土的基本特性与工程分类

d30 2 d10d60
(1－3)
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称为控制粒径。
1-2 土的组成
土的级配的好坏可由土中的土粒均匀程度和粒径分布曲 线的形状来决定，而土粒的均匀程度和曲线的形状又可 用不均匀系数和曲率系数来衡量。
吸着水厚度影响因素：成土矿物；阳离子浓度及化学性 质(阳离子价低,厚; 阳离子浓度高,薄)。
1-2 土的组成
（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）
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，于是， 将引起迫使相邻土粒相互积紧 的压力，这个压力称为毛管水 压力。
不同类型的土
1-2 土的组成
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。 （一）成土矿物：原生矿物，次生矿物
原生矿物是指岩浆在冷凝过程中形成的矿物，如石英 、长石、云母等。
次生矿物是由原生矿物经过风化作用后形成的新矿物 ，如三氧化二铝、三氧化二铁、次生二氧化硅、粘土矿 物以及碳酸盐等。
1-2 土的组成
200g
P
10 5.0 10 2.0 16 1.0 18 0.5 24 0.25 22 0.1 38
72
% 95 87 78 66 55 36
筛分法
小于某粒径之土质量百分数P（％） 10 5.0 1.0 0.5
0.10 0.05 0.01 0.005 0.001
土的粒径级配累积曲线
1-2 土的组成
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。
1-2 土的组成
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。
1-1 土的形成
化学风化：岩体（或岩块、岩屑）与氧气、二氧化碳等各种气体 、水和各种水溶液等物质相接触，经氧化、碳化和水化作用，使 这些岩石或岩屑逐渐产生化学变化，分解为极细颗粒的过程。
特征： 物理风化：量变过程，形成的土颗粒较粗； 化学风化：质变过程，形成的土颗粒很细。
对一般的土而言，通常既经历过物理风化，又有化学风化，只不过 哪种占优而已。
sat

ms
Vv V
w
（1-15）
1-4 土的物理性质指标
在饱和状态下，单位体积土的重量称为饱和重度，其表达 式为：
sat
Ws
Vv w
V

百度文库
ms g Vv w g
V

sat
g
（1-16）
1-4 土的物理性质指标
（六）浮密度ρ’与浮重度（有效重度）γ’
表达式如下：
m ms mw ma
V Vs Vw Va
（1-4）
对于粘性土，土的密度常用环刀法测定。
1-4 土的物理性质指标
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：
W mg g
VV
式中：W——土的重量，单位为kN； g——重力加速度。
1-2 土的组成
（三）颗粒大小分析试验
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（％）
X mi 100 m
式中：mi，m－分别为小于某粒径的土粒质 量及试样总质量
重：
Gs

m1
ms ms
m2
Gwt
（1-8）
式中：m1——瓶+水的质量； m2——瓶+土+水的质量； ms——烘干土的质量； Gwt ——t ºC时蒸馏水的比重。
比重瓶法
m0
空瓶质量
ms
烘干土的质量
m1
瓶+水的质量
m1+ms——瓶+水（满）的质量+干土的质量； m1+ms-m2——与土粒体积相同的水的质量。
d
Ws V

ms g V

d
g
（1-14）
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。
1-4 土的物理性质指标
（五）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。表达式为：
m2
瓶+土+水的质量
1-4 土的物理性质指标
（三）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 100 %
ms
（1-9）
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。
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10
0
粒径(mm)
1-2 土的组成
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。
1-2 土的组成
3.土的级配曲线
1-1 颗粒分析试验曲线
1-2 土的组成
(四)颗粒分析试验曲线的主要用途
粗 中 细 粗 中 细 极细
20
60
5 2 0.5 0.25
0.05 0.005 0.002
1-2 土的组成
（三）颗粒大小分析试验 测定土中各粒组颗粒质量所占该土总质量的百分数 ，确定粒径分布范围的试验称为土的颗粒大小分析 试验。
常用的方法：筛分法：粒径>0.075mm 密度计法：粒径<0.075mm 联合测定：既有粒径< 0.075mm， 又有粒径 >0.075mm
Cu小，曲线陡； Cu大，易压密；Cc过大，台阶在 d10~d30间； Cc过小，台阶在d30~d60间；
规范：Cu>=5，且Cc=1~3时，级配良好，否则，不良。
1-2 土的组成
二、土的液相
（一）结合水
强结合水性质接近于固体，冰点很低，沸点较高， 且不能传递压力。
弱结合水也称为薄膜水，不能传递压力，也不能在 孔隙水中自由流动，但它可以因电场引力的作用从水膜 厚的地方向水膜薄的地方转移。由于它的存在，使土具 有塑性、粘性、影响土的压缩性和强度，并使土的透水 性变小。
1-4 土的物理性质指标
（三）土的饱和度Sr 定义：土中孔隙水的体积与孔隙体积之比，以百分数表 示，其表达式为：
Sr

Vw Vv
100 %
（1-12）
1-4 土的物理性质指标
（四）干密度ρd与干重度γd
土的干密度：单位体积内土粒的质量，表达式：
d

ms V
（1-13）
土的干重度：单位体积内土粒的重量，表达式为：
1-2 土的组成 土体
固相 + 液相 + 气相
构成土骨架，起决定作用
重要影响
次要作用
1-2 土的组成
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。
1-2 土的组成
当土骨架的孔隙全部被水占满时，这种土称为饱和土； 当土骨架的孔隙仅含空气时，就成为干土； 一般在地下水位以上地面以下一定深度内的土的孔隙中兼 含空气和水，此时的土体属三相系，称为湿土。 根据土的粘性分： 粘性土：颗粒很细； 无粘性土：颗粒较粗，甚至很大。砂、碎石、甚 至堆石（直径几十cm甚至1m）
粒 组 范 围 /mm
漂石（块石）粒 组
卵石（碎石）粒 组
砾石粒组
>200 20~200 2~20
砂粒粒组 粉粒粒组 粘粒粒组
0.075~2 0.005~0.075 <0.005
1-2 土的组成
颗粒大小
•粒组 按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类
•界限粒径
d
(mm)
0.1
粗粒
砾石
砂粒
细粒
粉粒 粘粒 胶粒
按粒径分布曲线可求得：
（1）土中各粒组的土粒含量，用于粗粒土的分类和大致评 估土的工程性质；
（2）某些特性粒径，用于建筑材料的选择和评价土级配的 好坏。
根据某些特征粒径，可得到两个有用的指标，即不均匀系数 Cu和曲率系数Cc，它们的定义为：
Cu

d 60 d10
（1－2）
1-2 土的组成
Cc
1-2 土的组成
一、土的固相
（二）土粒的大小和土的级配
粒组：把工程性质相近的土粒合并为一组；某粒组的 土粒含量定义为该粒组的土粒质量与干土总质量之比
土的级配：土中各种大小的粒组中土粒的相对含量。
我国GB 50021-94《岩土工程勘察规范》的粒组划分标准可参见
表1-1。 粒 组 名 称
粒 组 范 围 /mm 粒 组 名 称
&1.2 土的基本特性与工程分类
1-1 土的形成
土是松散颗粒的堆积物，是岩石风化的产物（人工破碎；堆石坝的 坝壳料；相当于物理风化）。 土是指覆盖在地表的没有胶结或弱胶结的颗粒堆积物。 根据来源分：有机土和无机土
岩石风化分为物理风化和化学风化。
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。
' ms Vs w
或
V
' sat w
（1-18） （1-19）
从上述四种土的密度或重度的定义可知，同一土样各种 密度或重度在数值上有如下关系：
sat d '
sat d '
1-4 土的物理性质指标
三、物理性质指标间的换算
常用的土的物理指标共有九个。已知其中任意三个，通过 换算可以求出其余的六个。
w 4℃ ——4℃时纯水的密度，1.0g/cm3
w 4℃ ——4℃时纯水的重度。
土粒比重在数值上等于土粒的密度
1-4 土的物理性质指标
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
1-3 土的结构
一、土的结构 （一）单粒结构
1-3 土的结构
一、土的结构
（二）蜂窝结构
1-3 土的结构
二、土的结构 （三）絮凝结构
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。
土的絮凝结构
1-4 土的物理性质指标
可分为两类： 一类是必须通过试验测定的，如含水率、密度和土粒比重 ，称为实测指标； 另一类是根据直接指标换算的，如孔隙比、孔隙率、饱和 度等，称为换算指标。
土的三相图
1-4 土的物理性质指标
一、试验直接测定的物理性质指标
（一）土的密度ρ与重度γ
土的密度定义为单位体积土的质量，用ρ表示，单位为 Kg/m3(或g/cm3)。
（1-5）
1-4 土的物理性质指标
（二）土粒比重Gs(土粒相对密度)
土粒比重定义为土粒的质量（或重量）与同体积4℃时纯水的质量 （或重量）之比（无因次），其表达式为：
Gs

ms
Vs w
＝
4℃
s w 4℃
（1-6）
或
Gs

Vs
ms g
w 4℃
（1-7）
式中：s ——土粒的密度，即土粒单位体积的质量；
1-4 土的物理性质指标
二、间接换算的物理性质指标
（一）土的孔隙比e
定义：土中孔隙的体积与土粒的体积之比，以小数表示，
其表达式为：
e Vv Vs
（1-10）
（二）土的孔隙率n
定义：土中孔隙的体积与土的总体积之比，或单位体积内 孔隙的体积，以百分数表示，其表达式为：
n Vv 100% V
（1-11）
（一）孔隙比与孔隙率的关系
设土体内土粒的体积为1，由
e

Vv Vs
可知，孔隙的体积Vv为
e ，土体的体积V为（1＋e），于是有：
n Vv e V 1e
或
e n
1 n
（1-20） （1-21）
土在水下，受到水的浮力作用，其有效重量减小，因此提 出了浮重度，即有效重度的概念，其表达式为：
' Ws Vs w ms g Vs w g 'g
V
V
（1-17）
1-4 土的物理性质指标
与其相应，提出了浮密度的概念，土的浮密度是单位体 积内的土粒质量与同体积水质量之差，其表达式为：