土的物理性质及工程分类

10/10土的物理性质及工程分类课题:第一章土的物理性质及工程分类

一、教学目的：1.了解土的生成和工程力学性质及其变化规律；

2.掌握土的物理性质指标的测定方法和指标间的相互转换；

3.熟悉土的抗渗性与工程分类。

二、教学重点：土的组成、土的物理性质指标、物理状态指标。

三、教学难点：指标间的相互转换及应用。

四、教学时数：6学时。

五、习题：

第一章土的物理性质及工程分类

一、土的生成与特性

1.土的生成

工程领域土的概念：土是指覆盖在地表的没有胶结和弱胶结的颗粒堆积物，土与岩石的区分仅在于颗粒胶结的强弱，土和石没有明显区分。

土的生成:岩石在各种风化作用下形成的固体矿物、流体水、气体混合物。

不同风化形成不同性质的土，有下列三种：

（1）物理风化：只改变颗粒大小，不改变矿物成分。由物理风化生成土为粗粒土（如块碎石、砾石、砂土），为无粘性土。

（2）化学风化：矿物发生改变，生成新成分—次生矿物。由化学风化生成土为细粒土，具有粘结力（粘土和粘质粉土），为粘性土。

（3）生物风化：动植物与人类活动对岩体的破坏。矿物成分没有变化。

2.土的结构和构造

（1）土的结构

定义：土颗粒间的相互排列和联结形式称为土的结构。

1)种类：

单粒结构：每一个颗粒在自重作用下单独下沉并达到稳态。

蜂窝结构：单个下沉，碰到已下沉的土颗粒，因土粒间分子引力大于重力不再下沉，形成大孔隙蜂窝状结构。

絮状结构：微粒极细的粘土颗粒在水中长期悬浮，相互碰撞吸引形成小链环状土集粒。小链之间相互吸引，形成大链环，称絮状结构。

图土的结构

3）工程性质：

密实的单粒结构工程性质最好，蜂窝结构与絮状结构如被扰动破坏天然结构，则强度低、压缩性高，不可用做天然地基。

（2）土的构造

1）定义：同一土层中，土颗粒之间的相互关系。

2）种类：

层状结构：由不同颜色或不同粒径的土组成层理，一层一层互相平行。

分散构造：土粒分布均匀，性质相近，如砂与卵石层为分散构造。

结核状构造:在细粒土中混有粗颗粒或各种结核，属结核状构造。

裂隙状构造：土体中有很多不连续的小裂隙。

3）工程性质：分散结构的工程性质最好，结核状取决于细粒土，裂隙状渗透性大，工程性质差。

3.土的工程特性

(1)压缩性高

当应力数值相同，材料厚度一样时，卵石的压缩性为刚才压缩性的数千倍；饱和细沙的压缩性为C20混凝土的数千倍，足以证明土的压缩性极高。软塑或流塑状态的粘性土比饱和细沙的压缩性还要高。

(2)强度低

土的强度特指抗剪强度，而非抗压强度或抗拉强度。

无粘性土的强度来源于土粒表面滑动的摩擦和颗粒间的咬合摩擦；粘性土的强度出摩擦力外，还有粘聚力，均远小于建筑材料本身的强度。

(3)透水性大

土体颗粒间具有许多透水空隙，因此透水性比木材、混凝土都大，尤其是粗颗粒的卵石或砂土，其透水性更大。

4.土的生成与工程特性的关系

(1)搬运、沉积条件：冲积层优于风积层。

(2)沉积年代：沉积年代越长，工程性质越好。

(3)自然环境：特殊土地基。

二、土的三相组成

土的三相组成是指土由固体矿物、水和气体三部分组成。

1.土的固体颗粒

土的固体颗粒是土的三相组成中的主体，是决定土的工程性质的主要成分。

（1）土粒的矿物成分

1）原生矿物

由岩石经物理风化生成，它的成分与母岩的相同，常见的有石英，包括单矿物颗粒—一个颗粒为单一的矿物，如常见的石英、长石、云母、角闪石与灰石等，砂土即为单矿物颗粒；多矿物颗粒—一个颗粒中包含多种矿物，如巨粒土的漂石、卵石和粗粒土的砾石，往往为多矿物颗粒。

2）次生矿物

母岩经化学风化生成的新矿物，它的成分成分与母岩的完全不同。次矿物主要是粘土矿物，由两种种原子层构成：一种是Si-O四面体构成的硅氧晶片，另一种是Al-OH八面体构成的铝氢氧晶片。因为这两种晶片结合的情况不同，粘土矿物可分为下列三种：

图粘土矿物两种原子层

蒙脱石—两结构单元之间没有氢键，相互的联结弱，水分子可以进入量晶胞之间。因此，蒙脱石的亲水性最大，具有强烈的吸水膨胀、失水收缩的特性。

伊利石—又称水云母，部分Si-O四面体中的Si为Al、Fe所取代，损失的原子价由阳离子钾补偿。因此，晶格层组之间具有结合力，亲水性低于蒙脱石。

高岭石—晶胞之间有氢键，相互结合力较强，晶胞之间的距离不易改变，水分子不能进入。因此，高岭石的亲水性最小。

腐殖质：土中腐殖质含量多，使土的压缩性增大。有机质超过3%~5%的不宜作为建筑材料。

（2）土颗粒的大小和形状

通过界限粒径（划分粒组的分界尺寸）将土颗粒划分为6个粒组：粘粒（小于㎜）、粉粒（,）、砂粒（，2）、圆砾(角砾)（2，60）、卵石(碎石)/（60，200）、漂石(块石）（大于200mm）。通常粗粒土的压缩性低、强度高、渗透性大。表面粗糙抗剪强度越高。

（3）土的颗粒级配

粒径级配：土中各粒组的相对含量，占总质量的百分数。

1）筛分法：

适用于砾石类和砂类土，d>，主要设备为一套标准分析筛，孔径分别为20，10，5，，，，，。取样数量：d＜20mm，可取1000~2000g;d＜10mm，可取300~1000g;d＜2mm，可取100~300g;

震筛10~15min后称取各级筛底盘试样的质量。2）密度计法：

适用于粉土和粘性土，d＜，测定悬浊液读数。粒径级配曲线上：纵坐标10%所对应的粒径

称为有效粒径；纵坐标为60%所对应的

粒径60d称为限定粒径；60d与10d的比值称为不均匀系数uC，即

6010

ud

Cd=

不均匀系数uC为表示土颗粒组成的重要特征。当uC很小时曲线很陡，表示土均匀；当uC很大时曲线平缓，表示土的级配良好。

曲率系数cC为表示土颗粒组成的又一特征，cC按下式计算：

230

1060cdCdd=

?

式中30d为粒径级配曲线上纵坐标为30%所对应的粒径。

砾石和砂土级配uC≥5且cC=1~3为级配良好；级配不同时满足这两个要求则为级配不良。

2.土中水（1）结合水1）强结合水

排列致密、定向性强；密度>1g/cm3；冰点处于零下几十度具有固体的的特性；接近固体，不传递静水压力；温度高于100°C时可蒸发，粘土只含结合水时呈坚硬状态。

2）弱结合水：位于强结合水之外，电场引力作用范围之内；密度大；不传递静水压力（不应重力而移动）；有粘滞性。

自由水：离土粒较远，位于电场引力范围外，排列散乱。

重力水：位于地下水位以下，具有浮力作用，可从总水头较高处向较低处流动。毛细水：位于地下水位以上，受毛细作用上升，粉土中空隙小，毛细水上升高。（2）气态水：水汽，影响不大。（3）固态水:0℃以下自由水发生冻胀。3.土中气体

土颗粒中没有被水填充的部分为气体。

（1）自由气体：与大气连通，压缩逸出，对工程无影响。

（2）封闭气体：与大气隔绝，加载缩小，卸载膨胀，使土的渗透性降低。三、土的物理性质指标

1.土的三项基本物理性质指标（此三项均由实验室测定）（1）土的密度ρ和土的重度γ

1）物理意义：ρ为单位体积土的重量，3/gcm。

γ单位体积土所受的重力，即39,810,/gkNmγρρρ==≈。

2）表达式=m

V

ρ=

土的总质量土的总体积

3）常见值：331.6~2.2/,16~22/gcmkNcmργ==。

4）测定方法：环刀法（粘性土和粉土），灌水法（卵石、砾石与原状砂）。（2）土粒比重()ssGd

1）物理意义：土中固体矿物的质量与同体积4℃时的纯水质量的比值。

2）表达式：=4(4)(4)s

ssswwmVGρρρ==

固体颗粒的密度

纯水℃时的密度℃℃）3）常见值：砂土sG=~2,69，粉土sG=~,粘性土~，数值大小取决于矿物成分。4）

测定方法：比重瓶法；经验法。

（3）土的含水率ω

1）物理意义:土体中水的质量与固体矿物质量的比值，用百分数表示。2）表达式：=100%ws

mmω=

?水的质量

固体颗粒质量（）

3）常见值：砂土0%~40%ω=，粘性土20%~60%ω=，0ω≈，粘性土呈坚硬状态。4）测定方法：烘箱法。2.反映土的松密程度的指标（1）土的孔隙比e

1）物理意义：土中孔隙体积与固体颗粒体积之比。

2）表达式：=VS

VeV=

孔隙体积

固体颗粒体积

3）常见值：砂土0.5~1.0e=，粘性土0.5~1.2e=

4）确定方法：由Sρω

、G、实测值推算。

（2）土的孔隙度（孔隙率）n

1）物理意义：表示孔隙体积含量，土中空隙占总体积的百分比。

2）表达式：=100%V

VnV=?孔隙体积土体总体积

3）常见值：30%~50%n=

4）确定方法：由Sρω、G、实测值推算。3.反映土中含水程度的指标（1）含水率ω(前已述)（2）土的饱和度rS

1）物理意义：水在空隙中的充满程度。

2）表达式：=W

rV

VSV=水的体积孔隙体积

3）常见值：0~1rS=

4）确定方法：由Sρω、G、实测值推算。

5）工程应用：砂土和粉土以饱和度分为稍湿（＜）、很湿（~）、饱和（＞）三类。4.特定条件下土的密度（重度）（1）土的干密度dρ和土的干重度dγ

1）物理意义：干密度为单位体积土的质量，3/gcm。

2）土的干重度为单位体积干土所受的重力，即39.810/ddddgkNmγρρρ==≈。

3）表达式=s

dmV

ρ=

固体颗粒质量土的总体积

4）常见值：33

1.3~

2.0/;13~20/ddgcmkNcmργ==。5）工程应用：干密度或干重度越大，表明土体越密实，表明工程质量越好。6）测定方法：环刀法，放射性同位素测试仪。（2）土的饱和密度satγ和土的饱和重度satρ

1）物理意义：孔隙中全部充满水时单位体积土的质量，3/gcm。

孔隙中全部充满水时单位体积土所受的重力，即39.810/satsatsatsatgkNmγρρρ==≈。

2）表达式+m=swawsvw

satmVmVVV

ρρρ++==孔隙全部充满水的总质量土的总体积

3）

常见值：

33

1.8~

2.3/;18~23/sat

dgcmkNcmργ==。

（3）土的有效重度（浮重度）'γ

1）物理意义：地下水位以下土体单位体积土所受的重力扣除浮力。。

2）表达式'satwγγγ=-3）常见值：3'8~13/kNmγ=。

*有效密度：'ssw

mVV

ρρ-=

）延伸：各种密度和重度之间的大小关系

sdsatds

wvsatmVmVmVVρρρρρρρ?

=?

??

=?≥≥??+?=??天然密度：干密度：饱和密度：ddsatdsatsatsatwgggγργργγγγγργγγ=??

=?'?≥≥>?=??'=-?天然重度：干重度：饱和重度：浮重度：

规律总结：

（1）当设1sV=时，

(1)(1)1(1)1s

s

ssswswsvGGVmGmGVmGVVωωωωρ

ρ

++=?=?==?=+?=?=

-

（2）当设1V=时，

1111(1)(1)

swwsvSSVmmmVVVGGρωρρρρωωωω=?=?=

?==?=?=-++++四、土的物理状态指标1.无粘性土的密实度（1）孔隙比标准（同级配）（2）相对密度标准：

maxmaxmin

ree

Dee-=-（）

用rD指标可将土的密实程度分为：松散（rD2/3）

三种状态。

（3）贯入试验标准

一种现场原位测试试验：钢锤提升76cm高度贯入30cm所需锤击数N，反映贯入阻力的大小，亦即密实度的大小，将土分为松散（N30）。

2.粘性土的物理状态指标

无粘性土为单粒结构，土粒与土中水的相互作用不明显，但是粘性土颗粒很细，土粒与土中水相互作用明显，关系密切，同一种土随着含水率的增加土的状态变化为固态—半固态—可塑状态—液体状态，可见粘性土的主要物理特征并非非粘性土使用的指标，而是稠度（反映土粒间的联结强度随着含水率高低而变化的性质）。

（1）液限Lω（%）1）

定义

粘性土呈液态与塑态之间的分界含水率。2）测定方法：锥式液限仪：蝶式液限仪：（2）塑限Pω（%）1）

定义

粘性土半固态与塑态之间的分界含水率。2）测定方法：滚搓法

液塑限联合测定法（3）塑性指数PI1）

定义

液限与塑限的差值去掉百分数即为塑性指数。

()100

PLPIωω=-?（）

2）

物理意义

反映液塑限区间的大小，PI大，表明液塑区间大，吸附结合水多，但仍处于可塑状态，说明该土的粘粒含量高或者矿物成分吸水能力强。

3）

工程应用：可作为粘性土与粉土定名的标准（下节叙述）。

（4）液性指数LI

1）定义

天然含水率与塑限的差值和液限和塑限的差值之比，即

P

LLPIωωωω-=

-

（）

2）物理意义

天然含水率靠近液限还是靠近塑限，反映土的软硬不同。3）

工程应用

液性指数可以将土分为5中软硬不同的状态：坚硬（1）。

（5）活动度A1）定义

塑性指数与土中胶粒含量百分数的比值，

P

IAm=

（）

2）物理意义：反映粘性土中所含矿物的活动性。根据活动度的大小可将土分为3种：不活动粘土（A4）、

中灵敏土(2时发生流土。

2.渗透变形

渗透水流将土体细颗粒冲走、带走或局部土体产生移动导致的土体变形。

（1）流土：渗流作用下，局部土体表面隆起，或某一范围内土粒群同时发生悬浮、移动的现象。

防治措施：

垂直截渗：如坝体下混凝土防渗墙，改变渗透路径或隔水。

水平铺盖：坝体存水侧设置粘土铺盖。

排水减压：设置减压井或深挖排水槽。

下游加透水盖。

土层加固，如冻结法。

（2）管涌：渗流作用下，土的细颗粒在粗颗粒形成的空隙中移动，以致流失，最终导致土体中形成贯通渗流通道，形成土体塌陷。

防治措施：和防治流土措施基本相同。

七、地基土的工程分类

依据《建筑地基基础设计规范》的分类标准进行分类。

1.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称为岩石。

（2）分类

1）按坚硬程度划分：坚硬岩、较硬岩、较软岩、软岩、极软岩。

2）按分化程度划分：未风化、微风化、弱风化、强风化、全分化。

3）按岩石完整程度划分：完整、较完整、较破碎、破碎、极破碎。

2.碎石土

（1）定义

土的粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50%的土称为碎石土。

（2）分类依据

以颗粒形状与粒组含量为准。

（3）定名：

圆形和亚圆形为主的有漂石、卵石、圆砾；以棱角性为主的有块石、碎石、角砾。

（4）工程性质

1）密实碎石土：骨架颗粒含量大于总重的70%，呈交错排列，连续接触，优良地基。

2）中密碎石土：骨架颗粒含量大于总重的60%~70%，呈交错排列，大部分接触，优良地基。

3）稍密碎石土：骨架颗粒含量大于总重的55%~60%，排列混乱，大部分不接触，良好地基。

4）松散碎石土：骨架颗粒含量小于总重的55%，排列十分混乱，绝大部分不接触，良好地基。

3．砂土（1）定义：

土的粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50%且大于的颗粒超过全重的50%。（2）分类依据：粒径级配。

（3）定名：砾砂、粗砂、中砂、细砂、粉砂。（4）工程性质

1）密实与中密状态的砾砂为优良地基；稍密状态的砾砂、粗砂、中砂为良好地基。2）密实粉砂与细砂为优良地基；饱和疏松状态时为不良地基。4.粉土

（1）定义：

塑性指数10

PI≤且粒径大于的颗粒含量不超过全重50%的土。（2）定名：单一分类。

（3）工程性质：密实时为良好地基，饱和和稍密时地震容易液化，为不良地基。5.粘性土（1）定义：塑性指数10PI>。

（2）分类依据：塑性指数大小。

（3）定名：17PI>为粘土，1017PI>

已知某土样的土粒比重2.72SG=，孔隙比为，饱和度为。若将此土的饱和度提高到,则每1m3加多少水

解：已知3112.72,0.95,0.37,0.9,1SrrGeSSVm=====

0.95,0.37vsswrvvVeVVVSVV====

331.951,0.513svssVVVVmVm=+===

30.950.5130.487vVm=?=

310.370.370.4870.18wvVVm==?=320.90.90.4870.438wvVVm==?=321'0.4380.180.258vvVVVm=-=-=

加水质量'0.258258mVtkg===

一干砂试样的密度为g/cm3,土粒比重。将此干砂试样置于雨中，若砂样体积不变，饱和度增加到。计算此湿砂的密度和含水率。解：设V=1cm31.66,smVgρ==31.660.6152.70

sssmVcmG=

==310.6150.385vsVVVcm=-=-=

饱和度增加后：

30.60.3850.231wwrvmVSVcm===?=

31.660.2311.891/swm

mmgcmVρ=

=+=+=

0.231100%13.9%1.66

wsmmω=

?==今有一个湿土试样质量200g，含水率为%。若要制备含