第2章土的物理性質(zhì)與工程分類

緒論1土力學(xué)是研究土的物理性質(zhì)以及在荷載作用下土體內(nèi)部的應(yīng)力變形和強度規(guī)律的一門學(xué)科。土力學(xué)研究對象是土需要研究和解決的工程中的三大類問題：土體穩(wěn)定或強度問題；土體變形問題；滲流：滲透變形與滲透穩(wěn)定。緒論2土力學(xué)課程的學(xué)習(xí)方法：注重基本概念的理解，要咬文嚼字，理解加記憶；注意基本理論學(xué)習(xí)；掌握基本的計算方法。緒論3土力學(xué)的歷史：人類在同生存作斗爭的歷史中，積累了大量的土力學(xué)知識；土力學(xué)作為一門系統(tǒng)的學(xué)科是以太沙基的1925年出版的《土力學(xué)》為標(biāo)志；很多基本理論、試樣方法在20世紀(jì)70年代前就已經(jīng)形成；現(xiàn)代土力學(xué)在本構(gòu)模型理論、計算方法、非飽和土力學(xué)有較大發(fā)展；量測技術(shù)的提高；土動力學(xué)理論、分析方法、測試手段有很大發(fā)展和提高。第二章土的物理性質(zhì)指標(biāo)與工程分類42.1概述化學(xué)風(fēng)化：巖體（或巖塊、巖屑）與氧氣、二氧化碳等各種氣體、水和各種水溶液等物質(zhì)相接觸，經(jīng)氧化、碳化和水化作用，使這些巖石或巖屑逐漸產(chǎn)生化學(xué)變化，分解為極細(xì)顆粒的過程。特征：物理風(fēng)化：量變過程，形成的土顆粒較粗；化學(xué)風(fēng)化：質(zhì)變過程，形成的土顆粒很細(xì)。對一般的土而言，通常既經(jīng)歷過物理風(fēng)化，又有化學(xué)風(fēng)化，只不過哪種占優(yōu)而已。第二章土的物理性質(zhì)指標(biāo)與工程分類5土從其堆積或沉積的條件來看可分為：殘積土：巖石風(fēng)化后仍留在原地的堆積物。特點：濕熱地帶，粘土，深厚，松軟，易變；寒冷地帶，巖塊或砂，物理風(fēng)化，穩(wěn)定。運積土：巖石風(fēng)化后經(jīng)流水、風(fēng)和冰川以及人類活動等搬運離開生成地點后再沉積下來的堆積物。又分為沖積土、風(fēng)積土、冰磧土和沼澤土等。沖積土：由水流沖積而成；顆粒分選、渾圓光滑風(fēng)積土：由風(fēng)力帶動土粒經(jīng)過一段搬運距離后沉積下來的堆積物；沒有層理、細(xì)砂或粉粒；黃土冰磧土：由冰川剝落、搬運形成的堆積物；沼澤土：在沼澤地的沉積物；含有機質(zhì)、壓縮性高、強度低62.2土的組成第二章土的物理性質(zhì)指標(biāo)與工程分類7土是固體顆粒、水和空氣的混合物，常稱土為三相系。固相：土的顆粒、粒間膠結(jié)物；液相：土體孔隙中的水；氣相：孔隙中的空氣。2.2土的組成第二章土的物理性質(zhì)指標(biāo)與工程分類8當(dāng)土骨架的孔隙全部被水占滿時，這種土稱為飽和土；當(dāng)土骨架的孔隙僅含空氣時，就成為干土；一般在地下水位以上地面以下一定深度內(nèi)的土的孔隙中兼含空氣和水，此時的土體屬三相系，稱為濕土。根據(jù)土的粘性分：粘性土：顆粒很細(xì)； 無粘性土：顆粒較粗，甚至很大。砂、碎石、甚至堆石（直徑幾十cm甚至1m）一、土的固相（一）成土礦物原生礦物：由物理風(fēng)化生成的土粒；顆粒較粗，一般為無粘性土；石英、長石、云母等；圓形、板狀、塊狀；吸水力弱、穩(wěn)定、無塑性；砂多為石英。次生礦物：由原生礦物經(jīng)化學(xué)風(fēng)化作用而形成的礦物。顆粒較細(xì)，一般為粘土礦物，形成粘性土。高嶺石、伊利石、蒙脫石；片狀、極細(xì)；吸水力強、活潑、有塑性。92.4土的物理性質(zhì)指標(biāo)可分為兩類：一類是必須通過試驗測定的，如含水率、密度和土粒比重，稱為直接指標(biāo)；另一類是根據(jù)直接指標(biāo)換算的，如孔隙比、孔隙率、飽和度等，稱為間接指標(biāo)。102.4土的物理性質(zhì)指標(biāo)一、試驗直接測定的物理性質(zhì)指標(biāo)（一）土的密度ρ與重度γ土的密度定義為單位體積土的質(zhì)量，用ρ表示，單位為Mg/m3(或g/cm3)。表達(dá)式如下：（2.4）

對于粘性土，土的密度常用環(huán)刀法測定。11土的重度亦稱為容重，定義為單位體積土的重量，用γ表示，單位為kN/m3。表達(dá)式如下：（2.5）式中：W——土的重量，單位為kN；g——重力加速度。12（二）土粒比重Gs土粒比重定義為土粒的質(zhì)量（或重量）與同體積4℃時純水的質(zhì)量（或重量）之比（無因次），其表達(dá)式為：（2.6）或（2.7）式中：ρs——土粒的密度，即土粒單位體積的質(zhì)量；（ρw）4℃——4℃時純水的密度，1g/cm3（γw）4℃——4℃時純水的重度。13土粒比重常用比重瓶法測定，事先將比重瓶注滿純水，稱瓶加水的質(zhì)量。然后把烘干土若干克裝入該空比重瓶內(nèi)，再加純水至滿，稱瓶加土加水的質(zhì)量，按下式計算土粒比重：（2.8）式中：m1——瓶加水的質(zhì)量；

m2——瓶加土加水的質(zhì)量；

ms——烘干土的質(zhì)量。14（三）土的含水率w土的含水率，曾稱為含水量，定義為土中水的質(zhì)量與土粒的質(zhì)量之比，以百分?jǐn)?shù)表示，其表達(dá)式為：（2.9）測定含水率常用的方法是烘干法，先稱出天然土的質(zhì)量，然后放在烘箱中，在100℃～105℃常溫下烘干，稱得干土質(zhì)量，按上式可算得。15二、間接換算得物理性質(zhì)指標(biāo)（一）土的孔隙比e定義：土中孔隙的體積與土粒的體積之比，以小數(shù)表示，其表達(dá)式為：（2.10）（二）土的孔隙率n定義：土中孔隙的體積與土的總體積之比，或單位體積內(nèi)孔隙的體積，以百分?jǐn)?shù)表示，其表達(dá)式為：（2.11）

16（三）土的飽和度Sr定義：土中孔隙水的體積與孔隙體積之比，以百分?jǐn)?shù)表示，其表達(dá)式為：（2.12）17土的干重度：單位體積內(nèi)土粒的重量，表達(dá)式為：

（2.14）土烘干，體積要減小，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評定土密實程度的指標(biāo)，干密度或干重度愈大表明土愈密實，反之愈疏松。（四）干密度ρd與干重度γd土的干密度：單位體積內(nèi)土粒的質(zhì)量，表達(dá)式：（2.13）18（五）飽和密度ρsat與飽和重度γsat飽和密度定義：土中孔隙完全被水充滿土處于飽和狀態(tài)時單位體積土的質(zhì)量。表達(dá)式為：（2.15）19在飽和狀態(tài)下，單位體積土的重量稱為飽和重度，其表達(dá)式為：（2.16）20（六）浮密度ρ’與浮重度（有效重度）γ’土在水下，受到水的浮力作用，其有效重量減小，因此提出了浮重度，即有效重度的概念，其表達(dá)式為：

（2.17）21與其相應(yīng)，提出了浮密度的概念，土的浮密度是單位體積內(nèi)的土粒質(zhì)量與同體積水質(zhì)量之差，其表達(dá)式為：（2.18）或（2.19）從上述四種土的密度或重度的定義可知，同一土樣各種密度或重度在數(shù)值上有如下關(guān)系：22三、物理性質(zhì)指標(biāo)間的換算常用的土的物理指標(biāo)共有九個。已知其中任意三個，通過換算可以求出其余的六個。（一）孔隙比與孔隙率的關(guān)系設(shè)土體內(nèi)土粒的體積為1，則e=Vv/V可知，孔隙的體積Vv為e，土體的體積V為（1＋e），于是有：（2.20）或（2.21）三相示意圖（a）23（二）干密度與濕密度和含水率的關(guān)系設(shè)土體的體積V為1，則ρd=ms/V，土體內(nèi)土粒的質(zhì)量ms為ρd，由w=mw/ms水的質(zhì)量mw為wρd。于是，按式（2.4）的定義可得：

或

（2.22）24（三）孔隙比與比重和干密度的關(guān)系設(shè)土體內(nèi)土粒的體積為1，則按e=Vv/V，孔隙的體積vv為e；由ρs＝ms/Vs得土粒的質(zhì)量ms為ρs。于是，按ρd的定義可得：應(yīng)用式（2.6）整理得：(2.23)25（四）飽和度與含水率、比重和孔隙比得關(guān)系設(shè)土體內(nèi)土粒的體積為1，則按e=Vv/V得體積vv=e；由ρs＝ms/Vs得土粒的質(zhì)量ms=ρs。按w=mw/ms，水得質(zhì)量mw=wρs，則水得體積vw=mw/ρw=wρs/ρw。于是，Sr定義可得：（2.24）當(dāng)土飽和時，即Sr為100％，則：（2.25）式中：wsat——飽和含水率。26（五）浮密度與比重和孔隙比得關(guān)系設(shè)土體內(nèi)土粒體積為1，則按e=Vv/V，孔隙的體積Vv為e；由ρs＝ms/Vs得土粒的質(zhì)量ms為ρs。于是，按式（2.18）可得：（2.26）272.5土的物理狀態(tài)指標(biāo)土的物理狀態(tài)粗粒土的松密程度粘性土的軟硬狀態(tài)土的物理性質(zhì)指標(biāo)(三相間的比例關(guān)系)力學(xué)特性影響表示emax與emin：最大與最小孔隙比

2.5.1無粘性土的物理狀態(tài)指標(biāo)密實度如何衡量?單位體積中固體顆粒含量的多少優(yōu)點：簡單方便缺點：不能反映級配的影響只能用于同一種土對策相對密度孔隙比e或孔隙率nemin

=0.35emin

=0.20emax:最大孔隙比；將松散的風(fēng)干土樣通過長頸漏斗輕輕地倒入容器，避免重力沖擊，求得土的最小干密度再經(jīng)換算得到最大孔隙比emin:最小孔隙比；將松散的風(fēng)干土樣裝入金屬容器內(nèi)，按規(guī)定方法振動和錘擊，直至密度不再提高，求得土的最大干密度再經(jīng)換算得到最小孔隙比emax與emin：最大與最小孔隙比注意：室內(nèi)測得理論上的最大與最小孔隙比有時很困難粗粒土的密實狀態(tài)指標(biāo)

判別標(biāo)準(zhǔn)：

Dr

=1

,最密狀態(tài)

Dr

=0

,最松狀態(tài)

Dr≤1/3,

疏松狀態(tài)1/3<

Dr≤

2/3,中密狀態(tài)

Dr>2/3

,密實狀態(tài)相對密度【例3】某砂土試樣,試驗測定土粒相對密度Gs=2.7,含水量w=9.43%,天然密度ρ=1.66/cm3。已知單位體積砂樣最密實狀態(tài)時稱得干砂質(zhì)量ms1=1.62kg,最疏松狀態(tài)時稱得干砂質(zhì)量ms2=1.45kg。求此砂土的相對密度Dr,并判斷砂土所處的密實狀態(tài)【解答】砂土在天然狀態(tài)下的孔隙比砂土最小孔隙比砂土最大孔隙比相對密實度∈（1/3,2/3]中密狀態(tài)2.5.2粘性土的物理狀態(tài)指標(biāo)也稱稠度狀態(tài)稠度狀態(tài)與含水量有關(guān)粘性土含水量較硬變軟流動塑限wp稠度界限粘性土的稠度反映土中水的形態(tài)固態(tài)或半固態(tài)塑態(tài)

流態(tài)

強結(jié)合水膜最大出現(xiàn)自由水強結(jié)合水弱結(jié)合水自由水稠度狀態(tài)含水量土中水的形態(tài)w（%）半固態(tài)與固態(tài)之間的分界含水率。到固態(tài)后體積不再收縮而得名。液限1．液限、塑限和縮限——吸附結(jié)合水的能力；粘性大?。淮笾路从痴惩令w粒含量

1）塑性指數(shù)常作為細(xì)粒土工程分類的依據(jù)缺點不能充分反映粘土顆粒含量

不同的粘土礦物結(jié)合水的能力不同活性指數(shù)p0.002:粒徑小于0.002mm顆粒的質(zhì)量占總土總質(zhì)量的百分比A<0.75A=075–1.25A>1.25非活性粘土正常粘土活性粘土2．塑性指數(shù)、液性指數(shù)相對稠度對于不同的粘土，含水量相同，稠度可能不同液性指數(shù)不同的粘土，wp、wL

大小不同定義：wpwwlIL<0IL=0–1IL>1堅硬狀態(tài)可塑狀態(tài)流態(tài)0.00–0.250.25-0.750.75–1.00硬塑可塑軟塑2）液性指數(shù)相同含水量、密度1)

粘性土的靈敏度—

St

=原狀土結(jié)構(gòu)性相同含水量密度粉碎重塑重塑土強度降低St11-22-44-88-16>16粘性土不靈敏低靈敏中等靈敏靈敏很靈敏流動原狀土的無側(cè)限抗壓強度重塑土的無側(cè)限抗壓強度3.土的靈敏度和觸變性含水量不變，密度不變，因重塑而強度降低，又因靜置而逐漸強化，強度逐漸恢復(fù)的現(xiàn)象，稱為觸變性。土的觸變性是土結(jié)構(gòu)中聯(lián)結(jié)形態(tài)發(fā)生變化引起的，是土結(jié)構(gòu)隨時間變化的宏觀表現(xiàn)。目前尚沒有合理的描述土觸變性的方法和指標(biāo)。2)

粘性土的觸變性

粗粒土的密實狀態(tài)指標(biāo):相對密度Dr

小結(jié)2.5物理狀態(tài)指標(biāo)細(xì)粒土的稠度狀態(tài)指標(biāo):液性指數(shù)IL引入定義判別標(biāo)準(zhǔn)稠度界限稠度狀態(tài)含水量土中水的形態(tài)塑性指數(shù)液性指數(shù)引入定義判別標(biāo)準(zhǔn)

反映粘性土結(jié)構(gòu)性的指標(biāo):1)靈敏度;2)觸變性.壓實：指通過夯打、振動、碾壓等，使土體變得密實、以提高土的強度、減小土的壓縮性和滲透性壓實性：指土在一定壓實能量作用下密度增長的特性研究擊實性的目的：

以最小的能量消耗獲得最大的壓實密度

擊實方法：室內(nèi)擊實試驗現(xiàn)場試驗:夯打、振動、碾壓2.6土的壓實性一.室內(nèi)擊實試驗二.細(xì)粒土的壓實性三.粗粒土的壓實性2.6土的壓實性擊實筒護(hù)筒擊錘導(dǎo)筒一.室內(nèi)擊實試驗

試驗設(shè)備

擊實筒V=1000cm3；擊實錘w=25牛頓

試驗條件

土樣分層n=3層；落高d=30cm；擊數(shù)N=27/層

擊實能量

試驗方法

對w=cosnst的土；分三層壓實；測定擊實后的w、ρ，算定ρd

注意：僅適用于細(xì)粒土；對粗粒土，可用較大尺寸的擊實儀2.6土的壓實性二.細(xì)粒土的壓實性1.擊實曲線2.理論分析3.影響因素4.壓實標(biāo)準(zhǔn)2.6土的壓實性1.擊實曲線特點：①具有峰值②位于飽和曲線之下

粘性土滲透系數(shù)很小，壓實過程中含水量幾乎不變，要想擊實到飽和狀態(tài)是不可能的。0481216202428含水量w(%)2.01.81.61.4干密度d(g/cm3)飽和曲線dmax=1.86wop=12.1二.細(xì)粒土的壓實性最大干密度最優(yōu)含水量2.6土的壓實性2.理論分析壓實機理：顆粒被擊碎，土粒定向排列;粒團(tuán)破碎，粒間聯(lián)結(jié)力被破壞而發(fā)生孔隙體積減小;空氣被擠出或被壓縮等水膜潤滑作用效果最佳;尚沒有形成封閉氣泡，氣體易于排出;顆粒表面水膜很薄，相對移動困難

水膜潤滑作用不明顯;封閉氣泡難以排出;增加水的相對含量

wwop,ρdρdmaxw<wop,ρd<

ρdmaxw>wop,ρd<

ρdmax

0481216202428含水量w(%)2.01.81.61.4干密度d(g/cm3)飽和曲線dmax=1.86wop=12.1二.細(xì)粒土的壓實性2.6土的壓實性3.影響因素a.擊實功能b.土的級配

c.擊實方式夯實、輾壓、振動；輾壓對粘土比較合適

E二.細(xì)粒土的壓實性2.6土的壓實性4.壓實標(biāo)準(zhǔn)粘性土存在最優(yōu)含水量wop，在填土施工中應(yīng)該將土料的含水量控制在wop左右，以期得到ρdmax。在wop的干側(cè)：常具有凝聚結(jié)構(gòu)。土質(zhì)比較均勻，強度較高，較脆硬，不易壓密；但浸水時易產(chǎn)生附加沉降。在wop的濕側(cè)：常具有分散結(jié)構(gòu)。土體可塑性大，適應(yīng)變形的能力強；但強度較低，具有各向異性。在設(shè)計土料時應(yīng)根據(jù)填土的要求和當(dāng)?shù)赝亮系奶烊缓?，選定合適的含水量，一般要求為：

b.工程上常采用壓實度Dc控制（作為填方密度控制標(biāo)準(zhǔn)）Ⅰ、Ⅱ級土石壩

Dc>95~98%

Ⅲ~Ⅴ級土石壩

Dc>92~95%

二.細(xì)粒土的壓實性①不存在最優(yōu)含水量；②在完全風(fēng)干和飽和兩種狀態(tài)下易于擊實；③潮濕狀態(tài)下ρd明顯降低。

三.粗粒土的壓實性

1.擊實曲線特點20%粗砂

w

=4~5%中砂

w=7%；時，干密度較大

2.理論分析對粗粒土，擊實過程中可以自由排水，不存在細(xì)粒土中出現(xiàn)的現(xiàn)象。在潮濕狀態(tài)下，存在著假凝聚力，加大了阻力。3.壓實標(biāo)準(zhǔn)常用相對密度控制Dr>0.7~0.75施工過程中要么風(fēng)干，要么就充分灑水，使土料飽和2.6土的壓實性小結(jié)一.室內(nèi)擊實試驗二.細(xì)粒土的壓實性三.粗粒土的壓實性1.擊實曲線2.理論分析3.影響因素4.壓實標(biāo)準(zhǔn)1.擊實曲線2.理論分析3.壓實標(biāo)準(zhǔn)2.6土的壓實性目的：依據(jù)：2.7巖土的工程分類便于研究及應(yīng)用能反映土的物理力學(xué)性質(zhì)－土的組成土的狀態(tài)土的結(jié)構(gòu)2.7.1按現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行巖土的分類目前，《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》GB50007-2002、《巖土工程勘察規(guī)范》GB50021-2001和《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》JTJD063-2007對巖土的分類標(biāo)準(zhǔn)是相同的。該分類體系的主要特點是，在考慮劃分標(biāo)準(zhǔn)時，注重土的天然結(jié)構(gòu)特性和強度，并始終與土的主要工程特性——變形和強度特征緊密聯(lián)系。因此，該分類標(biāo)準(zhǔn)既考慮了按沉積年代和地質(zhì)成因的劃分，同時又將某些特殊形成條件和特殊工程性質(zhì)的區(qū)域性特殊土與普通土區(qū)別開來。地基土按沉積年代可劃分為：①老沉積土：第四紀(jì)晚更新世Q3及其以前沉積的土，一般呈超固結(jié)狀態(tài)，具有較高的結(jié)構(gòu)強度；②新近沉積土：第四紀(jì)全新世近期沉積的土，一般呈欠固結(jié)狀態(tài)，結(jié)構(gòu)強度較低。根據(jù)地質(zhì)成因土可分為殘積土、坡積土、洪積土、沖積土、湖積土、海積淤積土、風(fēng)積土和冰積土。作為建筑地基的巖土可分為巖石、碎石土、砂土、粉土、粘性土、人工填土和特殊土。1.巖石巖石為顆粒間牢固粘結(jié)，呈整體或具有節(jié)理裂隙的巖體稱為巖石，巖石的堅硬程度可根據(jù)巖塊的飽和單軸抗壓強度fr分類：

2.碎石土

粒徑大于2mm的顆粒含量超過全重50％的土稱為碎石土。根據(jù)顆粒級配和顆粒性質(zhì)分為漂石、塊石、卵石、碎石、圓礫和角礫。3.砂土

粒徑大于2mm的顆粒含量不超過全重50％，且粒徑大于0.075mm的顆粒含量超過全重50％的土稱為砂土。根據(jù)顆粒級配分為礫砂、粗砂、中砂、細(xì)砂和粉砂。

4.粉土粉土也稱為粉性土，粉土是介于砂土和粘性土之間，塑性指數(shù)Ip≤10，粒徑大于0.075mm的顆粒含量不超過全重50％的土。根據(jù)粉粒、粘粒、砂粒之間含量的分配情況，細(xì)分為粘質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土和粉土。5.粘性土

粘性土是指塑性指數(shù)Ip＞10的土。根據(jù)塑性指數(shù)又可分為粉質(zhì)粘土和粘土。Ip＞17粘土；10＞Ip≤17粉質(zhì)粘土。在靜水或緩慢的流水環(huán)境中沉積，并經(jīng)生物化學(xué)作用形成，其天然含水量大于液限、天然孔隙比e≥1.5的粘性土稱為淤泥。當(dāng)天然含水量大于液限而1.5>e≥1.0的粘性土或粉土為淤泥質(zhì)土。6.人工填土

由于人類活動而形成的堆積物稱為人工填土。物質(zhì)成分較雜亂，均勻性較差，根據(jù)其物質(zhì)組成和成因，可分為素填土、壓實填土、雜填土和沖填土。