道路建筑材料

1. 高职高专道路桥梁工程技术专业“十二五”规划教材高职高专道路桥梁工程技术专业“十二五”规划教材 道路建筑材料 主编：翟晓静赵 毅 副主编：贾红霞 主审：李中秋马彦芹

2. 道路建筑材料 第三章工程用土及无机结合料稳定土 教学要点： • 1.土的粒度成分； • 2.级配曲线的作用； • 3.土的三项基本指标的测定方法； • 4.土的常用指标的计算方法； • 5.土的工程分类； • 6.无机结合料稳定土的分类、组成及性质； • 7.无机结合料稳定土的组成设计。

3. 道路建筑材料 第一节工程用土 一、土的形成 土是由地表面的岩石经风化、剥蚀、搬运、沉积，形成固体矿物、流体水和气体的一种集合体。不同的风化作用形成不同性质的土。 • 1.物理风化 • 2.化学风化 • 3.生物风化

4. 道路建筑材料 二、土的三相组成 土的三相组成对土的各项工程性质有很大的影响，现分述如下： （一）土中固体颗粒 土中固体颗粒是土的三相组成中的主体，其粒度成分、矿物成分决定着土的工程性质。土粒组成土体的骨架，各个土粒的特征以及土粒集合体的特征，对土的工程性质起着决定性的影响。

5. 道路建筑材料 • 1.土颗粒的大小与形状 • 2.粒度成分及其分析方法 • （1）筛分法 • （2）沉降分析法 • 3.粒度成分的表示方法 • 常用的粒度成分的表示方法有：表格法、累计曲线法和三角坐标法。 • （1）表格法 • （2）累计曲线法

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7. 道路建筑材料 • 累计曲线的用途主要有以下两个方面： 第一，由累计曲线可以直观地判断土中各粒组的分布情况。 第二，由累计曲线可确定土粒的级配指标，即不均匀系数和曲率系数。

8. 道路建筑材料 • （3）三角坐标法 • 三角坐标法是一种图示法。 • 4.矿物成分 • 土的固体颗粒部分是由各种矿物颗粒或矿物集合体组成的，不同矿物成分的性质是有差别的，因此由不同矿物组成的土的性质也是不同。 • 原生矿物是岩石经物理风化破碎但成分没有发生变化的矿物碎屑。原生矿物主要有石英、长石等，主要存在于卵、砾、砂、粉各粒组中。

9. 道路建筑材料 矿物成分 （二）土中水土中水可以处于液态、固态或气态。土中细粒愈多，即土的分散度愈大，水对土的性质的影响也愈大。存在于土中的液态水可分为结合水和自由水两大类。

10. 道路建筑材料 （三）土中气 含气体的土称为非饱和土，非饱和土的工程性质研究已形成土力学的一个热点。 二、土的物理性质指标和物理状态指标 （一）土的物理性质指标 土的物理性质直接反映土的松密、软硬、轻重等物理状态，也间接反映土的工程性质。而土的松密、坚硬程度以及土的轻重主要取决于土的三相在数量上所占的比例。所以，要研究土的物理性质，就要分析土的三相比例关系。表示土的三相比例关系的指标，称为土的物理性质指标，包括土粒比重（土粒相对密度）、土的含水率、密度、孔隙比，孔隙率和饱和度等。

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12. 道路建筑材料 • 气体的质量相对甚小，可以忽略不计。 • 土的三项基本物理性质指标是指土的密度、土粒比重和土的天然含水率，基本物理性质指标通过试验方法测定。 1.土的密度和土的重度 （l）物理意义：土的密度为单位体积土的质量，土的重度为单位体积土的重量。 （2）表达式：

13. 道路建筑材料 （3）测定方法： ①环刀法：适用于细粒土密度的测定； ②电动取土器法：适用于硬塑土密度的快速测定； ③蜡封法：适用于易破碎土和形态不规则的坚硬土密度的测定； ④灌水法：适用于现场测定粗粒土和巨粒土的密度 ⑤灌砂法：适用于现场测定细粒土、砂类土和砾类土的密度测定。 2.土粒比重 （l）物理意义： 土在105~110℃下烘干至恒重时的质量与同体积的4℃蒸馏水的质量之比，称为土粒比重（无量纲），亦称土粒相对密度。 （2）表达式：

14. 道路建筑材料 （3）测定方法： ①比重瓶法：适用于粒径小于5mm的土； ②浮力法：适用于粒径大于或等于5mm的土，且其中粒径大于或等于20mm的土质量应小于总土质量的10%； ③浮称法：适用于粒径大于或等于5mm的土，且其中粒径大于或等于20mm的土质量应小于总土质量的10%； ④虹吸筒法：适用于粒径大于或等于5mm的土，且其中粒径大于或等于20mm土的含量大于或等于总土质量的10%。

15. 道路建筑材料 3.土的含水率 （l）物理意义： 土的含水率表示土中含水的数量，为土中水的质量与固体矿物质量的比值，用百分数表示。 （2）表达式：

16. 道路建筑材料 （3）测定方法： ①烘干法：适用于测定粘质土、粉质土、砂类土、砂砾石、有机质土和冻土土类的含水率； ②酒精燃烧法：适用于快速简易测定细粒土（含有机质的土除外）的含水率； ③比重法：适用于砂类土含水率的测定。 4.其它常用指标 土的其他物理性质指标可以由基本物理性质指标计算取得。 （1）反映土的松密程度的指标有：

17. 道路建筑材料 1）孔隙比e ①物理意义：土的孔隙比表示土中孔隙体积与固体颗粒的体积之比值。土的孔隙比直接反映土的密实程度，孔隙比越大，土越疏松；孔隙比越小，土越密实。它是确定地基承载力的指标。 ②表达式：

18. 道路建筑材料 2）孔隙率n ①物理意义：土的孔隙率表示土中孔隙大小的程度，为土中孔隙体积占总体积的百分比。 ②表达式：

19. 道路建筑材料 （2）反映土的含水程度的指标有： 1）土的含水率 2）土的饱和度 ①物理意义：土的饱和度表示土中水的体积与土的全部孔隙体积的比值，即孔隙被水充满的程度。 ②表达式： 土的干密度通常用作人工填土压实质量控制的指标。土的干密度越大，表明土体压的越密实，工程质量越好。

20. 道路建筑材料 3）特定条件下土的密度及重度有： 1）土的干密度和土的干重度 ①物理意义：土的干密度是指干燥状态下单位体积土的质量。土的干重度是指干燥状态下单位体积土的重量， 土的孔隙率的大小，影响着干密度的值。一般规律是：土的孔隙率愈小，土愈密实，干密度值愈大。 ②表达式：

21. 道路建筑材料 2）土的饱和密度和土的饱和重度 ①物理意义：土的饱和密度是指孔隙中全部被水充满时，单位体积土的质量。土的饱和重度是孔隙中全部被水充满时，单位体积土的重量， ②表达式：

22. 道路建筑材料 3）土的有效密度和土的浮重度 ①物理意义：土的有效密度是指地下水位以下，土体受到水的浮力作用时，单位体积土的质量。土的浮重度是地下水位以下，土体受到水的浮力作用时，单位体积土的重量， ②表达式：

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24. 道路建筑材料 （二）土的物理状态指标 土的物理状态，对于粗粒土，是指土的密实程度；对于细粒土，是指土的软硬程度或称为土的稠度。 1.粗粒土的密实度 无粘性土如砂、卵石为单粒结构，主要物理状态指标为密实度。工程上用孔隙比e、相对密度Dr和标准贯入试验N作为划分其密实度的标准。

25. 道路建筑材料 （1）用孔隙比e为标准 根据孔隙比e为标准来划分粗粒土的密实度，如表3-5所示。 用指标e来划分砂土的密实度，无法反映土的颗粒级配的因素。例如：两个级配不同的砂，一种颗粒均匀的密砂，孔隙比为，另一种级配良好的松砂，孔隙比为，结果，大于，即密砂的孔隙比反而大于松砂的孔隙比。

26. 道路建筑材料 （2）用相对密度为标准 用天然孔隙比e与同一种砂的最疏松状态孔隙比和最密实状态孔隙比进行对比，看e是接近还是接近，来判断砂的密实度，即相对密度法。

27. 道路建筑材料 《公路桥涵地基与基础设计规范》 （JTG D63-2007）中规定用来判定砂土的密实程度，将砂分为4级，见表3-6。

28. 道路建筑材料 （3）用标准贯入试验N为标准 标准贯入试验是在现场进行的原位测试。试验方法为：用卷扬机将质量为63.5kg的钢锤提升76cm高度，让钢锤自由下落，打击贯入器，先打入15cm，不计锤击数，继续贯入，记录每打入10cm的锤击数，贯入器累计贯入土中深度为30cm所需的锤击数计为，若遇密实土层，贯入30cm锤击数超过50击时，不应强行打入，记录50击的贯入深度。

29. 道路建筑材料 • 2.粘性土的稠度 • 粘性土的颗粒很细，土粒与土中水相互作用显著，同一种土，当它的含水率很小时，土呈半固体坚硬状态；当含水率适当增加，土粒间距离加大，土呈可塑状态。如果水量再增加，土中出现较多的自由水时，粘性土变成流动状态。 • 粘性土的稠度，反映土粒之间的联结强度随着含水率的高低而变化的性质。

30. 道路建筑材料 • （1）液限（%） • 定义：粘性土呈液态与塑态之间的界限含水率。 • 测定方法：液塑限联合测定法。 • （2）塑限（%） • 定义：粘性土呈塑态与半固态之间的界限含水率。 • 测定方法：液塑限联合测定法或滚搓法。 • （3）塑性指数 • 定义：粘性土与粉土的液限与塑限的差值，去掉百分数，称塑性指数，记为。

31. 道路建筑材料 • 物理意义：细粒土处于可塑状态下，含水率变化的最大区间。一种土的和之间的范围大，即大，表明该土能吸附结合水多，但仍处于可塑状态，即该土的粘粒含量高或矿物成分吸水能力强。 • （4）液性指数 • 定义：粘性土的液性指数为天然含水率与塑限的差值和液限与塑限差值之比，即：

32. 道路建筑材料 • 物理意义：液性指数又称相对稠度，是将土的含水率与及相比较，以表明是靠近还是靠近，反映土的软硬程度。 • 工程应用：用液性指数来划分粘性土的稠度状态，如表3-7。

33. 道路建筑材料 • 三、土的工程分类 • 土的分类一般原则是：粗粒土按粒度成分及级配特征；细粒土按塑性指数和液限，即塑性图法；有机土和特殊土分别单独各列为一类；对给定的土名给以明确含义的文字符号，既可一目了然，还可以运用电子计算机检索土质试验资料。 • 介绍土的分类方法之前，先熟悉一下国内外基本通用的、表示土类名称的文字代号，具体内容见表3-8。

34. 道路建筑材料 土的成分代号表3-8

35. 道路建筑材料 土类名称可以用一个基本代号表示，当由两个基本代号表示时，第一个代号表示土的主成分，第二个代号表示副成分（土的液限或级配），当由三个代号表示时，第一个代号表示土的主成分，第二个代号表示液限的高低或级配的好坏，第三个代号表示土中所含次要成分。

36. 道路建筑材料 （一）《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007）中土的分类 按照颗粒级配或塑性指数划分为碎石土、砂土和粘性土。各类土的分类标准如下： 1.碎石土：粒径大于2mm的颗粒含量超过全重的50%的土。再根据颗粒级配及形状划分为漂石、块石、卵石、碎石、圆砾和角砾。 2.砂土：粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重的50%，且塑性指数不大于1的土。再根据颗粒级配划分为：砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂。 3.细粒土：塑性指数大于1的土。再根据塑性指数值细分为粘土、亚粘土和粉土。见表3-9。

37. 道路建筑材料 4.人工填土：由人类活动而形成的堆积物。

38. 道路建筑材料 （二）《公路土工试验规程》中土的分类 《公路土工试验规程》中土分为巨粒土、粗粒土、细粒土和特殊土四类。 1.巨粒土：试样中巨粒组质量多于总质量50%的土为巨粒土。 2.粗粒土：试样中巨粒组质量少于或等于总质量的15%，且巨粒与粗粒组土粒质量之和多于总质量50%的土为粗粒土。 粗粒组中砾粒组质量多于砂砾组质量的土为砾类土。砾类土根据其细粒含量和类别及粗粒组的级配进一步分类。 粗粒组中砾粒组质量少于或等于砂砾组质量的土为砂类土。砂类土根据其细粒含量和类别及粗粒组的级配进一步分类。

39. 道路建筑材料 3.细粒土：试样中细粒组土粒质量多于总质量50%的土为细粒土。 细粒土进一步分类如图3-7所示，同时按照其在塑性图中（见图3-8）的位置确定土名，本分类中采用下列液限分区：低液限，高液限。

40. 道路建筑材料 四、土的压实性 （一）土的压实性对工程的意义 在工程建设中，经常遇到填土和软弱地基，为了改善这些土的工程性质，常采用压实的方法使土变得密实，这是一种经济合理的改善土的工程性质的方法。土的压实性，是指采用人工或机械对土施以夯实、振动作用，使土在短时间内压实变密，获得最佳结构，以改善和提高土的力学强度的性能，也称为土的击实性。

41. 道路建筑材料 （二）击实试验与土的压实性 1.击实试验 击实试验是研究土的压实性能的基本方法。击实是指对土瞬时地重复施加一定的机械功能使土体变密的过程。 击实仪的规格如表3-10所示。击实试验时，将含水率为一定值的土样分层装入击实筒内，每铺一层后都用击实锤按规定的落距锤击一定的次数，然后由击实筒的体积和筒内被击实土的总质量算出被击实土的湿密度，从被击实的土中取样测定其含水率，按式3-15计算击实土样的干密度。

42. 道路建筑材料 击实试验方法种类表3-10

43. 道路建筑材料 • 2.土的压实特性 • （1）压实曲线 • 击实试验所得到的击实曲线，是研究土的压实特性的基本关系图，如图3-9所示，从图中可见，击实曲线（ - 曲线）上有一峰值，此处的干密度最大，称为最大干密度，与之对应的制备土样含水率则称之为最佳含水率。峰点表明，在一定的击实功作用下，只有当压实土料为最佳含水率时，压实效果最好，土才能被击实至最大干密度。而土的含水率小于或大于最佳含水率（前者称为偏干，后者称为偏湿），所得干密度均小于最大值。

44. 道路建筑材料 • 最佳含水率和最大干密度这两个指标十分重要，对于路基的设计和施工都很有用处。最佳含水率与塑限接近，在击实时可取 = 或 = +2，也可用经验公式作为合适的制备土样含水率的范围。

45. 道路建筑材料 • 当土偏干时，含水率的变动对干密度的影响要比偏湿时的影响力更为明显，在图3-10中表现为曲线的左段比右段的坡度陡。此时的细粒土处于疏松状态，土的结构为片架结构，土中孔隙大都相互连接，土中含水少而含气多。土颗粒在击实功能的作用下颗粒骨架克服颗粒之间的表面摩擦阻力产生运动，土体致密。随着土中含水率的降低，这种颗粒间的摩阻力增大，颗粒运动困难，其土体在固定的击实功能作用下，土体的干密度越低，故不能达到最大干密度状态。

46. 道路建筑材料 • 在图3-10右上侧的一条曲线称为饱和曲线，它表示当土在饱和状态时的含水率与干密度的关系。当土的含水率接近或大于最佳含水率时，由于土中气体与土体外大气不连通，土中孔隙中的空气越来越多处于“受困”状态，击实作用不能将受困气体排出土体外，即击实土不可能被击实到完全饱和，击实曲线位于饱和曲线的左下侧而不可能与饱和曲线相交。一般粘性土在最佳击实情况下，饱和度通常为80%左右。

47. 道路建筑材料 图3-10 不同击实功能对击实特性的影响

48. 道路建筑材料 • （2）填土含水率控制 • 由于粘性填土存在着最佳含水率，因此在填土施工时应将土料的含水率控制在最佳含水率左右，以最小的能量获得最好的密度。 • （3）不同土类压实特性不同 • 图3-11a为5种不同土料的粒径曲线。图3-11b为5种土料在同一标准击实条件下试验所得5条曲线。由图可知，同一击实功能条件下，不同土类的击实特性也不一样。含粗粒越多的土样其最大干密度越大，而最佳含水率越小。不同级配土粒的这一击实特性，缘于土的组成和结构、土中各种力的存在与变化。

49. 道路建筑材料 • （4）压实度 • 为便于工地压实质量的控制，工程上采用压实度来衡量压实质量。压实度的定义是： • 值越接近1，表示对压实质量的要求越高，这应用于主要受力层或重要工程，对于路基的下层或次要工程， 值可取的小一些。

50. 道路建筑材料 • 五、土中水的运动规律 • （一）土的毛细性 • 土的毛细性是指土中的毛细水能使水产生毛细现象的性质。土的毛细现象是指土中水在表面张力的作用下，沿着细的孔隙向上及其他方向移动的现象。这种细的孔隙中的水为毛细水。 • 土的毛细现象在以下几个方面对工程有影响： • 1.毛细水的上升是引起路基冻害的因素之一； • 2.对于房屋建筑，毛细水的上升会引起地下室过分潮湿； • 3.毛细水的上升可能引起土的沼泽化和盐渍化，对建筑工程及农业经济有很大影响。