第一章-土的物理性质与工程分类

土的物理性质与工程分类第一章对土的特点进行详细解释和定量描述本章特点:看起来零散学习要点:

理清各节间联系各节内层次§1土的物性与分类§1.1土的形成§1.2土的三相组成§1.3土的物理状态§1.4土的工程分类§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§1土的物性与分类形成过程形成条件物理力学性质风化岩石地球土地球影响生物风化物理风化化学风化量变无粘性土原生矿物质变粘性土次生矿物动植物的活动§1土的物性与分类一.风化有机质§1.1土的形成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，形成新的矿物二.搬运与沉积残积土无搬运运积土有搬运土质较好§1土的物性与分类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§1.1土的形成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2.搬运与沉积运积土有搬运风：风积土§1土的物性与分类重力: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§1.1土的形成土粒粗细不同，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，层厚而不具层理一、土的结构1、定义土的结构：是指土颗粒本身的特点和颗粒间相互关系的综合特征，具体来说是指：（1）土颗粒本身的特点：土颗粒大小、形状和摩圆度及表面性质（粗糙度）等。（2）土颗粒之间的相互关系特点：粒间排列及其连结性质。2、分类土的结构分为两大基本类型：单粒（散粒）结构和集合体（团聚）结构(蜂窝结构、絮状结构)。这两大类不同结构特征的形成和变化取决于土的颗粒组成、矿物成分及所处环境条件。

①单粒结构（散粒结构）：是碎石（卵石）、砾石类土和砂等无粘性土的基本结构形式。（图2-1）单粒结构对土的工程性质影响主要在于其松密程度。密实状态疏松状态②集合体结构也称团聚结构或絮凝结构。这类结构为粘性土所特有。由于粘性土组成颗粒细小，表面能大，颗粒带电，沉积过程中粒间引力大于重力，并形成结合水膜连结，使之在水中不能以单个颗粒沉积下来，而是凝聚成较复杂的集合体进行沉积。这些粘粒集合体呈团状，常称为团聚体，构成粘性土结构的基本单元。对集合体结构，根据其颗粒组成、连结特点及性状的差异性，可分为蜂窝状结构和絮状结构两种类型。1．蜂窝状结构（聚粒结构）蜂窝状结构是由较粗粘粒和粉粒的单个颗粒之间以面一点、边一点或边一边受异性电引力和分子引力相连结组合而成的疏松多孔结构。亦称为聚粒结构。（粒径0.005-0.75mm）

蜂窝结构2．絮状结构絮状结构主要是由更小粘粒连结形成的，是上述蜂窝状的若干聚粒之间，以面一边或边一边连结组合而成的更疏松、孔隙体积更大的结构。亦称为聚粒絮凝结构或二级蜂窝状结构。絮状结构具有集合体结构的土体，有如下特征：1.孔隙度很大（可达50％～98％），而各单独孔隙的直径很小，特别是聚粒絮凝结构的孔隙更小，但孔隙度更大，因此，土的压缩性更大。2.水容重、含水量很大，往往超过50％，而且因以结合水为主，排水困难，故压缩过程缓慢。3.具有大的易变性和不稳定性。外界条件变化（如加压、震动、干燥、浸湿以及水溶液成分和性质变化等）对它的影响很敏感，且往往使之产生质的变化。故集合体结构又称为易变结构。例如，软粘性土的变性就是由于这类结构的不稳定性而形成的一种特殊性质。土的构造

1.水平构造

2.分散结构

3.裂隙结构土的特性

1.压缩性大

2.强度低

3.透水性大第2节土的组成土是固体颗粒、水和空气的混合物，常称为三相系。固相:土的颗粒，构成土的骨架；液相:土体孔隙中的水及其溶解物；气相:孔隙中的空气固相气相液相一.固体颗粒物理状态力学特性粒径级配§1土的物性与分类§1.2土的三相组成矿物成分颗粒形状1.粒径级配一.固体颗粒§1土的物性与分类§1.2土的三相组成颗粒大小各粒径成分在土中占的比例粒径级配影响土性的主因颗粒大小粒组

按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类界限粒径P13一.固体颗粒0.075dmm卵石砾石砂粒粉粒粘粒胶粒6020.0750.0050.0020.250.5520粗

中

细粗

中

细

极细粗粒土细粒土§1土的物性与分类§1.2土的三相组成土的分类标准粒径级配确定方法

筛分法：适用于粗粒土(>0.075mm)

水分法：适用于细粒土(<0.075mm)——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、列表法§1土的物性与分类一.固体颗粒§1.2土的三相组成一.固体颗粒§1土的物性与分类105.02.01.00.50.250.1200g101618242238721009080706050403020100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)§1.2土的三相组成P%958778665536土的粒径级配累积曲线水分法粒径(mm)0.0750.010.005百分数P(%)2613.510一.固体颗粒§1土的物性与分类§1.2土的三相组成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d60d50d10d30d60d10d30CuCc0.330.0050.063662.41特征粒径:

d50

:平均粒径d60:限定粒径d10

:有效粒径d30

;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

一.固体颗粒§1土的物性与分类§1.2土的三相组成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土的物性与分类一.固体颗粒§1.2土的三相组成2.矿物成分原生矿物

石英、长石、云母等次生矿物

主要是粘土矿物，包括三种类型

高岭石、伊里石、蒙脱石§1土的物性与分类一.固体颗粒§1.2土的三相组成3.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土的物性与分类一.固体颗粒§1.2土的三相组成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土的物性与分类§1.2土的三相组成二.土中水（液相）§1土的物性与分类§1.2土的三相组成二.土中水结合水排列致密、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时可蒸发强结合水位于强结合水之外，电场引力作用范围之内外力作用下可以移动不因重力而移动，有粘滞性弱结合水自由水重力水毛细水在重力作用下可在土中自由流动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土的物性与分类§1.2土的三相组成二.土中水§1土的物性与分类§1.2土的三相组成二.土中水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粘土粉土砂土砾石分析对象:

水柱三.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土的物性与分类§1.2土的三相组成

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土的物性与分类§1.2土的三相组成§1土的物性与分类§1.1土的形成§1.2土的三相组成§1.3土的物理状态§1.4土的工程分类§1.3土的物理状态土的物理状态粗粒土的松密程度粘性土的软硬状态§1土的物性与分类土的物理性质指标(三相间的比例关系)力学特性影响表示一.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§1土的物性与分类§1.3土的物理状态密实程度干湿程度……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1.

三相草图§1土的物性与分类一.物理性质指标WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积§1.3土的物理状态三相草图§1土的物性与分类一.物理性质指标WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积已知关系五个:共有九个参数:

VVvVsVaVω

/msmωmam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§1.3土的物理状态§1土的物性与分类一.物理性质指标2.室内测定的三个物理性质指标WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积----土的密度、土粒的比重、土的含水量土的密度土的容重γ=ρg工程上更常用,用于计算土的自重应力单位:kg/m3

或g/cm3单位:kN/m3

一般范围:1.60—2.20

g/cm3定义:土单位体积的质量有时也称土的天然密度§1.3土的物理状态表达式:相关指标:§1土的物性与分类一.物理性质指标WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积土粒比重s:

土粒的密度，单位体积土粒的质量单位:无量纲土粒比重一般范围:

粘性土2.70—2.75砂土2.654˚C时纯蒸馏水的密度=1.0g/cm3土粒比重在数值上等于土粒的密度定义:土粒的密度与4˚C时纯蒸馏水的密度的比值§1.3土的物理状态表达式:土粒比重常用比重瓶法测定，事先将比重瓶注满纯水，称瓶加水的质量。然后把烘干土若干克装入该空比重瓶内，再加纯水至满，称瓶加土加水的质量，按下式计算土粒比重：式中：m1——瓶加水的质量；

m2——瓶加土加水的质量；

ms——烘干土的质量。§1土的物性与分类一.物理性质指标WaterAirSoilVaVwVsVvVma=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％§1.3土的物理状态表达式:一.物理性质指标表示土中孔隙含量的指标孔隙比孔隙率(孔隙度)§1土的物性与分类３.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砂类土：28-35%粘性土：30-50%有的可达60-70%§1.3土的物理状态定义:土中孔隙体积与固体颗粒体积之比,无量纲表达式:WaterAirSoilVaVwVsVvV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+eWaterAirSoil体积三相草图可用于确定物性指标之间的关系一.物理性质指标表示土中含水程度的指标§1土的物性与分类含水量饱和度§1.3土的物理状态WaterAirSoilVaVwVsVvVma=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Sr=0:

干土Sr=1:

饱和土§1土的物性与分类一.物理性质指标表示土中密度和容重的指标天然密度干密度饱和密度天然容重干容重浮容重浮密度有效容重饱和容重§1.3土的物理状态WaterAirSoilVaVwVsVvVma=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:各种密度容重之间的大小关系：§1土的物性与分类一.物理性质指标§1.3土的物理状态天然密度干密度饱和密度天然容重干容重浮容重饱和容重WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积§1土的物性与分类一.物理性质指标常用的物理性质指标间的换算关系§1.3土的物理状态教科书P24表2-4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§1土的物性与分类一.物理性质指标小结§1.3土的物理状态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密实程度干湿程度……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中密度和容重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§1土的物性与分类二.土的物理状态指标§1.3土的物理状态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emax与emin：最大与最小孔隙比1.粗粒土的密实状态§1土的物性与分类二.物理状态指标密实度如何衡量?单位体积中固体颗粒含量的多少优点：简单方便缺点：不能反映级配的影响只能用于同一种土对策2、相对密度§1.3土的物理状态1、孔隙比e或孔隙率nemin

=0.35emin

=0.20相对密实度也可表示为：

式中：ρdmax—无粘性土的最大干密度；ρdmin—无粘性土的最小干密度；ρd—无粘性土的天然干密度或填筑干密度。在工程上，用相对密实度Dr划分无粘性土的状态如下：

0＜Dr≤1/31/3＜Dr≤2/32/3＜Dr≤1

疏松的中密的密实的§1土的物性与分类二.物理状态指标§1.3土的物理状态emax: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粗粒土的密实状态指标

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§1土的物性与分类二.物理状态指标§1.3土的物理状态相对密度3、标准贯入锤击数N2.粘性土的软硬状态§1土的物性与分类二.物理状态指标也称稠度状态§1.3土的物理状态稠度状态与含水量有关粘性土含水量较硬变软流动塑限ωp液限ωl§1土的物性与分类二.物理状态指标§1.3土的物理状态缩限ωs测定塑限的方法：搓滚法和液塑限联合测定法。测定液限的方法：碟式仪法和液塑限联合测定法测定缩限的方法：收缩皿法，把土料的含水率调制到大于土的液限，然后将试样分层填入收缩皿中，刮平表面，烘干，测出干试样的体积并称量准确至0.1g后，按下式计算式中：ws—土的缩限；

w—制备时的含水率；

V1—湿试样的体积；

V2——干试样的体积。液限ωL通常采用平衡锥式液限仪测定平衡锥重76g，锥角为30°，试验时使平衡锥在自重作用下沉入土样中，当达到沉入深度（公路标准17mm）时土样含水量即为液限ωL.塑液限联合测定仪相对稠度§1土的物性与分类二.物理状态指标§1.3土的物理状态对于不同的粘土，含水量相同，稠度可能不同液性指数不同的粘土，ωp、ωl

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——吸附结合水的能力；粘性大小；大致反映粘土颗粒含量

§1土的物性与分类二.物理状态指标§1.3土的物理状态塑性指数§1土的物性与分类§1.1土的形成§1.2土的三相组成§1.3土的物理状态§1.4土的工程分类第5节土的工程分类粗粒土按颗粒组成进行分类粘性土按塑性指数分类。《土的分类标准》

GB50007-2011粘粒粉粒砂粒砾碎石块石0.0050.075260200巨粒组粗粒组细粒组一、《土的分类标准》（一）巨粒土和含巨粒土的分类：巨粒土和含巨粒土应按试样中所含粒径大于60mm的巨粒组含量来划分。试样中含巨粒组质量多于总质量的50%的土称为巨粒土；试样中巨粒组质量为总质量的15%～50%的土称为混合巨粒土；试样中巨粒组质量少于总质量的15%的土，可扣除巨粒，按粗粒土或细粒土的相应规定分类定名（二）粗粒土的分类试样中粒径大于0.075mm的粗粒组质量多于总质量50%的土称为粗粒土。粗粒土又分为砾类土和砂类土两类。试样中粒径大于2mm的砾粒组质量多于总质量的50％的土称为砾类土；试样中粒径大于2mm的砾粒组质量少于或等于总质量50％的土称为砂类土。（三）细粒土的分类试样中粒径小于0.075mm的细粒组质量多于或等于总质量的50％的土称为细粒土。细粒土应按下列规定划分：1、试样中粗粒组质量少于总质量25％的土称为细粒土；2、试样中粗粒组质量为总质量的25％～50％的土称含粗粒的细粒土；3、试样中含部分有机质的土称有机质土。细粒土可按塑性图进一步细分。图中液限为17mm液限二、《岩土工程勘察规范》

《建筑地基基础设计规范》该规范按土粒大小、粒组的土粒含量或土的塑性指数把地基土分为碎石土、砂土、粉土和粘性土四大类，然后再进一步细分。（一）碎石土的分类若土中粒径大于2mm的颗粒含