土力学-第12章土的组成物理力学性质及分类

土的组成第一章1本章目的:对土的组成特点进行详细解释和描述本章特点:

知识点零散学习要点:

各组成部分的特点对土物理力学性质的影响§1土的组成2§1土的组成土的形成渗透特性变形特性强度特性土的三相组成土的物理状态土的结构土的工程分类土的压实性决定影响如何获得较好的土便于研究和应用3§1.1土的形成（概述）§1.2土的固体颗粒§1.3土中水和气体§1.4黏土颗粒与水的相互作用§1.5土的结构和构造§1土的组成4§1.1土的形成土是岩石经过风化后在不同条件下形成的自然历史的产物搬运、沉积形成过程形成条件物理力学性质风化土地球影响§1土的组成岩石地球5土的形成与风化作用物理风化化学风化生物活动岩石和土的粗颗粒受各种气候等物理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是颗粒大小发生量的变化矿物成分与母岩相同，称原生矿物产生无黏性土§1土的组成§1.1土的形成6§1土的组成§1.1土的形成7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，形成新的矿物颗粒成分发生质的变化矿物成分与母岩不同，称次生矿物形成十分细微的土颗粒，最主要为黏性颗粒及可溶盐类土的形成与风化作用物理风化

化学风化生物活动§1土的组成§1.1土的形成8包括植物、动物和土壤微生物的作用可加剧物理和化学风化构成土中有机质和营养物质的生物循环导致腐殖质的形成，改变土壤的结构土的形成与风化作用物理风化化学风化

生物活动§1土的组成§1.1土的形成9二.搬运与沉积残积土无搬运运积土有搬运残积土强风化弱风化微风化母岩体颗粒表面粗糙多棱角粗细不均无层理母岩表层经风化作用破碎成岩屑或细小颗粒后，未经搬运残留在原地的堆积物风化所形成的土颗粒，受自然力的作用搬运到远近不同的地点所沉积的堆积物§1.1土的形成§1土的组成102.搬运与沉积运积土有搬运风：风积土重力:坡积土流水:洪积土冲积土湖泊沼泽沉积土海相沉积物冰川:冰积土土粒粗细不同，性质不均匀有分选性，近粗远细浑圆度分选性明显，土层交迭含有机物淤泥，土性差颗粒细，表层松软，土性差土粒粗细变化较大，性质不均匀颗粒均匀，层厚而不具层理§1.1土的形成§1土的组成11§1.1土的形成§1.2土的固体颗粒§1.3土中水和气体§1.4黏土颗粒与水的相互作用§1.5土的结构和构造§1土的组成12气相固相液相++构成土骨架，起决定作用重要影响土体次要作用土体三相组成示意图湿土。是一种非饱和土。若为粘土多为可塑性土。液相为零，为干土。此时黏土呈坚硬状态，砂土呈松散状态。气体为零，为饱和状态。此时粉细砂或粉土在震动下容易产生液化。土的三相比例不同，其性质不同§1土的组成13一.固体颗粒物理状态力学特性粒径级配§1.2土的固体颗粒矿物成分颗粒形状§1土的组成141.粒径级配颗粒大小各粒径成分在土中占的比例狭义的粒径级配影响土性的主因§1.2土的固体颗粒§1土的组成15颗粒大小粒组

按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类界限粒径§1.2土的固体颗粒§1土的组成d(mm)d(mm)砾石砂粒粉粒黏粒胶粒6020.050.0050.0020.250.5520粗

中

细粗

中

细

极细0.1粗粒细粒16d(mm)砾石砂粒粉粒粘粒黏胶粒6020.0750.0050.0020.250.5520粗

中

细粗

中

细0.075粗粒细粒粗粒土：以砾石和砂砾为主要组成的土，也称无黏性土。细粒土：以粉粒、粘粒和胶粒为主要组成的土，也称黏性土。巨粒60§1土的组成§1.2土的固体颗粒17粒组名称粒径范围一般特征漂石、块石颗粒>200渗透性很大、无黏性、无毛细水。碎石、卵石颗粒20～200圆砾、角砾颗粒2～20渗透性很大、无黏性、毛细水上升高度不超过粒径大小。砂粒0.075～2易透水，当混入云母等杂质时透水性减小，而压缩性增加；无黏性，遇水不膨胀，干燥时松散，毛细水上升高度不大，随粒径变小而增大。粉粒0.005～0.075透水性小，湿时稍有黏性，遇水膨胀小，干时稍有收缩，毛细水上升高度较大较快，极易出现冻胀现象。黏粒<0.005透水性很小，湿时有黏性、可塑性，遇水膨胀大，干时收缩显著，毛细水上升高度大，但速度较慢。§1土的组成§1.2土的固体颗粒18粒径级配确定方法

筛分法：适用于粗粒土(>0.1

mm)

水分法：适用于细粒土(<0.1

mm)——各粒组的相对含量，用质量百分数来表示表述方法

粒径级配累积曲线§1.2土的固体颗粒§1土的组成19筛分法用一套孔径不同的筛子，按从上至下筛孔逐渐减小放置。将事先称过质量的烘干土样过筛，称出留在各筛上的土质量，然后计算其占总土粒质量的百分数20105.02.01.00.50.250.1200g101618242238721009080706050403020100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)P%958778665536土的粒径级配累积曲线沉降分析法粒径(mm)0.050.010.005百分数P(%)2613.510§1.2土的固体颗粒§1土的组成21比重计法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§1土的组成§1.2土的固体颗粒22理论基础：依据Stokes(司托克斯)定律，即球状的细颗粒在水中的下沉速度v与颗粒直径d的平方成正比.土粒越大在静水中沉降速度越快

§1土的组成§1.2土的固体颗粒231009080706050403020100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d60d50d10d30d60d10d30CuCc0.330.0050.063662.41特征粒径:

d50

:平均粒径d60:控制粒径d10

:有效粒径d30

:中值粒径不均匀程度：Cu=d60/d10

连续程度:

Cc=d302

/(d60×d10)

—曲率系数—不均匀系数Cu

≥5,级配不均匀粗细程度：用d50

表示

§1.2土的固体颗粒§1土的组成241009080706050403020100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曲线d60d10d30CuCcL0.330.0050.081663.98M0.0632.41R0.0300.545斜率:

某粒径范围内颗粒的含量

陡—相应粒组质量集中

缓--相应粒组含量少

平台--相应粒组缺乏连续程度:

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§1.2土的固体颗粒§1土的组成25粒径级配粒径级配累积曲线及指标的用途：1）粒组含量用于土的分类定名；2）不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度：Cu≥5,不均匀土；Cu<5,均匀土3）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4）不均匀系数Cu和曲率系数Cc用于判定土的级配优劣：

如果Cu≥5且

Cc

=1~3，级配良好的土；如果Cu<5或Cc>3或Cc<1,级配不良的土§1.2土的固体颗粒§1土的组成26有机质腐植质

泥炭

倍半氧化物次生氧化物

难溶盐中溶盐易溶盐

原生矿物次生矿物矿物土颗粒无定形氧化物胶体可溶盐

黏土矿物

具有和原生矿物很不相同的特性对黏土性质的影响很大§1.2土的固体颗粒§1土的组成2.矿物成分27原生矿物

石英、长石、云母等次生矿物

主要是黏土矿物，包括三种类型

高岭石、伊里石、蒙脱石粘土矿物:由硅片和铝片构成的晶包所组合而成§1.2土的固体颗粒§1土的组成28§1.2土的固体颗粒§1土的组成293.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§1.2土的固体颗粒§1土的组成30黏土矿物是一种复合的铝-硅盐晶体，颗粒呈片状，是由硅片和铝片构成的晶包所组叠而成，可分成高岭石、伊利石和蒙特石三种类型。

硅片

铝片SiSi氧离子O2-硅离子Si4+硅-氧四面体硅片的结构硅片简图§1.4黏土颗粒与水的相互作用§1土的组成31黏土矿物是一种复合的铝-硅盐晶体，颗粒呈片状，是由硅片和铝片构成的晶包所组叠而成，可分成高岭石、伊利石和蒙特石三种类型。OH1-铝离子Al3+铝-氢氧八面体铝片的结构铝片简图AlAl

硅片

铝片§1土的组成§1.4黏土颗粒与水的相互作用32晶层间通过氢键联结，联结力强，晶格不能自由活动，水难以进入晶格间能组叠很多晶层，多达百个以上，成为一个颗粒。颗粒长宽约0.3-3，厚约0.03-1。依硅片和铝片组叠形式的不同，可分成如下三种类型：高岭石蒙特石伊利石SiSiAlAlSiSiAlAlSiSiAlAl高岭石微粒1:1的两层结构§1土的组成§1.4黏土颗粒与水的相互作用33晶层间是O2-对O2-的连结，联结力很弱，水很容易进入晶层之间。每一颗粒能组叠的晶层数较少。颗粒大小约为0.1-1，厚约0.001-0.01。2:1的三层结构SiSiAlAlSiSiSiSiAlAlSiSi数层水分子依硅片和铝片组叠形式的不同，可分成如下三种类型：高岭石蒙特石伊利石§1土的组成§1.4黏土颗粒与水的相互作用34是云母在碱性介质中风化的产物。与蒙特石相似，由两层硅片夹一层铝片所形成的三层结构，但晶层之间有钾离子连结。主要特征：连结强度弱于高岭石而高于蒙特石。2:1的三层结构SiSiAlAlSiSiSiSiAlAlSiSi钾离子依硅片和铝片组叠形式的不同，可分成如下三种类型：高岭石蒙特石伊利石§1.2土的固体颗粒§1土的组成§1.4黏土颗粒与水的相互作用35高岭石（氢键联结）粘土矿物的晶格构造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大小小大比表面积：单位质量土颗粒所拥有的总表面积9克蒙脱土的总表面积大约与一个足球场一样大§1.2土的固体颗粒§1土的组成§1.4黏土颗粒与水的相互作用36黏土矿物的带电性质研究表明，片状粘土颗粒表面常带有电荷，净电荷通常为负电荷----------------------++++黏土颗粒水分子阳离子玻璃筒玻璃皿水位升高黏土粒黏土膏+-黏土的电泳和电渗现象(列依斯,1809)§1土的组成§1.4黏土颗粒与水的相互作用37结晶水矿物内部的水

结合水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土中冰由自由水冻成，冻胀融陷1.土中水§1土的组成§1.3土中水和土中气38-强结合水：排列致密，密度>1g/cm3

冰点处于零下几十度完全不能移动，具有固体的特性温度略高于100°C时可蒸发-弱结合水：受电场引力作用，为粘滞水膜外力作用下可以移动不因重力而流动，有粘滞性粘土颗粒-----------------++++引力d水分子阳离子强结合水弱结合水自由水结合水：受颗粒表面电场作用力吸引而包围在颗粒四周，不传递静水压力，不能任意流动的水§1土的组成§1.3土中水和土中气39自由水重力水毛细水在重力作用下可在土中自由流动不受颗粒电场引力作用的孔隙水存在于固气之间在重力与表面张力作用下可在土粒间空隙中自由移动§1土的组成§1.3土中水和土中气40=

湿润角空气固体水lT=界面张力d=

毛管直径Td=2rua-uwua-uw=压力差毛细水毛细现象毛细管hc§1土的组成§1.3土中水和土中气41土中毛细现象上升高度:πr2hcγw=2πrTcosα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、彼此连通的毛细管毛细升高与孔径成反比黏土粉土砂土砾石分析对象:

水柱§1土的组成§1.3土中水和土中气42对砂土强度的影响:毛细边角水,假凝聚力

毛细压力2πrTcosα+ucπr2=0毛细压力非饱和土中毛细张力影响分析对象:水膜§1土的组成§1.3土中水和土中气43三.土中气体自由气体：与大气连通，对土的性质影响不大封闭气体：增加土的弹性；阻塞渗流通道§1土的组成§1.3土中水和土中气成分：

一般空气中成分（更多CO2，较少O2，较多N2）

微生物产生可燃气体（H2S、CH4）44

土有三个组成部分：固相、液相和气相

小结1.固体颗粒2.土中水3.土中气体粒径级配矿物成分颗粒形状结合水(强结合水、弱结合水)自由水(重力水、毛细水)自由气体封闭气体§1土的组成§1.3土中水和土中气45土颗粒或粒团的空间排列和相互联结§1.5土的结构和构造土粒间的作用力粘性土的结构性指标力学特性土的结构影响粗粒土的结构细粒土的结构重塑土的强度原状土的强度<§1土的组成46一.土粒间的作用力

重力毛细力胶结力颗粒表面力

—土颗粒的自重形成的方向向下的力—砂性土—土中毛细作用形成的力—细砂、细粒土—土粒间的胶体物质形成的作用力—黏性土—黏性土—库仑力：—范德华力：颗粒表面的静电引力或斥力颗粒接触点处的分子间引力§1.5土的结构和构造§1土的组成47二.粗粒土的结构粒间作用力排列形式矿物成分单粒结构示意图重力，毛细力点与点、点与面原生矿物指粗颗粒在重力作用下独立下沉并与其它稳定颗粒相接触所形成的一种结构形式密实状态疏松状态根据形成条件分为§1.5土的结构和构造§1土的组成48蜂窝结构

蜂窝结构是主要由粉粒(0.075—0.005mm)组成的土的结构形式。据研究，粒径在0.075—0.005mm左右的土粒在水中沉积时，基本上是以单个土粒下沉，当碰上已沉积的土粒时，由于它们之间的相互引力大于其重力，因此土粒就停留在最初的接触点上不再下沉，形成具有很大孔隙的蜂窝状结构。三.细粒土的结构§1.5土的结构和构造§1土的组成49絮状结构

絮状结构是由粘粒(<0.005mm)集合体组成的结构形式。粘粒能够在水中长期悬浮，不因自重而下沉。当这些悬浮在水中的粘粒被带到电解质浓度较大的环境中(如海水)粘粒凝聚成絮状的集粒(粘粒集合体)而下沉，并相继和已沉积的絮状集粒接触，而形成类似蜂窝而孔隙很大的絮状结构(也称二级蜂窝结构)。§1.5土的结构和构造§1土的组成50粒间作用力形成环境排列形式矿物成分表面力、胶结力（斥力减小引力增加）絮状结构蜂窝结构示意图表面力、胶结力（粒间斥力占优势）淡水中沉积海水中沉积次生矿物次生矿物天然条件下，可能是多种组合，或者由一种结构过渡向另一种结构。面与面边、角与面边、角与边力学特性有何差异？§1.5土的结构和构造§1土的组成51§1.5土的结构和构造§1土的组成

具有蜂窝结构和絮状结构的土，颗粒间存在大量微细孔隙，其压缩性大、强度低、透水性弱。又因土粒之间的联结较弱且不甚稳定，在受扰力作用下(如施工扰动影响)，土粒接触点可能脱离，部分结构遭受破坏，土的强度会迅速降低。

具有蜂窝结构和絮状结构的土，其土粒之间的联结力(结构强度)往往由于长期的压密作用和胶结作用而得到加强。52层理构造土粒在沉积过程中，由于不同阶段沉积的物质成分、颗粒大小或颜色不同，沿竖向呈层状特征。淤泥夹粘土透镜体粘土尖灭砂土夹粘土层水平层理

交错层理§1.5土的结构和构造§1土的组成土的构造土层在空间的赋存状态最主要特征53分散构造土层中各部分的土粒无明显差别，分布均匀，各部分性质亦接近。例如，各种经过分选的砂、砾石、卵石等沉积厚度较大时，无明显层次，都属于分散构造。具有分散构造的上可作为各向同性体看待。裂隙构造土体被许多不连续的小裂隙所分割，在裂隙中常充填有各种盐类的沉淀物。不少坚硬和硬塑状态的粘性土具有此种构造。黄土具有特殊的柱状裂隙。裂隙破坏土的整体性，增大透水性，对工程不利。§1.5土的结构和构造§1土的组成54土的物理性质及分类第二章55黏性土（细粒土）无黏性土（砂性土）（粗粒土）土的特点土的力学特性与土有关的工程问题土的生成土的三相组成……………56§2.1概述§2.2土的三相组成比例指标§2.3黏性土的物理特征§2.4无黏性土的密实度§2.5粉土的密实度和湿度§2.6土的胀缩性、湿陷性、和冻胀性§2.7土的分类§2土的物理性质及分类57§2.1概述土的物理状态无黏性土的松密程度黏性土的软硬程度土的物理性质指标(松密程度、干湿程度、轻重程度)力学特性影响表示？§2土的物理性质及分类58土的三个组成相的体积和质量上的比例关系§2.2土的三相比例指标松密程度干湿程度轻重程度特点:指标概念简单，数量很多要点：名称、概念或定义、符号、表达式、单位或量纲、常见值或范围、联系与区别定义基本方法:三相草图法§2土的物理性质及分类59三相草图WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积§2.2土的三相比例指标§2土的物理性质及分类60三相草图WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积已知关系五个:共有九个参数:

VVvVsVaVw

/msmwmam剩下三个独立变量三相草图法物性指标是比例关系:可假设任一参数为1对于饱和土,Va=0剩下两个独立变量实验室测定其它指标是一种简单而实用的方法§2.2土的三相比例指标§2土的物理性质及分类61室内测定的三个物理性质指标WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积－土的密度、土粒的相对密度、土的含水量土的密度单位:kg/m3

或g/cm3一般范围:1.60—2.20

g/cm3定义:单位体积土的质量有时也称土的天然密度表达式:§2.2土的三相比例指标§2土的物理性质及分类土的密度取决于土粒的密度，孔隙体积的大小孔隙中水的质量多少，它综合反映了土的物质组成和结构特征。62§2.2土的三相比例指标§2土的物理性质及分类土的重度γ=ρg工程上更常用,用于计算土的自重应力单位:kN/m3

测定方法：环刀法（不适用于粗颗粒土、松散砂土）核子密度仪(适用于各种土)

环刀：内径:6.18cm壁厚：1.5mm体积：60cm3核子密度仪或者核子仪是核子密度/湿度检测仪的简称，是利用同位素放射原理实时检测土工建筑材料的密度和湿度的电子仪器。相关指标:63WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积土粒相对密度s:土粒的密度，单位体积土粒的质量单位:无量纲4˚C时纯蒸馏水的密度=1.0g/cm3土粒相对密度在数值上等于土粒的密度定义:土粒的质量与同体积4˚C时纯蒸馏水的质量的比值表达式:§2.2土的三相比例指标§2土的物理性质及分类土的名称砂土粉土粘性土土粒相对密度2.65~2.692.70~2.712.72~2.76参考值：

土粒相对密度取决于土的矿物成分，变化幅度很小。64比重瓶法法比重瓶§2.2土的三相比例指标§2土的物理性质及分类测定方法：65WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积土的含水量定义:土中水的质量与土粒质量之比,

用百分数表示注意:

其实是含水比,可达到或超过100％表达式:§2.2土的三相比例指标§2土的物理性质及分类土的含水量是标志土含水程度的一个重要物理指标。天然土层含水量变化范围较大，与土的种类、埋藏条件及其所处的自然地理环境等有关。

测定方法：通常用烘干法，亦可近似用酒精燃烧法

炒干法

66（烘干法）试验法1、代表性土样（10-30g）放入称量盒中盖盖称重g12、打开盒盖，放入烘干箱100-105oc下烘干至恒重，取出冷却至室温3、盖盖称重g2

g0为盒重平行试验（两个试样）误差<2%,取平均值（炒干法）工程法1kg-2kg天然土放于锅内炒干，测w天然状态下土的含水量称土的天然含水量。一般砂土天然含水量都不超过40%，以10-30%最为常见；一般黏土大多在10-80%之间，常见值20-50%。

准确到0.01g§2.2土的三相比例指标§2土的物理性质及分类准确到0.01g67表示土中孔隙含量的指标孔隙比孔隙率(孔隙度)其它常用的物理性质指标关系:在某种程度上反映土的松密一般e<0.6的土是密实的低压缩土；e>1.0的土是疏松的高压缩性土。砂类土：28-35%黏性土：30-50%有的可达60-70%定义:土中孔隙体积与固体颗粒体积之比,无量纲表达式:WaterAirSolidVaVwVsVvV体积定义:土中孔隙体积与总体积之比,用百分数表示表达式:Vs=1Vv=eV=1+eWaterAirSolid体积三相草图可用于确定物性指标之间的关系§2.2土的三相比例指标§2土的物理性质及分类68表示土中含水程度的指标含水量饱和度WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积表达式:定义:土中水的体积与孔隙体积的比值饱和度表示孔隙中充满水的程度它在0~100%；干燥时Sr=0。孔隙全部为水充填时，Sr=100%。

工程应用：饱和度可以反映土的干湿程度，砂土根据饱和度Sr的指标值分为稍湿、很湿与饱和三种湿度状态，其划分标准见下表：砂土湿度状态稍湿很湿饱和饱和度Sr(%)Sr

≤5050<Sr

≤80Sr>80§2土的物理性质及分类§2.2土的三相比例指标69表示土的密度和重度的指标天然密度干密度饱和密度天然重度干重度浮重度浮密度有效重度饱和重度WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积单位:kg/m3

或g/cm3单位:kN/m3

定义:

土被完全烘干时的密度,等于单位体积内土粒的质量表达式:§2土的物理性质及分类§2.2土的三相比例指标干密度反映了土的孔隙性，因而可用以计算土的n，它往往通过土的ρ及w计算得来，但也可以实测。

在工程上常把干密度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。

土的干密度一般常在1.4~1.7g/cm3

70各种密度重度之间的大小关系：天然密度干密度饱和密度天然重度干重度浮重度饱和重度WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积§2土的物理性质及分类§2.2土的三相比例指标71气水土粒质量m体积VV=1+eVv=eVs=1土的三项物理指标换算图e=VV/Vs§2土的物理性质及分类§2.2土的三相比例指标常用的物理性质指标间的换算关系72§2土的物理性质及分类§2.2土的三相比例指标73§2土的物理性质及分类§2.2土的三相比例指标74土的三相比例指标换算公式1

名称符号三相比例表达式常用换算公式单位土粒比重含水量密度饱和密度有效密度干密度g/cm3g/cm3g/cm3g/cm375kN/m3

名称符号三相比例表达式常用换算公式单位重度干重度饱和重度孔隙比孔隙率有效重度

kN/m3

kN/m3

kN/m3饱和度土的三相比例指标换算公式276例题1.1某工程地基勘探中，取原状50cm3，重95.15g，烘干后重75.05g，土粒相对密度为2.67。求：解：绘制三相比例图质量（g)体积(cm3)m=95.15g95.15V=50cm350ms=75.05g75.0520.120.128.11Vv

=50－28.11=21.89cm321.89Va=21.89－20.1=1.79cm31.79mw

=95.15－75.05=20.1g§2土的物理性质及分类§2.2土的三相比例指标77质量（g)体积(cm3)95.155075.0520.120.128.1121.891.792、计算三相比例指标=19.39-10=9.39kN/m3例题1.1§2土的物理性质及分类§2.2土的三相比例指标78

某土料孔隙比e=0.9，饱和度Sr=40%，如果在体积不变的情况下，使饱和度增加到Sr=90%，问1m3土料中应加多少水。体积(m3)1加水后体积(m3)Vv+Vs=1m3Vv=0.9Vs=0.474m30.4740.526加水前加水后0.190.43所以1m3土加水量为0.43－0.19=0.24(t)解：10.526例题1.2§2土的物理性质及分类§2.2土的三相比例指标79要点从物理意义上理解指标间的关系不鼓励死记硬背必要时利用三相草图推导§2土的物理性质及分类§2.2土的三相比例指标80小结物理性质指标土的三个组成相的体积和质量上的比例关系松密程度干湿程度轻重程度特点:指标概念简单，数量很多要点：名称、概念或定义、符号、表达式、单位或量纲、常见值或范围、联系与区别定义基本方法:三相草图法室内测定的三个物理性质指标土的密度、土粒的比重、土的含水量三相草图有助于直观理解物性指标的概念其它常用的物理性质指标表示土中孔隙含量的指标表示土中含水程度的指标表示土的密度和重度的指标三相草图可用于确定物性指标之间的关系三相草图法是求取物理性质指标的简单而有效的方法§2土的物理性质及分类§2.2土的三相比例指标81影响无黏性土的松密程度力学特性密实度大结构稳定、强度大、压缩变形小密实度小结构疏松、不稳定、压缩变形大衡量无黏性土的密实度方法孔隙比e或孔隙率n相对密度Dr现场标准贯入试验测定土的密实度通常是指单位体积中固体颗粒的含量定义:§2土的物理性质及分类§2.2土的三相比例指标§2.4无黏性土的密实度82优点：简单方便缺点：不能反映级配的影响只能用于同一种土

e不容易获得。对策相对密度1、干容重d或孔隙比e或孔隙率nemin

=0.35emin

=0.20§2.4无黏性土的密实度§2土的物理性质及分类孔隙比e或孔隙率n分类（TJ7-74）《工业与民用建筑地基基础设计规范》《建筑地基基础设计规范》198983emax:最大孔隙比；将松散的风干土样通过长颈漏斗轻轻地倒入容器，避免重力冲击，求得土的最小干密度再经换算得到最大孔隙比emin:最小孔隙比；将松散的风干土样装入金属容器内，按规定方法振动和锤击，直至密度不再提高，求得土的最大干密度再经换算得到最小孔隙比emax与emin：最大与最小孔隙比注意：室内测得理论上的最大与最小孔隙比有时很困难§2.4无黏性土的密实度§2土的物理性质及分类优点：克服了e不能反映级配的缺点缺点：e仍然不容易获得。84无黏性土的密实状态指标

判别标准：

Dr

=1

最密状态

Dr

=0

最松状态

Dr≤1/3

疏松状态1/3<

Dr≤

2/3中密状态

Dr>2/3

密实状态相对密度§2.4无黏性土的密实度§2土的物理性质及分类Dr在工程上常应用于：（1）评价砂土地基的允许承载力；（2）评价地震区砂体液化；（3）评价砂土的强度稳定性。853、根据现场标准贯入试验判定标准贯入试验(SPT)是动力触探的一种，它利用一定的锤击动能(锤重63.5kg，落距76cm)，将一定规格的对开管式的贯入器打入钻孔孔底的土中，根据打入土中的贯阻抗，判别土层的工程性质。贯入阻抗用贯入器贯入土中30cm的锤击数N63.5表示，N63.5

也称为标贯击数。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。标准贯入试验垂击数NN≤1010≤N≤1515≤N≤30N≥30密实度松散稍密中密密实判定标准：§2.4无黏性土的密实度§2土的物理性质及分类《建筑地基基础设计规范》（GB50007－2002）86标准贯入试验(SPT)§2.4无黏性土的密实度§2土的物理性质及分类87碎石土密实度野外鉴别§2.4无黏性土的密实度§2土的物理性质及分类88黏性土的软硬状态也称稠度状态稠度状态与含水量有关黏性土含水量较硬变软流动§2.3黏性土的物理特征§2土的物理性质及分类89塑限wp液限wl稠度界限黏性土的稠度反映土中水的形态固态或半固态塑态

流态

强结合水膜最大出现自由水强结合水弱结合水自由水稠度状态含水量土中水的形态w土颗粒强结合水弱结合水土颗粒强结合水土颗粒自由水弱结合水强结合水吸附弱结合水的能力塑性指数§2.3黏性土的物理特征§2土的物理性质及分类90测试方法用搓条法测定塑限wp

搓条法:即用双手将一定湿度的土样搓成小圆球（球径小于10mm），放在毛玻璃板上再用手掌慢慢搓滚成小土条，用力均匀，搓到土条直径为3mm，出现裂纹，自然断开，这时土条的含水量就是塑限wp值。搓好的泥条§2.3黏性土的物理特征§2土的物理性质及分类可塑状态：1、外力作用下可塑成任何形状而不出现裂纹2、外力撤去后，仍能保持既有形状。91用平衡锥式液限仪测定wL

其工作过程是：将粘性土调成均匀的浓糊状，装满盛土杯，刮平杯口表面，将76克重圆锥体轻放在试样表面的中心，使其在自重作用下徐徐沉入试样，若圆锥体经5秒种恰好沉入10mm深度，这时杯内土样的含水量就是液限wL值。为了避免放锥时的人为晃动影响，可采用电磁放锥的方法。

锥式液限仪(见动画)

§2.3黏性土的物理特征§2土的物理性质及分类9210mm液限测定演示：§2.3黏性土的物理特征§2土的物理性质及分类9310mm液限测定演示：§2.3黏性土的物理特征§2土的物理性质及分类94液限测定演示：§2.3黏性土的物理特征§2土的物理性质及分类95取不同含水量做几次(一般3次)试验,试验结果绘在双对数坐标纸上,试验点连成直线,可在图上直接查得塑限和液限.圆锥入土深度与含水量关系§2.3黏性土的物理特征§2土的物理性质及分类96锥式液限仪碟式液限仪§2.3黏性土的物理特征§2土的物理性质及分类wL碟=wL锥（锤下沉17mm）97§2.3黏性土的物理特征§2土的物理性质及分类98相对稠度问题：仅适用于重塑土即使含水量相同，稠度可能不同液性指数对不同的黏土，wp、wl

大小不同定义：wpwwlIL<0IL=0–1IL>1坚硬状态可塑状态流态0.00–0.250.25-0.750.75–1.00硬塑可塑软塑对同一种黏土，含水量可反映其稠度问题：§2.3黏性土的物理特征§2土的物理性质及分类99——吸附弱结合水的能力塑性指数（常省略%,取整数）常作为细粒土工程分类的依据缺点不能充分反映粘土颗粒含量

土颗粒大小不同矿物成分不同土中水的离子成分和浓度§2.3黏性土的物理特征§2土的物理性质及分类100天然稠度：原状土样测定的wL和天然含水量w的差值与塑性指数IP之比应用于：划分路基的干湿状态§2.3黏性土的物理特征§2土的物理性质及分类101无黏性土土的密实状态指标:

相对密度Dr

，标贯击数N小结黏性土的稠度状态指标:

液性指数IL引入定义判别标准稠度界限稠度状态含水量土中水的形态塑性指数液性指数引入定义判别标准粗粒土与黏性土为何采用不同的物理状态指标？反映土的细观特点与力学特性有更直接的联系便于量测§2.3黏性土的物理特征§2土的物理性质及分类102活动度(了解)

定义：黏性土的塑性指数与土中胶粒含量百分数的比值，用A表示。即

P0.002—粒径<0.002mm颗粒占总重量的百分比。物理意义：反映黏性土中所含矿物的活动性,它也是衡量土中黏性矿物吸附结合水的能力。

A<0.75不活动黏性土;A>1.25活动黏性土;0.75<A<1.25正常黏性土。§2.3黏性土的物理特征§2土的物理性质及分类活性黏土的矿物成分以吸水能力很强的蒙脱石等矿物为主，而非活性粘土中的矿物成分，则以高岭石等吸水能力较差的矿物为主。

103

反映黏性土结构性的指标相同含水量、密度黏性土的灵敏度—St

=原状土结构性相同含水量密度、组成粉碎重塑重塑土强度降低St11-22-44-88-16>16黏性土不灵敏低灵敏中等灵敏灵敏很灵敏流动原状土的无侧限抗压强度重塑土的无侧限抗压强度§2.3黏性土的物理特征§2土的物理性质及分类物理意义：反映了黏性土的结构性的强弱。工程应用：保护基槽，以免破坏破坏其结构，降低地基强度。104含水量不变，密度不变，因重塑而强度降低，又因静置而逐渐强化，强度逐渐恢复的现象，称为触变性。土的触变性是土结构中联结形态发生变化引起的，是土结构随时间变化的宏观表现。目前尚没有合理的描述土触变性的方法和指标。黏性土的触变性§2.3黏性土的物理特征§2土的物理性质及分类105结构强度恢复结构破坏结构未破坏触变性§2.3黏性土的物理特征§2土的物理性质及分类重塑土和原状土106小结土颗粒或粒团的空间排列和相互联结土粒间的作用力粘性土的结构性指标土的结构粗粒土的结构细粒土的结构§2.3黏性土的物理特征§2土的物理性质及分类107一、土的工程特征

土与其它连续介质的建筑材料，具有下列三个显著的工程特征：1.压缩性高

反映材料压缩性高低的指标弹性模量E(土称变形模量),随着材料的不同而有极大的差别,例如:

钢筋E=21万MPa;C20混凝土E=2.0万MPa;

卵石E=50MPa;

饱和细砂E=10MPa.2.强度低

为抗剪强度，而非抗压、抗拉强度；3.透水性大

颗粒之间有无数孔隙。§2土的物理性质及分类§2.7土的分类108二、土的形成与工程特性的关系

由于各类土的生成条件不同，它们的工程特性往往相差悬殊：

1.搬运、沉积条件

通常流水搬运沉积的土优于风力搬运沉积的土。

2.沉积年代

通常土的沉积年代越长，土的工程性质越好。

3.沉积的自然地理环境

自然地理环境不同所生成的土的工程性质差异也大。§2土的物理性质及分类§2.7土的分类109三、分类的目的和原则

土的分类体系就是根据土的工程性质差异将土划分成一定的类别，目的在于通过通用的鉴别标准，便于在不同土类间作有价值的比较、评价、积累以及学术与经验的交流。分类原则：1.分类要简明，既要能综合反映土的主要工程性质，又要测定方法简单，使用方便。2.土的分类体系所采用的指标要在一定程度上反映不同类工程用土的不同特性。§2土的物理性质及分类§2.7土的分类110四、分类体系与方法

分类体系：1.建筑工程系统分类体系2.工程材料系统分类体系侧重把土作为建筑地基和环境，研究对象为原状土，例如：《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)地基土分类方法侧重把土作为建筑材料，用于路堤、土坝和填土地基工程。研究对象为扰动土，例如：《土的分类标准》(GBJ145-90)工程用土的分类和《公路土工试验规程》(JTJ051-93)土的工程分类§2土的物理性质及分类§2.7土的分类111分类方法：

1、世界各国、各地区、各部门，根据自己的传统和经验，都有自己的分类标准。据《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)§2土的物理性质及分类§2.7土的分类1）根据沉积年代可分为老沉积土、一般沉积土、

（对黏性土影响较大）新近沉积土2）根据地质成因可分为残积土、坡积土、洪积土、冲积土、风积土等。3）根据颗粒级配或塑性指数Ip可分为岩石、碎石土、砂土、粉土和粘性土。4）根据土的工程特性的特殊性可分为一般土和特殊土5）根据有机质含量可分为无机土、有机质土、泥炭质土、和泥炭。1123）（1）岩石

定义：颗粒间牢固粘结,呈整体或具有节理裂隙的岩体称为岩石。分类：

按成因分为岩浆岩、沉积岩和变质岩；

按坚硬程度分为坚硬岩、较硬岩、较软岩、软岩、极软岩等；坚硬程度可根据岩块的饱和单轴抗压强度frk分类

按风化程度分为未风化、微风化、中风化、强风化、全风化等；

根据完整性可分完整、较完整、较破碎、破碎和极破碎等。§2土的物理性质及分类§2.7土的分类坚硬程度类别饱和单轴抗压强度frk(Mpa)坚硬岩较硬岩较软岩软岩极软岩30＜frk≤60frk＞6015＜frk≤305＜frk≤15frk≤5<0.150.35~0.150.55~0.350.75~0.56>0.75完整性指数极破碎破碎较破碎较完整完整完整程度等级<0.150.35~0.150.55~0.350.75~0.56>0.75完整性指数极破碎破碎较破碎较完整完整完整程度等级113（2）碎石土分类：土的名称颗粒形状颗粒级配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%§2土的物理性质及分类§2.7土的分类注：定名时应根据颗粒级配由大到小以最先符合者确定定义：粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50%的土称为碎石土114（3）砂土分类土的名称颗粒级配粒径大于2mm的颗粒占全质量25-50%砾砂粗砂中砂细砂粉砂粒径大于0.5mm的颗粒超过全质量50%粒径大于0.25mm的颗粒超过全质量50%粒径大于0.075mm的颗粒超过全质量85%粒径大于0.075mm的颗粒超过全质量50%定义：粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50%的土，且粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50%的土称为砂土

注：定名时应根据颗粒级配由大到小以最先符合者确定§2土的物理性质及分类§2.7土的分类115（4）粉土（5）黏性土10<Ip≤17的土Ip>17的土黏土粉质黏土A<0.75A=075–1.25A>1.25非活性黏土正常黏土活性黏土定义：粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重50%，塑性指数IP≤10的土称为粉土粉土是介于砂土和黏性土之间的过渡性土类，它具有砂土和黏性土的某些特征。根据粘粒含量可以将粉土再划分为砂质粉土和粘质粉土。

定义：粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重50%，塑性指数IP＞10的土称为黏性土，黏粘性土根据塑性指数细分土的名称颗粒级配砂质粉土粒径小于0.005mm的颗粒含量不超过全重10%黏质粉土粒径小于0.005mm的颗粒含量超过全重10%§2土的物理性质及分类§2.7土的分类116§2土的物理性质及分类§2.7土的分类117（1）人工填土

定义：人工填土是指由人类活动而堆填的土。其物质成分较杂，均匀性较差。根据其物质组成和堆填方式。分类：素填土、杂填土、冲填土和压实填土四类。各类填土应根据下列特征予以区别：

1、素填土是由碎石、砂或粉土、粘性土等一种或几种材料组成的填土其中不含杂质或含杂质很少。按主要组成物质分为碎石素填土、砂性素填土、粉性素填土及黏性填土。经分层压实后则称为压实填土。

2、杂填土是含大量建筑垃圾、工业废料或生活垃圾等杂物的填土。按其组成物质成分和特征分为建筑垃圾土、工业废料土及生活垃圾土。

3、冲填土为由水力冲填泥浆形成的填土。4）特殊土§2土的物理性质及分类§2.7土的分类118土层分布示意§2土的物理性质及分类§2.7土的分类119（2）软土主要由细粒土组成；软土分布于沿海、内陆河流下游及湖泊与沼泽地区。分类淤泥：淤泥质土：泥炭：有机质含量>60%有机质土：有机质含量>5%特性e大，一般e>1；压缩性高；天然含水量w高，天然含水量接近或大于液限；强度低，透水性差，变形稳定时间长。§2土的物理性质及分类§2.7土的分类泥炭往往以夹层构造存在于一般粘性土层中，对工程十分不利