《道路建筑材料（活页式）》课件 项目2 土的性质

项目二土的性质及检测能应用三相比例关系换算土的物理指标2知识目标能简述土的形成、结构和三相组成1能根据试验结果正确判定土的类别及对土正确命名1能根据规范及设计文件合理选择路基填料2能力目标学习土的物理性质及检测2学习黏性土的水理性质及检测33认识土的组成31命名工程土34认识土的路用性能及检测35任务2.1土的组成

土是地壳表层母岩风化后的产物，是各种矿物颗粒的集合体，包括岩石经物理风化崩解而成的碎块及经化学风化后形成的细粒物质，粗至巨砾、细至黏粒统称为土。土岩石风化、搬运、沉积地质成岩作用土的组成、结构和物理力学性质过程、条件2.1.1

土的形成及类型1.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。2.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，层厚而不具层理冰川冰碛湖沼残积和坡积物洪积平原坡积物沙漠云南红土沙滩黄土2.1.2

土的结构絮状结构蜂窝结构单粒结构2.1.3

土的三相组成土中气体（气相）

土中水（液相）固体矿物颗粒（固相）

土是由固体颗粒(固相)、水(液相)和气体(气相)三部分组成。土中的固体矿物颗粒物质构成了土体的骨架结构，骨架之间贯穿大量的孔隙，空隙中充填着液体水和气体。固相液相气相土颗粒土中水土中气三相因素名称状态固相+气相干土黏质土呈干硬状态，砂类土呈松散状态固相+液相+气相湿土黏质土多为可塑状态，砂类土具有一定的黏接性固相+液相饱和土黏质土多为流塑状态，砂类土仍呈松散状态，但遇强烈地震时可能产生液化，使工程结构物遭到破坏

三相因素与土的状态关系1.土的固相

土的固相物质包括无机矿物颗粒和有机质，是构成土的骨架最基本的物质。土中的无机矿物成分又可以分为原生矿物和次生矿物两大类

1.土粒的矿物成分原生矿物：石英、长石、云母等次生矿物固体颗粒矿物质有机质粘土矿物：蒙脱石、伊利石、高岭石等可溶盐：NaCl、CaCO3等无定形氧化物胶体2.

土的液相（1）结合水强结合水、弱结合水（2）自由水重力水、毛细水土的液相是指存在于土孔隙中的水。土中水的含量明显地影响土的性质(尤其是粘性土)。土中水除了一部分以结晶水的形式吸附于固体颗粒的晶格内部外，还存在结合水和自由水。（3）气态水（4）固态水双电层结合水概念强结合水：性质接近于固体，冰点很低（-78℃），沸点很高（150℃

），且不能传递压力。弱结合水：呈粘滞状态，不能传递压力，不能自由流动，但可以发生转移。双电层概念

3.

土的气相

土的气相是指充填在土孔隙中的气体，包括与大气连通和不连通两类气体。土中的气体存在于土孔隙中未被水所占据的部位。（1）自由气体受外荷作用时被挤出土体外，对土的性质影响不大。

（2）封闭气体受外荷作用，不能逸出，被压缩或溶解于水中，压力减小时能有所复原，对土的性质有较大的影响，使土的渗透性减小，弹性增大和延长土体受力后变形达到稳定的历时。任务2.2土的物理性质及检测2.2.1土的三相比例指标土的物理性质直接反映土的干湿、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。2.2.2土的三相比例指标及检验土的物理性质指标的分类一类是必须通过试验实测的，如含水率、密度和土粒比重，称为直接指标；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。1.试验测定指标:土的密度、土粒比重和含水率。

1）土的密度(ρ)

：单位体积土的质量

土的密度常用环刀法测定，其单位通常为g/cm3.一般土的密度为1.60～2.20g/cm3。

方法适用条件原理环刀法适用于细粒土以环刀体积作为土体体积进行计算电动取土器法适用于硬塑土密度的快速测定以套筒体积作为土体体积进行计算蜡封法适用于易破裂土和形态不规则的坚硬土根据“阿基米德定律”求得蜡土封试件体积减去石蜡体积作为土体的体积灌水法适用于现场测定粗粒土和巨粒土的密度现场挖坑，向坑内灌水（用聚乙烯膜防止水损失）并测出水的质量，计算水的体积作为土体的体积灌砂法适用于现场测定细粒土、砂类土和砾类土的密度。试样的最大粒径一般不得超过15mm，测定密度层的厚度为150～200mm现场挖坑，向坑内灌砂并测出砂的质量，计算沙的体积作为土体的体积土体的天然密度的试验方法数值：不同土类的土粒密度变化范围不大,有经验的地区可按经验值选用。随着土中有机质含量增加，土粒密度减小.2）土粒密度Gs

:土粒质量与同体积的4℃时纯水的质量之比.测定方法：比重瓶法求得。土粒密度主要取决于土矿物成分，与土的孔隙大小和含水多少无关。（ρw）4℃近似取1g/cm3

土的比重ds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。土的名称砂土粉土粘性土粉质粘土粘土土粒相对密度2.65~2.692.70~2.712.72~2.732.74~2.763）土的含水率w：土的含水率是土中水的质量mw与土粒质量ms之比，以百分数表示.

数值：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。天然状态下土的含水率称土的天然含水率。一般砂土天然含水率都不超过40%，以10~30%最为常见；一般粘土大多在10~80%之间，常见值20~50%。但近代沉积的松软粘性土的天然含水率可到到100%以上。

方法适用范围原理烘干法测定黏质土、粉质土、砂类土、砂砾石、有机质土和冻土的含水率加热烘干酒精燃烧法快速简易测定细粒土（含有机质土除外）的含水率加热烘干比重法仅适用于砂类土已知砂类土比重的情况下利用水测出湿土的比重，两者作差求出水的质量土体的含水率常用测定方法可以通过计算求得，称为换算指标。干密度（

ρd

）饱和密度（

）有效重度（

）孔隙比（e）2

间接换算指标孔隙率（

n）饱和度（Sr）(2)饱和密度ρsat

(SaturatedDensity)

土体中孔隙完全被水充满时的土的密度.(1)干密度ρd(DryDensity)

固相质量ms与土的总体积V之比.

土体三相模型(3)有效重度γ’（浮重度，Submerged

density）

扣除浮力后的固相重量与土的总体积之比。浮密度ρ

(kg/m3)小结：土的三相比例指标中质量密度指标(kN/m3)共有五个：土粒密度ρs,土的密度ρ,饱和密度ρsat,干密度ρd,浮密度ρ

。g=9.8N/kg2.孔隙比e和孔隙率n孔隙比e

土中孔隙体积Vv与固体体积Vs之比。

(2)孔隙率n

土中孔隙体积与土的总体积之比，以百分数表示。

土体三相模型3.土的饱和度Sr土中孔隙水的体积Vw与孔隙总体积Vv之比，以百分数表示。

饱和度描述土中孔隙被水充满的程度,它在0~100%。干土Sr=0,孔隙全部为水充填时，Sr=100%。应用：工程上将砂土根据饱和度分为三种状态:

Sr≤50%稍湿；

50％＜Sr≤80%很湿；

Sr＞80%饱和.而对于天然粘性土，一般将Sr大于95%才视为完全饱和土。

土的三相指标中，土粒密度ρs

，含水量w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.

推算时，首先令土体内固相（土粒）体积=1。

换算关系式如下：2.2.3指标间的换算任务2.3黏性土的水理性质及检测2.3.1

黏性土的稠度状态及检测稠度是黏性土在某一含水率时表现出的稀稠或软硬程度，可划分为固态、半固态、塑态和流态。土的状态与含水量的关系黏性土的稠度流动状态可塑状态固体状态半固体状态刚沉积的粘土，本身不能保持其形态，极易流动外力作用可改变其形状，而不改变其体积，并在外力卸除后仍能保持已获得的形状

水分蒸发，上覆沉积层厚度增加，含水率减小，体积收缩含水率减小,丧失可塑性，在外力作用下，易于发生破裂体积不再收缩，空气进入土体，土的颜色变淡

界限含水率

1.定义

粘性土由某一种状态过渡到另一状态的含水率分界点称为界限含水率。

液限w

L、塑限w

p、缩限w

s2.测定方法塑限wp—搓条法液限wL—锥式液限仪

综合—液塑限联合测定法固态半固态塑态流态土的稠度与界限含水率含水率w

液限w

L塑限w

p缩限w

s粘性土的可塑性指标塑性指数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。

粘性土的可塑性指标液性指数IL：是粘性土天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比。

《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）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,w≤wP,土处于坚硬状态;当IL＞1时,w＞wL,土处于流动状态。根据IL值可以直接判定土的软硬状态.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

例题：已知黏性土的液限为41%，塑限为22%，土粒比重为2.75，饱和度为98%，孔隙比为1.55，试计算塑性指数、液性指数，并确定黏性土的状态。解根据液限和塑限可以求得塑性指数：Ip=wL-wP=41-22=19土的含水率及液性指数可由下式求得：

=19

1.74＞1由于>1，故黏性土的状态应为流塑状态。2.3.2粘性土的其他性质活性指数A：区分粘性土含粘土矿物种类与数量。灵敏度：表征粘性土扰动性的指标。胀缩性：黏性土中水分的增加或减少会引起土体积的增大或减小的性质统称为胀缩性。（A＜0.75）非活性黏土；（0.75＜A≤1.25）正常黏土；（A＞1.25）活性黏土St＜1，不灵敏；1＜St≤2，低灵敏；2＜St≤4，中灵敏；4＜St≤8，灵敏；8＜St≤16，很灵敏某新建高速公路为土质路基，在施工中考虑到当地的地理条件和工程运输的影响，拟从A、B两个取土场地进行取土作为路基填料，试判定A、B两种土的类型，为路基施工填料选择提供依据。工作任务

任务2.4命名工程土2.4.1工程土的分类

土的工程分类是公路工程、岩土工程设计及施工的前提，科学的设计和施工必须建立在对土的正确评价的基础上，而土的工程分类正是岩土工程勘测评价的基本内容。土的分类是把不同的土系统安排到各个具有相近性质的组合中去，其目的是为了使人们有可能根据同类土已知的性质去评价其使用性能，或为工程师提供一个可供采用的描述与评价土的方法。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。分类目的：土的总分类体系ïïïïïïïïïîïïïïïïïïïíìïîïíìïïïïïïïîïïïïïïïíìïïïïïïîïïïïïïíìîíìîíìîíìîíì红粘土等膨胀土湿陷性黄土特殊土有机土粘土粉土细粒土砂类石砾类石粗粒土巨粒混合土混合巨粒土含巨粒的土卵石漂石巨粒土无机土一般土土2.4.2

土的颗粒分析相关概念（1）粒径：天然土是由大小不同的颗粒所组成的，土粒的大小通常以其平均直径表示，称为粒径，又称为粒度。（2）粒组：天然土的粒径一般是连续变化的，为了描述的方便，工程上常把大小相近的土粒合并为组，称为粒组。（3）粒度成分：指土中不同粒径颗粒的相对含量，它是描述土的基本物理性质之一。（4）土的颗粒分析：测定土中不同粒径颗粒的相对含量，以确定土的粒度成分的试验方法。1.土粒粒组的划分粒组划分表2.土粒组成的表示方法（1）表格法是以列表的形式直接表达各粒组的相对含量。它用于粒度成分的分类是十分方便的。以累计含量百分比表示以粒组表示两种表示方法以累计含量百分比表示粒径di（mm）粒径≤di的累计百分含量Pi（%）粒径di（mm）粒径≤di的累计百分含量Pi（%）土样A土样B土样C土样A土样B土样C101001001000.1920.6925100751000.07501989298.9551000.0109.951.4192.942.71000.00506.740.30.576.534.71000.00102.521.40.253528.5100<0.001000以粒组表示

粒组（mm）粒度成分(以质量%计)粒组（mm）粒度成分(以质量%计)土样A土样B土样C土样A土样B土样C10～502500.1～0.07591.635～21.12000.075～0.0109.137.62～1612.300.01～0.00503.211.11～0.516.4800.005～0.00104.218.90.5～0.2541.56.20<0.00102.521.40.25～0.1267.98（2）累计曲线法累计曲线法是一种图示的方法，通常用半对数坐标纸绘制，横坐标（按对数比例尺）表示粒径di；纵坐标表示小于某一粒径的土粒的累计百分数Pi（注意：不是某一粒径的百分含量）。粒度成分累计曲线

为了衡量土的级配是否良好，常用不均匀系数Cu和曲率系数Cc两个判别指标。式中：d10、d30、d60——土的特征粒径（mm），在土的粒径分布曲线上，小于该粒径的土粒质量分别为土总质量的10%、30%和60%。土的级配情况判定与在土的级配情况判断中的应用

指标范围判定结果说明<5均粒土，级配不良值越大，表明土粒大小分布范围大，土的级配良好；值越小，表明土粒大小相近似，土的级配不良≥5非均粒土，其级配良好1～3级配良好当累计曲线呈阶梯状时，说明粒度不连续，即主要由大颗粒和小颗粒组成，缺少中间颗粒，表明土的级配不好，其工程地质性质也较差<1或>3级配不好3）三角坐标法三角坐标法可用来表达黏粒、粉粒和砂粒三种粒组的百分含量。它是利用几何上的等边三角形中的任意点到三边的垂直距离之和横等于三角形的高的原理，即h1+h2+h3=H来表达粒度成分。三角坐标法三角坐标法表格法累计曲线法清楚地用数据说明土样的各粒组含量，但对于大量土样之间的比较就显得过于冗长，且无直观概念，使用比较困难用一条曲线表示一种土的粒度成分，而且可以在一张图上同时表示多种土地粒度成分，能直观地比较其级配情况用一点表示一种土的粒度成分，在一张图上能同时表示许多种土的粒度成分，便于进行土料的级配设计方法适用粒径范围原理筛分法粒径di>0.074mm利用筛孔限制不同粒径颗粒的通过密度计法粒径di<0.074mm粒径为d的颗粒以速度v经过时间t后，下降距离为L=vt,粒径大于d的下降距离肯定大于L，所以L平面以上只有粒径小于d的颗粒，测出此处的比重与原来的比重相比较，即可求出粒径小于d的颗粒百分数（颗粒越大下沉越快）移液管法粒径di<0.074mm，比重大预先计算好t1、t2、t3……，然后按规定时间在虚线断面上吸取一定量的悬浮液(通常为10ml)，那么，第一次取出的悬浮液中已缺少粒径大于d1的尘粒；第二次取出的悬浮液中已缺少大于d2的尘粒，因此两次悬浮液中所含粉尘的质量差就是在d1～d2这个粒径范围内的尘粒质量。根据悬浮液中原始的粉尘质量，即可算出不同粒径尘粒的质量百分数3.土的颗粒级配的分析方法2.4.3工程土的命名土的分类总体系特殊土的分类1.土的总体分类2.鉴别巨粒土、粗粒土和细粒土

试样中巨粒组质量大于总质量的15%时，为巨粒土；试样中巨粒组土粒质量少于或等于总质量15%，且巨粒组土粒与粗粒组土粒质量之和多于总质量50%的土称粗粒土；试样中细粒组土粒质量多于或等于总质量50%的土称细粒土。3.巨粒土分类巨粒土按巨粒组中漂石粒与卵石粒占总质量的比例（即两者之间的关系）进行细分。巨粒土的分类粒组含量土类代号土类名称巨粒含量>75％漂石粒组>卵石粒组B漂石漂石粒组<卵石粒组Cb卵石巨粒含量50%～75%漂石粒组>卵石粒组BSl漂石夹土漂石粒组<卵石粒组CbSl卵石夹土巨粒含量15%～50%漂石粒组>卵石粒组SlB漂石质土漂石粒组<卵石粒组SlCb卵石质土碎石卵石碎石巨粒土分类体系注：1.巨粒土分类体系中的漂石换成块石，B换成Ba，即构成相应的块石分类体系。

2.巨粒土分类体系中的卵石换成小石块，C换成Cb，即构成相应的小块石分类体系。（4）粗粒土的细分

试样中巨粒组土粒质量小于或等于总质量的15%，且巨粒组土粒与粗粒组土粒质量之和大于总质量50%的土称为粗粒土粗粒土中砾粒组质量多于砂粒组质量的土称砾类土，粗粒土中砾粒组质量少于或等于砂粒组质量的土称砂类土。砾（砂）类土应根据其中细粒含量和类别以及粗粒组的级配情况进行细分。粗粒类土的分类粒组含量土类代号土类名称细粒组含量<5％Cu≥5，Cc=1～3G（S）W级配良好砾（砂）不同时满足以上条件时G（S）P级配不良砾（砂）细粒组含量5％～15%G（S）F含细粒土砾（砂）细粒组含量15%～50％细粒土位于塑性图A线以下时G（S）M粉土质砾（砂）细粒土位于塑性图A线或A线以上时G（S）C黏土质砾（砂）砾类土的分类体系砂类土的分类体系细砂粗砂（5）细粒土的细分1）按土有机质含量分类。试样中有机质含量多于或等于总质量的5%，且少于总质量的10%的土称有机质土；试样中有机质含量多于或等于10%的土称有机土。2）按土中粗粒组质量进行分类。细粒土中粗粒组质量少于或等于总质量25%的土称粉质土或黏质土；细粒土中粗粒组质量为总质量25%～50%的土称含粗粒的粉质土或含粗粒的黏质土。黏土粉土3）按塑性图分类。塑性图是一种以塑性指数Ip为纵坐标，以液限wL为横坐标，用于细粒土分类的图。图中用A线和B线两条线将坐标分成四个区域。细粒土塑性塑性图中位置代号土类名称A线或A线以上，B线以右CH高液限黏土A线或A线以上，Ip=7线以上，B线以左CL低液限黏土A线或A线以上，B线以右CHO有机质高液限黏土A线或A线以上，Ip=7线以上，B线以左CLO有机质低液限黏土A线以下，B线以右MH高液限粉土A线以下，Ip=4线以下，B线以左ML低液限粉土A线以下，B线以右MHO有机质高液限粉土A线以下，Ip=4线以下，B线以左MLO有机质低液限粉土细粒土按塑性图分类4）含粗粒的细粒土的分类。先按塑性图的规定确定细粒土部分的名称，再按粗粒成份最终定名：当粗粒组中砾粒组占优势，称含砾细粒土，在细粒土代号后缀以代号“G”；当粗粒组中砂粒组占优势，称含砂细粒土，在细粒土代号后缀以代号“S”。例：对土样A的判定对A土样进行筛分后发现小于0.075mm的土小于总质量的50%，为非细粒土。根据前面提到的分类方法可以通过颗粒分析试验进行判定，若为粗粒土且细粒组质量大于总质量的15%时还应结合界限含水率试验做进一步的判定，反之可直接判定。首先对土样中大于0.075mm的颗粒进行筛分法试验。某高速公路土方路基上路床采用取土坑取土施工，现需要评价该土是否能用于上路床施工，并确定路基施工质量的控制指标。工作任务

任务2.5土的路用性能及检测路基是公路的主要组成部分，根据填料不同可分为土方路基和填石路基。土方路基即是以土作为填方材料的路基。当填料选用不当或施工不合理，会造成路基沉陷、路基边坡滑坍、冻胀翻浆等路基病害。路基沉陷边坡滑坍冻胀翻浆路基常见病害1.土体压实性的工程意义

路基作为公路的基础，对其最主要的要求就是强度和稳定性。当一种土用于路基填料时，保证其密实程度是保证路基强度和稳定性的首要条件，只有要保证一定密实程度的情况下谈论土的强度才有意义，或者简单地说，松散的路基材料是没有强度的。2.土的压实机理分析

适量的水在土颗粒之间起着润滑作用，使材料的内摩擦阻力减小，有利于材料的压实。当土中水分含量过少时，由于材料颗粒间缺乏必要的水分润滑，使材料的内摩擦阻力加大，在一定的压实功条件下，增加了压实的难度，同时因为材料含水率过低，材料的可塑性变差，其塑性变形的能力降低，因此，压实材料的干密度较小。击实试验方法种类试验方法类别锤底直径(cm)锤重(kg)落高(cm)试筒尺寸层数每层击数击实功(KJ/m2)最大粒径(mm)内径(cm)高(cm)容积(cm3)轻型I法I.1I.2552.52.530301015.212.7129972177332759598.2598.22040重型Ⅱ法Ⅱ.1Ⅱ.2554.54.545451015.212.