模塊1

土的物理性質及地基巖土的分類對土的特點進行詳細解釋和定量描述土的物理性質及工程分類土：地球表面的巖石經過風化、搬運、沉積而

形成的松散堆積物。由于形成的年代較短，

又稱為第四紀沉積物。風化巖石地球顆粒堆積物地球土的形成，什么是土？成巖搬運、沉積任務1土的成因生物風化物理風化化學風化量變無粘性土原生礦物質變粘性土次生礦物動植物的活動1)風化作用有機質巖石受各種氣候和溫度因素的影響產生脹縮而發(fā)生裂縫,或在運動過程中因碰撞和摩擦而破碎巖石和碎散的顆粒受環(huán)境因素的作用而改變其礦物的化學成分，形成新的礦物地表地質作用2)搬運與沉積殘積土無搬運運積土有搬運母巖表層經風化作用破碎成巖屑或細小顆粒后，未經搬運殘留在原地的堆積物風化所形成的土顆粒，受自然力的作用搬運到遠近不同的地點所沉積的堆積物地表地質作用特點:

顆粒表面粗糙、多棱角、粗細不均勻。洪積土（物、層）斷面特點:

有一定的分選性，搬運距離近的沉積物顆粒較粗；搬運距離遠的沉積物顆粒較細。作用力：

暴雨或山洪洪積土地表地質作用

沖積土特點:

由于經過較長時間的搬運，渾圓度和分選性更為明顯。山區(qū)河谷斷面示例作用力：

河流流水地表地質作用敦煌雅丹國家地質公園雅丹地貌——典型風蝕作用地貌地表地質作用1.土是如何產生的?2.土由哪幾部分組成?氣相固相液相++構成土骨架，起決定作用重要影響土體次要作用思考土粒二相土飽和土固相液相干土固相氣相任務2土的組成一、土的固體顆粒（固相）物理狀態(tài)力學特性顆粒形狀礦物成分顆粒級配土的組成1.土粒的礦物成分原生礦物次生礦物

在物理風化作用下，土粒保持與成土原巖相同的礦物成分。

如：長石、石英、云母顆粒

在化學風化作用下，由于改變了成土原巖原來的礦物成分，形成了新礦物。主要是黏土礦物。如：蒙脫石、伊利石、高嶺石土的組成黏土礦物粒徑比表面積脹縮性滲透性強度壓縮性大10-20m2/g小大大小中80-100m2/g中中中中小800m2/g大小小大比表面積：單位質量土顆粒所擁有的總表面積9克蒙脫土的總表面積大約與一個足球場一樣大土的組成高嶺石伊利石蒙脫石粒度（徑）土粒的大小粒組

按粗細進行分組，將粒徑接近的歸成一類界限粒徑劃分粒組的分界尺寸dmm卵石圓礫砂粒粉粒黏粒2020.0050.250.5510粗

中

細粗

中

細0.075粗粒土細粒土土粒粒組的劃分（GBJ145-90)200塊石巨粒土0.1極細

細粗0.01碎石漂石角礫土的組成2.土的顆粒級配土的組成可以用表或曲線來表示

顆粒級配曲線：根據顆粒分析結果求出各粒組的含量占全部土粒重量的百分比，然后按小顆粒至大顆粒計算累積百分含量，用半對數坐標繪制成顆粒級配累積曲線。

顆粒級配的測定1.篩分法（粒徑大于0.075）利用一套孔徑由大到小的篩子，將按規(guī)定方法取得的一定質量的干試樣放入一次疊好的篩中，置振篩機上充分振搖后，稱出留在各級篩上的土粒的質量，然后計算出小于某土粒粒徑的土粒含量百分數（％）。

土顆粒分析試驗結果的表達方式105.02.01.00.50.250.075200g10g16g18g24g22g38g72g1009080706050403020100小于某粒徑之土粒質量百分數P（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒徑(mm)P%958778665536土的顆粒級配累積曲線水分法累積質量百分數粒徑(mm)0.050.010.005累積質量百分數P(%)2613.510土的組成篩分法顆粒級配顆粒級配累積曲線及指標的用途：1）粒組含量用于土的分類定名；3）不均勻系數Cu用于判定土的不均勻程度：Cu≥5，不均勻土；Cu<5,均勻土。2）顆粒分布情況用于大致判定土的均勻程度：

曲線平緩，粒組分布范圍廣，土顆粒不均勻；曲線較陡，粒組分布較集中，土顆粒均勻。土的組成4）不均勻系數Cu越大，表示土粒越不均勻，說明

級配越好，適宜作為填方土料；Cu越小,表示

土粒越均勻，說明級配不好，不宜作為填料。【例題1.1】如例圖1.1所示A、B、C為三種用不同粒徑曲線所代表的土。試求A、B土中的砂粒、粉粒、粘粒粒組的含量各占多少?不均勻系數Cu各為多少?并對各曲線所反映的土的級配特性進行分析。土的組成例圖1.1顆粒級配累積曲線【解】

土的組成因為A土不均勻系數Cu小于5，土粒均勻，級配不好。土的組成因為B土不均勻系數Cu大于5，土粒分布不均勻，故級配良好。結合水吸附在土顆粒表面的水自由水結合水膜之外的水

二、土中水（液相）1.土中水的存在形態(tài)

天然土體中常含有一定數量呈液態(tài)、固態(tài)或氣態(tài)的水。一般土需研究液態(tài)水，凍土還需研究固態(tài)水的含量。土中氣態(tài)水，對土的性質影響不大，通常不作重點研究。土的組成2.土中水的分類結合水

自由水

強結合水(強束縛水或吸著水)

緊附于礦物顆粒表面。

弱結合水

是在強結合水外圍形成的一層結合水膜。

重力水

重力水可以在土孔隙中自由流動

毛細水受到水和空氣交界面處表面壓力的作用，存在于地下水位以上的透水層中自由水土的組成結合水

排列致密、定向性強具有固體的的特性有較大的抗剪強度強結合水外力作用下可以擠壓變形不因重力而移動，有黏滯性弱結合水土的組成

弱結合水對黏性土的影響很大。砂土可認為不含弱結合水！自由水重力水毛細水土的組成

存在于地下水位以下的透水土層中。它是在重力或水頭壓力作用下運動的自由水，對土粒及結構物具有浮力作用。重力水對土中的應力狀態(tài)和開挖基槽、基坑以及修筑地下構筑物時所應采取的排水、防水措施有重要的影響。

存在于地下水位以上的透水土層中。是土細小孔隙中受到水與空氣交界面處表面張力作用的自由水。當土中有毛細水時，毛細水的彎液面與土粒接觸面處的表面張力反作用于土粒，形成毛細壓力，使得土粒相互擠緊，因而使無黏性的砂土表現出具有粘聚力（稱為假粘聚力）。土的組成土粒土粒彎液面表面張力在工程中應注意毛細水的上升對建筑的影響，如使地基濕潤，降低強度，增加變形；寒冷地區(qū)土產生凍脹以及基礎和地下設施的防潮。當土中有毛細水時，毛細水的彎液面與土粒接觸面處的表面張力反作用于土粒，形成毛細壓力，使得土粒相互擠緊，因而使無黏性的砂土表現出具有粘聚力（稱為假粘聚力）。土的組成土粒土粒彎液面表面張力在工程中應注意毛細水的上升對建筑的影響，如使地基濕潤，降低強度，增加變形；寒冷地區(qū)土產生凍脹以及基礎和地下設施的防潮。自由氣體：與大氣連通，對土的性質影響不大

在粗粒土中常可見與大氣相連通的空氣，在受力時，氣體能很快從孔隙中逸出，一般不影響土的性質。封閉氣體：增加土的彈性；阻塞滲流通道

在細粒土中，常存在與大氣不相連通的封閉氣泡，在土體受壓時，氣體體積縮小，卸荷后體積又恢復，這使土的彈性變形增大而透水性減小。三、土中氣體（氣相）土的組成易形成橡皮土，對土的壓實不利

土有三個組成部分：固相、液相和氣相

小結1.固體顆粒2.土中水3.土中氣體礦物成分顆粒級配結合水(強結合水、弱結合水)自由水(重力水、毛細水)自由氣體封閉氣體土的組成四、土的結構1、概念土的結構是指土體中土粒相互的排列與連接。它與土的礦物成分、顆粒形態(tài)和沉積條件有關。2、分類一般土的結構可歸納為三種基本類型。

土的組成（a）單粒結構（b）蜂窩結構（c）絮狀結構

①、單粒結構（＞0.075mm）

土的單粒結構粗顆粒土在水中或空氣中下沉而成的。為碎石土和砂類土的結構特征。特點：土粒間的分子吸引力很小，顆粒幾乎沒有聯結。密實的單粒結構工程性質最好

土的組成②、蜂窩結構（0.075~0.005mm）土的蜂窩結構當土顆粒較細，在水中單個下沉，碰到已沉積的土粒，由于土粒之間的分子吸力大于顆粒自重，則土粒被吸引不再下沉，逐漸形成土粒鏈，土粒鏈組成弓架結構，形成很大孔隙的蜂窩狀結構。特點：孔隙大，高水平荷載作用下，結構破壞，易導致嚴重的地基沉降。土的組成③、絮狀結構（＜0.005mm）

土的絮凝結構粒徑小于0.005mm的粘土顆粒，在水中長期懸浮并在水中運動時，形成小鏈環(huán)狀的土集粒而下沉。這種小鏈環(huán)碰到另一小鏈環(huán)被吸引，形成大鏈環(huán)狀的絮狀結構。特點：不穩(wěn)定的，隨溶液性質的改變或受到震蕩后可重新分散。蜂窩結構和絮狀結構如果受到擾動則天然結構破壞，強度降低，不可作為天然地基

土的組成土的三相指標（物理性質指標）土的物理狀態(tài)粗粒土的松密程度粘性土的軟硬狀態(tài)土的物理性質指標(三相間的比例關系)力學特性影響表示基本方法:三相草圖法土的三相指標任務3土的三相比例指標三相草圖水氣土粒VaVwVsVvVma=0mwmsm質量體積

為了研究土粒、水和空氣這三相在數量上的相互關系，我們設想把土體的各相分別集中在一起，用三相圖來直觀地表示三相物質在體積和質量上的相對關系。土的三相指標指標的定義三相草圖水氣土粒VaVwVsVvVma=0mwmsm質量體積已知關系五個:共有九個參數:

V

Vv

Vs

Va

Vw

ms

mw

ma

m三相草圖法是一種簡單而實用的方法土的三相指標一.土的三相基本指標----土的天然密度、土粒相對密度（土粒比重）、土的含水量三項指標，是由實驗直接測定的，稱為基本指標。水氣土粒VaVwVsVvVma=0mwmsm質量體積1.土的天然密度ρ和天然重度γ土的重度工程上更常用,用于計算土的自重應力單位:國內工程中常用g/cm3或國際上常用kg/m3

單位:

kN/m3

定義:

土單位體積的質量表達式:三相草圖有助于直觀理解物性指標的概念土的三相指標土的密度定義:

單位體積土所受的重力表達式:密度測定方法環(huán)刀法：

適用于黏性土、粉土。灌水法：適用于卵石，礫石，砂等無黏性土。

常見值：砂土：1.6～2.0g/cm3；粘土:1.8～2.0g/cm3

；腐殖土：1.5～1.7g/cm3。

意義：綜合反映了土的物質組成和結構特征。WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm質量體積2.土粒相對密度（比重）ds單位:

無量綱土粒比重一般范圍:

粘性土2.72~2.75砂土2.65~2.69－純水在4?C時的密度=1.0g/cm3定義:

土粒的質量與同體積的4?C時純水的質量的比值表達式:測定方法：土粒比重常用比重瓶法測定。

土的三相指標WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm質量體積3.土的含水量w定義:

土中水的質量與土粒質量之比,

用百分數表示注意:

含水量反映了土的濕度,表示土中所含水分多少。黏性土的含水量越大，壓縮性越大，強度越低。表達式:測定方法：含水量通常采用烘干法測定。

土的三相指標常見值：砂土w=(0～40)%；黏性土w=(20～60)%。1）土的孔隙比孔隙比e孔隙率n二、計算指標在某種程度上反映土的松密常見值：砂類土e：0.5~1.0粘性土e：0.5~1.2

定義:土中孔隙體積與固體顆粒

體積之比，用小數表示表達式:WaterAirSoilVaVwVsVvV體積定義:土中孔隙體積與總體積

之比,用百分數表示表達式:土的三相指標1.反映土的松密程度的指標2）土的孔隙率2.反映土中含水程度的指標1)含水量w2)飽和度Sr(%)WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm質量體積表達式:定義:土中水的體積與孔隙體積的比值飽和度表示孔隙中充滿水的程度Sr=0:

干土Sr=1:

飽和土實際工程中對砂土濕度的劃分:Sr≤50%稍濕

50%<Sr≤80%

很濕80%<Sr

≤100%飽和土的三相指標3.表示土中密度和重度的指標天然密度干密度天然重度干重度WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm質量體積單位:kg/m3

或g/cm3單位:kN/m3

定義:

土被完全烘干時的密度,

等于單位體積內土粒的質量

表達式:土的三相指標1）天然密度ρ和天然重度γ2）干密度ρd和干重度γd定義:

土被完全烘干時，單

位體積土粒所受的重力表達式:土的三相指標飽和密度浮重度有效重度飽和重度定義:

土中孔隙充滿水時的單位體積質量表達式:定義:

地下水位以下的土，扣除浮力后單位體積

土所受的重力，稱為有效重度（浮重度）表達式:3）飽和密度ρsat和飽和重度γsat4）有效重度γ′（或稱浮重度）定義:

土中孔隙充滿水時單位體積內所受的重力表達式:各種密度重度之間的大小關系：天然密度干密度飽和密度天然重度干重度浮重度飽和重度WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm質量體積浮密度土的三相指標為計算方便，可采用簡單的填圖法。圖1.10三相草圖三、指標間的換算關系令Vs=1,由則Vv

=

eVs

=1Vv

=

e有V

=

1+eV

=

1+e由則ms

=Vsρwds=ρw

ds

ms

=

dsρw

由則mw

=

wms=wρwds

mw

=

wdsρw

有m=

ms+mw=（1+w）ρw

dsm=（1+w）dsρw

土的三相指標將e移至等式左端,則有由Vw

=

mw／ρw土的三相指標Vs

=1Vv

=

eV

=

1+e

ms

=

dsρw

mw

=

wdsρw

m=（1+w）dsρw

土的三相指標Vs

=1Vv

=

eV

=

1+e

ms

=

dsρw

mw

=

wdsρw

m=（1+w）dsρw

三相比例指標換算公式見教材P14~15表1-4要點從物理意義上理解指標間的關系不鼓勵死記硬背必要時利用三相草圖推導土的三相指標土的三相指標例1、用體積為72cm3的環(huán)刀取得某原狀土樣

重132g，烘干后土重122g，若ds=2.72，

試計算該土樣的ρ

、e

、

w

、Sr

。

例2、已知土樣的ρ＝1.89g／cm3，w＝18.4%，

ds＝2.7，試計算該土樣的e

、

n

、Sr

。

小結物理性質指標土的三個組成相的體積和質量上的比例關系密實程度干濕程度……特點:指標概念簡單，數量很多要點：名稱、概念或定義、符號、表達式、單位或量綱、常見值或范圍、聯系與區(qū)別定義基本方法:三相草圖法室內測定的三個物理性質指標土的密度、土粒相對密度、土的含水量三相草圖有助于直觀理解物性指標的概念其它常用的物理性質指標表示土中孔隙含量的指標表示土中含水程度的指標表示土中密度和重度的指標三相草圖可用于確定物性指標之間的關系三相草圖法是求取物理性質指標的簡單而有效的方法土的三相指標密實度如何衡量?單位體積中固體顆粒含量的多少優(yōu)點：簡單方便缺點：不能反映級配的影響只能用于同一種土對策1)按天然孔隙比e確定無黏性土是指碎石、砂等粗粒土，由于顆粒間無黏性，所以土的密實程度直接影響其工程性質。2)按相對密實度Dr確定土的三相指標任務4無黏性土密實度一、砂土的密實度e<0.6時，屬于密實砂土，強度高，壓縮性小e>0.95時，屬于松散狀態(tài)，強度低，壓縮性大emax:最大孔隙比；將松散的風干土樣通過長頸漏斗輕輕地倒入容器，避免重力沖擊，求得土的最小干密度再經換算得到最大孔隙比emin:最小孔隙比；將松散的風干土樣裝入金屬容器內，按規(guī)定方法振動和錘擊，直至密度不再提高，求得土的最大干密度再經換算得到最小孔隙比emax與emin：最大與最小孔隙比注意：室內測得理論上的最大與最小孔隙比有時很困難相對密實度２)無黏性土的密實度粗粒土的密實狀態(tài)指標

判別標準：Dr

=1最密狀態(tài)

Dr

=0最松狀態(tài)

Dr≤1/3松散狀態(tài)1/3<

Dr≤2/3中密狀態(tài)

Dr>2/3密實狀態(tài)相對密實度無黏性土的密實度1--穿心錘2--錘墊3--觸探桿4--貫入器頭5--出水孔6--貫入器身7--貫入器靴標準貫入試驗用卷揚機將質量為63.5Kg的穿心錘，提升到76cm的高度，讓鋼錘自由落下去擊在錘墊上，是貫入器灌入30cm所需的錘擊數3）以標準貫入試驗錘擊數N確定標準貫入試驗(SPT)無黏性土的密實度我國現行《建筑地基基礎設計規(guī)范》(GB50007-2011)采用標準貫入試驗錘擊數N來評價砂類土的密實度。根據N可將砂土分為：錘擊數NN≤1010<N≤1515<N≤30N>30密實度松散稍密中密密實該試驗的應用主要有評定砂土的相對密度、評定地基土承載力、估算單樁承載力等。無黏性土的密實度二、碎石土的密實度碎石土:重型圓錐動力觸探試驗的錘擊數N63.5(見P17表1-6)塑限wp液限wL界限含水量黏性土的稠度反映土中水的形態(tài)固態(tài)或半固態(tài)可塑態(tài)

流態(tài)

強結合水膜最大出現自由水強結合水弱結合水自由水稠度狀態(tài)含水量土中水的形態(tài)w任務5黏性土的稠度稠度是指土的軟硬程度，反映了土粒之間的連結強度隨著含水量高低而變化的性質。

使土剛好能夠轉變形態(tài)的含水量；即從一種狀態(tài)轉變?yōu)榱硪环N狀態(tài)的分界含水量。

一.黏性土的界限含水量1)液限定義：土呈流動狀態(tài)的最低含水量稱為液限，液限即為流動狀態(tài)與可塑狀態(tài)的界限含水量，也是可塑狀態(tài)的上限含水量。用符號wL表示測定方法：液限可采用碟式液限儀或錐式液限儀測定。2)塑限定義：土呈可塑狀態(tài)的最低含水量為土的塑限，它既是可塑狀態(tài)與半固態(tài)的界限含水量，也是半固態(tài)的上限含水量。用符號wp表示。測定方法：在國內常用搓條法測定塑限。

3)縮限定義：土的縮限是指黏性土隨含水量的減少，體積開始不變時的含水量，即半固態(tài)與固態(tài)的界限含水量，用符號ws表示。

界限含水量黏性土的稠度圖1-13入土深度與含水量的關系制備3個不同含水量的試樣，測定圓錐儀在15秒時的下沉深度，測定此時的含水量，在雙對數坐標紙上繪出圓錐下沉深度和含水量的關系直線。當下沉時間為5s時，深度17mm，對應的含水量為液限，2mm對應的含水量為塑限。

液、塑限聯合測定法黏性土的稠度測定方法黏性土的稠度液塑限聯合測定儀黏性土的可塑性

當土在一定條件下，因受外力作用被塑造或搓揉成任意形狀而不產生裂縫,且當外力移去后，仍能保持既得形狀的性能,稱為土的可塑性。可塑性塑性指數：液限與塑限之差地基規(guī)范規(guī)定用塑性指數作為黏性土劃分的標準。塑性指數表示黏性土呈可塑狀態(tài)時含水量的變化范圍。工程應用

－－－－塑性指數與黏性土中土粒的組成、粘粒的含量及礦物成分有關。土粒越細，含量越高，則其比表面積就越大，此時粘性土中結合水含量就越高，塑性指數就會隨之增大。從礦物成分看，粘土中蒙脫石含量越多，塑性指數會急劇增大。黏性土的稠度二、黏性土的塑性指數Ip對于不同的黏土，含水量相同，稠度可能不同液性指數不同的黏土，wp、wL

大小不同定義：wPwwLIL<0IL=0~1IL>1堅硬狀態(tài)可塑狀態(tài)流態(tài)0.00~0.250.25~0.750.75~1.00硬塑可塑軟塑液性指數w粘性土的稠度三、黏性土的液性指數IL天然含水量與塑限的差值和液限與塑限差值之比例３已知某土樣的w=40%，wL=47%，