土的物理性质与工程分类

1、 土力学 2课程负责人课程负责人: 谢康和谢康和浙江大学岩土工程研究所浙江大学岩土工程研究所2008Warming-up专业词汇专业词汇Void RatioClayCohesionless SoilCohesive Soil Activity Index 活动性指数活动性指数AAtterberg limitsLiquid LimitPlastic LimitShrinkage LimitUnsaturated soil Warming-up稠度稠度consistency不均匀系数不均匀系数coefficient of uniformity, uniformity coefficient触变触变

2、thixotropy单粒结构单粒结构single-grained structure蜂窝结构蜂窝结构honeycomb structure干重度干重度dry unit weight塑性指数塑性指数plasticity index含水量含水量water content, moisture content级配级配gradation, grading 结合水结合水bound water, combined water, held water颗粒级配颗粒级配particle size distribution of soils, mechanical composition of soil粘性土的灵敏

3、度粘性土的灵敏度sensitivity of cohesive soil平均粒径平均粒径mean diameter, average grain diameter曲率系数曲率系数coefficient of curvature第2章 土的物理性质与工程分类l2.1 概述概述l2.2 土的成因与组成土的成因与组成l2.3 土的物理性质指标土的物理性质指标l2.4 无粘性土的物理性质无粘性土的物理性质l2.5 粘性土的物理性质粘性土的物理性质l2.6 土的结构性土的结构性l2.7 土的压实性土的压实性l2.8 土的工程分类土的工程分类2.1 概述土作为建筑物地基的主体土作为建筑物地基的主体, 显然

4、是土力学研究的主要对象。显然是土力学研究的主要对象。 什么是土？什么是土？ 简言之，简言之，土是岩石风化后的产物土是岩石风化后的产物，是岩石经过，是岩石经过外力地质作用外力地质作用而而形成的碎散颗粒的集合体。形成的碎散颗粒的集合体。 土既然是散碎颗粒的集合体，颗粒间必然存在着孔隙，而孔隙土既然是散碎颗粒的集合体，颗粒间必然存在着孔隙，而孔隙中也必然包含着水或空气。因此，土是由土颗粒（固相）、水中也必然包含着水或空气。因此，土是由土颗粒（固相）、水（液相）、和空气（气相）组成的三相体。（液相）、和空气（气相）组成的三相体。 要研究土的性质就必须研究土的生成、组成及物理性质。而要研究土的性质就必须

5、研究土的生成、组成及物理性质。而首先必须从研究土的成因着手。首先必须从研究土的成因着手。 2.2 土的成因与组成2.2.1 2.2.1 形成作用与成因类型（严格地说，土是由地质作用而生成的）形成作用与成因类型（严格地说，土是由地质作用而生成的）地质作用地质作用导致地壳（导致地壳（303080km80km）成分变化和构造变化的作用。是）成分变化和构造变化的作用。是土的生成的根本原因和动力。土的生成的根本原因和动力。地质作用地质作用内力地质作用内力地质作用岩浆活动：岩浆从地球深处喷出地表，冷凝而成岩浆岩岩浆活动：岩浆从地球深处喷出地表，冷凝而成岩浆岩地壳运动地壳运动升降运动：地壳的上拱升降运动：地

6、壳的上拱 或下拗或下拗形成各种类型的形成各种类型的地质构造和地表地质构造和地表的基本形态的基本形态 （生成土和沉积岩）（生成土和沉积岩）水平运动：使岩层产生水平运动：使岩层产生形态各异的褶皱和断裂形态各异的褶皱和断裂外力地质作用：包括气温变化、雨雪、山洪、河流、湖泊、海洋、外力地质作用：包括气温变化、雨雪、山洪、河流、湖泊、海洋、 冰川、风、生物等的作用；可概括为冰川、风、生物等的作用；可概括为风化、剥蚀、风化、剥蚀、 搬运、沉积搬运、沉积等作用等作用 （生成岩浆岩和变质岩）（生成岩浆岩和变质岩）地质作用内力地质作用内力地质作用由地球自转的旋转能和放射性元素的蜕变产生的热由地球自转的旋转能和放

7、射性元素的蜕变产生的热能所引起。能所引起。 外力地质作用外力地质作用由太阳的辐射能和地球的自重能所引起。由太阳的辐射能和地球的自重能所引起。 内力与外力地质作用彼此独立又相互依存，前者对地壳的发展内力与外力地质作用彼此独立又相互依存，前者对地壳的发展占主导地位。占主导地位。 总之，地质作用形成了各种成因的地形，造就了岩浆岩、变质总之，地质作用形成了各种成因的地形，造就了岩浆岩、变质岩、沉积岩，也生成了土。岩、沉积岩，也生成了土。 对土的生成贡献最大的地质作用是风化作用对土的生成贡献最大的地质作用是风化作用。风化作用岩石经风化剥蚀作用而形成的碎散颗粒（土），有的存留在原地，有岩石经风化剥蚀作用而

8、形成的碎散颗粒（土），有的存留在原地，有的则进一步经自然力的搬运而在别处沉积，这就形成了性质千差的则进一步经自然力的搬运而在别处沉积，这就形成了性质千差万别的各种土。万别的各种土。物理风化物理风化：雨雪、冰川、风、热胀冷缩、冻融交替等对岩石的：雨雪、冰川、风、热胀冷缩、冻融交替等对岩石的 剥蚀破坏作用（不改变颗粒矿物成份，只改变其剥蚀破坏作用（不改变颗粒矿物成份，只改变其 大小和形状。量变）大小和形状。量变）化学风化化学风化：水解、离子交换、氧化还原等作用（细化颗粒：水解、离子交换、氧化还原等作用（细化颗粒, 并并 改变其矿物成分。质变）改变其矿物成分。质变）生物风化生物风化：微生物、植被等对

9、岩石的破坏作用等：微生物、植被等对岩石的破坏作用等风化作用风化作用按风化成因与沉积地理历史土的分类l按风化成因按风化成因按沉积地理历史，土可分为：按沉积地理历史，土可分为：残积土残积土：未经自然力（水力、风力等）搬运，留存于原地的散碎体、：未经自然力（水力、风力等）搬运，留存于原地的散碎体、碎屑物。分布于山坡、山顶，近基岩。碎屑物。分布于山坡、山顶，近基岩。沉积土沉积土：因各种自然力的作用和搬运而在他处沉积的土。：因各种自然力的作用和搬运而在他处沉积的土。a. 风成沉积土风成沉积土：由风力形成。：由风力形成。 b. 水成沉积土水成沉积土：由水力形成。：由水力形成。c. 冰川沉积土冰川沉积土：由

10、冰川活动形成。：由冰川活动形成。无粘性土无粘性土：物理风化形成，颗粒较粗、相互无粘性、松散：物理风化形成，颗粒较粗、相互无粘性、松散（碎石、卵石、砂等。）（碎石、卵石、砂等。）粘性土粘性土：物理风化：物理风化+化学风化形成，颗粒极细、相互粘结，湿呈粘性，化学风化形成，颗粒极细、相互粘结，湿呈粘性，干则结硬（粘土、淤泥）干则结硬（粘土、淤泥）土土水成沉积土水成沉积土水成沉积土又分为：又分为：坡积土坡积土：由于雨雪水流的作用在平缓山坡沉积；：由于雨雪水流的作用在平缓山坡沉积； 洪积土洪积土：由山洪的作用而形成；：由山洪的作用而形成； 冲积土冲积土：由于河流的作用搬运沉积而形成，包括平原河谷冲积土和

11、山：由于河流的作用搬运沉积而形成，包括平原河谷冲积土和山区河谷冲积土；区河谷冲积土；湖湖泊沉泊沉积土积土：在湖泊中沉积的土，包括沼泽沉积土；：在湖泊中沉积的土，包括沼泽沉积土；海海相沉相沉积土积土：各种冲积土被水力搬运至海洋而形成的。按海水深度的：各种冲积土被水力搬运至海洋而形成的。按海水深度的不同可分为滨海沉积土、浅海沉积土、陆坡沉积土、深海沉积土不同可分为滨海沉积土、浅海沉积土、陆坡沉积土、深海沉积土（有机软泥）。（有机软泥）。三角洲沉积土三角洲沉积土：由于江河水流的搬运在江河入海口沉积而形成。：由于江河水流的搬运在江河入海口沉积而形成。土的形成年代地球的形成至今大约地球的形成至今大约60

12、亿年。亿年。 相对地质年代相对地质年代根据古生物的演化和岩层形成的顺序，将地根据古生物的演化和岩层形成的顺序，将地壳历史划分成的一些自然时段，共划分为壳历史划分成的一些自然时段，共划分为五大代：太古代、元古五大代：太古代、元古代、古生代、中生代、新生代代、古生代、中生代、新生代。 代又分为纪，纪又分为若干世和期，即代又分为纪，纪又分为若干世和期，即代代纪纪世世期期。 每一地质年代每一地质年代中都划分有相应的中都划分有相应的地层地层，依次为，依次为界界系系统统阶（层）阶（层）。 在新生代中最新近的一个纪段称为在新生代中最新近的一个纪段称为第四纪第四纪，我们现在所见的土，我们现在所见的土就是在这一

13、地质年代生成且尚未胶结成岩的，距今约就是在这一地质年代生成且尚未胶结成岩的，距今约1百万年。百万年。土的成岩作用需要指出：需要指出：岩石经风化而成土，土也可经压实固结、脱水、岩石经风化而成土，土也可经压实固结、脱水、胶结硬化而成为岩石（沉积岩），即胶结硬化而成为岩石（沉积岩），即 当然这需要漫长的年代（以百万年计）。当然这需要漫长的年代（以百万年计）。 土与岩石的相互转化，虽然过程缓慢，但循环往复、土与岩石的相互转化，虽然过程缓慢，但循环往复、永不休止。这就是大自然演化的辩证法。永不休止。这就是大自然演化的辩证法。岩石岩石土。土。风化风化压实固结、胶结硬化压实固结、胶结硬化2.2.2 土的组成

14、1. 土中的固体颗粒土中的固体颗粒 土中的固体颗粒（简称土粒）是土的主要组成部分，是土的土中的固体颗粒（简称土粒）是土的主要组成部分，是土的骨架骨架。 土颗粒的大小、形状、矿物成分及组成情况是决定土的物理力土颗粒的大小、形状、矿物成分及组成情况是决定土的物理力学性质的主要因素。学性质的主要因素。 （1）土的颗粒级配）土的颗粒级配 土是由大小不同的土粒组成的；随着颗粒的变化，土的性质将土是由大小不同的土粒组成的；随着颗粒的变化，土的性质将发生变化；例如：随着粒径的变细，土的性质由无粘性变为粘性。发生变化；例如：随着粒径的变细，土的性质由无粘性变为粘性。 因此需区分土颗粒的大小和特征。为此因此需区

15、分土颗粒的大小和特征。为此, 常将其划分为不同的常将其划分为不同的粒组粒组(表表2-1)。表2-1 土粒粒组的划分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漂石或块石颗粒200透水性大，无粘性，无毛细水透水性大，无粘性，无毛细水卵石或碎石颗粒卵石或碎石颗粒20060圆砾或角砾圆砾或角砾颗粒颗粒粗粗6020透水性大，无粘性，毛细水上升高度不超过透水性大，无粘性，毛细水上升高度不超过粒径大小粒径大小中中205细细52砂粒砂粒粗粗20.5易透水，当混入云母等杂质时透水性减小，易透水，当混入云母等杂质时透水性减小，而压缩性增加，无粘性，遇水不膨胀，干燥而压缩性增加，无粘性，

16、遇水不膨胀，干燥时松散，毛细水上升高度不大，随粒径变小时松散，毛细水上升高度不大，随粒径变小而增大而增大中中0.50.25细细0.250.1极细极细0.10.075粉粒粉粒粗粗0.0750.01透水性小，湿时稍有粘性，遇水膨胀小，干透水性小，湿时稍有粘性，遇水膨胀小，干时稍有收缩，毛细水上升高度较大，极易出时稍有收缩，毛细水上升高度较大，极易出现冻胀现象现冻胀现象细细0.010.005粘粒粘粒200mm）；卵石（或碎石）颗粒；圆砾（或）；卵石（或碎石）颗粒；圆砾（或角砾）颗粒；砂粒；粉粒；粘粒（角砾）颗粒；砂粒；粉粒；粘粒（0.005mm）。）。由单一颗粒组成的土是没有的，故除了要了解土粒的大

17、小或粗细外，由单一颗粒组成的土是没有的，故除了要了解土粒的大小或粗细外，还要了解土中各种颗粒所占的比例，也即了解土的颗粒级配。还要了解土中各种颗粒所占的比例，也即了解土的颗粒级配。颗粒级配颗粒级配土中所含各种粒组的重量所占土粒（干土）总重的百分土中所含各种粒组的重量所占土粒（干土）总重的百分数。它反映了土中各粒组的比例关系。由土的颗粒分析试验确定。数。它反映了土中各粒组的比例关系。由土的颗粒分析试验确定。根据试验结果，可以绘制根据试验结果，可以绘制颗粒级配曲线颗粒级配曲线（图（图2-1）。）。比重计法比重计法：适用于粒径适用于粒径0.1mm：将风干、分散的土通过一套孔径不：将风干、分散的土通过

18、一套孔径不 同同的的标准筛标准筛 (孔径为孔径为0.075、0.1、0.25、20mm), 然后称然后称 出留在各筛子上的土重，然后算出占总重的百分数。出留在各筛子上的土重，然后算出占总重的百分数。颗粒级配曲线颗粒级配曲线颗粒级配曲线以土中所含小于某粒径的土重含量（）为纵坐标，以土粒以土中所含小于某粒径的土重含量（）为纵坐标，以土粒粒径（对数）为横坐标绘制的曲线。粒径（对数）为横坐标绘制的曲线。 该曲线越平缓，表示该土所含土粒粒径相差越悬殊，土粒越不均匀，级该曲线越平缓，表示该土所含土粒粒径相差越悬殊，土粒越不均匀，级配越好。则土的密实度越大，压缩性越小，土越好。配越好。则土的密实度越大，压缩

19、性越小，土越好。 从 该 曲 线 可 得 ： 有 效 粒 径从 该 曲 线 可 得 ： 有 效 粒 径 d1 0； 限 定 粒 径； 限 定 粒 径 d6 0； 不 均 匀 系 数； 不 均 匀 系 数 Cu= d60 / d10 ；曲率系数；曲率系数Cc=d302/（d60 d10） 一般情况：一般情况：Cu 10的土，属级的土，属级配良好。配良好。 对砾类土或砂类土：对砾类土或砂类土： Cu 5且且Cc=13，定名为良好级配砾或良好级配砂。，定名为良好级配砾或良好级配砂。 （2）土粒的矿物成分 矿物矿物地壳中天然生成的自然元素或化合物，也是构成岩石的地壳中天然生成的自然元素或化合物，也是构

20、成岩石的基本元素或化合物。基本元素或化合物。 土的矿物成分土的矿物成分组成土中固体颗粒的矿物类型、结构等。组成土中固体颗粒的矿物类型、结构等。 了解土粒的矿物成分，对认识土性十分重要。了解土粒的矿物成分，对认识土性十分重要。有机质有机质：未分解的动植物残体；半分解的泥碳；全分解的腐殖质：未分解的动植物残体；半分解的泥碳；全分解的腐殖质 矿物质矿物质固体颗粒固体颗粒原生矿物原生矿物：石英、云母、长石等：石英、云母、长石等次生矿物次生矿物：粘土矿物；可溶盐（：粘土矿物；可溶盐（NaClNaCl、CaCOCaCO3 3等）；无等）；无 定形氧化物胶体定形氧化物胶体矿物成分l原生矿物原生矿物（非粘土矿

21、物）：由岩石物理风化而成，与母岩的矿物（非粘土矿物）：由岩石物理风化而成，与母岩的矿物成分相同，如石英、云母、长石等，以石英含量最多（因其不易成分相同，如石英、云母、长石等，以石英含量最多（因其不易化学风化）。残积土、无粘性土一般均由此组成。化学风化）。残积土、无粘性土一般均由此组成。l 次生矿物次生矿物：由原生矿物进一步化学风化而成。如粘土矿物。：由原生矿物进一步化学风化而成。如粘土矿物。 粘土矿物是构成粘土的主要矿物。粘土矿物是构成粘土的主要矿物。l 构成粘土矿物的两种晶片构成粘土矿物的两种晶片：硅氧晶片、铝氢氧晶片（如图：硅氧晶片、铝氢氧晶片（如图2-2）。）。图图2-2 粘土矿物晶片示

22、意图粘土矿物晶片示意图1）常见粘土矿物两种基本晶片的不同组合就构成了不同的粘土矿物，主要有：蒙脱石、两种基本晶片的不同组合就构成了不同的粘土矿物，主要有：蒙脱石、伊利石、高岭石和绿泥石。（图伊利石、高岭石和绿泥石。（图23）l特点：扁平晶体结构（很薄特点：扁平晶体结构（很薄,10-10m）；颗粒表面积大，具有很强）；颗粒表面积大，具有很强的与水相互作用的能力。的与水相互作用的能力。l 亲水性：蒙脱石（亲水性好）亲水性：蒙脱石（亲水性好）伊利石伊利石高岭石（亲水性差）高岭石（亲水性差）图图2-3 粘土矿物构造单位示意图粘土矿物构造单位示意图(a) 蒙脱石蒙脱石 (b) 伊利石伊利石 (c) 高岭

23、石高岭石2）粘土矿物的带电性1809年实验，图年实验，图2-4：l粘土颗粒粘土颗粒(带负电荷带负电荷)在电场作用下向阳极移动（水变混）在电场作用下向阳极移动（水变混）电泳电泳l 水分子在电场作用下向负极移动（水面升高）水分子在电场作用下向负极移动（水面升高）电渗电渗图图2-4 粘土膏的电渗、电泳试验粘土膏的电渗、电泳试验电动现象电动现象电泳：土粒电泳：土粒电渗：水电渗：水3）土的矿物成分与粒度成分的关系各粒组矿物成分取决于矿物的强度于物理各粒组矿物成分取决于矿物的强度于物理化学稳定性。化学稳定性。l强度高，物理化学稳定性差的原生矿物多强度高，物理化学稳定性差的原生矿物多集中于粗粒组集中于粗粒组

24、l强度低，物理化学稳定性高的原生矿物多强度低，物理化学稳定性高的原生矿物多存在于细粒组存在于细粒组l粘粒组几乎全部有此生矿物及有机物组成粘粒组几乎全部有此生矿物及有机物组成2. 土中水 结合水结合水土中水土中水液态水液态水固态水：矿物晶体内的结合水（结晶水），矿物的一部分，呈固态。固态水：矿物晶体内的结合水（结晶水），矿物的一部分，呈固态。自由水自由水强结合水：紧靠土颗粒表面强结合水：紧靠土颗粒表面弱结合水：紧靠强结合水外围弱结合水：紧靠强结合水外围重力水：能形成水压力并能在土中流动的水，位重力水：能形成水压力并能在土中流动的水，位 于地下水位以下于地下水位以下毛细水：受到水与空气交界面处表面

25、张力作用的自毛细水：受到水与空气交界面处表面张力作用的自 由水，存在于地下水位以上的透水层中。由水，存在于地下水位以上的透水层中。气态水：土中气的一部分气态水：土中气的一部分由于电分子引力由于电分子引力作用而紧密吸附作用而紧密吸附于土粒表面的水于土粒表面的水结合水的形成机理土颗粒土颗粒表面：负电荷；表面：负电荷；水分子水分子：极性分子：极性分子H+、OH-; 水溶液中带阳离水溶液中带阳离子子：Na，Ca等。等。 土颗粒表面负电荷围绕土粒形成电场，在电场作用范围内的水土颗粒表面负电荷围绕土粒形成电场，在电场作用范围内的水分子和水溶液中的阳离子吸附于土粒表面（水分子作定向排列于分子和水溶液中的阳离

26、子吸附于土粒表面（水分子作定向排列于土粒周围，阳离子受静电引力（电分子力）作用）。土粒周围，阳离子受静电引力（电分子力）作用）。 离土粒越近，电分子力越大，从而形成紧密吸附于土粒表面的离土粒越近，电分子力越大，从而形成紧密吸附于土粒表面的固定层（强结合水）固定层（强结合水）和在固定层外围的和在固定层外围的扩散层扩散层(弱结合水弱结合水)，如图，如图2-6。双电层双电层固定层和扩散层中所含的阳离子固定层和扩散层中所含的阳离子土粒表面的负电荷土粒表面的负电荷 图2-6 结合水中的水分子定向排列示意图3. 土中气体 土中气占据了土中未被水占领的孔隙。土中气占据了土中未被水占领的孔隙。 自由气体自由气

27、体与大气连通、不影响土质，常存在于与大气连通、不影响土质，常存在于粗粒土中。粗粒土中。 封闭气体封闭气体与大气隔绝，增加土的弹性，减少土与大气隔绝，增加土的弹性，减少土的透水性。的透水性。 可燃气体可燃气体由微生物的分解作用而形成，常存在由微生物的分解作用而形成，常存在于淤泥和泥炭等有机土中。于淤泥和泥炭等有机土中。 2.3 土的物理性质指标三相组成的定性分析，进一步对土的三相组成作定量上的分析，即分三相组成的定性分析，进一步对土的三相组成作定量上的分析，即分析土三相组成部分的质量和体积之间的比例关系。析土三相组成部分的质量和体积之间的比例关系。 土的物理性质指标土的物理性质指标表示土中三相比

28、例关系的一些物理量，表示土中三相比例关系的一些物理量，可分为如下两类：可分为如下两类：为了便于计算，用图为了便于计算，用图2-5所示的土的三相组成示意图来表示各部分之间所示的土的三相组成示意图来表示各部分之间的数量关系。的数量关系。必须通过实验测定的指标必须通过实验测定的指标即：土粒比重（土粒相对密度）、含水量、密度即：土粒比重（土粒相对密度）、含水量、密度可根据已测指标推算的指标可根据已测指标推算的指标如如: :孔隙比、孔隙率、饱和度等孔隙比、孔隙率、饱和度等物理性质指标物理性质指标图2-5 土的三相组成示意图 mw：土中水质量：土中水质量m：土的总质量，：土的总质量， m=ms +mwVw

29、：土中水体积：土中水体积mma=0mwms质量质量体积体积气气水水土粒土粒VaVwVsVvVms：土粒质量：土粒质量ma：土中气质量：土中气质量Vs：土粒体积：土粒体积Va：土中气体积：土中气体积V：土的总体积：土的总体积 V= Vv+ VsVv：土中孔隙体积：土中孔隙体积 Vv= Va+ Vw三相指标1. 土粒比重（土粒相对密度）土粒比重（土粒相对密度）ds 土粒质量与同体积的土粒质量与同体积的4时纯水的质量之比，即：时纯水的质量之比，即： 其中：其中： 土粒密度，土粒密度，g/cm3； 4时纯水的密度，时纯水的密度，1 g/cm3或或1 t/m3； 天然水密度，天然水密度， 1g/cm3。

30、 土粒比重取决于矿物成分。土粒比重取决于矿物成分。 一般土：一般土：2.62.8；有机质土：；有机质土：2.42.5；泥炭土：；泥炭土：1.51.8。参见表。参见表2-2。在实验室内用。在实验室内用“比重瓶比重瓶法法”测定。测定。sssVmwswswsssVmd111ww2. 土的含水量wl土中所含水的质量与土粒质量之比，以百分数计，即：土中所含水的质量与土粒质量之比，以百分数计，即：l一般，土的含水量越大，其强度越低。粗砂的含水量接近于零，淤泥可达一般，土的含水量越大，其强度越低。粗砂的含水量接近于零，淤泥可达60。一般用。一般用“烘干法烘干法”测定。测定。%100swmmw土的名称土的名称

31、砂土砂土粉土粉土粘性土粘性土粘质粉土粘质粉土粘土粘土土粒比重土粒比重2.652.692.702.712.722.732.742.76表表2-2 土粒比重参考值土粒比重参考值3. 土的密度（又称天然密度）l 天然状态下土单位体积的质量，天然状态下土单位体积的质量，g/cm3或或t/m3l 粘性土：粘性土： ；砂土：；砂土： ；腐质土：腐质土： 。l 一般用一般用 “环刀法环刀法” 测定。测定。Vm30 . 26 . 1cmg30 . 28 . 1cmg37 . 15 . 1cmg4. 土的干密度d 、饱和密度 rat、有效密度干密度干密度： ，土单位体积中固体颗粒部分的质量。（工程上，土单位体积

32、中固体颗粒部分的质量。（工程上用作评定土体密实度，控制填土工程的施工质量）用作评定土体密实度，控制填土工程的施工质量）饱和密度饱和密度： ，土孔隙中充满水时土体的单位体积，土孔隙中充满水时土体的单位体积质量。质量。 有效密度有效密度： ，单位土体中土粒的有效质，单位土体中土粒的有效质量（在地下水位以下，扣除浮力后单位土体积中土粒的质量）。量（在地下水位以下，扣除浮力后单位土体积中土粒的质量）。wsatwssVVmVVmwvssatVmsd五种重度与与五种密度五种密度相应，土有相应，土有五种重度五种重度（即重力密度，（即重力密度，kN/m3）：）： 土粒重度土粒重度： ； 湿重度（又称天然重度）

33、湿重度（又称天然重度）： 干重度干重度： 饱和重度饱和重度： 有效重度有效重度： 。 其中，其中， 水（天然）重度（水（天然）重度（ 10 kN/m3）；）；g=9.807 m/s2, 重力加速度。重力加速度。 一般，一般， ；gssggddgsatsatwsatggwwdsatdsat5. 土的孔隙比和孔隙率孔隙比孔隙比： ，土中孔隙体积与土粒体积之比，土中孔隙体积与土粒体积之比（无量纲）。（无量纲）。 用于评价土的密实度和压缩性：用于评价土的密实度和压缩性：e 1.0疏松、高压缩性。疏松、高压缩性。孔隙率孔隙率： ，土中孔隙所占体积与总，土中孔隙所占体积与总体积之比，以百分数表示。体积之比

34、，以百分数表示。 svVVe %100VVnv6. 土的饱和度土中被水充满的孔隙体积与总孔隙体积之比，以百分数土中被水充满的孔隙体积与总孔隙体积之比，以百分数表示。表示。 干土干土Sr = 0；饱和土；饱和土Sr = 100%。%100vwrVVS7. 指标的换算l上述指标只有土粒比重上述指标只有土粒比重ds、含水量、含水量w、土密度、土密度 三个指标可通过试验测定，三个指标可通过试验测定，其他指标则可由它们导出。常用图其他指标则可由它们导出。常用图2-6（土的三相物理指标换算图）进行各（土的三相物理指标换算图）进行各指标间关系的推导和换算。指标间关系的推导和换算。l令令Vs = 1，则，则V

35、v = e，V = 1+e， ， 孔隙比孔隙比 e 的推导的推导：l 因为：因为：l 所以：所以：wswsssddVmwsswwdwmmedwVmws1)1 (wedVmwssd111)1 (1wsdwsdwde图图2-6 土的三相物理指标换算图土的三相物理指标换算图其他指标的推导 对于饱和土：对于饱和土： 可见，土的三相物理指标共可见，土的三相物理指标共15个（个（ , w, e, n, Sr , 五种密度，五种密度，五种重度）。各指标的关系见表五种重度）。各指标的关系见表2-3。sdsrwdeS ; 1ewdVmVVSsvwwvwreedVVmwswvssat1)(edwswsat1) 1

36、(eeVVnv12.4 无粘性土的物理性质无粘性土主要是指砂土和碎石土，其工程性质与其无粘性土主要是指砂土和碎石土，其工程性质与其密实度密实度密切相关。密实度密切相关。密实度越大，土的强度越大。因此，越大，土的强度越大。因此，密实度是反映无粘性土工程性质的主要指标密实度是反映无粘性土工程性质的主要指标。 评判无粘性土的密实度有以下方法：评判无粘性土的密实度有以下方法： 1. 根据相对密实度根据相对密实度 判别判别 e无粘性土的天然孔隙比；无粘性土的天然孔隙比； emax无粘性土的最大孔隙比（松砂无粘性土的最大孔隙比（松砂器法）；器法）； emin无粘性土的最小孔隙比（振击法）无粘性土的最小孔隙

37、比（振击法） 密实密实(1Dr0.67)；中密；中密(0.67Dr0.33)；松散；松散(0.33Dr0)。 该法适用于透水性好的无粘性土，如纯砂、纯砾。该法适用于透水性好的无粘性土，如纯砂、纯砾。 2. 根据天然孔隙比判别根据天然孔隙比判别 e 越小，土越密实。一般，越小，土越密实。一般，e 0.85时属松散。时属松散。 该法适该法适用于砂土，但不能考虑矿物成分、级配等对密实度的影响。（用于砂土，但不能考虑矿物成分、级配等对密实度的影响。（见表见表2-4）rDmaxmaxmin(0 1)reeDee表2-4 砂类土的密实度划分标准 按相对密实按相对密实度度Dr密实度密实度密实的密实的中等密实

38、的中等密实的松散的松散的指标指标1Dr0.670.67Dr0.330.33Dr0按孔隙比按孔隙比e中密中密稍密稍密砾砂、粗砂、砾砂、粗砂、中砂中砂e 0.600.60e0.750.75e 0.85细砂、粉砂细砂、粉砂e 0.700.70e0.850.85e 0.953. 根据原位标准贯入等试验判别表表2-5，密实（，密实（N 30）、中密（）、中密（15N30）、稍密）、稍密（10N15）、松散（）、松散（N10）按标准贯入锤击数按标准贯入锤击数N密实度密实度N10松散松散10N15稍密稍密15N30中密中密N 30 密实密实表表2-5 按标准贯入锤击数按标准贯入锤击数N判别砂土密实度判别砂土

39、密实度4. 根据野外方法鉴别密实度密实度骨架颗粒含量和排列骨架颗粒含量和排列可挖性可挖性可钻性可钻性密实密实骨架颗粒含量大于总重的骨架颗粒含量大于总重的70%，呈交错排列，连续，呈交错排列，连续接触接触锹、镐挖掘困难，锹、镐挖掘困难，用撬棍方能松动；用撬棍方能松动；井壁一般较稳定井壁一般较稳定钻进极困难；冲钻进极困难；冲击钻探时，钻杆、击钻探时，钻杆、吊锤跳动剧烈；吊锤跳动剧烈；孔壁较稳定孔壁较稳定中密中密骨架颗粒含量等于总重的骨架颗粒含量等于总重的60%70%，呈交错排列，呈交错排列，大部分接触大部分接触锹、镐可挖掘；井锹、镐可挖掘；井壁有掉块现象；从壁有掉块现象；从井壁取出大颗粒处，井壁取

40、出大颗粒处，能保持颗粒凹面形能保持颗粒凹面形状状钻进较困难；冲钻进较困难；冲击钻探时，钻杆、击钻探时，钻杆、吊锤跳动不剧烈；吊锤跳动不剧烈；孔壁有坍塌现象孔壁有坍塌现象稍密稍密骨架颗粒含量小于总重的骨架颗粒含量小于总重的60%，排列混乱，大部分，排列混乱，大部分不接触不接触锹可挖掘；井壁易锹可挖掘；井壁易坍塌；从井壁取出坍塌；从井壁取出大颗粒后，充填物大颗粒后，充填物砂土立即坍落砂土立即坍落钻进较容易；冲钻进较容易；冲击钻探时，钻杆击钻探时，钻杆稍有跳动；孔壁稍有跳动；孔壁易坍塌易坍塌表表2-6 碎石类土密实度野外鉴别方法（肉眼观察、挖、钻等）碎石类土密实度野外鉴别方法（肉眼观察、挖、钻等）2

41、.5 粘性土的物理性质2.5.1 粘性土的界限含水量粘性土的界限含水量2.5.2 粘性土的塑性指数和液性指数粘性土的塑性指数和液性指数2.5.3 粘性土的活动性指数粘性土的活动性指数A2.5.1 粘性土的界限含水量粘性土的特性主要由粘粒与水之间的相互作用产生，故粘性土的特性主要由粘粒与水之间的相互作用产生，故含水量含水量对其物对其物理状态和工程性质有重要影响。理状态和工程性质有重要影响。 对同一种粘性土，当含水量小于某限度时，土中水均为结合水对同一种粘性土，当含水量小于某限度时，土中水均为结合水（薄膜水），它们将土颗粒牢牢粘结（依靠电分子引力）在一起，（薄膜水），它们将土颗粒牢牢粘结（依靠电分

42、子引力）在一起，故土呈故土呈固态或半固态固态或半固态，强度很大；随着含水量的增加，水膜增厚，强度很大；随着含水量的增加，水膜增厚，土粒间距离增大，相互粘结力变弱，土就成为土粒间距离增大，相互粘结力变弱，土就成为可塑状态可塑状态（可用外（可用外力塑成任意形状而不发生裂纹，并当外力移去后能保持既得形状。力塑成任意形状而不发生裂纹，并当外力移去后能保持既得形状。如同橡皮泥）；当含水量继续增大，土中自由水增多，土粒被自如同橡皮泥）；当含水量继续增大，土中自由水增多，土粒被自由水分隔，自由水曾至一定量时，土即呈由水分隔，自由水曾至一定量时，土即呈流态流态，强度急剧下降。，强度急剧下降。 因此，随着土中水

43、的不断增加，土的状态逐渐由固态或半固态因此，随着土中水的不断增加，土的状态逐渐由固态或半固态变为液态，强度不断下降。变为液态，强度不断下降。阿太堡界限为区分和标志土的状态，常用为区分和标志土的状态，常用界限含水量界限含水量。界限含水量界限含水量粘性土由一种状态转变过渡到另一种状态的分界含水量。粘性土由一种状态转变过渡到另一种状态的分界含水量。阿太堡界限阿太堡界限液限液限(wL)：土由可塑状态变到流动状态的界限含：土由可塑状态变到流动状态的界限含水量；土处于可塑状态的最大含水量，稍大即水量；土处于可塑状态的最大含水量，稍大即流态；流态；塑限塑限(wP)：土由半固态变为可塑状态的界限含水：土由半固

44、态变为可塑状态的界限含水量；土处于可塑状态的最小含水量，稍小即半量；土处于可塑状态的最小含水量，稍小即半固态；固态；缩限缩限(wS)：土由固态变为半固态的界限含水量；：土由固态变为半固态的界限含水量；土处于半固态的最小含水量，稍小即为固态。土处于半固态的最小含水量，稍小即为固态。wL和wP的测定方法 wL：锥式液限仪（中国）：锥式液限仪（中国） （图（图2-8） 碟式液限仪（美、日）（图碟式液限仪（美、日）（图2-9）传统法传统法现行法：光电式液、塑联合测定仪现行法：光电式液、塑联合测定仪测定方法测定方法wP：搓条法（手工）：粘土在毛玻璃上搓至：搓条法（手工）：粘土在毛玻璃上搓至3mm出现裂纹

45、时的含水量出现裂纹时的含水量 0LI固态固态半固态半固态 可塑状态可塑状态 流动状态流动状态 缩限缩限ws 塑限塑限wp 液限液限 wL0含水量含水量0LI01LI 1LI1LI 粘性土的物理状态和含水量关系粘性土的物理状态和含水量关系液限仪 图图2-8 锥式液限仪锥式液限仪 图图2-9 碟式液限仪碟式液限仪2.5.2 粘性土的塑性指数和液性指数塑性指数塑性指数IP表示土处于可塑状态的含水量变化范围。表示土处于可塑状态的含水量变化范围。 IP = wL - wP（省去（省去%） IP 越大，土处于可塑状态的含水量范围也越大。越大，土处于可塑状态的含水量范围也越大。 土颗粒越细，粘粒含量越高，土

46、能吸附的结合水量越多，土颗粒越细，粘粒含量越高，土能吸附的结合水量越多，则则IP 越大。粘土矿物蒙脱石含量越高，越大。粘土矿物蒙脱石含量越高， IP 越大。越大。 IP 在一定程度上综合反映了影响粘性土特征的各种主要因在一定程度上综合反映了影响粘性土特征的各种主要因素，故常用于对粘性土进行分类。素，故常用于对粘性土进行分类。液性指数液性指数IL表示粘性土软硬程度的一个指标。表示粘性土软硬程度的一个指标。pppLpLIwwwwwwI评判土的软硬程度由此可见：当由此可见：当0 w wP，IL 0，土处于固态或半固态，土处于固态或半固态 当当wP w wL，0 wL ， IL 1，土处于流态，土处于

47、流态故可根据故可根据 IL的大小评判土的软硬程度，分为如下的大小评判土的软硬程度，分为如下5种（表种（表2-7）：）：状态状态坚硬坚硬硬塑硬塑可塑可塑软塑软塑流塑流塑液性指数液性指数IL 00IL0.250.25IL0.750.75 1.0表表2-7 粘性土软硬状态的划分粘性土软硬状态的划分2.5.3 粘性土的活动性指数A由于粘性土中所含矿物的胶体活动性，由于粘性土中所含矿物的胶体活动性， IP 相同的土也有可能性质差相同的土也有可能性质差别很大。为此定义活动性指数以予区别。别很大。为此定义活动性指数以予区别。 其中，其中，m为粘粒（为粘粒（0.002mm的颗粒）含量百分比。的颗粒）含量百分比

48、。 A0.75 不活动性粘性土不活动性粘性土 0.75A1.25 活动性粘性土活动性粘性土mIAp2.6 土的结构性研究表明，同一种土，原状土与重塑土的性质有很大差别，研究表明，同一种土，原状土与重塑土的性质有很大差别，甚至用不同方法制备的重塑土样，尽管组成一样，密度甚至用不同方法制备的重塑土样，尽管组成一样，密度控制也一样，性质也有所区别。这就是说，土的组成和控制也一样，性质也有所区别。这就是说，土的组成和物理性状不是决定土性质的全部因素，土的结构性对土物理性状不是决定土性质的全部因素，土的结构性对土的性质也有很大的影响。的性质也有很大的影响。这种土的性质受结构扰动影响这种土的性质受结构扰动

49、影响而改变的特性称为土的结构性而改变的特性称为土的结构性。天然土的结构性是普遍。天然土的结构性是普遍存在的，它是土形成存在的条件的反映，与成因类型密存在的，它是土形成存在的条件的反映，与成因类型密切相关，因此，在研究土力学问题时，必须考虑土的结切相关，因此，在研究土力学问题时，必须考虑土的结构性。构性。2.6.1 土的结构和构造土的结构是指由土粒单元的大小、形状、相互排列及其联土的结构是指由土粒单元的大小、形状、相互排列及其联结关系等因素形成的综合特征。分为三种基本类型：结关系等因素形成的综合特征。分为三种基本类型：单粒结构：粒径较大的土粒沉积时所形成。无粘性土所具单粒结构：粒径较大的土粒沉积

50、时所形成。无粘性土所具有的结构。（图有的结构。（图2-10）图图2-10 土的单粒结构土的单粒结构蜂窝结构和絮状结构蜂窝结构：粒径在蜂窝结构：粒径在0.0750.005mm内的土粒沉积时形成的蜂窝状结构内的土粒沉积时形成的蜂窝状结构（图（图2-11）。（土粒间吸引力大于重力，土粒停留在最初的接触点）。（土粒间吸引力大于重力，土粒停留在最初的接触点不再下沉而形成此结构）不再下沉而形成此结构）絮状结构：粒径小于絮状结构：粒径小于0.005mm的粘粒沉积时所形成的结构（图的粘粒沉积时所形成的结构（图2-12）。）。 （粘粒凝聚成絮状的集合体再下沉）（粘粒凝聚成絮状的集合体再下沉） 图图2-11 土的

51、峰窝结构图土的峰窝结构图 2-12 土的絮状结构土的絮状结构土的构造土的构造土的构造是指在同一土层中的物质成分和颗粒大小等都相是指在同一土层中的物质成分和颗粒大小等都相近的各部分之间的相互关系的特征。近的各部分之间的相互关系的特征。土的构造主要特征土的构造主要特征：成层性（即层理构造）、裂隙性、不：成层性（即层理构造）、裂隙性、不均匀性（例如含腐殖质、贝壳等），后两者对工程明显均匀性（例如含腐殖质、贝壳等），后两者对工程明显不利。不利。2.6.2 粘性土的灵敏度和触变性天然生成的粘性土一般均具有一定的结构性（土粒之间的胶结物质以天然生成的粘性土一般均具有一定的结构性（土粒之间的胶结物质以及土粒

52、、离子、水分子组成的平衡体系），在外部因素的干扰下，及土粒、离子、水分子组成的平衡体系），在外部因素的干扰下，会遭到破坏，从而使土的强度降低、压缩性增大。会遭到破坏，从而使土的强度降低、压缩性增大。 灵敏度灵敏度衡量土的结构破坏对强度影响的一个指标衡量土的结构破坏对强度影响的一个指标: St = qu / qu 。 其中，其中， qu是原状土试样的无侧限抗压强度（是原状土试样的无侧限抗压强度（kPa），由），由无侧限抗压无侧限抗压强度试验强度试验测定；测定； qu是重塑土试样（与原状土试样尺寸、密度、含是重塑土试样（与原状土试样尺寸、密度、含水量均相同）的无侧限抗压强度（水量均相同）的无侧限抗

53、压强度（kPa）。）。St 越高，表示土的结构越高，表示土的结构性越强，受扰动后土的强度降低越多，施工时越应减少对其扰动。性越强，受扰动后土的强度降低越多，施工时越应减少对其扰动。 饱和粘性土饱和粘性土低灵敏：低灵敏：1 St 2 中灵敏：中灵敏：2 4土的触变性土的强度会因受到扰动而降低，但扰动停止后，强度又会随时间逐渐土的强度会因受到扰动而降低，但扰动停止后，强度又会随时间逐渐恢复，这种性质就称为恢复，这种性质就称为土的触变性土的触变性。 粘性土的触变性粘性土的触变性粘性土结构受到扰动后强度明显降低，而粘性土结构受到扰动后强度明显降低，而当静置后，强度又随时间恢复的现象。当静置后，强度又随

54、时间恢复的现象。 这是由于土粒、离子、水分子体系随时间又逐渐趋于新的平衡这是由于土粒、离子、水分子体系随时间又逐渐趋于新的平衡状态的缘故。状态的缘故。 例：打桩使桩侧土受到强烈扰动而强度降低，但桩打好后，由例：打桩使桩侧土受到强烈扰动而强度降低，但桩打好后，由于土的触变性，土的强度会逐步恢复，桩承载力逐渐提高。故打于土的触变性，土的强度会逐步恢复，桩承载力逐渐提高。故打桩应一鼓作气，否则停的时间越长，再打入就越难。桩应一鼓作气，否则停的时间越长，再打入就越难。2.7 土的压实性在建造路堤、土坝等时，常需要填土。为增强土的密实度，在建造路堤、土坝等时，常需要填土。为增强土的密实度，降低其透水性和

55、压缩性，常采用分层压实的办法来加以降低其透水性和压缩性，常采用分层压实的办法来加以处理。处理。 压实性压实性土体在外部压实能量作用下，土颗粒克土体在外部压实能量作用下，土颗粒克服粒间阻力，产生相对位移，使土中的孔隙减少，密度服粒间阻力，产生相对位移，使土中的孔隙减少，密度增加，强度提高的特性。增加，强度提高的特性。 实践表明：细粒土和粗粒土的压实性不同。压实细实践表明：细粒土和粗粒土的压实性不同。压实细粒土宜用夯击或碾压机具；压实粗粒土宜用振动机具。粒土宜用夯击或碾压机具；压实粗粒土宜用振动机具。2.7.1 细粒土的压实性土过湿过干都难以充分压实。过湿，则土中自由水过多，夯实或碾压土过湿过干都

56、难以充分压实。过湿，则土中自由水过多，夯实或碾压时水难以从孔隙中排出，阻止颗粒的靠拢，从而会出现软弹现象时水难以从孔隙中排出，阻止颗粒的靠拢，从而会出现软弹现象（俗称橡皮土）。过干，则土中主要是强结合水，颗粒间引力大，（俗称橡皮土）。过干，则土中主要是强结合水，颗粒间引力大，阻止颗粒的移动。阻止颗粒的移动。 只有当含水量适当时，压实效果才会好。常用室内击实试验确只有当含水量适当时，压实效果才会好。常用室内击实试验确定定最优含水量最优含水量。最优含水量最优含水量（wop）：一定的压实能量下使土最容易压实且能达到最）：一定的压实能量下使土最容易压实且能达到最大密实度时的含水量。由室内击实试验测得。

57、大密实度时的含水量。由室内击实试验测得。最大干密度最大干密度（dmax）：与）：与wop 相应的干密度。相应的干密度。dmax 越大，越大，e 越小。越小。击实试验与压实曲线击实试验击实试验：对同一种土配：对同一种土配制若干份不同含水量的制若干份不同含水量的试样，用同样的压实能试样，用同样的压实能量分别对每一份试样进量分别对每一份试样进行击实，测定各试样相行击实，测定各试样相应的含水量应的含水量w和干密度和干密度d，然后绘制含水量与，然后绘制含水量与干密度关系曲线，即得干密度关系曲线，即得压实曲线压实曲线（图（图2-13），），曲线峰值点对应的即为曲线峰值点对应的即为最优含水量最优含水量wop

58、和最大和最大干密度干密度dmax 。图图2-13 含水量干密度曲线含水量干密度曲线压实效果从压实曲线可见：当含水量较低时，干密度随从压实曲线可见：当含水量较低时，干密度随w增大而增大，即压实增大而增大，即压实效果提高；但当效果提高；但当w wop时，干密度随时，干密度随w增大而减少，即压实效果下增大而减少，即压实效果下降。故压实效果随含水量的变化而变化。降。故压实效果随含水量的变化而变化。 试验表明：试验表明： wop wP+2；土中的粘土矿物愈多，；土中的粘土矿物愈多， wop 越大。越大。 wop及及dmax均与压实能量有关。当压实能量较小（如人力夯），要均与压实能量有关。当压实能量较小（

59、如人力夯），要求土粒间有较多的水分使其润滑，因此求土粒间有较多的水分使其润滑，因此wop 较大，而较大，而dmax 较小；反较小；反之，则之，则wop 小，而小，而 dmax 大。故当填土压实程度大。故当填土压实程度不足时，可改用压实能不足时，可改用压实能 量大的机械进行压实。量大的机械进行压实。 颗粒级配越好，压实效果越好。颗粒级配越好，压实效果越好。 土压实到土压实到dmax时，其饱和度一般为时，其饱和度一般为80。理论饱和曲线定义：土处于饱和状态下的干密度定义：土处于饱和状态下的干密度d与含水量与含水量w的关系曲线。的关系曲线。由由Sr = 100%，e = wds，可得，可得理论饱和曲

60、线理论饱和曲线方程为：方程为： 因此，压实曲线只能位于理论饱和曲线的下方，不可能与之相交。因此，压实曲线只能位于理论饱和曲线的下方，不可能与之相交。 采用采用室内击实试验室内击实试验来模拟来模拟现场压实现场压实是半经验法。为便于工地现场压是半经验法。为便于工地现场压实质量控制，工程上常采用压实度实质量控制，工程上常采用压实度Dc 来控制：来控制： Dc 值越接近值越接近1，则表示对压实质量要求越高。对高速公路主要受，则表示对压实质量要求越高。对高速公路主要受力层，要求力层，要求Dc 值达值达0.95；对；对I、II级土石坝，级土石坝，Dc 值应达值应达0.95 0.98。wsswsdwdded