第1章：土的基本物理性質及分類

第1章土的物理性質及分類§1.1概述§1.2土的組成§1.3土的三相比例指標§1.4無粘性土的密實度§1.5粘性土的物理特征§1.6土的擊實性§1.7地基土的工程分類

掌握土的物理性質和土的物理性質指標計算方法，掌握土的工程分類方法。土的特理性質及分類學習目標1．了解土的成因和組成2．掌握土的物理性質指標3．熟練掌握無粘性土和粘性土的物理性質4．了解土的結構性和擊實性5．掌握土的工程分類原則，土的類別與其工程特性的關系學習基本要求

土是各種礦物的巖屑的松散集合體。是固、液、氣組成的三相松散介質。

基巖土體固體顆粒（>0.01mm)骨架粘土礦物（<0.005mm)膠結物充填物液體和氣體§1.1概述風化、剝蝕、搬運、沉積土的特理性質及分類土具有這種特殊的結構，研究其工程地質性質不同于固體力學，也不同于流體力學。土顆粒的大小、形狀、排列方式、顆粒間的膠結物種類和膠結程度、孔隙大小、排列方式、含水量的大小都與土的工程性質存在密切的關系，下面分別從這幾個方面來講述土的性質。因此，要研究土的性質就必須了解土的三相組成以及在天然狀態(tài)下土的結構和構造等特征。土的特理性質及分類土的三相組成物質的性質，相對含量以及土的結構構造等各種因素通過土的物理性質（土的輕重、松密、濕干、軟硬等）反映，土的物理性質在一定程度上決定了它的力學性質，所以物理性質是土的最基本的工程性質。土的特理性質及分類處理與土相關的工程問題和進行土力學計算時：知道土的物理特性指標及其變化規(guī)律，了解各類土的特性，掌握各物理特性指標的測定方法以及三相比例指標間的相互換算關系，熟悉土的分類方法。土的特理性質及分類土的特理性質及分類§1.2土的組成(soilcomposition)

一、土的固體顆粒(solidparticle)1、土的礦物成分原生礦物:石英、長石、云母?；瘜W性質較穩(wěn)定，抗水和抗風化能力較強，親水性弱（較弱）對土性質的影響主要由其本身的性質反映出來。次生礦物:原生礦物經(jīng)風化作用后，在一定的溫度和壓力下形成的新的礦物成分，常見有粘土礦物、倍伴氧化物及次生二氧化硅。決定土的工程性質。有機質：土中的動植物殘骸在微生物的作用下分解而成。有機質顆粒細小，具有較強的親水性，對土的工程性質影響較大。土的特理性質及分類粒組(fractional)：工程上常把大小，性質相近的土粒合并為一組，稱為粒組，分界尺寸稱為臨界尺寸。粒度分析(gradinganalysis)：確定土中各個粒組相對含量的方法稱為粒度分析。2、土的粒度組成(grainsizecomposition)土的特理性質及分類粗粒coarsesoils巨粒Verycoarsesoils細粒Finesoils

土的特理性質及分類砂粒的形狀粘粒的形狀土的特理性質及分類篩分法(sieving)：用于粒徑小于等于60mm，大于0.075mm的粗粒組。是將風干、分散的代表性土樣通過一套自上而下孔徑由大到小的標準篩（60、20、2、0.5、0.25、0.1、0.075mm），稱出留在各個篩上的干土重，即可求得各個粒組的相對含量。土的特理性質及分類1）土的顆粒分析試驗沉降分析法(sedimentationanalysismethod)：用于粒徑小于0.075mm的細粒組。理論基礎是土粒在水中的沉降原理。土的特理性質及分類2）顆粒級配曲線

(grainsizeaccumulationcurve)

小于或大于某土粒的累計重量百分比用對數(shù)值表示的土的粒徑土的特理性質及分類土的特理性質及分類曲線的坡度可以大致判斷土粒的均勻程度或級配是否良好。曲線較陡，表示粒徑大小相差不多，土粒較均勻，級配不良；反之，曲線平緩，則表示粒徑大小相差懸殊，土粒不均勻，即級配良好。土的特理性質及分類不均勻系數(shù)(uniformitycoefficient)cu=d60/d10曲率系數(shù)(coefficientofcurvature)cc=d230/d60*d10d60-限制粒徑d30-中間粒徑d10-有效粒徑良好級配的土(goodgradedsoil)土的特理性質及分類Cu≥5和Cc=1~3Cu<5——均粒土；Cu>10——級配良好級配連續(xù)的土級配不同，土的工程性質不同1、土中水氣態(tài)水液態(tài)水固態(tài)水自由水（重力水）毛細水結合水弱結合水強結合水（吸附結合水）滲透吸附結合水次定向吸附結合水礦物顆粒間固態(tài)水—冰礦物晶格中的水沸石水結晶水結構水土的特理性質及分類二、土中的水和氣

①

吸附于土顆粒表面及溶于水的氣體②與大氣相通的氣體—可以排出③

封閉性的氣體—不可以排出④

存在有封閉氣體的土，稱為橡皮土，工程中決不允許.土的特理性質及分類2、土中氣gasinasoil

三、粘土顆粒與水的相互作用1.粘土礦物：是由各種硅酸鹽礦物分解形成的含水鋁硅酸鹽礦物。由兩種原子層構成。硅氧四面體鋁氫氧八面體硅氧四面體鋁氫氧八面體土的特理性質及分類四面體和八面體的不同組合堆疊重復，形成了具有不同性質的粘土礦物。蒙脫石、伊利石、高嶺石土的特理性質及分類nH2OKK蒙脫石伊利石高嶺石高嶺石雙層型結構單元層示意圖一層硅氧四面體與一層鋁氫氧八面體土的特理性質及分類蒙脫石三層結構單元層示意圖兩層四面體晶片中間夾一層八面體晶片組成土的特理性質及分類nH2O粘土礦物結構單元圖nH2OKK土的特理性質及分類蒙脫石伊利石高嶺石粘土顆粒表面的帶電現(xiàn)象

電泳：固體顆粒在直流電作用下向某一電極移動的現(xiàn)象

電滲：水分子向相反電極移動的現(xiàn)象土的特理性質及分類2、粘土顆粒與水的相互作用固定層：在最靠近土粒表面處，靜電引力最強，把水化離子和極性分子牢固地吸附在顆粒表面形成固定層擴散層：在固定層外圍，靜電引力比較小，因此水化離子和極性分子的活動性比在固定層中大些，形成擴散層

雙電層：固定層和擴散層中所含的陽離子與土粒表面的陰離子一起構成雙電層土的特理性質及分類雙電層與擴散層的概念結合水分子定向排列及其所受電分子力變化的簡圖土的特理性質及分類影響擴散層厚度的因素

離子價和離子濃度粘土顆粒間的相互作用

吸引力：范德華力

排斥力：土粒間的排斥力土的特理性質及分類土的結構structure：指土的物質組成（主要指土粒、也包括孔隙）的空間相互排列以及土粒的聯(lián)結特征的綜合性按其顆粒的排列膠結單粒蜂窩絮凝四、土的結構和構造土的特理性質及分類構造fabric：在同一土層中的物質成分和顆粒大小等都相近的各部分之間的相互關系的特征為土的構造，是從宏觀角度研究土的組成，其主要特征是土的成層性和裂隙單粒結構：是由粗大土粒在水中或空氣中下沉而形成的，土顆粒相互間有穩(wěn)定的空間位置。土的特理性質及分類蜂窩結構：由粉?；蚣毶傲＝M成的土的結構形式土的特理性質及分類絮狀結構：由粉?；蚣毶傲＝M成的土的結構形式。土的特理性質及分類土的特理性質及分類Ⅰ-1.集粒，管狀孔隙（2-1濕陷前，500x）土的特理性質及分類Ⅰ-2.集粒，團粒（2-1濕陷前，800x）土的特理性質及分類Ⅰ-3.支架大孔微膠結結構（2-1濕陷前，1500x）Ⅰ-4.支架大孔被部分小顆粒充填，顆粒點接觸（2-1濕陷前，4000x）土的特理性質及分類一、土的三相比例關系§1.3土的三相比例指標

(parametersforthree-phasesoils)土的特理性質及分類土的特理性質及分類1.基本物理性質指標土粒比重Gs（Grainspecificgravity）：土粒質量與同體積的4℃時純水的質量之比。VaVwVsVvVmwmsm氣水土粒(一)、指標的定義土粒密度，g/cm34℃時純水的密度，等于1g/cm3土的含水量w（watercontent):土中水的質量與土粒質量之比，稱為土的含水量，以百分數(shù)計。土的特理性質及分類VaVwVsVvVmwmsm氣水土?！昂娓煞ā睖y定土的密度ρ(densityofsoil)：土單位體積的質量為土的密度，g/cm3土的特理性質及分類“環(huán)刀法”測定粘性土：ρ=1.8~2.0

g/cm3砂土：ρ=1.6~2.0

g/cm3腐殖土：ρ=1.5~1.7

g/cm3VaVwVsVvVmwmsm氣水土粒2.特殊條件下土的密度浮密度ρ’

：在地下水位以下，土單位體積中土粒的質量與同體積水的質量之差。土的特理性質及分類干密度ρd（drydensity):土單位體積中固體顆粒部分的質量飽和密度ρsat(saturateddensity):土孔隙中充滿水時的單位體積質量土的重力密度unitweight天然重度干重度飽和重度浮重度土的特理性質及分類3.描述土的孔隙體積相對含量的指標土的孔隙比e(voidratio):土中孔隙體積與土粒體積之比，稱土的孔隙比?？捎脕碓u價天然土層的密實程度。土的孔隙率n(porosity):土中孔隙所占體積與孔隙總體積之比，以百分數(shù)表示。土的特理性質及分類土的飽和度Sr(degreeofsaturation):土中被水充滿的孔隙體積與孔隙總體積之比。土的特理性質及分類Sr≤50%稍濕;50%<Sr≤80%很濕;Sr≥80%飽和(二).指標的換算土的特理性質及分類VaVwVsVvVmwmsm氣水土粒土的特理性質及分類1.4無粘性土的密實度無粘性土（non-cohesionsoil)：指砂（類）土和碎石（類）土。粘粒含量少，不具有可塑性，呈單粒結構。物理狀態(tài)主要決定于其密實度。砂土的相對密實度(relativedensity):Dr=0最松散狀態(tài)Dr=1最密實狀態(tài)Dr>2/3密實，2/3≥Dr＞1/3中密，Dr≤1/3松散土的特理性質及分類一、粘性土的可塑性及界限含水量1.5粘性土的物理特征土的特理性質及分類縮限塑限液限土的特理性質及分類土的特理性質及分類二、粘性土的可塑性指標1.塑性指數(shù)Ip：是指液限和塑限的差值，即土處于可塑狀態(tài)的含水量變化范圍。土的特理性質及分類從土的顆粒來說，土粒愈細，比表面積愈大，結合水含量愈高，Ip隨之增大；從礦物成分來說，粘?；蛴H水礦物含量愈高，土處在可塑狀態(tài)的含水量變化范圍愈大。土的特理性質及分類Ip綜合反映了土的礦物成分和顆粒大小的影響，因此，塑性指數(shù)常作為工程上對粘性土進行分類的依據(jù)。Ip≤10粉土10<Ip<17粉質粘土Ip>17粘土土的特理性質及分類2.液性指數(shù)Il：是指粘性土的天然含水量和塑限的差值與塑性指數(shù)之比。w<wpIl<0天然土處于堅硬狀態(tài)w>wl

Il>1流動狀態(tài)wp<w<wl0<Il>1可塑狀態(tài)故可利用液性指數(shù)作為粘性土狀態(tài)的劃分指標土的特理性質及分類土的特理性質及分類狀態(tài)堅硬硬塑可塑軟塑流塑液性指數(shù)Il≤00<Il≤0.250.25<Il≤0.750.75<l≤1.0Il>1.0粘性土的狀態(tài)（GB5007）分級堅硬、半堅硬狀態(tài)可塑狀態(tài)流塑狀態(tài)硬塑軟塑液性指數(shù)Il<00≤Il<0.250.5≤Il<1.0Il≥1.0粘性土的狀態(tài)（JTJ024-85）注：液塑限用重塑土測定，表征的不是具有結構性的粘性土體與水的關系，以及作用后表現(xiàn)出的物理狀態(tài)。因此，保持天然結構的原狀土，在w=wl后，并不處于流動狀態(tài)。當然，一旦土的結構性被破壞，土體則呈流動狀態(tài)。土的特理性質及分類三、粘性土的結構性和觸變性1、土的結構性：指天然土的結構受到擾動影響而改變的特性。表現(xiàn)為：結構破壞，強度降低，壓縮性增大。用靈敏度St表示結構性對強度的影響。Degreeofsensitivityofsoil原狀土的強度與該土經(jīng)重塑后的強度之比土的特理性質及分類低靈敏度1<St≤2中靈敏度2<St≤4高靈敏度St>42.土的觸變性(thixotropy)：飽和粘性土的結構受到擾動，導致強度降低，但當擾動停止后，土的強度又隨時間而逐漸恢復，粘性土的這種抗剪強度隨時間恢復的膠體化學性質稱為土的觸變性。土的特理性質及分類四、粘性土的脹縮性、濕陷性和凍脹性土的特理性質及分類脹縮性：是指粘性土具有吸水膨脹和失水收縮的兩種變形特性2濕陷性(collapsibility)：是指土在自重壓力作用下或自重壓力和附加壓力綜合作用下，受水浸濕后，使土的結構迅速破壞而發(fā)生顯著的附加下陷的特征。

土的特理性質及分類3土的凍脹性(frostheave)：是指土的凍脹和凍融給建筑物或土工建筑物帶來危害的變形特性。Coefficientofcollapsibility土的壓實性:土體能夠通過振動、夯實和碾壓等方法調整土粒排列，進而增加密實度的性質稱為土的壓實性。壓實的目的：工程中廣泛用到填土（路基、堤壩、飛機跑道、平整場地修建建筑物以及開挖基坑后回填土、吹填），填土經(jīng)過壓實，以減少其沉降量，降低其透水性，提高其強度。土的特理性質及分類1.6土的壓實原理壓實方法：碾壓、夯實和振動三類土的特理性質及分類Smooth-wheeledrollerSheepsfootrollerPneumatic-tyredrollerVibratingplatePowerrammer擊實曲線具有如下特點：峰值擊實曲線位于理論飽和曲線左側擊實曲線在最優(yōu)含水量兩側左陡右緩，且大致與飽和曲線平行，表明土在較最優(yōu)含水量偏干狀態(tài)時，含水量對土的密實度影響更為顯著。土的特理性質及分類一、擊實試驗compactiontest最優(yōu)含水量Wop：在一定的壓實功能下使土最容易壓實，并能達到最大密實度時的含水量稱為土的最優(yōu)含水量。相對應的干密度則稱為最大干密度ρdmax.土的特理性質及分類二、影響擊實效果的因素含水量的影響擊實功的影響不同土類和級配的影響土的特理性質及分類三、壓實特性在現(xiàn)場填土中的應用壓實度或壓實系數(shù)室內擊實試驗所得的最大的干密度工地壓實的干密度土的特理性質及分類一、分類的原則

土的工程分類是把不同的土分別安排到各個具有相近性質的組合中去，其目的是為了人們有可能根據(jù)同類土已知的性質去評價其工程特性，或為工程師提供一個可供采用的描述與評價土的方法。土的特理性質及分類1.7土的分類原則：

簡明的原則：分類指標，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。

工程特性差異的原則：指標要在一定程度上反映不同類工程用土的不同特性。土的特理性質及分類工程系統(tǒng)的分類體系：把土作為建筑地基和環(huán)境，以原狀土為對象，考慮土的組成，重視其結構性。工程材料系統(tǒng)分類體系：把土作為建筑材料，以擾動土為對象，注重土的組成，不考慮土的天然結構。土的特理性質及分類二、土的分類標準土的特理性質及分類總的分類體系一般土的分類

按不同粒組的相對含量劃分為巨粒土和含巨粒土、粗粒土、細粒土。巨粒土和含巨粒土、粗粒土按其粒組、級配、所含細粒的塑性高低分為16類土的特理性質及分類土的特理性質及分類土的特理性質及分類細粒土按塑性圖分類土的特理性質及分類地基土的分類地基土的分類是根據(jù)不同的原則將其劃分為一定的類別，同一類別的土在工程地質性質上應比較接近。根據(jù)分類名稱可以大致判斷土的工程特性、評價土作為建筑材料的適宜性及結合其他指標來確定地基的承載力等。

作為建筑場地和地基的土的分類一般可按下列原則進行：

1、根據(jù)地質成因可分為殘積土、坡積土、洪積土、沖積土、風積土等。

2、根據(jù)顆粒級配或塑性指數(shù)可分為碎石土、砂土、粉土和粘性土。

3、根據(jù)土的工程特性的特殊性質可分為一般土和特殊土。

土的特理性質及分類為專門分類，將作為建筑物地基的土分為碎石土、砂土、粉土、粘性土和人工填土等。（1）碎石土是指粒徑大于2mm的顆粒含量超過全重的50%的土。（2）砂土是指粒徑大于2mm的顆粒含量不超過全重的50%的、粒徑大于0.075mm的顆粒超過