第2章土的物理性质与工程分类

绪论1土力学是研究土的物理性质以及在荷载作用下土体内部的应力变形和强度规律的一门学科。土力学研究对象是土需要研究和解决的工程中的三大类问题：土体稳定或强度问题；土体变形问题；渗流：渗透变形与渗透稳定。绪论2土力学课程的学习方法：注重基本概念的理解，要咬文嚼字，理解加记忆；注意基本理论学习；掌握基本的计算方法。绪论3土力学的历史：人类在同生存作斗争的历史中，积累了大量的土力学知识；土力学作为一门系统的学科是以太沙基的1925年出版的《土力学》为标志；很多基本理论、试样方法在20世纪70年代前就已经形成；现代土力学在本构模型理论、计算方法、非饱和土力学有较大发展；量测技术的提高；土动力学理论、分析方法、测试手段有很大发展和提高。第二章土的物理性质指标与工程分类42.1概述化学风化：岩体（或岩块、岩屑）与氧气、二氧化碳等各种气体、水和各种水溶液等物质相接触，经氧化、碳化和水化作用，使这些岩石或岩屑逐渐产生化学变化，分解为极细颗粒的过程。特征：物理风化：量变过程，形成的土颗粒较粗；化学风化：质变过程，形成的土颗粒很细。对一般的土而言，通常既经历过物理风化，又有化学风化，只不过哪种占优而已。第二章土的物理性质指标与工程分类5土从其堆积或沉积的条件来看可分为：残积土：岩石风化后仍留在原地的堆积物。特点：湿热地带，粘土，深厚，松软，易变；寒冷地带，岩块或砂，物理风化，稳定。运积土：岩石风化后经流水、风和冰川以及人类活动等搬运离开生成地点后再沉积下来的堆积物。又分为冲积土、风积土、冰碛土和沼泽土等。冲积土：由水流冲积而成；颗粒分选、浑圆光滑风积土：由风力带动土粒经过一段搬运距离后沉积下来的堆积物；没有层理、细砂或粉粒；黄土冰碛土：由冰川剥落、搬运形成的堆积物；沼泽土：在沼泽地的沉积物；含有机质、压缩性高、强度低62.2土的组成第二章土的物理性质指标与工程分类7土是固体颗粒、水和空气的混合物，常称土为三相系。固相：土的颗粒、粒间胶结物；液相：土体孔隙中的水；气相：孔隙中的空气。2.2土的组成第二章土的物理性质指标与工程分类8当土骨架的孔隙全部被水占满时，这种土称为饱和土；当土骨架的孔隙仅含空气时，就成为干土；一般在地下水位以上地面以下一定深度内的土的孔隙中兼含空气和水，此时的土体属三相系，称为湿土。根据土的粘性分：粘性土：颗粒很细； 无粘性土：颗粒较粗，甚至很大。砂、碎石、甚至堆石（直径几十cm甚至1m）一、土的固相（一）成土矿物原生矿物：由物理风化生成的土粒；颗粒较粗，一般为无粘性土；石英、长石、云母等；圆形、板状、块状；吸水力弱、稳定、无塑性；砂多为石英。次生矿物：由原生矿物经化学风化作用而形成的矿物。颗粒较细，一般为粘土矿物，形成粘性土。高岭石、伊利石、蒙脱石；片状、极细；吸水力强、活泼、有塑性。92.4土的物理性质指标可分为两类：一类是必须通过试验测定的，如含水率、密度和土粒比重，称为直接指标；另一类是根据直接指标换算的，如孔隙比、孔隙率、饱和度等，称为间接指标。102.4土的物理性质指标一、试验直接测定的物理性质指标（一）土的密度ρ与重度γ土的密度定义为单位体积土的质量，用ρ表示，单位为Mg/m3(或g/cm3)。表达式如下：（2.4）

对于粘性土，土的密度常用环刀法测定。11土的重度亦称为容重，定义为单位体积土的重量，用γ表示，单位为kN/m3。表达式如下：（2.5）式中：W——土的重量，单位为kN；g——重力加速度。12（二）土粒比重Gs土粒比重定义为土粒的质量（或重量）与同体积4℃时纯水的质量（或重量）之比（无因次），其表达式为：（2.6）或（2.7）式中：ρs——土粒的密度，即土粒单位体积的质量；（ρw）4℃——4℃时纯水的密度，1g/cm3（γw）4℃——4℃时纯水的重度。13土粒比重常用比重瓶法测定，事先将比重瓶注满纯水，称瓶加水的质量。然后把烘干土若干克装入该空比重瓶内，再加纯水至满，称瓶加土加水的质量，按下式计算土粒比重：（2.8）式中：m1——瓶加水的质量；

m2——瓶加土加水的质量；

ms——烘干土的质量。14（三）土的含水率w土的含水率，曾称为含水量，定义为土中水的质量与土粒的质量之比，以百分数表示，其表达式为：（2.9）测定含水率常用的方法是烘干法，先称出天然土的质量，然后放在烘箱中，在100℃～105℃常温下烘干，称得干土质量，按上式可算得。15二、间接换算得物理性质指标（一）土的孔隙比e定义：土中孔隙的体积与土粒的体积之比，以小数表示，其表达式为：（2.10）（二）土的孔隙率n定义：土中孔隙的体积与土的总体积之比，或单位体积内孔隙的体积，以百分数表示，其表达式为：（2.11）

16（三）土的饱和度Sr定义：土中孔隙水的体积与孔隙体积之比，以百分数表示，其表达式为：（2.12）17土的干重度：单位体积内土粒的重量，表达式为：

（2.14）土烘干，体积要减小，因而，土的干密度不等于烘干土的密度。土的干密度或干重度也是评定土密实程度的指标，干密度或干重度愈大表明土愈密实，反之愈疏松。（四）干密度ρd与干重度γd土的干密度：单位体积内土粒的质量，表达式：（2.13）18（五）饱和密度ρsat与饱和重度γsat饱和密度定义：土中孔隙完全被水充满土处于饱和状态时单位体积土的质量。表达式为：（2.15）19在饱和状态下，单位体积土的重量称为饱和重度，其表达式为：（2.16）20（六）浮密度ρ’与浮重度（有效重度）γ’土在水下，受到水的浮力作用，其有效重量减小，因此提出了浮重度，即有效重度的概念，其表达式为：

（2.17）21与其相应，提出了浮密度的概念，土的浮密度是单位体积内的土粒质量与同体积水质量之差，其表达式为：（2.18）或（2.19）从上述四种土的密度或重度的定义可知，同一土样各种密度或重度在数值上有如下关系：22三、物理性质指标间的换算常用的土的物理指标共有九个。已知其中任意三个，通过换算可以求出其余的六个。（一）孔隙比与孔隙率的关系设土体内土粒的体积为1，则e=Vv/V可知，孔隙的体积Vv为e，土体的体积V为（1＋e），于是有：（2.20）或（2.21）三相示意图（a）23（二）干密度与湿密度和含水率的关系设土体的体积V为1，则ρd=ms/V，土体内土粒的质量ms为ρd，由w=mw/ms水的质量mw为wρd。于是，按式（2.4）的定义可得：

或

（2.22）24（三）孔隙比与比重和干密度的关系设土体内土粒的体积为1，则按e=Vv/V，孔隙的体积vv为e；由ρs＝ms/Vs得土粒的质量ms为ρs。于是，按ρd的定义可得：应用式（2.6）整理得：(2.23)25（四）饱和度与含水率、比重和孔隙比得关系设土体内土粒的体积为1，则按e=Vv/V得体积vv=e；由ρs＝ms/Vs得土粒的质量ms=ρs。按w=mw/ms，水得质量mw=wρs，则水得体积vw=mw/ρw=wρs/ρw。于是，Sr定义可得：（2.24）当土饱和时，即Sr为100％，则：（2.25）式中：wsat——饱和含水率。26（五）浮密度与比重和孔隙比得关系设土体内土粒体积为1，则按e=Vv/V，孔隙的体积Vv为e；由ρs＝ms/Vs得土粒的质量ms为ρs。于是，按式（2.18）可得：（2.26）272.5土的物理状态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emax与emin：最大与最小孔隙比

2.5.1无粘性土的物理状态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相对密度孔隙比e或孔隙率nemin

=0.35emin

=0.20emax: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,

疏松状态1/3<

Dr≤

2/3,中密状态

Dr>2/3

,密实状态相对密度【例3】某砂土试样,试验测定土粒相对密度Gs=2.7,含水量w=9.43%,天然密度ρ=1.66/cm3。已知单位体积砂样最密实状态时称得干砂质量ms1=1.62kg,最疏松状态时称得干砂质量ms2=1.45kg。求此砂土的相对密度Dr,并判断砂土所处的密实状态【解答】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2.5.2粘性土的物理状态指标也称稠度状态稠度状态与含水量有关粘性土含水量较硬变软流动塑限wp稠度界限粘性土的稠度反映土中水的形态固态或半固态塑态

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（%）半固态与固态之间的分界含水率。到固态后体积不再收缩而得名。液限1．液限、塑限和缩限——吸附结合水的能力；粘性大小；大致反映粘土颗粒含量

1）塑性指数常作为细粒土工程分类的依据缺点不能充分反映粘土颗粒含量

不同的粘土矿物结合水的能力不同活性指数p0.002:粒径小于0.002mm颗粒的质量占总土总质量的百分比A<0.75A=075–1.25A>1.25非活性粘土正常粘土活性粘土2．塑性指数、液性指数相对稠度对于不同的粘土，含水量相同，稠度可能不同液性指数不同的粘土，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2）液性指数相同含水量、密度1)

粘性土的灵敏度—

St

=原状土结构性相同含水量密度粉碎重塑重塑土强度降低St11-22-44-88-16>16粘性土不灵敏低灵敏中等灵敏灵敏很灵敏流动原状土的无侧限抗压强度重塑土的无侧限抗压强度3.土的灵敏度和触变性含水量不变，密度不变，因重塑而强度降低，又因静置而逐渐强化，强度逐渐恢复的现象，称为触变性。土的触变性是土结构中联结形态发生变化引起的，是土结构随时间变化的宏观表现。目前尚没有合理的描述土触变性的方法和指标。2)

粘性土的触变性

粗粒土的密实状态指标:相对密度Dr

小结2.5物理状态指标细粒土的稠度状态指标:液性指数IL引入定义判别标准稠度界限稠度状态含水量土中水的形态塑性指数液性指数引入定义判别标准

反映粘性土结构性的指标:1)灵敏度;2)触变性.压实：指通过夯打、振动、碾压等，使土体变得密实、以提高土的强度、减小土的压缩性和渗透性压实性：指土在一定压实能量作用下密度增长的特性研究击实性的目的：

以最小的能量消耗获得最大的压实密度

击实方法：室内击实试验现场试验:夯打、振动、碾压2.6土的压实性一.室内击实试验二.细粒土的压实性三.粗粒土的压实性2.6土的压实性击实筒护筒击锤导筒一.室内击实试验

试验设备

击实筒V=1000cm3；击实锤w=25牛顿

试验条件

土样分层n=3层；落高d=30cm；击数N=27/层

击实能量

试验方法

对w=cosnst的土；分三层压实；测定击实后的w、ρ，算定ρd

注意：仅适用于细粒土；对粗粒土，可用较大尺寸的击实仪2.6土的压实性二.细粒土的压实性1.击实曲线2.理论分析3.影响因素4.压实标准2.6土的压实性1.击实曲线特点：①具有峰值②位于饱和曲线之下

粘性土渗透系数很小，压实过程中含水量几乎不变，要想击实到饱和状态是不可能的。0481216202428含水量w(%)2.01.81.61.4干密度d(g/cm3)饱和曲线dmax=1.86wop=12.1二.细粒土的压实性最大干密度最优含水量2.6土的压实性2.理论分析压实机理：颗粒被击碎，土粒定向排列;粒团破碎，粒间联结力被破坏而发生孔隙体积减小;空气被挤出或被压缩等水膜润滑作用效果最佳;尚没有形成封闭气泡，气体易于排出;颗粒表面水膜很薄，相对移动困难

水膜润滑作用不明显;封闭气泡难以排出;增加水的相对含量

wwop,ρdρdmaxw<wop,ρd<

ρdmaxw>wop,ρd<

ρdmax

0481216202428含水量w(%)2.01.81.61.4干密度d(g/cm3)饱和曲线dmax=1.86wop=12.1二.细粒土的压实性2.6土的压实性3.影响因素a.击实功能b.土的级配

c.击实方式夯实、辗压、振动；辗压对粘土比较合适

E二.细粒土的压实性2.6土的压实性4.压实标准粘性土存在最优含水量wop，在填土施工中应该将土料的含水量控制在wop左右，以期得到ρdmax。在wop的干侧：常具有凝聚结构。土质比较均匀，强度较高，较脆硬，不易压密；但浸水时易产生附加沉降。在wop的湿侧：常具有分散结构。土体可塑性大，适应变形的能力强；但强度较低，具有各向异性。在设计土料时应根据填土的要求和当地土料的天然含水量，选定合适的含水量，一般要求为：

b.工程上常采用压实度Dc控制（作为填方密度控制标准）Ⅰ、Ⅱ级土石坝

Dc>95~98%

Ⅲ~Ⅴ级土石坝

Dc>92~95%

二.细粒土的压实性①不存在最优含水量；②在完全风干和饱和两种状态下易于击实；③潮湿状态下ρd明显降低。

三.粗粒土的压实性

1.击实曲线特点20%粗砂

w

=4~5%中砂

w=7%；时，干密度较大

2.理论分析对粗粒土，击实过程中可以自由排水，不存在细粒土中出现的现象。在潮湿状态下，存在着假凝聚力，加大了阻力。3.压实标准常用相对密度控制Dr>0.7~0.75施工过程中要么风干，要么就充分洒水，使土料饱和2.6土的压实性小结一.室内击实试验二.细粒土的压实性三.粗粒土的压实性1.击实曲线2.理论分析3.影响因素4.压实标准1.击实曲线2.理论分析3.压实标准2.6土的压实性目的：依据：2.7岩土的工程分类便于研究及应用能反映土的物理力学性质－土的组成土的状态土的结构2.7.1按现行规范进行岩土的分类目前，《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002、《岩土工程勘察规范》GB50021-2001和《公路桥涵地基与基础设计规范》JTJD063-2007对岩土的分类标准是相同的。该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。因此，该分类标准既考虑了按沉积年代和地质成因的划分，同时又将某些特殊形成条件和特殊工程性质的区域性特殊土与普通土区别开来。地基土按沉积年代可划分为：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，结构强度较低。根据地质成因土可分为残积土、坡积土、洪积土、冲积土、湖积土、海积淤积土、风积土和冰积土。作为建筑地基的岩土可分为岩石、碎石土、砂土、粉土、粘性土、人工填土和特殊土。1.岩石岩石为颗粒间牢固粘结，呈整体或具有节理裂隙的岩体称为岩石，岩石的坚硬程度可根据岩块的饱和单轴抗压强度fr分类：

2.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。根据颗粒级配和颗粒性质分为漂石、块石、卵石、碎石、圆砾和角砾。3.砂土

粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50％，且粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50％的土称为砂土。根据颗粒级配分为砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂。

4.粉土粉土也称为粉性土，粉土是介于砂土和粘性土之间，塑性指数Ip≤10，粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重50％的土。根据粉粒、粘粒、砂粒之间含量的分配情况，细分为粘质粉土、砂质粉土和粉土。5.粘性土

粘性土是指塑性指数Ip＞10的土。根据塑性指数又可分为粉质粘土和粘土。Ip＞17粘土；10＞Ip≤17粉质粘土。在静水或缓慢的流水环境中沉积，并经生物化学作用形成，其天然含水量大于液限、天然孔隙比e≥1.5的粘性土称为淤泥。当天然含水量大于液限而1.5>e≥1.0的粘性土或粉土为淤泥质土。6.人工填土

由于人类活动而形成的堆积物称为人工填土。物质成分较杂乱，均匀性较差，根据其物质组成和成因，可分为素填土、压实填土、杂填土和冲填土。