土的物理性质与工程分类修改

关于土的物理性质与工程分类修改第一页，共七十五页，2022年，8月28日第二章

介绍土的形成及物质组成,从定性和定量两个方面描述土体的物质组成、密实程度及工程应用。土的物理性质及工程分类主要内容:第二页，共七十五页，2022年，8月28日知识要点：了解无粘性土的密实度概念及判别方法。掌握粘性土的塑性指数和液性指数的作用和用途，以及粘性土的物理状态评价。掌握无粘性土和粘性土的分类依据和分类方法。第三页，共七十五页，2022年，8月28日§2.1土的成因

土是岩石经过风化、剥蚀、破碎、搬运、沉积等过程后在不同条件下形成的自然历史的产物搬运、沉积一、土体的生成

风化岩石地球土地球第四页，共七十五页，2022年，8月28日生物风化物理风化化学风化矿物成分未变无粘性土原生矿物矿物成分改变粘性土次生矿物

风化作用分类有机质岩石和土的粗颗粒受各种气候因素的影响产生胀缩而发生裂缝,或在运动过程中因碰撞和摩擦而破碎母岩表面和碎散的颗粒受环境因素的作用而改变其矿物的化学成分，形成新的矿物动植物活动引起的岩石和土体粗颗粒的粒度或成分的变化第五页，共七十五页，2022年，8月28日定义：土体的结构是指土生成过程中所形成土粒的空间排列及其形式。力学特性影响土的结构反映土的成分形成条件分类单粒结构蜂窝结构絮状结构二、土的结构和构造第六页，共七十五页，2022年，8月28日

粒间作用力

可否作天然地基

矿物成分单粒结构

示意图重力、毛细力密实的单粒结构是良好的天然地基原生矿物

指粗砂粒或更粗大的颗粒在水或空气中沉积形成。粗粒土的结构松散密实第七页，共七十五页，2022年，8月28日

粒间作用力

形成环境

可否作为天然地基

矿物成分水中的悬浮力、自重力（斥力减小引力增加）絮状结构(凝聚结构)蜂窝结构(分散结构)

示意图颗粒间的引力、自重力（粒间引力占优势）淡水中沉积海水中沉积次生矿物次生矿物注意：天然条件下，可能是多种组合，或者由一种结构过渡向另一种结构。

不可不可细粒土的结构是指由粉粒（粒径0.005~0.075mm）在水中下沉时形成的。是指由粘粒（粒径≤0.005mm）集合体组成。第八页，共七十五页，2022年，8月28日

颗粒形状原生矿物

圆状、浑圆状、棱角状次生矿物

针状、片状、扁平状第九页，共七十五页，2022年，8月28日土的构造：是指土体中各结构单元之间的关系，主是从宏观角度研究土的组成，其主要特点是土的成层性和裂缝性。力学特性影响土的构造类型层状构造分散构造裂隙构造结核状构造

通常分散构造土的工程性质最好是理想地基，结核状构造土的工程性质取决于细粒土部分，裂隙构造不连续的裂缝破坏土的整体性，故土的工程性质最差。第十页，共七十五页，2022年，8月28日三、土的工程特性

（1）压缩性高；（2）强度低；（3）透水性大；土的生成与工程特性的关系

沉积年代越长，工程特性越好。Q3以前的粘性土称为老粘性土，密度大、强度高、压缩性低，为良好天然地基；

Q4以后的粘性土，其性质要通过实验测定。第十一页，共七十五页，2022年，8月28日气相固相液相++构成土骨架，起主体作用重要影响土体次要作用土体三相组成示意图§2.2土的组成第十二页，共七十五页，2022年，8月28日一、土中的固体颗粒(固相)物理状态力学特性粒组的划分土的颗粒级配土粒的矿物成分第十三页，共七十五页，2022年，8月28日①.颗粒级配颗粒大小土中各个粒组的相对含量常用表格法或粒径曲线法表示影响土性质的主因第十四页，共七十五页，2022年，8月28日表格法表示的粒组划分第十五页，共七十五页，2022年，8月28日粒径级配筛分法：适用于粒径在0.075~60mm的土㎜～～

密度计法：适用于粒径小于0.075mm的土根据斯托克斯（Stokes）定理，球状的细颗粒在水中下沉速度与颗粒直径的平方成正比。基于这一原理，实验室常用密度计测试水土悬液在不同时间的密度，进而确定土样中各粒组的相对含量，这一方法称为密度计法。通常将各粒组的相对含量，用质量百分数来表示第十六页，共七十五页，2022年，8月28日筛分法（d>0.075mm的土）第十七页，共七十五页，2022年，8月28日105.02.01.00.50.250.1200g10161824223872P%958778665536筛分法原理图

筛分法就是用一套标准筛子如孔直径(mm)：20、10、5.0、2.0、l.0、0.5、0.25、0.1、0.075。将烘干且分散了的200g有代表性的试样倒入标准筛内摇振，然后分别称出留在各筛子上的土重，并计算出各粒组的相对含量，即得土的颗粒级配。第十八页，共七十五页，2022年，8月28日密度计法（d<0.075mm的土）第十九页，共七十五页，2022年，8月28日典型颗粒级配曲线1009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数P（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)第二十页，共七十五页，2022年，8月28日1009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)土的粒径级配累积曲线d60d50d10d30特征粒径:

d60—控制粒径

d10

—有效粒径

d30

—中值粒径不均匀程度：Cu=d60/d10

—不均匀系数Cu

≥5,级配不均匀粗细程度：

用平均粒径d50

表示

第二十一页，共七十五页，2022年，8月28日1009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)土的粒径级配累积曲线d60d10d30连续程度:Cc=d302

/(d60×d10)

—

曲率系数较大颗粒缺少Cc

减小较小颗粒缺少Cc

增大Cc=1~3,

级配连续性好第二十二页，共七十五页，2022年，8月28日粒径级配累积曲线及指标的用途：粒组含量用于土的分类定名；工程中用不均匀系数Cu评价土的不均匀程度：

Cu≥5,不均匀土；Cu<5,均匀土曲率系数Cc用于判定土的连续程度：

Cc=1~

3,

级配连续土；Cc>3或Cc<1,级配不连续土不均匀系数Cu和曲率系数Cc用于判定土的级配优劣：

当Cu≥5且

Cc=1~3时，为级配良好的土；当Cu<5或Cc>3或Cc<1时,为级配不良的土第二十三页，共七十五页，2022年，8月28日②.

土粒的矿物成分粗粒土主要是原生矿物的产物，一般碎石、砂都属于此类。细粒土主要是次生矿物的产物，主要是粘土矿物，包括三种类型高岭石、伊利石、蒙脱石。三种粘土矿物的亲水性依次增强。粘土矿物:由硅氧四面体和铝氢氧八面体构成的晶胞所组合而成决定于母岩的矿物成分及风化作用第二十四页，共七十五页，2022年，8月28日第二十五页，共七十五页，2022年，8月28日硅氧四面体晶片的结构第二十六页，共七十五页，2022年，8月28日铝氢氧八面体晶片的结构第二十七页，共七十五页，2022年，8月28日粘土矿物的晶格构造高岭石蒙脱石伊利石粒径比表面积胀缩性渗透性强度压缩性大10-20m2/g小大大小中80-100m2/g中中中中小800m2/g大小小大第二十八页，共七十五页，2022年，8月28日二、土中水(液相)

根据土体中水分子受到电场力的作用大小,土体中的液态水主要可以分为:结合水借助于电分子引力牢固吸附在土颗粒表面的水自由水电场引力作用范围之外的水重力水毛细水强结合水弱结合水液态水固态水气态水1、土中水分类第二十九页，共七十五页，2022年，8月28日2、水的性质

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温度高于100°C时可蒸发强结合水性质稳定强结合水

位于强结合水之外，以水膜的形式包围着土粒外力作用下可以移动不因重力而移动，有粘滞性弱结合水固定层扩散层第三十页，共七十五页，2022年，8月28日土中毛细现象毛细水分布在土粒内部相互贯通的孔隙可以看成许多形状不一、直径互异、彼此连通的毛细管重力水是位于地下水位以下的土空隙中，能在重力或压力作用下流动。其性质能传递静水压力并产生浮力。第三十一页，共七十五页，2022年，8月28日三、土中气体(气相)

土体中的气体是指存于土体空隙中未被水占据的部分,存在形式有两种:自由气体:与大气相通,对土的性质影响不大封闭气体:与大气隔绝,增大土体的弹性和压缩性土体中气体第三十二页，共七十五页，2022年，8月28日§2.3土物理性质指标土的物理状态粗粒土的松密程度粘性土的软硬状态土的物理性质指标(三相间的比例关系)力学特性影响表示第三十三页，共七十五页，2022年，8月28日一.土的三相图

水气

土粒VaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积第三十四页，共七十五页，2022年，8月28日二、土的物理性质指标的确定A基本指标：有3个基本指标，可通过试验测定，直接测定指标。（1）土的密度：单位体积土的质量。土的密度可用环刀法测定。重度表示单位体积土的重力密度（近似取）第三十五页，共七十五页，2022年，8月28日A基本指标：（2）土粒比重

土粒质量与同体积的4℃纯水的质量之比。（可用比重瓶法测定）

——4℃时纯水的密度，等于

（无量纲

）故数值上

第三十六页，共七十五页，2022年，8月28日A基本指标：（3）土的含水量w

土中水的质量与土粒质量之比。（以百分数计）（烘干法测定）是标志土的湿度的重要指标。第三十七页，共七十五页，2022年，8月28日B导出指标（反映土的孔隙特征、含水程度的指标（1）（2）（3））

（1）土的孔隙比：土中孔隙体积与土粒体积之比，用小数表示。是反映土的密实程度的重要指标。

第三十八页，共七十五页，2022年，8月28日B导出指标（2）土的孔隙率：土中孔隙体积与总体积的百分比。反映土中孔隙大小的程度。粗粒土孔隙率小，细粒土孔隙率大，也可表示一种土的松密程度。第三十九页，共七十五页，2022年，8月28日B导出指标（3）土的饱和度：土中所含水分的体积与孔隙体积之比，以百分数计。描述土体中孔隙被水充满的程度。第四十页，共七十五页，2022年，8月28日B导出指标反映土的相关密度的指标：（4）、（5）、（6）（4）干密度：单位体积中土粒质量。工程上常把作为评定土体紧密程度的标准，以控制填土工程的施工质量。

第四十一页，共七十五页，2022年，8月28日B导出指标（5）饱和密度：土孔隙中充满水时单位体积质量。

第四十二页，共七十五页，2022年，8月28日B导出指标（6）有效密度：在地下水位以下，单位土体积中土粒的质量扣除同体积水的质量后即为单位土体积中土粒的有效质量。

第四十三页，共七十五页，2022年，8月28日反映土的密度指标有五个：ρ

ρ

dρ

sat

ρ’

ds反映土的湿度指标有两个：ωsr反映土的土的孔隙特征有两个：en土的天然密度ρ三个指标最基本物理指标，可直接通过实验测定得出天然含水量ω土的比重ds

以上9项物理性质指标，其中第四十四页，共七十五页，2022年，8月28日，则三、指标间的相互换算指标间的相互换算：常根据土的三相比例指标换算图进行各指标间关系的推导。

令第四十五页，共七十五页，2022年，8月28日换算公式的推导：第四十六页，共七十五页，2022年，8月28日换算公式的推导：第四十七页，共七十五页，2022年，8月28日例题分析解：

第四十八页，共七十五页，2022年，8月28日例题分析例1解（续）：

第四十九页，共七十五页，2022年，8月28日例题分析第五十页，共七十五页，2022年，8月28日例题分析例2解（续）：

第五十一页，共七十五页，2022年，8月28日例题分析【例3】某土样，重量为1.87N，体积为100cm3，烘干后，烘干土质量为1.67N。已知土粒的比重ds为2.66，试求：、ω、e、sr、d

、sat和

【解】第五十二页，共七十五页，2022年，8月28日作业：第五十三页，共七十五页，2022年，8月28日§2.4土的物理状态指标无黏性土的密实度黏性土的稠度物理状态力学特性第五十四页，共七十五页，2022年，8月28日一、无黏性土的密实度无粘性土的密实程度工程性质影响指具有单粒结构的碎石土与砂土，土粒之间无粘结力，呈松散状态无粘性土：土密实结构稳定、强度高、压缩性低变形小土松散结构不稳定、强度低、压缩性高、变形大如何评定无粘性土密实度?碎石土用触探锤击数Ｎ63.5砂土用相对密实度Dr现场标准贯入试验锤击数Ｎ第五十五页，共七十五页，2022年，8月28日优点：简单方便缺点：不能反映级配的影响且只能用于同一种土①孔隙比e或孔隙率nemax与emin：最大与最小孔隙比②相对密实度Dr

=1

,最密状态

Dr

=0

,最松状态

Dr≤0.33,

疏松状态0.33<

Dr≤

0.67,中密状态

Dr>0.67,密实状态判别标准：优点：把土的级配因素考虑在内，理论上较为完善缺点：e、emin、eman难以准确测定第五十六页，共七十五页，2022年，8月28日③根据现场标准贯入试验锤击数Ｎ判定

标准贯入试验是一种原位测试方法。试验方法：将质量为63.5kg的锤头，提升到76cm的高度，让锤自由下落，打击标准贯入器，使贯入器入土深为30cm所需的锤击数，记为N，这是一种简便的测试方法。N的大小，综合反映了土的贯入阻力的大小，亦即密实度的大小。我国《岩土工程勘查规范》（GB50021－94）规定砂土的密实度按表标准贯入锤击数进行划分。按N评定砂土密实度N≤1010＜N≤1515＜N≤30N＞30按N63.5评定碎石土的密实度N63.5≤55＜N63.5≤1010＜N63.5≤20N63.5＞20密实度松散稍密中密密实判定标准：第五十七页，共七十五页，2022年，8月28日二、粘性土的物理特性粘性土的物理状态可以用稠度表示。稠度是反映粘性土处于不同含水量时的软硬程度或稀稠程度。粘性土从一种状态过度到另一种状态的分界含水量称为界限含水量。塑限ωp液限ωL稠度界限粘性土随含水量变化可改变土的物理形态半固态可塑状态

流动状态

强结合水膜最大出现自由水稠度状态含水量ω半固态缩限ωs第五十八页，共七十五页，2022年，8月28日1、界限含水量的测定方法（1）液限ωL锥式液限仪测定法：76g锤经5s恰好沉入土10mm所对应的含水量。碟式液限仪测定法：以2转/秒的速度，使碟子反复起落，坠击底座，当25击V型土槽合拢长度恰好13mm所对应的含水量。锥式液限仪碟式液限仪第五十九页，共七十五页，2022年，8月28日（2）塑限ωp滚搓法：将天然湿度的土体在毛玻璃上搓成直径为3mm

土条时，土条恰好产生裂缝并开始断裂时的含水量。液、塑性联合测定法：利用液、塑性联合测定仪同时测定3份不同含水量的同一个土样，得到圆锥下沉深度和含水量关系曲线，则曲线上对应深度为10mm及2mm时土样的含水量就分别为该土的液限和塑限。圆锥入土深度与含水量关系第六十页，共七十五页，2022年，8月28日2、塑性指数Ip和液性指数IL塑性指数的数值大小可反映粘性土可塑范围的大小，塑性指数越大，表明粘性性土粘性和塑性越好（与粘粒含量有关，粘粒含量越多，吸附水的能力越大）；塑性指数Ip工程上常用塑性指数作为粘性土与粉土定名分类的依据缺点：不能充分反映粘土颗粒含量

不同的粘土矿物吸服水的能力不同第六十一页，共七十五页，2022年，8月28日液性指数ILwpwwlIL<0IL=0~1IL>1坚硬状态可塑状态流态0.00~0.250.25~0.750.75~1.00硬塑可塑软塑反映粘性土天然状态的软硬程度

工程上作为确定粘性土承载力的重要指标第六十二页，共七十五页，2022年，8月28日3、粘性土的灵敏度和触变性相同含水量、密度（1）粘性土的灵敏度—

St

=原状土结构性相同含水量密度粉碎重塑重塑土强度降低St1<St≤22<St≤4St>4粘性土低灵敏中等灵敏高灵敏原状土的无侧限抗压强度重塑土的无侧限抗压强度第六十三页，共七十五页，2022年，8月28日饱和粘性土受到扰动后，结构产生破坏，土的强度降低。当扰动停止后，土的强度随时间又会逐渐恢复的现象，称为触变性。土的触变性是土的结构联结形态发生变化引起的，是土微观结构随时间变化的宏观表现。（2）粘性土的触变性

第六十四页，共七十五页，2022年，8月28日4、活动度活性指数p0.002:粒径小于0.002mm颗粒的质量占总土总质量的百分比A<0.75A=0.75–1.25A>1.25非活性粘土正常粘土活性粘土粘性土的塑性指数与土中胶粒含量百分数的比值称为活动度（活性指数）——反映粘性土中所含矿物的活动性

第六十五页，共七十五页，2022年，8月28日§2.5地基岩土的工程分类分类依据：粘性土按塑性指数和沉积条件无粘性土按粒径及相对含量评价岩土的工程性质以及为地基基础的设计与施工提供依据本节主要介绍《建筑地基基础设计规范》（GB5007-2010）分类法

土岩石分类碎石土分类砂土分类粉土分类塑性指数Ip≤10，粒径＞0.075颗粒含量不超过50％粘性土分类塑性指数Ip≥10的土填土分为杂填土，素填土，冲填土分类目的：第六十六页，共七十五页，2022年，8月28日岩土分类的基本原则：（1）分类体系采用的指标，要既能综合反映土的主要工程性质，又能便于测定且使用方便；（2）分类体系采用的指标在一定程度上能反映土在不同用途和不同工作条件下的不同特性；（3）分类体系要有一定的科学逻辑性，不仅要自成体系，纲目分明，而且要简单易记，便于应用。第六十七页，共七十五页，2022年，8月28日1、岩石按成因分类岩浆岩沉积岩变质岩按坚硬程度分类按完整程度分类第六十八页，共七十五页，2022年，8月28日2、碎石土土的名称颗粒形状粒组含量漂石块石圆形及亚圆形为主棱角形为主粒径大于200mm的颗粒超过全质量50%卵石碎石圆形及亚圆形为主棱角形为主圆形及亚圆形为主棱角形为主圆砾角砾粒径大于20mm的颗粒超过全质量50%粒径大于2mm的颗粒超过全质量50%第六