第1章：土的基本物理性质及分类

第1章土的物理性质及分类§1.1概述§1.2土的组成§1.3土的三相比例指标§1.4无粘性土的密实度§1.5粘性土的物理特征§1.6土的击实性§1.7地基土的工程分类

掌握土的物理性质和土的物理性质指标计算方法，掌握土的工程分类方法。土的特理性质及分类学习目标1．了解土的成因和组成2．掌握土的物理性质指标3．熟练掌握无粘性土和粘性土的物理性质4．了解土的结构性和击实性5．掌握土的工程分类原则，土的类别与其工程特性的关系学习基本要求

土是各种矿物的岩屑的松散集合体。是固、液、气组成的三相松散介质。

基岩土体固体颗粒（>0.01mm)骨架粘土矿物（<0.005mm)胶结物充填物液体和气体§1.1概述风化、剥蚀、搬运、沉积土的特理性质及分类土具有这种特殊的结构，研究其工程地质性质不同于固体力学，也不同于流体力学。土颗粒的大小、形状、排列方式、颗粒间的胶结物种类和胶结程度、孔隙大小、排列方式、含水量的大小都与土的工程性质存在密切的关系，下面分别从这几个方面来讲述土的性质。因此，要研究土的性质就必须了解土的三相组成以及在天然状态下土的结构和构造等特征。土的特理性质及分类土的三相组成物质的性质，相对含量以及土的结构构造等各种因素通过土的物理性质（土的轻重、松密、湿干、软硬等）反映，土的物理性质在一定程度上决定了它的力学性质，所以物理性质是土的最基本的工程性质。土的特理性质及分类处理与土相关的工程问题和进行土力学计算时：知道土的物理特性指标及其变化规律，了解各类土的特性，掌握各物理特性指标的测定方法以及三相比例指标间的相互换算关系，熟悉土的分类方法。土的特理性质及分类土的特理性质及分类§1.2土的组成(soilcomposition)

一、土的固体颗粒(solidparticle)1、土的矿物成分原生矿物:石英、长石、云母。化学性质较稳定，抗水和抗风化能力较强，亲水性弱（较弱）对土性质的影响主要由其本身的性质反映出来。次生矿物:原生矿物经风化作用后，在一定的温度和压力下形成的新的矿物成分，常见有粘土矿物、倍伴氧化物及次生二氧化硅。决定土的工程性质。有机质：土中的动植物残骸在微生物的作用下分解而成。有机质颗粒细小，具有较强的亲水性，对土的工程性质影响较大。土的特理性质及分类粒组(fractional)：工程上常把大小，性质相近的土粒合并为一组，称为粒组，分界尺寸称为临界尺寸。粒度分析(gradinganalysis)：确定土中各个粒组相对含量的方法称为粒度分析。2、土的粒度组成(grainsizecomposition)土的特理性质及分类粗粒coarsesoils巨粒Verycoarsesoils细粒Finesoils

土的特理性质及分类砂粒的形状粘粒的形状土的特理性质及分类筛分法(sieving)：用于粒径小于等于60mm，大于0.075mm的粗粒组。是将风干、分散的代表性土样通过一套自上而下孔径由大到小的标准筛（60、20、2、0.5、0.25、0.1、0.075mm），称出留在各个筛上的干土重，即可求得各个粒组的相对含量。土的特理性质及分类1）土的颗粒分析试验沉降分析法(sedimentationanalysismethod)：用于粒径小于0.075mm的细粒组。理论基础是土粒在水中的沉降原理。土的特理性质及分类2）颗粒级配曲线

(grainsizeaccumulationcurve)

小于或大于某土粒的累计重量百分比用对数值表示的土的粒径土的特理性质及分类土的特理性质及分类曲线的坡度可以大致判断土粒的均匀程度或级配是否良好。曲线较陡，表示粒径大小相差不多，土粒较均匀，级配不良；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。土的特理性质及分类不均匀系数(uniformitycoefficient)cu=d60/d10曲率系数(coefficientofcurvature)cc=d230/d60*d10d60-限制粒径d30-中间粒径d10-有效粒径良好级配的土(goodgradedsoil)土的特理性质及分类Cu≥5和Cc=1~3Cu<5——均粒土；Cu>10——级配良好级配连续的土级配不同，土的工程性质不同1、土中水气态水液态水固态水自由水（重力水）毛细水结合水弱结合水强结合水（吸附结合水）渗透吸附结合水次定向吸附结合水矿物颗粒间固态水—冰矿物晶格中的水沸石水结晶水结构水土的特理性质及分类二、土中的水和气

①

吸附于土颗粒表面及溶于水的气体②与大气相通的气体—可以排出③

封闭性的气体—不可以排出④

存在有封闭气体的土，称为橡皮土，工程中决不允许.土的特理性质及分类2、土中气gasinasoil

三、粘土颗粒与水的相互作用1.粘土矿物：是由各种硅酸盐矿物分解形成的含水铝硅酸盐矿物。由两种原子层构成。硅氧四面体铝氢氧八面体硅氧四面体铝氢氧八面体土的特理性质及分类四面体和八面体的不同组合堆叠重复，形成了具有不同性质的粘土矿物。蒙脱石、伊利石、高岭石土的特理性质及分类nH2OKK蒙脱石伊利石高岭石高岭石双层型结构单元层示意图一层硅氧四面体与一层铝氢氧八面体土的特理性质及分类蒙脱石三层结构单元层示意图两层四面体晶片中间夹一层八面体晶片组成土的特理性质及分类nH2O粘土矿物结构单元图nH2OKK土的特理性质及分类蒙脱石伊利石高岭石粘土颗粒表面的带电现象

电泳：固体颗粒在直流电作用下向某一电极移动的现象

电渗：水分子向相反电极移动的现象土的特理性质及分类2、粘土颗粒与水的相互作用固定层：在最靠近土粒表面处，静电引力最强，把水化离子和极性分子牢固地吸附在颗粒表面形成固定层扩散层：在固定层外围，静电引力比较小，因此水化离子和极性分子的活动性比在固定层中大些，形成扩散层

双电层：固定层和扩散层中所含的阳离子与土粒表面的阴离子一起构成双电层土的特理性质及分类双电层与扩散层的概念结合水分子定向排列及其所受电分子力变化的简图土的特理性质及分类影响扩散层厚度的因素

离子价和离子浓度粘土颗粒间的相互作用

吸引力：范德华力

排斥力：土粒间的排斥力土的特理性质及分类土的结构structure：指土的物质组成（主要指土粒、也包括孔隙）的空间相互排列以及土粒的联结特征的综合性按其颗粒的排列胶结单粒蜂窝絮凝四、土的结构和构造土的特理性质及分类构造fabric：在同一土层中的物质成分和颗粒大小等都相近的各部分之间的相互关系的特征为土的构造，是从宏观角度研究土的组成，其主要特征是土的成层性和裂隙单粒结构：是由粗大土粒在水中或空气中下沉而形成的，土颗粒相互间有稳定的空间位置。土的特理性质及分类蜂窝结构：由粉粒或细砂粒组成的土的结构形式土的特理性质及分类絮状结构：由粉粒或细砂粒组成的土的结构形式。土的特理性质及分类土的特理性质及分类Ⅰ-1.集粒，管状孔隙（2-1湿陷前，500x）土的特理性质及分类Ⅰ-2.集粒，团粒（2-1湿陷前，800x）土的特理性质及分类Ⅰ-3.支架大孔微胶结结构（2-1湿陷前，1500x）Ⅰ-4.支架大孔被部分小颗粒充填，颗粒点接触（2-1湿陷前，4000x）土的特理性质及分类一、土的三相比例关系§1.3土的三相比例指标

(parametersforthree-phasesoils)土的特理性质及分类土的特理性质及分类1.基本物理性质指标土粒比重Gs（Grainspecificgravity）：土粒质量与同体积的4℃时纯水的质量之比。VaVwVsVvVmwmsm气水土粒(一)、指标的定义土粒密度，g/cm34℃时纯水的密度，等于1g/cm3土的含水量w（watercontent):土中水的质量与土粒质量之比，称为土的含水量，以百分数计。土的特理性质及分类VaVwVsVvVmwmsm气水土粒“烘干法”测定土的密度ρ(densityofsoil)：土单位体积的质量为土的密度，g/cm3土的特理性质及分类“环刀法”测定粘性土：ρ=1.8~2.0

g/cm3砂土：ρ=1.6~2.0

g/cm3腐殖土：ρ=1.5~1.7

g/cm3VaVwVsVvVmwmsm气水土粒2.特殊条件下土的密度浮密度ρ’

：在地下水位以下，土单位体积中土粒的质量与同体积水的质量之差。土的特理性质及分类干密度ρd（drydensity):土单位体积中固体颗粒部分的质量饱和密度ρsat(saturateddensity):土孔隙中充满水时的单位体积质量土的重力密度unitweight天然重度干重度饱和重度浮重度土的特理性质及分类3.描述土的孔隙体积相对含量的指标土的孔隙比e(voidratio):土中孔隙体积与土粒体积之比，称土的孔隙比。可用来评价天然土层的密实程度。土的孔隙率n(porosity):土中孔隙所占体积与孔隙总体积之比，以百分数表示。土的特理性质及分类土的饱和度Sr(degreeofsaturation):土中被水充满的孔隙体积与孔隙总体积之比。土的特理性质及分类Sr≤50%稍湿;50%<Sr≤80%很湿;Sr≥80%饱和(二).指标的换算土的特理性质及分类VaVwVsVvVmwmsm气水土粒土的特理性质及分类1.4无粘性土的密实度无粘性土（non-cohesionsoil)：指砂（类）土和碎石（类）土。粘粒含量少，不具有可塑性，呈单粒结构。物理状态主要决定于其密实度。砂土的相对密实度(relativedensity):Dr=0最松散状态Dr=1最密实状态Dr>2/3密实，2/3≥Dr＞1/3中密，Dr≤1/3松散土的特理性质及分类一、粘性土的可塑性及界限含水量1.5粘性土的物理特征土的特理性质及分类缩限塑限液限土的特理性质及分类土的特理性质及分类二、粘性土的可塑性指标1.塑性指数Ip：是指液限和塑限的差值，即土处于可塑状态的含水量变化范围。土的特理性质及分类从土的颗粒来说，土粒愈细，比表面积愈大，结合水含量愈高，Ip随之增大；从矿物成分来说，粘粒或亲水矿物含量愈高，土处在可塑状态的含水量变化范围愈大。土的特理性质及分类Ip综合反映了土的矿物成分和颗粒大小的影响，因此，塑性指数常作为工程上对粘性土进行分类的依据。Ip≤10粉土10<Ip<17粉质粘土Ip>17粘土土的特理性质及分类2.液性指数Il：是指粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比。w<wpIl<0天然土处于坚硬状态w>wl

Il>1流动状态wp<w<wl0<Il>1可塑状态故可利用液性指数作为粘性土状态的划分指标土的特理性质及分类土的特理性质及分类状态坚硬硬塑可塑软塑流塑液性指数Il≤00<Il≤0.250.25<Il≤0.750.75<l≤1.0Il>1.0粘性土的状态（GB5007）分级坚硬、半坚硬状态可塑状态流塑状态硬塑软塑液性指数Il<00≤Il<0.250.5≤Il<1.0Il≥1.0粘性土的状态（JTJ024-85）注：液塑限用重塑土测定，表征的不是具有结构性的粘性土体与水的关系，以及作用后表现出的物理状态。因此，保持天然结构的原状土，在w=wl后，并不处于流动状态。当然，一旦土的结构性被破坏，土体则呈流动状态。土的特理性质及分类三、粘性土的结构性和触变性1、土的结构性：指天然土的结构受到扰动影响而改变的特性。表现为：结构破坏，强度降低，压缩性增大。用灵敏度St表示结构性对强度的影响。Degreeofsensitivityofsoil原状土的强度与该土经重塑后的强度之比土的特理性质及分类低灵敏度1<St≤2中灵敏度2<St≤4高灵敏度St>42.土的触变性(thixotropy)：饱和粘性土的结构受到扰动，导致强度降低，但当扰动停止后，土的强度又随时间而逐渐恢复，粘性土的这种抗剪强度随时间恢复的胶体化学性质称为土的触变性。土的特理性质及分类四、粘性土的胀缩性、湿陷性和冻胀性土的特理性质及分类胀缩性：是指粘性土具有吸水膨胀和失水收缩的两种变形特性2湿陷性(collapsibility)：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，使土的结构迅速破坏而发生显著的附加下陷的特征。

土的特理性质及分类3土的冻胀性(frostheave)：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。Coefficientofcollapsibility土的压实性:土体能够通过振动、夯实和碾压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。压实的目的：工程中广泛用到填土（路基、堤坝、飞机跑道、平整场地修建建筑物以及开挖基坑后回填土、吹填），填土经过压实，以减少其沉降量，降低其透水性，提高其强度。土的特理性质及分类1.6土的压实原理压实方法：碾压、夯实和振动三类土的特理性质及分类Smooth-wheeledrollerSheepsfootrollerPneumatic-tyredrollerVibratingplatePowerrammer击实曲线具有如下特点：峰值击实曲线位于理论饱和曲线左侧击实曲线在最优含水量两侧左陡右缓，且大致与饱和曲线平行，表明土在较最优含水量偏干状态时，含水量对土的密实度影响更为显著。土的特理性质及分类一、击实试验compactiontest最优含水量Wop：在一定的压实功能下使土最容易压实，并能达到最大密实度时的含水量称为土的最优含水量。相对应的干密度则称为最大干密度ρdmax.土的特理性质及分类二、影响击实效果的因素含水量的影响击实功的影响不同土类和级配的影响土的特理性质及分类三、压实特性在现场填土中的应用压实度或压实系数室内击实试验所得的最大的干密度工地压实的干密度土的特理性质及分类一、分类的原则

土的工程分类是把不同的土分别安排到各个具有相近性质的组合中去，其目的是为了人们有可能根据同类土已知的性质去评价其工程特性，或为工程师提供一个可供采用的描述与评价土的方法。土的特理性质及分类1.7土的分类原则：

简明的原则：分类指标，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。

工程特性差异的原则：指标要在一定程度上反映不同类工程用土的不同特性。土的特理性质及分类工程系统的分类体系：把土作为建筑地基和环境，以原状土为对象，考虑土的组成，重视其结构性。工程材料系统分类体系：把土作为建筑材料，以扰动土为对象，注重土的组成，不考虑土的天然结构。土的特理性质及分类二、土的分类标准土的特理性质及分类总的分类体系一般土的分类

按不同粒组的相对含量划分为巨粒土和含巨粒土、粗粒土、细粒土。巨粒土和含巨粒土、粗粒土按其粒组、级配、所含细粒的塑性高低分为16类土的特理性质及分类土的特理性质及分类土的特理性质及分类细粒土按塑性图分类土的特理性质及分类地基土的分类地基土的分类是根据不同的原则将其划分为一定的类别，同一类别的土在工程地质性质上应比较接近。根据分类名称可以大致判断土的工程特性、评价土作为建筑材料的适宜性及结合其他指标来确定地基的承载力等。

作为建筑场地和地基的土的分类一般可按下列原则进行：

1、根据地质成因可分为残积土、坡积土、洪积土、冲积土、风积土等。

2、根据颗粒级配或塑性指数可分为碎石土、砂土、粉土和粘性土。

3、根据土的工程特性的特殊性质可分为一般土和特殊土。

土的特理性质及分类为专门分类，将作为建筑物地基的土分为碎石土、砂土、粉土、粘性土和人工填土等。（1）碎石土是指粒径大于2mm的颗粒含量超过全重的50%的土。（2）砂土是指粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重的50%的、粒径大于0.075mm的颗粒超过