第四章土的工程性质与分类

第四章土的工程性质与分类 土是连续、坚固的岩石在风化作用下形成的大小悬殊的颗粒，在原地残留或经过不同的搬运方式，在各种自然环境中形成的堆积物。由于形成年代和自然环境条件的不同，土的性质有很大差异。

4.1 土的组成、结构与构造 土的物质成分包括作为土骨架的固体矿物颗粒、孔隙中的水及其溶解物质以及气体。因此，土是由颗粒（固相）、水溶液（液相）和气（气相）所组成的三相体系。土的三相组成物质的性质、相对含量以及土的结构、构造等与其形成年代和成因有关的各种因素，必然在土的轻重、疏密、干湿、软硬等一系列物理性质和状态上有不同的反映。。

土的颗粒分析 土的粒径由大到小逐渐变化时，土的工程性质也相应地发生变化。根据界限粒径： 200、20、2、0.075和0.005mm 把土粒分为六大粒组：漂石（块石）颗粒、卵石（碎石）颗粒、圆砾（角砾）颗粒、砂粒、粉粒及粘粒。

土的颗粒分析 组成土的颗粒大小不同，土的比表面不同，则土粒与水（或气）作用的表面能大小不同。其根本原因还在于天然土中不同大小颗粒的组成矿物类型不同，直接影响土的工程特性。粒度分析及其成果表示土的粒度成分是通过土的粒度分析（亦称颗粒分析）试验测定的。筛分法比重计法移液管法

土的矿物成分 • 原生矿物 • 不溶于水的次生矿物（粘土矿物，胶体，氧化物） • 可溶盐类及易分解的矿物 • 有机质：在自然界一般土、特别是淤泥质土中，通常都含有一定数量的有机质，当其在粘性土中的含量达到或超过5%（在砂土中的含量达到或超过3%）时，就开始对土的工程性质具有显著的影响。

土中水 • 结合水结合水是指受分子引力、静电引力吸附于土粒表面的土中水。这种吸引力高达几千到几万个大气压，使水分子和土粒表面牢固地粘结在一起。强结合水（亦称吸着水）弱结合水（亦称薄膜水） • 非结合水毛细水重力水（或称自由水） • 气态水和固态水

土中气体 • 土中的气体，主要为空气和水气。但有时也可能含有较多的二氧化碳、沼气及硫化氢等，这些气体大多因生物化学作用生成。 • 气体在土孔隙中有两种不同存在形式。一种是封闭气体，另一种是游离气体。 • 使人窒息或发生瓦斯爆炸。

土的结构和构造 • 土的结构：土颗粒本身的特点及颗粒间相互关系的综合特征； • 构造：宏观空间分布、变化形式。

土的结构 土颗粒本身的特点：土颗粒大小、形状和摩圆度及表面性质（粗糙度）等。对粗颗粒土的物理力学性质（孔隙性、密实度、透水性、强度、压缩性）有重要影响，对细颗粒土影响不大；土颗粒之间的相互关系特点：粒间排列及其连结性质。据此土的结构分两类：单粒结构（散粒结构）：根据松密程度集合体结构：粘性土特有

单粒结构特征 单粒结构，也称散粒结构，是碎石（卵石）、砾石类土和砂土等无粘性土的基本结构形式。具有坚固的土粒骨架，静荷载对它几乎没有压缩作用。工程性质取决于其松密程度，松密程度又取决于沉积条件和后来的变化作用。集合体结构特征集合体结构，也称团聚结构或絮凝结构。蜂窝状结构絮状结构特点：1、孔隙度大，可达50％～98％，压缩性大 2、含水量高，往往超过50％，结合水为主，排水缓慢 3、不稳定性

软粘性土的触变性和灵敏度 软粘性土的触变性是指其土体经扰动（如振动、搅拌、搓揉等）致使结构破坏时，土体强度急剧减小，静置一段时间，强度又逐渐增长、恢复的特性。灵敏度低灵敏度 1＜St≤2 中灵敏度 2＜St≤4 高灵敏度 St＞4

土的构造 • 整个土层（土体）构成上的不均匀性特征的总和。 • 层理、夹层、透镜体、结核、组成颗粒大小悬殊及裂隙发育程度与特征。 • 水平方向竖直方向 • 勘探、取样、原位测试的主要布置依据。

4.2 土的物理性质及其指标 几个重要指标土的颗粒比重（比重瓶法）土的重度（环刀法）干重度/饱和重度/浮重度土的含水量（烘干法）土的饱和度（稍湿的/很湿的/饱水的）土的孔隙比和孔隙率三相比例指标之间的换算

无粘性土的紧密状态 • 无粘性土的概念 • 无粘性土的紧密状态是判定其工程性质的重要指标，密实状态的无粘性土与疏松状态表现很不一样，密实者具有较高的强度，结构稳定，压缩性小，反之亦然。 • 在岩土工程勘察与评价时，首先对无粘性土的密实状态作出判断。

决定无粘性土紧密状态的因素 • 形成环境 • 受荷历史 • 颗粒组成（粒径、级配、分选、形状） • 矿物成分 • 现行规范对一般工程采用密实度作为确定碎石土、砂土、粉土地基承载力的基本指标。

无粘性土紧密状态指标 • 1、天然孔隙比：砂土承载力不论其颗粒粗细，随天然孔隙比的减少而显著地增大。砾砂、粗砂、中砂密实中密稍密疏松＜0.6 0.6～0.75 0.75～0.85 ＞ 0.85 细砂、粉砂密实中密稍密疏松＜0.7 0.7～0.85 0.85～0.95 ＞ 0.95 原状砂样比较困难：地下水位以上：环刀法灌砂法地下水位以下：少锤重击法

无粘性土紧密状态指标 • 2、相对密度砂土密实程度除了与天然孔隙比有关外，还与砂粒的形状、粒径级配等有关，相对密度更有代表性。

相对密度 密实 0.67＜ Dr ≤1 中密 0.33＜ Dr ≤0.67 稍密 0.2＜ Dr ≤0.33 疏松 0＜ Dr ≤0.2 该指标相对完善，仍难以实际量测天然孔隙比。国内外已广泛采用标准贯入或静力触探试验现场评定砂土的紧密状态。

无粘性土紧密状态指标 • 3、标贯击数密实 N ＞30 中密 15＜ N ≤30 稍密 10＜ N ≤15 疏松 N ≤10

粉土的密实度 密实 e ＜ 0.75 中密 0.75 ≤ e ≤0.9 稍密 e ＞0.9

碎石土的密实度野外鉴别 • 骨架颗粒含量和排列 • 可挖性 • 可钻行

粘性土的物理特性 • 界限含水量 • 缩限（WS）：收缩皿法 • 塑限（WP）：搓条法 • 液限（WL）：锥式液限仪，碟式液限仪

塑性指数 • Ip=WL—Wp • 表示了土在可塑状态下含水量的变化范围 • 常作为粘土分类的标准 • 粘土、粉质粘土、粉土 Ip＞17 Ip：17 ～10 Ip＜10

液性指数 坚硬 IL ≤0 硬塑 0＜IL ≤0.25 可塑 0.25＜IL ≤0.75 软塑 0.75＜IL ≤1 流塑 IL ＞ 1

4.3 土的力学性质 • 土的应力应变关系曲线

土的压缩性 • 基本概念土在压力作用下体积缩小的特性。透水性大的饱和无粘性土透水性小的饱和粘性土固结压缩试验：侧限和无侧限

土的压缩性 • 1、土的压缩系数 e—P 曲线低压缩性 a0.1-0.2 小于 0.1MPa-1 中等压缩性 a0.1-0.2 0.1~0.5 MPa-1 高压缩性 a0.1-0.2 大于0.5 MPa-1

土的压缩性 • 2、土的压缩模量土在完全侧限条件下的竖向附加应力与相应的应变增量之比。

土的抗剪强度 剪切破坏 1、无粘性土的抗剪强度 2、粘性土的抗剪强度

4.4 土的工程分类 • 为什么要分类？ 1、根据土类，可以大致判断土的基本工程性质，结合其它因素评价地基土的承载力、抗渗流、抗液化能力，以及建材适宜性。 2、根据土类，可以合理确定不同土的研究方法和内容； 3、当其性质不能满足工程要求时，根据土类（结合工程特点）确定相应的改良与处理方法。

土的工程分类 • 分类的原则？ 1、工程特性差异性原则强度和变形特性 2、以成因、地质年代为基础的原则 3、分类指标便于测定。建筑工程系统的分类体系材料系统的分类体系

我国土的工程分类 • 分类主要特点：在考虑划分标准时，注重土的天然结构和强度，始终与土的主要工程特性——变形和强度特征紧密联系。首先考虑了按堆积年代和地质成因的划分，同时将某些特殊形成条件和特殊工程性质的区域特殊土与普通土区别开来，在此基础上，总体上再按颗粒级配和塑性指数分为碎石土、砂土、粉土和粘性土四大类。

我国土的工程分类 • 1、按堆积年代分三类：老堆积土一般堆积土新近堆积土

我国土的工程分类 • 2、按地质成因分：残积土坡积土洪积土冲积土湖积土海积土冰积土风积土

我国土的工程分类 • 3、按有机质含量分四类：无机土小于 5％有机质土 5％~10% 泥炭质土 10％~60% 泥炭大于 60%

我国土的工程分类 • 4、具有一定分布区域或工程意义上具有特殊成分、状态和结构特征的土称为特殊土，规范分为：湿陷性土红粘土软土混合土填土多年冻土膨胀土盐渍土污染土

我国土的工程分类 • 5、按颗粒级配和塑性指数分为四大类：碎石土：大于2MM颗粒含量超过50％砂土：大于2MM颗粒含量不超过50％，大于0.075MM超过50％粉土：大于0.075MM不超过50％，塑性指数小于等于10 粘性土：塑性指数大于10

4.5 土的成因类型 • 残积土(Qel) ： • 坡积土(Qdl) • 洪积土(Qpl) • 冲积土(Qal) • 湖积土（Ql） • 海积土（Qm） • 冰积土（Qgl） • 风积土（Qeol）

4.6 特殊土的主要工程性质 • 有些土类，由于地质、地理环境、气候条件、物质成分以及次生变化等原因而具有与一般土类显著不同的特殊工程性质——特殊土。 • 当其作为建筑场地、地基或建筑环境时，如果不注意这些特点，并采取相应的治理措施，就会造成工程事故。

软土 • 淤泥及淤泥质土 • 沿海地区的滨海、泻湖、三角洲；内陆平原的湖泊、沼泽等静水或者水流非常缓慢的环境中。 • e>1.5,淤泥 • e ：1.0～1.5 ，淤泥质土常常富含有机质。

软土 • 物理力学性质： 1、高含水量、高孔隙比 2、渗透性低 3、压缩性高变形大而不均匀变形稳定历时长 4、抗剪强度低 5、显著的触变性和蠕变性

湿陷性黄土 • 第四纪干旱或半干旱条件下形成的特殊沉积物，以粉土颗粒为主，粘粒含量较少，含碳酸盐、硫酸盐及少量可溶盐，含水量小，孔隙比大，具有大的孔隙和垂直节理，直立天然边坡。 • 原生黄土次生黄土 • 分布很广 • 具有湿陷性。

湿陷性黄土 1、黄土湿陷性的原因 2、黄土湿陷性的影响因素骨架颗粒的大小、含量、胶结物粘粒含量盐类天然孔隙比和天然含水量堆积年代、成因

湿陷性黄土 3、湿陷性和湿陷类型湿陷系数：天然土样单位厚度的湿陷量。 δs＜ 0.015，非湿陷性黄土 δs ≥0.015，湿陷性黄土 0.015～0.03 弱湿陷性 0.03～0.07 中等湿陷性 δs ≥ 0.07 强湿陷性自重湿陷性非自重湿陷性

湿陷性黄土 4、黄土湿陷起始压力 5、场地湿陷等级

红粘土 • 亚热带湿热气候条件下，碳酸盐类岩石，经红土化作用形成的高塑性粘土 • 原生红粘土，次生红粘土 • 天然含水量和孔隙比很大，但强度高、压缩性低，工程性能良好。

红粘土 • 物理力学特征： 1、天然含水量高，40％～60％，甚至90％ 2、密度小，具有大孔性 3、高塑性，液限60～80％，缩限40～60％，缩性指数20～50 4、由于塑限很高，高含水量时仍处于坚硬或硬塑状态，液性指数低 5、较高的强度、较低的压缩性 6、不具湿陷性，失水后收缩。

红粘土 • 工程性质 1、深度方向，强度大幅降低 2、水平方向，变化很大 3、次生红粘土与原生差别显著 4、裂隙对其强度和稳定性的影响 5、强烈的地域特色

膨胀土 • 大量的亲水粘土矿物,具有显著的吸水膨胀和失水收缩，且胀缩变形往复可逆的高塑性粘土。 • 一般强度较高，压缩性低，易误被认为工程性能好，但由于具有膨胀和收缩特性，若不采取必要措施，会导致大批建筑物的开裂和损坏，并往往造成坡地建筑场地崩塌、滑坡、地裂等严重问题。

膨胀土 分布广泛 1、特征及其判别： • 地形/地貌特征：二级阶地或山前丘陵 • 垄岗式低丘，坡度平缓，无明显陡坎 • 人工地貌（沟渠/坟墓/土坑）很快被夷平 • 旱季出现地裂，雨季闭合。 • 鲜艳颜色（黄/黄褐/灰白/花斑/棕红） • 高分散粘土颗粒，带结核，致密细腻，干硬湿软

第四章 土的工程性质与分类