第一章

土的物理性質(zhì)及工程分類土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)課件系列第一章

土的物理性質(zhì)及工程分類土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)課件系列1主要內(nèi)容土的三相組成土的顆粒特征土的結(jié)構(gòu)土作為三相體的比例指標(biāo)粘性土的界限砂土的密實(shí)度主要內(nèi)容土的三相組成2第一節(jié)土的三相組成土由固相、液相和氣相三相組成，物質(zhì)成分非常復(fù)雜。固相：土的固相物質(zhì)分無機(jī)礦物顆粒及有機(jī)質(zhì)，它們組成土的骨架。其固體顆粒的詳細(xì)組成如下圖所示。第一節(jié)土的三相組成土由固相、液相和氣相三相組成，物質(zhì)成分3固體成份礦物質(zhì)有機(jī)質(zhì)原生礦物次生礦物石英長石云母∶粘土礦物Fe2O3Al2O3SiO2碳酸鹽固體成份礦物質(zhì)有機(jī)質(zhì)原生礦物次生礦物石英長石云母∶粘土礦物F4有機(jī)質(zhì)主要是腐殖質(zhì)礦物，其次是動(dòng)植物殘骸體及有機(jī)殘余物。液相:土的液相是土孔隙中存在的水，一般看成中性，無色、無味、無臭，實(shí)質(zhì)上土中水溶液是成分復(fù)雜的電解質(zhì)水溶液。在土中水以H2O分子形式存在如下圖所示。土中的水結(jié)合水自由水強(qiáng)結(jié)合水弱結(jié)合水毛細(xì)水重力水有機(jī)質(zhì)主要是腐殖質(zhì)礦物，其次是動(dòng)植物殘骸體及有機(jī)殘余物。土中5當(dāng)土粒與水相互作用時(shí)，土粒會吸附一部分水分子，在土粒表面形成一定厚度的水膜，由于受表面引力作用，而不服從靜水力學(xué)規(guī)律，結(jié)合水的密度，粘滯度均比一般正常水為高，冰點(diǎn)比O℃低。在結(jié)合水膜以外的水，為正常的液態(tài)水溶液，它受重力的控制而流動(dòng)，能傳遞靜水壓力，為自由水。自由水又分為毛細(xì)水和重力水。毛細(xì)水除受重力作用外，還受毛細(xì)表面張力引起的毛細(xì)作用支配，毛細(xì)水上升的高度取決于毛細(xì)管的直徑，毛細(xì)水對公路路基的干濕狀態(tài)及凍害有重要影響。

重力水為只受重力控制的自由水，它不受表面張力的影響，它在重力或壓力差作用下會在土中滲透。除了以上介紹的水的狀態(tài)外，還可能有氣態(tài)水，即呈蒸汽態(tài)水，以及固態(tài)水，即冰態(tài)的水。當(dāng)土粒與水相互作用時(shí)，土粒會吸附一部分水分子，在土粒表面6土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)_第一章土物理性質(zhì)及工程分類-課件7氣相:

土的氣相是孔隙中存在空氣，主要有CO2、O2、N2，其存在形式分為連通和不連通，不連通的對工程的影響比較大，屬非飽和土力學(xué)的研究范圍，是目前正在研究的熱點(diǎn)內(nèi)容。

氣相:8第二節(jié)土的顆粒特征一、土粒大小及粒組劃分

土粒大小是描述土的最直觀和最簡單的標(biāo)準(zhǔn)。對于立方體和渾圓球體的土粒，可直接量測，立方體的邊長或圓柱體的直徑，來描述土粒的大小。常用的分析方法有兩種，對于大于0.075mm的土粒常采用篩分析方法，而對于小于0.075mm的土粒則用沉降分析方法。沉降分析的方法：土粒大小即相當(dāng)與實(shí)際土粒有相同沉降速度的理想圓球體的直徑。天然土體土粒大小變化很大，1×10-6mm~幾米大小。土料的大小稱為粒度，把大小相近的土粒合并成一組，稱粒組，分界線是人為確定的。我國采用粗粒組劃分辦法，分為六大粒組，其分界粒徑為200，20，2，1/20，1/200mm，根據(jù)需要再劃分為若干亞組。劃分粒組有兩種方式：第二節(jié)土的顆粒特征一、土粒大小及粒組劃分9任意劃分的方式，即按一定比例遞減關(guān)系劃分粒組的界限值?？紤]土粒性質(zhì)變化的方式，使劃分的粒組界限值與粒組性質(zhì)的變化相適應(yīng)。二、粒度成分及其表示方法土的粒度成分是指土中各種不同粒組的相對含量（%），它可用來描述土的各種不同粒徑土粒的分布特征。常用的粒度成分的表示方法有表格法（如表1-1）、累計(jì)曲線（圖1-4）及三角形坐標(biāo)法。任意劃分的方式，即按一定比例遞減關(guān)系劃分粒組的界限值。10土的粒度成分表1-1粒組（mm）粒度成分（以百分計(jì)）土樣a土樣b土樣c10～525.05～23.120.02～16.012.31～0.514.48.00.5～0.2541.56.20.25～0.1026.04.98.00.10～0.059.04.614.40.05～0.018.137.60.01～0.0054.211.10.005～0.0025.218.9＜0.0021.510.0土的粒度成分表1-1粒組（mm）粒度成分（以百分計(jì)）11圖1-4圖1-412圖1-5圖1-513根據(jù)粒徑級配曲線可以得到以下指標(biāo)平均粒徑d50：通過率是50%時(shí)的粒徑。它表示了試料中粒徑大小的中間值,所以,稱為平均粒徑。有效粒徑d10：通過率是10%時(shí)的粒徑，是試料中所含細(xì)粒土大小程度的指標(biāo)。通過該指標(biāo)可知固結(jié)至某種程度的土的孔隙中，比土粒平均粒徑d50小的細(xì)粒土的大小程度，所以d10可用于推定含砂量較多的土的滲透系數(shù)[表示土中水流過的難易程度的系數(shù)]。同理，可得d30和d60見圖1-5。

不均勻系數(shù)Cu：

Cu=d60/d10

根據(jù)粒徑級配曲線可以得到以下指標(biāo)14該指標(biāo)表示了顆粒累積曲線的傾斜度，Cu值大，叫做級配良好，Cu值小叫做級配不良。級配良好的土，土顆粒大小相間，在壓實(shí)的時(shí)候容易壓實(shí)，所以叫做極配良好。乒乓球的不均勻系數(shù)Cu=1，是級配最差的例子。

曲率系數(shù)Cc:Cc=(d30*d30)/(d10*d60)

該值表示了累積曲線的平滑程度，Cc值接近于1，曲線平滑，表示土中含有大小不同的土顆粒。通常Cu≥10，Cc=1—3的土是級配良好的土。該指標(biāo)表示了顆粒累積曲線的傾斜度，Cu值大，叫做級配15三角形坐標(biāo)法是由等邊三角形組成，幾何上已知三角形內(nèi)一點(diǎn)，到三個(gè)邊的距離之和為一常數(shù)，即h1+h2+h3=H,其中，h1——粘土顆粒的含量h2——砂土顆粒的含量h3——粉土顆粒的含量根據(jù)該點(diǎn)在三角形的位置，確定土的名稱、性質(zhì)。土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)_第一章土物理性質(zhì)及工程分類-課件16三、粒度成分分析方法土的顆粒級配由顆粒級配實(shí)驗(yàn)求出。在顆粒級配實(shí)驗(yàn)中,粗粒(75μm以上)土，用篩分法分析，細(xì)粒(75μm以下)土，因?yàn)橥令w粒過小，用篩分法分不出來，采用水中沉降法(比重計(jì)法)分析。篩分法如圖1-3(a)所示，把篩孔不同的篩，按篩孔的大小從大到小依次摞起來，最上層的篩中放入干燥的土試料，加蓋后振動(dòng)，最后稱量留在各個(gè)篩里的試料的質(zhì)量，從而得出各種粒徑所占的質(zhì)量百分比。把這個(gè)結(jié)果繪在對數(shù)坐標(biāo)紙上，得到圖1-3(b)所示的顆粒大小與通過質(zhì)量百分比的關(guān)系圖。該曲線叫做顆粒級配曲線。另外，水中沉降法是一種聰明的方法，該方法利用了粒徑大的顆粒沉降快(沉降速率與粒徑的平方成比例)這一特性，分出粒徑的大小。其方法是，把通過2mm篩的試料放入水中，充分?jǐn)嚢?，震?dòng)后靜置，然后，隔一定的時(shí)間用比重浮標(biāo)(比重計(jì))量測懸濁液的比重，根據(jù)懸濁液比重隨時(shí)間的變化，并考慮到粒徑大的顆粒沉降快，從而求出粒徑分布。當(dāng)粗細(xì)兼有時(shí)，兩種辦法聯(lián)合使用。三、粒度成分分析方法17

土粒越大，在靜水中沉降速度越大，反之亦然。設(shè)有一個(gè)圓球形顆粒在無限大的不可壓縮的松滯性液體中，它在重力作用下產(chǎn)生的穩(wěn)定沉降速度V，可由stokes公式。V——球形顆粒在液中的穩(wěn)定沉降速度——球形顆粒的半徑——顆粒及液體容重N/m3——液體的松滯系數(shù)

18=0.00114Pa·s

w=9.81×103N/m3

s=26×103N/m3==0.00114Pa·sw=9.81×1019懸液體積為1000cm3，其中所含≤di的土粒重量為Wsi(g)懸液中≤di土粒重量Wsi占土粒總重Ws的百分比P1為懸液體積為1000cm3，其中所含≤di的土粒重量為Wsi(20第三節(jié)土的結(jié)構(gòu)土的結(jié)構(gòu)是指土的物質(zhì)組成（主要指土粒、孔隙）的空間相互排列，以及土粒間的聯(lián)結(jié)特征的綜合。用肉眼或一般放大鏡可以看到的土的結(jié)構(gòu)稱為宏觀結(jié)構(gòu)，如層理、裂隙、大孔隙等。用光學(xué)顯微鏡，電子顯微鏡才能觀察到的土的結(jié)構(gòu)稱為微觀結(jié)構(gòu)。土的結(jié)構(gòu)，按其顆粒的排列及聯(lián)結(jié)有：1．單粒結(jié)構(gòu)：這是碎石類土和砂土的結(jié)構(gòu)特征：土粒間無聯(lián)結(jié)存在，或聯(lián)結(jié)微弱，可以略去不計(jì)，分為疏松和緊密的。在靜荷載作用下，尤其是在振動(dòng)荷載作用下，疏松的單粒結(jié)構(gòu)會趨于緊密，單粒結(jié)構(gòu)的緊密程度取決于礦物成份，顆粒形狀均勻程度，沉積條件，片狀礦物組成的砂土最為疏松；渾圓的顆粒組成的砂比常有棱角的顆粒組成的砂土緊密，土粒愈不均勻，結(jié)構(gòu)愈緊密，急速沉積的比緩慢沉積的土結(jié)構(gòu)疏松些。第三節(jié)土的結(jié)構(gòu)土的結(jié)構(gòu)是指土的物質(zhì)組成（主要指土粒212．聚粒結(jié)構(gòu)：若干土粒以面-面方式聚合在一起，形成比較大的疊片狀的集合體。3．絮凝結(jié)構(gòu)：土粒或聚粒以邊-邊、邊-面方式相互聯(lián)結(jié)在一起，形成絮凝結(jié)構(gòu)，它使土具有：細(xì)胞孔隙性、粘聚性和彈性。土的結(jié)構(gòu)在形成過程中，以及形成之后，當(dāng)外界條件變化時(shí)，都會使土的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。土體越干，土粒的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度越大，土體在外力作用下，絮狀結(jié)構(gòu)會趨于定向排列，土的強(qiáng)度及壓縮性都隨之發(fā)生變化。對土的結(jié)構(gòu)的研究，近年來不僅研究土粒的排列及分布，并已開始研究土的孔隙率（孔隙大小、形狀及分布）以及顆粒間聯(lián)結(jié)性（接觸數(shù)量，接觸力的分布及）。2．聚粒結(jié)構(gòu)：若干土粒以面-面方式聚合在一起，形成比較大的疊22第四節(jié)土作為三相體的比例指標(biāo)土是三相分散體系，可從體積和重量上反映干濕程度及緊密程度，其實(shí)際組成的三相圖和經(jīng)抽象后的理想三相圖如圖1-6所示。(a)實(shí)際土體(b)土三相圖(c)各相的重量和體積圖1-6土的三相組成第四節(jié)土作為三相體的比例指標(biāo)土是三相分散體系，可從體積和23從圖1-6可以得到以下式子：V=Vs+Vw+VaW=Ws+Ww+WaWa=0W=Ws+Ww1.土的容重γ：土體單位體積的重力。它通常用環(huán)刀法在試驗(yàn)室測定，一般土的容重16~22KN/m3從圖1-6可以得到以下式子：242．土粒容量γs：土固體顆粒單位體積的重力（或重量）。3．土的含水量：是指土中水重與固體顆粒重之比，以百分比表示W(wǎng)變化范圍0~幾百%，干砂接近于0，飽和粘土為百分之幾百。4．干容量：是土的固體粒重力與土的總體積之比，即越大，土越密。2．土粒容量γs：土固體顆粒單位體積的重力（或重量）。255．飽和容重：指土孔隙中全部被水充滿時(shí)的容重，即6．土的浮容重（浸水容重）：土浸沒在水中受到浮力作用時(shí)的容重。當(dāng)土浸沒在水中時(shí)，就會受到水的浮力作用，從而減小了土的容重。浮力的大小等于排開的水重，因而浮容重應(yīng)等于含有乳隙在內(nèi)的單位體積土中的顆粒重量減去同體積（即顆粒體積）的水重，當(dāng)土的孔隙度為n時(shí)，孔隙比為e時(shí)，從圖1-7、圖1-8可以得出：5．飽和容重：指土孔隙中全部被水充滿時(shí)的容重，即26土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)_第一章土物理性質(zhì)及工程分類-課件27圖1-7圖1-728圖1-8圖1-8297．孔隙比e：是指土中孔隙的體積與固體顆粒的體積之比，即用來評價(jià)土的緊密程度。8．孔隙率n，土中孔隙體積與總體積之比一般以百分率表示，e與n之間關(guān)系為：7．孔隙比e：是指土中孔隙的體積與固體顆粒的體積之比，即309．飽和度Sr：是孔隙中水的體積與孔隙體積之比它用來描述土中水充滿空隙的程度，Sr=0為完全干燥的土，Sr=1為完全飽的土。把按飽和度將砂土分成三種狀態(tài),0＜Sr≤0.5稍濕0.5＜Sr≤0.8潮濕的（很濕的）0.8＜Sr≤1.0飽和的在以上指標(biāo)中，、、是由試驗(yàn)測定，稱為試驗(yàn)指標(biāo)，其余指標(biāo)均為導(dǎo)出指標(biāo)。9．飽和度Sr：是孔隙中水的體積與孔隙體積之比31第五節(jié)粘性土的界限含水量如圖1-9所示,粘性土充分加水?dāng)嚢韬?像泥漿一樣,不能成型,呈“液體狀態(tài)”.然后使其漸漸干燥,隨著含水量降低,水分蒸發(fā),體積減小,逐漸達(dá)到容易成型的“半固體狀態(tài)”.繼續(xù)干燥下去,土顆粒相互接觸,體積不再收縮,呈堅(jiān)硬的“固體狀態(tài)”.把與以上各種狀態(tài)相適應(yīng)的界限含水量分別稱為液限(liquidlimit)WL、塑限(plasticlimit)Wp和縮限(shrinkagelimit)Ws,統(tǒng)稱為稠度界限(consistencylimit).所以說：土從液體狀態(tài)向塑性體狀態(tài)過渡的界限含水量稱為液限WL。土由塑性體狀態(tài)向脆性固體狀態(tài)過渡的界限含水量稱為塑限Wp。土的體積隨含水量的減少而收縮，但達(dá)某一含水量時(shí)，土體積，不再收縮，這個(gè)界限含水量稱之為縮限Ws。第五節(jié)粘性土的界限含水量如圖1-9所示,粘性土充分加水?dāng)?2另外從圖1-9也可知道天然土所處的狀態(tài)。對于土體在界限點(diǎn)的狀態(tài)一般不說。粘性土的塑性大小，可用土處于塑性體狀態(tài)的含水量變化范圍來衡量。液限與塑限之差值，稱之為塑性指數(shù)Ip。圖1-9另外從圖1-9也可知道天然土所處的狀態(tài)。對于土體在界限點(diǎn)的狀33用一個(gè)能夠表示天然含水量與界限含水量之關(guān)系的指標(biāo)即液性指數(shù)IL，即液性指數(shù)說明天然土所處的狀態(tài)。可表示成下式Il=(w-wp)/(wl-wp)通過圖1-9可以對照著理解液性指數(shù)的含義。通常土的液限的測定用平衡錐式液限儀進(jìn)行的，土的塑限是用搓泥條法測定的。目前還有用液塑限聯(lián)合測定儀測定土的液、塑限。用一個(gè)能夠表示天然含水量與界限含水量之關(guān)系的指標(biāo)即液性指數(shù)I34第六節(jié)砂土的密實(shí)度當(dāng)砂土樣以最疏松狀態(tài)制備時(shí)，其孔隙比達(dá)最大值emax；當(dāng)砂土樣受或搗實(shí)時(shí)，砂粒相互靠攏壓緊，孔隙比達(dá)最小值emin，砂土的天然狀態(tài)的孔隙比為e，則砂土的天然狀態(tài)的緊密程度可用相對密度Dr來表示：由于emax、emin的試驗(yàn)方法目前缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，測定的結(jié)果往往離散性比較大，原狀砂土取樣困難較多，尤其水下，因此砂土的天然孔隙比也是難以測定。所以相對密度的表達(dá)式并不實(shí)用。第六節(jié)砂土的密實(shí)度當(dāng)砂土樣以最疏松狀態(tài)制備時(shí)，其孔隙比達(dá)35一般采取標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)：質(zhì)量63.5kg的穿心錘以760mm的落距，把一個(gè)特制的對開式標(biāo)準(zhǔn)貫入器按一定的要求打入土中，記錄每打下300mm所需的錘擊數(shù)即N63.5或N值，根據(jù)實(shí)測平均的N63.5值可劃分砂土的密實(shí)程度。實(shí)測值應(yīng)乘以長度修正系數(shù)、地下水、上覆土壓、側(cè)摩擦及設(shè)備試驗(yàn)方法，都可能對錘擊數(shù)有影響。砂土密實(shí)度

砂土密實(shí)度表1-2分級相對密度Dr標(biāo)準(zhǔn)貫入平均擊數(shù)密實(shí)Dr≥0.6730-50中密0.67〉Dr≥0.3310-29稍松0.33〉Dr≥0.205-9極松Dr〈0.20〈5一般采取標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)：質(zhì)量63.5kg的穿心錘以736第七節(jié)土的工程分類土是自然地質(zhì)歷史的產(chǎn)物，它的成分、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)是千變?nèi)f化的，大致地判斷土的基本性質(zhì)，合理地選擇研究內(nèi)容及方法，以及在科學(xué)技術(shù)流中有共同的語言，有必要對土進(jìn)行科學(xué)分類。分類的方法：地質(zhì)分類、土壤分類、粒徑分類、結(jié)構(gòu)分類。為了解決滲流問題，則按土的滲透性進(jìn)行分類，在考慮粒度成分界限值時(shí)，就注意到使粒組的劃分能反映透水性的變化。在道路工程中，為了路基土壓實(shí)和水穩(wěn)性問題，則按土的不同粒組的級配進(jìn)行土的分類。粗粒土，按粒度成分進(jìn)行分類，粘性土則按塑性指數(shù)分類。第七節(jié)土的工程分類土是自然地質(zhì)歷史的產(chǎn)物，它的成分37一、《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ024-85）與《工業(yè)與民用建筑地基規(guī)范》（TJ7-74）、《工業(yè)與民用建筑工程地質(zhì)勘查規(guī)范》（TJ21-77）中的工程分類首先按顆粒級配或塑性指數(shù)劃分為碎石土、砂土和粘性土1．碎石土：粒徑大于2mm的顆粒含量超過全重50%的，再按表1-4細(xì)分為、漂石、塊石、卵石、碎石、圓礫和角礫。2．砂土：大于2mm不超過50%且塑性指數(shù)IP≯1的土按表1-5分礫砂、粗砂、細(xì)砂和粉砂。3．粘性土：IP>1的土。1）按沉積率代分（1）老年粘土：Q3以及Q3以前的沉積粘性土（2）一般粘土：Q4沉積的粘性土（3）新近沉積粘性土：文化期以來沉積的粘性土2）按塑性指數(shù)分類見表1-3。一、《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ024-85）與《38粘性土的分類表1-3土名JTJ024-85規(guī)范土名TJ7-74及TJ21-22規(guī)范粘土Ip＞17粘土Ip＞17亞粘土7＜Ip≤17亞粘土10＜Ip≤17亞砂土1＜Ip≤7亞砂土3＜Ip≤7粘性土的分類表1-3土名JTJ0239碎石土的分類表1-4土的名稱顆粒形狀顆粒級配漂石圓形及亞圓形為主粒徑大于200mm的顆粒超過全重的50%塊石棱角形為主卵石圓形及亞圓形為主粒徑大于20mm的顆粒超過全重的50%礫石棱角形為主圓礫圓形及亞圓形為主粒徑大于2mm的顆粒超過全重的50%角礫棱角形為主碎石土的分類表1-4土的名稱顆粒形狀顆粒級配漂石圓40砂土的分類表1-5土的名稱粒徑大于2mm的顆粒超過全重的25-50%礫砂粒徑大于0.5mm的顆粒超過全重的50%粗砂粒徑大于0.25mm的顆粒超過全重的50%中砂粒徑大于0.1mm的顆粒超過全重的75%細(xì)砂粒徑大于0.1mm的顆粒不超過全重的50%粉砂粒徑大于2mm的顆粒超過全重的50%砂土的分類表414．特殊土、淤泥、淤泥質(zhì)土、紅粘土及人工填土1）淤泥和淤泥質(zhì)土：在靜水或緩慢的流水環(huán)境中沉積，經(jīng)過生物化學(xué)作用形成，天然含水量W大于液限WL，e>1.0的粘性土，當(dāng)e>1.5為淤泥，1.0<e<1.5時(shí)為淤泥質(zhì)土。2）紅粘土：（N）nCO3類巖石經(jīng)過風(fēng)化殘積、坡積形成的褐色紅色粘土，e>1.0，W接近WP，Sr>85%。3）人工填土：由人類活動(dòng)形成的堆積物。（1）素填土：有隨時(shí)圖、砂土、粘土等組成的填土，經(jīng)分層夯實(shí)者統(tǒng)稱壓實(shí)填土。（2）雜填土：含有建筑垃圾、工業(yè)廢料、生活垃圾等雜物的填土。（3）沖填土：由水力沖填泥砂形成的填土。4．特殊土、淤泥、淤泥質(zhì)土、紅粘土及人工填土42二、公路路基土的分類土分類用的符號和含義如表1-6所示，公路路基土的分類如表1-7所示，其中將土分成砂土、砂性土、粉性土、粘性土、及重粘土五大類，然后再分成若干亞類。土分類用的符號和含義表1-6粗粒土細(xì)粒土有機(jī)土成分G（Gravel）礫S(Sand)砂C(Clay)粘質(zhì)土M(SiltorMo)粉質(zhì)土O(Organic)有機(jī)質(zhì)土P(Peat)泥炭級配或液限W(Wellgraded)良好級配P(Poorlygraded)不良好級配H(HighLiquidLimit)高液限I(IntermediateLiquidlimit)中液限L(LowLiquid)Limit)低液限二、公路路基土的分類粗粒土細(xì)粒土有機(jī)土成分G（Gravel）43公路路基土的分類表1-7土組土名老土名分類符號顆粒組成（按重量計(jì)）塑性指數(shù)Ip液限Wl砂粒(2-0.074mm)粘粒(<0.002mm)砂土粗砂：粒徑2～0.5mm的顆粒占50%以上中砂：粒徑0.5～0.25mm的顆粒占50%以上細(xì)砂：粒徑0.25～0.074mm的顆粒占50%以上粗砂：>0.5mm多于50%中砂：>0.25mm多于50%細(xì)砂：>0.1mm者多于75%極細(xì)砂：>0.1mm者少于75%>800～3<2<16砂性土粉質(zhì)低液限砂土粉質(zhì)砂土SLM50～800～3>216～28低液限粘土粗亞砂土細(xì)亞砂土CL>50粗砂多于細(xì)砂>50細(xì)砂多于粗砂3～103～10>2>216～2816～28粉性土粉質(zhì)低液限粘土粉質(zhì)亞砂土CLM20～500～10>216～28粉土粉土MLMI<200～10>216～28粉質(zhì)中液限粘土粉質(zhì)輕亞粘土粉質(zhì)重亞粘土CIM<45<4010～2020～30>10>1828～3838～50粘性土中液限粘土輕亞粘土重亞粘土CI>45>4010～2020～30>10>1828～3838～50高液限粘土輕粘土CH<7030～50>2650～70重粘土很高液限粘土重粘土CV<45>50>40>70公路路基土的分類表1-7土44三、細(xì)粒土按塑性圖分類對于細(xì)粒土，國外大多采用塑性圖分類，是以塑性指數(shù)為縱坐標(biāo)，液限為橫坐標(biāo)的直角坐標(biāo)圖，土的坐標(biāo)值落在那個(gè)區(qū)，就屬那種土。三、細(xì)粒土按塑性圖分類45第一章

土的物理性質(zhì)及工程分類土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)課件系列第一章

土的物理性質(zhì)及工程分類土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)課件系列46主要內(nèi)容土的三相組成土的顆粒特征土的結(jié)構(gòu)土作為三相體的比例指標(biāo)粘性土的界限砂土的密實(shí)度主要內(nèi)容土的三相組成47第一節(jié)土的三相組成土由固相、液相和氣相三相組成，物質(zhì)成分非常復(fù)雜。固相：土的固相物質(zhì)分無機(jī)礦物顆粒及有機(jī)質(zhì)，它們組成土的骨架。其固體顆粒的詳細(xì)組成如下圖所示。第一節(jié)土的三相組成土由固相、液相和氣相三相組成，物質(zhì)成分48固體成份礦物質(zhì)有機(jī)質(zhì)原生礦物次生礦物石英長石云母∶粘土礦物Fe2O3Al2O3SiO2碳酸鹽固體成份礦物質(zhì)有機(jī)質(zhì)原生礦物次生礦物石英長石云母∶粘土礦物F49有機(jī)質(zhì)主要是腐殖質(zhì)礦物，其次是動(dòng)植物殘骸體及有機(jī)殘余物。液相:土的液相是土孔隙中存在的水，一般看成中性，無色、無味、無臭，實(shí)質(zhì)上土中水溶液是成分復(fù)雜的電解質(zhì)水溶液。在土中水以H2O分子形式存在如下圖所示。土中的水結(jié)合水自由水強(qiáng)結(jié)合水弱結(jié)合水毛細(xì)水重力水有機(jī)質(zhì)主要是腐殖質(zhì)礦物，其次是動(dòng)植物殘骸體及有機(jī)殘余物。土中50當(dāng)土粒與水相互作用時(shí)，土粒會吸附一部分水分子，在土粒表面形成一定厚度的水膜，由于受表面引力作用，而不服從靜水力學(xué)規(guī)律，結(jié)合水的密度，粘滯度均比一般正常水為高，冰點(diǎn)比O℃低。在結(jié)合水膜以外的水，為正常的液態(tài)水溶液，它受重力的控制而流動(dòng)，能傳遞靜水壓力，為自由水。自由水又分為毛細(xì)水和重力水。毛細(xì)水除受重力作用外，還受毛細(xì)表面張力引起的毛細(xì)作用支配，毛細(xì)水上升的高度取決于毛細(xì)管的直徑，毛細(xì)水對公路路基的干濕狀態(tài)及凍害有重要影響。

重力水為只受重力控制的自由水，它不受表面張力的影響，它在重力或壓力差作用下會在土中滲透。除了以上介紹的水的狀態(tài)外，還可能有氣態(tài)水，即呈蒸汽態(tài)水，以及固態(tài)水，即冰態(tài)的水。當(dāng)土粒與水相互作用時(shí)，土粒會吸附一部分水分子，在土粒表面51土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)_第一章土物理性質(zhì)及工程分類-課件52氣相:

土的氣相是孔隙中存在空氣，主要有CO2、O2、N2，其存在形式分為連通和不連通，不連通的對工程的影響比較大，屬非飽和土力學(xué)的研究范圍，是目前正在研究的熱點(diǎn)內(nèi)容。

氣相:53第二節(jié)土的顆粒特征一、土粒大小及粒組劃分

土粒大小是描述土的最直觀和最簡單的標(biāo)準(zhǔn)。對于立方體和渾圓球體的土粒，可直接量測，立方體的邊長或圓柱體的直徑，來描述土粒的大小。常用的分析方法有兩種，對于大于0.075mm的土粒常采用篩分析方法，而對于小于0.075mm的土粒則用沉降分析方法。沉降分析的方法：土粒大小即相當(dāng)與實(shí)際土粒有相同沉降速度的理想圓球體的直徑。天然土體土粒大小變化很大，1×10-6mm~幾米大小。土料的大小稱為粒度，把大小相近的土粒合并成一組，稱粒組，分界線是人為確定的。我國采用粗粒組劃分辦法，分為六大粒組，其分界粒徑為200，20，2，1/20，1/200mm，根據(jù)需要再劃分為若干亞組。劃分粒組有兩種方式：第二節(jié)土的顆粒特征一、土粒大小及粒組劃分54任意劃分的方式，即按一定比例遞減關(guān)系劃分粒組的界限值。考慮土粒性質(zhì)變化的方式，使劃分的粒組界限值與粒組性質(zhì)的變化相適應(yīng)。二、粒度成分及其表示方法土的粒度成分是指土中各種不同粒組的相對含量（%），它可用來描述土的各種不同粒徑土粒的分布特征。常用的粒度成分的表示方法有表格法（如表1-1）、累計(jì)曲線（圖1-4）及三角形坐標(biāo)法。任意劃分的方式，即按一定比例遞減關(guān)系劃分粒組的界限值。55土的粒度成分表1-1粒組（mm）粒度成分（以百分計(jì)）土樣a土樣b土樣c10～525.05～23.120.02～16.012.31～0.514.48.00.5～0.2541.56.20.25～0.1026.04.98.00.10～0.059.04.614.40.05～0.018.137.60.01～0.0054.211.10.005～0.0025.218.9＜0.0021.510.0土的粒度成分表1-1粒組（mm）粒度成分（以百分計(jì)）56圖1-4圖1-457圖1-5圖1-558根據(jù)粒徑級配曲線可以得到以下指標(biāo)平均粒徑d50：通過率是50%時(shí)的粒徑。它表示了試料中粒徑大小的中間值,所以,稱為平均粒徑。有效粒徑d10：通過率是10%時(shí)的粒徑，是試料中所含細(xì)粒土大小程度的指標(biāo)。通過該指標(biāo)可知固結(jié)至某種程度的土的孔隙中，比土粒平均粒徑d50小的細(xì)粒土的大小程度，所以d10可用于推定含砂量較多的土的滲透系數(shù)[表示土中水流過的難易程度的系數(shù)]。同理，可得d30和d60見圖1-5。

不均勻系數(shù)Cu：

Cu=d60/d10

根據(jù)粒徑級配曲線可以得到以下指標(biāo)59該指標(biāo)表示了顆粒累積曲線的傾斜度，Cu值大，叫做級配良好，Cu值小叫做級配不良。級配良好的土，土顆粒大小相間，在壓實(shí)的時(shí)候容易壓實(shí)，所以叫做極配良好。乒乓球的不均勻系數(shù)Cu=1，是級配最差的例子。

曲率系數(shù)Cc:Cc=(d30*d30)/(d10*d60)

該值表示了累積曲線的平滑程度，Cc值接近于1，曲線平滑，表示土中含有大小不同的土顆粒。通常Cu≥10，Cc=1—3的土是級配良好的土。該指標(biāo)表示了顆粒累積曲線的傾斜度，Cu值大，叫做級配60三角形坐標(biāo)法是由等邊三角形組成，幾何上已知三角形內(nèi)一點(diǎn)，到三個(gè)邊的距離之和為一常數(shù)，即h1+h2+h3=H,其中，h1——粘土顆粒的含量h2——砂土顆粒的含量h3——粉土顆粒的含量根據(jù)該點(diǎn)在三角形的位置，確定土的名稱、性質(zhì)。土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)_第一章土物理性質(zhì)及工程分類-課件61三、粒度成分分析方法土的顆粒級配由顆粒級配實(shí)驗(yàn)求出。在顆粒級配實(shí)驗(yàn)中,粗粒(75μm以上)土，用篩分法分析，細(xì)粒(75μm以下)土，因?yàn)橥令w粒過小，用篩分法分不出來，采用水中沉降法(比重計(jì)法)分析。篩分法如圖1-3(a)所示，把篩孔不同的篩，按篩孔的大小從大到小依次摞起來，最上層的篩中放入干燥的土試料，加蓋后振動(dòng)，最后稱量留在各個(gè)篩里的試料的質(zhì)量，從而得出各種粒徑所占的質(zhì)量百分比。把這個(gè)結(jié)果繪在對數(shù)坐標(biāo)紙上，得到圖1-3(b)所示的顆粒大小與通過質(zhì)量百分比的關(guān)系圖。該曲線叫做顆粒級配曲線。另外，水中沉降法是一種聰明的方法，該方法利用了粒徑大的顆粒沉降快(沉降速率與粒徑的平方成比例)這一特性，分出粒徑的大小。其方法是，把通過2mm篩的試料放入水中，充分?jǐn)嚢瑁饎?dòng)后靜置，然后，隔一定的時(shí)間用比重浮標(biāo)(比重計(jì))量測懸濁液的比重，根據(jù)懸濁液比重隨時(shí)間的變化，并考慮到粒徑大的顆粒沉降快，從而求出粒徑分布。當(dāng)粗細(xì)兼有時(shí)，兩種辦法聯(lián)合使用。三、粒度成分分析方法62

土粒越大，在靜水中沉降速度越大，反之亦然。設(shè)有一個(gè)圓球形顆粒在無限大的不可壓縮的松滯性液體中，它在重力作用下產(chǎn)生的穩(wěn)定沉降速度V，可由stokes公式。V——球形顆粒在液中的穩(wěn)定沉降速度——球形顆粒的半徑——顆粒及液體容重N/m3——液體的松滯系數(shù)

63=0.00114Pa·s

w=9.81×103N/m3

s=26×103N/m3==0.00114Pa·sw=9.81×1064懸液體積為1000cm3，其中所含≤di的土粒重量為Wsi(g)懸液中≤di土粒重量Wsi占土?？傊豔s的百分比P1為懸液體積為1000cm3，其中所含≤di的土粒重量為Wsi(65第三節(jié)土的結(jié)構(gòu)土的結(jié)構(gòu)是指土的物質(zhì)組成（主要指土粒、孔隙）的空間相互排列，以及土粒間的聯(lián)結(jié)特征的綜合。用肉眼或一般放大鏡可以看到的土的結(jié)構(gòu)稱為宏觀結(jié)構(gòu)，如層理、裂隙、大孔隙等。用光學(xué)顯微鏡，電子顯微鏡才能觀察到的土的結(jié)構(gòu)稱為微觀結(jié)構(gòu)。土的結(jié)構(gòu)，按其顆粒的排列及聯(lián)結(jié)有：1．單粒結(jié)構(gòu)：這是碎石類土和砂土的結(jié)構(gòu)特征：土粒間無聯(lián)結(jié)存在，或聯(lián)結(jié)微弱，可以略去不計(jì)，分為疏松和緊密的。在靜荷載作用下，尤其是在振動(dòng)荷載作用下，疏松的單粒結(jié)構(gòu)會趨于緊密，單粒結(jié)構(gòu)的緊密程度取決于礦物成份，顆粒形狀均勻程度，沉積條件，片狀礦物組成的砂土最為疏松；渾圓的顆粒組成的砂比常有棱角的顆粒組成的砂土緊密，土粒愈不均勻，結(jié)構(gòu)愈緊密，急速沉積的比緩慢沉積的土結(jié)構(gòu)疏松些。第三節(jié)土的結(jié)構(gòu)土的結(jié)構(gòu)是指土的物質(zhì)組成（主要指土粒662．聚粒結(jié)構(gòu)：若干土粒以面-面方式聚合在一起，形成比較大的疊片狀的集合體。3．絮凝結(jié)構(gòu)：土?；蚓哿Ｒ赃?邊、邊-面方式相互聯(lián)結(jié)在一起，形成絮凝結(jié)構(gòu)，它使土具有：細(xì)胞孔隙性、粘聚性和彈性。土的結(jié)構(gòu)在形成過程中，以及形成之后，當(dāng)外界條件變化時(shí)，都會使土的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。土體越干，土粒的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度越大，土體在外力作用下，絮狀結(jié)構(gòu)會趨于定向排列，土的強(qiáng)度及壓縮性都隨之發(fā)生變化。對土的結(jié)構(gòu)的研究，近年來不僅研究土粒的排列及分布，并已開始研究土的孔隙率（孔隙大小、形狀及分布）以及顆粒間聯(lián)結(jié)性（接觸數(shù)量，接觸力的分布及）。2．聚粒結(jié)構(gòu)：若干土粒以面-面方式聚合在一起，形成比較大的疊67第四節(jié)土作為三相體的比例指標(biāo)土是三相分散體系，可從體積和重量上反映干濕程度及緊密程度，其實(shí)際組成的三相圖和經(jīng)抽象后的理想三相圖如圖1-6所示。(a)實(shí)際土體(b)土三相圖(c)各相的重量和體積圖1-6土的三相組成第四節(jié)土作為三相體的比例指標(biāo)土是三相分散體系，可從體積和68從圖1-6可以得到以下式子：V=Vs+Vw+VaW=Ws+Ww+WaWa=0W=Ws+Ww1.土的容重γ：土體單位體積的重力。它通常用環(huán)刀法在試驗(yàn)室測定，一般土的容重16~22KN/m3從圖1-6可以得到以下式子：692．土粒容量γs：土固體顆粒單位體積的重力（或重量）。3．土的含水量：是指土中水重與固體顆粒重之比，以百分比表示W(wǎng)變化范圍0~幾百%，干砂接近于0，飽和粘土為百分之幾百。4．干容量：是土的固體粒重力與土的總體積之比，即越大，土越密。2．土粒容量γs：土固體顆粒單位體積的重力（或重量）。705．飽和容重：指土孔隙中全部被水充滿時(shí)的容重，即6．土的浮容重（浸水容重）：土浸沒在水中受到浮力作用時(shí)的容重。當(dāng)土浸沒在水中時(shí)，就會受到水的浮力作用，從而減小了土的容重。浮力的大小等于排開的水重，因而浮容重應(yīng)等于含有乳隙在內(nèi)的單位體積土中的顆粒重量減去同體積（即顆粒體積）的水重，當(dāng)土的孔隙度為n時(shí)，孔隙比為e時(shí)，從圖1-7、圖1-8可以得出：5．飽和容重：指土孔隙中全部被水充滿時(shí)的容重，即71土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)_第一章土物理性質(zhì)及工程分類-課件72圖1-7圖1-773圖1-8圖1-8747．孔隙比e：是指土中孔隙的體積與固體顆粒的體積之比，即用來評價(jià)土的緊密程度。8．孔隙率n，土中孔隙體積與總體積之比一般以百分率表示，e與n之間關(guān)系為：7．孔隙比e：是指土中孔隙的體積與固體顆粒的體積之比，即759．飽和度Sr：是孔隙中水的體積與孔隙體積之比它用來描述土中水充滿空隙的程度，Sr=0為完全干燥的土，Sr=1為完全飽的土。把按飽和度將砂土分成三種狀態(tài),0＜Sr≤0.5稍濕0.5＜Sr≤0.8潮濕的（很濕的）0.8＜Sr≤1.0飽和的在以上指標(biāo)中，、、是由試驗(yàn)測定，稱為試驗(yàn)指標(biāo)，其余指標(biāo)均為導(dǎo)出指標(biāo)。9．飽和度Sr：是孔隙中水的體積與孔隙體積之比76第五節(jié)粘性土的界限含水量如圖1-9所示,粘性土充分加水?dāng)嚢韬?像泥漿一樣,不能成型,呈“液體狀態(tài)”.然后使其漸漸干燥,隨著含水量降低,水分蒸發(fā),體積減小,逐漸達(dá)到容易成型的“半固體狀態(tài)”.繼續(xù)干燥下去,土顆粒相互接觸,體積不再收縮,呈堅(jiān)硬的“固體狀態(tài)”.把與以上各種狀態(tài)相適應(yīng)的界限含水量分別稱為液限(liquidlimit)WL、塑限(plasticlimit)Wp和縮限(shrinkagelimit)Ws,統(tǒng)稱為稠度界限(consistencylimit).所以說：土從液體狀態(tài)向塑性體狀態(tài)過渡的界限含水量稱為液限WL。土由塑性體狀態(tài)向脆性固體狀態(tài)過渡的界限含水量稱為塑限Wp。土的體積隨含水量的減少而收縮，但達(dá)某一含水量時(shí)，土體積，不再收縮，這個(gè)界限含水量稱之為縮限Ws。第五節(jié)粘性土的界限含水量如圖1-9所示,粘性土充分加水?dāng)?7另外從圖1-9也可知道天然土所處的狀態(tài)。對于土體在界限點(diǎn)的狀態(tài)一般不說。粘性土的塑性大小，可用土處于塑性體狀態(tài)的含水量變化范圍來衡量。液限與塑限之差值，稱之為塑性指數(shù)Ip。圖1-9另外從圖1-9也可知道天然土所處的狀態(tài)。對于土體在界限點(diǎn)的狀78用一個(gè)能夠表示天然含水量與界限含水量之關(guān)系的指標(biāo)即液性指數(shù)IL，即液性指數(shù)說明天然土所處的狀態(tài)?？杀硎境上率絀l=(w-wp)/(wl-wp)通過圖1-9可以對照著理解液性指數(shù)的含義。通常土的液限的測定用平衡錐式液限儀進(jìn)行的，土的塑限是用搓泥條法測定的。目前還有用液塑限聯(lián)合測定儀測定土的液、塑限。用一個(gè)能夠表示天然含水量與界限含水量之關(guān)系的指標(biāo)即液性指數(shù)I79第六節(jié)砂土的密實(shí)度當(dāng)砂土樣以最疏松狀態(tài)制備時(shí)，其孔隙比達(dá)最大值emax；當(dāng)砂土樣受或搗實(shí)時(shí)，砂粒相互靠攏壓緊，孔隙比達(dá)最小值emin，砂土的天然狀態(tài)的孔隙比為e，則砂土的天然狀態(tài)的緊密程度可用相對密度Dr來表示：由于emax、emin的試驗(yàn)方法目前缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，測定的結(jié)果往往離散性比較大，原狀砂土取樣困難較多，尤其水下，因此砂土的天然孔隙比也是難以測定。所以相對密度的表達(dá)式并不實(shí)用。第六節(jié)砂土的密實(shí)度當(dāng)砂土樣以最疏松狀態(tài)制備時(shí)，其孔隙比達(dá)80一般采取標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)：質(zhì)量63.5kg的穿心錘以760mm的落距，把一個(gè)特制的對開式標(biāo)準(zhǔn)貫入器按一定的要求打入土中，記錄每打下300mm所需的錘擊數(shù)即N63.5或N值，根據(jù)實(shí)測平均的N63.5值可劃分砂土的密實(shí)程度。實(shí)測值應(yīng)乘以長度修正系數(shù)、地下水、上覆土壓、側(cè)摩擦及設(shè)備試驗(yàn)方法，都可能對錘擊數(shù)有影響。砂土密實(shí)度

砂土密實(shí)度表1-2分級相對密度Dr標(biāo)準(zhǔn)貫入平均擊數(shù)密實(shí)Dr≥0.6730-50中密0.67〉Dr≥0.3310-29稍松0.33〉Dr≥0.205-9極松Dr〈0.20〈5一般采取標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)：質(zhì)量63.5kg的穿心錘以781第七節(jié)土的工程分類土是自然地質(zhì)歷史的產(chǎn)物，它的成分、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)是千變?nèi)f化的，大致地判斷土的基本性質(zhì)，合理地選擇研究內(nèi)容及方法，以及在科學(xué)技術(shù)流中有共同的語言，有必要對土進(jìn)行科學(xué)分類。分類的方法：地質(zhì)分類、土壤分類、粒徑分類、結(jié)構(gòu)分類。為了解決滲流問題，則按土的滲透性進(jìn)行分類，在考慮粒度成分界限值時(shí)，就注意到使粒組的劃分能反映透水性的變化。在道路工程中，為了路基土壓實(shí)和水穩(wěn)性問題，則按土的不同粒組的級配進(jìn)行土的分類。粗粒土，按粒度成分進(jìn)行分類，粘性土則按塑性指數(shù)分類。第七節(jié)土的工程分類土是自然地質(zhì)歷史的產(chǎn)物，它的成分82一、《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ024-85）與《工業(yè)與民用建筑地基規(guī)范》（TJ7-74）、《工業(yè)與民用建筑工程地質(zhì)勘查規(guī)范》（TJ21-77）中的工程分類首先按顆粒級配或塑性指數(shù)劃分為碎石土、砂土和粘性土1．碎石土：粒徑大于2mm的顆粒含量超過全重50%的，再按表1-4細(xì)分為、漂石、塊石、卵石、碎石、圓礫和角礫。2．砂土：大于2mm不超過50%且塑性指數(shù)IP≯1的土按表1-5分礫砂、粗砂、細(xì)砂和粉砂。3．粘性土：IP>1的土。1）按沉積率代分（1）老年粘土：Q3以及Q3以前的沉積粘性土（2）一般粘土：Q4沉積的粘性土（3）新近沉積粘性土：文化期以來沉積的粘性土2）按塑性指數(shù)分類見表1-3。一、《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ024-85）與《83粘性土的分類表1-3土名JTJ024-85規(guī)范土名TJ7-74及TJ21-22規(guī)范粘土Ip＞17粘土Ip＞17亞粘土7＜Ip≤17亞粘土10＜Ip≤17亞砂土1＜Ip≤7亞砂土3＜Ip≤7粘性土的分類表1-3土名JTJ0284碎石土的分類表1-4土的名