第1章土的性质及工程分类

1、第一章第一章 土的物理性质及工程分类土的物理性质及工程分类土土土是由固体颗粒、水和空气土是由固体颗粒、水和空气组成的三相体系组成的三相体系三相体系决定了土的物理性质三相体系决定了土的物理性质（轻重、疏密、干湿、软硬）（轻重、疏密、干湿、软硬）土的物理性质又决定了土的力学性质土的物理性质又决定了土的力学性质土的性质包括土的性质包括物理性质物理性质力学性质力学性质水理性质水理性质工程性质工程性质 本章主要介绍本章主要介绍土的组成及土的结构土的组成及土的结构土的物理性质指标土的物理性质指标无粘性土的密实度无粘性土的密实度粘性土的物理特性粘性土的物理特性地基地基(岩岩)土的工程分类土的工程分类概述概述

2、 土是风化的产物，土是风化的产物，是由固体颗粒、水和空是由固体颗粒、水和空气组成的三相体系。气组成的三相体系。在外力作用下，土体并不显示在外力作用下，土体并不显示为一般固体的特性，也不表现为一般固体的特性，也不表现为一般液体的特性，因此，在为一般液体的特性，因此，在研究土的工程性质时，既有别研究土的工程性质时，既有别于固体力学，也有别于液体力于固体力学，也有别于液体力学。学。土的概念土的概念土是地壳表层母岩风化后的产物，是各种矿物颗粒土是地壳表层母岩风化后的产物，是各种矿物颗粒( (土粒土粒) )的集合体，的集合体，包括岩石经包括岩石经物理风化物理风化崩解而成的碎块以及经崩解而成的碎块以及经化

3、学风化化学风化后形成的细粒物后形成的细粒物质，粗至巨砾，细至黏土，统称为质，粗至巨砾，细至黏土，统称为土土。土土 的的 形形 成成土土岩石岩石风化、搬运、沉积风化、搬运、沉积地质成岩作用地质成岩作用土的组成、结构土的组成、结构和物理力学性质和物理力学性质过程、条件过程、条件土的结构土的结构土颗粒或粒团的土颗粒或粒团的空间排列和相互联结空间排列和相互联结粗粒土的结构粗粒土的结构单粒结构单粒结构重力起主导作用重力起主导作用粒间力起粒间力起主导作用主导作用细粒土的结构细粒土的结构分散结构分散结构 凝聚结构凝聚结构土的结构土的结构土的成因土的成因土的形成要经历土的形成要经历风化、剥蚀、搬运、沉积风化、

4、剥蚀、搬运、沉积等作用过程。等作用过程。(1)(1)残积土残积土( (图图1.1) 1.1) 残积土残积土是残留在原地未被搬运的那一部分岩石风化剥蚀后的碎屑堆积是残留在原地未被搬运的那一部分岩石风化剥蚀后的碎屑堆积物，其物，其成分与母岩相同成分与母岩相同，一般没有层理构造，均质性差，孔隙度较大，一般没有层理构造，均质性差，孔隙度较大，作为建筑物地基容易引起不均匀沉降作为建筑物地基容易引起不均匀沉降。(2)(2)坡积土坡积土( (图图1.2)1.2)坡积土坡积土是高处的风化碎屑物在雨、雪水或本身重力的作用下搬运而成是高处的风化碎屑物在雨、雪水或本身重力的作用下搬运而成的山坡堆的山坡堆 积物。积物

5、。(3)(3)洪积土洪积土( (图图1.31.3)图图1.1 1.1 残积土残积土 图图1.2 1.2 坡积土坡积土图图1.3 1.3 洪积土洪积土洪积土洪积土是指在山区或高地由暂时性水流是指在山区或高地由暂时性水流( (山洪急流山洪急流) )作用，将大量的残作用，将大量的残积物、坡积物搬运堆积在山谷中或山前平原上的堆积物。积物、坡积物搬运堆积在山谷中或山前平原上的堆积物。(4)冲积土冲积土(图图1.4) 图图1.4 1.4 冲积土冲积土 冲积土是由河流流水的地是由河流流水的地质作用，将两岸基岩及其质作用，将两岸基岩及其上部覆盖的坡积、洪积物上部覆盖的坡积、洪积物质剥蚀后搬运沉积在河流质剥蚀后

6、搬运沉积在河流平缓地带形成的沉积物。平缓地带形成的沉积物。冰川冰碛冰川冰碛湖湖 沼沼残积和坡积物残积和坡积物洪积平原洪积平原坡积物沙沙 漠漠云南红土云南红土沙沙 滩滩红粘土红粘土黄黄 土土1.1 1.1 土的三相组成土的三相组成土的三相：土的三相： （1 1）固相（）固相（Solid phaseSolid phase） 土颗粒骨架土颗粒骨架 （skeleton of soil particlesskeleton of soil particles）（2 2）液相（）液相（Liquid phaseLiquid phase） 水（水（WaterWater）（3 3）气相（）气相（G Gaseous

7、aseous phase phase） 空气（空气（AirAir）土中气体土中气体 气相气相 次要作用次要作用固体颗粒固体颗粒 固相固相 构成土体骨架构成土体骨架 起决定作用起决定作用土中水土中水 液相液相 重要影响重要影响饱和土饱和土 ：土体孔隙完全被水充满：土体孔隙完全被水充满干干 土土 ：土体孔隙完全被气充满：土体孔隙完全被气充满非饱和土：孔隙中水和气均存在非饱和土：孔隙中水和气均存在1.1.11.1.1土的固体颗粒（固相）土的固体颗粒（固相） 土的固体颗粒的大小和形状，矿物成分及其组成情况土的固体颗粒的大小和形状，矿物成分及其组成情况，是决定土的物理力学性质的重要因素。，是决定土的物理

8、力学性质的重要因素。固体成分固体成分原生矿物原生矿物 - 石英、长石、云母等石英、长石、云母等次生矿物次生矿物矿物质矿物质有机质有机质无定形氧化物胶体无定形氧化物胶体可溶盐可溶盐粘土矿物粘土矿物具有和原生矿物很不相同的特性具有和原生矿物很不相同的特性对粘土性质的影响很大对粘土性质的影响很大原生矿物：岩浆在喷出后，经冷凝过程形成的矿物。原生矿物：岩浆在喷出后，经冷凝过程形成的矿物。次生矿物次生矿物 ：原生矿物原生矿物经过化学风化后，经过化学风化后，形成的新形成的新的的矿物矿物。硅片的结构硅片的结构粘土矿物是一种复合的粘土矿物是一种复合的铝铝- -硅酸盐硅酸盐晶体，颗粒呈片状，是由晶体，颗粒呈片状

9、，是由硅片和铝片构成的晶包所组叠而成，可分成硅片和铝片构成的晶包所组叠而成，可分成高岭石、伊利高岭石、伊利石和蒙特石石和蒙特石三种类型。三种类型。 硅片硅片 铝片铝片SiSi氧离子氧离子O2-硅离子硅离子Si4+硅硅- -氧四面体氧四面体 硅片的结构硅片的结构 硅片简图硅片简图铝片的结构铝片的结构粘土矿物是一种复合的粘土矿物是一种复合的铝铝- -硅酸盐晶体硅酸盐晶体，颗粒呈片状，是，颗粒呈片状，是由硅片和铝片构成的晶包所组叠而成，可分成由硅片和铝片构成的晶包所组叠而成，可分成高岭石、伊高岭石、伊利石和蒙特石利石和蒙特石三种类型。三种类型。OH1-铝离子铝离子Al3+铝铝- -氢氧八面体氢氧八面

10、体 硅片的结构硅片的结构 硅片简图硅片简图Al Al 硅片硅片 铝片铝片(b) Illite 晶层间通过氢键联结，联结力强，晶晶层间通过氢键联结，联结力强，晶格不能自由活动，水难以进入晶格间格不能自由活动，水难以进入晶格间 能组叠很多晶层，多达百个以上，成能组叠很多晶层，多达百个以上，成为一个颗粒。颗粒长宽约为一个颗粒。颗粒长宽约0.3-30.3-3 ，厚约厚约0.03-10.03-1 。 主要特征：颗粒较粗，主要特征：颗粒较粗，不容易吸水不容易吸水膨胀和失水收缩，或者说亲水膨胀和失水收缩，或者说亲水能力差能力差。依硅片和铝片组叠依硅片和铝片组叠形式的不同，可分形式的不同，可分成如下三种类型：

11、成如下三种类型： 高岭石高岭石 蒙特石蒙特石 伊利石伊利石Si SiAl AlSi SiAl AlSi SiAl Al高岭高岭石微粒石微粒1:1的两的两层结构层结构 晶层间是晶层间是O O2-2-对对O O2-2-的连结，联结力很的连结，联结力很弱，水很容易进入晶层之间。弱，水很容易进入晶层之间。 每一颗粒能组叠的晶层数较少。颗粒每一颗粒能组叠的晶层数较少。颗粒大小约为大小约为0.1-10.1-1 ，厚约，厚约0.001-0.001-0.010.01 。 主要特征：颗粒细微，主要特征：颗粒细微，具有显著的具有显著的吸水膨胀、失水收缩的特性，吸水膨胀、失水收缩的特性，或者说亲水能力强。或者说亲水

12、能力强。2:1的三的三层结构层结构Si SiAl AlSi SiSi SiAl AlSi Si数层数层水分子水分子粘粘 土土 矿矿 物物依硅片和铝片组叠依硅片和铝片组叠形式的不同，可分形式的不同，可分成如下三种类型：成如下三种类型： 高岭石高岭石 蒙特石蒙特石 伊利石伊利石粘粘 土土 矿矿 物物 是云母在碱性介质中风化的产物。是云母在碱性介质中风化的产物。 与蒙特石相似，由两层硅片夹一层与蒙特石相似，由两层硅片夹一层铝片所形成的三层结构，但晶层之铝片所形成的三层结构，但晶层之间有钾离子连结间有钾离子连结。 主要特征：连结强度弱于高岭石而主要特征：连结强度弱于高岭石而高于蒙特石，其高于蒙特石，其

13、特征也介于两者特征也介于两者之间之间。2:1的三的三层结构层结构Si SiAl AlSi SiSi SiAl AlSi Si钾离子钾离子依硅片和铝片组依硅片和铝片组叠形式的不同，叠形式的不同，可分成如下三种可分成如下三种类型：类型： 高岭石高岭石 蒙特石蒙特石 伊利石伊利石亲水性最强的粘土矿物是：亲水性最强的粘土矿物是：A A、高岭石、高岭石 B B、蒙脱石、蒙脱石 C C、伊利石、伊利石 D D、方解石、方解石答案：答案：B 粘土矿物的亲水性强是指其吸水膨胀、失水收缩性强。三种主要粘土粘土矿物的亲水性强是指其吸水膨胀、失水收缩性强。三种主要粘土矿物中，亲水性最强的是蒙脱石，最弱的是高岭石，伊

14、利石居中。矿物中，亲水性最强的是蒙脱石，最弱的是高岭石，伊利石居中。？固体颗粒固体颗粒 - - 颗粒大小颗粒大小 粒组粒组 按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类 界限粒径界限粒径d(mm)砾石砾石砂粒砂粒粉粒粉粒粘粒粘粒胶粒胶粒6020.0750.0050.0020.250.5520粗 中 细粗 中 细0.075粗粒粗粒细粒细粒粗粒土：以砾石和砂砾为主要组成的土，也称粗粒土：以砾石和砂砾为主要组成的土，也称无粘性土无粘性土。细粒土：以粉粒、粘粒和胶粒为主要组成的土，也称细粒土：以粉粒、粘粒和胶粒为主要组成的土，也称粘性土粘性土。巨粒巨粒60土粒大小分析方法土

15、粒大小分析方法 Analysis methods of grain size（1）筛分（）筛分（Sieving）法）法 0.075 mm 的粗粒土（的粗粒土（Coarse-grained soil）（2）比重计（）比重计（Sedimentation）法）法 0.075 mm 的细粒土（的细粒土（Fine-grained soil） 土粒的级配（土粒的级配（Grading）（1）土粒的）土粒的级配级配: 土中各种粒组含量占该土总重量的百分数土中各种粒组含量占该土总重量的百分数（2）粒径分布曲线（）粒径分布曲线（Particle size distribution curve）级配曲线级配曲线（如

16、图（如图2.5） 粒组范围及各粒组含量粒组范围及各粒组含量 粒径分布情况粒径分布情况筛分法筛分法比重瓶法比重瓶法筛分法筛分法用一套孔径不同的筛子，按用一套孔径不同的筛子，按从上至下筛孔逐渐减小放置。从上至下筛孔逐渐减小放置。将事先称过质量的烘干土样将事先称过质量的烘干土样过筛，称出留在各筛上的土过筛，称出留在各筛上的土质量，然后计算其占总土粒质量，然后计算其占总土粒质量的百分数质量的百分数 比重计法比重计法利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同来确定小于某粒径的土粒含量来确定小于某粒径的土粒含量固体颗粒固体颗粒 - - 粒径级配粒径级配孔径孔径105.02

17、.01.00.50.250.1(0.075)200g土土筛余筛余0101618242238721009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数小于某粒径之土质量百分数P P（）（）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径粒径(mm)(mm)P100958778665536土的粒径级配土的粒径级配累积曲线累积曲线水分法水分法筛筛分分法法1009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（）小于某粒径之土质量百分数（）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径粒径(mm)(mm) 土的粒径级配累积曲线土

18、的粒径级配累积曲线固体颗粒固体颗粒 级配曲线级配曲线d60d50d10d30由曲线的形态可以评定土颗粒大由曲线的形态可以评定土颗粒大小的均匀程度。如曲线平缓则表小的均匀程度。如曲线平缓则表示粒径大小相差悬殊，颗粒不均示粒径大小相差悬殊，颗粒不均匀，级配良好；匀，级配良好；反之，则颗粒均匀，级配不良。反之，则颗粒均匀，级配不良。 土的不均匀程度：土的不均匀程度：用不均用不均匀系数：匀系数： C Cu u = d = d60 60 / d/ d1010 表示，表示，C Cu u 5 5，称为不均，称为不均匀土，反之称为均匀土匀土，反之称为均匀土 连续程度连续程度: : 用曲率系数用曲率系数 C C

19、c c = d = d30302 2 / / ( (d d6060 d d1010 ) ) 度量度量, C, Cc c=13=13为连续级配为连续级配, , 33或或15及及Cc=13（如图（如图2-5中中B线）线） 级配不良（级配不良（Poorly graded） ： 土粒大小均匀或粒径分布曲线不连续（如图土粒大小均匀或粒径分布曲线不连续（如图2-5中的中的A、C线）线）1060ddCu1060230dddCc(2-1)(2-2)F 粒组含量用于土的粒组含量用于土的分类定名分类定名；F 不均匀系数不均匀系数Cu用于判定土的用于判定土的不均匀程度不均匀程度： Cu 5为不均匀土；为不均匀土；

20、Cu 5为为 均匀土均匀土F 曲率系数曲率系数Cc用于判定土的用于判定土的连续程度连续程度：Cc =13为级配连续土；为级配连续土；Cc3 或或 Cc1为级配不连续土为级配不连续土F 不均匀系数不均匀系数Cu和曲率系数和曲率系数Cc 用于判定土的用于判定土的级配优劣级配优劣： Cu 5且且 Cc=13为级配为级配 良好的土；如果良好的土；如果Cu3或或Cc3030N1515N10N10砂砂 土土 的的 密密 实实 度度 1、粘性土的界限含水量、粘性土的界限含水量塑限和液限塑限和液限 粘性土由一种状态转变到另一种状态的分界含水量叫粘性土由一种状态转变到另一种状态的分界含水量叫界限含水量。界限含水

21、量。物理状态物理状态固态固态半固态半固态可塑状态可塑状态流动状态流动状态 粘性土的含水量低时，强度高；含水量高时，强度低，粘性土的含水量低时，强度高；含水量高时，强度低，并且随着含水量的变化，粘性土会呈现出不同的物理状态。并且随着含水量的变化，粘性土会呈现出不同的物理状态。 所谓所谓可塑状态可塑状态，就是当粘性土在某含水量范围内，可，就是当粘性土在某含水量范围内，可用外力塑成任何形状而不发生裂纹，并当外力移去后仍然用外力塑成任何形状而不发生裂纹，并当外力移去后仍然能保持既得的形状，土的这种状态叫可塑状态。能保持既得的形状，土的这种状态叫可塑状态。 由可塑状态转到流动状态的界限含水量叫液限由可塑

22、状态转到流动状态的界限含水量叫液限 。 土由半固状态转到可塑状态的界限含水量叫塑限，用符号土由半固状态转到可塑状态的界限含水量叫塑限，用符号 表示表示 。 土由半固状态不断蒸发水分，则体积逐渐减小，直到体积不土由半固状态不断蒸发水分，则体积逐渐减小，直到体积不再缩小时土的界限含水量叫缩限，用再缩小时土的界限含水量叫缩限，用 表示。表示。 L p s 液塑限测定根据土工试验规程液塑限测定根据土工试验规程( (SL237-007-SL237-007-1999)1999)规定，采用液塑限联合测定仪进行测定。规定，采用液塑限联合测定仪进行测定。液塑限联合测定仪液塑限联合测定仪2 2、 粘性土的塑性指数

23、和液性指数粘性土的塑性指数和液性指数 粘性土的塑性大小，可用土处于塑性状态的含水量范围来衡量。这范围即液限与塑限之差值，称为塑性指数，用 表示.PIpLpI土的塑性指数，一般以百分数的绝对值表示，不带%符号。pI 的数值，主要与粘性土内含粘粒多少有关，粘粒含量愈多，则其比表面和可能吸附的结合水含量越高，因而 也随之增大。而粘粒含量减少时，液限的数值逐渐趋向于塑限，土呈砂性。pI 是判别土在天然状态时稀稠度的指标，故也称是判别土在天然状态时稀稠度的指标，故也称稠度稠度 pppLpLIILI0.250.751可塑硬塑软塑流塑坚硬L说明：说明：液性指数表征土的天然含水量与界限含水量间的相对关液性指数

24、表征土的天然含水量与界限含水量间的相对关系。系。当当I IL L00时时, ,P P, ,土处于坚硬状态土处于坚硬状态; ;当当I IL L1 1时时, ,L L, ,土处于流动状态。土处于流动状态。根据根据I IL L值可以直接判定土的软硬状态值可以直接判定土的软硬状态 液性指数液性指数IL是粘性是粘性土的土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比 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IL00IL0.250.25IL0.750.75IL1IL1越大，土质越软，否则相反越大，土质越软，否则相反LI1.5 1.5 地基土（岩）的分类地

25、基土（岩）的分类 地基土的工程分类目的是为判断土的工程特性和评价地基土的工程分类目的是为判断土的工程特性和评价土作为建筑场地的可用程度。把土性能指标接近的划分为土作为建筑场地的可用程度。把土性能指标接近的划分为一类，以便对土体做出合理的评价和选择合适的地基处理一类，以便对土体做出合理的评价和选择合适的地基处理方法。方法。 土的分类方法很多，不同部门根据研究对象的不同采土的分类方法很多，不同部门根据研究对象的不同采用不同的分类方法。上节仅涉及地基方面的土分为六大类，用不同的分类方法。上节仅涉及地基方面的土分为六大类，即岩石、碎石土、砂土、粉土、粘性土和人工填土，但不即岩石、碎石土、砂土、粉土、粘性土和人工填土，但不包括特殊特性的土，