土的性質(zhì)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(zhì)（輕重、疏密、干濕、軟硬）土的物理性質(zhì)又決定了土的力學(xué)性質(zhì)§2.1概述

土是風(fēng)化的產(chǎn)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(xiàn)為一般液體的特性，因此，在研究土的工程性質(zhì)時(shí)，既有別于固體力學(xué)，也有別于液體力學(xué)。§

2.2土中三相的性質(zhì)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(xué)性質(zhì)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(jīng)冷凝過程形成的礦物。

次生礦物：原生礦物經(jīng)過化學(xué)風(fēng)化后，形成的新的礦物。

SiSiAIA1硅片的結(jié)構(gòu)鋁片的結(jié)構(gòu)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(dāng)?shù)牧椒秶?，分為若干組。2.2.1.4土的顆粒級(jí)配

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

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

一般認(rèn)為＜5，稱為均質(zhì)土，其級(jí)配不好＞10，稱為級(jí)配良好的土。另外還可以用曲率系數(shù)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(jié)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(yáng)離子，如土顆粒表面帶負(fù)電荷極化水分子結(jié)合層（1）強(qiáng)結(jié)合水直接靠近土粒表面，這種水及其牢固的結(jié)合在土粒表面上，其性質(zhì)接近于固體。黏土只含強(qiáng)結(jié)合水時(shí)，呈現(xiàn)固體狀態(tài)。土顆粒吸力達(dá)1000個(gè)大氣壓冰點(diǎn)為-78°具有極大的黏滯性具有彈性和抗剪強(qiáng)度沒有溶解能力不能傳遞靜水壓力

（2）弱結(jié)合水

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

在土粒表面電場(chǎng)影響范圍之外，服從重力規(guī)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(dòng)，對(duì)土粒有浮力，會(huì)使土中的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，使建筑物產(chǎn)生附加沉降。（2）毛細(xì)水土孔隙中受到表面張力作用而存在的自由水。毛細(xì)水按其與地下水面是否聯(lián)系分為：毛細(xì)懸掛水和毛細(xì)上升水其上升高度與土質(zhì)有關(guān)，黏性土可上升5～6m，一般粒徑＞2mm的土顆粒無細(xì)水現(xiàn)象。

材料的毛細(xì)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(tài)水

地面下一定深度的土溫，隨大氣溫度而改變。當(dāng)?shù)貙訙囟冉抵翑z氏零度以下，土體便會(huì)因土中水凍結(jié)而形成凍土。某些細(xì)黏土在凍結(jié)時(shí)，往往發(fā)生體積膨脹，即所謂凍脹現(xiàn)象。凍脹的原因有二：（1）由于土中水變成冰時(shí)，體積增大（約為水體積的9%）；（2）由于凍結(jié)過程中水分子轉(zhuǎn)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(dá)土總體積的10%～20%或更大。帶結(jié)合水的土顆粒冰晶體冰夾層（1）土中含有一定數(shù)量的細(xì)顆粒，并由它們?cè)谕林行纬奢^多的弱結(jié)合水；（2）土中原始含水量較高，可以不斷的由未凍結(jié)區(qū)向凍結(jié)區(qū)傳遞水分；（3）負(fù)溫度下降速率不高，否則水分來不及轉(zhuǎn)移，連結(jié)合水本身也凍結(jié)了。巖石、碎石土、礫砂、中砂、粗砂屬于不凍脹土。細(xì)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(jù)的土孔隙中。與大氣相連的氣體對(duì)土的力學(xué)性質(zhì)影響不大。在細(xì)黏土中存在與大氣隔絕的氣泡，使土具有彈性，受壓時(shí)氣體體積縮小，卸荷后體積又恢復(fù)，不易壓縮，只有強(qiáng)夯時(shí)才能壓縮。2.3土的物理性質(zhì)指標(biāo)

上一節(jié)介紹了土的組成、土的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、顆粒級(jí)配等基本知識(shí)。這一節(jié)主要從三相體系的組成情況進(jìn)行數(shù)量上的研究。因?yàn)槿囿w系在體積和重量上的比例關(guān)系反映著土的干燥與潮濕、堅(jiān)硬與軟弱、緊密與疏松，這些性能是評(píng)價(jià)土的工程性質(zhì)的最基本的性能指標(biāo)。一、土的三相組成圖二、土的特征指標(biāo)1、土粒比重（土粒相對(duì)密度）土粒質(zhì)量與同體積4℃時(shí)的水的質(zhì)量之比。

—土粒密度

—純水在4℃時(shí)的密度2、土的含水量土中含水的含量與工程質(zhì)量之比。

含水量是表示土濕度的一個(gè)重要物理指標(biāo)。

土的含水量一般采用烘干法測(cè)定。3、土的密度土單位體積的質(zhì)量稱為土的密度（單位：）土的密度一般用“環(huán)刀法”測(cè)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(zhì)量為干密度

飽和密度：土孔隙充滿水時(shí)，單位體積質(zhì)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?jǐn)?shù)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(biāo)換算

上述土的三相比例中，三相比重，含水量和密度三個(gè)指標(biāo)是通過試驗(yàn)測(cè)定的。在測(cè)定這三個(gè)指標(biāo)后，可導(dǎo)出其余各個(gè)指標(biāo)。

令，并令則，，，

，推導(dǎo)：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(hào)三相比例表達(dá)式常用換算公式含水率土粒相對(duì)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(jīng)試驗(yàn)測(cè)得其天然密度ρ=1.85g/cm3，含水率w=21%，土粒相對(duì)密度ds=2.65。求其干密度ρd、孔隙比e、孔隙率n和飽和度Sr?！窘狻俊?/p>

2.4

土的物理狀態(tài)2.4.1無黏性土的物理狀態(tài)

無黏性土的密實(shí)度與工程性質(zhì)有密切關(guān)系，當(dāng)密實(shí)狀態(tài)時(shí)，強(qiáng)度較大，可作為良好的天然地基；當(dāng)軟弱狀態(tài)時(shí)，則是一種軟弱地基。無黏性土的密實(shí)度與孔隙比有密切的關(guān)系。因此可以用孔隙比來表示密實(shí)度，它是確定砂土地基承載力的主要根據(jù)。土的名稱密實(shí)中密稍密松散礫砂、粗砂、中砂細(xì)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(shí)度密實(shí)度

孔隙比評(píng)定砂土密實(shí)性雖然簡(jiǎn)單，但沒有考慮到顆粒級(jí)配的因素，下面介紹用相對(duì)密度來表示砂的密實(shí)程度。

表示最松散狀態(tài)的砂

表示最緊密狀態(tài)的砂1≥＞0.67

密實(shí)的0.67≥＞0.33

中密的0.33≥＞0

松散的

相對(duì)密度是無黏性粗粒土密實(shí)度的指標(biāo)，對(duì)判斷地基穩(wěn)定性和強(qiáng)度，以及抗震穩(wěn)定性方面具有重要的意義。另外，天然孔隙比雖然是評(píng)價(jià)無黏性土的一個(gè)重要物理指標(biāo)，但在具體工程中，難于取得原樣，因此可以用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)或靜力觸探試驗(yàn)來判別砂土的密實(shí)度。例題1.2已知、、把砂放入擊實(shí)試驗(yàn)容器內(nèi)（1000），擊實(shí)后質(zhì)量1620，松散時(shí)為1450，求。解：

首先求擊實(shí)時(shí)最大干密度、松散時(shí)最小密度求孔隙比

最松散干燥

該砂土天然狀態(tài)時(shí)的相對(duì)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(tài)轉(zhuǎn)變到另一種狀態(tài)的分界含水量叫界限含水量?！?/p>

2.4.2黏性土

黏性土的含水量低時(shí)，強(qiáng)度高；含水量高時(shí)，強(qiáng)度低，并且隨著含水量的變化，黏性土?xí)尸F(xiàn)出不同的物理狀態(tài)。

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

由可塑狀態(tài)轉(zhuǎn)到流動(dòng)狀態(tài)的界限含水量叫液限。土由半固狀態(tài)轉(zhuǎn)到可塑狀態(tài)的界限含水量叫塑限，用符號(hào)表示。土由半固狀態(tài)不斷蒸發(fā)水分，則體積逐漸減小，直到體積不再縮小時(shí)土的界限含水量叫縮限，用表示。

二、黏性土的塑性指數(shù)和液性指數(shù)黏性土的塑性大小，可用土處于塑性狀態(tài)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(shù)，用表示.—土的塑性指數(shù)，一般以百分?jǐn)?shù)的絕對(duì)值表示，不帶%符號(hào)。

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

是判別土在天然狀態(tài)時(shí)稀稠度的指標(biāo)，故也稱稠度

≤0堅(jiān)硬

0＜≤0.25硬塑0.25＜≤0.75可塑0.75＜≤1軟塑

1＜流塑越大，土質(zhì)越軟，否則相反

上述判別標(biāo)準(zhǔn)沒有反映土的結(jié)構(gòu)性影響，是其缺點(diǎn)一般判別原狀土偏于保守，重塑土是合適的。1、單粒結(jié)構(gòu)

粗大土粒在水或空氣中下沉而形成的。單粒結(jié)構(gòu)可以是疏松的也可以是緊密的。緊密狀單粒結(jié)構(gòu)的土：土粒排列緊密、聯(lián)結(jié)穩(wěn)定、強(qiáng)度高壓縮性小，是良好的天然地基。

土的結(jié)構(gòu)單粒結(jié)構(gòu)蜂窩結(jié)構(gòu)絮狀結(jié)構(gòu)2.5土的結(jié)構(gòu)性和觸變性

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

疏松狀單粒結(jié)構(gòu)的土：土粒排列疏松，聯(lián)結(jié)不穩(wěn)定，土粒容易發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，因此，一般未經(jīng)處理不宜作為建筑物的地基。

2.

蜂窩狀結(jié)構(gòu)

較細(xì)的土粒如粉粒（0.075mm～0.005mm）組成的結(jié)構(gòu)形式。3.絮狀結(jié)構(gòu)

細(xì)的土粒如黏粒＜0.005mm集合體組合的結(jié)構(gòu)形狀，黏粒能在水中長(zhǎng)期懸浮，不因自重而下沉，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。

同一土層中的物質(zhì)成分和顆粒大小都相近的各部分之間的相互關(guān)系的特征稱為土的構(gòu)造。土的構(gòu)造的最主要的特征是成層性，即層理構(gòu)造另一特征是裂隙性，即裂隙構(gòu)造土的構(gòu)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(jié)構(gòu)含水量不變，則稱為“原狀土樣”。如土樣的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造已受到人為的破壞或水分發(fā)生變化，則稱為“擾動(dòng)土”或“非原狀土”。黏性土的性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)是否被擾動(dòng)有密切的關(guān)系。擾動(dòng)的土比具有相同密度和含水量的原狀土，其力學(xué)性質(zhì)往往變壞。土的性質(zhì)受結(jié)構(gòu)擾動(dòng)的影響而改變的特性，稱為土的結(jié)構(gòu)性。黏性土是具有結(jié)構(gòu)性的土，而砂子和碎石土一般不具有結(jié)構(gòu)性。黏性土結(jié)構(gòu)性的強(qiáng)弱用靈敏度來表示—原狀土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，即單軸抗壓強(qiáng)度，—重塑試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)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(jié)構(gòu)受擾動(dòng)，強(qiáng)度降低，擾動(dòng)停止后，土強(qiáng)度又隨時(shí)間而增長(zhǎng)，這種特征稱為土的觸變性。

2.6土的滲透性一、達(dá)西定律

指水流過土中孔隙的難易程度。地下水的補(bǔ)給、排泄，以及水在土中的滲透速度與土的滲透性有關(guān)。地下水運(yùn)動(dòng)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(xù)滲透時(shí)屬層流運(yùn)動(dòng)，流線互不相交；紊流是地下水在巖土的裂隙或洞穴中流動(dòng)，流線有互相交錯(cuò)現(xiàn)象。地下水在土中的滲透速度一般可以按達(dá)西定律計(jì)算。（指層流）

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

—土的滲透系數(shù)，與土質(zhì)有關(guān)—水頭梯度，土的滲透系數(shù)與土質(zhì)有關(guān)，達(dá)西定律適合砂土。如果是黏性土，這個(gè)公式不準(zhǔn)確，因?yàn)榇嬖诮Y(jié)合水膜,阻塞了孔隙間的通道。

只有當(dāng)水頭梯度超過起始梯度時(shí)才開始發(fā)生滲透。這時(shí)黏性土的達(dá)西定律公式為

二、動(dòng)水壓力地下水的滲流對(duì)土單位體積內(nèi)的骨架產(chǎn)生的壓力稱為動(dòng)水壓力。用表示（）三、流砂和潛蝕

當(dāng)滲流自上而下時(shí)，動(dòng)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(dāng)自下而上的動(dòng)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(tài)，土體隨水流動(dòng)，這種現(xiàn)象叫流砂。單位為動(dòng)水壓力等于浮容重（有效密度）時(shí)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(huì)導(dǎo)致流砂現(xiàn)象。

在天然或人為條件下，當(dāng)?shù)叵滤凰^梯度較大時(shí)，足以在孔隙中引起紊流運(yùn)動(dòng)，而土層又是相差較大的兩類土粒組成，則細(xì)土粒會(huì)被沖動(dòng)而陸續(xù)沿著粗土粒之間的孔隙隨水流走，導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)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(zhì)2.7.1土的振動(dòng)液化土體液化是指飽和狀態(tài)砂土或粉土在一定強(qiáng)度的動(dòng)荷載作用下，表現(xiàn)出類似液體性質(zhì)而完全喪失承載力的現(xiàn)象。地震、波浪、車輛、機(jī)械振動(dòng)、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(diǎn)，常能造成場(chǎng)地的整體性失穩(wěn)。砂土液化的宏觀表現(xiàn)有：①噴砂冒水。②地面沉陷。③滑坡。④結(jié)構(gòu)上浮。膨脹土吸水膨脹、失水收縮表現(xiàn)很明顯的土，對(duì)其上的建筑會(huì)產(chǎn)生不利的影響，因此應(yīng)引起注意。土的凍脹性土中含有的水分在寒冷季節(jié)溫度低于零攝氏度時(shí)可凍結(jié)成冰，形成凍土。凍土根據(jù)其凍融情況分為季節(jié)性凍土、多年凍土等。

§2.8土的壓實(shí)性質(zhì)

在建筑工程中有時(shí)要進(jìn)行填土，為了提高填土的強(qiáng)度，增加密實(shí)性，通常要分層壓實(shí)。

實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，對(duì)過濕的土進(jìn)行夯壓或碾壓時(shí)會(huì)出現(xiàn)軟彈現(xiàn)象；對(duì)很干的土進(jìn)行夯實(shí)或碾壓，顯然也不能把土充分壓實(shí)。所以，要使土的壓實(shí)效率最好，其含水量要適當(dāng)。

在一定的壓實(shí)能量下，使土最容易壓實(shí)，并能達(dá)到最大密實(shí)度的含水量，稱最優(yōu)含水量。用表示。相對(duì)應(yīng)的干密度為最大干密度。實(shí)驗(yàn)證明，在一定壓實(shí)能量下，一種類型的土，其壓實(shí)曲線呈山峰形分布