1 土的物理性质及工程分类
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第1章 土的物理性质及分类
固体颗粒 – 粒径级配
土的三相组成 – 固体颗粒
土的粒组划分
土的三相组成 – 固体颗 粒
粒径级配：各粒组的相对含量，用质 量百分数来表示。 分析方法： 筛分法：适用于粗粒土 孔径 大小不同的筛子。 水分法：适用于细粒土 常采 用比重计法。 表述方法: 粒径级配累积曲线 固体颗粒 – 颗粒级配
固体颗粒 – 矿物成分
土的三相组成 – 固体颗粒 依硅片和铝片组叠 形式的不同，可分 成如下三种类型：
1:1的两 层结构
Al Al Si Si
高岭 石微粒
Al Al
Si Si Al Al
Si Si
• 是云母在碱性介质中风化的产物。 高岭石 蒙特石 伊利石 • 与蒙特石相似，由两层硅片夹一层 铝片所形成的三层结构，但晶层之 间有钾离子连结。 • 主要特征：连结强度弱于高岭石而 高于蒙特石，其特征也介于两者之 间。
知识要点
1.掌握土体的三相组成及三相比例 指标之间的换算 2.领会无粘性土密实度概念、判别 方法及砂土相对密度的计算 3.掌握粘性土的塑限、液限、塑性 指数和液性指数的概念及其物理状态评价 4.掌握无粘性土和粘性土的分类依据 和分类方法 5.掌握土的工程分类
§1.1 土的形成与三相组成 一、土的形成
运积土
有搬运
• 冰积土：土粒粗细变化较大，性质不均匀
• 风积土：颗粒均匀，层厚而不具层理
第一章土的物理性质及工程分类
2)地壳运动 地壳的升降运动和水平运动。升降运动表现为地壳 地壳运动--地壳的升降运动和水平运动 地壳运动 地壳的升降运动和水平运动。升降运动表现为地壳 的上拱和下拗， 型的构造隆起和拗陷： 的上拱和下拗，形成大 型的构造隆起和拗陷：水平运动表现为地 壳岩层的水平移动，使岩层产生各种形态的褶皱和断裂． 壳岩层的水平移动，使岩层产生各种形态的褶皱和断裂．地壳运 动的结果，形成了各种类型的地质构造和地球表面的基本形态。 动的结果，形成了各种类型的地质构造和地球表面的基本形态。 3)变质作用--在岩浆活动和地壳运动过程中 原岩( 变质作用--在岩浆活动和地壳运动过程中， 3)变质作用--在岩浆活动和地壳运动过程中，原岩(原来生成的 各种岩石)在高温、高压下及挥发性物质的渗入下，发生成分、 各种岩石)在高温、高压下及挥发性物质的渗入下，发生成分、结 变质岩。 构造变化的地质作用,生成变质岩 构、构造变化的地质作用,生成变质岩。 (2)外力地质作用 外力地质作用： (2)外力地质作用： 由于太阳辐射能和地球重力位能所引起的地质作用。 由于太阳辐射能和地球重力位能所引起的地质作用。它包括 气温变化、雨雪、山洪、河流、湖泊、海洋、冰川、 气温变化、雨雪、山洪、河流、湖泊、海洋、冰川、风、生物等 的作用。 的作用。 1)风化作用--外力 包括大气、 风化作用--外力( 生物) 1)风化作用--外力(包括大气、水、生物)对原岩发生机械破碎和 化学变化的作用。 化学变化的作用。
第一章 土的物理性质及工程分类(定稿)
土的构造
土的构造分为层理构造、裂隙构造和其它等。
分散构造
裂隙构造
思考题
1、何谓土粒粒组？六大粒组的划分标准是什么？ 2、如何运用土的级配曲线判别砂砾土的级配？ 3、土的颗粒分析试验方法及适用范围？
（1）参考答案
工程上通常把大小相近、性质相似的土粒 划分成若干组，这种组别称为粒组，划分 粒组的分界粒径称为界限粒径。 按照界限粒径的大小，将土粒划分为六个 粒组（表1-1）： 漂石（块石）、卵石(碎 石)、砾粒、砂粒、粉粒、粘粒。各粒组的 界限粒径： 200mm ， 20mm ， 2mm ， 0.075mm ， 0.005mm
土的物理性质指标的分类
直接指标或基本指标。 直接通过土工试验测定的，如含水率、密 度和土粒比重，称为直接指标或基本指标。 导出指标 根据直接指标换算的，如孔隙比、孔隙率、 饱和度等，称为导出指标。
§1.2
一、土的三相图
质量m
气
mw m
土的物理性质指标
二、直接测定指标（基本指标）
体积V 1.土的密度ρ：单位体积土的质
比重计法： 适用于粒径小于0.075mm的土
颗粒分析试验曲线
试验结果可绘制在半对数纸上 纵坐标：小于某粒径的土粒含量 横坐标：使用对数尺度表示土的粒径，可以把 粒径相差上千倍的粗粒都表示出来，尤其能把 占总重量少，但对土的性质可能有总要影响的 颗粒部分清楚地表达出来
第1章 土的物理性质及工程分类
指标换算出其余各指标。
五、例题分析
【例】某土样经试验测得体积为100cm3，湿土质量为
187g，烘干后，干土质量为167g。若土粒的相对密度Gs 为2.66，求该土样的含水量ω、密度ρ、重度 、干密度 d 、孔隙比e、饱和重度sat和有效重度
【解题思路】 1）先求三相的质量和体积； 2）再按各指标的物理意义求解。
落形成的单粒结构，其特点是土粒间存在点与点的接触。 根据形成条件不同，可分为疏松状态和密实状态.
疏松状态
密实状态
2.蜂窝结构：颗粒间点与点接触，由于彼此之间引力大
于重力，接触后，不再继续下沉，形成链环单位,很多链 环联结起来，形成孔隙较大的蜂窝状结构.
3.絮状结构：细微粘粒大都呈针状或片状，质量极轻，
e Vv Vs
（2）孔隙率（孔隙度）n 土中孔隙体积与总体积之比， 以百分数表示
n Vv 100% V
e =0.5～1.0 e =0.5～1.2
粘性土
n =(30～50)%
工程经验：
二者相比，孔隙比e在公路工程中的应用更加广泛。
孔隙比e可直接反映土的密实程度，e越大，土越疏松； e越小，土越密实。它是确定地基承载力的指标。 当砂土e<0.6时，成密实状态，为良好地基。
1.非封闭气体：受外荷作用时被挤出土体外，对土的
性质影响不大.
2.封闭气体：受外荷作用，不能逸出，被压缩或溶解
五、例题分析
【例】某土样经试验测得体积为100cm3，湿土质量为
187g，烘干后，干土质量为167g。若土粒的相对密度Gs 为2.66，求该土样的含水量ω、密度ρ、重度 、干密度 d 、孔隙比e、饱和重度sat和有效重度
【解题思路】 1）先求三相的质量和体积； 2）再按各指标的物理意义求解。
落形成的单粒结构，其特点是土粒间存在点与点的接触。 根据形成条件不同，可分为疏松状态和密实状态.
疏松状态
密实状态
2.蜂窝结构：颗粒间点与点接触，由于彼此之间引力大
于重力，接触后，不再继续下沉，形成链环单位,很多链 环联结起来，形成孔隙较大的蜂窝状结构.
3.絮状结构：细微粘粒大都呈针状或片状，质量极轻，
e Vv Vs
（2）孔隙率（孔隙度）n 土中孔隙体积与总体积之比， 以百分数表示
n Vv 100% V
e =0.5～1.0 e =0.5～1.2
粘性土
n =(30～50)%
工程经验：
二者相比，孔隙比e在公路工程中的应用更加广泛。
孔隙比e可直接反映土的密实程度，e越大，土越疏松； e越小，土越密实。它是确定地基承载力的指标。 当砂土e<0.6时，成密实状态，为良好地基。
1.非封闭气体：受外荷作用时被挤出土体外，对土的
性质影响不大.
2.封闭气体：受外荷作用，不能逸出，被压缩或溶解
土力学：第1章 土的物理性质和工程分类
（一粒度）成土分的：用粒不度同成粒径分颗粒（的土相粒对含级量配来）描述（土２的）颗
粒组成。
粒度成分测定常用方法: 1）筛分法：对粒径大于0. 075mm的土粒 2）沉降分析法：对小于0. 075mm的土粒
1．土的粒组划分（１）
天然土的粒径一般是连续变化的，为了描述方便，工 程上常把大小相近的土粒合并为组，称为粒组。
1-3给出了3种土样的粒度成分分析结果。
表1-3 粒度成分分析结果(%)
粒组(mm)
土样 土样 土样 ABC
粒组(mm)
10~5 5~2 2~1 1~0.5 0.5~0.25 0.25~0.10
－ 25.0 － 3.1 20.0 － 6.0 12.3 － 16.4 8.0 － 41.5 6.2 － 26.0 4.9 8.0
d320 d60d10
(1 1b)
式中：d 、d 、d 分别相当于累计百分含量为
10
30
60
10％、30％和60％的粒径；
d10 称为有效粒径；
d60 称为限制粒径；
d 、d 10
30、称d为6平0 均粒径。
3．粒度成分及其表示方法（5）
不均匀系数 Cu 、Cc 反映大小不同粒组的分布情况：
Cu >= 5、Cc =1-3的土级配良好，其余情况为级配不良。
一、土的固相
土的固相物质包括无机矿物颗粒和有机质，是构成土 的骨架最基本的物质，称为土粒。对土粒应从其矿物成分、 颗粒的大小和形状来描述。
第1章土的性质及工程分类
巨粒
砾石
0.075
粗粒
砂粒 粉粒
细粒
粘粒 胶粒
d
(mm) 60
粗 中
20 5
细 粗
2
中 细
0.075 0.005 0.002
0.5 0.25
粗粒土：以砾石和砂砾为主要组成的土，也称 无粘性土。
细粒土：以粉粒、粘粒和胶粒为主要组成的土，也称 粘性土。
固体颗粒 - 颗粒大小
土粒大小分析方法 Analysis methods of grain size
1.1.1土的固体颗粒（固相）
土的固体颗粒的大小和形状，矿物成分及其组成情况 ，是决定土的物理力学性质的重要因素。
原生矿物：岩浆在喷出后，经冷凝过程形成的矿物。 次生矿物 ：原生矿物经过化学风化后，形成的新的矿物。
原生矿物 - 石英、长石、云母等
矿物质
无定形氧化物胶体
次生矿物 可溶盐 粘土矿物
具有和原生矿物很不相同的特性 对粘土性质的影响很大
• 坡积土是高处的风化碎屑物在雨、雪水或本身重力的作用下搬运而成 的山坡堆 积物。
• (3)洪积土(图1.3)
图1.1 残积土 图1.2 坡积土
图1.3 洪积土
• 洪积土是指在山区或高地由暂时性水流(山洪急流)作用，将大量的残 积物、坡积物搬运堆积在山谷中或山前平原上的堆积物。
• (4)冲积土(图1.4)
砾石
0.075
粗粒
砂粒 粉粒
细粒
粘粒 胶粒
d
(mm) 60
粗 中
20 5
细 粗
2
中 细
0.075 0.005 0.002
0.5 0.25
粗粒土：以砾石和砂砾为主要组成的土，也称 无粘性土。
细粒土：以粉粒、粘粒和胶粒为主要组成的土，也称 粘性土。
固体颗粒 - 颗粒大小
土粒大小分析方法 Analysis methods of grain size
1.1.1土的固体颗粒（固相）
土的固体颗粒的大小和形状，矿物成分及其组成情况 ，是决定土的物理力学性质的重要因素。
原生矿物：岩浆在喷出后，经冷凝过程形成的矿物。 次生矿物 ：原生矿物经过化学风化后，形成的新的矿物。
原生矿物 - 石英、长石、云母等
矿物质
无定形氧化物胶体
次生矿物 可溶盐 粘土矿物
具有和原生矿物很不相同的特性 对粘土性质的影响很大
• 坡积土是高处的风化碎屑物在雨、雪水或本身重力的作用下搬运而成 的山坡堆 积物。
• (3)洪积土(图1.3)
图1.1 残积土 图1.2 坡积土
图1.3 洪积土
• 洪积土是指在山区或高地由暂时性水流(山洪急流)作用，将大量的残 积物、坡积物搬运堆积在山谷中或山前平原上的堆积物。
• (4)冲积土(图1.4)
土力学第1章-土的物理性质与工程分类
更新世
晚更新世（上更新统）Q3
（统） （Qp）
中更新世（中更新统）Q2 早更新世（下更新统）Q1
距今年代（百 万年） 0.011 0.13
0.73
2.43
土的概念
地壳表层原来坚硬连续的岩石，经历长期的风化作用以
及剥蚀、搬运、沉积等作用，在各种交错复杂的自然环境中
在地表形成的各种散粒堆积物称为“第四纪沉积物”或
冲积土
山区河谷断面示例
作用力
河流流水
特点
由于经过较长时间 的搬运，浑圆度和 分选性更为明显， 常形成砂土层和黏 性土层交叠的地 层。
风积土—风力 颗粒细，磨圆度、分选性好，表层土质松软，黄土
具有湿陷性；沙丘在风力推动下随时改变形状和位置。
湖泊沼泽沉积土—缓慢的水流或静水条件 这种土的特征，除了含有细微的颗粒外，常伴有生物 化学作用所形成的有机物的存在，成为具有特殊性质 的淤泥或淤泥质土，工程性质都很一般。
（二）土中水（熟知）
土中的水的分类
矿物中的结合水 土 中 水
土孔隙中的水
结构水 结晶水 沸石水
结合水
液态水
自由水 固态水
强结合水
弱结合水 重力水 毛细水
汽态水
结合水（束缚水、吸附水）
指受电分子吸引力吸附于土粒表黏面土的土中水阳离子
结合水受电分子吸引
颗粒
1土的物理性质及分类
Air Water Soil
Va Vw Vs Vv V
：4˚C时纯蒸馏水的密度
s: 土粒的密度，单位体积土粒的质量
ms s Vs
C 3 4 w =1.0 g/cm
质量
土粒比重一般范围: 粘性土 2.70—2.75 砂 土 2.65 有机质、泥炭土较小
体积
比重瓶法测得
土粒比重在数值上等于土粒的密度
重力水
自由水
毛细水
- 重力水：自由水面以下的孔隙 自由水，在重力作用下可在土 中自由流动
具有溶解能力，能传递静水和动水压力，对土颗粒有 浮力作用。
当它在土孔隙中流动时，对所流经的土体施加渗流力
（亦称动水压力、渗透力），计算中应考虑其影响。
- 毛细水：由于土体孔隙的毛细作用升至自由水面 以上的水。毛细水承受表面张力和重力的作用。
筛余
10 16 18 24 22 38 72 水分法
P 100 95 87 78 66 55 36
粒径(mm)
粒径(mm) 百分数P(%)
0.05 26
0.01 13.5
0.01 0.005
0.005 10
0.001
0.10 0.05
1.0 0.5
10 5.0
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
—— 粘土
—— 库 仑 力： 颗粒表面的静电引力或斥力 —— 范德华力： 颗粒接触点处的分子间引力
第一章土的物理性质和工程分类
(1) 层状构造 (2) 分散构造 (3) 裂隙状构造 (4) 结核状构造
§1.4 土的三相物理性质指标的测定及计算
从右图可以容易得到以下关系：
Vv = Vw + Va
V = Vs + Vv = Vs + Vw + Va
m = ms + mw
土的三相图
§1.4 土的三相物理性质指标的测定及计算
一、试验直接测定的物理性质指标
式中： m1——瓶+水的质量； m2——瓶+土+水的质量； ms——烘干土的质量；
§1.4 土的三相物理性质指标的测定及计算
（二）土的天然含水量w
土的天然含水量，定义为土中水的质量与土粒的质量之比 ，以百分数表示，其表达式为：
mw 100% ms 将式（1.4.2）代入（1.4.3）中得
（1.4.3）
e wsat d s
式中：wsat——饱和含水率。
§1.4 土的三相物理性质指标的测定及计算
（五）浮密度与土粒相对密度和孔隙比的关系
设土体内土粒体积为1，则按e=VV/VS ，孔隙的体积VV为e ；由ρs ＝ ms / Vs得土粒的质量ms为ρs。于是，按式浮密 度的定义可得
ms Vs w s w d s 1 w ' V 1 e 1 e
（一）土粒相对密度（土粒比重）ds
第1章_土的物理性质及工程分类
§1.3 土的结构和构造
一、土的结构
土颗粒之间的相互排列和粒间联结特征，称为土的结构。
粗粒土一般为此结构。 特点：一颗颗。
单粒结构
土 的 结 构
蜂窝结构
粉土一般为此结构。 特点：一窝窝。
絮状结构
黏土一般为此结构。 特点：一团团。
第2次课
粗粒土
粉土
黏土
密实状态
疏松状态 单粒结构 蜂窝结构
蜂窝结构：颗粒间点与点接触，由于彼此之 间引力大于重力，接触后，形成链环单位,很 多链环联结起来，形成孔隙较大的蜂窝状结 构
固定层
扩散层
弱结合水
• • • 位于强结合水之外，电场引 力作用范围之内 外力作用下可以移动 不因重力而移动，有黏滞性
双电层—颗粒表面的负电荷构成电场内层， 被吸引在颗粒表面（固定层和扩散层内） 的阳离子和定向排列的水分子构成电场外 层，合称双电层。
3.毛细水
分布在土粒内部相互贯通 的孔隙可以看成许多形状 不一、直径互异、彼此连 通的毛细管
§1.2 土的三相组成
一、土的三相组成 气相
液相
气 水 土粒
次要作用
固相
重要影响
构成土骨架，起决定作用
固体+气体
干土
无天然干土
固体＋液体 ＋气体
湿土
天然土都是湿土
固体＋液体
第一章土的物理性质与工程分类第一章土的物理性质及工程分
第一章土的物理性质与工程分类第一章土的物理性
质及工程分
第一节土的组成与结构
一、土的组成
天然状态下的土的组成（一样分为三相）
⑴固相：土颗粒--构成土的骨架,决定土的性质--大小、形状、成分、组成、排列
⑵液相：水和溶解于水中物质
⑶气相：空气及其他气体
（1）干土=固体+气体（二相）
（2）湿土=固体+液体+气体（三相）
（3）饱和土=固体+液体（二相）
二、土的固相——矿物颗粒
土粒粒径大小及矿物成分不同，对土的物理力学性质有着较大阻碍。如当土粒粒径由粗变细时，土的性质可从无粘性变化到有粘性。
（一）土的粒组划分
工程上将物理力学性质较为接近的土粒划分为一个粒组，粒组与粒组之间的分界尺寸称为界限粒径。土颗粒依照粒组范畴划分不同的粒组名称：
六大粒组：块石（漂石）、碎石（卵石）、角粒（圆粒）、砂粒、粉粒、粘粒
界限粒径分别是：200mm、20mm、2mm、0.075mm、0.005mm,见下表。
表1-1 粒组划分标准（GB 50021—94）
（二）土的颗粒级配
自然界的土通常由大小不同的土粒组成，土中各个粒组重量（或质量）的相对含量百分比称为颗粒级配，土的颗粒级配曲线可通过土的颗粒分析试验测定。
1.颗粒大小分析试验
方法（1）筛分法：适用60—0.075mm的粗粒土
（2）密度计法：适用小于0.075mm的细粒土
2.颗粒级配曲线——半对数坐标系
3.级配良好与否的判别
1) 定性判别（1）坡度渐变——大小连续——连续级配 （级配曲线）（2）水平段（台阶）——缺乏某些粒径——不连续级配
（1） 曲线形状平缓——粒径变化范畴大——不平均——良好 （2） 曲线形状较陡——变化范畴小——平均——不良 2) 定量判别：不平均系数 10
1.土的物理性质及工程分类
（1—13） （1—14）
Vv e n V 1 e
Vw mw w Gs w w Gs Sr Vv e e e
（1—15）
32
1-4 土的三相比例指标
3. 三相比例指标间的换算
根据定义得到的公式：
sat
ms Vv w Gs w e w Gs e w V 1 e 1 e
2. 换算指标 ②土的饱和密度 sat ：土的饱和密度定义为孔隙完全
被水充满时土的密度，以 kg m3 或 g cm3 计：
sat
ms Vv w V
（1—7）
土的饱和重度 sat ：以 kN m3计：
sat sat g
2 g 10 m s 工程上为计算方便，取
（1—3）
23
1-4 土的三相比例指标
1. 试验指标（基本指标） ② 土粒比重（相对密度）Gs ：土粒比重定义为土粒的 质量与同体积 4C时纯水的质量之比，无量纲： ms s Gs （1—4） Vs w w
式中 w 为纯水在 4C 时的密度 ，取：
w 1.0 g cm
通常认为自由气体与大气连通，对土的性质无大影响 。密闭气体的体积与压力有关，压力增加，则体积 缩小，压力减小，则体积胀大。因此，密闭气体的 存在增加了土的弹性，同时还可阻塞土中的渗流通 道，减小土的渗透性。
土的工程性质与分类
土的工程性质与分类
目录
• 土的物理性质 • 土的力学性质 • 土的工程分类 • 土的工程应用 • 土的工程问题与对策
01 土的物理性质
密度
总结词
密度是土的质量与其体积的比值，反映了土的紧密程度。
详细描述
密度的大小受到土的矿物成分、含水量、孔隙比等因素的影 响。一般来说，密度越大，土越紧密；密度越小，土越松散 。密度是土的基本物理性质之一，对土的工程性质有着重要 影响。
塑性指数
总结词
塑性指数是粘性土处于可塑状态时含有 的自由水，反映了粘性土的可塑性程度 。
VS
详细描述
塑性指数是粘性土的重要物理性质之一， 对于粘性土的分类和工程性质评价具有重 要意义。塑性指数越大，粘性土的可塑性 越好；塑性指数越小，粘性土的可塑性越 差。在工程实践中，塑性指数是评价粘性 土的工程性质的重要指标之一。
02 土的力学性质
压缩性
01 压缩性是指土在压力作用下体积减小的性 质。
02
压缩系数是表示土的压缩性的主要参数， பைடு நூலகம்值越大，土的压缩性越高。
03
土的压缩性主要与土的颗粒组成、孔隙比、 含水量等因素有关。
04
压缩性对土的工程性质有重要影响，如地 基沉降、土压力计算等。
抗剪强度
抗剪强度是指土抵抗剪切 破坏的能力。
详细描述
孔隙比的大小决定了土的松散程度和压缩性。孔隙比越大，土越松散；孔隙比 越小，土越紧密。在工程实践中，孔隙比是评价土的工程性质的重要指标之一， 对于土的稳定性和沉降计算具有重要意义。
目录
• 土的物理性质 • 土的力学性质 • 土的工程分类 • 土的工程应用 • 土的工程问题与对策
01 土的物理性质
密度
总结词
密度是土的质量与其体积的比值，反映了土的紧密程度。
详细描述
密度的大小受到土的矿物成分、含水量、孔隙比等因素的影 响。一般来说，密度越大，土越紧密；密度越小，土越松散 。密度是土的基本物理性质之一，对土的工程性质有着重要 影响。
塑性指数
总结词
塑性指数是粘性土处于可塑状态时含有 的自由水，反映了粘性土的可塑性程度 。
VS
详细描述
塑性指数是粘性土的重要物理性质之一， 对于粘性土的分类和工程性质评价具有重 要意义。塑性指数越大，粘性土的可塑性 越好；塑性指数越小，粘性土的可塑性越 差。在工程实践中，塑性指数是评价粘性 土的工程性质的重要指标之一。
02 土的力学性质
压缩性
01 压缩性是指土在压力作用下体积减小的性 质。
02
压缩系数是表示土的压缩性的主要参数， பைடு நூலகம்值越大，土的压缩性越高。
03
土的压缩性主要与土的颗粒组成、孔隙比、 含水量等因素有关。
04
压缩性对土的工程性质有重要影响，如地 基沉降、土压力计算等。
抗剪强度
抗剪强度是指土抵抗剪切 破坏的能力。
详细描述
孔隙比的大小决定了土的松散程度和压缩性。孔隙比越大，土越松散；孔隙比 越小，土越紧密。在工程实践中，孔隙比是评价土的工程性质的重要指标之一， 对于土的稳定性和沉降计算具有重要意义。
土力学-土的物理性质及工程分类
③高岭石——晶胞之间有氢键，相互联结力较强，
晶胞之间的距离不易改变，水分子不能进入。因此，高岭石 的亲水性最小。
次生矿物除粘土矿物外，还有次生二氧化硅 与难溶盐等。
土力学
§土2的.2物理土性的质三及相工组程分成类
§2.2.1 土的固体颗粒
1、土粒的矿物成分 ⑶腐植质 如土中腐植质含量多，使土的压缩性增大。对有机质含量超过 3%～5%的土应予注明，不宜作为填筑材料。
d3 0 2
cc
d1 0 d6 0
(2.2)
一般按经验把Cu≤5的土看作是均粒土，属级配不良；Cu>10的 土属级配良好。此外，要满足级配良好的要求，除土粒大小必须不 均匀外，还要求符合Cc=1～3的条件。否则土粒大小不连续，出现 缺粒段，仍不能称为级配良好。
工程上同时满足Cu>5且Cc=1～3的土为级配良好的土。
土力学
§土2的.2物理土性的质三及相工组程分成类
§2.2.1 土的固体颗粒
2、土颗粒的大小与形状 为便于研究，把土的粒径按性质相近的原则划分为6个粒组：
漂石(块石) 粒径d>200mm
卵石(碎石)200mm≤粒径d＞60mm
圆砾(角砾) 60mm≤粒径d＞2mm
砂粒 粉粒
2mm≤粒径d＞0.075mm 0.075mm≤粒径d＞0.005mm
石层为分散构造。
③ 结核状构造——在细粒土中混有粗颗粒或各种结核，如含
晶胞之间的距离不易改变，水分子不能进入。因此，高岭石 的亲水性最小。
次生矿物除粘土矿物外，还有次生二氧化硅 与难溶盐等。
土力学
§土2的.2物理土性的质三及相工组程分成类
§2.2.1 土的固体颗粒
1、土粒的矿物成分 ⑶腐植质 如土中腐植质含量多，使土的压缩性增大。对有机质含量超过 3%～5%的土应予注明，不宜作为填筑材料。
d3 0 2
cc
d1 0 d6 0
(2.2)
一般按经验把Cu≤5的土看作是均粒土，属级配不良；Cu>10的 土属级配良好。此外，要满足级配良好的要求，除土粒大小必须不 均匀外，还要求符合Cc=1～3的条件。否则土粒大小不连续，出现 缺粒段，仍不能称为级配良好。
工程上同时满足Cu>5且Cc=1～3的土为级配良好的土。
土力学
§土2的.2物理土性的质三及相工组程分成类
§2.2.1 土的固体颗粒
2、土颗粒的大小与形状 为便于研究，把土的粒径按性质相近的原则划分为6个粒组：
漂石(块石) 粒径d>200mm
卵石(碎石)200mm≤粒径d＞60mm
圆砾(角砾) 60mm≤粒径d＞2mm
砂粒 粉粒
2mm≤粒径d＞0.075mm 0.075mm≤粒径d＞0.005mm
石层为分散构造。
③ 结核状构造——在细粒土中混有粗颗粒或各种结核，如含
土质学与土力学第一章土的物理性质及工程分类
1.土的容重γ：土体单位体积的重力。 W ( KN / m 3 ) V
它通常用环刀法在试验室测定，一般土的容重 16~22KN/m3
2．土粒容量γs：土固体颗粒单位体积的重力（或重量）。
Ws Ws 3 3 3 ( g / cm t / m ) s ( KN / m ) 60 Vs Vs 3．土的含水量：是指土中水重与固体颗粒重之比，以百分 比表示
颗粒重=(1- γ
0 ω
同体积水重=(1- γ
图1-7
颗粒重=γ
0 ω
同体积水重=γ
图1-8
7．孔隙比e：是指土中孔隙的体积与固体颗粒的体积之比， 即
VV e VS
用来评价土的紧密程度。 8．孔隙率n，土中孔隙体积与总体积之比
VV n V
e 一般以百分率表示， e与n之间关系为： n 1 e
2．聚粒结构：若干土粒以面-面方式聚合在一起，形成比较 大的叠片状的集合体。 3．絮凝结构：土粒或聚粒以边-边、边-面方式相互联结在一 起，形成絮凝结构，它使土具有：细胞孔隙性、粘聚性和弹 性。
土的结构在形成过程中，以及形成之后，当外界条件变化时， 都会使土的结构发生变化。 土体越干，土粒的联结强度越大，土体在外力作用下，絮 状结构会趋于定向排列，土的强度及压缩性都随之发生变化。 对土的结构的研究，近年来不仅研究土粒的排列及分布，并 已开始研究土的孔隙率（孔隙大小、形状及分布）以及颗粒 间联结性（接触数量，接触力的分布及）。
土的物理性质及工程分类
第1章土的物理性质及工程分类
1.1 土的形成
岩土体是地壳的物质组成。岩体是地壳表层圈层，经建造和改造而形成的具一定组分和结构的地质体。它赋存于一定的地质环境之中，并随着地质环境的演化和地质作用的持续，仍在不断的变化着。土体是岩石风化的产物，是一种松散的颗粒堆积物。由于岩土材料组成的复杂性，其性质在许多方面不同于其它材料，具有其特有的多变性及复杂性。以下就岩土的特性分别简述之。
1.2 土的组成
1.1.1 土的结构与特性
土是一种松散的颗粒堆积物。它是由固体颗粒、液体和气体三部份组成。土的固体颗粒一般由矿物质组成，有时含有胶结物和有机物，这一部分构成土的骨架。土的液体部分是指水和溶解于水中的矿物质。空气和其它气体构成土的气体部分。土骨架间的孔隙相互连通，被液体和气体充满。土的三相组成决定了土的物理力学性质。
1）土的固体颗粒
土骨架对土的物理力学性质起决定性的作用。分析研究土的状态，就要研究固体颗粒的状态指标，即粒径的大小及其级配、固体颗粒的矿物成分、固体颗粒的形状。
（1）固体颗粒的大小与粒径级配
土中固体颗粒的大小及其含量，决定了土的物理力学性质。颗粒的大小通常用粒径表示。实际工程中常按粒径大小分组，粒径在某一范围之内的分为一组，称为粒组。粒组不同其性质也不同。常用的粒组有：砾石粒、砂粒、粉粒、粘粒、胶粒。以砾石和砂粒为主要组成成分的土称为粗粒土。以粉粒、粘粒和胶粒为主的土，称为细粒土。土的工程分类见本章第三节。各粒组的具体划分和粒径范围见表1-1。
土中各粒组的相对含量称土的粒径级配。土粒含量的具体含义是指一个粒组中的土粒质量与干土总质量之比，一般用百分比表示。土的粒径级配直接影响土的性质，如土的密实度、土的透水性、土的强度、土的压缩性等。要确定各粒组的相对含量，需要将各粒组分离开，再分别称重。这就是工程中常用的颗粒分析方法，实验室常用的有筛分法和密度计法。
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利用不同大
小的土粒在水
中的沉降速度 不同来确定小 于某粒径的土 粒含量
四、土物理性质指标
九个物理量: V Vv Vs Va Vw ms m w ma m 物性指标是 比例关系: 可假设任一 参数为1 物理量关系: ma=0 m mw 空气 Air Va
Vv 水 Water
Vw V
ms
固体 Solid
砂土湿度状态
饱和度Sr （ % ）
稍湿
Sr ≤ 50
很湿
50<Sr ≤ 80
饱和
Sr >80
•
• • •
例题1：已知土的总质量为0.123Kg， 体积70m3,含水量20%。问土的密度、干 密度是多少？ 解答： m 0.1231.78g / mm3 密度： V 70
ms 0.123 1.48g / mm3 干密度： d V 70(120%)
成和结构特征。 对具有一定成分的土而言， 结构愈疏松，孔隙体积愈大， 重度值将愈小。
2.土粒比重(土粒相对密度)
Ws 1 ds Vs w
单位: 无量纲 范围：2.6～2.8 土粒重度与同体积4℃时纯水的重 度比值。
比重瓶法测得
3.土的含水量ω：土中水的质量与土粒质量之比。％
质量m
气 mw m 水 土粒
干密度ρd ：单位体积中固体
颗粒部分的质量
d
ms V
气
mw m 水
ms
土粒
Vs
工程上用以控制填方的施工质量。
浮密度ρ ：土单位体积内土
粒质量与同体积水的质量之差
ms Vs V
饱和密度ρsat ：土体中孔隙完
全被水充满时的土的密度
sat
ms Vv V
各密度指标在数值上的关系： ρsat >ρ>ρd >ρ 可证明：ρ ＝ ρsat－ρw
体积V
Vw Va V
m m ms 100% 100% ms ms
ms
土的含水量是标志土含水程度的一个重要物理指标。
天然土层含水量变化范围较大，与土的种类、埋藏条件 及其所处的自然地理环境等有关。
测定方法：通常用烘干法，亦可近似用酒精燃烧法
Vs
4.不同状态下土的密度和重度
质量m 体积V Vw Va VV
无粘性土 粘性土
化学风化
生物风化
二、土的组成
土体
固相 + 液相 + 气相
构成土骨架， 起主体作用
重要影响
次要作用
土体三相组成示意图
1 、土的固体颗粒(固相)
土的固体颗粒是由大小不等、形状不同的矿物颗 粒或岩石碎屑按照各种不同的排列方式组合在一起， 构成土的骨架。
土中最稳定、变化最 小的成分
固体颗粒的大小 和形状 土粒的矿物成分
Vs
m ms mw ma ma 0 mw w Vw
质量
体积
V Vs Va Vw Vv Va Vw
土的三相简图
• 1、土的天然密度
土的天然密度，指土在天然状态下单位体 积的质量,又称湿密度。它影响土的承载力、 土压力及边坡的稳定性。
土的总质量 m ( kg / m3 ) 土的总体积 V
p
si
Vv＝e0
h0 h0/(1+e0)
Vs＝1
hi hi/(1+e)
V’v＝ ei Vs＝1
hi h1 si
受荷后土样的高度变 化: 设初始高度h0,受 压后的高度hi,则 hi=h0—si, si为每级荷 载作用下的变形量
ei e1 si (1 e1 ) h1
土样体积在受 h1 A hA i VS 压前后不变 1 e1 1 ei 其中
常见值
ρ＝(1.6～2.2)g/cm3， ＝(16～22)kN/m3
[ 容重 ：单位体积的重量]
土的重度
天然状态下，土单位体积的重量，称为土 的重度 范围：16～22 土工试验：环刀法
W mg (kN / m3 ) V V
土的重度取决于土粒的重 量，孔隙体积的大小和孔隙中
水的重量，综合反映了土的组
【例3】某料场30万方土料，初始孔隙比e1＝1.2，问可填筑 e2＝0.7的土堤多少立方米？ 【解答】
V 30 Vs 13.64 1 e1 1 1.2
V＝Vv+Vs=e2Vs+Vs=(0.7+1)Vs=1.7×13.64=23.1ຫໍສະໝຸດ Baidu万方 （填筑前后Vs不变）
• 1、压缩系数
研究土在不同压力作用下，孔隙比变化规律
e e0 e1 e2
一般取压缩曲线上M1M2两点切线的 斜率值，称为土的压缩系数。
M1
Δe e1－e 2 斜率a = tgβ = － = Δp p 2－p1
（MPa-1）
△e △p
M2
β
《规范》用p1＝100kPa、 p2＝ 200kPa对应的压缩系数a1-2评 价土的压缩性 p 土的类别 高压缩性土 中压缩性土 低压缩性土 a1-2 (MPa-1)
200g
10 5.0 2.0 1.0 0.5 0.25 0.1
将风干、
10 16 18 24 22 38 72
P % 95 87 78 66 55 36
分散的代表性 土样通过一套 孔径不同的标 准筛，充分筛 选，将留在各
级筛上的土粒
分别称重，然 后计算小于某 粒径的土粒含 量。
筛分法原理图
沉降法（比重计法或移液管法） :
剪切容器与应力环
土的概念 及生成
土的工程 分类 土的物理 状态
土的组成
土
土的结构 土的构造
土的物理 性质
ds
【例2】 某饱和土体积为97 cm 3 ，土的重力为1.98N，土烘 干后重力为1.64N，求含水量ω、土粒比重 ds , 孔隙比e 和孔隙率n。 【解答】 W Ws 1.98 1.64 100% 20.7% 含水量
Ws 1.64
W 1.98 103 3 20.4 kN / m V 97 106 水的体积 W Ws (1.98 1.64) 103 Vw 3.4 105 m3 34cm3 rw 10 20.4 Vw 34 3 16.9 kN / m e 0.539 d 1 1 0.207 V Vs 97 34 (1 e) d (1 0.539) 16.9 ds 2.6kN / m3 w 10
化 搬运、沉积
土
地球
风化 作用分类
物理风化
矿物成 分未变 矿物成 分改变
岩石和土的粗颗粒受各种气候因素的影 响产生胀缩而发生裂缝,或在运动过程 中因碰撞和摩擦而破碎 母岩表面和碎散的颗粒受环境因素的作 用而改变其矿物的化学成分，形成新的 矿物 原生矿物 次生矿物 有 机 质 动植物活动引起的岩石和土体粗颗粒 的粒度或成分的变化
p1
p2
e-p曲线
实际工程中，往往用割线斜率表示：
≥0.5
0.1～0.5 <0.1
3
直接剪切试验
土的抗剪强度的测定方法
试验仪器：直剪仪（应变控制式，应力控制式）
应变直剪仪试验原 理：对同一种土至 少取4个平行试，分 别在不同垂直压力 下剪切破坏，将试 验结果绘制抗剪强 度f与相应垂直压力 的关系图。
相关知识1：土地物理性质
土的形成
影响
土的组成
反映
力学性质
决定
物理性质 及状态
体现
工程特点
一、 土的成因
土是指：地球表面的整体岩石在大气中经受长期的风 化作用而形成的、覆盖在地表上碎散的、没有胶结或 胶结很弱的颗粒堆积物。
土是岩石经过风化、剥蚀、破碎、搬运、沉积 等过程后在不同条件下形成的自然历史的产物 岩石 地球 风
5.孔隙比e和孔隙率n
孔隙比e ：土中孔隙体积与土粒体积之比 ◇e<0.6 低压缩性土 e>1.0 高压缩性土
Vv e Vs
Vv n 100% V
孔隙率n ：土中孔隙体积与总体积之比，以百分数表示
6.土的饱和度Sr
土中孔隙水的体积与孔隙总体积之比，以百分数表示 饱和度描述土中孔隙被水充 V 满的程度。干土Sr=0,饱和土 Sr 100% Vv Sr=100%。 砂土根据饱和度分 为三种状态:
物理状态 力学性质
1）土的颗粒级配
工程上将各种不同的土粒按其粒径范围，划分 为若干粒组，为了表示土粒的大小及组成情况， 通常以土中各个粒组的相对含量（即各粒组占 土粒总量的百分数）来表示，称为土的颗粒级 配
试验方法
筛分法：适用于0.075mm≤d≤60mm
比重计法:适用于d＜0.075mm
筛分法：
V Ah1 VS Ah1 e1＝ V 1 1 VS VS VS
由于逐级（一般为6级）施加荷载在不同压力p作用下，可得 到相应的孔隙比e，根据一一对应关系，以横座标表示压力， 以纵座标表示孔隙比，绘制e-p曲线，称为压缩曲线．
2、压缩性指标
根据压密定律：在竖向压力变化不大的范围内，孔隙比的 1）、压缩系数： 变化量与压力之间的变化量，二者之间的关系近似用一条 直线来代替。
小的土粒在水
中的沉降速度 不同来确定小 于某粒径的土 粒含量
四、土物理性质指标
九个物理量: V Vv Vs Va Vw ms m w ma m 物性指标是 比例关系: 可假设任一 参数为1 物理量关系: ma=0 m mw 空气 Air Va
Vv 水 Water
Vw V
ms
固体 Solid
砂土湿度状态
饱和度Sr （ % ）
稍湿
Sr ≤ 50
很湿
50<Sr ≤ 80
饱和
Sr >80
•
• • •
例题1：已知土的总质量为0.123Kg， 体积70m3,含水量20%。问土的密度、干 密度是多少？ 解答： m 0.1231.78g / mm3 密度： V 70
ms 0.123 1.48g / mm3 干密度： d V 70(120%)
成和结构特征。 对具有一定成分的土而言， 结构愈疏松，孔隙体积愈大， 重度值将愈小。
2.土粒比重(土粒相对密度)
Ws 1 ds Vs w
单位: 无量纲 范围：2.6～2.8 土粒重度与同体积4℃时纯水的重 度比值。
比重瓶法测得
3.土的含水量ω：土中水的质量与土粒质量之比。％
质量m
气 mw m 水 土粒
干密度ρd ：单位体积中固体
颗粒部分的质量
d
ms V
气
mw m 水
ms
土粒
Vs
工程上用以控制填方的施工质量。
浮密度ρ ：土单位体积内土
粒质量与同体积水的质量之差
ms Vs V
饱和密度ρsat ：土体中孔隙完
全被水充满时的土的密度
sat
ms Vv V
各密度指标在数值上的关系： ρsat >ρ>ρd >ρ 可证明：ρ ＝ ρsat－ρw
体积V
Vw Va V
m m ms 100% 100% ms ms
ms
土的含水量是标志土含水程度的一个重要物理指标。
天然土层含水量变化范围较大，与土的种类、埋藏条件 及其所处的自然地理环境等有关。
测定方法：通常用烘干法，亦可近似用酒精燃烧法
Vs
4.不同状态下土的密度和重度
质量m 体积V Vw Va VV
无粘性土 粘性土
化学风化
生物风化
二、土的组成
土体
固相 + 液相 + 气相
构成土骨架， 起主体作用
重要影响
次要作用
土体三相组成示意图
1 、土的固体颗粒(固相)
土的固体颗粒是由大小不等、形状不同的矿物颗 粒或岩石碎屑按照各种不同的排列方式组合在一起， 构成土的骨架。
土中最稳定、变化最 小的成分
固体颗粒的大小 和形状 土粒的矿物成分
Vs
m ms mw ma ma 0 mw w Vw
质量
体积
V Vs Va Vw Vv Va Vw
土的三相简图
• 1、土的天然密度
土的天然密度，指土在天然状态下单位体 积的质量,又称湿密度。它影响土的承载力、 土压力及边坡的稳定性。
土的总质量 m ( kg / m3 ) 土的总体积 V
p
si
Vv＝e0
h0 h0/(1+e0)
Vs＝1
hi hi/(1+e)
V’v＝ ei Vs＝1
hi h1 si
受荷后土样的高度变 化: 设初始高度h0,受 压后的高度hi,则 hi=h0—si, si为每级荷 载作用下的变形量
ei e1 si (1 e1 ) h1
土样体积在受 h1 A hA i VS 压前后不变 1 e1 1 ei 其中
常见值
ρ＝(1.6～2.2)g/cm3， ＝(16～22)kN/m3
[ 容重 ：单位体积的重量]
土的重度
天然状态下，土单位体积的重量，称为土 的重度 范围：16～22 土工试验：环刀法
W mg (kN / m3 ) V V
土的重度取决于土粒的重 量，孔隙体积的大小和孔隙中
水的重量，综合反映了土的组
【例3】某料场30万方土料，初始孔隙比e1＝1.2，问可填筑 e2＝0.7的土堤多少立方米？ 【解答】
V 30 Vs 13.64 1 e1 1 1.2
V＝Vv+Vs=e2Vs+Vs=(0.7+1)Vs=1.7×13.64=23.1ຫໍສະໝຸດ Baidu万方 （填筑前后Vs不变）
• 1、压缩系数
研究土在不同压力作用下，孔隙比变化规律
e e0 e1 e2
一般取压缩曲线上M1M2两点切线的 斜率值，称为土的压缩系数。
M1
Δe e1－e 2 斜率a = tgβ = － = Δp p 2－p1
（MPa-1）
△e △p
M2
β
《规范》用p1＝100kPa、 p2＝ 200kPa对应的压缩系数a1-2评 价土的压缩性 p 土的类别 高压缩性土 中压缩性土 低压缩性土 a1-2 (MPa-1)
200g
10 5.0 2.0 1.0 0.5 0.25 0.1
将风干、
10 16 18 24 22 38 72
P % 95 87 78 66 55 36
分散的代表性 土样通过一套 孔径不同的标 准筛，充分筛 选，将留在各
级筛上的土粒
分别称重，然 后计算小于某 粒径的土粒含 量。
筛分法原理图
沉降法（比重计法或移液管法） :
剪切容器与应力环
土的概念 及生成
土的工程 分类 土的物理 状态
土的组成
土
土的结构 土的构造
土的物理 性质
ds
【例2】 某饱和土体积为97 cm 3 ，土的重力为1.98N，土烘 干后重力为1.64N，求含水量ω、土粒比重 ds , 孔隙比e 和孔隙率n。 【解答】 W Ws 1.98 1.64 100% 20.7% 含水量
Ws 1.64
W 1.98 103 3 20.4 kN / m V 97 106 水的体积 W Ws (1.98 1.64) 103 Vw 3.4 105 m3 34cm3 rw 10 20.4 Vw 34 3 16.9 kN / m e 0.539 d 1 1 0.207 V Vs 97 34 (1 e) d (1 0.539) 16.9 ds 2.6kN / m3 w 10
化 搬运、沉积
土
地球
风化 作用分类
物理风化
矿物成 分未变 矿物成 分改变
岩石和土的粗颗粒受各种气候因素的影 响产生胀缩而发生裂缝,或在运动过程 中因碰撞和摩擦而破碎 母岩表面和碎散的颗粒受环境因素的作 用而改变其矿物的化学成分，形成新的 矿物 原生矿物 次生矿物 有 机 质 动植物活动引起的岩石和土体粗颗粒 的粒度或成分的变化
p1
p2
e-p曲线
实际工程中，往往用割线斜率表示：
≥0.5
0.1～0.5 <0.1
3
直接剪切试验
土的抗剪强度的测定方法
试验仪器：直剪仪（应变控制式，应力控制式）
应变直剪仪试验原 理：对同一种土至 少取4个平行试，分 别在不同垂直压力 下剪切破坏，将试 验结果绘制抗剪强 度f与相应垂直压力 的关系图。
相关知识1：土地物理性质
土的形成
影响
土的组成
反映
力学性质
决定
物理性质 及状态
体现
工程特点
一、 土的成因
土是指：地球表面的整体岩石在大气中经受长期的风 化作用而形成的、覆盖在地表上碎散的、没有胶结或 胶结很弱的颗粒堆积物。
土是岩石经过风化、剥蚀、破碎、搬运、沉积 等过程后在不同条件下形成的自然历史的产物 岩石 地球 风
5.孔隙比e和孔隙率n
孔隙比e ：土中孔隙体积与土粒体积之比 ◇e<0.6 低压缩性土 e>1.0 高压缩性土
Vv e Vs
Vv n 100% V
孔隙率n ：土中孔隙体积与总体积之比，以百分数表示
6.土的饱和度Sr
土中孔隙水的体积与孔隙总体积之比，以百分数表示 饱和度描述土中孔隙被水充 V 满的程度。干土Sr=0,饱和土 Sr 100% Vv Sr=100%。 砂土根据饱和度分 为三种状态:
物理状态 力学性质
1）土的颗粒级配
工程上将各种不同的土粒按其粒径范围，划分 为若干粒组，为了表示土粒的大小及组成情况， 通常以土中各个粒组的相对含量（即各粒组占 土粒总量的百分数）来表示，称为土的颗粒级 配
试验方法
筛分法：适用于0.075mm≤d≤60mm
比重计法:适用于d＜0.075mm
筛分法：
V Ah1 VS Ah1 e1＝ V 1 1 VS VS VS
由于逐级（一般为6级）施加荷载在不同压力p作用下，可得 到相应的孔隙比e，根据一一对应关系，以横座标表示压力， 以纵座标表示孔隙比，绘制e-p曲线，称为压缩曲线．
2、压缩性指标
根据压密定律：在竖向压力变化不大的范围内，孔隙比的 1）、压缩系数： 变化量与压力之间的变化量，二者之间的关系近似用一条 直线来代替。