第一章土的物理性质及工程分类

第一章土的物理性质及工程分类 主要内容 • §1.1土的组成 • §1.2土的物理性质指标 • §1.3土的物理状态指标 • §1.4土的工程分类 • §1.5土的压实性

土的物理性质概述 搬运沉积风化（物理、化学）作用大小、形状和成分都不相同的松散颗粒集合体（土）岩石破碎化学成分改变岩石固相土中颗粒的大小、成分及三相之间的相互作用和比例关系，反映出土的不同性质液相土气相

§1.1 土的组成 土粒的大小、相关矿物成分以及大小搭配情况对土的物理力学性质有明显影响 • 一、土的固相 1.土的颗粒级配工程上将各种不同的土粒按其粒径范围，划分为若干粒组，为了表示土粒的大小及组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量（即各粒组占土粒总量的百分数）来表示，称为土的颗粒级配筛分法：适用于0.075mm≤d≤60mm 试验方法比重计法:适用于d＜0.075mm

筛分法 用一套孔径不同的筛子，按从上至下筛孔逐渐减小放置。将事先称过质量的烘干土样过筛，称出留在各筛上的土质量，然后计算其占总土粒质量的百分数

比重计法 利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同来确定小于某粒径的土粒含量

颗粒粒径级配曲线 纵坐标表示小于某粒径的土粒含量百分比,横坐标表示土粒的粒径(对数坐标）

颗粒级配的描述 工程上常用不均匀系数Cu描述颗粒级配的不均匀程度曲率系数Cc描述颗粒级配曲线整体形态，表明某粒组是否缺失情况 d10、d30、d60小于某粒径的土粒含量为10%、 30%和60%时所对应的粒径 Cu愈大，表示土粒愈不均匀。工程上把Cu＜5的土视为级配不良的土； Cu＞10的土视为级配良好的土对于砾类土或砂类土，同时满足Cu≥5和Cc=1～3时，定名为良好级配砂或良好级配砾

2.土粒的矿物成分 矿物成分取决于母岩的矿物成分和风化作用原生矿物：由岩石经过物理风化形成，其矿物成分与母岩相同例：石英、云母、长石等特征：矿物成分的性质较稳定，由其组成的土具有无粘性、透水性较大、压缩性较低的特点次生矿物：岩石经化学风化后所形成的新的矿物，其成分与母岩不相同例：粘土矿物有高岭石、伊利石、蒙脱石等特征：性质较不稳定，具有较强的亲水性，遇水易膨胀的特点

土中水的含量明显地影响土的性质(尤其是粘性土)。土中水除了一部分以结晶水的形式吸附于固体颗粒的晶格内部外，还存在结合水和自由水土中水的含量明显地影响土的性质(尤其是粘性土)。土中水除了一部分以结晶水的形式吸附于固体颗粒的晶格内部外，还存在结合水和自由水 • 二、土中的水 1.结合水强结合水：紧靠于颗粒表面、所受电场的作用力很大、几乎完全固定排列、丧失液体的特性而接近于固体弱结合水：紧靠强结合水的外围形成的结合水膜，所受的电场作用力随着与颗粒距离增大而减弱 2.自由水存在于土粒电场影响范围以外，性质和普通水无异，能传递水压力，冰点为0℃，有溶解能力以两种形式存在：毛细水、重力水

土中气体存在于土孔隙中未被水占据的部分，分为与大气连通的非封闭气体和与大气不连通的封闭气体土中气体存在于土孔隙中未被水占据的部分，分为与大气连通的非封闭气体和与大气不连通的封闭气体 • 三、土中气体 1.非封闭气体：受外荷作用时被挤出土体外，对土的性质影响不大 2.封闭气体：受外荷作用，不能逸出，被压缩或溶解于水中，压力减小时能有所复原，对土的性质有较大的影响，使土的渗透性减小，弹性增大和延长土体受力后变形达到稳定的历时

密实状态 疏松状态在成土过程中所形成的土粒的空间排列及其联结形式，与组成土的颗粒大小、颗粒形状、矿物成分和沉积条件有关 • 四、土的结构 1.单粒结构：粗矿物颗粒在水或空气中在自重作用下沉落形成的单粒结构，其特点是土粒间存在点与点的接触。根据形成条件不同，可分为疏松状态和密实状态

絮状结构 蜂窝结构 2.蜂窝结构：颗粒间点与点接触，由于彼此之间引力大于重力，接触后，不再继续下沉，形成链环单位,很多链环联结起来，形成孔隙较大的蜂窝状结构 3.絮状结构：细微粘粒大都呈针状或片状，质量极轻，在水中处于悬浮状态。当悬液介质发生变化时，土粒表面的弱结合水厚度减薄，粘粒互相接近，凝聚成絮状物下沉，形成孔隙较大的絮状结构

土的构造是指土体中各结构单元之间的关系。主要特征是土的成层性和裂隙性,即层理构造和裂隙构造，二者都造成了土的不均匀性土的构造是指土体中各结构单元之间的关系。主要特征是土的成层性和裂隙性,即层理构造和裂隙构造，二者都造成了土的不均匀性 • 五、土的构造 1.层理构造：土粒在沉积过程中,由于不同阶段沉积的物质成分、颗粒大小或颜色不同,而沿竖向呈现出成层特征 2.裂隙构造：土体被许多不连续的小裂隙所分割,在裂隙中常充填有各种盐类的沉淀物

气 Va Vv mw Vw 水 m V ms Vs 土粒 §1.2 土的物理性质指标 • 二、直接测定指标质量m 1.土的密度ρ：单位体积土的质量体积V • 一、土的三相图工程中常用重度来表示单位体积土的重力重力加速度，近似取10m/s2 2.土粒相对密度Gs（土粒比重）：土粒质量与同体积的4℃时纯水的质量之比土粒相对密度变化范围不大：细粒土（粘性土）一般2.70～2.75；砂土一般为2.65左右。土中有机质含量增加，土粒相对密度减小

质量m 体积V 气 Va mw Vw 水 V m ms Vs 土粒 3.土的含水量ω：土中水的质量与土粒质量之比，以百分数表示土的含水量是标志土含水程度的一个重要物理指标。天然土层含水量变化范围较大，与土的种类、埋藏条件及其所处的自然地理环境等有关。测定方法：通常用烘干法，亦可近似用酒精燃烧法

一、试验直接测定的物理性质指标 （一）土粒相对密度（土粒比重）Gs 土粒相对密度定义为土粒的质量（或重量）与同体积4℃时纯水的质量（或重量）之比（无因次），其表达式为：或式中： ——土粒的密度，即土粒单位体积的质量； ——4℃时纯水的密度，1.0g/cm3 土粒相对密度在数值上等于土粒的密度

土粒相对密度常用比重瓶法测定，事先将比重瓶注满纯水，称瓶加水的质量。然后把烘干土若干克装入该空比重瓶内，再加纯水至满，称瓶加土加水的质量，按下式计算土粒相对密度：土粒相对密度常用比重瓶法测定，事先将比重瓶注满纯水，称瓶加水的质量。然后把烘干土若干克装入该空比重瓶内，再加纯水至满，称瓶加土加水的质量，按下式计算土粒相对密度：式中： m1——瓶+水的质量； m2——瓶+土+水的质量； ms——烘干土的质量；

比重瓶法 m0 ms m1 m2 空瓶质量烘干土的质量瓶+水的质量瓶+土+水的质量 m1+ms——瓶+水（满）的质量+干土的质量； m1+ms-m2——与土粒体积相同的水的质量。

（二）土的天然含水量w 土的天然含水量，定义为土中水的质量与土粒的质量之比，以百分数表示，其表达式为：测定含水率常用的方法是烘干法，先称出天然土的质量，然后放在烘箱中，在100℃～105℃常温下烘干，称得干土质量，按上式可算得。

质量m 体积V 气 Va VV mw Vw 水 m ms Vs 土粒 1.孔隙比e和孔隙率n 孔隙比e ：土中孔隙体积与土粒体积之比 • 三、换算指标孔隙率n ：土中孔隙体积与总体积之比，以百分数表示 2.土的饱和度Sr ：土中孔隙水的体积与孔隙总体积之比，以百分数表示饱和度描述土中孔隙被水充满的程度。干土Sr=0,饱和土Sr=100%。砂土根据饱和度分为三种状态: Sr≤50%稍湿； 50％＜Sr≤80%很湿； Sr＞80%饱和

质量m 体积V 气 Va VV mw Vw 水 m ms Vs 土粒 3.不同状态下土的密度和重度饱和密度ρsat ：土体中孔隙完全被水充满时的土的密度干密度ρd ：单位体积中固体颗粒部分的质量浮密度ρ ：土单位体积内土粒质量与同体积水的质量之差土的三相比例指标中的质量密度指标共有4个，土的密度ρ，饱和密度ρsat，干密度ρd，浮密度ρ(kg/m3),相应的重度指标也有4个，土的重度，饱和重度sat，干重度d，浮重度(kN/m3)

气 Vv=e ωGsρw 水 Gs（1＋ω）ρw 1+e Gsρw 土粒 Vs＝1 土的三相指标中，土粒比重Gs，含水量ω和密度ρ是通过试验测定的，可以根据三个基本指标换算出其余各指标质量m 体积V • 四、指标间的换算推导：换算关系式：

【例】某土样经试验测得体积为100cm3，湿土质量为187g，烘干后，干土质量为167g。若土粒的相对密度Gs为2.66，求该土样的含水量ω、密度ρ、重度、干重度d、孔隙比e、饱和重度sat和有效重度【例】某土样经试验测得体积为100cm3，湿土质量为187g，烘干后，干土质量为167g。若土粒的相对密度Gs为2.66，求该土样的含水量ω、密度ρ、重度、干重度d、孔隙比e、饱和重度sat和有效重度 • 五、例题分析【解答】

例题【例题1-1】某干砂试样，经细雨后，体积未变，饱和度达到Sr=40%，试问细雨后砂样的密度、重度和含水量各是多少？解：对于干砂试样，其密度应为孔隙比：雨后含水量：雨后砂样密度：雨后砂样重度：

解：烘烤前因为土样完全饱和即Sr1=100%所以 孔隙比: 【例题1-2】有一个完全饱和的粘土土样，测得总体积V1=100cm3，已知土粒对水的相对密度Gs=2.66，土样含水量w1=45%，将该土样置于烘箱中烘了一段时间之后，测得土样的体积V2=95cm3，w2=35%，问土样烘干前后的密度、干密度、孔隙比、饱和度各为多少？干密度：密度：烘烤后土样中的干土质量不变即此时土样的总质量：土样密度：土样干密度：土样孔隙比：土样的饱和度：

【例1-4】某土样在天然状态下的孔隙比 e=0.8，土粒比重 ds=2.68，含水量ω=24%，求： (a) 天然状态下的重度、干重度和饱和度； (b)若该土样加水后，达到饱和状态，计算饱和时的含水量ω及饱和重度(假定土的孔隙比保持不变)。

解:(a) (b)

§1.3 土的物理状态指标 土的密实度指单位体积土中固体颗粒的含量。根据土颗粒含量的多少，天然状态下的砂、碎石等处于从紧密到松散的不同物理状态。无粘性土的密实度与其工程性质有着密切关系 • 一、无粘性土的密实度 1.孔隙比e 孔隙比e可以用来表示砂土的密实度。对于同一种土，当孔隙比小于某一限度时，处于密实状态。孔隙比愈大，土愈松散砂土在最松散状态时的孔隙比砂土在天然状态下孔隙比 2.相对密实度Dr 砂土在最密实状态时的孔隙比

密实度 松散稍密中密密实按N评定砂石密实度 N≤10 10＜N≤15 15＜N≤30 N＞30 按N63.5评定碎石土密实度 N63.5≤5 5＜N63.5≤10 10＜N63.5≤20 N63.5＞20 当Dr=0时， e=emin，表示土处于最疏松状态;当Dr=1.0时， e=emax，表示土体处于最密实状态疏松状态 Dr≤1/3 中密状态 1/3＜Dr≤2/3 密实状态 2/3＜Dr≤1 3.按动力触探确定无粘性土的密实度天然砂土的密实度，可按原位标准贯入试验的锤击数N进行评定。天然碎石土的密实度，可按原位重型圆锥动力触探的锤击数N63.5进行评定(GB50007-2002)

二、粘性土的稠度 1.粘性土的稠度状态稠度是指土的软硬程度或土受外力作用所引起变形或破坏的抵抗能力,是粘性土最主要的物理状态特征塑限ωP 液限ωL 0 ω 固态或半固态可塑状态流动状态粘性土由某一种状态过渡到另一状态的界限含水量称为土的稠度界限液塑限测定根据《土工试验规程》(SL237-007-1999)规定，采用液塑限联合测定仪进行测定。

液塑限联合测定仪 下沉深度为17mm所对应的含水量为液限;下沉深度为2mm处所对应的含水量为塑限

状态坚硬硬塑可塑软塑流塑液性指数 IL≤0 0＜IL≤0.25 0.25＜IL≤0.75 0.75＜IL≤1 IL＞1 2.粘性土的塑性指数和液性指数塑性指数IP是液限和塑限的差值(省去%)，即土处在可塑状态的含水量变化范围说明：塑性指数的大小取决于土颗粒吸附结合水的能力,即与土中粘粒含量有关。粘粒含量越多,塑性指数就越高液性指数IL是粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比说明：液性指数表征土的天然含水量与界限含水量间的相对关系。当IL≤0时,ω≤ωP,土处于坚硬状态;当IL＞1时,ω＞ωL,土处于流动状态。根据IL值可以直接判定土的软硬状态

【例】某砂土试样,试验测定土粒相对密度Gs=2.7,含水量ω=9.43%,天然密度ρ=1.66/cm3。已知砂样最密实状态时称得干砂质量ms1=1.62kg,最疏松状态时称得干砂质量ms2=1.45kg。求此砂土的相对密度Dr,并判断砂土所处的密实状态 • 三、例题分析【解答】砂土在天然状态下的孔隙比砂土最小孔隙比砂土最大孔隙比相对密实度 ∈（1/3,2/3] 中密状态

§1.4 土的工程分类 • 一、分类的目的和原则土的分类体系就是根据土的工程性质差异将土划分成一定的类别，目的在于通过通用的鉴别标准，便于在不同土类间作有价值的比较、评价、积累以及学术与经验的交流分类原则： 1.分类要简明，既要能综合反映土的主要工程性质，又要测定方法简单，使用方便 2.土的分类体系所采用的指标要在一定程度上反映不同类工程用土的不同特性

分类体系： • 二、分类体系与方法 1.建筑工程系统分类体系侧重把土作为建筑地基和环境，研究对象为原状土，例如：《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)地基土分类方法 2.工程材料系统分类体系侧重把土作为建筑材料，用于路堤、土坝和填土地基工程。研究对象为扰动土，例如：《土的分类标准》(GBJ145-90)工程用土的分类和《公路土工试验规程》(JTJ051-93)土的工程分类

坚硬程度类别 坚硬岩较硬岩较软岩软岩极软岩饱和单轴抗压强度frk(Mpa) frk＞60 30＜frk≤60 15＜frk≤30 5＜frk≤15 frk≤5 分类方法： 1.《建筑地基基础设计规范》(GB50007－2002) 根据土粒大小、粒组的土粒含量或土的塑性指数把地基土（岩）分为岩石、碎石土、砂土、粉土和粘性土五大类 a.岩石的分类颗粒间牢固粘结,呈整体或具有节理隙的岩体称为岩石，坚硬程度可根据岩块的饱和单轴抗压强度frk分类 b.碎石土的分类粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50%的土称为碎石土

碎石土的分类 土的名称颗粒形状颗粒级配漂石圆形及亚圆形为主注：定名时应根据颗粒级配由大到小以最先符合者确定粒径大于200mm的颗粒含量超过全重50％块石棱角形为主卵石圆形及亚圆形为主粒径大于20mm的颗粒含量超过全重50％碎石棱角形为主圆砾圆形及亚圆形为主粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50％角砾棱角形为主 c.砂土的分类粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50%的土，且粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50%的土称为砂土

砂土的分类 土的名称颗粒级配砾砂粒径大于2mm的颗粒含量占全重25％～50％粗砂粒径大于0.5mm的颗粒含量超过全重50％中砂粒径大于0.25mm的颗粒含量超过全重50％土的名称塑性指数细砂粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重85％粘土 IP＞17 粉砂粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50％粉质粘土 10＜IP≤17 注：定名时应根据颗粒级配由大到小以最先符合者确定注：塑性指数由相应于76g圆锥体沉入土样中深度为10mm测定的液限计算而得 d.粉土的分类粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50%，塑性指数IP≤10的土称为粉土 e.粘性土的分类粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重50%，塑性指数IP＞10的土称为粘性土，粘性土根据塑性指数细分

f.人工填土的分类 由于人类活动而形成的堆积物称为人工填土。物质成分较杂乱,均匀性较差，根据其物质组成和成因,可分为素填土、压实填土、杂填土和冲填土 2.《土的分类标准》(GBJ145－90) 根据各粒组的相对含量把土分为巨粒土、含巨粒土、粗粒土和细粒土四大类 a.巨粒土和含巨粒土的分类巨粒土和含巨粒土按土中粒径大于60mm的巨粒含量区分。若土中巨粒含量多于50%,属于巨粒土；若土中巨粒含量在15%～50%之间，属于含巨粒土 b.粗粒土的分类巨粒含量少于15%，剔除巨粒后，若土中粒径大于0.075mm的粗粒含量多于余土的50%，属于粗粒土。粗粒土分为砾类土和砂类土两类

c.细粒土的分类 土中粒径小于0.075mm的细粒含量多于或等于50%，且粗粒含量少于25%的土属于细粒土。细粒土按塑性图进行细分图中液限为17mm液限

【例】下图为某三种土A、B、C的颗粒级配曲线,试按《地基规范》分类法确定三种土的名称【例】下图为某三种土A、B、C的颗粒级配曲线,试按《地基规范》分类法确定三种土的名称 • 三、例题分析

【解答】 A土:从A土级配曲线查得,粒径小于2mm的占总土质量的67%、粒径小于0.075mm占总土质量的21%,满足粒径大于2mm的不超过50%,粒径大于0.075mm的超过50%的要求,该土属于砂土；又由于粒径大于2mm的占总土质量的33%,满足粒径大于2mm占总土质量25%～50%的要求,故此土应命名为砾土 B土:粒径大于2mm的没有,粒径大于0.075mm占总土质量的52%,属于砂土。按砂土分类表分类,此土应命名为粉砂 C土:粒径大于2mm的占总土质量的67%,粒径大于20mm的占总土质量的13%,按碎石土分类表可得,该土应命名为圆砾或角砾

击锤护筒导筒击实筒 §1.5 土的压实性在试验室内通过击实试验研究土的压实性。击实试验有轻型和重型两种。 • 一、土的击实试验轻型击实试验适用于粒径小于5mm的土，击实筒容积为947cm3，击锤质量为2.5kg。把制备成一定含水量的土料分三层装入击实筒，每层土料用击锤均匀锤击25下，击锤落高为30.5cm 重型击实试验适用于粒径小于40mm的土，击实筒容积为2104cm3，击锤质量为4.5kg，击锤落高为45.7cm。分五层击实，每层56击。根据击实后土样的密度和实测含水量计算相应的干密度

ρd ρdmax ωop ω 0 影响土压实性的因素很多，主要有含水量、击实功能、土的种类和级配等 1.含水量的影响 • 二、填土的击实特性当含水率较低时，击实后的干密度随含水量的增加而增大。而当干密度增大到某一值后，含水量的继续增加反招致干密度的减小。干密度的这一最大值称为该击数下的最大干密度，与它对应的含水量称为最优含水量说明：当击数一定时，只有在某一含水量下才获得最佳的击实效果

ρd 击数 40 饱和线 30 20 ω 0 1.土料的最大干密度和最优含水量不是常数。最大干密度随击数的增加而逐渐增大,最优含水量逐渐减小。然而，这种变化速率是递减的。同时，光凭增加击实功能来提高土的最大干密度是有限的 2.击实功能的影响 2.当含水量较低时击数的影响较显著。当含水量较高时，含水量与干密度关系曲线趋近于饱和线，这时提高击实功能是无效的说明：填料的含水率过高或过低都是不利的。含水率过低，填土遇水后容易引起湿陷；过高又将恶化填土的其他力学性质。因此，在实际施工中填土的含水率控制得当与否，不仅涉及到经济效益，而且影响到工程质量

ρd 无粘性土的击实曲线 ω 0 3.土类和级配的影响击实试验表明，在相同击实功能下，粘性土粘粒含量愈高或塑性指数愈大，压实愈困难，最大干密度愈小，最优含水量愈大无粘性土的击实曲线和粘性土击实曲线不同，在含水量较大时得到较高的干密度，因此在无粘性土实际填筑中，通常要不断洒水使其在较高的含水量下压实说明：土的级配对土的压实性影响很大。级配良好的土，易于压实，级配不良的土，不易压实，因为级配良好的土有足够的细粒去充填较粗粒形成的孔隙，因而能获得较高的干密度

第一章 土的物理性质及工程分类