第二章 土的物理性质

第二章土的物理性质第1页，课件共61页，创作于2023年2月

学习要求

了解土的成因和三相组成，掌握土的物理性质指标和物理状态指标的定义、物理概念、计算公式和单位。要求熟练地掌握物理指标的三相换算。了解地基土的工程分类依据,掌握土准确定名的方法。基本内容土的三相组成土的三相比例指标土的结构与构造

粘性土的界限含水量

砂土的密实度

土的工程分类第二章土的物理性质及工程分类第2页，课件共61页，创作于2023年2月§2.1土的成因和三相组成§2.2土的结构和构造§2.3土的物理性质指标§2.4土的物理状态指标§2.5土的工程分类第二章土的物理性质及工程分类第3页，课件共61页，创作于2023年2月§2.1土的成因与三相组成二、土的类型一、土的成因：岩石风化作用（物理、化学）岩石破碎搬运沉积大小、形状和成分都不相同的松散颗粒集合体（土）1）残积土指残留在原地未经搬运的那一部分岩石风化、剥蚀后的碎屑堆积物。其成分与母岩相同，一般没有层理构造，均质性很差，孔隙度大，作为建筑物地基容易产生不均匀沉降。第4页，课件共61页，创作于2023年2月2）坡积土指高处的风化碎屑物在雨、雪或者本身的重力作用下，搬运而成的山坡堆积物。3）洪积土指在山区或者高地有暂时性水流（如山洪急流）作用将大量的残积物、坡积物搬运堆积在山谷中或山前平原上的堆积物（洪积扇）4）冲积土指由河流的流水地质作用，将两岸基岩及上部覆盖的坡积物、洪积物剥蚀、搬运、沉积在河流坡降平缓地带形成的沉积物。第5页，课件共61页，创作于2023年2月5）湖泊沉积土A.湖边沉积土B.湖心沉积土6）海洋沉积土

7）风沉积土

8）冰川沉积土

总之，土的成因决定了土的类别

第6页，课件共61页，创作于2023年2月四、土的三相组成天然状态的土一般为三相土。即：固相、液相、气相。其三相之间的比例关系、土的颗粒组成、大小、土的结构形式和构造等会直接影响到其工程性质。土气相：孔隙中的空气。液相：土体孔隙中的水；固相：土的颗粒、粒间胶结物；1）土的固颗粒体（1）土粒的矿物成分固体颗粒是土的三相中决定土工程性质的主要成分。第7页，课件共61页，创作于2023年2月名称成因矿物成分特征原生矿物岩浆在冷凝过程中形成。石英、长石、云母、角闪石、辉石等是母岩物理风化的产物，矿物成分与母岩相同，如漂石、卵石、圆砾等颗粒较粗，性质稳定，吸水能力很弱，无塑性。

次生矿物原生矿物进一步因氧化、水化、水解及溶解等化学风化作用后形成。高岭石、伊利石、蒙脱石、石膏等颗粒极细，种类很多，以晶体矿物为主。如粘土矿物的基本构成单元为硅氧晶片和铝氢氧晶片。粘土矿物具有颗粒小，呈片状，比表面积大，吸水能力强固体土颗粒有机质无机矿物质颗粒：原生矿物、次生矿物；第8页，课件共61页，创作于2023年2月（2）土颗粒的大小粒度的概念：土粒的大小粒组的概念：工程上通常把大小相近、性质相似的土粒合并为组，为粒组。第9页，课件共61页，创作于2023年2月界限粒径指土在性质上表现出有明显差异的粒径作为划分粒组的界限粒径。根据规范《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）将自然界中土颗粒分为六大类。粒组统称粒组名称粒径范围（mm）一般特性巨粒组漂石或块石颗粒>200透水性大，无粘性，无毛细水。卵石或碎石颗粒200～60透水性大，无粘性，无毛细水。粗粒组圆砾或角砾颗粒600～2透水性大，无粘性，毛细上升高度很小。砂粒2～0.075易透水，当混入云母等杂物时，透水性减小，压缩性增加；无粘性，遇水不膨胀，干燥时松散；毛细上升高度小，随粒径变小而增大。细粒组粉粒0.075～0.005透水性小；湿时稍有粘性，遇水不膨胀，干时稍有收缩；毛细上升高度较大且较快，极易出现冻胀现象。粘粒<0.005透水性很小；湿时有粘性，可塑性，遇水膨胀大，干时收缩显著；毛细上升高度大，且速度较慢。第10页，课件共61页，创作于2023年2月（3）粒度成分及其表示方法颗粒级配（或粒度成分）的概念：指土中各粒组的相对含量，用各粒组占土粒总质量的百分数表示。粒度成分的表示方法：表格法、累计曲线法、三角坐标法。第11页，课件共61页，创作于2023年2月累计曲线法：土的颗粒级配曲线根据土颗粒大小分析试验结果，在半对数坐标中，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CU第12页，课件共61页，创作于2023年2月★良好级配的判别1)级配良好的标准：粗细颗粒搭配较好，粗颗粒间的孔隙有细粒填充，渗透性、压缩性较小，强度较大，所以我们在实际工程中选用级配较好的土为筑填材料。2)不均匀系数Cu：工程上常用不均匀系数描述颗粒级配的不均匀程度

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＞10的土视为级配良好的土

3）曲率系数Cc：描述颗粒级配曲线整体形态，表明某粒组是否缺失情况

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d10、d30、d60小于某粒径的土粒含量为10%、30%和60%时所对应的粒径提问：不均匀系数是大好还是小好？第13页，课件共61页，创作于2023年2月（4）粒度成分（或颗粒级配）分析方法A.筛析法：

适用条件：粒径小于等于60mm并且大于0.075mm的土仪器设备：分析筛、震筛机操作步骤：用一套孔径不同的筛子，按从上至下筛孔逐渐减小放置。将事先称过质量的烘干土样过筛，称出留在各筛上的土质量，然后计算其占总土粒质量的百分数第14页，课件共61页，创作于2023年2月筛分法（d>0.075mm的土）第15页，课件共61页，创作于2023年2月B.沉降分析法：适用条件：粒径小于0.075mm操作方法：密度计法、移液管法步骤:利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同来确定小于某粒径的土粒含量详细见：《土工试验方法标准》第16页，课件共61页，创作于2023年2月2）土中的水土中水的形态：固态、液态、气态其中：液态水包括:（1）结合水强结合水：紧靠于颗粒表面、所受电场的作用力很大、几乎完全固定排列、丧失液体的特性而接近于固体弱结合水：紧靠强结合水的外围形成的结合水膜，所受的电场作用力随着与颗粒距离增大而减弱（2）自由水：

存在于土粒电场影响范围以外，性质和普通水无异，能传递水压力，冰点为0℃，有溶解能力，包括：重力水、毛细水重力水：存在于地下水位以下的孔隙中，只受重力作用而移动，能传递水压力和产生浮力作用。毛细水：存在于地下水位以上的土孔隙中，在表面张力的作用下，地下水沿着毛细管上升。第17页，课件共61页，创作于2023年2月土中的水气态水:土中的水蒸气固态水：低于0°冻结成冰，形成冻土结合水概念强结合水、弱结合水第18页，课件共61页，创作于2023年2月3）土中的气体土中的气体存在于土孔隙中未被水所占据的部位。（1）自由气体：土中孔隙气体与大气相通的部分，对工程不产生影响（2）封闭气体：受外荷作用，不能逸出，被压缩或溶解于水中，压力减小时能有所复原，对土的性质有较大的影响，使土的渗透性减小，弹性增大和延长土体受力后变形达到稳定第19页，课件共61页，创作于2023年2月§2.2土的结构和构造一、土的结构是指土粒之间的空间排列及其联结形式（与组成土的颗粒大小、颗粒形状、矿物成分和沉积条条件有关）

单粒结构蜂窝结构絮状结构第20页，课件共61页，创作于2023年2月1.单粒结构：粗矿物颗粒在水或空气中在自重作用下沉落形成的单粒结构，其特点是土粒间存在点与点的接触。根据形成条件不同，可分为疏松状态和密实状态

密实状态疏松状态第21页，课件共61页，创作于2023年2月2.蜂窝结构：颗粒间点与点接触，由于彼此之间引力大于重力，接触后，不再继续下沉，形成链环单位,很多链环联结起来，形成孔隙较大的蜂窝状结构

蜂窝结构3.絮状结构：细微粘粒大都呈针状或片状，质量极轻，在水中处于悬浮状态。当悬液介质发生变化时，土粒表面的弱结合水厚度减薄，粘粒互相接近，凝聚成絮状物下沉，形成孔隙较大的絮状结构絮状结构第22页，课件共61页，创作于2023年2月二、土的构造土的构造是指土中的物质成分和颗粒大小等都相近的各部分土层之间的相互关系的特征。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1.层理构造：土粒在沉积过程中,由于不同阶段沉积的物质成分、颗粒大小或颜色不同,而沿竖向呈现出成层特征2.裂隙构造：土体被许多不连续的小裂隙所分割,在裂隙中常充填有各种盐类的沉淀物第23页，课件共61页，创作于2023年2月温故知新1、根据地质成因不同土的类型有哪些？

2、土中颗粒矿物成分有哪些种类？三大类粘土矿物是什么？

原生矿物、次生矿物伊利石、蒙脱石、高岭石第24页，课件共61页，创作于2023年2月2、什么叫粒组？什么是界限粒径？粒组：工程上通常把大小相近、性质相似的土粒合并为组，为粒组。界限粒径：指土在性质上表现出有明显差异的粒径作为划分粒组的界限粒径温故知新第25页，课件共61页，创作于2023年2月温故知新3、什么是颗粒级配？什么是颗粒级配曲线？如何判别土颗粒级配？颗粒级配：指土中各粒组相对含量，用各个粒组占土粒总质量的百分比表示。颗粒级配曲线：指根据土颗粒大小分析结果在半对数坐标系中点绘成一条曲线。级配的判别：级配曲线越平缓，表示颗粒越不均匀，级配越好，强度越大。第26页，课件共61页，创作于2023年2月温故知新4、什么叫不均匀系数？各个字母表示的含义是什么？该系数的实际意义是什么？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＞10的土视为级配良好的土

第27页，课件共61页，创作于2023年2月§2.3土的物理性质指标★一、土的三相图★

二、土的物理性质指标工程中常用重度

表示单位体积土的重力重力加速度，近似取10m/s2

气水土粒msmwmVsVwVVa质量m体积VVv1.试验指标ma（1）土的密度ρ：单位体积土的质量(天然密度)土的重度

：第28页，课件共61页，创作于2023年2月（2）土粒密度ρs：干土粒的质量ms与其体积Vs之比。土粒相对密度ds（土粒比重）：土粒质量与4℃时同体积纯水的质量之比土粒重度

s：第29页，课件共61页，创作于2023年2月气水土粒msmwmVsVwVVa质量m体积V（3）土的含水量ω：土中水的质量与土粒质量之比，以百分数表示土的含水量是标志土含水程度的一个重要物理指标。天然土层含水量变化范围较大，与土的种类、埋藏条件及其所处的自然地理环境等有关。测定方法：通常用烘干法，亦可近似用酒精燃烧法

第30页，课件共61页，创作于2023年2月（1）干密度和重度干密度ρd：单位体积中固体颗粒部分的质量2、换算指标

土的干密度越大，土越密实，强度越高，土稳定性越好。土的干重度

d：气水土粒msmwmVsVwVVa质量m体积V第31页，课件共61页，创作于2023年2月（2）饱和密度和重度2、换算指标

饱和密度ρsat：土体中孔隙完全被水充满时的土的密度

水水土粒msmwmVsVwVVvmamw土的饱和重度

sat：第32页，课件共61页，创作于2023年2月（3）干密度和重度浮密度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msmwmVsVwVVVa质量m体积V2、换算指标

第33页，课件共61页，创作于2023年2月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，浮密度ρ

(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，浮重度

(kN/m3)土的浮重度

sat：对于同一种土：第34页，课件共61页，创作于2023年2月气水土粒msmwmVsVwVVVa质量m体积V（4）孔隙比e：土中孔隙体积与土粒体积之比

（5）孔隙率n：土中孔隙体积与总体积之比，以百分数表示

孔隙率n的数值越大，表明土中孔隙体积越大，即土越疏松第35页，课件共61页，创作于2023年2月气水土粒msmwmVsVwVVVa质量m体积V（6）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%。砂土根据饱和度分为三种状态:

Sr≤50%稍湿；

50％＜Sr≤80%很湿；

Sr＞80%饱和第36页，课件共61页，创作于2023年2月四、物理性质指标间的换算常用的土的物理指标共有九个。已知其中任意三个，通过换算可以求出其余的六个。（一）孔隙比与孔隙率的关系设土体内土粒的体积为1，则e=Vv/Vs可知，孔隙的体积Vv为e，土体的体积V为（1＋e），于是有：

或

三相示意图（a）第37页，课件共61页，创作于2023年2月（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。于是可得：

或第38页，课件共61页，创作于2023年2月（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/Vs，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：

第39页，课件共61页，创作于2023年2月（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/Vs得体积vv=e；由ρs＝ms/Vs得土粒的质量ms=ρs。按w=mw/ms，水的质量mw=wρs，则水的体积vw=mw/ρw=wρs/ρw。于是，Sr定义可得：饱和状态下的孔隙比第40页，课件共61页，创作于2023年2月（五）浮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/Vs

，孔隙的体积Vv为e由ρs＝ms/Vs得土粒的质量ms为ρs。于是可得：

第41页，课件共61页，创作于2023年2月第42页，课件共61页，创作于2023年2月习题练习1、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

、饱和度Sr

第43页，课件共61页，创作于2023年2月【解答】第44页，课件共61页，创作于2023年2月一、粘性土的界限含水量同一种粘性土随其含水量的不同，分别处于流动状态、可塑状态、半固态和固态。0固态可塑状态流动状态ω塑限ωP液限ωL分界含水量：土从一种状态变到另一种状态的分界点。液塑限采用液塑限联合测定仪进行测定。缩限ωS半固态§2.4土的物理状态指标第45页，课件共61页，创作于2023年2月液塑限联合测定仪下沉深度为17mm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46页，课件共61页，创作于2023年2月测试方法用搓条法测定塑限wp搓条法:即用双手将天然湿度的土样搓成小圆球（球径小于10mm），放在毛玻璃板上再用手掌慢慢搓滚成小土条，用力均匀，搓到土条直径为3mm，出现裂纹，自然断开，这时土条的含水量就是塑限wp值。

搓好的泥条第47页，课件共61页，创作于2023年2月用平衡锥式液限仪测定

其工作过程是：将粘性土调成均匀的浓糊状，装满盛土杯，刮平杯口表面，将76克重圆锥体轻放在试样表面的中心，使其在自重作用下徐徐沉入试样，若圆锥体经5秒钟恰好沉入10mm深度，这时杯内土样的含水量就是液限值。为了避免放锥时的人为晃动影响，可采用电磁放锥的方法。

锥式液限仪第48页，课件共61页，创作于2023年2月1.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(省去%)，即土处在可塑状态的含水量变化范围说明：塑性指数的大小与土中粘粒含量有关。粘粒含量越多,塑性指数就越高

说明：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。根据IL值可以直接判定土的软硬状态

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

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第49页，课件共61页，创作于2023年2月二、砂土的密实度

土的密实度指单位体积土中固体颗粒的含量。根据土颗粒含量的多少，天然状态下的砂、碎石等处于从紧密到松散的不同物理状态。其判别方法如下：1.孔隙比e

孔隙比e可以用来评定砂土的密实度。对于同一种土，当孔隙比小于某一限度时，处于密实状态。孔隙比愈大，土愈松散

2.相对密实度DrminmaxmaxeeeeDr--=砂土在最松散状态时的孔隙比砂土在天然状态下孔隙比砂土在最密实状态时的孔隙比第50页，课件共61页，创作于2023年2月当Dr=0时，e=emax，表示土处于最疏松状态;当Dr=1时，e=emin，表示土体处于最密实状态Dr≤1/3疏松状态1/3＜Dr≤2/3中密状态2/3＜Dr≤1密实状态

天然砂土的密实度，可按原位标准贯入试验的锤击数N63.5进行评定(《岩土工程勘察规范》GB50021-2001)

密实度按N63.5评定碎石土密实度松散稍密中密密实N≤1010＜N≤1515＜N≤30N＞303.按动力触探确定砂土的密实度标准贯入试验(SPT)第51页，课件共61页，创作于2023年2月§2.5土（岩）的工程分类一、分类体系1.建筑工程系统分类体系3.交通系统分类体系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。2.水利系统分类体系第52页，课件共61页，创作于2023年2月第53页，课件共61页，创作于2023年2月第54页，课件共61页，创作于2023年2月第55页，课件共61页，创作于2023年2月粘土细砂粗砂碎石卵石碎石粘土第56页，课件共61页，创作于2023年2月二、《建筑地基基础设计规范》

(GB50007－2002)分类方法作为建筑地基上的土（岩），根据土粒大小、粒组的土粒含量或土的塑性指数把地基土（岩）分为岩石、碎石土、砂土、粉土和粘性土五大类1.岩石的分类

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≤52.碎石土的分类

粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50%的土称为碎石土第57页，课件共61页，创作于2023年2月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.