土力学与砌体结构第3章土的物理性质和分类

第三章土的物理性质及分类3.1土的三相组成

3.2土的物理性质指标

3.3土的物理状态指标

3.4土的压实性

3.5地基土（岩）的工程分类

3.1土的三相组成本节主要内容：阐明组成土的三相（固体颗粒、水、气）的特性及其与工程性质的关系。一、土的固体颗粒1.土粒的矿物成分1）原生矿物：母岩经物理风化而成,eg.石英、云母、长石；其成分与母岩相同，分为单矿物颗粒，多矿物颗粒。2）次生矿物：母岩经化学风化而成，如eg.高岭石、伊里石、蒙脱石。其成分与母岩不同，为一种新矿物颗粒。主要是粘土矿物。D<0.005mm漂石、卵石、圆砾等粗大土粒都是母岩的碎屑，其矿物成分与母岩相同；砂粒大部分是母岩中的单矿物颗粒，如如石英、云母、长石；粉粒的矿物成分是多样性的，主要是石英和MgCO3、CaCO3等难溶盐的颗粒；2.土颗粒的大小和形状

在自然界中存在的土,都是由大小不同的土粒组成的，土的粒径由粗到细逐渐变化时,土的性质相应地发生变化。因此可将大小相近，性质相似的颗粒划归为一组，称为粒组，划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。常用200、20、2、0.075、0.005mm把土粒分为六大粒组:漂石(块石)颗粒、卵石(碎石)颗粒、圆砾（角砾）颗粒、砂粒、粉粒及粘粒。见下表。3.1土的三相组成粘土的矿物成分主要有粘土矿物、氧化物、氢氧化物和各种难溶盐类，它们都是次生矿物。20203.1土的三相组成

3.土的颗粒级配（粒径级配）

土粒大小及其组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量（各粒组占土粒总量的百分数）来表示，称为土的颗粒级配。用途：这是决定无粘性土工程性质的主要因素。用它作为确定土的名称和选用建筑材料的重要依据。4.粒径分析方法颗分试验：（1）筛分法：粒径>0.075mm。（2）比重计法或移液管法：粒径<0.075mm。颗分曲线：根据颗分试验成果，可以绘制颗粒级配曲线。如下图。3.1土的三相组成3.1土的三相组成

级配良好的判别：

由曲线的坡度大致可判别土的均匀程度，如曲线较陡，则表示粒径大小相差不多，土粒较均匀；反之，曲线平缓，则表示粒径大小相差悬殊，土粒不均匀，即级配良好。

利用不均匀系数Cu和曲率系数Cc定量判别：3.1土的三相组成Cu<5级配不良；Cu>5级配良好。

Cc反应曲线的整体形状，过大或过小都表示缺乏中间粒径。对砂类土，当同时满足3~15=cuCC和时，级配良好。>60102301060/dddCddCcu==.二、土中的水和气（一）土中水：1.结晶水存在于矿物结晶中的水，只有在高温（>105C）下，才能从矿物中吸出，故可把它视作矿物本身的一部分。2.结合水受电分子吸引力吸附于土粒表面的土中水。03.1土的三相组成-毛细水重力水自由水弱结合水强结合水与土粒表面结合的水结合水土粒矿物内部的水-结晶水土中水3.1土的三相组成强结合水弱结合水自由水（1）强结合水：没有溶解盐类的能力，不能传递静水压力，牢固地吸附于土粒表面，其性质接近于固体，具有极大的粘滞度、弹性和抗剪强度。（2）弱结合水：厚度较强结合水大，具有较高的粘滞度、抗剪强度，仍不能传递静水压力。当含量较多时，使土具有一定的可塑性。3.自由水（1）重力水：在土中流动的水，受重力作用。（2）毛细水：由于水和空气分界处弯液面上产生的表面张力作用，土中自由水从地下水位通过土的细小通道逐渐上升，形成毛细水。它不仅受重力作用而且还受到表面张力的支配。单粒结构蜂窝结构絮状结构（二）土中气1.开敞气体：对土无影响；2.封闭气体：使土的渗透性减小，弹性增大和拖延了土的压缩和膨胀变形随时间的发展。三、土的结构和构造1.土的结构（如上图）土的结构：单粒结构；蜂窝结构（粒径0.075~0.005mm）；絮状结构（粒径<0.005）。3.1土的三相组成分散构造裂隙构造

2.土的构造土的构造分为层理构造、分散构造和裂隙构造。3.1土的三相组成3.2土的物理性质指标表示土的三相组成比例关系的指标,称为土的物理性质指标。一、指标定义

为了便于说明和计算，用三相组成示意图来表示各部分之间的数量关系。气水土

粒（一）土粒比重（土粒相对密度）dsds可用比重瓶法测定,但由于变化幅度不大（2.6~2.8),通常可按经验数值选用，如下表。粘性土土的名称砂土粉土粉质粘土粘土土粒比重2.65~2.692.70~2.712.72~2.732.74~2.76土粒比重参考值3.2土的物理性质指标（二）土的含水量%sWmm=w含水量是标志土的湿度的一个重要物理指标，一般用烘箱法测定。（三）土的密度土的密度用环刀法测定。3.2土的物理性质指标（四）干密度d、饱和密度sat、和有效密度´mVVmVVmVWssWVssatsdrrrrr-=´.+==计算自重应力时，须采用土的重力密度，简称重度。土的湿重度、干重度d、饱和重度sat、有效重度´分别按下式计算：单位：3.2土的物理性质指标1.土的干重度γd3.2土的物理性质指标(1)表达式：dγ=固体重力总体积=wsv(2)物理意义：单位体积的土在水分烘干后的重力，即干土的重力密度。(3)常见值：13~18KN/m3(4)工程应用：常用做填方工程中土体压实质量控制的标准。(5)换算公式：γd=1+ωγ2.土的饱和重度γsat3.2土的物理性质指标(1)表达式：satγ=孔隙全部充满水的总重力总体积=wsv(2)物理意义：孔隙中全部充满水时单位体积的重力，即饱和度为100%时的重力密度。(3)常见值：18~23KN/m3+Vvγw(1)表达式：=wsv(2)物理意义：地下水位以下土体受水的浮力作用时单位体积的重力。(3)常见值：8~13KN/m3+Vvγw3.土的有效重度γ′γ′-vVγw=γsatγw-（五）孔隙比e和孔隙率n（六）土的饱和度Sr土的孔隙比e和孔隙率n是反映土密实程度的重要物理性质指标，e或n越大，土越疏松，反之土越密实。一般e<0.6的土是密实的低压缩性土，e>1.0的土是疏松的高压缩性土。砂土根据饱和度的指标值分为稍湿、很湿与饱和三种湿度状态。Sr50为稍湿；50<Sr80很湿;Sr>80饱和。3.2土的物理性质指标令w1=

w,Vs=1因所以VV=e,V=1+e推导如下：二、指标的换算3.2土的物理性质指标由上式：3.2土的物理性质指标3.2土的物理性质指标3.2土的物理性质指标3.2土的物理性质指标3.3土的物理状态指标上节讲述土的物理性质指标，本节讲述土的物理状态指标，即要研究土的松密和软硬。

一、无粘性土的密实度⑴密实度：单位体积土中固体颗粒的含量。⑵密实度指标：a.孔隙比e《规范》以孔隙比e作为砂土密实度的划分标准，分为：密实、中密、稍密、松散四状态。b.标准贯入试验用标准贯入试验锤击数划分砂土密实度。

3.3土的物理状态指标

c.野外鉴别方法对碎石土，通过观察，根据骨架颗粒含量和排列、可挖性、可钻性将其密实度划分为密实、中密、稍密。d.相对密度DrDr=(emax-e)/(emax-emin),考虑颗粒级配的影响。

无粘性土的密实度(3)砂土的密实度砂土的密实度可用天然孔隙比衡量。一般e小于0.6，属密实的砂土，是良好的天然地基，当e大于0.95时，为松散状态，不宜作天然地基。但未考虑土颗粒级配的影响。若考虑级配因素，可采用相对密实度Dr来表示砂土的密实度：按Dr值可将砂土的密实状态划分如下三类：1Dr>0.67密实的0.67Dr>0.33中密的0.33Dr>0松散的虽然相对密实度从理论上能反映颗粒级配、颗粒形状等因素。但由于对砂土很难采取原状土样，故天然孔隙比不宜测准。《规范》用标准贯入试验的锤击数来划分砂土的密实度。砂土的密实度表中N=N´，N´为实测值。无粘性土的密实度（4）碎石土的密实度

碎石土更不宜取得原状土样，也难于将贯入器击入其中。对这类土可在现场进行观察,根据其骨架颗粒含量、排列、可挖性及可钻性鉴别。将碎石土分为密实、中密和稍密三种。(5)碎石土密实度野外鉴别方法（见下表）：无粘性土的密实度粘性土的物理特征

粘性土最主要的性质是土粒与水相互作用产生的稠度。它反映土粒之间连接强度随含水量高低而变化的性质。A、稠度：是指土的软硬状态或土对受外力作用所引起变形或破坏的抵抗能力。B、稠度界限：粘性土由某一种状态过渡到另一状态的分界含水量。

一、粘性土的界限含水量

同一种粘性土随其含水量的不同，而分别处于固态、半固态、可塑状态及流动状态。由一种状态转变到另一种状态的分界含水量，叫界限含水量。界限含水量的测定方法：塑限：搓条法（滚搓法）；液限：锥式液限仪（如下图）。粘性土的物理特征IP粘粒含量蒙脱石高岭石伊理石蒙脱石粘粒含量IPIP与矿物成分的关系二、粘性土的塑性指数和液性指数

1.塑性指数IP：PLpIww-=（省去%）

IP表示土处于可塑状态的含水量范围大小。它与颗粒粗细、矿物成分和水中离子成分的浓度有关。土颗粒越细且含量越多，则比表面越大，土的结合水含量越高，IP越大。当水中高价阳离子浓度增加时，土粒表面吸附的反离子层厚度变薄结合水含量相应减少，IP也小；反之，IP变大。

IP与矿物成分的关系（如下图）。粘性土的物理特征粘性土的物理特征2.液性指数ILIL是反映粘性土软硬状态的指标。流动状态;可塑状态;固态。粘性土软硬状态的划分粘性土的物理特征三、粘性土的灵敏度和触变性天然状态的粘性土当受扰动后，其强度降低、压缩性增大。土的结构性对强度的这种影响，可用灵敏度衡量：根据灵敏度将饱和粘性土分为：低灵敏中灵敏和高灵敏三类。触变性：饱和粘性土当受扰动后，其强度降低，但当扰动停止后，强度又随时间增大，这种特性称为触变性。qu,q’u—原状、重塑试样的无侧限抗压强度3.5地基土（岩）的工程分类

地基土（岩）分类的任务是根据分类用途和土（岩）的各种性质的差异将其划分为一定的类别。下面介绍（岩）土的工程分类：本节的分类方法为《地基规范》分类法。

一、岩石1、定义：颗粒间牢固联结，呈整体或具有节理裂隙的岩体。⑴按坚固性分为：硬质岩石、软质岩石。⑵按岩石风化程度分为：微风化、中等风化、强风化。⑶按成因分为：岩浆岩、沉积岩、变质岩。

3.5地基土（岩）的工程分类二、碎石土1、定义：粒径d>2mm的颗粒含量超过全重50%的土。2、分类依据：土的粒组含量及颗粒形状。3、定名：漂石或块石、卵石或碎石、圆砾或角砾。4、工程性质：根据骨架颗粒含量占总重的百分比，颗粒的排列，可挖性与可钻性分为密实、中密、稍密三等。

常见碎石土强度大、压缩性小、渗透性大，为良好地基。

3.5地基土（岩）的工程分类三、砂土

1、定义：粒径d>2mm的颗粒含量不超过全重的50%，且粒径d>0.075mm的颗粒超过全重50%的土。2、分类依据：粒组含量。3、定名：砾砂、粗砂、中砂、细砂、粉砂。4、密实度：密实、中密、稍密、松散四状态。5、工程性质：砾砂、粗砂、中砂一般为良好地基；细砂、粉砂具体分析。3.5地基土（岩）的工程分类

四、粉土1、定义：粒径d>0.075mm的颗粒含量不超过全重50%，且Ip≤10的土。2、组