第三章 土的物理性质与工程分类

1、CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES第一节 土的基本物理性质第二节 粘性土的稠度与可塑性第三节 土的透水性第四节 土的工程分类第三章第三章 土的物理性质与工程分类土的物理性质与工程分类主讲：马淑芝CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES第一节第一节 土的基本物理性质土的基本物理性质土的物理性质土的物理性质是指三相的质量与体积之间的相互比例关系及固、液二相相互作用表现出来的性质。前者称为土的基本物理性质土的基本物理性质，主要研究土的密实程度和干湿状况；后者主要研究粘性土的可塑性、胀缩性及透水性等。CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES土

2、的三相示意图土的三相示意图气气水水土粒土粒msmwmVsVwVVa质量质量m体积体积VVvma0CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES一、土粒密度一、土粒密度 土粒密度土粒密度s是指固体颗粒的质量与其体积之比，即单位体积土粒的质量。 土粒密度大小决定于土粒的矿物成分，与土的孔隙大小和含水多少无关，它的数值一般在2.602.80g/cm3之间（表3-1）。)(g/cm 3sssVmCHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES一、土粒密度一、土粒密度 土粒比重土粒比重Gs 土粒的质量与同体积纯蒸馏水在4C时的质量之比。无量纲。s3w44Gs /1 4 在数值上等于

3、则时纯蒸馏水的密度式中cmgCVmGsCwwsCwss如何测定？CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES测定土粒密度（比重）：比重瓶法测定土粒密度（比重）：比重瓶法土粒的质量dm比重瓶、水总质量bwm比重瓶、水、土总质量bwsmwbwsdbwdsGGmmmmCHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES二、土的密度与重度二、土的密度与重度 土的密度土的密度：单位体积土的质量，指土的总质量与总体积之比，即其单位是g/cm3。 土的重度土的重度：单位体积土的重量，kN/m3。 土有天然、干燥、饱和三种状态，对应有三种状态下的密度和重度。22/109.8m/sg smg

4、式中CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES1 1、天然密度与重度、天然密度与重度 天然状态下单位体积土的质量，称天然密度天然密度，即： 天然密度常见值为1.62.2g/cm3，小于土粒密度值，它是一个实测指标。 天然重度天然重度swaswVVVmmVm？gCHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES测定土的密度：环刀法测定土的密度：环刀法环刀的容积V=60cm3；环刀的质量m1；环刀和土的质量m2；Vmm:12土的密度CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES2 2、干密度与干重度、干密度与干重度 土的孔隙中完全没有水时的密度，称土的干密度干密

5、度d ，指单位体积干土的质量，即 干密度与土中含水多少无关，只取决于土的矿物成分和孔隙性。土的干密度一般在1.41.7g/cm3之间。 干重度干重度dgddVmsdCHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES3 3、饱和密度与饱和重度、饱和密度与饱和重度 土的孔隙完全被水充满时的密度称为饱和密度饱和密度sat ，也就是土孔隙中全部充满液态水时的单位体积土的质量，即 饱和重度饱和重度satgsatsatVVmws.vsatCHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES4 4、浮重度（有效重度）、浮重度（有效重度） 处于地水位以下的有效重度常特称为土的浮重度浮重度，等于土

6、的饱和重度减去水的重度（w），即： 对于同一种土来讲，土的天然重度、干重度、饱和重度、浮重度在数值上有如下关系： wsatdsatCHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES三、土的含水性三、土的含水性 含水量含水量指土中所含水分的质量与固体颗粒质量之比，以百分数表示，又称土的含水率含水率。 一般所说的含水量指的是天然含水量。 土的孔隙中全被水充满时的含水量，称为饱和含水量饱和含水量wsat。 饱和含水量既能反映土孔隙中全部充满水时含水多少。又能反映土的孔隙率大小。1 1、含水量（含水率）、含水量（含水率）%100swmmw%100vsatswmVw测定方法：烘干法测定方法：烘干

7、法CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES测定土的含水量：烘干法测定土的含水量：烘干法称量盒质量m0；称量盒加湿土质量m1；称量盒加干土质量m2；%100mmmm:0221土的含水量CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES2 2、饱和度、饱和度 土孔隙中所含水的体积与土中孔隙体积的比值称为土的饱和度饱和度，以百分数表示。 或天然含水量与饱和含水量之比： 饱和度可以说明土孔隙中充水的程度。干土：Sr=0；饱和土：Sr=100%。 工程实际中，按饱和度大小常将砂类土划分为如下三种含水状况：Sr80% 饱和的%100vwrVVS%100satwwSrCHINAUN

8、IVERSITY OFGEOSCIENCES四、土的孔隙性四、土的孔隙性 土中孔隙大小、形状、分布特征、连通情况与总体积等，称为土的孔隙性孔隙性。其主要取决于土的颗粒级配与土粒排列的疏密程度。1 1、孔隙度、孔隙度 孔隙度孔隙度又称孔隙率孔隙率，指土中孔隙总体积与土的总体积之比，用百分数表示。 土的孔隙度取决于土的结构状态，砂类土的孔隙度常小于黏性土的孔隙度。 土的孔隙度一般为2752%。新沉积的淤泥，孔隙度可达80%。 %100vVVnCHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES2 2、孔隙比、孔隙比 孔隙比孔隙比指土中孔隙体积与土中固体颗粒总体积的比值，用小数表示 孔隙度与孔

9、隙比的关系为 土的孔隙比说明土的密实程度，按其大小可对砂土或粉土进行密实度分类。svVVe -nneeen11或CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES岩土工勘察规范岩土工勘察规范（GB50021-2001）了解：了解：CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES3 3、砂土的相对密度、砂土的相对密度 砂土的密实程度还可用相对密度相对密度（Dr）来表示。 minmaxmaxrDeeee比），最疏松状态时的孔隙最大孔隙比（松砂器法）最紧密状态时的孔隙比最小孔隙比（振击法，:maxmineeDr=0时，土处于最疏松状态；Dr=1时，土处于最密实状态。松散的中密的密实

10、的 Dr. .Dr. .Dr03303306706701CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES标准贯入试验锤击数N密实度N10松散10N15稍密1530密实砂土密实度分类（表砂土密实度分类（表3.3.9）了解：了解：岩土工勘察规范岩土工勘察规范（GB50021-2001）CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES五、指标之间的关系五、指标之间的关系 土粒密度、天然密度、含水量是三个基本实测指标基本实测指标、即通过试验直接测定。 由实测指标换算求取六个导出指标可直接用简单的数学演算方法，如：1)1 (1111/wmVVmVVVVVVVewmmVmmmVmVms

11、dssssssssvmmmsssdswsCHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES土粒比重(Gs)含水量() 密度() 干密度(d) 饱和密度(sat)有效密度( )孔隙比(e)孔隙率(n)饱和度(Sr)%100swmmwVmCwssVmGs4 VmsdVVmvssat svVVe %100n VVv %100vwVVSrsatssVVm CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES土的三相指标之间可以进行换算，换算的一般方法是：根据上述关系及各指标的定义，可以推导出其他指标的计算公式。 wswsswwswsssvsGmGmmGGVmee, VVV)1 (11则令

12、CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCESVsssswswwswVVVmGVmmmmmmVmV, 1则令CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES推导公式：推导公式： 干密度的定义公式 令Vs=1，则由孔隙比的定义可得 由土粒比重的定义可得 把（2）、（3）代入（1）得eGwsd1）（ 1 Vmsd）（2 11eVVVVVVVesvsv）（3 wsswsswssGmVmGeGwsd1CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCESdSrneGswcmg、求测得某原状土样例题 67. 2 %9 .12 /67. 1 :1330 . 1 cmVs设30 .

13、 1 cmVsgms67. 2gmw344. 00amgm014. 3805. 1V3344. 0cmVw 2.67 67. 21ssswsVmGs）（344. 02wmmsw）（344. 0/ 3wwwmV）（ 1.805 /4mV）（绘三相草图解:3a461. 0cmV 与质量、确定三相组成的体积1014. 3swmmm461. 0805. 0wvasvVVVVVV3v805. 0cmV CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES标、按定义求其它各项指2805. 0svVVe 44.6%VVnv%7 .42vwVVSr3cm/48g. 1VmsddSrneGswcmg、求测

14、得某原状土样例题 67. 2 %9 .12 /67. 1 :1330 . 1 cmVs设30 . 1 cmVsgms67. 2gmw344. 00amgm014. 3805. 1V3344. 0cmVw绘三相草图解:3a461. 0cmV 与质量、确定三相组成的体积13v805. 0cmV CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES第二节第二节 黏性土的稠度与可塑性黏性土的稠度与可塑性黏性土的稠度与可塑性是土粒与水相互作用后所表现出来的物理性质。 CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES一、黏性土的稠度状态一、黏性土的稠度状态 黏性土因含水多少而表现出的稀稠软

15、硬程度，称为稠度稠度。 因含水多少而呈现出的不同的物理状态称为黏性土的稠稠度状态度状态。 固态固态：含水量相对较少，粒间主要为强结合水连结，连结牢固，土质坚硬，力学强度高，不能揉塑变形，形状大小固定。 塑态塑态：含水量较固态为大，粒间主要为弱结合水连结，在外力作用下容易产生变形，可揉塑成任意形状不破裂、无裂纹，去掉外力后不能恢复原状。 流态流态：含水量继续增加、粒间主要为液态水占据，连结极微弱，几乎丧失抵抗外力的能力，强度极低，不能维持一定的形状，土体呈泥浆状，受重力作用即可流动。 CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES二、界限含水量二、界限含水量稠度界限稠度界限缩限塑限液

16、限0固态 半固态 可塑状态 流动状态 土从某种稠度状态转变为另一种状态时的界限含水量称为稠度界限稠度界限，又称为Atterberg界限界限 液液性性界限：界限：相当于土从塑性状态转变为液性状态时的含水量，简称液限液限 wL 粉土的液限在3238%之间，粉质黏土为3846%，黏土为4050%。 塑性塑性界限：界限：相当于土从半固体状态转变为塑性状态时的含水量，简称塑限塑限 wp 常见值为1728%CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES塑限试验塑限试验CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES液限试验液限试验CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENC

17、ES测定黏性土的液测定黏性土的液塑（锥式液限仪）塑（锥式液限仪） 0.75N，锥角30，锥体下沉深度为10mm，所对应的含水量为黏性土的液限（放锥15秒）CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES 液性指数液性指数IL反映土的天然含水量与界限含水量之间的关系，工程上用来表示土的稠度状态。LpLpLIwwwwI习惯上采用小数表示 pL0-pL-p状态状态液性指数液性指数坚硬坚硬硬塑硬塑可塑可塑软塑软塑流塑流塑IL00IL0.250.25IL0.750.75IL1IL1CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES三、黏性土的可塑性三、黏性土的可塑性 当黏性土的含水量在

18、某范围内时，可用外力塑成任何形状而不发生裂纹，并在外力移去时能保持既得的形状，土的这种性能叫可塑性可塑性。 黏性土中含水量在液限与塑限两个稠度界限之间时，土处于可塑状态，具有可塑性，这是黏性土的独特性能。 wL和wp的差值可以反映可塑性的大小，工程上定义为塑性指数塑性指数 IP pLwwIPCHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES黏性土的分类黏性土的分类 岩土工程勘察规范 (GB50021-2001)规定： 粒径大于0.075mm的颗粒质量不超过总质量的50%，且塑性指数等于或小于10的土，应定名为粉土粉土。 塑性指数大于10的土为黏性土黏性土。 黏性土应根据塑性指数分为粉质

19、黏土和黏土。塑性指数大于10，且小于或等于17的土，应定名为粉质黏土粉质黏土；塑性指数大于17的土应定名为黏土黏土。 注：塑性指数应由相应于76g圆锥仪沉入土中深度为10mm时测定的液限计算而得。10粉土 粉质黏土 黏土Ip17黏性土CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES从某地基取原状土样，测得土的液限wL=47%，塑限wp=18%，天然含水量w=40%，问地基土是什么土，处于什么状态？解：解： 1.求塑性指数：2.求液性指数：3.Ip 17，该地基土为黏土；4.查表3-4， 1.0IL0.75，得土处于软塑状态。759. 018471840pLpLwwwwI291847p

20、LpwwI例题例题2：CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES第三节第三节 土的透水性土的透水性 水在土体孔隙中流动的现象称为渗流渗流。 土具有被水等液体透过的性质称为土的渗透性渗透性。一、土的渗透规律一、土的渗透规律 砂土、粉土的渗透符合Darcy定律（1856） 在层流状态下，土中水的渗流速度与能量损失之间服从线性渗流规律。v=kiivO砂土砂土渗透系数渗透系数k是反映土的透水性能的比例系数，是水力梯度为1时的渗透速度，其量纲与渗透速度相同。CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCESDarcy定律试验定律试验cm cm cm/s cm cm cm/s 23

21、渗流途径水头差水头损失水力梯度水力坡降渗透系数过水断面渗出水量断面平均渗透流速式中或LhikAQv LhkkiAQvkAi Q CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES了解：了解：密实密实的黏土的黏土，需要克服结合水，需要克服结合水的黏滞的黏滞阻力后才能发生渗透阻力后才能发生渗透; ;同时同时渗透系数与水力坡降的规律还偏离渗透系数与水力坡降的规律还偏离DarcyDarcy定律而呈非线性定律而呈非线性关系。关系。 i0起始水力坡降起始水力坡降虚直线简化虚直线简化0iv密实黏土密实黏土v=k(i-i0)CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES二、影响土的渗透性的

22、因素二、影响土的渗透性的因素1.颗粒级配土粒越细或粗大颗粒间含细颗粒越多，土得渗透性越弱；反之，渗透性越强。2.矿物成分原生矿物成分不同，土中的孔隙的形态不同，土的渗透性有明显差异；黏土矿物成分不同，形成结合水膜的厚度不同，亲水性越强，渗透性越小。3.土的密度渗透性随密实程度增加而降低。4.土的结构构造土的渗透性具各向异性。三、土的渗透变形与破坏三、土的渗透变形与破坏 流经土体的水流会对土颗粒和土体施加作用力，称为渗透渗透力，单位为力，单位为kN/m3。 土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏称为渗透变形渗透变形或渗透破坏渗透破坏。 渗透变形的基本型式为流土流土和管涌管涌。 1、流土（

23、流土（Flowing soil） 指在向上的渗透水流作用下，表层土局部范围内的土体或颗粒同时发生悬浮、移动的现象。三、土的渗透变形与破坏三、土的渗透变形与破坏2、管涌管涌 （Piping） 指在渗透水流的作用下，土 中的颗粒被水流逐渐带走，最终导致土体内形成贯通的渗流管道，造成土体坍塌的现象。第四节第四节 土的工程分类土的工程分类基本原则：基本原则：所划分的土类能反映土性质的变化规律。土的工程分类总起来可以归纳为三级分类土的工程分类总起来可以归纳为三级分类第一级分类是成因类型分类第一级分类是成因类型分类如：Q3湖积土，Q4冲积土等岩土工程勘察规范将土按沉积年代划分为老沉积土和新近沉积土。 按地

24、质成因，分残积土主要用于编制小比例尺概略图，为规划阶段制定规划方案，说明区域工程地质条件。一、工程分类的原则和类型一、工程分类的原则和类型第四节第四节 土的工程分类土的工程分类第二级分类是土质类型分类第二级分类是土质类型分类考虑土的物质组成及其与水的相互作用特点，将土划分为“一般土”和“特殊土”。常用于大中比例尺工程地质图。第三级分类是工程建筑类型分类第三级分类是工程建筑类型分类考虑与水作用特点（饱和状态、稠度状态、胀缩性、湿陷性等）、土的密实度、压缩固结特征等。综合定名：新近堆积砂质粉土、残坡积碎石土一、工程分类的原则和类型一、工程分类的原则和类型二、土质分类简介二、土质分类简介 在实际工程

25、应用中规定，土中粒径d0.075mm（有的规范用0.1mm）的土粒质量大于全部土粒质量的50%时称为粗粒土粗粒土， 小于50%时称为细粒土细粒土。 粗粒土的工程性质取决于其颗粒级配，故按颗粒级配按颗粒级配对粗粒土进一步细分对粗粒土进一步细分。 细粒土的工程性质不仅取决于颗粒级配，还与矿物成分和颗粒形状有密切关系。矿物成分和颗粒形状综合表现为土的吸附结合水的能力，故细粒土多用塑性指细粒土多用塑性指数数Ip或液限或液限wL加塑性指数加塑性指数Ip进行细分进行细分。（一）（一）土的工程分类标准土的工程分类标准GB/T 50145-2007分类法分类法 土分为巨粒类土、粗粒类土、细粒类土三大类。巨粒类

26、土巨粒类土（了解）（了解）粗粒类土粗粒类土（了解）（了解）塑性图分类（塑性图分类（GBT 50145-2007，3.0.5）0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110Ip=7Ip=4BA线Ip=0.73(L-20)B线L=50%A605040302010塑性指数IP液限L，%CHCHOMLMLOCLCLOMHMHOCHO:有机质高液限黏土细粒土为试样中粗粒组质量少于总质量的25%。细粒土应根据塑性图分类L:低液限 H:高液限C:黏土 M:粉土 O:有机质 注：1、图中的液限为用蝶式仪测定的液限含水量，或用质量为76g，锥角为30的液限仪锥尖入土深度为17mm对应的

27、含水率。 2、图中虚线之间区域为黏土粉土过渡区。细粒类土细粒类土（二）（二）岩土工程勘察规范岩土工程勘察规范GB50021-2001分类法分类法土按粒度成分分类表土的名称颗粒级配大类类粗粒土碎石土 粒径大于2mm的颗粒超过总质量的50%砂类土 粒径大于0.075mm的颗粒超过总质量50%细粒土粉土粒径小于0.005mm的颗粒超过总质量10%黏性土粒径小于0.005mm的颗粒质量大于总质量30%1、碎石类土、碎石类土碎石类土碎石类土是粒径大于2mm的颗粒含量超过50%的土土的名称颗粒级配及形状碎石土漂石圆形及亚圆形为主粒径大于200mm的颗粒超过总质量的50%块石棱角形为主卵石圆形及亚圆形为主粒

28、径大于20mm的颗粒超过总质量的50%碎石棱角形为主圆砾圆形及亚圆形为主粒径大于2mm的颗粒超过总质量的50%角砾棱角形为主土的名称颗粒级配砂类土砾砂粒径大于2mm的颗粒占总质量的2550%粗砂粒径大于0.5mm的颗粒超过总质量50%中砂粒径大于0.25mm的颗粒超过总质量50%细砂粒径大于0.075mm的颗粒超过总质量85%粉砂粒径大于0.075mm的颗粒超过总质量50%2、砂类土、砂类土砂砂类土类土是粒径大于2mm的颗粒含量不超过50%，粒径大于0.075mm的颗粒含量超过50%的土。粉土砂质粉土粒径小于0.005mm的颗粒不超过总质量10%黏质粉土粒径小于0.005mm的颗粒超过总质量1

29、0%3、粉土、粉土 粉土粉土是粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过50%，塑性指数Ip小于或等于10的土。4、黏性、黏性土土黏性黏性土土是粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过50%，塑性指数Ip大于10的土。黏性土粉质黏土 粒径小于0.005mm的颗粒质量占总质量18-30%黏土粒径小于0.005mm的颗粒质量大于总质量30%黏性土粉质黏土 10 17三、特殊土（了解）三、特殊土（了解）1、湿陷性土、湿陷性土岩土工程勘察 在200kPa 的压力下浸水载荷试验的附加湿陷量与承压板宽度之比等于或大于0.023 的土， 应判定为湿陷性土湿陷性土。 包括湿陷性碎石土、湿陷性砂土和其他湿陷性土。湿陷

30、性黄土的区建筑规范 湿陷性黄土湿陷性黄土：在一定压力下受水浸湿，土结构迅速破坏，并产生显著附加下沉的黄土。 当湿陷系数等于或大于0.015时，可定为湿陷性黄土。2、红黏土、红黏土 颜色为棕红或褐黄，覆盖于碳酸盐岩系之上，其液限大于或等于50%的高塑性黏土，应判定为原生红黏土原生红黏土。 原生红黏土经搬运、沉积后仍保留其基本特征，且其液限大于45%的黏土，可判定为次生红黏土次生红黏土。 红黏土主要特征：上硬下软、表面收缩、裂隙发育。 地基是否均匀也是红黏土分布区的重要问题。3、软土、软土 软土：软土：天然孔隙比大于等于1.0，且天然含水量高大于液限的细粒土。 主要特征：主要特征：软土孔隙比大、含

31、水量高、压缩性高（a1-20.5MPa-1）、强度低。 包括淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土等。（1）淤泥淤泥： L e1.5（2）淤泥质土淤泥质土 ： L 1.0e1.5 淤泥与淤泥质土合称淤泥土。淤泥与淤泥质土合称淤泥土。（3）有机质土：5% 有机质含量 10% 泥炭质土：10%60% 4、混合土、混合土 由细粒土和粗粒土混杂且缺乏中间粒径的土应定名为混合混合土土。 当碎石土中粒径小于0.075mm的细粒土质量超过总质量的25%时，应定名为粗粒混合土粗粒混合土； 当粉土或黏性土中粒径大于2mm的粗粒土质量超过总质量的25%时，应定名为细粒混合土细粒混合土。 混合土在颗粒级配分布曲线上呈不连续状。 成因多为坡积、洪积、冰水沉积。5、填土、填土 根据物质组成和堆填方式，可分为：（1）素填土素填土：由碎石土、砂土、粉土和黏性土等一种或几种材料组成，不含杂物或含杂物很少；（2）杂填土杂填土：含有大量建筑垃圾、工业废料或生活垃圾等杂物；（3）冲填土冲填土：由水力冲填泥沙形成；（4）压实填土压实填土：按一定标准控制材料成分、密度、含水量，分层压实或夯实而成。 一般说来，填土（控制质量的压实填土除外）的成分比较复杂，均匀性差，厚度变化大，利用填土作为天然地基应谨慎。 素填土和杂填土可能