土的物理性質(zhì)及分類

關(guān)于土的物理性質(zhì)及分類第一頁，共六十五頁，2022年，8月28日

一詞在不同的學(xué)科領(lǐng)域有其不同的涵義。就土木工程領(lǐng)域而言，土是指覆蓋在地表的沒有膠結(jié)和弱膠結(jié)的顆粒堆積物。土與巖石的區(qū)分僅在于顆粒間膠結(jié)的強弱。土第二頁，共六十五頁，2022年，8月28日地質(zhì)作用：導(dǎo)致地殼成分變化和構(gòu)造變化的作用地質(zhì)作用內(nèi)力地質(zhì)作用外力地質(zhì)作用巖漿活動地殼運動變質(zhì)作用氣溫變化、雨雪、山洪、河流、湖泊、海洋、冰川、風(fēng)、生物等土的生成第三頁，共六十五頁，2022年，8月28日地質(zhì)作用第四頁，共六十五頁，2022年，8月28日礦物與巖石

造巖礦物：

石英方解石正長石斜長石角閃石輝石等第五頁，共六十五頁，2022年，8月28日硬度等級礦物名稱野外簡易鑒定方法1滑石用軟鉛筆劃時留下條痕，用指甲容易刻劃2石膏用指甲可刻劃3方解石用黃鋼板刻劃可留下條痕，用小刀很容易刻劃4螢石小刀可刻劃5磷灰石用削鉛筆刀刻劃時刻留下明顯痕跡，能刻劃玻璃6正長石小刀可勉強留下看得見的劃痕，能刻劃玻璃7石英用小刀不能刻劃8黃玉能割開玻璃，難于刻劃石英9剛玉能刻劃石英10金剛石能刻劃石英礦物的硬度等級第六頁，共六十五頁，2022年，8月28日巖石三大類巖石的代表：巖漿巖沉積巖變質(zhì)巖巖漿巖第七頁，共六十五頁，2022年，8月28日沉積巖第八頁，共六十五頁，2022年，8月28日變質(zhì)巖第九頁，共六十五頁，2022年，8月28日地質(zhì)年代的概念

地質(zhì)年代:是指地殼發(fā)展歷史與地殼運動、沉積環(huán)境及生物演化相應(yīng)的時代段落。地質(zhì)年代相對地質(zhì)年代（太古代、元古代、中生代和新生代）絕對地質(zhì)年代第十頁，共六十五頁，2022年，8月28日第四紀(jì)沉積物（層）

殘積物：是殘留在原地未被搬運曲那一部分原巖風(fēng)化剝蝕后的產(chǎn)物，而另一部分則被風(fēng)和降水所帶走。第十一頁，共六十五頁，2022年，8月28日

坡積物：是雨雪水流的地質(zhì)作用將高處巖石風(fēng)化產(chǎn)物緩慢地洗刷剝蝕、順著斜坡向下逐慚移動、沉積在較平緩的山坡上而形成的沉積物。第十二頁，共六十五頁，2022年，8月28日

沖積物：是河流流水的地質(zhì)作用將兩岸基巖及其上部覆蓋的坡積、洪積物質(zhì)剝蝕后搬運、沉積在河流坡降平緩地帶形成的沉積物。平原河谷沖積物山區(qū)河谷沖積物第十三頁，共六十五頁，2022年，8月28日第十四頁，共六十五頁，2022年，8月28日第十五頁，共六十五頁，2022年，8月28日土的組成土是由固相，液相，氣相組成的三相分散系。

氣相——主要是空氣，水蒸氣，有時還有沼氣等。

固相——包括多種礦物成分組成土的骨架，骨架間的空隙為液相和氣相填滿，這些空隙是相互連通的形成多孔介質(zhì)。

液相——主要是水(溶解有少量的可溶鹽類)。第十六頁，共六十五頁，2022年，8月28日由巖石經(jīng)物理風(fēng)化生成的顆粒通常是由一種或幾種原生礦物所組成，它的成成分與母巖的相同，常見的有石英，長石和云母。顆粒一般較粗，多呈渾圓形，塊狀或板狀。吸附水的能力弱，性質(zhì)比較穩(wěn)，無塑性。由原生礦物經(jīng)化學(xué)風(fēng)化生成的新礦物，它的成分成分與母巖的完全不同。次礦物主要是粘土礦物，即高嶺石，伊利石和蒙脫石。顆粒極細(xì)，且多呈片狀。性質(zhì)活潑，有較強的吸附水能力（尤其是由蒙脫石組成的顆粒），具塑性。土是巖石風(fēng)化的產(chǎn)物。因此土粒的礦物組成將取決于成土母巖的礦物組成及其后的風(fēng)化作用。成土礦物可分為兩大類。原生礦物次生礦物一：土的固相第十七頁，共六十五頁，2022年，8月28日可溶性次生礦物。最常見的有巖鹽，鉀鹽，石膏，方解石，硫酸鹽類還對金屬和混凝土有一定的腐蝕作用動植物分解后的殘骸，分解徹底的稱為腐殖質(zhì)/腐殖質(zhì)的顆粒極細(xì)，粒徑小于0.1μm，呈凝膠狀，帶有電荷，具有極強的吸附性。水溶鹽有機質(zhì)第十八頁，共六十五頁，2022年，8月28日土的顆粒級配土是由大小不同的土粒組成的。土粒的粒徑由粗到細(xì)逐漸變化時，土的性質(zhì)相應(yīng)地發(fā)生變化。界限粒徑——劃分粒組的分界尺寸。土的顆粒級配——土中各粒組的相對百分含量，通常用各粒組占土粒總質(zhì)量（干土質(zhì)量）的百分?jǐn)?shù)表示，也稱為土的粒度成分。粗粒土指以礫石和砂粒為主的土，又稱為無粘性土。細(xì)粒土指以粉粒、粘粒和膠粒為主的土，又稱為粘性土。第十九頁，共六十五頁，2022年，8月28日土按顆粒級配的分類《巖土工程勘察規(guī)范》中的分類法：粒徑＞2mm的質(zhì)量超過50%的稱為碎石土粒徑＞2mm的質(zhì)量小于50％而＞0.075mm的質(zhì)量超過50%的稱為砂土粒徑＞0.075mm的質(zhì)量小于50%的定為粉土或粘性土碎石土、砂土和粉土又稱為無粘性土第二十頁，共六十五頁，2022年，8月28日粒組統(tǒng)稱粒組名稱粒徑d范圍（mm）分析方法主要特征巨粒漂石（塊石）粒d>200直接測定透水性很大，壓縮性極小，顆粒間無粘結(jié)，無毛細(xì)性。卵石（碎石）粒60<d≤200粗粒礫粒粗礫20<d≤60篩

分

法透水性大，壓縮性小，無粘性，有一定毛細(xì)性。細(xì)礫2<d≤20砂粒粗砂0.5<d≤2中砂0.25<d≤0.5細(xì)砂0.075<d≤0.25細(xì)粒粉粒0.005<d≤0.075靜水沉降原理透水性小，壓縮性中等，毛細(xì)上升高度大，微粘性。粘粒d≤0.005透水性極弱，壓縮性變化大，具粘性和可塑性。土粒粒組的劃分第二十一頁，共六十五頁，2022年，8月28日顆粒級配累積曲線——土粒質(zhì)量累計百分?jǐn)?shù)為10%時，相應(yīng)的粒徑稱為有效粒徑d10。小于某粒徑的土粒質(zhì)量累計百分?jǐn)?shù)為30%時的粒徑用d30表示。當(dāng)小于某粒徑的土粒質(zhì)量累計百分?jǐn)?shù)為60%時，該粒徑稱為限定粒徑d60。第二十二頁，共六十五頁，2022年，8月28日

利用顆粒級配累積曲線可以確定土粒的級配指標(biāo)，如d60與d10的比值Cu稱

不均勻系數(shù):

不均勻系數(shù)Cu反映大小不同粒組的分布情況。Cu越大表示土粒大小的分布范圍越大，其級配越良好。曲率系數(shù)Cc描寫累積曲線的分布范圍，反映曲線的整體形狀。曲率系數(shù)Cc:第二十三頁，共六十五頁，2022年，8月28日顆粒級配的測定

篩分法（適用于礫石類和砂類土，d>0.075mm）水分法（適用于粉土和粘性土，d<0.075mm）（虹吸比重瓶法、移液管法、比重計法）21.00.50.250.150.075200g10161824223872P%958778665536水分法第二十四頁，共六十五頁，2022年，8月28日

曲線平緩，粒徑大小相差懸殊，土粒不均勻。對于級配良好的土，土的密實度較好，地基土的強度和穩(wěn)定性較好，透水性和壓縮性較小。級配良好第二十五頁，共六十五頁，2022年，8月28日二、土的液相土中水處于不同位置和溫度條件下，可具有不同的物理狀態(tài)—固態(tài)，液態(tài)、氣態(tài)。液態(tài)水是土中孔隙水的主要存在狀態(tài)，可分為結(jié)合水，毛細(xì)水，重力水。

水的類型主要作用力

結(jié)合水物理化學(xué)力

非結(jié)合水毛細(xì)水

表面張力重力重力水

重力第二十六頁，共六十五頁，2022年，8月28日特點:

1.土顆粒表面帶有一定的電荷，由于靜電作用力，形成雙電層，雙電層的厚薄也反映了結(jié)合水的厚薄。

2.密度較大，粘滯度高，流動性差，冰點低，比熱較大，介電常數(shù)較低。這種差異隨距離增加而減弱。(一)結(jié)合水第二十七頁，共六十五頁，2022年，8月28日結(jié)合水強結(jié)合水:排列致密、定向性強密度>1g/cm3冰點處于零下幾十度具有固體的的特性溫度高于100°C時可蒸發(fā)弱結(jié)合水:位于強結(jié)合水之外，電場引力作用范圍之內(nèi)外力作用下可以移動不因重力而移動，有粘滯性第二十八頁，共六十五頁，2022年，8月28日（二）非結(jié)合水

定義:

在雙電層影響以外的水為自由液態(tài)水，它主要受重力作用的控制，土粒表面吸引力居次要地位，這部分水稱為非結(jié)合水，它包括毛細(xì)水和重力水。(1)毛細(xì)水特點:

1.毛細(xì)水是受到水與空氣交界面處表面張力作用的自由水。

2.毛細(xì)水按其與地下水面是否聯(lián)系可分為毛細(xì)懸掛水(與地下水無直接聯(lián)系)和毛細(xì)水上升水與地下水相連兩種。第二十九頁，共六十五頁，2022年，8月28日3.毛細(xì)水是受毛細(xì)管作用控制的水，毛管直徑愈細(xì)上升高度愈高。在常溫下毛細(xì)上升高度hc與毛管半徑r有以下關(guān)系：

hc=15/r

當(dāng)r=0.1μm時，hc=150mm，這與砂土(粒徑為0.5~lmm)

中的情況大致相當(dāng)。粘土的孔隙直徑約為0.1μm，按上式計算毛細(xì)上升高度將達(dá)150m。4.

毛細(xì)區(qū)域內(nèi)的水壓力與一般靜水壓力的概念相同，它與水頭高度非常hc成正比。負(fù)號表示拉力。自由水位以下為壓力，自由水位以上，毛細(xì)區(qū)域內(nèi)為拉力。顆粒骨架承受水的反作用力，因此自由水位以下。上骨架受浮托力，減小顆粒間的壓力。自由水位以上，毛細(xì)區(qū)域內(nèi)，顆粒間受壓力，毛細(xì)壓力呈倒三角形分布。彎液面處最大，自由水面處為零。第三十頁，共六十五頁，2022年，8月28日（2）重力水特點:重力水是存在于地下水位以下的適水土層中的地下水。它是在重力或壓力差作用下運動的自由水，對土粒有浮力作用。重力水只受重力控制，不受土粒表面吸引力的影響。毛細(xì)壓力增加了土粒間的聯(lián)結(jié)，所以散粒狀的砂土，當(dāng)含有少量水分時具有假粘聚力，但是當(dāng)土飽和時，這種聯(lián)結(jié)作用即告消失。因此，由于毛細(xì)力而呈現(xiàn)的粘性是暫時性的。第三十一頁，共六十五頁，2022年，8月28日（3）固態(tài)水特點:

1.水結(jié)冰后體積膨脹，同時由于水分遷移和補給，在土層中會形成冰層或透鏡體。

2.固態(tài)水在土中起著暫時的膠結(jié)作用，提高土的力學(xué)強度，降低透水性。

3.溫度升高后，冰層解凍為液態(tài)水，使土的強度急劇降低，壓縮性增大，土的性質(zhì)顯著惡化，如處于地下水以上的某些公路路面在開春后的翻漿現(xiàn)象就是一例。第三十二頁，共六十五頁，2022年，8月28日（三）土的氣相分類:

1.吸附于土顆粒表面的氣體

2.溶解于水中的氣體

3.四周為顆粒和水所封閉的氣體以及自由氣體特點:

通常認(rèn)為自由氣體與大氣連通，對土的性質(zhì)無大影響。密閉氣體的體積與壓力有關(guān)，壓力增加，則體積縮小，壓力減小，則體積脹大。因此，密閉氣體的存在增加了土的彈性，同時還可阻塞土中的滲流通道，減小上的滲透性。第三十三頁，共六十五頁，2022年，8月28日物理風(fēng)化僅使巖石產(chǎn)生量的變化巖石物理分化化學(xué)分化土化學(xué)風(fēng)化僅使巖石產(chǎn)生質(zhì)的變化粘土顆粒性質(zhì)土粒的粒徑由粗到細(xì)逐漸變化時，土的性質(zhì)相應(yīng)地發(fā)生變化原生礦物經(jīng)化學(xué)風(fēng)化生成的新礦物，它的成分成分與母巖的完全不同。顆粒極細(xì)，性質(zhì)活潑，有較強的吸附水能力，具塑性。顆粒通常是由一種或幾種原生礦物所組成，它的成分成分與母巖的相同，顆粒一般較粗，吸附水的能力弱，性質(zhì)比較穩(wěn)，無塑性。原生礦物次生礦物土粒的大小及其組成第三十四頁，共六十五頁，2022年，8月28日土的三相比例指標(biāo)WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm質(zhì)量體積第三十五頁，共六十五頁，2022年，8月28日土粒比重(比重瓶法)：ρs：土粒密度（g/cm3)ρwl：純水在4攝氏度時的密度第三十六頁，共六十五頁，2022年，8月28日土的含水量(烘干法)：土中水的質(zhì)量與土粒質(zhì)量之比土的天然密度(環(huán)刀法)：土單位體積的質(zhì)量第三十七頁，共六十五頁，2022年，8月28日土的干密度：土單位體積中固體顆粒部分的質(zhì)量土的飽和密度：土孔隙中充滿水時的單位體積質(zhì)量土的有效密度：地下水位以下，單位土體積中土粒的質(zhì)量扣除同體積水的質(zhì)量后，即為單位土體積中土粒的有效質(zhì)量第三十八頁，共六十五頁，2022年，8月28日天然密度干密度飽和密度天然容重干容重浮容重飽和容重各種密度容重之間的大小關(guān)系第三十九頁，共六十五頁，2022年，8月28日土的孔隙比：土中孔隙體積與土粒體積之比土的孔隙率：土中孔隙所占體積與總體積之比土的飽和度：土中被水充滿的孔隙體積與孔隙總體積之比第四十頁，共六十五頁，2022年，8月28日第四十一頁，共六十五頁，2022年，8月28日例題1試證明如下各式：（2）（1）（3）（4）證明:(1)(2)(3)(4)第四十二頁，共六十五頁，2022年，8月28日例題2試證明：土體處在飽和狀態(tài)時，含水量與干容重之間存在著如下關(guān)系：證明: 因為土處于飽和狀態(tài)且

第四十三頁，共六十五頁，2022年，8月28日例題3一擊實試驗：擊實筒體積1000cm3，測得濕土質(zhì)量為1.95kg，取一質(zhì)量為17.48g的濕土，烘干后質(zhì)量為15.03g，計算含水量和干重度。解：天然重度含水量第四十四頁，共六十五頁，2022年，8月28日例題4一體積為50cm3的土樣，濕土質(zhì)量0.09kg，烘干后質(zhì)量為0.068kg，土粒相對密度，求其孔隙比，若將土樣壓縮，使其干密度達(dá)到1.61t/m3，土樣孔隙比將減少多少？解：孔隙比減小值土樣的天然密度土樣的含水量第四十五頁，共六十五頁，2022年，8月28日無粘性土的密實度

定義：指單位體積中固體顆粒的含量。特點：1.土顆粒含量多，土就密實；

2.土顆粒含量少，土就疏松。第四十六頁，共六十五頁，2022年，8月28日相對密度：反映無粘性土的密實狀態(tài)假定第一種砂是理想的均勻圓球，不均勻系數(shù)Cu=1.0。這種砂最密實時的排列見圖a。這時的孔隙比e=0.35，如果砂粒的比重G=2.65，則最密時的干密度：第四十七頁，共六十五頁，2022年，8月28日第二種砂同樣是理想的圓球。但其級配中除大的圓球外，還有小的圓球可以充填于孔隙中，即不均勻系數(shù)Cu>=1.0,如圖b。顯然，這種砂最密時的孔隙比e<0.35。就是說這兩種砂若都具有同樣的孔隙比e=0.35時,對于第一種砂，已處于最密實的狀態(tài)，而對于第二種砂則不是最密實。密實度判別標(biāo)準(zhǔn)：疏松

中密密實第四十八頁，共六十五頁，2022年，8月28日粘性土的物理特征一、粘性土的三種狀態(tài)1、固態(tài)或半固態(tài)------土中含水量很低時，水都被顆粒表面的電荷緊緊吸著于顆粒表面，成為強結(jié)合水。強結(jié)合水的性質(zhì)接近于固態(tài)，土表現(xiàn)為固態(tài)或半固態(tài)。2、可塑狀態(tài)--------含水量增加，被吸附在顆粒周圍的水膜加厚，土粒周圍除強結(jié)合水外還有弱結(jié)合水，弱結(jié)合水不能傳遞靜水壓力，不能自由流動，但受力時可以變形，土體受外力作用可以被捏成任意形狀而不破裂，外力取消后仍然保持改變后的形狀。這種狀態(tài)稱為可塑狀態(tài)。3、流動狀態(tài)-------當(dāng)含水量繼續(xù)增加，土中除結(jié)合水外，已有相當(dāng)數(shù)量的水處于電場引力影響范圍以外，成為自內(nèi)水。這時土粒之間被自由水所隔開，土體不能原受任何剪應(yīng)力，而呈流動狀態(tài)?？梢?，從物理概念分析，土的稠度實際上是反應(yīng)土中水的形態(tài)。第四十九頁，共六十五頁，2022年，8月28日土的特征含水量-----土從某種狀態(tài)進(jìn)入另外一種狀態(tài)的分界含水量。液性界限(WL)簡稱液限-----土從塑性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐盒誀顟B(tài)時的含水量。塑性界限(WP)簡稱塑限------土從半固體狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄誀顟B(tài)時的含水量。第五十頁，共六十五頁，2022年，8月28日塑性指數(shù)：液限和塑限的差值，即土處在可塑狀態(tài)的含水量變化范圍液性指數(shù)：粘性土的天然含水量和塑限的差值與塑性指數(shù)之比第五十一頁，共六十五頁，2022年，8月28日液性指數(shù)Ip狀態(tài)堅硬硬塑可塑軟塑流塑粘性土（細(xì)粒土）的狀態(tài)分類液性指數(shù)反映土的軟硬狀態(tài)第五十二頁，共六十五頁，2022年，8月28日

土的靈敏度：原狀土的強度與同一土經(jīng)重塑后的強度之比

土的觸變性：粘性土的抗剪強度隨時間恢復(fù)的膠體化學(xué)性質(zhì)飽和粘性土的靈敏度：第五十三頁，共六十五頁，2022年，8月28日土的滲透性

土的滲透性：一般是指水流通過土中孔隙難易程度的性質(zhì)。層流紊流地下水在土中孔隙或微小裂隙中以不大的速度連續(xù)滲透地下水在巖石的裂隙或空洞中流動，速度較大地下水運動的兩種形式：第五十四頁，共六十五頁，2022年，8月28日達(dá)西定律V---水在土中的滲透速度，cm/s,單位時間內(nèi)流過一單位土截面的水量i---水力梯度，K---土的滲透系數(shù)，cm/s第五十五頁，共六十五頁，2022年，8月28日用于粘土的達(dá)西定律表示曲線b在i軸上的截距第五十六頁，共六十五頁，2022年，8月28日第五十七頁，共六十五頁，2022年，8月28日地基土（巖）的分類

巖石的工程分類堅硬程度風(fēng)化程度硬質(zhì)巖石軟質(zhì)巖石微風(fēng)化中等風(fēng)化強風(fēng)化第五十八頁，共六十五頁，2022年，8月28日巖石堅硬程度分類類別強度（MPa）代表性巖石硬質(zhì)巖石≥30花崗巖、閃長巖、玄武巖、石灰?guī)r、石英砂巖、硅質(zhì)礫巖、花崗片麻巖、石英巖等軟質(zhì)巖石＜30頁巖、粘土巖、綠泥石片巖、云母片巖等第五十九頁，共六十五頁，2022年，8月28日巖石風(fēng)化程度的劃分風(fēng)化程度堅硬程度劃分硬質(zhì)巖石軟質(zhì)巖石風(fēng)化特征微風(fēng)化

巖質(zhì)新鮮,表面有風(fēng)化跡象，錘擊聲清脆，并感覺錘有彈跳，裂隙少，巖塊大于50cm，用鎬很難挖掘，巖芯呈圓柱狀。

巖石的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造清楚。巖體層理清晰。裂隙較發(fā)育，巖塊為20～50cm，裂隙中有風(fēng)化物質(zhì)填充。錘擊沿片理或頁理裂開。用鎬較難挖掘。巖芯分裂，但可拼成圓柱狀。中等風(fēng)化

巖石的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造清楚。巖體層理清晰。錘擊聲脆，微有彈跳感。裂隙較發(fā)育，巖塊為20～50cm，用鎬難挖掘。巖芯分裂，但可拼成圓柱狀。

巖石的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及巖體層理尚能辨認(rèn)。裂隙很發(fā)育，巖塊為2～20cm，碎塊用手可折斷。用鎬易挖掘。巖芯破碎，不能拼成圓柱狀。強風(fēng)化

巖石的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及巖體層理都不甚清晰。礦物成分已顯著變化，有次生物礦。錘擊為空殼聲，碎塊用手易折斷，裂隙發(fā)育，巖塊為2～20cm，用鎬可以挖掘。巖芯破碎，不能拼成圓柱狀。

巖石結(jié)構(gòu)、構(gòu)造