第一章-土的物理性質與工程分類

土的物理性質與工程分類第一章對土的特點進行詳細解釋和定量描述本章特點:看起來零散學習要點:

理清各節(jié)間聯(lián)系各節(jié)內層次§1土的物性與分類§1.1土的形成§1.2土的三相組成§1.3土的物理狀態(tài)§1.4土的工程分類§1.1土的形成土是巖石經(jīng)過風化后在不同條件下形成的自然歷史的產(chǎn)物搬運、沉積§1土的物性與分類形成過程形成條件物理力學性質風化巖石地球土地球影響生物風化物理風化化學風化量變無粘性土原生礦物質變粘性土次生礦物動植物的活動§1土的物性與分類一.風化有機質§1.1土的形成巖石和土的粗顆粒受各種氣候因素的影響產(chǎn)生脹縮而發(fā)生裂縫,或在運動過程中因碰撞和摩擦而破碎母巖表面和碎散的顆粒受環(huán)境因素的作用而改變其礦物的化學成分，形成新的礦物二.搬運與沉積殘積土無搬運運積土有搬運土質較好§1土的物性與分類殘積土強風化弱風化微風化母巖體顆粒表面粗糙多棱角粗細不均無層理§1.1土的形成母巖表層經(jīng)風化作用破碎成巖屑或細小顆粒后，未經(jīng)搬運殘留在原地的堆積物風化所形成的土顆粒，受自然力的作用搬運到遠近不同的地點所沉積的堆積物2.搬運與沉積運積土有搬運風：風積土§1土的物性與分類重力:坡積土流水:洪積土沖積土湖泊沼澤沉積土海相沉積物冰川:冰積土§1.1土的形成土粒粗細不同，性質不均勻有分選性，近粗遠細渾圓度分選性明顯，土層交迭含有機物淤泥，土性差顆粒細，表層松軟，土性差土粒粗細變化較大，性質不均勻顆粒均勻，層厚而不具層理一、土的結構1、定義土的結構：是指土顆粒本身的特點和顆粒間相互關系的綜合特征，具體來說是指：（1）土顆粒本身的特點：土顆粒大小、形狀和摩圓度及表面性質（粗糙度）等。（2）土顆粒之間的相互關系特點：粒間排列及其連結性質。2、分類土的結構分為兩大基本類型：單粒（散粒）結構和集合體（團聚）結構(蜂窩結構、絮狀結構)。這兩大類不同結構特征的形成和變化取決于土的顆粒組成、礦物成分及所處環(huán)境條件。

①單粒結構（散粒結構）：是碎石（卵石）、礫石類土和砂等無粘性土的基本結構形式。（圖2-1）單粒結構對土的工程性質影響主要在于其松密程度。密實狀態(tài)疏松狀態(tài)②集合體結構也稱團聚結構或絮凝結構。這類結構為粘性土所特有。由于粘性土組成顆粒細小，表面能大，顆粒帶電，沉積過程中粒間引力大于重力，并形成結合水膜連結，使之在水中不能以單個顆粒沉積下來，而是凝聚成較復雜的集合體進行沉積。這些粘粒集合體呈團狀，常稱為團聚體，構成粘性土結構的基本單元。對集合體結構，根據(jù)其顆粒組成、連結特點及性狀的差異性，可分為蜂窩狀結構和絮狀結構兩種類型。1．蜂窩狀結構（聚粒結構）蜂窩狀結構是由較粗粘粒和粉粒的單個顆粒之間以面一點、邊一點或邊一邊受異性電引力和分子引力相連結組合而成的疏松多孔結構。亦稱為聚粒結構。（粒徑0.005-0.75mm）

蜂窩結構2．絮狀結構絮狀結構主要是由更小粘粒連結形成的，是上述蜂窩狀的若干聚粒之間，以面一邊或邊一邊連結組合而成的更疏松、孔隙體積更大的結構。亦稱為聚粒絮凝結構或二級蜂窩狀結構。絮狀結構具有集合體結構的土體，有如下特征：1.孔隙度很大（可達50％～98％），而各單獨孔隙的直徑很小，特別是聚粒絮凝結構的孔隙更小，但孔隙度更大，因此，土的壓縮性更大。2.水容重、含水量很大，往往超過50％，而且因以結合水為主，排水困難，故壓縮過程緩慢。3.具有大的易變性和不穩(wěn)定性。外界條件變化（如加壓、震動、干燥、浸濕以及水溶液成分和性質變化等）對它的影響很敏感，且往往使之產(chǎn)生質的變化。故集合體結構又稱為易變結構。例如，軟粘性土的變性就是由于這類結構的不穩(wěn)定性而形成的一種特殊性質。土的構造

1.水平構造

2.分散結構

3.裂隙結構土的特性

1.壓縮性大

2.強度低

3.透水性大第2節(jié)土的組成土是固體顆粒、水和空氣的混合物，常稱為三相系。固相:土的顆粒，構成土的骨架；液相:土體孔隙中的水及其溶解物；氣相:孔隙中的空氣固相氣相液相一.固體顆粒物理狀態(tài)力學特性粒徑級配§1土的物性與分類§1.2土的三相組成礦物成分顆粒形狀1.粒徑級配一.固體顆?！?土的物性與分類§1.2土的三相組成顆粒大小各粒徑成分在土中占的比例粒徑級配影響土性的主因顆粒大小粒組

按粗細進行分組，將粒徑接近的歸成一類界限粒徑P13一.固體顆粒0.075dmm卵石礫石砂粒粉粒粘粒膠粒6020.0750.0050.0020.250.5520粗

中

細粗

中

細

極細粗粒土細粒土§1土的物性與分類§1.2土的三相組成土的分類標準粒徑級配確定方法

篩分法：適用于粗粒土(>0.075mm)

水分法：適用于細粒土(<0.075mm)——各粒組的相對含量，用質量百分數(shù)來表示表述方法

粒徑級配累積曲線、列表法§1土的物性與分類一.固體顆?！?.2土的三相組成一.固體顆?！?土的物性與分類105.02.01.00.50.250.1200g101618242238721009080706050403020100小于某粒徑之土質量百分數(shù)P（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒徑(mm)§1.2土的三相組成P%958778665536土的粒徑級配累積曲線水分法粒徑(mm)0.0750.010.005百分數(shù)P(%)2613.510一.固體顆粒§1土的物性與分類§1.2土的三相組成1009080706050403020100小于某粒徑之土質量百分數(shù)（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒徑(mm)土的粒徑級配累積曲線d60d50d10d30d60d10d30CuCc0.330.0050.063662.41特征粒徑:

d50

:平均粒徑d60:限定粒徑d10

:有效粒徑d30

;不均勻程度：Cu=d60/d10連續(xù)程度:Cc=d302

/(d60×d10)

—曲率系數(shù)—不均勻系數(shù)Cu

≥5,級配不均勻粗細程度：用d50

表示

一.固體顆?！?土的物性與分類§1.2土的三相組成1009080706050403020100小于某粒徑之土質量百分數(shù)（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒徑(mm)土的粒徑級配累積曲線d60d10d30曲線d60d10d30CuCcL0.330.0050.081663.98M0.0632.41R0.0300.545斜率:

某粒徑范圍內顆粒的含量

陡—相應粒組質量集中

緩--相應粒組含量少

平臺--相應粒組缺乏連續(xù)程度:Cc=d302

/(d60×d10)

—曲率系數(shù)較大顆粒缺少Cc

減小較小顆粒缺少Cc

增大Cc=1~3,級配連續(xù)性好粒徑級配粒徑級配累積曲線及指標的用途：1）粒組含量用于土的分類定名；2）不均勻系數(shù)Cu用于判定土的不均勻程度：Cu≥5,不均勻土；Cu<5,均勻土3）曲率系數(shù)Cc用于判定土的連續(xù)程度：Cc

=1~

3,級配連續(xù)土；Cc>3或Cc<1,級配不連續(xù)土4）不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc用于判定土的級配優(yōu)劣：

如果Cu≥5且

Cc

=1~3，級配良好的土；如果Cu<5或Cc>3或Cc<1,級配不良的土§1土的物性與分類一.固體顆?！?.2土的三相組成2.礦物成分原生礦物

石英、長石、云母等次生礦物

主要是粘土礦物，包括三種類型

高嶺石、伊里石、蒙脫石§1土的物性與分類一.固體顆?！?.2土的三相組成3.顆粒形狀原生礦物

圓狀、渾圓狀、棱角狀次生礦物

針狀、片狀、扁平狀§1土的物性與分類一.固體顆?！?.2土的三相組成結晶水礦物內部的水

結合水吸附在土顆粒表面的水自由水電場引力作用范圍之外的水土中冰由自由水凍成，凍脹融陷§1土的物性與分類§1.2土的三相組成二.土中水（液相）§1土的物性與分類§1.2土的三相組成二.土中水結合水排列致密、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)強結合水位于強結合水之外，電場引力作用范圍之內外力作用下可以移動不因重力而移動，有粘滯性弱結合水自由水重力水毛細水在重力作用下可在土中自由流動存在于固氣之間在重力與表面張力作用下可在土粒間空隙中自由移動§1土的物性與分類§1.2土的三相組成二.土中水§1土的物性與分類§1.2土的三相組成二.土中水土中毛細現(xiàn)象上升高度:πr2hcγw=2πrTcosα毛細水分布在土粒內部相互貫通的孔隙可以看成許多形狀不一、直徑互異、彼此連通的毛細管毛細升高與孔徑成反比粘土粉土砂土礫石分析對象:

水柱三.土中氣體自由氣體：與大氣連通，對土的性質影響不大封閉氣體：增加土的彈性；阻塞滲流通道§1土的物性與分類§1.2土的三相組成

土有三個組成部分：固相、液相和氣相

小結1.固體顆粒2.土中水3.土中氣體粒徑級配礦物成分顆粒形狀結合水(強結合水、弱結合水)自由水(重力水、毛細水)自由氣體封閉氣體§1土的物性與分類§1.2土的三相組成§1土的物性與分類§1.1土的形成§1.2土的三相組成§1.3土的物理狀態(tài)§1.4土的工程分類§1.3土的物理狀態(tài)土的物理狀態(tài)粗粒土的松密程度粘性土的軟硬狀態(tài)§1土的物性與分類土的物理性質指標(三相間的比例關系)力學特性影響表示一.物理性質指標土的三個組成相的體積和質量上的比例關系§1土的物性與分類§1.3土的物理狀態(tài)密實程度干濕程度……特點:指標概念簡單，數(shù)量很多要點：名稱、概念或定義、符號、表達式、單位或量綱、常見值或范圍、聯(lián)系與區(qū)別定義基本方法:三相草圖法1.

三相草圖§1土的物性與分類一.物理性質指標WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm質量體積§1.3土的物理狀態(tài)三相草圖§1土的物性與分類一.物理性質指標WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm質量體積已知關系五個:共有九個參數(shù):

VVvVsVaVω

/msmωmam剩下三個獨立變量三相草圖法物性指標是比例關系:可假設任一參數(shù)為1對于飽和土,Va=0剩下兩個獨立變量實驗室測定其它指標是一種簡單而實用的方法§1.3土的物理狀態(tài)§1土的物性與分類一.物理性質指標2.室內測定的三個物理性質指標WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm質量體積----土的密度、土粒的比重、土的含水量土的密度土的容重γ=ρg工程上更常用,用于計算土的自重應力單位:kg/m3

或g/cm3單位:kN/m3

一般范圍:1.60—2.20

g/cm3定義:土單位體積的質量有時也稱土的天然密度§1.3土的物理狀態(tài)表達式:相關指標:§1土的物性與分類一.物理性質指標WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm質量體積土粒比重s:

土粒的密度，單位體積土粒的質量單位:無量綱土粒比重一般范圍:

粘性土2.70—2.75砂土2.654?C時純蒸餾水的密度=1.0g/cm3土粒比重在數(shù)值上等于土粒的密度定義:土粒的密度與4?C時純蒸餾水的密度的比值§1.3土的物理狀態(tài)表達式:土粒比重常用比重瓶法測定，事先將比重瓶注滿純水，稱瓶加水的質量。然后把烘干土若干克裝入該空比重瓶內，再加純水至滿，稱瓶加土加水的質量，按下式計算土粒比重：式中：m1——瓶加水的質量；

m2——瓶加土加水的質量；

ms——烘干土的質量。§1土的物性與分類一.物理性質指標WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm質量體積土的含水量定義:土中水的質量與土粒質量之比,

用百分數(shù)表示注意:

其實是含水比,可達到或超過100％§1.3土的物理狀態(tài)表達式:一.物理性質指標表示土中孔隙含量的指標孔隙比孔隙率(孔隙度)§1土的物性與分類３.其它常用的物理性質指標關系:在某種程度上反映土的松密砂類土：28-35%粘性土：30-50%有的可達60-70%§1.3土的物理狀態(tài)定義:土中孔隙體積與固體顆粒體積之比,無量綱表達式:WaterAirSoilVaVwVsVvV體積定義:土中孔隙體積與總體積之比,用百分數(shù)表示表達式:Vs=1Vv=eV=1+eWaterAirSoil體積三相草圖可用于確定物性指標之間的關系一.物理性質指標表示土中含水程度的指標§1土的物性與分類含水量飽和度§1.3土的物理狀態(tài)WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm質量體積表達式:定義:土中水的體積與孔隙體積的比值飽和度表示孔隙中充滿水的程度Sr=0:

干土Sr=1:

飽和土§1土的物性與分類一.物理性質指標表示土中密度和容重的指標天然密度干密度飽和密度天然容重干容重浮容重浮密度有效容重飽和容重§1.3土的物理狀態(tài)WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm質量體積單位:kg/m3

或g/cm3單位:kN/m3

定義:

土被完全烘干時的密度,等于單位體積內土粒的質量表達式:各種密度容重之間的大小關系：§1土的物性與分類一.物理性質指標§1.3土的物理狀態(tài)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WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm質量體積§1土的物性與分類一.物理性質指標常用的物理性質指標間的換算關系§1.3土的物理狀態(tài)教科書P24表2-4要點從物理意義上理解指標間的關系不鼓勵死記硬背必要時利用三相草圖推導§1土的物性與分類一.物理性質指標小結§1.3土的物理狀態(tài)物理性質指標土的三個組成相的體積和質量上的比例關系密實程度干濕程度……特點:指標概念簡單，數(shù)量很多要點：名稱、概念或定義、符號、表達式、單位或量綱、常見值或范圍、聯(lián)系與區(qū)別定義基本方法:三相草圖法室內測定的三個物理性質指標土的密度、土粒的比重、土的含水量三相草圖有助于直觀理解物性指標的概念其它常用的物理性質指標表示土中孔隙含量的指標表示土中含水程度的指標表示土中密度和容重的指標三相草圖可用于確定物性指標之間的關系三相草圖法是求取物理性質指標的簡單而有效的方法§1土的物性與分類二.土的物理狀態(tài)指標§1.3土的物理狀態(tài)土的物理狀態(tài)粗粒土的松密程度粘性土的軟硬狀態(tài)土的物理性質指標(三相間的比例關系)力學特性影響表示emax與emin：最大與最小孔隙比1.粗粒土的密實狀態(tài)§1土的物性與分類二.物理狀態(tài)指標密實度如何衡量?單位體積中固體顆粒含量的多少優(yōu)點：簡單方便缺點：不能反映級配的影響只能用于同一種土對策2、相對密度§1.3土的物理狀態(tài)1、孔隙比e或孔隙率nemin

=0.35emin

=0.20相對密實度也可表示為：

式中：ρdmax—無粘性土的最大干密度；ρdmin—無粘性土的最小干密度；ρd—無粘性土的天然干密度或填筑干密度。在工程上，用相對密實度Dr劃分無粘性土的狀態(tài)如下：

0＜Dr≤1/31/3＜Dr≤2/32/3＜Dr≤1

疏松的中密的密實的§1土的物性與分類二.物理狀態(tài)指標§1.3土的物理狀態(tài)emax:最大孔隙比；將松散的風干土樣通過長頸漏斗輕輕地倒入容器，避免重力沖擊，求得土的最小干密度再經(jīng)換算得到最大孔隙比emin:最小孔隙比；將松散的風干土樣裝入金屬容器內，按規(guī)定方法振動和錘擊，直至密度不再提高，求得土的最大干密度再經(jīng)換算得到最小孔隙比emax與emin：最大與最小孔隙比注意：室內測得理論上的最大與最小孔隙比有時很困難粗粒土的密實狀態(tài)指標

判別標準：

Dr

=1

,最密狀態(tài)

Dr

=0

,最松狀態(tài)

Dr≤1/3,

疏松狀態(tài)1/3<

Dr≤

2/3,中密狀態(tài)

Dr>2/3

,密實狀態(tài)§1土的物性與分類二.物理狀態(tài)指標§1.3土的物理狀態(tài)相對密度3、標準貫入錘擊數(shù)N2.粘性土的軟硬狀態(tài)§1土的物性與分類二.物理狀態(tài)指標也稱稠度狀態(tài)§1.3土的物理狀態(tài)稠度狀態(tài)與含水量有關粘性土含水量較硬變軟流動塑限ωp液限ωl§1土的物性與分類二.物理狀態(tài)指標§1.3土的物理狀態(tài)縮限ωs測定塑限的方法：搓滾法和液塑限聯(lián)合測定法。測定液限的方法：碟式儀法和液塑限聯(lián)合測定法測定縮限的方法：收縮皿法，把土料的含水率調制到大于土的液限，然后將試樣分層填入收縮皿中，刮平表面，烘干，測出干試樣的體積并稱量準確至0.1g后，按下式計算式中：ws—土的縮限；

w—制備時的含水率；

V1—濕試樣的體積；

V2——干試樣的體積。液限ωL通常采用平衡錐式液限儀測定平衡錐重76g，錐角為30°，試驗時使平衡錐在自重作用下沉入土樣中，當達到沉入深度（公路標準17mm）時土樣含水量即為液限ωL.塑液限聯(lián)合測定儀相對稠度§1土的物性與分類二.物理狀態(tài)指標§1.3土的物理狀態(tài)對于不同的粘土，含水量相同，稠度可能不同液性指數(shù)不同的粘土，ωp、ωl

大小不同定義：wpwwlIL<0IL=0–1IL>1堅硬狀態(tài)可塑狀態(tài)流態(tài)0.00–0.250.25-0.750.75–1.00硬塑可塑軟塑——吸附結合水的能力；粘性大??；大致反映粘土顆粒含量

§1土的物性與分類二.物理狀態(tài)指標§1.3土的物理狀態(tài)塑性指數(shù)§1土的物性與分類§1.1土的形成§1.2土的三相組成§1.3土的物理狀態(tài)§1.4土的工程分類第5節(jié)土的工程分類粗粒土按顆粒組成進行分類粘性土按塑性指數(shù)分類?！锻恋姆诸悩藴省?/p>

GB50007-2011粘粒粉粒砂粒礫碎石塊石0.0050.075260200巨粒組粗粒組細粒組一、《土的分類標準》（一）巨粒土和含巨粒土的分類：巨粒土和含巨粒土應按試樣中所含粒徑大于60mm的巨粒組含量來劃分。試樣中含巨粒組質量多于總質量的50%的土稱為巨粒土；試樣中巨粒組質量為總質量的15%～50%的土稱為混合巨粒土；試樣中巨粒組質量少于總質量的15%的土，可扣除巨粒，按粗粒土或細粒土的相應規(guī)定分類定名（二）粗粒土的分類試樣中粒徑大于0.075mm的粗粒組質量多于總質量50%的土稱為粗粒土。粗粒土又分為礫類土和砂類土兩類。試樣中粒徑大于2mm的礫粒組質量多于總質量的50％的土稱為礫類土；試樣中粒徑大于2mm的礫粒組質量少于或等于總質量50％的土稱為砂類土。（三）細粒土的分類試樣中粒徑小于0.075mm的細粒組質量多于或等于總質量的50％的土稱為細粒土。細粒土應按下列規(guī)定劃分：1、試樣中粗粒組質量少于總質量25％的土稱為細粒土；2、試樣中粗粒組質量為總質量的25％～50％的土稱含粗粒的細粒土；3、試樣中含部分有機質的土稱有機質土。細粒土可按塑性圖進一步細分。圖中液限為17mm液限二、《巖土工程勘察規(guī)范》

《建筑地基基礎設計規(guī)范》該規(guī)范按土粒大小、粒組的土粒含量或土的塑性指數(shù)把地基土分為碎石土、砂土、粉土和粘性土四大類，然后再進一步細分。（一）碎石土的分類若土中粒徑大于2mm的顆粒含