土力学与地基基础2.土的性质及工程分类

第三节
土的物理性质指标
土的物理性质指标就是表示土中三相比例关系的一 些物理量。 一、三相草图 Air Va ma=0 Vv mw Water Vw m V
ms
Soil Particles
Vs
二、基本试验指标
1.土的天然密度ρ和重度γ
●土的密度：土单位体积的质量

m v
(单位: g ／cm3 )
一、无黏性土的密实度
2.用相对密实度Dr表示砂土的密实程度:
emax e Dr emax emin
讨论： e→emax时, Dr→0 ; e→emin时, Dr→1.0。
一、无黏性土的密实度
3.标准贯入试验锤击数N
例
题
经测定得知，某中砂层在地下水位以下的饱
和重度Υsat=19.9KN/m3,土粒重度 Υs=26.5KN/m3，问该砂层的天然孔隙比e为 多少？又如经试验测得该砂层的最松和最密 的孔隙比分别为0.69和0.56，求其相对密实 度是多少？并按Dr 确定它所处的物理状态。
2.固体颗粒粒组及其划分
粒度-土粒的大小d，单位mm。 粒组-工程上常把大小、性质相近的土粒合 并为一组，称为粒组。见表2.1 粒度成分-土中各粒组的相对百分含量。
3. 粒度成分的分析方法
⑴筛分法：di>0.075mm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
2、液性指数（又称稠度指标）：
IL
p
Ip
IL表征土的天然含水率与界限含水率之间的相对关系。
例题P29 2-5
例 题
一黏性土IL= - 0.16，ωL=37.5%，IP=13.2。
求：黏性土的天然含水率ω？
第五节 地基土的工程分类
目的：任何一种土的分类体系，其目的都是
提供一种通用的鉴别标准，以便在不同土类 之间作有价值的比较、评价及累积和交流经 验。 一般粗粒土按颗粒组成进行分类；细小的粘 性土按塑性指数分类。
⑶裂隙构造
三.土的特性
1.压缩性大
反映压缩性大小的指标是弹性模量（土称为变形 模量），随材料的不同而有很大差别。当应力与材 料厚度相同时，饱和细砂的压缩性比C20混凝土大 1600倍以上，而黏性土的压缩性比饱和细砂还要大。 2.强度低 土粒间的摩擦力和黏聚力远远小于建筑材料本身 的强度，因此，土的强度比其他建筑物材料低得多。 3.透水性大 由于土颗粒间有大量孔隙，孔隙是透水的，因此 土的透水性很大。
3.土的含水率ω
式中：
mw 100 ％ ms
mw—土样中水的质量； ms —土样中土粒的质量。
含水率是标志土的湿度的一个重要物理指标，一 般来说，对同一类土，当其含水率增大时，其强度就 降低。 测定方法：烘干法
三、其他常用指标 直接测定指标
1.表示土中孔隙含量的指标
换算指标
1）土的孔隙比
三、土的气体（气相）
2.封闭气体：与大气隔绝，呈封闭状态存在于部分
孔隙内。它对土的性质影响较大，如降低土的透水 性和使土不易压实等。
若土的饱和度低，土中气体就与大气相通，当 土受到外力时，气体很快从孔隙中排出，一般对土 的工程性质影响不大。但若土的饱和度很高，土中 出现封闭气泡时，外力将引起气泡压缩，而一旦外 力除去或孔隙水排出，气泡就膨胀。因而，封闭气 泡对土的工程性质影响较大。
2）土的孔隙率
2.表示土中含水程度的指标
含水率ω是表示土中含水程度的一个重要指
标。此外，工程上还需要知道孔隙中充满水 的程度，这可用土的饱和度Sr表示。
3.表示土的密度和重度的几种指标
除了天然密度ρ（有时也叫湿密度）以外，工程计算中 还常用如下土的密度： 1.土的干密度
2.土的饱和密度
பைடு நூலகம்
3.土的有效密度（或浮密度）
●土的重度γ(又称重力密度)：土单位体积的重量
γ ＝G/V=mg/V=ρg
(单位: KN／m3 )
测定方法: 环刀法
2.土粒相对密度（比重）ds
●土粒相对密度ds → 指固体颗粒质量与40C时同体积水的质 量之比，无量纲。 ●土粒的密度ρs 土粒密度ρs=ms/Vs（单位： g/cm3) 土粒相对密度ds在数值上等于土粒的密度ρs 测定方法：比重瓶法
X m 100
式中：mi，m分别为小于某粒径 的土粒质量及试样总质量
⑵静水沉降分析法( di<0.075mm)
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。依据水力 学Stokes定律，即球状的细颗粒在水中的下沉速 度与颗粒直径的平方成正比。
4.粒度成分的表示方法
土中的水，一般认为不能承受剪力，但能承 受压力和一定的吸力，且在通常压力范围内，认 为其不可压缩。
三、土的气体（气相）
土中的气体，主要为空气和水汽。 但有时也可能含有较多的二氧化碳、 沼气及硫化氢等。 气体在土孔隙中有两种不同存在形式： 1.游离气体：与大气连通，随外界条件改变
与大气有交换作用，对土的性质影响较小；
只有一个条件满足 →级配不良土
二、土中的水（液相）
1.结合水
由土颗粒表面电分子力吸附在土粒表面的一层水。 1）强结合水（吸着水）：性质接近于固体，密度 大、冰点低、沸点高，具有较大的黏滞性、弹性、 抗剪强度，且不能传递静水压力； 2）弱结合水（薄膜水）：不能传递静水压力， 也不导电，冰点低于0℃。与强结合水相比，密度 较低但仍比普通液态水大；具较高的粘滞性、弹 性、抗剪强度。
四.土的工程性质
土的工程性质：是指土与水的相互作用表现
出来的一些性质（如塑性、胀缩性、崩解性 等）、土的体积变化、土的强度、应力应变 性能、土的渗透性。 土的工程性质取决于成分因素和环境因素。 成分因素决定土的工程性质的可能变化范围， 而环境因素则确定了土的工程性质的变化趋 势和实际量。
五.土的生成条件与特性的关系
第二章
土的物理性质及工程分类
土的形成
土的组成
土的物理性质指标
土的物理状态指标 土的工程分类
第一节 土的生成与特性
一.土的生成
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， 在自然环境中生成的沉积物。
风化作用： 物理风化
化学风化 生物风化 机械作用 化学作用
指标的换算
利用三相图换算指标，就是利用已知指标 计算出三相草图中的各相数值，再根据所求指 标的定义直接计算。事实上，由于三相量的指 标都是相对的比例关系，不是绝对的量值，因 此，为了简化计算，常常可以假设三相的值为 1 个单位，实用上最常用的假设VS=1.0m3（或 cm3）或V=1.0 m3（或cm3）进行计算。
⑶絮状结构
2.土的构造
土的构造：是指同一土层中成分和大小都相
近的颗粒或颗粒集合体的相互关 系特征。 土的构造是在土的生成过程和各种地质因素 作用下形成的，所以不同土类和成因类型，其 构造特征是不一样的，一般可分为层状构造、 分散构造和裂隙构造等。
2.土的构造
⑴层状构造
⑵分散构造
s
固态 半固态
p
可塑状态
L

流动状态
1、液限ωL：液限仪测定 2 、塑限ωp ：搓条法测定 3、缩限ωs
P28图2-14
三、黏性土的塑性指数和液性指数
1、塑性指数 ： Ip=ωL-ωp （省去百分号）
Ip表示土处于可塑状态的含水率变化的范围，是衡量土的可塑性大小的重要 指标。土粒越细，Ip越大。
换算公式的推导
已知试验测定的基本指标：土的天然密度ρ、
土粒密度ρs、含水率ω，求孔隙比e和干密度 ρd（分别按V=1cm3和Vs=1cm3推求）
第四节土的物理状态指标
一、无黏性土的密实度 砂土、碎石土统称无黏性土，反映这类土工程性质 的主要指标是密实度。砂土的密实状态可以分别用 孔隙比e、相对密度Dr、和标准贯入锤击数N进行评 价。 1.天然孔隙比e 采用天然孔隙比e 的大小来判别砂土的密实度，是 一种较简单的方法。但不足之处是它不能反映砂土 的级配和颗粒形状的影响。
二、 黏性土的稠度
黏性土最主要的物理状态特征是它的稠度。
稠度---是指黏性土在某一含水率下对外力引
起的变形或破坏的抵抗能力。
黏性土在含水率发生变化时，它的稠度也随
之而变，含水率越大土越软，通常用坚硬、 硬塑、可塑、软塑和流塑等术语来描述。
二、 黏性土的稠度
界限含水率——土从一种状态过渡到另一种状态之间的分界含水率。
ρ′= ρsat- ρw
3.表示土的密度和重度的几种指标
在计算土中自重应力时，须采用土的重力密度，简称重度。 与以上几种密度相应的有土的: 1)天然重度γ= ρ g 2)饱和重度γsat= ρsatg 3)干重度γd=ρd g 4)浮重度γ′=ρ′g= γsat- γw
5）土粒重度γs = ρs g
级配—土中各种不同粒组的相对 含量。用土总重的百分数表示。
①表格法 级配表示方法 ②三角座标法 ③累计曲线法
4.粒度成分的表示方法
⑴表格法：将粒度分析的成果，用表格的形式表达。这种方
法可以清楚地用数量说明土样各粒组的含量，但当土样数量 较多时，不能获得较为直观的结果。
4.粒度成分的表示方法
⑵三角坐标法：由等边三角形组成，可用来表达三种粒组的
2.毛细水
毛细水：在土的细小孔隙中由毛细力作用 （土粒的分子引力和水与空气交界面处表 面张力的共同作用）、存在于地下水位以 上的过渡类型水。 土粒 对土的工程性质的影响： ⑴在非饱和的砂类土中， 土粒 土粒间可产生微弱的毛 弯液面 孔隙水 细水联结，增加土的强度。
2.毛细水
⑵当毛细水上升接近建筑物基础底面时，毛细 压力将作为基底附加压力的增值，从而增加 建筑物沉降量。 ⑶当毛细水上升至地表时，不仅能引起沼泽化、 盐渍化，也会使地基、路基土浸湿，降低土 的力学强度；在寒冷地区，还将加剧冻胀作 用。
3.重力水
重力水也称自由水，存在于较粗大孔隙（如中粗 砂、卵砾石土中的孔隙）中，具有自由活动能力， 在重力作用下能自由流动。 特点：具有溶解能力（化学潜蚀），能传递静水 和动水压力（机械潜蚀），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。
二.土的结构与构造
土的结构和构造反映了土物质的存在形式， 即物质成分间的联结特点、空间分布和变化 规律。一般地，土的结构指的是微观结构， 而土的构造指的是土的宏观构造。
1.土的结构 土的结构是指土颗粒的大小、形式、表面 特征、相互排列及其联结关系的综合特征。
1.土的结构
⑴单粒结构
⑵蜂窝结构
几种密度和重度的大小关系：ρs> γs> >ρ′
例
题
用体积为72cm3的环刀取得某原状土样重
129.5g，烘干后土重121.5g，土粒相对密度 ds=2.7，试计算该土样的含水率ω、孔隙比e、 饱和度sr、重度γ、饱和重度γsat、浮重度γ′、 干重度γd以及土粒重度γs，并比较各重度的 数值大小。 教材P22-23例题2-2、2-3
第五节 地基土的工程分类
1.搬运沉积条件
搬运沉积条件不同形成的土的工程性质也不同。例如：河流 冲积形成卵石层，其工程性质非常好，一般可作为天然建筑 物地基；而经风力搬运、沉积的风积层（如粉细砂），工程 性质差，压缩性大，未经处理一般不能作为建筑物的地基。
2.沉积年代
一般而言，沉积年代越长，土的工程性质越好。
3.沉积的自然地理环境
含量。在道路工程、水利工程中三角坐标法是常用的方法。
⑶累计曲线法
级配指标
土体级配状态的判别方法：
表征曲线的两个指标：
不均匀系数 Cu = d60/d10 曲率系数 d302
级配良好土 ＣU≥５ ＣＣ＝１～３ 级配不良土：
两个条件同时满足 →级配良好土
CC =
d60· 10 d
ＣU≯５ ＣＣ≠１～３
土生成的自然地理环境不同，其工程性质差异也很大。例如： 沿海的软土、西北的湿陷性黄土、西南的红粘土都有特殊的 工程性质。
第二节
土的三相组成
土(体) = 固相 + 液相 + 气相
固体
液体
气体
常指
土颗粒
水
空气
一、土的固体颗粒（固相）
1.土的矿物成分
无机矿物 ： 原生矿物：物理风化的产物， 如石英、长石、云母等。 次生矿物：化学风化的产物，如 高岭石、伊利石和蒙脱石 有机质：生物风化的产物，如淤泥、泥炭等。