1、第2章 土的物理性質及分類主要內容掌握：土的三相比例指標的定義及指標間的換算關系、土的各種物理性質指標的概念及測定方法；熟悉：土的分類原則，不同行業土的分類方法；了解：三種特殊土的概念2.1概述土是巖石分化的產物，是沒有膠結或弱膠結的松散沉積物，是三相組成的分散體，是無粘性或有粘性的具有土骨架空隙特性的三相體或兩相體，是大大小小土粒的混合體。土粒大小是影響土的性質的最主要的因素；土粒大小含量的相對數量關系是土的分類依據，大致可分為無粘性土（碎石土和砂類土）、粉性土、粘性土。粉性土兼有砂類土和粘性土的性狀。2.1 概述土的三相組成物質的性質和三相比例指標的大小，必然在土的輕重、松密、濕干、軟硬等

2、一系列物理性質有不同的反應；土中水與細粒（粒徑0.075mm）有著復雜的相互作用，產生細粒土的可塑性、結構性、觸變性、脹縮性、濕陷性、凍脹性等物理特性；2.1 主要內容無機土的三相比例指標。粘性土的物理特征無粘性土的密實度粉土的密實度和濕度區域分布的三種特殊土的概念土的分類2.2 土的物理性質指標物理模型 假定模型總質量：m=ms+mw總體積：V=Vs+Vv=Vs+Va+Vw 符號： ssoil vvoid aair wwater圖2-25 土的三相圖2.2.1土的三相草圖 可用三相草圖來描述土的三相組成 定義土的物理性質指標。三相草圖的意義：土的三相物質在體積和質量上的比例關系稱為三相比例指

3、標；三相比例指標反映了土的干燥與潮濕、疏松與緊密；評價土的工程性質的最基本的物理性質指標；工程地質勘察報告中不可缺少的基本內容。 2.2.2 三個實測物理性質指標三個實測物理性質指標q 直接測定指標直接測定指標（可在實驗室內直接測定）：（可在實驗室內直接測定）： 重度重度、含水量含水量、土粒比重土粒比重Gs（土粒密度（土粒密度 s）。）。q 換算指標換算指標：其它指標均為換算指標：其它指標均為換算指標（孔隙比、（孔隙比、飽和度）飽和度）。q4個質量比體積，個質量比體積，3個體積比體積，個體積比體積，2個質量比質個質量比質量。量。 1 1、土的密度和重度、土的密度和重度3/(/)MW gkg m

4、VV密度：測定方法:環刀法3(/)WkN mV重力密度(重度):g顯然:3一般土的重度為16-22kN/m2、含水量含水量100%WWSSWMwWM測定方法:烘干法烘箱3、土粒比重土粒比重 Gs固體顆粒質量與同體積水固體顆粒質量與同體積水(在在4時時)質量之比質量之比SssswwmGV土粒比重的變化范圍見表2-7:測定方法 比重瓶煮沸法比重瓶的校準，應按下列步驟進行：1將比重瓶洗凈，烘干，置于干燥器內，冷卻后稱量，準確至0.001g。2將煮沸經冷卻的純水注入比重瓶。對長頸比重瓶注水至刻度處，對短頸比重瓶應注滿純水，塞緊瓶塞，多余水自瓶塞毛細管中溢出，將比重瓶放入恒溫水槽直至瓶內水溫穩定。取出比

5、重瓶，擦干外壁，稱瓶、水總質量，準確至0.001g。測定恒溫水槽內水溫，準確至0.5。3調節數個恒溫水槽內的溫度，溫度差宜為5，測定不同溫度下的瓶、水總質量。每個溫度時均應進行兩次平行測定，兩次測定的差值不得大于0.002g，取兩次測值的平均值。4繪制溫度與瓶、水總質量的關系曲線。比重瓶法試驗，應按下列步驟進行：l將比重瓶烘干。稱烘干試樣15g(當用50mL的比重瓶時，稱烘干試樣l0g)裝入比重瓶，稱試樣和瓶的總質量，準確至0.001g。2向比重瓶內注入半瓶純水，搖動比重瓶，并放在砂浴上煮沸，煮沸時間自懸液沸騰起砂土不應少于30min，粘土、粉土不得少于1h。沸騰后應調節砂浴溫度，比重瓶內懸液

6、不得溢出。3將煮沸經冷卻的純水注入裝有試樣懸液的比重瓶。當用長頸比重瓶時注純水至刻度處，當用短頸比重瓶時應將純水注滿，塞緊瓶塞，多余的水分自瓶塞毛細管中溢出。將比重瓶置于恒溫水槽內至溫度穩定，且瓶內上部懸液澄清。取出比重瓶，擦干瓶外壁，稱比熏瓶、水、試樣總質量，準確至0.001g；并應測定瓶內的水溫，準確至0.5。表表2-7 土粒比重范圍土粒比重范圍結論：土粒比重變化不大！2.6.3 換算的物理性質指標換算的物理性質指標孔隙比孔隙比vsVeV100%vVnV于是可得兩者關系：于是可得兩者關系：孔隙率孔隙率 11vvvvsvVVVnVeVVVVnVwrvVSV飽和度飽和度0 0S Sr r1 1

7、飽和土：飽和土：S Sr r=1 1干土：干土：S Sr r=0 0 土的飽和重度土的飽和重度satsatSvwsatWVVsatwsdWV土的密度與重度的關系：土的密度與重度的關系：g土的有效重度（浮重度）土的有效重度（浮重度） 土的干重度土的干重度2.2.3 幾種常用指標之間關系式的推導土的三相比例指標之間可以互相換算：方法1： 由三相圖及其定義計算，見教材31頁例2.1。 假定V=1, 或者假定Vs=1 方法2： 由三相圖導出的計算公式。 指標間的換算指標間的換算氣氣水水土粒土粒Gsw Vs11+1+e質量質量m體積體積V土的三相指標中，土的三相指標中，土粒比重土粒比重Gs ，含水量含水

8、量和和密度密度是通是通過試驗測定的，可以根據三過試驗測定的，可以根據三個基本指標換算出其余各指個基本指標換算出其余各指標標Vv=eGsw Gs（1）w eGVmws1)1 (11eGVmwssd推導：推導：換算關系式：換算關系式：1)1 (1wsdwsGGeeeGVVmwswVssat1)(eGwssat1) 1(eeVVnV1eGVmVVSsWVwVwr孔隙比與孔隙率的關系 eeVVnv1nne1干密度與濕密度和含水率的關系 wwVmddd11wd1孔隙比與比重和干密度的關系 eVmssd11dwsGeewGeVVSswvwrws當土飽和時，即為當土飽和時，即為SrSr=100=100則則

9、ssatGwe satw飽和含水率飽和含水率26飽和度與含水率、比重和孔隙比的關系 浮密度與比重和孔隙比的關系 eGeVVmwswswss11127求證（1）1dw求證（2）srG wSe例題：(1)1(1)(1)(1)swssdWWWwWWwVwVwVwV證明：2.3.1 粘性土的稠度粘性土的稠度（界限含水量）（界限含水量）AtterbergAtterberg（瑞典土壤學家，（瑞典土壤學家，19111911）塑性塑性：可塑成任何形狀而不發生裂縫，并在外力可塑成任何形狀而不發生裂縫，并在外力解除以后能保持已有的形狀而不恢復原狀解除以后能保持已有的形狀而不恢復原狀的性質。的性質。( (不裂縫、不

10、恢復、不流動不裂縫、不恢復、不流動) )PlasticityPlasticity。在陶瓷工業、農業科學和土木工程中有廣泛應用。在陶瓷工業、農業科學和土木工程中有廣泛應用。 土體體積隨含水量的變化：土體體積隨含水量的變化：圖圖2-29 含水量與體積的關系含水量與體積的關系 wVO半固態顆 粒水Vs+VaVs固態可塑態液態wswPwL阿特堡界限 (Atterberg limit)粘 粒強結合水弱結合水自由水液 態可塑態固態或半固態稠度狀態稠度狀態固態或固態或半固態半固態塑態塑態 流態流態 土中水的形態土中水的形態強結合水強結合水弱結合水弱結合水自由水自由水w含水量含水量稠度界限稠度界限塑限塑限p強

11、結合水膜最大強結合水膜最大液限液限l出現自由水出現自由水粘性土的稠度反映土中水的形態粘性土的稠度反映土中水的形態土的界限含水量（土的界限含水量（AtterbergAtterberg limits limits）縮限：半固體狀態與固體狀態間的分界含水量。當含水量小于該值時，體積不發生變化。Shrinkage limit, wS。塑限：可塑狀態與半固體狀態間的分界含水量。Plastic limit, wP。液限：流動狀態與可塑狀態間的分界含水量。Liquid limit, wL。“界限含水量是土的一種固有的性質，與含水量無關”問題：縮限、塑限、液限是否與土樣的含水量有關？注意：塑限和液限是土力學中

12、常用的。液限的測定：錐式液限儀（中國）；碟式液限儀（歐美，詳見ASTM試驗規程）。碟式液限儀碟式液限儀 平衡錐式液限儀平衡錐式液限儀 碟式儀液限試驗是將土碟中的土膏（10mm厚），用劃刀分成兩半，以每秒2次的速率將土碟由10mm高度下落。當擊數25次時，兩半土膏在碟底的合攏長度剛好達到13mm，此時的含水率為液限。17mm液限測定演示：17mm液限測定演示：液限測定演示：塑限的測定： 搓條法測定。3mm土條。縮限的測定： 收縮皿法測定。討論：液限和塑限也可用光電式液塑限聯合測定儀測定；試驗的具體程序和步驟詳見土工試驗方法標準；界限含水量由重塑土測定，而現場原狀土有一定結構性；所以，有時現場土含

13、水量比液限大但地基未流動。（1 1）塑性指數）塑性指數I IP P概念:塑性狀態時含水量變化范圍，IP（Plasticity index）。PLPIWW 常省略常省略 %； 變化范圍很大（如大于變化范圍很大（如大于200）；）； 是粘性土區別于砂土的重要特征；是粘性土區別于砂土的重要特征；反映了土與水之間物理化學作用的強弱。反映了土與水之間物理化學作用的強弱。.2粘性土的物理狀態指標粘性土的物理狀態指標P土顆粒愈細，比表面積增加,I 增加P,粘粒含量愈多，親水性礦物含量增加 I 增大物理意義：為什么對于砂土顆粒，即使磨成極細顆粒也不具有塑性？思考：僅僅知道土樣含水量，能否判斷土

14、的物理狀態？（液態、固態還是半固態？）一個問題：結論：不能。舉例說明：土類液限wL塑限wL含水量土樣132%12%20%土樣242%24%20%結果：結果：土樣土樣1：可塑態；：可塑態；土樣土樣2：半固態；：半固態；問題：問題： 判斷土樣物理狀態判斷土樣物理狀態？“必須建立含水量與界限含水量的關系必須建立含水量與界限含水量的關系”（2 2）液性指數）液性指數IL 表表2-11 粘性土的稠度標準粘性土的稠度標準PLLPWWIWW液性指數 IL0 0 IL0.25 0.25 IL0.75 0.751 狀態 堅硬 硬 塑 可 塑 軟 塑 流 塑 天然狀態含水量和界限含水量相對關系的指標（Liquid

15、ity index）。在0到1之間。越大，表示土越軟； 大于1，處于流動狀態； 小于0，處于固體狀態或半固體狀態。關于IL結論：結論：例2-5 某粘性土的天然含水量w=19.3%，液限wL=28.3%，塑限wP=16.7%。求塑性指數IP和液性指數IL，確定該土狀態。查表2-3可知該土的狀態為硬塑狀態。19.3-16.711.6IL= = =0.224PPwwI解：IP=wL-wP=28.3-16.7=11.6（3）天然稠度土的液限與天然含水量之差和塑性指數之比PLLPWWIWWWcWWL表2-42.3.3粘性土的活動度定義:mmIAp002. 0顆粒的含量百分數 根據活性指標的大小，他把粘性

16、土分為：非活性粘土：正常粘土：活性粘土：75.0A25. 175. 0A25. 1A活性粘土的礦物成分以吸水能力很強的蒙脫石等礦物為主，而非活性粘土中的礦物成分，則以高嶺石等吸水能力較差的礦物為主。 2.3.3靈敏度（St）靈敏度反映粘性土結構性的強弱。uutqqStSuquq中等靈敏低靈敏不靈敏42211tttSSS流動很靈敏靈敏1616884tttSSS式中：粘性土的靈敏度 原狀土的無側限抗壓強度 與原狀土密度、含水量相同，結構完全破壞的重塑土的無側限抗壓強度。 靈敏度分下列幾類：2.3.3觸變性 當粘性土結構受擾動時，土的強度降低。但靜置一段時間，土的強度又逐漸增長，這種性質稱為土的觸變

17、性。這是由于土粒、離子和水分子體系隨時間而趨于新的平衡狀態之故。 土的觸變性是土結構中聯土的觸變性是土結構中聯結形態發生變化引起的，結形態發生變化引起的，是土結構隨時間變化的宏是土結構隨時間變化的宏觀表現。觀表現。目前尚沒有合理的描述土目前尚沒有合理的描述土觸變性的方法和指標。觸變性的方法和指標。lgt結構強度恢復結構強度恢復結構破壞結構破壞結構未破壞結構未破壞觸變性土的物理狀態指標土的物理狀態指標2.4 無粘性土的密實度無粘性土的密實度q用孔隙比用孔隙比e e可評價砂土的密實度；可評價砂土的密實度；q優缺點：優缺點：優點：應用方便、簡單優點：應用方便、簡單缺點：不能考慮顆粒大小、級配和形狀的

18、影響缺點：不能考慮顆粒大小、級配和形狀的影響q所以：所以：應與最大孔隙比與最小孔隙比比較；應與最大孔隙比與最小孔隙比比較；建立相對密度的概念。建立相對密度的概念。最小孔隙比：砂土處于最密實狀態時的孔隙比，emin 用“振擊法”測定。最大孔隙比：砂土處于最疏松狀態時的孔隙比，emax 用“松散器法”測定。相對密實度： maxmaxminreeDee最大孔隙比、最小孔隙比的概念：最大孔隙比、最小孔隙比的概念：舉例說明建立相對密度概念的意義：舉例說明建立相對密度概念的意義：結論：結論：土樣土樣1：密實；：密實；土樣土樣2：不密實：不密實土類最大孔隙比emax最小孔隙比emin實際孔隙比e土樣10.8

19、0.50.55土樣5問題：問題： 哪個土樣密實哪個土樣密實？0.671rD密實0.330.67rD中密00.33rD松散1 1 用用DrDr表示砂土密實度表示砂土密實度見表2-9，鐵路工程技術規范（P50） 當當e=emax時，時，Dr=0，最松狀態；，最松狀態； 當當eemin時，時，Dr=1.0，最密狀態。，最密狀態。 優點：可以把土的級配考慮進去，理論上優點：可以把土的級配考慮進去，理論上較為完善較為完善 缺點：缺點：emax和和emin難以準確測定，給難以準確測定，給Dr的確的確定帶來困難。定帶來困難。 2、標準貫入試驗方法標準貫入試驗方法 方法：63.5kg錘，升

20、到錘，升到76cm高，自由落下高，自由落下標準貫入器入土深度標準貫入器入土深度30cm，所需錘數為，所需錘數為N63.563.5N顯 然 ， 土 層 的 密 實 程 度 與密 切 相 關 。顯然：規范：規范：建筑地基基礎設計規范建筑地基基礎設計規范(GB500072002) 表表2-6 ，63.510N松散63.51015N稍密63.51530N中密63.530N密實砂土砂土判斷標準：判斷標準：碎石土區間劃分為：20-10-52.5 粉土的密實度與濕度e0.9為稍密的粉土。w30很濕。2-102-112.6 土的脹縮性、濕陷性、凍脹性細粒土中含水率的變化不僅引起土稠度發生細粒土中含水率的變化不

21、僅引起土稠度發生變化，土的體積也將同時發生變化。細粒變化，土的體積也將同時發生變化。細粒土由于含水率的增加土體積增大的性能稱土由于含水率的增加土體積增大的性能稱為膨脹性；為膨脹性；由于含水率的減少體積減少的性能稱為收縮由于含水率的減少體積減少的性能稱為收縮性。這種濕脹干縮的性質，統稱為土的脹性。這種濕脹干縮的性質，統稱為土的脹縮性。縮性。土的脹縮性粘性土的脹縮性 膨脹性 收縮性 粘性土由于含水量的增加而發生體積增大的性能稱膨脹性 由于土中水分蒸發而引起體積減少的性能稱收縮性 將一定體積的擾動烘干土樣經充分吸水膨脹穩將一定體積的擾動烘干土樣經充分吸水膨脹穩定后，測得的增加的體積與原干土體積定后，

22、測得的增加的體積與原干土體積之比。之比。 %10000VVVefw式中：式中：V Vw w土樣在水中膨脹穩定后的體積，土樣在水中膨脹穩定后的體積，( (mLmL) )；V V0 0土樣原始體積，土樣原始體積，( (mLmL) )。ef自由膨脹率表明土在無結構力影響下的自由膨脹率表明土在無結構力影響下的膨脹特性，說明土膨脹的可能趨勢。膨脹特性，說明土膨脹的可能趨勢。收縮性 1體縮率 2線縮率 %10000VVVes%10000lllesl粘性土的收縮性是由于水分蒸發引起的。其收縮過程可分為兩個階段：第一階段（AB）表示了土體積的縮小與含水率的減小成正比，呈直線關系；土之減小的體積等于水分散失的體

23、積；第二階段（BC）表示了土體積的縮小與含水率的減少呈曲線關系。土體積的減少量小于失水體積，隨著含水率的減少，土體積收縮愈來愈慢。 粘性土的崩解性 定義：粘性土由于浸水而發生崩解散體的特性稱崩解性 評價粘性土的崩解性一般采用下列三個指標：1、崩解時間：一定體積的土樣完全崩解所需的時間；2、崩解特征：土樣在崩解過程的各種現象，即出現的崩解形式；3、崩解速度：土樣在崩解過程中質量的損失與原土樣質量之比，和時間的關系。 崩解現象的產生是由于土水化，使顆粒間連接減弱及部分膠結物溶解而引起的崩解。是表征土的抗水性的指標。 土的濕陷性土的濕陷性在上覆土層自重應力作用下，或者在自重應力和附加應力共同作用下，

24、因浸水后土的結構破壞而發生顯著附加變形的土稱為濕陷性土，屬于特殊土。土樣在一定壓力下的濕陷量與其原始高度之百分比，稱為濕陷系數；濕陷變形量按野外浸水載荷試驗在200kpa壓力下的附加變形量確定，當附加變形量與載荷板寬度之比大于0.015時為濕陷性黃土。土的凍脹性土的凍脹和凍融給建筑物或土工建筑物帶來危害的變形特性；季節性凍土、隔年凍土（1-2年）、多年凍土（3年以上）；土凍脹分類：不凍脹、弱凍脹、凍脹、強凍脹、特強凍脹。具有破壞性；粉土換砂土。平均凍脹率在平面凍結條件下單層土的平均凍脹率，可以用野外觀測的最大凍脹值h與當時當地的凍脹深度z0之比得出，即Kbh/z0。根據凍脹率的大小,地基劃分為

25、不凍脹地基(Kb1)、弱凍脹地基(1Kb3.5)、凍脹地基(3.5Kb6)和強凍脹地基(Kb6)“土的工程分類是勘察、設計的首要內容”2.7 土的工程分類 分類存在不同體系分類存在不同體系，主要有：主要有： (1) (1) 建設部建設部土的分類標準土的分類標準( (GB/T50145-2007) )； ( 2 ) ( 2 ) 建 設 部建 設 部 建 筑 地 基 基 礎 設 計 規 范建 筑 地 基 基 礎 設 計 規 范 (GB50007(GB50007 2002)2002)； (3) (3) 水利部水利部土工試驗規程土工試驗規程(SL237(SL237 1999)1999)中的中的128128 8484分類法；分類法； (4) (4) 交通部交通部公路土工試驗規程公路土工試驗規程(JTJ051(JTJ051 93)93)。分類原則和特點：2.7.2 土的分類標準(GB/T50145-2007)l考慮了土的有機質含量、顆粒組成特征以及土的塑性指標。 （總的分類體系如圖2-7）；l先判斷該土屬于有機土還是無機土。l若屬于無機土，根據土內各粒組的相對含量，將土分為：巨粒土和含巨粒土