《土力学与基础工程》-2土的物理性质及工程分类

2土的物理性质及工程分类

掌握土的物理性质与土的工程分类了解土的三相组成掌握土的物理性质指标及三相比例指标之间的换算关系熟悉粘性土、粘性土的物理状态指标掌握相对密度、塑限、液限、塑性指数和液性指数等基本概念熟悉规范对地基土的工程分类方法掌握砂土、粘性土的分类标准能力目标§1土的物性与分类土的形成渗透特性变形特性强度特性土的三相组成土的物理状态土的结构土的工程分类土的压实性决定影响如何获得较好的土便于研究和应用土的形成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搬运、沉积形成过程形成条件物理力学性质

风化土地球影响§2土的物性与分类岩石地球生物循环物理风化化学风化量变无粘性土原生矿物质变粘性土次生矿物动植物的活动有机质§2.1土的形成岩石和土的粗颗粒受各种气候因素的影响产生胀缩而发生裂缝,或在运动过程中因碰撞和摩擦而破碎母岩表面和碎散的颗粒受环境因素的作用而改变其矿物的化学成分，形成新的矿物§2土的物性与分类固体矿物颗粒（固相）土中气体（气相）

土中水（液相）2.1

土的组成土的组成干土当土中孔隙没有水时，为干土。饱和土若土位于地下水位线以下，土中孔隙全部充满水时，称为饱和土。非饱和土土中孔隙同时有水和气体存在时，称为非饱和土(湿土)。§2.1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§2土的物性与分类一.固体颗粒物理状态力学特性粒径级配§2.1土的三相组成矿物成分颗粒形状§1土的物性与分类2.1.1土的固体颗粒

土的固体颗粒是土的三相组成中的主体，是决定土的工程性质的主要成分。

1.土粒的矿物成分（1）原生矿物

:石英、长石、云母等（2）次生矿物（3）腐植质次生矿物

蒙脱石

伊利石

高岭石蒙脱石

粘土矿物依硅片和铝片的组叠形式的不同，可以分为蒙脱石、伊利石和高岭石三种主要类型。(2)伊利石亲水性、膨胀性和收缩性都较蒙脱石小。

(3)高岭石高岭石的亲水性、膨胀性和收缩性均小于伊利石，更小于蒙脱石。(1)蒙脱石土中蒙脱石含量较大时，该土可塑性和压缩性高，强度低，渗透性小，具有较大的吸水膨胀和脱水收缩的特性。土的成因与组成土的固相粒组划分:自然界中的土都是由大小不同的土颗粒组成的，土颗粒的大小与土的性质密切相关。如土颗粒由粗变细，则土的性质由无豁性变为豁性。粒径大小在一定范围内的土，其矿物成分及性质也比较相近。因此，可将土中各种不同粒径的土粒，按适当的粒径范围分为若干粒组，各个粒组的性质随分界尺寸的不同而呈现出一定质的变化。划分粒组的分界尺寸称为界限粒径，根据《土的工程分类标准》(GB/T50145-2007)规定，土的粒组应按下表划分。2.土颗粒的大小与形状基本概念粒度(土粒的大小)、粒组(把大小和性质相近的土粒合并成一组)粘粒粉粒砂粒圆粒碎石块石0.0050.075260200巨粒粗粒细粒土的成因与组成粒组名称粒径范围一般特征漂石(块石)>200渗透性很大、无粘性、无毛细水。卵石(碎石)60～200砾粒2～60渗透性很大、无粘性、毛细水上升高度不超过粒径大小。砂粒0.075～2易透水，当混入云母等杂质时透水性减小，而压缩性增加；无粘性，遇水不膨胀，干燥时松散，毛细水上升高度不大，随粒径变小而增大。粉粒0.005～0.075透水性小，湿时稍有粘性，遇水膨胀小，干时稍有收缩，毛细水上升高度较大较快，极易出现冻胀现象。粘粒<0.005透水性很小，湿时有粘性、可塑性，遇水膨胀大，干时收缩显著，毛细水上升高度大，但速度较慢。土的级配

根据颗粒大小分析试验结果，可以绘制颗粒级配曲线(粒径分布曲线)，判断土的级配状况。土的颗粒级配是指土中各个粒组占土粒总量的百分率，常用来表示土粒的大小及组成情况。颗粒级配曲线一般用横坐标表示粒径，纵坐标用来表示小于某粒径的土的质量分数(或累计百分含量)。颗粒级配的表示方法表示方法：表格法、颗粒累计级配曲线法10-22-0.050.05-0.005<0.005A09910B066304C4456003、土的颗粒级配土中所含各粒组的相对含量，以土粒总重的百分数表示，称为土的颗粒级配。

粒径

(mm)小于等于某粒径的土粒的累计百分含量(%)土样A土样B土样C10--100.0---510075.0---298.955.0---192.942.7---0.576.534.7---0.2535.028.5100.00.19.023.692.00.075---19.077.60.010---10.940.00.005---6.728.90.001---1.510.0限定粒径中值粒径有效粒径土的级配有效粒径

——小于某粒径的土粒质量累计百分数为10%时相应的粒径。限定粒径

——小于某粒径的土粒质量累计百分数为60%时相应的粒径。中值粒径

——小于某粒径的土粒质量累计百分数为30%时相应的粒径。

工程中常用不均匀系数Cu和曲率系数Cc来反映土颗粒级配的不均匀程度。

可见，不均匀系数Cu反映了大小不同粒组的分布情况，曲率系数Cc描述了级配曲线分布的整体形态。

工程上对土的级配是否良好可按如下规定判断：①对于级配连续的土：Cu>5，级配良好；反之，Cu<5，级配不良。②对于级配不连续的土，级配曲线上呈台阶状，则需同时满足Cu>5和Cc＝1～3两个条件时，才为级配良好，反之级配不良。颗粒分析试验

(1)筛分法

(2)沉降分析法土的级配级配曲线的纵坐标表示小于某土粒的累计质量百分比,

横坐标则是用对数表示的土的粒径。由曲线的坡度可判断土的均匀程度，

曲线平缓，粒径大小相差悬殊，土粒不均匀，级配良好。

曲线陡

粒径大小相差不大，土粒均匀，级配不好

筛分法（d>0.075mm的土）沉降分析法（d<0.075mm的土）2.2.2土中水和气

1、土中水土中水按存在形态分有液态水、固态水和气态水。重力水

自由水

弱结合水（不能传递递静水压力、不因重力作用而移动）

强结合水(不能传递递静水压力、冰点－78度)

结合水

土中液态水毛细水

2、土的冻胀

在持续负温作用下，地下水位较高处的粉砂、粉土、粉质粘土等土层常具有较大的冻胀危害。防治冻胀的工程主要措施措施是，要将构筑物基础底面置于当地冻结深度(可查有关规范)以下，以防止冻害的影响。

3、土中气在粗颗粒的沉积物中常见到与大气相连通的空气，它对土的工程性质影响不大。在细颗粒中则存在与大气隔绝的封闭气泡，封闭气体对土的工程性质影响较大。2.3.1

土的三相比例指标概述土的物理性质直接反映土的松密、软硬等物理状态，也间接反映土的工程性质。土的松密和软硬程度主要取决于土的三相各自在数量上所占的比例。三相指标的定义2.3

土的物理性质指标固相液相气相土颗粒土中水土中气土的三相图质量m体积V气水土粒msmwmVsVwVVaVv土的三个基本指标

1、土的含水量w（测定：烘干法）

土中水的质量与土粒质量之比(用百分率表示)，称为土的含水量，亦称为土的含水率。即：

土的三个基本指标2、土的土的密度ρ和重度

（测定：环刀法）

单位体积内土的质量称为土的密度ρ，单位体积内土所受的重力(重量)称为土的重度

。

土的三个基本指标3、土的比重Gs（测定：比重瓶法）土粒质量与同体积的4℃时纯水的质量之比，称为土粒比重(无量纲)，亦称为土粒相对密度。即：

土的6个换算指标1、干密度和干重度单位体积土颗粒的质量，称为土的干密度。单位体积内土颗粒的所受的重力，称为土的干重度即：

土的6个换算指标2、土的饱和密度和饱和重度

饱和密度是指土中孔隙完全充满水时，单位体积土的质量;饱和重度是指土中孔隙完全充满水时，单位体积内土所受的重力(重量)，即：

土的6个换算指标3、土的有效密度和有效重度

土的有效密度是指在地下水位以下，单位土体积中土粒的质量扣除土体排开同体积水的质量;土的有效重度是指在地下水位以下，单位土体积中土粒所受的重力扣除水的浮力，即：

土的6个换算指标4、土的孔隙比

孔隙比为土中孔隙体积与土的固体颗粒体积之比，用小数表示。

5、土的孔隙率

孔隙率为土中孔隙体积与土的总体积之比，以百分率表示。即：

土的6个换算指标6、土的饱和度

土中孔隙水体积与孔隙体积之比，称为土的饱和度，以百分率表示。即:

2.4三相比例指标的相互换算

利用换算公式求得全部计算指标。

利用三相草图计算物理指标的方法：

（1）首先绘制三相草图；

（2）根据已知的三个试验指标计算其余的指标。

技巧：令V=1或VS=1，可使计算大为简化。

土的密度、含水量、土粒比重是通过试验测定，其他指标可由这三个指标换算得到。令VS=1，可使计算大为简化【解】1、绘三相草图；【例题】已知土的试验指标为：土的重度γ=17kN/m3，土粒重度γs=27.2kN/m3和含水量w=10％，求其余6个物理指标。2、设土的体积等于1，即V=1

则土的质量：3、已知含水量而4、土粒密度而：5、孔隙体积：6、水的体积：7、气体的体积：8、根据土的物理性质指标表达式可求出：（1）孔隙比：（2）孔隙率：（3）饱和度：（4）干密度：（5）饱和密度：（6）有效密度：

ρ’＝

ρsat

–ρw＝1.98－1＝0.98(g/m3)

(g/m3)

(g/m3)

【例题2】

已知土的试验指标为：土的重度γ=18kN/m3

，土粒密度ρs=2.7g/cm3和含水量w=12％，求e,Sr和γd

。【例题2】

已知土的试验指标为：土的重度γ=18kN/m3

，土粒密度ρs=2.7g/cm3和含水量w=12％，求e,Sr和γd

。【解1】

设土的体积等于1，即V

=

1

则土的重力W

=

gV

=

18

kN

已知土粒的重力Ws

与水的重力Ww

之和等于土的重力W

，即:

W

=

Ws

+

Ww

水的重力Ww

与土的重力Ws之比等于含水量w，则

Ww＝

w×Ws

＝0.12Ws

代入式（1）：Ws

＋0.12Ws

＝W＝18kN

解得：

Ws

＝16

kN

Ww

＝2

kN

土粒体积：Vs

＝Ws

/rsg

=0.60

m3

孔隙的体积：Vv=V

-Vs

=1－0.60=0.40

m3，水的体积：Vw

＝Ww/gw

=2/9.8=0.20

m3。

根据三相指标定义可计算孔隙比e，饱和度Sr

和干重度

gd

的数值：孔隙比e：饱和度Sr

:

干重度

gd

：3.已知某土样的天然重度r=19.0kN/m3，土粒比重GS=2.71，含水量ω＝23.7%，试计算该土样的饱和度，孔隙比，干重度和饱和重度。确定无粘性土密实度的方法有多种，工程中以孔隙比e、相对密实度Dr

、标准贯入试验锤击数N为标准来划分砂土的密实度。

无粘性土的物理状态指标2.4无粘性土的密实度划分标准（1）孔隙比e。用孔隙比来判断砂土的密实度是最简便的方法。孔隙比越小，表示土越密实;孔隙比越大，土越疏松。优点：简单方便缺点：无法反映土的级配因素0.60.750.85松散中密密实稍密emax与emin：最大与最小孔隙比粗粒土的密实状态密实度如何衡量?单位体积中固体颗粒含量的多少或孔隙含量的多少优点：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干容重

d或孔隙比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（2）相对密度Dr

定义：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。2、以相对密实度Dr为标准密实度密实中密疏松相对密实度Dr

1～0.670.67～0.330.33～0砂土密实度划分标准有2m厚的砂土层，其最大孔隙比emax=0.97，最小孔隙比emin=0.45，天然孔隙比e=0.80，土颗粒比重Gs=2.68。计算其相对密实度Dr？并判定其密实状态？3、以标准贯入试验锤击数N为标准

标准贯入试验：是用规定的锤重（63.5kg）和落距（76cm）把标准贯入器（带有刃口的对开管，外径50mm，内径35mm）打入土中，记录贯入一定深度（30cm）所需的锤击数N的原位测试方法。N反映了土层的松密和软硬程度，是一种简便的测试手段。20105松散中密密实稍密2.5

粘性土的物理特性一、粘性土的状态与界限含水量1、土的状态

含水量大时，土呈流动状态；

含水量减小时，土由流动状态过渡到可塑状态；

含水量继续减小，土由可塑状态过渡到半固体状态；

含水量低时，土由半固体状态转为固体状态。2、土的可塑性：指土可塑成任何形状而不发生裂缝，并在外力解除后能保持已有的形状而不恢复原状的性质。2.5.2

粘性土的物理特征液限、塑限、缩限塑性指数液性指数灵敏度液限、塑限、缩限

一、定义液限WL、塑限Wp、缩限Ws

二、测定方法液塑限联合测定法wSWpWL液态固态塑态半固态0三、塑性指数IP

定义：可塑性是粘性土区别于砂土的重要特征。可塑性大小用土处于塑性状态的含水量的变化范围来衡量，该范围即为塑性指数。

工程应用：用IP作为粘性土和粉土的定名标准。

IP>17：粘土：

10<IP≤

17：粉质粘土：

IP≤

10：粉土

IP越大，土的可塑性越好，吸水能力越强。习惯上，IP用不带％的数值表示。四、液性指数IL

IL反映土的软硬程度和干湿状态。工程应用：根据IL确定粘性土的状态。

定义：粘性土的液性指数为天然含水量W与塑限WP的差值和液限WL与塑限WP差值之比。

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<IL≤1.0IL>1.0粘性土的状态测试结果整理五、灵敏度和触变性

工程应用：基础工程施工中必须注意保护基槽，尽量减少对土的扰动。饱和粘性土灵敏度的分类类别低敏度中等敏度高敏度灵敏度1.0<St≤2.02.0<St≤4.0

St>4.0

触变性：粘性土结构遭破坏，强度降低，但随时间发展土体强度恢复的胶体化学性质。

某粘性土的含水量ω=29.6%，液限ωL=43.6%，塑限ωP=25.4%,要求计算该土的塑性指数IP,确定土名,计算土的液性指数IL,按IL确定土的状态。流砂:由于某种原因,使水流由下而上流动时,动水力与重力方向相反,当动水压力数值等于或大于土的浮重度时,土体发生浮起而随水流动。（粉砂、细砂、粉土）人工降低地下水方法管涌:当地下水流动的水力坡降i很大时，水流由层流变紊流，此时，渗流力将土体粗粒孔隙中充填的细粒土带走，最终造成土体内形成贯通的渗流通道，造成土体塌陷，这种现象叫做管涌。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§土的压实性实际工程中采用压实的方法归纳为碾压、夯实和振动三类。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§1.6土的压实性§1土的物性与分类2、含水量的影响

wop：在一定夯击能量下填土最易压实并获得最大密实度的含水量称作土的最优含水量（最佳含水量）。

：在最优含水量下得到的干密度称作填土的最大干密度。(1)含水量的影响

A：对较干的土进行夯实或碾压，不能使土充分压实；B：对较湿的土进行夯实或碾压出现软弹现象。

在含水量小于最优含水量时，土的抗剪强度和模量均比最优含水量时高；但将其浸泡后，其强度损失很大。只有在最优含水量时浸水饱和后的强度损失小，压实土的稳定性最好。

2击实功能E二.细粒土的压实性§1.6土的压实性§1土的物性与分类击实功能对击实曲线的影响

土的级配的影响级配良好的土，压实时细颗粒能填充到粗颗粒形成的孔隙中，获得较高的干密度。反之，颗粒级配越均匀压实效果越差；对于粘性土，压实效果与粘土矿物成分含量有关。2.8

土的工程分类一、概述土的分类是建筑、道路、桥梁工程勘察与设计的前提，是工程勘测评价的基本内容。土的工程分类原则：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。土的分类标准，各行业的分类标准有差异。如《建筑物地基基础基础设计规范》是把土分成岩石、碎石土、砂土、粉土、粘性土、人工填土。

土的分类依据：影响土的工程性质的三个主要因素是土的三相组成、土的物理状态和土的结构。起主要作用的是三相组成，三相组成中最重要的又是固体颗粒。工程上以土中颗粒直径大于0.075mm的质量占全部土粒质量的50％作为第一个分类的界限。大于50％的称为粗粒土，小于50％的称为细粒土。

粗粒土的工程性质，很大程度上取决于土的粒径级配，按其级配累积曲线再分为细类。

细粒土的工程性质不仅与级配有关，还与土粒的矿物成分和形状均有密切关系，因此，多用塑性指数或者液限加塑性指数作为分类指标。二、土的分类《建筑物地基基础基础设计规范》土岩石粗粒土细粒土碎石土砂土粉土粘性土人工填土漂石、块石卵石、碎石园砾、角砾砾砂粗砂中砂细砂粉砂粘土粉质粘土2.8.1地基土的工程分类岩石1、碎石土的分类土的名称颗粒形状粒组含量漂石块石圆形及亚圆形为主棱角形为主粒径大于200mm的颗粒含量超过总质量的50％卵石碎石圆形及亚圆形为主棱角形为主粒径大于20mm的颗粒含量超过总质量的50％圆砾角砾圆形及亚圆形为主棱角形为主粒径大于2mm的颗粒含量超过总质量的50％碎石土：粒径大于2mm的颗粒含量超过总质量50％的土。

碎石土的分类重型圆锥动力触探锤击数N63.5N63.5≤5

5<N63.5≤10

10<N63.5≤20N63.5>20密实度松散稍密中密密实碎石土的密实度2、砂土分类砂土分类土的名称粒组含量砾砂粒径大于2mm的颗粒含量占总质量的25％～50％粗砂粒径大于0.5mm的