10/10土的物理性質及工程分類課題:第一章土的物理性質及工程分類

一、教學目的：1.了解土的生成和工程力學性質及其變化規律；

2.掌握土的物理性質指標的測定方法和指標間的相互轉換；

3.熟悉土的抗滲性與工程分類。

二、教學重點：土的組成、土的物理性質指標、物理狀態指標。

三、教學難點：指標間的相互轉換及應用。

四、教學時數：6學時。

五、習題：

第一章土的物理性質及工程分類

一、土的生成與特性

1.土的生成

工程領域土的概念：土是指覆蓋在地表的沒有膠結和弱膠結的顆粒堆積物，土與巖石的區分僅在于顆粒膠結的強弱，土和石沒有明顯區分。

土的生成:巖石在各種風化作用下形成的固體礦物、流體水、氣體混合物。

不同風化形成不同性質的土，有下列三種：

（1）物理風化：只改變顆粒大小，不改變礦物成分。由物理風化生成土為粗粒土（如塊碎石、礫石、砂土），為無粘性土。

（2）化學風化：礦物發生改變，生成新成分—次生礦物。由化學風化生成土為細粒土，具有粘結力（粘土和粘質粉土），為粘性土。

（3）生物風化：動植物與人類活動對巖體的破壞。礦物成分沒有變化。

2.土的結構和構造

（1）土的結構

定義：土顆粒間的相互排列和聯結形式稱為土的結構。

1)種類：

單粒結構：每一個顆粒在自重作用下單獨下沉并達到穩態。

蜂窩結構：單個下沉，碰到已下沉的土顆粒，因土粒間分子引力大于重力不再下沉，形成大孔隙蜂窩狀結構。

絮狀結構：微粒極細的粘土顆粒在水中長期懸浮，相互碰撞吸引形成小鏈環狀土集粒。小鏈之間相互吸引，形成大鏈環，稱絮狀結構。

圖土的結構

3）工程性質：

密實的單粒結構工程性質最好，蜂窩結構與絮狀結構如被擾動破壞天然結構，則強度低、壓縮性高，不可用做天然地基。

（2）土的構造

1）定義：同一土層中，土顆粒之間的相互關系。

2）種類：

層狀結構：由不同顏色或不同粒徑的土組成層理，一層一層互相平行。

分散構造：土粒分布均勻，性質相近，如砂與卵石層為分散構造。

結核狀構造:在細粒土中混有粗顆粒或各種結核，屬結核狀構造。

裂隙狀構造：土體中有很多不連續的小裂隙。

3）工程性質：分散結構的工程性質最好，結核狀取決于細粒土，裂隙狀滲透性大，工程性質差。

3.土的工程特性

(1)壓縮性高

當應力數值相同，材料厚度一樣時，卵石的壓縮性為剛才壓縮性的數千倍；飽和細沙的壓縮性為C20混凝土的數千倍，足以證明土的壓縮性極高。軟塑或流塑狀態的粘性土比飽和細沙的壓縮性還要高。

(2)強度低

土的強度特指抗剪強度，而非抗壓強度或抗拉強度。

無粘性土的強度來源于土粒表面滑動的摩擦和顆粒間的咬合摩擦；粘性土的強度出摩擦力外，還有粘聚力，均遠小于建筑材料本身的強度。

(3)透水性大

土體顆粒間具有許多透水空隙，因此透水性比木材、混凝土都大，尤其是粗顆粒的卵石或砂土，其透水性更大。

4.土的生成與工程特性的關系

(1)搬運、沉積條件：沖積層優于風積層。

(2)沉積年代：沉積年代越長，工程性質越好。

(3)自然環境：特殊土地基。

二、土的三相組成

土的三相組成是指土由固體礦物、水和氣體三部分組成。

1.土的固體顆粒

土的固體顆粒是土的三相組成中的主體，是決定土的工程性質的主要成分。

（1）土粒的礦物成分

1）原生礦物

由巖石經物理風化生成，它的成分與母巖的相同，常見的有石英，包括單礦物顆粒—一個顆粒為單一的礦物，如常見的石英、長石、云母、角閃石與灰石等，砂土即為單礦物顆粒；多礦物顆粒—一個顆粒中包含多種礦物，如巨粒土的漂石、卵石和粗粒土的礫石，往往為多礦物顆粒。

2）次生礦物

母巖經化學風化生成的新礦物，它的成分成分與母巖的完全不同。次礦物主要是粘土礦物，由兩種種原子層構成：一種是Si-O四面體構成的硅氧晶片，另一種是Al-OH八面體構成的鋁氫氧晶片。因為這兩種晶片結合的情況不同，粘土礦物可分為下列三種：

圖粘土礦物兩種原子層

蒙脫石—兩結構單元之間沒有氫鍵，相互的聯結弱，水分子可以進入量晶胞之間。因此，蒙脫石的親水性最大，具有強烈的吸水膨脹、失水收縮的特性。

伊利石—又稱水云母，部分Si-O四面體中的Si為Al、Fe所取代，損失的原子價由陽離子鉀補償。因此，晶格層組之間具有結合力，親水性低于蒙脫石。

高嶺石—晶胞之間有氫鍵，相互結合力較強，晶胞之間的距離不易改變，水分子不能進入。因此，高嶺石的親水性最小。

腐殖質：土中腐殖質含量多，使土的壓縮性增大。有機質超過3%~5%的不宜作為建筑材料。

（2）土顆粒的大小和形狀

通過界限粒徑（劃分粒組的分界尺寸）將土顆粒劃分為6個粒組：粘粒（小于㎜）、粉粒（,）、砂粒（，2）、圓礫(角礫)（2，60）、卵石(碎石)/（60，200）、漂石(塊石）（大于200mm）。通常粗粒土的壓縮性低、強度高、滲透性大。表面粗糙抗剪強度越高。

（3）土的顆粒級配

粒徑級配：土中各粒組的相對含量，占總質量的百分數。

1）篩分法：

適用于礫石類和砂類土，d>，主要設備為一套標準分析篩，孔徑分別為20，10，5，，，，，。取樣數量：d＜20mm，可取1000~2000g;d＜10mm，可取300~1000g;d＜2mm，可取100~300g;

震篩10~15min后稱取各級篩底盤試樣的質量。2）密度計法：

適用于粉土和粘性土，d＜，測定懸濁液讀數。粒徑級配曲線上：縱坐標10%所對應的粒徑

稱為有效粒徑；縱坐標為60%所對應的

粒徑60d稱為限定粒徑；60d與10d的比值稱為不均勻系數uC，即

6010

ud

Cd=

不均勻系數uC為表示土顆粒組成的重要特征。當uC很小時曲線很陡，表示土均勻；當uC很大時曲線平緩，表示土的級配良好。

曲率系數cC為表示土顆粒組成的又一特征，cC按下式計算：

230

1060cdCdd=

?

式中30d為粒徑級配曲線上縱坐標為30%所對應的粒徑。

礫石和砂土級配uC≥5且cC=1~3為級配良好；級配不同時滿足這兩個要求則為級配不良。

2.土中水（1）結合水1）強結合水

排列致密、定向性強；密度>1g/cm3；冰點處于零下幾十度具有固體的的特性；接近固體，不傳遞靜水壓力；溫度高于100°C時可蒸發，粘土只含結合水時呈堅硬狀態。

2）弱結合水：位于強結合水之外，電場引力作用范圍之內；密度大；不傳遞靜水壓力（不應重力而移動）；有粘滯性。

自由水：離土粒較遠，位于電場引力范圍外，排列散亂。

重力水：位于地下水位以下，具有浮力作用，可從總水頭較高處向較低處流動。毛細水：位于地下水位以上，受毛細作用上升，粉土中空隙小，毛細水上升高。（2）氣態水：水汽，影響不大。（3）固態水:0℃以下自由水發生凍脹。3.土中氣體

土顆粒中沒有被水填充的部分為氣體。

（1）自由氣體：與大氣連通，壓縮逸出，對工程無影響。

（2）封閉氣體：與大氣隔絕，加載縮小，卸載膨脹，使土的滲透性降低。三、土的物理性質指標

1.土的三項基本物理性質指標（此三項均由實驗室測定）（1）土的密度ρ和土的重度γ

1）物理意義：ρ為單位體積土的重量，3/gcm。

γ單位體積土所受的重力，即39,810,/gkNmγρρρ==≈。

2）表達式=m

V

ρ=

土的總質量土的總體積

3）常見值：331.6~2.2/,16~22/gcmkNcmργ==。

4）測定方法：環刀法（粘性土和粉土），灌水法（卵石、礫石與原狀砂）。（2）土粒比重()ssGd

1）物理意義：土中固體礦物的質量與同體積4℃時的純水質量的比值。

2）表達式：=4(4)(4)s

ssswwmVGρρρ==

固體顆粒的密度

純水℃時的密度℃℃）3）常見值：砂土sG=~2,69，粉土sG=~,粘性土~，數值大小取決于礦物成分。4）

測定方法：比重瓶法；經驗法。

（3）土的含水率ω

1）物理意義:土體中水的質量與固體礦物質量的比值，用百分數表示。2）表達式：=100%ws

mmω=

?水的質量

固體顆粒質量（）

3）常見值：砂土0%~40%ω=，粘性土20%~60%ω=，0ω≈，粘性土呈堅硬狀態。4）測定方法：烘箱法。2.反映土的松密程度的指標（1）土的孔隙比e

1）物理意義：土中孔隙體積與固體顆粒體積之比。

2）表達式：=VS

VeV=

孔隙體積

固體顆粒體積

3）常見值：砂土0.5~1.0e=，粘性土0.5~1.2e=

4）確定方法：由Sρω

、G、實測值推算。

（2）土的孔隙度（孔隙率）n

1）物理意義：表示孔隙體積含量，土中空隙占總體積的百分比。

2）表達式：=100%V

VnV=?孔隙體積土體總體積

3）常見值：30%~50%n=

4）確定方法：由Sρω、G、實測值推算。3.反映土中含水程度的指標（1）含水率ω(前已述)（2）土的飽和度rS

1）物理意義：水在空隙中的充滿程度。

2）表達式：=W

rV

VSV=水的體積孔隙體積

3）常見值：0~1rS=

4）確定方法：由Sρω、G、實測值推算。

5）工程應用：砂土和粉土以飽和度分為稍濕（＜）、很濕（~）、飽和（＞）三類。4.特定條件下土的密度（重度）（1）土的干密度dρ和土的干重度dγ

1）物理意義：干密度為單位體積土的質量，3/gcm。

2）土的干重度為單位體積干土所受的重力，即39.810/ddddgkNmγρρρ==≈。

3）表達式=s

dmV

ρ=

固體顆粒質量土的總體積

4）常見值：33

1.3~

2.0/;13~20/ddgcmkNcmργ==。5）工程應用：干密度或干重度越大，表明土體越密實，表明工程質量越好。6）測定方法：環刀法，放射性同位素測試儀。（2）土的飽和密度satγ和土的飽和重度satρ

1）物理意義：孔隙中全部充滿水時單位體積土的質量，3/gcm。

孔隙中全部充滿水時單位體積土所受的重力，即39.810/satsatsatsatgkNmγρρρ==≈。

2）表達式+m=swawsvw

satmVmVVV

ρρρ++==孔隙全部充滿水的總質量土的總體積

3）

常見值：

33

1.8~

2.3/;18~23/sat

dgcmkNcmργ==。

（3）土的有效重度（浮重度）'γ

1）物理意義：地下水位以下土體單位體積土所受的重力扣除浮力。。

2）表達式'satwγγγ=-3）常見值：3'8~13/kNmγ=。

*有效密度：'ssw

mVV

ρρ-=

）延伸：各種密度和重度之間的大小關系

sdsatds

wvsatmVmVmVVρρρρρρρ?

=?

??

=?≥≥??+?=??天然密度：干密度：飽和密度：ddsatdsatsatsatwgggγργργγγγγργγγ=??

=?'?≥≥>?=??'=-?天然重度：干重度：飽和重度：浮重度：

規律總結：

（1）當設1sV=時，

(1)(1)1(1)1s

s

ssswswsvGGVmGmGVmGVVωωωωρ

ρ

++=?=?==?=+?=?=

-

（2）當設1V=時，

1111(1)(1)

swwsvSSVmmmVVVGGρωρρρρωωωω=?=?=

?==?=?=-++++四、土的物理狀態指標1.無粘性土的密實度（1）孔隙比標準（同級配）（2）相對密度標準：

maxmaxmin

ree

Dee-=-（）

用rD指標可將土的密實程度分為：松散（rD2/3）

三種狀態。

（3）貫入試驗標準

一種現場原位測試試驗：鋼錘提升76cm高度貫入30cm所需錘擊數N，反映貫入阻力的大小，亦即密實度的大小，將土分為松散（N30）。

2.粘性土的物理狀態指標

無粘性土為單粒結構，土粒與土中水的相互作用不明顯，但是粘性土顆粒很細，土粒與土中水相互作用明顯，關系密切，同一種土隨著含水率的增加土的狀態變化為固態—半固態—可塑狀態—液體狀態，可見粘性土的主要物理特征并非非粘性土使用的指標，而是稠度（反映土粒間的聯結強度隨著含水率高低而變化的性質）。

（1）液限Lω（%）1）

定義

粘性土呈液態與塑態之間的分界含水率。2）測定方法：錐式液限儀：蝶式液限儀：（2）塑限Pω（%）1）

定義

粘性土半固態與塑態之間的分界含水率。2）測定方法：滾搓法

液塑限聯合測定法（3）塑性指數PI1）

定義

液限與塑限的差值去掉百分數即為塑性指數。

()100

PLPIωω=-?（）

2）

物理意義

反映液塑限區間的大小，PI大，表明液塑區間大，吸附結合水多，但仍處于可塑狀態，說明該土的粘粒含量高或者礦物成分吸水能力強。

3）

工程應用：可作為粘性土與粉土定名的標準（下節敘述）。

（4）液性指數LI

1）定義

天然含水率與塑限的差值和液限和塑限的差值之比，即

P

LLPIωωωω-=

-

（）

2）物理意義

天然含水率靠近液限還是靠近塑限，反映土的軟硬不同。3）

工程應用

液性指數可以將土分為5中軟硬不同的狀態：堅硬（1）。

（5）活動度A1）定義

塑性指數與土中膠粒含量百分數的比值，

P

IAm=

（）

2）物理意義：反映粘性土中所含礦物的活動性。根據活動度的大小可將土分為3種：不活動粘土（A4）、

中靈敏土(2時發生流土。

2.滲透變形

滲透水流將土體細顆粒沖走、帶走或局部土體產生移動導致的土體變形。

（1）流土：滲流作用下，局部土體表面隆起，或某一范圍內土粒群同時發生懸浮、移動的現象。

防治措施：

垂直截滲：如壩體下混凝土防滲墻，改變滲透路徑或隔水。

水平鋪蓋：壩體存水側設置粘土鋪蓋。

排水減壓：設置減壓井或深挖排水槽。

下游加透水蓋。

土層加固，如凍結法。

（2）管涌：滲流作用下，土的細顆粒在粗顆粒形成的空隙中移動，以致流失，最終導致土體中形成貫通滲流通道，形成土體塌陷。

防治措施：和防治流土措施基本相同。

七、地基土的工程分類

依據《建筑地基基礎設計規范》的分類標準進行分類。

1.巖石

（1）定義

顆粒間牢固聯結、呈整體或具有節理裂隙的巖體稱為巖石。

（2）分類

1）按堅硬程度劃分：堅硬巖、較硬巖、較軟巖、軟巖、極軟巖。

2）按分化程度劃分：未風化、微風化、弱風化、強風化、全分化。

3）按巖石完整程度劃分：完整、較完整、較破碎、破碎、極破碎。

2.碎石土

（1）定義

土的粒徑大于2mm的顆粒含量超過全重50%的土稱為碎石土。

（2）分類依據

以顆粒形狀與粒組含量為準。

（3）定名：

圓形和亞圓形為主的有漂石、卵石、圓礫；以棱角性為主的有塊石、碎石、角礫。

（4）工程性質

1）密實碎石土：骨架顆粒含量大于總重的70%，呈交錯排列，連續接觸，優良地基。

2）中密碎石土：骨架顆粒含量大于總重的60%~70%，呈交錯排列，大部分接觸，優良地基。

3）稍密碎石土：骨架顆粒含量大于總重的55%~60%，排列混亂，大部分不接觸，良好地基。

4）松散碎石土：骨架顆粒含量小于總重的55%，排列十分混亂，絕大部分不接觸，良好地基。

3．砂土（1）定義：

土的粒徑大于2mm的顆粒含量不超過全重50%且大于的顆粒超過全重的50%。（2）分類依據：粒徑級配。

（3）定名：礫砂、粗砂、中砂、細砂、粉砂。（4）工程性質

1）密實與中密狀態的礫砂為優良地基；稍密狀態的礫砂、粗砂、中砂為良好地基。2）密實粉砂與細砂為優良地基；飽和疏松狀態時為不良地基。4.粉土

（1）定義：

塑性指數10

PI≤且粒徑大于的顆粒含量不超過全重50%的土。（2）定名：單一分類。

（3）工程性質：密實時為良好地基，飽和和稍密時地震容易液化，為不良地基。5.粘性土（1）定義：塑性指數10PI>。

（2）分類依據：塑性指數大小。

（3）定名：17PI>為粘土，1017PI>

已知某土樣的土粒比重2.72SG=，孔隙比為，飽和度為。若將此土的飽和度提高到,則每1m3加多少水

解：已知3112.72,0.95,0.37,0.9,1SrrGeSSVm=====

0.95,0.37vsswrvvVeVVVSVV====

331.951,0.513svssVVVVmVm=+===

30.950.5130.487vVm=?=

310.370.370.4870.18wvVVm==?=320.90.90.4870.438wvVVm==?=321'0.4380.180.258vvVVVm=-=-=

加水質量'0.258258mVtkg===

一干砂試樣的密度為g/cm3,土粒比重。將此干砂試樣置于雨中，若砂樣體積不變，飽和度增加到。計算此濕砂的密度和含水率。解：設V=1cm31.66,smVgρ==31.660.6152.70

sssmVcmG=

==310.6150.385vsVVVcm=-=-=

飽和度增加后：

30.60.3850.231wwrvmVSVcm===?=

31.660.2311.891/swm

mmgcmVρ=

=+=+=

0.231100%13.9%1.66

wsmmω=

?==今有一個濕土試樣質量200g，含水率為%。若要制備含