第四章 土的工程性质与分类

1、第四章第四章 土的工程性质与分类土的工程性质与分类 n土土是连续、坚固的岩石在风化作用下形成的大小 悬殊的颗粒，在原地残留或经过不同的搬运方式， 在各种自然环境中形成的堆积物。 n土的物质成分包括作为骨架的固体矿物颗粒、孔 隙中的水及其溶解物质以及气体。 n土是由颗粒（固相）、水溶液（液相）和气体 （气相）所组成的三种体系。 4.1 土的组成与结构、构造 n土粒构成土的骨架主体，也是最稳定、变化最小 的成分。从本质而言，土的工程性质主要取决于 组成土的土粒的大小和矿物类型，即土的粒度成 分和矿物成分。 n各种类型土的划分，首先是根据组成土的土粒成 分，而土的结构特征，也是通过土粒大小、形状、

2、排列方式及相互连结关系反映出来的。 4.1.1 土的粒度成分 n土是由各种大小不同的颗粒组成的。颗粒大小以 直径（单位为mm）计，称为粒径粒径（或粒度）。 n界于一定粒径范围的土粒，称为粒组粒组；而土中不 同粒组颗粒的相对含量，称为土的粒度成分粒度成分（或 称颗粒级配颗粒级配），它以各粒组颗粒的重量占该土颗 粒的总重量的百分数来表示。 粒组名称粒组名称粒径范围粒径范围 （mm） 一般特征一般特征 漂石或块石颗粒 卵石或碎石颗粒 200 200-20 透水性很大；无粘性；无毛细作用 圆砾或角砾颗粒 粗 中 细 20-10 10-5 5-2 透水性大；无粘性；毛细水上升高度不超过 粘径大小 砂粒

3、粗 中 细 极 细 2-0.5 0.5-0.25 0.25-0.1 0.1-0.075 易透水；无粘性，无塑性，干燥时松散；毛 细水上升高度不大（一般小于1m） 粉粒 粗 细 0.075-0.01 0.01-0.005 透水性较弱；湿时稍有粘性（毛细力连结）， 干燥时松散，饱和时易流动；无塑性和遇水 膨胀性；毛细水上升高度大；湿土振动之有 水析现象（液化） 粘粒 200 200-20 透水性很大；无粘性；无毛细作用 圆砾或角砾颗粒 粗 中 细 20-10 10-5 5-2 透水性大；无粘性；毛细水上升高度不超过 粘径大小 砂粒 粗 中 细 极 细 2-0.5 0.5-0.25 0.25-0.1

4、 0.1-0.075 易透水；无粘性，无塑性，干燥时松散；毛 细水上升高度不大（一般小于1m） 粉粒 粗 细 0.075-0.01 0.01-0.005 透水性较弱；湿时稍有粘性（毛细力连结）， 干燥时松散，饱和时易流动；无塑性和遇水 膨胀性；毛细水上升高度大；湿土振动之有 水析现象（液化） 粘粒 0.005 几乎不透水；湿时有粘性、可塑性，遇水膨 胀大，干时收缩显著；毛细水上升高度大， 但速度缓慢。 思考： 土体为何会出现粘性与无粘性？ n影响土体粘性的因素很多，比如土体颗粒大小、 矿物组成、沉积历史等。 n土体的粘性与颗粒大小密切相关； n颗粒愈细小，土粒的比表面能就愈大，与水的作 用愈强

5、烈； n土中的结合水和毛细水对土粒起到了粘结的作用。 无粘性土紧密状态指标 天然孔隙比 n砂土的承载力不论其颗粒组成的粗细，均随着天 然孔隙比的减小而显著地增大。 砂土名称实密中密稍密疏松 砾砂、粗砂、中砂0.85 细砂、粉砂0.95 无粘性土紧密状态指标 相对密度 n然而，由于砂土的密实度还与砂粒的形状、粒径 级配有关（比如，疏松的级配良好的砂土的孔隙 比，有时要比紧密的颗粒均匀的砂土的孔隙比 小），因此仅采用天然孔隙比作为砂土紧密状态 的分类指标缺乏概括性。 max maxmin r ee D ee 紧密状态Dr 密实0.67-1 中密0.33-0.67 稍密0.2-0.33 松散0-0.

6、2 4.2.3 粘性土的物理特征 n粘性土的界限含水量：随着含水量的变化，粘性 土由一种稠度转变为另一种状态，相应于转变点 的含水量称为界限含水量，如缩限、塑限和液限。 0 缩限塑限 液限 含水量 固态半固态可塑固态流动状态 w 液塑限仪 粘性土的塑性指数和液性指数 n塑性指数：液限和塑限的差值，它表示土处在可 塑状态的含水量变化范围，塑性指数愈大，土处 于可塑状态的含水量范围也愈大，可塑性就愈强。 n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，用以表征粘性土所处的软硬状态， 液性指数愈大，土质愈软，反之，土质愈硬。 PLP Iww PP L LPP wwww I wwI 4.2

7、.4 土的力学性质 n土的变形具有明显的非线性特征，但一般的建筑 荷载作用下地基中应力的变化范围不大，因而也 可以将之视为一种线性变形体。 n压缩系数、压缩模量、抗剪强度 土的压缩性 n土的压力作用下体积缩小的特性称为土的压缩性。 在一般压力作用下，土粒和水的压缩与土的总压 缩量之比是很微小的，因此完全可以忽略不计， 而将土的压缩看作为土中孔隙体积的减小。 n室内压缩试验。 固结仪 压缩过程示意图 i p H0 H0/（1+e） 0ev = v iev = v 1v = s1v = s Hi Hi/（1+e） Hi e-p曲线 0100200300400 0.35 0.40 0.45 0.50

8、 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 e p(kPa) B C D 土的压缩系数 n压缩性不同的土，其 曲线的形状是不一样的。 曲线愈陡，说明随着压力的增加，土孔隙比的减 小愈显著，因而土的压缩性愈高。所以，曲线上 任一点的切线斜率 就表示了相应于压力 作 用下的压缩性，故称 为压缩系数。 de a dp ep p a a 土的压缩模量 n土的压缩模量：在完全侧限条件下的竖向附加压 力与相应增量之比值，用 表示： 土的压缩模量是以另一种方式表示土的压缩性指 标，它与压缩系数 成反比，即 越小则土的缩 的压缩性越高。 S E 211 12 1 1 1 S ppep E ee a e

9、 a S E 思考：压缩模量与变形模量 n土的压缩模量Es是土体在侧限条件下的应力与应 变的比值，而土的变形模量E0是土体在无侧限条 件下的应力与应变的比值。两者在理论上是可以 互相换算的。 0s EE 土的种类和状态土的种类和状态土的种类和状态 碎石土0.95-0.83粉质粘土：坚硬0.83粘土：坚硬0.83 砂土0.83-0.74 可塑0.74 可塑0.62 粉土0.74 软塑及流塑0.62 软塑及流塑0.39 土的抗剪强度 n土体在通常应力状态下的破坏，表现为塑性破坏， 或称剪切破坏。即在土的自重或外荷载作用下， 在土体中某一个曲面上产生的剪应力值达到了土 对剪切破坏的极限抗力（土的抗剪

10、强度），于是 土体沿着该曲面发生相对滑移，土体失稳。 n直剪试验。 直剪试样 无粘性土的抗剪强度 ：土的抗剪强度， ：作用于剪切面上的正压应力， ：土的内摩擦角 tan kPa kPa 粘性土的抗剪强度 ：土的抗剪强度， ：作用于剪切面上的正压应力， ：土的内摩擦角 ：土的内聚力（或称为粘聚力）， tanc c kPa kPa kPa 4.3 土的工程分类 n目前国内作为国家标准和应用较广的工程分类主要有建筑地 基基础设计规范和岩土工程勘察规范的分类，其划分原 则与标准如下： 土按堆积年代可划分为老堆积土、一般堆积土和新近堆积土； 土根据地质成因可分为残积土、坡积土、洪积土、冲积土、湖 积土、

11、海积土、冰碛土及冰水沉积土和风积土； 土根据有机质含量可分为无机土、有机质土、泥炭质土和泥炭； 具有一定分布区域或工程意义上具有特殊成分、状态和结构特 征的土称为特殊性土，规范分为湿陷性黄土、红粘土、软土 （包括淤泥和淤泥质土）、混合土、填土、多年冻土、膨胀土、 盐渍土和污染土。 土按颗粒级配和塑性指数分为碎石土、砂土、粉土和粘性土。 4.4 土的成因类型特征（1） n土根据地质成因可分为残积土、坡积土、洪积土、 冲积土、湖积土、海积土、冰碛土及冰水沉积土 和风积土： (1)残积土：岩土石经风化后未被搬运的那一部分原 岩风化剥蚀后的产物，而另一部分则被降水和风 所带走。 (2)坡积土：经雨雪水

12、的细水片流缓慢洗刷、剥蚀， 及土粒在重力作用下顺着山坡逐渐移动形成的堆 积物。 4.4 土的成因类型特征（2） (3)洪积土：由暴雨或大量融雪骤然集聚而成的暂时 性山洪急流带来的碎屑物质在山沟的出口处或山 前倾斜平原堆积形成的堆洪积土体。 (4)冲积土：由河流的流水作用将碎屑物质搬运到河 谷中坡降平缓的地段堆积而成的，它发育于河谷 内及山区外的冲积平原中。 (5)湖泊沉积物、海洋沉积物 (6)冰积土和冰水沉积土：分别由冰川和冰川融化的 冰下水进行搬运堆积而成。 4.4 土的成因类型特征（3） (7)风积土：在干旱的气候条件下，岩石的风化碎屑 物被风吹扬，搬运一段距离后，在有利的条件下 堆积起来

13、的一类土。 4.5 特殊土的主要工程性质 n特殊土，是指具有特殊工程性质的土，本节主要 讨论软土、人工填土、黄土、红粘土和膨胀土的 分布、特征及其工程性质问题。 n由于这些特殊土的特殊工程性质，给工程建设带 来了非常多的困难，如果不采取相应的措施，就 会造成工程事故。 n但是，困难即是机遇。人类居住环境是向着日益 困难的方向发展，因此对岩土工程提出了更高的 要求，也给出了更多的机遇。 4.5.1 软土 n软土泛指淤泥及淤泥质土，是在静水或非常缓慢 的流水环境中沉积，并经生物化学作用形成的饱 和软粘性土。 4.5.1 软土的特性和分类 n软土的特征：富含有机质和粘粒，天然含水量大 于液限（流塑状

14、态），天然孔隙比大于或等于1。 n天然孔隙比大于等于1.5时，称为淤泥；介于1和 1.5之间时，称淤泥质土； n土中有机质含量介于5%和10%之间时，称有机质 土；介于10%和60%之间时，称为泥炭质土；大 于60%时泥炭。 软土的物理力学特性 高含水量和高孔隙性 n天然含水量总是大于液限，一般在50%-70%之间， 山区软土有时高达200%； n天然孔隙比在1-2之间，最大达3-4； n饱和度一般大于95%。 软土的物理力学特性低渗透性 n软土的渗透系数一般在 之间。 n由于该类土渗透系数小、含水量大且呈饱和状态， 这不但延缓其土体的固结过程，而且在加荷初期， 常易出现较高的孔隙水压力，对地

15、基强度有显著 影响。 48 1010/iicm s 软土的物理力学特性高压缩性 n软土属高压缩性土，其压缩系数a0.1-0.2一般为 n该类土在建筑荷载作用下的变形有如下特征： 变形大而不均匀 变形稳定历时长 抗剪强度低 较显著的触变性和蠕变性 1 0.71.5MPa 4.5.2 吹填土 n吹填土是由水力冲填泥砂形成的沉积土，即在整 理和疏浚江河航道时，有计划地用挖泥船，通过 泥浆泵夹大量水分，吹送至江河两岸而形成的一 种填土。 吹填土与软土 n吹填土在工程地质性质上，很接近软土。比如富 含有机质和粘粒，含水量大，孔隙比高，饱和度 高，透水性较弱，强度低，压缩性高等等。 吹填土与软土 n吹填土

16、在工程地质性质上，很接近软土。比如富 含有机质和粘粒，含水量大，孔隙比高，饱和度 高，透水性较弱，强度低，压缩性高等等。 n造成这一现象的原因是，吹填土的来源就是海相 沉积的淤泥和砂土。 吹填土与软土 n吹填土在工程性质上，很接近软土。比如富含有 机质和粘粒，含水量大，孔隙比高，饱和度高， 透水性较弱，强度低，压缩性高等等。 n造成这一现象的原因是，吹填土的来源就是海相 沉积的淤泥和砂土。 n因此，目前国内对吹填土的处理，除了一些吹填 初期的预加固之外，多数将之视为软土进行地基 处理与加固。 软土的力学特征 n高含水量和高孔隙性 n渗透性低 n压缩性高 （a）变形大而不均匀 （b）变形稳定历时

17、长 （c）抗剪强度低 （d）较显著的触变性和蠕变性 在我国大多数古老城市的地表面，普遍覆盖一层人工杂 填土堆积层。这种填土无论其物质组成，分布特征和工程性 质均相当复杂，且具有地区性特点。 人工填土的工程性质与天然沉积土比较起来有很大不同： 1性质很不均匀，分布和厚度变化上缺乏规律性； 2物质成分异常复杂。有天然土颗粒，有砖瓦碎片和石块， 以及人类活动和生产所抛弃的各种垃圾； 3是一种欠压密土，一般具有较高的压缩性，孔隙比很大。 4往往具有浸水湿陷性。 人工填土 根据其成分和成因，将人工填土分为三类： 1、素填土：由碎石、砂土、粘性土等组成的填土。根据 孔隙比指标判定其类型。 2、杂填土：含有

18、建筑垃圾、工业废料、生活垃圾等杂物 的填土。 3、吹填土：由水力吹填泥砂形成的填土。 含大量水，比自然沉积的饱和土强度低，压缩性高， 常呈流塑状态，扰动易发生触变现象。 4.5.3 湿陷性黄土 n黄土是第四纪干旱和半干旱气候条件下形成的一种特殊沉 积物。颗粒组成以粉土粒为主，孔隙比较大，一般在1.0 左右，且具有肉眼可见的大孔隙。 n黄土在天然含水量时一般呈坚硬或硬塑状态，具有较高的 强度和低的或中等偏低的压缩性，但遇水浸湿后，有的即 使在其自重作用下也会发生剧烈而大量的沉陷（称为湿陷 性），强度也随之迅速降低；有些地区的黄土也有例外。 n凡天然黄土在上覆土的自重压力作用下，或在上覆土的自 重

19、压力与附加压力共同作用下，受水浸湿后土的结构迅速 破坏而发生显著附加下沉的，称为湿陷性黄土；否则，称 为非湿陷性黄土。湿陷系数是在规定压力作用下天然土样 单位厚度的湿陷量。（大于等于0.015即为湿陷性黄土） 黄土、夯筑城墙黄土、夯筑城墙 我国湿陷性黄土的固有特征有： 1）黄色、褐黄色、灰黄色； 2）粒度成分以粉土颗粒（0.05 0.01mm）为主，约占60； 3）孔隙比e一般在1.0左右，或更大； 4）含有较多的可溶性盐类：碳酸盐、 硫酸盐、氯化物； 5）具垂直节理； 6）一般具肉眼可见的大孔。 湿陷性黄土的形成原因 n黄土的结构特征及其物质组成是产生湿陷的内在因素，而 水的浸润和压力作用仅

20、是产生湿陷的外部条件。 n黄土的结构是在形成黄土的整个历史过程中造成的，干旱 和半干旱的气候造成了以粗粉粒为主体骨架的多孔隙及大 孔隙结构，可溶盐类逐渐浓缩沉淀而成为胶结物，颗粒间 以分子引力以及结合水和毛细水的连结力相连。当黄土浸 湿时，结合水膜增厚楔入颗粒之间，于是结合水连结消失， 盐类溶于水，骨架强度随着降低，土体在上覆土层的自重 压力或在自重压力与附加压力共同作用下，其结构迅速破 坏，土粒向大孔滑移，粒间孔隙减小，从而导致大量的附 加沉陷。 黄土湿陷起始压力 n湿陷性黄土地基的某一压力下浸水开始出现时， 此压力即为湿陷起始压力。即当黄土地基上的自 重压力和附加压力之和小于湿陷起始压力时

21、，地 基土只产生压缩变形，不会发生湿陷。只有当外 部压力增大到某一界限，足以克服其浸水后的结 构强度后，则发生结构破坏，即发生湿陷。因此 黄土湿陷起始压力实质上是黄土浸水后的剩余结 构强度。 作为湿陷性土的典型代表黄土，在全世界 的分布比较广泛的，据某些学者估计，黄土的覆盖 面积在整个欧洲约占10，亚洲约占30； 我国黄土分布面积达60万平方公里，其中有湿 陷性的约为43万平方公里。 主要分布在黄河中游的甘肃、陕西、晋、宁、 河南、青海等省区。地理位置属于干旱与半干旱气 候地带。其物质主要来源于沙漠与戈壁。 PM2.5,PM10,PM100 湿陷黄土的工程特征： 1）塑性较弱； 2）含水较少；

22、 3）压实程度很差，孔隙较大； 4）抗水性弱，遇水强烈崩解，膨胀量较小，但失水 收缩量较明显； 5）透水性较强； 6）压缩中等，抗剪强度较高。 4.5.4 红粘土 n红粘土是指在亚热带湿热气候条件下，碳酸盐类 岩石及其间夹的其他岩石，经红土化作用形成的 高塑性粘土。其特点是天然含水量和孔隙比很大， 但其强度高、压缩性低以及不具有湿陷性，这主 要在于其生成环境及其相应的组成物质和坚固的 粒间连接特性。 （注：红土化作用，就是指地表岩石经风化作用，逐渐形成红土的过程。只 要风化产物的含铁量较高，能染红土壤就可以形成红土。所以，原则上，构 成地壳的各种岩石，只要经风化后最终含铁量较高，能将土染红，都可以形 成红土。） （一）成因和分布 成因类型：残积、 坡积、和残坡积。 上部为坡积