1 土的物理性质及工程分类

第1章土的物理性质及工程分类第1章土的物理性质及工程分类

1.1土的生成与特性

1.2土的三相组成

1.3土的物理性质指标

1.4土的物理状态指标

1.5地基土的工程分类

掌握土的概念；掌握土的组成、结构及其工程性质；掌握土的物理性质状态指标及各个指标的定义、物理概念、表达式及相互换算；掌握土的物理状态指标及其工程应用；熟悉土的分类和命名。本章教学要求：1－1土的生成与特性1.1.1土的生成

土是由岩石，经物理化学风化、剥蚀、搬运沉积，形成固体矿物、液体水和气体的一种集合体。1.1.2土的结构和构造

1）、土的结构

定义：土颗粒之间的相互排列和联接形式称为土的结构。（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。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（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。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

絮状结构工程性质：密实单粒结构工程性质最好蜂窝结构与絮状结构如被扰动破坏天然结构，则强度低、压缩性高，不可用作天然地基。2）、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。构造—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称为土的构造。（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）、分散构造

土层中土粒分布均匀，性质相近层理构造：123451、淤泥夹粘土透镜体；2、粘土尖灭层；3、砂土夹粘土层；4、砾石层；5、基岩（3）、结核状构造

在细粒土中混有粗颗粒或各种结核。（4）、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。1.1.3土的工程特性1）压缩性高2）强度低（特指抗剪强度）3）透水性大材料名称钢材C20砼密实砂密实砾石变形模量(MPa)2100002600050～80100～200材料名称饱和细砂较硬粘土卵石变形模量(MPa)8～168～1540～50当应力数值相同时，卵石的压缩性为钢材的数千倍；饱和细砂的压缩性是C20砼的压缩性的数千倍。可见土的压缩性极高1.1.4土的生成与工程特性的关系

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

沉积越长，土的工程性质越好沉积的自然环境1－2土的三相组成土的三相组成：固相(固体颗粒)液相(土中水)气相(土中气体)气相＝0，饱和土；液相＝0，干土；气相≠0，液相≠0湿土。1）、矿物成分

土的固相按物质分为无机矿物颗粒和有机质，构成土的骨架。1.2.1

固体颗粒决定土的工程性质的要成分。矿物原生矿物次生矿物物理风化产生化学风化产生颗粒粗，比表面积小颗粒细，比表面积大与水作用能力弱，工程性质稳定。与水作用能力强，工程性质不稳定。例：漂石、卵石、圆砾等粗大粒组；砂粒等，其矿物成分与母岩相同，属原生矿物构成的土。

粒径d<0.005mm粘粒，其矿物成分主要有粘土矿物，非粘土矿物和有机矿物，它们都是次生矿物。最常见的粘土矿物有：

蒙脱石：2:1型结构单位层，晶胞间由范德华力联接，没有氢键，固单位层间极易被具有氢键的强极化水分子所分开；所以具有很大的吸水膨胀，失水收缩，工程性质差；

伊利石：2:1型；在结构单位层之间有K(钾)离子起联结作用；所以遇水膨胀，失水收缩等不及蒙脱石那样显著；

高岭石：1:1型；层间为氧(O)与氢氧(OH)相联结，键力较强，水分子很难进入，因此遇水膨胀和失水收缩性均很小，工程性质稳定。大多数粘土矿物主要由两个基本单元组成：硅氧四面体铝氢氧八面体硅氧四面体硅氧八面体氧硅氢氧铝硅氧晶片铝氢氧晶片(a)蒙脱石(b)伊利石(c)高岭石nH2Okk蒙脱石2）、土颗粒的大小与形状

土粒的大小称为粒度，大小相近的土粒合并为一组，称为粒组。

国标《土的分类标准》(GBJ145－06)划分粒组如下：土粒粒组划分表粒组统称 粒组名称 粒径d的 一般特征 范围(mm)表2－1巨粒漂石(块石)粒卵石(碎石)粒d>200200>d>60

透水性很大，无粘性，无毛细水粗粒粗砾细砾60

d>2020

d>2

透水性大，无粘性，毛细水上升高度不超过粒径大小砾粒2

d>0.075

易透水，无粘性，遇水不膨胀，干燥时松散；毛细水上升高度不大砂粒粒组统称 粒组名称 粒径d的 一般特征 范围(mm)细粒粉粒粘粒0.075

d>0.0050.005

d

透水性小；湿时稍有粘性，略干缩湿胀；毛细水上升较高，极易冻胀

透水性很小；湿时有粘性、可塑性；干缩湿胀显著；毛细水上升高度大粗粒土－压缩性低、强度高、渗透性大。颗粒棱角分明－表面粗糙、抗剪强度较高。3）、土的粒径级配

土粒的大小及其组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量，占土粒总质量的百分数来表示，称为土的颗粒级配。常用分析方法大于0.075mm

筛分法小于0.075mm 密度计法 (或移液管法)表示方法表格法 (清楚、方便)颗粒级配曲线

(直观)沉降分析法筛分法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比重计法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粒径(mm)小于某粒径土粒重量的百分数(%)大于某粒径的土粒重(%)132级配曲线形状：陡竣、土粒大小均匀、级配差；平缓、土粒大小不均匀、级配好。不均匀系数：曲率系数：(2－1)(2－2)d10、d30、d60小于某粒径的土粒含量为10%、30%和60%时所对应的粒径式中：d60—小于某粒径的土粒重量占土总重60%的粒径，称限定粒径；d10—小于某粒径的土粒重量占土总重10%的粒径，称有效粒径；d30—小于某粒径的土粒重量占土总重30%的粒径。土的粒径级配曲线同时满足cu

≥5cc=1～3级配良好否则。级配不良粒径(mm)小于某粒径土粒重量的百分数(%)大于某粒径的土粒重(%)132曲线1

2

3cu

18.8

10

1.36cc

0.141.251.021.2.2

土中水(液相)土中的水固态自由水气态液态结合水重力水毛细水强结合水弱结合水粘性土的性质1）、结合水

结合水是指受电分子吸引力作用而吸附于土粒表面成薄膜状的水。强结合水弱结合水距离引力强结合水弱结合水自由水(a)(b)2）、自由水土粒电场影响范围以外的水称为自由水。重力水

—受重力作用或压力差作用能自由流动的水。毛细水

—受水与空气界面的表面张力作用而存在于土细孔隙中的自由水。工程问题重力水：流砂现象、浮力作用、防水措施毛细水：防潮、冻胀地下水位毛细管水表面pchc土粒土粒环状弯液面1.2.3

土中的气体(气相)自由气体—与大气连通封闭气体—与大气不连通(封闭)1－3土的物理性质指标土的物理性质指标反映土的工程性质的特征，具有重要的实用价值。1.3.1反映单位体积质量的指标ms—土粒质量；mw—土中水质量；m—土的总质量，m=ms+mwVs—土粒体积；Vw—土中水体积；Va—土中气体体积；Vv—土中孔隙体积，Vv=Vw+VaV—土的总体积，V=Vs+Vv

=Vs+Vw+Va土颗粒水气体孔隙质量体积1)、土的天然密度和土的重度γ

土单位体积的质量称为土的密度

(单位为g/cm3或t/m3)，即：测试方法：

“环刀法”适用于粘性土和粉土“灌水法”适用于卵石、砾石与原状砂γ＝10·2)、土粒比重(土粒相对密度)(Gs)ds

土的固体颗粒质量与同体积的4℃时纯水的质量之比，称为土粒比重

(无量钢)，即：式中

s—土粒密度(g/cm3)；

w1—纯水在4℃时的密度(单位体积的质量)，等于1g/cm3或1t/m3。“比重瓶法”“经验法”取决于土的矿物成分3)、土的含水率w

土中水的质量和土粒质量之比称为含水率w，以百分数计，即：“烘干法”1.3.2反映土的松散程度的指标1)、土的孔隙比e

土的孔隙体积与土的颗粒体积之比称为土的孔隙比e，以小数表示，即：2)、土的孔隙度(率)n

土的孔隙体积与土的总体积之比称为土的孔隙率n，以百分数表示，即：1.3.3反映土的含水特征的指标1)、土的含水率w同前

土中水的质量和土粒质量之比称为含水率w，以百分数计，即：“烘干法”2)、土的饱和度Sr

土中被水充满的孔隙体积与孔隙总体积之比称为饱和度Sr，以百分率计，即：表示水在孔隙中充满的程度。工程应用按饱和度大小常将砂类土划分为如下三种含水状况：Sr<50%稍湿的50%≤Sr≤80%很湿的Sr>80%饱和的1)、土的干密度

d单位土体体积干土中固体颗粒部分的质量称为干密度

d

，即：工程应用：控制填土工程的施工质量1.3.4特殊条件下土的密度测试方法：环刀法放射性同位素法2)、土的饱和密度

sat

土孔隙中充满水时的单位土体体积质量称为土的饱和密度

sat，即：式中

w

为水的密度，可近似取

w=1g/cm3。3)、土的饱和重度、干重度、浮重度4）、

最大干重度和最优含水量(P420)饱和线1.3.5土的物理性质指标的换算

ds

w

en

(w)Sr

(

)

sat

d

基本指标(实验)换算指标气水土粒Gsρw

Vs＝11+e质量m体积V土的三相指标中，土粒比重Gs

，含水量w和密度ρ是通过试验测定的，可以根据三个基本指标换算出其余各指标Vv=ewGsρw

Gs（1＋w）ρw

在推导换算指标时，常采用如图所示的三相草图。即：设Vs=1由指标的定义和图有：推导：气水土粒Gsρw

Vs＝11+e质量m体积VVv=ewGsρw

Gs（1＋w）ρw

1234567例题分析【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Gs为2.66，求该土样的含水量w、密度ρ、重度

、干重度

d

、孔隙比e、饱和度Sr，饱和重度

sat和有效重度

【解答】例：用体积为100cm3的环刀取得原状土样的湿土质量186g，烘干后为150g。实测土粒比重为2.70，试求该土样的含水量、密度、孔隙比、孔隙率、饱和度、干密度、饱和密度以及有效重度。解：土的含水量土的密度土的孔隙比土的孔隙率土的饱和度土的干密度土的饱和密度土的有效密度例2.11－4土的物理状态指标1.4.1无粘性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。无粘性土的密实度与其工程性质有着密切关系无粘性土一般是指砂类土和碎石类土。

孔隙比e可以用来表示砂土的密实度。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。

确定密实度方法

《工业与同用建筑地基基础设计规范》(TJ7)曾使用。无法反映土的粒径级配的因素1)、孔隙比e1/5<Dr1/3 稍松1/3<Dr2/3 中密2/3<Dr1 密实2)、相对密实度Dr砂土在天然状态下孔隙比砂土在最密实状态时的孔隙比砂土在最松散状态时的孔隙比Dr<1/5极松3)、按动力触探确定无粘性土的密实度

天然砂土的密实度，可按原位标准贯入试验的锤击数N进行评定。密实度按N评定砂石密实度松散稍密中密密实N≤1010＜N≤1515＜N≤30N＞30《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)《岩土工程勘察规范》(GB50021-2009

)

标准贯入试验（StandardPenetrationTest）

标准贯入数N

锤重：63.5kg

落距：760mm

打入深度：300mm碎石土密实度野外鉴别《岩土工程勘察规范》GB50021-2009碎石土密实度原位测试天然碎石土的密实度，可按原位重型圆锥动力触探的锤击数N63.5或原位超重型圆锥动力触探的锤击数N120进行评定。密实度按N63.5评定碎石土密实度松散稍密中密密实N63.5≤55＜N63.5≤1010＜N63.5≤20N63.5＞20《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)《岩土工程勘察规范》(GB50021-2009

)《岩土工程勘察规范》GB50021-2009粘性土的稠度与可塑性是土粒与水相互作用后所表现出来的物理性质。1.4.2粘性土的物理状态指标粘性土的稠度和可塑性可否用e、Dr、N（N63.5）来测定其密实度？？粘性土最主要的物理特征是稠度。

粘性土因含水多少而表现出的稀稠软硬程度，称为稠度。

因含水多少而呈现出的不同的物理状态称为粘性土的稠度状态。

粘性土由某一种状态过渡到另一状态的界限含水量称为土的稠度界限。

粘性土在某含水量内，可用外力塑成任何形状而不发生裂纹，当移动外力后仍能保持既得形状，土的这种性能称为可塑性。1)、界限含水量定义：塑限Wp缩限Ws液限WL液性界限，相当于土从塑性状态转变为液性状态时的含水量，简称液限wL塑性界限，相当于土从半固体状态转变为塑性状态时的含水量，简称塑限wp缩限ws，相当于土从固体状态转变为半固态状态时的含水量。粘粒强结合水弱结合水自由水液态可塑态固态或半固态颗粒水VsVs+Va固态wLwPws缩限塑限液限半固态可塑态液态wVO阿太堡界限(Atterberglimit)测定：WLWp锥式液限仪法碟式液限仪法搓条法联合测定仪法土样平衡球底座试杯手柄10mm刻线锥式液限仪法76g圆锥体(含平衡球，锥角30度)，经15s进入土样深度正好为10mm时，含水量为液限硬橡皮底板铜碟刻槽刮刀2mm108mm碟式液限仪法碟子抬高10mm，连续下落25次，合拢长度刚好13mm时，含水量为液限液塑限联合测定仪下沉深度为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。《土工试验方法标准》GB/T501232)、塑性指数IP和液性指数IL：塑性指数IP

IP=wL

wP(去掉百分号)

工程应用－－粘性土分类指标国家标准《岩土工程勘察规范》按塑性指数IP将粘性土分为两类，IP>17为粘土，17≥IP>10为粉质粘土。

说明：塑性指数的大小取决于土颗粒吸附结合水的能力。土中粘粒含量、水中离子价态越低、矿物粘粒含量越多,塑性指数就越高。

反映土的天然含水量与界限含水量之间的关系，工程上用来表示土的稠度状态。wpwwL0

w-wpwL-wp—粘性土确定状态指标液性指数IL(相对稠度)是粘性土的天然含水量和塑限的差值与液限和塑限差值之比。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。当IL≤0时,w≤wP,土处于坚硬状态;当IL＞1时,w＞wL,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粘性土状态表注意：wL与wp用重塑土测定3)、活动度A

塑性指数与土中胶粒（d＜0.002mm）的含量百分数的比值，称为活动度A，即：A<0.75 不活动粘土0.75<A<1.25 正常粘土A>1.25 活动粘土4)、灵敏度St

粘性土的原状土无侧限抗压强度与原土结构完全破坏的重塑土的无侧限抗压强度的比值，称为灵敏度St，即：St>4高灵敏土2<Dr4中灵敏土St2低灵敏土工程应用：保护基槽、利用触变性。1－5地基土(岩)的工程分类分类的意义：分类的标准：《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)分为岩石、碎石土、砂土、粘性土和人工填土。1.5.1岩石按坚固程度分－饱和单轴抗压强度值按风化程度分－未、微、弱、强、全按完整程度分－完整性系数（纵波波速）定义：分类：岩石是颗粒间牢固联结、呈整体或具有节理裂隙的岩体。1.5.2碎石类土

碎石类土是粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50%的土。土的名称颗粒级配及形状碎石土漂石圆形及亚圆形为主粒径大于200mm的颗粒超过总质量的50%块石棱角形为主卵石圆形及亚圆形为主粒径大于20mm的颗粒超过总质量的50%碎石棱角形为主圆砾圆形及亚圆形为主粒径大于2mm的颗粒超过总质量的50%角砾棱角形为主密实碎石土－－优等地基根据密实度分为：中密碎石土－－优良地基稍密碎石土－－良好地基松散碎石土－－不宜直接做地基，经处理后可为良好地基常见碎石土为优良的地基1.5.3砂类土

砂类土是粒径大于2mm的颗粒含量不超过50%，粒径大于0.075mm的颗粒含量超过50%的土。土的名称颗粒级配砂类土砾砂粒径大于2mm的颗粒占总质量的25~50%粗砂粒径大于0.5mm的颗粒超过总质量50%中砂粒径大于0.25mm的颗粒超过总质量50%细砂粒径大于0.075mm的颗粒超过总质量85%粉砂粒径大于0.075mm的颗粒超过总质量50%注：定名时从砾砂开始(由上到下)最先符合者确定。例2.2优良地基工程性质：良好地基良好地基不良地基密实与中密稍密密实饱和松散砾砂粗砂中砂粉砂细砂1.5.4粉土

粉土是粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过50%，塑性指数Ip小于或等于10的土。粉土砂质粉土粒径小于0.005mm的颗粒不超过总质量10%粘质粉土粒径小于0.005mm的颗粒超过总质量10%良好地基工程性质：不良地基密实粉土饱和稍密粉土1.5.5粘性土

粘性土是塑性指数Ip大于10的土。粘性土粉质粘土粒径小于0.005mm的颗粒质量占总质量18-30%粘土粒径小于0.005mm的颗粒质量大于总质量30%粘性土粉质粘土10<Ip

17粘土Ip>17

粘性土按沉积年代老粘性土一般粘性土新近沉积的粘性土优良地基工程性质：软弱地基硬塑状态流塑状态据组成的成因人工填土分为：素填土杂填土冲填土