土的物理性质及其工程分类

1、第1章 土的物理性质及其工程分类1.1 土的三相组成自然界的土是由岩石经风化、搬运、堆积而形成的。因此，母岩成分、风化性质、搬运过程和堆积的环境是影响土的组成的主要因素，而土的组成又是决定地基土工程性质的基础。土是由固体颗粒、水和气体三部分组成的，通常称为土的三相组成，随着三相物质的质量和体积的比例不同，土的性质也就不同。1.1.1土的固相土的固相物质包括无机矿物颗粒和有机质，是构成土的骨架最基本的物质，称为土粒。对土粒应从其矿物成分、颗粒的大小和形状来描述。1. 土的矿物成分土中的矿物成分可以分为原生矿物和次生矿物两大类。原生矿物是指岩浆在冷凝过程中形成的矿物，如石英、长石、云母等。次生矿物

2、是由原生矿物经过风化作用后形成的新矿物，如三氧化二铝、三氧化二铁、次生二氧化硅、粘土矿物以及碳酸盐等。次生矿物按其与水的作用可分为易溶的、难溶的和不溶的，次生矿物的水溶性对土的性质有重要影响。粘土矿物的主要代表性矿物为高岭石、伊利石和蒙脱石，由于其亲水性不同，当其含量不同时土的工程性质就各异。在以物理风化为主的过程中，岩石破碎而并不改变其成分，岩石中的原生矿物得以保存下来；但在化学风化的过程中，有些矿物分解成为次生的粘土矿物。粘土矿物是很细小的扁平颗粒，表面具有极强的和水相互作用的能力。颗粒越细，表面积越大，这种亲水的能力就越强，对土的工程性质的影响也就越大。在风化过程中，在微生物作用下，土中

3、产生复杂的腐殖质，此外还会有动植物残体等有机物，如泥炭等。有机颗粒紧紧地吸附在无机矿物颗粒的表面，形成了颗粒间的连接，但是这种连接的稳定性较差。从外表上看到的土的颜色，在很大程度上反映了土的固相的不同成分和不同含量。红色、黄色和棕色一般表示土中含有较多的三氧化二铁，并说明氧化程度较高。黑色表示土中含有较多的有机质或锰的化合物；灰蓝色和灰绿色的土一般含有亚铁化合物，是在缺氧条件下形成的；白色或灰白色则表示土中有机质较少，主要含石英或含高岭石等粘土矿物。当然，湿度会影响颜色的深浅，一般描述的是土处在潮湿状态的颜色。2. 土的粒度成分天然土是由大小不同的颗粒组成的，土粒的大小称为粒度。土颗粒的大小相

4、差悬殊，大到几十厘米的漂石，小到几微米的胶粒。同时由于土粒的形状往往是不规则的，很难直接测量土粒的大小，只能用间接的方法来定量地描述土粒的大小及各种颗粒的相对含量。常用的方法有两种，对粒径大于0.075mm的土粒常用筛分析的方法，而对小于0.075mm的土粒则用沉降分析的方法。工程上常用不同粒径颗粒的相对含量来描述土的颗粒组成情况，这种指标称为粒度成分。 土的粒组划分天然土的粒径一般是连续变化的，为了描述方便，工程上常把大小相近的土粒合并为组，称为粒组。粒组间的分界线是人为划定的，划分时应使粒组界限与粒组性质的变化相适应，并按一定的比例递减关系划分粒组的界限值。对粒组的划分，各个国家不尽相同，

5、我国现在常用的各粒组名称及其分界粒径尺寸见表1-1。表1-1 粒组划分标准（GB5002194） 粒组名称粒组范围（mm）粒组名称粒组范围（mm）漂石（块石）粒组200砂粒粒组0.0752卵石（碎石）粒组20200粉粒粒组0.0050.075砾石粒组220粘粒粒组0.005 粒度成分及其表示方法土的粒度成分是指土中各种不同粒组的相对含量（以干土质量的百分比表示），它可用以描述土中不同粒径土粒的分布特征。常用的粒度成分的表示方法有表格法、累计曲线法。 表格法：是以列表形式直接表达各粒组的相对含量。它用于粒度成分的分类是十分方便的，例如表1-2给出了3种土样的粒度成分分析结果。表1-2 粒度成分分

6、析结果（%） 粒组（mm）土样A土样B土样C粒组（mm）土样A土样B土样C10525.00.100.0759.04.614.4523.120.00.0750.018.137.6216.012.30.010.0054.211.110.516.48.00.0050.0015.218.00.50.2541.56.20.0011.510.00.250.1026.04.98.0 累计曲线法：是一种图示的方法，通常用半对数纸绘制，横坐标（按对数比例尺）表示某一粒径，纵坐标表示小于某一粒径的土粒的百分含量。表12中的三种土的累计曲线如图11所示。图1-1 土的累计曲线在累计曲线上，可确定两个描述土的级配的指

7、标：不均匀系数 (1-1)曲率系数 (1-2) 式中 、 分别为相当于累计百分含量为10%、30%和60%的粒径； 称为有效粒径； 称为限制粒径。不均匀系数Cu反映大小不同粒组的分布情况，Cu10的土级配良好。但如Cu过大，表示可能缺失中间粒径，属不连续级配，故需同时用曲率系数来评价。曲率系数则是描述累计曲线整体形状的指标。 粒度成分分析方法对于粗粒土可以采用筛分法，而对于细粒土则必须用沉降分析法分析粒度成分。筛分法是用一套不同孔径的标准筛把各种粒组分离出来，这和建筑材料的粒径级配筛分试验是一样的。但很细的粒组却无法用筛分法分离出来，这是因为工艺上无法生产很细的筛布。按我国原有的标准，最小孔径

8、的筛是0.1mm，而新的筛孔标准已改为0.075mm，这相当于美国ASTM标准的200号筛。这是在国际上比较通用的标准，因此我国已经采用了这一标准，按新的标准生产了孔径为0. 075mm的筛子。在采用最小孔径的筛子作筛分试验时应当采用水筛的方法，才能把连结在一起的细颗粒分开。通过0.075mm筛子的土粒用筛分法无法再加以细分，这就需要用沉降分析法。沉降分析法是根据土粒在悬液中沉降的速度与粒径的平方成正比的司笃克斯公式来确定各粒组相对含量的方法。但实际上土粒并不是球形颗粒，因此，用上述公式计算的并不是实际土粒的尺寸，而是与实际土粒有相同沉降速度的理想球体的直径，称为水力直径。用沉降分析法测定土的

9、粒度成分可用两种方法，即比重计法和移液管法。比重计是用来测定液体密度的一种仪器，对于不均匀的液体，从比重计读出的密度只表示浮泡形心处的液体密度。移液管法是用一种特定的装置在一定深度处吸出一定量的悬液，用烘干的方法求出其密度。用上述二种方法都可以求出土粒的粒径和累计百分含量。3. 土粒的形状土粒的形状是多种多样的，卵石接近于圆形而碎石颇多棱角，云母是薄片状而石英砂却是颗粒状的。土粒形状对于土的密实度和土的强度有显著的影响，棱角状的颗粒互相嵌挤咬合形成比较稳定的结构，强度较高；磨圆度好的颗粒之间容易滑动，土体的稳定性比较差。土粒的形状与土的矿物成分有关，也与土的形成条件及地质历史有关。描述土粒的形

10、状一般用肉眼观察鉴别的方法。当然，这些指标也只能用于定性的评价。体积系数 (1-3)式中 土粒体积，mm3； 土粒的最大粒径，mm。愈小，土粒愈接近于圆形。圆球状的 = 1；立方体的= 0.37；棱角状的土粒更小。形状系数 (1-4)式中 、 分别为土粒的最大、中间和最小粒径。1.1.2土的液相土的液相是指存在于孔隙中的水。通常认为水是中性的，在零度时冻结，但实际上土中的水是一种成分非常复杂的电解水溶液，它和亲水性的矿物颗粒表面有着复杂的物理化学作用。按照水与土相互作用程度的强弱，可将土中水分为结合水和自由水两大类。结合水是指处于土颗粒表面水膜中的水，受到表面引力的控制而不服从静水力学规律，其

11、冰点低于零度。结合水又可分为强结合水和弱结合水。强结合水在最靠近土颗粒表面处，水分子和水化离子排列非常紧密，以致其密度大于1，并有过冷现象，即温度降到零度以下不发生冻结的现象。在距土粒表面较远地方的结合水称为弱结合水，由于引力降低,弱结合水的水分子的排列不如强结合水紧密，弱结合水可能从较厚水膜或浓度较低处缓慢地迁移到较薄的水膜或浓度较高处，亦即可从一个土粒迁移到另一个土粒，这种运动与重力无关，这层不能传递静水压力的水定义为弱结合水。自由水包括毛细水和重力水。毛细水不仅受到重力的作用,还受到表面张力的支配，能沿着土的细孔隙从潜水面上升到一定的高度。这种毛细上升对于公路路基的干湿状态及建筑物的防潮

12、有重要影响。重力水在重力或压力差作用下能在土中渗流，对于土颗粒和结构物都有浮力作用，在土力学计算中应当考虑这种渗流及浮力的作用力。1.1.3土的气相土的气相是指充填在土的孔隙中的气体，包括与大气连通的和不连通的。与大气连通的气体对土的工程性质没有多大的影响,它的成分与空气相似，当土受到外力作用时,这种气体很快从孔隙中挤出；但是密闭的气体对土的工程性质有很大的影响，密闭气体的成分可能是空气、水汽或天然气。在压力作用下这种气体可被压缩或溶解于水中,而当压力减小时，气泡会恢复原状或重新游离出来。含气体的土称为非饱和土, 非饱和土的工程性质研究已成为土力学的一个新分支。 1.2 土的三相比例指标土的三

13、相物质在体积和质量上的比例关系为三相比例指标。三相比例指标反映了土的干燥与潮湿、疏松与紧密，是评价土的工程性质的物理性质指标，也是工程地质勘察报告中不可缺少的基本内容。为了推导土的三相比例指标，通常把在土体中实际上是处于分散状态的三相物质理想化地分别集中在一起，构成如图12所示的三相图。在图中，右边注明各相的体积，左边注明各相的质量。土样的体积V为土中空气的体积Va 、水的体积Vw 和土粒的体积Vs之和；土样的质量m为土中空气的质量ma、水的质量mw和土粒的质量ms之和；通常认为空气的质量可以忽略，则土样的质量就仅为水和土粒质量之和。三相比例指标可分为两种，一种是试验指标；另一种是换算指标。

14、图1-2 土的三相组成示意1.2.1试验指标通过试验测定的指标有土的密度、土粒密度和含水量。1、 密度单位体积土的质量称为土的质量密度，简称土的密度。 （g / cm3） (1-5) 土的密度常用环刀法测定，一般土的密度为（1.62.20g / cm3）。单位体积土所受的重力称为土的重力密度，简称土的重度，并以表示： (kN /m3) (1-6)式中： 重力加速度， = 9.810(m / s2)。 2. 土粒相对密度（比重）土粒密度（单位体积土粒的质量）与4 C时水密度之比，称为土粒相对密度或土粒比重。 (1-7)一般土的土粒相对密度值见表1-3。表1-3 土粒相对密度参考值 土的类别砂 土

15、粉 土粉质粘土粘 土土粒比重2.652.692.702.712.722.732.732.743. 土的含水量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。 (1-8)含水量是表示土的湿度的一个指标，常用烘干法测定。1.2.2换算指标除了上述三个试验指标之外，还有七个可以计算求得的指标，称为换算指标。1. 土的干密度单位体积土中土粒的质量称为土的干密度。 ( t /m3) （1-9）土的干密度值一般为1.31.8t/m3。工程上常以土的干密度来评价土的密实程度，并常用这一指标来控制填土的施工质量。2. 土的干重度单位体积中土粒所受的重力称为土的干重度。 （kN / m3） (1-10

16、)3. 土的饱和重度土中孔隙完全被水充满时土的重度称为饱和重度。 （kN / m3） (1-11)4. 土的有效重度地下水位以下的土受到水的浮力作用，扣除水浮力后单位体积土所受到的重力称为土的有效重度。 =（kN / m3） (1-12a)或 (kN / m3) (1-12b)5. 土的孔隙比土中孔隙体积与土粒体积之比称为土的孔隙比。 （1-13）孔隙比是用来评价土的密实程度的一个重要指标。粘性土和粉土的孔隙比变化较大。6. 土的孔隙率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。 （1-14）7. 土的饱和度土中水的体积与孔隙体积之比（用百分数表示）称为土的饱和度。 （1-15）1

17、.2.3三相比例指标的换算土的三相比例指标之间可以互相换算。各指标换算公式列于表1-4中。【例题1-1】某原状土样，试验测得土的天然密度 =1.7t / m3，含水量，土粒比重。试求土的孔隙比、孔隙率和饱和度。【解】 【例题1-2】用环刀切取一土样，测得该土样体积为603，质量为114g。土样烘干后测得其质量为100g。若土粒比重，试求土的密度、含水量和孔隙比。【解】 表1- 4 土的三相比例指标换算公式 指 标常用换算公式指 标常用换算公式土粒比重饱和重度 含水量 干重度 干密度 重 度 有效重度 孔隙比 孔隙率 饱和度 1.3 土 的 结 构土的结构是指土粒（或团粒）的大小、形状、互相排列

18、及联结的特征。土的结构是在成土过成中逐渐形成的，它反映了土的成分、成因和年代对土的工程性质的影响。例如西北黄土的大孔隙结构是在干旱的气候条件下形成的，而西南的红粘土是在湿热的气候条件下形成的。这两种土虽然都具有大孔隙，但成因不同，土粒间的胶结物质不同，工程性质也就截然不同。土的结构对土的工程性质有重要影响，但到目前为止还未能提出满意的定量方法来描述土的结构。土的结构按其颗粒的排列和联结可分为图1-3所示的三种基本类型。1. 单粒结构 单粒结构是碎石土和砂土的结构特征。其特点是土粒间没有联结存在，或连结非常微弱，可以忽略不计。疏松状的单粒结构在荷载作用下，特别在振动荷载作用下会趋向密实，土粒移向

19、更稳定的位置，同时产生较大的变形；密实状态的单粒结构在剪应力作用下会发生剪胀，其特点体积膨胀，密度变松。单粒结构的紧密程度取决于矿物成分、颗粒形状、粒度成分和级配的均匀程度。片状矿物颗粒组成的砂土最为疏松；浑圆的颗粒组成的土比带棱角的容易趋向密实；土粒的级配愈不均匀，结构愈紧密。图1-3 土的结构的基本类型（a）单粒结构；（b）蜂窝结构；（c）絮状结构2. 蜂窝状结构 蜂窝状结构是以粉粒为主的土的结构特征，粒径在0.02mm0.002mm左右的土粒在水中沉积时，基本上是单个颗粒下沉，在下沉过程中碰上已沉积的土粒时，如土粒的引力相对自重而言已经足够地大，则此颗粒就停留在最初的接触位置上不再下沉，

20、形成大孔隙的蜂窝状结构。3. 絮状结构 絮状结构是粘土颗粒特有的结构，悬浮在水中的粘土颗粒当介质发生变化时，土粒互相聚合，以边-边、面-边的接触方式形成絮状物下沉，沉积为大孔隙的絮状结构。土的结构形成以后，当外界条件变化时，土的结构会发生变化。例如，土层在上覆土层作用下压密固结时，结构会趋于更紧密的排列；卸载时土体的膨胀（如钻探取土时土样的膨胀或基坑开挖时基底的隆起）会松动土的结构；当土层失水干缩或介质变化时，盐类结晶胶结能增强土粒的联结；在外力作用下（如施工时对土的扰动或剪应力的长期作用）会弱化土的结构，破坏土粒原来的排列方式和土粒间结构，使絮状结构变为平行的重塑结构，降低土的强度，增大压缩

21、性。因此，在取土试验或施工过程中都必须尽量减少对土的扰动，避免破坏土的原状结构。1.4 粘性土的界限含水量 1.4.1 粘性土的状态与界限含水量含水量很大时土就会成为泥浆，是一种粘滞流动的液体，称为流动状态；含水量逐渐减少时，粘滞流动的特点渐渐消失而显示出塑性。所谓塑性就是指可以塑成任何形状而不发生裂缝，并在外力解除以后能保持已有的形状而不恢复原状的性质。当含水量继续减少时，则发现土的可塑性逐渐消失，从可塑状态变为半固体状态。如果同时测定含水量减少过程中的体积变化，则可发现土的体积随着含水量的减少而减少，但当含水量很小的时候，土的体积却不再随含水量减少而减少了，这种状态称为固体状态。从一种状态

22、变到另一种状态的分界点称为分界含水量，流动状态与可塑状态间的分界含水量称为液限；可塑状态与半固体状态间的分界含水量称为塑限；半固体状态与固体状态的分界含水量称为缩限。塑限是用搓条法测定的。把塑性状态的土在毛玻璃板上用手搓条，在缓慢的、单方向的搓动中土膏内的水分渐渐蒸发，如搓到土条的直径为3mm左右时断裂为若干段，则此时的含水量即为塑限。液限可用两种方法测定。我国采用平衡锥式液限仪测定，平衡锥重为76g，锥角为30。试验时使平衡锥在自重作用下沉入土膏，当达到规定的深度时的含水量即为液限。1.4.2 塑性指数可塑性是粘性土区别于砂土的重要特征。可塑性的大小用土处在塑性状态的含水量变化范围来衡量，从

23、液限到塑限含水量的变化范围愈大，土的可塑性愈好。这个范围称为塑性指数 (1-16)塑性指数习惯上用不带%的数值表示。由于塑性指数在一定程度上综合反映了影响粘性土特征的各种因素，故工程上常按塑性指数对粘性土进行分类。1.4.3 液性指数土的天然含水量是反映土中水量多少的指标，在一定程度上说明了土的软硬与干湿状况。但仅有含水量的绝对数值去不能确切地说明土处在什么状态。因此，提出用液性指数来描述土的状态。液性指数是指粘性土的天然含水量和塑限的差值（除去%）与塑性指数之比，用表示，即 (1-17)根据液性指数，可将粘性土划分为坚硬、硬塑、可塑、软塑及流塑五种状态，其划分标准见表1-5。 表1-5 粘性

24、土状态的划分 状态坚 硬硬 塑可 塑软 塑流 塑液性指数000.250.250.750.751【例题1-3】已知粘性土的液限为41%，塑限为22%，饱和度为0.98，孔隙比为1.55，比重为2.75,试计算塑性指数、液性指数及确定粘性土状态。 【解】 故该粘性土为流塑状态。1.5 砂土的密实度砂土的密实度对其工程性质有重要的影响。当其处于密实状态时，结构较稳定，压缩性较小，强度较大，可作为建筑物的良好地基；而处于疏松状态时，稳定性差，压缩性大，强度偏低，属于软弱土之列。砂土的这些特性是由于它所具有的单粒结构所决定的。在对砂土进行评价时，必须说明它所处的密实程度。1.5.1 相对密实度采用天然孔

25、隙比的大小来判别砂土的密实度，是一种较简捷的方法。但不足之处是它未反映砂土的级配和形状的影响。实践证明，有时较疏松的级配良好的砂土孔隙比，比较密实的颗粒均匀的砂土孔隙比小。此外，现场采取原状不扰动的砂样较困难，尤其是地下水位以下或较深的砂层更是如此。当砂土处于最密实状态时，其孔隙比称为最小孔隙比，可将风干砂样分批装入容器，采用振动或锤击夯实的方法增加砂样的密实度，直至密度不变时确定其最小孔隙比；而砂土处于最疏松状态时的孔隙比称为最大孔隙比，可取风干砂样，通过长颈漏斗轻轻地倒入容器来确定；为砂土的天然孔隙比。然后可按下式计算砂土的密实度： （1-18）从上式可以看出，当砂土的天然孔隙比接近于最小

26、孔隙比时，相对密实度接近于1，表明砂土接近于最密实的状态；而当天然孔隙比接近于最大孔隙比则表明砂土处于最松散的状态，其相对密实度接近于0。根据砂土的相对密实度可以按表1-6将砂土划分为密实、中密、松散三种密实度。 表1-6 砂 土 密 实 度 划 分 标 准 密实度密实中密松散相对密实度10.670.670.330.3301.5.2 标准掼入试验从理论上讲，用相对密实度划分砂土的密实度是比较合理的。但由于测定砂土的最大孔隙比和最小孔隙比试验方法的缺陷，试验结果常有较大的出入；同时也由于很难在地下水位以下的砂层中取得原状砂样，砂土的天然孔隙比很难准确测定，这就使相对密实度的应用受到限制，因此，在

27、工程实践中通常用标准贯入锤击数来划分砂土的密实度。 标准贯入试验是用规定的锤重（63.5kg）和落距（76cm）把标准贯入器（带有刃口的对开管，外径50mm，内径35mm）打入土中，记录贯入一定深度（30cm）所需的锤击数N值的原位测试方法。标准贯入试验的贯入锤击数反映了土层的松密和软硬程度。具体划分标准见表1-7。表1-7 按标准贯入锤击数N值确定砂土密实度 密实度松 散稍 密中 密密 实N值N1010N1515301.6 土的工程分类作为建筑物地基的岩石和土，可分为六类，即岩石、碎石土、砂土、粉土、粘性土和人工填土。1. 岩石岩石应为颗粒间牢固联结，呈整体或具有节理裂隙的岩体。岩石坚固程度

28、应根据岩块的饱和单轴抗压强度分为坚硬岩、较硬岩、较软岩、软岩和极软岩（表1-8）。当缺乏饱和单轴抗压强度资料或不能不进行该项试验时，可在现场通过观察定性划分（表1-9）。岩石的风化程度可分为未风化、微风化、中风化、强风化和全风化。岩石的完整程度划分为完整、较完整、较破碎、破碎和极破碎（表1-10）。当缺乏试验数据时，可按表1-11执行。表1-8 岩石坚硬程度的划分坚硬程度类别坚硬岩较硬岩较软岩软岩极软岩饱和单轴抗压强度标准值（MPa）60603030151555表1-9 岩石坚硬程度的定性划分名 称定性鉴定代表性岩石硬质岩坚硬岩锤击声清脆，有回弹，震手，难击碎；基本无吸水反应未风化微风化的花岗

29、岩、闪长岩、辉绿岩、玄武岩、安山岩、片麻岩、石英岩、硅质砾岩、石英砂岩、硅质石灰岩等较硬岩锤击声较清脆，有轻微回弹，稍震手，较难击碎；有轻微吸水反应 1.微风化的坚硬岩； 2. 未风化微风化的大理岩、板岩、石灰岩、钙质岩等软质岩较软岩锤击声不清脆，无回弹，较易击碎； 指甲可刻出印迹 1.中风化的坚硬岩和较硬岩； 2.未风化微风化的凝灰岩、千枚岩、砂质泥岩、泥灰岩等软 岩锤击声哑，无回弹，有凹痕，易击碎；浸水后，可捏成团 1.强风化的坚硬岩和较硬岩； 2.中风化的较软岩； 3.未风化微风化的泥质岩泥岩等极软岩锤击声哑，无回弹，有较深凹痕，手可捏碎；浸水后，可捏成团 1.风化的软岩； 2.全风化的

30、各种岩； 3.各种半成岩表1-10 岩体完整程度划分完整程度等级完整较完整较破碎破碎极破碎完整性指数0.750.750.550.550.350.350.151.0整状结构较完整230.41.0块状结构较破碎 30.20.4镶嵌状结构破碎317 注：塑性指数由相应于76g圆锥体沉入土样中深度为10mm时测定的液限计算而得。5. 粉土 粉土为介于砂土与粘土之间，指塑性指数小于或等于10、粒径大于0.075mm的颗粒不超过总质量50%的土。粉土含有较多的粒径为0.0750.005mm的粉粒，其工程性质介于粘性土和砂土之间，但又不完全与粘性土或砂土相同。粉土的性质与其粒径级配、包含物、密实度和湿度等有关6.人工填土 人工填土是指人类各种活动而堆填的土。如建筑垃圾、工业残渣废料和生活垃圾等。这种土堆积的年代比较短，成分复杂，工程性质比较差。按其组成物质及成因分为素