第一章土的物理性质

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1、第一章第一章土土 的的 物物 理理 性性 质质土的物理性土的物理性质 1.1 土的形成及特性土的形成及特性 地球表面的整体岩石，在大气中经受长期的风化、剥蚀后形成形状不同、大小不一的颗粒，这些颗粒在不同的自然环境下进行堆积，或者经搬运和沉积而形成沉积物，即形成了土。 岩石和土在不同的风化作用下形成不同性质的土。 物理风化原生矿物(无粘性土) 风化作用 化学风化次生矿物(细粒土) 生物风化矿物成分不发生改变 1.1.1 土的形成土的形成 土的物理性土的物理性质 （1）土粒粒组的划分 1.1.2 土的特性土的特性土的物理性土的物理性质表格法一表格法一 （2）土的颗粒级配 常用的表示方法有 表格法

2、、累计曲线法 和 三角坐标法 。土的物理性土的物理性质表格法二表格法二土的物理性土的物理性质累计曲线法累计曲线法土的物理性土的物理性质三角坐标法三角坐标法土的物理性土的物理性质 （3）土的颗粒分析方法 土的颗粒分析可采用土的颗粒分析试验方法，简称颗分试验，其中又可分为筛分法和沉降分析法。对粒径大于0.075mm的土粒可采用筛分析方法，而对于粒径小于0.075mm的土粒则必须用沉降分析法来分析土的颗粒组成。 （4）土的形状 体积系数Vc 形状系数F土的物理性土的物理性质 1.2 土的三相组成土的三相组成 固体颗粒(固相) 土的三相组成 液体(液相) 气体(气相) 固体部分为土粒，由矿物颗粒或有机

3、质组成，构成土的骨架。骨架间有许多孔隙，为水和气体所填充。这三个组成部分本身的性质及他们之间的比例关系和相互作用决定土的物理性质。 土的物理性土的物理性质 土的固相物质无机矿物颗粒有机质原生矿物次生矿物 土中的水结合水自由水毛细水重力水土中的气体与大气连通的气体与大气不连通的气体 1.2.1 土中固体颗粒土中固体颗粒 1.2.2 土中的水土中的水 1.2.3 土中的气体土中的气体土的物理性土的物理性质1.3 土的三相物理指标土的三相物质在体积和质量上的比例关系称为土的三相比例指标土的三相比例指标。土中的三相指标实测物理指标(试验指标)换算物理指标(换算指标)土的物理性土的物理性质 实测物理指标

4、实测物理指标也称为试验指标，是指通过试验测定的指标，有土的密度、土粒比重和土的含水率。（2）土粒比重Gs （3）土的含水率w （1）土的密度 1.3.1 土的实测物理指标及其测定方法土的实测物理指标及其测定方法土的物理性土的物理性质 除了上述土的三个实测物理指标之外，还有一些土的指标可以通过计算求得，称为换算指标换算指标，包括土的干密度(干重度)、饱和密度(饱和重度)、有效重度、孔隙比、孔隙率和饱和度。（2）土的饱和密度 （3）土的有效重度 （1）土的干密度1.3.2 土的换算物理指标土的换算物理指标土的物理性土的物理性质（5）土的孔隙率n （6）土的饱和度Sr （4）土的孔隙比e土的物理性土

5、的物理性质1.3.3 土的基本物理指标之间的关系土的基本物理指标之间的关系土的物理性土的物理性质1.4 土的物理状态(1)砂土相对密度 (2)无黏性土密实度分类1.4.1 无黏性土的物理状态无黏性土的物理状态土的物理性土的物理性质土的物理性土的物理性质（1）黏性土的状态和界限含水率 黏性土从一种状态转到另一种状态的分界含水率称为界限含水率，流动状态与可塑状态间的界限含水率称为液限 ；可塑状态与半固体状态间的界限含水率称为塑限 ；半固体状态与固体状态间的界限含水率称为缩限 。 1.4.2 黏性土的物理状态黏性土的物理状态土的物理性土的物理性质 测定黏性土的液限的试验方法主要有圆锥仪法和碟式仪法，

6、也可采用液塑限联合测定法测定。我国采用圆锥仪法测定液限，仪器为平衡锥式液限仪，平衡锥质量为76g，锥角为30，试验仪器见图1.8。 土的物理性土的物理性质（2）塑性指数 可塑性是黏性土区别于砂土的重要特征。可塑性的大小可用黏性土处在可塑状态的含水率变化范围来衡量，从液限到塑限的变化范围愈大，土的可塑性也愈好，这个范围称为塑性指数IP。 （3）液性指数 液性指数用IL表示，是指黏性土的天然含水率和塑限的差值与液限和塑限差值之比，被用来表示黏性土所处的软硬状态 。土的物理性土的物理性质土的物理性土的物理性质1.5 土的结构与构造 土粒或土粒集合体的大小、形状、相互排列与联结等综合特征，称为土的结构

7、。土的结构在某种程度上反映了土的成分和土的形成条件，因而它对土的性质有重要的影响。 絮 状 结 构土 的 结 构单 粒 结 构蜂 窝 结 构1.5.1 土的结构土的结构土的物理性土的物理性质a) 单粒结构 单粒结构单粒结构是由粗大土粒在水或空气中自由下落堆积而成，是碎石土和砂土的结构特征。因土粒尺寸较大，粒间的分子引力远小于土粒自重，故土粒间几乎没有相互联结作用，是典型的散粒状物体，简称散体散体。只有在浸润条件下，粒间可能会有微弱的毛细压力联结。 单粒结构中，土粒的粒度和形状、土粒在空间的相对位置决定了其密实度，又可分为疏松的与紧密的。前者颗粒间的孔隙大，颗粒位置不稳定，不论在静载或动载下都很

8、容易错位，产生很大下沉，特别在振动作用下尤甚。因此具有疏松的单粒结构的土层未经处理不宜作为天然地基。具有紧密的单粒结构的土层，由于其土粒排列紧密，在动、静荷载作用下都不会产生较大的沉降，强度较高，压缩性较小，一般是较理想的天然地基。土的物理性土的物理性质b) 蜂窝结构 蜂窝结构蜂窝结构主要是由粉粒(0. 0750. 005mm)组成的土的结构形式。研究表明粒径为0. 0750. 005mm的土粒在水中下沉时，基本上是单个土粒下沉，当碰上已沉积的土粒时，由于它们之间的相互引力大于其重力，土粒就停留在最初的接触点上不再下沉，形成具有很大孔隙的蜂窝结构。蜂窝结构的孔隙一般远大于土粒本身的尺寸，如沉积

9、后没有受过比较大的上覆压力则在建筑物的荷载作用下可产生较大下沉。 c) 絮状结构 絮状结构絮状结构是由粘粒集合体组成的结构形式。粘粒能够在水中长期悬浮，不因自重而下沉。当在水中加入某些电解质后，颗粒间的排斥力削弱，运动着的土粒凝聚成絮状物下沉，形成类似蜂窝而孔隙很大的絮状结构。这种结构对土的各向异性、抗剪强度和固结性质都有相当大的影响。 土的物理性土的物理性质土的构造土的构造是指同一土层中土颗粒之间的相互关系特征 。裂隙构造土的构造层状构造(层理构造)分散构造结核状构造1.5.2 土的构造土的构造土的物理性土的物理性质a) 层状构造 层状构造层状构造也称为层理构造(图1.10a)，是土的构造的

10、最主要特征。它是在土的生成过程中，由于不同阶段沉积的物质成分、颗粒大小或颜色不同，而沿竖向呈现的成层特征，常见的有水平层理和交错层理（是指具有夹层、尖灭或透镜体等产状）。 b) 分散构造 土层中各部分的土粒组成无明显差别，分布均匀，各部分的性质亦相近，称为分散分散构造构造(图1.10b)。各种经过分选的砂、砾石、卵石形成的有较大的埋藏厚度、无明显层次的沉积，都属于分散构造。土的物理性土的物理性质c) 裂隙构造 土体为许多不连续的小裂隙所分割(图1.10c)，裂隙中往往充填有沉淀物，如黄土的柱状裂隙。裂隙的存在破坏了土的整体性，大大降低了土的强度和稳定性，增大了透水性，对工程极为不利 。 d)

11、结核状构造 在细粒土中混有粗颗粒或各种结核的构造属结核状构造(图1.10d)，如含砾石的冰渍粘土等。 通常分散构造土的工程性质最好，结核状构造图工程性质的好坏取决于细粒土部分，裂隙状构造土中，因裂隙强度低、渗透性差，工程性质差。土的物理性土的物理性质1.6 土的工程分类 （1）土的分类原则 1）简明的原则 2）工程特性差异的原则 （2）土的分类依据 根据工程用途的不同，不同的工程部门有自己的分类方法。本部分主要介绍建筑工程和公路工程两个行业的土的分类标准。 1.6.1 土的工程分类原则和依据土的工程分类原则和依据 土的物理性土的物理性质（1）按沉积年代可划分为老沉积土；新近沉积土。 （2）按地

12、质成因土可以分为残积土、坡积土、洪积土、冲积土、海积土、风积土和冰积土。 （3）按颗粒级配和塑性指数可以分为碎石土、砂土、粉土、粘性土和人工填土。 1.6.2 建筑工程中地基土的分类方法建筑工程中地基土的分类方法土的物理性土的物理性质碎石土的分类： 粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50%的碎石土，按颗粒级配和颗粒形状可进一步划分为漂石、块石、卵石、碎石、圆砾和角砾 。土的物理性土的物理性质砂土的分类： 砂土是指粒径大于2mm的颗粒质量不超过总质量的50%，粒径大于0.075mm的颗粒质量超过总质量的50%的土。按颗粒级配，砂土可进一步划分为砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂 。土的物理性土的物理性质

13、粘性土的分类：粘性土为塑性指数IP大于10的土，可分为粘土和粉质粘土。人工填土的分类： 人工填土根据其组成和成因可分为素填土、压实填土、杂填土、冲填土，素填土为由碎石土、砂土、粉土、粘性土等组成的填土，经过压实或夯实的素填土为压实填土，杂填土为含有建筑垃圾、工业废料、生活垃圾等杂物的填土，冲填土为由水力冲填泥砂形成的填土。 土的物理性土的物理性质 我国颁布的公路桥涵地基与基础设计规范(JTG D63-2007)中对于地基土分类的规定为：公路桥涵地基土可分为碎石土、砂土、粉土、粘性土和特殊性岩土。其中碎石土、砂土、粉土、粘性土的分类标准与建筑地基基础设计规范(GB50007-2011)中分类标准

14、相同，但公路桥涵地基与基础设计规范(JTG D63-2007)对粉土的分类进行了详细划分，见表1-15、16。1.6.3 公路桥涵地基土的分类方法公路桥涵地基土的分类方法土的物理性土的物理性质 特殊土特殊土是一些具有特殊成分、结构和性质的区域性地基土。 软土软土为滨海、湖沼、谷地、河滩等地天然含水率高、天然孔隙比大、抗剪强度低的细粒土，包括淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土等。 膨胀土膨胀土为土中黏粒成分主要由亲水性矿物组成，同时具有显著的吸水膨胀和失水收缩特性，其自有膨胀率大于或等于40%的粘性土。 湿陷性土湿陷性土为浸水后产生附加沉降，其湿陷系数0.015的土。 红黏土红黏土为碳酸盐岩系的岩石

15、经红土化作用形成的高塑性黏土，其液限一般大于50%，红黏土经再搬运后仍保留其基本特征且其液限大于45%的土为次生红黏土。 盐渍土盐渍土为土中易溶盐含量大于0.3%，并具有溶陷、盐胀、腐蚀等工程特性的土。 填土填土定义同上述人工填土相同。土的物理性土的物理性质 公路工程用土的分类主要以土的颗粒组成、土的液限、塑限和液性指数以及土中有机质存在情况等特征进行分类，公路土工试验规程(JTG E402007)中将公路工程用土分为巨粒土、粗粒土、细粒土和特殊土。 1.6.4 公路路基土的分类方法公路路基土的分类方法土的物理性土的物理性质土的物理性土的物理性质土的物理性土的物理性质1.5 本章小结 土的物理性质是土最基本的性质，土的组成不同、三相比例指标不同，土表现出不同的物理性质，如土的干湿、轻重、松密、软硬等，而土的物理性质某种程度上又决定了土的工程性质。故本章着重介绍了土的组成，包括土的三相比例指标的定义、黏性土的界限含水率、砂土的密实度、土的工程分类等内容。这些内容是学习土力学所必需的基本知识，是评价土的工程性质、分析解决土的工程技术问题的基础。