土的物理性质及工程分类汇编

土的物理性质及工程分类汇编第1页/共74页§1.1土的形成和三相组成§1.2土的结构与构造§1.3土的物理性质指标§1.4土的物理状态指标§1.5土的压实性§1.6土的工程分类

目录第2页/共74页§1.1土的形成和三相组成土的三相组成土的物理状态土的结构便于研究和应用土的工程分类土的压实性土的形成影响从而决定土的渗透特性；变形特性及强度特性第3页/共74页土是岩石经过风化后在不同条件下形成的自然历史的产物形成过程形成条件物理力学性质影响两个名词：基岩覆盖土第4页/共74页一、风化生物风化物理风化化学风化无粘性土原生矿物粘性土次生矿物有机质第5页/共74页二、搬运、剥蚀与沉积残积土无搬运土质较好残积土强风化弱风化微风化母岩体颗粒表面粗糙多棱角粗细不均无层理第6页/共74页运积土有搬运风：风积土重力:

坡积土

流水:洪积土冲积土湖泊沼泽沉积土海相沉积物冰川:

冰积土土粒粗细不同，性质不均匀有分选性，近粗远细浑圆度分选性明显，土层交迭含有机物淤泥，土性差颗粒细，表层松软，土性差土粒粗细变化较大，性质不均匀颗粒均匀，层厚而不具层理第7页/共74页

土的三相组成气相固相液相++构成土骨架，起决定作用重要影响土体次要作用第8页/共74页1、颗粒大小—粒组划分粒组

按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类界限粒径一、固体颗粒2、土粒粒度分析---颗粒级配颗粒大小各粒径成分在土中占的比例第9页/共74页颗粒级配

——各粒组的相对含量，用质量百分数来表示确定方法

筛分法：适用于粗粒土(>0.075mm)

沉降分析法（比重计法）：适用于细粒土(<0.075mm)表述方法

颗粒级配累积曲线第10页/共74页筛分法：

适用于粒径大于0.075mm的土第11页/共74页比重计法：

适用于粒径小于0.075mm的土第12页/共74页105.02.01.00.50.250.1200g10161824223872P%9587786655361009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数P（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)土的粒径级配累积曲线筛分法第13页/共74页1009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)土的粒径级配累积曲线d60d50d10d30特征粒径:

d50

:平均粒径d60:限制粒径d10

:有效粒径d30

;中值粒径不均匀程度：Cu=d60/d10连续程度:

Cc=d302

/(d60×d10)

—曲率系数—不均匀系数Cu

≥5,级配良好粗细程度：

用d50

表示

第14页/共74页1009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)土的粒径级配累积曲线d60d10d30斜率:

某粒径范围内颗粒的含量

陡—相应粒组质量集中

缓--相应粒组含量少

平台--相应粒组缺乏连续程度:

Cc=d302

/(d60×d10)

—曲率系数Cc=1-3,级配连续性好第15页/共74页粒径级配判定1）粒组含量用于土的分类定名；2）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3）曲率系数Cc用于判定土的连续程度：Cc=1－3,级配连续土；Cc>3或Cc<1,级配不连续4）不均匀系数Cu和曲率系数Cc用于判定土的级配优劣：

如果Cu≥5且Cc=1－3，级配良好的土；如果Cu<5或Cc>3或Cc<1,级配不良的土。第16页/共74页3、矿物成分原生矿物

石英、长石、云母等次生矿物

主要是粘土矿物，包括三种类型：高岭石、伊里石、蒙脱石粘土矿物

由硅片和铝片构成的晶胞所组合而成第17页/共74页硅片的结构铝片的结构第18页/共74页粘土矿物的晶格构造高岭石蒙脱石伊利石比表面积：单位质量土颗粒所拥有的总表面积第19页/共74页粘土矿物的带电性质研究表明：粘土颗粒的表面电荷，静电荷通常为负电荷第20页/共74页4、颗粒形状次生矿物（粘土矿物）

针状、片状、扁平状原生矿物(石英、长石、云母)

圆状、浑圆状、棱角状第21页/共74页

结合水吸附在土颗粒表面的水

自由水电场引力作用范围之外的水土中冰由自由水冻成，冻胀融陷二、土中水（液相）第22页/共74页结合水强结合水:排列致密、定向性强，不能传递静水压力密度>1g/cm3冰点处于零下几十度具有固体的特性温度高于100°C时可蒸发弱结合水:位于强结合水之外，电场引力作用范围之内外力作用下可以移动不因重力而移动，有粘滞性。仍然不能传递静水压力第23页/共74页自由水重力水毛细水在重力作用下可在土中自由流动存在于固气之间在重力与表面张力作用下可在土粒间空隙中自由移动第24页/共74页土中毛细现象上升高度:πr2hcγw=2πrTcosα毛细水毛细升高与孔径成反比分析对象:

水柱粘土、粉土、砂土、砾石第25页/共74页对砂土强度的影响:毛细边角水,假凝聚力假定α=0,毛细压力2πrTcosα+ucπr2=0毛细压力分析对象:水膜第26页/共74页三、土中气体自由气体：

与大气连通，对土的性质影响不大封闭气体：

增加土的弹性；阻塞渗流通道第27页/共74页土颗粒或粒团的空间排列和相互联结§1.2

土的结构和构造力学特性（微观结构）土的结构重塑土的强度原状土的强度<（宏观结构）土的构造+同一土层中物质成分、颗粒大小相近的各部分之间的相互关系的特征影响第28页/共74页1、土粒间的作用力

重力毛细力胶结力颗粒表面力

——土颗粒的自重形成的方向向下的力——

砂土——土中毛细作用形成的力——

细砂、粉土——土粒间的胶体物质产成的作用力——

粘土——

粘土——库仑力：——范德华力：颗粒表面的静电引力或斥力颗粒接触点处的分子间引力第29页/共74页---粗粒土的结构粒间作用力排列形式矿物成分单粒结构示意图重力，毛细力点与点、点与面原生矿物2、土的结构第30页/共74页---细砂、粉粒土的结构粒间作用力排列形式矿物成分蜂窝结构重力，表面力蜂窝状主要是原生矿物第31页/共74页---细粒土的结构粒间作用力形成环境排列形式矿物成分表面力、胶结力（斥力减小引力增加）

示意图表面力、胶结力（粒间斥力占优势）

淡水中沉积海水中沉积次生矿物次生矿物天然条件下，可能是多种组合，或者由一种结构过渡向另一种结构。面与面边、角与面边、角与边絮状结构第32页/共74页3、土的构造类型表征土层的层理构造、裂隙构造及大孔隙等宏观特征第33页/共74页§1.3土的物理性质指标

土的物理性质指标(三相间的比例关系)。可以用来表示土的物理状态，包括：粗粒土的松密程度和粘性土的软硬状态，在一定程度上决定了土的力学特性。第34页/共74页一、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基本方法:三相草图法第35页/共74页1、三相草图（三相比例关系图）WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积第36页/共74页WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积已知关系五个:共有九个参数:

VVvVsVaVω

/msmωmam剩下三个独立变量物性指标是比例关系:可假设任一参数为1实验室测定其它指标第37页/共74页2、室内测定的三个物理性质指标—基本物理指标WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积土的密度单位:

kg/m3

或g/cm3一般范围:

1.60—2.20

g/cm3土单位体积的质量有时也称土的天然密度表达式:相关指标:土的容重（重度）γ=ρg单位:kN/m3

环刀法测得第38页/共74页土的密度ρ和容重γ测定方法：环刀法第39页/共74页土粒相对密度s:

土粒的密度，单位体积土粒的质量单位:

无量纲土粒比重一般范围:

粘性土2.70—2.75砂土2.65

有机质、泥炭土较小：4˚C时纯蒸馏水的密度=1.0g/cm3土粒比重在数值上等于土粒的密度土粒质量与4˚C时纯蒸馏水质量的比值表达式:比重瓶法测得WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积第40页/共74页土粒相对密度测定方法：比重瓶法，事先将比重瓶注满纯水，称瓶加水的质量m1。然后把烘干土若干克(ms)装入空比重瓶内，再加纯水至满，称瓶加水加土的质量m2，按下式计算土粒比重第41页/共74页土粒相对密度ds第42页/共74页土的含水量土中水的质量与土粒质量之比,用百分数表示注:

含水量

可达到或超过100％表达式:用烘干法测得第43页/共74页孔隙比３.其它常用的物理性质指标—导出指标土中孔隙体积与固体颗粒体积之比,无量纲表达式:WaterAirSoilVaVwVsVvV体积第44页/共74页关系:孔隙率(孔隙度)

土中孔隙体积与总体积之比,用百分数表示表达式:Vs=1Vv=eV=1+eWaterAirSoil体积第45页/共74页饱和度表达式: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:

饱和土第46页/共74页天然密度干密度天然容重干容重WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积单位:kg/m3

或g/cm3单位:kN/m3

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:第47页/共74页浮容重浮密度有效容重饱和密度饱和容重第48页/共74页各种密度容重之间的大小关系：天然密度干密度饱和密度天然容重干容重浮容重饱和容重WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积第49页/共74页emax与emin：最大与最小孔隙比§

1.4土的物理状态指标§

1.4.2无粘性土的密实度密实度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2、相对密（实）度（砂土）1、天然孔隙比e或孔隙率n(砂土)第50页/共74页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：最大与最小孔隙比第51页/共74页砂土的密实状态指标

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3、标准贯入锤击数N（砂土、碎石土）表1-3表1-4第52页/共74页1、稠度状态与界限含水量固态或半固态塑态

流态

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粘性土的稠度、灵敏度和触变性

第53页/共74页塑限ωp液限ωl稠度界限粘性土的稠度反映土中水的形态强结合水膜最大出现自由水第54页/共74页——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第55页/共74页（2）液性指数不同的粘土，ωp、ωl

大小不同对于不同的粘土，含水量相同，稠度可能不同定义：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、粘性土的可塑性及指标粘性土在某含水量范围内，用外力塑成任何形状而不发生裂纹，外力移去后仍能保持既得形状。----可塑性第56页/共74页三、反映粘性土结构性的指标1.粘性土的活动度反映了粘性土中所含矿物的活动性。A＝Ip/m2.粘性土的灵敏度St

=原状土的无侧限抗压强度重塑土的无侧限抗压强度相同含水量、密度第57页/共74页▼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。3.粘性土的触变性

4.粘性土的胀缩性、湿陷性、冻胀性第58页/共74页压实：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§1.5土的压实性第59页/共74页一、室内击实试验

试验设备

击实筒V=1000cm3；击实锤m=2.5/4.5kg

试验条件

土样分层n=3层；落高d=305/457cm；击数N=25/56/层

击实能量

试验方法

对ω=cosnst的土；分三层压实；测定击实后的ω、ρ，算定ρd土第60页/共74页1.击实曲线特点：①具有峰值，即最大干密度与最优含水量②位于饱和曲线之下

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、细粒土的压实性第61页/共74页粘性土K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。若第62页/共74页2.压实机理：颗粒被击碎，土粒定向排列;土粒破碎，粒间联结力被破坏而发生孔隙体积减小;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;增加水的相对含量当ωωop,ρdρdmax当ω<ωop,ρd<

ρdmax当ω>ωop,ρd<

ρdmax

第63页/共74页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

第64页/共74页4.压实标准a.粘性土存在最优含水量ωop，在填土施工中应该将土料的含水量控制在ωop左右，以期得到ρdmax，通常取

b.工程上常采用压实度Dc控制（作为填方密度控制标准）第65页/共74页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.压实特点粗砂

ω

=4~5%中砂

ω=7%；时，干密度最小

第66页/共74页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