑性图中的这一区域不能使用。8、 土的成分、级配、液限和特殊土等基本代号应按下列规定构成：（1） 土的成分代号漂石 B 块石 Ba 卵石 Cb 小块石 Cba 砾 G 角砾 Ga 砂 S 粉土 M 黏土 C 细粒土（C和M合称） F （混合）土（粗、细粒土合称） SL 有机质土 O（2） 土的级配代号 级配良好 W 级配不良 P（3） 土液限高低代号 高液限 H 低液限 L（4） 特殊土代号 黄土 Y 膨胀土 E 红黏土 R 盐渍土 St 冻土 Ft9、 土类名称可用一个基本代号表示当由两个基本代号构成时，第一个代号表示土的主成分，第二个代号表示副成分（土的液限或土的级配）。当有三个基本代号构成时，第一个代号表示土的主成分，第二个代号表示液限的高低（或级配的好坏），第三个代号表示土中所含次要成分。土类的名称和代号名称代号名称代号名称代号漂石B级配良好砂SW含砾低液限黏土CLG块石Ba级配不良砂SP含砂高液限黏土CHS卵石Cb粉