第1章：土的组成和物理性质

第1章：土的组成和物理性质土的三相组成土的三相比例指标土的结构粘性土的界限含水率砂土的密实度土的压实原理土的工程分类1.1土的三相组成土中气体（气相）土中水（液相）固体矿物颗粒（固相）1.1.1土的固体颗粒土的固体颗粒是土的固体颗粒、水和气体三相组成中的主体，是决定土的工程性质的主要成分。

1.土粒的矿物成分原生矿物：石英、长石、云母等次生矿物固体颗粒矿物质有机质粘土矿物：蒙脱石、伊利石、高岭石等可溶盐：NaCl、CaCO3等无定形氧化物胶体次生矿物

蒙脱石

伊利石

高岭石蒙脱石铝片硅片硅片2.土颗粒的大小与形状基本概念粒度：土粒的大小（粒径）粒组：大小相近的土粒合并为一组粘粒粉粒砂粒砾石碎石块石0.0050.075220巨粒粗粒细粒《岩土工程勘察规范》200mm粒组统称《土的工程分类标准》《公路土工试验规程》粒组名称粒组范围（mm）粒组名称粒组范围（mm）巨粒漂石（块石）卵石（碎石）200200～60漂石（块石）卵石（小块石）200200～60粗粒粗砾细砾砂粒60～2020～22～0.075粗砾中砾细砾粗砂中砂细砂60～2020～55～22～0.50.5～0.250.25～0.075细粒粉粒粘粒0.075~0.0050.005粉粒粘粒0.075～0.0020.0023.土的粒径级配（1）定义

工程中常用土中各粒组的相对含量，占总质量的百分数来表示，称为土的粒径级配。（2）粒径分析方法筛分法（d>0.075mm的土）密度计法（d<0.075mm的土）筛分法（d>0.075mm的土）沉降分析法（密度计法）（d<0.075mm的土）（3）颗粒级配的表示方法表示方法：表格法、颗粒累计级配曲线法等粒径di(mm)粒径小于等于di的累计百分含量pi（％）土样a土样b土样c10－100.0－5100.075.0－298.955.0－192.942.7－0.5076.534.7－0.2535.028.5100.00.109.023.692.00.075－19.077.60.010－10.940.00.005－6.728.90.001－1.510.0颗粒累计级配曲线法不均匀系数曲率系数土的级配曲线越缓，Cu值越大，土的级配越良好；反之，级配曲线越陡，Cu值越小，土的级配越差。工程上常用不均匀系数Cu描述颗粒级配的不均匀程度。

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。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。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。比较a、b、c三种土样的级配情况1.1.2

土中水（液相）（1）结合水强结合水、弱结合水（2）自由水重力水、毛细水土中水的含量明显地影响土的性质(尤其是粘性土)。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。（3）气态水（4）固态水双电层结合水概念强结合水：性质接近于固体，冰点很低（-78℃），沸点很高（150℃），且不能传递压力。弱结合水：呈粘滞状态，不能传递压力，不能自由流动，但可以发生转移。双电层概念

1.1.3

土中气体（气相）

土中的气体存在于土孔隙中未被水所占据的部位。（1）自由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。1.2.1

土的结构1.2

土的结构构造絮状结构蜂窝结构单粒结构1.2.2土的构造层状构造分散构造结核状构造裂隙状构造1.3.1土的三相比例指标概述土的物理性质直接反映土的干湿、松密、软硬等物理状态，也间接反映土的工程性质。土的松密和软硬程度主要取决于土的三相各自在数量上所占的比例。三相指标的定义1.3

土的物理性质指标固相液相气相土颗粒土中水土中气土的三相图（Three-phasediagram）气水土粒msmwmVsVwVa质量m体积VVv真实状态三相草图

下标：s

–soil;w–water;a–air;v–void.Vma土的物理性质指标的分类一类是必须通过试验实测的，如含水率、密度和土粒比重，称为直接指标；一类是根据直接指标换算的，如孔隙比、孔隙率、饱和度等，称为间接指标。1.3.2试验直接测定的物理性质指标

试验测定指标:土的密度、土粒密度（比重）和含水量。

1.土的密度(Bulkdensity)ρ：单位体积土的质量.

土的密度常用环刀法测定，其单位通常为g/cm3.一般土的密度为1.60～2.20g/cm3。

工程中也常用重度

来表示单位体积土的重力.重力加速度g，近似取10m/s2

土的密度ρ和容重γ测定方法：环刀法

数值：不同土类的土粒密度变化范围不大,有经验的地区可按经验值选用。随着土中有机质含量增加，土粒密度减小.

比重（相对密度）：

土粒质量与同体积的4℃时纯水的质量之比.用Gs或ds表示.2.土粒密度（Particledensity）:土粒质量与其体积之比测定方法：比重瓶法求得。土粒密度主要取决于土矿物成分，与土的孔隙大小和含水多少无关。（ρw）4℃近似取1g/cm3

土的比重ds测定方法：比重瓶法

事先将比重瓶注满纯水，称瓶加水的质量m1。然后把烘干土若干克(ms)装入空比重瓶内，再加纯水至满，称瓶加水加土的质量m2，按下式计算土粒比重。Gs的值与土粒密度相同，但没有单位，在用作土的三相指标计算时必须乘以水的密度后量纲才能平衡。土的名称砂土粉土粘性土粉质粘土粘土土粒相对密度2.65~2.692.70~2.712.72~2.732.74~2.763.土的含水率w(Watercontent)：

土中水的质量与土粒质量之比，以百分数表示.

数值：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。

天然状态下土的含水率称土的天然含水率。一般砂土天然含水率都不超过40%，以10~30%最为常见；一般粘土大多在10~80%之间，常见值20~50%。但近代沉积的松软粘性土的天然含水率可到到100%以上。土的含水率测定方法：

烘干法。先称出天然湿土的质量，然后放在烘箱里，在100～105℃（有机质含量低）下烘干，称干土的质量。1.

不同状态下土的密度或重度(2)饱和密度ρsat

(SaturatedDensity)土体中孔隙完全被水充满时的土的密度.(1)干密度ρd(DryDensity)固相质量ms与土的总体积V之比.

1.3.3换算指标(6个)(3)有效重度γ’（浮重度，Submerged

density）扣除浮力后的固相重量与土的总体积之比。浮密度ρ(kg/m3)小结：土的三相比例指标中质量密度指标(kN/m3)共有五个：土粒密度ρs,土的密度ρ,饱和密度ρsat,干密度ρd,浮密度ρ。相应的重度指标(kN/m3)也有5个：土粒重度s，土的重度，饱和重度sat，干重度d，浮重度。2.孔隙比e和孔隙率n孔隙比e(Voidration)

土中孔隙体积Vv与固体体积Vs之比。

(2)孔隙率n(Porosity)土中孔隙体积与土的总体积之比，以百分数表示。

3.土的饱和度Sr土中孔隙水的体积Vw与孔隙总体积Vv之比，以百分数表示。饱和度描述土中孔隙被水充满的程度,它在0~100%。干土Sr=0,孔隙全部为水充填时，Sr=100%。应用：工程上将砂土根据饱和度分为三种状态:

Sr≤50%稍湿；50％＜Sr≤80%很湿；Sr＞80%饱和.而对于天然粘性土，一般将Sr大于95%才视为完全饱和土。气水土粒ρs

Vs＝11+e质量m体积V土的三相指标中，土粒密度ρs

，含水量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.推算时，首先令土体内固相（土粒）体积=1。

Vv=ewρs

（1＋w）ρs

换算关系式如下：1.孔隙比与孔隙率的关系2.干密度、密度和含水量的关系1.3.4指标间的换算3.孔隙比与比重和干密度的关系气水土粒ρs

Vs＝11+e质量m体积VVv=ewρs

（1＋w）ρs

4.饱和度与含水量，比重和孔隙比的关系

【例题1-1】已知土的试验指标为γ=18kN/m3，ρs=2.72g/cm3和w=20％，求e，Sr，γd。

【解】一种解法是直接利用表1.4.3(P22)的换算公式;另一种是用三相草图求解。即可设土的体积等于1(P22)；

也可设土粒质量ms等于1。

五、例题分析例1-2用体积为72cm3的环刀取得某原状土样重129.5g，烘干后土重101.5g，土粒比重为2.7，试计算该土样的含水量ω、孔隙比e、饱和度Sr、重度γ、饱和重度γsat、浮重度γ’以及干重度γd。例1-3已知某土含水率w1=18%，重度γ=17.5kN/m3，若孔隙比保持不变，含水率增加为w2=25%，问1m3土需增加多少水？无粘性土——密实度粘性土的物理特征——含水量(软硬程度)1.4

土的物理状态指标1.4.1无粘性土的密实度划分标准（1）孔隙比e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。优点：简单方便缺点：无法反映土的级配因素密实度土的名称密实中密稍密松散砾砂、粗砂、中砂e＜0.60.6≤e≤0.750.75＜e≤0.85e＞0.85细砂、粉砂e＜0.70.7≤e≤0.850.85＜e≤0.95e＞0.95（2）相对密度Dr定义：优点：计入土的级配因素，理论上比较完善。缺点：天然孔隙比难以获取，且emax,emin的测定受人为的影响较大。工程应用：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。密实状态密实中密松散Dr2/3＜Dr≤11/3＜Dr≤2/30≤Dr＜1/3（3）标准贯入试验击数N为标准天然砂土的密实度，可按原位标准贯入试验的锤击数N进行评定。天然碎石土的密实度，可按原位重型圆锥动力触探的锤击数N63.5进行评定。密实度松散稍密中密密实按N评定砂土密实度N≤1010＜N≤1515＜N≤30N＞30按N63.5评定碎石土密实度N63.5≤55＜N63.5≤1010＜N63.5≤20N63.5＞201.4.2粘性土的物理特征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,是粘性土最主要的物理状态特征。土的状态与含水量的关系粘性土的稠度流动状态可塑状态固体状态半固体状态刚沉积的粘土，本身不能保持其形态，极易流动外力作用可改变其形状，而不改变其体积，并在外力卸除后仍能保持已获得的形状

水分蒸发，上覆沉积层厚度增加，含水率减小，体积收缩含水率减小,丧失可塑性，在外力作用下，易于发生破裂体积不再收缩，空气进入土体，土的颜色变淡

界限含水率

一、定义

粘性土由某一种状态过渡到另一状态的含水率分界点称为界限含水率。

液限w

L、塑限w

p、缩限w

sw

Sw

pw

L液态固态塑态半固态0二、测定方法塑限wp—搓条法液限wL—锥式液限仪液塑限联合测定法塑限wp通常采用搓条法测定。把塑性状态的土在毛玻璃板上用手搓条，在缓慢的、单方向的搓动过程中土膏内的水分渐渐蒸发，如搓到土条的直径为3mm左右时断裂为若干段，则此时的含水量即为塑限wp。（1）塑限的测定塑限wL通常采用平衡锥式液限仪测定。平衡锥重为76g，锥角为30º。试验时使平衡锥在自重作用下沉入土膏，当达到规定的沉入深度（建筑标准10mm，公路标准17mm）时的土样含水量即为液限wL。（2）液限的测定取代表性试样，加入不同数量的纯水，调制成三种不同稠度的试样，用电磁落锥测定圆锥在自重作用下经5秒后沉入试样的深度。以含水率为横坐标，圆锥入土深度为纵坐标，在双对数纸上绘制关系曲线。入土深度2mm所对应的含水率为塑限，10mm所对应的含水率为液限。（3）液塑限联合测定法（4）碟式液限仪测定法将土膏分层填在圆碟内，表面刮平，用刻槽刮刀在土膏中刮出一条底宽2mm的槽，然后以每秒2次的速度转动摇柄，使圆碟上抬10mm并自由下落，记录槽闭合长度为13mm时的下落次数，同时测定土膏的含水率；改变土膏的含水率，分别测得槽闭合13mm时的下落次数，含水率和下落次数在对数坐标纸上成线性关系，将内插得下落次数为25下所对应的含水率为液限。粘性土的可塑性指标塑性指数IP：是液限和塑限的差值(省去%)，即土处在可塑状态的含水量变化范围。说明：塑性指数的大小取决于土颗粒吸附结合水的能力,即与土中粘粒含量有关。粘粒含量越多,塑性指数就越高。

粘性土的可塑性指标液性指数IL：是粘性土天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比。

《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）说明：液性指数表征土的天然含水量与界限含水量间的相对关系。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.状态

坚硬硬塑可塑软塑流塑液性指数IL≤00<IL≤0.250.25<IL≤0.750.75<IL≤1.0IL>1.0【例题】已知粘性土的相对密度ds=2.75，液限为40％，塑限为22％，饱和度为98%，孔隙比为1.15，试计算塑性指数、液性指数及确定粘性土的状态。【解】土的含水量可由下式求得

塑性指数：

液性指数：IL＞l，故此粘性土为流塑状态。粘性土的活动性、灵敏度与触变性活动度A：区分粘性土含粘土矿物种类与数量。灵敏度：表征粘性土扰动性的指标。触变性：粘性土具有扰动性且静止一段时间后可以恢复的性质。1.5土的压实性土的压实性指在一定的含水率下，以人工或机械的方法，使土体能够压实到某种密实程度的性质。土工建筑物，如土坝、土堤及道路填方是用土作为建筑材料填筑而成，为了保证填土有足够的强度，较小的压缩性和透水性。在施工中常常需要压密填料，以提高土的密实度和均匀性。填土的密实度常以其干密度来表示。

影响土压实性的因素很多，主要有含水量、击实功能、土的种类和级配等。在实验室内研究土的密实性是通过击实试验进行的。击实仪击实试验

轻型：粒径小于5毫米重型：粒径小于40毫米25下，分三层击实56下，分5层击实影响土的压实性的因素1.含水率的影响对同一种土料，分别在不同的含水率下，用同一击数将他们分层击实，测定土样的含水率和密度，然后以含水率为横坐标，干密度为纵坐标，绘制击实曲线。从图中可以看出，当含水率较小时，土的干密度随着含水率的增加而增大，而当干密度增加到某一值后，含水率继续增加反而使干密度减小。干密度的这一最大值称为该击数下的最大干密度ρdmax，此时对应的含水率称为最优含水率wop。

影响土压实性的因素很多，主要有含水量、击实功能、土的种类和级配等。

说明：当击数一定时，只有在某一含水量下才能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，最优含水率则逐渐减小。但是这种增大或减小的速率是递减的，因而光靠增加击实功能来提高土的干密度是有一定限度的。2、含水率较低时击数的影响显著。当含水率较高时，含水率与干密度的关系曲线趋近于饱和线，也就是说，这时提高击实功能是无效的。填料的含水率过高和过低都是不利的，过高恶化土体的力学性质，过低则填土遇水后容易引起湿陷。同样的含水率情况下，粘性土的粘粒含量越高或塑性指数越大，越难于压实。对于无粘性土，含水率对压实性的影响没有像粘性土那么敏感，其击实曲线与粘性土是不同的，在含水率较大时得到较高的干密度。因此在无粘性土的实际填筑中，同时需要不断洒水使其在较高含水率下压实。无粘性土的填筑标准，通常是用相对密实度来控制的，一般不进行击实试验。级配良好的土易于压实，反之则不易压实。

3.土类和级配的影响一、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。1.6

土的工程分类土的总分类体系ïïïïïïïïïîïïïïïïïïïíìïîïíìïïïïïïïîïïïïïïïíìïïïïïïîïïïïïïíìîíìîíìîíìîíì红粘土等膨胀土湿陷性黄土特殊土有机土粘土粉土细粒土砂类石砾类石粗粒土巨粒混合土混合巨粒土含巨粒的土卵石漂石巨粒土无机土一般土土分类体系：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。二、分类体系与方法

1.6.1土的分类标准按沉积年代：老沉积土和新近沉积土按地质成因：残积土、坡积土、洪积土、湖积土、海积土、风积土与冰积土按颗粒级配和塑性指数分1.6.1土的分类标准（土的工程分类标准（GB/T50145-2007））1.巨粒土和粗粒土分类标准（1）粗粒含量（2）级配指标（3）所含细粒的塑性高低2.细粒土的分类标准1.6.2地基土的工程分类

（建筑地基基础设计规范（GB50007-2002））（1）岩石（rock）（2）碎石土（gravel）（3）砂土（sand）（4）粉土（mealy）（5）粘性土（clay）（6）人工填土（artificialsoils）（7）特殊性质土岩石分类成因：岩浆岩、沉积岩与变质岩坚硬程度：硬质岩石与软质岩石等风化程度：未风化、微风化、中等风化与强风化软化性：软化岩石与不软化岩石坚硬程度类别单轴饱和抗压强度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碎石、砾石类土指粒径大于2mm的颗粒含量超过总量的50%的土。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：定名时应根据颗粒级配由大到小以最先符合者确定碎石土的分类表碎石卵石碎石砂土

指粒径大于2mm的颗粒含量不超过总量的50%，且粒径大于0.075mm的颗粒含量超过总重量的50%的土。砾砂粒径大于2mm的颗粒超过总重25%~50%粗砂粒径大于0.5mm的颗粒超过总重50%中砂粒径大于0.25mm的颗粒超过总重50%细砂粒径大于0.075mm的颗粒超过总重85%粉砂粒径大于0.075mm的颗粒超过总重50%注：定名时应根据颗粒级配由大到小以最先符合者确定细砂粗砂粉土

指粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过总重量的50%的土，且塑性指数小于或等于10（IP≤10）的土。砂质粉土粒径小于0.005mm的颗粒小于等于总重10%粘质粉土粒径小于0.005mm的颗粒超过总重10%粘性土

指塑性指数（IP>10）的土。粉质粘土10＜IP≤17粘土IP

＞17

按沉积年代分：老粘性土、一般粘性土及新近沉积（堆积）的粘性土。粘土土的工程分类土层分布示意【例1-4】下图为某三种土A、B、C的颗粒级配曲线,试按《地基规范》分类法确定三种土的名称。例题分析【解答】A土:从A土级配曲线查得,粒径小于2mm的占总土质量的67%、粒径