第1章 土的物理性质和工程分类(我的课件)

第1章土的物理性质(wùlǐxìngzhì)和工程分类1.4土的物理性质三相比例指标的测定(cèdìng)及计算1.1土的生成1.2土的三相组成1.3土的结构、构造1.5无粘性土的特性1.7粘性土水-土系统的工程特性1.8土的工程分类1.6粘性土及粉土的特性共七十四页§1.1土的生成(shēnɡchénɡ)1.1.1岩石风化的产物及成土作用自然界的岩石经历着风化作用，其风化作用包括物理风化、化学风化和生物风化等。岩石风化的产物再经过各种自然力的搬运，在新的环境中沉积或堆积，由于时间(shíjiān)经历短，不具备成岩条件而呈松散的颗粒状态，这时就形成了土。共七十四页§1.1土的生成(shēnɡchénɡ)岩石(yánshí)漫长地质年代、内外力地质作用、沉积、变质风化、剥蚀、搬运、沉积环境土成土作用：形成土的地质作用共七十四页1.1.2陆相沉积(lùxiàngchénjī)1.残积层2.坡积层3.洪积层、泥石流、冰川堆积物4.河流冲积层5.湖积层6.风积层§1.1土的生成(shēnɡchénɡ)共七十四页1.1.3海相沉积1.滨海及泻湖(xièhú)沉积2.浅海沉积3.深海沉积§1.1土的生成(shēnɡchénɡ)共七十四页§1.2土的三相(sānxiānɡ)组成Vs、Vw、Va分别为固体、水、气体部分的体积；Vv=Vw+Va，Vv为土中孔隙(kǒngxì)的体积；V=Vs+Vv，V为土样的总体积；ms、mw、ma分别为固体、水、气体部分的质量，ma可以忽略；m=ms+mw，m为土样的总质量。土颗粒液体气体孔隙土颗粒共七十四页1.2.1土中的固体颗粒

1.粒度、粒径和粒组划分粒度：土颗粒的大小。粒径：土颗粒当量小球体的直径，称为当量粒径。粒组：按粒径大小把粒径相近(xiānɡjìn)、工程性质相近(xiānɡjìn)土颗粒划分为若干组。表1.2.1给出了我国标准《土的工程分类标准》(GB/T50145—2007)中粒组划分方法。§1.2土的三相(sānxiānɡ)组成共七十四页土粒粒组的划分(huàfēn)粒组名称粒组划分粒径（d）范围（mm）主要特性巨粒组漂石（块石）d>200透水性大，无粘性，无毛细水，不易压缩卵石（碎石）200≥d>60粗粒组砾粒粗砾60≥d>20透水性大，无粘性，不能保持水分，毛细水上升高度很小，压缩性很小中砾20≥d>5细砾5≥d>2砂粒粗砂2≥d>0.5易透水，无粘性，毛细水上升高度不大，饱和细砂在振动荷载下会产生液化，一般压缩性较小，随颗粒减小，压缩性增大中砂0.5≥d>0.25细砂0.25≥d>0.075细粒组粉粒0.075≥d>0.005透水性差，湿时有粘性和可塑性，遇水膨胀，失水收缩，性质受含水量的影响较大，毛细水上升高度大粘粒d≤0.005共七十四页共七十四页2.颗粒分析和粒径级配曲线颗粒分析：就是确定颗粒粒组和粒径。根据(gēnjù)工程经验，粒径大于0.1mm（或0.074mm，0.075mm）的颗粒称为粗颗粒，用筛分法进行颗粒分析；粒径小于0.1mm（或0.074mm，0.075mm）的颗粒称为细颗粒，用比重计法（密度计法）或移液管法进行颗粒分析。§1.2土的三相(sānxiānɡ)组成共七十四页筛分(shāifēn)法用一套孔径(kǒngjìng)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.

试验方法筛分法：适用于0.075mm≤d≤60mm比重计法:适用于d＜0.075mm共七十四页共七十四页共七十四页比重计法利用不同(bùtónɡ)大小的土粒在水中的沉降速度不同(bùtónɡ)来确定小于某粒径的土粒含量。共七十四页粒径级配曲线：表达颗粒分析结果的曲线。按小于某粒径的土重占土试样总重的百分数分为：有效粒径d10，连续粒径d30，平均粒径d50，控制(kòngzhì)粒径d60。颗粒级配不均匀系数：表示曲线的斜率Cu=d60/d10曲线的曲率系数：表示曲线的连续性状况

Cc=d302/(d10

d60)§1.2土的三相(sānxiānɡ)组成共七十四页当Cu>5（我国Cu>10），且Cc=1~3：级配良好的土；若不能同时(tóngshí)满足上述两个条件：级配不良的土。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(对数(duìshù)坐标）Cu=166.7Cc=2.96Cu=2.25Cc=0.84Cu=18.0Cc=0.88粒径级配曲线共七十四页曲线(qūxiàn)愈陡，表示粒径大小相差不多，土粒较均匀，级配不良；曲线愈缓，表示粒径大小相差悬殊，土粒不均匀，级配良好。§1.2土的三相(sānxiānɡ)组成共七十四页例1.1土工试验颗粒分析的留筛质量见表，底盘内试样(shìyànɡ)质量20g，试计算试样的不均匀系数和曲率系数。筛孔直径（mm）2.01.00.50.250.075留筛质量（g）5015015010030解：土的总质量(zhìliàng)为50+150+150+100+30+20=500g

粒径<2.0mm1-50/500=0.9=90%

粒径<1.0mm1-(50+150)/500=0.6=60%

粒径<0.5mm1-(50+150+150)/500=0.3=30%

粒径<0.25mm1-(50+150+150+100)/500=0.1=10%

粒径<0.075mm1-(50+150+150+100+30)/500=0.04=4%

所以

共七十四页3.土粒的矿物化学成分原生矿物：岩石风化后化学成分未变化、化学性质(huàxuéxìngzhì)稳定的矿物，如石英等；次生矿物：经反复风化和搬运，化学成分和性质变化形成的新矿物，如粘土矿物等；有机质：生物遗骸及其分解物，形成有机质土、泥炭等；可溶、难溶及不溶盐类，各种化合物及多种微量元素。§1.2土的三相(sānxiānɡ)组成共七十四页

粘土矿物是一种(yīzhǒnɡ)复合的铝-硅盐晶体，颗粒呈片状，是由硅片和铝片构成的晶包所组叠而成，可分成高岭石、伊利石和蒙脱石三种类型。

硅片

铝片SiSi氧离子O2-硅离子Si4+硅-氧四面体硅片的结构硅片简图OH-铝离子Al3+铝-氢氧八面体硅片的结构硅片简图AlAl共七十四页晶层间通过氢键联结，联结力强，晶格不能自由活动，水难以进入(jìnrù)晶格间能组叠很多晶层，多达百个以上，成为一个颗粒。颗粒长宽约0.3-3

，厚约0.03-1

。主要特征：颗粒较粗，不容易吸水膨胀和失水收缩，或者说亲水能力差。SiSiAlAlSiSiAlAlSiSiAlAl高岭石微粒1:1的两层结构高岭石高岭石的结构单元是由一层硅氧晶片与一层铝氢氧晶片交替构成的基本层组，许多这样(zhèyàng)的层组叠加在一起构成矿物颗粒。共七十四页晶层间是O2-对O2-的连结，联结力很弱，水很容易进入(jìnrù)晶层之间。每一颗粒能组叠的晶层数较少。颗粒大小约为0.1-1

，厚约0.001-0.01

。主要特征：颗粒细微，具有显著的吸水膨胀、失水收缩的特性，或者说亲水能力强。蒙脱石蒙脱石的结构单元是由两层硅氧晶片之间夹一层铝氢氧晶片结合(jiéhé)而形成基本层组（也称晶胞）2:1的三层结构SiSiAlAlSiSiSiSiAlAlSiSi数层水分子共七十四页伊利石是云母(yúnmǔ)在碱性介质中风化的产物。与蒙特石相似，由两层硅片夹一层铝片所形成的三层结构，但晶层之间有钾离子连结。主要特征：连结强度弱于高岭石而高于蒙脱石，其特征也介于两者之间。2:1的三层结构SiSiAlAlSiSiSiSiAlAlSiSi钾离子伊利石的结构单元类似于蒙脱石，但Si—O四面体中的4价硅离子可以部分被3价铝离子和铁离子所取代，并在相邻的层组间可能出现(chūxiàn)若干1价钾离子。共七十四页粘土矿物对粘性土的工程影响(yǐngxiǎng)：（1）颗粒极细，比表面积极大：可衡量土粒间连接的牢固程度；（2）吸附能力极强：具有很强的离子吸附及交换作用；（3）粘土矿物颗粒的带电性。§1.2土的三相(sānxiānɡ)组成共七十四页1.2.2土中的水按水和土颗粒的相互关系可分为：矿物结晶水或化学结合水、结合（吸附）水、自由水。矿物结晶水或化学结合水：通常在高温(gāowēn)或长期加热下发生变化，不包括在土的含水量测试和计算中，不影响土的含水量测试和计算。§1.2土的三相(sānxiānɡ)组成共七十四页（1）结合（吸附）水：是靠分子、离子间的作用力及其他微观作用力吸附在土粒表面(biǎomiàn)的水，依距离土颗粒表面的远近距离分为：

强结合水：吸附紧贴在土颗粒表面的水膜固定层，厚度1-5nm；

弱结合水：强结合水膜外圈的水膜扩散层，厚度10-100nm。§1.2土的三相(sānxiānɡ)组成共七十四页共七十四页（2）自由水：指水分子距土颗粒表面的距离超过了固定层（强结合水）和扩散层（弱结合水）之后，不再受土颗粒吸附作用的水。依自由水的存在状态分为：

毛细水：存在于地下水位以上(yǐshàng)土颗粒间孔隙中的水，有溶解作用；

重力水：地下水位以下的液态水，受重力规律支配，有浮力作用。§1.2土的三相(sānxiānɡ)组成共七十四页共七十四页1.2.3土中的气体

它是指土中孔隙除被一定的水占有外，其余为空气或其他气体所填充，分为以下两种：自由气体：与外界大气相通，当土层受荷载(hèzài)作用压缩时，易使之逸出，对土的工程性质影响不大。封闭气泡：粒径较细的土中，与大气隔绝，受荷载作用时，会被压缩或溶解，压缩性增加，透水性减小，使土体不易压实，对土的工程性质有一定影响。§1.2土的三相(sānxiānɡ)组成共七十四页§1.3土的结构(jiégòu)、构造1.3.1土粒结构(jiégòu)

单粒结构较粗颗粒的土，如砾石、砂粒等蜂窝状结构较细颗粒的土，如粉土等絮凝状结构微小的粘粒、胶体颗粒，如粘土等在成土过程中形成的土粒的空间排列及联结形式，与土的颗粒大小、形状、矿物成分和沉积条件有关。共七十四页1.3.2土体构造

土体构造是指土体中各组成部分之间的排列、分布及外貌特征，如土层的层理及裂隙等宏观(hóngguān)特征。土体构造反映了土的成因、土形成时的地质环境、气候特征及土层形成后的演变结果等。土体构造层状构造裂隙状构造分散状构造结核状构造等§1.3土的结构(jiégòu)、构造共七十四页层理(cénɡlǐ)构造共七十四页分散构造裂隙构造共七十四页§1.4土的物理性质三相(sānxiānɡ)比例指标的测定及计算1.4.1

常用(chánɡyònɡ)物理性质指标的定义及应用

1.基本指标（1）土粒相对密度ds：土粒质量与同体积的4℃时纯水的质量之比。

ds=ms/mw=ρs/ρw式中：mw为4ºC时同体积水的质量。实验室测定：相对密度瓶法（比重瓶法）共七十四页赵秀绍赵小平耿大新土粒比重(bǐzhòng)测定常用方法比重瓶法浮称法虹吸筒法用于颗粒(kēlì)更大的颗粒(kēlì)测定用于土颗粒直径小于5mm的比重测定共七十四页赵秀绍赵小平耿大新操作步骤取通过5mm筛的烘干土样约15g（如用50ml的比重瓶，可取干土约12g）用玻璃漏斗(lòudǒu)装入洗净烘干的比重瓶内称瓶与土的质量1取样(qǔyàng)称量共七十四页赵秀绍赵小平耿大新将蒸馏水注入比重瓶内，约至瓶的一半高处，摇动比重瓶，并将比重瓶放在砂浴上煮沸，使土粒分散排气。煮沸时间自悬液沸腾(fèiténg)时算起，砂及砂质粉土不少于30分钟；粘土及粉质粘土应不少于1小时。注意：煮沸时不要使土液从瓶内溢出。2煮沸排气操作步骤共七十四页赵秀绍赵小平耿大新将蒸馏水注入比重瓶内至近满。放入恒湿箱中冷却并使土颗粒(kēlì)沉淀。3注水冷却(lěngquè)

操作步骤共七十四页赵秀绍赵小平耿大新待瓶内悬液温度稳定后及瓶内土悬液澄清时，盖紧瓶塞，使多余的水分从瓶塞的毛细管中溢出，擦干瓶外的水分，称出瓶、水、土总质量。称量(chēnɡliànɡ)后立即测定瓶内水的温度。4注水称量(chēnɡliànɡ)

操作步骤共七十四页赵秀绍赵小平耿大新按下列计算(jìsuàn)土粒的比重：式中：Gs—土粒比重(bǐzhòng)，计算精确至0.001；

ms—干土质量，g；

m1—瓶、水质量，可查瓶、水质量关系曲线（由实验室提供）；

m2—瓶、水、土质量，g；

Gwt—t℃时蒸馏水的比重，准确至0.001，查下表（不同温度时水的比重）。共七十四页§1.4土的物理性质(wùlǐxìngzhì)三相比例指标的测定及计算（2）土的天然(tiānrán)含水量：在天然状态下，土中水的质量与土粒质量之比，以百分数w表示。

w=mw/ms(%)（3）土的天然密度：土样的总质量与其总体积之比。

ρ=m/V(g/cm3)测定方法：环刀法测定方法：烘干法共七十四页土的含水量测定方法：

烘干法。先称出天然(tiānrán)湿土的质量，然后放在烘箱里，在105～110℃下烘干，称干土的质量。

共七十四页土的天然(tiānrán)密度ρ测定方法：环刀法一般(yībān)土的密度为1.6~2.2g/cm3。共七十四页2.换算指标（1）孔隙比：土中孔隙体积(tǐjī)与固体颗粒体积(tǐjī)之比。

e=Vv/Vs（2）孔隙率：土中孔隙体积与总体积之比。

n=Vv/V(%)（3）饱和度：土的孔隙体积中水占有的体积百分数。

Sr=Vw/Vv(%)§1.4土的物理性质(wùlǐxìngzhì)三相比例指标的测定及计算共七十四页（4）干密度、干重度

ρd=ms/V(g/cm3)γd=ρdg(kN/m3)（5）饱和(bǎohé)密度、饱和重度

ρsat=(ms+Vvρw)/V(g/cm3)

γsat=ρsatg(kN/m3)（6）有效密度（浮密度）、有效重度（浮重度）

ρ′=(ms-Vsρw)/V(g/cm3)

γ′=ρ′g(kN/m3)§1.4土的物理性质三相比例(bǐlì)指标的测定及计算共七十四页四种(sìzhǒnɡ)密度之间的比较：讨论：试分析(fēnxī)四种密度之间的大小 关系。§1.4土的物理性质三相比例指标的测定及计算共七十四页假设(jiǎshè)则推导各指标(zhǐbiāo)间的关系于是根据定义式就便可推出各个指标间的换算式。例如§1.4土的物理性质三相比例指标的测定及计算共七十四页在进行(jìnxíng)某地基勘察时，取一原状土样，由试验测得：土的天然密度ρ=1.8g/cm3，土粒相对密度ds=2.70，土的天然含水量w=18.0%，试求其余六个指标。解：例题(lìtí)1共七十四页例题(lìtí)2某原状土样的总体积V=140cm3，湿土质量(zhìliàng)m=258g，干土质量ms=208g，土粒的相对密度ds=2.68，求土样的密度、重度、干密度、干重度、含水量、孔隙比及饱和重度。解：共七十四页

§1.5无粘性(zhānxìnɡ)土的特性1.5.1孔隙比：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。优点：简便缺点(quēdiǎn)：不能全面地考虑土颗粒的级配影响。土的名称分类密实度密实中密稍密松散砾,粗,中砂e<0.60.6≤

e≤0.750.75<e

≤0.85e>0.85细粉砂e<0.70.7≤

e

≤0.850.85≤

e

≤0.95e

≥0.95

无粘性土是指无粘聚力的单粒结构，包括块石、碎石、砾石和砂类土。共七十四页1.5.2

相对密实度e

：土的天然孔隙比；emax

：土的最大孔隙比，以砂土样最疏松状态制备；emin：土的最小孔隙比，以砂土样振捣紧密状态制备；优点：考虑(kǎolǜ)土的粒径级配影响；缺点：试验影响因素较多。密实中密松散

§1.5无粘性(zhānxìnɡ)土的特性共七十四页例

已知某砂土(shātǔ)样在最密实、最松散状态下的孔隙比分别为0.45、0.90，土的天然密度为

，天然含水量为15%，土的相对密实度为2.68，试判断该土的密实度。解：根据题意可知：

，

，根据公式可计算该土样的天然孔隙比，即

根据公式计算该土样的相对密实(mìshi)度，即

因为

，所以该砂土处于松散状态。共七十四页1.5.3依据现场试验结果确定土的密实度标准贯入试验使用63.5±0.5kg重穿心锤，以0.76±0.02m高度自由落下，将一定规格尺寸的标准贯入器，先在孔底预打入土中15cm，不计锤击数，然后测计再打入30cm的锤击数N。适用于粘质土和砂质土。优点：可以排除取原状土样的困难，减少室内试验的影响因素；缺点：中、小型(xiǎoxíng)工程不太经济。砂类土的密实度密实中密稍密松散标贯试验击数NN>3015<N≤3010<N

≤15N

≤10

§1.5无粘性(zhānxìnɡ)土的特性共七十四页1.6.1粘性土粘性的来源（1）原始粘聚力

是指物质分子(fēnzǐ)间及微粒之间的微观力等所构成的分子及微粒之间的凝聚力。（2）固化粘聚力

是指土体内含有的矿物质和化学物质产生的胶结固化作用。

§1.6粘性(zhānxìnɡ)土及粉土的特性共七十四页1.6.2含水状态特征及界限含水量的测定液限wL：当含水量超过某个界限时，土体处于流动状态。塑限wp：对泥团或泥块可以任意(rènyì)改变其形状而体积基本不变，造成能不坍不裂。缩限ws：当含水量小于塑限而大于某个界限时，土体呈半固态、坚硬，含水量低于这个界限时，土体呈固态。wswpwL半固体坚硬,含少量(shǎoliàng)弱结合水可塑态含少量自由水结合水固体含有强结合水流动态含大量自由水缩限塑限液限

§1.6粘性土及粉土的特性共七十四页常用的界限含水量液限wL和塑限wp测定液限

：液限仪：锥式（图a）、碟式（图b、c）塑限

：搓条法液限塑限联合测定仪：

§1.6粘性(zhānxìnɡ)土及粉土的特性共七十四页液限仪

§1.6粘性(zhānxìnɡ)土及粉土的特性共七十四页1、液限ωL锥式液限仪测定法：76g锤经5s恰好沉入土10mm所对应的含水量。2、塑限ωp搓条法：将天然湿度的土体在毛玻璃上搓成直径为3mm土条时，土条恰好产生裂缝(lièfèng)并开始断裂时的含水量。

§1.6粘性(zhānxìnɡ)土及粉土的特性共七十四页为了使测定标准和国际(guójì)靠拢，现采用液塑限联合测定法。

§1.6粘性(zhānxìnɡ)土及粉土的特性共七十四页1.6.3两个重要指标及其工程应用1、塑性(sùxìng)指数

Ip越大土的可塑性范围越大，计算时去掉百分号。对粘性土分类：

粘土(zhāntǔ)粉质粘土

§1.6粘性土及粉土的特性共七十四页2、液性指数

Ip表示粘性土的天然含水量与界限含水量间的相对关系。当IL≤0时,ω≤ωP,土处于坚硬(jiānyìng)状态；当IL＞1时,ω＞ωL,土处于流动状态。

稠度指数

Ic越大，土体越稠、越硬。

§1.6粘性(zhānxìnɡ)土及粉土的特性软硬状态坚硬硬塑可塑软塑流动液性指数IL≤00<

IL≤0.250.25<

IL≤0.750.75<

IL≤1.0IL>1.0粘性土的软硬状态分类共七十四页例题3从某地基取原状土样，测得土的液限wL=47%，塑限wp=18%，天然含水量w=40%，问地基土是什么土，处于(chǔyú)什么状态？解：求塑性指数：求液性指数：Ip>17，该地基土为粘土(zhāntǔ)；查表1.6.1，1.0>IL>0.75，得土处于软塑状态。共七十四页

例4已知某土样的液限为28.5%,塑限为12.8%，土样的天然密度,干密度

，试计算该土样的塑性(sùxìng)指数和液性指数并确定该土样所处的状态。解：根据题意可知

，

，根据公式可计算该土样的塑性指数，即：根据表中的公式，变换后可计算该土样的含水量，即根据公式可计算该土样的液性指数，即：

因为

，查表可知，该土样处于(chǔyú)硬塑状态。共七十四页1.6.4黏性土的活动度、灵敏度及触变性（1）活动度

（2）灵敏度不活动黏土一般黏土活动黏土强活动黏土不灵敏低灵敏中等灵敏灵敏高灵敏流动

§1.6粘性(zhānxìnɡ)土及粉土的特性共七十四页（3）触变性饱和(bǎohé)粘性土的结构受到扰动,导致强度降低,但当扰动停止后,土的强度又随时间而逐渐部分恢复。粘性土的这种抗剪强度随时间恢复的胶体化学性质称为土的触变性。

§1.6粘性(zhānxìnɡ)土及粉土的特性共七十四页1.7.1粘性(zhānxìnɡ)土的夯(压)实性击实试验

以干密度和含水率关系作出击实曲线。击实曲线峰值点对应纵坐标为最大干密度，横坐标为最优含水率(量)

。

§1.7粘性土水-土系统的工程(gōngchéng)特性最大干密度最优含水率共七十四页1.7.2粘性土的收缩、膨胀、崩解收缩：由于含水量的蒸发而引起土体积缩小的现象。土的收缩值和矿物成分有关。膨胀：土体中粘粒、胶粒含量越多，膨胀性越显著。如蒙脱土的晶格构造具有很大的扩张性，水分子能进入晶体内部，土体膨胀性很强。崩解：土在胀缩过程中由于应力不均匀、土粒间距超过引力作用(