1、 第第1 1章章 土的物理性质及分类土的物理性质及分类1.1 概述概述1.2 土的组成土的组成1.3 土的三相比例指标土的三相比例指标1.4 无粘性土的密实度无粘性土的密实度1.5 粘性土的物理特征粘性土的物理特征1.6 土的击实性土的击实性1.7 地基土的工程分类地基土的工程分类 掌握土的物理性质和土的物理性质指标计算方法，掌握土的工掌握土的物理性质和土的物理性质指标计算方法，掌握土的工程分类方法。程分类方法。学习基本要求学习基本要求1.1 1.1 概述概述风化、剥蚀、搬运、沉积风化、剥蚀、搬运、沉积 土具有这种特殊的结构，研究其工程地质性土具有这种特殊的结构，研究其工程地质性质不同于质不同
2、于固体力学固体力学，也不同于，也不同于流体力学流体力学。土颗粒。土颗粒的大小、形状、排列方式、颗粒间的胶结物种类的大小、形状、排列方式、颗粒间的胶结物种类和胶结程度、孔隙大小、排列方式、含水量的大和胶结程度、孔隙大小、排列方式、含水量的大小都与土的工程性质存在密切的关系，下面分别小都与土的工程性质存在密切的关系，下面分别从这几个方面来讲述土的性质。从这几个方面来讲述土的性质。因此，要研究土的性质就必须了解因此，要研究土的性质就必须了解土的三相组土的三相组成成以及在天然状态下土的以及在天然状态下土的结构和构造结构和构造等特征。等特征。土土的的三相组成物质三相组成物质的性质，相对含量以及土的结的性
3、质，相对含量以及土的结构构造等各种因素通过土的物理性质（土的轻重、构构造等各种因素通过土的物理性质（土的轻重、松密、湿干、软硬等）反映，土的松密、湿干、软硬等）反映，土的物理性质物理性质在一定在一定程度上决定了它的力学性质，所以物理性质是土的程度上决定了它的力学性质，所以物理性质是土的最基本的工程性质。最基本的工程性质。处理与土相关的工程问题和进行土力学计算时：处理与土相关的工程问题和进行土力学计算时：知道土的物理特性指标及其变化规律，了解各类知道土的物理特性指标及其变化规律，了解各类土的特性，掌握各物理特性指标的测定方法以及三相土的特性，掌握各物理特性指标的测定方法以及三相比例指标间的相互换
4、算关系，熟悉土的分类方法。比例指标间的相互换算关系，熟悉土的分类方法。2 2、土的粒度组成、土的粒度组成(grain size composition)粗粒粗粒coarse soils巨粒巨粒Very coarse soils细粒细粒Fine soils 筛分法筛分法(sieving)：用于粒径小于等于：用于粒径小于等于60mm，大于，大于0.075mm的粗粒组。是的粗粒组。是将风干、分散的代表性土样通过一套将风干、分散的代表性土样通过一套自上而下孔径由大到小的标准筛（自上而下孔径由大到小的标准筛（60、20、2、0.5、0.25、0.1、0.075mm），），称出留在各个筛上的干土重，即可求
5、称出留在各个筛上的干土重，即可求得各个粒组的相对含量。得各个粒组的相对含量。1）土的颗粒分析试验）土的颗粒分析试验沉降分析法沉降分析法(sedimentation analysis method)：用于粒径小于用于粒径小于0.075mm的细粒组。理论基础是土的细粒组。理论基础是土粒在水中的沉降原理。粒在水中的沉降原理。小于或大于某土粒的累小于或大于某土粒的累计重量百分比计重量百分比用对数值表示的土的粒径用对数值表示的土的粒径曲线的坡度可以大致判断土曲线的坡度可以大致判断土粒的均匀程度或级配是否良粒的均匀程度或级配是否良好。曲线较好。曲线较陡陡，表示粒径大，表示粒径大小相差不多，土粒较小相差不多
6、，土粒较均匀均匀，级配不良级配不良；反之，曲线；反之，曲线平缓平缓，则表示粒径大小相差悬殊，则表示粒径大小相差悬殊，土粒土粒不均匀不均匀，即，即级配良好级配良好。不均匀系数不均匀系数(uniformity coefficient)cu=d60/d10曲率系数曲率系数(coefficient of curvature)cc=d230/d60*d10d60-限制粒径限制粒径d30-中间粒径中间粒径d10-有效粒径有效粒径Cu5和和Cc=13Cu10级配良好级配良好级配连续的土级配连续的土l级配不同，土的工程性质不同级配不同，土的工程性质不同1、土中水、土中水气态水气态水液态水液态水固态水固态水自由
7、水（重力水）自由水（重力水）毛细水毛细水结合水结合水弱结合水弱结合水强结合水（吸附结合水）强结合水（吸附结合水）渗透吸附结合水渗透吸附结合水次定向吸附结合水次定向吸附结合水矿物颗粒间固态水矿物颗粒间固态水冰冰矿物晶格中的水矿物晶格中的水沸石水沸石水结晶水结晶水结构水结构水二、土中的水和气二、土中的水和气硅氧四面体硅氧四面体铝氢氧八面体铝氢氧八面体nH2OK K蒙脱石蒙脱石伊利石伊利石高岭石高岭石高岭石双层型结构单元层示意图高岭石双层型结构单元层示意图一层硅氧四面体与一层铝氢氧八面体一层硅氧四面体与一层铝氢氧八面体蒙脱石三层结构单元层示意图蒙脱石三层结构单元层示意图两层四面体晶片中间夹一层八面体
8、晶片组成两层四面体晶片中间夹一层八面体晶片组成nH2OnH2OK K蒙脱石蒙脱石伊利石伊利石高岭石高岭石l粘土颗粒表面的带电现象粘土颗粒表面的带电现象 电泳：电泳：固体颗粒在直流电作用下向某一电极移动的现象固体颗粒在直流电作用下向某一电极移动的现象 电渗：电渗：水分子向相反电极移动的现象水分子向相反电极移动的现象2、粘土颗粒与水的相互作用、粘土颗粒与水的相互作用 固定层：固定层：在最靠近土粒表面处，静电引力最强，把水化离子在最靠近土粒表面处，静电引力最强，把水化离子 和极性分子牢固地吸附在颗粒表面形成和极性分子牢固地吸附在颗粒表面形成固定层固定层 扩散层：扩散层：在固定层外围，静电引力比较小，
9、因此水化离子和在固定层外围，静电引力比较小，因此水化离子和 极性分子的活动性比在固定层中大些，形成极性分子的活动性比在固定层中大些，形成扩散层扩散层 双电层：双电层：固定层和扩散层中所含的阳离子与土粒表面的阴离固定层和扩散层中所含的阳离子与土粒表面的阴离 子一起构成子一起构成双电层双电层l双电层与扩散层的概念双电层与扩散层的概念结合水分子定向排列及其所受电分子力变化的简图结合水分子定向排列及其所受电分子力变化的简图土的结构土的结构structure：指土的物质组成（主要指土粒、也包括孔指土的物质组成（主要指土粒、也包括孔隙）的空间相互排列以及土粒的联结特征的综合性隙）的空间相互排列以及土粒的联
10、结特征的综合性 按其颗粒的排列胶结按其颗粒的排列胶结单粒蜂窝絮凝四、土的结构和构造四、土的结构和构造构造构造fabric：在同一土层中的物质成分和颗粒大小等都相近的各在同一土层中的物质成分和颗粒大小等都相近的各部分之间的相互关系的特征为土的构造，是从宏观角度研究土的部分之间的相互关系的特征为土的构造，是从宏观角度研究土的组成，其主要特征是土的成层性和裂隙组成，其主要特征是土的成层性和裂隙单粒结构：单粒结构：是由粗大土粒在水中或空气中下沉而形成的，土颗粒是由粗大土粒在水中或空气中下沉而形成的，土颗粒相互间有稳定的空间位置。相互间有稳定的空间位置。蜂窝结构：由粉粒或细砂粒组成的土的结构形式蜂窝结构
11、：由粉粒或细砂粒组成的土的结构形式絮状结构：由粉粒或细砂粒组成的土的结构形式。絮状结构：由粉粒或细砂粒组成的土的结构形式。-1.集粒，管状孔隙（集粒，管状孔隙（2-1湿陷前，湿陷前，500 x）-2.集粒，团粒（集粒，团粒（2-1湿陷前，湿陷前，800 x）-3.支架大孔微胶结结构支架大孔微胶结结构（2-1湿陷前，湿陷前，1500 x）-4.支架大孔被部分支架大孔被部分小颗粒充填，颗粒点接触小颗粒充填，颗粒点接触（2-1湿陷前，湿陷前，4000 x）VaVwVsVvVmwmsm气气水水土土 粒粒11wsswsssVmVmG土粒密度，土粒密度，g/cm3，等于，等于1g/cm3%100swmmw
12、VaVwVsVvVmwmsm气气水水土土 粒粒“烘干法烘干法”测定测定g/cm3Vm“环刀法环刀法”测定测定粘性土：粘性土：g/cm3砂土：砂土：g/cm3腐殖土：腐殖土：g/cm3VaVwVsVvVmwmsm气气水水土土 粒粒VmsdVVmwvssatVVmwvsggddgsatsatgsvVVe VVnv%100VVSwr11swwVVaVwVsVvVmwmsm气气水水土土 粒粒wswsswwsswGmwGwmmGm)1(砂土的相对密实度砂土的相对密实度 (relative density):(relative density):minmaxmaxeeeeDr缩限缩限 塑限塑限 液限液限二
13、、粘性土的可塑性指标二、粘性土的可塑性指标1.塑性指数塑性指数Ip：是指液限和塑限的差值，即土处于可塑状态的含是指液限和塑限的差值，即土处于可塑状态的含水量变化范围。水量变化范围。plWWIpn从土的颗粒来说，土粒愈细，比表面积愈大，结从土的颗粒来说，土粒愈细，比表面积愈大，结合水含量愈高，合水含量愈高，Ip随之增大；随之增大；n 从矿物成分来说，粘粒或亲水矿物含量愈高，从矿物成分来说，粘粒或亲水矿物含量愈高，土处在可塑状态的含水量变化范围愈大。土处在可塑状态的含水量变化范围愈大。Ip 综合反映了土的矿物成分和颗粒大小的影响，因此，综合反映了土的矿物成分和颗粒大小的影响，因此，塑性指数常作为工
14、程上对粘性土进行分类的依据。塑性指数常作为工程上对粘性土进行分类的依据。Ip 10 粉粉 土土10Ip17 粘粘 土土2.液性指数液性指数Il：是指粘性土的天然含水量和塑限的差值是指粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比。与塑性指数之比。wwp Ilwl Il1 流动状态流动状态wp wwl 01 可塑状态可塑状态故可利用液性指数作为粘性土状态的划分指标故可利用液性指数作为粘性土状态的划分指标plplwwwwI粘性土的状态（粘性土的状态（GB5007）粘性土的状态（粘性土的状态（JTJ024-85）注注：液塑限用重塑土测定，表征的不是具有结：液塑限用重塑土测定，表征的不是具有结构性的粘性
15、土体与水的关系，以及作用后表现构性的粘性土体与水的关系，以及作用后表现出的物理状态。因此，保持天然结构的原状土，出的物理状态。因此，保持天然结构的原状土，在在w=ww=wl l后，并不处于流动状态。当然，一旦土后，并不处于流动状态。当然，一旦土的结构性被破坏，土体则呈流动状态。的结构性被破坏，土体则呈流动状态。三、粘性土的结构性和触变性三、粘性土的结构性和触变性1、土的结构性：、土的结构性：指天然土的结构受到扰动影响而改指天然土的结构受到扰动影响而改变的特性。表现为：结构破坏，强度降低，压缩性增变的特性。表现为：结构破坏，强度降低，压缩性增大。大。用灵敏度用灵敏度St表示结构性对强度的影响。表
16、示结构性对强度的影响。uutqqS Degree of sensitivity of soil原状土的强度与该土经重塑后的强度之比原状土的强度与该土经重塑后的强度之比低灵敏度低灵敏度 1St2中灵敏度中灵敏度 242.土的触变性土的触变性(thixotropy)：饱和粘性土的结构受到扰动，饱和粘性土的结构受到扰动，导致强度降低，但当扰动停止后，土的强度又随时间而逐导致强度降低，但当扰动停止后，土的强度又随时间而逐渐恢复，粘性土的这种抗剪强度随时间恢复的胶体化学性渐恢复，粘性土的这种抗剪强度随时间恢复的胶体化学性质称为土的触变性。质称为土的触变性。四、粘性土的胀缩性、湿陷性和冻胀性四、粘性土的胀
17、缩性、湿陷性和冻胀性%10000VVVwef1 1 胀缩性：胀缩性：是指粘性土具有吸水膨胀和失水收缩是指粘性土具有吸水膨胀和失水收缩 的两种变形特性的两种变形特性2 湿陷性湿陷性(collapsibility)：是指土在自重压力作用下或自重压是指土在自重压力作用下或自重压力和附加压力综合作用下，受水浸湿后，使土的结构迅速破坏力和附加压力综合作用下，受水浸湿后，使土的结构迅速破坏而发生显著的附加下陷的特征。而发生显著的附加下陷的特征。pppshhh3 3 土的冻胀性土的冻胀性(frost heave)(frost heave)：是指土的冻胀和冻是指土的冻胀和冻融给建筑物或土工建筑物带来危害的变形
18、特性。融给建筑物或土工建筑物带来危害的变形特性。Coefficient of collapsibility土的压实性土的压实性:土体能够通过振动、夯实土体能够通过振动、夯实和碾压等方法调整土粒排列，进而增加密和碾压等方法调整土粒排列，进而增加密实度的性质称为土的压实性。实度的性质称为土的压实性。压实的目的：压实的目的：工程中广泛用到填土（路工程中广泛用到填土（路基、堤坝、飞机跑道、平整场地修建建筑基、堤坝、飞机跑道、平整场地修建建筑物以及开挖基坑后回填土、吹填），填物以及开挖基坑后回填土、吹填），填 土经过压实，以减少其沉降量，降低其透土经过压实，以减少其沉降量，降低其透水性，提高其强度。水性
19、，提高其强度。1.6 1.6 土的压实原理土的压实原理压实方法：压实方法：碾压、夯实和振动三类碾压、夯实和振动三类Smooth-wheeled roller Sheepsfoot roller Pneumatic-tyred roller Vibrating plate Power rammer 击实曲线具有如下特点：击实曲线具有如下特点：1.峰值峰值2.击实曲线位于理论饱和曲击实曲线位于理论饱和曲线左侧线左侧3.击实曲线在最优含水量两击实曲线在最优含水量两侧左陡右缓，且大致与饱侧左陡右缓，且大致与饱和曲线平行，表明土在较和曲线平行，表明土在较最优含水量偏干状态时，最优含水量偏干状态时，含水量
20、对土的密实度影响含水量对土的密实度影响更为显著。更为显著。一、击实试验一、击实试验compaction test最优含水量最优含水量Wop：在一定的压实功能下使土最容易在一定的压实功能下使土最容易压实，并能达到最大密实度时的含水量称为土的压实，并能达到最大密实度时的含水量称为土的最优含水量。相对应的干密度则称为最大干密度最优含水量。相对应的干密度则称为最大干密度dmax.二、影响击实效果的因素二、影响击实效果的因素1.含水量的影响含水量的影响2.击实功的影响击实功的影响3.不同土类和级配的影响不同土类和级配的影响maxdd三、压实特性在现场填土中的应用三、压实特性在现场填土中的应用压实度或压实
21、度或压实系数压实系数室内击实试验所得的室内击实试验所得的最大的干密度最大的干密度工地压实的干密度工地压实的干密度一、分类的原则一、分类的原则 土的工程分类是把不同的土分别安排到各个具有相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。可供采用的描述与评价土的方法。1.7 土的分类土的分类原则：原则：简明的原则：简明的原则：分类指标，既要能综合反映土的主要工程性分类指标，既要能综合
22、反映土的主要工程性质，又要测定方法简单，使用方便。质，又要测定方法简单，使用方便。工程特性差异的原则：工程特性差异的原则：指标要在一定程度上反映不同类工指标要在一定程度上反映不同类工程用土的不同特性。程用土的不同特性。工程系统的分类体系工程系统的分类体系：把土作为建筑地基和环境，以把土作为建筑地基和环境，以原状土为对象，考虑土的组成，重视其结构性。原状土为对象，考虑土的组成，重视其结构性。工程材料系统分类体系工程材料系统分类体系：把土作为建筑材料，以扰动把土作为建筑材料，以扰动土为对象，注重土的组成，不考虑土的天然结构。土为对象，注重土的组成，不考虑土的天然结构。二、土的分类标准二、土的分类标
23、准总的分类体系一般土的分类一般土的分类 按不同粒组的相对含量划分为按不同粒组的相对含量划分为巨粒土和含巨粒土巨粒土和含巨粒土、粗粒土粗粒土、细粒土。细粒土。巨粒土和含巨粒土、粗粒土按其粒组、级配、所含细粒的塑性高低巨粒土和含巨粒土、粗粒土按其粒组、级配、所含细粒的塑性高低分为分为 16类类细粒土按塑性图分类细粒土按塑性图分类地基土的分类地基土的分类 地基土的分类是根据不同的原则将其划分为一定的类别，同地基土的分类是根据不同的原则将其划分为一定的类别，同一类别的土在工程地质性质上应比较接近。根据分类名称可以一类别的土在工程地质性质上应比较接近。根据分类名称可以大致判断土的工程特性、评价土作为建筑
24、材料的适宜性及结合大致判断土的工程特性、评价土作为建筑材料的适宜性及结合其他指标来确定地基的承载力等。其他指标来确定地基的承载力等。作为建筑场地和地基的土的分类一般可按下列原则进行：作为建筑场地和地基的土的分类一般可按下列原则进行：1、根据地质成因可分为残积土、坡积土、洪积土、冲积土、根据地质成因可分为残积土、坡积土、洪积土、冲积土、风积土等。风积土等。2、根据根据颗粒级配颗粒级配或或塑性指数塑性指数可分为可分为碎石土、砂土碎石土、砂土、粉土粉土和和粘性土粘性土。3、根据土的工程特性的特殊性质可分为一般土和根据土的工程特性的特殊性质可分为一般土和特殊土特殊土。为专门分类，将作为建筑物地基的土分
25、为碎石土碎石土、砂土砂土、粉土粉土、粘粘性土和人工填土等。性土和人工填土等。（1）碎石土碎石土是指粒径大于2mm的颗粒含量超过全重的50%的土。（2）砂土砂土是指粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重的50%的、粒径大于0.075mm的颗粒超过全重50%的土。（3）粉土粉土是指粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重的50%的、塑性指数小于是10的土。砂质粉土：粒径小于0.005mm 的颗粒含量不超过全重的10%粘质粉土：粒径小于0.005mm 的颗粒含量超过全重的10%（4）粘性土粘性土是指塑性指数大于10的土。可按沉积年代和塑性指数进行分类。1 1、土：土：土是岩石经风化后，产生崩解、破碎、
26、变质，又经过各土是岩石经风化后，产生崩解、破碎、变质，又经过各种自然力搬运，在新的环境下沉积下来的颗粒状松散堆积物种自然力搬运，在新的环境下沉积下来的颗粒状松散堆积物土的物理性土的物理性 ：粒度粗细；密度粒度粗细；密度 松密松密 ；湿度干湿湿度干湿 ；构度构度 强弱强弱 它的作用是它的作用是 ：（：（1 1）承受其上的结构载荷；（）承受其上的结构载荷；（2 2）作为材料，）作为材料，修建坝堤、路基等。修建坝堤、路基等。2 2、土力学、土力学 （土工试验力学原理）（土工试验力学原理）工程应用工程应用 土力学土力学 材料的三大定律土体的三大稳定性材料的三大定律土体的三大稳定性 土力学土力学 材料的
27、物性材料的物性4 4因素：粒度、密度、湿度、因素：粒度、密度、湿度、构度构度 力学性力学性3 3定理：渗透性、压缩性、抗剪性定理：渗透性、压缩性、抗剪性 +土体（地基、边坡、洞室）的土体（地基、边坡、洞室）的 3 3 个稳定：个稳定：强度、变形、渗透强度、变形、渗透 1 1 个体系：地基、基础、结构（施工）个体系：地基、基础、结构（施工）土力学土力学 是以研究土为对象的力学分支；是以研究土为对象的力学分支；是研究土的应力、应变、强度、稳定、渗透性等及土与结构是研究土的应力、应变、强度、稳定、渗透性等及土与结构相互作用等规律的一门科学；相互作用等规律的一门科学；是研究土的本构关系（应力应变强度时间四变量之间是研究土的本构关系（应力应变强度时间四变量之间的关系）及土与结构相互作用等规律的一门科学；的关系）及土与结构相互作用等规律的一门科学；是应用材料力学、流体力学等基础知识研究土的工程性质以是应用材料力学、流体力学等基础知识研究土的工程性质以及与土有关及与土有关 的工程问题的技术学科。的工程问题的技术学科。土力学理论形成土力学理论形成 :先实验，先实验，后理论后理论 ；先技术，后科学先技术，后科学 ；相互推动，螺旋上升。相互推动，螺旋上升。
