模块1-土的物理性质及工程分类课件

模块1

土的物理性质及地基岩土的分类对土的特点进行详细解释和定量描述土的物理性质及工程分类土：地球表面的岩石经过风化、搬运、沉积而

形成的松散堆积物。由于形成的年代较短，

又称为第四纪沉积物。风化岩石地球颗粒堆积物地球土的形成，什么是土？成岩搬运、沉积任务1土的成因生物风化物理风化化学风化量变无粘性土原生矿物质变粘性土次生矿物动植物的活动1)风化作用有机质岩石受各种气候和温度因素的影响产生胀缩而发生裂缝,或在运动过程中因碰撞和摩擦而破碎岩石和碎散的颗粒受环境因素的作用而改变其矿物的化学成分，形成新的矿物地表地质作用2)搬运与沉积残积土无搬运运积土有搬运母岩表层经风化作用破碎成岩屑或细小颗粒后，未经搬运残留在原地的堆积物风化所形成的土颗粒，受自然力的作用搬运到远近不同的地点所沉积的堆积物地表地质作用特点:

颗粒表面粗糙、多棱角、粗细不均匀。洪积土（物、层）断面特点:

有一定的分选性，搬运距离近的沉积物颗粒较粗；搬运距离远的沉积物颗粒较细。作用力：

暴雨或山洪洪积土地表地质作用

冲积土特点:

由于经过较长时间的搬运，浑圆度和分选性更为明显。山区河谷断面示例作用力：

河流流水地表地质作用敦煌雅丹国家地质公园雅丹地貌——典型风蚀作用地貌地表地质作用1.土是如何产生的?2.土由哪几部分组成?气相固相液相++构成土骨架，起决定作用重要影响土体次要作用思考土粒二相土饱和土固相液相干土固相气相任务2土的组成一、土的固体颗粒（固相）物理状态力学特性颗粒形状矿物成分颗粒级配土的组成1.土粒的矿物成分原生矿物次生矿物

在物理风化作用下，土粒保持与成土原岩相同的矿物成分。

如：长石、石英、云母颗粒

在化学风化作用下，由于改变了成土原岩原来的矿物成分，形成了新矿物。主要是黏土矿物。如：蒙脱石、伊利石、高岭石土的组成黏土矿物粒径比表面积胀缩性渗透性强度压缩性大10-20m2/g小大大小中80-100m2/g中中中中小800m2/g大小小大比表面积：单位质量土颗粒所拥有的总表面积9克蒙脱土的总表面积大约与一个足球场一样大土的组成高岭石伊利石蒙脱石粒度（径）土粒的大小粒组

按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类界限粒径划分粒组的分界尺寸dmm卵石圆砾砂粒粉粒黏粒2020.0050.250.5510粗

中

细粗

中

细0.075粗粒土细粒土土粒粒组的划分（GBJ145-90)200块石巨粒土0.1极细

细粗0.01碎石漂石角砾土的组成2.土的颗粒级配土的组成可以用表或曲线来表示

颗粒级配曲线：根据颗粒分析结果求出各粒组的含量占全部土粒重量的百分比，然后按小颗粒至大颗粒计算累积百分含量，用半对数坐标绘制成颗粒级配累积曲线。

颗粒级配的测定1.筛分法（粒径大于0.075）利用一套孔径由大到小的筛子，将按规定方法取得的一定质量的干试样放入一次叠好的筛中，置振筛机上充分振摇后，称出留在各级筛上的土粒的质量，然后计算出小于某土粒粒径的土粒含量百分数（％）。

土颗粒分析试验结果的表达方式105.02.01.00.50.250.075200g10g16g18g24g22g38g72g1009080706050403020100小于某粒径之土粒质量百分数P（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)P%958778665536土的颗粒级配累积曲线水分法累积质量百分数粒径(mm)0.050.010.005累积质量百分数P(%)2613.510土的组成筛分法颗粒级配颗粒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；3）不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度：Cu≥5，不均匀土；Cu<5,均匀土。2）颗粒分布情况用于大致判定土的均匀程度：

曲线平缓，粒组分布范围广，土颗粒不均匀；曲线较陡，粒组分布较集中，土颗粒均匀。土的组成4）不均匀系数Cu越大，表示土粒越不均匀，说明

级配越好，适宜作为填方土料；Cu越小,表示

土粒越均匀，说明级配不好，不宜作为填料。【例题1.1】如例图1.1所示A、B、C为三种用不同粒径曲线所代表的土。试求A、B土中的砂粒、粉粒、粘粒粒组的含量各占多少?不均匀系数Cu各为多少?并对各曲线所反映的土的级配特性进行分析。土的组成例图1.1颗粒级配累积曲线【解】

土的组成因为A土不均匀系数Cu小于5，土粒均匀，级配不好。土的组成因为B土不均匀系数Cu大于5，土粒分布不均匀，故级配良好。结合水吸附在土颗粒表面的水自由水结合水膜之外的水

二、土中水（液相）1.土中水的存在形态

天然土体中常含有一定数量呈液态、固态或气态的水。一般土需研究液态水，冻土还需研究固态水的含量。土中气态水，对土的性质影响不大，通常不作重点研究。土的组成2.土中水的分类结合水

自由水

强结合水(强束缚水或吸着水)

紧附于矿物颗粒表面。

弱结合水

是在强结合水外围形成的一层结合水膜。

重力水

重力水可以在土孔隙中自由流动

毛细水受到水和空气交界面处表面压力的作用，存在于地下水位以上的透水层中自由水土的组成结合水

排列致密、定向性强具有固体的的特性有较大的抗剪强度强结合水外力作用下可以挤压变形不因重力而移动，有黏滞性弱结合水土的组成

弱结合水对黏性土的影响很大。砂土可认为不含弱结合水！自由水重力水毛细水土的组成

存在于地下水位以下的透水土层中。它是在重力或水头压力作用下运动的自由水，对土粒及结构物具有浮力作用。重力水对土中的应力状态和开挖基槽、基坑以及修筑地下构筑物时所应采取的排水、防水措施有重要的影响。

存在于地下水位以上的透水土层中。是土细小孔隙中受到水与空气交界面处表面张力作用的自由水。当土中有毛细水时，毛细水的弯液面与土粒接触面处的表面张力反作用于土粒，形成毛细压力，使得土粒相互挤紧，因而使无黏性的砂土表现出具有粘聚力（称为假粘聚力）。土的组成土粒土粒弯液面表面张力在工程中应注意毛细水的上升对建筑的影响，如使地基湿润，降低强度，增加变形；寒冷地区土产生冻胀以及基础和地下设施的防潮。当土中有毛细水时，毛细水的弯液面与土粒接触面处的表面张力反作用于土粒，形成毛细压力，使得土粒相互挤紧，因而使无黏性的砂土表现出具有粘聚力（称为假粘聚力）。土的组成土粒土粒弯液面表面张力在工程中应注意毛细水的上升对建筑的影响，如使地基湿润，降低强度，增加变形；寒冷地区土产生冻胀以及基础和地下设施的防潮。自由气体：与大气连通，对土的性质影响不大

在粗粒土中常可见与大气相连通的空气，在受力时，气体能很快从孔隙中逸出，一般不影响土的性质。封闭气体：增加土的弹性；阻塞渗流通道

在细粒土中，常存在与大气不相连通的封闭气泡，在土体受压时，气体体积缩小，卸荷后体积又恢复，这使土的弹性变形增大而透水性减小。三、土中气体（气相）土的组成易形成橡皮土，对土的压实不利

土有三个组成部分：固相、液相和气相

小结1.固体颗粒2.土中水3.土中气体矿物成分颗粒级配结合水(强结合水、弱结合水)自由水(重力水、毛细水)自由气体封闭气体土的组成四、土的结构1、概念土的结构是指土体中土粒相互的排列与连接。它与土的矿物成分、颗粒形态和沉积条件有关。2、分类一般土的结构可归纳为三种基本类型。

土的组成（a）单粒结构（b）蜂窝结构（c）絮状结构

①、单粒结构（＞0.075mm）

土的单粒结构粗颗粒土在水中或空气中下沉而成的。为碎石土和砂类土的结构特征。特点：土粒间的分子吸引力很小，颗粒几乎没有联结。密实的单粒结构工程性质最好

土的组成②、蜂窝结构（0.075~0.005mm）土的蜂窝结构当土颗粒较细，在水中单个下沉，碰到已沉积的土粒，由于土粒之间的分子吸力大于颗粒自重，则土粒被吸引不再下沉，逐渐形成土粒链，土粒链组成弓架结构，形成很大孔隙的蜂窝状结构。特点：孔隙大，高水平荷载作用下，结构破坏，易导致严重的地基沉降。土的组成③、絮状结构（＜0.005mm）

土的絮凝结构粒径小于0.005mm的粘土颗粒，在水中长期悬浮并在水中运动时，形成小链环状的土集粒而下沉。这种小链环碰到另一小链环被吸引，形成大链环状的絮状结构。特点：不稳定的，随溶液性质的改变或受到震荡后可重新分散。蜂窝结构和絮状结构如果受到扰动则天然结构破坏，强度降低，不可作为天然地基

土的组成土的三相指标（物理性质指标）土的物理状态粗粒土的松密程度粘性土的软硬状态土的物理性质指标(三相间的比例关系)力学特性影响表示基本方法:三相草图法土的三相指标任务3土的三相比例指标三相草图水气土粒VaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积

为了研究土粒、水和空气这三相在数量上的相互关系，我们设想把土体的各相分别集中在一起，用三相图来直观地表示三相物质在体积和质量上的相对关系。土的三相指标指标的定义三相草图水气土粒VaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积已知关系五个:共有九个参数:

V

Vv

Vs

Va

Vw

ms

mw

ma

m三相草图法是一种简单而实用的方法土的三相指标一.土的三相基本指标----土的天然密度、土粒相对密度（土粒比重）、土的含水量三项指标，是由实验直接测定的，称为基本指标。水气土粒VaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积1.土的天然密度ρ和天然重度γ土的重度工程上更常用,用于计算土的自重应力单位:国内工程中常用g/cm3或国际上常用kg/m3

单位:

kN/m3

定义:

土单位体积的质量表达式:三相草图有助于直观理解物性指标的概念土的三相指标土的密度定义:

单位体积土所受的重力表达式:密度测定方法环刀法：

适用于黏性土、粉土。灌水法：适用于卵石，砾石，砂等无黏性土。

常见值：砂土：1.6～2.0g/cm3；粘土:1.8～2.0g/cm3

；腐殖土：1.5～1.7g/cm3。

意义：综合反映了土的物质组成和结构特征。WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积2.土粒相对密度（比重）ds单位:

无量纲土粒比重一般范围:

粘性土2.72~2.75砂土2.65~2.69－纯水在4˚C时的密度=1.0g/cm3定义:

土粒的质量与同体积的4˚C时纯水的质量的比值表达式:测定方法：土粒比重常用比重瓶法测定。

土的三相指标WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积3.土的含水量w定义:

土中水的质量与土粒质量之比,

用百分数表示注意:

含水量反映了土的湿度,表示土中所含水分多少。黏性土的含水量越大，压缩性越大，强度越低。表达式:测定方法：含水量通常采用烘干法测定。

土的三相指标常见值：砂土w=(0～40)%；黏性土w=(20～60)%。1）土的孔隙比孔隙比e孔隙率n二、计算指标在某种程度上反映土的松密常见值：砂类土e：0.5~1.0粘性土e：0.5~1.2

定义:土中孔隙体积与固体颗粒

体积之比，用小数表示表达式:WaterAirSoilVaVwVsVvV体积定义:土中孔隙体积与总体积

之比,用百分数表示表达式:土的三相指标1.反映土的松密程度的指标2）土的孔隙率2.反映土中含水程度的指标1)含水量w2)饱和度Sr(%)WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积表达式:定义:土中水的体积与孔隙体积的比值饱和度表示孔隙中充满水的程度Sr=0:

干土Sr=1:

饱和土实际工程中对砂土湿度的划分:Sr≤50%稍湿

50%<Sr≤80%

很湿80%<Sr

≤100%饱和土的三相指标3.表示土中密度和重度的指标天然密度干密度天然重度干重度WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积单位:kg/m3

或g/cm3单位:kN/m3

定义:

土被完全烘干时的密度,

等于单位体积内土粒的质量

表达式:土的三相指标1）天然密度ρ和天然重度γ2）干密度ρd和干重度γd定义:

土被完全烘干时，单

位体积土粒所受的重力表达式:土的三相指标饱和密度浮重度有效重度饱和重度定义:

土中孔隙充满水时的单位体积质量表达式:定义:

地下水位以下的土，扣除浮力后单位体积

土所受的重力，称为有效重度（浮重度）表达式:3）饱和密度ρsat和饱和重度γsat4）有效重度γ′（或称浮重度）定义:

土中孔隙充满水时单位体积内所受的重力表达式:各种密度重度之间的大小关系：天然密度干密度饱和密度天然重度干重度浮重度饱和重度WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积浮密度土的三相指标为计算方便，可采用简单的填图法。图1.10三相草图三、指标间的换算关系令Vs=1,由则Vv

=

eVs

=1Vv

=

e有V

=

1+eV

=

1+e由则ms

=Vsρwds=ρw

ds

ms

=

dsρw

由则mw

=

wms=wρwds

mw

=

wdsρw

有m=

ms+mw=（1+w）ρw

dsm=（1+w）dsρw

土的三相指标将e移至等式左端,则有由Vw

=

mw／ρw土的三相指标Vs

=1Vv

=

eV

=

1+e

ms

=

dsρw

mw

=

wdsρw

m=（1+w）dsρw

土的三相指标Vs

=1Vv

=

eV

=

1+e

ms

=

dsρw

mw

=

wdsρw

m=（1+w）dsρw

三相比例指标换算公式见教材P14~15表1-4要点从物理意义上理解指标间的关系不鼓励死记硬背必要时利用三相草图推导土的三相指标土的三相指标例1、用体积为72cm3的环刀取得某原状土样

重132g，烘干后土重122g，若ds=2.72，

试计算该土样的ρ

、e

、

w

、Sr

。

例2、已知土样的ρ＝1.89g／cm3，w＝18.4%，

ds＝2.7，试计算该土样的e

、

n

、Sr

。

小结物理性质指标土的三个组成相的体积和质量上的比例关系密实程度干湿程度……特点:指标概念简单，数量很多要点：名称、概念或定义、符号、表达式、单位或量纲、常见值或范围、联系与区别定义基本方法:三相草图法室内测定的三个物理性质指标土的密度、土粒相对密度、土的含水量三相草图有助于直观理解物性指标的概念其它常用的物理性质指标表示土中孔隙含量的指标表示土中含水程度的指标表示土中密度和重度的指标三相草图可用于确定物性指标之间的关系三相草图法是求取物理性质指标的简单而有效的方法土的三相指标密实度如何衡量?单位体积中固体颗粒含量的多少优点：简单方便缺点：不能反映级配的影响只能用于同一种土对策1)按天然孔隙比e确定无黏性土是指碎石、砂等粗粒土，由于颗粒间无黏性，所以土的密实程度直接影响其工程性质。2)按相对密实度Dr确定土的三相指标任务4无黏性土密实度一、砂土的密实度e<0.6时，属于密实砂土，强度高，压缩性小e>0.95时，属于松散状态，强度低，压缩性大emax:最大孔隙比；将松散的风干土样通过长颈漏斗轻轻地倒入容器，避免重力冲击，求得土的最小干密度再经换算得到最大孔隙比emin:最小孔隙比；将松散的风干土样装入金属容器内，按规定方法振动和锤击，直至密度不再提高，求得土的最大干密度再经换算得到最小孔隙比emax与emin：最大与最小孔隙比注意：室内测得理论上的最大与最小孔隙比有时很困难相对密实度２)无黏性土的密实度粗粒土的密实状态指标

判别标准：Dr

=1最密状态

Dr

=0最松状态

Dr≤1/3松散状态1/3<

Dr≤2/3中密状态

Dr>2/3密实状态相对密实度无黏性土的密实度1--穿心锤2--锤垫3--触探杆4--贯入器头5--出水孔6--贯入器身7--贯入器靴标准贯入试验用卷扬机将质量为63.5Kg的穿心锤，提升到76cm的高度，让钢锤自由落下去击在锤垫上，是贯入器灌入30cm所需的锤击数3）以标准贯入试验锤击数N确定标准贯入试验(SPT)无黏性土的密实度我国现行《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)采用标准贯入试验锤击数N来评价砂类土的密实度。根据N可将砂土分为：锤击数NN≤1010<N≤1515<N≤30N>30密实度松散稍密中密密实该试验的应用主要有评定砂土的相对密度、评定地基土承载力、估算单桩承载力等。无黏性土的密实度二、碎石土的密实度碎石土:重型圆锥动力触探试验的锤击数N63.5(见P17表1-6)塑限wp液限wL界限含水量黏性土的稠度反映土中水的形态固态或半固态可塑态

流态

强结合水膜最大出现自由水强结合水弱结合水自由水稠度状态含水量土中水的形态w任务5黏性土的稠度稠度是指土的软硬程度，反映了土粒之间的连结强度随着含水量高低而变化的性质。

使土刚好能够转变形态的含水量；即从一种状态转变为另一种状态的分界含水量。

一.黏性土的界限含水量1)液限定义：土呈流动状态的最低含水量称为液限，液限即为流动状态与可塑状态的界限含水量，也是可塑状态的上限含水量。用符号wL表示测定方法：液限可采用碟式液限仪或锥式液限仪测定。2)塑限定义：土呈可塑状态的最低含水量为土的塑限，它既是可塑状态与半固态的界限含水量，也是半固态的上限含水量。用符号wp表示。测定方法：在国内常用搓条法测定塑限。

3)缩限定义：土的缩限是指黏性土随含水量的减少，体积开始不变时的含水量，即半固态与固态的界限含水量，用符号ws表示。

界限含水量黏性土的稠度图1-13入土深度与含水量的关系制备3个不同含水量的试样，测定圆锥仪在15秒时的下沉深度，测定此时的含水量，在双对数坐标纸上绘出圆锥下沉深度和含水量的关系直线。当下沉时间为5s时，深度17mm，对应的含水量为液限，2mm对应的含水量为塑限。

液、塑限联合测定法黏性土的稠度测定方法黏性土的稠度液塑限联合测定仪黏性土的可塑性

当土在一定条件下，因受外力作用被塑造或搓揉成任意形状而不产生裂缝,且当外力移去后，仍能保持既得形状的性能,称为土的可塑性。可塑性塑性指数：液限与塑限之差地基规范规定用塑性指数作为黏性土划分的标准。塑性指数表示黏性土呈可塑状态时含水量的变化范围。工程应用

－－－－塑性指数与黏性土中土粒的组成、粘粒的含量及矿物成分有关。土粒越细，含量越高，则其比表面积就越大，此时粘性土中结合水含量就越高，塑性指数就会随之增大。从矿物成分看，粘土中蒙脱石含量越多，塑性指数会急剧增大。黏性土的稠度二、黏性土的塑性指数Ip对于不同的黏土，含水量相同，稠度可能不同液性指数不同的黏土，wp、wL

大小不同定义：wPwwLIL<0IL=0~1IL>1坚硬状态可塑状态流态0.00~0.250.25~0.750.75~1.00硬塑可塑软塑液性指数w粘性土的稠度三、黏性土的液性指数IL天然含水量与塑限的差值和液限与塑限差值之比例３已知某土样的w=40%，wL=47%，