地基土物理性质和工程分类

地基土物理性质和工程分类第一页，共76页。土力学

土力学是利用力学的一般原理，研究土的物理、化学和力学性质以及土体在荷载、水、温度等外界因素影响下工程性状的应用科学。土力学是进行地基基础设计的理论基础。第二页，共76页。土在工程上的作用：作为建筑物的地基（foundations）作为建筑材料(constructmaterial)作为建筑物周围的介质环境(entironment)第三页，共76页。土力学包括哪些内容？基础物理性质先导土中应力具体应用土压力……核心渗透特性变形特性强度特性第四页，共76页。基础与主线先导具体应用土的物理性质及分类土的渗透性土中应力土的压缩性和地基沉降计算土的抗剪强度土压力渗透特性变形特性强度特性地基承载力土坡和地基的稳定性第五页，共76页。第二章土的物理性质及工程分类

§2.1土的组成及其结构构造§2.2土的物理性质指标§2.3土的物理状态指标§2.4土的工程分类主要内容第六页，共76页。土的概念——多种矿物颗粒组成的松散集合体。岩石风化岩石破碎化学成分改变剥蚀搬运沉积松散颗粒集合体（土）土的生成：岩石地球风化颗粒堆积物地球第七页，共76页。碎散性非连续介质受力以后易变形强度低，易在联接处破坏土的特点颗粒之间无联结或联结微弱第八页，共76页。三相介质多孔性受力后水、气可排出，使土体积减小土的特点固相—土骨架液相—水气相—空气第九页，共76页。自然变异性（1）复杂性（2）易变性（3）结构性土的特点第十页，共76页。碎散性多孔性自然变异性力学特性复杂变形特性强度特性渗透特性第十一页，共76页。§2.1土的组成及其结构构造一、土的固相

土粒的大小、相关矿物成分以及大小搭配情况对土的物理力学性质有明显影响

粘土矿物蒙脱石/伊利石/高岭石无定形氧化物胶体AI2O3/Fe2O3难溶盐CaCO3/CaSO4/NaCl土的矿物成分原生矿物石英、长石、云母等次生矿物有机质1、土中矿物成分第十二页，共76页。§2.1土的组成及其结构构造矿物成分取决于母岩的矿物成分和风化作用原生矿物：由岩石经过物理风化形成，其矿物成 分与母岩相同次生矿物：岩石经化学风化后所形成的新的矿 物，其成分与母岩不相同

例：石英、云母、长石等特征：矿物成分的性质较稳定，由其组成的土具有无粘性、透水性较大、压缩性较低的特点例：粘土矿物有高岭石、伊利石、蒙脱石等特征：性质较不稳定，具有较强的亲水性，遇水易膨胀的特点第十三页，共76页。§2.1土的组成及其结构构造2、土的粒度成分与形状表1-1土粒粒组的划分粒组统称粒组名称粒径d范围（mm）主要特征巨粒漂石（块石）粒d>200透水性很大，压缩性极小，颗粒间无粘结，无毛细性。卵石（碎石）粒60<d≤200粗粒砾粒粗砾20<d≤60透水性大，压缩性小，无粘性，有一定毛细性。细砾2<d≤20砂粒粗砂0.5<d≤2中砂0.25<d≤0.5细砂0.075<d≤0.25细粒粉粒0.005<d≤0.075透水性小，压缩性中等，微粘性。粘粒d≤0.005透水性极弱，压缩性变化大，具粘性和可塑性。第十四页，共76页。§2.1土的组成及其结构构造3、土的粒径级配工程上将各种不同的土粒按其粒径范围，划分为若干粒组，为了表示土粒的大小及组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量（即各粒组占土粒总量的百分数）来表示，称为土的颗粒级配试验方法筛分法：适用于0.075mm≤d≤60mm比重计法:适用于d＜0.075mm第十五页，共76页。筛分法用一套孔径不同的筛子，按从上至下筛孔逐渐减小放置。将事先称过质量的烘干土样过筛，称出留在各筛上的土质量，然后计算其占总土粒质量的百分数第十六页，共76页。§2.1土的组成及其结构构造筛分法实验第十七页，共76页。§2.1土的组成及其结构构造比重计法-沉降分析法比重计法是利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同来确定小于某粒径的土粒含量。将一定质量土浸入水中搅拌成悬液，搅拌停止后，土粒便开始下沉，悬液的浓度随之发生变化。利用特制的密度计（比重计），在不同时刻测悬液浓度的变化。即可换算出相应的粒径及小于该粒径的土粒质量，绘出级配曲线。第十八页，共76页。§2.1土的组成及其结构构造比重计法实验第十九页，共76页。§2.1土的组成及其结构构造颗粒粒径级配曲线纵坐标表示小于某粒径的土粒含量百分比,横坐标表示土粒的粒径(对数坐标）第二十页，共76页。§2.1土的组成及其结构构造d10有效粒径d30中值粒径d60控制粒径第二十一页，共76页。§2.1土的组成及其结构构造颗粒级配的描述工程上常用不均匀系数Cu描述颗粒级配的不均匀程度d10、d30、d60小于某粒径的土粒含量为10%、30%和60%时所对应的粒径Cu愈大，表示土粒愈不均匀。工程上把Cu＜5的土视为级配不良的土；Cu＞10的土视为级配良好的土

曲率系数Cc描述颗粒级配曲线整体形态，表明某粒组是否缺失情况

对于砾类土或砂类土，同时满足Cu≥5和Cc=1～3时，定名为良好级配砂或良好级配砾第二十二页，共76页。§2.1土的组成及其结构构造颗粒级配好坏的判断正常级配：土的颗粒大小分布是连续的，曲线坡度是渐变的不连续级配：土中缺乏某些粒径的土粒，曲线出现水平段第二十三页，共76页。§2.1土的组成及其结构构造颗粒级配好坏的判断级配良好：粒径分布曲线形状平缓，土粒大小分布范围广，土粒大小不均匀级配不良：粒径分布曲线形状较陡，土粒大小分布范围窄，土粒均匀为了判别土粒级配是否良好，常用不均匀系数Cu和曲率系数Cc两个指标描述粒径曲线的坡度和形状第二十四页，共76页。§2.1土的组成及其结构构造颗粒级配的应用

土的颗粒级配主要影响到土的渗透性、压实性和强度。在工程上要根据不同目的来选择土料：作为河岸路基，要考虑渗透性，应选级配良好的细砂第二十五页，共76页。§2.1土的组成及其结构构造二、土中水

结晶水——进入土颗粒矿物结晶格架中的水结合水重力水——在重力或水头压力下运动的自由水毛细水——存在于地下水位以上，受到水与空气交界面处表面张力作用的自由水强结合水弱结合水自由水——受静电引力吸附在土粒表面的水土中水的含量显著影响土的性质(尤其是粘性土)。第二十六页，共76页。§2.1土的组成及其结构构造三、土中气体连通气体——与大气相连通，在外力作用下易排出，对土的性质影响不大。封闭气体——与大气不相连通，在外力 作用下易溶于水，外力卸除后又重新释放 出来，使得土的弹性增加，透水性减小。第二十七页，共76页。§2.1土的组成及其结构构造四、土的结构在成土过程中所形成的土粒的空间排列及其联结形式，与组成土的颗粒大小、颗粒形状、矿物成分和沉积条件有关。单粒结构——碎石类土和砂类土的结构特征蜂窝结构——粉土的结构特征絮状结构——粘性土的结构特征土的结构类型：第二十八页，共76页。§2.1土的组成及其结构构造1.单粒结构：粗矿物颗粒在水或空气中在自重作用下沉落形成的单粒结构，其特点是土粒间存在点与点的接触。根据形成条件不同，可分为疏松状态和密实状态

密实状态疏松状态第二十九页，共76页。§2.1土的组成及其结构构造2.蜂窝结构：颗粒间点与点接触，由于彼此之间引力大于重力，接触后，不再继续下沉，形成链环单位,很多链环联结起来，形成孔隙较大的蜂窝状结构蜂窝结构第三十页，共76页。§2.1土的组成及其结构构造3.絮状结构：细微粘粒大都呈针状或片状，质量极轻，在水中处于悬浮状态。当悬液介质发生变化时，土粒表面的弱结合水厚度减薄，粘粒互相接近，凝聚成絮状物下沉，形成孔隙较大的絮状结构絮状结构第三十一页，共76页。§2.1土的组成及其结构构造五、土的构造土的构造是指土体中各结构单元之间的关系。主要特征是土的成层性和裂隙性,即层理构造和裂隙构造，二者都造成了土的不均匀性

1.层理构造：土粒在沉积过程中,由于不同阶段沉积的物质成分、颗粒大小或颜色不同,而沿竖向呈现出成层特征

2.裂隙构造：土体被许多不连续的小裂隙所分割,在裂隙中常充填有各种盐类的沉淀物

第三十二页，共76页。1.砂土的结构通常是：(A)絮状结构(B)单粒结构(C)蜂窝结构2.土中水可分为()和自由水。3.下列矿物，亲水性最强的是:(A)伊利石；(B)高岭石；(C)蒙脱石。4.对土骨架产生浮力作用的水是:(A)重力水；(B)毛细水；(C)强结合水；(D)弱结合水。5.砂粒和粉粒的界限粒径是（），粉粒和黏粒的界限粒径是（），巨粒和粗粒的界限粒径是（）。（图1-6）第三十三页，共76页。6.判断题：根据图中的几条级配曲线，确定下列结论是否正确?（1）土样A比土样B均匀。（2）土样A的有效粒径比土样B的大（3）土样A比土样B好压实（4）土样C中含粘土颗粒最多（5）哪种土是级配良好的土?（6）哪条曲线粉粒以下的土粒占的成分最大？第三十四页，共76页。§2.2

土的物理性质指标土颗粒soil水water气体气体air一、土的三相图第三十五页，共76页。2.2.1指标的定义试验直接测定的三相比例指标(3个)（1）土的相对密度（比重）ds（Gs）（2）土的含水量w（3）土的密度ρ间接换算的物理性质指标(10个)土的孔隙比e土中孔隙率n土的饱和度Sr干密度ρd干重度γd饱和密度ρsat与饱和重度γsat（saturated）浮密度ρ’

与浮重度γ’重度γ§2.2

土的物理性质指标第三十六页，共76页。§2.2

土的物理性质指标1.土粒比重（土粒相对密度）Gs

：土粒质量与同体积的4℃时纯水的质量之比。(无量纲)土粒比重决定于土的矿物成分。可用比重瓶法测定。一般范围：细粒土（粘性土）一般2.70～2.75；砂土一般为2.65左右。土中有机质含量增加，土粒相对密度减小，2.4～2.5。4°C时纯水的密度，＝1g/cm³或1t/m³

气水土粒msmwmVsVwVVa质量m体积V一、三项基本物理指标（试验直接测定的）第三十七页，共76页。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§2.2

土的物理性质指标第三十八页，共76页。§2.2

土的物理性质指标气水土粒msmwmVsVwVVa质量m体积V2.土的含水量ω：土中水的质量与土粒质量之比。％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。

测定方法：通常用烘干法，亦可近似用酒精燃烧法

第三十九页，共76页。测定方法：烘干法烘干法。先称出天然湿土的质量，然后放在烘箱里，在100～105℃下烘干，称干土的质量。§2.2

土的物理性质指标第四十页，共76页。§2.2

土的物理性质指标3.土的密度ρ：单位体积土的质量

工程中常用重度来表示单位体积土的重力

重力加速度，近似取10m/s2

气水土粒msmwmVsVwVVa质量m体积V第四十一页，共76页。测定方法：环刀法§2.2

土的物理性质指标第四十二页，共76页。§2.2

土的物理性质指标1、干密度土的孔隙中完全没有水时的密度，称土的干密度，指单位体积干土的质量，即二、特殊条件下土的密度工程上常用干密度作为评定土体松密程度的指标第四十三页，共76页。§2.2

土的物理性质指标2、饱和密度土的孔隙完全被水充满时的密度称为饱和密度，是指土孔隙中全部充满液态水时的单位体积土的质量，即第四十四页，共76页。§2.2

土的物理性质指标3、浮密度单位体积内土粒质量与同体积水质量之差第四十五页，共76页。§2.2

土的物理性质指标工程上常用重度指标，它指单位体积土的重量，kN/m3。（密度g/cm3）注意换算关系！第四十六页，共76页。§2.2

土的物理性质指标土的浮重度（有效重度）γ′等于土的饱和重度减去水的重度（γw），即：对于同一种土来讲，土各种重度、各种密度在数值上有如下关系：

第四十七页，共76页。§2.2

土的物理性质指标三、描述土的孔隙体积相对含量的指标1、孔隙比e：指土中孔隙体积与土中固体颗粒总体积的比值，用小数表示土的孔隙比说明土的密实程度，按其大小可对砂土或粉土进行密实度分类。在《岩土工程勘察规范》（GB50021-94）中，用天然孔隙比来确定粉土的密实度。e<0.75密实0.75≤e≤0.9中密e>0.9稍密第四十八页，共76页。§2.2

土的物理性质指标2、孔隙率n孔隙率，指土中孔隙总体积与土的总体积之比，用百分数表示。孔隙率与孔隙比的关系为第四十九页，共76页。§2.2

土的物理性质指标3、饱和度Sr：土孔隙中所含水的体积与土中孔隙体积的比值称为土的饱和度，以百分数表示。饱和度可以说明土孔隙中充水的程度，其数值为0-100%。干土：Sr=0；饱和土：Sr=100%。工程实际中，按饱和度大小常将砂类土划分为如下三种含水状况：Sr<50%稍湿的50%≤Sr≤80%很湿的Sr>80%饱和的第五十页，共76页。土的三相指标之间可以进行换算，换算的一般方法是：§2.2

土的物理性质指标三、指标间的换算第五十一页，共76页。§2.2

土的物理性质指标三、指标间的换算气水土粒Gsρw

Vs＝11+e质量m体积V土的三相指标中，土粒比重Gs

，含水量ω和密度ρ是通过试验测定的，可以根据三个基本指标换算出其余各指标Vv=eωGsρw

Gs（1＋ω）ρw

推导：换算关系式：第五十二页，共76页。课堂练习题有一块50cm3的原状土样重95.15g，烘干后重75.05g，已知土粒相对密度2.67，试求其天然重度、干重度、饱和重度、浮重度、天然含水量、孔隙比、孔隙率、饱和度。§2.2

土的物理性质指标第五十三页，共76页。解：注意量纲、注意小数或百分数第五十四页，共76页。§2.2

土的物理性质指标解：第五十五页，共76页。§2.2

土的物理性质指标四、例题分析【例1】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Gs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和有效重度。

【解答】第五十六页，共76页。§2.2

土的物理性质指标【例2】已知土粒比重Gs为2.72，饱和度Sr为37%，孔隙比e为0.95。问当Sr提高到90％时，每立方的土应加多少水？【解答】由Vv=eVs=V－Vs得Vs=V/1＋e=1/1+0.95=0.513m³Vv=eVs=0.95×0.513=0.487m³

当Sr为37%时，Vw=SrVv=0.37×0.487=0.18m³当Sr为90%时，Vw=SrVv=0.90×0.487=0.438m³（Vv不变）∆Vw=0.438－0.18=0.258m³故应加水∆Ww=γ∆Vw=10×0.258=2.58kN第五十七页，共76页。§2.2

土的物理性质指标【例3】某料场30万方土料，初始孔隙比e1＝1.2，问可填筑e2＝0.7的土堤多少立方米？【解答】（填筑前后Vs不变）V＝Vv+Vs=e2Vs+Vs=(0.7+1)Vs=1.7×13.64=23.18万方第五十八页，共76页。§2.2

土的物理性质指标【例4】某基坑体积2000立方米，取土场土料比重Gs为2.7，含水量ω为15%，孔隙比e为0.6。

要求填土ω为17%

，干容重γd为17.6kN/m3.问（1）取土场土的容重、干容重和饱和度？（2）取多少方土？（3）碾压时应洒多少水？填土的孔隙比是多少？【解答】（1）第五十九页，共76页。§2.2

土的物理性质指标（2）填土（3）由得mw=5060.87kN，ms=33739.1kN设加水xkN，则解出x=674.8kN第六十页，共76页。§2.3

土的物理状态指标一、无粘性土的密实度

无粘性土一般指碎石(类)和砂(类)土。无粘性土的物理性质主要决定于土的密实度状态。

土的密实度指单位体积土中固体颗粒的含量。根据土颗粒含量的多少，天然状态下的砂、碎石等处于从紧密到松散的不同物理状态。第六十一页，共76页。§2.3

土的物理状态指标1.孔隙比e孔隙比e可以用来表示砂土的密实度。对于同一种土，当孔隙比小于某一限度时，处于密实状态。孔隙比愈大，土愈松散。但孔隙比e难以反映颗粒级配的影响。

2.相对密实度Dr砂土在天然状态下孔隙比砂土在最密实状态时的孔隙比砂土在最松散状态时的孔隙比当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密实状态第六十二页，共76页。§2.3

土的物理状态指标3.按动力触探确定无粘性土的密实度天然砂土的密实度，可按原位标准贯入试验的锤击数N进行评定。天然碎石土的密实度，可按原位重型圆锥动力触探的锤击数N63.5进行评定(GB50007-2002)

密实度按N评定砂土密实度按N63.5评定碎石土密实度松散稍密中密密实N≤10N63.5≤510＜N≤155＜N63.5≤1015＜N≤3010＜N63.5≤20N＞30N63.5＞20第六十三页，共76页。§2.3

土的物理状态指标二、例题分析【例】某砂土试样,试验测定土粒相对密度Gs=2.7,含水量ω=9.43%,天然密度ρ=1.66g/cm3。已知砂样最密实状态时称得干密度dmax

=1.62g/cm3,最疏松状态时称得干密度dmin

=1.45g/cm3。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]中密状态第六十四页，共76页。§2.3

土的物理状态指标三、粘性土的稠度

1.粘性土的稠度状态稠度是指土在某一含水率下的软硬程度或土受外力作用所引起变形或破坏的抵抗能力,是粘性土最主要的物理状态特征

0固态或半固态可塑状态流动状态ω塑限ωP液限ωL粘性土由某一种状态过渡到另一状态的界限含水量称为土的稠度界限(阿太堡界限)缩限ωs可塑状态是指土在外力作用下可塑成任何形状而不发生裂纹，并当外力移去后仍能保持既得的形状。第六十五页，共76页。§2.3

土的物理状态指标测定方法：液限：我国采用锥式液限仪，76g锥体人工放锥5s时沉入土中10mm

美国、日本等国家采用碟式液限仪。塑限：搓条法，土条直径为3mm时恰好开始断裂联合测定法：锥式液限仪电磁放锥，下沉深度为10mm和2mm所对应的含水量分别为液限和塑限《公路土工试验规程》(JTJ051－93)规定采用100g锥体下沉20mm为液限。第六十六页，共76页。§2.3

土的物理状态指标液塑限联合测定仪下沉深度为10mm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第六十七页，共76页。§2.3

土的物理状态指标2.粘性土的塑性指数和液性指数塑性指数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

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。根据IL值可以直接判定土的软硬状态

(GB50007-2002)

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

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＞1第六十八页，共76页。§2.3

土的物理状态指标例题分析【例】已知粘土比重为2.75，液限为41％，塑限为22％，饱和度98％，孔隙比1.55。求塑性指数和液性指数。【解答】流塑状态第六十九页，共76页。§2.4

土的工程分类一、分类的目的和原则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.分类要简明，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.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第七十页，共76页。§2.4

土的工程分类二、分类体系与方法分类体系：1.建筑工程系统分类体系2.工程材料系统分类体系侧重把土作为建筑地基和环境，研究对象为原状土，例如：《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)地基土分类方法侧重把土作为建筑材料，用于