01第一章 土的物理性质及工程分类

兰州交通大学博文学院教案课题: 第一章土的物理性质及工程分类一、教学目的：1.了解土的生成和工程力学性质及其变化规律；2.掌握土的物理性质指标的测定方法和指标间的相互转换；3.熟悉土的抗渗性与工程分类。

二、教学重点：土的组成、土的物理性质指标、物理状态指标。

三、教学难点：指标间的相互转换及应用。

四、教学时数： 6 学时。

五、习题：第一章土的物理性质及工程分类一、土的生成与特性1.土的生成工程领域土的概念：土是指覆盖在地表的没有胶结和弱胶结的颗粒堆积物，土与岩石的区分仅在于颗粒胶结的强弱，土和石没有明显区分。

土的生成:岩石在各种风化作用下形成的固体矿物、流体水、气体混合物。

不同风化形成不同性质的土，有下列三种：（1）物理风化：只改变颗粒大小，不改变矿物成分。

由物理风化生成土为粗粒土（如块碎石、砾石、砂土），为无粘性土。

（2）化学风化：矿物发生改变，生成新成分—次生矿物。

由化学风化生成土为细粒土，具有粘结力（粘土和粘质粉土），为粘性土。

（3）生物风化：动植物与人类活动对岩体的破坏。

矿物成分没有变化。

2.土的结构和构造（1）土的结构定义：土颗粒间的相互排列和联结形式称为土的结构。

1)种类：●单粒结构：每一个颗粒在自重作用下单独下沉并达到稳态。

●蜂窝结构：单个下沉，碰到已下沉的土颗粒，因土粒间分子引力大于重力不再下沉，形成大孔隙蜂窝状结构。

●絮状结构：微粒极细的粘土颗粒在水中长期悬浮，相互碰撞吸引形成小链环状土集粒。

小链之间相互吸引，形成大链环，称絮状结构。

图1.1 土的结构3）工程性质：密实的单粒结构工程性质最好，蜂窝结构与絮状结构如被扰动破坏天然结构，则强度低、压缩性高，不可用做天然地基。

（2）土的构造1）定义：同一土层中，土颗粒之间的相互关系。

2）种类：●层状结构：由不同颜色或不同粒径的土组成层理，一层一层互相平行。

●分散构造：土粒分布均匀，性质相近，如砂与卵石层为分散构造。

●结核状构造:在细粒土中混有粗颗粒或各种结核，属结核状构造。

●裂隙状构造：土体中有很多不连续的小裂隙。

3）工程性质：分散结构的工程性质最好，结核状取决于细粒土，裂隙状渗透性大，工程性质差。

3.土的工程特性(1)压缩性高当应力数值相同，材料厚度一样时，卵石的压缩性为刚才压缩性的数千倍；饱和细沙的压缩性为C20混凝土的数千倍，足以证明土的压缩性极高。

软塑或流塑状态的粘性土比饱和细沙的压缩性还要高。

(2)强度低土的强度特指抗剪强度，而非抗压强度或抗拉强度。

无粘性土的强度来源于土粒表面滑动的摩擦和颗粒间的咬合摩擦；粘性土的强度出摩擦力外，还有粘聚力，均远小于建筑材料本身的强度。

(3)透水性大土体颗粒间具有许多透水空隙，因此透水性比木材、混凝土都大，尤其是粗颗粒的卵石或砂土，其透水性更大。

4.土的生成与工程特性的关系(1)搬运、沉积条件：冲积层优于风积层。

(2)沉积年代：沉积年代越长，工程性质越好。

(3)自然环境：特殊土地基。

二、土的三相组成土的三相组成是指土由固体矿物、水和气体三部分组成。

1.土的固体颗粒土的固体颗粒是土的三相组成中的主体，是决定土的工程性质的主要成分。

（1）土粒的矿物成分1）原生矿物由岩石经物理风化生成，它的成分与母岩的相同，常见的有石英，包括单矿物颗粒—一个颗粒为单一的矿物，如常见的石英、长石、云母、角闪石与灰石等，砂土即为单矿物颗粒；多矿物颗粒—一个颗粒中包含多种矿物，如巨粒土的漂石、卵石和粗粒土的砾石，往往为多矿物颗粒。

2）次生矿物母岩经化学风化生成的新矿物，它的成分成分与母岩的完全不同。

次矿物主要是粘土矿物，由两种种原子层构成：一种是Si-O四面体构成的硅氧晶片，另一种是Al-OH八面体构成的铝氢氧晶片。

因为这两种晶片结合的情况不同，粘土矿物可分为下列三种：图1.2 粘土矿物两种原子层蒙脱石—两结构单元之间没有氢键，相互的联结弱，水分子可以进入量晶胞之间。

因此，蒙脱石的亲水性最大，具有强烈的吸水膨胀、失水收缩的特性。

伊利石—又称水云母，部分Si-O四面体中的Si为Al、Fe所取代，损失的原子价由阳离子钾补偿。

因此，晶格层组之间具有结合力，亲水性低于蒙脱石。

高岭石—晶胞之间有氢键，相互结合力较强，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。

腐殖质：土中腐殖质含量多，使土的压缩性增大。

有机质超过3%~5%的不宜作为建筑材料。

（2）土颗粒的大小和形状通过界限粒径（划分粒组的分界尺寸）将土颗粒划分为6个粒组：粘粒（小于0.005㎜）、粉粒（0.005,0.075）、砂粒（0.075，2）、圆砾(角砾)（2，60）、卵石(碎石)/（60，200）、漂石(块石）（大于200mm）。

通常粗粒土的压缩性低、强度高、渗透性大。

表面粗糙抗剪强度越高。

（3）土的颗粒级配粒径级配：土中各粒组的相对含量，占总质量的百分数。

1）筛分法：适用于砾石类和砂类土，d >0.075mm ，主要设备为一套标准分析筛，孔径分别为20，10，5，2.0，1.0，0.5，0.25，0.075mm 。

取样数量：d ＜20mm ，可取1000~2000g; d ＜10mm ，可取300~1000g; d ＜2mm ，可取100~300g;震筛10~15min 后称取各级筛底盘试样的质量。

2）密度计法：适用于粉土和粘性土，d ＜0.075mm ，测定悬浊液读数。

粒径级配曲线上：纵坐标10%所对应的粒径d 10称为有效粒径；纵坐标为60%所对应的粒径60d 称为限定粒径；60d 与10d 的比值称为不均匀系数u C ，即6010u d C d = (1.1) 不均匀系数u C 为表示土颗粒组成的重要特征。

当u C 很小时曲线很陡，表示土均匀；当u C 很大时曲线平缓，表示土的级配良好。

曲率系数c C 为表示土颗粒组成的又一特征，c C 按下式计算：2301060c d C d d =⨯ (1.2) 式中30d 为粒径级配曲线上纵坐标为30%所对应的粒径。

砾石和砂土级配u C ≥5且 c C =1~3为级配良好；级配不同时满足这两个要求则为级配不良。

2. 土中水（1）结合水1）强结合水排列致密、定向性强；密度>1g/cm 3；冰点处于零下几十度具有固体的的特性；接近固体，不传递静水压力；温度高于100°C 时可蒸发，粘土只含结合水时呈坚硬状态。

2）弱结合水：位于强结合水之外，电场引力作用范围之内；密度大；不传递静水压力（不应重力而移动）；有粘滞性。

● 自由水：离土粒较远，位于电场引力范围外，排列散乱。

● 重力水：位于地下水位以下，具有浮力作用，可从总水头较高处向较低处流动。

● 毛细水：位于地下水位以上，受毛细作用上升，粉土中空隙小，毛细水上升高。

（2）气态水：水汽，影响不大。

（3）固态水:0℃以下自由水发生冻胀。

3. 土中气体土颗粒中没有被水填充的部分为气体。

（1） 自由气体：与大气连通，压缩逸出，对工程无影响。

（2）封闭气体：与大气隔绝，加载缩小，卸载膨胀，使土的渗透性降低。

三、 土的物理性质指标1. 土的三项基本物理性质指标（此三项均由实验室测定）（1）土的密度ρ和土的重度γ1）物理意义：ρ为单位体积土的重量，3/g cm 。

γ单位体积土所受的重力，即39,810,/g kN m γρρρ==≈。

2）表达式 =m Vρ=土的总质量土的总体积 (1.3) 3）常见值：331.6~2.2/,16~22/g cm kN cm ργ==。

4）测定方法：环刀法（粘性土和粉土），灌水法（卵石、砾石与原状砂）。

（2）土粒比重()s s G d1）物理意义：土中固体矿物的质量与同体积4℃时的纯水质量的比值。

2）表达式： =4(4)(4)ss s s w w m V G ρρρ==固体颗粒的密度纯水℃时的密度℃℃ (1.4） 3）常见值：砂土s G =2.65~2,69，粉土s G =2.70~2.71,粘性土2.72~2.75，数值大小取决于矿物成分。

4）测定方法：比重瓶法；经验法。

（3）土的含水率ω1）物理意义:土体中水的质量与固体矿物质量的比值，用百分数表示。

2）表达式： =100%w sm m ω=⨯水的质量固体颗粒质量 （1.5） 3）常见值：砂土0%~40%ω=，粘性土20%~60%ω=，0ω≈，粘性土呈坚硬状态。

4）测定方法：烘箱法。

2. 反映土的松密程度的指标（1）土的孔隙比e1）物理意义：土中孔隙体积与固体颗粒体积之比。

2）表达式： =V SV e V =孔隙体积固体颗粒体积 (1.6) 3）常见值：砂土0.5~1.0e =，粘性土0.5~1.2e =4）确定方法：由S ρω、G 、实测值推算。

（2）土的孔隙度（孔隙率）n1）物理意义：表示孔隙体积含量，土中空隙占总体积的百分比。

2）表达式： =100%V V n V =⨯孔隙体积土体总体积 (1.7) 3）常见值：30%~50%n =4）确定方法：由S ρω、G 、实测值推算。

3. 反映土中含水程度的指标（1）含水率ω(前已述)（2）土的饱和度r S1）物理意义：水在空隙中的充满程度。

2）表达式： =W r V V S V =水的体积孔隙体积 (1.8) 3）常见值：0~1r S =4）确定方法：由S ρω、G 、实测值推算。

5）工程应用：砂土和粉土以饱和度分为稍湿（＜0.5）、很湿（0.5~0.8）、饱和（＞0.8）三类。

4. 特定条件下土的密度（重度）（1）土的干密度d ρ和土的干重度d γ1）物理意义：干密度为单位体积土的质量，3/g cm 。

2）土的干重度为单位体积干土所受的重力，即39.810/d d d d g kN m γρρρ==≈。

3）表达式 =s d m Vρ=固体颗粒质量土的总体积 (1.9) 4）常见值：331.3~2.0/;13~20/d d g cm kN cm ργ==。

5）工程应用：干密度或干重度越大，表明土体越密实，表明工程质量越好。

6）测定方法：环刀法，放射性同位素测试仪。

（2）土的饱和密度sat γ和土的饱和重度sat ρ1）物理意义：孔隙中全部充满水时单位体积土的质量，3/g cm 。

孔隙中全部充满水时单位体积土所受的重力，即39.810/sat sat sat sat g kN m γρρρ==≈。

2）表达式 +m =s w a w s v w sat m V m V V V ρρρ++==孔隙全部充满水的总质量土的总体积 (1.10) 3）常见值：331.8~2.3/;18~23/sat d g cm kN cm ργ==。

（3）土的有效重度（浮重度）'γ1）物理意义：地下水位以下土体单位体积土所受的重力扣除浮力。

2）表达式 'sat w γγγ=- (1.11)3）常见值：3'8~13/kN m γ=。