第1章 土的工程性质及工程分类

第一章土的物理性质及工程分类§1.1土的形成、组成、结构和构造§1.2土的三相比例指标§1.3土的水理性质§1.4土的击实性§1.5土的工程分类和特殊土的工程地质特征目录§1.1土的形成、组成、结构和构造土的三相组成土的物理状态土的结构土的形成影响从而决定土的渗透特性；变形特性及强度特性土——地壳中原来地球外壳整体坚硬的岩石，经风化、剥蚀、搬运、沉积，形成固体矿物、水和气体的集合体称为土。土体——土经过长期搬运、沉积等地质作用后，形成不同地史时期的土层。土是岩石经过风化的产物形成过程形成条件物理力学性质影响§1.1.1土的形成一、风化物理风化化学风化无粘性土原生矿物粘性土次生矿物生物风化矿物成分没有发生变化§1.1.1土的形成根据土的形成条件：残积土坡积土洪积土冲积土湖积土海积土风积土冰积土§1.1.1土的形成运积土有搬运风：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§1.1.1土的形成搬运、沉积条件：通常流水搬运沉积的土优于风力搬运沉积的土。沉积年代：通常土的沉积年代越长，土的工程性质越好。沉积的自然地理环境：自然地理环境不同，所生成的土的工程特性也会有较大差异。土的生成与工程特性的关系气相固相液相++构成土骨架，起决定作用重要影响土体次要作用土的组成§1.1.2土的组成1、颗粒大小—粒组划分粒组土粒按其大小分为若干粒经范围每一区段范围为一组，称为粒组§1.1.2.1土中固体颗粒2、土粒粒度分析---颗粒级配颗粒大小各粒径成分在土中占的比例1.2.1土粒的粒度成分粒组与粒组之间的分界尺寸称为界限粒径。颗粒级配

——各粒组的相对含量，用质量百分数来表示确定方法

筛分法：适用于粗粒土(>0.075

mm)

沉降分析法：适用于细粒土(<0.075

mm)表述方法

颗粒级配累积曲线1.2.1土粒的粒度成分筛分法（d>0.075mm的土）105.02.01.00.50.250.1200g10161824223872P%9587786655361009080706050403020100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)土的粒径级配累积曲线试验结果可绘制在半对数纸上纵坐标：小于某粒径的土粒含量；横坐标：使用对数尺度表示土的粒径，可以把粒径相差上千倍的粗粒都表示出来，尤其能把占总重量少，但对土的性质可能有重要影响的颗粒部分清楚地表达出来。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d60d50d10d30特征粒径:

d50:平均粒径d60:限定粒径/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,Cu

>10,级配良好Cu≤5,均粒土，属级配不良。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Cc=1~3,级配连续性好，否则级配不良。粒径级配判定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。5）颗粒级配曲线较平缓,土粒粒径范围广,粒径大小相差悬殊;曲线较陡,土粒粒径范围窄,粒径较均匀。正常级配：土的颗粒大小分布是连续的，曲线坡度是渐变的。不连续级配：土中缺乏某些粒径的土粒，曲线出现水平段。级配良好：粒径分布曲线形状平缓，土粒大小分布范围广，土粒大小不均匀级配不良：粒径分布曲线形状较陡，土粒大小分布范围窄，土粒均匀定义：单位体积或单位质量固体颗粒表面积的总和。土粒的比表面积与粒径d成反比，土粒愈小比表面积大。土体表面积增大，表面能加强，土粒与周围介质（液体、气体）之间的作用（物理、化学）增强，从而使得土的性质变化很大。1.2.2土粒的矿物成分次生矿物：是原生矿物在一定气候条件下岩屑经化学风化而成，使其进一步分解而形成一些颗粒更细小的新矿物，其成分与母岩不同。主要是粘土矿物，包括三种类型：高岭石、伊利石、蒙脱石……有机质：是土中动植物残骸在微生物作用下分解形成的产物。原生矿物：由岩石经物理风化破碎而成，其成分没有发生变化，与母岩相同。石英、长石、云母……

蒙脱石

伊利石

高岭石蒙脱石颗粒形状及吸水性次生矿物

针状、片状、扁平状，性质活泼，有

较强的吸附水能力（尤其是由蒙脱石

组成的颗粒），具塑性。原生矿物

圆状、浑圆状、棱角状，吸附水的能

力弱，性质比较稳，无塑性。物理风化仅使岩石产生量的变化岩石物理分化化学分化土化学风化仅使岩石产生质的变化粘土颗粒性质土粒的粒径由粗到细逐渐变化时，土的性质相应地发生变化原生矿物经化学风化生成的新矿物，它的成分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。颗粒通常是由一种或几种原生矿物所组成，它的成分成分与母岩的相同，颗粒一般较粗，吸附水的能力弱，性质比较稳，无塑性。原生矿物次生矿物土粒的大小及其组成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1.1.2.2土中水结合水强结合水: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特性温度高于100°C时可蒸发没有溶解盐类的能力有极大的粘滞性、弹性和抗剪强度不能传递静水压力弱结合水:位于强结合水之外，电场引力作用范围之内不能自由流动，外力作用下可以移动不因重力而移动，有粘滞性结合水自由水重力水毛细水存在于透水土层中的地下水，在重力或压力差作用下运动的自由水。受到水与空气交界面处表面张力作用，位于地下水位以上，保持在土的毛细孔隙中的水，受毛细作用而上升。主要存在于粉细砂与粉土中。自由水固态水特点:

1.水结冰后体积膨胀，同时由于水分迁移和补给，在土层中会形成冰层或透镜体。

2.固态水在土中起着暂时的胶结作用，提高土的力学强度，降低透水性。

3.温度升高后，冰层解冻为液态水，使土的强度急剧降低，压缩性增大，土的性质显著恶化，如处于地下水以上的某些公路路面在开春后的翻浆现象就是一例。1.1.2.3土中气成因：除来自空气外，也可由生物化学作用和化学反应所生成。分类吸附气体：土粒分子引力作用能吸附气体。溶解气体：CO2、O2、H2O、H2、Cl2、CH4。自由气体：与大气连通，通常在土层压缩时即逸出，常见于粗粒土中。封闭气体：土中气体与大气隔绝而形成的封闭气泡。增加了土的弹性。土颗粒或粒团的空间排列和相互联结1.1.3土的结构和构造力学特性土的结构重塑土的强度原状土的强度<土的构造+同一土层中物质成分、颗粒大小相近的各部分之间的相互关系的特征影响1、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——

砂土——土中毛细作用形成的力——

细砂、粉土——土粒间的胶体物质产成的作用力——

粘土——

粘土——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---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2、土的结构特点：土粒间存在点与点的接触，随着它的形成条件的不同，可形成密实的或者疏松的状态。

疏松状态：在荷载作用下，特别是在震动荷载作用下会使土粒移向更稳定的位置而更加密实，同时产生较大的变形密实状态：比较稳定，力学性质好，粗砂土如砂土、砾石等土类的结构特征单粒结构---细砂、粉粒土的结构粒间作用力排列形式矿物成分蜂窝结构重力，表面力蜂窝状主要是原生矿物土粒下沉过程中，接触点引力大于下沉土粒重量形成链环状单元，很多这样的链环状单元联接起来，便形成孔隙较大的蜂窝状结构，蜂窝状结构常在粉土、粘土类中遇到絮状结构

微小的粘粒，重量极轻，靠其自重在水中下沉，极为缓慢，土粒表面常带有同号电荷，因而悬浮在水中作分子热运动，不能相互碰撞结成粒团下沉。在悬液介质发生变化时，土表面的弱吸着水厚度减薄，运动着的粘粒相互聚合，以面对边或者面对角的接触，并凝结成絮状物下沉。孔隙很大，强度低、压缩性高、对扰动比较敏感，土粒间的联接强度会由于压密和胶结作用而逐渐得到加强。---细粒土的结构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）

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、角与边絮状结构3、土的构造类型层状构造分散构造裂隙状构造结核状构造1.2土的三相比例指标

概念所谓土的物理性质就是表示土中三相比例关系的一些物理量。土的物理性质指标不仅可以描述土的物理性质和它所处的状态，而且在一定程度上反映了土的力学性质。

土的物理性质指标的分类一类是必须通过试验测定的，如含水量（率）、土的天然密度和土粒相对密度（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

土的干密度公式：ρ

d=Ms/V饱和密度公式：ρsat＝(ms+Vv×ρw)/V土的浮密度（有效密度）

公式：ρ’=ρsat-ρw土的孔隙比公式：e=Vv/Vs土的孔隙率公式：N=Vv/V×100％土的饱和度公式：Sr=Vw/Vv×100％土的三相图为便于说明这些物理性质指标的定义和它们的换算关系，常用三相图表示土体内三相的相对含量。土颗粒水气体气体试验直接测定的物理性质指标

～土的密度ρ和容重γ密度单位体积土的质量，用ρ表示定义：单位：Mg/m3或g/cm3表达式：容重定义：单位体积土的重量，用γ表示单位：KN/m3表达式：土的密度ρ和容重γ测定方法：环刀法土粒的比重（相对密度）Gs定义：土的质量（或重量）与同体积标准状态下[一个大气压，4℃]

纯水的质量（或重量）之比（无因次）表达式：s:

土粒的密度，单位体积土粒的质量土的比重Gs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土的比重Gs土的含水率（含水量）

含水率：土中水的质量与土粒质量之比，以百分数表示

表达式：

注意:其实是含水比,可达到或超过100％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℃下烘干，称干土的质量。

间接换算的物理性质指标

~土的孔隙比e定义：土中孔隙的体积与土粒的体积之比，以小数表示表达式：

土中孔隙率n定义：土中的孔隙的体积与土的总体积之比，以百分数表示表达式：

无粘性土的相对密实度对无粘性土来说，土体的松密程度对土的工程性质影响很大。土的密实程度越高，压缩性越小，其工程特性越好；土的密实程度越低，压缩性越大，其工程特性越差。描述土的松紧程度的指标有干密度和孔隙比，密实度在一定程度上可用其孔隙比来反映无粘性土的相对密实度无粘性土的孔隙比的范围受土粒的大小、形状和级配的影响很大。因此即便两种无粘性土具有同样的孔隙比也未必表明他们处于同样的状态。在工程上一般用相对密实度Dr来衡量无粘性土的松密程度。它是用无粘性土自身最松和最密两种极限状态作为判别的基准。相对密实度Dr定义（理论表达式）定义（实用表达式）emax无粘性土处于最松状态时的孔隙比，可由其最小干密度换算

emin无粘性土处于最密状态时的孔隙比，可由其最大干密度换算e无粘性土的天然孔隙比或填筑孔隙比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相对密实度Dr无粘性土处于最密实的状态

无粘性土处于最疏松的状态

在工程上，用相对密实度划分无粘性土状态如下：

疏松中密密实土的饱和度Sr定义：土中孔隙水的体积与孔隙体积之比，以百分数表示表达式：

饱和度表示孔隙中充满水的程度Sr=0:干土Sr=1:饱和土干密度ρd干容重γd

定义：单位体积内土粒的质量或重量表达式：

干密度ρd干容重γd土烘干，体积要减小，因而土的干密度不等于烘干土的密度。土的干密度或干容重是评价土密实程度的指标，干密度或干容重越大表明土越密实，反之越疏松。常用它来控制填土工程的施工质量。饱和密度ρsat与饱和容重γsat

定义：土中孔隙完全被水充满，土处于饱和状态时单位体积土的质量或重量表达式：

浮密度

与浮容重

定义：单位体积内土粒质量与同体积水的质量之差表达式：

各种密度之间的比较（一）孔隙比与孔隙率的关系设土体内土粒的体积为1，则由e=Vv/V可知，孔隙的体积Vv为e，土体的体积V为（1＋e），于是有：常用物理性质指标间的换算（二）干密度与湿密度和含水率的关系设土体的体积V为1，则ρd=ms/V，土体内土粒的质量ms为ρd，由w=mw/ms，水的质量mw为wρd。于是，按定义可得：

（三）孔隙比与比重和干密度的关系设土体内土粒的体积为1，则按e=Vv/V，孔隙的体积Vv为e；由ρs

＝ms/Vs，得土粒的质量ms为ρs。于是，按ρd的定义可得：整理得：

（四）饱和度与含水率、比重和孔隙比的关系设土体内土粒的体积为1，则按e=Vv/V，得体积Vv=e；由ρs＝ms/Vs，得土粒的质量ms=ρs。按w=mw/ms

，水得质量mw=wρs，则水得体积Vw=mw/ρw=wρs/ρw。于是，Sr定义可得：

当土饱和时，即Sr为100％，则：式中：wsat——饱和含水率。（五）有效密度与比重和孔隙比的关系设土体内土粒体积为1，则按e=Vv/V

，孔隙的体积Vv为e；由ρs

＝ms/Vs得土粒的质量ms为ρs。于是，则可得：粘性土的物理特征1、固态或半固态------土中含水量很低时，水都被颗粒表面的电荷紧紧吸着于颗粒表面，成为强结合水。强结合水的性质接近于固态，土表现为固态或半固态。2、可塑状态--------含水量增加，被吸附在颗粒周围的水膜加厚，土粒周围除强结合水外还有弱结合水，弱结合水不能传递静水压力，不能自由流动，但受力时可以变形，土体受外力作用可以被捏成任意形状而不破裂，外力取消后仍然保持改变后的形状。这种状态称为可塑状态。3、流动状态-------当含水量继续增加，土中除结合水外，已有相当数量的水处于电场引力影响范围以外，成为自由水。这时土粒之间被自由水所隔开，土体不能原受任何剪应力，而呈流动状态。一、粘性土的三种状态可见，从物理概念分析，土的稠度实际上是反应土中水的形态。土的界限含水量（稠度界限（阿太堡）Atterberg界限）土从某种状态进入另外一种状态的界限含水量。塑限(WP)------土从半固体状态转变为塑性状态时的含水量。液限(WL)-----土从塑性状态转变为液性状态时的含水量。缩限（Ws）------半固体状态与固体状态的界限含水率，即粘性土随着含水率的减小而体积开始不变的含水率。流态

V

w

0

可塑态

半固态

固态

膨胀

收缩

wLwPwS液塑限联合测定仪《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999）规定入土深度恰好为17毫米所对应的含水率为17毫米液限，入土深度恰好为10毫米所对应的含水率为10毫米液限。塑性指数：液限和塑限的差值，即土处在可塑状态的含水量变化范围。（省去百分号），反映可塑性的强弱。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。又称相对稠度。塑性指数的大小反映了土含结合水的能力。塑性指数数值越大，表明土吸附结合水越多，土的塑性越强，土中弱结合水膜厚度越大，粘粒含量越多，亲水性的矿物成分越多。注意：塑性指数指可塑状态的变化范围，其大小反映了土含结合水的能力。液性指数指土的软硬状态。1.3.1.5粘性土的结构性、灵敏度和触变性1.粘性土的结构性概念原状土具有结构性，具有相同的含水量和密度，经过重塑后，变为重塑土，强度降低，压缩性增高，即体现出土的结构性。用灵敏度反映粘性土结构性的强弱。粘性土的灵敏度St

=原状土的无侧限抗压强度重塑土的无侧限抗压强度▼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。粘性土的触变性

判定土处于坚硬状态

土处于可塑状态

土处于流动状态

注意由于液限和塑限目前都是用扰动土测定的，土的结构已彻底破坏，而天然土一般在自重作用已有很长的历史，它获得了一定的结构强度，以至于土的天然含水率大于它的液限也未必一定会发生流动。含水率大于液限只是意味着：若土的结构遭到破坏，它将转变为粘滞泥浆。1.3.2粘性土的胀缩性及崩解性膨胀性—粘粒的水化作用、粘性表面双电层的形成、扩散层增厚等引起土体膨胀。收缩性—由于水分蒸发引起的土体收缩。崩解性—由于土的浸水水化，使颗粒间连接减弱及部分胶结物溶解而引起的崩解散体。膨胀率—原状土样膨胀后体积的增量与原体积之比。

膨胀力——土样膨胀时产生的最大压力值线膨胀率体缩率—试样收缩减小的体积与收缩前体积的比值。线缩率——试样收缩后的高度减小量与原高度之比。1.4土的击实性人们很早就用土作为建筑材料，而且知道要把松土击实。公元前200多年，我国秦朝修筑驰实（行车大道），就有用“铁锥筑土坚实”的记载，说明那时人们已经认识到土的密度和土的工程特性有关。土的击实性土的击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。在实验室内研究土的密实性是通过击实试验进行的击实试验

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，此时对应的含水率称为最优含水率。影响土的压实性的因素击实功能的影响实验室中的击实功能是用击数来反映的，对同一种土，压实功能小，则能达到的最大干密度也小，最优含水率大；压实功能大，则能达到的最大干密度也大，最优含水率小用同一种土料在不同含水率下分别用不同的击数进行击实试验，就能得到一组随击数而异的含水率与干密度关系曲线。影响土的压实性的因素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。影响土的压实性的因素土类和级配的影响

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，反之则不易压实粗粒含量的影响由于击实仪尺寸的限制，实际试验中可能剔除超出粒径的部分，然后进行试验。这样测得的最大干密度和最有含水率与实际土料在相同击实功能下的最大干密度和最有含水率不同。现场碾压试验翻晒粉碎碾压对天然形成的土来说其成份、结构和性质千变万化，其工程性质也千差万别。为了能大致判别土的工程特性和评价土作为地基或建筑材料的适宜性，有必要对土进行科学的分类。分类体系的建立是将工程性质相近的土归为一类，以便对土作出合理的评价和选择恰当的方法对土的特性进行研究。为了能通用，这种分类体系应当是简明的，而且尽可能直接与土的工程性质相联系。§1.5土的工程分类和特殊土的工程性质我国的分类方法至今尚未统一，不同的部门根据各自行业特点建立了各自的分类标准。一般对粗粒土主要按颗粒组成进行分类，粘性土则按塑性指数分类。目前国内应用于对土进行分类的标准、规程（规范）主要有以下几种：（1）建设部《土的分类标准》（GBJ145-90）（2）建设部《建筑地基基础设计规范》（

GB50007-2011）（3）交通部《公路土工试验规程》（

JTGE40—2007）（4）水利部《土的工程分类标准》（GB/T50145-2007）目的：依据：便于研究及应用能反映土的物理力学性质－土的组成土的状态土的结构建筑地基基础设计规范-GB50007-2011分类法地基土岩石碎石土砂土粉土粘性土人工填土岩石分为硬质岩石和软质岩石（抗压强度30MPa）人工填土分为杂填土、冲填土、素填土土的名称颗粒形状粒组含量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%碎石土砂土土的名称粒组含量砾砂粒径大于2mm的颗粒占全质量25--50%粗砂粒径大于0.5mm的颗粒超过全质量50%中砂粒径大于0.25mm的颗粒超过全质量50%细砂粒径大于0.075mm的颗粒超过全质量85%粉砂粒径大于0.075mm的颗粒超过全质量50%10<Ip≤17的土Ip>17的土粘土粉质粘土粉土粘性土粒径大于0.075mm的颗粒含量小于全质量50%而塑性指数Ip≤10的土塑性指数Ip>10的土粗粒土按颗粒组成进行分类；细粒土按塑性图分类。水利部《土的工程分类标准》（GB/T50145-2007