第一章土的物理性质及工程分类1

1、第一章第一章 土的物理性质及工程分类土的物理性质及工程分类 物理风化物理风化 化学风化化学风化 生物活动生物活动 岩石和土的粗颗粒受各种气岩石和土的粗颗粒受各种气候等物理因素的影响产生胀候等物理因素的影响产生胀缩而发生裂缝缩而发生裂缝, ,或在运动过或在运动过程中因碰撞和摩擦而破碎程中因碰撞和摩擦而破碎 是颗粒大小发生量的变化是颗粒大小发生量的变化 矿物成分与母岩相同，称原矿物成分与母岩相同，称原生矿物（石英、长石等）生矿物（石英、长石等） 产生无粘性土产生无粘性土 母岩表面和碎散的颗粒受环母岩表面和碎散的颗粒受环境因素的作用而改变其矿物境因素的作用而改变其矿物的化学成分，形成新的矿物的化学成

2、分，形成新的矿物 颗粒成分发生质的变化颗粒成分发生质的变化 矿物成分与母岩不同，称次矿物成分与母岩不同，称次生矿物（蒙脱石、伊利石）生矿物（蒙脱石、伊利石） 形成十分细微的土颗粒，最形成十分细微的土颗粒，最主要为粘性颗粒及可溶盐类主要为粘性颗粒及可溶盐类 物理风化物理风化 化学风化化学风化 生物活动生物活动 包括植物、动物和土壤微包括植物、动物和土壤微生物的作用生物的作用 可加剧物理和化学风化可加剧物理和化学风化 构成土中有机质和营养物构成土中有机质和营养物质的生物循环质的生物循环 导致腐殖质的形成，改变导致腐殖质的形成，改变土壤的结构土壤的结构 物理风化物理风化 化学风化化学风化 生物活动生

3、物活动土土岩石岩石风化、搬运、沉积风化、搬运、沉积地质成岩作用地质成岩作用土的组成、结构土的组成、结构和物理力学性质和物理力学性质过程、条件过程、条件1 残积土残积土残留在原地未被搬运的那残留在原地未被搬运的那一部一部分风化产物分风化产物。颗粒不。颗粒不能被磨圆或分选。残积物能被磨圆或分选。残积物与基岩之间没有明显界限，与基岩之间没有明显界限，其矿物成分很大程度上与其矿物成分很大程度上与下卧基岩一致。由于残积下卧基岩一致。由于残积物均质性很差，颗粒多为物均质性很差，颗粒多为棱角状的粗颗粒土，孔隙棱角状的粗颗粒土，孔隙度较大，作为建筑物地基度较大，作为建筑物地基容易引起容易引起不均匀沉降不均匀沉

4、降。elQ土的形成条件，常见的成因类型如下：土的形成条件，常见的成因类型如下：坡积物坡积物雨雪水流的地质作用将高处岩石雨雪水流的地质作用将高处岩石风化产物缓慢地冲刷剥蚀、顺着风化产物缓慢地冲刷剥蚀、顺着斜坡向下移动、沉积在较平缓的斜坡向下移动、沉积在较平缓的山坡上而形成的沉积物。自上而山坡上而形成的沉积物。自上而下呈现由粗而细的下呈现由粗而细的分选现象分选现象。其。其矿物成分与下卧基岩没有直接关矿物成分与下卧基岩没有直接关系。由于坡积物形成于山坡，常系。由于坡积物形成于山坡，常常发生沿下卧基岩倾斜面滑动；常发生沿下卧基岩倾斜面滑动；还由于组成物质粗细颗粒混杂，还由于组成物质粗细颗粒混杂，土质不

5、均，厚度变化大。新近堆土质不均，厚度变化大。新近堆积物，土质疏松，压缩性较大。积物，土质疏松，压缩性较大。是不良的地质条件。是不良的地质条件。dlQ洪积扇群洪积扇群 由暴雨或大量融雪骤然集聚而成的暂时性山洪由暴雨或大量融雪骤然集聚而成的暂时性山洪急流急流,具有很大的剥蚀、搬运能力。它冲刷地表，挟具有很大的剥蚀、搬运能力。它冲刷地表，挟带着大量碎屑物质堆积于山谷冲口或山前倾斜平原带着大量碎屑物质堆积于山谷冲口或山前倾斜平原而形成而形成洪积物洪积物。 离山渐远，颗粒变离山渐远，颗粒变细，分布范围逐渐扩大。细，分布范围逐渐扩大。其地貌特征是靠山近处其地貌特征是靠山近处窄而陡，离山远处宽而窄而陡，离山

6、远处宽而缓，形如锥体，故称为缓，形如锥体，故称为洪积锥（扇）。由相邻洪积锥（扇）。由相邻沟谷口的洪积扇组成沟谷口的洪积扇组成洪洪积扇群积扇群。3.洪积物洪积物plQ2.淤泥夹粘淤泥夹粘土透镜体土透镜体1.表土层表土层3.粘土尖灭层粘土尖灭层4.砂土夹粘土层砂土夹粘土层5.砾石层砾石层6.石灰岩层石灰岩层土土 的的 层层 理理 构造构造 洪积物的颗粒虽洪积物的颗粒虽因搬运过程中的分选因搬运过程中的分选作用呈现渐变现象作用呈现渐变现象,但但由于搬运距离短由于搬运距离短,颗粒颗粒的磨圆度仍不佳。此的磨圆度仍不佳。此外，山洪是周期性产外，山洪是周期性产生的，每次的大小不生的，每次的大小不尽相同，堆积物

7、质也尽相同，堆积物质也不一样。因此，洪积不一样。因此，洪积物常呈现不规则的层物常呈现不规则的层理构造，理构造，如具有夹层、如具有夹层、尖灭或透镜体等产状尖灭或透镜体等产状。靠近山地或离山较远地段的洪积物的承载力高，而过度地带由靠近山地或离山较远地段的洪积物的承载力高，而过度地带由于地下水溢出地表造成沼泽地带，土质软、承载力低。于地下水溢出地表造成沼泽地带，土质软、承载力低。平原河谷横断面平原河谷横断面砾卵石砾卵石中粗砂中粗砂粉细砂粉细砂粉质粘土粉质粘土粉土粉土黄土黄土淤泥淤泥4.冲积物冲积物 冲积物是河流流水的地质作用将两岸基岩及其上部覆盖的坡积、冲积物是河流流水的地质作用将两岸基岩及其上部覆

8、盖的坡积、洪积物剥蚀后搬运沉积在河流坡降平缓地带形成的沉积物。其特点洪积物剥蚀后搬运沉积在河流坡降平缓地带形成的沉积物。其特点是呈现明显的层理构造，土颗粒上游较粗，下游较细，由于搬运作是呈现明显的层理构造，土颗粒上游较粗，下游较细，由于搬运作用显著，碎屑物质由带棱角颗粒经滚磨、碰撞逐渐形成亚圆或圆形用显著，碎屑物质由带棱角颗粒经滚磨、碰撞逐渐形成亚圆或圆形颗粒，其搬运距离越长，则沉积物质越细。颗粒，其搬运距离越长，则沉积物质越细。分选性和磨圆度较好。分选性和磨圆度较好。典型的冲积物是形成于河谷内的沉积物，可分为典型的冲积物是形成于河谷内的沉积物，可分为平原河谷冲积物平原河谷冲积物和和山区河谷冲

9、积物、三角洲沉积物山区河谷冲积物、三角洲沉积物等。等。alQBack5湖泊沉积物湖泊沉积物在湖泊及沼泽等极为缓慢流水或静水条件下沉积下来在湖泊及沼泽等极为缓慢流水或静水条件下沉积下来的土，或称淤积土，含有大量细微颗粒，常伴有生物的土，或称淤积土，含有大量细微颗粒，常伴有生物化学作用形成的有机物，成为具有特殊性质的淤泥或化学作用形成的有机物，成为具有特殊性质的淤泥或淤泥质土。淤泥质土。土的压缩性高，强度很低。承载力极低，土的压缩性高，强度很低。承载力极低，一般不宜作天然地基。一般不宜作天然地基。固体矿物颗粒固体矿物颗粒 （固相）（固相）土中气体土中气体（气相）（气相） 土中水土中水（液相）（液相

10、） 土的组成土的组成土中气体土中气体 气相气相 次要作用次要作用固体颗粒固体颗粒 固相固相 构成土体骨架构成土体骨架 起决定作用起决定作用饱和土饱和土 ：土体孔隙完全被水充满：土体孔隙完全被水充满干干 土土 ：土体孔隙完全被气充满：土体孔隙完全被气充满非饱和土：孔隙中水和气均存在非饱和土：孔隙中水和气均存在土中水土中水 液相液相 重要影响重要影响气相固相液相+ + +土体气相固相液相+构成土骨架，起决定作用构成土骨架，起决定作用重要影响重要影响土体次要作用次要作用一、土的固相一、土的固相 物理状态力学特性粒径级配粒径级配矿物成分矿物成分颗粒形状颗粒形状 u1.1.土粒的矿物成分土粒的矿物成分矿

11、物成分取决于矿物成分取决于母岩的矿物成分母岩的矿物成分和和风化作用风化作用 原生矿物：原生矿物：由岩石经过物理风化形成，其矿物成分与母岩由岩石经过物理风化形成，其矿物成分与母岩 相同相同 例：例：石英、云母、长石石英、云母、长石等等 特征：特征：矿物成分的性质较稳定，由其组成的土具有无粘性、矿物成分的性质较稳定，由其组成的土具有无粘性、 透水性较大、压缩性较低的特点透水性较大、压缩性较低的特点 次生矿物：次生矿物：岩石经化学风化后所形成的新的矿物，其成分岩石经化学风化后所形成的新的矿物，其成分 与母岩不相同与母岩不相同 例：例：粘土矿物有粘土矿物有高岭石、伊利石、蒙脱石高岭石、伊利石、蒙脱石等

12、等 特征：特征：性质较不稳定，具有较强的亲水性，遇水易膨胀的性质较不稳定，具有较强的亲水性，遇水易膨胀的 特点特点粘土矿物典型电镜照片粘土矿物典型电镜照片:蒙 脱 石比表面积比表面积亲水性亲水性15808000u2. 2. 粒径级配粒径级配颗粒大小颗粒大小各粒径成分在土中各粒径成分在土中占的比例占的比例影响土性的主因 土粒粒度与粒组土粒粒度与粒组 在自然界中存在的土在自然界中存在的土,都是由大小不同的土粒组成的，土都是由大小不同的土粒组成的，土的粒径由粗到细逐渐变化时的粒径由粗到细逐渐变化时,土的性质相应地发生变化。土粒土的性质相应地发生变化。土粒的大小称为的大小称为粒度粒度，用，用粒径粒径表

13、示。将大小相近，性质相似的颗表示。将大小相近，性质相似的颗粒划归为一组，称为粒划归为一组，称为粒组粒组，划分粒组的分界尺寸称为，划分粒组的分界尺寸称为界限粒界限粒径径。常用。常用200、20、2、0.075、0.005mm把土粒分为六大粒组把土粒分为六大粒组:漂石漂石(块石块石)颗粒颗粒、卵石卵石(碎石碎石)颗粒颗粒、圆砾（角砾）颗粒圆砾（角砾）颗粒、砂砂粒粒、粉粒及粘粒粉粒及粘粒。见下表。见下表。粒组统称粒组统称粒组名称粒组名称粒组粒径粒组粒径d的范围的范围(mm) 漂石（块石）粒漂石（块石）粒 d 200卵石（碎石）粒卵石（碎石）粒 200 d 20 圆砾（角砾）粒圆砾（角砾）粒 20 d

14、 2砂粒砂粒 2 d 0.075 粉粒粉粒 0.075 d 0.005粘粒粘粒 d 0.005表表1.1 土粒粒组划分土粒粒组划分细粒细粒巨粒巨粒粗粒粗粒粒组统称粒组名称粒径范围（mm）粗粒土圆砺或角砺颗粒粗中细201010552砂粒粗中细20.50.50.250.250.075表格法表示的粒组划分粒组名称粒组名称粒径范围粒径范围mmmm一般特征一般特征漂石、块石颗粒漂石、块石颗粒200200透水性很大，无粘性，无毛细水透水性很大，无粘性，无毛细水卵石、碎石颗粒卵石、碎石颗粒2002002020圆砾、角砾圆砾、角砾颗粒颗粒粗粗20201010透水性大，无粘性，毛细水上升透水性大，无粘性，毛细水

15、上升高度不超过粒径大小高度不超过粒径大小中中10105 5细细5 52 2砂粒砂粒粗粗2 20.50.5易透水，当混有云母等杂质时透易透水，当混有云母等杂质时透水性减小，而压缩性增大；无粘水性减小，而压缩性增大；无粘性，遇水不膨胀，干燥时松散；性，遇水不膨胀，干燥时松散；毛细水上升高度不大，随粒径变毛细水上升高度不大，随粒径变小而增大小而增大中中0.50.50.250.25细细0.250.250.10.1极细极细0.10.10.0750.075粉粒粉粒粗粗0.0750.0750.010.01透水性小，湿时稍有粘性，遇水透水性小，湿时稍有粘性，遇水膨胀小，干时稍有收缩；毛细水膨胀小，干时稍有收缩

16、；毛细水上升高度较大较快，极易出现冻上升高度较大较快，极易出现冻胀现象胀现象细细0.010.010.0050.005粘粒粘粒0.0050.075mm。（2）沉降分析法：（比重计或移液管法）沉降分析法：（比重计或移液管法） 粒径粒径0.075mm。 颗分曲线：根据颗分试验成果，可以绘制颗粒级配颗分曲线：根据颗分试验成果，可以绘制颗粒级配曲线。曲线。土壤分析筛土壤分析筛粗筛：粗筛：60、40、20、10、5、2mm细筛：细筛：2、1、0.5、0.25、0.075mm筛分法筛分法用一套孔径不同的筛子（用一套孔径不同的筛子（6060、4040、2020、1010、5 5、2 2、1 1、0.50.5、

17、0.250.25、0.10.1、0.075mm0.075mm），按），按从上至下筛孔逐渐减小放置。从上至下筛孔逐渐减小放置。将事先称过质量的烘干土样将事先称过质量的烘干土样过筛，称出留在各筛上的土过筛，称出留在各筛上的土质量，然后计算其占总土粒质量，然后计算其占总土粒质量的百分数质量的百分数 v比重计法是利用不同大小的土粒在水中的沉降比重计法是利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同来确定小于某粒径的土粒含量。速度不同来确定小于某粒径的土粒含量。v将一定质量土浸入水中搅拌成悬液，搅拌停止将一定质量土浸入水中搅拌成悬液，搅拌停止后，土粒便开始下沉，悬液的浓度随之发生变后，土粒便开始下沉，悬液的浓度

18、随之发生变化。利用特制的化。利用特制的密度计密度计，在不同时刻测悬液浓，在不同时刻测悬液浓度的变化。即可换算出相应的度的变化。即可换算出相应的粒径粒径及小于该粒及小于该粒径的土粒径的土粒质量质量，绘出级配曲线。，绘出级配曲线。 比重计法：适用于粒径小于0.075mm的土 比重计法比重计法利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同来利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同来确定小于某粒径的土粒含量确定小于某粒径的土粒含量比重计法： 适用于粒径小于0.075mm的土颗粒粒径级配曲线颗粒粒径级配曲线 纵坐标纵坐标表示小于某粒径的土粒含量百分比表示小于某粒径的土粒含量百分比, ,横坐标横坐标表示土粒的粒径表

19、示土粒的粒径( (对数坐标）对数坐标）Cu105.02.01.00.50.250.1200g101618242238721009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数小于某粒径之土质量百分数P（）（）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径粒径(mm)土的粒径级配累积曲线土的粒径级配累积曲线水分法水分法粒径粒径(mm)(mm)0.050.010.005百分数百分数P(%)P(%)2613.510P%958778665536小于某粒小于某粒径的土质径的土质量百分数量百分数1009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（）小

20、于某粒径之土质量百分数（）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径粒径(mm)土的粒径级配累积曲土的粒径级配累积曲线线d60d50d10d30d60d10d30CuCc0.33 0.005 0.063662.41特征粒径特征粒径: : d50 : 平均平均粒径粒径d60 : 限定限定粒径粒径d10 : 有效有效粒径粒径d30 : 中值粒径中值粒径不均匀程度不均匀程度：Cu = d60 / d10 不均匀系数不均匀系数粗细程度粗细程度： 用用d50 表示 连续程度连续程度: : Cc = d302 / (d60 d10 ) 曲率系数曲率系数Cu 5,级配不均匀100

21、9080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（）小于某粒径之土质量百分数（）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径粒径(mm)土的粒径级配累积曲土的粒径级配累积曲线线d60d10d30曲线d60d10d30CuCcL0.33 0.0050.081663.98M0.0632.41R0.0300.545斜率斜率: : 某粒径范围内颗粒的含量某粒径范围内颗粒的含量 陡陡相应粒组质量集中相应粒组质量集中 缓缓-相应粒组含量少相应粒组含量少 平台平台-相应粒组缺乏相应粒组缺乏连续程度连续程度: : Cc = d302 / (d60 d10 ) 曲率系数曲

22、率系数较大颗粒缺少较大颗粒缺少Cc 减小减小较小颗粒缺少较小颗粒缺少Cc 增大增大Cc = 1 3, 级配连续性好级配连续性好粒径级配粒径级配累积曲线及指标的用途：粒径级配累积曲线及指标的用途：1）粒组含量用于土的分类定名粒组含量用于土的分类定名；2）不均匀系数不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度：用于判定土的不均匀程度： Cu 5, 不均匀土不均匀土； Cu 3 或 Cc 1,级配级配不连续土不连续土4）不均匀系数不均匀系数Cu和和曲率系数曲率系数Cc用于判定土的级配优用于判定土的级配优劣：劣： 如果如果 Cu 5且且 C c = 1 3 ， 级配级配 良好的土良好的土； 如果如果 Cu 3

23、 或或 Cc 105 C）下，才能从矿物中吸出，故可把它视作矿物本身的一下，才能从矿物中吸出，故可把它视作矿物本身的一部分。部分。2.结合水（强结合水、弱结合水）结合水（强结合水、弱结合水） 受电分子吸引力吸附于土粒表面的土中水。受电分子吸引力吸附于土粒表面的土中水。0结合水结合水 排列致密、定向性强排列致密、定向性强 密度密度1g/cm1g/cm3 3 具有固体的特性具有固体的特性 温度高于温度高于100100C C时可蒸时可蒸发发强结合水强结合水强结合水：强结合水：紧靠于颗粒表面、紧靠于颗粒表面、所受电场的作用力很大、几乎所受电场的作用力很大、几乎完全固定排列、丧失液体的特完全固定排列、丧

24、失液体的特性而接近于固体性而接近于固体 强结合水强结合水：没有溶解盐类的能：没有溶解盐类的能力，不能传递静水压力，牢固力，不能传递静水压力，牢固地吸附于土粒表面，其性质接地吸附于土粒表面，其性质接近于固体具有极大的粘滞度、近于固体具有极大的粘滞度、弹性和抗剪强度。弹性和抗剪强度。结合水结合水 位于强结合水之外，电场引位于强结合水之外，电场引 力作用范围之内力作用范围之内 外力作用下可以移动外力作用下可以移动 不因重力而移动，有粘滞性不因重力而移动，有粘滞性弱结合水弱结合水弱结合水：弱结合水：紧靠强结合水的外围紧靠强结合水的外围形成的结合水膜，所受的电场作形成的结合水膜，所受的电场作用力随着与颗

25、粒距离增大而减弱用力随着与颗粒距离增大而减弱 弱结合水弱结合水：厚度较强结合水大，：厚度较强结合水大，具有较高的粘滞度、抗剪强度，具有较高的粘滞度、抗剪强度，仍不能传递静水压力。当含量仍不能传递静水压力。当含量较多时，使土具有一定的可塑较多时，使土具有一定的可塑性。性。自由水自由水自由水自由水自由水自由水 存在于土粒电场影响存在于土粒电场影响范围以外，性质和普通水范围以外，性质和普通水无异，能传递水压力，冰无异，能传递水压力，冰点为点为0，有溶解能力，有溶解能力 以两种形式存在：以两种形式存在：自由水自由水重力水重力水毛细水毛细水（3 3）自由水）自由水重力水：地下水位以下，在重力水：地下水位

26、以下，在土中流动的水，受重力作用，土中流动的水，受重力作用，对土粒有浮力作用。对土粒有浮力作用。毛细水：地下水位以上由于毛细水：地下水位以上由于水和空气分界处弯液面上产生水和空气分界处弯液面上产生的表面张力作用，土中自由水的表面张力作用，土中自由水从地下水位通过土的细小通道从地下水位通过土的细小通道逐渐上升，形成毛细水。它不逐渐上升，形成毛细水。它不仅受重力作用而且还受到表面仅受重力作用而且还受到表面张力的支配。张力的支配。hc毛细水毛细水重力水重力水r弯液面弯液面F这是稍湿的砂土颗粒间存在这是稍湿的砂土颗粒间存在假凝聚力假凝聚力的原因。的原因。F在工程中，毛细水的上升高在工程中，毛细水的上升

27、高度和速度对建筑物地下部分度和速度对建筑物地下部分的防潮措施和地基土的浸湿、的防潮措施和地基土的浸湿、冻胀有重要影响。冻胀有重要影响。三、土中气体三、土中气体 u土中气体土中气体存在于土孔隙中未被水占据的部分，存在于土孔隙中未被水占据的部分，分为分为与大气连通的非封闭气体与大气连通的非封闭气体和和与大气不连通的与大气不连通的封闭气体封闭气体1.1.非封闭气体非封闭气体：受外荷作用时被挤出土体外，对受外荷作用时被挤出土体外，对土的性质影响不大土的性质影响不大 2.2.封闭气体：封闭气体：在外力作用下，封闭气体易溶解于水，在外力作用下，封闭气体易溶解于水，外力卸除后又会重新释放出来，使得土的弹性增

28、加；外力卸除后又会重新释放出来，使得土的弹性增加；阻塞渗流通道，降低渗透性阻塞渗流通道，降低渗透性, ,对土的性质有较大的影对土的性质有较大的影响响. .使土的渗透性减小，弹性增大和延长土体受力后使土的渗透性减小，弹性增大和延长土体受力后变形达到稳定的历时变形达到稳定的历时. .F可燃气体可燃气体：由微生物的分解作用而形成，常存在于：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。淤泥和泥炭等有机土中。 土中气体土中气体土中含有更多的土中含有更多的CO2，较少的，较少的O2，较多的，较多的N2，地，地下工程施工时应注意氧气的补给。下工程施工时应注意氧气的补给。1.3 土的结构及工程性质

29、土的结构及工程性质定义：定义：土体的结构是指土颗粒之间的相互排列和连接方式。力学特性力学特性影影响响土的结构土的结构反映反映土的成分土的成分形成条件形成条件分类分类单粒结构单粒结构蜂窝结构蜂窝结构絮状结构絮状结构类型类型土的构造：土的构造：是指同一土层中土颗粒之间的相互关系特征。力学特性力学特性影影响响土的构造土的构造层状构造层状构造分散构造分散构造裂隙构造裂隙构造结核状构造结核状构造土的结构土的结构 在成土过程中所形成的土粒的空间排列及其联结形在成土过程中所形成的土粒的空间排列及其联结形式，与组成土的颗粒大小、颗粒形状、矿物成分和沉积式，与组成土的颗粒大小、颗粒形状、矿物成分和沉积条件有关条件有关 u1.单粒结构：单粒结构：粗矿物颗粒在水或空气中在自重作用下沉落形粗矿物颗粒在水或空气中在自重作用下沉落形成的单粒结构，其特点是土粒间存在点与点的接触。根据形成成的单粒结构，其特点是土粒间存在点与点的接触。根据形成条件不同，可分为疏松状态和密实状态条件不同，可分为疏松状态和密实状态 密实状态密实状态疏松状态疏松状态u2.蜂窝结构：蜂窝结构：颗粒间点与点接触，由于彼此之间引力