土力学与基础工程（第4版）课件：土的物理性质和分类

土的物理性质及分类土土是由固体颗粒、水和空气组成的三相体系三相体系决定了土的物理性质（轻重、疏密、干湿、软硬）土的物理性质又决定了土的力学性质

本章主要介绍土的形成土的三相组成、结构及构造土的物理特性土的工程分类土的压实性§1.1概述

土是风化的产物，是由固体颗粒、水和空气组成的三相体系。在外力作用下，土体并不显示为一般固体的特性，也不表现为一般液体的特性，因此，在研究土的工程性质时，既有别于固体力学，也有别于液体力学。

1.2土的形成

自然界中的土，由于形成条件、搬运方式和沉积环境的不同，其成因类型也不同，常见的成因类型有：（1）残积土（2）坡积土（3）洪积土（4）冲积土（5）湖积土（6）海积土（7）风积土（8）冰积土§

1.3土的三相组成、结构及构造1.3.1土的固体颗粒

土的固体颗粒的大小和形状，矿物成分及其组成情况，是决定土的物理力学性质的重要因素。土的矿物成分原生矿物：岩浆在喷出后，经冷凝过程形成的矿物。

次生矿物：原生矿物经过化学风化后，形成的新的矿物。

SiSiAIA1硅片的结构铝片的结构三种主要粘土矿物：蒙脱石、伊利石、高岭石1.3.1.2土粒的粒度与粒组

自然界中存在的土，都是由大小不同的土粒组成的。将土中各种不同粒径的土粒，按适当的粒径范围，分为若干组。1.3.1.3土的颗粒级配曲线

土中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来表示，称为土的颗粒级配。如何来分析土中的颗粒级配情况，通常用筛分法与水分法两种。级配好坏用不均匀系数表示

如果级配曲线平缓，表示土中各种大小粒径均有，颗粒不均匀，级配良好。如曲线较陡，则表示土粒均匀，级配不好。

一般认为＜5，称为均质土，其级配不好＞10，称为级配良好的土。另外还可以用曲率系数来表示描写的是累积曲线的分布范围反映曲线的整体形状

1.3.2土中水1.3.2.1结合水是被土矿物颗粒表面的分子引力牢固吸附着的一层较薄的水。的阳离子，如土颗粒表面带负电荷极化水分子结合层（1）强结合水直接靠近土粒表面，这种水及其牢固的结合在土粒表面上，其性质接近于固体。粘土只含强结合水时，呈现固体状态。土颗粒吸力达1000个大气压冰点为-78°具有极大的粘滞性具有弹性和抗剪强度没有溶解能力不能传递静水压力

（2）弱结合水

在强结合水外层吸附力稍低的一层结合水。特点：不能传递静水压力，不能自由流动。使粘土具有可塑性，抗剪强度减小，粘性土的一系列物理特性与弱结合水有关。1.3.2.2

自由水

在土粒表面电场影响范围之外，服从重力规律的土孔隙中的水，称为自由水。

（1）重力水在土孔隙中只受重力作用而自由流动，对土粒有浮力，会使土中的应力状态发生变化，使建筑物产生附加沉降。（2）毛细水土孔隙中受到表面张力作用而存在的自由水。毛细水按其与地下水面是否联系分为：毛细悬挂水和毛细上升水其上升高度与土质有关，粘性土可上升5～6m，一般粒径＞2mm的土颗粒无细水现象。

材料的毛细孔壁分子与水分子吸引力大于水分子之间相互作用力。固态水

地面下一定深度的土温，随大气温度而改变。当地层温度降至摄氏零度以下，土体便会因土中水冻结而形成冻土。某些细粘土在冻结时，往往发生体积膨胀，即所谓冻胀现象。冻胀的原因有二：（1）由于土中水变成冰时，体积增大（约为水体积的9%）；（2）由于冻结过程中水分子转移和重新分布，形成冰夹层使体积增大。由前一原因引起的冻胀大致为土总体积的1%左右，而后一原因引起的冻胀可达土总体积的10%～20%或更大。带结合水的土颗粒冰晶体冰夹层（1）土中含有一定数量的细颗粒，并由它们在土中形成较多的弱结合水；（2）土中原始含水量较高，可以不断的由未冻结区向冻结区传递水分；（3）负温度下降速率不高，否则水分来不及转移，连结合水本身也冻结了。岩石、碎石土、砾砂、中砂、粗砂属于不冻胀土。细砂、粉砂、粘性土是具有冻胀可能的土。

冻胀的基本条件：1.3.3土中气土中的气体存在于未被水占据的土孔隙中。与大气相连的气体对土的力学性质影响不大。在细粘土中存在与大气隔绝的气泡，使土具有弹性，受压时气体体积缩小，卸荷后体积又恢复，不易压缩，只有强夯时才能压缩。(1)单粒结构

粗大土粒在水或空气中下沉而形成的。单粒结构可以是疏松的也可以是紧密的。紧密状单粒结构的土：土粒排列紧密、联结稳定、强度高压缩性小，是良好的天然地基。

1.3.4土的结构和构造

1.3.4.1土的结构

指土中土粒单元的大小、形状、相互排列与联合的综合特征。(a)单粒结构(2)紧密状态(1)疏松状态(b)蜂窝状结构(c)絮状结构

疏松状单粒结构的土：土粒排列疏松，联结不稳定，土粒容易发生相对移动，因此，一般未经处理不宜作为建筑物的地基。

(2)

蜂窝结构

较细的土粒如粉粒（0.075mm～0.005mm）组成的结构形式。

(3)絮状结构

细的土粒如粘粒＜0.005mm集合体组合的结构形状，粘粒能在水中长期悬浮，不因自重而下沉，结构不稳定。

同一土层中的物质成分和颗粒大小都相近的各部分之间的相互关系的特征称为土的构造。土的构造的最主要的特征是成层性，即层理构造另一特征是裂隙性，即裂隙构造1.3.4.2土的构造1.4土的物理特性

上一节介绍了土的组成、土的结构、构造、颗粒级配等基本知识。这一节主要从三相体系的组成情况进行数量上的研究。因为三相体系在体积和重量上的比例关系反映着土的干燥与潮湿、坚硬与软弱、紧密与疏松，这些性能是评价土的工程性质的最基本的性能指标。1.4.1土的三相比例指标二、土的特征指标1、土粒比重（土粒相对密度）土粒质量与同体积4℃时的水的质量之比。

—土粒密度

—纯水在4℃时的密度2、土的含水量土中含水的含量与工程质量之比。

含水量是表示土湿度的一个重要物理指标。

土的含水量一般采用烘干法测定。3、土的密度土单位体积的质量称为土的密度（单位：）土的密度一般用“环刀法”测定,4、土的干密度、饱和密度和有效密度单位土体积固体颗粒的质量为干密度

饱和密度：土孔隙充满水时，单位体积质量

有效密度在地下水位以下，土受到浮力作用后，单位土体积中土颗粒的有效重量，称为有效密度

5、土的孔隙比和孔隙率土的孔隙比是土中孔隙体积与土的颗粒体积之比。

土的孔隙率是土中孔隙体积与土总体积之比，以百分数表示。

6、土的饱和度土中水的体积与孔隙总体积之比。

1.4.2指标换算

上述土的三相比例中，三相比重，含水量和密度三个指标是通过试验测定的。在测定这三个指标后，可导出其余各个指标。

令，并令则，，，

，推导：密度

干密度

由上式

孔隙比

饱和密度

有效密度

孔隙率

饱和度

一、粘性土的界限含水量——塑限和液限粘性土由一种状态转变到另一种状态的分界含水量叫界限含水量。§

1.4.3粘性土的物理特征

粘性土的含水量低时，强度高；含水量高时，强度低，并且随着含水量的变化，粘性土会呈现出不同的物理状态。

所谓可塑状态，就是当粘性土在某含水量范围内，可用外力塑成任何形状而不发生裂纹，并当外力移去后仍然能保持既得的形状，土的这种状态叫可塑状态。

由可塑状态转到流动状态的界限含水量叫液限。土由半固状态转到可塑状态的界限含水量叫塑限，用符号表示。土由半固状态不断蒸发水分，则体积逐渐减小，直到体积不再缩小时土的界限含水量叫缩限，用表示。

二、粘性土的塑性指数和液性指数粘性土的塑性大小，可用土处于塑性状态的含水量范围来衡量。这范围即液限与塑限之差值，称为塑性指数，用表示.—土的塑性指数，一般以百分数的绝对值表示，不带%符号。

的数值，主要与粘性土内含粘粒多少有关，粘粒含量愈多，则其比表面和可能吸附的结合水含量越高，因而也随之增大。而粘粒含量减少时，液限的数值逐渐趋向于塑限，土呈砂性。

是判别土在天然状态时稀稠度的指标，故也称稠度

≤0坚硬

0＜≤0.25硬塑0.25＜≤0.75可塑0.75＜≤1软塑

1＜流塑越大，土质越软，否则相反

上述判别标准没有反映土的结构性影响，是其缺点一般判别原状土偏于保守，重塑土是合适的。三、粘性土的灵敏度和触变形

由地层中取出的土样，如能保持原有的结构含水量不变，则称为“原状土样”。如土样的结构、构造已受到人为的破坏或水分发生变化，则称为“扰动土”或“非原状土”。粘性土的性质与其结构是否被扰动有密切的关系。扰动的土比具有相同密度和含水量的原状土，其力学性质往往变坏。土的性质受结构扰动的影响而改变的特性，称为土的结构性。粘性土是具有结构性的土，而砂子和碎石土一般不具有结构性。粘性土结构性的强弱用灵敏度来表示—原状土的无侧限抗压强度，即单轴抗压强度，—重塑试样的无侧限抗压强度，按灵敏度大小，粘性土可分低灵敏1～2

中灵敏2～4

高灵敏＞4

饱和粘性土的结构受扰动，强度降低，扰动停止后，土强度又随时间而增长，这种特征称为土的触变性。

§

1.4.4

无粘性土的密实度

无粘性土的密实度与工程性质有密切关系，当密实状态时，强度较大，可作为良好的天然地基；当软弱状态时，则是一种软弱地基。无粘性土的密实度与孔隙比有密切的关系。因此可以用孔隙比来表示密实度，它是确定砂土地基承载力的主要根据。土的名称密实中密稍密松散砾砂、粗砂、中砂细砂、粉砂

＜0.60

＜0.700.60≤≤0.750.70≤≤0.850.75＜≤0.850.85＜≤0.95

＞0.85

＞0.95

砂土的密实度密实度

孔隙比评定砂土密实性虽然简单，但没有考虑到颗粒级配的因素，下面介绍用相对密度来表示砂的密实程度。

表示最松散状态的砂

表示最紧密状态的砂1≥＞0.67

密实的0.67≥＞0.33

中密的0.33≥＞0

松散的

相对密度是无粘性粗粒土密实度的指标，对判断地基稳定性和强度，以及抗震稳定性方面具有重要的意义。另外，天然孔隙比虽然是评价无粘性土的一个重要物理指标，但在具体工程中，难于取得原样，因此可以用标准贯入试验或静力触探试验来判别砂土的密实度。例题1—2已知、、把砂放入击实试验容器内（1000），击实后质量1620，松散时为1450，求。解：

首先求击实时最大干密度、松散时最小密度求孔隙比

最松散干燥

该砂土天然状态时的相对密度＞0.33是中密的§

1.5土的工程分类

土的分类方法很多，不同部门根据研究对象的不同采用不同的分类方法。上节仅涉及地基方面的土分为六大类，即岩石、碎石土、砂土、粉土、粘性土和人工填土，但不包括特殊特性的土，如湿陷性黄土、冻土、膨胀土等，将另有各自的地基规范。一、岩石的工程分类二、碎石土