土力学与地基基础(3、土的物理性质)

3、土的物理性质、水理性质和地基土的工程分类《土力学与地基基础》3、土的物理性质、水理性质和

地基土的工程分类3.1土的物理性质3.2土的水理性质3.3地基土的工程分类3.1土的物理性质

土的物理性质受土体中土颗粒的级配性质、密实程度、含水性等影响，直接反映土的松密、软硬等物理状态，也间接反映土的工程性质。

土力学中通过对土的三相比例关系进行分析，研究土的物理性质。以三相（固、液、气）的体积或质量上的相对比值，作为衡量土最基本的物理性质指标，并利用这些指标间接地评定土的工程性质。

本节主要研究土的物理性质指标及其确定方法。3.1.1指标的定义

（1）土的三相关系示意图

图中各符号意义如下：

V－土的体积；

Va－土中气体所占的体积；

Vw－土中水所占的体积；

Vs－土中颗粒所占的体积；

Vv－土中孔隙所占的体积；

m－土的总质量；

mw－土中水的质量；

ms－土中颗粒的质量。

气体的质量相对甚小，可以忽略不计。图3.1土的三相关系示意图（2）三个基本物理指标①土的天然密度ρ

定义：土单位体积的质量称为土的密度(单位为g／cm３或t／m３)，即：

测定方法：采用“环刀法”测定。用一个圆环刀(刀刃向下)放置于削平的原状土样面上，垂直边压边削至土样伸出环刀口为止，削去两端余土，使与环刀口面齐平，称出环刀内土的质量，求得它与环刀容积之比值即为土的密度。天然状态下土的密度变化范围很大，一般为ρ＝1.6～2.2g／cm3。规范中一般使用“重度”，单位kN/m3。（2）三个基本物理指标（续）②土的含水量ω

定义：土中水的质量与土粒质量之比(用百分数表示)称为土的含水量，即：

测定方法：一般采用“烘干法”测定。即将天然土样的质量称出，然后置于电烘箱内，在温度100～105℃烘至恒重，称得干土质量ms，湿土与干土质量之差即为土中水的质量mw，然后按上式求得土的含水量。

含水量是反映土湿度的一个重要指标。它对粘性土、粉土的性质影响较大，对粉砂、细砂等粗粒土稍有影响，而对碎石土等巨粒土没有影响。

（2）三个基本物理指标（续）③土粒相对密度（比重）ds

土的固体颗粒质量与同体积4℃时纯水的质量之比，称为土粒相对密度(又称为比重)，即：式中：ρs－土粒密度(g／cm3)；

ρw1－纯水在4℃时的密度(单位体积的质量)，等于lg／cm3或1t／m3。土粒相对密度可在实验室采用“比重瓶法”测定。土的比重值变化不大，其经验值为：砂土2.65～2.69、粉土2.70～2.71、粉质粘土2.72～2.73、粘土2.74～2.76；有机质土2.4～2.5、泥炭土1.5～1.8。(详见教材表2.5)

（3）反映土单位体积质量(重力)的指标①土的干密度（干重度）ρd

土单位体积中固体颗粒部分的质量，称为土的干密度，用ρd表示：土的干密度一般为1.3～1.8t／m3。工程上常用土的干密度来评价土的密实程度，以控制填土、高等级公路路基和坝基的施工质量。②土的饱和密度（饱和重度）ρsat

土孔隙中充满水时的单位体积质量，称为土的饱和密度（饱和重度）ρsat，即：土的饱和重度一般为18～23kN/m3。（3）反映土单位体积质量(重力)的指标(续)③土的有效密度(或浮密度、浮重度)ρ’在地下水位以下，单位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，称为土的有效密度，即：

土的密度和重力密度（重度）的关系：

土的湿重度γ、干重度γd、饱和重度γsat、有效重度ρ’确定：重度值等于密度值乘以重力加速度g

。各重度指标的单位为kN／m３。在土的应力计算中应用重度指标。（4）反映土孔隙特性、含水程度的指标①土的孔隙比e

土中孔隙体积与土颗粒体积之比称为土的孔隙比e，即：②土的孔隙率n

土中孔隙体积与总体积之比(用百分数表示)称为土的孔隙率n,即:

土的孔隙比和孔隙率都是反映土体密实程度的重要物理性质指标。在一般情况下，e和n愈大，土愈疏松；反之土愈密实。一般来说，e<o.6的土是密实的，土的压缩性小；e>1.0的土是疏松的，压缩性高。淤泥的

e>1.5。（4）反映土孔隙特性、含水程度的指标(续)③土的饱和度Sr

土中水的体积与孔隙体积之比称为土的饱和度，用百分数表示，即：

土的饱和度反映了土中孔隙被水充满的程度。通常可根据饱和度的大小将细砂、粉砂等土划分为稍湿、很湿和饱和三种状态，见下表。

砂土湿度状态划分表湿度稍湿很湿饱和饱和度Sr(%)Sr≤5050＜Sr≤80Sr＞803.1.2指标的换算在推导物理性质指标之间换算关系时，常采用图3.2所示三相草图，即令Ｖs=1，ρw1=ρw

，则Ｖv=e，Ｖ=1+e，再由基本物理指标ρ、w、ds计算得到：

ms=dsρw，

mw=ωds，

m=(1+ω)dsρw。图3.2土的物理性质指标换算三相图土的三相比例指标换算公式

土的三相比例指标换算公式（续）例题：

一块原状土样，经试验测得土的天然密度ρ＝1.67t／m3，含水量ω＝12.9％，土粒相对密度ds=2.67。求孔隙比e、孔隙率n和饱和度Ｓr。

（1）

（2）

（3）3.1.3无粘性土的密实度

密实度：是评价砂、卵石等无粘性土密实程度的状态指标。密实度是影响无粘性土工程性质的主要因素。一般用相对密实度Dr评价砂土的密实度：

根据Dr值可把砂土的密实度状态分为下列三种：

1≥Dr>0.67密实的

0.67≥Dr>0.33中密的

0.33≥Dr>0松散的3.1.3无粘性土的密实度（续）

由于天然状态砂土的孔隙比e值难以测定，我国现行的《建筑地基基础设计规范》(GB500007)推荐采用原位标准贯入试验的锤击数N来评价砂类土的密实度，将砂土分为松散、稍密、中密与密实四种密实度（下表所示）。碎石土的密实度一般依靠野外方法综合确定。

砂土密实度的划分砂土密实度松散稍密中密密实N10≤10＜N≤1515＜N≤30＞30

3.1.4粘性土的物理特性（1）粘性土的界限含水量含水量增加固态半固态塑态液态收缩限塑限液

限WsWpWLVW基本概念稠度：粘性土由于含水量变化而表现出的稀稠程度。界限含水量（阿特堡界限，1911）：相应于从一种稠度状态向另一种稠度状态转变点的含水量。液限：土由可塑状态过渡到流动状态的界限含水量wL。常用落锥法试验确定（图示）。塑限：土由可塑状态过渡到半固体状态的界限含水量wP。常用搓条法试验确定。缩限：土由半固态过渡到固体状态的界限含水量

ws。锥式液限仪光电式联合测定仪锥式液限仪示意图碟式液限仪示意图（2）粘性土的塑性指数和液性指数①塑性指数

影响因素矿物成分粒度成分活动性指数Ip小于0.002mm颗粒含量C②液性指数IL可以用来表示粘性土所处的软硬状态；IL不能反映原状土的结构状态；用IL判断扰动土的软硬状态是合适的。原状土要比扰动土坚硬。

IL0坚硬状态

0<IL0.25硬塑状态

0.25<IL0.75可塑状态

0.75<IL1软塑状态

IL>1流塑状态（3）粘性土的灵敏度和触变性

灵敏度St：用来衡量粘性土结构性对强度的影响的指标。式中：qu、qu’-分别为原状土和重塑土试样的无侧限抗压强度。

触变性：粘性土结构遭到破坏，强度降低，但随时间发展土体强度恢复的胶体化学性质称为土的触变性。也就是说土的结构逐步恢复而导致强度的恢复。1.0<St≤2.0低灵敏2.0<St≤4.０中等灵敏

St>4.0高灵敏3.2土的水理性质

土的水理性质：指土在水作用下表现出的性状特点。粘性土的胀缩性粘性土的崩解性饱和砂粉土的液化性土的冻胀性粘性土的胀缩性粘性土的胀缩性

膨胀性

收缩性

粘性土由于含水量的增加而发生体积增大的性能称膨胀性

由于土中水分蒸发而引起体积减少的性能称收缩性

膨胀性

体膨胀率ep线膨胀率：

膨胀力(kPa)

膨胀含水率:

自由膨胀率:引起土体膨胀的主要原因有：粘粒的水化作用、粘粒表面双电层的形成、扩散层增厚等因素。膨胀大致分两个阶段：第一阶段：干粘粒表面吸附单层水分子；“晶层间膨胀”或“粒间膨胀”第二阶段：由于双电层的形成，使粘粒或晶层进一步推开。“渗透膨胀”收缩性

体缩率

线缩率

收缩系数:作图求解缩限:作图求解线缩率与含水量关系曲线粘性土的收缩性是由于水分蒸发引起的。其收缩过程可分为两个阶段：第一阶段：表示了土体积的缩小与含水率的减小成正比，呈直线关系；土之减小的体积等于水分散失的体积；第二阶段：表示了土体积的缩小与含水率的减少呈曲线关系。土体积的减少量小于失水体积，随着含水率的减少，土体积收缩愈来愈慢。

粘性土的崩解性

定义：粘性土由于浸水而发生崩解散体的特性称崩解性。

粘性土崩解性的三个评价指标：1、崩解时间：一定体积的土样完全崩解所需的时间；2、崩解特征：土样在崩解过程的各种现象，即出现的崩解形式；3、崩解速度：土样在崩解过程中质量的损失与原土样质量之比，和时间的关系。崩解现象的产生是由于土水化，使颗粒间连接减弱及部分胶结物溶解而引起的崩解。是表征土的抗水性的指标。

3.3地基土的工程分类土的工程地质分类特殊土的工程地质特性土的工程地质分类

分类的目的：土的分类体系就是根据土的工程性质差异将土划分成一定的类别，目的在于通过通用的鉴别标准，便于在不同土类间作有价值的比较、评价、积累以及学术与经验的交流。分类原则：①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。②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。土的分类按地质成因分类

按颗粒级配和塑性指数分类

残积、坡积、洪积、冲积、冰积、风积等类型

土按颗粒级配和塑性指数可分为碎石土、砂土、粉土和粘性土。碎石土分类土的名称颗粒形状粒组含量漂石块石圆形及亚圆形为主棱角形为主粒径大于200mm的颗粒超过全质量50%卵石碎石圆砾角砾圆形及亚圆形为主棱角形为主粒径大于20mm的颗粒超过全质量50%圆形及亚圆形为主棱角形为主粒径大于2mm的颗粒超过全质量50%碎石土：粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50%的土。砂土分类砾砂粗砂中砂细砂粉砂粒径大于2mm的颗粒占全质量25--50%粒径大于0.5mm的颗粒超过全质量50%粒径大于0.25mm的颗粒超过全质量50%粒径大于0.075mm的颗粒超过全质量85%粒径大于0.075mm的颗粒超过全质量50%土的名称粒组含量砂土：粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重的50%、粒径大于0.075mm的颗粒超过全重的50%。

粉土分类1.砂质粉土粒径小于0.005mm的颗粒含量不超过全重10%；2.粘质粉土粒径小于0.005mm的颗粒含量超过全重10%。粉土：塑性指数IP≤10且粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重的50%的土。粘性土的分类

根据堆积时代分

根据塑性指数Ip分

按工程特性分

根据有机质含量分类

1）老堆积土：晚更新世及其以前2）一般堆积土：全新世堆积3）新近堆积土：全新世以后粉质粘土：10＜Ip≤17粘土：

Ip＞17湿陷性土、红粘土、软土（包括淤泥和淤泥质土）、多年冻土、膨胀土、盐渍土、混合土、填土、

污染土等。

无机土：Q＜5%有机质土：5%≤Q≤10%泥炭质土：10％＜Q≤60％泥炭：Q＞60％粘性土：塑性指数IP大于10的土。特殊土的工程地质特性

淤泥类土

①高孔隙比、饱水、天然含水量大孔隙比常见值为1.0～2.0；液限一般为40％

～60％，饱和度一般>90％，天然含水量多为50～70％。淤泥类土天然含水量大于液限；②未扰动时，处于软塑状态，一经扰动，结构破坏，处于流动状态；③透水性极弱：一般垂直方向的渗透系数较水平方向小些；④高压缩性：a1~2一般为0.7～1.5MPa－1，且随天然含水率的增大而增大；⑤抗剪强度很低，且与加荷速度和排水固结条件有关；⑥有较显著的触变性和蠕变性；⑦分为：淤泥(e≥1.5)、淤泥质土(1.0≤e＜1.5)。

膨胀土①膨胀土的液限、塑限和塑性指数都较大：液限为40％～68％，塑限为17%～35％，塑性指数为18～33；②膨胀土的饱和度一般较大，常在80％以上，天然含水率较小，一般17％～30％；③膨胀土：土中粘粒成分主要为亲水性矿物，具有显著的吸水膨胀和失水收缩性，其自由膨胀率≥40％的粘性土。划分为膨胀性弱（40-65）、中等（65-90）、强（≥90）三类。特殊土的工程地质特性

特殊土的工程地质特性

红粘土①