9第七章-土的工程性质

第七章土的工程性质土木工程材料第七章土的工程性质土的渗透性土的压实原理土的颗粒特征土的物理性质指标无粘性土、粘性土的物理性质土的工程分类目录学习对象土的三相组成、土的三相草图及三相指标；土的颗粒；土的工程分类，粗、细土粒。

土的物理性质，土颗粒特征及结构，土的工程分类依据和要点，粗土粒的压实性，细土粒的压实性等。

理解概念，掌握土的三相之间的质量，体积之间的关系；了解土的结构及构造；土的工程分类依据；土的击实特性。学习内容学习目的土的形成、土的三相组成、土的物理状态、土的颗粒级配、土的工程分类与野外鉴别。知识点土的三相组成、土的物理状态、土的工程分类以及土的三相指标及换算。难点和重点第一节土的颗粒特征

是由固体矿物(固相)、液体水(液相)和气体(气相)三部分组成的三相体系。固相物质分无机矿物颗粒和有机质，构成土的骨架，骨架之间贯穿着大量孔隙，孔隙中充填着液相的水和空气。何谓土？第一节土的颗粒特征土的三相组成的比例，不是固定的。它随着环境的变化，将产生相应的变化，对土的力学性能有很大影响。

不同土的三相比例土第一节土的颗粒特征土的颗粒特征土粒的大小称为粒度；大小、性质相近的土粒合并为一组,称为粒组；划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。试验方法筛分法：适用于0.075mm≤d≤60mm比重计法:适用于d＜0.075mm第一节土的颗粒特征摇摆式筛析机筛分法>0.075mm第一节土的颗粒特征筛分法实验步骤：1、用一套孔径不同的筛子，按从上至下筛孔逐渐减小放置；2、将事先称过质量的烘干土样过筛，称出留在各筛子上的土质量；3、计算各筛上的土质量占总土粒质量的百分数；4、计算粒径小于某筛孔径的土粒质量百分数。第一节土的颗粒特征筛分法实验步骤：用一套孔径不同的筛子，按从上至下筛孔逐渐减小放置1将事先称过质量的烘干土样过筛，称出留在各筛子上的土质量24计算粒径小于某筛孔径的土粒质量百分数3计算各筛上的土质量占总土粒质量的百分数第一节土的颗粒特征利用“在水中粗颗粒下沉速度快而细颗粒下沉速度慢的原理”来确定小于某粒径的土粒含量。比重计法第一节土的颗粒特征土的颗粒级配

工程上将各种不同的土粒按其粒径范围，划分为若干粒组，为了表示土粒的大小及组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量（即各粒组占土粒总量的百分数）来表示，称为土的颗粒级配。第一节土的颗粒特征颗粒粒径级配曲线纵坐标表示小于某粒径的土粒含量百分比,横坐标表示土粒的粒径(对数坐标）。第一节土的颗粒特征从曲线的形态上可判定土颗粒大小的均匀程度(见图2.5)。如曲线平缓表示粒径大小相差悬殊，颗粒不均匀，级配良好；反之，则颗粒均匀，级配不良。为了定量说明问题，引入不均匀系数Cu和曲率系数Cc;Cu描述颗粒级配的不均匀程度;Cc描述颗粒级配曲线整体形态，表明某粒组是否缺失情况。第一节土的颗粒特征

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＞5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。第一节土的颗粒特征一、土的结构在成土过程中所形成的土粒的空间排列及其联结形式，与组成土的颗粒大小、颗粒形状、矿物成分和沉积条件有关。1、单粒结构密实状态疏松状态第一节土的颗粒特征2、蜂窝结构3、絮状结构蜂窝结构絮状结构第一节土的颗粒特征二、土的构造在同一土层中的物质成分和颗粒大小等相近的各部分之间的相互关系的特征称为土的构造。主要特征是土的成层性和裂隙性,即层理构造和裂隙构造，二者都造成了土的不均匀性。土的构造：层理构造和裂隙构造。第二节土的物理性质指标土是三相分散体系；从物理性质上可利用三相在体积上和重量上的比例关系来反映土的干湿程度和松密程度。反映三相关系的指标称为基本物理性质指标。气水土粒msmwmVsVwVVa质量m(mass)体积V(volume)Vv气相：air液相：water固相：solid孔隙v(vacancy)第二节土的物理性质指标天然密度ρ土粒相对密度ds含水量ω孔隙比e孔隙率n饱和度Sr干密度ρd饱和密度ρsat有效密度ρ基本指标单位体积质量指标孔隙特征、含水程度指标第二节土的物理性质指标一、三个基本指标1、土的密度ρ

：单位体积土的质量气水土粒msmwmVsVwVVaVv工程中常用重度来表示单位体积土的重力第二节土的物理性质指标测定方法：环刀法、灌砂法和灌水法等。环刀法第二节土的物理性质指标2、土的含水量ω

土中水的质量与土粒质量之比，以百分数表示。气水土粒msmwmVsVwVVaVv第二节土的物理性质指标测试方法：烘干法酒精燃烧法第二节土的物理性质指标3、土的饱和度Sr

土中孔隙水的体积与孔隙总体积之比，以百分数表示。饱和度描述土中孔隙被水充满的程度。干土Sr=0;饱和土Sr=100%。第二节土的物理性质指标Sr＞80%饱和Sr≤50%稍湿50％＜Sr≤80%很湿砂土状态的划分第二节土的物理性质指标不同状态下土的密度和重度

饱和密度ρsat

：土体中孔隙完全被水充满时的土的密度。水土粒msmwmVsVwV质量m体积V第二节土的物理性质指标干密度ρd

：单位体积土中固体颗粒部分的质量。气土粒msmVsVVa质量m体积V第二节土的物理性质指标有效密度ρ

：土单位体积内土粒质量与同体积水的质量之差。气水土粒msmwmVsVwVVaVv第二节土的物理性质指标土的三相比例指标中的质量密度指标共有4个:土的密度ρ，饱和密度ρsat，干密度ρd，有效密度ρ

单位：(kg/m3);相应的重度指标也有4个:

土的重度，饱和重度sat，干重度d，有效重度

单位：(kN/m3)

这些物理指标侧重评价土的作为荷载体的性质。第二节土的物理性质指标二、指标间的换算换算关系式：（设Vs=1,以e为纽带）e的推导：气水土粒Vs=1VwVVaVv=ems=dsρwm=(1+w)dsρwmw=wdsρw第二节土的物理性质指标【例】某土样经试验测得体积为100cm3，湿土质量为187g，烘干后，干土质量为167g。若土粒的相对密度ds为2.66，求该土样的含水量ω、密度ρ、重度

、干重度d

、孔隙比e、饱和重度sat和有效重度。第二节土的物理性质指标【解答】第三节无粘性土、粘性土的物理性质指标影响无粘性土的工程性质的主要因素是密实度。判断无粘性土密实度的最好的方法是用孔隙比e来描述；e大，则表示土中孔隙大，土疏松。利用砂土的max和min孔隙比与所处状态的天然孔隙比e进行比较，能综合的反映土粒级配、土粒形状和结构等因素，这个指标称为相对密实度Dr。第三节无粘性土、粘性土的物理性质指标采用标准贯入试验的锤击数N来评价砂类土的密实度。Dr=0时，e=emaxDr=1时，e=emin

采用标准贯入试验的锤击数N,可用于估计粘性土的变形指标与软硬状态、砂土的内摩擦角与密实度,以及估计地震时砂土、粉土液化的可能性和地基承载力等,因而被广泛采用。最疏松状态最密实状态第三节无粘性土、粘性土的物理性质指标第三节无粘性土、粘性土的物理性质指标具有可塑性质的土，在外力作用下，可塑成任何形状而不发生开裂；当外力取消后，仍可保持原来形状不变。土的这种性质称为可塑性。粘性土由一种状态转变成另一种状态的分界含水量称为界限含水量。粘性土?土的界限含水量?第三节无粘性土、粘性土的物理性质指标液塑限测定根据《土工试验规程》采用液塑限联合测定仪进行测定。0固态或半固态可塑状态流动状态ω塑限ωP液限ωL粘性土的界限含水量图第三节无粘性土、粘性土的物理性质指标液塑限联合测定仪第三节无粘性土、粘性土的物理性质指标圆锥入土深度与含水量关系下沉深度为10mm所对应的含水量为液限;下沉深度为2mm处所对应的含水量为塑限。第三节无粘性土、粘性土的物理性质指标二、粘性土的塑性指数和液性指数塑性指数IP是液限和塑限的差值(习惯上不带%表示)，即土处在可塑状态的含水量变化范围。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。IP越大，表明土的颗粒越细，比表面积越大，土的粘粒含量就越高，土处于可塑状态的含水量变化范围就越大。粘粒含量越多,塑性指数就越高。第三节无粘性土、粘性土的物理性质指标结合水的作用?结合水的存在是土颗粒之间粘性的来源。第三节无粘性土、粘性土的物理性质指标液性指数IL是粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比。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,ω≤ωP,土处于坚硬状态;当IL＞1时,ω＞ωL,土处于流动状态。根据IL值可以直接判定土的软硬状态。

状态液性指数坚硬硬塑可塑软塑流塑IL≤00＜IL≤0.250.25＜IL≤0.750.75＜IL≤1IL＞1粘性土的状态第三节无粘性土、粘性土的物理性质指标三、粘性土的灵敏性St

灵敏性?

保持原来含水量但天然结构被破坏的重塑土的强度比保持天然结构的原状土的强度低，其比值可以作为结构性的指标。第四节土的渗透性土坝蓄水后水透过坝身流向下游浸润线等势线流线下游上游为什么上游水位比下游水位高？第四节土的渗透性H为什么开挖隧道时水会往洞中流动？隧道开挖时，地下水向隧道内流动第四节土的渗透性一、达西定律1856年法国学者Darcy对砂土的渗透性进行研究v=ki达西定律结论：水在土中的渗透速度与试样的水力梯度成正比。水力梯度，即沿渗流方向单位距离的水头损失第四节土的渗透性讨论：v=kiivO砂土ib0iv密实粘土密实的粘土，需要克服结合水的粘滞阻力后才能发生渗透;同时渗透系数与水力坡降的规律还偏离达西定律而呈非线性关系。虚直线简化砂土的渗透速度与水力梯度呈线性关系结论：达西定律适用于层流，不适用于紊流。第四节土的渗透性二、渗透系数及其确定方法常水头试验——整个试验过程中水头保持不变（适用于透水性大（k>10-3cm/s）的土，如砂土。）时间t内流出的水量Q第四节土的渗透性三、影响渗透系数的因素因素1土粒大小与级配因素2土的密实度因素3土中封闭气体含量因素4土的矿物成分水流流经这段土体，受到土颗粒的阻力，阻力引起的水头损失为Δh第四节土的渗透性四、渗流力

渗流水流施加于单位土粒上的拖曳力。Δh2h1h21L沿水流方向放置两个测压管，测压管水面高差Δh根据牛顿第三定律，试样的总渗流力J和土粒对水流的阻力F大小相等，方向相反渗流作用于土体的力：土体对水流的阻力应为：第四节土的渗透性渗流作用于单位土体的力说明：渗透力j是渗流对单位土体的作用力，是一种体积力，其大小与水力坡降成正比，作用方向与渗流方向一致，单位为kN/m3渗流力与重力方向相反，当渗透力大于土体的有效重度，土粒将被水流冲出渗流方向近乎水平，使土粒产生向下游移动的趋势，对稳定不利渗透力方向与重力一致，促使土体压密、强度提高，有利于土体稳定第四节土的渗透性abc结论：渗透力的存在，将使土体内部受力发生变化，这种变化对土体稳定性有显著的影响。第四节土的渗透性何谓临界水头梯度？GJ当土颗粒的重力与渗透力相等时，土颗粒不受任何力作用，好像处于悬浮状态，这时的水力坡降即为临界水头梯度。或在工程计算中，将土的临界水头梯度除以某一安全系数Fs(2～3)，作为允许水头梯度[i]。设计时，为保证建筑物的安全，将渗流逸出处的水头梯度控制在允许坡降[i]内。第四节土的渗透性【例】某土坝地基土的比重Gs=2.68，孔隙比e=0.82，下游渗流出口处经计算水力坡降i为0.2，若取安全系数Fs为2.5，试问该土坝地基出口处土体是否会发生流土破坏？【解答】临界水力坡降允许水力坡降由于实际水力坡降i<[i]，故土坝地基出口处土体不会发生流土破坏。第五节土的压实原理荷载静荷载动荷载天然：地震、风、波浪等人工：车辆荷载、爆破、打桩、机械振动等荷载的组成？第五节土的压实原理压土机对路基进行压实第五节土的压实原理一、土的压实原理对土体施加外部能量，使得土颗粒靠近，将其中的气体驱赶出来，使得土体干密度提高，强度增大。

土颗粒表面如果有一定的水，可起到润滑作用，使得土颗粒更容易移动，在相同的能量作用下土体的干密度更高。如果水分有多余，多余的水分将占据一定体积，则土的孔隙体积大些，干密度就小些。第五节土的压实原理在一定的压实功能下使土最容易压实，并能达到最大密度时的含水量称为土的最佳含水量，用表示；与其相对应的干密度则称为最大干密度。第五节土的压实原理二、击实试验击实筒护筒击锤导筒击实试验1、预先配制不同含水量的土样，采用相同的击实功进行击实;2、计算干密度ρd=ρ/（1+ω），绘制ω-ρd曲线;3、读出最大干密度，最佳含水量;实验步骤第五节土的压实原理击实曲线第五节土的压实原理轻型击实试验击实筒容积为997cm3击锤质量为2.5kg击锤落高为30cm

分3层击实，每层27击根据击实后土样的密度和实测含水量计算相应的干密度实验步骤：1、制作预定含水量的松散土样2、击实，测量击实试样质量m,得ρ湿=m/V3、测量土样含水量ω4、计算得到ρd=ρ湿/(1+ω)5、绘制ω—ρd曲线第五节土的压实原理三、填土的击实特性1、含水量的影响ρdmaxωρd0ωop击实曲线第五节土的压实原理当含水量较低时，击实后的干密度随含水量的增加而增大。而当干密度增大到某一值后，含水量的继续增加反而使得干密度减小。干密度的这一最大值称为该击数下的最大干密度，与它对应的含水量称为最佳含水量。说明：当击数一定时，只有在某一含水量下才获得最佳的击实效果。第五节土的压实原理2、击实功能的影响ω0ρd击数403020饱和线第五节土的压实原理土料的最大干密度和最佳含水量不是常数。最大干密度随击数的增加而逐渐增大,最佳含水量逐渐减小。然而，这种变化速率是递减的。同时，光凭增加击实功能来提高土的最大干密度是有限的。当含水量较低时击数的影响较显著。当含水量较高时，含水量与干密度关系曲线趋近于饱和线，这时提高击实功能是无效的。

说明：填料的含水量过高或过低都是不利的。含水量过低，填土遇水后容易引起湿陷；过高又将恶化填土的其他力学性质。因此，在实际施工中填土的含水量控制得当与否，不仅涉及到经济效益，而且影响到工程质量。第五节土的压实原理3、土类和级配的影响击实试验表明，在相同击实功能下，粘性土粘粒含量愈高或塑性指数愈大，压实愈困难，最大干密度愈小，最优含水量愈大。ωρd0无粘性土的击实曲线无粘性土的击实曲线和粘性土击实曲线不同，在含水量较大时得到较高的干密度，因此在无粘性土实际填筑中，通常要不断洒水使其在较高的含水量下压实。

第五节土的压实原理

说明：土的级配对土的压实性影响很大。级配良好的土，易于压实，级配不良的土，不易压实，因为级配良好的土有足够的细粒去充填较粗粒形成的孔隙，因而能获得较高的干密度。第六节土的工程分类一、分类的目的和原则分类要简明，既要能综合反映土的主要工程性质，又要测定方法简单，使用方便土的分类原则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第六节土的工程分类二、分类体系与方法建筑工程工程材料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。第六节土的工程分类人工填土与特殊土岩石粘土粉土碎石砂土建筑工程第六节土的工程分类1、岩石的分类（最好的地基）颗粒间牢固粘结,呈整体或具有节理隙的岩体称为岩石，坚硬程度可根据岩块的饱和单轴抗压强度frk分类。坚硬程度类别饱和单轴抗压强度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第六节土的工程分类2、碎石土的分类粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50%的土称为碎石土。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3、砂土的分类粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50%的土，且粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50%的土称为砂土。土的名称砾砂粗砂中砂细砂粉砂颗粒级配粒径大于2mm的颗粒含量占全重25％～50％注：定名时应根据颗粒级配由大到小以最先符合者确定粒径大于0.5mm的颗粒含量超过全重50％粒径大于0.25mm的颗粒含量超过全重50％粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重85％粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50％砂土的分类第六节土的工程分类4、粉土的分类粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50%，塑性指数IP≤10的土称为粉土。土的名称粘土粉质粘土塑性指数注：塑性指