土的物理性質(zhì)及分類(lèi)課件

第一章土的物理性質(zhì)及分類(lèi)

概述土的生成

土的組成

土的三相比例指標(biāo)

無(wú)粘性土的密實(shí)度

粘性土的物理特征

土的滲透性

地基土（巖）的分類(lèi)

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(méi)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(qiáng)弱。土導(dǎo)致地殼成分變化和構(gòu)造變化的作用地質(zhì)作用內(nèi)力地質(zhì)作用外力地質(zhì)作用巖漿活動(dòng)地殼運(yùn)動(dòng)變質(zhì)作用氣溫變化、雨雪、山洪、河流、湖泊、海洋、冰川、風(fēng)、生物等土的生成地質(zhì)作用礦物與巖石

造巖礦物：

石英方解石正長(zhǎng)石斜長(zhǎng)石角閃石輝石等硬度等級(jí)礦物名稱(chēng)野外簡(jiǎn)易鑒定方法1滑石用軟鉛筆劃時(shí)留下條痕，用指甲容易刻劃2石膏用指甲可刻劃3方解石用黃鋼板刻劃可留下條痕，用小刀很容易刻劃4螢石小刀可刻劃5磷灰石用削鉛筆刀刻劃時(shí)刻留下明顯痕跡，能刻劃玻璃6正長(zhǎng)石小刀可勉強(qiáng)留下看得見(jiàn)的劃痕，能刻劃玻璃7石英用小刀不能刻劃8黃玉能割開(kāi)玻璃，難于刻劃石英9剛玉能刻劃石英10金剛石能刻劃石英礦物的硬度等級(jí)三大類(lèi)巖石的代表：巖漿巖沉積巖變質(zhì)巖巖漿巖巖石變質(zhì)巖主要變質(zhì)巖簡(jiǎn)表名稱(chēng)鑒定特征主要礦物顏色結(jié)構(gòu)構(gòu)造其它片麻巖長(zhǎng)石、石英、云母深、淺色相同斑粒變晶片麻狀云母片巖云母（有少量石英）白、銀灰色鱗片變晶片狀有顯著絲綢光澤，質(zhì)柔易剝開(kāi)綠泥石片巖綠泥石綠色鱗片變晶鱗片狀大理石巖方解石白色、灰白色等粒變晶塊狀滴稀鹽酸起泡石英巖石英白色、灰白色、淺紅色等粒變晶塊狀小刀刻劃不動(dòng)地質(zhì)年代的概念是指地殼發(fā)展歷史與地殼運(yùn)動(dòng)、沉積環(huán)境及生物演化相應(yīng)的時(shí)代段落。地質(zhì)年代相對(duì)地質(zhì)年代（太古代、元古代、中生代和新生代）絕對(duì)地質(zhì)年代地質(zhì)年代第四紀(jì)沉積物（層）是殘留在原地未被搬運(yùn)曲那一部分原巖風(fēng)化剝蝕后的產(chǎn)物，而另一部分則被風(fēng)和降水所帶走。殘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(yùn)、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)河谷沖積物沖積物由巖石經(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同，常見(jiàn)的有石英，長(zhǎng)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(wú)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(xì)，且多呈片狀。性質(zhì)活潑，有較強(qiáng)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(lèi)。原生礦物次生礦物土的固相可溶性次生礦物。最常見(jiàn)的有巖鹽，鉀鹽，石膏，方解石，硫酸鹽類(lèi)還對(duì)金屬和混凝土有一定的腐蝕作用動(dòng)植物分解后的殘骸，分解徹底的稱(chēng)為腐殖質(zhì)/腐殖質(zhì)的顆粒極細(xì)，粒徑小于0.1μm，呈凝膠狀，帶有電荷，具有極強(qiáng)的吸附性。水溶鹽有機(jī)質(zhì)土的顆粒級(jí)配土是由大小不同的土粒組成的。土粒的粒徑由粗到細(xì)逐漸變化時(shí)，土的性質(zhì)相應(yīng)地發(fā)生變化。界限粒徑——?jiǎng)澐至＝M的分界尺寸。土的顆粒級(jí)配——土中各粒組的相對(duì)百分含量，通常用各粒組占土?？傎|(zhì)量（干土質(zhì)量）的百分?jǐn)?shù)表示，也稱(chēng)為土的粒度成分粗粒土指以礫石和砂粒為主的土，又稱(chēng)為無(wú)粘性土。細(xì)粒土指以粉粒、粘粒和膠粒為主的土，又稱(chēng)為粘性土。粒組統(tǒng)稱(chēng)粒組名稱(chēng)粒徑d范圍（mm）分析方法主要特征巨粒漂石（塊石）粒d>200直接測(cè)定透水性很大，壓縮性極小，顆粒間無(wú)粘結(jié)，無(wú)毛細(xì)性。卵石（碎石）粒60<d≤200粗粒礫粒粗礫20<d≤60篩

分

法透水性大，壓縮性小，無(wú)粘性，有一定毛細(xì)性。細(xì)礫2<d≤20砂粒粗砂0.5<d≤2中砂0.25<d≤0.5細(xì)砂0.075<d≤0.25細(xì)粒粉粒0.005<d≤0.075靜水沉降原理透水性小，壓縮性中等，毛細(xì)上升高度大，微粘性。粘粒d≤0.005透水性極弱，壓縮性變化大，具粘性和可塑性。土粒粒組的劃分顆粒級(jí)配累積曲線(xiàn)——土粒質(zhì)量累計(jì)百分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，相應(yīng)的粒徑稱(chēng)為有效粒徑d10。小于某粒徑的土粒質(zhì)量累計(jì)百分?jǐn)?shù)為30%時(shí)的粒徑用d30表示。當(dāng)小于某粒徑的土粒質(zhì)量累計(jì)百分?jǐn)?shù)為60%時(shí)，該粒徑稱(chēng)為限定粒徑d60。

利用顆粒級(jí)配累積曲線(xiàn)可以確定土粒的級(jí)配指標(biāo)，如d60與d10的比值Cu稱(chēng)

不均勻系數(shù):

不均勻系數(shù)Cu反映大小不同粒組的分布情況。Cu越大表示土粒大小的分布范圍越大，其級(jí)配越良好。曲率系數(shù)Cc描寫(xiě)累積曲線(xiàn)的分布范圍，反映曲線(xiàn)的整體形狀。曲率系數(shù)Cc:

曲線(xiàn)平緩，粒徑大小相差懸殊，土粒不均勻。對(duì)于級(jí)配良好的土，土的密實(shí)度較好，地基土的強(qiáng)度和穩(wěn)定性較好，透水性和壓縮性較小。級(jí)配良好土的液相土中水處于不同位置和溫度條件下，可具有不同的物理狀態(tài)—固態(tài)，液態(tài)、氣態(tài)。液態(tài)水是土中孔隙水的主要存在狀態(tài)，可分為結(jié)合水，毛細(xì)水，重力水。

水的類(lèi)型主要作用力

結(jié)合水物理化學(xué)力

非結(jié)合水毛細(xì)水

表面張力重力重力水

重力非結(jié)合水

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(chēng)為非結(jié)合水，它包括毛細(xì)水和重力水。(1)毛細(xì)水特點(diǎn):1.毛細(xì)水是受到水與空氣交界面處表面張力作用的自由水。

2.

毛細(xì)水按其與地下水面是否聯(lián)系可分為毛細(xì)懸掛水(與地下水無(wú)直接聯(lián)系)和毛細(xì)水上升水與地下水相連兩種。4.

毛細(xì)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(fù)號(hào)表示拉力。自由水位以下為壓力，自由水位以上，毛細(xì)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。上骨架受浮托力，減小顆粒間的壓力。自由水位以上，毛細(xì)區(qū)域內(nèi)，顆粒間受壓力，毛細(xì)壓力呈倒三角形分布。彎液面處最大，自由水面處為零。3.

毛細(xì)水是受毛細(xì)管作用控制的水，毛管直徑愈細(xì)上升高度愈高。在常溫下毛細(xì)上升高度hc與毛管半徑r有以下關(guān)系：hc=15/r當(dāng)r=0.1μm時(shí)，hc=150mm，這與砂土(粒徑為0.5~lmm)中的情況大致相當(dāng)。粘土的孔隙直徑約為0.1μm，按上式計(jì)算毛細(xì)上升高度將達(dá)150m。（2）重力水特點(diǎn):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(yùn)動(dòng)的自由水，對(duì)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(xì)壓力增加了土粒間的聯(lián)結(jié)，所以散粒狀的砂土，當(dāng)含有少量水分時(shí)具有假粘聚力，但是當(dāng)土飽和時(shí)，這種聯(lián)結(jié)作用即告消失。因此，由于毛細(xì)力而呈現(xiàn)的粘性是暫時(shí)性的。（3）固態(tài)水特點(diǎn):1.水結(jié)冰后體積膨脹，同時(shí)由于水分遷移和補(bǔ)給，在土層中會(huì)形成冰層或透鏡體。

2.固態(tài)水在土中起著暫時(shí)的膠結(jié)作用，提高土的力學(xué)強(qiáng)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(qiáng)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(kāi)春后的翻漿現(xiàn)象就是一例。土的氣相分類(lèi):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(diǎn):通常認(rèn)為自由氣體與大氣連通，對(duì)土的性質(zhì)無(wú)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，密閉氣體的存在增加了土的彈性，同時(shí)還可阻塞土中的滲流通道，減小上的滲透性。物理風(fēng)化僅使巖石產(chǎn)生量的變化巖石物理分化化學(xué)分化土化學(xué)風(fēng)化僅使巖石產(chǎn)生質(zhì)的變化粘土顆粒性質(zhì)土粒的粒徑由粗到細(xì)逐漸變化時(shí)，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，它的成分成分與母巖的完全不同。顆粒極細(xì)，性質(zhì)活潑，有較強(qiáng)的吸附水能力，具塑性。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，顆粒一般較粗，吸附水的能力弱，性質(zhì)比較穩(wěn)，無(wú)塑性。原生礦物次生礦物土粒的大小及其組成土的三相比例指標(biāo)WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm質(zhì)量體積土粒比重(比重瓶法)：ρs：土粒密度（g/cm3)ρwl：純水在4攝氏度時(shí)的密度土的重要參數(shù)土的含水量(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)：土單位體積的質(zhì)量土的重要參數(shù)土的干密度：土單位體積中固體顆粒部分的質(zhì)量土的飽和密度：土孔隙中充滿(mǎn)水時(shí)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)量土的重要參數(shù)土的孔隙比：土中孔隙體積與土粒體積之比土的孔隙率：土中孔隙所占體積與總體積之比土的飽和度：土中被水充滿(mǎn)的孔隙體積與孔隙總體積

之比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各種密度容重之間的大小關(guān)系各參數(shù)之間的關(guān)系試證明如下各式：（2）（1）（3）（4）證明:(1)(2)(3)(4)例題1試證明：土體處在飽和狀態(tài)時(shí)，含水量與干容重之間存在著如下關(guān)系：證明: 因?yàn)橥撂幱陲柡蜖顟B(tài)且

例題2一擊實(shí)試驗(yàn)：擊實(shí)筒體積1000cm3，測(cè)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(jì)算含水量和干重度。解：天然重度含水量例題3干重度

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(duì)密度，求其孔隙比，若將土樣壓縮，使其干密度達(dá)到1.61t/m3，土樣孔隙比將減少多少？解：孔隙比減小值土樣的天然密度土樣的含水量例題4

定義：指單位體積中固體顆粒的含量。特點(diǎn)：1.土顆粒含量多，土就密實(shí)；

2.土顆粒含量少，土就疏松。無(wú)粘性土的密實(shí)度相對(duì)密度：反映無(wú)粘性土的密實(shí)狀態(tài)假定第一種砂是理想的均勻圓球，不均勻系數(shù)Cu=1.0。這種砂最密實(shí)時(shí)的排列見(jiàn)圖a。這時(shí)的孔隙比e=0.35，如果砂粒的比重G=2.65，則最密時(shí)的干密度：第二種砂同樣是理想的圓球。但其級(jí)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(shí)的孔隙比e<0.35。就是說(shuō)這兩種砂若都具有同樣的孔隙比e=0.35時(shí),對(duì)于第一種砂，已處于最密實(shí)的狀態(tài)，而對(duì)于第二種砂則不是最密實(shí)。密實(shí)度判別標(biāo)準(zhǔn)：疏松

中密密實(shí)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(shí)，水都被顆粒表面的電荷緊緊吸著于顆粒表面，成為強(qiáng)結(jié)合水。強(qiáng)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?chē)乃ぜ雍?，土粒周?chē)龔?qiáng)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(dòng)，但受力時(shí)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(chēng)為可塑狀態(tài)。3、流動(dòng)狀態(tài)-------當(dāng)含水量繼續(xù)增加，土中除結(jié)合水外，已有相當(dāng)數(shù)量的水處于電場(chǎng)引力影響范圍以外，成為自?xún)?nèi)水。這時(shí)土粒之間被自由水所隔開(kāi)，土體不能原受任何剪應(yīng)力，而呈流動(dòng)狀態(tài)?？梢?jiàn)，從物理概念分析，土的稠度實(shí)際上是反應(yīng)土中水的形態(tài)。粘性土的物理特征土從某種狀態(tài)進(jìn)入另外一種狀態(tài)的分界含水量。固態(tài)半固態(tài)可塑狀態(tài)流動(dòng)狀態(tài)含水量ω縮限塑限液限0土的特征含水量液性界限(WL)簡(jiǎn)稱(chēng)液限塑性界限(WP)簡(jiǎn)稱(chēng)塑限土從半固體狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄誀顟B(tài)時(shí)的含水量。土從塑性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐盒誀顟B(tài)時(shí)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)之比液性指數(shù)Ip狀態(tài)堅(jiān)硬硬塑可塑軟塑流塑粘性土（細(xì)粒土）的狀態(tài)分類(lèi)液性指數(shù)反映土的軟硬狀態(tài)

土的靈敏度：原狀土的強(qiáng)度與同一土經(jīng)重塑后的

強(qiáng)度之比

土的觸變性：粘性土的抗剪強(qiáng)度隨時(shí)間恢復(fù)的膠

體化學(xué)性質(zhì)飽和粘性土的靈敏度：

土的滲透性：一般是指水流通過(guò)土中孔隙難易程度的性質(zhì)。層流紊流地下水在土中孔隙或微小裂隙中以不大的速度連續(xù)滲透地下水在巖石的裂隙或空洞中流動(dòng)，速度較大地下水運(yùn)動(dòng)的兩種形式：土的滲透性達(dá)西定律滲透系數(shù)k:反映土的透水性能的比例系數(shù)，其物理意義為水力坡降i＝1時(shí)的滲流速度，單位：cm/s,m/s,m/day滲透速度v：土體試樣全斷面的平均滲流速度，也稱(chēng)假想滲流速度適用范圍：層流（線(xiàn)性流動(dòng)）達(dá)西定律：在層流狀態(tài)的滲流中，滲透速度v與水力坡降i的一次方成正比，并與土的性質(zhì)有關(guān)用于粘土的達(dá)西定律表示曲線(xiàn)b在i軸上的截距

巖石的工程分類(lèi)堅(jiān)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(qiáng)風(fēng)化地基土（巖）的分類(lèi)巖石堅(jiān)硬程度分類(lèi)類(lèi)別強(qiáng)度（MPa）代表性巖石硬質(zhì)巖石≥30花崗巖、閃長(zhǎng)巖、玄武巖、石灰?guī)r、石英砂巖、硅質(zhì)礫巖、花崗片麻巖、石英巖等軟質(zhì)巖石＜30頁(yè)巖、粘土巖、綠泥石片巖、云母片巖等巖石風(fēng)化程度的劃分風(fēng)化程度堅(jiān)硬程度劃分硬質(zhì)巖石軟質(zhì)巖石風(fēng)化特征微風(fēng)化

巖質(zhì)新鮮,表面有風(fēng)化跡象，錘擊聲清脆，并感覺(jué)錘有彈跳，裂隙少，巖塊大于50cm，用鎬很難挖掘，巖芯呈圓柱狀。

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20～50cm，裂隙中有風(fēng)化物質(zhì)填充。錘擊沿片理或頁(yè)理裂開(kāi)。用鎬較難挖掘。巖芯分裂，但可拼成圓柱狀。中等風(fēng)化

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。裂隙較發(fā)育，巖塊為20～50cm，用鎬難挖掘。巖芯分裂，但可拼成圓柱狀。

巖石的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及巖體層理尚能辨認(rèn)。裂隙很發(fā)育，巖塊為2～20cm，碎塊用手可折斷。用鎬易挖掘。巖芯破碎，不能拼成圓柱狀。強(qiáng)風(fēng)化

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2～20cm，用鎬可以挖掘。巖芯破碎，不能拼成圓柱狀。

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，用鎬易挖掘，巖芯成碎屑狀，可用手搖鉆鉆進(jìn)。

碎石類(lèi)土：粒徑大于2mm的顆粒含量超過(guò)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(lèi)土的劃分表1-18土的名稱(chēng)顆粒形狀顆粒級(jí)配漂石圓形及亞圓形為主粒徑大于200mm的顆粒超過(guò)全重的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(guò)全重的50%碎石棱角形為主圓礫圓形及亞圓形為主粒徑大于20mm的顆粒超過(guò)全重的50%角礫棱角形為主

砂類(lèi)土：粒徑大于2mm的顆粒含量不超過(guò)全重50％、粒徑大于0.075mm的顆粒超過(guò)全重50％的土。按粒組含量分為礫砂、粗砂、中砂、細(xì)砂和粉砂。砂類(lèi)土按顆粒級(jí)配分類(lèi)土的名稱(chēng)顆粒級(jí)配礫砂粗砂中砂細(xì)砂粉砂粒徑大于2mm的顆粒占