第4物理性质及分类

第4章土的物理性质及分类4.1

概述4.2土的三相比例指标4.3

粘性土的物理特征4.4

无粘性土的密实度4.5

粉土的密实度和湿度4.6

土的胀缩性、湿陷性和冻胀性4.7

土的分类1.粒组及其划分粒度(粒径):土粒平均直径的大小.如何划分?定界限!4.1概述粘土细砂粗砂卵石碎石粘土如何分开?界限粒径d(mm)砾石砂粒粉粒粘粒胶粒6020.0750.0050.0020.250.5520粗

中

细粗

中

细0.075粗粒细粒巨粒60粒组(粒级):粒径大小相近,工程地质性质相近.4.1概述土粗粒土细粒土碎石土砂土粉土粘性土无粘性土粗粒土：土中粒径>0.075mm的质量超过全部质量的50%。细粒土：土中粒径>0.075mm的质量小于全部质量的50%。将粒径>2mm的质量超过50%的称为碎石土；将粒径＞2mm的质量小于50％，而大于0.075mm的质量超过50%的称为砂土；将大于0.075mm的质量小于50%的定为粉土或粘性土。气相（空气）固相（土颗粒）液相（水）++构成土骨架，起决定作用重要影响土体次要作用2、土的组成4.1概述4.1概述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。前者称为土的基本物理性质，主要研究土的密实程度和干湿状况；后者主要研究粘性土的可塑性、胀缩性及透水性等。

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，所以物理性质是土的最基本的工程特性。对种类繁多、性质各异的土，按一定的原则，进行分门别类，给出合适的名称，可以概略评价土的工程性质。2、土的物理性质指标的定义4.2.2土的三相比例关系图4.2.1指标的换算4.2.34.2土的三相比例指标4.2.1土的三相比例关系图气水土粒质量m体积Vms—土粒质量mw—土中水质量Vs—土粒体积Vw—土中水体积Va—土中气体积m（土的总质量）Vv（土中孔隙体积）V（土的总体积）4.2.2指标的定义气水土粒msmwmVsVwVVa质量m体积V1.三个基本的三相比例指标（实验室直接测定其数值）（1）土粒相对密度ds（土粒比重）：土粒质量与同体积的4℃时纯水的质量之比(无量纲）土粒相对密度变化范围不大：一般，砂类土2.65～2.69；粉性土2.70～2.71；粉质粘土2.72～2.73；粘土2.74～2.76。测定方法：比重瓶法ρs—土粒密度，单位体积土粒质量ρw1—纯水在40C时的密度，1g/cm3土中有机质含量增加，土粒相对密度减小：无机矿物2.6～2.8；有机质2.4～2.5；泥炭1.5～1.81.三个基本的三相比例指标（实验室直接测定其数值）比重瓶法dwT

—ToC时纯水或中性液体的比重。4.2.2指标的定义气水土粒msmwmVsVwVVa质量m体积V1.三个基本的三相比例指标（实验室直接测定其数值）（2）土的含水量ω：土中水的质量与土粒质量之比，以百分数表示测定方法：烘干法土的含水量是标志土含水程度的一个重要物理指标。天然土层含水量变化范围较大，与土的种类、埋藏条件及其所处的自然地理环境等有关。

4.2.2指标的定义1.三个基本的三相比例指标（实验室直接测定其数值）土的含水量称量盒质量m0；称量盒加湿土质量m1；称量盒加干土质量m2；4.2.2指标的定义气水土粒msmwmVsVwVVa质量m体积V1.三个基本的三相比例指标（实验室直接测定其数值）（3）土的密度ρ：单位体积土的质量（g/cm3)测定方法：环刀法一般情况下：粘性土ρ＝1.8～2.0g/cm3砂土ρ＝1.6～2.0g/cm3腐殖土ρ＝1.5～1.7g/cm3

4.2.2指标的定义1.三个基本的三相比例指标（实验室直接测定其数值）环刀的容积V=60cm3；环刀的质量m1；环刀和土的质量m2；土的密度确定：环刀法4.2.2指标的定义（1）干密度ρd：单位体积中固体颗粒部分的质量

（紧密程度）气水土粒msmwmVsVwVVa质量m体积VVv4.2.2指标的定义2.特殊条件下土的密度（2）饱和密度ρsat：土体中孔隙完全被水充满时的土的密度

（3）浮密度ρ：在地下水位以下，土单位体积内土粒质量与同体积水的质量之差

ρw≈ρw1=1g/cm34.2.2指标的定义2.特殊条件下土的密度土的三相比例指标中的质量密度指标共有4个，土的密度ρ，饱和密度ρsat，干密度ρd，浮密度ρ

(kg/m3),相应的重度也有4个，土的重度=ρg，饱和重度sat=ρsatg，干重度d=ρdg，浮重度

=ρ

g

(kN/m3)土单位体积的重力（即土的密度与重力加速度的乘积）称为土的重力密度，简称重度。各密度与重度指标，在数值上有如下关系：ρsat

≥ρ≥ρd>ρsat

≥

≥

d>气水土粒msmwmVsVwVVa质量m体积VVv4.2.2指标的定义3.描述土的孔隙体积相对含量的指标（1）孔隙比e：土中孔隙体积与土粒体积之比

（2）孔隙率n：土中孔隙体积与总体积之比，以百分数表示

孔隙比有小数表示。可以用来评价天然土层的密实程度。一般e<0.6的土是密实的低压缩性土，e>1.0的土是疏松的高压缩性土孔隙比与孔隙率之间的关系气水土粒msmwmVsVwVVa质量m体积VVv4.2.2指标的定义3.描述土的孔隙体积相对含量的指标（3）土的饱和度Sr：土中孔隙水的体积与孔隙总体积之比，以百分数表示饱和度描述土中孔隙被水充满的程度。干土Sr=0,饱和土Sr=100%。砂土根据饱和度分为三种状态:Sr≤50%稍湿；50％＜Sr≤80%很湿；Sr＞80%饱和气水土粒4.2.3指标的换算dsρw

Vs＝11+e质量m体积VVv=eωdsρw

ds（1＋ω）ρw

推导：假设：ρw1=ρw,Vs=1,则换算关系式：4.2.3指标的换算【例】某土样经试验测得体积为100cm3，湿土质量为187g，烘干后，干土质量为167g。若土粒的相对密度ds为2.66，求该土样的含水量ω、密度ρ、重度

、干重度d

、孔隙比e、饱和重度sat和浮重度

【解】第4章土的物理性质及分类4.1

概述4.2土的三相比例指标4.3

粘性土的物理特征4.4

无粘性土的密实度4.5

粉土的密实度和湿度4.6

土的胀缩性、湿陷性和冻胀性4.7

土的分类粘性土的物理状态指标4.3.2粘性土的可塑性及界限含水量4.3.1粘性土的活动度、灵敏度和触变性4.3.34.3粘性土的物理特征4.3.1粘性土的可塑性及界限含水量所谓可塑状态，当粘性土的含水量在某范围内时，可用外力塑成任何形状而不发生裂纹，并在外力移去时能保持既得的形状，土的这种性能叫可塑性。固态半固态可塑状态流动状态0粘性土从一种状态转变为另一种状态时的界限含水量，总称为阿太堡界限（Atterberg

limits)。缩限塑限液限土中半固态不断蒸发水分，则体积继续逐渐缩小，直到体积不再收缩时，对应土的界限含水量。用表示土由可塑状态转为半固态的界限含水量用表示土由可塑状态转为流动状态的界限含水量用表示注：界限含水量都以百分数表示（省去％符号）4.3.1粘性土的可塑性及界限含水量液塑限联合测定仪下沉深度为17mm所对应的含水量为液限;下沉深度为2mm处所对应的含水量为塑限

粘性土的物理状态指标4.3.2粘性土的可塑性及界限含水量4.3.1粘性土的活动度、灵敏度和触变性4.3.34.3粘性土的物理特征4.3.2粘性土的物理状态指标1.塑性指数塑性指数IP是液限和塑限的差值(省去%)，即土处在可塑状态的含水量变化范围说明：塑性指数的大小取决于土颗粒吸附结合水的能力,即与土中粘粒含量有关。粘粒含量越多,塑性指数就越高

在一定程度上，塑性指数综合反映了粘性土及其三相组成的基本特性。在工程上常按塑性指数对粘性土进行分类4.3.2粘性土的物理状态指标2.液性指数液性指数IL是粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比

说明：液性指数表征土的天然含水量与界限含水量间的相对关系。当IL≤0时,ω≤ωP,土处于坚硬状态;当IL＞1时,ω＞ωL,土处于流动状态；当IL在0～1之间时，ωP

<ω≤ωL,土处于可塑状态。根据IL值可以直接判定土的软硬状态

状态液性指数坚硬硬塑可塑软塑流塑IL≤00＜IL≤0.250.25＜IL≤0.750.75＜IL≤1IL＞1ωpωωL0ω-ωpωL-ωp4.3.2粘性土的物理状态指标3.天然稠度天然稠度ωc是指原状土样测定的液限和天然含水量的差值与塑性指数之比

说明：土的天然稠度可用于划分路基的干湿状态

4.3.2粘性土的物理状态指标【例】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%，问土的液性指数，塑性指数，处于什么状态？【解】塑性指数：液性指数：查表，1.0>IL>0.75，得土处于软塑状态。粘性土的物理状态指标4.3.2粘性土的可塑性及界限含水量4.3.1粘性土的活动度、灵敏度和触变性4.3.34.3粘性土的物理特征4.3.3粘性土的活动度、灵敏度和触变性1.粘性土的活动度活动度A是指塑性指数与粘粒（粒径<0.002mm的颗粒）含量百分数之比值

说明：活动度可以把塑性指数很接近，但性质差异比较大的土区分开来。如把塑性指数相近的高岭土（以高岭石类矿物为主的土，A=0.29）和皂土（以蒙脱石类矿物为主的土，A=1.11）区分开来。粒径<0.002mm的颗粒含量百分数不活动粘性土A<0.075正常粘性土0.075<A<1.25活动粘性土A>1.254.3.3粘性土的活动度、灵敏度和触变性2.粘性土的灵敏度土的灵敏度St是以原状土的强度与该土经过重塑（尺寸、密度和含水量不变，土的结构性彻底破坏）后的强度之比来表示说明：土的灵敏度愈高，其结构性愈强，受扰动后土的强度降低就愈多重塑试样的无侧限抗压强度，kPa根据灵敏度可将饱和粘性土分为：低灵敏（1<St≤2)、中灵敏（2<St≤4)和高灵敏（St>4)原状试样的无侧限抗压强度，kPa对于饱和粘性土的灵敏度St天然状态下粘性土通常都具有一定的结构性，受到扰动时，结构破坏，土的强度降低和压缩性增大4.3.3粘性土的活动度、灵敏度和触变性3.粘性土的触变性土的触变性是指当扰动停止后，土的抗剪强度随时间逐渐部分恢复的胶体化学性质联结特征原始粘聚力（电分子力）固化粘聚力（胶结物）扰动破坏（或部分）停止扰动原始粘聚力（部分恢复）固化粘聚力（短期无法恢复）土体强度部分恢复第4章土的物理性质及分类4.1

概述4.2土的三相比例指标4.3

粘性土的物理特征4.4

无粘性土的密实度4.5

粉土的密实度和湿度4.6

土的胀缩性、湿陷性和冻胀性4.7

土的分类4.4无粘性土的密实度4.4.1砂土的相对密实度

土的密实度指单位体积土中固体颗粒的含量。无粘性土的密实度与其工程性质有着密切关系。呈密实状态时，强度较大，是良好的天然地基；呈稍密、松散状态时则是软弱地基，尤其是饱和的粉、细砂，稳定性很差，易液化。相对密实度Dremax—砂土在最松散时的孔隙比emin—砂土在最密实时的孔隙比e—砂土在天然状态下的孔隙比当Dr=0时，e=emax

，表示土处于最疏松状态;当Dr=1.0时，e=emin

，表示土体处于最密实状态Dr≤1/3疏松状态1/3＜Dr≤2/3中密状态2/3＜Dr≤1密实状态优点：计入土的级配因素，理论上比较完善。缺点：天然孔隙比难以获取，且emax,emin的测定受人为的影响较大。4.4无粘性土的密实度4.4.2无粘性土密实度划分的其他方法（1）孔隙比e优点：简单方便缺点：要求采取原状砂样测定天然孔隙比密实度砾石、粗砂、中砂细砂、粉砂密实中密稍密松散e＜0.600.60≤e≤0.750.75＜e≤0.850.85＜e≤0.95e＞0.85e＞0.95e＜0.700.70≤e≤0.854.4无粘性土的密实度4.4.2无粘性土密实度划分的其他方法（2）砂土密实度按标准贯入击数Ｎ划分密实度按N评定砂土密实度松散稍密中密密实N≤1010＜N≤1515＜N≤30N＞30（3）碎石土密实度按重型动力触探击数划分密实度按N63.5评定碎石土密实度松散稍密中密密实N63.5≤55＜N63.5≤1010＜N63.5≤20N63.5＞20（4）碎石土密实度的野外鉴别4.4.3粘性土的活动度、灵敏度和触变性【例】某单位体积砂土试样,试验测定土粒相对密度ds=2.7,含水量ω=9.43%,天然密度ρ=1.66/cm3。已知砂样最密实状态时称得干砂质量ms1=1.62g,最疏松状态时称得干砂质量ms2=1.45g。求此砂土的相对密度Dr,并判断砂土所处的密实状态【解】砂土在天然状态下的孔隙比砂土最小孔隙比砂土最大孔隙比相对密实度∈（1/3,2/3]中密状态第4章土的物理性质及分类4.1

概述4.2土的三相比例指标4.3

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粉土的密实度和湿度4.6

土的胀缩性、湿陷性和冻胀性4.7

土的分类4.5粉土的密实度和湿度4.5.1粉土的概念砂土为粒径>2mm的颗粒含量不超过全重的50%,粒径>0.075mm的颗粒含量超过全重的50％的土；粉砂为粒径>0.075mm的颗粒含量不超过全重的85％、超过全重的50％的土；粉土为粒径>0.075mm的颗粒含量不超过全重的50％、塑性指数IP≤10的土

现行国标《建筑地基基础设计规范》（GB5007-2002)和《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001)中将土中粗粒粒组的下限粒径，也是（极细）砂粒粒组的下限粒径，定为0.075mm。避免了繁复的沉降分析法测定土粒粒径。

把颗粒级配中的极细砂粒（0.1～0.075mm)和粉粒（0.075～0.005mm）两粒组含量占绝大多数，土粒与土中水之间的相互作用，易于液化接近砂土的性质；又易于湿陷、冻胀接近粘土的性质，这类土定名为粉性土，简称粉土。3.5粉土的密实度和湿度4.5.2粉土的密实度和湿度

《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001)中规定，粉土密实度和湿度分别根据孔隙比e和含水量ω（％）划分，见下表：粉土密实度分类密实度孔隙比e稍密中密密实e>0.900.75≤e≤0.90e<0.75粉土湿度分类湿度含水量ω（％）稍湿湿很湿ω

<2020≤ω≤30ω>30第4章土的物理性质及分类4.1

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粉土的密实度和湿度4.6

土的胀缩性、湿陷性和冻胀性4.7

土的分类4.6土的胀缩性、湿陷性和冻胀性4.6.1土的胀缩性土的胀缩性是指粘性土具有吸水膨胀和失水收缩的两种变形特性膨胀土指粘粒成分主要由亲水矿物组成具有显著胀缩性的粘性土研究表明：自由膨胀率δef能较好地反映土中的粘土矿物成分、颗粒组成、化学成分和交换阳离子性质的基本特征。自由膨胀率δefV0—土样原有体积（ml）；Vw—土样在水中膨胀稳定后的体积（ml）自由膨胀率较小的膨胀土，膨胀潜势较弱，建筑物损坏轻微；自由膨胀率高的土，具有强的膨胀潜势，建筑物将遭到严重破坏4.6土的胀缩性、湿陷性和冻胀性4.6.2土的湿陷性土的湿陷性是指土在自重压力作用下或自重压力和附加压力综合作用下，受水浸湿后土的结构迅速破坏而发生显著附加下陷的特征研究表明：黄土的多孔隙结构特征及胶结物质成分（碳酸盐类）是产生湿陷性的内在原因。黄土湿陷系数δs(由室内固结试验测定)在固结仪中将原状试样逐级加压到实际受到的压力p，等它压缩稳定后测得试样高度hp,然后加水浸湿，测得下沉稳定后的高度h’p，h0为土样原始高度。δs<0.015时，定为非湿陷性黄土；δs≥0.015时，定为湿陷性黄土4.6土的胀缩性、湿陷性和冻胀性4.6.2土的冻胀性土的冰胀性是指土的冻胀和冻融给建筑物或土工建筑物带来危害的变形特性。冻土季节性冻土隔年冻土多年冻土冬季冻结，夏季融化

冬季冻结，１～２年不融化的土层

冻结状态持续３年或３年以上的土层

根据土名、冻前天然含水量、地下水位以及土的平均冻胀率η，可将季节性冻土与多年冻土季节融化层土分为五级，依次是：不冻胀、弱冻胀、冻胀、强冻胀、特强冻胀。平均冻胀率ηΔz—地表冻胀量（mm）zd—设计冻深（mm）h’—冻层厚度（mm）第4章土的物理性质及分类4.1

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土的胀缩性、湿陷性和冻胀性4.7

土的分类建筑地基土的分类4.7.2土的分类原则和标准4.7.1公路桥涵地基土的分类（了解）4.7.34.7土的分类公路基土的分类（了解）4.7.44.7.1土的分类原则和标准土的分类体系就是根据土的工程性质差异将土划分成一定的类别，目的在于通过通用的鉴别标准，便于在不同土类间作有价值的比较、评价、积累以及学术与经验的交流分类原则：1.简明的原则：土的分类体系采用的指标，既要能综合反映土的主要工程性质；又要测定方法简单，使用方便2.工程特性差异的原则：土的分类体系所采用的指标要在一定程度上反映不同类工程用土的不同特性4.7.1土的分类原则和标准1.巨粒土和粗粒土的分类标准巨粒土和含巨粒的土和粗粒土，按粒组含量、级配指标（Cu和Cc）和所含细粒的塑性高低，划分为16种土类。土类粒组含量土代号土名称巨粒土巨粒（d>60mm）含量75％～100％漂石粒(d>200mm)>50%B漂石漂石粒≤50％Cb卵石混合巨粒土巨粒含量<75%,>50%漂石粒>50%BSl混合土漂石漂石粒≤50％CbSl混合土卵石巨粒混合土巨粒含量15%~50%漂石粒>卵石粒（d＝60~200mm）SlB漂石混合土漂石粒≤卵石粒SlCb卵石混合土巨粒土和含巨粒的土的分类4.7.1土的分类原则和标准土类粒组含量土代号土名称砾细粒含量<5％级配：Cu≥5,Cc=1~3GW级配良好砾级配：不同时满足上述要求GP级配不良砾含细粒土砾细粒含量5％～15％GF含细粒土砾细粒土质砾细粒含量>15%,≤50%细粒为粘土GC粘土质砾细粒为粉土GM粉土质砾砾类土的分类（砾粒组含量>50%）土类粒组含量土代号土名称砂细粒含量<5％级配：Cu≥5,Cc=1~3SW级配良好砂级配：不同时满足上述要求SP级配不良砂含细粒土砂细粒含量5％～15％SF含细粒土砂细粒土质砂细粒含量>15%,≤50%细粒为粘土SC粘土质砂细粒为粉土SM粉土质砂砂类土的分类（砾粒组含量≤50%）1.巨粒土和粗粒土的分类标准4.7.1土的分类原则和标准2.细粒土的分类标准细粒土是指粗粒组（0.075<d≤60mm）含量少于25％的土。细粒土按塑性图进行细分－高液限粘土－低液限粘土－高液限粉土－低液限粉土图中液限为17mm液限4.7.1土的分类原则和标准2.细粒土的分类标准

若细粒土内粗粒含量为25％～50％，则该土属于含粗粒的细粒土。这类土的分类仍按塑性图进行划分：当粗粒土中砾粒组占优势时，称含砾细粒土，应在细粒土代号后缀代号G当粗粒土中砂粒组占优势时，称含砂细粒土，应在细粒土代号后缀代号S若细粒土内含部分有机质，则土名前加“有机质”，就在有机质细粒土的代号后缀以代号O建筑地基土的分类4.7.2土的分类原则和标准4.7.1公路桥涵地基土的分类（了解）4.7.37.7土的分类公路基土的分类（了解）4.7.44.7.2建筑地基土的分类1.按沉积年代和地质成因划分

《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）和《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）分类体系的主要特点是，在考虑划分标准时，注重土的天然结构特性和强度，并始终与土的主要工程特性－变形和强度特征紧密联系。按沉积年代划分:(1)老沉积土：第四纪晚更新世Q3及其以前沉积的土，一般呈超固结状态，具有较高的结构强度；(2)新近沉积土：第四纪全新世近期沉积的土，一般呈欠固结状态，结构强度很底。按地质成因划分:残积土、坡积土、洪积土、冲积土、湖积土、海积土、风积土和冰积土。4.7.2建筑地基土的分类2.按颗粒级配（粒度成分）和塑性指数划分(1)碎石土

粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50%的土称为碎石土土的名称漂石块石卵石碎石圆砾角砾颗粒形状圆形及亚圆形为主棱角形为主圆形及亚圆形为主棱角形为主圆形及亚圆形为主棱角形为主颗粒级配粒径大于200mm的颗粒含量超过全重50％粒径大于20mm的颗粒含量超过全重50％粒径大于2mm