土的物理性質(zhì)及分類

1、第一章第一章 土的物理性質(zhì)及分類土的物理性質(zhì)及分類 概概 述述 土的生成土的生成 土的組成土的組成 土的三相比例指標土的三相比例指標 無粘性土的密實度無粘性土的密實度 粘性土的物理特征粘性土的物理特征 土的滲透性土的滲透性 地基土（巖）的分類地基土（巖）的分類 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。地質(zhì)作用：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)作用地質(zhì)作用內(nèi)力地質(zhì)作用內(nèi)力地質(zhì)作用外力地質(zhì)作用外力地質(zhì)作用巖漿活動巖漿活動地殼運動地殼運動變質(zhì)作用變質(zhì)作用氣溫變化、雨雪、氣溫變化、雨雪、

2、山洪、河流、湖泊、山洪、河流、湖泊、海洋、冰川、風(fēng)、海洋、冰川、風(fēng)、生物等生物等土的生成地質(zhì)作用地質(zhì)作用 造巖礦物：造巖礦物：硬度等級硬度等級礦物名稱礦物名稱野外簡易鑒定方法野外簡易鑒定方法1 1滑石滑石用軟鉛筆劃時留下條痕，用指甲容易刻劃用軟鉛筆劃時留下條痕，用指甲容易刻劃2 2石膏石膏用指甲可刻劃用指甲可刻劃3 3方解石方解石用黃鋼板刻劃可留下條痕，用小刀很容易刻劃用黃鋼板刻劃可留下條痕，用小刀很容易刻劃4 4螢石螢石小刀可刻劃小刀可刻劃5 5磷灰石磷灰石用削鉛筆刀刻劃時刻留下明顯痕跡，能刻劃玻璃用削鉛筆刀刻劃時刻留下明顯痕跡，能刻劃玻璃6 6正長石正長石小刀可勉強留下看得見的劃痕，能刻劃

3、玻璃小刀可勉強留下看得見的劃痕，能刻劃玻璃7 7石英石英用小刀不能刻劃用小刀不能刻劃8 8黃玉黃玉能割開玻璃，難于刻劃石英能割開玻璃，難于刻劃石英9 9剛玉剛玉能刻劃石英能刻劃石英1010金剛石金剛石能刻劃石英能刻劃石英巖石巖石 三大類巖石的代表： 巖漿巖 沉積巖 變質(zhì)巖沉積巖沉積巖變質(zhì)巖變質(zhì)巖 地質(zhì)年代地質(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)年代地質(zhì)年代相對地質(zhì)年代（太古代、元古相對地質(zhì)年代（太古代、元古代、中生代和新生代）代、中生代和新生代）絕對地質(zhì)年代絕對地質(zhì)年代 殘積物：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

4、風(fēng)和降水所帶走。 坡積物：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。 沖積物：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)。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

5、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，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。原生礦物原生礦物次生礦物次生礦物一：土的固相一：土的固相土的顆粒級配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

6、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?？傎|(zhì)量（干土質(zhì)量）的百分數(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。細粒土指以粉粒、粘粒和膠粒為主的土，又稱為粘性土。巖土工程勘察規(guī)范巖土工程勘察規(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%的稱為砂土砂土粒徑 0.075mm的質(zhì)量小于50%的定為粉土粉土或粘性土或粘性土碎石土、砂土和粉土又稱為無粘性土無粘性土粒組統(tǒng)粒組統(tǒng)稱稱粒組名稱粒組名稱粒徑粒徑d d范圍（范圍（mmmm） 分析分析方法方法 主主 要要 特特 征征巨巨 粒粒漂石（塊石

7、）粒漂石（塊石）粒 d200 d200 直接直接測定測定 透水性很大，壓縮性極小，透水性很大，壓縮性極小，顆粒間無粘結(jié)，無毛細性。顆粒間無粘結(jié)，無毛細性。卵石（碎石）粒卵石（碎石）粒 60d200 60d200 粗粒粗粒礫礫粒粒 粗礫粗礫 20d60 20d60 篩篩 分分 法法 透水性大，壓縮性小，無粘透水性大，壓縮性小，無粘性，有一定毛細性。性，有一定毛細性。細礫細礫2d202d20砂砂粒粒 粗砂粗砂0.5d2 0.5d2 中砂中砂 0.25d0.5 0.25d0.5 細砂細砂0.075d0.25 0.075d0.25 細粒細粒粉粒粉粒 0.005d0.075 0.0050.075mm）水

8、分法水分法（適用于粉土和粘性土，d11g/cmg/cm3 3冰點處于零下幾十度冰點處于零下幾十度具有固體的的特性具有固體的的特性溫度高于溫度高于100100C C時可蒸發(fā)時可蒸發(fā)位于強結(jié)合水之外，電場引力位于強結(jié)合水之外，電場引力作用范圍之內(nèi)作用范圍之內(nèi)外力作用下可以移動外力作用下可以移動不因重力而移動，有粘滯性不因重力而移動，有粘滯性（二）非結(jié)合水（二）非結(jié)合水 定義定義: 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，它包括毛細水和重力水。(1)毛細水特點特點: 1.毛細水毛細水是受到水與空氣交界面處表面張力作用的自由水。 2.

9、毛細水毛細水按其與地下水面是否聯(lián)系可分為毛細懸掛水 (與地下水無直接聯(lián)系)和毛細水上升水與地下水相連兩種。3. 毛細水毛細水是受毛細管作用控制的水，毛管直徑愈細上升 高度愈高。在常溫下毛細上升高度hc與毛管半徑r 有 以下關(guān)系： hc=15/r 當r=0.1m時，hc=150mm，這與砂土(粒徑為0.5lmm) 中的情況大致相當。粘土的孔隙直徑約為0.1m，按上式計算毛細上升高度將達150m。4. 毛細毛細區(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。負號表示拉力。自由水位以下為壓力，自由水位以上，毛細區(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

10、力，減小顆粒間的壓力。自由水位以上，毛細區(qū)域內(nèi)，顆粒間受壓力，毛細壓力呈倒三角形分布。彎液面處最大，自由水面處為零。（2）重力水 特點特點: 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。毛細壓力增加了土粒間的聯(lián)結(jié)，所以散毛細壓力增加了土粒間的聯(lián)結(jié)，所以散粒狀的砂土，當含有少量水分時具有假粒狀的砂土，當含有少量水分時具有假粘聚力，但是當土飽和時，這種聯(lián)結(jié)作粘聚力，但是當土飽和時，這種聯(lián)結(jié)作用即告消失。因此，由于毛細力而用即告消失。因此，由于毛細力而呈現(xiàn)的粘性是暫時性的。呈現(xiàn)的粘性是暫時性的。

11、（3）固態(tài)水特點特點: 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。（三）土的氣相（三）土的氣相分類分類: 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特點: 通常認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

12、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。物理風(fēng)化僅使巖物理風(fēng)化僅使巖石產(chǎn)生量的變化石產(chǎn)生量的變化巖石巖石物理分化物理分化化學(xué)分化化學(xué)分化土土化學(xué)風(fēng)化僅使巖化學(xué)風(fēng)化僅使巖石產(chǎn)生質(zhì)的變化石產(chǎn)生質(zhì)的變化粘土顆粒性質(zhì)粘土顆粒性質(zhì)土粒的粒徑由粗到細逐漸變化土粒的粒徑由粗到細逐漸變化時，土的性質(zhì)相應(yīng)地發(fā)生變化時，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。顆粒極的成分成分與母巖的完全不同。顆粒極細，性質(zhì)活潑，有較強的吸附水能力，細，性質(zhì)活潑，有較強的吸附水能力，具塑性。具塑性。顆粒通常是由一種或幾種

13、原生礦物所組成，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)，無塑粗，吸附水的能力弱，性質(zhì)比較穩(wěn)，無塑性。性。原生礦物原生礦物次生礦物次生礦物土粒的大小土粒的大小及其組成及其組成WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm質(zhì)量質(zhì)量體積體積土粒比重(比重瓶法比重瓶法)：s：土粒密度（g/cm3)wl：純水在4攝氏度時的密度111sssswwmdV土的含水量(烘干法烘干法)：土中水的質(zhì)量與土粒質(zhì)量之比土的天然密度(環(huán)刀法環(huán)刀法)：土單位體積的質(zhì)量100%wsmmmV土的干密度：土單位體積

14、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sdmVsvwsatmVVsswmVVdsat dsat天然密度天然密度干密度干密度飽和密度飽和密度mV天然容重天然容重干容重干容重sdmVgddgswvsatmVVsatsatg浮容重浮容重satw 飽和容重飽和容重各種密度容重之間的大小關(guān)系各種密度容重之間的大小關(guān)系土的孔隙比：土的孔隙比：土中孔隙體積與土粒體積之比土的孔隙率：土的孔隙率：土中孔隙所占體積與總體積之比土的飽和度：土的飽和度：土中被水充滿的孔隙體積與孔隙總體積之比

15、vsVeV100%vVnV100%wrvVSVww1令1sVeVveV1wswsssddVmwsswdmmwsdm)1 ( edVmws1)1 (11edVmwssd1)1 (wsdeeedwssat1)(edws1) 1(een1edSsredwsd1wsed11ndwsd1ewdssr例題1試證明如下各式：（2）（1）（3）（4）證明: (1) edVVdVgmwwssssd1(2)wwswwedVVVdVVgmsssss11(3)1 ()(ndVVVdVVdVgmwwwsvssssd(4)ewdVwWVWVVSsvsvwwvwrw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

16、著如下關(guān)系：sdwdw1證明:因為土處于飽和狀態(tài) 且svVVe srdeSw ssVVV 1wssdsdWW1dwsdsde%100sdesdddws1sdwd1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 。d解：%3 .16%10003.1503.1548.17天然重度363/5 .19101000101095. 1mkN3/8 .16163. 015 .191mkNd含水量例題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

17、，若將土樣壓縮，使其干密度達到1.61t/m3，土樣孔隙比將減少多少？69. 2sd解：36/8 . 110501009. 03mtVm%3 .32%100068. 0068. 009. 0干水mm孔隙比減小值306. 0671. 0977. 02eee土樣的天然密度土樣的含水量977. 018 . 1)323. 01 (169. 21)1 (wsde671. 0161. 1169. 21,122dwswsddeed 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。相對密度：相對密度：反映無粘性土的密實狀態(tài)反映無粘性土的密實狀態(tài)假定第一種砂是

18、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：maxmaxminreeDee1.96/3dcm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e0.35。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。密實度判別標準：密實度判別標準： 疏松疏松 中密中密 密實密實13rD 1233rD23rD 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

19、，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)-當含水量繼續(xù)增加，土中除結(jié)合水外，已有相當數(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)。土的特征含水量-土從某種狀態(tài)進

20、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。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PLPIwwPLLPwwIww液性指數(shù) Ip狀態(tài)粘性土（細粒土）的狀態(tài)分類粘性土（細粒土）的狀態(tài)分類液性指數(shù)反映土的軟硬狀態(tài)0PI 00.25PI0.250.75PI0.751.0PI1.0PI 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：utuq

21、Sq 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)。層流層流紊流紊流地下水在土中孔隙或微小裂隙中以不大的速度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：地下水運動的兩種形式：達西定律達西定律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/s12HHiLvki用于粘土的達西定律用于粘土的達西定律表示曲線b在i軸上的截距1vk ii1i 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)化巖石堅硬程

22、度分類巖石堅硬程度分類類別類別強度（強度（MPaMPa）代表性巖石代表性巖石硬質(zhì)巖石硬質(zhì)巖石3030花崗巖、閃長巖、玄武巖、石灰?guī)r、石花崗巖、閃長巖、玄武巖、石灰?guī)r、石英砂巖、硅質(zhì)礫巖、花崗片麻巖、石英砂巖、硅質(zhì)礫巖、花崗片麻巖、石英巖等英巖等軟質(zhì)巖石軟質(zhì)巖石3030頁巖、粘土巖、綠泥石片巖、云母片巖頁巖、粘土巖、綠泥石片巖、云母片巖等等巖石風(fēng)化程度的劃分巖石風(fēng)化程度的劃分風(fēng)化程風(fēng)化程度度堅硬程度劃分堅硬程度劃分硬質(zhì)巖石硬質(zhì)巖石軟質(zhì)巖石軟質(zhì)巖石風(fēng)化特征風(fēng)化特征微風(fēng)化微風(fēng)化 巖質(zhì)新鮮巖質(zhì)新鮮, ,表面有風(fēng)化跡象，錘表面有風(fēng)化跡象，錘擊聲清脆，并感覺錘有彈跳，裂隙少，擊聲清脆，并感覺錘有彈跳，裂隙

23、少，巖塊大于巖塊大于50cm50cm，用鎬很難挖掘，巖芯，用鎬很難挖掘，巖芯呈圓柱狀。呈圓柱狀。 巖石的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造清楚。巖體層巖石的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造清楚。巖體層理清晰。裂隙較發(fā)育，巖塊為理清晰。裂隙較發(fā)育，巖塊為202050cm50cm，裂隙中有風(fēng)化物質(zhì)填充。錘擊，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。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。巖芯分裂，但可拼成圓柱狀。中等風(fēng)中等風(fēng)化化 巖石的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造清楚。巖體層巖石的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造清楚。巖體層理清晰。錘擊聲脆，微有彈跳感。裂理清晰。錘擊聲脆，微有彈跳感。裂隙較發(fā)育，巖塊為隙較發(fā)育，巖塊為202050cm50cm，用

24、鎬難，用鎬難挖掘。巖芯分裂，但可拼成圓柱狀。挖掘。巖芯分裂，但可拼成圓柱狀。 巖石的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及巖體層理尚巖石的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及巖體層理尚能辨認。裂隙很發(fā)育，巖塊為能辨認。裂隙很發(fā)育，巖塊為2 220cm20cm，碎塊用手可折斷。用鎬易挖掘。，碎塊用手可折斷。用鎬易挖掘。巖芯破碎，不能拼成圓柱狀。巖芯破碎，不能拼成圓柱狀。強風(fēng)化強風(fēng)化 巖石的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及巖體層理都巖石的結(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，巖塊為易折斷，裂隙發(fā)育，巖塊為2 220cm20cm，用鎬可以挖掘。巖芯破碎，不能拼成用鎬可以挖掘。巖芯破碎，不能拼成圓柱狀。圓柱狀。 巖石結(jié)構(gòu)、構(gòu)造不清楚。巖體層巖石結(jié)構(gòu)、構(gòu)造不清楚。巖體層理不清晰。巖質(zhì)已成疏松的土狀，用理不清晰。巖質(zhì)已成疏松的土狀，用鎬易挖掘，巖芯成碎屑狀，可用手搖鎬易挖掘，巖芯成碎屑狀，可用手搖鉆鉆進。鉆鉆進。 碎石類土：碎石類土：粒徑大于2mm的顆粒含量超過全重50的土。分為漂石或塊石、卵石或碎石、圓礫或角礫。碎石類土的劃分 表1-18土的名稱顆粒