1、土的物理性質(zhì)及工程分類,1.1土的組成與土的結(jié)構(gòu)構(gòu)造 1.2土的物理性質(zhì)指標(biāo) 1.3土的物理狀態(tài)指標(biāo) 1.4土(巖)的工程分類 1.5土的壓實(shí)性,主要內(nèi)容,土的物理性質(zhì)概述,巖石,風(fēng)化（物理、化學(xué)）作用,巖石破碎 化學(xué)成分改變,搬運(yùn)沉積,大小、形狀和成分都不相同的松散顆粒集合體（土）,土,固相,液相,氣相,土中顆粒的大小、成分及三相之間的相互作用和比例關(guān)系，反映出土的不同性質(zhì),1.1 土的組成及其結(jié)構(gòu)與構(gòu)造,一、土的固相,土粒的大小、相關(guān)礦物成分以及大小搭配情況對(duì)土的物理力學(xué)性質(zhì)有明顯影響,1.土的顆粒級(jí)配,工程上將各種不同的土粒按其粒徑范圍，劃分為若干粒組，為了表示土粒的大小及組成情況，通常

2、以土中各個(gè)粒組的相對(duì)含量（即各粒組占土?？偭康陌俜?jǐn)?shù)）來表示，稱為土的顆粒級(jí)配,試驗(yàn)方法,篩分法：適用于0.075mmd60mm,比重計(jì)法:適用于d0.075mm,篩分法,用一套孔徑不同的篩子，按從上至下篩孔逐漸減小放置。將事先稱過質(zhì)量的烘干土樣過篩，稱出留在各篩上的土質(zhì)量，然后計(jì)算其占總土粒質(zhì)量的百分?jǐn)?shù),比重計(jì)法,利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同來確定小于某粒徑的土粒含量,顆粒粒徑級(jí)配曲線,縱坐標(biāo)表示小于某粒徑的土粒含量百分比,橫坐標(biāo)表示土粒的粒徑(對(duì)數(shù)坐標(biāo)）,顆粒級(jí)配的描述,工程上常用不均勻系數(shù)Cu描述顆粒級(jí)配的不均勻程度,d10、d30、d60小于某粒徑的土粒含量為10%、 30%

3、和60%時(shí)所對(duì)應(yīng)的粒徑,Cu愈大，表示土粒愈不均勻。工程上把Cu5的土視為級(jí)配不良的土； Cu10的土視為級(jí)配良好的土,曲率系數(shù)Cc描述顆粒級(jí)配曲線整體形態(tài)，表明某粒組是否缺失情況,對(duì)于礫類土或砂類土，同時(shí)滿足Cu5和Cc=13時(shí)，定名為良好級(jí)配砂或良好級(jí)配礫,2.土粒的礦物成分,礦物成分取決于母巖的礦物成分和風(fēng)化作用,原生礦物：由巖石經(jīng)過物理風(fēng)化形成，其礦物成分與母巖相同,次生礦物：巖石經(jīng)化學(xué)風(fēng)化后所形成的新的礦物，其成分與母巖不相同,例：石英、云母、長(zhǎng)石等,特征：礦物成分的性質(zhì)較穩(wěn)定，由其組成的土具有無粘性、透水性較大、壓縮性較低的特點(diǎn),例：粘土礦物有高嶺石、伊利石、蒙脫石等,特征：性質(zhì)較

4、不穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的親水性，遇水易膨脹的特點(diǎn),二、土中的水,土中水的含量明顯地影響土的性質(zhì)(尤其是粘性土)。土中水除了一部分以結(jié)晶水的形式吸附于固體顆粒的晶格內(nèi)部外，還存在結(jié)合水和自由水,1.結(jié)合水,強(qiáng)結(jié)合水：緊靠于顆粒表面、所受電場(chǎng)的作用力很大、幾乎完全固定排列、喪失液體的特性而接近于固體,弱結(jié)合水：緊靠強(qiáng)結(jié)合水的外圍形成的結(jié)合水膜，所受的電場(chǎng)作用力隨著與顆粒距離增大而減弱,2.自由水,存在于土粒電場(chǎng)影響范圍以外，性質(zhì)和普通水無異，能傳遞水壓力，冰點(diǎn)為0，有溶解能力,以兩種形式存在：毛細(xì)水、重力水,三、土中氣體,土中氣體存在于土孔隙中未被水占據(jù)的部分，分為與大氣連通的非封閉氣體和與大氣不連通的

5、封閉氣體,1.非封閉氣體：受外荷作用時(shí)被擠出土體外，對(duì)土的性質(zhì)影響不大,2.封閉氣體：受外荷作用，不能逸出，被壓縮或溶解于水中，壓力減小時(shí)能有所復(fù)原，對(duì)土的性質(zhì)有較大的影響，使土的滲透性減小，彈性增大和延長(zhǎng)土體受力后變形達(dá)到穩(wěn)定的歷時(shí),四、土的結(jié)構(gòu),在成土過程中所形成的土粒的空間排列及其聯(lián)結(jié)形式，與組成土的顆粒大小、顆粒形狀、礦物成分和沉積條件有關(guān),1.單粒結(jié)構(gòu)：粗礦物顆粒在水或空氣中在自重作用下沉落形成的單粒結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是土粒間存在點(diǎn)與點(diǎn)的接觸。根據(jù)形成條件不同，可分為疏松狀態(tài)和密實(shí)狀態(tài),2.蜂窩結(jié)構(gòu)：顆粒間點(diǎn)與點(diǎn)接觸，由于彼此之間引力大于重力，接觸后，不再繼續(xù)下沉，形成鏈環(huán)單位,很多鏈環(huán)聯(lián)

6、結(jié)起來，形成孔隙較大的蜂窩狀結(jié)構(gòu),3.絮狀結(jié)構(gòu)：細(xì)微粘粒大都呈針狀或片狀，質(zhì)量極輕，在水中處于懸浮狀態(tài)。當(dāng)懸液介質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，土粒表面的弱結(jié)合水厚度減薄，粘?；ハ嘟咏鄢尚鯛钗锵鲁粒纬煽紫遁^大的絮狀結(jié)構(gòu),五、土的構(gòu)造,土的構(gòu)造是指土體中各結(jié)構(gòu)單元之間的關(guān)系。主要特征是土的成層性和裂隙性,即層理構(gòu)造和裂隙構(gòu)造，二者都造成了土的不均勻性,1.層理構(gòu)造：土粒在沉積過程中,由于不同階段沉積的物質(zhì)成分、顆粒大小或顏色不同,而沿豎向呈現(xiàn)出成層特征,2.裂隙構(gòu)造：土體被許多不連續(xù)的小裂隙所分割,在裂隙中常充填有各種鹽類的沉淀物,1.2 土的物理性質(zhì)指標(biāo),一、土的三相圖,質(zhì)量m,體積V,二、直接測(cè)定指標(biāo)

7、,1.土的密度：?jiǎn)挝惑w積土的質(zhì)量,工程中常用重度來表示單位體積土的重力,重力加速度，近似取10m/s2,2.土粒相對(duì)密度Gs（土粒比重）：土粒質(zhì)量與同體積的4時(shí)純水的質(zhì)量之比,土粒相對(duì)密度變化范圍不大：細(xì)粒土（粘性土）一般2.702.75；砂土一般為2.65左右。土中有機(jī)質(zhì)含量增加，土粒相對(duì)密度減小,3.土的含水量：土中水的質(zhì)量與土粒質(zhì)量之比，以百分?jǐn)?shù)表示,土的含水量是標(biāo)志土含水程度的一個(gè)重要物理指標(biāo)。天然土層含水量變化范圍較大，與土的種類、埋藏條件及其所處的自然地理環(huán)境等有關(guān)。,測(cè)定方法：通常用烘干法，亦可近似用酒精燃燒法,三、換算指標(biāo),1.孔隙比e和孔隙率n,孔隙比e ：土中孔隙體積與土粒

8、體積之比,2.土的飽和度Sr ：土中孔隙水的體積與孔隙總體積之比，以百分?jǐn)?shù)表示,飽和度描述土中孔隙被水充滿的程度。干土Sr=0,飽和土Sr=100%。砂土根據(jù)飽和度分為三種狀態(tài):,孔隙率n ：土中孔隙體積與總體積之比，以百分?jǐn)?shù)表示,Sr50%稍濕； 50Sr80%很濕； Sr80%飽和,3.不同狀態(tài)下土的密度和重度,飽和密度sat ：土體中孔隙完全被水充滿時(shí)的土的密度,干密度d ：?jiǎn)挝惑w積中固體顆粒部分的質(zhì)量,浮密度 ：土單位體積內(nèi)土粒質(zhì)量與同體積水的質(zhì)量之差,土的三相比例指標(biāo)中的質(zhì)量密度指標(biāo)共有4個(gè)，土的密度，飽和密度sat，干密度d，浮密度 (kg/m3),相應(yīng)的重度指標(biāo)也有4個(gè)，土的重度

9、，飽和重度sat，干重度d，浮重度 (kN/m3),四、指標(biāo)間的換算,質(zhì)量m,體積V,土的三相指標(biāo)中，土粒比重Gs ，含水量和密度是通過試驗(yàn)測(cè)定的，可以根據(jù)三個(gè)基本指標(biāo)換算出其余各指標(biāo),推導(dǎo)：,換算關(guān)系式：,五、例題分析,【例】某土樣經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得體積為100cm3，濕土質(zhì)量為187g，烘干后，干土質(zhì)量為167g。若土粒的相對(duì)密度Gs為2.66，求該土樣的含水量、密度、重度 、干重度d 、孔隙比e、飽和重度sat和有效重度,【解答】,1.3 土的物理狀態(tài)指標(biāo),一、無粘性土的密實(shí)度,土的密實(shí)度指單位體積土中固體顆粒的含量。根據(jù)土顆粒含量的多少，天然狀態(tài)下的砂、碎石等處于從緊密到松散的不同物理狀態(tài)。無

10、粘性土的密實(shí)度與其工程性質(zhì)有著密切關(guān)系,1.孔隙比e,孔隙比e可以用來表示砂土的密實(shí)度。對(duì)于同一種土，當(dāng)孔隙比小于某一限度時(shí)，處于密實(shí)狀態(tài)?？紫侗扔螅劣缮?2.相對(duì)密實(shí)度Dr,砂土在天然狀態(tài)下孔隙比,砂土在最密實(shí)狀態(tài)時(shí)的孔隙比,砂土在最松散狀態(tài)時(shí)的孔隙比,當(dāng)Dr=0時(shí)， e=emin，表示土處于最疏松狀態(tài);當(dāng)Dr=1.0時(shí)， e=emax，表示土體處于最密實(shí)狀態(tài),3.按動(dòng)力觸探確定無粘性土的密實(shí)度,Dr1/3,疏松狀態(tài),1/3Dr2/3,中密狀態(tài),2/3Dr1,密實(shí)狀態(tài),天然砂土的密實(shí)度，可按原位標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的錘擊數(shù)N進(jìn)行評(píng)定。天然碎石土的密實(shí)度，可按原位重型圓錐動(dòng)力觸探的錘擊數(shù)N63.

11、5進(jìn)行評(píng)定(GB50007-2002),二、粘性土的稠度,1.粘性土的稠度狀態(tài),稠度是指土的軟硬程度或土受外力作用所引起變形或破壞的抵抗能力,是粘性土最主要的物理狀態(tài)特征,0,固態(tài)或半固態(tài),可塑狀態(tài),流動(dòng)狀態(tài),塑限P,液限L,粘性土由某一種狀態(tài)過渡到另一狀態(tài)的界限含水量稱為土的稠度界限,液塑限測(cè)定根據(jù)土工試驗(yàn)規(guī)程(SL237-007-1999)規(guī)定，采用液塑限聯(lián)合測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)定。,液塑限聯(lián)合測(cè)定儀,下沉深度為17mm所對(duì)應(yīng)的含水量為液限;下沉深度為2mm處所對(duì)應(yīng)的含水量為塑限,2.粘性土的塑性指數(shù)和液性指數(shù),塑性指數(shù)IP是液限和塑限的差值(省去%)，即土處在可塑狀態(tài)的含水量變化范圍,說明：塑性

12、指數(shù)的大小取決于土顆粒吸附結(jié)合水的能力,即與土中粘粒含量有關(guān)。粘粒含量越多,塑性指數(shù)就越高,說明：液性指數(shù)表征土的天然含水量與界限含水量間的相對(duì)關(guān)系。當(dāng)IL0時(shí),P,土處于堅(jiān)硬狀態(tài);當(dāng)IL1時(shí),L,土處于流動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)IL值可以直接判定土的軟硬狀態(tài),液性指數(shù)IL是粘性土的天然含水量和塑限的差值與塑性指數(shù)之比,三、例題分析,【例】某砂土試樣,試驗(yàn)測(cè)定土粒相對(duì)密度Gs=2.7,含水量=9.43%,天然密度=1.66/cm3。已知砂樣最密實(shí)狀態(tài)時(shí)稱得干砂質(zhì)量ms1=1.62kg,最疏松狀態(tài)時(shí)稱得干砂質(zhì)量ms2=1.45kg。求此砂土的相對(duì)密度Dr,并判斷砂土所處的密實(shí)狀態(tài),【解答】,砂土在天然狀態(tài)下

13、的孔隙比,砂土最小孔隙比,砂土最大孔隙比,相對(duì)密實(shí)度,（1/3,2/3,中密狀態(tài),1.4 土（巖）的工程分類,一、分類的目的和原則,土的分類體系就是根據(jù)土的工程性質(zhì)差異將土劃分成一定的類別，目的在于通過通用的鑒別標(biāo)準(zhǔn)，便于在不同土類間作有價(jià)值的比較、評(píng)價(jià)、積累以及學(xué)術(shù)與經(jīng)驗(yàn)的交流,分類原則：,1.分類要簡(jiǎn)明，既要能綜合反映土的主要工程性質(zhì)，又要測(cè)定方法簡(jiǎn)單，使用方便,2.土的分類體系所采用的指標(biāo)要在一定程度上反映不同類工程用土的不同特性,二、分類體系與方法,分類體系：,1.建筑工程系統(tǒng)分類體系,2.工程材料系統(tǒng)分類體系,側(cè)重把土作為建筑地基和環(huán)境，研究對(duì)象為原狀土，例如：建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范(

14、GB50007-2002)地基土分類方法,側(cè)重把土作為建筑材料，用于路堤、土壩和填土地基工程。研究對(duì)象為擾動(dòng)土，例如：土的分類標(biāo)準(zhǔn)(GBJ145-90)工程用土的分類和公路土工試驗(yàn)規(guī)程(JTJ051-93)土的工程分類,分類方法：,1.建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB500072002),根據(jù)土粒大小、粒組的土粒含量或土的塑性指數(shù)把地基土（巖）分為巖石、碎石土、砂土、粉土和粘性土五大類,a.巖石的分類,顆粒間牢固粘結(jié),呈整體或具有節(jié)理隙的巖體稱為巖石，堅(jiān)硬程度可根據(jù)巖塊的飽和單軸抗壓強(qiáng)度frk分類,b.碎石土的分類,粒徑大于2mm的顆粒含量超過全重50%的土稱為碎石土,c.砂土的分類,粒徑大于2mm

15、的顆粒含量不超過全重50%的土，且粒徑大于0.075mm的顆粒含量超過全重50%的土稱為砂土,d.粉土的分類,粒徑大于0.075mm的顆粒含量超過全重50%，塑性指數(shù)IP10的土稱為粉土,e.粘性土的分類,粒徑大于0.075mm的顆粒含量不超過全重50%，塑性指數(shù)IP10的土稱為粘性土，粘性土根據(jù)塑性指數(shù)細(xì)分,f.人工填土的分類,由于人類活動(dòng)而形成的堆積物稱為人工填土。物質(zhì)成分較雜亂,均勻性較差，根據(jù)其物質(zhì)組成和成因,可分為素填土、壓實(shí)填土、雜填土和沖填土,2.土的分類標(biāo)準(zhǔn)(GBJ14590),根據(jù)各粒組的相對(duì)含量把土分為巨粒土、含巨粒土、粗粒土和細(xì)粒土四大類,a.巨粒土和含巨粒土的分類,巨粒

16、土和含巨粒土按土中粒徑大于60mm的巨粒含量區(qū)分。若土中巨粒含量多于50%,屬于巨粒土；若土中巨粒含量在15%50%之間，屬于含巨粒土,b.粗粒土的分類,巨粒含量少于15%，剔除巨粒后，若土中粒徑大于0.075mm的粗粒含量多于余土的50%，屬于粗粒土。粗粒土分為礫類土和砂類土兩類,c.細(xì)粒土的分類,土中粒徑小于0.075mm的細(xì)粒含量多于或等于50%，且粗粒含量少于25%的土屬于細(xì)粒土。,圖中液限為17mm液限,細(xì)粒土按塑性圖進(jìn)行細(xì)分,三、例題分析,【例】下圖為某三種土A、B、C的顆粒級(jí)配曲線,試按地基規(guī)范分類法確定三種土的名稱,【解答】,A土:從A土級(jí)配曲線查得,粒徑小于2mm的占總土質(zhì)量

17、的67%、粒徑小于0.075mm占總土質(zhì)量的21%,滿足粒徑大于2mm的不超過50%,粒徑大于0.075mm的超過50%的要求,該土屬于砂土； 又由于粒徑大于2mm的占總土質(zhì)量的33%,滿足粒徑大于2mm占總土質(zhì)量25%50%的要求,故此土應(yīng)命名為礫土,B土:粒徑大于2mm的沒有,粒徑大于0.075mm占總土質(zhì)量的52%,屬于砂土。按砂土分類表分類,此土應(yīng)命名為粉砂,C土:粒徑大于2mm的占總土質(zhì)量的67%,粒徑大于20mm的占總土質(zhì)量的13%,按碎石土分類表可得,該土應(yīng)命名為圓礫或角礫,1.5 土的壓實(shí)性,一、土的擊實(shí)試驗(yàn),在試驗(yàn)室內(nèi)通過擊實(shí)試驗(yàn)研究土的壓實(shí)性。擊實(shí)試驗(yàn)有輕型和重型兩種。,輕

18、型擊實(shí)試驗(yàn)適用于粒徑小于5mm的土，擊實(shí)筒容積為947cm3，擊錘質(zhì)量為2.5kg。把制備成一定含水量的土料分三層裝入擊實(shí)筒，每層土料用擊錘均勻錘擊25下，擊錘落高為30.5cm,重型擊實(shí)試驗(yàn)適用于粒徑小于40mm的土，擊實(shí)筒容積為2104cm3，擊錘質(zhì)量為4.5kg，擊錘落高為45.7cm 。分五層擊實(shí)，每層56擊。根據(jù)擊實(shí)后土樣的密度和實(shí)測(cè)含水量計(jì)算相應(yīng)的干密度,二、填土的擊實(shí)特性,影響土壓實(shí)性的因素很多，主要有含水量、擊實(shí)功能、土的種類和級(jí)配等,1.含水量的影響,當(dāng)含水率較低時(shí)，擊實(shí)后的干密度隨含水量的增加而增大。而當(dāng)干密度增大到某一值后，含水量的繼續(xù)增加反招致干密度的減小。干密度的這一最大值稱為該擊數(shù)下的最大干密度，與它對(duì)應(yīng)的含水量稱為最優(yōu)含水量,說明：當(dāng)擊數(shù)一定時(shí)，只有在某一含水量下才獲得最佳的擊實(shí)效果,2.擊實(shí)功能的影響,說明：填料的含水率過高或過低都是不利的。含水率過低，填土遇水后容易引起濕陷；過高又將惡化填土的其他力學(xué)性質(zhì)。因此，在實(shí)際施工中填土的含水率控制得當(dāng)與否，不僅涉及到經(jīng)濟(jì)效益，而且影響到工程質(zhì)量,1.土料的最大干密度和最優(yōu)含水量不是常數(shù)。最大干密度隨擊數(shù)的增加而逐漸增大,最優(yōu)含水量逐漸減小。然而，這種變化速率是遞減的。同時(shí)