土的物理性质及工程分类

1. 土的物理性质及工程分类 主要内容 • 土的生成与特性 • 土的三相组成 • 土的物理性质指标 • 土的物理状态指标 • 土(岩)的工程分类

2. 土的物理性质和工程分类 教学目的: 了解土的成因和三相组成，掌握土的物理性质和物理状态指标的定义、物理概念、计算公式和单位。要求熟练地掌握物理指标的三相换算。了解地基土的工程分类依据与准确定名。 基本内容 ◇土的形成与特征 ◇土的三相组成 ◇土的物理性质指标 ◇土的物理状态指标 ◇土的工程分类

3. 1土的生成与特性 土的生成： 搬运沉积 风化（物理、化学、生物）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 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 固相 液相 土 气相

4. 物理风化仅使岩石产生量的变化 化学风化仅使岩 石产生质的变化 岩石 原生矿物 次生矿物 土 土的性质随土粒的粒径的变化而发生变化 原生矿物经化学风化生成的新矿物，它的成分与母岩的完全不同。颗粒极细，性质活泼，有较强的吸附水能力，具塑性。 颗粒通常是由一种或几种原生矿物所组成，它的成分与母岩的相同，颗粒一般较粗，吸附水的能力弱，性质比较稳，无塑性。

5. 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 • 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

6. 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

7. 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 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 其它构造见教材

8. 土的工程特性 • 压缩性髙 • 强度低 • 透水性大 • 粘性土变形稳定历时长

9. 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 • 二、粘性土的稠度 塑限ws 塑限wP 液限wL 0 ω 固态 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率称为土的稠度界限 液塑限测定根据《土工试验方法标准》(GB/T50123-1999)规定，采用液塑限联合测定仪进行测定。

10. V 可塑态 液态 半固态 固态 水 颗 粒 w 0 粘性土的稠度和可塑性 Va+Vw Vs ws wp wL 缩限 塑限 液限 阿特堡界限 (Atterberg limit)

11. 液塑限联合测定仪 下沉深度为17（10）mm所对应的含水率为液限;下沉深度为2mm处所对应的含水率为塑限

12. 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率变化范围 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率与界限含水率间的相对关系。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

13. 【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

14. 土的三相组成…１ 土的三相组成是指土由固体颗粒、液体水和气体三部分组成。土中的固体矿物构成土的骨架,骨架之间贯穿着大量的孔隙,孔隙中充满着液体水和气体。 土体三相比例不同，土的状态和工程性质也随之各异，例如： 固体+气体（液体=0）为干土，此时粘土呈坚硬状态 砂土呈松散状态； 固体+液体+气体为湿土，此时粘土多为可塑状态； 固体+液体（气体=0）为饱和土，此时粉细砂或粉土遇强烈地震，可能产生液化，而使工程遭受破坏。

15. 土的三相组成…2 土是由固相、液相、气相组成 的三相分散系。 固相——包括多种矿物成分组 成土的骨架，骨架间的空隙为液相 和气相填满，这些空隙是相互连通 的，形成多孔介质； 液相——主要是水(溶解有少量 的可溶盐类)； 气相——主要是空气、水蒸气， 有时还有沼气等。

16. 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

17. 蒙 脱 石 次生矿物 蒙脱石 伊利石 高岭石

18. 土的三相组成…3 土的固体颗粒 土是岩石风化的产物。因此土粒的矿物组成将取决于成土母岩的矿物 组成及其后的风化作用。成土矿物可分为两大类： 原生矿物 次生矿物 ◇由岩石经物理风化生成的 ◇由原生矿物经化学风化生成的新矿物 ◇颗粒成分与母岩的相同 ◇它的成分成分与母岩的完全不同 ◇常见的有石英、长石和云母 ◇有高岭石、伊利石和蒙脱石粘土矿物 ◇颗粒较粗，多呈浑圆形状 ◇颗粒极细，且多呈片状 ◇吸附水的能力弱，无塑性 ◇性质活泼，吸附水能力强， 具塑性 水溶盐 可溶性次生矿物。常见的有岩盐、钾盐、石膏、方解石，硫酸盐类还对金属和混凝土有一定的腐蚀作用。 有机质 动植物分解后的残骸，称为腐殖质。其颗粒极细，粒径小于0.1m，呈凝胶状，带有电荷，具极强的吸附性。

19. 三、土中气体 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 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

20. 气 Va Vv mw Vw 水 m V ms Vs 土粒 §2.2 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 • 一、土的三相图 体积V 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ds（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

21. 质量m 体积V 气 Va mw Vw 水 V m ms Vs 土粒 3.土的含水率ω：土中水的质量与土粒质量之比，以百分数表示 土的含水率是标志土含水程度的一个重要物理指标。天然土层含水率变化范围较大，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：烘干法、酒精燃烧法、射线法、碳化钙气压法、碳化钙减量法、铁锅炒干法、微波炉法

22. 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

23. 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)

24. 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，含水率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：

25. 反映土的松密程度的指标有： 土的孔隙比e、孔隙率n； 反映了土的含水程度的指标有： 含水率w、饱和度Sr； 土的重度有： 饱和重度gsat、重度g、干重度gd、浮重度g ′； 三项基本指标有： 重度g、比重ds、含水率w。

26. 结构未破坏 结构破坏 结构强度恢复 粘性土的结构性和灵敏度 灵敏度 原状土与重塑土的强度比 2～4，中等灵敏；4～8，灵敏；8～16，特别灵敏；>16，超灵敏 触变性

27. 土的三相组成…４ 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 比重计法或移液管法:适用于d＜0.075mm

28. 土的三相组成…5

29. 土的工程分类标准GB/T 50145-2007

30. 筛分法 用一套11只孔径不同的筛子，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 粗筛孔径为60、40、20、10、5、2mm。细筛孔径为2.0、1.0、0.5、0.25、0.075mm

31. 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

32. 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(半对数坐标）

33. 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

34. 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

35. 土中水 土中水处于不同位置和温度条件下，可具有不同的物理状态——固态、液态、气态。液态水是土中孔隙水的主要存在状态，因其受土粒表面双电层影响程度的不同可分为结合水、毛细水、重力水。后两者也称为非结合水（自由水）。

36. 【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】

37. 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注意其缺点 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

38. 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)

39. ◇标准贯入试验： 标准贯入试验(SPT)是动力触探的一种，它利用一定的锤击动能（锤重63.5kg，落距76cm），将一定规格的对开管式的贯入器打入钻孔孔底的土中，根据打入土中的贯阻抗，判别土层的工程性质。贯入阻抗用贯入器贯入土中30cm的锤击数N表示，N也称为标贯击数。 该实验的的应用主要有评定砂土的相对密度、评定地基土承载力、估算单桩承载力等。

40. 标准贯入试验 （Standard Penetration Test） 锤 重：63.5kg 落 距：760mm 打入深度：300mm 标准贯入数 N63.5

41. 1.5.3 土的压实原理 大量工程实践和试验研究表明，控制土的压实效果的主要因素是：土的含水率，压实机械及其压实功能等。土的压实效果常用干密度d（单位土体积内土粒的质量）来衡量。

42. 1.最优含水量 对粘性土，当压实功能和条件相同时，土的含水量过大或过小，土体都不易压实，只有把土的含水量调整到某一适宜值时，才能收到最佳的压实效果。 在一定压实机械的功能条件下，土最易于被压实，并能达到最大密度时的含水量，称为最优含水量wop，相应的干密度则称为最大干密度dmax。

43. 试验统计表明：最优含水量wop与土的塑限wp有关，大致为wop=wp+2%。土中粘土矿物含量大，则最优含水量大。试验统计表明：最优含水量wop与土的塑限wp有关，大致为wop=wp+2%。土中粘土矿物含量大，则最优含水量大。 d dmax wop w 0

44. 击锤 护筒 导筒 击实筒 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

45. 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。 　　　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。

46. ρd ρdmax 0 ω ωop 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 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

47. ρd 击数 40 饱和线 30 20 0 ω 2.击实功能的影响 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。

48. 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。

49. 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

50. 　　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。