-第一章-土的物理性质与工程分类课件

1、第三章 土的物理性质及分类二、 土的三相组成 四、 土的物理性质指标 五、 土的物理状态指标 六、 土的压实性 七、 地基土（岩）的工程分类 一、 土的成因 三、 土的结构和构造学习目标:了解土的成因，掌握土的三相组成的基本概念（如土的粒组、颗粒级配）。理解并掌握土的物理性质指标、物理状态指标的含义以及指标的测定方法。掌握土的结构类型，熟悉土的构造了解土的压实特性，掌握土的压实标准。掌握地基土的工程分类。第一节 土的成因本节主要内容：土的生成、土的成因类型、土的工程特性（一）土的生成 1.概念：是指地球岩石圈经风化形成的散粒堆积物。包括岩石经物理风化形成的碎块、经化学分化形成的细粒物质。散粒性

2、，是土区别于岩石的的特性。土的工程特性：压缩性大、强度低、渗透性大。第一节 土的成因（一）土的生成 2.土的生成：（1）物理风化：岩石在温度和湿度的影响下，仅体积和形状改变，形成原生矿物（2）化学风化：原生矿物与周围的O2、CO2、H2O等接触，并受到有机物、微生物的作用，形成次生矿物（3）生物风化:动植物的生长使得岩石破碎第一节 土的成因（二）土的成因类型 1.残积土：残积土：岩石风化后残留在原地形成的土。残积土的特征：成分与下卧母岩一致；均质性差；孔隙度较大。作为工程地基，要注意不均匀沉降。 2、坡积土：山坡上岩体风化的碎屑物质，在流水或重力作用下运移到斜坡下部或山麓处的堆积物。 坡积土的

3、特征：矿物成分与下卧基岩没有直接关系；新近堆积的坡积物经常具有垂直的孔隙，结构比较疏松，一般具有较高的压缩性。进行工程建设，要注意考虑其本身的稳定性和施工开挖后的边坡稳定；3、洪积土:由暂时性洪流，将山区高地的碎屑物质携带至沟口或平缓地带堆积形成的土。 第一节 土的成因（二）土的成因类型 洪积土作为建筑物地基，一般认为是较理想的，尤其是离山前较近的洪积土颗粒较粗，地下水位埋藏较深，具有较高的承载力，压缩性低，是工业与民用建筑物的良好地基。在离山区较远的地带，洪积物的颗粒较细、成分较均匀、厚度较大，一般也是良好的天然地基。但应注意的是上述两地段的中间过渡地带，常因粗碎屑土与细粒粘性土的透水性不同

4、而使地下水溢出地表形成泉或沼泽地，因此土质较差，承载力较低，作为建筑物地基时应慎重对待。 第一节 土的成因（二）土的成因类型：4、冲积土：由水流搬运堆积形成的土。又分为：平原河谷冲积土、山区河谷冲积土、三角洲冲积土 5、其他沉积土：除了上述三种类型的沉积土外，还有海洋沉积土、湖泊沉积土、冰川沉积土等。第一节 土的成因（三）土的工程特性：1、土的高压缩性 指在压力作用下，土颗粒位置发生重新排列，导致孔隙体积减小和孔隙中水和气排出的结果。反映材料压缩性高低的指标为弹性模量（土称为变形模量）。弹性模量可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标，其值越大，使材料发生一定弹性变形的应力也越大，即材料刚度越

5、大，亦即在一定应力作用下，发生弹性变形越小。 第一节 土的成因（三）土的工程特性：2、土的强度低：是指土的抗剪强度。土的强度来源无粘性土：土粒表面的产生的摩擦力粘性土：土粒表面的产生的摩擦力、土颗粒之间的黏聚力无论是摩擦力还是黏聚力，其强度均小于材料本身强度，因此，土的强度比其他工程材料的强度要低得多第一节 土的成因（三）土的工程特性：3、土的透水性大：由于土体中固体矿物颗粒之间有无数孔隙，这些空隙是透水的，导致土的透水性大。第二节、土的三相组成本节主要内容：阐明组成土的三相（固体颗粒、水、气）的特性及其与工程性质的关系。（一）土的固体颗粒 1.土粒的矿物成分（1）原生矿物：母岩经物理风化而成

6、。eg.石英、云母、长石。其成分与母岩相同，分为单矿物颗粒，多矿物颗粒。（2）次生矿物：母岩经化学风化而成。eg.高岭石、伊里石、蒙脱石。其成分与母岩不同，为一种新矿物颗粒，主要是黏土矿物。D0.075mm。 （2）密度计法：粒径 0.075mm。 颗分曲线：根据颗分试验成果，可以绘制颗粒级配曲线，如下图。第二节、土的三相组成第二节、土的三相组成第二节 土的三相组成 级配良好的判别： 由曲线的坡度大致可判别土的均匀程度，如曲线较陡，则表示粒径大小相差不多，土粒较均匀；反之，曲线平缓，则表示粒径大小相差悬殊，土粒不均匀，即级配良好。第二节 土的三相组成利用不均匀系数Cu和曲率系数Cc定量判别：C

7、u5 级配良好。 Cc反应曲线的整体形状，过大或过小都表示缺乏中间粒径。对砾类土和砂类土，当同时满足Cu5和Cc =13时，级配良好。60102301060/dddCddCcu=.第二节 土的三相组成（二）土中的水和气1.土中水：（1）结晶水 存在于矿物结晶中的水，只有在高温（105 C）下，才能从矿物中吸出，故可把它视作矿物本身的一部分。（2）结合水 受电分子吸引力吸附于土粒表面的土中水。o-毛细水重力水自由水弱结合水强结合水与土粒表面结合的水结合水土粒矿物内部的水-结晶水土中水第二节 土的三相组成强结合水弱结合水自由水1）强结合水：没有溶解盐类的能力，不能传递静水压力，牢固地吸附于土粒表面

8、，其性质接近于固体，具有极大的粘滞度、弹性和抗剪强度。第二节 土的三相组成2）弱结合水：厚度较强结合水大，具有较高的粘滞度、抗剪强度，仍不能传递静水压力。当含量较多时，使土具有一定的可塑性。（3）自由水1）重力水：在土中流动的水，受重力作用。2）毛细水：由于水和空气分界处弯液面上产生的表面张力作用，土中自由水从地下水位通过土的细小通道逐渐上升，形成毛细水。它不仅受重力作用而且还受到表面张力的支配。第二节 土的三相组成2.土中气（1）开敞气体：对土无影响。（2）封闭气体：使土的渗透性减小，弹性增大和拖延了土的压缩和膨胀变形随时间的发展。 第二节 、土的三相组成单粒结构蜂窝结构絮状结构1.土的结构

9、（如上图）土的结构：单粒结构蜂窝结构（粒径0.0750.005mm）絮状结构（粒径 d第四节 、土的物理性质指标3. 反映土的含水程度的指标饱和度Sr （以百分数表示 ）工程应用：砂土与粉土以饱和度作为湿度划分的标准。当Sr 50%时，土为稍湿的；当50%Sr80%时，土为很湿的；当Sr80%时，土为饱和的。 第四节 、土的物理性质指标2. 反映土的松密程度的指标（1）土的孔隙比e（以小数表示 ）取值：一般砂土为0.51.0，黏性土为0.51.2。工程应用： 用来评价天然土层的密实程度。当砂土e0.6时，呈密实状态，为良好地基；当黏性土e1.0时，为软弱地基。第四节 、土的物理性质指标（四）指

10、标的换算第四节 、土的物理性质指标 上节讲述土的物理性质指标，本节讲述土的物理状态指标，即要研究土的松密和软硬。 第五节 土的物理状态指标 无黏性土为单粒结构，土粒与土中水的相互作用不明显，影响其工程性质的主要因素是密实度。 第五节 土的物理状态指标 无黏性土呈密实状态时，强度较大，是良好的天然地基；呈松散状态时则是一种软弱地基，尤其是饱和粉土、细砂，稳定性很差。一、无粘性土的密实度 密实度：单位体积土中固体颗粒的含量。第五节 土的物理状态指标1. 砂土的密实度 （1）孔隙比e（土中孔隙的体积与土颗粒体积的比值） 以孔隙比e作为砂土密实度的划分标准，分为密实、中密、稍密、松散四状态。 局限性：

11、无法考虑土颗粒级配的影响 第五节 土的物理状态指标（2）相对密实度法 为了考虑颗粒级配的影响，引入砂土相对密实度的概念。即用天然孔隙比e与该砂土的最松状态孔隙比emax和最密实状态孔隙比emin进行对比，比较e靠近emax或靠近emin，以此来判别砂土的密实度。第五节 土的物理状态指标（2）相对密实度法 相对密实度 Dr=0时，表示砂土的天然孔隙比接近最大孔隙比，砂土处于最松散状态Dr=1时，表示砂土的天然孔隙比接近最小孔隙比，砂土处于最密实状态 根据Dr值将砂土密实度划分为以下三种状态。 0.67Dr1， 密实； 0.33Dr0.67，中密； 0Dr0.33，松散。 由于砂土的原状土样很难取

12、得，天然孔隙比难以准确测定，故相对密实度的精度也就无法保证。目前，它主要用于填方质量的控制。第五节 土的物理状态指标（3）现场标准贯入试验法 建筑地基基础设计规范（GB50007-2019），以下均简称规范）采用未经修正的标准贯入试验锤击数N来划分砂土的密实度，见下表。N是用质量63.5kg的重锤自由下落76cm，使贯入器竖直击入土中30cm所需的锤击数，它综合反映了土的贯入阻力的大小，亦即密实度的大小。第五节 土的物理状态指标第五节 土的物理状态指标重型动力触探仪主要用于检测地基承载力，该试验设备主要由探头、触探杆及穿心锤3部分组成。触探杆一般采用直径42mm钻杆，穿心锤重63.5Kg，同时

13、附锤击数与地基承载力对照表。第五节 土的物理状态指标轻型动力触探仪（N10）该仪器主要是利用一定的锤击功能，对地基土作出工程地质评价。锤重 10kg10g 落高 500mm 贯入锤锤度 60 贯入锤角最大直径 40mm 便携式动力触探仪第五节 土的物理状态指标2. 碎石土的密实度 （1）重型圆锥动力触探锤击数N63.5 碎石土既不易获得原状土样，也难以将贯入器击入土中。对于平均粒径小于等于50mm且最大粒径不超过100mm的卵石、碎石、圆砾、角砾，规范采用重型圆锥动力触探锤击数N63.5来划分其密实度。注：表内N63.5为经综合修正后的平均值。 （2）野外鉴别方法 对于平均粒径大于50mm或最

14、大粒径大于100mm的碎石土，通过观察，根据骨架颗粒含量和排列、可挖性、可钻性将其密实度划分为密实、中密、稍密、松散。第五节 土的物理状态指标第五节 土的物理状态指标二、黏性土的物理特征 （一）概念 黏性土最主要的性质是土粒与水相互作用产生的稠度。它反映土粒之间连接强度随含水量高低而变化的性质。 稠度：是指土的软硬状态或土对受外力作用所引起变形或破坏的抵抗能力。第五节 土的物理状态指标（二）黏性土的界限含水量 同一种黏性土随其含水量的不同，而分别处于固态、半固态、可塑状态及流动状态。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。界限含水量的测定方法：塑限 ：搓条法（滚搓法）；液限 ：锥

15、式液限仪（如下图）。第五节 土的物理状态指标（二）黏性土的界限含水量 根据上图可以看出：土由可塑状态转到流动状态的界限含水量称为液限土由半固态状态转为可塑状态的界限含水量称为塑限土由半固态状态转为固态的界限含水量称为缩限第五节 土的物理状态指标第五节 土的物理状态指标第五节 土的物理状态指标液限、塑限联合测定法: 根据圆锥仪的圆锥入土深度与其相应的含水量在双对数坐标上具有线性关系的特性来进行。（三）粘性土的塑性指数和液性指数 1.塑性指数IppLpIww-=（省去%）第五节 土的物理状态指标 塑性指数越大，则土处在可塑状态的含水量范围越大，土的可塑性愈好。也就是说，塑性指数的大小与土可能吸附的

16、结合水的多少有关，一般土中粘粒含量愈高或矿物成分吸水能力越强，则塑性指数越大。规范用Ip作为黏性土与粉土的定名标准。第五节 土的物理状态指标 2. 液性指数IL 液性指数是指黏性土的天然含水量与塑限的差值和塑性指数之比。它是表示天然含水量与界限含水量相对关系的指标，反映黏性土天然状态的软硬程度，又称相对稠度。 p 建筑工程中将液性指数IL用作确定黏性土承载力的重要指标。规范按液性指数 的大小将黏性土划分为5种软硬状态。第五节 土的物理状态指标第五节 土的物理状态指标（四）黏性土的结构性和触变性 天然状态的黏性土通常都具有一定的结构性，当受到外来因素的扰动时，其结构破坏，强度降低，压缩性增大。土

17、的结构性对强度的这种影响，通常用灵敏度来衡量。式中： 原状土的无侧限抗压强度，kPa； 重塑土（含水量与密度不变）的无侧限抗压强 度，kPa。根据灵敏度的大小，可将粘性土分为低灵敏（1St2）、中灵敏（2St4）和高灵敏（St4）三类。 土体灵敏度越高，其结构性越强，受扰动后强度降低越多，所以在施工时应特别注意保护基槽，尽量减少对土体的扰动（如人为践踏基槽）。触变性： 粘性土的结构受到扰动后，强度降低。但静置一段时间，土的强度会逐渐增长，这种性质称为土的触变性。 第五节 土的物理状态指标触变性的机理：土中的颗粒、离子和水分子体系随时间而逐渐趋于新的平衡状态。例子：沉桩 先扰动土体，破坏桩侧土和

18、桩尖土的结构，降低阻力；沉桩完成后，土的强度可随时间部分恢复，桩的承载力增加。第五节 土的物理状态指标 在工程建设中经常要进行填土压实，例如路基、堤坝、挡土墙、平整场地以及埋设管道、建筑物基坑回填等。为了增加填土的密实度，提高其强度，减少沉降量，降低透水性，通常采用分层碾压、夯实和振动的方法来处理地基。土体能够通过碾压、夯实和振动等方法调整土粒排列，进而增加密实度的性质称为土的压实性。第六节 土的压实原理 工程实践表明，对于过湿的黏性土进行碾压或夯实会出现软弹现象（俗称橡皮土），土体不易被压实，对于很干的土进行碾压或夯实也不能充分夯实。因此，对应最佳的夯实效果，存在一个适宜的含水量大小。在一定

19、的压实功能作用下，使土最容易被压实，并能达到最大密实度时的含水量，称为土的最优含水量wop，相应的干密度则称为最大干密度dmax 。第六节 土的压实原理（一）击实试验 土的压实性可通过在实验室或现场进行击实试验来进行研究。室内击实试验方法如下：将同一种土配制成5份以上不同含水量的试样，用同样的压实功能分别对每一份试样分三层进行击实，然后测定各试样击实后的含水量w和湿密度，计算出干密度d，从而绘出一条w-d关系曲线，即击实曲线。如图。由图可知，在一定击实功能下，只有当含水量达到某一特定值时，土才被击实至最大干密度。含水量大于或小于此特定值，其对应的干密度都小于最大干密度。这一特定含水量即为最优含

20、水量wop。第六节 土的压实原理粘性土的击实曲线 第六节 土的压实原理（二）影响压实效果的因素 土的含水量、压实功能、土的性质。 1.土的含水量 试验统计证明：粘性土的最优含水量wop与土的塑限wp有关，大致为wop=wp+2（%）。土中粘土矿物含量大，则最优含水量越大。第六节 土的压实原理 2.压实功能 夯击的压实功能与夯锤的重量、落高、夯击次数以及被夯击土的厚度等有关；碾压的压实功能则与碾压机具的重量、接触面积、碾压遍数以及土层的厚度等有关。第六节 土的压实原理对于同类土： 压实功能，则最大干密度，而最优含水量。故，在压实工程中： （1）若土的含水量较小，则需选用夯实能量较大的机具，才能将

21、土压实至最大干密度。 （2） 在碾压过程中，如未能将土压至最密实程度，则需增大压实功能（选用功能较大的机具或增加碾压遍数等）。 （3） 若土的含水量较大，则应选用压实功能较小的机具，否则会出现“橡皮土”现象。第六节 土的压实原理 3.土的性质 土的颗粒粗细、级配、矿物成分和添加的材料等因素对压实效果有影响。颗粒越粗的土，其最大干密度越大，而最优含水量越小。 砂性土也可用类似粘性土的方法进行试验。干砂在压力和振动作用下，容易密实；稍湿的砂土，因有毛细压力作用使砂土互相靠紧，阻止颗粒移动，击实效果不好；饱和砂土，毛细压力消失，击实效果良好。第六节 土的压实原理（三）压实填土的质量指标 压实填土的质

22、量以压实系数c控制。压实系数为压实填土的控制干密度d与最大干密度dmax的比值，即 压实填土的最大干密度dmax宜采用击实试验或由现场试验来测定。 公路系统称为压实度 第六节 土的压实原理 当无试验资料时，最大干密度可按下式计算： 式中：dmax分层压实填土的最大干密度； 经验系数，粉质粘土取0.96，粉土取0.97； w水的密度； ds土粒相对密度（比重）； wop填料的最优含水量。当填料为碎石或卵石时，其最大干密度可取2.02.2t/m3。第六节 土的压实原理 压实填土的质量应根据结构类型和压实填土所在部位按下表的数值确定。第六节 土的压实原理 地基土（岩）分类的任务：根据分类用途和土（岩

23、）的各种性质的差异将其划分为一定的类别。本节的分类方法为地基规范分类法。 （一）岩石1. 定义：颗粒间牢固联结，呈整体或具有节理裂隙的岩体。 按成因分为：岩浆岩、沉积岩、变质岩。 按坚固性分为：硬质岩石、软质岩石。按岩石风化程度分为：微风化、中等风化、强风化。(4)按岩石完整程度分为：完整、较完整、较破碎、破碎、极破碎。第七节 地基土（岩）的工程分类第七节 地基土（岩）的工程分类（二）碎石土1. 定义：粒径d2mm的颗粒含量超过全重50%的土。2. 分类依据：土的粒组含量及颗粒形状。3. 定名：漂石或块石、卵石或碎石、圆砾或角砾。第七节 地基土（岩）的工程分类4工程性质常见的碎石土强度大，压缩

24、性小，渗透性大，为优良地基。其中：密实碎石土为优等地基； 中密碎石土为优良地基； 稍密碎石土为良好地基。 第七节 地基土（岩）的工程分类（三）砂土 1. 定义：粒径d2mm的颗粒含量不超过全重的50%，且粒径d0.075mm的颗粒超过全重50%的土。 2. 分类依据：粒组含量。 3. 定名：砾砂、粗砂、中砂、细砂、粉砂。 4、密实度：密实、中密、稍密、松散四状态。 第七节 地基土（岩）的工程分类第七节 地基土（岩）的工程分类5工程性质。（1）密实与中密状态的砾砂、粗砂、中砂为优良地基；稍密状态的砾砂、粗砂、中砂为良好地基。（2）粉砂与细砂要具体分析：密实状态时为良好地基；饱和疏松状态时为不良地

25、基。（四）粉土 1. 定义：粒径d0.075mm的颗粒含量不超过全重50%，且Ip10的土。 2. 组成：一般为砂粒、粉粒、粘粒的混合体。 3. 分类：根据粒径d1为松散状态，属软弱地基； 饱和稍密粉土，地震时易产生液化， 为不良地基。第七节 地基土（岩）的工程分类（五）粘性土 1. 定义：Ip10的土。 2. 分类依据：Ip 。 3. 定名：Ip17为粘土；10wL），天然孔隙比e1.5的粘性土。（2）淤泥质土：天然含水量大于液限（wwL）而天然孔隙比1.0e1.5的粘性土或粉土。（3）工程性质：压缩性高、强度低、透水性低，为不良地基。 第七节 地基土（岩）的工程分类2红粘土和次生红粘土 （

26、1）定义：为碳酸盐岩系的岩石经红土化作用形成的高塑性粘土。其液限wL一般大于50。红粘土经再搬运后仍保留其基本特征，其液限wL大于45的土为次生红粘土。（2）工程性质：强度高、压缩性低。上硬下软，具有明显的收缩性。3湿陷性土 浸水后产生附加沉降，其湿陷系数大于或等于0.015的土。根据上覆土自重压力下是否发生湿陷变形，可划分为自重湿陷性土和非自重湿陷性土。4膨胀土 土中粘粒成分主要由亲水性矿物组成，同时具有显著的吸水膨胀和失水收缩特性，其自由膨胀率大于或等于40%的粘性土。第七节 地基土（岩）的工程分类第七节 地基土（岩）的工程分类5多年冻土 是指土的温度等于或低于摄氏零度、含有固态水，且这种状态在自然界连续保持3年或3年以上的土。当自然条件改变时，产生冻胀、融陷、热融滑塌等特殊不良地质现象及发生物理力学性质的改变。本章小结 本章主要讨论了土的物质组成以及定性、定量描述其物质组成的方法，包括土的三相组成、土的三相指标、土的结构构造、粘性土的界限含水量、砂土的密实度和土的工程分类等。这些内容是学习土力学原理和基础工程设计与施工技术所必需的基本知识，也是评价土的工程性质、分析与解决土的工程技术问题时讨论的最基本的内容。1土的组成 （1）固体颗粒：颗粒的形状、大小、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。土的颗