土力学地基基础课程讲解第2章辅导

第2章土的物理性质

及分类土力学地基基础厦门大学土木系2.2

土的生成与特性一地质作用概念地质作用——导致地壳成分变化和构造变化。按能量来源不同分为内力地质作用和外力地质作用。1内力地质作用——地球产生的能量引起地壳物质成分、内部构造以及地表形态发生变化的地质作用，如岩浆活动、地壳运动等。2外力地质作用——由太阳辐射能和地球重力位能所引起的地质作用。风化作用是由于气温变化、大气、水分及生物活动等自然条件使岩石破坏的地质作用。土力学地基基础厦门大学土木系2.2

土的生成与特性二风化作用1物理风化——岩石受风、霜、雨、雪的侵蚀，温度、湿度变化，不均匀膨胀与收缩，使岩石产生裂隙，崩解为碎块。只改变颗粒大小与形状，不改变矿物成分。产物：碎石、卵石、砾石、砂土等2化学风化——岩石碎屑与水、氧气、二氧化碳等接触，使岩石碎屑发生化学变化，改变原来矿物成分，产生新的成分（次生矿物）。如：粘土、粉质粘土。3生物风化——生物活动过程中对岩石的破坏作用。土力学地基基础厦门大学土木系2.2

土的生成与特性三土的结构和构造1土的结构定义：土的结构是指由土粒单元的大小、形状、相互排列及其联结关系等因素形成的综合特征。分类：可分为单粒结构、蜂窝结构、絮状结构。（1）单粒结构粗大颗粒下沉而形成的。全部由砂砾或更粗土粒组成的土都具有单粒结构。土力学地基基础厦门大学土木系2.2

土的生成与特性单粒结构可疏松也可紧密。紧密状单粒结构的土，强度大，压缩性小，是较良好的天然地基。疏松状单粒结构的土，强度小，压缩性大，不宜做建筑物的地基。土的单粒结构（a）疏松的（b）紧密的土力学地基基础厦门大学土木系2.2

土的生成与特性（2）蜂窝结构由粉粒(0.075—0.005mm)组成的土的结构形式。沉积过程中颗粒的吸引力大于其重力，逐渐下沉吸引形成蜂窝状土.（3）絮状结构粘粒(<0.005mm)集合体组成的结构形式，类似蜂窝且孔隙很大的絮状结构。颗粒之间存在吸力和斥力，长期悬浮，缓慢下沉形成絮凝结构。土力学地基基础厦门大学土木系2.2

土的生成与特性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。不可作天然地基。粘土颗粒沉积结构（a）盐液中絮凝（b）非盐液中絮凝（c）分散型土的蜂窝结构土力学地基基础厦门大学土木系2.2

土的生成与特性2土的构造：同一土层中，土颗粒之间相互作用关系的特征。（1）层状构造土层由不同颜色或不同的粒径的土组成层理，一层一层互相平行。层理一般呈水平方向。（2）分散构造土层中土粒分布均匀，性质相近。如砂与卵石层为分散构造。（3）结核状构造土力学地基基础厦门大学土木系2.2

土的生成与特性（4）裂隙构造土体中有许多不连续的小裂隙。如硬塑或坚硬状态的粘土为裂隙构造。工程性质一般分散构造的工程性质最好。结核状构造工程性质好坏取决于细粒土部分。裂隙构造类土强度低、渗透性大，工程性质差。土力学地基基础厦门大学土木系2.3

土的三相组成一土的固体颗粒土的固体颗粒是三相组成中的主体，是决定土的工程性质的主要成分。1土粒的矿物成分（1）原生矿物矿物成分为：石英、长石、云母、角闪石、辉石等。（2）次生矿物土力学地基基础厦门大学土木系2.3

土的三相组成母岩岩屑经化学风化成为粘土矿物。如：蒙脱石、伊利石、高岭石。其中蒙脱石亲水性最大，伊利石居中，高岭石最小。（3）腐殖质土力学地基基础厦门大学土木系2.3

土的三相组成2土颗粒大小与形状土中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重要因素。土粒常被分成六组，划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。界限粒径为200，60，2，0.075，0.005mm。粘粒粉粒细0.0050.010.0750.10.250.5252060200砂粒粗极细细中粗细中粗圆砾或角砾卵石碎石漂石块石土力学地基基础厦门大学土木系2.3

土的三相组成3土的粒径级配土的粒径级配——土中各粒组的相对含量，占总质量的百分数来表示。它是粗粒土的分类定名的标准。粒径级配试验方法：（1）粒径大于0.075mm的粗粒组可用筛分法测定。（2）粒径小于0.075mm的粘粉粒用比重法0.075mm0.25mm0.5mm1.0mm2.0mm5.0mm10mm筛底座20mm土力学地基基础厦门大学土木系2.3

土的三相组成（3）绘制颗粒级配累计曲线。有效粒径d10——小于某粒径的土粒质量累计百分数为10%时相应的粒径。限定粒径d60——小于某粒径的土粒质量累计百分数为60%时相应的粒径。中值粒径d30——小于某粒径的土粒质量累计百分数为30%时相应的粒径。土力学地基基础厦门大学土木系2.3

土的三相组成颗粒级配累积曲线图小于某粒径的土重含量％土粒粒径，mm缓粒径大小悬殊，土粒不均匀，级配良好陡粒径大小相差不大，土粒均匀，级配不好由曲线坡度大致判断土的均匀程度土力学地基基础厦门大学土木系2.3

土的三相组成不均匀系数曲率系数不均匀系数越大，土粒大小分布范围越大，级配良好。作为填方土料时，能有较大的密实度。土力学地基基础厦门大学土木系2.3

土的三相组成二土中的水：结合水（矿物内部）、自由水（孔隙中的水）1结合水——小土粒因表面的静电引力而在其周围吸附的水。分为强结合水和弱结合水.2自由水——存在土粒表面电场影响范围以外的水。能传水压，有溶解能力。(1）重力水(2）毛细水三土中气：主要是空气和水气，有时可能有沼气、二氧化碳、硫化氢等。土中气体对工程性质影响较小。土力学地基基础厦门大学土木系2.4

土的物理性质指标一土的三项基本物理性质指标1土粒比重（土的相对密度）Gs

（1）定义——土粒质量与同体积4摄氏度纯水质量之比（2）表达式：无量纲数值上等于土粒密度（3）常见值：2.6—2.8（4）测定方法：比重瓶法或经验法土力学地基基础厦门大学土木系2.4

土的物理性质指标2土的含水量w（1）定义——土中水的质量与土粒质量之比，%（2）表达式：（3）常见值：砂土（0—40）%；粘性土（20---60）%（4）测定方法：烘干法、炒干法、酒精燃烧法等土力学地基基础厦门大学土木系2.4

土的物理性质指标3土的密度

（1）定义——土单位体积的质量，单位g/cm3或t/m3（2）表达式：（3）常见值：砂土1.6—2.0粘性土1.8—2.0 （4）测定方法：环刀法、蜡封法等以上三个为土的基本物理指标，均可由实验室直接测定其数值。土力学地基基础厦门大学土木系2.4

土的物理性质指标二反映土的松密程度的指标1孔隙比e

（1）定义——土中孔隙体积与土粒体积之比（2）表达式：（3）常见值：砂土0.5—1.0，当e<0.6时，呈密实状态，良好地基粘性土0.5—1.2，当e>1.0时，高压缩性土，软弱地基土力学地基基础厦门大学土木系2.4

土的物理性质指标2孔隙率n

（1）定义——土中孔隙体积与总体积之比，%（2）表达式：（3）常见值：n=(30-50)%（4）确定方法：e和n均可据、Gs、w实测值计算土力学地基基础厦门大学土木系2.4

土的物理性质指标三反映土中含水程度的指标1含水量w（前已述）2土的饱和度Sr（1）定义——被水充满的孔隙体积与孔隙总体积之比（2）表达式：（3）常见值：Sr=(0-100)%（4）确定方法：据、Gs、w实测值计算（5）工程应用：砂土与粉土以饱和度划分湿度。稍湿很湿饱和80%50%土力学地基基础厦门大学土木系2.4

土的物理性质指标四特定条件下土的密度1土的干密度d、干容重d（1）定义——土单位体积中固体颗粒质量，g/cm3（2）表达式：（3）常见值：1.3—2.0g/cm3（4）工程应用：土的干密度用作填方工程中土体压实质量控制的标准。d越大，土体压得越密实，工程质量越好，但花费的压实费用也越大。土力学地基基础厦门大学土木系2.4

土的物理性质指标2饱和密度sat、饱和容重sat

（1）定义——孔隙中全部充满水时单位体积中的土质量，单位g/cm3

或t/m3（2）表达式：（3）常见值：sat1.8—2.3g/cm3土力学地基基础厦门大学土木系2.4

土的物理性质指标3有效密度、有效容重（1）定义——地下水位以下，土体受水的浮力作用时单位体积中的土质量，单位g/cm3或t/m3（2）表达式：（3）常见值：为0.8—1.3g/cm3土力学地基基础厦门大学土木系2.4

土的物理性质指标

土的物理性质指标共9个，土粒比重Gs、密度、含水量w、干密度d、饱和密度sat、有效密度、孔隙比e、孔隙率n、饱和度Sr。9个指标不是各自独立，其中Gs、、w由实验室测定，其余6个指标可通过三项指标换算求得。土力学地基基础厦门大学土木系2.4

土的物理性质指标五三相草图方法：首先绘制三相草图，据三个已知指标数值和各物理性质指标的定义进行计算。根据情况令V=1或Vs=1可使计算简化。土力学地基基础厦门大学土木系2.4

土的物理性质指标【例2—1】已知某钻孔原状土试样结果为：，w，Gs，求其余6个物理性质指标。气水土颗粒m=Gs(1+w)wmw=wGswms=GswVv=eVs=1V=1+e解：=m/v=Gs(1+w)w/(1+e)则e=Gs(1+w)w/-1e知，n亦可求。n=e/(1+e)Sr=VW/VV=mw/(wVV)=wGs/ed=ms/V=Gs/w(1+e)sat=(ms+Vvw)/V=(Gs+e)/(1+e)土力学地基基础厦门大学土木系2.5

土的物理状态指标一无粘性土的密实度无粘性土为单粒结构，最主要的物理状态指标是密实度。划分密实度的标准是什么？1用孔隙比e（很少用）优点：应用方便。同一种土，密砂孔隙比e1，松砂孔隙比e2，必然e1<e2缺点：无法反映土粒级配因素。例如：两种级配不同的砂，一种颗粒均匀密砂e1，一种级配良好的松砂e2，结果e1反而大于e2。土力学地基基础厦门大学土木系2.5

土的物理状态指标2以相对密实度Dr为标准为了克服指标e对级配不同的砂土难以准确判别的缺陷，可用天然孔隙比与同一种砂的最松状态孔隙比emax和最密实状态孔隙比emin进行对比，看e接近emax或接近emin。以此来判断它的密实度，即相对密实度法。土力学地基基础厦门大学土木系2.5

土的物理状态指标相对密实度Dr判别砂土密实度的优缺点：优点：用Dr来判别，计入土的级配因素，理论上完善缺点：emax、emin测定主观性较大，数值与测试人员等因素有关，难获得科学数据。松散中密密实2/31/3相对密实度判别密实度标准土力学地基基础厦门大学土木系2.5

土的物理状态指标3以标准贯入试验N为标准方法：一种原位测试，用卷扬机把质量为63.5kg的钢锤，提升76cm高，让钢锤自由下落，打击贯入器，使贯入器入土中深30cm所需的锤击数，记N63.5。N值大小反映土的贯入阻力大小，即密实度大小。N越大，显然土越密实。松散稍密中密密实N101530以标准贯入试验锤击数划分砂土密实度标准土力学地基基础厦门大学土木系2.5

土的物理状态指标二粘性土的物理状态指标

1粘性土的界限含水量同一种粘性土随其含水量不同，分别处于固态、半固态、可塑状态及流动状态。（1）定义界限含水量——由一种状态转到另一状态分界含水量。固态半固态可塑态流动态缩限Ws塑限Wp液限WL含水量w土力学地基基础厦门大学土木系2.5

土的物理状态指标WL

液限——土由可塑状态转到流动状态界限含水量。WP

塑限——土由半固态状态转到可塑状态界限含水量。WS

缩限——土由半固态不断蒸发水分，直到体积不再缩小时土的界限含水量。（2）界限含水量测定WL液限用锥式液限仪或碟式液限仪。WP塑限用“搓条法”测定。用联合测定法可测液限WL和塑限WP。WS缩限用收缩皿法测定。土力学地基基础厦门大学土木系2.5

土的物理状态指标土力学地基基础厦门大学土木系2.5

土的物理状态指标2粘性土的塑性指数和液性指数（1）塑性指数——液限和塑限的差值（省去），即土处在可塑状态的含水量变化范围，用符号IP表示。

IP＝WL－WP物理意义：土处在可塑状态的含水量变化范围。即IP增大，土处在可塑状态的含水量变化范围增大。工程应用：用塑性指数划分粘性土与粉土。土力学地基基础厦门大学土木系2.5

土的物理状态指标（2）液性指数——粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比，用符号IL表示。

物理意义：将w与wL与wp相比以反映土的软硬不同。IL表示土软硬状态，IL越大，土愈软，IL越小，土愈硬。坚硬硬塑可塑软塑00.250.75IL流塑1.0土力学地基基础厦门大学土木系2.5

土的物理状态指标【例2－2】室内试验结果给出某地基土样的天然含水量w=19.3％，液限wL=28.3%，塑限wP=16.7％。试求：（1）计算该土的塑性指数IP及液性指数IL；（2）确定该土的物理状态。解：（1）塑性指数IP=wL-wP=28.3-16.7=11.6液性指数IL=(w-wP)/(wL-wP)=(19.3-16.7)/11.6=0.224（2）0<IL=0.224<0.25，故该土处于硬塑状态。土力学地基基础厦门大学土木系2.5

土的物理状态指标3灵敏度（1）灵敏度St定义：灵敏度St——同一粘性土的原状土与重塑土在孔隙和含水量不变时土无侧限抗压强度比。物理意义：St2低灵敏土；2<St4中灵敏土；St>4高灵敏土工程应用：触变性——结构被破坏后（扰动土），土的强度降低。但静置一段时间，土的强度又逐渐增长的性质。沿海地区粘性土基本属于一般粘性土和灵敏粘性土。土力学地基基础厦门大学土木系2.6

地基土的工程分类二碎石类土1定义碎石类土——粒径大于2mm颗粒含量超过全重50％的土2分类依据据土粒径级配中各粒组含量和颗粒形状进行分类定名。3定名4工程性质常见的碎石类土，强度大，压缩性小，渗透性大，为优良的地基，也可将桩放置在这类土层。土力学地基基础厦门大学土木系2.6

地基土的工程分类碎石土的分类名称颗粒形状粒组含量漂石圆形及亚圆形为主粒径d>200mm的颗粒含量超过全重的50％块石棱角形为主卵石圆形及亚圆形为主粒径d>20mm的颗粒含量超过全重的50％碎石棱角形为主圆砾圆形及亚圆形为主粒径d>2mm的颗粒含量超过全重的50％角砾棱角形为主注意：定名时应据由大到小的顺序，先符合者即为该土的名称。土力学地基基础厦门大学土木系2.6

地基土的工程分类三砂类土1定义砂类土——粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50％，粒径大于0.075mm颗粒超过全重50％的土2分类依据根据土的