土的性質及工程分類土土是由固體顆粒、水和空氣組成的三相體系三相體系決定了土的物理性質（輕重、疏密、干濕、軟硬）土的物理性質又決定了土的力學性質§2.1概述

土是風化的產物，是由固體顆粒、水和空氣組成的三相體系。在外力作用下，土體并不顯示為一般固體的特性，也不表現為一般液體的特性，因此，在研究土的工程性質時，既有別于固體力學，也有別于液體力學。§

2.2土中三相的性質2.2.1固相

土的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的重要因素。2.2.1.1土的礦物成分原生礦物：巖漿在噴出后，經冷凝過程形成的礦物。

次生礦物：原生礦物經過化學風化后，形成的新的礦物。

SiSiAIA1硅片的結構鋁片的結構三種主要黏土礦物：蒙脫石、伊利石、高嶺石2.2.1.3土的粒組

自然界中存在的土，都是由大小不同的土粒組成的。將土中各種不同粒徑的土粒，按適當的粒徑范圍，分為若干組。2.2.1.4土的顆粒級配

土中土粒的大小及其組成情況，通常以土中各個粒組的相對含量來表示，稱為土的顆粒級配。如何來分析土中的顆粒級配情況，通常用篩分法與水分法兩種。級配好壞用不均勻系數表示

如果級配曲線平緩，表示土中各種大小粒徑均有，顆粒不均勻，級配良好。如曲線較陡，則表示土粒均勻，級配不好。

一般認為＜5，稱為均質土，其級配不好＞10，稱為級配良好的土。另外還可以用曲率系數來表示描寫的是累積曲線的分布范圍反映曲線的整體形狀

2.2.2液相（一）土中水1.結合水是被土礦物顆粒表面的分子引力牢固吸附著的一層較薄的水。的陽離子，如土顆粒表面帶負電荷極化水分子結合層（1）強結合水直接靠近土粒表面，這種水及其牢固的結合在土粒表面上，其性質接近于固體。黏土只含強結合水時，呈現固體狀態。土顆粒吸力達1000個大氣壓冰點為-78°具有極大的黏滯性具有彈性和抗剪強度沒有溶解能力不能傳遞靜水壓力

（2）弱結合水

在強結合水外層吸附力稍低的一層結合水。特點：不能傳遞靜水壓力，不能自由流動。使黏土具有可塑性，抗剪強度減小，黏性土的一系列物理特性與弱結合水有關。⒉自由水

在土粒表面電場影響范圍之外，服從重力規律的土孔隙中的水，稱為自由水。

（1）重力水在土孔隙中只受重力作用而自由流動，對土粒有浮力，會使土中的應力狀態發生變化，使建筑物產生附加沉降。（2）毛細水土孔隙中受到表面張力作用而存在的自由水。毛細水按其與地下水面是否聯系分為：毛細懸掛水和毛細上升水其上升高度與土質有關，黏性土可上升5～6m，一般粒徑＞2mm的土顆粒無細水現象。

材料的毛細孔壁分子與水分子吸引力大于水分子之間相互作用力。（二）固態水

地面下一定深度的土溫，隨大氣溫度而改變。當地層溫度降至攝氏零度以下，土體便會因土中水凍結而形成凍土。某些細黏土在凍結時，往往發生體積膨脹，即所謂凍脹現象。凍脹的原因有二：（1）由于土中水變成冰時，體積增大（約為水體積的9%）；（2）由于凍結過程中水分子轉移和重新分布，形成冰夾層使體積增大。由前一原因引起的凍脹大致為土總體積的1%左右，而后一原因引起的凍脹可達土總體積的10%～20%或更大。帶結合水的土顆粒冰晶體冰夾層（1）土中含有一定數量的細顆粒，并由它們在土中形成較多的弱結合水；（2）土中原始含水量較高，可以不斷的由未凍結區向凍結區傳遞水分；（3）負溫度下降速率不高，否則水分來不及轉移，連結合水本身也凍結了。巖石、碎石土、礫砂、中砂、粗砂屬于不凍脹土。細砂、粉砂、黏性土是具有凍脹可能的土。

凍脹的基本條件：2.2.3氣相土中的氣體存在于未被水占據的土孔隙中。與大氣相連的氣體對土的力學性質影響不大。在細黏土中存在與大氣隔絕的氣泡，使土具有彈性，受壓時氣體體積縮小，卸荷后體積又恢復，不易壓縮，只有強夯時才能壓縮。2.3土的物理性質指標

上一節介紹了土的組成、土的結構、構造、顆粒級配等基本知識。這一節主要從三相體系的組成情況進行數量上的研究。因為三相體系在體積和重量上的比例關系反映著土的干燥與潮濕、堅硬與軟弱、緊密與疏松，這些性能是評價土的工程性質的最基本的性能指標。一、土的三相組成圖二、土的特征指標1、土粒比重（土粒相對密度）土粒質量與同體積4℃時的水的質量之比。

—土粒密度

—純水在4℃時的密度2、土的含水量土中含水的含量與工程質量之比。

含水量是表示土濕度的一個重要物理指標。

土的含水量一般采用烘干法測定。3、土的密度土單位體積的質量稱為土的密度（單位：）土的密度一般用“環刀法”測定,4、土的干密度、飽和密度和有效密度單位土體積固體顆粒的質量為干密度

飽和密度：土孔隙充滿水時，單位體積質量

有效密度在地下水位以下，土受到浮力作用后，單位土體積中土顆粒的有效重量，稱為有效密度

5、土的孔隙比和孔隙率土的孔隙比是土中孔隙體積與土的顆粒體積之比。

土的孔隙率是土中孔隙體積與土總體積之比，以百分數表示。

6、土的飽和度土中水的體積與孔隙總體積之比。

2.3.2指標換算

上述土的三相比例中，三相比重，含水量和密度三個指標是通過試驗測定的。在測定這三個指標后，可導出其余各個指標。

令，并令則，，，

，推導：密度

干密度

由上式

孔隙比

飽和密度

有效密度

孔隙率

飽和度

名稱符號三相比例表達式常用換算公式含水率土粒相對密度密度干密度飽和密度有效密度孔隙比e孔隙率n飽和度Sr【例2.1】：一塊原狀土樣，經試驗測得其天然密度ρ=1.85g/cm3，含水率w=21%，土粒相對密度ds=2.65。求其干密度ρd、孔隙比e、孔隙率n和飽和度Sr。【解】§

2.4

土的物理狀態2.4.1無黏性土的物理狀態

無黏性土的密實度與工程性質有密切關系，當密實狀態時，強度較大，可作為良好的天然地基；當軟弱狀態時，則是一種軟弱地基。無黏性土的密實度與孔隙比有密切的關系。因此可以用孔隙比來表示密實度，它是確定砂土地基承載力的主要根據。土的名稱密實中密稍密松散礫砂、粗砂、中砂細砂、粉砂

＜0.60

＜0.700.60≤≤0.750.70≤≤0.850.75＜≤0.850.85＜≤0.95

＞0.85

＞0.95

砂土的密實度密實度

孔隙比評定砂土密實性雖然簡單，但沒有考慮到顆粒級配的因素，下面介紹用相對密度來表示砂的密實程度。

表示最松散狀態的砂

表示最緊密狀態的砂1≥＞0.67

密實的0.67≥＞0.33

中密的0.33≥＞0

松散的

相對密度是無黏性粗粒土密實度的指標，對判斷地基穩定性和強度，以及抗震穩定性方面具有重要的意義。另外，天然孔隙比雖然是評價無黏性土的一個重要物理指標，但在具體工程中，難于取得原樣，因此可以用標準貫入試驗或靜力觸探試驗來判別砂土的密實度。例題1.2已知、、把砂放入擊實試驗容器內（1000），擊實后質量1620，松散時為1450，求。解：

首先求擊實時最大干密度、松散時最小密度求孔隙比

最松散干燥

該砂土天然狀態時的相對密度＞0.33是中密的

一、黏性土的界限含水量——塑限和液限黏性土由一種狀態轉變到另一種狀態的分界含水量叫界限含水量。§

2.4.2黏性土

黏性土的含水量低時，強度高；含水量高時，強度低，并且隨著含水量的變化，黏性土會呈現出不同的物理狀態。

所謂可塑狀態，就是當黏性土在某含水量范圍內，可用外力塑成任何形狀而不發生裂紋，并當外力移去后仍然能保持既得的形狀，土的這種狀態叫可塑狀態。

由可塑狀態轉到流動狀態的界限含水量叫液限。土由半固狀態轉到可塑狀態的界限含水量叫塑限，用符號表示。土由半固狀態不斷蒸發水分，則體積逐漸減小，直到體積不再縮小時土的界限含水量叫縮限，用表示。

二、黏性土的塑性指數和液性指數黏性土的塑性大小，可用土處于塑性狀態的含水量范圍來衡量。這范圍即液限與塑限之差值，稱為塑性指數，用表示.—土的塑性指數，一般以百分數的絕對值表示，不帶%符號。

的數值，主要與黏性土內含黏粒多少有關，黏粒含量愈多，則其比表面和可能吸附的結合水含量越高，因而也隨之增大。而黏粒含量減少時，液限的數值逐漸趨向于塑限，土呈砂性。

是判別土在天然狀態時稀稠度的指標，故也稱稠度

≤0堅硬

0＜≤0.25硬塑0.25＜≤0.75可塑0.75＜≤1軟塑

1＜流塑越大，土質越軟，否則相反

上述判別標準沒有反映土的結構性影響，是其缺點一般判別原狀土偏于保守，重塑土是合適的。1、單粒結構

粗大土粒在水或空氣中下沉而形成的。單粒結構可以是疏松的也可以是緊密的。緊密狀單粒結構的土：土粒排列緊密、聯結穩定、強度高壓縮性小，是良好的天然地基。

土的結構單粒結構蜂窩結構絮狀結構2.5土的結構性和觸變性

土的結構：指土中土粒單元的大小、形狀、相互排列與聯合的綜合特征。(a)單粒結構(2)緊密狀態(1)疏松狀態(b)蜂窩狀結構(c)絮狀結構

疏松狀單粒結構的土：土粒排列疏松，聯結不穩定，土粒容易發生相對移動，因此，一般未經處理不宜作為建筑物的地基。

2.

蜂窩狀結構

較細的土粒如粉粒（0.075mm～0.005mm）組成的結構形式。3.絮狀結構

細的土粒如黏粒＜0.005mm集合體組合的結構形狀，黏粒能在水中長期懸浮，不因自重而下沉，結構不穩定。

同一土層中的物質成分和顆粒大小都相近的各部分之間的相互關系的特征稱為土的構造。土的構造的最主要的特征是成層性，即層理構造另一特征是裂隙性，即裂隙構造土的構造黏性土的靈敏度和觸變形

由地層中取出的土樣，如能保持原有的結構含水量不變，則稱為“原狀土樣”。如土樣的結構、構造已受到人為的破壞或水分發生變化，則稱為“擾動土”或“非原狀土”。黏性土的性質與其結構是否被擾動有密切的關系。擾動的土比具有相同密度和含水量的原狀土，其力學性質往往變壞。土的性質受結構擾動的影響而改變的特性，稱為土的結構性。黏性土是具有結構性的土，而砂子和碎石土一般不具有結構性。黏性土結構性的強弱用靈敏度來表示—原狀土的無側限抗壓強度，即單軸抗壓強度，—重塑試樣的無側限抗壓強度，按靈敏度大小，黏性土可分低靈敏1～2

中靈敏2～4

高靈敏＞4

飽和黏性土的結構受擾動，強度降低，擾動停止后，土強度又隨時間而增長，這種特征稱為土的觸變性。

2.6土的滲透性一、達西定律

指水流過土中孔隙的難易程度。地下水的補給、排泄，以及水在土中的滲透速度與土的滲透性有關。地下水運動有層流和紊流二種形式。

地下水在土中孔隙或微小裂隙中以不大的速度連續滲透時屬層流運動，流線互不相交；紊流是地下水在巖土的裂隙或洞穴中流動，流線有互相交錯現象。地下水在土中的滲透速度一般可以按達西定律計算。（指層流）

—水在土中滲透速度，它不是水的實際流速，而是一單位時間內流過單位土截面的水量，單位。

—土的滲透系數，與土質有關—水頭梯度，土的滲透系數與土質有關，達西定律適合砂土。如果是黏性土，這個公式不準確，因為存在結合水膜,阻塞了孔隙間的通道。

只有當水頭梯度超過起始梯度時才開始發生滲透。這時黏性土的達西定律公式為

二、動水壓力地下水的滲流對土單位體積內的骨架產生的壓力稱為動水壓力。用表示（）三、流砂和潛蝕

當滲流自上而下時，動水壓力方向與重力方向一致，這將增加作用于土粒間的壓力，反之，土粒間的壓力將減小；當自下而上的動水壓力等于或大于土的有效密度，土粒間的壓力將消失，土粒處于懸浮狀態，土體隨水流動，這種現象叫流砂。單位為動水壓力等于浮容重（有效密度）時的水頭梯度叫臨界水頭梯度0.8～1.2。因此可近似取1。

在地下水位下開挖基槽，如從基坑中直接排水會導致流砂現象。

在天然或人為條件下，當地下水位水頭梯度較大時，足以在孔隙中引起紊流運動，而土層又是相差較大的兩類土粒組成，則細土粒會被沖動而陸續沿著粗土粒之間的孔隙隨水流走，導致土體結構破壞，這種作用稱為潛蝕。2.7土的液化特性與其他水理性質2.7.1土的振動液化土體液化是指飽和狀態砂土或粉土在一定強度的動荷載作用下，表現出類似液體性質而完全喪失承載力的現象。地震、波浪、車輛、機械振動、打樁以及爆破等都可能引起飽和砂土或粉土的液化。其中又以地震引起的大面積甚至深層的土體液化的危害性最大，它具有面廣、危害重等特點，常能造成場地的整體性失穩。砂土液化的宏觀表現有：①噴砂冒水。②地面沉陷。③滑坡。④結構上浮。膨脹土吸水膨脹、失水收縮表現很明顯的土，對其上的建筑會產生不利的影響，因此應引起注意。土的凍脹性土中含有的水分在寒冷季節溫度低于零攝氏度時可凍結成冰，形成凍土。凍土根據其凍融情況分為季節性凍土、多年凍土等。

§2.8土的壓實性質

在建筑工程中有時要進行填土，為了提高填土的強度，增加密實性，通常要分層壓實。

實踐經驗證明，對過濕的土進行夯壓或碾壓時會出現軟彈現象；對很干的土進行夯實或碾壓，顯然也不能把土充分壓實。所以，要使土的壓實效率最好，其含水量要適當。

在一定的壓實能量下，使土最容易壓實，并能達到最大密實度的含水量，稱最優含水量。用表示。相對應的干密度為最大干密度。實驗證明，在一定壓實能量下，一種類型的土，其壓實曲線呈山峰形分布