土的性质与工程分类

1、第一章 土的性质与工程分类学习指导内容简介土的物理性质是指三相的质量与体积之间的相互比例关系及固、液二相相互作用表现出来的性质。土的物理性质在一定程度上决定了它的力学性质，其指标在工程计算中常被直接应用。土的工程分类应能反映土性质的变化规律。教学目标掌握土的基本物理性质、粘性土的稠度与可塑性、土的工程分类学习要求1、重点掌握土的各种物理性质指标的定义2、掌握影响各指标大小的因素及各指标的单位与常见值3、掌握各指标之间的关系及求取方法，熟悉各指标的实际应用4、了解土的透水性和土的结构5、了解土的各种工程特性6、熟悉工程分类中的土质分类原则及建设部的土质分类标准基本概念天然密度、土粒密度、含水量、

2、孔隙比、孔隙度、饱和度、容重、稠度、塑限、液限、塑性指数、液性指数学习内容第一节 土的基本物理性质第二节 土的结构第三节 土的水理性质第四节 粘性土的稠度与可塑性第五节 土的压实性第六节 土的工程分类第七节 特殊土介绍学时安排本章总学时数：6.5学时第一节 1.0学时第二节 1.0学时第三节 0.5学时第四节 0.5学时第五节 0.5学时1.0学时2.0学时主要教学内容第一节 土的基本物理性质土的基本物理性质是指三相的质量与体积之间的相互比例关系。一、土的三相图土的三相物质在体积和质量上的比例关系称为三相比例指标。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最基本的物理性

3、质指标，也是工程地质勘察报告中不可缺少的基本内容。可采用土的三相示意图使三相比例关系形象化和阐述方便。图 土的三相示意图V土的总体积，cm3； m土的总质量，g； Vs土中固体颗粒实体的体积，cm3； ms土的固体颗粒质量，g； Vv土中孔隙体积，cm3； mw土中液体的质量，g； Vw土中液体的体积，cm3； ma土中空气的质量，（ma=0）； Va土中气体的体积，cm3。二、三相基本试验指标土的密度、土粒密度、土的含水量三个指标可在实验室内直接测定，是实测指标，常称为土的三相基本试验指标。1.土的密度（天然密度）土的密度是指土的总质量与总体积之比，即单位体积土的质量，其单位是g/cm3，常

4、见值为1.62.2g/cm3（见下表）。工程实际中，常将土的密度换算成土的重度（），重度等于密度乘以重力加速度g，其单位是kN/m3，即：，土的密度常用环刀法测定。2.土粒密度（土粒比重）土粒密度是指固体颗粒的质量与其体积之比，即单位体积土粒的质量，其单位为g/cm3。土粒密度也称土粒比重（土粒相对密度），是指土的质量与4时同体积水的质量之比，其值与土粒密度相同，但没有单位，在用作土的三相指标计算时必须乘以水的密度值才能平衡量纲。土粒密度大小决定于土粒的矿物成分，与土的孔隙大小和含水多少无关，它的数值一般在2.62.8g/cm3之间（见表 ）。表 各种主要类型土的土粒密度土的种类砾类土砂类土粉

5、土粉质粘土粘土土粒密度（g/cm3）常见值2.652.752.652.702.652.702.682.732.722.76平均值2.662.682.712.74土粒密度常用比重试验法测定。3.土的含水量土中所含水分的质量与固体颗粒质量之比，以百分数表示，又称土的含水率。含水量通常以百分数表示，它是描述土的干湿程度的重要指标。土的天然含水量变化范围很大，从干砂的含水量接近于零到蒙脱石的含水量可达百分之几百。含水量常用烘干法测定。三、其它常用换算指标除了上述三个试验指标之外，还有六个可以计算求得的指标，称为换算指标，包括以下指标。1.表示土中孔隙含量的常用指标土中孔隙大小、形状、分布特征、连通情况

6、与总体积等，称为土的孔隙性。其主要取决于土的颗粒级配与土粒排列的疏密程度。实际上土的孔隙性指标一般反映的是土中孔隙体积的相对含量，主要有孔隙度和孔隙比两个指标。（1）孔隙度孔隙度又称孔隙率，指土中孔隙总体积与土的总体积之比，用百分数表示。土的孔隙度取决于土的结构状态，砂类土的孔隙度常小于粘性土的孔隙度。土的孔隙度一般为2752%。（2）孔隙比孔隙比指土中孔隙体积与土中固体颗粒总体积的比值，用小数表示。土的孔隙比说明土的密实程度，按其大小可对砂土或粉土进行密实度分类。如在岩土工勘察规范中，用天然孔隙比来确定粉土的密实度。e0.9为稍密的粉土。（3）孔隙比与孔隙度的关系2.表示土中含水程度的指标表

7、示土中水含量的指标除含水量外，还有饱和度。饱和度土孔隙中所含水的体积与土中孔隙体积的比值称为土的饱和度，以百分数表示。饱和度可以说明土孔隙中充水的程度，其数值为0100%，干土Sr=0；饱和土Sr=100%。3.表示土的密度和容重的指标（1）饱和密度土的孔隙完全被水充满时的密度称为饱和密度，是指土孔隙中全部充满液态水时的单位体积土的质量，即式中：w为水的密度（g/cm3），常近似取1.0g/cm3。（2）干密度干密度指土在干燥状态下的密度，在数值上等于单位体积中土粒的质量，即干密度的单位是g/cm3。土的干密度越大，土越密实，强度就越高，水稳定性也好。干密度常用作填土密实度的施工控制指标。在工

8、程中饱和密度或干密度乘以重力加速度g，分别变换为饱和重度或干重度，另外，处于地下水位以下的土层，如果土层是透水的，此时土受水的浮力作用，土的实际重量将减小，那么这种处于地水位以下的有效重度常特称为土的浮重度，即饱和重度与浮重度之间有关系，对于同一种土来讲，土的天然重度、干重度、饱和重度、浮重度在数值上有如下关系：四、指标之间的换算关系上述表示土的三相比例关系的指标一共有9个，即：土粒密度、天然密度、干密度、饱和密度、浮重度、含水量、饱和度、孔隙度、孔隙比。它们主要反映了土的密实程度与干湿状态，而且相互之间都有内在联系。土的三相指标之间可以进行换算，由于三个基本指标可以实测，因此，一般用它们来换

9、算其他指标。换算的一般方法是：第一种方法：第二种方法：三相比例指标之间可以建立相互换算关系，具体的换算公式可查阅换算表2-2，计算例题见例题。表2-2 三相比例指标之间的换算表指标名称三相比例定义式常用换算公式单位天然密度 g/cm3土粒密度sg/cm3干密度dg/cm3饱和密度satg/cm3浮重度kN/m3孔隙比e孔隙度n含水量 饱和度Sr例题某原状土样，经试验测得=1.85g/cm3, w=25%,s=2.70g/cm3,求d，e，n，Sr。 解法1：由三相图，根据各指标的定义式求解绘三相图如上，设得Vs=1.0cm31)确定三相组成的体积与质量2)按定义求其它各指标解法2：由指标之间的

10、变换关系式直接求解五、无粘性土的密实度无粘性土的密实程度用相对密度Dr来表示，式中：emax为最大孔隙比，即最疏松状态下的孔隙比；emin为最小孔隙比，即紧密状态下的孔隙比；e为天然孔隙比，即通常所指天然状态下的孔隙比。砂土的天然孔隙比界于最大和最小孔隙比之间，故相对密度Dr=01；当e=emax时，Dr=0，砂土处于最疏松状态；当e=emin时，则Dr=1，砂土处于最紧密状态。工程实际中，常用相对密度判别砂土的震动液化，或评价砂土的密实程度。按相对密度值可将砂土分为三种密实状态，实际上，由于砂土原状样不易取得，测定天然孔隙比较为困难，加上实验室测定砂土的与精度有限，因此计算的相对密度值误差较

11、大，在实际工程中，常用标准贯入测试来判定砂土的密实状态，见表2-3。表 用标贯击数判定砂土的密实状态第二节 土的结构土的结构是指组成土的土粒大小、形状、表面特征，土粒间的连结关系和土粒的排列情况，其中包括颗粒或集合体间的距离、孔隙大小及其分布特点。土的结构是土的基本地质特征之一，也是决定土的工程性质变化趋势的内在依据。土的结构与土的颗粒级配，矿物成分、颗粒形状及沉积条件有关。一、土粒间的连结关系土中颗粒与颗粒之间的连结主要有如下几种类型：1接触连结2胶结连结3结合水连结4冰连结二、土的结构类型1、粗粒土的结构粗粒土的结构主要为单粒结构。根据颗粒间的排列接触关系可分为松散结构和密实结构。2、细粒

12、土的结构粘土矿物一般呈片状。它们之间的接触方式主要有面-面、边-边、边-面三种基本类型。面对面的片状堆积结构称为分散结构或片堆结构（叠聚体）。以边-面、边-边联结的结构称为凝聚结构或片架结构（絮凝体）。3、两个相关概念：（1）土的灵敏度：以同一种土的原状土强度与经过重塑（含水量不变、土的结构彻底破坏）后的强度之比。（2）土的触变性：当扰动停止后，饱和粘性土的抗剪强度随时间而逐渐增大的性质。第三节 土的水理性质土的透水性就是指水在土孔隙中渗透流动的性能。水在土体孔隙中流动的现象称为渗流。土的渗透问题包括：渗透流量问题，渗透变形（或渗透破坏）问题，渗流控制问题等。一、土的渗透规律在层流状态下，土中

13、水的渗流速度与能量损失之间服从线性渗流规律即Darcy定律（1856）。该定律认为，渗出水量Q与圆筒过水断面积A和水力梯度I成正比，且与土的透水性质有关，其表达式为：或式中：v-渗透速度（cm/s）；k-渗透系数（cm/s）。渗透系数是反映土的透水性能的比例系数，是水力梯度为1时的渗透速度，其量纲与渗透速度相同。其物理含义是单位面积单位水力梯度单位时间内透过的水量。不同类型的土，其渗透系数不同，可查阅土的渗透系数参考值表。表 土的渗透系数参考表土类k（m/s）土类k(m/s)土类k(m/s)粘土粉质粘土粉土510-9510-910-8510-810-6粉砂细砂中砂10-610-5 10-551

14、0-5 510-5210-4 粗砂 砾石 卵石 210-4510-4 510-410-3 10-3510-3 1.砂土、粉土的渗透规律基本属于层流，故其渗透规律服从达西定律（见下图a ）。2.纯砾以上很粗的土的渗透规律水力梯度较大时，水在这类土中的流态已不再是层流，而是紊流。这时达西定律不适用，渗透速度与水力梯度之间的关系不再保持直线而变为次线性的曲线（见下图 b）。3.粘性土的渗透规律目前对饱和均质粘性土中水的渗透规律有着不同的认识。如图 c所示的渗透规律曲线可大致反映粘性土的渗透规律。 a-砂、粉土； b-纯砾以上很粗的土； c-粘性土图 土的渗透曲线二、渗透力流经土体的水流会对土颗粒和土

15、体施加作用力每单位土体内土颗粒所受的渗流作用力称为渗透力，用j表示。渗透力是一种体积力，单位为kN/m3，其大小和水力坡降成正比，方向与渗流方向一致。渗透力方向与重力方向一致时，渗透力对土骨架起渗流压密作用，对稳定有利；渗透力方向与重力方向相反时，渗透力对土骨架起浮托作用，对稳定不利。三、临界水力坡降当向上的渗流力克服了重力，土体就要发生浮起，俗称流土。此时的水力坡降就称为临界水力坡降，用icr表示，根据土骨架的静力平衡条件可推得：土的临界水力坡降取决于土的物理性质指标浮重度，由此可得四、渗透变形土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏称为渗透变形或渗透破坏。渗透变形的基本型式为流土和管

16、涌。1、流土 指在向上的渗透水流作用下，表层土局部范围内的土体或颗粒同时发生悬浮、移动的现象。判断流土的可能性2、管涌 指在渗透水流的作用下，土中的颗粒被水流逐渐带走，最终导致土体内形成贯通的渗流管道，造成土体坍塌的现象。一般粘性土只会发生流土，而不会发生管涌，属于非管涌土。无粘性土中粗颗粒构成的孔隙直径大于细颗粒的直径时，才可能让细颗粒在其中移动，这是发生管涌的必要条件无粘性土是否发生管涌的判别标准为（几何条件）： 发生管涌的水力条件： 表 发生管涌的条件第四节 粘性土的稠度与可塑性粘性土的稠度与可塑性是土粒与水相互作用后所表现出来的物理性质。一、粘性土的稠度状态粘性土因含水多少而表现出的稀

17、稠软硬程度，称为稠度。因含水多少而呈现出的不同的物理状态称为粘性土的稠度状态。土的稠度状态因含水量的不同，可表现为固态，塑态与流态三种状态。固态：含水量相对较少，粒间主要为强结合水连结（强结合水或固定层重叠），连结牢固，土质坚硬，力学强度高，不能揉塑变形，形状大小固定。塑态：含水量较固态为大，粒间主要为弱结合水连结（即弱结合水或扩散层重叠），在外力作用下容易产生变形，可揉塑成任意形状不破裂、无裂纹，去掉外力后不能恢复原状，即可塑性。流态：含水量继续增加、粒间主要为液态水占据，连结极微弱，几乎丧失抵抗外力的能力，强度极低，不能维持一定的形状，土体呈泥浆状，受重力作用即可流动。图 土中水与稠度状态

18、图件二、界限含水量稠度界限粘性土的稠度状态的变化是由于土中含水量的变化而引起的，粘性土由一种稠度状态转变为另一种稠度状态，相应于转变点（临界点）的含水量称为稠度界限（界限含水量）。工程上常用的有液性界限wL和塑性界限wp图 稠度界限与稠度状态关系图由固态转变到流态的界限含水量，称为塑性界限（塑限），由塑态转变到流态的界限含水量，称为液性界限（液限）。粉土的液限在3238%之间，粉质粘土为3846%，粘土为4050%。塑限常见值为1728%。粘性土的液限与塑限一般在室内进行测定，液限常采用锥式液限仪，塑限常采用搓条法。三、液性指数和塑性指数土处于何种稠度状态取决于土中的含水量，但是由于不同土的稠

19、度界限是不同的，因此天然含水量不能说明土的稠度状态。为判别自然界中粘性土的稠度状态，通常采用液性指数（IL）进行评价，即：表 按液性指数划分粘性土的稠度状态表液性指数ILIL00IL0.250.25IL0.750.751.00稠度状态坚硬硬塑可塑软塑流塑粘性土中含水量在液限与塑限两个稠度界限之间时，土处于可塑状态，具有可塑性，这是粘性土的独特性能。由于粘性土的可塑性是含水量界于液限与塑限之间表现出来的，故可塑性的强弱可由这两个稠度界限的差值大小来反映，这差值称为塑性指数IP 。即塑性指数越大，意味着粘性土处于可塑态的含水量变化范围越大，其可塑性就越强。所以在工程实际中直接按塑性指数大小对一般粘

20、性土进行分类，1994年国家标准岩土工程勘察规范按塑性指数IP将粘性土分为两类，IP17为粘土，17IP10为粉质粘土，IP10为粉土或砂类土。具体应用可参见例题。例题从某地基取原状土样，测得土的液限wL=47%，塑限wp=18%，天然含水量w=40%，问：1）地基土为何种土？2）该地基处于什么状态？ HYPERLINK /tulixue/COURSE/CHAPTER2/Chap2_1_3.htm l 123#123 解：1）由下式求塑性指数：根据1994年国家标准岩土工程勘察规范，Ip=2917，该土为粘土。2）根据下式求液性指数：查稠度状态表，1.0IL0.75，得土处于软塑状态。表 按液

21、性指数划分粘性土的稠度状态表液性指数ILIL00IL0.250.25IL0.750.751.00稠度状态坚硬硬塑可塑软塑流塑第五节 土的压实性土的压实是指土体在压实能量作用下，土颗粒克服粒间阻力，产生位移，使土中孔隙减小，密度增加。一、土的压实与含水量的关系土的含水量是影响填土压实性的主要因素之一。在低含水量时，水被土颗粒吸附在土粒表面，土颗粒因无毛细管作用而互相联结很弱，土粒在受到夯击等冲击作用下容易分散而难于获得较高的密实度。在高含水量时，土中多余的水分在夯击时很难快速排出而在土孔隙中形成水团，削弱了土颗粒间的联结，使土粒润滑而变得易于移动，夯击或碾压时容易出现类似弹性变形的“橡皮土”现象

22、，失去夯击效果。土的干密度 d是反映土的密实度的重要指标，它与土的含水量、压实能量和填土的性质等有关。将同一种土配置成不同含水量的土样后进行室内压实试验，可以获得如下图所示的含水量w与干密度 d 之间的关系曲线，称作击实曲线。二、最优含水量和最大干密度压实曲线表明，存在一个含水量可使填土的干密度达到最大值，产生最好的击实效果。将这种在一定夯击能量下填土最易压实并获得最大密实度的含水量称作土的最优含水量，用wop表示。在最优含水量下得到的干密度称作填土的最大干密度，用dmax表示。压实曲线表明，压实功能愈大，得到的最优含水量愈小，相应的最大干密度愈高 对于同一种土，最优含水量和最大干密度随压实功

23、能而变化 含水量超过最优含水量以后，压实功能的影响随含水量的增加而逐渐减小 第六节 土的工程分类一、工程分类的一般原则和类型基本原则是所划分的土类能反映土性质的变化规律。土的工程分类总起来可以归纳为三级分类第一级分类是成因类型分类，主要按土的成因和形成年代作为分类标准，如岩土工程勘察规范将土按堆积年代划分为三类：1. 老堆积土，第四纪更新世Q3及其以前堆积的土层；2.一般堆积土，第四纪全新世（文化期以前Q4）堆积的土层；3.新近堆积土，文化期以来Q4新近堆积的土层。第二级分类是土质类型分类，主要考虑土的物质组成（颗粒级配和矿物成分）及其与水相互作用的特点（塑性指标），按土的形成条件和内部连结，

24、将土划分为一般土和特殊土。第三级分类是工程建筑类型分类。主要考虑与水作用的特点（饱和状态、稠度状态、胀缩性、湿陷性等）、土的密实度或压缩固结特点将土进行详细的划分。土的第二级分类即土质分类考虑了决定土的工程地质性质的最本质因素，即土的颗粒级配与塑性特性，是土分类的最基本形式。二、岩土工程勘察规范分类法（GB50021-94）在实际工程应用中规定，土中粒径d0.075mm（有的规范用0.1mm）的土粒质量大于全部土粒质量的50%时称为粗粒土， 小于50%时称为细粒土。粗粒土包括碎石类土和砂类土，按粒径级配进一步细分。细粒土包括粉土和粘性土，多用塑性指数Ip或液限wL加塑性指数Ip进行细分。1.碎石类土碎石类土是粒径大于2mm的颗粒含量超过50%的土。表 碎石类土分类表2.砂类土砂类土是粒径大于2mm的颗粒含量不超过50%，粒径大于0.075mm的颗粒含量超过50%的土。表 砂类土分类表3.粉土粉土是粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过50%，塑性指数Ip小于或等于10的土。表