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第二章 土的物理性质及地基土的工程分类

1. 土力学的研究对象：土
土——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，经过不同的搬运方式，在各种自然环境中生成的沉积物。
§2-1 土的组成
一、土的组成
土中颗粒的大小、成分及三相之间的比例关系反映出土的不同性质，如干湿、轻重、松紧、软硬等。这就是土的物理性质。
二、土的固体颗粒
（一）土的颗粒级配
1．土颗粒的大小直接决定土的性质
2．粒径——颗粒直径大小
3．粒组——为了研究方便，将粒径大小接近、矿物成分和性质相似的土粒归并为若干组别即称为粒组。
粒组的划分：
200 60 2 0.075 0.005mm
漂石 卵石 砾石 砂粒 粉粒 粘粒
4．颗粒级配——土粒的大小及组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量来表示，称为土的颗粒级配。
颗粒级配的测室方法：——筛析法 比重计法
试验成果分析：
①颗粒级配累积曲线（半对数坐标）
见P17 图1-10
分析
②不均匀系数（Cu）

式中：d60——当小于某粒径的土粒质量累计百分数为60%时，该粒径称为限定粒径d60。
d10——当小于某粒径的土粒质量累计百分数为10%时，相应的粒径称为有效粒径d10。
③曲率系数（Cc）

式中：d30——当小于某粒径的土粒质量累计百分数为30%时的粒径用d30表示。
Cc——曲率系数，它描写的是累积曲线的分布范围，反映曲线的整体形状。
Cc=1~3时 级配良好
（二）土粒的矿物成分
漂石、卵石、砾石等粗大土粒的矿物成分以原生矿物为主。（与每岩相同）
砂粒的矿物成分大多为母岩中的单矿物颗粒。如石英等。
粉粒的矿物成分以粘土矿物为主。
粘土矿物由两种原子层构成，主要类型
粘土矿物的特点：细小、亲水性强，吸水膨胀，脱水收缩。
二、土中的水和气

（一）土中水
1. 结合水
——指受电分子吸引力吸附于土粒表面的土中水。

见P19 图1-13
（1）强结合水
——指紧靠土粒表面的结合水。
特征：没有溶解盐类的能力，不传递静水压力，只有吸热变成蒸汽时才能移动。
物理指标：容度1.2~2.4g/cm3 固体状态
冰点-78℃
砂土吸 度占土粒质量1%、粘土17%。
特点：极大的粘滞度，弹性和抗剪强度。
（2）弱结合水
——指紧靠于强结合水的外围形成一层结合水膜。
特征：不能传递静水压力，但水膜较厚的弱结合水能向邻近的较薄的水膜转移。
2．自由水
——指存在于土粒表面电场影响范围以外的水。
特点：能传递静水压力，冰点为0℃，有溶解能力。
（1）重力水
——存在于地下水位以下的透水土层中的地下水。
特点：①有流动时，产生动水压力，带走土颗粒；
②能溶解土中的盐类；③浮力作用。
作用：使土中的孔隙增大，压缩性提高，抗剪强度降低。
（2）毛细水
——受水与空气界面的表面张力作用而存在于孔隙中的自由水，一般存在于地下水位以上的透小层中。
机理：当土孔隙中局部存在毛细水时，毛细水的弯液面与土粒接触处的表面引力反作用于土粒上，使土粒之间由于这种毛细压力而挤紧，土因而具有微弱的粘聚力，称为毛细粘聚力。
存在范围：直径0.002~0.5mm的孔隙中
3．冰
当温度降至零度以下，水结成冰，土即为冻土。
冻土的物点：冻胀性。
危害：当T↑，土体下陷，即融陷现象，使承载力下降，道路翻浆。
三、土的工程特性：
1、 土的压缩性大
2、 强度低
3、 渗透性大
四、土中的结构和构造
（一）土的结构
土的结构——指土颗粒的大小、形状、表面特征，相互排列及其联结关系的综合特征。
分类：
土的结构（二）土的构造
土的构造——指同一土层中成分和大小都相近的颗粒或颗粒集合体相互关系的特征。

思考题：
1．土由哪几部分组成？土中三组比例的变化对土的性质有什么影响？
2．何谓土的不均匀系数？如何从颗粒级配曲线的陡或平缓来评价土的工程性质？
3．土中水具有哪些形态？每种形态的水其本身具有哪些特征？这些特征对土的性质有何影响？
4．何谓土的结构？试分析土的各种结构的稳定性。
5．何谓土的构造，试分析土的各种构造对建筑工程的影响。

§2.2土的物理性质指标
　　自然界中的土体结构组成十分复杂，为了分析问题方便，将其看成是三相，简化成一般的物理模型进行分析。
土的三相，即土粒为固相；土中的水为液相；土中的气为气相。表示土的三相组成部分质量、体积之间的比例关系的指标，称为土的三相比例指标。主要指标有：比重、天然密度、含水量（这三个指标需用实验室实测）和由它们三位计算得出的指标干密度、饱和密度、孔隙率、孔隙比和饱和度。这些指标随着土体所处的条件的变化而改变，如地下水位的升高或降低，土中水的含量也相应增大或减小；密实的土，其固相和液相占据的孔隙体积少。这些变化都可以通过相应指标的数值反映出来。
　　土的三相比例指标是其物理性质的反映，但与其力学性质有内在联系，显然固相成分的比例越高，其压缩性越小，抗剪强度越大，承载力越高。

ms-土粒质量
mw-土中水质量
m-土的总质量= ms+ mw
vs -土粒体积
vw -土中水体积
va -土中气体积
vv -土中空隙体积vv= vw+ va
V-土的总体积 = vs+ vv

一、指标的定义
（一）土粒比重（土粒相对密度）ds
定义：土粒质量与同体积4℃的纯水的质量之比
公式：
单位：g/cm3
参考值： 见P23 表1-9
测定方法：比重瓶法
（二）土的含水量ω
定义：土中水的质量与土粒质量之比，称为含水量
公式：
意义：表示湿度的物理指标，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。
（三）土的密度ρ
定义：土单位体积的质量
公式：
单位： g/cm3 t/m3
测定方法：环刀法
（四）土的干密度ρd，饱和密度ρsat和有效密度ρ′
1．干密度
定义：土单位体积中固体颗粒的质量（干燥状态）
公式：
2．饱和密度
定义：土孔隙中充满水时的单位体积质量
公式：
3．有效密度（浮密度）
定义：在地下水位以下，单体土体积中土粒的质量扣除用体积水的质量后，即为单位土体积中土粒的有效质量。
公式：
（五）重度γ，干重度γd饱和重度γsat，有效重度γ′
定义：重度——单位体积的重力
公式：γ=G/V
单位：kN/m3
换算公式： γ=ρ·g

（六）土的孔隙比e，和孔隙率n
1．土的孔隙比
定义：土中孔隙体积与土粒体积之比。
公式： （用小数表示）
意义：用来评价天然土层的密实程度

2．土的孔隙率
定义：土中孔隙所占体积与总体积之比。
公式
e与n的关系：

（七）土的饱和度Sr
定义：土中被水充满的孔隙体积与孔隙总体积之比
公式：
意义：是评价土的潮湿程度的指标

二、指标的换算
公式要求全部会推导

§2-3 土的物理状态特性指标
一、无粘性土的密实度(鉴别方法三种)
1、用空隙比e作为划分密实度的标准
2、用相对密实度作为划分密实度的标准
相对密实度

式中：emax——土处于最疏松状态时的孔隙比
emin——土被振击后最密实状态下的孔隙比
e——天然孔隙比
意义：评价土的密实程度

3、用标准贯入实验划分密实度的标准
二、粘性土的物理特征
1、粘性土的界限含水量
界限含水量——粘性土由一种状态转到另一种状态时的分界含水量，称为界限含水量。包括：缩限、塑限、液限。
固态 半固态 可塑状态 流动状态
缩限Ws 塑限Wp 液限WL
ω大
ω小

测定方法：塑限：联合测定仪 搓条法
液限：锥式液限仪 （碟式少用）
2、粘性土的塑性指数和液性指数
（一）塑性指数IP
用百分数表示，但省去%
意义：IP值的大小与粘粘含量有关

（二）液性指数Iw

意义：表示粘性土软硬程度的物理指标

3、粘性土的灵敏度和触变性
（一）灵敏度（St）

意义：

（二）触变性
触变性——粘性土的抗剪强度随时间恢复的胶体化学性质称为触变性。
思考题：
1. 土的三相比例指标有哪些？哪些可以直接测定？哪些可通过换异求得？试令VS=1，由试验测定的指标推导其他三相比例指标。
2. 土粒的相对密度和土的相对密实度有何区别？
如何按相对密实度判定砂土的密实程度？
3. 什么是土的塑性指数？其中水与土粘粗细有何关系？塑性指数大的土具有哪些特点？
4. 土粒的相对密度与土的相对密实度有何区别？如何按相对密实度判定砂土的密实程度。
5．什么是土的液性指数？如何应用液性指数的大小评价土的工程性质？

§2-4 地基土（岩）的分类

一、岩石的工程分类
（一）按坚硬程度分类

（二）按成因分类

（三）按风化程度分类
见P33表1-17
（四）按软化系数分类

二、碎石类土
定义：粒径>2mm的颗粘含量超过全重的50%。

三、砂类土
定义：粒径>2mm的颗粒含量不超过全重的50%
粒径>0.075mm的颗粒超过全重的50%

分类：

四、粉土
定义：粒径>0.075mm的颗粒含量不超过全重的50%，塑性指数IP≤的土
分类：
五、粘性土
定义：指塑性指数IP>10的土。
（一）按沉积年代分类

（二）按塑性指数分类

六、特殊土
（一）软土
——指沿海的滨海相、三角洲相、平原、山区的沼泽相等主要由细粒土组成的孔隙比大（>1）天然含水量高（接近或大于WL）压缩性高和强度低的土层。

（二）人工填土
——由人类活动而堆填的土

（三）湿陷性土（黄土）
——指土体在一定压力下受水浸湿时产生湿陷变形量达到一定数值的土。
评价：按P=200kPa时的湿陷量δ表示。
（四）红粘土
——指碳酸盐岩系出露的岩石，经“红土化作用”形成并覆盖于基岩上的棕红色高塑性粘土。
特征：ωL>50 收缩性 不均匀性
当ω在45~50之间时称为次生红粘土
（五）膨胀土
——指粘粒成分主要由亲水性粘土矿物组成的粘性土。
特征：含蒙托石、伊里石 吸水膨胀、失水收缩
（六）风化岩和残积土
风化岩——指岩石在风化营力等作用下，使其结构、成分、性质等产生不同程度变异的岩石。
残积土——岩石完全风化后未经搬运的残积物。
特点：不均匀性 易产生不均匀沉降。
（七）冻土
多年冻土——指土的温度等于或低于零度，含有固态水且这种状态在自然界连续保持三年或三年以上的土。
特点：冻胀、融陷
（八）混合土
——由级配不连续的粘粒、粉粒、砾粒和巨粒组组成。

（九）盐渍土
——指易溶盐含量>0.5%，且具有吸湿、松胀等特性的土。
分类：

七、细粒土按塑性图分类

思考题：
1. 无粘性土和粘性土在矿物成分，土的结构和物理状态描述方面，有何重要区别？
2. 建筑物的地基分为哪几类？其中砂土和粘性土各根据什么进行分类。