第2章-土的物理性質和工程分類課件

第2章土的物理性質和工程分類學習要求：

了解土的成因和三相組成，掌握土的物理性質和物理狀態(tài)指標的定義、物理概念、計算公式和單位。要求熟練地掌握物理指標的三相換算。了解地基土的工程分類依據與準確定名?；緝热荩?/p>

2.1土的形成與特征

2.2土的三相組成

2.3土的物理性質指標

2.4土的物理狀態(tài)指標

2.5土的工程分類2.1土的形成與特征2.1.1土的形成2.1.2土的結構與構造2.2.3土的工程特性2.2.4土的形成與工程特性的關系巖石風化（物理、化學）作用巖石破碎化學成分改變搬運沉積大小、形狀和成分都不相同的松散顆粒集合體（土）

土固相液相氣相土中顆粒的大小、成分及三相之間的相互作用和比例關系，反映出土的不同性質

2.1土的形成與特征2.1.1

土的形成

“土”一詞在不同的學科領域有其不同的涵義。就土木工程領域而言，土是指覆蓋在地表的沒有膠結和弱膠結的顆粒堆積物。土與巖石的區(qū)分僅在于顆粒間膠結的強弱。

物理風化——指巖石經受風、霜、雨、雪的侵蝕，溫度濕度的變化、不均勻膨脹與收縮，使巖石產生裂隙，崩解為碎塊。這種風化僅改變顆粒大小與形狀，不改變原來礦物成分。生成的土呈松散狀態(tài)，無粘性土。化學風化——指巖石碎屑與空氣、水和各種水溶液相接觸，經氧化、碳化和水化作用，改變原來礦物成分，形成新的礦物（次生礦物）。生成的土為細粒土，粘性土。生物風化——由動物、植物和人類對巖體的破壞稱~。2.1.2土的形成與工程特性的關系由于各類土的生成條件不同，它們的工程特性往往相差懸殊：1.搬運、沉積條件

通常流水搬運沉積的土優(yōu)于風力搬運沉積的土。2.沉積年代通常土的沉積年代越長，土的工程性質越好。3.沉積的自然地理環(huán)境自然地理環(huán)境不同所生成的土的工程性質差異也很大。2.1.3

土的工程特征土與其它連續(xù)介質的建筑材料，具有下列三個顯著的工程特征：1.壓縮性高反映材料壓縮性高低的指標彈性模量E(土稱變形模量),隨著材料的不同而有極大的差別,例:鋼筋E1=21萬Mpa;C20混凝土E2=2.6萬Mpa;卵石E3=50Mpa;飽和細砂E4=10Mpa.2.強度低為抗剪強度，而非抗壓、抗拉強度；3.透水性大顆粒之間有無數孔隙。2.2土的三相組成土是由固相、液相、氣相組成的三相分散系。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；液相——主要是水；氣相——主要是空氣、水蒸氣，有時還有沼氣等。2.2土的三相組成●土的三相組成是指土由固體顆粒、液體水和氣體三部分組成。土中的固體礦物構成土的骨架,骨架之間貫穿著大量的孔隙,孔隙中充滿著液體水和氣體?！裢馏w三相比例不同，土的狀態(tài)和工程性質也隨之各異，例如：固體+氣體（液體=0）為干土，此時粘土呈堅硬狀態(tài)，砂土呈松散狀態(tài)；固體+液體+氣體為濕土，此時粘土多為可塑狀態(tài)；固體+液體（氣體=0）為飽和土，此時粉細砂或粉土遇強烈地震，可能產生液化，而使工程遭受破壞；粘土地基受建筑物荷載作用發(fā)生沉降需幾十年才能穩(wěn)定。2.2.1

土的固體顆粒（一）土的顆粒級配1.土顆粒的大小直接決定土的性質；2.粒徑——顆粒直徑大小，界限粒徑——劃分粒組的分界尺寸。3.粒組——將粒徑大小接近、礦物成分和性質相似的土粒歸并為若干組別即稱為粒組?？蓜澐郑?/p>

2002020.0750.005mm

漂石卵石

礫石

砂粒

粉粒

粘粒4.顆粒級配——土粒的大小及組成情況，通常以土中各個粒組的相對含量來表示，稱為土的顆粒級配?！窦壟涞臏y室方法：—篩析法（>0.075mm)比重計法(<0.075mm)粘土細砂粗砂碎石卵石碎石粘土篩分法用一套孔徑不同的篩子，按從上至下篩孔逐漸減小放置。將事先稱過質量的烘干土樣過篩，稱出留在各篩上的土質量，然后計算其占總土粒質量的百分數比重計法利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同來確定小于某粒徑的土粒含量級配良好縱坐標表示小于某粒徑的土重占總土重的百分數，橫坐標用對數坐標表示土的粒徑。顆粒級配的描述工程上常用不均勻系數Cu描述顆粒級配的不均勻程度d10、d30、d60小于某粒徑的土粒含量為10%、30%和60%時所對應的粒徑Cu愈大，表示土粒愈不均勻。工程上把Cu＜5的土視為級配不良的土；Cu＞10的土視為級配良好的土

曲率系數Cc描述顆粒級配曲線整體形態(tài)，表明某粒組是否缺失情況對于礫類土或砂類土，同時滿足Cu≥5和Cc=1～3時，定名為良好級配砂或良好級配礫2.土粒的礦物成分礦物成分取決于母巖的礦物成分和風化作用原生礦物：由巖石經過物理風化形成，其礦物成分與母巖相同次生礦物：巖石經化學風化后所形成的新的礦物，其成分與母巖不相同

例：石英、云母、長石等特征：礦物成分的性質較穩(wěn)定，由其組成的土具有無粘性、透水性較大、壓縮性較低的特點例：粘土礦物有高嶺石、伊利石、蒙脫石等特征：性質較不穩(wěn)定，具有較強的親水性，遇水易膨脹的特點二、土中的水

土中水的含量明顯地影響土的性質(尤其是粘性土)。土中水除了一部分以結晶水的形式吸附于固體顆粒的晶格內部外，還存在結合水和自由水1.結合水強結合水：緊靠于顆粒表面、所受電場的作用力很大、幾乎完全固定排列、喪失液體的特性而接近于固體

弱結合水：緊靠強結合水的外圍形成的結合水膜，所受的電場作用力隨著與顆粒距離增大而減弱2.自由水存在于土粒電場影響范圍以外，性質和普通水無異，能傳遞水壓力，冰點為0℃，有溶解能力

以兩種形式存在：毛細水、重力水三、土中氣體

土中氣體存在于土孔隙中未被水占據的部分，分為與大氣連通的非封閉氣體和與大氣不連通的封閉氣體1.非封閉氣體：受外荷作用時被擠出土體外，對土的性質影響不大

2.封閉氣體：受外荷作用，不能逸出，被壓縮或溶解于水中，壓力減小時能有所復原，對土的性質有較大的影響，使土的滲透性減小，彈性增大和延長土體受力后變形達到穩(wěn)定的時間.

四、土的結構

在成土過程中所形成的土粒的空間排列及其聯(lián)結形式，與組成土的顆粒大小、顆粒形狀、礦物成分和沉積條件有關

1.單粒結構：粗礦物顆粒在水或空氣中在自重作用下沉落形成的單粒結構，其特點是土粒間存在點與點的接觸。根據形成條件不同，可分為疏松狀態(tài)和密實狀態(tài)。粗顆粒土，如卵石、砂等密實狀態(tài)疏松狀態(tài)1.單粒結構由于土粒排列緊密，強度大，壓縮性小，是良好的天然地基。當土粒沉積速度快，如洪水沖積形成的砂層和礫石層，往往形成疏松的單粒結構。由于土孔隙大，土粒骨架不穩(wěn)定，當受到動力荷載或其他外力作用時，土粒容易移動而趨于緊密，同時產生很大變形。因此，未經處理的這種土層，一般不宜作建筑物的地基。如果飽和疏松的土是由細砂粒或粉砂粒所組成，在強烈的振動作用下，土的結構會突然破壞變成流動狀態(tài)，引起所謂“砂土液化”現(xiàn)象，在地震區(qū)將會引起震害。

2.蜂窩結構：顆粒間點與點接觸，由于彼此之間引力大于重力，接觸后，不再繼續(xù)下沉，形成鏈環(huán)單位,很多鏈環(huán)聯(lián)結起來，形成孔隙較大的蜂窩狀結構3.絮狀結構：細微粘粒大都呈針狀或片狀，質量極輕，在水中處于懸浮狀態(tài)。當懸液介質發(fā)生變化時，土粒表面的弱結合水厚度減薄，粘?；ハ嘟咏?，凝聚成絮狀物下沉，形成孔隙較大的絮狀結構蜂窩結構絮狀結構上述三種結構中，以密實的單粒結構土的工程性質最好，蜂窩狀其次，絮狀結構最差。具有蜂窩結構和絮狀結構的土，顆粒間存在大量微細孔隙，其壓縮性大、強度低，透水性弱。又因土粒之間的聯(lián)結較弱且不甚穩(wěn)定，在受擾力作用下(如施工擾動影響)，土粒接觸點可能脫離，部分結構遭受破壞，土的強度會迅速降低，不可用作天然地基。五、土的構造土的構造是指土體中各結構單元之間的關系。主要特征是土的成層性和裂隙性,即層理構造和裂隙構造，二者都造成了土的不均勻性

1.層理構造：土粒在沉積過程中,由于不同階段沉積的物質成分、顆粒大小或顏色不同,而沿豎向呈現(xiàn)出成層特征

2.裂隙構造：土體被許多不連續(xù)的小裂隙所分割,在裂隙中常充填有各種鹽類的沉淀物

地層連續(xù)沉積而形成，其間并未受到沖刷，則土層構造是水平的。河流幾經改道，使得附近的地層發(fā)生交替的沖刷與沉積，即形成斜交層理。山坡上的風化碎屑受重力作用堆積在山腳下，后來又經過河流沉積，即形成山坡土層。西北黃土地區(qū)，經大陸性季風的沉積與剝蝕，形成交錯層理。土的層理構造3．結核狀構造在細粒土中摻有粗顆?；蚋鞣N結核，如含礓石的粉質粘土，含礫石的冰磧土等。其工程性質取決于細粒土部分?！?.3土的物理性質指標一、土的三相圖二、直接測定指標1.土的密度ρ：單位體積土的質量

工程中常用重度來表示單位體積土的重力.

重力加速度，近似取10m/s2

2.土粒相對密度Gs（土粒比重）：土粒質量與同體積的4℃時純水的質量之比.土粒相對密度變化范圍不大：細粒土（粘性土）一般2.70～2.75；砂土一般為2.65左右。土中有機質含量增加，土粒相對密度減小.ms氣土粒mw體積V水mVsVwVVa質量mVv氣水土粒msmwmVsVwVVa質量m體積V3.土的含水量ω：土中水的質量與土粒質量之比，以百分數表示.（含水率）土的含水量是標志土含水程度的一個重要物理指標。天然土層含水量變化范圍較大，與土的種類、埋藏條件及其所處的自然地理環(huán)境等有關。

測定方法：通常用烘干法烘干法三、換算指標

氣水土粒msmwmVsVwVVVa質量m體積V1.孔隙比e和孔隙率n孔隙比e：土中孔隙體積與土粒體積之比

2.土的飽和度Sr：土中孔隙水的體積與孔隙總體積之比，以百分數表示飽和度描述土中孔隙被水充滿的程度。干土Sr=0,飽和土Sr=100%。砂土根據飽和度分為三種狀態(tài):孔隙率n：土中孔隙體積與總體積之比，以百分數表示

Sr≤50%稍濕；50％＜Sr≤80%很濕；Sr＞80%飽和3.不同狀態(tài)下土的密度和重度飽和密度ρsat：土體中孔隙完全被水充滿時的土的密度

干密度ρd：單位體積中固體顆粒部分的質量浮密度ρ：土單位體積內土粒質量與同體積水的質量之差

土的三相比例指標中的質量密度指標共有4個，土的密度ρ，飽和密度ρsat，干密度ρd，浮密度ρ

(kg/m3),相應的重度指標也有4個，土的重度，飽和重度sat，干重度d，浮重度

(kN/m3)氣水土粒msmwmVsVwVVVa質量m體積V四、指標間的換算氣水土粒Gsρw

Vs＝11+e質量m體積V土的三相指標中，土粒比重Gs

，含水量ω和密度ρ是通過試驗測定的，可以根據三個基本指標換算出其余各指標Vv=eωGsρw

Gs（1＋ω）ρw

推導：換算關系式：五、例題分析【例】某土樣經試驗測得體積為100cm3，濕土質量為187g，烘干后，干土質量為167g。若土粒的相對密度Gs為2.66，求該土樣的含水量ω、密度ρ、重度

、干重度d

、孔隙比e、飽和重度sat和有效重度

【解答】四、指標間的換算氣水土粒Ws=dsγwVs＝11+e質量m體積V土粒比重ds

，含水量ω和密度ρ是通過試驗測定的，可以根據這三個基本指標換算出其余各指標Vv=eWw=wdsγwW=dsγw(1+w)

推導：五、例題分析【例】某土樣經試驗測得體積為100cm3，濕土質量為187g，烘干后，干土質量為167g。若土粒的相對密度Gs為2.66，求該土樣的含水量ω、密度ρ、重度

、干重度d

、孔隙比e、飽和重度sat和有效重度

【解答】§2.4土的物理狀態(tài)指標一、無粘性土的密實度

土的密實度指單位體積土中固體顆粒的含量。根據土顆粒含量的多少，天然狀態(tài)下的砂、碎石等處于從緊密到松散的不同物理狀態(tài)。無粘性土的密實度與其工程性質有著密切關系1.孔隙比e孔隙比e可以用來表示砂土的密實度。對于同一種土，當孔隙比小于某一限度時，處于密實狀態(tài)?？紫侗扔螅劣缮?/p>

2.相對密實度Dr砂土在天然狀態(tài)下孔隙比砂土在最密實狀態(tài)時的孔隙比砂土在最松散狀態(tài)時的孔隙比當Dr=0時，e=emin，表示土處于最疏松狀態(tài);當Dr=1.0時，e=emax，表示土體處于最密實狀態(tài)3.按動力觸探確定無粘性土的密實度Dr≤1/3疏松狀態(tài)1/3＜Dr≤2/3中密狀態(tài)2/3＜Dr≤1密實狀態(tài)天然砂土的密實度，可按原位標準貫入試驗的錘擊數N進行評定。天然碎石土的密實度，可按原位重型圓錐動力觸探的錘擊數N63.5進行評定(GB50007-2019)

密實度按N評定砂石密實度按N63.5評定碎石土密實度松散稍密中密密實N≤10N63.5≤510＜N≤155＜N63.5≤1015＜N≤3010＜N63.5≤20N＞30N63.5＞20二、粘性土的稠度

1.粘性土的稠度狀態(tài)稠度是指土的軟硬程度或土受外力作用所引起變形或破壞的抵抗能力,是粘性土最主要的物理狀態(tài)特征

0固態(tài)或半固態(tài)可塑狀態(tài)流動狀態(tài)ω塑限ωP液限ωL粘性土由某一種狀態(tài)過渡到另一狀態(tài)的界限含水量稱為土的稠度界限.也叫界限含水率.液塑限測定根據《土工試驗規(guī)程》規(guī)定，采用液塑限聯(lián)合測定儀進行測定。液塑限聯(lián)合測定儀下沉深度為17mm所對應的含水量為液限;下沉深度為2mm處所對應的含水量為塑限2.粘性土的塑性指數和液性指數塑性指數IP是液限和塑限的差值(省去%)，即土處在可塑狀態(tài)的含水量變化范圍說明：塑性指數的大小取決于土顆粒吸附結合水的能力,即與土中粘粒含量有關。粘粒含量越多,塑性指數就越高

說明：液性指數表征土的天然含水量與界限含水量間的相對關系。當IL≤0時,ω≤ωP,土處于堅硬狀態(tài);當IL＞1時,ω＞ωL,土處于流動狀態(tài)。根據IL值可以直接判定土的軟硬狀態(tài)

液性指數IL是粘性土的天然含水量和塑限的差值與塑性指數之比

狀態(tài)液性指數堅硬硬塑可塑軟塑流塑IL≤00＜IL≤0.250.25＜IL≤0.750.75＜IL≤1IL＞1三、例題分析【例】某砂土試樣,試驗測定土粒相對密度Gs=2.7,含水量ω=9.43%,天然密度ρ=1.66/cm3。已知v=1000，砂樣最密實狀態(tài)時稱得干砂質量ms1=1.62kg,最疏松狀態(tài)時稱得干砂質量ms2=1.45kg,求此砂土的相對密度Dr,并判斷砂土所處的密實狀態(tài).【解答】砂土在天然狀態(tài)下的孔隙比砂土最小孔隙比砂土最大孔隙比相對密實度∈（1/3,2/3]中密狀態(tài)§2.5土（巖）的工程分類一、分類的目的和原則土的分類體系就是根據土的工程性質差異將土劃分成一定的類別，目的在于通過通用的鑒別標準，便于在不同土類間作有價值的比較、評價、積累以及學術與經驗的交流分類原則：分類要簡明，既要能綜合反映土的主要工程性質，又要測定方法簡單，使用方便二、分類體系與方法分類體系：1.建筑工程系統(tǒng)分類體系2.工程材料系統(tǒng)分類體系側重把土作為建筑地基和環(huán)境，研究對象為原狀土，例如：《建筑地基基礎設計規(guī)范》(GB50007-2019)地基土分類方法.

側重把土作為建筑材料，用于路堤、土壩和填土地基工程。研究對象為擾動土，例如：《土的分類標準》(GBJ145-90)工程用土的分類和《公路土工試驗規(guī)程》(JTJ051-93)土的工程分類.分類方法：1.《建筑地基基礎設計規(guī)范》(GB50007－2019)根據土粒大小、粒組的土粒含量或土的塑性指數把地基土（巖）分為巖石、碎石土、砂土、粉土和粘性土五大類a.巖石的分類顆粒間牢固粘結,呈整體或具有節(jié)理隙的巖體稱為巖石，堅硬程度可根據巖塊的飽和單軸抗壓強度frk分類堅硬程度類別飽和單軸抗壓強度frk(Mpa)堅硬巖較硬巖較軟巖軟巖極軟巖30＜frk≤60frk＞6015＜frk≤305＜frk≤15frk≤5b.碎石土的分類粒徑大于2mm的顆粒含量超過全重50%的土稱為碎石土c.砂土的分類

粒徑大于2mm的顆粒含量不超過全重50%的土，且粒徑大于0.075mm的顆粒含量超過全重50%的土稱為砂土

土的名稱漂石塊石卵石碎石圓礫角礫顆粒形狀圓形及亞圓形為主棱角形為主圓形及亞圓形為主棱角形為主圓形及亞圓形為主棱角形為主顆粒級配粒徑大于200mm的顆粒含量超過全重50％粒徑大于20mm的顆粒含量超過全重50％粒徑大于2mm的顆粒含量超過全重50％注：定名時應根據顆粒級配由大到小以最先符合者確定碎石土的分類d.粉土的分類

粒徑大于0.075mm的顆粒含量不超過全重50%，塑性指數IP≤10的土稱為粉土土的名稱礫砂粗砂中砂細砂粉砂顆粒級配粒徑大于2mm的顆粒含量占全重25％～50％注：定名時應根據顆粒級配由大到小以最先符合者確定粒徑大于0.5mm的顆粒含量超過全重50％粒徑大于0.25mm的顆粒含量超過全重50％粒徑大于0.075mm的顆粒含量超過全重85％粒徑大于0.075mm的顆粒含量超過全重50％砂土的分類e.粘性土的分類粒徑大于0.075mm的顆粒含量不超過全重50%，塑性指數IP＞10的土稱為粘性土，粘性土根據塑性指數細分土的名稱粘土粉質粘土塑性指數注：塑性指數由相應于76g圓錐體沉入土樣中深度為10mm測定的液限計算而得IP＞1710＜IP≤17f.人工填土的分類

由于人類活動而形成的堆積物稱為人工填土。物質成分較雜亂,均勻性較差，根據其物質組成和成因,可分為素填土、雜填土和沖填土2.《土的分類標準》(GBJ145－90)

根據各粒組的相對含量把土分為巨粒土、含巨粒土、粗粒土和細粒土四大類a.巨粒土和含巨粒土的分類

巨粒土和含巨粒土按土中粒徑大于60mm的巨粒含量區(qū)分。若土中巨粒含量多于50%,屬于巨粒土；若土中巨粒含量在15%～50%之間，屬于含巨粒土b.粗粒土的分類

巨粒含量少于15%，剔除巨粒后，若土中粒徑大于0.075mm的粗粒含量多于余土的50%，屬于粗粒土。粗粒土分為礫類土和砂類土兩類g.其它特殊類土軟土（淤泥等）、紅粘土、黃土等c.細粒土的分類土中粒徑小于0.075mm的細粒含量多于或等于50%，且粗粒含量少于25%的土屬于細粒土。圖中液限為17mm液限細粒土按塑性圖進行細分6人工填土●人工填土是指由人類活動而堆填的土。其物質成分較雜，均勻性較差。根據其物質組成和堆填方式，填土可分為素填土、雜填土、沖填土和壓實填土四類。各類填土應根據下列特征予以區(qū)別：

1、素填土是由碎石、砂或粉土、粘性土等一種或幾種材料組成的填土，其中不含雜質或含雜質很少。按主要組成物質分為碎石素填土、砂性素填土、粉性素填土及粘性填土。經分層壓實后則稱為壓實填土。

2、雜填土是含大量建筑垃圾、工業(yè)廢料或生活垃圾等雜物的填土。按其組成物質成分和特征分為建筑垃圾土、工業(yè)廢料土及生活垃圾土。3、沖填土為由水力沖填泥漿形成的填土。特殊土（Ⅰ）●特殊土是指在特定地理環(huán)境或人為條件下形成的具有特殊性質的土。它的分布一般