第二章土的物理性质及分类
第二章土的物理性质、水理性质和力学性质
第一节 土的物理性质
基本物理性质指标间的相互关系
孔隙率与孔隙比:
e
n
1 n
干密度与湿密度和含水量 :
d
1 w
孔隙比与比重和干密度 : e Gs w 1 d
饱和度与含水量，比重和孔隙比:
w s
Sr
w
e
w s wGs
e w
e
第二节 土的水理性质
粘性土的稠度和塑性
稠度定义:指土体在各种不同的 湿度条件下，受外力作用后所具 有的活动程度。
砂土一般是１.4 g/cm3；粉质砂土及粉质粘土１.4 g/cm3； 粘土为１.4 g/cm3
第一节 土的物理性质
干密度
质量m
定义：土的孔隙中完全没有水时的密度， 称干密度；是指土单位体积中土粒的重量， 即：固体颗粒的质量与土的总体积之比值。
表达式： d
ms V
单位： g/cm3
气 水
土粒
m ms mw Vs Vw Va
定义:孔隙性指土中孔隙的大小，数量、形状、性 质以及连通情况。
孔隙性
孔隙率
质量m 气 水
砂土的相对密度
土粒
m ms mw Vs Vw Va
V
体积V
第一节 土的物理性质
m ms mw Vs Vw Va
V
孔隙率 与孔隙比
质量m 气
定义:孔隙率是土的孔隙体积与土体积之比，
水
或单位体积土中孔隙的体积，以百分数表示
表达式： s
ms Vs
单位：g/cm3
气 水
土粒
m ms mw Vs Vw Va
V
体积V
土粒密度仅与组成土粒的矿物密度有关，而与土的孔隙大小 和含水多少无关。实际上是土中各种矿物密度的加权平均值。
《土力学》第二章习题集及详细解答.
《土力学》第二章习题集及详细解答第2章土的物理性质及分类一填空题1.粘性土中含水量不同，可分别处于、、、、四种不同的状态。
其界限含水量依次是、、。
2.对砂土密实度的判别一般采用以下三种方法、、。
3.土的天然密度、土粒相对密度、含水量由室内试验直接测定，其测定方法分别是、、。
4. 粘性土的不同状态的分界含水量液限、塑限、缩限分别用、、测定。
5. 土的触变性是指。
6.土的灵敏度越高，其结构性越强，受扰动后土的强度降低越。
7. 作为建筑地基的土，可分为岩石、碎石土砂土、、粘性土和人工填土。
8.碎石土是指粒径大于 mm的颗粒超过总重量50%的土。
9.土的饱和度为土中被水充满的孔隙与孔隙之比。
10. 液性指数是用来衡量粘性土的状态。
二、选择题1．作为填土工程的土料，压实效果与不均匀系数C u的关系：( )（A）C u大比C u小好(B) C u小比C u大好(C) C u与压实效果无关2.有三个同一种类土样，它们的含水率都相同，但是饱和度S r不同，饱和度S r越大的土，其压缩性有何变化？( )(A)压缩性越大(B) 压缩性越小(C) 压缩性不变3.有一非饱和土样，在荷载作用下，饱和度由80%增加至95%。
试问土样的重度γ和含水率怎样改变？( )(A)γ增加，减小(B) γ不变，不变(C)γ增加，增加4.土的液限是指土进入流动状态时的含水率，下述说法哪种是对的？( )(A)天然土的含水率最大不超过液限(B) 液限一定是天然土的饱和含水率(C)天然土的含水率可以超过液限，所以液限不一定是天然土的饱和含水率5. 已知砂土的天然孔隙比为e＝0.303，最大孔隙比e max＝0.762，最小孔隙比e min＝0.114，则该砂土处于( )状态。
（A）密实（B）中密 (C)松散（D）稍密6．已知某种土的密度ρ＝1.8g/cm3，土粒相对密度ds＝2.70，土的含水量w＝18.0％，则每立方土体中气相体积为( )(A)0.486m3 (B)0.77m3(C)0.16m3(D)0.284m37.在土的三相比例指标中，直接通过室内试验测定的是（）。
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 土的物理性质及分类
三相草图法
第二章 土的物理性质及分类
ma=0
m mw ms
质量 空气 air 水 Water
Va
Vv Vw V
固体 Solid
Vs
体积
三 相 草 图(three-phase soil models)
第二章 土的物理性质及分类
九个物理量:
V Vv Vs Va Vw ms m w ma m
物理量关系:
ma=0
空气
Va
Vv Vw V
m mw
水
ms
质量
固体
Vs
体积
位: 无量纲 • 一般范围：粘性土 2.70~2.75， 砂土 2.65
• 单
=1.0 g/cm3
土粒比重在数值上 等于土粒的密度
基本试验指标-土粒比重
第二章 土的物理性质及分类
土的含水量W
• 定义：土中水的质量与土粒质 量之比，用百分数表示 • 表达式：
黏聚力
原始黏聚力（由粒间电分子引力产生） 固化黏聚力（由粒间胶结物产生）
土受扰动时，这两类黏聚力被（部分）破坏，使土的强度降低。但 扰动停止后，原始黏聚力可随时间部分恢复，故强度有所恢复。但固化 黏聚力是无法在短时间内恢复的。所以易于触变的土，被扰动而降低的 强度仅能部分恢复
土中水的离子成分和浓度→水中低价阳离子浓度增加，IP越大
黏土的物理状态指标
第二章 土的物理性质及分类
不同的粘土，wp、wL 大小不同。对于不同的粘土，含水 量相同，稠度可能不同
w wP w w P 液性指数： IL wL wP IP
wp w wL IL 0 坚硬(半固态) 0<IL0.25 硬塑 0.25 <IL 0.75 可塑 0.75 <IL 1 软塑 IL>1 流塑
土力学_第2章(土的物理性质和工程分类)
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
土力学 第2版 第二章 土的物理性质及分类
环刀的容积V=60cm3； 环刀的质量m1； 环刀和土的质量m2；
土的密度: m2 m1
V
2.2.2 指标的定义
土力学
2.特殊条件下土的密度
质量m
体积V
Vw Va Vv
气
mw
水
m
ms
土粒
Vs V
（1）干密度ρd ：单位体积中固
体颗粒部分的质量 （紧密程度）
d
ms V
（2）饱和密度ρsat ：土体中孔 （3）浮密度ρ ：在地下水位
出合适的名称，可以概略评价土的工程性质。
第2章 土的物理性质及分类
2.1 概述 2.2 土的三相比例指标 2.3 粘性土的物理特征 2.4 无粘性土的密实度 2.5 粉土的密实度和湿度 2.6 土的胀缩性、湿陷性和冻胀性 2.7 土的分类
土力学
2.2 土的三相比例指标
2.2.1 土的三相比例关系图 2.2.2 指标的定义 2.2.3 指标的换算
土力学
2.2.1 土的三相比例关系图
土力学
质量m
气
mw —土中水质量
mw
水
m
ms —土粒质量
ms
土粒
Vs V
Vw Va Vv
体积V
Va —土中气体积 Vw —土中水体积
Vs —土粒体积
m ms mw
Vv Vw Va
（土的总质量）
（土中孔隙体积）
V Vs Vw Va
（土的总体积）
2.2 土的三相比例指标
ds
ms
Vs 1
s 1
测定方法：比重瓶法
ρs—土粒密度，单位体积土粒质量 ρw1 —纯水在40C时的密度，1g/cm3
土粒相对密度变化范围不大：一般，砂类土2.65～2.69；粉性土
2土的物理性质及工程分类
进行评定。天然碎石土的密实度，可按原位重型圆锥动
力触探的锤击数N63.5进行评定(GB50007-2002)
密实度
松散 稍密
中密
密实
按N评定砂石密实度 N≤10 10＜N≤15 15＜N≤30 N＞30
按N63.5评定碎石土密实度 N63.5≤5 5＜N63.5≤10 10＜N63.5≤20 N63.5＞20
二、粘性土的稠度 1.粘性土的稠度状态
稠度是指土的软硬程度或土受外力作用所引起变形或破 坏的抵抗能力,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。
d
sat
ms
VV w
V
(Gs e)w
1 e
d
ms V
Gs w
1 e
1
n VV e V 1e
sat
(Gs 1)w
1 e
Sr
Vw VV
mw
VV W
Gs
e
五、例题分析
【例】某土样经试验测得体积为100cm3，湿土质量为 1为827.g6，6，烘求干该后土，样干的土含质水量量为ω1、67密g。度若ρ、土重粒度的相、对干密重度度Gs
三、例题分析
【ω=例9.4】3%某,天砂然土密试度样ρ,试=1验.66测/c定m3土。粒已相知对砂密样度最G密s=实2.状7,含态水时量称
得干砂质量ms1=1.62kg,最疏松状态时称得干砂质量 m实s2状=1态.45kg。求此砂土的相对密度Dr,并判断砂土所处的密
土力学第二章：土的物理性质及工程分类全解
第2章 土的物理性质及工程分类 2.2 土的三相组成
2.2.1土的固体颗粒
3.土的粒径级配 巨粒(>200mm)
土颗粒
粗粒(0.075-200mm)
卵石或碎石颗粒 (20200mm)
圆砾或角砾颗粒 (2-20mm) 砂 (0.075-2mm)
细粒(<0.075mm)
粉粒(0.005-0.075mm)
第2章 土的物理性质及工程分类
2.1.1土的生成
（1）物理风化 ①温差风化：由于温差 变化，岩石在热胀冷缩 过程中逐渐破碎的过程， 常发生在温差较大的干 旱气候地区。
2.1 土的生成与特性
第2章 土的物理性质及工程分类
2.1.1土的生成
（1）物理风化 ② 冰劈作用：充填于岩 石裂隙中的水结冰体积 膨胀而使岩石裂解的过 程。 水结成冰时其体积可增 大9.2％。冰体将对裂缝 壁产生2000kg／cm2的 巨大压力。
1.0 ,0.5, 0.25,
0.075
第2章 土的物理性质及工程分类
2.2.1土的固体颗粒
3.土的粒径级配 (1) 筛分法：适用于0.075mm≤d≤60mm
2.2 土的三相组成
筛析机
第2章 土的物理性质及工程分类
2.2.1土的固体颗粒
3.土的粒径级配 (2) 比重计法:适用于d＜0.075mm
粒径<0.25mm: 粒径<0.075mm:
1-155 0 0151 000 1% 0 500
1-15 5 0 015 100 3 0 04% 500
<2.0
<1.0
<0.5
<0.25
<0.075
90%
60%
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
土力学 第2章 土的物理性质与工程分类
一、土粒密度
土 力 学
• 土粒密度 土粒密度是指固体颗粒的质量与其体积之比， 即单位体积土粒的质量。
ms ρs = (g/cm3 ) Vs • 土粒密度大小决定于土粒的矿物成分，与土的 孔隙大小和含水多少无关，它的数值一般在 2.60~2.80g/cm3之间（表2-1）。 • 土粒比重 Gs 土粒的质量与同体积纯蒸馏水在 4°C时的质量之比。无量纲。 ms ρs Gs = = 4 C ρw Vs ρ w
判定
土 力 学
w ≤ wP
IL ≤ 0
wP < w ≤ wL
0 < I L ≤ 1.0
土处于坚硬状态
土处于可塑状态
wL < w
I L > 1.0
土处于流动状态
Casagrande，A。1948 年研究发现： （1）黏土的塑性指数 Ip与液限Wl之间大致呈 直线关系； （2）砂质黏土则位 于区域（2） （3）含较多粉土和有 机质的则位于（3）的 范围之内
• 土中孔隙大小、形状、分布特征、连通情况与总体积 孔隙性。其主要取决于土的颗粒级配与 等，称为土的孔隙性 孔隙性 土粒排列的疏密程度。
1、孔隙度 、
• 孔隙度 孔隙度又称孔隙率 孔隙率，指土中孔隙总体积与土的总体积 孔隙率 之比，用百分数表示。
n= Vv × 100% V
学•
土的孔隙度取决于土的结构状态，砂类土的孔隙度常 小于粘性土的孔隙度。 • 土的孔隙度一般为27~52%。新沉积的淤泥，孔隙度可 达80%。
三、粘性土的可塑性
土 力 学
• 当粘性土的含水量在某范围内时，可用外力塑成任何形 状而不发生裂纹，并在外力移去时能保持既得的形状， 可塑性。 土的这种性能叫可塑性 可塑性 • 粘性土中含水量在液限与塑限两个稠度界限之间时，土 处于可塑状态，具有可塑性，这是粘性土的独特性能。 • wL和wp的差值可以反映可塑性的大小，工程上定义为 塑性指数 IP IP=wL-wp • 1994年国家标准《岩土工程勘察规范》按塑性指数IP将 粘性土分为两类，IP>17为粘土 为粘土，17≥IP>10为粉质粘土 为粉质粘土， 为粘土 为粉质粘土 IP≤10为粉土或砂类土 为粉土或砂类土。 为粉土或砂类土
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)
教学单元2 土的物理性质及工程分类
当e=emin时， Dr=1，表示土处于最密实状态; 当e=emax时， Dr=0，表示土处于最疏松状态。
相对密度判别方法从理论上讲是判定砂土密实度的好方法，但 存在天然状态的孔隙比不易测准，室内测得理论上的最大与最小 孔隙比误差较大等实际困难，故在应用上存在许多问题。
3.标准贯入试验锤击数N
N是用质量63.5kg的重锤，自由下落76cm，使贯入器
颗粒级配曲线及指标的用途
1）粒组含量用于土的分类定名；
2）不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度： Cu ≥ 5, 不均匀土； Cu < 5, 均匀土
3）曲率系数Cc用于判定土的连续程度： C c = 1 ~ 3, 为级配连续土
4）不均匀系数Cu和曲率系数Cc用于判定土的级配优劣： 如果 Cu ≥ 5且 C c = 1 ~ 3 ， 级配良好的土 如果 Cu < 5 或 Cc > 3 或 Cc < 1, 级配不良的土
IP
工程上常用它判别 粘性土的软硬程度
状态
坚硬
液性指数 IL≤0
硬塑 0＜IL≤0.25
可塑 0.25＜IL≤0.75
含水量增加
粘性土
较硬 变软 流动
界限含水量
粘性土由一种状态转变到另一种状态的分界含水量称为界限含水量。液限是 土由流动状态转变到可塑状态时的界限含水量（也称为流限或塑性上限）； 塑限是土由可塑状态转变到半固态时的界限含水量（也称为塑限下限）。
界限含水量
0
塑限ωP
液限ωL
ω
稠度状态 固态或半固态 可塑状态 流动状态
定义: 单位体积土的重量
表达式: W
V
测定方法：环刀法
单位: kN/m3 一般范围: 1.60—2.20 g/cm3
工程地质学_第2章 土的物理性质
ma(0) mw
A W S
Va Vw
Vv
V
ms
Vs
土的三相图 Three phase diagram
一、土的质量和重量
1、土粒的比重 （specific gravity） 土的固体颗粒的重 m 量与其相同体积的 4℃纯水的重量之 比。
ma( 0) mw
A W S
孔隙率/孔隙度范围：粘性土和粉土:(30~60);砂土: (25~45)
3、砂土的相对密度Dr(relative density)
最紧密
天然
最松散
emin
d max
e
d
e增大
emax
d min
emax e Dr emax emin
d max ( d d min ) d ( d max d min )
液流状态
粘流状态
自由溶液
自由溶液
自由溶液
扩散层重叠
扩散层重叠 自由溶液
粘塑状态
稠塑状态
扩散层重叠 扩散层重叠 扩散层重叠
扩散层重叠 扩散层重叠 浓缩扩散层 及气体
半固体状态 固定层及浓 气体(扩散 缩扩散层 层开始浓缩) 气体
固体状态 固定层重叠 气体(扩散 层很浓) 气体
Mitchell，1976：不管水的结构情况和粒间力如何，塑限是 当土内表现出塑性性能时的含水范围的下限。 也就是说，在塑限之上，土的变形可以没有体积变化或产 生裂纹，以及将保持它的已有的变形形状。
（2）砂质黏土则位 于区域（2） （3）含较多粉土和有 机质的则位于（3）的 范围之内 （2） （3）
国家标准《土的分类标准》(GBJ145-90)中的塑性图
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sat
饱和含水率
※浮密度与比重和孔隙比的关系
ms Vs w V s w 1 e Gs 1 w 1 e
2.3 粘性土的物理特性
• 粘性土的稠度状态---指土的软硬程度或土受外 力作用所引起变形或破坏的抵抗能力,是粘性土 最主要的物理状态特征。 • 可塑状态---就是当粘性土在某含水量范围内， 可用外力塑成任何形状而不发生裂纹，并当外 力移去后仍能保持既得的形状，土的这种性能 叫做可塑性。
• 粘性土的液性指数---指粘性土的天然含水量和塑 限的差值与塑性指数之比。
w wP IL wL wP IP
IL值愈大，土质愈软；反之，土质愈硬
w wp
粘性土的物理状态
状 态 液性指数 坚 硬
IL<0
硬 塑
0<IL≤0.25
可 塑
0.25<IL≤0.75
软 塑
0.75<IL≤1.0
2.2 土的三相比例指标
• 土的三相组成各部分的质量和体积之间的比例 关系，随着各种条件的变化而改变。地下水位 的升高或降低，将改变土中水的含量；经过压 实的土，其孔隙体积将减小。
• 表示土的三相组成比例关系的指标，称为土的 三相比例指标，包括土粒比重（或土粒相对密 度）；土的含水量（或含水率）、密度、孔隙 比、孔隙率和饱和度等。
2.5 土的分类
• 分类目的：土的分类体系就是根据土的工程性质 差异将土划分成一定的类别，其目的在于通过一 种通用的鉴别标准，以便于在不同土类间作有价 值的比较、评价、积累以及学术与经验的交流。 • 分类原则
简明原则：土的分类体系采用的指标，既要能综合反 映土的主要工程性质；又要其测定方法简单，且使 用方便。 差异原则：土的分类体系采用的指标要在一定程度上 反映不同类工程用土的不同特性
※相对密实度Dr
定义（理论表达式）
emax无粘性土处于最松状态时的孔隙比
emin无粘性土处于最密状态时的孔隙比 e0无粘性土的天然孔隙比或填筑孔隙比 ρ
dmax无粘性土的最大干密度
emax e0 Dr emax emin
定义（实用表达式）
Dr
d d min d max d max d min d
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。
测定方法：烘干法， 亦可用酒精燃烧法
土粒比重Gs---土粒质量与同体积4℃时纯水的质量 之比 ms s Gs Vs
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
缩限ws 固态 塑限wp 液限wL 可塑状态 含水量 流动状态
半固态
• 粘性土的物理状态指标 ※ 液限、塑限、缩限：ωL ※ 塑性指数：Ip ※ 液性指数：IL ※ 灵敏度：Sq
、ωp 、ωs
• 界限含水量---粘性土由一种状态转变到另一种状态的分 界含水量。 ※ 液限ωL ：土由可塑状态转到流动状态的界限含水量 （或塑性上限）。 ※ 塑限ωp：土由半固态转到可塑状态的界限含水量称为 塑限（或塑性下限）。 ※ 缩限ωs：土由半固体状态不断蒸发水分，则体积继续逐 渐缩小，直到体积不再收缩时，对应土的界限含水量叫 缩限
流 塑
IL>1.0
• 粘性土的结构性和触变性
天然状态下的粘性土通常都具有一定的结构性， 土的结构性是指天然土的结构受到扰动影响而改变 的特性。当受到外来因素的扰动时，土粒间的胶结 物质以及土粒、离子、水分子所组成的平衡体系受 到破坏，土的强度降低、压缩性增大。 土的结构性对强度的这种影响，一般用灵敏度 来衡量。土的灵敏度是以原状土的强度与该土经重 塑（土的结构性彻底破坏）后的强度之比来表示。 重塑试样具有与原状试样相同的尺寸、密度和含水 量。
• 粘性土的湿陷性---指土在自重压力作用下或自重 压力和附加压力综合作用下，受水浸湿后，使土 的结构迅速破坏而发生显著的附加下陷特征。
湿陷性土在我国广泛分布，除湿陷性黄土外，在 干旱或半干旱地区，特别是在山前洪、坡积扇中常遇 到湿陷性的碎石类土和砂类土，在一定压力下浸水后 也常具有强烈的湿陷性。
satg
※反映土的空隙特征的指标 空隙比e---土中孔隙体积与土颗粒体积之比
Vv e Vs
空隙率n---指土体中空隙体积占土体总体积之比,用 百分数表示，
n Vv 100% V
土的饱和度Sr---表示土空隙中被水充满的程度,也即 土中水的体积与空隙体积之比,用百分数表示，
Vw Sr 100% Vv
• 建筑工程系统的分类体系
《建筑地基基础设计规范》(GB50007－2002)
在考虑划分标准时，注重土的天然结构特性和强度， 并始终与土的主要工程特性——变形和强度特征紧密联 系。因此，首先考虑了按沉积年代和地质成因的划分， 同时将某些特殊形成条件和特殊工程性质的区域性特殊 土与普通土区别开来。
※按堆积年代分：老堆积土；一般堆积土；新近堆积土 ※按地质成因分：残积土；坡积土；洪积土；淤积土等 ※按有机质含量分：无机质土；有机质土；泥炭质土；泥炭 ※按颗粒级配与塑性指数分：碎石土；砂土；粉土；粘性土
• 液限测试---圆锥液限仪法
5s下沉10mm或17mm 76 g
• 塑限测试---搓条法
直径约3mm
• 塑液限联合测试
• 粘性土的塑性指数---塑性指数是指液限 和塑限的差值，即土处在可塑状态的含 水量变化范围。 I p= ω L- ω p
Ip越大→土的可塑范围越广，土中含有的结合水越多， 土与水之间的作用越强。土中粘粒含量越大，塑性 指数Ip越大。
b.碎石土的分类 粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50%的土称为碎石土
碎石土的分类
土的名称
漂石 块石
颗粒形状
圆形及亚圆形为主 棱角形为主
颗粒级配
粒径大于200mm的颗粒 含量超过全重50％ 粒径大于20mm的颗粒 含量超过全重50％ 粒径大于2mm的颗粒 含量超过全重50％
• 土的总分类体系
漂石 巨粒土 含巨粒土 无机土 粗粒土 卵石 混合巨粒土 巨粒混合土 砾类土 砂类土 粉土 细粒土 工程用土 有机土 黄土 特殊土 膨胀土 红粘土等 粘土
一般土
• 土的分类标准 在国际上土的统一分类系统来源于美国A.卡萨格 兰特(Casagrande，1942)提出的一种分类法体系（属 于材料工程系统的分类）。(ASTM) 它无法考虑土的成因、年代对工程性质的影响， 是这种方法存在的缺陷。
• 土的工程分类体系
建筑工程系统的分类体系——侧重于把土作为建筑地基 和环境，故以原状土为基本对象。因此，对土的分类 除考虑土的组成外，很注重土的天然结构性，即土粒 联结与空间排列特征。例如国标《建筑地基基础设计 规范》（GB50007）地基土的分类。
工程材料系统的分类体系——侧重于把土作为建筑材料， 用于路堤、土坝和填土地基等工程。故以扰动土为基 本对象，注重土的组成，不考虑土的天然结构性。例 如，国标《土的分类标准》（GBJ145-90）工程用土 的分类，《公路土工试验规程》（JTJ051-93）土的 工程分类。
• 无粘性土的密实度与土的工程性质 ※土体的松密程度对土的工程性质影响很大 ※土的密实程度越高，压缩性越小，其工程 特性越好 ※土的密实程度越低，压缩性越大，其工程 特性越差
• 无粘性土的密实度指标
※孔隙比e
0.6 0.75 0.85
密实
中密
稍密
松散
优点：简单方便 缺点：无法反映土的级配因素，受土粒的大小、形状和 级配的影响很大。
sat
ms Vv w V
土的有效密度ρ’---处于地下水位以下的土，受到浮 力作用时，单位体积土中土颗粒的重量扣除同体 积水的质量，即是土的有效密度
m s Vs w V
各种密度之间的比较
sat d
重度指标
土的重度 =ρ g 饱和重度sat =ρ 干重度d =ρ dg 浮重度 = ρ g
• 粘性土的冻胀性---指土的冻胀和冻融给建筑物或 土工结构带来危害的变形特性。
在冰冻季节，因大气负温影响，使土中水分冻结 成为冻土。冻土根据其冻融情况分为：季节性冻土、 隔年冻土和多年冻土。
2.4无粘性土的密实度 • 无粘性土的结构 无粘性材料具有不可塑性,天然状态下的砂 土可处于从密实到疏松的不同物理状态。 疏松排列 密实排列
1 w
d
※孔隙比与比重和干密度的关系
ms s d V 1 e
m s s Vs
Gs
e
s
ms Vs
Gs w
s w
d
1
※饱和度与含水率、比重和孔隙比的关系
Vw Gs Sr Vv e e
当土饱和时，即为Sr=100％ 则
s w
e sat Gs
• 各物理指标间的换算
常用的物理性质指标共有9个，一般地说，已知其 中任意3个，通过换算，可以求其余6个 ※孔隙比与孔隙率的关系
Vv e n V 1 e
n e 1 n
※干密度与湿密度和含水率的关系
m d w d d 1 w V 1
d
ms V m w ms
在工程上，用相对密实度划分无粘性土状态如下：
0 Dr 1
3
1 Dr 2 3 3
2 D 1 r 3
疏松
中密
密实
※标准贯入试验击数N为标准
30
15
10
密实
中密
稍密
松散
※也可根据野外方法鉴别
锤重：63.5kN
落距：760mm
触探杆 重型圆锥