土力学与砌体结构 第3章 土的物理性质和分类

1、 本节主要内容：本节主要内容：阐明组成土的三相（固体颗粒、水、气）阐明组成土的三相（固体颗粒、水、气）的特性及其与工程性质的关系。的特性及其与工程性质的关系。一、土的固体颗粒一、土的固体颗粒1.土粒的矿物成分土粒的矿物成分1）原生矿物原生矿物：母岩经物理风化而成：母岩经物理风化而成,eg.石英、云母、长石；其成石英、云母、长石；其成分与母岩相同，分为单矿物颗粒，多矿物颗粒。分与母岩相同，分为单矿物颗粒，多矿物颗粒。2）次生矿物次生矿物：母岩经化学风化而成，如：母岩经化学风化而成，如eg.高岭石、伊里石、蒙高岭石、伊里石、蒙脱石。其成分与母岩不同，为一种新矿物颗粒。主要是粘土矿物。脱石。其成分与

2、母岩不同，为一种新矿物颗粒。主要是粘土矿物。D0.075mm。 （2）比重计法或移液管法：粒径）比重计法或移液管法：粒径0.075mm。 颗分曲线：根据颗分试验成果，可以绘制颗分曲线：根据颗分试验成果，可以绘制颗粒级配曲线颗粒级配曲线。如下。如下图。图。 级配良好的判别：级配良好的判别： 由曲线的坡度大致可判别土的均匀程度，如曲线较由曲线的坡度大致可判别土的均匀程度，如曲线较陡，则表示粒径大小相差不多，土粒较均匀；反之，曲线陡，则表示粒径大小相差不多，土粒较均匀；反之，曲线平缓，则表示粒径大小相差悬殊，土粒平缓，则表示粒径大小相差悬殊，土粒不不均匀，即级配良均匀，即级配良好。好。 Cu5 级配

3、良好。级配良好。 Cc反应曲线的整体形状，过大或过小都反应曲线的整体形状，过大或过小都表示缺乏中间粒径。表示缺乏中间粒径。对砂类土，当同时满足对砂类土，当同时满足315= =cuCC和和时，级配良好时，级配良好。60102301060/dddCddCcu= =.（一）土中水：（一）土中水：1.结晶水结晶水 存在于矿物结晶中的水，只有在高温（存在于矿物结晶中的水，只有在高温（105 C）下，才能）下，才能从矿物中吸出，故可把它视作矿物本身的一部分。从矿物中吸出，故可把它视作矿物本身的一部分。2.结合水结合水 受电分子吸引力吸附于土粒表面的土中水。受电分子吸引力吸附于土粒表面的土中水。0-毛细水毛

4、细水重力水重力水自由水自由水弱结合水弱结合水强结合水强结合水与土粒表面结合的水与土粒表面结合的水结合水结合水土粒矿物内部的水土粒矿物内部的水- -结晶水结晶水土中水土中水强结合水强结合水弱结合水弱结合水自由水自由水（1）强结合水：）强结合水：没有溶解盐类的没有溶解盐类的能力，不能传递静水压力，牢固地能力，不能传递静水压力，牢固地吸附于土粒表面，其性质接近于固吸附于土粒表面，其性质接近于固体，具有极大的粘滞度、弹性和抗体，具有极大的粘滞度、弹性和抗剪强度。剪强度。（2）弱结合水：）弱结合水：厚度较强结合水厚度较强结合水大，具有较高的粘滞度、抗剪强度，大，具有较高的粘滞度、抗剪强度，仍不能传递静水

5、压力。仍不能传递静水压力。3.自由水自由水（1）重力水：在土中流动的水，受重力作用。）重力水：在土中流动的水，受重力作用。（2）毛细水：由于水和空气分界处弯液面上产生的表面张力作用，）毛细水：由于水和空气分界处弯液面上产生的表面张力作用，土中自由水从地下水位通过土的细小通道逐渐上升，形成毛细水。土中自由水从地下水位通过土的细小通道逐渐上升，形成毛细水。它不仅受重力作用而且还受到表面张力的支配。它不仅受重力作用而且还受到表面张力的支配。单粒结构单粒结构蜂窝结构蜂窝结构絮状结构絮状结构（二）土中气（二）土中气1.开敞气体：对土无影响；开敞气体：对土无影响；2.封闭气体：使土的渗透性减小，弹性增大和

6、拖延了土的压缩和膨封闭气体：使土的渗透性减小，弹性增大和拖延了土的压缩和膨胀变形随时间的发展。胀变形随时间的发展。1.土的结构（如上图）土的结构（如上图）土的结构：土的结构：单粒结构；单粒结构；蜂窝结构（粒径蜂窝结构（粒径0.0750.005mm）；）；絮状结构（粒径絮状结构（粒径0.005）。）。分散构造分散构造裂隙构造裂隙构造 2.土的构造土的构造 土的构造分为层理构造、分散构造和裂隙构造。土的构造分为层理构造、分散构造和裂隙构造。表示土的三相组成比例关系的指标表示土的三相组成比例关系的指标,称为土的物理性质指标。称为土的物理性质指标。 为了便于说明和为了便于说明和计算，用三相组成示计算，

7、用三相组成示意图来表示各部分之意图来表示各部分之间的数量关系。间的数量关系。111WsW=sssVmdds可用可用比重瓶法比重瓶法测定测定,但由于变化幅度不大（但由于变化幅度不大（2.62.8),通常可按经验数值选用，如下表。通常可按经验数值选用，如下表。粘性土粘性土土的名称土的名称砂土砂土粉土粉土粉质粘土粉质粘土粘土粘土土粒比重土粒比重2.652.69 2.702.71 2.722.73 2.742.76土粒比重参考值土粒比重参考值%sWmm=w含水量是标志土的湿度的一个重要物理指标，一般用含水量是标志土的湿度的一个重要物理指标，一般用烘箱法烘箱法测定。测定。33mtcmgVm或单位=土的密

8、度土的密度 用用环刀法环刀法测定。测定。（四）干密度（四）干密度d、饱和、饱和密度密度sat、和有效密度、和有效密度 mVVmVVmVWssWVssatsd-= .+=计算自重应力时，须采用计算自重应力时，须采用土的重力密度，简称重度。土的重力密度，简称重度。土的湿重度土的湿重度 、干重度、干重度 d、饱和重度饱和重度 sat、有效重度、有效重度 分别按下式计算：分别按下式计算：g=gdd=gsatsat=g =单位：单位：3/mkN1.土的干重度土的干重度d(1)表达式表达式：d =固体重力固体重力总体积总体积=wsv(2)物理意义：单位体积的土在水分烘干后的重力，物理意义：单位体积的土在水

9、分烘干后的重力，即干土的重力密度。即干土的重力密度。(3)常见值：常见值：1318KN/m3(4)工程应用：常用做填方工程中土体压实质量控制的工程应用：常用做填方工程中土体压实质量控制的标准。标准。(5)换算公式：换算公式：d=1+2.土的饱和重度土的饱和重度sat(1)表达式表达式：sat =孔隙全部充满水的总重力孔隙全部充满水的总重力总体积总体积=wsv(2)物理意义：孔隙中全部充满水时单位体积的重力，物理意义：孔隙中全部充满水时单位体积的重力，即饱和度为即饱和度为100%时的重力密度。时的重力密度。(3)常见值：常见值：1823KN/m3+Vv w(1)表达式表达式：=wsv(2)物理意

10、义：地下水位以下土体受水的浮力作用时单物理意义：地下水位以下土体受水的浮力作用时单位体积的重力。位体积的重力。(3)常见值：常见值：813KN/m3+Vv w3.土的有效重度土的有效重度-vVw=sat w-（五）孔隙比（五）孔隙比e和孔隙率和孔隙率n（六）土的饱和度（六）土的饱和度SrsVVVe =%100=VVnV土的孔隙比土的孔隙比e和孔隙率和孔隙率n是是反映土密实程反映土密实程度的重要物理性质指标度的重要物理性质指标，e或或n越大，越大，土越疏松，反之土越密实。一般土越疏松，反之土越密实。一般e1.0的土的土是疏松的高压缩性土。是疏松的高压缩性土。%100=VWrVVs砂土根据饱和度的

11、指标值分为稍湿、砂土根据饱和度的指标值分为稍湿、很湿与饱和三种湿度状态。很湿与饱和三种湿度状态。 Sr 50为为稍湿；稍湿； 5080饱和。饱和。令令w1= w ,Vs=1 因因所以所以VV=e,V=1+esVVVe =Wsd=WsssVdmWssWdmmww=Wsdw+=1m推导如下：推导如下：二、指标的换算二、指标的换算edVmWs+=11w由上式：由上式：w+=+=11edVmWssd111-+=-=wWsdWsddeeedVVmWsWVssat+=+=1edVVVmVVVmVVmWsWsatWWVsWVsWss+-=-=-+=-=-=11edVmVVseeVVnsWVWVWrVw=+=

12、1 上节讲述土的物理性质指标，本节讲述土的物理状态指上节讲述土的物理性质指标，本节讲述土的物理状态指标，即要标，即要研究土的松密和软硬。研究土的松密和软硬。 一、无粘性土的密实度一、无粘性土的密实度 密实度：单位体积土中固体颗粒的含量。密实度：单位体积土中固体颗粒的含量。 密实度指标：密实度指标： a.孔隙比孔隙比e 规范以孔隙比规范以孔隙比e作为作为砂土砂土密实度的划分标准，分为：密实、密实度的划分标准，分为：密实、中密、稍密、松散四状态。中密、稍密、松散四状态。 b.标准贯入试验标准贯入试验 用标准贯入试验锤击数划分用标准贯入试验锤击数划分砂土砂土密实度。密实度。 c.野外鉴别方法野外鉴别

13、方法 对对碎石土碎石土，通过观察，根据骨架颗粒含量和排列、可挖性、，通过观察，根据骨架颗粒含量和排列、可挖性、可钻性将其密实度划分为密实、中密、稍密。可钻性将其密实度划分为密实、中密、稍密。d.相对密度相对密度Dr Dr=(emax-e)/(emax-emin), 考虑颗粒级配的影响。考虑颗粒级配的影响。 砂土的密实度可用天然孔隙比衡量。一般砂土的密实度可用天然孔隙比衡量。一般e小于小于0.6，属密实的砂土，是良好的天然地基，当属密实的砂土，是良好的天然地基，当e大于大于0.95时，时，为松散状态，不宜作天然地基。但未考虑土颗粒级配为松散状态，不宜作天然地基。但未考虑土颗粒级配的影响。若考虑级

14、配因素，可采用相对密实度的影响。若考虑级配因素，可采用相对密实度Dr来表来表示砂土的密实度：示砂土的密实度：minmaxmaxeeeeDr-=按按Dr值可将砂土的密实状态划分如下三类：值可将砂土的密实状态划分如下三类： 1 Dr0.67 密实的密实的 0.67 Dr0.33 中密的中密的 0.33 Dr0 松散的松散的 虽然相对密实度从理论上能反映颗粒级配、颗粒虽然相对密实度从理论上能反映颗粒级配、颗粒形状等因素。但由于对砂土很难采取原状土样，故天形状等因素。但由于对砂土很难采取原状土样，故天然孔隙比不宜测准。规范用标准贯入试验的锤击然孔隙比不宜测准。规范用标准贯入试验的锤击数来划分砂土的密实

15、度。数来划分砂土的密实度。密密实实度度密密实实中中密密稍稍密密松松散散标标贯贯击击数数NN3030N1515N10N10砂砂 土土 的的 密密 实实 度度表中表中N= N，N为实测值。为实测值。（4）碎石土的密实度）碎石土的密实度 碎石土更不宜取得原状土样，也难于将贯入器击入碎石土更不宜取得原状土样，也难于将贯入器击入其中。对这类土可在现场进行观察其中。对这类土可在现场进行观察,根据其骨架颗粒含量、根据其骨架颗粒含量、排列、可挖性及可钻性鉴别。将碎石土分为密实、中密和排列、可挖性及可钻性鉴别。将碎石土分为密实、中密和稍密三种。稍密三种。 (5) 碎石土密实度野外鉴别方法（见下表）：碎石土密实度

16、野外鉴别方法（见下表）： 粘性土最主要的性质是土粒与水相互作用产生的粘性土最主要的性质是土粒与水相互作用产生的稠度稠度。它。它反映土粒之间反映土粒之间连接强度连接强度随含水量高低而变化的性质。随含水量高低而变化的性质。A、稠度：、稠度：是指土的软硬状态或土对受外力作用所引起变形或是指土的软硬状态或土对受外力作用所引起变形或破坏的抵抗能力。破坏的抵抗能力。B、稠度界限：、稠度界限：粘性土由某一种状态过渡到另一状态的分界含粘性土由某一种状态过渡到另一状态的分界含水量。水量。 一、粘性土的界限含水量一、粘性土的界限含水量 同一种粘性土随其含水量的不同，而分别处于固同一种粘性土随其含水量的不同，而分别

17、处于固态、半固态、可塑状态及流动状态。由一种状态转变态、半固态、可塑状态及流动状态。由一种状态转变到另一种状态的分界含水量，叫到另一种状态的分界含水量，叫界限含水量界限含水量。界限含水量的测定方法界限含水量的测定方法：塑限塑限 ：搓条法（滚搓法）；：搓条法（滚搓法）；液限液限 ：锥式液限仪（如下图）。：锥式液限仪（如下图）。pwlwswpwlwIP粘粒含量粘粒含量蒙脱石蒙脱石高岭石高岭石伊理石伊理石蒙脱石蒙脱石粘粒含量粘粒含量IPIP与矿物成分的关系与矿物成分的关系二、粘性土的塑性指数和液性指数二、粘性土的塑性指数和液性指数 1.塑性指数塑性指数IP：PLpIww-=（省去（省去%） IP表示

18、土处于可塑状态的含水量范围大小表示土处于可塑状态的含水量范围大小。它与颗粒。它与颗粒粗细、矿物成分和水中离子成分的浓度有关。粗细、矿物成分和水中离子成分的浓度有关。 土颗粒土颗粒越细且含量越多越细且含量越多，则比表面越大，土的结合，则比表面越大，土的结合水含量越高，水含量越高， IP越大越大。当水中。当水中高价阳离子浓度增加高价阳离子浓度增加时，时，土粒表面吸附的反离子层厚度变薄结合水含量相应减少，土粒表面吸附的反离子层厚度变薄结合水含量相应减少， IP也小也小；反之，；反之， IP变大。变大。 IP与矿物成分的关系（如下图）。与矿物成分的关系（如下图）。PPPLPLIIwwwwww-=-=是

19、反映粘性土软硬状态的指标。是反映粘性土软硬状态的指标。1LLIww10LPLIwww0LPIww流动状态流动状态;可塑状态可塑状态;固态。固态。状状 态态坚坚 硬硬硬硬 塑塑可可 塑塑软软 塑塑流流 塑塑LI0LI25. 00LI75. 025. 0LI175. 0LI1LI粘性土软硬状态的划分粘性土软硬状态的划分)42(tS)4(tS三、粘性土的灵敏度和触变性三、粘性土的灵敏度和触变性 天然状态的粘性土当受扰动后，其强度降低、压天然状态的粘性土当受扰动后，其强度降低、压缩性增大。土的结构性对强度的这种影响，可用灵敏缩性增大。土的结构性对强度的这种影响，可用灵敏度度 衡量：衡量：uutqqS=

20、tS根据灵敏度将饱和粘性土分为：根据灵敏度将饱和粘性土分为：低灵敏低灵敏),21 (tS中灵敏中灵敏和和高灵敏高灵敏三类。三类。触变性触变性：饱和粘性土当受扰动后，其强度降低，但：饱和粘性土当受扰动后，其强度降低，但当扰动停止后，强度又随时间增大，这种特性称为当扰动停止后，强度又随时间增大，这种特性称为触变性触变性。qu,qu原状、重塑原状、重塑试样的无侧限抗压强试样的无侧限抗压强度度 地基土（岩）分类的任务是根据分类用途和土（岩）地基土（岩）分类的任务是根据分类用途和土（岩）的各种性质的差异将其划分为一定的类别。下面介绍的各种性质的差异将其划分为一定的类别。下面介绍（岩）土的工程分类：（岩）

21、土的工程分类：本节的分类方法为地基规范分类法。本节的分类方法为地基规范分类法。 1、定义：、定义：颗粒间牢固联结，呈整体或具有节理裂隙的颗粒间牢固联结，呈整体或具有节理裂隙的岩体。岩体。 按按坚固性坚固性分为：硬质岩石、软质岩石。分为：硬质岩石、软质岩石。 按岩石按岩石风化程度风化程度分为：微风化、中等风化、强风化。分为：微风化、中等风化、强风化。 按按成因成因分为：岩浆岩、沉积岩、变质岩。分为：岩浆岩、沉积岩、变质岩。 1、定义：粒径、定义：粒径d2mm的颗粒含量超过全重的颗粒含量超过全重50%的土。的土。2、分类依据：土的、分类依据：土的粒组含量粒组含量及及颗粒形状颗粒形状。3、定名：漂石或块石、卵石或碎石、圆砾或角砾。、定名：漂石或块石、卵石或碎石、圆砾或角砾。4、工程性质：根据骨架颗粒含量占总重的百分比，、工程性质：根据骨架颗粒含量占总重的百分比，颗粒的排列，可挖性与可钻性分为密实、中密、稍密颗粒