土基本指標檢測與土工程分類

土基本指標檢測與土工程分類第一頁，共60頁。1土的三相組成土是巖石經(jīng)過風化后在不同條件下形成的自然歷史的產(chǎn)物搬運、沉積

風化巖石地球土地球任務1土的基本物理性質(zhì)指標檢測第二頁，共60頁。氣相固相液相++構成土骨架，起決定作用重要影響土體次要作用第三頁，共60頁。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、粒間膠結物；

液相：土體孔隙中的水；

氣相：孔隙中的空氣。當土骨架的孔隙全部被水占滿時，這種土稱為飽和土；由土粒、水和氣三者共同組成的土處于非飽和狀態(tài)。土的三相組成物質(zhì)的性質(zhì)、相對含量以及土的結構構造等因素，必然會影響到土的物理性質(zhì)，而土的物理性質(zhì)又在一定程度上決定了其力學性質(zhì)，所以，研究土的力學性質(zhì)必須首先研究其物理性質(zhì)。土中水土粒土中氣土的三相示意圖當土骨架的孔隙全部被氣體占滿時，這種土稱為干土；第四頁，共60頁。1.1土的固相形成土粒的礦物成分各不相同，主要取決于成土母巖的礦物成分及其風化作用。1.1.1原生礦物

是指巖石經(jīng)物理風化作用破碎形成的礦物顆粒，如石英、長石、云母等。1.1.2次生礦物

是原生礦物經(jīng)化學風化作用后形成的新的礦物，主要是粘土礦物，包括三種類型：

高嶺石、伊里石、蒙脫石。1.1.3土中的有機質(zhì)有機質(zhì)是在土的形成過程中動、植物的殘骸及其分解物質(zhì)與土混慘沉積在一起經(jīng)生物化學作用生產(chǎn)的物質(zhì)。第五頁，共60頁。第六頁，共60頁。結合水土中水液態(tài)水固態(tài)水：礦物晶體內(nèi)的結合水（結晶水），礦物的一部分，呈固態(tài)，只有在高溫（>105C）下，才能從礦物中吸出。自由水強結合水：緊靠土顆粒表面弱結合水：緊靠強結合水外圍重力水：能形成水壓力并能在土中流動的水，位于地下水位以下毛細水：受到水與空氣交界面處表面張力作用的自由水，存在于地下水位以上的透水層中。氣態(tài)水：土中氣的一部分由于電分子引力作用而緊密吸附于土粒表面的水1.2土中的水（土的液相）第七頁，共60頁。1.2.1結合水

排列致密、定向性強不能傳遞靜水壓力密度>1g/cm3冰點處于零下幾十度具有固體的的特性溫度高于100°C時可蒸發(fā)強結合水

位于強結合水之外，電場引力作用范圍之內(nèi)外力作用下可以移動不因重力而移動，有粘滯性弱結合水第八頁，共60頁。結合水對土的工程性質(zhì)的影響：

對于細粒土，當粘粒含量很高，特別是當粘粒由粘土礦物組成時，由于它們多呈片狀，比表面很大，結合水往往占有很大的孔隙體積，故細粒土的性質(zhì)將受結合水的重大影響。

對于粗粒土，由于顆粒在三個方向的尺寸屬同一數(shù)量級，比表面較小，因此，在孔隙水的體積中結合水的體積可忽略不計。故粗粒土的性質(zhì)主要取決于土粒的形狀、級配和排列。第九頁，共60頁。自由水重力水毛細水在重力作用下可在土中自由流動

存在于固氣之間在重力與表面張力作用下可在土粒間空隙中自由移動重力水是存在于地下水位以下的透水土層中的地下水，是在重力作用下運動的自由水，對土體有浮力作用。重力水的滲流特征，是地下工程排水和防水工程的主要控制因素之一，對土中的應力狀態(tài)和開挖基槽、基坑以及修筑地下構筑物有重要的影響。1.2.2自由水

土中存在許多大小不同的相互連通的彎曲孔道，由于水分子與土粒分子之間的附著力和水氣界面上的表面張力，地下水將沿著毛細管被吸上來，在地下水位以上形成一定高度的毛細水帶。離開土顆粒表面較遠，不受土顆粒電分子引力作用，且可自由移動的水。第十頁，共60頁。兩種基本類型：一種是自由氣體，即與大氣連通的氣體；另一種是封閉氣體，即與大氣不連通的以氣泡形式存在的封閉氣體。土中氣對土的工程性質(zhì)的影響（1）自由氣體：對土的性質(zhì)影響不大。（2）封閉氣體：對土的性質(zhì)有較大的影響。增加土的彈性，使土的滲透性減小，延長土體受力后變形達到穩(wěn)定的歷時。1.3土中的氣體第十一頁，共60頁。表示土的三相組成比例關系的指標，稱為土的三相比例指標,包括土粒比重、含水量，密度、孔隙比、孔隙率和飽和度等。三相成分的體積和質(zhì)量間的比例關系也決定著土的物理、力學性質(zhì)。2土的物理性質(zhì)指標WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm質(zhì)量體積2.1土的三相草圖第十二頁，共60頁。三相草圖WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm質(zhì)量體積已知五個物理量關系:共有九個物理量參數(shù):

VVvVsVaVω/msmωmam剩下三個獨立變量三相草圖法物理性質(zhì)指標是比例關系:可假設任一參數(shù)為1對于飽和土,Va=0剩下兩個獨立變量實驗室測定其它指標是一種簡單而實用的方法第十三頁，共60頁。2.2土的物理性質(zhì)指標WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm質(zhì)量體積----土的密度、土粒的比重、土的含水量1.土的密度（常用環(huán)刀法、灌砂法、灌水法等測定）土的重度（或容重）：單位體積土的重量，用γ表示，單位為kN/m3。工程上更常用,用于計算土的自重應力單位:kg/m3

或g/cm3一般范圍:1.60—2.20

g/cm3定義:單位體積土的質(zhì)量有時也稱土的天然密度表達式:三相草圖有助于直觀理解物性指標的概念表達式:2.2.1實測指標第十四頁，共60頁。

環(huán)刀法是用一個圓環(huán)刀（刀刃向下）放在削平的原狀土樣面上，徐徐削去環(huán)刀外圍的土，邊削邊壓，使保持天然狀態(tài)的土樣壓滿環(huán)刀內(nèi)，稱得環(huán)刀內(nèi)土樣的質(zhì)量，求得它與環(huán)刀容積之比值即為其密度。第十五頁，共60頁。WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm質(zhì)量體積2.土粒比重s:

土粒的密度，單位體積土粒的質(zhì)量單位:無量綱土粒比重一般范圍:

粘性土2.70—2.75砂土2.654?C時純蒸餾水的密度=1.0g/cm3土粒比重在數(shù)值上等于土粒的密度定義:土粒的密度與4?C時純蒸餾水的密度的比值表達式:

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m1

。然后把質(zhì)量為ms的烘干土裝入該空比重瓶內(nèi)，再加純水至滿，稱瓶加土加水的質(zhì)量m2

。第十六頁，共60頁。WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm質(zhì)量體積3.土的含水量定義:土中水的質(zhì)量與土粒質(zhì)量之比,

用百分數(shù)表示注意:

其實是含水比,可達到或超過100％。表達式:

測定含水率常用的方法是烘干法、酒精燃燒法、土壤濕度計。第十七頁，共60頁。含水率試驗：烘干法第十八頁，共60頁。天然密度干密度飽和密度天然容重干容重浮容重有效容重飽和容重WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm質(zhì)量體積單位:kg/m3

或g/cm3單位:kN/m3

定義:

土被完全烘干時的密度,等于單位體積內(nèi)土粒的質(zhì)量表達式:2.2.2換算指標第十九頁，共60頁。各種密度容重之間的大小關系：天然密度干密度飽和密度天然容重干容重浮容重飽和容重WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm質(zhì)量體積第二十頁，共60頁?？紫侗萫孔隙率n關系:在某種程度上反映土的松密砂類土：28-35%粘性土：30-50%有的可達60-70%定義:土中孔隙體積與固體顆粒體積之比,無量綱表達式:WaterAirSoilVaVwVsVvV體積定義:土中孔隙體積與總體積之比,用百分數(shù)表示表達式:Vs=1Vv=eV=1+eWaterAirSoil體積三相草圖可用于確定物理性質(zhì)指標之間的關系第二十一頁，共60頁。飽和度WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm質(zhì)量體積表達式:定義:土中水的體積與孔隙體積的比值飽和度表示孔隙中充滿水的程度Sr=0:

干土Sr=1:

飽和土第二十二頁，共60頁。2.2.3物理性質(zhì)指標間的換算（1）孔隙比和孔隙率的關系孔隙土粒e體積11+e第二十三頁，共60頁。（2）干密度與濕密度和含水率的關系空氣土粒水體積1質(zhì)量第二十四頁，共60頁。（2）孔隙比與比重和干密度的關系孔隙土粒e體積11+e質(zhì)量第二十五頁，共60頁。土的三相圖（4）飽和度與含水率、比重和孔隙比的關系e體積1質(zhì)量空氣土粒水第二十六頁，共60頁。（5）浮密度與比重和孔隙比的關系孔隙土粒e體積11+e質(zhì)量第二十七頁，共60頁。1黏性土的稠度稠度狀態(tài)與含水量有關粘性土含水量較硬變軟流動

所謂黏性土，一般是指由次生礦物組成、顆粒較細，具有可塑性的土。在外力作用下，可被塑造成任何形狀，當外力去掉后，仍可保持被塑造形狀的性質(zhì)稱為可塑性。粘性土土粒之間的粘結力較強，呈現(xiàn)具有很大孔隙的蜂窩狀結構或絮狀結構。稠度：指粘性土的干濕程度或在某一含水率下抵抗外力作用而變形或破壞的能力，是粘性土最主要的物理狀態(tài)指標。1.1黏性土的稠度和界限含水率任務2土的物理狀態(tài)的判定第二十八頁，共60頁。塑限ωp液限ωl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)

強結合水膜最大出現(xiàn)自由水強結合水弱結合水自由水稠度狀態(tài)含水量土中水的形態(tài)w第二十九頁，共60頁。

粘性土從一種狀態(tài)轉變?yōu)榱硪环N狀態(tài)的分界含水率稱為界限含水率。這種界限含水率稱為稠度界限。界限含水率流態(tài)Vw0可塑態(tài)半固態(tài)固態(tài)膨脹收縮wLwPwS工程上常用的稠度界限有液限、塑限和縮限第三十頁，共60頁。液限（WL）——從流動狀態(tài)轉變?yōu)榭伤軤顟B(tài)的界限含水率，也就是可塑狀態(tài)的上限含水率；塑限（Wp）——從可塑狀態(tài)轉變?yōu)榘牍腆w狀態(tài)的界限含水率，也就是可塑狀態(tài)的下限含水率；縮限（Ws）——從半固體狀態(tài)轉變?yōu)楣腆w狀態(tài)的界限含水率,亦即粘性土隨著含水率的減小而體積開始不變時的含水率。第三十一頁，共60頁。液、塑限的測定測定塑限的方法：搓條法和液、塑限聯(lián)合測定法。測定液限的方法：碟式儀法、錐式液限儀、和液、塑限聯(lián)合測定法?！按陾l法”：用雙手將天然濕度的試樣搓成橢圓形，放在毛玻璃板上用手掌慢慢搓滾成小土條，若土條直徑為3mm時產(chǎn)生裂縫并開始斷裂，此時試樣的含水率即為塑限。塑限的測定第三十二頁，共60頁。塑限的測定液、塑限聯(lián)合測定法聯(lián)合測定法是采用錐式液限儀以電磁放錐，利用光電方式測讀圓錐的入土深度。試驗時，對3個以上不同含水率的粘性土試樣進行試驗，并按測定結果在雙對數(shù)坐標紙上作出圓錐體的入土深度與含水率的關系曲線。根據(jù)大量的試驗資料知，該關系曲線接近于一條直線，對應于圓錐體入土深度為10mm及2mm時的試樣含水率分別為該土的液限和塑限試樣含水量（%）第三十三頁，共60頁。碟式儀法、錐式液限儀液限的測定我國一般采用錐式液限儀來測定粘性土的液限。將調(diào)成均勻的濃糊狀試樣裝滿盛土杯，刮平杯口表面，將質(zhì)量為76g、錐角為30°的圓錐體輕放在試樣表面的中心，使其在自重作用下沉入試樣，若圓錐體經(jīng)5s恰好沉入10mm深，這時試樣的含水率即為液限值。歐美、日本等國家采用碟式液限儀測定液限。將調(diào)成均勻的濃糊狀試樣裝在碟內(nèi)，刮平表面，用開槽器在土中成槽，槽底寬度為2mm，然后將碟子抬高10mm，使碟自由下落，連續(xù)下落25次后，如槽底兩邊試樣的合攏長度為13mm，這時試樣的含水率即為液限。硬橡膠底座試樣第三十四頁，共60頁?？s限的測定土的縮限用收縮皿法測定。式中：ws——土的縮限（％）w——制備時的含水率（％）V1——濕試樣的體積（cm3），V2——干試樣的體積（cm3）

把土料的含水率調(diào)制到大于土的液限，然后將試樣分層填入收縮皿中，刮平表面，烘干，測出干試樣的體積并稱量準確至0.1g后，按下式計算第三十五頁，共60頁。1.2塑性指數(shù)與液性指數(shù)塑性指數(shù)（PlasticityIndex）：液限和塑限之差的百分數(shù)值（去掉百分號）。用Ip表示。液性指數(shù)（LiquidityIndex）：為粘性土的天然含水率和塑限的差值與塑性指數(shù)之比。

粘性土的物理狀態(tài)可用液性指數(shù)來判別：w≤wp時，IL≤0，土處于堅硬狀態(tài)；wp＜w≤wL時，0＜IL≤1.0，土處于可塑狀態(tài)；wL＜w時，IL＞1.0，土處于流動狀態(tài)。塑性指數(shù)綜合反映了粘性土及其組成的基本特性。因此，在工程上常按塑性指數(shù)對黏性土進行分類。第三十六頁，共60頁。應該注意的是，粘性土的界限含水率均是在實驗室中將試樣充分攪拌、完全破壞其天然結構后得出的粘性土（即重塑土）的特征指標，因此，液性指數(shù)沒有反映土的原狀結構對土的強度的影響。也就是說：天然生成的具有一定結構的原狀土，在其含水率達到液限后，仍有可能具有一定的強度，不處于流動狀態(tài)。但一旦土的結構性遭到破壞，如振動、擠壓等，土的強度立即喪失，從而呈現(xiàn)出流動狀態(tài)。表2-7《建筑地基基礎設計規(guī)范》對粘性土按液性指數(shù)劃分軟硬狀態(tài)狀態(tài)堅硬硬塑可塑軟塑流塑液性指數(shù)IL≤00＜IL≤0.250.25＜IL≤0.750.75＜IL≤1.0IL＞1.0第三十七頁，共60頁。

所謂無粘性土，一般是指由原生礦物組成，顆粒較粗的土。無粘性土的土粒之間的粘結力很弱或無粘結，往往形成單粒結構。

影響無粘性土工程性質(zhì)的主要因素是其密實度。若土粒排列緊密，其結構就穩(wěn)定，壓縮變形小，強度高，是良好的地基；反之，若土粒排列疏松，其結構不穩(wěn)定，則其工程性質(zhì)較差。2無粘性土的密實狀態(tài)2.1用孔隙比e判別判斷無粘性土密實度最簡單的方法，是用孔隙比e來描述。孔隙比愈小，表示土愈密實；孔隙比愈大，表示土愈疏松。第三十八頁，共60頁。

判別標準：

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)注意：室內(nèi)測得理論上的最大與最小孔隙比有時很困難在工程上，用相對密實度Dr劃分無粘性土的狀態(tài)如下：2.2用相對密實度Dr判別emax:最大孔隙比；將松散的風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第三十九頁，共60頁。標準貫入試驗是用標準錘重（63.5kg），以一定的落距（76cm）自由下落產(chǎn)生的錘擊能，將試驗孔中的標準貫入器打入要測試的土體中，記錄貫入器貫入土體30cm的錘擊數(shù)N。表2-8原位標準貫入試驗錘擊數(shù)N劃分砂類土密實度50~3029~109~5<5公路橋涵地基及基礎設計規(guī)范>30建筑地基基礎設計規(guī)范密實中密稍密松散（極松）砂土的密實度2.3用標準貫入試驗錘擊數(shù)N判別第四十頁，共60頁。粒組顆粒名稱粒徑d的范圍（mm）巨粒漂石（塊石）d＞200卵石（碎石）60＜d≤200粗粒礫粒粗礫20＜d≤60中礫5＜d≤20細礫2＜d≤5砂粒粗砂0.5＜d≤2中砂0.25＜d≤0.5細砂0.075＜d≤0.25細粒粉粒0.005＜d≤0.075黏粒d≤0.005表2-12粒組劃分

土粒的大小通常以粒徑來評價。對土粒按粒徑大小、工程性質(zhì)劃分的組，稱為粒組。劃分粒組的分界粒徑尺寸稱為界限粒徑。該粒徑為名義粒徑。1土的粒組及粒徑級配1.1概念任務3土的工程分類第四十一頁，共60頁。

在自然界中很難遇到由單一粒組的土粒所組成的土，絕大多數(shù)都是由幾種粒組的土?；旌辖M成。因此，研究天然土中土粒的組成情況，不僅要了解土粒的大小，而且要了解各種粒組的顆粒所占的比例。以占土?？傊氐陌俜謹?shù)表示土中各粒組土粒的含量，稱為土的顆粒級配。粒徑級配——各粒組的相對含量，用質(zhì)量百分數(shù)來表示第四十二頁，共60頁。篩分法：適用于粗粒土(>0.075mm);密度計法：適用于細粒土(<0.075mm)

密度計法的試驗原理示意圖

篩分試驗示意圖

1.2顆粒大小分析試驗測定土中各粒組顆粒質(zhì)量所占該土總質(zhì)量的百分數(shù)，確定粒徑分布范圍的試驗稱為土的顆粒大小分析試驗。第四十三頁，共60頁。顆分析篩第四十四頁，共60頁。篩分法利用一套孔徑由大到小的篩子，將按規(guī)定方法取得的一定質(zhì)量的干試樣放入一次疊好的篩中，置振篩機上充分振搖后，稱出留在各級篩上的土粒的質(zhì)量，按下式計算出小于某土粒粒徑的土粒含量百分數(shù)X（％）。式中：mi，m－分別為小于某粒徑的土粒質(zhì)量及試樣總質(zhì)量。第四十五頁，共60頁。密度計第四十六頁，共60頁。密度計法利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同來確定小于某粒徑的土粒含量的方法。

將一定質(zhì)量土浸入水中攪拌成懸液，攪拌停止后，土粒便開始下沉，懸液的濃度隨之發(fā)生變化。利用特制的密度計，在不同時刻測懸液濃度的變化。即可換算出相應的粒徑及小于該粒徑的土粒質(zhì)量，繪出級配曲線。

名義粒徑：篩分法中以篩孔徑代表；密度計法中以與實際土顆粒在水中沉降速率相同的同樣物質(zhì)的球的直徑代表。第四十七頁，共60頁。1.3顆粒級配曲線

粒徑分布曲線

粒組頻率曲線

第四十八頁，共60頁。105.02.01.00.50.250.1200g101618242238721009080706050403020100小于某粒徑之土質(zhì)量百分數(shù)P（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒徑(mm)P%958778665536土的粒徑級配累積曲線水分法粒徑(mm)0.050.010.005百分數(shù)P(%)2613.510第四十九頁，共60頁。1009080706050403020100小于某粒徑之土質(zhì)量百分數(shù)（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒徑(mm)土的粒徑級配累積曲線d60d50d10d30d60d10d30CuCc0.330.0050.063662.41特征粒徑:

d60:限制粒徑d10

:有效粒徑d30

：中值粒徑不均勻程度：Cu=d60/d10連續(xù)程度:Cc=d302

/(d60×d10)

—曲率系數(shù)—不均勻系數(shù)粗細程度：用d50

表示

1.4級配良好與否的判別第五十頁，共60頁。1009080706050403020100小于某粒徑之土質(zhì)量百分數(shù)（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒徑(mm)土的粒徑級配累積曲線d60d10d30曲線d60d10d30CuCcL0.330.0050.081663.98M0.0632.41R0.0300.545曲線愈陡，表示粒徑大小相差不多，土粒較均勻，級配不良；曲線愈緩，表示粒徑大小相差懸殊，土粒不均勻，級配良好。Cc

過大或過小表明土中缺少中間粒組Cc=1~3,級配連續(xù)性好第五十一頁，共60頁。工程上常用不均勻系數(shù)Cu描述顆粒級配的不均勻程度

d10、d30、d60小于某粒徑的土粒含量為10%、30%和60%時所對應的粒徑Cu愈大，表示土粒愈不均勻。工程上把Cu＜5的土視為級配不良的土；Cu＞10的土視為級配良好的土

曲率