土的物理性质与工程分类土的物理性质及工程分.doc

第一章 土的物理性质及工程分类
第一节 土的组成与结构
一、 土的组成
天然状态下的土的组成（一般分为三相）
⑴ 固相：土颗粒--构成土的骨架,决定土的性质--大小 、形状、 成分、组成、排列
⑵ 液相：水和溶解于水中物质
⑶ 气相：空气及其他气体
（1）干土=固体+气体（二相）
（2）湿土=固体+液体+气体（三相）
（3）饱和土=固体+液体（二相）
二、土的固相——矿物颗粒
土粒粒径大小及矿物成分不同，对土的物理力学性质有着较大影响。如当土粒粒径由粗变细时，土的性质可从无粘性变化到有粘性。
（一）土的粒组划分
工程上将物理力学性质较为接近的土粒划分为一个粒组，粒组与粒组之间的分界尺寸称为界限粒径。土颗粒根据粒组范围划分不同的粒组名称：
六大粒组：块石（漂石）、碎石（卵石）、角粒（圆粒）、砂粒、粉粒、粘粒
界限粒径分别是：200mm、20mm、2mm、0.075mm、0.005mm,见下表。
表1-1 粒组划分标准（GB 50021—94）            
粒 组 名 称
粒 组 范 围 /mm
粒 组 名 称
粒 组 范 围 /mm
漂石（块石）粒组
>200
砂粒粒组
0.075~2
卵石（碎石）粒组
20~200
粉粒粒组
0.005~0.075
角粒（圆粒）粒组
2~20
粘粒粒组
<0.005
（二）土的颗粒级配
自然界的土通常由大小不同的土粒组成，土中各个粒组重量（或质量）的相对含量百分比称为颗粒级配，土的颗粒级配曲线可通过土的颗粒分析试验测定。
1.颗粒大小分析试验
方法（1）筛分法：适用60—0.075mm的粗粒土
（2）密度计法：适用小于0.075mm的细粒土
2.颗粒级配曲线——半对数坐标系
3.级配良好与否的判别
1) 定性判别（1）坡度渐变——大小连续——连续级配
（级配曲线）（2）水平段（台阶）——缺乏某些粒径——不连续级配
（1） 曲线形状平缓——粒径变化范围大——不均匀——良好
（2） 曲线形状较陡——变化范围小——均匀——不良
2) 定量判别：不均匀系数
分别表示级配曲线上纵坐标为60% 30% 10%时对应粒径
不均匀系数越大，土粒越不均匀，工程上把的看作是均匀的，级配不好；把大于的土看作是不均匀的，级配良好。
（三）土的矿物成分和土中的有机质
土中矿物成分可分为原生矿物和次生矿物两大类。
1.原生矿物——岩石经物理风化作用而成的颗粒（化学成分无变化），成分与母岩相同。原生矿物性质稳定。块石、碎石、角粒矿物成分与原生矿物相同，砂粒是原生矿物的单矿物颗粒，如：石英、长石——砾石、砂的主要矿物成分——性质稳定、强度高
云母——薄片状——强度低、压缩性大、易变形
粉粒的矿物成分是多样的主要有原生矿物的石英，次生矿物的难溶盐类
2.次生矿物——原生矿物经化学风化作用而成的新矿物（化学成分变化）。如三氧化二铝、三氧化二铁、次生二氧化硅及各种粘土矿物。粘粒几乎都是次生矿物的粘土矿物、氧化物、难溶盐及腐植质。
粘土矿物——亲水性、粘聚性、可塑性、膨胀性、收缩性。粘土矿物分为：
①高岭石（土）：遇水后膨胀性与可塑性较小，颗粒相对较大——亲水性较弱，晶体结构较稳定。
②伊利石（土）：性质介于高岭土与蒙脱土之间，接近蒙脱土。
③蒙脱石（土）：遇水后膨胀性与可塑性极大，透水性小，多个晶体层——结构不稳定、颗粒最小、亲水性。
水溶盐①难溶：CaCO3
②中溶：石膏 CaSO4.2H2O
③易溶：NaCl kCl CaCl2 K Na的 SO42- CO32-
3.土中的有机质——亲水性强，压缩性大，强度低
三、土中水
土中水分为结合水和自由水两大类。
1.结合水：是吸附在土粒表面的结合水膜。土粒表面带负电荷，吸附电场范围内的水分子及水分子中的阳离子，越靠近土粒表面吸附作用越强，结合水从内向外可分为固定层和扩散层。
强结合水：处于固定层中，性质接近于固体，不能传递水压，具有极大的粘滞性、弹性和抗剪强度；
弱结合水：处于扩散层中，性质呈粘滞体状态，在压力作用下可以挤压变形。弱结合水对粘性土的物理力学性质影响极大，而砂土因表面较小，可认为不含弱结合水。
2.自由水：土粒结合水膜之外的水。
重力水：只受重力作用而自由流动的水，能传递水压力和产生浮力作用，一般存在于地下水位以下的透水土层中。
毛细水：土孔隙中受到表面张力作用而存在的自由水，一般存在于地下水位以上的透水土层中，由于表面张力作用，毛细水在土粒之间形成环状弯液面，弯液面与土粒接触处的表面张力反作用于土粒，形成毛细压力，使土粒挤紧，土粒间的孔隙是连通的，形成无数不规则的毛细管，在表面张力作用下，地下水沿着毛细管上升，因此工程中要注意地基土的湿润和冻胀，同时应注意建筑物的防潮。
四、土中气体
粗粒土中气体常与大气相通，土受压时可很快逸出，对土的性质影响不大
细粒土中气体常与大气隔绝而成封闭气泡，不宜逸出，因此增大了土的弹性和压缩性，同时降低了土的透水性。
淤泥等含有有机质的土中，由于微生物的活动，在土中分解产生了一些可燃气体，如甲烷、硫化氢等，使土层在自重作用下不易压密而形成高压缩性的软土层。
五、土的结构
1.定义：土粒或土粒集合体的大小、形状、相互排列与连结等综合特征，称为土的结构。
2.分类：（1）单粒结构：由较粗大的土粒（如碎石、砂粒等）组成，土粒间分子引力远小于土粒自重，土粒之间几乎没有相互联结作用。土粒排列有疏松及密实两种状态。密实状态时土的强度大，压缩性小，是良好的天然地基；疏松状态时空隙较大，土粒不稳定，不宜直接用作地基。
（2）蜂窝结构：由粉粒串联而成，土粒间分子引力大于土粒自重，土粒下沉时停止在接触面而形成串联结构。
（3）絮状结构：粘粒集合体串联而成。
具有蜂窝结构和絮状结构（合称为海面结构）的土，其土粒间有较大的孔隙，结构不稳定，当天然结构被破坏后，土的压缩性增大而强度降低，故也称为有结构性土。
土的结构形成以后，当外界条件变化时，土的结构会发生变化。例如，土层在上覆土层作用下压密固结时，结构会趋于更紧密的排列；卸载时土体的膨胀（如钻探取土时土样的膨胀或基坑开挖时基底的隆起）会松动土的结构；当土层失水干缩或介质变化时，盐类结晶胶结能增强土粒间的联结；在外力作用下（如施工时对土的扰动或剪应力的长期作用）会弱化土的结构，破坏土粒原来的排列方式和土粒间的联结，使絮状结构变为平行的重塑结构，降低土的强度，增大压缩性。因此，在取土试验或施工过程中都必须尽量减少对土的扰动，避免破坏土的原状结构。
第二节 土的物理性质指标
土的性质：（1）土三相组成中各项性质
（2）三相之间量的比例关系
工程中常用土的物理性质指标作为评价土体工程性质优劣的基本指标。
一、 土的三相图
土的颗粒，水，气体混杂在一起，为分析问题方便常理想地将三相分别集中。

二、土的物理性质指标
（1）实测指标（基本指标）：γ ρ W ds试验得出
（2）换算指标：据实测指标经换算得出ρd γsat γ′ e n Sr
（一）实测指标
1．天然土的重力密度γ和质量密度ρ
①物理意义：单位体积天然土的重力，称为重力密度，简称重度（kN/m3）
单位体积天然土的质量，称为质量密度，简称密度（kg/m3或t/m3）
②表达式： ；

水的重度，土的重度一般在
2．土粒相对密度ds
（1） 物理意义：土粒在105℃~110℃温度下烘至恒重时的质量与同体积4℃时纯水的质量之比。
（2） 表达式：
（3） 测定方法：用比重瓶测定，一般土粒相对密度在2.6～2.8之间。
（4） 说明：①ds无量纲
②ds值大小取决于土粒矿物成分和有机质含量。
③有机质含量多时，相对密度明显减小。
3土的含水量
（1） 物理意义：土中水的质量与土粒质量之比。（%）
（2） 表达式：
（3） 测定方法：烘干法。（现场核子密度仪）
（二）换算指标：
1． 几种不同状态下的土的密度和重度。
（1） 干密度ρd和干重度γd
① 物理意义：单位体积土中土粒的质量。
②表达式： ，
③工程应用：在填方工程中常被作为填土设计和施工质量控制的指标。
（2）密度：ρsat饱和重度 γsat
①物理意义：土在饱和状态时，单位体积土的质量。
②表达式：
(3)浮重度（有效重度）γ/
①物理意义：土在水下，土体受水的浮力作用时，单位体积的有效重量。
②表达式：
2．孔隙率 与孔隙比
（1）土的孔隙率：物理意义：土体中的孔隙体积与总体积之比。
表达式：
（2）孔隙比：物理意义：土体中的孔隙体积与土颗粒体积之比。
表达式：
说明：①n:恒〈100%
e:可〉1 一般 I.砂土：e=0.4---0.8 II.粘土：0.6---1.5 III.有机质　

②e和n是反映土的密实程度的指标。
3．饱和度：Sr
物理意义：指土中水的体积与孔隙体积之比，用百分数表示。
表达式：
工程应用：按饱和度Sr大小砂土分为：
①Sr 50%稍湿
②50%<Sr 80%很湿
③Sr>80%饱和
三.土的物理性质指标间的换算
； ；
； ；
表1-2 土的三相比例指标换算公式
名称
符号
三相比例表达式
常用换算公式
单位
常见的数值比例
土粒
相对密度
ds

粘性土2.72~2.76
砂 土2.70~2.71
粉 土2.65~2.69
含水量
w

20%~60%
密度
r

g/cm3
1.6~2.0 g/cm3
干密度
rd

g/cm3
1.3~1.8 g/cm3
饱和密度
rsat

g/cm3
1.8~2.3 g/cm3
有效密度
r'

g/cm3
0.8~1.3 g/cm3
重 度
g

kN/m3
16~20 kN/m3
干重度
gd

kN/m3
13~18 kN/m3
饱和重度
gsat

kN/m3
18~23 kN/m3
有效重度
g'

kN/m3
8~13 kN/m3
孔隙比
e

粘性土和粉土：
0.40~1.20
砂土：25~45
孔隙率
n

砂土：0.30~0.90
饱和度
Sr

0~100%

四、例题：见课本。
例题1-1 已知土的试验指标为 g =18 kN/m3 ，r=2.7 g/cm3 和 w=12％，求 e ,Sr 和 gd 。
【解】设土的体积等于1，则土的重力W=gV=18 kN。
已知土粒的重力Ws 与水的重力Ww 之和等于土的重力W ，即W=Ws+Ww 。水的重力Ww 与土的重力Ws之比等于含水量w，则Ww＝w×Ws ＝0.12 Ws ，由此求得土粒的重力Ws ＝15 kN。土粒体积VS可由土粒的密度rs 和土粒的重力Ws求得，其值为0.55 m3，孔隙的体积Vv则为0.45 m3，水的体积Vw 由水的重度 gw 和水的重力Ww求得，其值为0.18  m3。
根据三相指标定义可计算孔隙比e，饱和度Sr 和干重度 g d 的数值：

在实际工程计算中一般是先导出相应的换算公式，然后直接用换算公式计算。

思考：
1、颗粒级配曲线反映的是什么？级配良好有什么意义？如何判别级配是否良好？
2、工程中是否可以以其他指标作为实测指标？
3、各物理性质指标在工程中有何作用？

*三相指标测定
  (1)土的密度试验
 土的密度一般用“环刀法”测定，使用一个圆环（刀刃向下）放在削平的原状土样面上，徐徐削去环刀外围的土，边削边压，使土样压满环刀内，称得环刀内土样质量，求出它与环刀容积之比值即为其密度。详细的试验步骤请查阅土性指标试验中的环刀法密度试验内容。
  （2）土的含水量试验
   土的含水量一般用“烘干法”测定，先称取小块原状土样的湿土质量m，然后置于烘箱内维持100～105 ℃烘至恒重，再称出干土质量ms，湿土与干土质量之差为土块中水的质量mw，而土的含水量为

     详细的试验步骤请查阅土性指标试验中的含水量试验内容。
  (3)土粒相对密度试验
     土粒密度试验一般是采用比重瓶法测定土粒的相对密度，通过测定干土质量和瓶、水总质量以及瓶、水、试样总质量和悬液温度，由下式计算土粒的相对密度ds
   详细的试验步骤请查阅土性指标试验中的比重瓶法比重试验内容

第三节 土的物理状态指标
定义：土的物理状态：天然状态下，土所表现出的干湿、软硬、松密等。
一、无粘性土的状态
无粘性土的密实状态对工程性质影响很大 ：密实：强度高、稳定、压缩性小
疏松：不稳定、易产生流砂
碎石土的密实度根据野外鉴别方法确定，分为密实、中密、稍密三种状态。
砂土的密实度对其工程性质具有重要的影响。密实的砂土具有较高的强度和较低的压缩性，是良好的建筑物地基；但松散的砂土，尤其是饱和的松散砂土，不仅强度低，且水稳定性很差，容易产生流砂、液化等工程事故。对砂土评价的主要问题是正确地划分其密实度。
（一）孔隙比判别
级配相同的砂 孔隙比愈小，表明愈密实
孔隙比愈大，表明土愈疏松
砂土的密实程度不完全取决于孔隙比，而在很大程度上还取决于土的级配情况。粒径级配不同的砂土即使具有相同的孔隙比，但由于颗粒大小不同，颗粒排列不同，所处的密实状态也会不同。为了同时考虑孔隙比和级配的影响，引入砂土相对密实度的概念。
（二）相对密实度判别
　 当砂土处于最密实状态时，其孔隙比称为最小孔隙比；而砂土处于最疏松状态时的孔隙比则称为最大孔隙比。有关试验标准中规定了一定的方法测定砂土的最小孔隙比和最大孔隙比，然后可按下式计算砂土的相对密实度：

结论：Dr愈大，土愈密实
Dr=0时，土处于最疏松状态
Dr=1时，土处于最紧密状态
从上式可以看出，当砂土的天然孔隙比接近于最小孔隙比时，相对密实度Dr接近于1，表明砂土接近于最密实的状态；而当天然孔隙比接近于最大孔隙比时则表明砂土处于最松散的状态，其相对密实度接近于0。根据砂土的相对密实度可以按表1-3将砂土划分为密实、中密、和松散三种密实度。
表1-3 砂土密实度划分标准
密实度
密实
中密
松散
相对密度
1.0～0.67
0.67～0.33
0.33～0
工程应用：
（三）标准贯入试验判别
方法：用标准贯入试验锤击数N63..5来划分。见表1-4。
表1-4 砂土密实度划分
密实度
密实
中密
稍密
松散
相对密度
N63.5 >30
30≥N63.5>15
15≥N63..5>10
N63.5 ≤10

二、粘性土的状态
（一）粘性土的稠度状态
概念：稠度：指粘性土的某一含水率时的稀稠程度或软硬程度
随着含水量的改变，粘性土将经历不同的物理状态。当含水量很大时，土是一种粘滞流动的液体即泥浆，称为流动状态；随着含水量逐渐减少，粘滞流动的特点渐渐消失而显示出塑性（所谓塑性就是指可以塑成任何形状而不发生裂缝，并在外力解除以后能保持已有的形状而不恢复原状的性质），称为可塑状态；当含水量继续减少时，则发现土的可塑性逐渐消失，从可塑状态变为半固体状态。如果同时测定含水量减少过程中的体积变化，则可发现土的体积随着含水量的减少而减小，但当含水量很小的时候，土的体积却不再随含水量的减少而减小了，这种状态称为固体状态。
（二）界限含水量
（1）液限：流动状态过渡到可塑状态分界含水量
（2）塑限：可塑状态下的下限含水量
（3）缩限：由半固态转变为固态时的界限含水量
粘性土从一种状态变到另一种状态的含水量分界点称为界限含水量。流动状态与可塑状态间的分界含水量称为液限wL；可塑状态与半固体状态间的分界含水量称为塑限wp；半固体状态与固体状态间的分界含水量称为缩限ws。
塑限wp是用搓条法测定的。把塑性状态的土在毛玻璃板上用手搓条，在缓慢的、单方向的搓动过程中土膏内的水分渐渐蒸发，如搓到土条的直径为3 mm左右时断裂为若干段，则此时的含水量即为塑限wp。详细的试验操作步骤请查阅滚搓法塑限试验的内容。
液限wL可采用平衡锥式液限仪测定。平衡锥重为76 g，锥角为30º。试验时使平衡锥在自重作用下沉入土中，当15 s内正好沉入深度10 mm时的含水量即为液限wL。

目前在液限与塑限的测定中还有根据平衡圆锥沉入深度与液限、塑限的对应关系而采取的液限塑限联合测定法，其试验操作步骤请查阅液限塑限联合测定法的内容
（三）塑性指数和液性指数
（1）塑性指数
可塑性是粘性土区别于砂土的重要特征。可塑性的大小用土处在塑性状态的含水量变化范围来衡量，从液限到塑限含水量的变化范围愈大，土的可塑性愈好。这个范围称为塑性指数IP： ， 17≥IP>10为粉质粘土，IP>17为粘土
塑性指数习惯上用不带％的数值表示。塑性指数是粘土的最基本、最重要的物理指标之一，它综合地反映了粘土的物质组成，广泛应用于土的分类和评价。
（2）液性指数
  液性指数IL 是表示天然含水量与界限含水量相对关系的指标，其表达式为：

可塑状态的土的液性指数在0到l之间，液性指数越大，表示土越软；液性指数大于1的土处于流动状态；小于0的土则处于固体状态或半固体状态。
粘性土的状态可根据液性指数IL分为坚硬、硬塑、可塑、软塑和流塑，见表1-5示。
表1-5 按塑性指数值确定粘性土状态
IL值
IL≤0
0<IL≤0.25
0.25<IL≤0.75
0.75<IL≤1.0
1.0<IL
状态
坚硬
硬塑
可塑
软塑
流塑
【例题1-2】 已知粘性土的密度ρ =27.5 g/cm3，液限为40％，塑限为22％，饱和度为0.98，孔隙比为1.15，试计算塑性指数、液性指数及确定粘性土的状态。
【解】 根据液限和塑限可以求得塑性指数为18，土的含水量及液性指数可由下式求得　　　　　　　　　　

IL ＞l，故此粘性土为流塑状态。
三、粉土的特征
塑性指数IP≤10,且粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重的50%的土称为粉土，介于粘性土和砂土之间，明显不同于粘土和砂土。粉土的毛细现象活跃，可呈现假塑性；力学性能指标不同于粘性土；土易被振动液化，且难以压实，也不宜用石灰加固，沉桩较困难。
四、土的工程分类
1. 土的工程分类原则
土的工程分类是把不同的土分别安排到各个具有相近性质的组合中去，其目的是为了人们有可能根据同类土已知的性质去评价其工程特性，或为工程师提供一个可供采用的描述与评价土的方法。通常对建筑地基可分成岩石、碎石土、砂土、粉土、粘性土五大类。
2. 土的工程分类方法
（1）岩石的分类
岩石（基岩）是指颗粒间牢固联结，形成整体或具有节理、裂隙的岩体。它作为建筑场地和建筑地基可按下列原则分类：
1）按成因分为岩浆岩、沉积岩和变质岩。
2）根据坚固性即未风化岩石的饱和单轴极限抗压强度 q 分为硬质岩石（q≥30 MPa）和软质岩石（q<30 MPa）。
3）根据风化程度分为微风化、中等风化和强风化。
4）按软化系数KR分为软化岩石和不软化岩石。KR为饱和状态与风干状态的岩石单轴极限抗压强度之比，KR＜0.75为软化岩石，KR＞0.75为不软化岩石。
（2）碎石土
碎石土是指粒径大于2 mm的颗粒含量超过总质量的50％的土，按粒径和颗粒形状可进一步划分为漂石、块石、卵石、碎石、圆砾和角砾，具体划分见表1-5。
表1-5 碎石土的分类（GBJ 7-89）         
土的名称
颗粒形状
粒组含量
漂石
圆形及亚圆形为主
粒径大于200 mm的颗粒超过全重50%
块石
棱角形为主
卵石
圆形及亚圆形为主
粒径大于20 mm的颗粒超过全重50%
碎石
棱角形为主
圆砾
圆形及亚圆形为主
粒径大于2 mm的颗粒超过全重50％
角砾
棱角形为主
碎石土的密实度一般用定性的方法由野外描述确定，卵石的密实度可按超重型动力触探的锤击数划分。
（3）砂土
砂土是指粒径大于2 mm的颗粒含量不超过总质量的50％且粒径大于0.075 mm的颗粒含量超过总质量的50％的土。砂土可再划分为5个亚类，即砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂，具体划分见表1-6。
表1-6 砂土的分类（GBJ 7-89）    
土的名称
粒组含量
砾砂
粒径大于2 mm的颗粒超过全重25%~50％
粗砂
粒径大于0.5 mm的颗粒超过全重50％
中砂
粒径大于0.25 mm的颗粒超过全重50％
细砂
粒径大于0.075 mm的颗粒超过全重85％
粉砂
粒径大于0.075 mm的颗粒超过全重50％

（4）粉土
粉土是指粒径大于0.075 mm的颗粒含量不超过总质量的50％，且塑性指数 Ip 小于或等于10的土。粉土是介于砂土和粘性土之间的过渡性土类，它具有砂土和粘性土的某些特征，根据粘粒含量可以将粉土再划分为砂质粉土和粘质粉土。
（5）粘性土
粘性土是指塑性指数大于10的土。根据塑性指数大小，粘性土可再划分为粉质粘土和粘土两个亚类，当 10<Ip≤17 时为粉质粘土，当 Ip>17 时为粘土。
【例题1-3】   完全饱和的土样含水量为30％，液限为29％，塑限为17％，试按塑性指数分类法定名，并确定其状态。
【解】 求塑性指数 IP ：
求液性指数 IL ：
 根据定名标准该土样应为粉质粘土，其状态为流塑状态。