1、第二章 土的物理性质及分类,2.1 概述 2.2 土的三相比例指标* 2.3 粘性土的物理特征* 2.4 无粘性土的密实度 2.5 粉土的密实度和湿度 2.6 土的胀缩性、湿陷性和冻胀性 2.7 土的分类*,主要内容,掌握：土的三相比例指标的定义及指标间的换算关系、土的各种物理性质指标的概念及测定方法； 熟悉：土的分类原则，不同行业土的分类方法； 了解：三种特殊土的概念,土的物理状态 粗粒土的松密程度 粘性土的软硬状态,土的物理性质指标 (三相间的比例关系),力学特性,影响,表示,所谓土的物理性质就是表示土中三相比例关系的一些物理量。,2.1 概述,渗透特性 变形特性 强度特性,土的三相组成
2、土的物理性质 土的物理状态 土的结构,决定,影响,土的形成,土的轻重、松密、干湿和软硬等物理性质是土的最基本的工程特性，根据不同的性质分类。,土的三个组成相的体积和质量上的比例关系,密实程度 干湿程度 ,特点: 指标概念简单，数量很多,要点：名称、概念或定义、符号、表达式、单位或量纲、常见值或范围、联系与区别,定义,基本方法:,三相草图法,2.2 土的三相比例指标,三相草图,质量,体积,三相比例指标反映了土的干燥与潮湿、疏松与紧密，是评价土的工程性质的最基本的物理性质指标，也是工程地质勘察报告中不可缺少的基本内容。,2.2.1 土的三相比例指标,2.2.2 指标的定义,1、 三个基本物理性质指
3、标土粒相对密度(比重)ds; 土的含水量;土的密度,三相比例指标可分为两种，一种是试验指标（基本指标）；另一种是换算指标。,(1)土粒相对密度(土粒比重)ds,定义：土粒的质量与同体积的4时纯水的质量之比（无因次）表达式 ：w14时纯水的密度,等于1g/cm3; s土粒密度，即土粒单位体积的质量，g/cm3 一般情况下，土粒相对密度ds在数值上等于土粒密度s，但两者的含义不同。,土的相对密度ds,3、土粒比重,Gs固体颗粒质量与同体积水(在4时)质量之比,比重瓶的校准，应按下列步骤进行：,1 将比重瓶洗净，烘干，置于干燥器内，冷却后称量，准确至 0.001g 。 2 将煮沸经冷却的纯水注入比重
4、瓶。对长颈比重瓶注水至刻度处，对短颈比重瓶应注满纯水，塞紧瓶塞，多余水自瓶塞毛细管中溢出，将比重瓶放入恒温水槽直至瓶内水温稳定。取出比重瓶，擦干外壁，称瓶、水总质量，准确至 0.001g 。测定恒温水槽内水温，准确至 0 .5 。 3 调节数个恒温水槽内的温度，温度差宜为 5 ，测定不同温度下的瓶、水总质量。每个温度时均应进行两次平行测定，两次测定的差值不得大于 0.002g ，取两次测值的平均值。 4 绘制温度与瓶、水总质量的关系曲线。,比重瓶法试验，应按下列步骤进行：,l 将比重瓶烘干。称烘干试样 15g( 当用 50mL 的比重瓶时，称烘干试样 l0g) 装入比重瓶，称试样和瓶的总质量，
5、准确至 0.001g 。2 向比重瓶内注入半瓶纯水，摇动比重瓶，并放在砂浴上煮沸，煮沸时间自悬液沸腾起砂土不应少于 30min ，粘土、粉土不得少于 1h 。沸腾后应调节砂浴温度，比重瓶内悬液不得溢出。,3 将煮沸经冷却的纯水注入装有试样悬液的比重瓶。当用长颈比重瓶时注纯水至刻度处，当用短颈比重瓶时应将纯水注满，塞紧瓶塞，多余的水分自瓶塞毛细管中溢出。将比重瓶置于恒温水槽内至温度稳定，且瓶内上部悬液澄清。取出比重瓶，擦干瓶外壁，称比熏瓶、水、试样总质量，准确至 0.001g ；并应测定瓶内的水温，准确至 0.5 。, 土粒相对密度变化不大，一般从2.652.76，土粒越细，ds越大。见P31表
6、2-1 特殊情况：有机质土 2.42.5 泥炭土 1.51.8 土粒比重可在实验室用“比重瓶法”测定。（扰动样）,（2）土的含水量（含水率）,土的含水量：土中水的质量与土粒质量之比，以百分数表示 表达式：,含水量是衡量土的含水程度（湿度）的一个重要指标，小则土干， 大则土湿。 坚硬的粘性土可小于30%，饱和软粘土可达60%。 含水量一般用“烘干法”测定,土的含水量,测定方法：烘干法。先称出天然湿土的质量，然后放在烘箱里，在100105下烘干，称干土的质量。,（3）土（体）的密度,天然状态下的变化范围较大粘性土 =1.82.0 g/cm3砂 土 =1.62.0 g/cm3腐质土 =1.51.7
7、g/cm3 土的密度一般用“环刀法”测定。（原状土）,土的密度,测定方法：环刀法,2、特殊条件下土的密度,定义：单位体积内土粒的质量或重量表达式：,（1）土的干密度d,一般 d=1.31.8 g/cm3,干密度d,土烘干，体积要减小，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是评价土密实程度的指标，干密度或干重度越大表明土越密实，反之越疏松。常用它来控制填土工程的施工质量。,（2）饱和密度sat,定义：土中孔隙被充满水时，单位土体积的质量 表达式：,w w1=1g/cm3sat=1.82.3 g/cm3,（3）土的浮密度（有效密度）,定义：地下水位以下，土单位体积中土粒质量与同体积水
8、的质量之差表达式：,土的质量密度共有4个即 ;d ;sat ;,在后面计算土的自重应力时要用重力密度,简称重度(kN/m3)。它们的换算关系是： = g d = dg sat = sat g = g 1 g = 9.807 m/s2 10 m/s2 ； 1N = 1 kg.m/s2 例如： =g=1t/m39.807 m/s2 =9.807103 (kg.m/s2)/m3=9.807KN/m3 10KN/m3,各种密度、重度之间的比较,3、描述土的孔隙体积相对含量的指标,（1）土的孔隙比e 定义：土中孔隙的体积与土粒的体积之比，以小数表示表达式：,孔隙比是一个重要的物理力学指标，可用来评价天然
9、土层的密实程度。e0.6 是密实的低压缩性土e1.0 是疏松的高压缩性土,（2）土的孔隙率n,定义：土中孔隙的体积与土的总体积之比，以百分数表示表达式：, e、n 越大，土中孔隙越多，土越疏松，压缩性越大。,（3）土的饱和度Sr,定义：土中孔隙水的体积与孔隙总体积之比，以百分数表示表达式：, Sr 反映了土中孔隙水充满的程度，理论上如果Sr =100%是完全饱和的； Sr =0是干土。, 通常可根据饱和度的大小将细砂、粉砂划分为稍湿、很湿、饱和三种状态。,土中粘粒成分越多，Sr可以达到越高的值。,土的饱和度Sr,小结,物理性质指标,土的三个组成相的体积和质量上的比例关系,密实程度 干湿程度 ,
10、特点: 指标概念简单，数量很多,要点：名称、概念或定义、符号、表达式、单位或量纲、常见值或范围、联系与区别,定义,基本方法:,三相草图法,室内测定的三个物理性质指标 土的密度、土粒的比重、土的含水量,三相草图有助于直观理解物性指标的概念,其它常用的物理性质指标 表示土中孔隙含量的指标 表示土中含水程度的指标 表示土中密度和容重的指标,三相草图可用于确定物性指标之间的关系,三相草图法是求取物理性质指标的简单而有效的方法,2.2.3 几种常用指标之间关系式的推导,土的三相比例指标之间可以互相换算： 方法1：由三相图及其定义计算，见教材31页例2.1。假定V=1, 或者假定Vs=1,方法2：由三相图
11、导出的计算公式。,指标间的换算,质量m,体积V,土的三相指标中，土粒比重Gs ，含水量和密度是通过试验测定的，可以根据三个基本指标换算出其余各指标,推导：,换算关系式：,2.2.3 指标间换算 (自学P3336),常用的物理性质指标共有9个，一般说，已知其中任意3个，通过换算，可以求其余6个。,作业:P60 2-2; 2-3,思考:P60 2-1,2.3 粘性土的物理特征,粘性土的软硬状态,也称稠度状态,稠度状态与含水量有关,粘性土,含水量,较硬,变软,流动,2.3.1 粘性土的可塑性及界限含水量 可塑性：粘性土在一定含水量范围内可用外力塑成任何形状而不发生裂纹，当外力移去后仍然保持原形的特性
12、。阿太堡界限：粘性土由一种状态转移到另一种状态的界限含水量。,(不裂缝、不恢复、不流动),土体体积随含水量的变化：,图2-29 含水量与体积的关系,Vs,ws,wP,wL,阿特堡界限 (Atterberg limit),自由水,液 态,可塑态,固态或半固态,稠度状态,固态或半固态,塑态,流态,土中水的形态,强结合水,弱结合水,自由水,w,含水量,稠度界限,塑限p,强结合水膜最大,液限l,出现自由水,粘性土的稠度反映土中水的形态,流动状态,可塑状态,固体状态,半固体状态,刚沉积的粘土，本身不能保持其形态，极易流动,外力作用可改变其形状，而不改变其体积，并在外力卸除后仍能保持已获得的形状,水分蒸发
13、，上覆沉积层厚度增加，含水率减小，体积收缩,含水率减小,丧失可塑性，在外力作用下，易于发生破裂,体积不再收缩，空气进入土体，土的颜色变淡,液限 (L) 流动状态与可塑状态的界限含水量，可塑状态的上限含水量,塑限(p) 可塑状态与半固体状态的界限含水量，可塑状态的下限含水量,缩限 (s) 半固体状态与固体状态的界限含水量，即粘性土随着含水量的减小而体积开始不变的含水量。,粘性土的界限含水量,粘性土从一种状态转变为另外一种状态是逐渐过渡的，并无明确的界限。目前工程上只是根据某些通用的试验方法测定这些界限含水量(阿太堡界限)。,液、塑限测定方法：,塑限测定（搓条）：调制均匀的湿图样，在毛玻璃上搓滚成
14、3毫米直径的土条，若这个时刻恰好出现裂缝，就把土条的含水率定为塑限液限测定（锥式液限仪）：取代表性试样，加入纯水调制试样，用电磁落锥测定76g的圆锥从试样表面在自重作用下经5秒恰好沉入试样10mm的深度。这时杯内土样的含水量为塑限。,“界限含水量是土的一种固有的性质，与含水量无关”,问题：缩限、塑限、液限是否与土样的含水量有关？,注意：塑限和液限是土力学中常用的。,液限的测定： 锥式液限仪（中国）； 碟式液限仪（欧美，详见ASTM试验规程）。,碟式液限仪 平衡锥式液限仪,碟式仪液限试验是将土碟中的土膏（10mm厚），用划刀分成两半，以每秒2次的速率将土碟由10mm高度下落。当击数25次时，两半
15、土膏在碟底的合拢长度刚好达到13mm，此时的含水率为液限。,17mm,液限测定演示：,17mm,液限测定演示：,液限测定演示：,塑限的测定：搓条法测定。3mm土条。 缩限的测定：收缩皿法测定。,讨论： 液限和塑限也可用光电式液塑限联合测定仪测定； 试验的具体程序和步骤详见土工试验方法标准； 界限含水量由重塑土测定，而现场原状土有一定结构性； 所以，有时现场土含水量比液限大但地基未流动。,2.3.2 粘性土的物理状态指标,液限和塑限之差的百分数值（去掉百分号）成为塑性指数,塑性指数表示：塑态时含水量变化范围；结合水含量多少；土粒的细度；土中水的离子成分浓度；粘土的矿物成分。IP工程上用来对粘性土
16、分类。,1.塑性指数IP,物理意义：,思考：,一个问题：,结论：不能。,结果： 土样1：可塑态； 土样2：半固态；,问题：判断土样物理状态？,“必须建立含水量与界限含水量的关系”,粘性土即使具有相同的含水率，也未必处于同样的状态，粘性土的状态用液性指数来判别。 液性指数表征了土的天然含水量与界限含水率之间的相对关系，表达了天然土所处的状态。,2.液性指数 IL,粘性土的可塑性指标,判定,土处于坚硬状态,土处于可塑状态,土处于流动状态,IL是反映土的稠度状态的指标， IL越小，土越硬， IL越大，土越软。 建筑地基基础设计规范GB50007规定：,坚硬 硬塑 可塑 软塑 流塑,其他行业规定请参考
17、相应规范如JTJ024-85等 交通部公路桥涵地基与基础设计规范,塑态,例2-5 某粘性土的天然含水量w=19.3%，液限wL=28.3%，塑限wP=16.7%。求塑性指数IP和液性指数IL，确定该土状态。,查表2-3可知该土的状态为硬塑状态。,IL= = =0.224,解：IP=wL-wP=28.3-16.7=11.6,3. 天然稠度 (交通部门),土的天然稠度是指原状土样测定的液限和天然含水量的差值与塑性指数之比。 用符号c表示，即：（2-12） 用烘干法；L、p 用联合测定法； 实测 路床表面以下80cm深度内的平均稠度，再按表2-5确定（P39）,c=（L-）/（Ip）,m0.002:
18、 粒径小于0.002mm颗粒的质量占总土总质量的百分比,1.粘性土的活动度 定义:能反映粘性土中所含矿物的活动性的指标.,2.3.3 粘性土的活动度、灵敏度和触变性,皂土 A=1.11 高岭土 A=0.29,2 土的物性及分类,2.3 粘性土土的物理特征,2.粘性土的灵敏度 土的结构对土强度影响的灵敏程度,2.3.3 粘性土的活动度、灵敏度和触变性,低灵敏土,中灵敏土,高灵敏土,1 2 4 St,3.粘性土的触变性 触变性：饱和粘性土受到扰动后，结构破坏，强度降低，当静置一段时间后，土的强度又随时间部分恢复的现象。,无粘性土：一般指砂（类）土和碎石（类）土。 无粘性土的特征：（1）粘粒含量甚少
19、（2）无可塑性（3）单粒结构 对无粘性土来说，土体的松密程度对土的工程性质影响很大。 土的密实程度越高，压缩性越小，其工程特性越好；密实的无粘性土是良好的天然地基。 土的密实程度越低，压缩性越大，其工程特性越差。密实度低的饱和粉、细砂在振动荷载下极易液化。,2 .4无粘性土的密实度,2.4.2密实度划分的其它方法 1.用孔隙比e为标准,表1 砂土的密实度（74规范）,评价： （1） 优点 简捷方便；（2） 缺点 无法反映土的粒径级配因素。,emax与emin ：最大与最小孔隙比,2 砂土的相对密实度,密实度,如何衡量?,单位体积中固体颗粒含量的多少,优点：简单方便,缺点：不能反映级配的影响只能
20、用于同一种土,对策,相对密度,孔隙比e或孔隙率n,emin = 0.35,emin = 0.20,emax: 最大孔隙比；将松散的风干土样通过长颈漏斗轻轻地倒入容器，避免重力冲击，求得土的最小干密度再经换算得到最大孔隙比,emin: 最小孔隙比；将松散的风干土样装入金属容器内，按规定方法振动和锤击，直至密度不再提高，求得土的最大干密度再经换算得到最小孔隙比,emax与emin ：最大与最小孔隙比,注意：室内测得理论上的最大与最小孔隙比有时很困难,用Dr表示砂土密实度,见表2-9，铁路工程技术规范（P50）,当e=emax时，Dr=0，最松状态；当eemin时，Dr=1.0，最密状态。优点：可以
21、把土的级配考虑进去，理论上较为完善缺点：emax和emin难以准确测定，给Dr的确定带来困难。,举例说明建立相对密度概念的意义：,结论： 土样1：密实； 土样2：不密实,问题：哪个土样密实？,3. 用标准贯入试验N为标准,标准贯入试验(SPT)是动力触探的一种，它利用一定的锤击动能（锤重63.5kg，落距76cm），将一定规格的对开管式的贯入器打入钻孔孔底的士中，根据打入土中的贯阻抗，判别土层的工程性质。贯入阻抗用贯入器贯入土中30cm的锤击数N表示， N 也称为标贯击数。 该实验的的应用主要有评定砂土的相对密度、评定地基土承载力、估算单桩承载力等。,3. 重型动力触探划分碎石土密实度,重型动
22、力触探试验(DPT)是动力触探的一种，它利用一定的锤击动能（锤重63.5kg，落距76cm），将一定规格圆锥贯入器打入钻孔孔底的士中，根据打入土中的贯阻抗，判别土层的工程性质。贯入阻抗用贯入器贯入土中10cm的锤击数N63.5表示， 该实验的的应用主要有评定碎石土的密度、评定地基土承载力、估算单桩承载力等。 界限值 5、10、20划分为松散、稍密、中密和密实,4.野外判断碎石土密实度 P43 表2-12,2.5 粉土的密实度与湿度,e0.9 为稍密的粉土。,w30 很湿。,2-10,2-11,2.6 土的胀缩性、湿陷性、冻胀性,细粒土中含水率的变化不仅引起土稠度发生变化，土的体积也将同时发生变
23、化。细粒土由于含水率的增加土体积增大的性能称为膨胀性； 由于含水率的减少体积减少的性能称为收缩性。这种湿胀干缩的性质，统称为土的胀缩性。,土的胀缩性,粘性土的胀缩性,膨胀性,收缩性,粘性土由于含水量的增加 而发生体积增大的性能称 膨胀性,由于土中水分蒸发而引起 体积减少的性能称收缩性,将一定体积的扰动烘干土样经充分吸水膨胀稳定后，测得的增加的体积与原干土体积之比。,式中：Vw土样在水中膨胀稳定后的体积，(mL)； V0土样原始体积，(mL)。,自由膨胀率ef,自由膨胀率表明土在无结构力影响下的膨胀特性，说明土膨胀的可能趋势。,收缩性,1体缩率,2线缩率,粘性土的收缩性是由于水分蒸发引起的。 其
24、收缩过程可分为两个阶段： 第一阶段（AB）表示了土体积的缩小与含水率的减小成正比， 呈直线关系；土之减小的体积等于水分散失的体积； 第二阶段（BC）表示了土体积的缩小与含水率的减少呈曲线关系。 土体积的减少量小于失水体积，随着含水率的减少， 土体积收缩愈来愈慢。,粘性土的崩解性,定义：粘性土由于浸水而发生崩解 散体的特性称崩解性,评价粘性土的崩解性一般采用下列三个指标： 1、崩解时间：一定体积的土样完全崩解所需的时间； 2、崩解特征：土样在崩解过程的各种现象，即出现的 崩解形式； 3、崩解速度：土样在崩解过程中质量的损失与原土样 质量之比，和时间的关系。,崩解现象的产生是由于土水 化，使颗粒间
25、连接减弱及部 分胶结物溶解而引起的崩解。 是表征土的抗水性的指标。,土的湿陷性,土的湿陷性,在上覆土层自重应力作用下，或者在自重应力和附加应力共同作用下，因浸水后土的结构破坏而发生显著附加变形的土称为湿陷性土，属于特殊土。 土样在一定压力下的湿陷量与其原始高度之百分比，称为湿陷系数； 湿陷变形量按野外浸水载荷试验在200kpa 压力下的附加变形量确定，当附加变形量与载荷板宽度之比大于0.015时为湿陷性黄土。,土的冻胀性,土的冻胀和冻融给建筑物或土工建筑物带来危害的变形特性； 季节性冻土、隔年冻土（1-2年）、多年冻土（3年以上）； 土冻胀分类：不冻胀、弱冻胀、冻胀、强冻胀、特强冻胀。 具有破
26、坏性； 粉土换砂土。,平均冻胀率,在平面冻结条件下单层土的平均冻胀率，可以用野外观测的最大冻胀值h与当时当地的冻胀深度z0之比得出，即Kbh/z0。 根据冻胀率的大小,地基划分为不冻胀地基(Kb 1)、弱冻胀地基(1 Kb 3.5)、冻胀地基(3.5 Kb 6)和强冻胀地基(Kb 6),“土的工程分类是勘察、设计的首要内容”,2.7 土的工程分类,分类存在不同体系，主要有：(1) 建设部土的分类标准(GB/T50145-2007)；(2) 建设部建筑地基基础设计规范(GB500072002)；(3) 水利部土工试验规程(SL2371999)中的12884分类法；(4) 交通部公路土工试验规程(
27、JTJ05193)。,分类原则和特点：,2.7.2 土的分类标准(GB/T50145-2007),考虑了土的有机质含量、颗粒组成特征以及土的塑性指标。 （总的分类体系如图2-7）； 先判断该土属于有机土还是无机土。 若属于无机土，根据土内各粒组的相对含量，将土分为： 巨粒土和含巨粒土（d60mm的15%） 粗粒土(0.075mm50%) 细粒土（ 0.075mmd60mm 50%）,巨粒土,粒径大于60毫米的巨粒组含量多于总质量15的土。 其中巨粒组多于50的土称为巨粒土， 巨粒组含量1550的土称含巨粒土。,粗粒土,粒径大于0.075毫米的颗粒(粗粒组)质量大于总质量50的土。 包括砾类土和
28、砂类土。 250%-砾石土； 2d60mm50%的砂类土,细粒土,粒径小于等于0.075毫米的颗粒(细粒组)质量大于或等于总质量50的土。 大致相当于粉土、粘土。 在统一分类中，细粒土主要按其在塑性图中的位置，同时考虑粗粒（0.075毫米）含量和有机含量，将细粒土分为 高、低液限粘土，高、低液限粉土； 含砾（或含砂）高、低液限粘土，含砾（或含砂）高、低液限粉土； 有机质高、低液限粘土,有机质高、低液限粉土。,图2-9 塑性图,CHclay, high CLclay, low MHmo, high MLmo, low Oorganic 粘土clay 粉土mo，silt 砾石gravel 砂san
29、d,表2-12,1 巨粒土和含巨粒土,表2-13、2-14,2 粗粒土,表2-15和塑性图2-9,3 细粒土,分类原则和特点：,2.8.1 建筑地基基础设计规范 (GB500072002),对粗颗粒土，考虑了结构和粒径级配； 对细颗粒土，考虑了土的塑性和成因； 给出岩石的分类标准； 将天然土分为6大类：岩石、碎石土、砂类土、粉土、粘性土和人工填土。,.碎石土 2mm的 50% 表2-16.砂土 0.075mm的 50% 表2-17.粉土 0.075mm的 50% Ip10.粘性土 Ip10特殊土（其他） 表2-20,2.7 土的分类,2.7.2 建筑地基土的分类,建筑地基基础设计规范(GB50
30、007-2002),(有机质土、泥炭质土、泥炭),粉土 若土的塑性指数小于或等于10，粒径大于0.075的颗粒含量不超过总重的50，则该土属于粉土,2.7 土的分类,2.7.2 建筑地基土的分类,建筑地基基础设计规范(GB50007-2002),粘性土的分类,2.7 土的分类,2.7.2 建筑地基土的分类,建筑地基基础设计规范(GB50007-2002),作业：P60 2-4；2-5（只求、d、sat和软硬状态）,问题：土的粒组的划分和土的分类是否是一回事？ （例如：粉粒组和粉土是否是一个概念）,回答： 粉粒组:0.075mm=d0.005mm 粉土：大于0.075mm的颗粒含量不超过全重的50%，且塑性指数IP10的土。,自学,2.7.3 公路桥涵地基土的分类， 与建筑地基土分类基本一致 2.7.4 公路路基土的分类较为复杂,
