土的物理性质及分类

章土的物理性质及分类概述土的三相比例指标无粘性土的密实度粘性土的物理特征土的渗透性地基土（岩）的分类2021/5/91

一词在不同的学科领域有其不同的涵义。就土木工程领域而言，土是指覆盖在地表的没有胶结和弱胶结的颗粒堆积物。土与岩石的区分仅在于颗粒间胶结的强弱。土2021/5/92地质作用：导致地壳成分变化和构造变化的作用地质作用内力地质作用外力地质作用岩浆活动地壳运动变质作用气温变化、雨雪、山洪、河流、湖泊、海洋、冰川、风、生物等土的生成2021/5/93地质作用2021/5/94矿物与岩石

造岩矿物：

石英方解石正长石斜长石角闪石辉石等2021/5/95硬度等级矿物名称野外简易鉴定方法1滑石用软铅笔划时留下条痕，用指甲容易刻划2石膏用指甲可刻划3方解石用黄钢板刻划可留下条痕，用小刀很容易刻划4萤石小刀可刻划5磷灰石用削铅笔刀刻划时刻留下明显痕迹，能刻划玻璃6正长石小刀可勉强留下看得见的划痕，能刻划玻璃7石英用小刀不能刻划8黄玉能割开玻璃，难于刻划石英9刚玉能刻划石英10金刚石能刻划石英矿物的硬度等级2021/5/96岩石三大类岩石的代表：岩浆岩沉积岩变质岩岩浆岩2021/5/97沉积岩2021/5/98变质岩2021/5/99地质年代的概念

地质年代:是指地壳发展历史与地壳运动、沉积环境及生物演化相应的时代段落。地质年代相对地质年代（太古代、元古代、中生代和新生代）绝对地质年代2021/5/910第四纪沉积物（层）

残积物：是残留在原地未被搬运曲那一部分原岩风化剥蚀后的产物，而另一部分则被风和降水所带走。2021/5/911

坡积物：是雨雪水流的地质作用将高处岩石风化产物缓慢地洗刷剥蚀、顺着斜坡向下逐惭移动、沉积在较平缓的山坡上而形成的沉积物。2021/5/912

冲积物：是河流流水的地质作用将两岸基岩及其上部覆盖的坡积、洪积物质剥蚀后搬运、沉积在河流坡降平缓地带形成的沉积物。平原河谷冲积物山区河谷冲积物2021/5/9132021/5/9142021/5/915土的组成土是由固相，液相，气相组成的三相分散系。

气相——主要是空气，水蒸气，有时还有沼气等。

固相——包括多种矿物成分组成土的骨架，骨架间的空隙为液相和气相填满，这些空隙是相互连通的形成多孔介质。

液相——主要是水(溶解有少量的可溶盐类)。2021/5/916由岩石经物理风化生成的颗粒通常是由一种或几种原生矿物所组成，它的成成分与母岩的相同，常见的有石英，长石和云母。颗粒一般较粗，多呈浑圆形，块状或板状。吸附水的能力弱，性质比较稳，无塑性。由原生矿物经化学风化生成的新矿物，它的成分成分与母岩的完全不同。次矿物主要是粘土矿物，即高岭石，伊利石和蒙脱石。颗粒极细，且多呈片状。性质活泼，有较强的吸附水能力（尤其是由蒙脱石组成的颗粒），具塑性。土是岩石风化的产物。因此土粒的矿物组成将取决于成土母岩的矿物组成及其后的风化作用。成土矿物可分为两大类。原生矿物次生矿物一：土的固相2021/5/917可溶性次生矿物。最常见的有岩盐，钾盐，石膏，方解石，硫酸盐类还对金属和混凝土有一定的腐蚀作用动植物分解后的残骸，分解彻底的称为腐殖质/腐殖质的颗粒极细，粒径小于0.1μm，呈凝胶状，带有电荷，具有极强的吸附性。水溶盐有机质2021/5/918土的颗粒级配土是由大小不同的土粒组成的。土粒的粒径由粗到细逐渐变化时，土的性质相应地发生变化。界限粒径——划分粒组的分界尺寸。土的颗粒级配——土中各粒组的相对百分含量，通常用各粒组占土粒总质量（干土质量）的百分数表示，也称为土的粒度成分。粗粒土指以砾石和砂粒为主的土，又称为无粘性土。细粒土指以粉粒、粘粒和胶粒为主的土，又称为粘性土。2021/5/919土按颗粒级配的分类《岩土工程勘察规范》中的分类法：粒径＞2mm的质量超过50%的称为碎石土粒径＞2mm的质量小于50％而＞0.075mm的质量超过50%的称为砂土粒径＞0.075mm的质量小于50%的定为粉土或粘性土碎石土、砂土和粉土又称为无粘性土2021/5/920粒组统称粒组名称粒径d范围（mm）分析方法主要特征巨粒漂石（块石）粒d>200直接测定透水性很大，压缩性极小，颗粒间无粘结，无毛细性。卵石（碎石）粒60<d≤200粗粒砾粒粗砾20<d≤60筛

分

法透水性大，压缩性小，无粘性，有一定毛细性。细砾2<d≤20砂粒粗砂0.5<d≤2中砂0.25<d≤0.5细砂0.075<d≤0.25细粒粉粒0.005<d≤0.075静水沉降原理透水性小，压缩性中等，毛细上升高度大，微粘性。粘粒d≤0.005透水性极弱，压缩性变化大，具粘性和可塑性。土粒粒组的划分2021/5/921颗粒级配累积曲线——土粒质量累计百分数为10%时，相应的粒径称为有效粒径d10。小于某粒径的土粒质量累计百分数为30%时的粒径用d30表示。当小于某粒径的土粒质量累计百分数为60%时，该粒径称为限定粒径d60。2021/5/922

利用颗粒级配累积曲线可以确定土粒的级配指标，如d60与d10的比值Cu称

不均匀系数:

不均匀系数Cu反映大小不同粒组的分布情况。Cu越大表示土粒大小的分布范围越大，其级配越良好。曲率系数Cc描写累积曲线的分布范围，反映曲线的整体形状。曲率系数Cc:2021/5/923颗粒级配的测定

筛分法（适用于砾石类和砂类土，d>0.075mm）水分法（适用于粉土和粘性土，d<0.075mm）（虹吸比重瓶法、移液管法、比重计法）21.00.50.250.150.075200g10161824223872P%958778665536水分法2021/5/924

曲线平缓，粒径大小相差悬殊，土粒不均匀。对于级配良好的土，土的密实度较好，地基土的强度和稳定性较好，透水性和压缩性较小。级配良好2021/5/925二、土的液相土中水处于不同位置和温度条件下，可具有不同的物理状态—固态，液态、气态。液态水是土中孔隙水的主要存在状态，可分为结合水，毛细水，重力水。

水的类型主要作用力

结合水物理化学力

非结合水毛细水

表面张力重力重力水

重力2021/5/926特点:

1.土颗粒表面带有一定的电荷，由于静电作用力，形成双电层，双电层的厚薄也反映了结合水的厚薄。

2.密度较大，粘滞度高，流动性差，冰点低，比热较大，介电常数较低。这种差异随距离增加而减弱。(一)结合水2021/5/927结合水强结合水:排列致密、定向性强密度>1g/cm3冰点处于零下几十度具有固体的的特性温度高于100°C时可蒸发弱结合水:位于强结合水之外，电场引力作用范围之内外力作用下可以移动不因重力而移动，有粘滞性2021/5/928（二）非结合水

定义:

在双电层影响以外的水为自由液态水，它主要受重力作用的控制，土粒表面吸引力居次要地位，这部分水称为非结合水，它包括毛细水和重力水。(1)毛细水特点:

1.毛细水是受到水与空气交界面处表面张力作用的自由水。

2.毛细水按其与地下水面是否联系可分为毛细悬挂水(与地下水无直接联系)和毛细水上升水与地下水相连两种。2021/5/9293.毛细水是受毛细管作用控制的水，毛管直径愈细上升高度愈高。在常温下毛细上升高度hc与毛管半径r有以下关系：

hc=15/r

当r=0.1μm时，hc=150mm，这与砂土(粒径为0.5~lmm)

中的情况大致相当。粘土的孔隙直径约为0.1μm，按上式计算毛细上升高度将达150m。4.

毛细区域内的水压力与一般静水压力的概念相同，它与水头高度非常hc成正比。负号表示拉力。自由水位以下为压力，自由水位以上，毛细区域内为拉力。颗粒骨架承受水的反作用力，因此自由水位以下。上骨架受浮托力，减小颗粒间的压力。自由水位以上，毛细区域内，颗粒间受压力，毛细压力呈倒三角形分布。弯液面处最大，自由水面处为零。2021/5/930（2）重力水特点:重力水是存在于地下水位以下的适水土层中的地下水。它是在重力或压力差作用下运动的自由水，对土粒有浮力作用。重力水只受重力控制，不受土粒表面吸引力的影响。毛细压力增加了土粒间的联结，所以散粒状的砂土，当含有少量水分时具有假粘聚力，但是当土饱和时，这种联结作用即告消失。因此，由于毛细力而呈现的粘性是暂时性的。2021/5/931（3）固态水特点:

1.水结冰后体积膨胀，同时由于水分迁移和补给，在土层中会形成冰层或透镜体。

2.固态水在土中起着暂时的胶结作用，提高土的力学强度，降低透水性。

3.温度升高后，冰层解冻为液态水，使土的强度急剧降低，压缩性增大，土的性质显著恶化，如处于地下水以上的某些公路路面在开春后的翻浆现象就是一例。2021/5/932（三）土的气相分类:

1.吸附于土颗粒表面的气体

2.溶解于水中的气体

3.四周为颗粒和水所封闭的气体以及自由气体特点:

通常认为自由气体与大气连通，对土的性质无大影响。密闭气体的体积与压力有关，压力增加，则体积缩小，压力减小，则体积胀大。因此，密闭气体的存在增加了土的弹性，同时还可阻塞土中的渗流通道，减小上的渗透性。2021/5/933物理风化仅使岩石产生量的变化岩石物理分化化学分化土化学风化仅使岩石产生质的变化粘土颗粒性质土粒的粒径由粗到细逐渐变化时，土的性质相应地发生变化原生矿物经化学风化生成的新矿物，它的成分成分与母岩的完全不同。颗粒极细，性质活泼，有较强的吸附水能力，具塑性。颗粒通常是由一种或几种原生矿物所组成，它的成分成分与母岩的相同，颗粒一般较粗，吸附水的能力弱，性质比较稳，无塑性。原生矿物次生矿物土粒的大小及其组成2021/5/934土的三相比例指标WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积2021/5/935土粒比重(比重瓶法)：ρs：土粒密度（g/cm3)ρwl：纯水在4摄氏度时的密度2021/5/936土的含水量(烘干法)：土中水的质量与土粒质量之比土的天然密度(环刀法)：土单位体积的质量2021/5/937土的干密度：土单位体积中固体颗粒部分的质量土的饱和密度：土孔隙中充满水时的单位体积质量土的有效密度：地下水位以下，单位土体积中土粒的质量扣除同体积水的质量后，即为单位土体积中土粒的有效质量2021/5/938天然密度干密度饱和密度天然容重干容重浮容重饱和容重各种密度容重之间的大小关系2021/5/939土的孔隙比：土中孔隙体积与土粒体积之比土的孔隙率：土中孔隙所占体积与总体积之比土的饱和度：土中被水充满的孔隙体积与孔隙总体积之比2021/5/9402021/5/941例题1试证明如下各式：（2）（1）（3）（4）证明:(1)(2)(3)(4)2021/5/942例题2试证明：土体处在饱和状态时，含水量与干容重之间存在着如下关系：证明: 因为土处于饱和状态且

2021/5/943例题3一击实试验：击实筒体积1000cm3，测得湿土质量为1.95kg，取一质量为17.48g的湿土，烘干后质量为15.03g，计算含水量和干重度。解：天然重度含水量2021/5/944例题4一体积为50cm3的土样，湿土质量0.09kg，烘干后质量为0.068kg，土粒相对密度，求其孔隙比，若将土样压缩，使其干密度达到1.61t/m3，土样孔隙比将减少多少？解：孔隙比减小值土样的天然密度土样的含水量2021/5/945无粘性土的密实度

定义：指单位体积中固体颗粒的含量。特点：1.土颗粒含量多，土就密实；

2.土颗粒含量少，土就疏松。2021/5/946相对密度：反映无粘性土的密实状态假定第一种砂是理想的均匀圆球，不均匀系数Cu=1.0。这种砂最密实时的排列见图a。这时的孔隙比e=0.35，如果砂粒的比重G=2.65，则最密时的干密度：2021/5/947第二种砂同样是理想的圆球。但其级配中除大的圆球外，还有小的圆球可以充填于孔隙中，即不均匀系数Cu>=1.0,如图b。显然，这种砂最密时的孔隙比e<0.35。就是说这两种砂若都具有同样的孔隙比e=0.35时,对于第一种砂，已处于最密实的状态，而对于第二种砂则不是最密实。密实度判别标准：疏松

中密密实2021/5/948粘性土的物理特征一、粘性土的三种状态1、固态或半固态------土中含水量很低时，水都被颗粒表面的电荷紧紧吸着于颗粒表面，成为强结合水。强结合水的性质接近于固态，土表现为固态或半固态。2、可塑状态--------含水量增加，被吸附在颗粒周围的水膜加厚，土粒周围除强结合水外还有弱结合水，弱结合水不能传递静水压力，不能自由流动，但受力时可以变形，土体受外力作用可以被捏成任意形状而不破裂，外力取消后仍然保持改变后的形状。这种状态称为可塑状态。3、流动状态-------当含水量继续增加，土中除结合水外，已有相当数量的水处于电场引力影响范围以外，成为自内水。这时土粒之间被自由水所隔开，土体不能原受任何剪应力，而呈流动状态。可见，从物理概念分析，土的稠度实际上是反应土中水的形态。2021/5/949土的特征含水量-----土从某种状态进入另外一种状态的分界含水量。液性界限(WL)简称液限-----土从塑性状态转变为液性状态时的含水量。塑性界限(WP)简称塑限------土从半固体状态转变为塑性状态时的含水量。2021/5/950塑性指数：液限和塑限的差值，即土处在可塑状态的含水量变化范围液性指数：粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比2021/5/951液性指数Ip状态坚硬硬塑可塑软塑流塑粘性土（细粒土）的状态分类液性指数反映土的软硬状态2021/5/952

土的灵敏度：原状土的强度与同一土经重塑后的强度之比

土的触变性：粘性土的抗剪强度随时间恢复的胶体化学性质饱和粘性土的灵敏度：2021/5/953土的渗透性

土的渗透性：一般是指水流通过土中孔隙难易程度的性质。层流紊流地下水在土中孔隙或微小裂隙中以不大的速度连续渗透地下水在岩石的裂隙或空洞中流动，速度较大地下水运动的两种形式：2021/5/954达西定律V---水在土中的渗透速度，cm/s,单位时间内流过一单位土截面的水量i---水力梯度，K---土的渗透系数，cm/s2021/5/955用于粘土的达西定律表示曲线b在i轴上的截距2021/5/9562021/5/957地基土（岩）的分类

岩石的工程分类坚硬程度风化程度硬质岩石软质岩石微风化中等风化强风化2021/5/958岩石坚硬程度分类类别强度（MPa）代表性岩石硬质岩石≥30花岗岩、闪长岩、玄武岩、石灰岩、石英砂岩、硅质砾岩、花岗片麻岩、石英岩等软质岩石＜30页岩、粘土岩、绿泥石片岩、云母片岩等2021/5/959岩石风化程度的划分风化程度坚硬程度划分硬质岩石软质岩石风化特征微风化

岩质新鲜,表面有风化迹象，锤击声清脆，并感觉锤有弹跳，裂隙少，岩块大于50cm，用镐很难挖掘，岩芯呈圆柱状。

岩石的结构、构造清楚。岩体层理清晰。裂隙较发育，岩块为20～50cm，裂隙中有风化物质填充。锤击沿片理或页理裂开。用镐较难挖掘。岩芯分裂，但可拼成圆柱状。中等风化

岩石的结构、构造清楚。岩体层理清晰。锤击声脆，微有弹跳感。裂隙较发育，岩块为20～50cm，用镐难挖掘。岩芯分裂，但可拼成圆柱状。

岩石的结构、构造及岩体层理尚能辨认。裂隙很发育，岩块为2～20cm，碎块用手可折断。用镐易挖掘。岩芯破碎，不能拼成圆柱状。强风化

岩石的结构、构造及岩体层理都不甚清晰。矿物成分已显著变化，有次生物矿。锤击为空壳声，碎块用手易折断，裂隙发育，岩块为2～20cm，用镐可以挖掘。岩芯破碎，不能拼成圆柱状。

岩石结构、构造不清楚。岩体层理不清晰。岩质已成疏松的土状，用镐易挖掘，岩芯成碎屑状，可用手摇钻钻进。2021/5/960

碎石类土：粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50％的土。分为漂石或块石、卵石或碎石、圆砾或角砾。碎石类土的划分表1-18土的名称颗粒形状颗粒级配漂石圆形及亚圆形为主粒径大于200mm的颗粒超过