2土的物理性質(zhì)及分類

1、第2章 土的物理性質(zhì)及分類2.1 概 述土是土粒（固體相），水（液體相）和空氣（氣體相）三者所組成的；土的物理性質(zhì)就是研究三相的質(zhì)量與體積間的相互比例關(guān)系以及固、液兩相相互作用表現(xiàn)出來的性質(zhì)。土的物理性質(zhì)指標，可分為兩類：一類是必須通過試驗測定的，如含水量，密度和土粒比重；另一類是可以根據(jù)試驗測定的指標換算的；如孔隙比，孔隙率和飽和度等。2.2 土的三相比例指標反映著土的物理狀態(tài),如干濕軟硬松密等。表示土的三相組成比例關(guān)系的指標,統(tǒng)稱為土的三相比例指標。一、土的三相圖 【注意】土的三相圖只是理想化地把土體中的三相分開，并不表示實際土體三相所占的比例。二、指標的定義1三項基本物理性質(zhì)指標土的物理

2、性質(zhì)指標中有三個基本指標可直接通過土工試驗測定,亦稱直接測定指標。 土的密度土單位體積的質(zhì)量（單位為或） 試驗測定方法：環(huán)刀法一般粘性土=1.82.0；砂土=1.62.0；腐殖土=1.51.7； 土粒比重（土粒相對密度）土粒的質(zhì)量與同體積4oC純水的質(zhì)量之比。，無量綱。土粒密度（）純水在時的密度（單位體積的重量），等于或。試驗測定方法：比重瓶法實際上：土粒比重在數(shù)值上等于土粒密度，前者無因次。同一類土，其比重變化幅度很小，通?？砂唇?jīng)驗數(shù)值選用。見下表?！菊n堂討論】相對密度（比重）與天然密度（重度）的區(qū)別注意：從公式可以看出，對于同一種土，在不同的狀態(tài)（重度、含水量）下，其比重不變； 土的含水量

3、w土中水的質(zhì)量與土粒質(zhì)量之比，以百分數(shù)表示： 一般：同一類土，當其含水量增大時，其強度就降低。 試驗測定方法：烘干法（濕，干土質(zhì)量之差與干土質(zhì)量的比值）【討論】含水量能否超過100？從公式可以看出，含水量可以超出100。2特殊條件下土的密度 飽和密度和飽和重度飽和密度（土孔隙中充滿水時的單位體積質(zhì)量）土體中孔隙完全被水充滿時的土的密度：。（）飽和重度：sat=g （kN/m3）。 干密度和干重度干密度單位體積中土粒的質(zhì)量：，（kg/m3，g/cm3）。干重度單位體積中土粒的重量：=rdg，（kN/m3）。在工程上常把干密度作為評定土體密實程度的指標，以控制填土工程的施工質(zhì)量。 有效重度（浮重度

4、）單位土體積中土粒的質(zhì)量扣除同體積水的質(zhì)量即為單位土體 積中土粒的有效質(zhì)量，稱為土的有效密度，（kN/m3）。同樣條件下，上述幾種重度在數(shù)值上有如下關(guān)系： 3描述土的孔隙體積相對含量的指標測出上述三個基本試驗指標后，就可根據(jù)三相圖，計算出三相組成各自的體積上和質(zhì)量上的含量，并由此確定其它的物理性質(zhì)指標，即導出指標。 孔隙比土中孔隙體積與土粒體積之比，用小數(shù)表示：孔隙比是評價土的密實程度的重要物理性質(zhì)指標。天然狀態(tài)下土的孔隙比稱為天然孔隙比，它是一個重要的物理性指標，可以用來評價天然土層的密度程度。一般e< 0.6的土是密實的低壓縮性土，e>1.0的土是疏松的高壓縮性土。 孔隙率土中

5、孔隙體積與土的總體積之比，以百分數(shù)表示：100孔隙率亦可用來表示同一種土的松、密程度。一般粘性土的孔隙率為3060%，無粘性土為2545%。 飽和度土中所含水分的體積與孔隙體積之比（以百分率計），飽和度可描述土體中孔隙被水充滿的程度：顯然, 干土的飽和度Sr =0, 當土被完全飽和狀態(tài)時Sr =100%。砂土根據(jù)飽和度可劃分為下列三種濕潤狀態(tài)：Sr50% 稍濕，50%Sr80% 很濕，Sr80% 飽和?！居懻摗靠紫侗?、孔隙率、飽和度能否超過1或100？三、指標的換算已知：r（g），we，n，Sr，rsat（gsat），rd（gd），等的表達式。推導間接指標的關(guān)鍵在于：熟悉各個指標的定義及其表達

6、式，能熟練利用土的三相簡圖。令， 則，推導： （a） （b）由(b)式， 注意：此時e已是“已知”的指標。根據(jù)各間接指標的定義，利用三相簡圖可求得： 土的三相比例指標換算化式一并列于下表。【本次課小結(jié)】1各指標的定義；2利用三相圖進行指標間的相互換算?！緩土曀伎肌?在土的三相比例指標中，哪些指標是直接測定的？用何方法？2在三相比例指標中，哪些指標的數(shù)值可以大于1，哪些不行？例題1某土樣重180g，飽和度=90%，土粒比重，烘干后重135g，試計算土樣的天然重度和孔隙比。解：法一： 法二： 2.3 粘性土的物理特征一、粘性土的可塑性及界限含水量粘性土由于含水量的不同，分為固態(tài)、半固態(tài)、可塑狀態(tài)和

7、流動狀態(tài)，這即是粘性土的稠度狀態(tài)。界限含水量粘性土由一種狀態(tài)轉(zhuǎn)到另一種狀態(tài)的分界含水量，也即各稠度狀態(tài)間的臨界含水量，以百分數(shù)表示?？伤苄援斦承酝猎谀澈糠秶鷥?nèi)，用外力塑成任何形狀而不發(fā)生裂紋，并當處力移去后仍能保持形狀的性能。固體狀態(tài)半固體狀態(tài)可塑狀態(tài)流動狀態(tài)液限土由可塑狀態(tài)到流動狀態(tài)的界限含水量稱為，用表示，我國采用錐式液限儀來測定。其工作過程是：將粘性土調(diào)成均勻的濃糊狀，裝滿盛土杯，刮平杯口表面，將76克重圓錐體輕放在試樣表面的中心，使其在自重作用下徐徐沉入試樣，若圓錐體經(jīng)5秒種恰好沉入10mm深度，這時杯內(nèi)土樣的含水量就是液限值。為了避免放錐時的人為晃動影響，可采用電磁放錐的方法。塑

8、限土由半固態(tài)到可塑狀態(tài)的界限含水量，用表示，用"搓條法"測定。即用雙手將天然濕度的土樣搓成小圓球（球徑小于10mm），放在毛玻璃板上再用手掌慢慢搓滾成小土條，用力均勻，搓到土條直徑為3mm，出現(xiàn)裂紋，自然斷開，這時土條的含水量就是塑限值?？s限土由半固體狀態(tài)不斷蒸發(fā)水分到體積不再縮小時土的界限含水量，用表示。注意：塑限、液限、縮限是一個含水量二、粘性土的可塑性指標粘性土可塑性指標除了塑限、液限、縮限外，還有塑性指數(shù)和液性指數(shù)等指標。 塑性指數(shù)指液限和塑限的差值（省去%號），即土處在可塑狀態(tài)的含水量變化范圍，用表示。Ip= 注意：計算時含水量要去百分號 結(jié)論：塑性指數(shù)表示土處在

9、可塑狀態(tài)的含水量變化范圍, 顯然，塑性指數(shù)愈大，土處于可塑狀態(tài)的含水量范圍也愈大。塑性指數(shù)的大小與土中結(jié)合水的可能含量有關(guān)，土中結(jié)合水的含量與土的顆粒組成、礦物組成以及土中水的離子成分和濃度等因素有關(guān)。其值的大小取決于土顆粒吸附結(jié)合水的能力,亦即與土中粘粒含量有關(guān)。粘粒含量越多,土的比表面積越大,塑性指數(shù)就越高。 應(yīng)用：根據(jù)其值大小對粘性土進行分類。 液性指數(shù)粘性土的天然含水量和塑限的差值與塑性指數(shù)之比。用表示。值愈大，土質(zhì)愈軟；反之，土質(zhì)愈硬。 堅硬狀態(tài) 可塑狀態(tài) 流動狀態(tài)用途：根據(jù)其值大小判定土的軟硬狀態(tài)注：粘性土界限含水量指標、都是采用重塑土測定的，它是天然結(jié)構(gòu)完全破壞的重塑土的物理狀態(tài)

10、界限含水量。因此，保持天然結(jié)構(gòu)的原狀土，在其含水量達到液限以后，并不處于流動狀態(tài)。三、粘性土的結(jié)構(gòu)性和觸變性1結(jié)構(gòu)性結(jié)構(gòu)性指天然土的結(jié)構(gòu)受到擾動影響而改變的特性。一般用靈敏度衡量。當土受到擾動時，土的平衡體系破壞，土的強度降低和壓縮性增大。靈敏度以原狀土的強度與該土經(jīng)重塑（土的結(jié)構(gòu)性徹底破壞）后的強度之比來表示。重塑試樣與原狀試樣具有相同的尺寸、密度和含水量。 對于飽和粘性土的靈敏度可按下式計算： 原狀試樣的無側(cè)限抗壓強度，kPa;重塑試樣的無側(cè)限抗壓強度，kPa。根據(jù)靈敏度將飽和粘性土分為： 低靈敏 中靈敏 高靈敏土的靈敏度越高，其結(jié)構(gòu)性越強，受擾動后土的強度降低越多。2觸變性觸變性粘性土的

11、結(jié)構(gòu)受到擾動，導致強度降低，但當擾動停止后，土的強度又隨時間而逐漸增大，粘性土的這種抗剪強度隨時間恢復的膠體化學性質(zhì)稱為土的觸變性。四、粘性土的脹縮性、濕陷性和凍脹性1粘性土的脹縮性粘性土由于含水量的增加而發(fā)生體積增大的性能稱膨脹性；由于土中水分蒸發(fā)而引起體積減少的性能稱收縮性；兩者統(tǒng)稱脹縮性。粘性土的膨脹性和收縮性對基坑、邊坡、坑道及地基土的穩(wěn)定性有著很重要的意義。（1）膨脹性(expansibility)粘性土的膨脹性常用下列指標表示： 自由膨脹率：原狀土樣膨脹后體積的增量與原體積之比，以百分率表示。 試樣初始體積，取量土杯的容積為10ml；膨脹穩(wěn)定后測得50 mL容積的量筒內(nèi)試樣體積，m

12、l。 常用線膨脹率：式中：土樣原來的高度，cmh土樣膨脹穩(wěn)定后的高度，cm膨脹系數(shù)若直接以小數(shù)表示時，稱膨脹系數(shù)。較小的膨脹土，膨脹潛勢較弱，建筑物損壞輕微；高的土，具有強的膨脹潛勢，則較多建筑物將遭到嚴重破壞。（2）收縮性(shrinkage)粘性土的收縮性是由于水分蒸發(fā)引起的。當土中含水率小于收縮限Ws時，土體積收縮極?。浑S著含水率的增加，土體積增大，當含水率大于液限時，土體坍塌。表征粘性土的收縮性指標有： 體縮率es：試樣收縮減小的體積與收縮前體積的比值。以百分率表之。式中：V0收縮前的體積，cm3V收縮后的體積，cm3 線縮率esl：試樣收縮后的高度減小量與原高度之比，以百分率表之。式

13、中：試樣原始高度，cm試樣經(jīng)收縮后的高度，cm2土的濕陷性土的濕陷性指土在自重壓力作用下或自重壓力和附加壓力綜合作用下，受水浸濕后，使土的結(jié)構(gòu)迅速破壞而發(fā)生顯著的附加下陷特征，以濕陷系數(shù)值衡量，由室內(nèi)壓縮試驗測定。壓縮儀中原狀試樣加壓壓縮穩(wěn)定后的試樣高度壓縮儀中原狀試樣加壓壓縮穩(wěn)定后，再加水浸濕下沉穩(wěn)定后的高度；土樣的原始高度。對黃土：，為非濕陷性黃土； ，為濕陷性黃土。3土的凍脹性土的凍脹性指土的凍脹和凍融給建筑物或土工建筑物帶來危害的變形特性。危害：使路基隆起，使柔性路面鼓包、開裂、傾斜、甚至倒塌；解凍后土層軟化，強度降低。2.4 無粘性土的密實度無粘性土一般是指砂（類）土和碎石（類）土；

14、一般粘粒含量少，不具可塑性，呈單粒結(jié)構(gòu)。砂土密實度劃分方法：1按天然孔隙比劃分要求：采取原狀砂土樣不足：采樣困難，且難以有效判定密實度的相對高低。相對密（實）度砂土在最松散狀態(tài)時的孔隙比，即最大孔隙比；砂土在最密實狀態(tài)時的孔隙比，即最小孔隙比；砂土在天然狀態(tài)時的孔隙比。當 ，表示砂土處于最松散狀態(tài)；，表示砂土處于最密實狀態(tài)。根據(jù)三相比例指標間換算，、和分別對應(yīng)有、和，則優(yōu)點：理論完善，能合理判定砂土的密實度狀態(tài)。不足：測定（或）和（或）的試驗方法存在問題，對同一種砂土的試驗結(jié)果離散性大。標準貫入試驗砂土根據(jù)標準貫入試驗的錘擊數(shù)分為松散、稍密、中密及密實四種密實度；按重型動力觸探擊數(shù)劃分（碎石土

15、）按重型（圓錐）動力觸探試驗錘擊數(shù)劃分如下：本表適用于卵石、碎石、圓礫、角礫。野外鑒別（碎石）對于大顆粒含量較多的碎石土，一般對于漂石、塊石以及粒徑大于200mm的顆粒含量較多的碎石類土，密實度很難做室內(nèi)試驗或原位觸探試驗，一般采用野外鑒別方法來劃分為：密實、中密、稍密、松散。如26表。2.7 土的分類一、土的分類原則土的分類體系就是根據(jù)土的工程性質(zhì)差異將土劃分成一定的類別。兩大類土的工程分類體系：1建筑工程系統(tǒng)的分類體系：側(cè)重于把土作為建筑地基和環(huán)境，以原狀土為基本對象。注重土的天然結(jié)構(gòu)性。2工程材料和系統(tǒng)的分類體系：側(cè)重于把土作為建筑材料，用于路堤、土壩和填土地基等工程。以擾動土為基本對象

16、，注重土的組成，不考慮土的天然結(jié)構(gòu)性。二、土的分類標準國標土的分類標準（GBJ145-90）的分類體系：1巨粒土和粗粒土的分類標準（1）幾個概念巨粒： 粒徑的土粒； 巨粒土： 含巨粒的土： 混合巨粒土：巨?；旌贤粒?粗粒土： 礫類土： 砂類土：（2）分類2細粒土的分類標準細粒土試樣中粗粒組（）含量少于25%的土。含粗粒的細粒土試樣中粗粒含量為25%50%的土。當采用我國錐式液限儀測定液限時，利用塑性圖（或下表）進行分類： 塑性圖（采用錐式液限儀） 塑性圖（采用碟式液限儀） 兩條經(jīng)驗界限：斜線為A線，作用是區(qū)分有機土和無機土、粘土和粉土，A線上側(cè)是粘土，下側(cè)是粉土，豎線為B線，作用是區(qū)分高塑性土

17、（高液限土）和低塑性土（低液限土）。在A線以上的土為粘土：液限大于40的土稱為高塑性粘土CH，液限小于40的為低塑性粘土CL；在A線以下的土為粉土： 液限大于40的土稱為高塑性粉土MH，液限小于40的為低塑性粘土ML；若土樣處于A線以上，而塑性指數(shù)在710之間，則土的分類應(yīng)給以相應(yīng)的搭界分類CLML。含粗粒的細粒土分類：按塑性圖并根據(jù)所含粗粒類型進分分類（1）當粗粒中礫粒占優(yōu)勢，稱為含礫細粒土，在細粒土代號后綴加G，例含礫低液限粘土，代號CLG；（2）當粗粒中砂粒占優(yōu)勢，稱為含砂細粒土，在細粒土代號后綴加S，例含砂高液限粘土，代號CHS；若細粒土內(nèi)含部分有機質(zhì)，則土名交加“有機質(zhì)”，對有機質(zhì)細

18、粒土的代號后綴代號為O，例，低液限有機質(zhì)粉土，代號MLO。三、 建筑地基土的工程分類1按沉積年代和地質(zhì)成因劃分地基土按沉積年代可劃分為：老沉積土：第四紀晚更新世及其以前沉積的土，一般呈超固結(jié)狀態(tài)。新近沉積土：第四紀全新世近期沉積的土，一般呈欠固結(jié)狀態(tài)。根據(jù)地質(zhì)成因可分為：殘積土、坡積土、洪積土、沖積土、湖積土、海積土、淤積土、風積土和冰積土等。2按顆粒級配（粒度成分）和塑性指標劃分土按顆粒級配和塑性指標分為：碎石類土、砂土、粉土和粘性土。地基土的分類是根據(jù)不同的原則將其劃分為一定的類別，同一類別的土在工程地質(zhì)性質(zhì)上應(yīng)比較接近。土的合理分類具有很大的實際意義，例如根據(jù)分類名稱可以大致判斷土的工程特性、評價土作為建筑材料的適宜性及結(jié)合其他指標來確定地基的承載力等。作為建筑場地和地基