1、第第2章章 土的物理性質與工程分類土的物理性質與工程分類主要內容主要內容l土的形成與特性l土的三相組成l土的物理性質指標l土的物理狀態指標l地基土的工程分類第第1節節 土的形成與特性土的形成與特性l一、土的生成：一、土的生成：l土是指覆蓋在地表的松散顆粒的堆積物，是巖石風化的產物。l巖石風化分為物理風化、化學風化和生物風化。l物理風化物理風化：巖石經受風、霜、雨、雪的侵蝕，或受波浪的沖擊、地震等引起各種力的作用，溫度的變化、凍脹等因素使整體巖石產生裂隙、崩解碎裂成巖塊、巖屑的過程。物理風化l化學風化化學風化：巖體（或巖塊、巖屑）與氧氣、二氧化碳等各種氣體、水和各種水溶液等物質相接觸，經氧化、碳

2、化和水化作用，使這些巖石或巖屑逐漸產生化學變化，分解為極細顆粒的過程。化學風化l生物風化作用生物風化作用l1、生物機械風化作用l2、生物化學風化作用生物風化作用l二、土的結構與構造：二、土的結構與構造：l1.土的結構土的結構l單粒結構單粒結構：粗礦物顆粒在水或空氣中在自重作用下沉落形成的單粒結構，其特點是土粒間存在點與點點與點的接觸。根據形成條件不同，可分為疏松狀態和密實狀態。密實狀態密實狀態疏松狀態疏松狀態蜂窩狀結構蜂窩狀結構：顆粒間點與點接觸，由于彼此之間引力大于重力，接觸后，不再繼續下沉，形成鏈環單位,很多鏈環聯結起來，形成孔隙較大的蜂窩狀結構。 蜂窩結構蜂窩結構 絮狀結構絮狀結構：細微

3、粘粒大都呈針狀或片狀,質量極輕,在水中處于懸浮狀態。當懸液介質發生變化時，土粒表面的弱結合水厚度減薄，粘粒互相接近，凝聚成絮狀物下沉，形成孔隙較大的絮狀結構。絮狀結構絮狀結構角、邊與面接觸時凈引力最大，因此絮狀結構的特征是土粒之間以角、邊與面的接觸或邊與邊的搭接形式為主。土粒呈任意排列，具有較大的孔隙，其強度低，壓縮性高，對擾動比較敏感。l2.土的構造土的構造 土的構造是指同一土層中成分和大小都相近的顆粒或顆粒集合體的相互關系特征。土的構造是在土的生成過程和各種地質因素作用下形成的，一般分為：1）層狀構造2）分散構造3）裂隙構造2.土的構造土的構造l層狀構造l分散構造l裂隙構造三三.土的特性土

4、的特性l1.壓縮性大壓縮性大 反映壓縮性大小的指標是彈性模量（土稱為變形模量），隨材料的不同而有很大差別。當應力與材料厚度相同時，飽和細砂的壓縮性比C20混凝土大1600倍以上，而黏性土的壓縮性比飽和細砂還要大。l2.強度低強度低 土粒間的摩擦力和黏聚力遠遠小于建筑材料本身的強度，因此，土的強度比其他建筑物材料低得多。l3.透水性大透水性大 由于土顆粒間有大量孔隙，孔隙是透水的，因此土的透水性很大。四四.土的工程性質土的工程性質l土的工程性質土的工程性質：是指土與水的相互作用表現出來的一些性質（如塑性、脹縮性、崩解性等）、土的體積變化、土的強度、應力應變性能、土的滲透性。l土的工程性質取決于成

5、分因素和環境因素。土的工程性質取決于成分因素和環境因素。成分因素決定土的工程性質的可能變化范圍，而環境因素則確定了土的工程性質的變化趨勢和實際量。五五.土的生成條件與特性的關系土的生成條件與特性的關系l1.搬運沉積條件搬運沉積條件 搬運沉積條件不同形成的土的工程性質也不同。例如：河流沖積形成卵石層，其工程性質非常好，一般可作為天然建筑物地基；而經風力搬運、沉積的風積層（如粉細砂），工程性質差，壓縮性大，未經處理一般不能作為建筑物的地基。l2.沉積年代沉積年代 一般而言，沉積年代越長，土的工程性質越好。l3.沉積的自然地理環境沉積的自然地理環境 土生成的自然地理環境不同，其工程性質差異也很大。例

6、如：沿海的軟土、西北的濕陷性黃土、西南的紅粘土都有特殊的工程性質。第第2節節 土的組成土的組成l土是固體顆粒、水和空氣的混合物，常稱為三相系。l固相固相:土的顆粒，構成土的骨架；l液相液相:土體孔隙中的水及其溶解物；l氣相氣相:孔隙中的空氣固相固相氣相氣相液相液相l土按孔隙中被水充滿的程度分為飽和土、干飽和土、干土土和濕土濕土。l當土骨架的孔隙全部被水占滿時，這種土稱為飽和土飽和土；l當土骨架的孔隙僅含空氣時，就成為干土干土；l一般在地下水位以上地面一下一定深度內的土的孔隙中兼含空氣和水，此時的土體屬三相系，稱為濕土濕土。一、 土的固相l（一）固體顆粒的礦物成分l成土礦物包括原生礦物原生礦物和

7、次生礦物次生礦物及及有機質有機質。l原生礦物原生礦物：由巖石經物理風化生成的土粒，如石英、長石、云母。顆粒一般較粗，多呈渾圓形、塊狀或板狀，吸附水的能力弱，性質比較穩定，無塑性。砂粒一般由石英組成，其次是長石和云母。l次生礦物次生礦物：由原生礦物經化學風化作用而形成的新礦物，主要是粘土礦物，如高嶺石、伊利石和蒙脫石。顆粒極細，且多呈片狀，性質活潑，有較強的吸附水能力，具塑性。粘粒中常包含由次生礦物組成的極細顆粒。其結構分為晶體和非晶體，以晶體礦物為主蒙 脫 石l土中的有機質土中的有機質是動植物殘骸和微生物以及他們的各種分解和合成產物。l有機質會導致土的塑性增強，壓縮性增高，滲透性減小，強度降低

8、。一般情況，土中的有機質含量超過1%時，采用堆載預壓和水泥土攪拌法進行地基處理不會取得明顯改良效果l（二）固體顆粒粒組及其劃分l土粒大小在某種程度上反映了土粒性質上的差異，土粒的大小通常是以粒徑粒徑來表示。l粒組粒組：把大小相近的土粒合并為一組，稱為粒組l粒組含量粒組含量：該粒組中土粒質量與干土總質量之比l土的級配土的級配：土中各粒組的相對含量。粘粒粘粒粉粒粉粒砂粒砂粒礫礫碎石碎石塊石塊石0.0050.075260200巨粒組巨粒組粗粒組粗粒組細粒組細粒組l（三）粒度成分的分析方法l常用方法：篩分法篩分法（粒徑大于0.075mm）和靜水靜水沉降分析法沉降分析法（粒徑小于0.075mm）。l篩分

9、法：篩分法：di0.075mm利用一套孔徑由大到小的篩子，將按規定方法取得的一定質量的干試樣放入依次疊好的篩中，置振篩機上充分振搖后，稱出留在各級篩上的土粒的質量，按下式計算出小于某土粒粒徑的土粒含量百分數X： 式中：mi，m分別為小于某粒徑的土粒質量及試樣總質量100mmXi 利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同來確定小于某粒徑的土粒含量的方法。依據水力學Stokes定律，即球狀的細顆粒在水中的下沉速度與顆粒直徑的平方成正比。靜水沉降分析法靜水沉降分析法( di0.075mm)四）粒度成分的表示方法四）粒度成分的表示方法l列表法列表法：將粒度分析的成果，用表格的形式表達。這種方：將粒度分析

10、的成果，用表格的形式表達。這種方法可以清楚地用數量說明土樣各粒組的含量，但當土樣數量法可以清楚地用數量說明土樣各粒組的含量，但當土樣數量較多時，不能獲得較為直觀的結果。較多時，不能獲得較為直觀的結果。四）粒度成分的表示方法l2、累計曲線法l 1）粒徑分布曲線(常用)l 2）粒組頻率曲線(不常用)l顆粒分析試驗曲線的主要用途顆粒分析試驗曲線的主要用途l按粒徑分布曲線可求得:l1)土中各粒組含量，用于粗粒土的分類和大致評估土的工程性質；l2)某些特性粒徑，用于建筑材料的選擇和評價土級配的好壞。l根據某些特征粒徑，可得到兩個有用的指標，即不均勻系數Cu和曲率系數Cc，它們的定義為：l不均勻系數Cul

11、曲率系數Ccl式中:d10,d30和d60為粒徑分布曲線上小于某粒徑的土粒含量分別為10%,30%和60%時所對應的粒徑。d10稱為有效粒徑有效粒徑；d60稱為限制粒徑限制粒徑。1060ddCu6010230dddCcl土的級配的好壞可由土中的土粒均勻程度和粒徑分布曲線的形狀來決定，而土粒的均勻程度和曲線的形狀又可用不均勻系數和曲率系數來衡量。l不均勻系數不均勻系數CuCu的大小可用來衡量土顆粒的離散程度，Cu愈大，表示土粒愈不均勻。l對于礫類土或砂類土，同時滿足Cu5和Cc=13時，它的級配是良好的良好的；不能同時滿足上述條件時，它的級配是不良的不良的。二、土中的水（液相）二、土中的水（液相

12、）l1.結合水結合水由土顆粒表面電分子力吸附在土粒表面的一層水。1）強結合水（吸著水）強結合水（吸著水）：性質接近于固體，密度大、冰點低、沸點高，具有較大的黏滯性、彈性、抗剪強度，且不能傳遞靜水壓力； 2）弱結合水（薄膜水）弱結合水（薄膜水）：不導電，冰點低于0。與強結合水相比，密度較低但仍比普通液態水大；具較高的粘滯性、彈性、抗剪強度。不能傳遞壓力，也不能在孔隙水中自由流動，但它可以因電場引力的作用從水膜厚的地方向水膜薄的地方轉移。由于它的存在，使土具有塑性、粘性、影響土的壓縮性和強度，并使土的透水性變小。2.毛細水毛細水毛細水毛細水：在土的細小孔隙中由毛細力作用（土粒的分子引力和水與空氣交

13、界面處表面張力的共同作用）、存在于地下水位以上的過渡類型水。對土的工程性質的影響：對土的工程性質的影響： 在非飽和的砂類土中， 土粒間可產生微弱的毛 細水聯結，增加土的強度。土粒土粒彎液面孔隙水2.毛細水毛細水當毛細水上升接近建筑物基礎底面時，毛細壓力將作為基底附加壓力的增值，從而增加建筑物沉降量。當毛細水上升至地表時，不僅能引起沼澤化、鹽漬化，也會使地基、路基土浸濕，降低土的力學強度；在寒冷地區，還將加劇凍脹作用。 3.重力水重力水重力水重力水也稱自由水，存在于較粗大孔隙（如中粗砂、卵礫石土中的孔隙）中，具有自由活動能力，在重力作用下能自由流動。特點特點：具有溶解能力（化學潛蝕化學潛蝕），能

14、傳遞靜水和動水壓力（機械潛蝕機械潛蝕），對土顆粒有浮力作用浮力作用。 當它在土孔隙中流動時，對所流經的土體施加滲流力（亦稱動水壓力、滲透力），計算中應考慮其影響。 土中的水，一般認為不能承受剪力，但能承受壓力和一定的吸力，且在通常壓力范圍內，認為其不可壓縮。4.氣態水和固態水氣態水和固態水1）氣態水：）氣態水：以水汽狀態存在，從氣壓高的地方向氣壓低的地方移動。水氣可在土粒表面凝聚并轉化為其他各種類型的水。氣態水的遷移和聚集使土中水和氣體的分布狀況發生變化，從而改變土的性質。2）固態水：）固態水：當溫度低于0時，孔隙中的自由水凍結呈固態，以冰的形式存在。三、土的氣相l存在土中的氣體分為兩種基本類

15、型：一種是與大氣連通的氣體連通的氣體；另一種是與大氣不連通的以氣泡形式存在的封閉氣體封閉氣體。l 若土的飽和度低，土中氣體就與大氣相通，當土受到外力時，氣體很快從孔隙中排出，一般對土的工程性質影響不大。但若土的飽和度很高，土中出現封閉氣泡時，外力將引起氣泡壓縮，而一旦外力除去或孔隙水排出，氣泡就膨脹。因而，封閉氣泡對土的工程性質影響較大。第第3節土的物理性質指標節土的物理性質指標AirWaterSoil Particlesma=0mwmsmVaVwVsVvVl土的物理性質指標就是表示土中三相比例關系的一些物理量。l可分為兩類：一類是必須通過試驗測定的，如含水率、密度和土粒比重，稱為直接指標直接

16、指標；另一類是根據直接指標換算的，如孔隙比、孔隙率、飽和度等稱為間接指標間接指標。一、試驗直接測定的物理性質指標一、試驗直接測定的物理性質指標l（一）土的密度與重度l 土的密度土的密度定義為單位體積土的質量，表達式為：l對于粘性土，土的密度常用環刀法環刀法測定。awsawsVVVmmmVml土的重度亦稱為容重，定義為單位體積土的重量，用表示，單位為kN/m3。表達式為： l式中：G土的重量，單位為kN； g重力加速度。gVgmVGl（二）土粒比重ds（土粒相對密度）l土粒比重土粒比重定義為土粒的質量(或重量)與同體積4時純水的質量(或重量)之比(無因次)，其表達式為：式中：s土粒的密度，即土粒

17、單位體積的質量；(s)44時純水的密度，1g/cm3 (w)44時純水的重度。4s4wwsssVmd4wsssVgmd或l土粒比重常用比重瓶法比重瓶法測定，事先將比重瓶注滿純水，稱瓶加水的質量。然后把烘干土若干克裝入該空比重瓶內，再加純水至滿，稱瓶加土加水的質量，按下式計算土粒比重：l式中：m1瓶加水的質量； m2瓶加土加水的質量； ms烘干土的質量。21mmmmdsssl（三）土的含水率l土的含水率土的含水率，曾稱為含水量，定義為土中水的質量與土粒的質量之比，以百分數表示，其表達式為：l測定含水率常用的方法是烘干法，先稱出天然土的質量，然后放在烘箱中，在100105常溫下烘干，稱得干土質量，

18、按上式可算得。%100swmm二、間接換算的物理性質指標二、間接換算的物理性質指標l（一）土的孔隙比孔隙比el定義：土中孔隙的體積與土粒的體積之比，以小數表示，其表達式為l（二）土的孔隙率孔隙率nl定義：土中孔隙的體積與土的總體積之比，或單位體積內孔隙的體積，以百分數表示，其表達式為：svVVe%100VVnvl（三）土的飽和度飽和度Srl定義：土中孔隙水的體積與孔隙體積之比，以百分數表示，其表達式為：l飽和度描述土中孔隙被水充滿的程度。干土Sr=0,飽和土Sr=100%。 %100vwrVVSl（四）干密度d與干重度dl土的干密度干密度：單位體積內土粒的質量，表達式：l土的干重度干重度：單位

19、體積內土粒的重量，表達式為 VmsdgVgmVGdssd土烘干，體積要減小，因而，土的干密度不等于烘干土的密度。土的干密度或干重度也是評定土密實程度的指標，干密度或干重度愈大表明土愈密實，反之愈疏松。l（五）飽和密度sat與飽和重度satl飽和密度飽和密度定義：土中孔隙完全被水充滿，土處于飽和狀態時單位體積土的質量。表達式為：l在飽和狀態下，單位體積土的重量稱為飽和重飽和重度度，其表達式為：VVmwvssatgVgVgmVVGsatwvswvssatl（六）浮密度與浮重度（有效重度）l土在水下，受到水的浮力作用，其有效重量減小，因此提出了浮重度浮重度，即有效重度的概念，其表達式為：l與其相應，

20、提出了浮密度浮密度的概念，土的浮密度是單位體積內的土粒質量與同體積水質量之差，其表達式為：l 或gVgVgmVVGwsswssVVmwsswsatl從上述四種土的密度或重度的定義可知，同一土樣各種密度或重度在數值上有如下關系dsatdsatl常用的土的物理指標共有九個（土的密度、土粒比重、含水率、孔隙比、孔隙率、飽和度、干密度、飽和密度、飽和密度）。已知其中任意三個，通過換算可以求出其余的六個。指指 標標 的的 換換 算算 直接測定指標直接測定指標 換算指標換算指標利用三相圖換算指標，就是利用已知指標計算出三相草圖中的各相數值，再根據所求指標的定義直接計算。事實上，由于三相量的指標都是相對的比

21、例關系，不是絕對的量值，因因此，為了簡化計算，常常可以假設三相的值為此，為了簡化計算，常常可以假設三相的值為1個單位，實用上最常用的假設個單位，實用上最常用的假設VS=1.0m3（或（或cm3）或）或V=1.0 m3（或（或cm3）進行計算。）進行計算。 例題例題2-4 表表2-4第四節土的物理狀態指標第四節土的物理狀態指標 一、無黏性土的密實度一、無黏性土的密實度砂土、碎石土統稱無黏性土，反映這類土工程性質砂土、碎石土統稱無黏性土，反映這類土工程性質的主要指標是的主要指標是密實度密實度。砂土的密實狀態可以分別用。砂土的密實狀態可以分別用孔隙比孔隙比e、相對密度、相對密度Dr、和標準貫入錘擊數

22、、和標準貫入錘擊數N進行評進行評價。價。1.天然孔隙比天然孔隙比e 采用天然孔隙比采用天然孔隙比e 的大小來判別砂土的密實度，是的大小來判別砂土的密實度，是一種較簡單的方法。但不足之處是它不能反映砂土一種較簡單的方法。但不足之處是它不能反映砂土的級配和顆粒形狀的影響。的級配和顆粒形狀的影響。2.用相對密實度用相對密實度Dr表示砂土的密實程度表示砂土的密實程度: 討論： eemax時, Dr0 ; eemin時, Dr1.0。minmaxmaxeeeeDrl3.標準貫入試驗錘擊數N二、粘性土的稠度l（一）粘性土的稠度狀態l稠度稠度指粘性土的干濕程度或在某一含水率下抵抗變形或破壞的能力，是粘性土最

23、主要的物理狀態物理狀態指標指標。l剛沉積的粘土具有液體泥漿那樣的稠度，為極易流動的流動狀態流動狀態；l但隨著土體含水率的減小，體積收縮，從而喪失其流動能力，進入可塑狀態可塑狀態；l若含水率繼續減小，粘土在外力作用下易于碎裂，粘土已進入半固體狀態半固體狀態；l最后，即使粘土進一步減小含水率，而它的體積也不再收縮，粘土就進入固體狀態固體狀態。l 可塑性可塑性：土在外力作用下可改變形狀但不顯著改變其體積也不開裂，外力卸除厚仍能保持已有的形狀。l（二）界限含水率及其測定l1.界限含水率l粘性土從一種狀態過渡到另一種狀態，可用界限含水率來區分，這種界限含水率稱為稠度界稠度界限限或阿太堡界限阿太堡界限。l

24、液限液限(WL)從流動狀態轉變為可塑狀態的界限含水率，也就是可塑狀態的上限含水率；l塑限塑限(Wp)從可塑狀態轉變為半固體狀態的界限含水率，也就是可塑狀態的下限含水率；l縮限縮限(Ws)從半固體狀態轉變為固體狀態的界限含水率，亦即粘性土體積開始不隨含水率減小變化的含水率。l2.液、塑限的測定l測定塑限塑限的方法：搓滾法和液塑限聯合測定法。l測定液限液限的方法：碟式儀法和液塑限聯合測定法l測定縮限縮限的方法：收縮皿法，把土料的含水率調制到大于土的液限，然后將試樣分層填入收縮皿中，刮平表面，烘干，測出干試樣的體積并稱量準確至0.1g后，按下式計算：液塑限聯合測定儀液塑限聯合測定儀下沉深度為下沉深度

25、為17mm所對應的含水量為液限所對應的含水量為液限; ;下沉深度為下沉深度為2mm處所對應的含水量為塑限處所對應的含水量為塑限 l式中：ws土的縮限； w制備時的含水率； V1濕試樣的體積； V2干試樣的體積。10021wssmVVl（三）塑性指數和液性指數l1.塑性指數l塑性指數塑性指數：液限和塑限之差的百分數值(去掉百分號),用Ip表示，取整數，即：l塑性指數表示土處于可塑狀態的含水率變化范圍，是衡量土可塑性大小的重要指標。塑性指數值越高，土的粘粒含量越高，結合水的能力越強。pLpIl2.液性指數l定義式為：l式中：IL液性指數,以小數表示; w土的天然含水率。l液性指數表征了土的天然含水率與界限含水率之間的相對關系，表達了天然土所處的稠度狀態。l當wwp時，IL0，土處于堅硬狀態；l wpwwL時，0IL1.0，土處于可塑狀態；l wLw時，IL1.0，土處于流動狀態。pppLpLII第第5節節 地基土的工程分類地基土的工程分類l粗粒土按顆粒組成進行分類l粘性土按塑性指數分類。粘粒粘粒粉粒粉粒砂粒砂粒礫礫碎石碎石塊石塊石0.0050.075260200巨粒組巨粒組粗粒組粗粒組細粒組細粒組一、土的分類標準l（一）巨粒土和含巨粒土的