土力学课件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的生成与特性土的三相组成土的物理性质指标土的物理状态指标土(岩)的工程分类主要内容教学目的:

了解土的成因和三相组成，掌握土的物理性质和物理状态指标的定义、物理概念、计算公式和单位。要求熟练地掌握物理指标的三相换算。了解地基土的工程分类依据与准确定名。基本内容

土的形成与特征

土的三相组成

土的物理性质指标

土的物理状态指标

土的工程分类土的物理性质和工程分类教学重点与难点:土的物理性质指标土的物理状态指标土的各个指标的定义、物理概念、计算公式和单位教学手段:理论讲解,对各个指标的测试方法用多媒体课件进行讲解课时安排:4课时1土的生成与特性岩石风化（物理、化学、

生物）作用岩石破碎化学成分改变搬运沉积大小、形状和成分都不相同的松散颗粒集合体（土）

土固相液相气相土中颗粒的大小、成分及三相之间的相互作用和比例关系，反映出土的不同性质

土的生成：颗粒通常是由一种或几种原生矿物所组成，它的成分与母岩的相同，颗粒一般较粗，吸附水的能力弱，性质比较稳，无塑性。化学风化仅使岩石产生质的变化原生矿物经化学风化生成的新矿物，它的成分与母岩的完全不同。颗粒极细，性质活泼，有较强的吸附水能力，具塑性。土的性质随土粒的粒径的变化而发生变化土岩石次生矿物原生矿物物理风化仅使岩石产生量的变化土的结构

在成土过程中所形成的土粒的空间排列及其联结形式，与组成土的颗粒大小、颗粒形状、矿物成分和沉积条件有关

1.单粒结构：粗矿物颗粒在水或空气中在自重作用下沉落形成的单粒结构，其特点是土粒间存在点与点的接触。根据形成条件不同，可分为疏松状态和密实状态

密实状态疏松状态2.蜂窝结构：颗粒间点与点接触，由于彼此之间引力大于重力，接触后，不再继续下沉，形成链环单位,很多链环联结起来，形成孔隙较大的蜂窝状结构

3.絮状结构：细微黏粒大都呈针状或片状，质量极轻，在水中处于悬浮状态。当悬液介质发生变化时，土粒表面的弱结合水厚度减薄，黏粒互相接近，凝聚成絮状物下沉，形成孔隙较大的絮状结构

蜂窝结构絮状结构土的构造土的构造是指土体中各结构单元之间的关系。主要特征是土的成层性和裂隙性,即层理构造和裂隙构造，二者都造成了土的不均匀性1.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,而沿竖向呈现出成层特征

2.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其它构造见教材土的工程特性压缩性髙强度低透水性大黏性土变形稳定历时长二、黏性土的稠度

1.黏性土的稠度状态稠度是指土的软硬程度或土受外力作用所引起变形或破坏的抵抗能力,是黏性土最主要的物理状态特征

0固态半固态可塑状态流动状态w塑限wP液限wL黏性土由某一种状态过渡到另一状态的界限含水率称为土的稠度界限液塑限测定根据《土工试验方法标准》(GB/T50123-1999)规定，采用液塑限联合测定仪进行测定。缩限ws颗粒水Vs固态wLwpws缩限塑限液限半固态可塑态液态wV0阿特堡界限(Atterberglimit)黏性土的稠度和可塑性Va+Vw液塑限联合测定仪下沉深度为17（10）mm所对应的含水率为液限;下沉深度为2mm处所对应的含水率为塑限2.黏性土的塑性指数和液性指数塑性指数IP是液限和塑限的差值(省去%)，即土处在可塑状态的含水率变化范围说明：塑性指数的大小取决于土颗粒吸附结合水的能力,即与土中黏粒含量有关。黏粒含量越多,塑性指数就越高

说明：液性指数表征土的天然含水率与界限含水率间的相对关系。当IL≤0时,w≤wP,土处于坚硬状态;当IL＞1时,w＞wL,土处于流动状态。根据IL值可以直接判定土的软硬状态

液性指数IL是黏性土的天然含水率和塑限的差值与塑性指数之比

状态液性指数坚硬硬塑可塑软塑流塑IL≤00＜IL≤0.250.25＜IL≤0.750.75＜IL≤1IL＞1三、例题分析

【例】某砂土试样,试验测定土粒相对密度Gs=2.7,含水率w=9.43%,天然密度ρ=1.66/cm3。已知砂样最密实状态时称得干砂质量ms1=1.62kg,最疏松状态时称得干砂质量ms2=1.45kg。求此砂土的相对密度Dr,并判断砂土所处的密实状态【解答】砂土在天然状态下的孔隙比砂土最小孔隙比砂土最大孔隙比相对密实度∈（1/3,2/3]中密状态

土的三相组成…１土的三相组成是指土由固体颗粒、液体水和气体三部分组成。土中的固体矿物构成土的骨架,骨架之间贯穿着大量的孔隙,孔隙中充满着液体水和气体。土体三相比例不同，土的状态和工程性质也随之各异，例如：固体+气体（液体=0）为干土，此时黏土呈坚硬状态，砂土呈松散状态；固体+液体+气体为湿土，此时黏土多为可塑状态；固体+液体（气体=0）为饱和土，此时粉细砂或粉土遇强烈地震，可能产生液化，而使工程遭受破坏土的三相组成…2

土是由固相、液相、气相组成的三相分散系。固相——包括多种矿物成分组成土的骨架，骨架间的空隙为液相和气相填满，这些空隙是相互连通的，形成多孔介质；液相——主要是水(溶解有少量的可溶盐类)；气相——主要是空气、水蒸气，有时还有沼气等。

土粒的矿物成分矿物成分取决于母岩的矿物成分和风化作用原生矿物：由岩石经过物理风化形成，其矿物成分与母岩相同次生矿物：岩石经化学风化后所形成的新的矿物，其成分与母岩不相同

例：石英、云母、长石等特征：矿物成分的性质较稳定，由其组成的土具有无黏性、透水性较大、压缩性较低的特点例：黏土矿物有高岭石、伊利石、蒙脱石等特征：性质较不稳定，具有较强的亲水性，遇水易膨胀的特点次生矿物

蒙脱石

伊利石

高岭石蒙脱石蒙脱石伊利石高岭石亲水性高中低胀缩性高中低土的三相组成…3土的固体颗粒土是岩石风化的产物。因此土粒的矿物组成将取决于成土母岩的矿物组成及其后的风化作用。成土矿物可分为两大类：原生矿物次生矿物

由岩石经物理风化生成的

由原生矿物经化学风化生成的新矿物

颗粒成分与母岩的相同

它的成分成分与母岩的完全不同

常见的有石英、长石和云母

有高岭石、伊利石和蒙脱石黏土矿物

颗粒较粗，多呈浑圆形状

颗粒极细，且多呈片状

吸附水的能力弱，无塑性

性质活泼，吸附水能力强，具塑性水溶盐可溶性次生矿物。常见的有岩盐、钾盐、石膏、方解石，硫酸盐类还对金属和混凝土有一定的腐蚀作用。有机质动植物分解后的残骸，称为腐殖质。其颗粒极细，粒径小于0.1m，呈凝胶状，带有电荷，具极强的吸附性。三、土中气体

土中气体存在于土孔隙中未被水占据的部分，分为与大气连通的非封闭气体和与大气不连通的封闭气体1.非封闭气体：受外荷作用时被挤出土体外，对土的性质影响不大

2.封闭气体：受外荷作用，不能逸出，被压缩或溶解于水中，压力减小时能有所复原，对土的性质有较大的影响，使土的渗透性减小，弹性增大和延长土体受力后变形达到稳定的历时土的物理性质指标一、土的三相图气水土粒msmwmVsVwVVa质量m体积V二、直接测定指标1.土的密度ρ：单位体积土的质量工程中常用重度来表示单位体积土的重力重力加速度，近似取10m/s2

2.土粒相对密度ds（土粒比重）：土粒密度与4℃时纯水的密度之比

土粒相对密度变化范围不大：细粒土（黏性土）一般2.70～2.75；砂土一般为2.65左右。土中有机质含量增加，土粒相对密度减小Vv气水土粒msmwmVsVwVVa质量m体积V3.土的含水率w：土中水的质量与土粒质量之比，以百分数表示土的含水率是标志土含水程度的一个重要物理指标。天然土层含水率变化范围较大，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：烘干法、酒精燃烧法、射线法、碳化钙气压法、碳化钙减量法、铁锅炒干法、微波炉法

三、换算指标

气水土粒msmwmVsVwVVVa质量m体积V1.孔隙比e和孔隙率n孔隙比e：土中孔隙体积与土粒体积之比

2.土的饱和度Sr：土中水的体积与孔隙总体积之比，以百分数表示饱和度描述土中孔隙被水充满的程度。干土Sr=0,饱和土Sr=100%。砂土根据饱和度分为三种状态:孔隙率n：土中孔隙体积与总体积之比，以百分数表示

Sr≤50%稍湿；50％＜Sr≤80%很湿；Sr＞80%饱和3.不同状态下土的密度和重度饱和密度ρsat：土体中孔隙完全被水充满时的土的密度

干密度ρd：单位体积中固体颗粒部分的质量有效密度ρ：土单位体积内土粒质量与同体积水的质量之差土的三相比例指标中的质量密度指标共有4个，土的天然密度ρ，饱和密度ρsat，干密度ρd，有效密度ρ

(kg/m3),相应的重度指标也有4个，土的天然重度，饱和重度sat，干重度d，有效重度

(kN/m3)气水土粒msmwmVsVwVVVa质量m体积V四、指标间的换算气水土粒dsρw

Vs＝11+e质量m体积V土的三相指标中，土粒比重ds

，含水率w和密度ρ是通过试验测定的，可以根据三个基本指标换算出其余各指标Vv=ewdsρw

ds（1＋w）ρw

推导：换算关系式：反映土的松密程度的指标有：土的孔隙比e、孔隙率n；反映了土的含水程度的指标有：含水率w、饱和度Sr；土的重度有：饱和重度γsat

、天然重度γ、干重度γd

、浮重度γ

′；三项基本指标有：

密度ρ（或重度g）、土粒比重ds、含水率w。黏性土的结构性和灵敏度灵敏度

2～4，中等灵敏；4～8，灵敏；8～16，特别灵敏；>16，超灵敏触变性原状土与重塑土的强度之比结构未破坏结构破坏结构强度恢复土的三相组成…４一、土的固相

土粒的大小、相关矿物成分以及大小搭配情况对土的物理力学性质有明显影响1.土的颗粒级配工程上将各种不同的土粒按其粒径范围，划分为若干粒组，为了表示土粒的大小及组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量（即各粒组占土粒总量的百分数）来表示，称为土的颗粒级配

试验方法筛分法：适用于0.075mm≤d≤60mm比重计法或移液管法:适用于d＜0.075mm（水分法或沉降分析法）土的三相组成…5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0.05～2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0.005～0.05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。土的工程分类标准GB/T50145-2007筛分法用一套11只孔径不同的筛子，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

粗筛孔径为60、40、20、10、5、2mm。

细筛孔径为2.0、1.0、0.5、0.25、0.075mm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颗粒粒径级配曲线

纵坐标表示小于某粒径的土粒含量百分比,横坐标表示土粒的粒径(半对数坐标）颗粒级配的描述

工程上常用不均匀系数Cu描述颗粒级配的不均匀程度

d10、d30、d60小于某粒径的土粒含量为10%、30%和60%时所对应的粒径Cu愈大，表示土粒愈不均匀。工程上把Cu＜5的土视为级配不良的土；Cu＞10的土视为级配良好的土

曲率系数Cc描述颗粒级配曲线整体形态，表明某粒组是否缺失情况

对于砾类土或砂类土，同时满足Cu≥5和Cc=1～3时，定名为良好级配砂或良好级配砾

CU是描述土颗粒的均匀性的，越大，土颗粒分布越不均匀。CC是描述土颗粒级配曲线的曲率情况的，当CC>3时，说明曲线曲率变化较快，土较均匀；当CC<1时，说明曲线变化过于平缓，此平缓段内粒组含量过少，而此段为水平时其含量等于0。所以，对级配良好、工程性质优良的土，要求3>CC>1。二、土中的水

土中水的含量明显地影响土的性质(尤其是黏性土)。土中水除了一部分以结晶水的形式吸附于固体颗粒的晶格内部外，还存在结合水和自由水1.结合水强结合水：紧靠于颗粒表面、所受电场的作用力很大、几乎完全固定排列、丧失液体的特性而接近于固体

弱结合水：紧靠强结合水的外围形成的结合水膜，所受的电场作用力随着与颗粒距离增大而减弱

2.自由水存在于土粒电场影响范围以外，性质和普通水无异，能传递水压力，冰点为0℃，有溶解能力

以两种形式存在：毛细水、重力水土中水

土中水处于不同位置和温度条件下，可具有不同的物理状态——固态、液态、气态。液态水是土中孔隙水的主要存在状态，因其受土粒表面双电层影响程度的不同可分为结合水、毛细水、重力水。后两者也称为非结合水（自由水）。

水的类型主要作用力结合水物理化学力非结合水毛细水表面张力和重力重力水重力式中，水膜的张力σT与温度有关。10℃时，σT=0.0756g/cm；20℃时，σT=0.0742g/cm。方向角α的大小与土颗粒和水的性质有关。r为毛细管的半径，γw为水的重度。若弯液面处毛细水的压力为，分析该处水膜的平衡条件uc。取铅垂方向力的总和为0，则有若取α=0，得毛细水中的张力分布图五、例题分析

【例】某土样经试验测得体积为100cm3，湿土质量为187g，烘干后，干土质量为167g。若土粒的相对密度Gs为2.66，求该土样的含水率w、密度ρ、重度

、干重度d

、孔隙比e、饱和重度sat和有效重度

【解答】土的物理状态指标一、无黏性土的密实度

土的密实度指单位体积土中固体颗粒的含量。无黏性土的密实度与其工程性质有着密切关系1.孔隙比e

缺点:无法反映级配影响；不易取得原状土样

孔隙比e可以用来表示砂土的密实度。对于同一种土，当孔隙比小于某一限度时，处于密实状态。孔隙比愈大，土愈松散.2.相对密实度Dr砂土在天然状态下孔隙比砂土在最密实状态时的孔隙比砂土在最松散状态时的孔隙比当Dr=0时，e=emin，表示土处于最疏松状态;当Dr=1.0时，e=emax，表示土体处于最密实状态3.按动力触探确定无黏性土的密实度Dr≤1/3疏松状态1/3＜Dr≤2/3中密状态2/3＜Dr≤1密实状态

天然砂土的密实度，可按标准贯入试验的锤击数N进行评定。天然碎石土的密实度，可按重型圆锥动力触探的锤击数N63.5进行评定(GB50007-2011)

密实度按N评定砂石密实度按N63.5评定碎石土密实度松散稍密中密密实N≤10N63.5≤510＜N≤155＜N63.5≤1015＜N≤3010＜N63.5≤20N＞30N63.5＞20

标准贯入试验：

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N表示，N也称为标贯击数。该实验的的应用主要有评定砂土的相对密度、评定地基土承载力、估算单桩承载力等。标准贯入数N63.5锤重：63.5kg落距：760mm打入深度：300mm标准贯入试验（StandardPenetrationTest）1.5.3土的压实原理大量工程实践和试验研究表明，控制土的压实效果的主要因素是：土的含水率，压实机械及其压实功能等。土的压实效果常用干密度d（单位土体积内土粒的质量）来衡量。

1.最优含水率对黏性土，当压实功能和条件相同时，土的含水率过大或过小，土体都不易压实，只有把土的含水率调整到某一适宜值时，才能收到最佳的压实效果。

在一定压实机械的功能条件下，土最易于被压实，并能达到最大密度时的含水率，称为最优含水率wop，相应的干密度则称为最大干密度dmax。wd0dmaxwop试验统计表明：最优含水率wop与土的塑限wp有关，大致为wop=wp+2%。土中黏土矿物含量大，则最优含水率大。土的压实性一、土的击实试验在试验室内通过击实试验研究土的压实性。击实试验有轻型和重型两种。击实筒护筒击锤导筒重型击实试验适用于粒径小于40mm的土，击实筒容积为2104cm3，击锤质量为4.5kg，击锤落高为45.7cm。分五层击实，每层56击。根据击实后土样的密度和实测含水率计算相应的干密度轻型击实试验适用于粒径小于5mm的土，击实筒容积为947cm3，击锤质量为2.5kg。把制备成一定含水率的土料分三层装入击实筒，每层土料用击锤均匀锤击25下，击锤落高为30.5cm二、填土的击实特性影响土压实性的因素很多，主要有含水率、击实功能、土的种类和级配等1.含水率的影响ρdmaxwρd0wop说明：当击数一定时，只有在某一含水率下才获得最佳的击实效果2.击实功能的影响w0ρd击数403020饱和线1.土料的最大干密度和最优含水率不是常数。最大干密度随击数的增加而逐渐增大,最优含水率逐渐减小。然而，这种变化速率是递减的。同时，光凭增加击实功能来提高土的最大干密度是有限的2.当含水率较低时击数的影响较显著。当含水率较高时，含水率与干密度关系曲线趋近于饱和线，这时提高击实功能是无效的说明：填料的含水率过高或过低都是不利的。含水率过低，填土遇水后容易引起湿陷；过高又将恶化填土的其他力学性质。因此，在实际施工中填土的含水率控制得当与否，不仅涉及到经济效益，而且影响到工程质量3.土类和级配的影响击实试验表明，在相同击实功能下，黏性土黏粒含量愈高或塑性指数愈大，压实愈困难，最大干密度愈小，最优含水率愈大wρd0无黏性土的击实曲线无黏性土的击实曲线和黏性土击实曲线不同，在含水率较大时得到较高的干密度，因此在无黏性土实际填筑中，通常要不断洒水使其在较高的含水率下压实说明：土的级配对土的压实性影响很大。级配良好的土，易于压实，级配不良的土，不易压实，因为级配良好的土有足够的细粒去充填较粗粒形成的孔隙，因而能获得较高的干密度§1.4土（岩）的工程分类一、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二、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》(GB50007-2011)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：《土的工程分类标准》(GB/T50145-2007)工程用土的分类和《公路土工试验规程》(JTGE40-2007)土的工程分类分类方法：1.《建筑地基基础设计规范》(GB50007－2011)

根据土粒大小、粒组的土粒含量或土的塑性指数把地基土（岩）分为岩石、碎石土、砂土、粉土、黏性土和人工填土六大类a.岩石的分类

颗粒间牢固黏结,呈整体或具有节理隙的岩体称为岩石，坚硬程度可根据岩块的饱和单轴抗压强度frk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≤5b.碎石土的分类

粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50%的土称为碎石土c.砂土的分类

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

土的名称漂石块石卵石碎石圆砾角砾颗粒形状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形及亚圆形为主棱角形为主颗粒级配粒径大于200mm的颗粒含量超过全重50％粒径大于20mm的颗粒含量超过全重50％粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50％注：分类时应根据粒组含量栏从上到下以最先符舍者确定。碎石土的分类d.粉土的分类

粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重50%，塑性指数IP≤10的土称为粉土土的名称砾砂粗砂中砂细砂粉砂颗粒级配粒径大于2mm的颗粒含量占全重25％～50％注：分类时应根据粒组含量栏从上到下以最先符合者确定。粒径大