01土的物理性质及工程分类

课题：第一章土的物理性质及工程分类 一、教学目的：1.了解土的生成和工程力学性质及其变化规律; .掌握土的物理性质指标的测定方法和指标间的相互转换;.熟悉土的抗渗性与工程分类。二、教学重点：土的组成、土的物理性质指标、物理状态指标。 三、教学难点：指标间的相互转换及应用。 四、教学时数：学时。五、习题：第一章土的物理性质及工程分类一、土的生成与特性土的生成工程领域土的概念：土是指覆盖在地表的没有胶结和弱胶结的颗粒堆积物，土与岩石的区分仅在于颗粒胶结的强弱，土和石没有明显区分。土的生成：岩石在各种风化作用下形成的固体矿物、流体水、气体混合物。不同风化形成不同性质的土，有下列三种：（1）物理风化：只改变颗粒大小，不改变矿物成分。由物理风化生成土为粗粒土（如块碎石、砾石、砂土），为无粘性土。（2）化学风化：矿物发生改变，生成新成分一次生矿物。由化学风化生成土为细粒土，具有粘结力（粘土和粘质粉土），为粘性土。（3）生物风化：动植物与人类活动对岩体的破坏。矿物成分没有变化。土的结构和构造（1）土的结构定义：土颗粒间的相互排列和联结形式称为土的结构。1）种类：单粒结构：每一个颗粒在自重作用下单独下沉并达到稳态。蜂窝结构：单个下沉，碰到已下沉的土颗粒，因土粒间分子引力大于重力不再下沉，形成大孔隙蜂窝状结构。相互碰撞吸引形成小链环状土絮状结构：微粒极细的粘土颗粒在水中长期悬浮，集粒。小链之间相互吸引，形成大链环，称絮状结构。相互碰撞吸引形成小链环状土图1.1土的结构图1.1土的结构3）工程性质:密实的单粒结构工程性质最好，蜂窝结构与絮状结构如被扰动破坏天然结构，则强度低、压缩性高，不可用做天然地基。(2)土的构造1)定义：同一土层中，土颗粒之间的相互关系。2)种类：•层状结构：由不同颜色或不同粒径的土组成层理，一层一层互相平行。•分散构造：土粒分布均匀，性质相近，如砂与卵石层为分散构造。•结核状构造:在细粒土中混有粗颗粒或各种结核，属结核状构造。•裂隙状构造：土体中有很多不连续的小裂隙。3)工程性质：分散结构的工程性质最好，结核状取决于细粒土，裂隙状渗透性大，工程性质差。3.土的工程特性(1)压缩性高当应力数值相同，材料厚度一样时，卵石的压缩性为刚才压缩性的数千倍；饱和细沙的压缩性为C20混凝土的数千倍，足以证明土的压缩性极高。软塑或流塑状态的粘性土比饱和细沙的压缩性还要高。(2)强度低土的强度特指抗剪强度，而非抗压强度或抗拉强度。无粘性土的强度来源于土粒表面滑动的摩擦和颗粒间的咬合摩擦；粘性土的强度出摩擦力外，还有粘聚力，均远小于建筑材料本身的强度。(3)透水性大土体颗粒间具有许多透水空隙，因此透水性比木材、混凝土都大，尤其是粗颗粒的卵石或砂土，其透水性更大。4.土的生成与工程特性的关系(1)搬运、沉积条件：冲积层优于风积层。(2)沉积年代：沉积年代越长，工程性质越好。(3)自然环境：特殊土地基。二、土的三相组成土的三相组成是指土由固体矿物、水和气体三部分组成。土的固体颗粒土的固体颗粒是土的三相组成中的主体，是决定土的工程性质的主要成分。(1)土粒的矿物成分1)原生矿物由岩石经物理风化生成，它的成分与母岩的相同，常见的有石英，包括单矿物颗粒一一个颗粒为单一的矿物，如常见的石英、长石、云母、角闪石与灰石等，砂土即为单矿物颗粒；多矿物颗粒一一个颗粒中包含多种矿物，如巨粒土的漂石、卵石和粗粒土的砾石，往往为多矿物颗粒。2）次生矿物母岩经化学风化生成的新矿物，它的成分成分与母岩的完全不同。次矿物主要是粘土矿物，由两种种原子层构成：一种是Si-O四面体构成的硅氧晶片，另一种是Al-OH八面体构成的铝氢氧晶片。因为这两种晶片结合的情况不同，粘土矿物可分为下列三种：图1.2粘土矿物两种原子层蒙脱石一两结构单元之间没有氢键，相互的联结弱，水分子可以进入量晶胞之间。因此，蒙脱石的亲水性最大，具有强烈的吸水膨胀、失水收缩的特性。伊利石一又称水云母，部分Si-O四面体中的Si为Al、Fe所取代，损失的原子价由阳离子钾补偿。因此，晶格层组之间具有结合力，亲水性低于蒙脱石。高岭石一晶胞之间有氢键，相互结合力较强，晶胞之间的距离不易改变，水分子不能进入。因此，高岭石的亲水性最小。腐殖质：土中腐殖质含量多，使土的压缩性增大。有机质超过3%〜5%的不宜作为建筑材料。（2）土颗粒的大小和形状通过界限粒径（划分粒组的分界尺寸）将土颗粒划分为6个粒组：粘粒（小于0.005mm）、粉粒（0.005,0.075）、砂粒（0.075,2）、圆砾（角砾）（2,60）、卵石（碎石）/（60,200）、漂石（块石）（大于200mm）。通常粗粒土的压缩性低、强度高、渗透性大。表面粗糙抗剪强度越高。（3）土的颗粒级配粒径级配：土中各粒组的相对含量，占总质量的百分数。1）筛分法：适用于砾石类和砂类土，d>0.075mm,主要设备为一套标准分析筛，孔径分别为20,10,5，2.0，1.0，0.5，0.25，0.075mm。取样数量：d<20mm，可取1000~2000g;d<10mm，可取300~1000g;d<2mm，可取100~300g;震筛10〜15min后称取各级筛底盘试样的质量。2）密度计法：适用于粉土和粘性土，d<0.075mm，测定悬浊液读数。粒径级配曲线上：纵坐标10%所对应的粒径d10称为有效粒径；纵坐标为60%所对应的粒径d60称为限定粒径；d60与d10的比值称为不均匀系数。〃，即C_d£二d （1.1）10不均匀系数Cu为表示土颗粒组成的重要特征。当CJ艮小时曲线很陡，表示土均匀；当Cu很大时曲线平缓，表示土的级配良好。“曲率系数Cc为表示土颗粒组成的又一特征，Cc按下式计算：r—d2Tl3r

10 60式中d30为粒径级配曲线上纵坐标为30%所对应的粒径。砾石和砂土级配J席且C=1〜3为级配良好；级配不同时满足这两个要求则为级配不良。土中水（1）结合水1）强结合水排列致密、定向性强；密度>1g/cm3；冰点处于零下几十度具有固体的的特性；接近固体，不传递静水压力；温度高于100°C时可蒸发，粘土只含结合水时呈坚硬状态。）弱结合水：位于强结合水之外，电场引力作用范围之内；密度大；不传递静水压力（不应重力而移动）；有粘滞性。自由水：离土粒较远，位于电场引力范围外，排列散乱。重力水：位于地下水位以下，具有浮力作用，可从总水头较高处向较低处流动。毛细水：位于地下水位以上，受毛细作用上升，粉土中空隙小，毛细水上升高。（2）气态水：水汽，影响不大。

（3）固态水:0℃以下自由水发生冻胀。土中气体土颗粒中没有被水填充的部分为气体。（1）自由气体：与大气连通，压缩逸出，对工程无影响。（2）封闭气体：与大气隔绝，加载缩小，卸载膨胀，使土的渗透性降低。三、土的物理性质指标土的三项基本物理性质指标（此三项均由实验室测定）（1）土的密度P和土的重度Y1）物理意义：p为单位体积土的重量，g/cm3。Y单位体积土所受的重力，即y=pg=9,8p-10p,kN/m3。2）表达式土的总质量mp——————-———土的总体积V(1.3)3）常见值：p=1.6〜2）表达式土的总质量mp——————-———土的总体积V(1.3)3）常见值：p=1.6〜2.2g/cm3,丫=16~22kN/cm3。4）测定方法：环刀法（粘性土和粉土），灌水法（卵石、砾石与原状砂）。土粒比重G（d）1）物理意义：土中固体矿物的质量与同体积4℃时的纯水质量的比值。2）表达式:m固体颗粒的密度 干~_：： z~-：：—- s s纯水4℃时的密度p(4℃)p(4℃)(1.4)3）常见值：砂土G=2.65〜2,69,粉土G=2.70〜2.71,粘性土2.72〜2.75,数值大小取决于矿物成分。4）测定方法：比重瓶法；经验法。土的含水率①1）物理意义:土体中水的质量与固体矿物质量的比值，用百分数表示。2）表达式：水的质量 m「八…、一口-x100%固体颗粒质量mS(1.5)3）常见值：砂土①-0%~40%，粘性土①-20%〜60%，①-0，粘性土呈坚硬状态。4）测定方法：烘箱法。2.反映土的松密程度的指标（1）土的孔隙比e1）物理意义：土中孔隙体积与固体颗粒体积之比。(1.6)2）表达式:(1.6)3）常见值：砂土e=0.5〜1.0，粘性土e=0.5〜1.24）确定方法：由P、GJ3实测值推算。（2）土的孔隙度（孔隙率）n1）物理意义：表示孔隙体积含量，土中空隙占总体积的百分比。2）表达式:n2）表达式:n二，鹭体积=工X100%土体总体积V(1.7)3）常见值：n=30%〜50%4）确定方法：由p、GJ3实测值推算。.反映土中含水程度的指标（1）含水率3（前已述）（2）土的饱和度Sr1）物理意义：水在空隙中的充满程度。(1.8)2）表达式：(1.8)3）常见值：S=0-14）确定方法：:由p、GJ3实测值推算。5）工程应用：砂土和粉土以饱和度分为稍湿（＜0.5）、很湿（0.5〜0.8）、饱和00.8）三类。.特定条件下土的密度（重度）（1）土的干密度p，和土的干重度31）物理意义：干密度为单位体积土的质量，g/cm3。2)3)土的干重度为单位体积干土所受的重力，即丫2)3)土的干重度为单位体积干土所受的重力，即丫d=Pdg_9.8pdX10pdkN/m3。表达式固体颗粒质量mP- - - - sd土的总体积V(1.9)4）常见值：p』-1.3〜2.0g/cm3;丫』=13-20kN/cm34）常见值：5）工程应用：干密度或干重度越大，表明土体越密实，表明工程质量越好。6）测定方法：环刀法，放射性同位素测试仪。土的饱和密度y四和土的饱和重度p四1）物理意义：孔隙中全部充满水时单位体积土的质量，g/cm3。孔隙中全部充满水时单位体积土所受的重力，即Y:psatg—9.8「四。lOpJN/m3。2）表达式p—sat孔隙全部充满水的总质量m+m+Vpm+Vp土的总体积(1.10)3)常见值:2）表达式p—sat孔隙全部充满水的总质量m+m+Vpm+Vp土的总体积(1.10)3)常见值:p=1.8〜2.3g/cm3;y=18〜23kN/cm3sat1)（3）土的有效重度（浮重度）y-物理意义：地下水位以下土体单位体积土所受的重力扣除浮力。。2)表达式y'—y—ysatw(1.11)3)常见值：y'=8~13kN/m3。*有效密度:p--m「Vpw

V(1.12)延伸：各种密度和重度之间的大小关系天然密度:干密度:饱和密度：psatmp—Vmp天然密度:干密度:饱和密度：psatmp—Vmp——dVm+pV—s w-VVnpsat>p>p天然重度：y―pg干重度：y―pgddd饱和重度：y—pg浮重度：y'=y—ysatwsat>y>yd*规律总结：（1）当设Vs=1时，V=1nV=1nm=Gnm=3G-「 、 (1+3)G—Vnm—G(1+3)nV— sss w s(1+3)G s-1p（2）当设V―1时，p一Vp一V―1nm—pnm― nms1+3wGS(1+o)pGS(1+3)四、土的物理状态指标.无粘性土的密实度（1）孔隙比标准（同级配）（2）相对密度标准: max maxmin max maxmin用D指标可将土的密实程度分为：松散（D<1/3）中密（1/3<D<2/3）密实（D>2/3）r二种状态。（3）贯入试验标准一种现场原位测试试验：63.5kg钢锤提升76cm高度贯入30cm所需锤击数N,反映贯入阻力的大小，亦即密实度的大小，将土分为松散（N<10）稍密（10<N<15）中密（15<N<30）密实（N>30）。.粘性土的物理状态指标无粘性土为单粒结构，土粒与土中水的相互作用不明显，但是粘性土颗粒很细，土粒与土中水相互作用明显，关系密切，同一种土随着含水率的增加土的状态变化为固态一半固态一可塑状态一液体状态，可见粘性土的主要物理特征并非非粘性土使用的指标，而是稠度（反映土粒间的联结强度随着含水率高低而变化的性质）。（1）液限3l（%）1）定义粘性土呈液态与塑态之间的分界含水率。2）测定方法：锥式液限仪：蝶式液限仪：（2）塑限3p（%）1）定义粘性土半固态与塑态之间的分界含水率。2）测定方法：滚搓法液塑限联合测定法（3）塑性指数IP1）定义液限与塑限的差值去掉百分数即为塑性指数。IP=（3L-3P）X100 （1.14）2）物理意义反映液塑限区间的大小，IP大，表明液塑区间大，吸附结合水多，但仍处于可塑状态，说明该土的粘粒含量高或者矿物成分吸水能力强。3）工程应用：可作为粘性土与粉土定名的标准（下节叙述）。（4）液性指数IL1）定义

天然含水率与塑限的差值和液限和塑限的差值之比，即(1.15)3—3(1.15) P3-32）物理意义天然含水率靠近液限还是靠近塑限，反映土的软硬不同。3）工程应用液性指数可以将士分为5中软硬不同的状态：坚硬（<0）、硬塑（0,0.25）、可塑（0.25,0.75）、软塑（0.75,1）、流塑（>1）。（5）活动度A1）定义塑性指数与土中胶粒含量百分数的比值，A=IP （1.16）m2）物理意义：反映粘性土中所含矿物的活动性。根据活动度的大小可将土分为3种：不活动粘土（A<0.75）、正常粘土（0.75<A<1.25）、活动粘土（A>1.25）。（6）灵敏度1）定义原状土的无侧限抗压强度与同一土经重塑后的无侧限抗压强度之比：S=q （1.17）q：3）物理意义反映粘性土结构性的强弱。根据灵敏度的大小可将土分为3类：高灵敏土（St>4）、中灵敏土（2<StW4）、低灵敏土（StW2）。工程应用：保护基槽，利用触变性（粘性土的抗剪强度随时间恢复的胶体化学性质）。五、土的渗透及渗流在水位差作用下，水透过土体空隙流动的现象称为渗透或渗流，土被水透过的性质称为渗透性，例如坝体渗流和基坑渗流。.层流渗流理论1856年法国学者Darcy对砂土的渗透性进行研究，水在土中的渗透速度与试样的水力梯度成正比：

v=ki(1.18v=ki注意：（1）由于水是从颗粒空隙间流过，故渗透速度非真实流速，v=nv实际n为孔隙度。（2）k反映土的渗透性大小，越大阻力越小，反之不易透过，是单位水力梯度的渗透速度。（3）i为水力梯度，沿渗流方向单位距离的水头损失：（1.19）.达西定律适用范围（1）砂土的渗透速度与水头梯度呈线性关系（图略）。（2）密实粘性土，需要克服结合水的粘滞阻力后才能发生渗透，同时渗透系数与水力坡降的规律偏离达西定律而呈非线性关系。即v=k（i-，），水力梯度较大时才会产生渗流。（3）在砾类土和巨粒土中，若水头梯度较大，水在其中的流动大多是紊流状态，呈非线性关系，只有在较小的水头梯度时，才可能是线性的，此时v=c点综上：达西定律适用于饱和砂土，层流，不适用于紊流。.渗透系数及确定方法1）室内常水头试验保持土样两端水头不变，测定一定时间内流出的水量Q：h一Q=qt=kiFt-k^Ft所以（1.20）k-Q

hFt所以（1.20）2）透水性较差可采用变水头试验4.影响渗透系数的因素土粒大小与级配土颗粒越粗，越浑圆，越均匀，渗透性越大。级配良好土，细颗粒填充在粗颗粒空隙中，渗透性变小。土的密实度同种土在不同的密实状态下具有不同的渗透系数，土的密实度增大，孔隙比降低，土的渗透性也减小。矿物成分和结合水膜粘性土中含有亲水矿物或有机质时，由于它们具有很大的膨胀性，就大大降低了土的渗透性。粘性土中结合水膜较厚时，渗透性也会降低。土中封闭气体含量土中封闭气体阻塞渗流通道，使土的渗透系数降低。封闭气体含量愈多，土的渗透性愈小。土的结构构造粘土颗粒形状是扁平的，有定向排列作用，在不等应力作用下，土体造成了土体性质的各向异性，也包含了土体渗透性的各向异性。水温温度高时，水的动力粘滞系数变小，渗透性变大。六、土的动力特性.渗流力与临界水头梯度(1)渗流力渗流力：单位土体中的土颗粒所受到的渗流作用力，又称动水力。它是体积力，单位kN/m3o(1.21)由于试样的总渗流力J和土粒对水的阻力F是大小相等方向相反，所以J=F=yWhA,所以渗流作用于单位土体的力(1.21)j=JS=iy

ALALw(1.21)可见，渗流力是渗流对单位土体的作用力，是一种体积力，其大小与水头梯度成正比，作用方向与渗流方向一致。渗流力的存在，将使土体内部受力发生变化，这种变化对土体稳定性有显著的影响:渗流力方向与重力一致，促使土体压密、强度提高，有利于土体稳定；渗流力方向近乎水平，使土粒产生向下游移动的趋势，不利于土体稳定；渗流力方向与重力相反，当渗透力大于土体的有效重度，土颗粒将被水流冲出。2) 临界水头梯度当向上的渗透力大于土块的水下重力时，土体处于悬浮状态而失去稳定，土粒随水流动，这种现象称为流砂或流土，发生流砂或流土时的水头梯度为临界水头梯度i“。_G-1_y'_yl=-s =——=—se-1 (1.21)c1+eyy当l>l时发生流土。2.渗透变形渗透水流将土体细颗粒冲走、带走或局部土体产生移动导致的土体变形。（1）流土：渗流作用下，局部土体表面隆起，或某一范围内土粒群同时发生悬浮、移动的现象。防治措施：垂直截渗：如坝体下混凝土防渗墙，改变渗透路径或隔水。水平铺盖：坝体存水侧设置粘土铺盖。排水减压：设置减压井或深挖排水槽。下游加透水盖。土层加固，如冻结法。（2）管涌：渗流作用下，土的细颗粒在粗颗粒形成的空隙中移动，以致流失，最终导致土体中形成贯通渗流通道，形成土体塌陷。防治措施：和防治流土措施基本相同。七、地基土的工程分类依据《建筑地基基础设计规范》的分类标准进行分类。1.岩石（1）定义颗粒间牢固联结、呈整体或具有节理裂隙的岩体称为岩石。（2）分类1）按坚硬程度划分：坚硬岩、较硬岩、较软岩、软岩、极软岩。2）按分化程度划分：未风化、微风化、弱风化、强风化、全分化。3）按岩石完整程度划分：完整、较完整、较破碎、破碎、极破碎。.碎石土（1）定义土的粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50%的土称为碎石土。（2）分类依据以颗粒形状与粒组含量为准。（3）定名：圆形和亚圆形为主的有漂石、卵石、圆砾；以棱角性为主的有块石、碎石、角砾。（4）工程性质1）密实碎石土：骨架颗粒含量大于总重的70%，呈交错排列，连续接触，优良地基。2)中密碎石土：骨架颗粒含量大于总重的60%〜70%,呈交错排列，大部分接触，优良地基。3)稍密碎石土：骨架颗粒含量大于总重的55%〜60%，排列混乱，大部分不接触，良好地基。4)松散碎石土：骨架颗粒含量小于总重的55%，排列十分混乱，绝大部分不接触，良好地基。.砂土(1)定义：土的粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50%且大于0.075mm的颗粒超过全重的50%。(2)分类依据：粒径级配。(3)定名：砾砂、粗砂、中砂、细砂、粉砂。(4)工程性质1)密实与中密状态的砾砂为优良地基；稍密状态的砾砂、粗砂、中砂为良好地基。2)密实粉砂与细砂为优良地基；饱和疏松状态时为不良地基。.粉土(1)定义：塑性指数IP-10且粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重50%的土。(2)定名：单一分类。(3)工程性质：密实时为良好地基，饱和和稍密时地震容易液化，为不良地基。.粘性土(1)定义：塑性指数IP>10。(2)分类依据：塑性指数大小。(3)定名：IP>17为粘土，10<1P-17为粉质粘土。(4)工程性质：与含水量有关，硬塑状态时为优良地基，流塑状态时为软弱地基。.人工填土(1)定义：由人类活动堆填形成的各类土。(2)分类依据：组成物质和堆积年代。(3)定名：1)按组成和成因：素填土、压实填土、杂填土、冲填土。

2)按堆积年代：老黄土、新黄土。(4)工程性质：工程性质不良，强度低，压缩性大且不均匀。7.特殊土定义：具有一定区域分布或工程意义上具有特殊成分、状态和结构特征的土。包括：软土、红粘土、膨胀土、多年冻土、盐渍土等。课后习题详解2.1工程地质勘查中某住宅取原状土做实验。用天平秤50cm3湿土质量为95.15g，烘干后质量为75・05g,土粒比重为2・67。计算此土样的天然密度、干密度、饱和密度、天然含水率、孔隙比、孔隙度和饱和度。解：已知：V=50cm3,m=95.15g,m=75.05g,G=2.67所以p=m=95」=1.90g/cm3V50m75.05p=—= =1.50g/cm3-V50m75.05V=-s= =28.1cm3sG2.67sm=95.15—75.05=20.1g所以V=V—V=50—28.1=21.9cm3PsatsmPsatsm+Vp75.05+21.950=1.939g/cm3m一一20.1 —w义100%= =26.8%m 75.05e=匕=任=0.78V28.1sV20.1VV20.1V21.9=0.9182.2一工厂车间地基表层为杂填土厚1.2m，第二层为粘性土厚5m，地下水深1.8m。在粘性土中部取土样做实验，测得天然密度p=1.84g/cm3，土粒比重Gr2.75。计算此土的3,p,e和nod解：已知：P=1.84g/cm3,G=2.75,S=1,V=V设V=1cm3则：m=pV=1.84gm=GV=2.75V

所以m+m=2.75V+V=1.84(1所以m+m=2.75V+V=1.84(1)又V+V=1联立求解：V=0.48,V=V=0.52(2)s所以m=V=0.52g=2.75V=2.75x0.48=1.32g所以3m 0.52fx100%=——=39.4%m 1.32=(=1.32g/cm3V0.52V0.48=1.08sVn=-x100%=52%V2.4一办公楼地基土样，用体积为100cm3环刀取样试验，用天平测得环刀加湿土的质量为241.00g，环刀质量55.00g，烘干后土样质量162.00g，土粒比重G,=2.70。计算此土的3,S,e,n,p,p»p，并比较各种密度的大小。satd解：已知V=100cm3,m=241—55=186g,m=162g,G=2.70所以m=m-m=186-162=24gV=m=24cm3m162V=—s= =60cm3sG2.7sV=V-V=100-60=40cm3sm 24所以:_wx100%=——=14.8%所以:m 162m162== =1.62g/cm3V100e」二竺二0,67V60sn=/x100%=40%m186p=—= =1.86g/cm3V100

Psat162Psat162+40100=2.02g/cm3=1.62g/cm3综上所述：Pt>P>Pd已知某土样的土粒比重q=2.72，孔隙比为0.95,饱和度为0.37。若将此土的饱和度提高到0・90，则每1m3加多少水？解：已知GS=2.72,e=0.95,S]=0.37,S]=0.9,V=1m3V=eV=0.95V,V=SV=0.37VV=V+V=1.95V=1m3,V=0.513m3V=0.95x0.513=0.487m3VI=0.37V=0.37x0.487=0.18m3V2=0.9V=0.9x0.487=0.438m3V'=V—V=0.438—0.18=0.258m3v2 v1加水质量m=V'=0.258t=258kg一干砂试样的密度为1・66g/