地基基础第一章土的物理性质及工程分类

密度单位：g/cm3, t/m3
g 近似取10m/s2
天然状态下土的密度变化 单位：kN/m3
范围很大，一般为1.6 ~ 2.2 g/cm3。
水的重度10 kN/m3
1g/cm3 •10m/s2
测定方法：通常用环刀法 103 kg/10-6 m3 •10m/s2
(cutting-ring method)
•蒙脱石：2个硅片中间夹1个铝片所构成。晶胞的两个面 都是氧原子，其间没有氢键，联结力很弱。水分子可以 进入晶胞之间，改变晶胞的距离。含有蒙脱石较多时， 土的可塑性和压缩性高，强度低、渗透性小，具有较大 的吸水膨胀和脱水收缩的特性。
伊利石：同蒙脱石，但硅氧四面体中Si+4可被AL+3、 Fe+3 取代，而在晶胞之间出现若干一价正离子。没有蒙脱石那 样活动，其膨胀性和收缩性比蒙拖脱石小。
机理：负温度，自由水冻结成冰
晶体，弱结合水的最外层开始冻
结，冰晶体扩大，冰晶体周围土
wh
粒的结合水膜变薄，土粒产生剩
余分子引力，其他水流过来参与
冻结。
发生冻结的条件
土的因素：细粒土中易发生，粉砂、粉土、粉质粘土最严重
水的因素：水源补充
温度
（三）水中气体（气相） 土的气相是指充填在土的孔隙中的气体，包括与大气连 通的和不连通的两类 自由气体：与大气相通 封闭气体：增加了土的弹性，阻塞渗流通道。
•次生物矿 包括：粘土矿物
氧化物（三氧化二铝、三氧化二铁、次生二氧化硅） 水溶性盐类（如碳酸盐） 特点：颗粒小、片状、比表面积大、能发生一系列物理、 化学变化。
2.粘土矿物的结构特征 主要由两种原子构成（晶片）：硅氧晶片 ，铝氢氧晶片
硅氧晶片：1个硅离子+4个氧离子配位组成，由6个硅氧四 面体组成一个硅体 铝氢氧晶片：1个铝离子+6个氧或氢氧离子以相等的距离排 列而成，4个铝氢氧八面体组成 硅氧四面体和铝氢氧八面体的不同组合堆叠，形成了具有 不同性质的各种粘土矿物。
测定方法：通常用烘干法(oven drying method)，亦 可近似用酒精燃烧法
m ms mw ma Vs Vw Va
V
质量m 气 水
土粒
体积V
3.土粒相对密度ds（土粒比
重)(specific density of soil particles )：土粒质量与同体 积的4℃时纯水的质量之比
1 w
sat
ms VV w V
(ds e)w 1 e
ds
ms
Vs w
w mw ms
ms wdsVs wds
10 103 kg m/s2/m3
10 kN/m3
m ms mw ma Vs Vw Va
V
质量m 气 水
土粒
体积V 2.土的含水量(moisture content)w：土中水的质量与
土粒质量之比，以百分数表示
w mw 100% m ms 100%
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。
系数来评价。曲率系数则是描述累计曲线整体形状的指标。
d30--小于某粒径的土粒质量占总量的30%的粒径，称中值粒径；
Cc =
d30 2
d10 d 60
曲率系数
同时满足：Cu > 5 及Cc=1~3 级配良好 不同时满足Cu 与Cc这两个要求，级配不良。Cu 、 Cc是描述土的渗透 性的重要指标。
（二）土中水和气
d
**级配曲线的特点： •曲线平缓：拉长（左右）颗粒相差悬殊、不 均匀、级配良好→工程上易于压实。 •曲线陡：颗粒相差不大、均匀、级配不良→ 工程上不易压实。
某粒径的土粒质量占总量60%的粒径，称 限定粒径
小于某粒径的土粒质量占总量 的10%的粒径，称有效粒径
不均匀系数
Cu
d 60
d60 d10
扩散层：引力较弱，水分子不太固定，可转移到相邻的颗粒的电场 中，具有不太稳 定 , 或扩散到相邻颗粒的扩散层中去。
结合水：强结合水与弱结合水 自由水：在电场引力范围外，水分子自由流动→自由水。 ！！扩散层的厚度：显然与土粒大小、矿物成分有关系，弱结合 水是土具有可塑性的原因。
土中水：固态水：存在矿物晶格内部的水，矿物颗粒的部分 液态水：结合水：强结合水 弱结合水 自由水：（按受力方式） 重力水：地下水位下 毛细水：受水与空气表面张力作用，存 在于地下水位面以上的土中水
颗粒分析试验： 确定土中各个粒组相对含量
的方法 d>0.075粗粒土：筛分法 d<0.075细粒土：沉降分析法
例如：先用小孔筛，逐步换大 径筛子，用粒径小于某个数占 总重量的百分数来表示
颗粒级配曲线：用横坐标表示颗粒的直径，纵坐标表示小于 某粒径土质量占总质量的百分数。
小于某粒径土质量占总质量的百分数%
土的结构： •受沉积条件的影响； •受沉积后外界各种条件变化的影响。
构造：同一层土中物质成分和颗粒大小都相近的各部分之 间相互关系特征。
反映地质作用的性质。 层理构造：由外力地质作用生成 裂隙性：造成土的不均匀性。
第三节 土的物理性质指标
一、三相组成 三相组成直接影响土的工程性质
质量m
体积V
mw ma
高岭石：一层硅氧晶片和一层铝氢氧晶片组成的晶胞， 晶胞之间具有较强的联结力，水分子不能进入，亲水性 比伊利石小。
3.土的颗粒分析
（1）粒组
工程上把粒径大小和性质相近的土粒划分为一组---粒组
划分方法：粒径（土粒大小）
三大类：
巨粒（d>60mm）: 粗粒(d>200mm)、细粒（ 200—60mm ）
漂石/块石
卵石/碎石
透水性大、无粘性、无毛细水
粗粒（60—0.075mm）：砾粒（60—2mm）
砂粒（2—0.075mm）
细粒（<0.075）：粉粒：0.075--0.005mm
粘粒：﹤ 0.005mm
透水性小、可塑性大、毛细水上升高度大
(2)土的颗粒级配 （混合土 ） 颗粒级配：土中所含各粒组的相 对含量，以占土粒总重量的百分 数表示。描述土中不同粒径土粒 的分布特征。
Sr≤50%稍湿； 50％＜Sr≤80%很湿； Sr＞80%饱和
m ms mw ma Vs Vw Va
VV
3.不同状态下土的密度和重度
质量m 气 水
体积V
饱和密度(saturation density)ρsat ：土体中孔隙 完全被水充满时的土的密
土粒
度
sat
ms
Vv
V
浮密度(buoyant density )ρ ：
第二节 土的结构和构造
结构：土的物质组成的空间排列方式及土粒联结特征的 综合
包括：土粒单元的大小、形状、土粒分布情况，土粒 之间吸引的情况 。 水中下沉过程中，由于表面吸力吸引，尚无下沉到最 下面时被粘附到其它粒表面，形成不规则排列，具有 很大空隙。而砂粒之间的粘结力很弱。
三种基本结构： •单粒结构：粗大颗粒 •蜂蜜结构：粉粒(0.075~0.005mm) •絮 凝 结 构 ： 粘 粒 （ d < 0 . 0 0 5 m m ） 或 胶 粒 ( d<0.002)
ds
ms
Vs w1
s w1
土粒相对密度变化范围不大：细粒土（粘性土）一般2.70～ 2.75；砂土一般为2.65左右。土中有机质含量增加，土粒相对 密度减小
测定方法：通常用比重瓶法(pycnometric method )
三、换算指标
m ms mw ma Vs Vw Va
VV
质量m 气 水
土粒
体积V 1.孔隙比e和孔隙率n
孔隙比(void ratio )e ：土
中孔隙体积与土粒体积之比
e Vv Vs
e和n是反映土体密实度的重
孔隙率(porosity )n ：
土中孔隙体积与总体积之
要指标；
一般e<0.6的土是密实 的，e>1.0的土是疏松的
比，以百分数表示
n Vv 100% V
n Vv Vv Vv /Vs V Vs Vv Vs /Vs Vv /Vs
•**粘土颗粒表面带负电荷, •**土的空隙中的水是极性分子，H+和O-2(氢原子、氧原子)
静电引力强, 水分子牢牢吸 引,固定层.
双电层
静电 引力 弱,扩 散层
引力范围外, 水分子自由 流动
内层：土粒表面的负电荷 外层：被吸引到表面的阳离子和定向排列的极性水分子。 固定层：水分子处于较强的电场范围内，紧紧被吸引到土粒表面。
土单位体积内土粒质量与同体 积水的质量之差
干密度(dry density) ρd :单 位体积中固体颗粒部分的 质量
ms Vs
V
d
ms V
土的三相比例指标中的质量密度指标共有4个，土的密度ρ，
饱和密度ρsat，干密度ρd，浮密度ρ (t/m3),相应的重度指标也 有4个，土的重度(unit weight )，饱和重度sat，干重度d， 浮重度 (kN/m3)
sat w
四、指标间的换算
质量m
体积V
0
气
Vv=e
水
m ms mw (1 w)ds w Vw mw / w dsw
1+e
ds（1＋w）ρw dsρw wdsρw
Vs＝1
土粒
m ds (1 w)w
V
1 e
假定Vs=1 e Vv Vs
Vv eVs e
d
ms V
dsw
1 e
衡条件。
受力分析：表面张力和水压力，二者平衡
2Tr cos ucr 2 0
uc
2T
cos
r
2( rhc w ) cos 2 cos
r
whc
结论：在毛细水区，静水压力为拉力，与上升高度成正比， 比例系数为水的重度，与一定深度的水的压力相似。
土力学中称为孔隙水压力（静水压力 ）
土的冻胀性
whc
第一章、土的物理性质及工程分类
学习基本要求
1．了解土的成因和组成 2．掌握土的物理性质指标 3．熟练掌握无粘性土和粘性土的物理性质 4．了解土的结构性和击实性 5．掌握土的工程分类原则，土的类别与其工程特性的关系
1.1 土的成因与组成
一、土的成因
•土是第四纪沉积物，是母岩风化后的产物。 •内力外力的地质作用下，原岩经风化、剥蚀、搬运、沉积，形成 沉积岩，而第四纪所形成的沉积物，沉积历史不长未经胶结硬化 形成土。
二、土的三相组成
（一） 土的固体颗粒 固体颗粒构成土的骨架，大小、形状、矿物成分及组成情况 决定土的物理力学性质。 1、土的矿物成分 固体颗粒物质：无机矿物颗粒（原生矿物、次生物矿）与有 机质 •原生矿物
矿物成分与母岩相同，形成粗粒土，如卵石、圆砾。 特点：比表面积小、与水作用能力强。
比表面积：单位质量土颗粒所拥有的表面积 As=A/m 直径0.1mm圆球，As=0.03m2/g 高岭石：10—20m2/g；伊利石：80—100；蒙脱石：800
e 1 e
m ms mw ma Vs Vw Va
VV
质量m 气 水
土粒
体积V
2.土的饱和度(degree of saturation )Sr ：土中孔隙
水的体积与孔隙总体积之比， 以百分数表示
Sr
Vw Vv
100%
饱和度描述土中孔隙被水充满的程度。干土Sr=0,饱和土 Sr=100%。砂土根据饱和度分为三种状态:
毛细水 水沿着细小的空隙移动的现象----毛细现象。 上升高度：与土粒粒度、成分有关。 易发生毛细现象的土层：粉土、粉质粘土
r 2hc w 2rT cos
h 2T cos 4T cos
c
r w
d w
T 表面 张力
毛细水中的静水压力概念
地下
地下水位下一定深度h的压力为 h w
水位面
在弯液面处毛细水的压力为uc ，分析该处水膜受力的平
气 水
Vw Va Vv
气体
水 颗粒
Vs V
ms
土粒
m
二、直接测定指标
质量m
体积V
1.土的密度(density )ρ：
单位体积土的质量
m ms mw ma Vs Vw Va
V
气
m ms mw
水
V Vs Vw Va
工程中常用重度(unit
土粒
weight )来表示单位体积土
的重力 重力加速度，
d10
Cu↑,→曲线平缓→级配良好，在填方工程时，易获得较大的密实 度。 Cu 描述的是级配曲线的分布范围，反映曲线的形状。
不均匀系数Cu反映大小不同粒组的分布情况， Cu＜5的土称为匀粒 土，级配不良；Cu越大，表示粒组分布范围比较广， Cu＞10的土级
配良好
Cu过大，表示可能缺失中间粒径，属不连续级配，故需同时用曲率
ds（1＋w）ρw dsρw wdsρw
0
质量m 气 水
土粒
Vv=e
体积V
sat
ms
Vv w
V
m ms Vww
VV
1+e
ms Vs
V
d
ms
0w
V
VHale Waihona Puke Baidu＝1
sat d
sat d
sat
ms
VV w
V
ms
(V Vs )w
V
ms
Vw
V
Vs w
w
sat w