1 土的物理性質(zhì)及工程分類

第1章土的物理性質(zhì)及工程分類第1章土的物理性質(zhì)及工程分類

1.1土的生成與特性

1.2土的三相組成

1.3土的物理性質(zhì)指標(biāo)

1.4土的物理狀態(tài)指標(biāo)

1.5地基土的工程分類

掌握土的概念；掌握土的組成、結(jié)構(gòu)及其工程性質(zhì)；掌握土的物理性質(zhì)狀態(tài)指標(biāo)及各個指標(biāo)的定義、物理概念、表達(dá)式及相互換算；掌握土的物理狀態(tài)指標(biāo)及其工程應(yīng)用；熟悉土的分類和命名。本章教學(xué)要求：1－1土的生成與特性1.1.1土的生成

土是由巖石，經(jīng)物理化學(xué)風(fēng)化、剝蝕、搬運沉積，形成固體礦物、液體水和氣體的一種集合體。1.1.2土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造

1）、土的結(jié)構(gòu)

定義：土顆粒之間的相互排列和聯(lián)接形式稱為土的結(jié)構(gòu)。（1）、單粒結(jié)構(gòu)

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(jié)構(gòu)。特點：是土粒間存在點與點的接觸。根據(jù)形成條件不同，可分為疏松狀態(tài)和密實狀態(tài)。

密實狀態(tài)疏松狀態(tài)（2）、蜂窩結(jié)構(gòu)

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(jié)起來，形成孔隙較大的蜂窩狀結(jié)構(gòu)蜂窩結(jié)構(gòu)（3）、絮狀結(jié)構(gòu)

細(xì)微粘粒大都呈針狀或片狀，質(zhì)量極輕，在水中處于懸浮狀態(tài)。懸液介質(zhì)發(fā)生變化時，土粒表面的弱結(jié)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(jié)構(gòu)

絮狀結(jié)構(gòu)工程性質(zhì)：密實單粒結(jié)構(gòu)工程性質(zhì)最好蜂窩結(jié)構(gòu)與絮狀結(jié)構(gòu)如被擾動破壞天然結(jié)構(gòu)，則強度低、壓縮性高，不可用作天然地基。2）、土的構(gòu)造

主要特征是土的成層性和裂隙性,即層理構(gòu)造和裂隙構(gòu)造，二者都造成了土的不均勻性。構(gòu)造—在同一土層中的物質(zhì)成分和顆粒大小等都相近的各部分之間的相互關(guān)系的特征稱為土的構(gòu)造。（1）、層理構(gòu)造

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

（2）、分散構(gòu)造

土層中土粒分布均勻，性質(zhì)相近層理構(gòu)造：123451、淤泥夾粘土透鏡體；2、粘土尖滅層；3、砂土夾粘土層；4、礫石層；5、基巖（3）、結(jié)核狀構(gòu)造

在細(xì)粒土中混有粗顆?；蚋鞣N結(jié)核。（4）、裂隙構(gòu)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。1.1.3土的工程特性1）壓縮性高2）強度低（特指抗剪強度）3）透水性大材料名稱鋼材C20砼密實砂密實礫石變形模量(MPa)2100002600050～80100～200材料名稱飽和細(xì)砂較硬粘土卵石變形模量(MPa)8～168～1540～50當(dāng)應(yīng)力數(shù)值相同時，卵石的壓縮性為鋼材的數(shù)千倍；飽和細(xì)砂的壓縮性是C20砼的壓縮性的數(shù)千倍。可見土的壓縮性極高1.1.4土的生成與工程特性的關(guān)系

搬運、沉積條件

通常流水搬運沉積的土優(yōu)于風(fēng)力搬運沉積的土沉積年代

沉積越長，土的工程性質(zhì)越好沉積的自然環(huán)境1－2土的三相組成土的三相組成：固相(固體顆粒)液相(土中水)氣相(土中氣體)氣相＝0，飽和土；液相＝0，干土；氣相≠0，液相≠0濕土。1）、礦物成分

土的固相按物質(zhì)分為無機礦物顆粒和有機質(zhì)，構(gòu)成土的骨架。1.2.1

固體顆粒決定土的工程性質(zhì)的要成分。礦物原生礦物次生礦物物理風(fēng)化產(chǎn)生化學(xué)風(fēng)化產(chǎn)生顆粒粗，比表面積小顆粒細(xì)，比表面積大與水作用能力弱，工程性質(zhì)穩(wěn)定。與水作用能力強，工程性質(zhì)不穩(wěn)定。例：漂石、卵石、圓礫等粗大粒組；砂粒等，其礦物成分與母巖相同，屬原生礦物構(gòu)成的土。

粒徑d<0.005mm粘粒，其礦物成分主要有粘土礦物，非粘土礦物和有機礦物，它們都是次生礦物。最常見的粘土礦物有：

蒙脫石：2:1型結(jié)構(gòu)單位層，晶胞間由范德華力聯(lián)接，沒有氫鍵，固單位層間極易被具有氫鍵的強極化水分子所分開；所以具有很大的吸水膨脹，失水收縮，工程性質(zhì)差；

伊利石：2:1型；在結(jié)構(gòu)單位層之間有K(鉀)離子起聯(lián)結(jié)作用；所以遇水膨脹，失水收縮等不及蒙脫石那樣顯著；

高嶺石：1:1型；層間為氧(O)與氫氧(OH)相聯(lián)結(jié)，鍵力較強，水分子很難進(jìn)入，因此遇水膨脹和失水收縮性均很小，工程性質(zhì)穩(wěn)定。大多數(shù)粘土礦物主要由兩個基本單元組成：硅氧四面體鋁氫氧八面體硅氧四面體硅氧八面體氧硅氫氧鋁硅氧晶片鋁氫氧晶片(a)蒙脫石(b)伊利石(c)高嶺石nH2Okk蒙脫石2）、土顆粒的大小與形狀

土粒的大小稱為粒度，大小相近的土粒合并為一組，稱為粒組。

國標(biāo)《土的分類標(biāo)準(zhǔn)》(GBJ145－06)劃分粒組如下：土粒粒組劃分表粒組統(tǒng)稱 粒組名稱 粒徑d的 一般特征 范圍(mm)表2－1巨粒漂石(塊石)粒卵石(碎石)粒d>200200>d>60

透水性很大，無粘性，無毛細(xì)水粗粒粗礫細(xì)礫60

d>2020

d>2

透水性大，無粘性，毛細(xì)水上升高度不超過粒徑大小礫粒2

d>0.075

易透水，無粘性，遇水不膨脹，干燥時松散；毛細(xì)水上升高度不大砂粒粒組統(tǒng)稱 粒組名稱 粒徑d的 一般特征 范圍(mm)細(xì)粒粉粒粘粒0.075

d>0.0050.005

d

透水性?。粷駮r稍有粘性，略干縮濕脹；毛細(xì)水上升較高，極易凍脹

透水性很??；濕時有粘性、可塑性；干縮濕脹顯著；毛細(xì)水上升高度大粗粒土－壓縮性低、強度高、滲透性大。顆粒棱角分明－表面粗糙、抗剪強度較高。3）、土的粒徑級配

土粒的大小及其組成情況，通常以土中各個粒組的相對含量，占土?？傎|(zhì)量的百分?jǐn)?shù)來表示，稱為土的顆粒級配。常用分析方法大于0.075mm

篩分法小于0.075mm 密度計法 (或移液管法)表示方法表格法 (清楚、方便)顆粒級配曲線

(直觀)沉降分析法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(zhì)量的烘干土樣過篩，稱出留在各篩上的土質(zhì)量，然后計算其占總土粒質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)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粒徑(mm)小于某粒徑土粒重量的百分?jǐn)?shù)(%)大于某粒徑的土粒重(%)132級配曲線形狀：陡竣、土粒大小均勻、級配差；平緩、土粒大小不均勻、級配好。不均勻系數(shù)：曲率系數(shù)：(2－1)(2－2)d10、d30、d60小于某粒徑的土粒含量為10%、30%和60%時所對應(yīng)的粒徑式中：d60—小于某粒徑的土粒重量占土總重60%的粒徑，稱限定粒徑；d10—小于某粒徑的土粒重量占土總重10%的粒徑，稱有效粒徑；d30—小于某粒徑的土粒重量占土總重30%的粒徑。土的粒徑級配曲線同時滿足cu

≥5cc=1～3級配良好否則。級配不良粒徑(mm)小于某粒徑土粒重量的百分?jǐn)?shù)(%)大于某粒徑的土粒重(%)132曲線1

2

3cu

18.8

10

1.36cc

0.141.251.021.2.2

土中水(液相)土中的水固態(tài)自由水氣態(tài)液態(tài)結(jié)合水重力水毛細(xì)水強結(jié)合水弱結(jié)合水粘性土的性質(zhì)1）、結(jié)合水

結(jié)合水是指受電分子吸引力作用而吸附于土粒表面成薄膜狀的水。強結(jié)合水弱結(jié)合水距離引力強結(jié)合水弱結(jié)合水自由水(a)(b)2）、自由水土粒電場影響范圍以外的水稱為自由水。重力水

—受重力作用或壓力差作用能自由流動的水。毛細(xì)水

—受水與空氣界面的表面張力作用而存在于土細(xì)孔隙中的自由水。工程問題重力水：流砂現(xiàn)象、浮力作用、防水措施毛細(xì)水：防潮、凍脹地下水位毛細(xì)管水表面pchc土粒土粒環(huán)狀彎液面1.2.3

土中的氣體(氣相)自由氣體—與大氣連通封閉氣體—與大氣不連通(封閉)1－3土的物理性質(zhì)指標(biāo)土的物理性質(zhì)指標(biāo)反映土的工程性質(zhì)的特征，具有重要的實用價值。1.3.1反映單位體積質(zhì)量的指標(biāo)ms—土粒質(zhì)量；mw—土中水質(zhì)量；m—土的總質(zhì)量，m=ms+mwVs—土粒體積；Vw—土中水體積；Va—土中氣體體積；Vv—土中孔隙體積，Vv=Vw+VaV—土的總體積，V=Vs+Vv

=Vs+Vw+Va土顆粒水氣體孔隙質(zhì)量體積1)、土的天然密度和土的重度γ

土單位體積的質(zhì)量稱為土的密度

(單位為g/cm3或t/m3)，即：測試方法：

“環(huán)刀法”適用于粘性土和粉土“灌水法”適用于卵石、礫石與原狀砂γ＝10·2)、土粒比重(土粒相對密度)(Gs)ds

土的固體顆粒質(zhì)量與同體積的4℃時純水的質(zhì)量之比，稱為土粒比重

(無量鋼)，即：式中

s—土粒密度(g/cm3)；

w1—純水在4℃時的密度(單位體積的質(zhì)量)，等于1g/cm3或1t/m3?！氨戎仄糠ā薄敖?jīng)驗法”取決于土的礦物成分3)、土的含水率w

土中水的質(zhì)量和土粒質(zhì)量之比稱為含水率w，以百分?jǐn)?shù)計，即：“烘干法”1.3.2反映土的松散程度的指標(biāo)1)、土的孔隙比e

土的孔隙體積與土的顆粒體積之比稱為土的孔隙比e，以小數(shù)表示，即：2)、土的孔隙度(率)n

土的孔隙體積與土的總體積之比稱為土的孔隙率n，以百分?jǐn)?shù)表示，即：1.3.3反映土的含水特征的指標(biāo)1)、土的含水率w同前

土中水的質(zhì)量和土粒質(zhì)量之比稱為含水率w，以百分?jǐn)?shù)計，即：“烘干法”2)、土的飽和度Sr

土中被水充滿的孔隙體積與孔隙總體積之比稱為飽和度Sr，以百分率計，即：表示水在孔隙中充滿的程度。工程應(yīng)用按飽和度大小常將砂類土劃分為如下三種含水狀況：Sr<50%稍濕的50%≤Sr≤80%很濕的Sr>80%飽和的1)、土的干密度

d單位土體體積干土中固體顆粒部分的質(zhì)量稱為干密度

d

，即：工程應(yīng)用：控制填土工程的施工質(zhì)量1.3.4特殊條件下土的密度測試方法：環(huán)刀法放射性同位素法2)、土的飽和密度

sat

土孔隙中充滿水時的單位土體體積質(zhì)量稱為土的飽和密度

sat，即：式中

w

為水的密度，可近似取

w=1g/cm3。3)、土的飽和重度、干重度、浮重度4）、

最大干重度和最優(yōu)含水量(P420)飽和線1.3.5土的物理性質(zhì)指標(biāo)的換算

ds

w

en

(w)Sr

(

)

sat

d

基本指標(biāo)(實驗)換算指標(biāo)氣水土粒Gsρw

Vs＝11+e質(zhì)量m體積V土的三相指標(biāo)中，土粒比重Gs

，含水量w和密度ρ是通過試驗測定的，可以根據(jù)三個基本指標(biāo)換算出其余各指標(biāo)Vv=ewGsρw

Gs（1＋w）ρw

在推導(dǎo)換算指標(biāo)時，常采用如圖所示的三相草圖。即：設(shè)Vs=1由指標(biāo)的定義和圖有：推導(dǎo)：氣水土粒Gsρw

Vs＝11+e質(zhì)量m體積VVv=ewGsρw

Gs（1＋w）ρw

1234567例題分析【例】某土樣經(jīng)試驗測得體積為100cm3，濕土質(zhì)量為187g，烘干后，干土質(zhì)量為167g。若土粒的相對密度Gs為2.66，求該土樣的含水量w、密度ρ、重度

、干重度

d

、孔隙比e、飽和度Sr，飽和重度

sat和有效重度

【解答】例：用體積為100cm3的環(huán)刀取得原狀土樣的濕土質(zhì)量186g，烘干后為150g。實測土粒比重為2.70，試求該土樣的含水量、密度、孔隙比、孔隙率、飽和度、干密度、飽和密度以及有效重度。解：土的含水量土的密度土的孔隙比土的孔隙率土的飽和度土的干密度土的飽和密度土的有效密度例2.11－4土的物理狀態(tài)指標(biāo)1.4.1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(jù)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(zhì)有著密切關(guān)系無粘性土一般是指砂類土和碎石類土。

孔隙比e可以用來表示砂土的密實度。對于同一種土，當(dāng)孔隙比小于某一限度時，處于密實狀態(tài)?？紫侗扔螅劣缮?。

確定密實度方法

《工業(yè)與同用建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(TJ7)曾使用。無法反映土的粒徑級配的因素1)、孔隙比e1/5<Dr1/3 稍松1/3<Dr2/3 中密2/3<Dr1 密實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Dr<1/5極松3)、按動力觸探確定無粘性土的密實度

天然砂土的密實度，可按原位標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗的錘擊數(shù)N進(jìn)行評定。密實度按N評定砂石密實度松散稍密中密密實N≤1010＜N≤1515＜N≤30N＞30《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB50007-2011)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021-2009

)

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗（StandardPenetrationTest）

標(biāo)準(zhǔn)貫入數(shù)N

錘重：63.5kg

落距：760mm

打入深度：300mm碎石土密實度野外鑒別《巖土工程勘察規(guī)范》GB50021-2009碎石土密實度原位測試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(shù)N63.5或原位超重型圓錐動力觸探的錘擊數(shù)N120進(jìn)行評定。密實度按N63.5評定碎石土密實度松散稍密中密密實N63.5≤55＜N63.5≤1010＜N63.5≤20N63.5＞20《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB50007-2011)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021-2009

)《巖土工程勘察規(guī)范》GB50021-2009粘性土的稠度與可塑性是土粒與水相互作用后所表現(xiàn)出來的物理性質(zhì)。1.4.2粘性土的物理狀態(tài)指標(biāo)粘性土的稠度和可塑性可否用e、Dr、N（N63.5）來測定其密實度？？粘性土最主要的物理特征是稠度。

粘性土因含水多少而表現(xiàn)出的稀稠軟硬程度，稱為稠度。

因含水多少而呈現(xiàn)出的不同的物理狀態(tài)稱為粘性土的稠度狀態(tài)。

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。

粘性土在某含水量內(nèi)，可用外力塑成任何形狀而不發(fā)生裂紋，當(dāng)移動外力后仍能保持既得形狀，土的這種性能稱為可塑性。1)、界限含水量定義：塑限Wp縮限Ws液限WL液性界限，相當(dāng)于土從塑性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐盒誀顟B(tài)時的含水量，簡稱液限wL塑性界限，相當(dāng)于土從半固體狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄誀顟B(tài)時的含水量，簡稱塑限wp縮限ws，相當(dāng)于土從固體狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘牍虘B(tài)狀態(tài)時的含水量。粘粒強結(jié)合水弱結(jié)合水自由水液態(tài)可塑態(tài)固態(tài)或半固態(tài)顆粒水VsVs+Va固態(tài)wLwPws縮限塑限液限半固態(tài)可塑態(tài)液態(tài)wVO阿太堡界限(Atterberglimit)測定：WLWp錐式液限儀法碟式液限儀法搓條法聯(lián)合測定儀法土樣平衡球底座試杯手柄10mm刻線錐式液限儀法76g圓錐體(含平衡球，錐角30度)，經(jīng)15s進(jìn)入土樣深度正好為10mm時，含水量為液限硬橡皮底板銅碟刻槽刮刀2mm108mm碟式液限儀法碟子抬高10mm，連續(xù)下落25次，合攏長度剛好13mm時，含水量為液限液塑限聯(lián)合測定儀下沉深度為10mm所對應(yīng)的含水量為液限;下沉深度為2mm處所對應(yīng)的含水量為塑限?！锻凉ぴ囼灧椒?biāo)準(zhǔn)》GB/T501232)、塑性指數(shù)IP和液性指數(shù)IL：塑性指數(shù)IP

IP=wL

wP(去掉百分號)

工程應(yīng)用－－粘性土分類指標(biāo)國家標(biāo)準(zhǔn)《巖土工程勘察規(guī)范》按塑性指數(shù)IP將粘性土分為兩類，IP>17為粘土，17≥IP>10為粉質(zhì)粘土。

說明：塑性指數(shù)的大小取決于土顆粒吸附結(jié)合水的能力。土中粘粒含量、水中離子價態(tài)越低、礦物粘粒含量越多,塑性指數(shù)就越高。

反映土的天然含水量與界限含水量之間的關(guān)系，工程上用來表示土的稠度狀態(tài)。wpwwL0

w-wpwL-wp—粘性土確定狀態(tài)指標(biāo)液性指數(shù)IL(相對稠度)是粘性土的天然含水量和塑限的差值與液限和塑限差值之比。說明：液性指數(shù)表征土的天然含水量與界限含水量間的相對關(guān)系。當(dāng)IL≤0時,w≤wP,土處于堅硬狀態(tài);當(dāng)IL＞1時,w＞wL,土處于流動狀態(tài)。根據(jù)IL值可以直接判定土的軟硬狀態(tài)。狀態(tài)液性指數(shù)堅硬硬塑可塑軟塑流塑IL≤00＜IL≤0.250.25＜IL≤0.750.75＜IL≤1IL＞1粘性土狀態(tài)表注意：wL與wp用重塑土測定3)、活動度A

塑性指數(shù)與土中膠粒（d＜0.002mm）的含量百分?jǐn)?shù)的比值，稱為活動度A，即：A<0.75 不活動粘土0.75<A<1.25 正常粘土A>1.25 活動粘土4)、靈敏度St

粘性土的原狀土無側(cè)限抗壓強度與原土結(jié)構(gòu)完全破壞的重塑土的無側(cè)限抗壓強度的比值，稱為靈敏度St，即：St>4高靈敏土2<Dr4中靈敏土St2低靈敏土工程應(yīng)用：保護(hù)基槽、利用觸變性。1－5地基土(巖)的工程分類分類的意義：分類的標(biāo)準(zhǔn)：《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB50007-2011)分為巖石、碎石土、砂土、粘性土和人工填土。1.5.1巖石按堅固程度分－飽和單軸抗壓強度值按風(fēng)化程度分－未、微、弱、強、全按完整程度分－完整性系數(shù)（縱波波速）定義：分類：巖石是顆粒間牢固聯(lián)結(jié)、呈整體或具有節(jié)理裂隙的巖體。1.5.2碎石類土

碎石類土是粒徑大于2mm的顆粒含量超過全重50%的土。土的名稱顆粒級配及形狀碎石土漂石圓形及亞圓形為主粒徑大于200mm的顆粒超過總質(zhì)量的50%塊石棱角形為主卵石圓形及亞圓形為主粒徑大于20mm的顆粒超過總質(zhì)量的50%碎石棱角形為主圓礫圓形及亞圓形為主粒徑大于2mm的顆粒超過總質(zhì)量的50%角礫棱角形為主密實碎石土－－優(yōu)等地基根據(jù)密實度分為：中密碎石土－－優(yōu)良地基稍密碎石土－－良好地基松散碎石土－－不宜直接做地基，經(jīng)處理后可為良好地基常見碎石土為優(yōu)良的地基1.5.3砂類土

砂類土是粒徑大于2mm的顆粒含量不超過50%，粒徑大于0.075mm的顆粒含量超過50%的土。土的名稱顆粒級配砂類土礫砂粒徑大于2mm的顆粒占總質(zhì)量的25~50%粗砂粒徑大于0.5mm的顆粒超過總質(zhì)量50%中砂粒徑大于0.25mm的顆粒超過總質(zhì)量50%細(xì)砂粒徑大于0.075mm的顆粒超過總質(zhì)量85%粉砂粒徑大于0.075mm的顆粒超過總質(zhì)量50%注：定名時從礫砂開始(由上到下)最先符合者確定。例2.2優(yōu)良地基工程性質(zhì)：良好地基良好地基不良地基密實與中密稍密密實飽和松散礫砂粗砂中砂粉砂細(xì)砂1.5.4粉土

粉土是粒徑大于0.075mm的顆粒含量不超過50%，塑性指數(shù)Ip小于或等于10的土。粉土砂質(zhì)粉土粒徑小于0.005mm的顆粒不超過總質(zhì)量10%粘質(zhì)粉土粒徑小于0.005mm的顆粒超過總質(zhì)量10%良好地基工程性質(zhì)：不良地基密實粉土飽和稍密粉土1.5.5粘性土

粘性土是塑性指數(shù)Ip大于10的土。粘性土粉質(zhì)粘土粒徑小于0.005mm的顆粒質(zhì)量占總質(zhì)量18-30%粘土粒徑小于0.005mm的顆粒質(zhì)量大于總質(zhì)量30%粘性土粉質(zhì)粘土10<Ip

17粘土Ip>17

粘性土按沉積年代老粘性土一般粘性土新近沉積的粘性土優(yōu)良地基工程性質(zhì)：軟弱地基硬塑狀態(tài)流塑狀態(tài)據(jù)組成的成因人工填土分為：素填土雜填土沖填土