土的物理性質(zhì)和工程分類1

學習要求

了解土的成因和三相組成，掌握土的物理性質(zhì)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(jù)與準確定名?；緝?nèi)容

◆土的三相組成

◆土的三相比例指標

◆土的結構與構造

粘性土的界限含水量

砂土的密實度

土的工程分類土的物理性質(zhì)和工程分類土的三相組成…1

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(zhì)；液相——主要是水(溶解有少量的可溶鹽類)；氣相——主要是空氣、水蒸氣，有時還有沼氣等。土的三相組成…2

土體三相比例不同，土的狀態(tài)和工程性質(zhì)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(chǎn)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。什么是液化？土的三相組成…3

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，使地基失去承載力，在地震區(qū)將會引起震害。

1964年6月16日，日本新瀉發(fā)生里氏7.5級地震后，因地基土發(fā)生液化所造成的破壞。倒了，但結構未破壞土的三相組成…4土的形成

自然界的土是由巖石經(jīng)風化、搬運、堆積而形成的?！巴痢币辉~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(jīng)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(chǎn)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?；瘜W風化——指巖石碎屑與空氣、水和各種水溶液相接觸，經(jīng)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生物風化。土的三相組成…5土的三相組成…6土的固體顆粒土是巖石風化的產(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化作用。成土礦物可分為兩大類：原生礦物次生礦物

由巖石經(jīng)物理風化生成的

由原生礦物經(jīng)化學風化生成的新礦物

顆粒成分與母巖的相同

它的成分成分與母巖的完全不同

常見的有石英、長石和云母

有高嶺石、伊利石和蒙脫石粘土礦物

顆粒較粗，多呈渾圓形狀

顆粒極細，且多呈片狀

吸附水的能力弱，無塑性

性質(zhì)活潑，吸附水能力強，具塑性水溶鹽可溶性次生礦物。常見的有巖鹽、鉀鹽、石膏、方解石，硫酸鹽類還對金屬和混凝土有一定的腐蝕作用。有機質(zhì)動植物分解后的殘骸，稱為腐殖質(zhì)。其顆粒極細，粒徑小于0.1m，呈凝膠狀，帶有電荷，具極強的吸附性。土的三相組成…7土的三相組成…8土的顆粒級配

1.土顆粒的大小直接決定土的性質(zhì)；

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(zhì)相似的土粒歸并為若干組別即稱為粒組。

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。級配的測定方法篩分法(>0.075mm)

比重計法(<0.075mm)土的三相組成…9粒組名稱粒徑范圍一般特征漂石、塊石顆粒>200滲透性很大、無粘性、無毛細水。碎石、卵石顆粒20～200圓礫、角礫顆粒2～20滲透性很大、無粘性、毛細水上升高度不超過粒徑大小。砂粒0.075～2易透水，當混入云母等雜質(zhì)時透水性減小，而壓縮性增加；無粘性，遇水不膨脹，干燥時松散，毛細水上升高度不大，隨粒徑變小而增大。粉粒0.005～0.075透水性小，濕時稍有粘性，遇水膨脹小，干時稍有收縮，毛細水上升高度較大較快，極易出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象。粘粒<0.005透水性很小，濕時有粘性、可塑性，遇水膨脹大，干時收縮顯著，毛細水上升高度大，但速度較慢。粒度成分表示法——表格法(教材p5表1-2)粒度成分表示法——級配曲線(教材p6圖1-1)

顆粒分析試驗結果，繪制圖的粒徑級配曲線。用半對數(shù)坐標繪制?？v坐標表示小于某粒徑的土重占總土重的百分數(shù)，橫坐標用對數(shù)坐標表示土的粒徑。①不均勻系數(shù)定義為（Cu）

②曲率系數(shù)定義為（Cc）式中，d60—限定粒徑。當小于某粒徑的土粒質(zhì)量累計百分數(shù)為60%時，相應的粒徑稱為d60；d10—有效粒徑。當小于某粒徑的土粒質(zhì)量累計百分數(shù)為10%時，相應的粒徑稱為d10；d30—當小于某粒徑的土粒質(zhì)量累計百分數(shù)30%時的粒徑用d30表示。土的三相組成…10土的三相組成…11

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、其級配越良好，作為填方工程的土料時，則比較容易獲得較大的密實度。曲率系數(shù)Cc描寫累積曲線的分布范圍，反映曲線的整體形狀。

曲線平緩，粒徑大小相差懸殊，土粒不均勻。顆粒級配可以在一定程度上反映土的某些性質(zhì)。對于級配良好（Cu

>10，且Cc

=1~3)的土，較粗顆粒間的孔隙被較細的顆粒所填充，因而土的密實度較好，相應的地基土的強度和穩(wěn)定性也較好．透水性和壓縮性也較小，可用作堤壩或其它土建工程的填方土料。Cu

<5的土稱為勻粒土，級配不良土的三相組成…12土粒的形狀土粒形狀對于土的密實度和土的強度有顯著的影響，棱角狀的顆粒能形成比較穩(wěn)定的結構，強度較高；磨圓度好的顆粒之間容易滑動，土體的穩(wěn)定性比較差。描述土粒的形狀一般用肉眼觀察鑒別的方法。體積系數(shù)形狀系數(shù)式中V——土粒體積，mm3；

dm——土粒的最大粒徑，mm。

A、B、C——分別為土粒的最大、中間和最小粒徑。土的三相組成…13土中水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)，因其受土粒表面雙電層影響程度的不同可分為結合水、毛細水、重力水。后兩者也稱為非結合水（自由水）。水的類型主要作用力結合水物理化學力非結合水毛細水表面張力和重力重力水重力土的三相組成…14結合水土顆粒表面帶有一定的電荷，當土粒與水相接觸時，由于靜電作用力，將吸引水化離子和水分子，形成雙電層，在雙電層影響下的水膜稱為表面結合水。雙電層的厚薄也反映了結合水的厚薄，結合水具有與一般自由水不同的性質(zhì)，其密度較大、粘滯度高、流動性差、冰點低、比熱較大、介電常數(shù)較低。這種差異隨距離增加而減弱。自由水(非結合水)

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，這部分水稱為非結合水，它包括毛細水和重力水。

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。毛細現(xiàn)象是毛細管壁對水的吸力和水的表面張力共同作用的結果。

土的三相組成…15

重力水

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。土中氣土中的氣體：

與大氣相通壓縮性高

與大氣隔絕降低透水性成分：

一般空氣中成分

微生物產(chǎn)生可燃氣體（H2S）顆粒通常是由一種或幾種原生礦物所組成，它的成分與母巖的相同，顆粒一般較粗，吸附水的能力弱，性質(zhì)比較穩(wěn)，無塑性?；瘜W風化僅使巖石產(chǎn)生質(zhì)的變化原生礦物經(jīng)化學風化生成的新礦物，它的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，具塑性。土的性質(zhì)隨土粒的粒徑的變化而發(fā)生變化土巖石次生礦物原生礦物物理風化僅使巖石產(chǎn)生量的變化土的物理性質(zhì)指標…1

土的三相比例指標是其物理性質(zhì)的反映，但與其力學性質(zhì)有內(nèi)在聯(lián)系，顯然固相成分的比例越高，其壓縮性越小，抗剪強度越大，承載力越高。三相比例指標反映了土的干燥與潮濕、疏松與緊密，是評價土的工程性質(zhì)的最基本的物理性質(zhì)指標，也是工程地質(zhì)勘察報告中不可缺少的基本內(nèi)容。三相比例指標可分為兩種，一種是試驗指標（基本指標）；另一種是換算指標。土的物理性質(zhì)指標…2

反映土的松密程度的指標有：土的孔隙比e、孔隙率n；反映了土的含水程度的指標有：含水量w、飽和度Sr；土的重度有：重度g、干重度gd

、飽和重度gsat

、浮重度g′；三項基本指標有：

重度g

、比重ds、含水量w。土的重度定義：單位體積土的重量。公式：

單位：kN/m3

換算公式：范圍：16~22

測定方法：環(huán)刀法。土的物理性質(zhì)指標…3土粒比重（相對密度）定義：土粒重度與同體積4℃時純水的重度比值。公式：

單位：無量綱換算公式：范圍：土的名稱砂土粉土粘性土土粒比重2.65~2.692.70~2.712.72~2.74土的物理性質(zhì)指標…4含水量定義：土中水的重量與土粒重量之比值。公式：

單位：無，%

換算公式：

常見值：砂土w=（0~40)%；粘性土w=（20~60)%

意義：表示濕度的物理指標，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：烘干法。土的物理性質(zhì)指標…5干重度定義：單位體積土中固體顆粒的重量。物理意義：表示水在孔隙中充滿的程度。

公式：單位：kN/m3

范圍：13~18

換算公式：土的物理性質(zhì)指標…6飽和重度定義：土的孔隙中全部充滿水時單位體積土的重量。公式：單位：kN/m3

范圍：13~18

換算公式：土的物理性質(zhì)指標…7浮重度(有效重度)

定義：地下水位以下，土體受水的浮力作用時，扣除水的浮力后單位體積土的重量。公式：單位：kN/m3

范圍：8~13

換算公式：土的物理性質(zhì)指標…8土的孔隙比定義：土中孔隙體積與土粒體積之比。公式：

單位：無量綱換算公式：

范圍：粘性土和粉土:(0.4~1.2)；砂土:(0.3~0.9)。

e<0.6

低壓縮性土

e>1.0

高壓縮性土土的物理性質(zhì)指標…9孔隙率定義：土中孔隙所占總體積之比，用百分數(shù)表示。物理意義：表示土中孔隙大小的程度。

公式：

單位：%

換算公式：

范圍：粘性土和粉土:(30~60);砂土:(25~45)。

土的物理性質(zhì)指標…10飽和度定義：土中水的體積與孔隙體積之比，用%表示。物理意義：表示水在孔隙中充滿的程度。

公式：

范圍：0~1

工程應用：飽和度可以反映土的干濕程度，砂土根據(jù)飽和度Sr的指標值分為稍濕、很濕與飽和三種濕度狀態(tài)，其劃分標準見下表：

砂土濕度狀態(tài)稍濕很濕飽和飽和度Sr(%)Sr

≤5050<Sr

≤80Sr>80土的物理性質(zhì)指標…11幾種重度之間的內(nèi)在聯(lián)系

土的結構與構造…1土的結構

1.定義：指土顆粒的大小、形狀、表面特征，相互排列及其聯(lián)結關系的綜合特征。

2.分類：單粒結構砂層，礫石層蜂窩結構粉粒絮狀結構粘粒土的構造(不考)1.定義：指同一土層中成分和大小都相近的顆?；蝾w粒集合體相互關系的特征。

2.分類：層狀構造分散構造砂，礫石，卵石裂隙構造粘性土通常分散構造的工程性質(zhì)最好，裂隙狀構造中，因裂隙強度低、滲透性大，工程性質(zhì)差。單粒結構

單粒結構是由粗大土粒在水或空氣中下沉而形成的。因其顆粒較大、土粒間的分子吸引力相對很小，所以顆粒間幾乎沒有聯(lián)結，至于未充滿孔隙的水分只可能使其具有微弱的毛細水聯(lián)結。單粒結構可以是疏松的，也可以是緊密的。

呈緊密狀單粒結構的土，由于其土粒排列緊密，在動、靜荷載作用下部不會產(chǎn)生較大的沉降，所以強度較大，壓縮性較小，是較為良好的天然地基。

具有疏松單粒結構的土，其骨架是不穩(wěn)定的，當受到展動及其他外力作用時、土粒易于發(fā)生移動，土中孔隙劇烈減少。引起土的很大變形，因此，這種土層如未經(jīng)處理一般不宜作為建筑物的地基。→“砂土液化”土的結構與構造…2蜂窩結構

蜂窩結構是主要由粉粒(0.075～0.005mm)組成的土的結構形式。據(jù)研究，粒徑在0.075～0.005mm左右的土粒在水中沉積時，基本上是以單個土粒下沉，當碰上已沉積的土粒時，由于它們之間的相互引力大于其重力，因此土粒就停留在最初的接觸點上不再下沉，形成具有很大孔隙的蜂窩狀結構。土的結構與構造…3絮狀結構

絮狀結構是由粘粒(<0.005mm)集合體組成的結構形式。粘粒能夠在水中長期懸浮，不因自重而下沉。當這些懸浮在水中的粘粒被帶到電解質(zhì)濃度較大的環(huán)境中(如海水)粘粒凝聚成絮狀的集粒(粘粒集合體)而下沉，并相繼和已沉積的絮狀集粒接觸，而形成類似蜂窩而孔隙很大的絮狀結構(也稱二級蜂窩結構)。土的結構與構造…4

具有蜂窩結構和絮狀結構的土，顆粒間存在大