土的物理性质和工程分类

土的物理性质和工程分类第1页，共77页，2023年，2月20日，星期四§1－1土的生成与特性工程土的概念：工程上所谓的土，是覆盖在地表上碎散的，没有胶结或胶结很弱的颗粒堆积物。第2页，共77页，2023年，2月20日，星期四一、风化作用与土的形成风化作用：地表自然条件下，岩石产生破坏的地质作用。三大风化的作用：物理风化（如无粘性土）化学风化（如粘性土）生物风化（无矿物成分变化）。第3页，共77页，2023年，2月20日，星期四二、土的搬运和沉积土在地表分布极广，成因类型也很复杂。成因不同，分布规律、地形形态及工程性质也不同。残积土：残留原地未被搬运土。分布规律为上部为残积土，中部为分化带，下部为新鲜岩石。没有层理构造，土的物理性质相差较大，孔隙也较大。作为建筑地基容易引起不均匀沉降。第4页，共77页，2023年，2月20日，星期四坡积土：水流作用将风化物冲刷、剥蚀移动沉积而成。沿坡面自上而下呈由粗而细分选现象。颗粒粗细混杂，不均匀，厚度变化大，疏松，压缩性较大。第5页，共77页，2023年，2月20日，星期四洪积土：由暴雨或洪水冲刷、剥蚀、搬运、堆积而成。堆积与山谷冲沟出口或山前倾斜平原。随着离山远近不同，堆积体内土粒粗细不同，呈由近及远的粗细分布，性质很不均匀。第6页，共77页，2023年，2月20日，星期四冲击土：水岸被流水剥蚀后，经搬运、沉积在河道平缓地带形成的沉积土。特点是具有明显的层理结构，颗粒磨圆度好，常常呈砂层和粘性土交叠的地层。其他沉积土：海洋沉积土；湖泊沉积土；冰川沉积土；海陆交互沉积土；风积土等等。第7页，共77页，2023年，2月20日，星期四三、土的结构与构造定义：土的结构：指土粒或土粒的集合体的大小、形状、相互排列和联结等。土的构造：是在同一土层中的物质成分和颗粒大小等都相近的各部分之间的相互关系的特征。第8页，共77页，2023年，2月20日，星期四四、土的工程特性①压缩性高②强度低③透水性大第9页，共77页，2023年，2月20日，星期四§1－2土的三相组成土由三相不同物质组成：固相－矿物颗粒和有机质；液相－水溶液（①三相散布系②三相比例的变化③干土和饱和土）；气相－气体。土的三相研究是研究土的工程性质的基础第10页，共77页，2023年，2月20日，星期四一、土的固体颗粒1、土的颗粒组成（颗粒大小及组成）①粒组：粒径相近的颗粒归成一组。不同等级的颗粒，其物理力学性质有显著差别。第11页，共77页，2023年，2月20日，星期四我国的分类

粒组名称漂石（块石）卵石（碎石）砾石（角砾）砂粒粉粒粘粒粒径范围mm

>200

60～2002～600.075～20.005～0.075<0.005不同等级的颗粒，其物理力学性质有显著差别。颗粒组－各粒组的相对含量。第12页，共77页，2023年，2月20日，星期四②粒径级配曲线：把土中所含各粒组的相对含量用土粒总质量的百分数表示。颗粒分析方法：筛分法与密度计法。颗粒级配的衡量指标：不均匀系数（Cu）和曲率系数(Cc）第13页，共77页，2023年，2月20日，星期四不均匀系数反映曲线坡度，Cu愈大，曲线愈平缓，土愈不均匀；曲率系数反映曲线形状是否连续。

Cu>5为不均匀土；Cc1～3曲线连续

Cu<5为均匀土；Cc<1，Cc>3曲线不连续

Cu≥5且Cc＝1～3的土为级配良好的土。第14页，共77页，2023年，2月20日，星期四粒径级配分析方法筛分法适用于0.1mm以上（0.074mm）。水分法（密度计法）分析小于0.1mm的土。例：取烘干土200g（全部通过10mm筛），用筛分法求各粒组含量和小于某种粒径量占总土量的百分数。①0.1mm以上采用筛分法，0.10mm以下采用密度计法第15页，共77页，2023年，2月20日，星期四粒径（mm）10521.000.050.010.005粒组含量（g）1016182422382025720小于某粒径土累积量19017415613211072522720小于某粒径土占总土质量的百分比（％）95.087.078.066.055.036.026.013.510.0第16页，共77页，2023年，2月20日，星期四②粒径级配曲线③粒径指标平均粒径：d50=0.21

有效粒径：d10=0.005

控制粒径：d60=0.33d30=0.063第17页，共77页，2023年，2月20日，星期四土的不均匀系数：Cu越大，土越不均匀，曲线越平缓；Cu>5称不均匀土，反之为均匀土。土的曲率系数:第18页，共77页，2023年，2月20日，星期四Cc为1～3时，级配连续；Cc<1或Cc>1时，级配不连续。从工程观点看，Cu>5，且Cc＝1～3称级为配良好的土。第19页，共77页，2023年，2月20日，星期四2、土的矿物组成①原生矿物：石英、长石、云母（主要造岩矿物）②次生矿物：粘土矿物、氧化物、氢氧化物及难溶盐类[高岭石、伊利石、蒙脱石（亲水性、胀缩性）CaCO3、MgCO3]③腐殖质第20页，共77页，2023年，2月20日，星期四二、土中水1、土粒与水的作用①土粒的带电性；②土粒的双电层2、土中水的形态（1）结合水：①强结合水（吸着水）②弱结合水（薄膜水）（2）自由水：①重力水；②毛细水（3）气态水：对土性质影响不大。（4）固态水：冻胀问题。基础埋深要考虑。第21页，共77页，2023年，2月20日，星期四三、土中气体1、自由气体：对建筑工程无影响。2、封闭气体：增加土的压缩性，降低渗透性。第22页，共77页，2023年，2月20日，星期四§1－3土的物理状态（性质指标）一、土的三相比例关系1、土的三相简图V-土的总体积Vs-土的固体颗粒体积Vv-土中孔隙体积Vw-水所占的体积Va-气体所占的体积第23页，共77页，2023年，2月20日，星期四第24页，共77页，2023年，2月20日，星期四M(W)-土的总质（重）量Ms(Ws)-土的固体颗粒的质（重）量Mw(Ww)-水的质（重）量全部未知量有8个，但它们之间存在如下的关系：Vv=Va+VwV=Vv+VsM=Mw+MsW=Ww+Ws因此只有四个未知量。第25页，共77页，2023年，2月20日，星期四二、土的物理性质指标1、三相基本物理性质指标（1）土的密度（）：单位体积土的质量重力密度（）：天然密度与重力加速度的乘积①概念②公式③物理密度④测定方法：环刀法（粘、粉土）、灌水法（卵石、砾石、原砂）第26页，共77页，2023年，2月20日，星期四(g/cm3)

第27页，共77页，2023年，2月20日，星期四土的天然状态下密度一般在1.6～2.2g/cm3之间。采用“环刀法”测定。土的（容重）重力密度：一般在16～22KN/m3

单位：KN/m3第28页，共77页，2023年，2月20日，星期四（2）土的含水率（％）含水率为土中的水的重量（质量）与固体颗粒重量（质量）之比。用百分数表示。第29页，共77页，2023年，2月20日，星期四常见值：砂土：0～40％、粘性土20～60％土的含水量是衡量土的干湿程度的一个重要指标，一般采用“烘干法”测定。（3）土粒比重Gs(ds)

土中固体颗粒的单位体积的质量或重量与4℃时水的单位体积质量或重量之比为土粒比重Gs。（又称土粒相对密度ds）第30页，共77页，2023年，2月20日，星期四土粒的比重值一般在2.65～2.75。常用“比重瓶法”测定。第31页，共77页，2023年，2月20日，星期四2、土的松紧程度指标（1）土的孔隙比土中孔隙体积与固体颗粒体积之比孔隙比反映土的松紧程度，是确定地基土承载力的一个重要指标。常见值沙土0.5～1.0，粘土0.5～1.2，砂土e<0.6良好地基。粘土e>1.0为软弱地基。第32页，共77页，2023年，2月20日，星期四（2）土的孔隙度（孔隙率）土中孔隙体积与土的总体积的比值孔隙度表示土的孔隙大小的程度，常见值30～5％。孔隙比与孔隙度的关系（推导）第33页，共77页，2023年，2月20日，星期四3、土中含水程度的指标含水率（量）及饱和度。饱和度是土孔隙中所占的体积与孔隙体积之比。干土的饱和度为0，饱和土的饱和度为1。4、几种不同状态下的土的重度和容重指标（1）土中干密度和干重度是指土中不含水时密度或容重第34页，共77页，2023年，2月20日，星期四1.3～2.0g/cm3

（2）土的饱和密度和饱和重度是指土中孔隙完全被水充满时的密度和容重。第35页，共77页，2023年，2月20日，星期四1.8~2.3g/cm3第36页，共77页，2023年，2月20日，星期四（3）土的浮密度和浮容重（有效重度）是指地下水位一下的土受到水的浮力作用时有效密度和有效容重。第37页，共77页，2023年，2月20日，星期四应掌握上述物理性质指标的：①概念；②符号；③计算土的密度、土粒比重、土的含水率、土的孔隙比、土的孔隙度、土的饱和度、土的干密度、土的饱和密度，一共为8个。前三个由实验室测出，其余5个可换算求得。第38页，共77页，2023年，2月20日，星期四例题①：某原状土，经试验测得天然容重含水量12.9％，土粒比重ds=2.67，求孔隙比e，孔隙度n和饱和度解：绘三相草图气液固Wa=0Ww=0.19Ws=1.48Va=0.256Vw=0.190Vs=0.554第39页，共77页，2023年，2月20日，星期四（1）设土样体积为：V=1.0cm3

则（2）根据含水量第40页，共77页，2023年，2月20日，星期四（3）根据土粒比重（4）孔隙比e第41页，共77页，2023年，2月20日，星期四（5）孔隙度n（6）饱和度第42页，共77页，2023年，2月20日，星期四例题②：从某一地下水位以下的粘土层中取一饱和土样，测出其含水率w=40％，土粒比重＝2.73，试求该土样的饱和容重和孔隙比。解：由于是饱和土样，故该土属两相土，设Vs=1cm3

第43页，共77页，2023年，2月20日，星期四水

固Mw=1.092Ms=2.73M=3.822Vv=Vw=1.092Vs=1V=2.092第44页，共77页，2023年，2月20日，星期四①因为②③对于饱和土样＝1.0第45页，共77页，2023年，2月20日，星期四④在数值上Vw=MwMw=1.092g⑤根据定义第46页，共77页，2023年，2月20日，星期四例③：某砂层=1.75kg/cm3，含水量w=10%，土粒比重＝2.65，最小孔隙比emin=0.40，最大孔隙比emax=0.85，问该土层处于什么状态。解：孔隙固体Ww=0.265Ws=2.65Vv=e=0.667Vs=1.0cm3第47页，共77页，2023年，2月20日，星期四（1）求土层的天然孔隙比e

设Vs=1.0cm3第48页，共77页，2023年，2月20日，星期四（2）求相对密度

故该砂层处于中密状态。第49页，共77页，2023年，2月20日，星期四例④：一原状土样，土的密度，土粒比重，土的含水量w=18%，求其余六个物理性质指标。解：①绘三相草图气液固重力（gf）Wa

WwWs

体积VaVwVs第50页，共77页，2023年，2月20日，星期四②设V=1cm3③④⑤m=ms+mw=1.8ms+0.18ms=1.8gms=1.525gmw=m-ms=1.8-1.525=0.275g第51页，共77页，2023年，2月20日，星期四⑥⑦⑧Va=V-Vw-Vs=1-0.275-0.565=0.16(cm3)第52页，共77页，2023年，2月20日，星期四⑨求：第53页，共77页，2023年，2月20日，星期四

5、液限指数IL固态半固态塑态液态0WpWcIL=0IL=1第54页，共77页，2023年，2月20日，星期四6、活动度A7、灵敏度St第55页，共77页，2023年，2月20日，星期四『例题2.1』在某住宅地基勘查中，已知一个钻孔原状土试样结果为：土的密度，土粒比重Gs=2.70，土的含水率w=18.0%。求其余5个物理性质指标。解：①绘制三相计算草图，如图所示：②令V=1cm3。③第56页，共77页，2023年，2月20日，星期四第57页，共77页，2023年，2月20日，星期四④⑤Vw=0.275cm3⑥第58页，共77页，2023年，2月20日，星期四⑦⑧至此，三相草图中8个未知量全部计算出数值。⑨据所求物理性质指标的表达式可得：第59页，共77页，2023年，2月20日，星期四上述三相计算中，如设Vs=1cm3，V=1cm3计算可得相同结果。第60页，共77页，2023年，2月20日，星期四三、土的物理状态指标（颗粒土的密实程度、细粒土的软硬程度）（一）无粘性土的密实度（单位体积中固体物质含量）第61页，共77页，2023年，2月20日，星期四1、用孔隙比作为划分密实度的标准土的名称\密实度密实中密稍密松散砾砂、粗砂、中砂e<0.600.60≤e≤0.750.75≤e≤0.85e>0.85细砂、粉砂e<0.700.70≤e≤0.850.85≤e≤0.95e>0.95第62页，共77页，2023年，2月20日，星期四该方法简便、但没有考虑级配等因素的影响。如均匀密砂的e大于级配良好的松砂的e。2、以相对密度作密实度的标准第63页，共77页，2023年，2月20日，星期四铁道部（铁道工程技术规范）分类：该方法理论上完善，但实用上较困难。第64页，共77页，2023年，2月20日，星期四3、用标准贯入试验划分密实度标准贯入试验是一种原位测试。采用重63.5kg的锤，提升76cm，自由下落，使贯入器贯入土中30cm深所需的锤击次数，用N表示。新规范《建筑地基基础设计规范》规定的密实度。松散：N≤10

稍密：10<N≤15

中密：15<N≤30

密实：N>30

第65页，共77页，2023年，2月20日，星期四（二）粘性土的物理状态特征粘性土的性质不同于砂性土，不能用e,Dr来判别其工程性质，而是稠度。 粘性土随含水量不断增加，状态呈固态～半固态～可塑状态～液体状态的变化，相应的地基土的承载力逐渐降低。 从f。>450KPa,下降到f。<45KPa（例：上海锦江饭店，宝钢一号高炉）第66页，共77页，2023年，2月20日，星期四1、液限wL(%)粘性土液态与塑态之间的分界含水率称为液限。液限一般采用锥式液限仪或碟式液限仪测定2、塑限wp(%)粘性土塑态与半固态的分界含水率称为塑限。塑限一般采用滚搓法（搓条法）；联合测定法测定。3、缩限ws(%)粘土固态与半固态的分界含水率称为塑限。缩限采用收缩皿法测定第67页，共77页，2023年，2月20日，星期四4、塑性指数Ip

粘土液限与塑限的差值，去掉百分号称塑性指数，用Ip表示。

Ip＝(wL－wp)*

100

其物理意义表示处于可塑状态时，其含水率变化的最大区间。Ip大，颗粒细，吸水强，但仍处可塑状态。用Ip作为粘土与粉土定名的标准。第68页，共77页，2023年，2月20日，星期四5、液性指数（相对稠度）IL：00.250.751.0坚塑硬塑可塑软塑流塑

液性指标表示土的软硬程度，确定承载力的指标。（例题⑤）第69页，共77页，2023年，2月20日，星期四例⑤：取一原状土样，测得土的液限wL=47%，塑限wp=18%，天然含水量w=40%，问地基处于什么状态。解：6、活动度A7、灵敏度St第70页，共77页，2023年，2月20日，星期四§1-4土的工程分类一、分类依据颗粒直径大于0.1mm（有的用0.075mm）的质量大于50%的为粗粒土，小于50%的为细粒土。①水电部SD128－84分类法②建筑地基基础设计规范（GBJ7－89）分类法1、岩石（1）按坚固性分类：①硬质岩石（fr≥MPa）②软质岩石(fr<30MPa)（2）按风化程度：①微风化②中等风化(三峡大坝地基)③强风化2、碎石土土的粒径大于2mm的颗粒含量大于全重的50%的土称为碎石土。第71页，共77页，2023年，2月20日，星期四碎石土分类表土的名称颗粒形状颗粒级配漂石块石圆形为主棱角形为主大于200mm超过50%大于200mm超过50%卵石碎石圆形为主棱角形为主大于20mm超过50%大于20mm超过50%圆砾角砾圆形为主棱角形为主大于2mm超过50%大于2mm超过50%第72页，共77页，2023年，2月20日，星期四3、砂土粒径大于2mm的颗粒含量不超过全部土重的50％，且粒径大于0.075mm的颗粒超过全重的50％的土均属砂土。砂土定名土的名称粒组含量砾砂粒径大于2mm占全重的25～50％粗砂粒径大于0.5mm超过全重50％中砂