1-土的物理性質(zhì)和工程分類

一土的物理性質(zhì)與工程分類積土成山，風(fēng)雨興焉——《勸學(xué)》本章大綱土的形成土的三相組成土的結(jié)構(gòu)性土的三相關(guān)系與物理狀態(tài)土的脹縮性土的工程分類本章實(shí)驗(yàn)1、土的形成風(fēng)化作用——土的成因搬運(yùn)與沉積——土的形成機(jī)理土與巖石關(guān)系圖解巖石風(fēng)化作用顆粒堆積物搬運(yùn)、堆積土壓密、巖化土的“生長(zhǎng)期”——第四紀(jì)第四紀(jì)包括更新世（2.588±0.005）和全新世（0.011700）新生代古近紀(jì)古新世

65.5±0.3始新世

55.8±0.2漸新世

33.9±0.1新近紀(jì)中新世

23.03±0.05上新世

5.332±0.005第四紀(jì)更新世

2.588±0.005全新世

0.011700人類的出現(xiàn)與進(jìn)化是第四紀(jì)最重要的事件之一除巖石裸露的陡峻山坡外，全球幾乎到處被第四紀(jì)沉積物覆蓋第四紀(jì)沉積物形成較晚，大多未膠結(jié)，保存比較完整巖石→土顆粒之風(fēng)化作用物理風(fēng)化（原生礦物）氣候變化引起的脹縮開裂，搬運(yùn)過(guò)程中的碰撞和摩擦礦物成份與母巖相同，產(chǎn)生碎散性化學(xué)風(fēng)化（次生礦物）環(huán)境因素（水、空氣等）引起礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)包括：水解、水化、氧化、溶解等作用微細(xì)顆粒和可溶性鹽，吸水，產(chǎn)生三相結(jié)構(gòu)性土的形成與年代相關(guān)，且隨著時(shí)間增長(zhǎng)繼續(xù)發(fā)生變化——自然變異性搬運(yùn)和堆積殘積土(Residualsoils)未移動(dòng)、覆蓋下部母巖顆粒粗糙棱角、粗細(xì)不均、無(wú)明顯層理施工中宜挖去殘積土，采用下部基巖運(yùn)積土(Transportedsoils)洪積土、沖積土、湖泊沼澤沉積土、海相沉積土坡積土冰積土、風(fēng)積土殘積土水力運(yùn)積土洪積土洪水搬運(yùn)，顆粒由粗及細(xì)，需重視“透鏡體”沖積土河水搬運(yùn)，顆粒圓滑，形成砂粘土交疊層，需重視軟弱夾層湖泊沼澤沉積土極緩水流沉積，生物化學(xué)作用形成淤泥質(zhì)土，工程性質(zhì)差海相沉積土入?？诙逊e，顆粒細(xì)，土質(zhì)松軟，工程性質(zhì)差重力運(yùn)積土及其他坡積土在降雨或重力作用下，坡腳處形成的堆積物，土粒性質(zhì)不均，需注意滑坡冰積土冰川或冰水挾帶搬運(yùn)所形成的沉積物，顆粒粗細(xì)變化較大，土質(zhì)不均勻風(fēng)積土風(fēng)力搬運(yùn)形成的堆積物，顆粒均勻，不具層理與土相關(guān)的工程設(shè)計(jì)總是與工程地質(zhì)因素密不可分冰積土實(shí)例——珠峰昆布冰川猜猜：什么電影？什么土？成因？風(fēng)化作用風(fēng)化作用類型物理風(fēng)化溫差、河流化學(xué)風(fēng)化水解、水化、氧化生物風(fēng)化種子分解頭骨的故事？不同地區(qū)，自然條件不同，物理、化學(xué)風(fēng)化有主次之分從地表向下隨深度增加，風(fēng)化作用迅速減弱2、土的三相組成土中的固相——土的骨架土中的液相與氣相——土體孔隙中的填充物土的三相示意固相：土骨架液/氣相：孔隙結(jié)構(gòu)完全充滿水（飽和土）部分充滿水（非飽和土）完全沒(méi)有水（干土）土體固相分析顆粒級(jí)配決定土的透水性、粘性和可塑性等物理性質(zhì)工程用土的基本評(píng)價(jià)指標(biāo)土顆粒成分礦物化學(xué)結(jié)構(gòu)影響土中水與固相結(jié)合的性質(zhì)土顆粒形狀比表面積影響土的力學(xué)性質(zhì)顆粒分析土顆粒粒徑分組共三個(gè)粒組巨粒組一般透水性很大，無(wú)粘性，無(wú)毛細(xì)水粗粒組一般易透水，無(wú)粘性，毛細(xì)水上升高度不大細(xì)粒組一般透水性很小，濕時(shí)有粘性、可塑性，毛細(xì)水上升高度較大

單位(mm)2006020520.50.250.0750.005(0.002)

巨粒組粗粒組細(xì)粒組漂石(塊石)卵石(碎石)圓礫(角礫)砂粒粉粒黏粒粗中細(xì)粗中細(xì)土的級(jí)配測(cè)量方法土的顆粒組成情況用土中各種不同粒組的相對(duì)含量來(lái)描述，這種指標(biāo)稱為土的顆粒級(jí)配級(jí)配測(cè)量方法篩分法（d>0.075mm）比重計(jì)法（d<0.075mm）篩分試驗(yàn)示意圖105.02.01.00.50.250.1200g101618242238721009080706050403020100小于某粒徑之土質(zhì)量百分?jǐn)?shù)P（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒徑(mm)P%958778665536土的粒徑級(jí)配累積曲線水分法粒徑(mm)0.050.010.005百分?jǐn)?shù)P(%)2613.510粒徑級(jí)配累積曲線的應(yīng)用判斷級(jí)配是否良好量化級(jí)配的質(zhì)量指標(biāo)不均勻系數(shù)Cu曲率系數(shù)Cc級(jí)配指標(biāo)分析Cu越大則粒徑越懸殊，填筑密實(shí)Cu<5級(jí)配不良，Cu>10級(jí)配良好Cc表征土顆粒級(jí)配的連續(xù)性1<Cc<3級(jí)配連續(xù)，否則不連續(xù)d60≈0.40d30≈0.07d10≈0.005土顆粒成分示意圖土顆粒成分無(wú)機(jī)物（礦物質(zhì)）原生礦物石英、長(zhǎng)石、云母…次生礦物粘土礦物氧化物膠體(Fe2O3、Al2O3)可溶鹽(CaCO3、CaSO4、NaCl)有機(jī)物粘土礦物結(jié)構(gòu)與分類基本晶體結(jié)構(gòu)硅片鋁片粘土礦物分類高嶺石(Kaolinite)伊利石(Illite)蒙脫石(Montmorillonite)高嶺石伊利石蒙脫石三類粘土礦物性質(zhì)對(duì)比特征指標(biāo)高嶺石伊利石蒙脫石比表面積(m2/g)10-2080-100800脹縮性小中大強(qiáng)度大中小壓縮性小中大活動(dòng)性小中大粘土礦物帶電性質(zhì)列依斯電泳試驗(yàn)粘土顆粒泳向正極（電泳）水滲向負(fù)極（電滲）應(yīng)用：電滲固結(jié)法粘土顆粒雙電層結(jié)構(gòu)固定層和擴(kuò)散層與土粒表面負(fù)電荷一起構(gòu)成雙電層形成規(guī)律粘土顆粒的靜電引力與布朗運(yùn)動(dòng)（熱運(yùn)動(dòng)）的擴(kuò)散力作用溶液原子價(jià)礦物成分PH值土中水結(jié)合水靜電引力作用下，不傳遞靜水壓力，不能自由流動(dòng)強(qiáng)結(jié)合水幾個(gè)水分子厚，厚度小于0.003μm性質(zhì)接近于固體粘滯性、彈性和抗剪強(qiáng)度弱結(jié)合水厚度小于0.5μm使粘性土具有可塑性自由水重力水(gravitywater)存在于地下水位以下的透水層毛細(xì)水(capillaritywater)存在于地下水位以上透水層浸濕、凍脹、鹽漬土負(fù)壓

毛細(xì)壓力分析毛細(xì)水位高度hc重力平衡毛細(xì)水壓uc水壓平衡

土中的水砂土的液化（東京大地震）土中的氣自由氣體與大氣連通，成分相似，對(duì)土的性質(zhì)無(wú)明顯影響，工程中一般不予以考慮封閉氣體四周被土顆粒與水所封閉受壓力的影響較大，增加土體的彈性，阻塞土中滲流通道，減小滲透性非飽和土力學(xué)的重點(diǎn)研究對(duì)象3、土的結(jié)構(gòu)性試驗(yàn)表明，土中的土?；驁F(tuán)粒的空間排列以及相互連接方式對(duì)土的性質(zhì)有很大的影響土的結(jié)構(gòu)受組成、沉積環(huán)境和沉積年代的影響粗粒土的結(jié)構(gòu)松散單粒結(jié)構(gòu)密實(shí)單粒結(jié)構(gòu)壓力&動(dòng)力沉積作用單粒結(jié)構(gòu)、蜂窩狀結(jié)構(gòu)和絮狀結(jié)構(gòu)單粒結(jié)構(gòu)由粗大土粒在水或空氣中下沉而形成的顆粒間相互不連接，相互無(wú)吸引力緊密狀單粒結(jié)構(gòu)可做為良好的天然地基，疏散單粒結(jié)構(gòu)需要處理蜂窩狀結(jié)構(gòu)由粉粒(0.075~0.005mm)組成土粒間相互引力大于重力而形成抗水平荷載能力較弱絮狀結(jié)構(gòu)由粘粒(<0.005mm)集合體組成土粒之間完全依靠相互吸引力，連接形式由顆粒間的帶電性決定孔隙較大，對(duì)擾動(dòng)比較敏感，各向同性較蜂窩結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更高，壓縮性較小，滲透性較差靈敏度與觸變性靈敏度——重塑土的強(qiáng)度干擾程度土的結(jié)構(gòu)性越強(qiáng)，靈敏度越高觸變性土因重塑而軟化，又因靜置而逐漸硬化，強(qiáng)度有所恢復(fù)的性質(zhì)

低靈敏1.0<St≤2.0中等靈敏2.0<St≤4高靈敏St>4.04、土的三相關(guān)系與物理狀態(tài)

土的三相關(guān)系——三相比例的度量土的物理狀態(tài)——粗粒土的密實(shí)程度、細(xì)粒土的軟硬程度土的三相比例示意圖三相基本指標(biāo)——容重（密度）質(zhì)量基本關(guān)系天然容重γ、干容重γd飽和容重γsat

、浮容重γ′γ

-

γd天然密度測(cè)定方法——環(huán)刀法

三相基本指標(biāo)——含水率、比重含水率w比重Gs測(cè)定方法原理烘干法測(cè)定含水率：將天然原狀土質(zhì)量m，減去完全烘干土的質(zhì)量ms，最終濕、干土質(zhì)量之差m-ms與干土質(zhì)量ms之比值比重瓶法測(cè)比重：將干土粒（ms）放入比重瓶，加蒸餾水煮沸除氣，測(cè)得土粒排開水的體積Vs，代入公式計(jì)算

土的三相指標(biāo)中，天然容重γ、含水率w和比重Gs含三者比較容易通過(guò)試驗(yàn)得到，所以，這三個(gè)基本試驗(yàn)必須完全掌握原理、目的等三相體積指標(biāo)體積基本關(guān)系孔隙比e孔隙率n飽和度Sre-n

三相指標(biāo)換算草圖法(e,Gs,w)天然容重γ干容重γd飽和度Sr

飽和土體換算

例題：三個(gè)基本指標(biāo)的推導(dǎo)應(yīng)用某原狀土樣，V＝7.08?10-3m3，m=13.95kg，w=9.8%，Gs=2.66求：e、Sr、ρd、ρsat、w、n

無(wú)粘性土的物理狀態(tài)指標(biāo)密實(shí)度：?jiǎn)挝惑w積中固體顆粒含量前述三相比例指標(biāo)中，干容重γd和孔隙比e均可表示此概念，但均未考慮粒徑級(jí)配這一重要影響

土樣一：

土樣二：松散中密密實(shí)無(wú)粘性土密實(shí)度判定標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)采用重量為63.5kg穿心錘，以76cm的落距自由下落，把標(biāo)準(zhǔn)貫入靴打入土中，先打入15cm不計(jì)數(shù)，接著每打入10cm記下?lián)魯?shù)，累計(jì)打入30cm的錘擊數(shù)，即為標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N。野外鑒別密

實(shí)N>30N>20中

密30≥N>1520≥N>10稍

松15≥N>1010≥N>5松散(極松)N≤10N≤5可挖性、可鉆性砂土：碎石土：細(xì)粒土的壓實(shí)性室內(nèi)擊實(shí)曲線影響因素類型、級(jí)配擊實(shí)功能含水率等

細(xì)粒土壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)

粗粒土壓實(shí)性室內(nèi)擊實(shí)曲線壓實(shí)特征不存在最優(yōu)含水率

潮濕狀態(tài)下ρd明顯降低在完全風(fēng)干和飽和兩種狀態(tài)下易于擊實(shí)壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)密度控制

Dr>0.7~0.75施工過(guò)程中要么風(fēng)干，要么就充分灑水20%粘性土的物理狀態(tài)指標(biāo)三種稠度狀態(tài)Atterberg稠度狀態(tài)固態(tài)和半固態(tài)可塑狀態(tài)流動(dòng)狀態(tài)固態(tài)縮限ws半固態(tài)塑限wp可塑態(tài)液限wl流動(dòng)態(tài)含水率增加界限含水率測(cè)定方法碟式儀液限試驗(yàn)適用于粒徑小于0.5mm的土搓條法塑限試驗(yàn)土條直徑恰好為3mm左右土條自動(dòng)斷裂，此時(shí)土條的含水率即為塑限。液、塑限聯(lián)合測(cè)定法坐標(biāo)上對(duì)應(yīng)于圓錐體入土深度為10mm(17mm)和2mm時(shí)土樣的含水率分別為該土的液限和塑限25擊粘土稠度狀態(tài)評(píng)價(jià)

《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007—2002)狀

態(tài)堅(jiān)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≤1IL>1《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD63-2007)狀

態(tài)堅(jiān)硬硬塑軟塑流塑液性指數(shù)IL<00≤IL<0.50.5≤IL<1IL≥1土的可塑性影響因素粒徑細(xì)粘粒含量增加，液限與塑限都在增長(zhǎng)，但液限增長(zhǎng)更為明顯礦物成分親水性強(qiáng)的礦物成份（蒙脫石）活性指數(shù)粒徑/mm>0.0050.005~0.0020.002~0.001<0.001<0.0005可塑性一般沒(méi)有微弱不大強(qiáng)烈特強(qiáng)

A<0.750.75~1.25>1.25活性等級(jí)非活動(dòng)性的正?；顒?dòng)性的活動(dòng)性的5、土的脹縮性粘性土由于含水率的增加，土體體積增大的性能稱為膨脹性由于含水率的減少，體積減少的性能稱為收縮性土的膨脹可造成基坑隆起或邊坡滑移等問(wèn)題土體積收縮產(chǎn)生裂隙，對(duì)土的透水性、強(qiáng)度和邊坡的穩(wěn)定性有很大影響膨脹指標(biāo)

收縮指標(biāo)

凍脹土

凍脹率nn≤2%2%<n≤3.5%3.5%<n≤6%n>6%凍脹等級(jí)不凍脹土弱凍脹土凍脹土強(qiáng)凍脹土6、土的工程分類

工程分類依據(jù)各規(guī)范中土的分類分類原則與分類體系原則分類簡(jiǎn)明，能同時(shí)反映土的工程性質(zhì)，且測(cè)定簡(jiǎn)便分類參考的指標(biāo)要反映工程用土的相應(yīng)特征分類體系建筑工程系統(tǒng)分類體系建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50007-2011)巖土工程勘察規(guī)范(GB50021-2009)工程材料系統(tǒng)分類體系公路土工試驗(yàn)規(guī)程（JTG_E40-2007）土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)（GB／T50145-2007）建筑工程系統(tǒng)分類方法巖石堅(jiān)硬程度類別極軟巖軟巖較軟巖較硬巖堅(jiān)硬巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值frk(MPa)<55~1515~3030~60>60完整程度等級(jí)極破碎破碎較破碎較完整完整<0.150.15~0.350.35~0.550.55~0.75>0.75風(fēng)化程度等級(jí)全風(fēng)化強(qiáng)風(fēng)化弱風(fēng)化微風(fēng)化<55~1515~3030~60建筑工程系統(tǒng)分類方法碎石土（d>2mm

的顆粒含量超過(guò)全重50%的土）土的名稱顆粒形狀粒組含量漂石圓形及亞圓形為主粒徑大于200mm

的顆粒含量>50%塊石棱角形為主卵石圓形及亞圓形為主粒徑大于20mm

的顆粒含量>50%碎石棱角形為主圓礫圓形及亞圓形為主粒徑大于2mm

的顆粒含量>50%角礫棱角形為主建筑工程系統(tǒng)分類方法砂土（d>2mm

的顆粒含量不超過(guò)全重50%的土，d>0.075mm

的顆粒含量>50%的土）粒徑節(jié)點(diǎn)土的名稱>2mm>0.5mm>0.25mm>0.075礫砂25%~50%粗砂>50%中砂>50%細(xì)砂>85%粉砂>50%建筑工程系統(tǒng)分類方法粉土和粘性土（d>0.075mm的顆粒含量<50%的土）IP分類（IP由相應(yīng)于76g圓錐體沉入土樣中深度為10mm時(shí)測(cè)定的液限計(jì)算而得）IL狀態(tài)劃分土名粉土粘性土粉質(zhì)粘土粘土塑性指數(shù)Ip10~17>17堅(jiān)硬

硬塑0~0.25可塑0.25~0.75軟塑0.75~1流塑>1建筑工程系統(tǒng)分類方法人工填土素填土碎石、砂土、粉土和粘性土壓實(shí)填土分層壓實(shí)或夯實(shí)的素填土雜填土建筑垃圾、工業(yè)廢料或生活垃圾沖填土水力沖填泥砂形成建筑工程系統(tǒng)分類方法特殊土軟土淤泥e>1.5；淤泥質(zhì)土1.5>e>1.0有機(jī)質(zhì)含量>5％

有機(jī)質(zhì)土；>60％

泥炭。紅粘土棕紅、褐黃色的高塑性粘土，wL>50%紅粘土經(jīng)再搬運(yùn)后仍保留其基本特征，其液限大于45%的土為次生紅粘土濕陷性土在一定壓力下浸水后產(chǎn)生附加沉降，其濕陷系數(shù)大于或等于0.015的土膨脹土土體中含有大量的親水性粘土礦物成分(如蒙脫石、伊利石等)，在環(huán)境溫度及濕度變化影響下，可產(chǎn)生強(qiáng)烈的脹縮變形的土多年凍土指土的溫度等于或低于攝氏零度、含有固態(tài)水，且這種狀態(tài)在自然界連續(xù)保持3年或3年以上的土鹽漬土易溶鹽含量大于0.5％，且具有吸濕、松脹等特性的土濕陷、膨脹、毛細(xì)水上升細(xì)粒土的塑性圖分類A線：Ip=0.63(wL-20)B線:wL=40%CLCLOCHCHOMLMLOMHMHO無(wú)機(jī)粘土（C）無(wú)機(jī)粉土（M）有機(jī)質(zhì)土（O）低塑性土（L）高塑性土（H）7、本章實(shí)驗(yàn)密度比重含水率界限含水率顆粒分析夏一鳴1807912652