第二章土的物理性质和工程分类
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土力学课件第2章_土的物理性质及分类
• 一类是根据直接指标换算的，称为间接指标（换 算指标），有 孔隙比（void rate） 孔隙率（porosity） 饱和度（degree of saturation）
2.2.1 土的三相比例关系图
质量
m mw ms
气 水 土粒
体积
Va
Vv
Vw
V
Vs
ms：土粒质量 mw：土中水质量 m：土的总质量
100 %
（7）干密度ρd干容重γd • 定义：单位体积内土粒的质量或重量
• 表达式：
d
ms V
d
ms g V
d
g
• 土烘干，体积要减小，因而土的干密度不 等于烘干土的密度。
• 土的干密度或干容重是评价土密实程度的 指标，干密度或干容重越大表明土越密实， 反之越疏松。常用它来控制填土工程的施 工质量。
干密度与湿密度和含水率的关系
m
V
d
wd
1
d 1 w
d
1 w
孔隙比与比重和干密度的关系
d
ms V
s
1 e
e dsw 1 d
饱和度与含水率、比重和孔隙比的关系
Sr
Vw Vv
ws w
e
wd s e
当土饱和时，即为Sr=100％
则
e wsat ds
w
sat
Gs e 1 e
w
Gs 1 1 e
e Gs (1 w)w 1
n 1 d Gs w
St
w d nw
kN/m3 kN/m3 kN/m3 kN/m3
2.2.1 土的三相比例关系图
质量
m mw ms
气 水 土粒
体积
Va
Vv
Vw
V
Vs
ms：土粒质量 mw：土中水质量 m：土的总质量
100 %
（7）干密度ρd干容重γd • 定义：单位体积内土粒的质量或重量
• 表达式：
d
ms V
d
ms g V
d
g
• 土烘干，体积要减小，因而土的干密度不 等于烘干土的密度。
• 土的干密度或干容重是评价土密实程度的 指标，干密度或干容重越大表明土越密实， 反之越疏松。常用它来控制填土工程的施 工质量。
干密度与湿密度和含水率的关系
m
V
d
wd
1
d 1 w
d
1 w
孔隙比与比重和干密度的关系
d
ms V
s
1 e
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饱和度与含水率、比重和孔隙比的关系
Sr
Vw Vv
ws w
e
wd s e
当土饱和时，即为Sr=100％
则
e wsat ds
w
sat
Gs e 1 e
w
Gs 1 1 e
e Gs (1 w)w 1
n 1 d Gs w
St
w d nw
kN/m3 kN/m3 kN/m3 kN/m3
第二章土的工程性质及分类
For personal use only in study and research; not for commercial use第二章土的性质及工程分类土的性质包括：物理性质、力学性质、水理性质、工程性质。
土是由固体颗粒、水和空气组成的三相体系。
由于三相比例的不同，决定了土的物理性质（轻重、疏密、干湿、软硬）。
土的物理性质又决定了土的力学性质，因此土的物理性质是我们研究的主要特性之一。
本章主要介绍土的组成及土的结构土的物理性质指标无粘性土的密实度粘性土的物理特性土的渗透性及渗流土的动力特性地基(岩)土的工程分类2.1概述土是风化的产物，是由固体颗粒、水和空气组成的三相体系，下面看三相组成示意图。
在外力作用下，土体并不显示为一般固体的特性，也不表现为一般液体的特性，因此，在研究土的工程性质时，既有别于固体力学，也有别于液体力学。
2.2土的三相组成及土的结构2.2.1 土的组成一、土的固体颗粒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。
2.2.1.1土的矿物成分矿物成分分为原生矿物、次生矿物2.2.1.2土粒粒组自然界中存在的土，都是由大小不同的土粒组成的。
土粒的粒径由粗到细逐渐变化时，土的性质也相应地发生变化。
例如，土的性质随着粒径的变细，可由无粘性变化到有粘性。
因此可以将土中各种不同粒径的土粒，按适当的粒径范围，分为若干组，各个粒组，随着分界尺寸的不同而呈现一定质的变化，划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。
目前我国常用的土粒粒组划分方法，按照界限粒径的大小，将土粒分为六个组：漂石（块石）（＞200）、卵石（碎石）（200～60）、圆砾（角砾）（60～2）砂粒（2～0.075）、粉粒（0.075～0.005）和粘粒＜0.005（注漂石、卵石、圆砾是一定磨圆形状、圆形或亚圆形）土中土粒的大小及其组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量来表示，称为土的颗粒级配。
如何来分析土中的颗粒级配情况，通常用筛分法与水分法两种。
土的物理性质及地基土的工程分类
第二章 土的物理性质及地基土的工程分类1. 土力学的研究对象：土土——土是连续、坚固的岩石在风化作用下形成的大小悬殊的颗粒，经过不同的搬运方式，在各种自然环境中生成的沉积物。
§2-1 土的组成一、土的组成⎪⎩⎪⎨⎧孔隙中的水液气体气冰土颗粒固:::土中颗粒的大小、成分及三相之间的比例关系反映出土的不同性质，如干湿、轻重、松紧、软硬等。
这就是土的物理性质。
二、土的固体颗粒（一）土的颗粒级配1．土颗粒的大小直接决定土的性质 2．粒径——颗粒直径大小3．粒组——为了研究方便，将粒径大小接近、矿物成分和性质相似的土粒归并为若干组别即称为粒组。
粒组的划分：漂石 粘粒 4．颗粒级配——土粒的大小及组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量来表示，称为土的颗粒级配。
颗粒级配的测室方法：——筛析法 比重计法 试验成果分析：①颗粒级配累积曲线（半对数坐标） 见P17 图1-10分析⎩⎨⎧级配良好不均匀粒径大小接近曲线陡级配良好不均匀粒径大小悬殊曲线平缓②不均匀系数（C u ）1060u d /d C = ⎩⎨⎧<>级配不良级配良好5C 0C u u式中：d 60——当小于某粒径的土粒质量累计百分数为60%时，该粒径称为限定粒径d 60。
d 10——当小于某粒径的土粒质量累计百分数为10%时，相应的粒径称为有效粒径d 10。
③曲率系数（C c ）6010230c d d d C ⋅=式中：d 30——当小于某粒径的土粒质量累计百分数为30%时的粒径用d 30表示。
C c ——曲率系数，它描写的是累积曲线的分布范围，反映曲线的整体形状。
C c =1~3时 级配良好 （二）土粒的矿物成分漂石、卵石、砾石等粗大土粒的矿物成分以原生矿物为主。
（与每岩相同） 砂粒的矿物成分大多为母岩中的单矿物颗粒。
如石英等。
粉粒的矿物成分以粘土矿物为主。
粘土矿物由两种原子层构成，主要类型⎪⎩⎪⎨⎧高岭石伊利石蒙脱石粘土矿物的特点：细小、亲水性强，吸水膨胀，脱水收缩。
土力学_第2章(土的物理性质和工程分类)
粘性土从一种状态变到另一种状态的含水量分界点称为界限含水量。
V
阿特堡界限 (Atterberg limit)
固态
半固态
可塑态
液态
水
Vs+Vw Vs
颗 粒 ws
缩限
O
wP
塑限
wL
液限
w
• 液限和塑限的测定方法
液限（wL）的测定： 锥式液限仪（中国）； 碟式液限仪（欧美，详见 ASTM 试验 规程）。
粉土
含水量w(%)
w＜20
20 ≤w≤30
w＞30
（2） 砂土的松－密状态 指标和状态（《地基与基础》－p27）
相对密实度 （Relative Density ）
0.67＜Dr≤1.0 0.33＜Dr≤0.67 0＜Dr≤0.33
emax e Dr emax emin
密实 中密 松散
工程上原位测试判断物理状态：
粒径分布曲线（级配曲线）
100
小于某粒径的土粒质量/%
80
60
40
20
0
10
1
0.1
0.01
1E-3
粒径/mm
• 不均匀系数
Cu
d 60
d10
Cu越大，曲线越平缓，粒径分布越不均匀。
• 曲率系数
Cc
2 d 30
(d 60 d10 )
Cc<1，中间颗粒偏少，小粒径颗粒偏多。 Cc>3，中间颗粒偏多，小粒径颗粒偏少。
水
mw
Vv=e
V =e+1
Vw Sr Vv
ms=s
Vs 土粒 ms
Vs=1
w s / w wGs e e
V
阿特堡界限 (Atterberg limit)
固态
半固态
可塑态
液态
水
Vs+Vw Vs
颗 粒 ws
缩限
O
wP
塑限
wL
液限
w
• 液限和塑限的测定方法
液限（wL）的测定： 锥式液限仪（中国）； 碟式液限仪（欧美，详见 ASTM 试验 规程）。
粉土
含水量w(%)
w＜20
20 ≤w≤30
w＞30
（2） 砂土的松－密状态 指标和状态（《地基与基础》－p27）
相对密实度 （Relative Density ）
0.67＜Dr≤1.0 0.33＜Dr≤0.67 0＜Dr≤0.33
emax e Dr emax emin
密实 中密 松散
工程上原位测试判断物理状态：
粒径分布曲线（级配曲线）
100
小于某粒径的土粒质量/%
80
60
40
20
0
10
1
0.1
0.01
1E-3
粒径/mm
• 不均匀系数
Cu
d 60
d10
Cu越大，曲线越平缓，粒径分布越不均匀。
• 曲率系数
Cc
2 d 30
(d 60 d10 )
Cc<1，中间颗粒偏少，小粒径颗粒偏多。 Cc>3，中间颗粒偏多，小粒径颗粒偏少。
水
mw
Vv=e
V =e+1
Vw Sr Vv
ms=s
Vs 土粒 ms
Vs=1
w s / w wGs e e
2土的物理性质及工程分类
>0.15
按风化程度划分
微风化 中等风化 强风化
二、碎石土
1.定义：土的粒径d >2mm的颗粒含量大于50%的土 2.分类依据:颗粒级配+颗粒形状
土的名称 漂石 块石 卵石 碎石 圆砾 角砾
为主的颗粒形状 圆形及亚圆形 棱角形
粒组含量
粒径大于200mm的颗粒 含量超过全重的50%
圆形及亚圆形 棱角形
三、砂土
1.定义： 粒径d >2mm的颗粒含量不超过全重的50%， 且d >0.075mm的颗粒含量超过全重50%的土
2.分类
土的名称 砾砂 粗砂 中砂 细砂 粉砂
粒组含量 粒径d >2mm的颗粒占总质量25～50% 粒径d >0.5mm的颗粒超过总质量50% 粒径d >0.25mm的颗粒超过总质量50% 粒径d >0.075mm的颗粒超过总质量85% 粒径d >0.075mm的颗粒超过总质量50%
2. 物理性质：
淤泥—— L; e 1.5 淤泥质土—— L ; 1.0 e 1.5
3. 工程性质 强度低，透水性低，压缩性大，为不良地基
(二) 红粘土和次生红粘土
1. 定义： 红粘土为碳酸盐系的岩石经红化作用形成的 高塑性粘土 红粘土经再搬运后，仍操持其基本特征，称 为次生红粘土
2. 物理性质： 强度高，压缩性低
1、密度
重力密度
2、土粒比重 Gs (ds )
w 3、土的含水量
m
ms
mw
质量m 气 水
土粒
Vw Va Vv
体积V
土的三相草图
1、密度 ：
质量m
单位体积土的质量
气
m
水
土力学
第2章土的物理性质及工程分类1. 岩石有哪几种风化风化作用: 物理作用：岩石产生量的变化化学作用，生物作用岩石产生质的变化2. 土的三相组成是什么土的物质成分包括有作为土骨架的固态矿物颗粒、孔隙中的水及其溶解物质以及气体。
因此，土是由颗粒(固相)、水(液相)和气(气相)所组成的三相体系。
3. 土粒的主要矿物成分有哪些⑴原生矿物——由岩石经物理风化而成，其成分与母岩相同，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、角闪石与辉石等，砂土多为单矿物颗粒；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。
⑵次生矿物——母岩岩屑经化学风化，改变原来的成份，成为一种颗粒很细的新矿物，主要是粘土矿物。
粘土矿物的粒径d<0.005mm,肉眼看不清，电子显微镜下为鳞片状。
⑶腐植质4. 利用土颗粒的级配指标及级配曲线判断土的级配状态一土的固体颗粒·土中的固体颗粒(简称土粒)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。
(一) 土的颗粒级配在自然界中存在的土，都是由大小不同的土粒组成的。
土粒的粒径由粗到细逐渐变化时，土的性质相应地发生变化，例如土的性质随着粒径的变细可由无粘性变化到有粘性。
将土中各种不同粒径的土粒，按适当的粒径范围，分为若干粒组，各个粒组随着分界尺寸的不同而呈现出一定质的变化。
划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。
根据界限粒径200、20、2、0．05和0．005mm把土粒分为六大粒组：漂石<块石)颗粒、卵石(碎石)颗粒、圆砾(角砾)颗粒、砂粒、粉粒及粘粒。
土粒的大小及其组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量(各粒组占土粒总量的百分数)来表示，称为土的颗粒级配。
颗粒分析试验：筛分法；密度计法,移液管法根据颗粒大小分析试验成果，可以绘制如图1—10所示的颗粒级配累积曲线由曲线的坡度可判断土的均匀程度有效粒径；限定粒径。
第二章 土的物理性质及工程分类
土粒质量 ms d 总体积 V
三、其他常用指标
1. 特殊条件下土的密度和重度
土的干重度 d
干重度—土单位体积土粒重量（kN/m3)
Ws ms g d d g m V V m w
ms
气
水 土粒
Va Vw Vs
Vv
三、其他常用指标
1. 特殊条件下土的密度和重度
（2）饱和密度和饱和重度 饱和密度 sat 饱和密度—孔隙充满水时土单位体积质量 （g/cm3或t/m3)
土粒质量 ms s 土粒体积 Vs
气
m mw ms 水 土粒 Va Vw Vs Vv
二、基本试验指标
1. 土粒相对密度 ds 土粒相对密度—土颗粒质量与同体积的4oC时的 纯水的质量之比。
Gs
Vs w1
ms
s w1
气
m mw 水 土粒
Va Vw Vs
Vv
纯水在4oC时的密度， 等于1g/cm3或1t/m3。
矿 物 质
固 体 颗 粒
次生矿物
固体颗粒矿物成分
原生矿物：原岩经物理风化生成的土粒，成分与母岩 完全相同，如石英、长石、云母等 ；颗粒较粗，一般 为无粘性土；圆形、板状、块状；吸水力弱、稳定、 无塑性；
云母
石英 长石 角闪石
石英 晶体
云母 晶体
次生矿物：由原生矿物经化学风化作用而形成的矿物。 颗粒较细，一般为粘土矿物，如高岭石、伊利石、蒙 脱石，形成粘性土。片状、极细；吸水力强、活泼、 有塑性。
粘粒
粉粒
细粒
砂粒
粗粒
角砾/ 圆砾
卵石/ 碎石
巨粒
块石/ 漂石
二）、粒度成分的分析方法
第二章土的物理性质及工程分类
②次生矿物
固相 构成
风化 程度
颗粒 大小
特点及对工程性质、力学性质 的可能影响
高度的分散性,呈细粒状,它的
次生 矿物（蒙 脱石、伊 利石、高
岭石）
化学 风化
细小，呈片 状 ,是粘性 土固相的主 要成分。
含量的变化对粘性土性质十分 敏感,巨大的比表面使其具有 很强的与水相互作用的能力, 它的结晶结构的不同,会带来 其工程性质的显著差异。
1 、粒度：指土粒的大小，通常用粒径d表示，单位mm。 注：当d越小时，粘性越好；反之，当d越大时，粘性越差。 2 、粒组：界于一定粒度范围内的土粒。 3、界限粒径：划分粒组的分界尺寸。 注：工程上根据界限粒径200、60、2、0.075和0.005mm把土粒
分为：漂石（块石）颗粒、卵石（碎石）颗粒、园砾（角砾） 颗粒、砂粒、粉粒及粘粘六大类。
Teacher Yang Ping
第二节 土的三相组成
①在天然状态下，土呈三相系，即由固体颗粒、水和 空气三相所组成。
②饱和土和干土都是二相土。 注：当孔隙全部为水填充时，称为饱和土。反之，当
孔隙中没有水，全部为气体填充时，称为干土。
Teacher Yang Ping
一、土中固体颗粒（简称土粒） ㈠、基本概念
四、孔隙比e
1.概念：土中孔隙体积与土粒体积之比。
2.计算公式：
e Vv Vs
注：孔隙比反映了土的密实度，e<0.6时，土是密实的
低压缩性土；e>1时，土是疏松的高压缩性土。同一类
土的孔隙比越大，土的压缩性和透水性越大，而其强
度就越小。
Teacher Yang Ping
五、孔隙率n 1.概念：土中孔隙体积与土体体积之比，用百分数表示。 2.计算公式：
2土的物理性质及分类
土体的孔隙率n
土中孔隙所占体积与总体积之比，空隙率用 百分数表示。即：
VV d e n 100% 1 V 1 e ds w
黏性土孔隙率30～60%，无黏性土25～45%
土体的饱和度Sr
土中被水充满的孔隙体积与孔隙总体积之 比，以百分率计，即：
Vw mw d s Sr VV VV w e
砂土的相对密实度Dr
emax e Dr emax emin
e ds w
d
1
按Dr值，砂土的密实状态划分为如下, 详见P42 表2-5 Dr>2/3, 密实 2/3≥Dr>1/3，中密 0.33≥Dr>0，松散
例 题
标准贯入试验
标准贯入试验(SPT)是动 力触探的一种，它利用 一定的锤击动能（锤重 63.5±0.5kg，落距 76±2cm），贯入阻抗用 贯入器贯入土中30cm的 锤击数N表示，N也称为 标贯击数
土粒相对密度ds
土粒质量与同体积的4℃时纯水的质量 之比，一般用ds表示，无量纲。即：
ms 1 s ds VS w1 w1
土体的含水量W
一般粗砂:
饱和砂土: 坚硬黏性土:
接近于0
40% <30%
饱和软黏土:
60%以上
密度ρ——环刀法
黏性土:ρ= 1.8－2.0g/cm3；
建筑地基土的分类
按《建筑地基基础设计规范》GB50072002和《岩土工程勘察规范》GB500212009，建筑地基土可分为碎石土、砂土、 粉土、黏性土及其它特殊类土。
碎石土是粒径大于2mm的颗粒含量超
过全重的50%的土。详见P55,表2-16
砂土是指粒径大于2mm的颗粒含量不超
2 土力学(composition)土的物理力学性质及分类
Va Vw Vs Vv V
mw m ms w(%) ms ms
质量
体积
注意: 其实是含水比, 可达到或超过100％
8
§2土的物理性质及分类
§2.1土的三相比例指标
烘干法
§2土的物理性质及分类
§2.1土的三相比例指标
Air Water Solid
Va Vw Vs Vv V
３. 其它常用物理性质指标 表示土中孔隙含量的指标
sat sat g
sat w
有效重度 浮密度
？
§2土的物理性质及分类
§2.1土的三相比例指标
Air
Water
各种密度重度之间的大小关系：
天然密度
干密度
饱和密度 天然重度
sat ms d V ms wVv sat V
g
d d g
§2土的物理性质及分类
§2.1土的三相比例指标
小结
物理性质指标 松密程度 干湿程度 轻重程度 定义 土的三个组成相的体积和质量上 的比例关系
室内测定的三个物理性质指标 土的密度、土粒比重、土的含水量 其它常用的物理性质指标 表示土中孔隙含量的指标 表示土中含水程度的指标 表示土的密度和重度的指标 特点: 指标概念简单，数量很多 要点：名称、概念或定义、符号、表达式、 单位或量纲、常见值或范围、联系与区别
21
p0.002: 粒径小于0.002mm颗粒的质量占总土总质量的百分比 （取数值大小）
§2土的物理性质及分类
§2.2黏性土的物理特征
液、塑限的测定
测定塑限的方法：搓条法和液塑限联合测 定法
测定液限的方法：碟式仪法和液塑限联
合测定法 液、塑限联合测定法：
土的物理性质及分类
2.1.4 土的结构和构造
1. 单粒结构
2. 蜂窝结构 3. 絮凝结构
2.1.5土的构造：土体在空间构成上不均匀特征的总和。
不同土类和成因类型，构造特征不一样 1. 层状构造 2. 分散构造
3. 裂隙构造
2.1.4 土的结构和构造
（c） 孔隙胶结物（2000倍）
（a） 粒间空隙（500倍） （b）微裂隙（1200倍）
2.1.4 土的结构和构造
粘土矿物的片状结构
粘土矿物的定向排列
粘土矿物中的网状结构
2.2
土的三相比例指标
三相简图法
Three-phase diagram
ma=0
m mw ms
Air Water Soil
Va Vv Vw Vs V
质量mass/quality
体积volume
2.2.1 室内测定的三个基本物理指标
2.1.2 土中水（liquid
1、结合水
强结合水
phase）
弱结 合水
重力水
2、自由水
毛细水
2.1.2 土中水（liquid
毛细水
phase）
毛细水导致岩块产生裂 缝、肿胀现象
2.1.3 土中气体
vapor phase
土中气体按其所处的状态和结构特点可分以下几种类型： 自由气体：与大气连通，对土的性质影响不大 封闭气体：增加土的弹性；阻塞渗流通道
对数 坐标
粒径(mm)
0.01 0.005
0.001
0.10 0.05
1.0 0.5
10 5.0
小于某粒径土重含量（％）
特征粒径及定义 d60 : 限定粒径;d30 : 中值粒径
100 Particle-size distribution curve d10 : 有效粒径;d50 :平均粒径 90 80 分别相当于小于某粒径土 70 重累计百分含量为60％、 60 50%、30％及10％对应的粒 50 径，d60>d50>d30>d10 40 30 20 度量指标 10 （1）土粒大小的均匀程度： d60 d30 d10 0 Cu = d60 / d10（不均匀系数） lgd (mm)
土的物理性质及工程分类
的抵抗能力,是粘性土最主要的物理状态特征。
•0
•塑限ωP
•液限ωL
•ω
•固态或半固态
•可塑状态
•流动状态
• 粘性土由某一种状态过渡到另一状态的界限含水量称为土的 稠度界限。
• 液塑限测定根据《土工试验规程》(SL237-007-1999)规定，采 用液塑限联合测定仪进行测定。
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土的物理性质及工程分类
•说明：塑性指数的大小取决于土颗粒吸附结合水的能力,即与土中 粘粒含量有关。粘粒含量越多,塑性指数就越高
•液性指数IL是粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比
PPT文档演模板
•说明：液性指数表征土的天然含水量与界限含水量间的相对关系。 当IL≤0时,ω≤ωP,土处于坚硬状态;当IL＞1时,ω＞ωL,土处于流动 状态。根据IL值可以直接判定土的软硬状态
•风化（物理、 化学）作用
•岩石破碎
•岩
化学成分
石
改变
•搬运沉
积 •大小、形状和 成分都不相同的 松散颗粒集合体 （土）
•固 相 •土 •液 相 •气 相
•土中颗粒的大小、成分及三相之间的相互 作用和比例关系，反映出土的不同性质。
土的物理性质及工程分类
§2.1 土的组成及其结构与构造
v 一、土的固相
•分类方法：
•1.《建筑地基基础设计规范》(GB50007－2002)
• 根据土粒大小、粒组的土粒含量或土的塑性指数把地基土 （岩）分为岩石、碎石土、砂土、粉土和粘性土五大类。
•a.岩石的分类
• 颗粒间牢固粘结,呈整体或具有节理隙的岩体称为岩石，坚硬 程度可根据岩块的饱和单轴抗压强度frk分类
•坚硬程度类别 •坚硬岩 •较硬岩 •较软岩 •软岩 •极软岩
•0
•塑限ωP
•液限ωL
•ω
•固态或半固态
•可塑状态
•流动状态
• 粘性土由某一种状态过渡到另一状态的界限含水量称为土的 稠度界限。
• 液塑限测定根据《土工试验规程》(SL237-007-1999)规定，采 用液塑限联合测定仪进行测定。
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土的物理性质及工程分类
•说明：塑性指数的大小取决于土颗粒吸附结合水的能力,即与土中 粘粒含量有关。粘粒含量越多,塑性指数就越高
•液性指数IL是粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比
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•说明：液性指数表征土的天然含水量与界限含水量间的相对关系。 当IL≤0时,ω≤ωP,土处于坚硬状态;当IL＞1时,ω＞ωL,土处于流动 状态。根据IL值可以直接判定土的软硬状态
•风化（物理、 化学）作用
•岩石破碎
•岩
化学成分
石
改变
•搬运沉
积 •大小、形状和 成分都不相同的 松散颗粒集合体 （土）
•固 相 •土 •液 相 •气 相
•土中颗粒的大小、成分及三相之间的相互 作用和比例关系，反映出土的不同性质。
土的物理性质及工程分类
§2.1 土的组成及其结构与构造
v 一、土的固相
•分类方法：
•1.《建筑地基基础设计规范》(GB50007－2002)
• 根据土粒大小、粒组的土粒含量或土的塑性指数把地基土 （岩）分为岩石、碎石土、砂土、粉土和粘性土五大类。
•a.岩石的分类
• 颗粒间牢固粘结,呈整体或具有节理隙的岩体称为岩石，坚硬 程度可根据岩块的饱和单轴抗压强度frk分类
•坚硬程度类别 •坚硬岩 •较硬岩 •较软岩 •软岩 •极软岩
土的物理性质和工程分类
砂土
定义：粒径d＞2 mm的颗粒含量不超过全重 50％，且d ＞0.075 mm的颗粒含量超过全重 50％的土
分类依据：粒径级配、各粒组含量
定名
表2.5 砂土的分类
土的名称
粒组含量
砾砂 粗砂 中砂 细砂 粉砂
粒径d＞2 mm的颗粒占总质量的25％～50％ 粒径d＞0.5 mm的颗粒超过总质量的50％ 粒径d＞0.25 mm的颗粒超过总质量的50％ 粒径d＞0.075 mm的颗粒超过总质量的85％ 粒径d＞0.075 mm的颗粒超过总质量的50％
碎石土
定义：土的粒径d＞2 mm的颗粒含量超过全重50 ％的土
分类依据：粒组含量和颗粒形状
定名
土的名称 漂石 块石 卵石 碎石 圆砾 角砾
表2.4 碎石土的分类
颗粒形状
粒组含量
圆形及亚圆形为主 粒径d＞200 mm的颗粒含量超过全重的50
棱角形为主
％
圆形及亚圆形为主
棱角形为主
粒径d＞20 mm的颗粒含量超过全重的50％
圆形及亚圆形为主
棱角形为主
粒径d＞2 mm的颗粒含量超过全重的50％
工程性质
密实碎石土：骨架颗粒含量＞70％，交错排列，连 续接触
中密碎石土：骨架颗粒含量＝60％～70％，交错排 列，大部分接触
稍密碎石土：骨架颗粒含量＝55％～60％，排列混 乱，大部分不接触
松散碎石土：骨架颗粒含量＜55％，排列十分混乱， 绝大部分不接触
土的固体颗粒
土粒的矿物成分
原生矿物：单矿物颗粒；多矿物颗粒 次生矿物
蒙脱石 伊利石 高岭石 腐殖质
土的固体颗粒
土颗粒的大小与形状
土颗粒粒组
粒组名称
巨 漂石、块石 粒 组 卵石、碎石
定义：粒径d＞2 mm的颗粒含量不超过全重 50％，且d ＞0.075 mm的颗粒含量超过全重 50％的土
分类依据：粒径级配、各粒组含量
定名
表2.5 砂土的分类
土的名称
粒组含量
砾砂 粗砂 中砂 细砂 粉砂
粒径d＞2 mm的颗粒占总质量的25％～50％ 粒径d＞0.5 mm的颗粒超过总质量的50％ 粒径d＞0.25 mm的颗粒超过总质量的50％ 粒径d＞0.075 mm的颗粒超过总质量的85％ 粒径d＞0.075 mm的颗粒超过总质量的50％
碎石土
定义：土的粒径d＞2 mm的颗粒含量超过全重50 ％的土
分类依据：粒组含量和颗粒形状
定名
土的名称 漂石 块石 卵石 碎石 圆砾 角砾
表2.4 碎石土的分类
颗粒形状
粒组含量
圆形及亚圆形为主 粒径d＞200 mm的颗粒含量超过全重的50
棱角形为主
％
圆形及亚圆形为主
棱角形为主
粒径d＞20 mm的颗粒含量超过全重的50％
圆形及亚圆形为主
棱角形为主
粒径d＞2 mm的颗粒含量超过全重的50％
工程性质
密实碎石土：骨架颗粒含量＞70％，交错排列，连 续接触
中密碎石土：骨架颗粒含量＝60％～70％，交错排 列，大部分接触
稍密碎石土：骨架颗粒含量＝55％～60％，排列混 乱，大部分不接触
松散碎石土：骨架颗粒含量＜55％，排列十分混乱， 绝大部分不接触
土的固体颗粒
土粒的矿物成分
原生矿物：单矿物颗粒；多矿物颗粒 次生矿物
蒙脱石 伊利石 高岭石 腐殖质
土的固体颗粒
土颗粒的大小与形状
土颗粒粒组
粒组名称
巨 漂石、块石 粒 组 卵石、碎石
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Santa Tecla 滑坡
边坡支护工程照片
第二章 土的物理性质和工程分类
2.1 (土的形成)
岩石
风化，剥蚀 水、风的搬运或就地沉积
土
土：是岩石风化的产物
风化
(i) 物理风化
岩石经受风、霜、雨、雪的侵蚀，或受波浪的冲击、 地震等引起各种力的作用，温度的变化、冻胀等因素使
整体岩石产生裂隙、崩解碎裂成岩块、岩屑的过程。
2.2.1 固相
一、土的固相 （一）成土矿物 原生矿物（：由物理风化生成的土粒；颗粒较粗，一 般为无粘性土；石英、长石、云母等；圆形、板状、 块状；吸水力弱、稳定、无塑性； 云母 石英 长石 角闪石
次生矿物：由原生矿物经化 学风化作用而形成的矿物。颗粒较细，一般为粘土矿物， 形成粘性土。高岭石、伊利石、蒙脱石；片状、极细； 吸水力强、活泼、有塑性。粘土矿物的带电性质
若土的颗粒级配曲线是连续的， Cu愈大，d60与d10相距愈远， 则曲线愈平缓，表示土中的粒 组变化范围宽，土粒不均匀； 反之，Cu愈小，d60与d10相距 愈近，曲线愈陡，表示土中的粒 组变化范围窄，土粒均匀。
d 60 若土的颗粒级配曲线不连续，在该曲线上出现水平段, Cu d10 水平段粒组范围不包含该粒组颗粒。这种土缺少中间
浮密度与比重和孔隙比得关系
m s Vs ρ w ρ' V
ρ s Vs Vs ρ w = Vs Vv
=
ρs ρ w 1 Vv Vs
=
ρ s
=
G s 1ρ w
1e
ρ w 1ρ w 1e
v v vs vv e vv n vs v v 1 v v vs 1 e v
比萨斜塔是意大利 比萨城大教堂的独 立式直建造，但 是在工程开始后不久 便由于地基不均匀和 土层松软而倾斜
比萨 (Pisa) 斜塔
墨 西 哥 城 的 下 沉
该城市人口密集。1850年开始抽取地下水，1891－1973年， 整个老城下沉达8.7m造成地面道路、建筑及其他建筑设施的 破坏。 土层中地下水位的下降，使有效应力增加，使地基进一 步固结沉降。
Ws m s g γd ρd g V V
土的干密度或干重度也是评定土密实程度的指标， 干密度或干重度愈大表明土愈密实，反之愈疏松。
5、饱和密度ρsat与饱和重度γsat 饱和密度定义：土中孔隙完全被水充满土处于 饱和状态时单位体积土的质量。
ρ sat m s Vv ρ w V
La Conchita 滑坡
1996年发生在美国加 州的La Conchita ，因 居民已提前撤离固未造 成人员伤亡
Santa Tecla 滑坡
2001年1月13日，萨尔 瓦多发生了7.6级的强震， 震中位于Santa Miguel 西南60英里。因此在 Santa Tecla 造成 山体 滑坡，最终导致700多人 遇难
1.毛细管水 土中存在许多大小 不同的相互连通的 弯曲孔道，由于水 分子与土粒分子之 间的附着力和水气 界面上的表面张力， 使地下水上升某一 高度。
2.重力水 在重力或水位差作用下能在土中流动的自由水 称微重力水。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。 三、土的气相 存在土中的气体分为两种基本类型：一种是 与大气连通的气体；另一种是与大气不连通 的以气泡形式存在的封闭气体。
3.土的含水率w
土的含水率，曾称为含水量，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 ω 100% ms
测定含水率常用的方法是烘干法，先称出天然土的质量， 然后放在烘箱中，在100℃～105℃常温下烘干，称得干 土质量，按上式可算得。
间接换算得物理性质指标 1、孔隙比(e): 土中孔隙的体积与土粒的体积之比
ms ρs ds Vsρ w ρw
土粒比重常用比重瓶法测定， 事先将比重瓶注满纯水，称瓶加 水的质量。然后把烘干土若干克装入该空比重瓶内，再加纯 水至满，称瓶加土加水的质量，按下式计算土粒比重： ms ds m1 ms m 2 式中：m1——瓶加水的质量； m2——瓶加土加水的质量； ms——烘干土的质量。
2005年7月21日在广州海珠区江南大道南海珠广场深 基坑南边发生滑坡
建成后的盾构隧道
直径达11.38米的盾构机正在制造中
穿黄工程隧洞盾构机掘进始发 每条隧洞长４２５０米， 单洞直径７米，采用目 前世界上较为先进的盾 构技术进行挖掘施工，
盾构法施工动画
机械化出渣作业线
机械化衬砌作业线
四臂凿岩台车作业
0.005mm 0.075mm 2mm 60mm 200mm
粘粒
粉粒
砂粒
砾石
卵石
块石漂石
2.土的粒径级配
工程中常用土中各粒组的相对含量，占干土总质量的 百分数来表示，称为土的粒径级配。 土的级配的好坏将直接影响到土的性质。 级配良好的土，压实时能达到较高的密实度， 因而透水性小，强度高，压缩性低。 级配不良的土，往往压实密度低，或者渗透稳定性差。
Cc
2 d30
（1－2）
土 的 含 量 （ ）
小 于 某 60 粒 径 30
10
%
d10 d 60
（1－3）
d60 d30 d10 粒径 图1-1 土的粒径级配累计曲线
式中：d10，d30和d60为粒径分布曲线上小于某粒径的 土粒含量分别为10％，30％和60％时所对应的粒径。 d10称为有效粒径；d60称为限制粒径。
m
土颗粒 三相图
ms
2.3.2 三个基本试验指标 1、土的密度和容重 ρ
土的密度定义为单位体积土 的质量，用ρ表示，单位为 g/cm3。 土的重度亦称为容重，定 义为单位体积土的重量， 用γ表示，单位为 kN/m3。表达式如下：
ms m w m ρ V Vs Vw Va
W mg γ ρg 9.8ρ V V
basalt 玄武岩
(2)运积土 ：岩石风化后经流水、风和冰川 以及人类活动等搬运离开生成地点后再沉积 下来的堆积物。又分为冲积土、风积土、 冰碛土和沼泽土等。
冲积土
冲积土：由水流冲积而成；颗粒分选、浑圆光滑
河床、河漫滩、阶地
风积土
风积土：由风力带动土粒经过一段搬运距离后沉积下来 的堆积物；没有层理、细砂或粉粒；黄土
3.粒径分析方法 筛分法（d>0.075mm的土） 密度计法（d<0.075mm的土）
（1）筛分法利用一套孔径由大到小的筛子，将按规定 方法取得的一定质量的干试样放入一次叠好的筛中，置振 筛机上充分振摇后，称出留在各级筛上的土粒的质量， 按下式计算出小于某土粒粒径的土粒含量百分数X（％）
mi X 100 m
土的结构
单粒结构
蜂窝结构
絮状结构
砂土砾石
粉土
粘土
角、边与面接触时净引力最大，因此絮状结构的特征 是土粒之间以角、边与面的接触或边与边的搭接形式 为主。这种结构的土粒呈任意排列，具有较大的孔隙， 其强度低，压缩性高，对扰动比较敏感
土的构造
对于第四纪的沉积层最主要的构造特征是成层， 分散构造、裂隙构造
某些粒径在同样的压实条件下，密实度不如级配连续 2 d30 的土高，其它工程性质也较差。 Cc
判断好级配土：
Cu 5
Cc 1 ~ 3
d10 d 60
2.2.2 液相
（一）吸着水（结合水）大多数粘土颗粒表面带有净的 负电荷:
(二）自由水 离开土颗粒表面较远，不受土颗粒电分子引力 作用，且可自由移动的水称为自由水。 （分为毛细管水和重力水）
Vv e Vs
2、土的孔隙率（ n） 定义：土中孔隙的体积与土的总体积之比
Vv n 100% V
3、土的饱和度（ Sr） 定义：土中孔隙水的体积与孔隙体积之比
Vw Sr 100% Vv
4、干密度ρd与干重度γd 土的干密度：单位体积内土粒的质量
ms ρd V
土的干重度：单位体积内土粒的重量
冰碛土
冰碛土：由冰川剥落、搬运形成的堆积物；
2.2 土的三相组成
土是固体颗粒、水和空气的混合物，常称土为三相系。
固相：土的颗粒、粒间胶结物； 液相：土体孔隙中的水； 气相：孔隙中的空气。
（1）当土骨架的孔隙全部被水占满时，这种土称为饱和土；
（2）当土骨架的孔隙仅含空气时，就成为干土；
（3）一般在地下水位以上地面以下一定深度内的土的孔 隙中含空气和水，此时的土体属三相系，称为湿土。
土力学与 基础工程
绪论
土力学是研究土的物理性质以及在荷载作用下 土体内部的应力变形和强度规律的一门学科。 土力学研究对象是:土 需要研究和解决的工程中的三大类问题： 土体稳定或强度问题；
土体变形问题； 渗流：渗透变形与渗透稳定。
F σ A
基坑开挖
宝冶高炉工程地下基础施工
南京地铁火车站基坑施工现场
式中：mi ，m－分别为小于某粒径的土粒质量 及干土总质量
筛分法（d>0.075mm的土）
（2）.密度计法 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 的土粒含量的方法。 通过密度计测定土 水悬浊液的密度来确定。
4 颗粒级配的表示方法
表示方法：表格法、粒径级配曲线
d 60 Cu d10
2.3 土的物理性质指标
概述
土的物理性质直接反映土的松密、软硬等物理状态， 也间接反映土的工程性质。土的松密和软硬程度主 要取决于土的三相各自在数量上所占的比例。
三相指标的定义
土颗粒 固相
土中水 土中气
液相 气相
Vv
V