第2章土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
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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
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当土饱和时，即为Sr=100％
则
e wsat ds
w
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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
土力学-第二章土的物理性质及分类
Vv=e
天津城建大学土木工程学院
mw m ms 100% 100% ms ms
m Vv w s V
气
e
假设：ρw1=ρw ,Vs=1,则
ms Vs d s w d s w
Vv Vs
V n v 100% V
Sr
Vw 100% Vv
VV e
V 1 e
将粒径>2mm的质量超过50%的称为碎石土；
将粒径＞2mm的质量小于50％，而大于0.075mm的质量超过50%的称为砂土； 将大于0.075mm的质量小于50%的定为粉土或粘性土。
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2.1
概述
土力学
土的物理性质是指三相的质量与体积之间的相互比例关系及固、液 二相相互作用表现出来的性质。
【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ds为2.66， 求该土样的含水量w、密度ρ、重度 、干重度d 、孔隙 比e、饱和重度sat和浮重度
【解】
mw 187 167 w 100% 11.98% ms 167
粘性土的物理特征
无粘性土的密实度 粉土的密实度和湿度 土的胀缩性、湿陷性和冻胀性 土的分类
天津城建大学土木工程学院
2.3
粘性土的物理特征
土力学
2.3.1 粘性土的可塑性及界限含水量
2.3.2 粘性土的物理状态指标
2.3.3 粘性土的活动度、灵敏度和触变性
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2.3.1
粘性土的可塑性及界限含水量
腐殖土ρ＝1.5～1.7g/cm3
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2.2.2
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mw m ms 100% 100% ms ms
m Vv w s V
气
e
假设：ρw1=ρw ,Vs=1,则
ms Vs d s w d s w
Vv Vs
V n v 100% V
Sr
Vw 100% Vv
VV e
V 1 e
将粒径>2mm的质量超过50%的称为碎石土；
将粒径＞2mm的质量小于50％，而大于0.075mm的质量超过50%的称为砂土； 将大于0.075mm的质量小于50%的定为粉土或粘性土。
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2.1
概述
土力学
土的物理性质是指三相的质量与体积之间的相互比例关系及固、液 二相相互作用表现出来的性质。
【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ds为2.66， 求该土样的含水量w、密度ρ、重度 、干重度d 、孔隙 比e、饱和重度sat和浮重度
【解】
mw 187 167 w 100% 11.98% ms 167
粘性土的物理特征
无粘性土的密实度 粉土的密实度和湿度 土的胀缩性、湿陷性和冻胀性 土的分类
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2.3
粘性土的物理特征
土力学
2.3.1 粘性土的可塑性及界限含水量
2.3.2 粘性土的物理状态指标
2.3.3 粘性土的活动度、灵敏度和触变性
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2.3.1
粘性土的可塑性及界限含水量
腐殖土ρ＝1.5～1.7g/cm3
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2.2.2
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 土的性质及工程分类
3、已知含水量
mw w 0.1, ms mw 0.1m s
土粒
而 m w m s m 1.7 m s 1.55, m w 0.15
4、土粒密度
ms 而： s Vs ms 1.55 Vs 0.57 s 2.72
s 27.2 s 2.72 g 10
m V
土 的 质 3 （g/cm ） 量
土的体积
g
(kN/m3)
测试方法：粘性土一般采用环刀法。
2、土的含水量
土中水的质量 mw 与固体（土粒）质量 ms 之比。
mw w 100 ％ ms
m湿－m干 w 100 ％ m干
含水量常用烘干法测定， 它是描述土的干湿程度的重 要指标。土的天然含水量变 化范围很大，从干砂的含水 量接近于零到蒙脱土的含水 量可达百分之几百。
6.7 --- 限定粒径 中值粒径有效粒径 1.5
工程中常用不均匀系数Cu和曲率系数Cc来反映土颗粒级 配的不均匀程度。
可见，不均匀系数Cu反映了大小不同粒组的分布情况， 曲率系数Cc描述了级配曲线分布的整体形态。
工程上对土的级配是否良好可按如下规定判断：
① 对于级配连续的土：Cu>5，级配良好；反之，Cu<5， 级配不良。
土的结构和构造
土的结构是指土粒单 元的大小、形状、相互排 列及其联结关系等因素形 成的综合特征。
土的结构
单粒结构 蜂窝结构 絮凝结构
1、单粒结构 单粒结构是碎石土和砂土的结构特征。 紧密状单粒结构的土，强度较大，压缩性较小，是较为良 好的天然地基； 而具有疏松单粒结构的土，其骨架不稳定，当受到振动或 其他外力作用时，引起土体较大的变形，这种土层如未经处 理一般不宜作为建筑物的地基。 2、蜂窝结构 蜂窝状结构是以粉粒(0.075－0.005mm)为主的土的结构 特征。可承担一般的水平静荷载。但当其承受较高水平荷载 或动力荷载时，其结构将破坏，导致严重的地基沉降。 3、絮状结构 絮状结构是粘土颗粒特有的结构特征。土的结构形成以后， 当外界条件变化时，土的结构会发生变化。在取土试验或施 工过程中都必须尽量减少对土的扰动，避免破坏土的原状结 构。
第二章土的工程性质与分类
（四 ）、土的含水量：土中水的重量与土粒重量之比，称为土的 含水量。以百分数计
• （五）土的饱和度Sr:土中被水充满的孔隙体 积与孔隙总体积之比，称为饱和度。 湿度 ω（%） 稍湿 ω ＜20 湿 20≤ ω ≤30 很湿 ＞30
（六）土的孔隙比e和孔隙率n 土的孔隙比是土中孔隙体积与土粒体积之比， 用小数表示 土的孔隙率比是土中孔隙所占体积与总体积之比， 用百分数表示
Dr=
emax-e emax-emin
相对密度Dr划分砂土紧密状态
紧密状态 实密 中密 稍密 松散 Dr 0.67＜Dr≤1 0.33＜Dr≤0.67 0.2＜Dr≤0.33 0≤Dr≤0.2
• 按标准贯入锤击数N值决定砂土密实度
密实度 实密 中密 稍密 松散 N值 N ＞30 15＜ N ≤30 10＜ N ≤15 N ≤10 按天然孔隙比e划分粉土密实度 密实度 实密 中密 稍密
粘性土对应状态示意图
固态
半固态
缩限 （ ws）
可塑状态
液态
液限 （ wL ）
塑限 （ wp ）
二、粘性土的塑性指数和液性指数 塑性指数Ip：指液限和塑限的差值， Ip= wL- wp 土的塑性指数Ip表示土处于可塑状态时的含水量变化范围， 塑性指数Ip大小与土中结合水的发育程度与含量有关。 液性指数IL：指粘性土天然含水量和塑限之差与塑性指数 之比，用小数表示。 I L= W- wp W- wp = Wl- wp Ip
土粒粒组划分
粒组名称 漂石或块石颗粒 卵石或碎石颗粒 圆砾或 角砾颗 粒 粗 中 细 粗 中 细 极细 粗 细 粒径范围（mm) ＞200 200～20 20～10 10～5 5 ～2 2 ～0.5 0.5 ～0.25 0.25 ～0. 1 0.1 ～0.075 0.075 ～0.01 0.01 ～0.005 ＜0.005 一般特征 透水性很大,无粘性,无毛细作用 透水性大,无粘性,毛细水上升高度不超过粒径大 小
• （五）土的饱和度Sr:土中被水充满的孔隙体 积与孔隙总体积之比，称为饱和度。 湿度 ω（%） 稍湿 ω ＜20 湿 20≤ ω ≤30 很湿 ＞30
（六）土的孔隙比e和孔隙率n 土的孔隙比是土中孔隙体积与土粒体积之比， 用小数表示 土的孔隙率比是土中孔隙所占体积与总体积之比， 用百分数表示
Dr=
emax-e emax-emin
相对密度Dr划分砂土紧密状态
紧密状态 实密 中密 稍密 松散 Dr 0.67＜Dr≤1 0.33＜Dr≤0.67 0.2＜Dr≤0.33 0≤Dr≤0.2
• 按标准贯入锤击数N值决定砂土密实度
密实度 实密 中密 稍密 松散 N值 N ＞30 15＜ N ≤30 10＜ N ≤15 N ≤10 按天然孔隙比e划分粉土密实度 密实度 实密 中密 稍密
粘性土对应状态示意图
固态
半固态
缩限 （ ws）
可塑状态
液态
液限 （ wL ）
塑限 （ wp ）
二、粘性土的塑性指数和液性指数 塑性指数Ip：指液限和塑限的差值， Ip= wL- wp 土的塑性指数Ip表示土处于可塑状态时的含水量变化范围， 塑性指数Ip大小与土中结合水的发育程度与含量有关。 液性指数IL：指粘性土天然含水量和塑限之差与塑性指数 之比，用小数表示。 I L= W- wp W- wp = Wl- wp Ip
土粒粒组划分
粒组名称 漂石或块石颗粒 卵石或碎石颗粒 圆砾或 角砾颗 粒 粗 中 细 粗 中 细 极细 粗 细 粒径范围（mm) ＞200 200～20 20～10 10～5 5 ～2 2 ～0.5 0.5 ～0.25 0.25 ～0. 1 0.1 ～0.075 0.075 ～0.01 0.01 ～0.005 ＜0.005 一般特征 透水性很大,无粘性,无毛细作用 透水性大,无粘性,毛细水上升高度不超过粒径大 小
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
2土的物理性质及工程分类
正常级配：土的颗粒大小分布是连续的，曲线坡度是渐变的。
• 级配良好：粒径分布曲线形状平缓，土粒大小分布范围广， 土粒大小不均匀。 • 级配不良：粒径分布曲线形状较陡，土粒大小分布范围窄， 土粒均匀 • 不连续级配：土中缺乏某些粒径的土粒，曲线出现水平段 。
粒径累计曲线对比图
二：土中的水和气
1、土中水的存在形态
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
土的主要成因类型及其基本特征
1 残积土(residual soil)
岩石经风化后未被搬运而残留于原地的碎屑物质所 组成的土体，它处于岩石风化壳的上部。它的基本特 征是颗粒表面粗糙、多棱角、无分选、无层理。其粒 度成分和矿物成分受气候和母岩岩性的控制。其发育 情况还和地形有关。
密度计法（d<0.075mm的土）
原理：
STOKES定律,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
步骤： 1.将一定质量土浸入水中搅拌成悬液，搅拌均匀 2.土粒开始下沉后，悬液的浓度随之发生变化。 3.隔不同的时间������_������测读比重计读数������_������, 4.换算出相应的粒径及小于该粒径的土粒质量，绘出级 配曲线。
次生矿物
由原生矿物经化学风化生成的 新矿物，它的成分成分与母岩 的完全不同。次生矿物主要是 粘土矿物，即高岭石，伊利石 和蒙脱石。 颗粒极细，且多呈片状。 性质活泼，有较强的吸附水能 力（尤其是由蒙脱石组成的颗 粒），具塑性。 是粘性土固相的主要成分，决 定土体性质，对工程影响大
造岩矿物：
石英 方解石 正长石 斜长石 角闪石 辉石等
8 冰积土(glacial deposits)
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基本内容：
2.1 土的形成与特征 2.2 土的三相组成 2.3 土的物理性质指标 2.4 土的物理状态指标 2.5 土的工程分类
2.1 土的形成与特征
2.1.1 2.1.2 2.2.3 2.2.4
土的形成 土的结构与构造 土的工程特性 土的形成与工程特性的关系
2.1 土的形成与特征
风化（物理、
搬运
2.2土的三相组成
土是由固相、液相、气相组成 的三相分散系。 固相——包括多种矿物成分组成 土的骨架，骨架间的空隙为液 相和气相填满，这些空隙是相 互连通的，形成多孔介质； 液相——主要是水； 气相——主要是空气、水蒸气， 有时还有沼气等。
2.2 土的三相组成
●土的三相组成是指土由固体颗粒、液体水和气体三部分 组成。土中的固体矿物构成土的骨架,骨架之间贯穿着 大量的孔隙,孔隙中充满着液体水和气体。
透水性很大，无粘性，无毛细水
20～10 10～5 5～2
2～0.5 0.5～0.25 0.25～0.1 0.1～0.05
透水性很大，无粘性，毛细水上升高 度不超 过粒径大小
易透水，当混入云母等杂质时透水性 减小，而压缩性增加；无粘性，遇水不膨 胀，干燥时松散，毛细水上升高度不大， 随粒径变小而增大
0.05～0.01 0.01～0.005
＜0.005
透水性小，湿时稍有粘性，遇水膨胀 小，干时稍有收缩，毛细水上升高度较大 较快，极易出现冻胀现象
透水性很小，湿时有粘性、可塑性， 遇水膨胀大，干时收缩显著，毛细水上升 高度大，但速度较慢
粘
土
粘
土
碎 碎石 石
细砂
粗 砂 第2章土物理性质和工程分类
卵石
筛分法 用一套孔径不同的筛子，按 从上至下筛孔逐渐减小放置。 将事先称过质量的烘干土样 过筛，称出留在各筛上的土 质量，然后计算其占总土粒 质量的百分数
物理风化——指岩石经受风、霜、雨、雪的侵蚀，温度湿度的变化、 不均匀膨胀与收缩，使岩石产生裂隙，崩解为碎块。这种风化仅 改变颗粒大小与形状，不改变原来矿物成分。生成的土呈松散状 态，无粘性土。
化学风化——指岩石碎屑与空气、水和各种水溶液相接触，经氧化、 碳化和水化作用，改变原来矿物成分，形成新的矿物（次生矿 物）。生成的土为细粒土，粘性土。
2.1.3 土的工程特征
土与其它连续介质的建筑材料，具有下列三个显著的 工程特征： 1.压缩性高 反映材料压缩性高低的指标弹性模量 E(土称变形模量),随着材料的不同而有极大的差别,例: 钢筋 E1=21万Mpa; C20混凝土 E2=2.6万Mpa; 卵石 E3=50Mpa; 饱和细砂 E4=10Mpa. 2.强度低 为抗剪强度 ，而非抗压、抗拉强度； 3.透水性大 颗粒之间有无数孔隙。
化学）作用
沉积
岩石
岩石破碎 化 学成分改变
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
第2章土物理性质和工程分类
2.1.1 土的形成
“土”一词在不同的学科领域有其不同的涵义。就土木工程领域而 言，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间胶结的强弱。
课程内容
第一章 绪论 第二章 土的物理性质及工程分类 第三章 土中应力 第四章 土的压缩性与地基沉降 第五章 土的抗剪强度与地基承载力 第六章 土压力与土坡稳定 第七章 浅基础 第八章 桩基础 第八章 地基处理第2章土物理性质和工程分类
第2章 土的物理性质和工程分类
学习要求：
了解土的成因和三相组成，掌握土的物理性 质和物理状态指标的定义、物理概念、计算公式 和单位。要求熟练地掌握物理指标的三相换算。 了解地基土的工程分类依据与准确定名。
2.2.1 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，界限粒径——划分粒组的分 界尺寸。
3. 粒组——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。可划分：
200 20
2 0.075 0.005mm
漂石 卵石 砾石 砂粒 粉粒 粘粒
曲率系数Cc描述颗粒级 配曲线整体形态，表明
某粒组是否缺失情况
Cu
d 60 d 10
Cc
d
2 30
d10 d 60
d10、d30、d60小于某粒径的 土粒含量为10%、 30%和 60%时所对应的粒径
Cu愈大，表示土粒愈不均 对于砾类土或砂类土，同时满 匀。工程上把Cu＜5的土视 足Cu≥5和Cc=1～3时，定名为 为级配不良的土； Cu＞10 良好级配砂或良好级配砾 的土视为级配良好第的2章土土物理性质和工程分类
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。
●级配的测室方法：
—筛析法 （> 0.075mm)比重计法(< 0.075mm)
粒组名称
土粒粒组的划分
粒径范围
一般特征
漂石、块石颗粒
卵石、碎石颗粒
粗
圆砾、角砾颗粒
中
细
粗
砂粒
中 细
极细
粉粒
粗 细
粘粒
＞200 200～20
●土体三相比例不同，土的状态和工程性质也随之各异， 例如： 固体+气体（液体=0）为干土，此时粘土呈坚硬状态， 砂土呈松散状态；
固体+液体+气体为湿土，此时粘土多为可塑状态； 固体+液体（气体=0）为饱和土，此时粉细砂或粉土遇
强烈地震，可能产生液化，而使工程遭受破坏；粘土地 基受建筑物荷载作用发生沉降需几十年才能稳定。
生物风化——由动物、植物和人类对岩体的破坏称~。
2.1.2 土的形成与工程特性的关系
由于各类土的生成条件不同，它们的工程特性 往往相差悬殊： 1.搬运、沉积条件 通常流水搬运沉积的土优于风力搬运沉积的土。 2.沉积年代 通常土的沉积年代越长，土的工程性质越好。 3.沉积的自然地理环境 自然地理环境不同所生成的土的工程性质差异 也很大。
第2章土物理性质和工程分类
第2章土物理性质和工程分类
比重计法 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
第2章土物理性质和工程分类来自级配良好纵坐标表示小于某粒径的土重占总土重的百 分数，横坐标用对数坐标表示土的粒径。
颗粒级配的描述
工程上常用不均匀系
数Cu描述颗粒级配的 不均匀程度
2.1 土的形成与特征 2.2 土的三相组成 2.3 土的物理性质指标 2.4 土的物理状态指标 2.5 土的工程分类
2.1 土的形成与特征
2.1.1 2.1.2 2.2.3 2.2.4
土的形成 土的结构与构造 土的工程特性 土的形成与工程特性的关系
2.1 土的形成与特征
风化（物理、
搬运
2.2土的三相组成
土是由固相、液相、气相组成 的三相分散系。 固相——包括多种矿物成分组成 土的骨架，骨架间的空隙为液 相和气相填满，这些空隙是相 互连通的，形成多孔介质； 液相——主要是水； 气相——主要是空气、水蒸气， 有时还有沼气等。
2.2 土的三相组成
●土的三相组成是指土由固体颗粒、液体水和气体三部分 组成。土中的固体矿物构成土的骨架,骨架之间贯穿着 大量的孔隙,孔隙中充满着液体水和气体。
透水性很大，无粘性，无毛细水
20～10 10～5 5～2
2～0.5 0.5～0.25 0.25～0.1 0.1～0.05
透水性很大，无粘性，毛细水上升高 度不超 过粒径大小
易透水，当混入云母等杂质时透水性 减小，而压缩性增加；无粘性，遇水不膨 胀，干燥时松散，毛细水上升高度不大， 随粒径变小而增大
0.05～0.01 0.01～0.005
＜0.005
透水性小，湿时稍有粘性，遇水膨胀 小，干时稍有收缩，毛细水上升高度较大 较快，极易出现冻胀现象
透水性很小，湿时有粘性、可塑性， 遇水膨胀大，干时收缩显著，毛细水上升 高度大，但速度较慢
粘
土
粘
土
碎 碎石 石
细砂
粗 砂 第2章土物理性质和工程分类
卵石
筛分法 用一套孔径不同的筛子，按 从上至下筛孔逐渐减小放置。 将事先称过质量的烘干土样 过筛，称出留在各筛上的土 质量，然后计算其占总土粒 质量的百分数
物理风化——指岩石经受风、霜、雨、雪的侵蚀，温度湿度的变化、 不均匀膨胀与收缩，使岩石产生裂隙，崩解为碎块。这种风化仅 改变颗粒大小与形状，不改变原来矿物成分。生成的土呈松散状 态，无粘性土。
化学风化——指岩石碎屑与空气、水和各种水溶液相接触，经氧化、 碳化和水化作用，改变原来矿物成分，形成新的矿物（次生矿 物）。生成的土为细粒土，粘性土。
2.1.3 土的工程特征
土与其它连续介质的建筑材料，具有下列三个显著的 工程特征： 1.压缩性高 反映材料压缩性高低的指标弹性模量 E(土称变形模量),随着材料的不同而有极大的差别,例: 钢筋 E1=21万Mpa; C20混凝土 E2=2.6万Mpa; 卵石 E3=50Mpa; 饱和细砂 E4=10Mpa. 2.强度低 为抗剪强度 ，而非抗压、抗拉强度； 3.透水性大 颗粒之间有无数孔隙。
化学）作用
沉积
岩石
岩石破碎 化 学成分改变
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
第2章土物理性质和工程分类
2.1.1 土的形成
“土”一词在不同的学科领域有其不同的涵义。就土木工程领域而 言，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间胶结的强弱。
课程内容
第一章 绪论 第二章 土的物理性质及工程分类 第三章 土中应力 第四章 土的压缩性与地基沉降 第五章 土的抗剪强度与地基承载力 第六章 土压力与土坡稳定 第七章 浅基础 第八章 桩基础 第八章 地基处理第2章土物理性质和工程分类
第2章 土的物理性质和工程分类
学习要求：
了解土的成因和三相组成，掌握土的物理性 质和物理状态指标的定义、物理概念、计算公式 和单位。要求熟练地掌握物理指标的三相换算。 了解地基土的工程分类依据与准确定名。
2.2.1 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，界限粒径——划分粒组的分 界尺寸。
3. 粒组——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。可划分：
200 20
2 0.075 0.005mm
漂石 卵石 砾石 砂粒 粉粒 粘粒
曲率系数Cc描述颗粒级 配曲线整体形态，表明
某粒组是否缺失情况
Cu
d 60 d 10
Cc
d
2 30
d10 d 60
d10、d30、d60小于某粒径的 土粒含量为10%、 30%和 60%时所对应的粒径
Cu愈大，表示土粒愈不均 对于砾类土或砂类土，同时满 匀。工程上把Cu＜5的土视 足Cu≥5和Cc=1～3时，定名为 为级配不良的土； Cu＞10 良好级配砂或良好级配砾 的土视为级配良好第的2章土土物理性质和工程分类
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。
●级配的测室方法：
—筛析法 （> 0.075mm)比重计法(< 0.075mm)
粒组名称
土粒粒组的划分
粒径范围
一般特征
漂石、块石颗粒
卵石、碎石颗粒
粗
圆砾、角砾颗粒
中
细
粗
砂粒
中 细
极细
粉粒
粗 细
粘粒
＞200 200～20
●土体三相比例不同，土的状态和工程性质也随之各异， 例如： 固体+气体（液体=0）为干土，此时粘土呈坚硬状态， 砂土呈松散状态；
固体+液体+气体为湿土，此时粘土多为可塑状态； 固体+液体（气体=0）为饱和土，此时粉细砂或粉土遇
强烈地震，可能产生液化，而使工程遭受破坏；粘土地 基受建筑物荷载作用发生沉降需几十年才能稳定。
生物风化——由动物、植物和人类对岩体的破坏称~。
2.1.2 土的形成与工程特性的关系
由于各类土的生成条件不同，它们的工程特性 往往相差悬殊： 1.搬运、沉积条件 通常流水搬运沉积的土优于风力搬运沉积的土。 2.沉积年代 通常土的沉积年代越长，土的工程性质越好。 3.沉积的自然地理环境 自然地理环境不同所生成的土的工程性质差异 也很大。
第2章土物理性质和工程分类
第2章土物理性质和工程分类
比重计法 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
第2章土物理性质和工程分类来自级配良好纵坐标表示小于某粒径的土重占总土重的百 分数，横坐标用对数坐标表示土的粒径。
颗粒级配的描述
工程上常用不均匀系
数Cu描述颗粒级配的 不均匀程度