第2章土的物理性質

及分類土力學地基基礎廈門大學土木系2.2

土的生成與特性一地質作用概念地質作用——導致地殼成分變化和構造變化。按能量來源不同分為內力地質作用和外力地質作用。1內力地質作用——地球產生的能量引起地殼物質成分、內部構造以及地表形態發生變化的地質作用，如巖漿活動、地殼運動等。2外力地質作用——由太陽輻射能和地球重力位能所引起的地質作用。風化作用是由于氣溫變化、大氣、水分及生物活動等自然條件使巖石破壞的地質作用。土力學地基基礎廈門大學土木系2.2

土的生成與特性二風化作用1物理風化——巖石受風、霜、雨、雪的侵蝕，溫度、濕度變化，不均勻膨脹與收縮，使巖石產生裂隙，崩解為碎塊。只改變顆粒大小與形狀，不改變礦物成分。產物：碎石、卵石、礫石、砂土等2化學風化——巖石碎屑與水、氧氣、二氧化碳等接觸，使巖石碎屑發生化學變化，改變原來礦物成分，產生新的成分（次生礦物）。如：粘土、粉質粘土。3生物風化——生物活動過程中對巖石的破壞作用。土力學地基基礎廈門大學土木系2.2

土的生成與特性三土的結構和構造1土的結構定義：土的結構是指由土粒單元的大小、形狀、相互排列及其聯結關系等因素形成的綜合特征。分類：可分為單粒結構、蜂窩結構、絮狀結構。（1）單粒結構粗大顆粒下沉而形成的。全部由砂礫或更粗土粒組成的土都具有單粒結構。土力學地基基礎廈門大學土木系2.2

土的生成與特性單粒結構可疏松也可緊密。緊密狀單粒結構的土，強度大，壓縮性小，是較良好的天然地基。疏松狀單粒結構的土，強度小，壓縮性大，不宜做建筑物的地基。土的單粒結構（a）疏松的（b）緊密的土力學地基基礎廈門大學土木系2.2

土的生成與特性（2）蜂窩結構由粉粒(0.075—0.005mm)組成的土的結構形式。沉積過程中顆粒的吸引力大于其重力，逐漸下沉吸引形成蜂窩狀土.（3）絮狀結構粘粒(<0.005mm)集合體組成的結構形式，類似蜂窩且孔隙很大的絮狀結構。顆粒之間存在吸力和斥力，長期懸浮，緩慢下沉形成絮凝結構。土力學地基基礎廈門大學土木系2.2

土的生成與特性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。不可作天然地基。粘土顆粒沉積結構（a）鹽液中絮凝（b）非鹽液中絮凝（c）分散型土的蜂窩結構土力學地基基礎廈門大學土木系2.2

土的生成與特性2土的構造：同一土層中，土顆粒之間相互作用關系的特征。（1）層狀構造土層由不同顏色或不同的粒徑的土組成層理，一層一層互相平行。層理一般呈水平方向。（2）分散構造土層中土粒分布均勻，性質相近。如砂與卵石層為分散構造。（3）結核狀構造土力學地基基礎廈門大學土木系2.2

土的生成與特性（4）裂隙構造土體中有許多不連續的小裂隙。如硬塑或堅硬狀態的粘土為裂隙構造。工程性質一般分散構造的工程性質最好。結核狀構造工程性質好壞取決于細粒土部分。裂隙構造類土強度低、滲透性大，工程性質差。土力學地基基礎廈門大學土木系2.3

土的三相組成一土的固體顆粒土的固體顆粒是三相組成中的主體，是決定土的工程性質的主要成分。1土粒的礦物成分（1）原生礦物礦物成分為：石英、長石、云母、角閃石、輝石等。（2）次生礦物土力學地基基礎廈門大學土木系2.3

土的三相組成母巖巖屑經化學風化成為粘土礦物。如：蒙脫石、伊利石、高嶺石。其中蒙脫石親水性最大，伊利石居中，高嶺石最小。（3）腐殖質土力學地基基礎廈門大學土木系2.3

土的三相組成2土顆粒大小與形狀土中固體顆粒的大小和形狀、礦物成分及其組成情況是決定土的物理力學性質重要因素。土粒常被分成六組，劃分粒組的分界尺寸稱為界限粒徑。界限粒徑為200，60，2，0.075，0.005mm。粘粒粉粒細0.0050.010.0750.10.250.5252060200砂粒粗極細細中粗細中粗圓礫或角礫卵石碎石漂石塊石土力學地基基礎廈門大學土木系2.3

土的三相組成3土的粒徑級配土的粒徑級配——土中各粒組的相對含量，占總質量的百分數來表示。它是粗粒土的分類定名的標準。粒徑級配試驗方法：（1）粒徑大于0.075mm的粗粒組可用篩分法測定。（2）粒徑小于0.075mm的粘粉粒用比重法0.075mm0.25mm0.5mm1.0mm2.0mm5.0mm10mm篩底座20mm土力學地基基礎廈門大學土木系2.3

土的三相組成（3）繪制顆粒級配累計曲線。有效粒徑d10——小于某粒徑的土粒質量累計百分數為10%時相應的粒徑。限定粒徑d60——小于某粒徑的土粒質量累計百分數為60%時相應的粒徑。中值粒徑d30——小于某粒徑的土粒質量累計百分數為30%時相應的粒徑。土力學地基基礎廈門大學土木系2.3

土的三相組成顆粒級配累積曲線圖小于某粒徑的土重含量％土粒粒徑，mm緩粒徑大小懸殊，土粒不均勻，級配良好陡粒徑大小相差不大，土粒均勻，級配不好由曲線坡度大致判斷土的均勻程度土力學地基基礎廈門大學土木系2.3

土的三相組成不均勻系數曲率系數不均勻系數越大，土粒大小分布范圍越大，級配良好。作為填方土料時，能有較大的密實度。土力學地基基礎廈門大學土木系2.3

土的三相組成二土中的水：結合水（礦物內部）、自由水（孔隙中的水）1結合水——小土粒因表面的靜電引力而在其周圍吸附的水。分為強結合水和弱結合水.2自由水——存在土粒表面電場影響范圍以外的水。能傳水壓，有溶解能力。(1）重力水(2）毛細水三土中氣：主要是空氣和水氣，有時可能有沼氣、二氧化碳、硫化氫等。土中氣體對工程性質影響較小。土力學地基基礎廈門大學土木系2.4

土的物理性質指標一土的三項基本物理性質指標1土粒比重（土的相對密度）Gs

（1）定義——土粒質量與同體積4攝氏度純水質量之比（2）表達式：無量綱數值上等于土粒密度（3）常見值：2.6—2.8（4）測定方法：比重瓶法或經驗法土力學地基基礎廈門大學土木系2.4

土的物理性質指標2土的含水量w（1）定義——土中水的質量與土粒質量之比，%（2）表達式：（3）常見值：砂土（0—40）%；粘性土（20---60）%（4）測定方法：烘干法、炒干法、酒精燃燒法等土力學地基基礎廈門大學土木系2.4

土的物理性質指標3土的密度

（1）定義——土單位體積的質量，單位g/cm3或t/m3（2）表達式：（3）常見值：砂土1.6—2.0粘性土1.8—2.0 （4）測定方法：環刀法、蠟封法等以上三個為土的基本物理指標，均可由實驗室直接測定其數值。土力學地基基礎廈門大學土木系2.4

土的物理性質指標二反映土的松密程度的指標1孔隙比e

（1）定義——土中孔隙體積與土粒體積之比（2）表達式：（3）常見值：砂土0.5—1.0，當e<0.6時，呈密實狀態，良好地基粘性土0.5—1.2，當e>1.0時，高壓縮性土，軟弱地基土力學地基基礎廈門大學土木系2.4

土的物理性質指標2孔隙率n

（1）定義——土中孔隙體積與總體積之比，%（2）表達式：（3）常見值：n=(30-50)%（4）確定方法：e和n均可據、Gs、w實測值計算土力學地基基礎廈門大學土木系2.4

土的物理性質指標三反映土中含水程度的指標1含水量w（前已述）2土的飽和度Sr（1）定義——被水充滿的孔隙體積與孔隙總體積之比（2）表達式：（3）常見值：Sr=(0-100)%（4）確定方法：據、Gs、w實測值計算（5）工程應用：砂土與粉土以飽和度劃分濕度。稍濕很濕飽和80%50%土力學地基基礎廈門大學土木系2.4

土的物理性質指標四特定條件下土的密度1土的干密度d、干容重d（1）定義——土單位體積中固體顆粒質量，g/cm3（2）表達式：（3）常見值：1.3—2.0g/cm3（4）工程應用：土的干密度用作填方工程中土體壓實質量控制的標準。d越大，土體壓得越密實，工程質量越好，但花費的壓實費用也越大。土力學地基基礎廈門大學土木系2.4

土的物理性質指標2飽和密度sat、飽和容重sat

（1）定義——孔隙中全部充滿水時單位體積中的土質量，單位g/cm3

或t/m3（2）表達式：（3）常見值：sat1.8—2.3g/cm3土力學地基基礎廈門大學土木系2.4

土的物理性質指標3有效密度、有效容重（1）定義——地下水位以下，土體受水的浮力作用時單位體積中的土質量，單位g/cm3或t/m3（2）表達式：（3）常見值：為0.8—1.3g/cm3土力學地基基礎廈門大學土木系2.4

土的物理性質指標

土的物理性質指標共9個，土粒比重Gs、密度、含水量w、干密度d、飽和密度sat、有效密度、孔隙比e、孔隙率n、飽和度Sr。9個指標不是各自獨立，其中Gs、、w由實驗室測定，其余6個指標可通過三項指標換算求得。土力學地基基礎廈門大學土木系2.4

土的物理性質指標五三相草圖方法：首先繪制三相草圖，據三個已知指標數值和各物理性質指標的定義進行計算。根據情況令V=1或Vs=1可使計算簡化。土力學地基基礎廈門大學土木系2.4

土的物理性質指標【例2—1】已知某鉆孔原狀土試樣結果為：，w，Gs，求其余6個物理性質指標。氣水土顆粒m=Gs(1+w)wmw=wGswms=GswVv=eVs=1V=1+e解：=m/v=Gs(1+w)w/(1+e)則e=Gs(1+w)w/-1e知，n亦可求。n=e/(1+e)Sr=VW/VV=mw/(wVV)=wGs/ed=ms/V=Gs/w(1+e)sat=(ms+Vvw)/V=(Gs+e)/(1+e)土力學地基基礎廈門大學土木系2.5

土的物理狀態指標一無粘性土的密實度無粘性土為單粒結構，最主要的物理狀態指標是密實度。劃分密實度的標準是什么？1用孔隙比e（很少用）優點：應用方便。同一種土，密砂孔隙比e1，松砂孔隙比e2，必然e1<e2缺點：無法反映土粒級配因素。例如：兩種級配不同的砂，一種顆粒均勻密砂e1，一種級配良好的松砂e2，結果e1反而大于e2。土力學地基基礎廈門大學土木系2.5

土的物理狀態指標2以相對密實度Dr為標準為了克服指標e對級配不同的砂土難以準確判別的缺陷，可用天然孔隙比與同一種砂的最松狀態孔隙比emax和最密實狀態孔隙比emin進行對比，看e接近emax或接近emin。以此來判斷它的密實度，即相對密實度法。土力學地基基礎廈門大學土木系2.5

土的物理狀態指標相對密實度Dr判別砂土密實度的優缺點：優點：用Dr來判別，計入土的級配因素，理論上完善缺點：emax、emin測定主觀性較大，數值與測試人員等因素有關，難獲得科學數據。松散中密密實2/31/3相對密實度判別密實度標準土力學地基基礎廈門大學土木系2.5

土的物理狀態指標3以標準貫入試驗N為標準方法：一種原位測試，用卷揚機把質量為63.5kg的鋼錘，提升76cm高，讓鋼錘自由下落，打擊貫入器，使貫入器入土中深30cm所需的錘擊數，記N63.5。N值大小反映土的貫入阻力大小，即密實度大小。N越大，顯然土越密實。松散稍密中密密實N101530以標準貫入試驗錘擊數劃分砂土密實度標準土力學地基基礎廈門大學土木系2.5

土的物理狀態指標二粘性土的物理狀態指標

1粘性土的界限含水量同一種粘性土隨其含水量不同，分別處于固態、半固態、可塑狀態及流動狀態。（1）定義界限含水量——由一種狀態轉到另一狀態分界含水量。固態半固態可塑態流動態縮限Ws塑限Wp液限WL含水量w土力學地基基礎廈門大學土木系2.5

土的物理狀態指標WL

液限——土由可塑狀態轉到流動狀態界限含水量。WP

塑限——土由半固態狀態轉到可塑狀態界限含水量。WS

縮限——土由半固態不斷蒸發水分，直到體積不再縮小時土的界限含水量。（2）界限含水量測定WL液限用錐式液限儀或碟式液限儀。WP塑限用“搓條法”測定。用聯合測定法可測液限WL和塑限WP。WS縮限用收縮皿法測定。土力學地基基礎廈門大學土木系2.5

土的物理狀態指標土力學地基基礎廈門大學土木系2.5

土的物理狀態指標2粘性土的塑性指數和液性指數（1）塑性指數——液限和塑限的差值（省去），即土處在可塑狀態的含水量變化范圍，用符號IP表示。

IP＝WL－WP物理意義：土處在可塑狀態的含水量變化范圍。即IP增大，土處在可塑狀態的含水量變化范圍增大。工程應用：用塑性指數劃分粘性土與粉土。土力學地基基礎廈門大學土木系2.5

土的物理狀態指標（2）液性指數——粘性土的天然含水量和塑限的差值與塑性指數之比，用符號IL表示。

物理意義：將w與wL與wp相比以反映土的軟硬不同。IL表示土軟硬狀態，IL越大，土愈軟，IL越小，土愈硬。堅硬硬塑可塑軟塑00.250.75IL流塑1.0土力學地基基礎廈門大學土木系2.5

土的物理狀態指標【例2－2】室內試驗結果給出某地基土樣的天然含水量w=19.3％，液限wL=28.3%，塑限wP=16.7％。試求：（1）計算該土的塑性指數IP及液性指數IL；（2）確定該土的物理狀態。解：（1）塑性指數IP=wL-wP=28.3-16.7=11.6液性指數IL=(w-wP)/(wL-wP)=(19.3-16.7)/11.6=0.224（2）0<IL=0.224<0.25，故該土處于硬塑狀態。土力學地基基礎廈門大學土木系2.5

土的物理狀態指標3靈敏度（1）靈敏度St定義：靈敏度St——同一粘性土的原狀土與重塑土在孔隙和含水量不變時土無側限抗壓強度比。物理意義：St2低靈敏土；2<St4中靈敏土；St>4高靈敏土工程應用：觸變性——結構被破壞后（擾動土），土的強度降低。但靜置一段時間，土的強度又逐漸增長的性質。沿海地區粘性土基本屬于一般粘性土和靈敏粘性土。土力學地基基礎廈門大學土木系2.6

地基土的工程分類二碎石類土1定義碎石類土——粒徑大于2mm顆粒含量超過全重50％的土2分類依據據土粒徑級配中各粒組含量和顆粒形狀進行分類定名。3定名4工程性質常見的碎石類土，強度大，壓縮性小，滲透性大，為優良的地基，也可將樁放置在這類土層。土力學地基基礎廈門大學土木系2.6

地基土的工程分類碎石土的分類名稱顆粒形狀粒組含量漂石圓形及亞圓形為主粒徑d>200mm的顆粒含量超過全重的50％塊石棱角形為主卵石圓形及亞圓形為主粒徑d>20mm的顆粒含量超過全重的50％碎石棱角形為主圓礫圓形及亞圓形為主粒徑d>2mm的顆粒含量超過全重的50％角礫棱角形為主注意：定名時應據由大到小的順序，先符合者即為該土的名稱。土力學地基基礎廈門大學土木系2.6

地基土的工程分類三砂類土1定義砂類土——粒徑大于2mm的顆粒含量不超過全重50％，粒徑大于0.075mm顆粒超過全重50％的土2分類依據根據土的