土的物理性質及工程分類

1、第1章 土的物理性質及工程分類1.1 土的形成巖土體是地殼的物質組成。巖體是地殼表層圈層，經建造和改造而形成的具一定組分和結構的地質體。它賦存于一定的地質環(huán)境之中，并隨著地質環(huán)境的演化和地質作用的持續(xù)，仍在不斷的變化著。土體是巖石風化的產物，是一種松散的顆粒堆積物。由于巖土材料組成的復雜性，其性質在許多方面不同于其它材料，具有其特有的多變性及復雜性。以下就巖土的特性分別簡述之。1.2 土的組成1.1.1 土的結構與特性土是一種松散的顆粒堆積物。它是由固體顆粒、液體和氣體三部份組成。土的固體顆粒一般由礦物質組成，有時含有膠結物和有機物，這一部分構成土的骨架。土的液體部分是指水和溶解于水中的礦物質

2、?？諝夂推渌鼩怏w構成土的氣體部分。土骨架間的孔隙相互連通，被液體和氣體充滿。土的三相組成決定了土的物理力學性質。1） 土的固體顆粒土骨架對土的物理力學性質起決定性的作用。分析研究土的狀態(tài)，就要研究固體顆粒的狀態(tài)指標，即粒徑的大小及其級配、固體顆粒的礦物成分、固體顆粒的形狀。（1）固體顆粒的大小與粒徑級配土中固體顆粒的大小及其含量，決定了土的物理力學性質。顆粒的大小通常用粒徑表示。實際工程中常按粒徑大小分組，粒徑在某一范圍之內的分為一組，稱為粒組。粒組不同其性質也不同。常用的粒組有：礫石粒、砂粒、粉粒、粘粒、膠粒。以礫石和砂粒為主要組成成分的土稱為粗粒土。以粉粒、粘粒和膠粒為主的土，稱為細粒土。

3、土的工程分類見本章第三節(jié)。各粒組的具體劃分和粒徑范圍見表1-1。 土中各粒組的相對含量稱土的粒徑級配。土粒含量的具體含義是指一個粒組中的土粒質量與干土總質量之比，一般用百分比表示。土的粒徑級配直接影響土的性質，如土的密實度、土的透水性、土的強度、土的壓縮性等。要確定各粒組的相對含量，需要將各粒組分離開，再分別稱重。這就是工程中常用的顆粒分析方法，實驗室常用的有篩分法和密度計法。篩分法適用粒徑大于0.075mm的土。利用一套孔徑大小不同的標準篩子，將稱過質量的干土過篩，充分篩選，將留在各級篩上的土粒分別稱重，然后計算小于某粒徑的土粒含量。密度計法適用于粒徑小于0.075mm的土?；驹硎穷w粒在

4、水中下沉速度與粒徑的平方成正比，粗顆粒下沉速度快，細顆粒下沉速度慢。根據下沉速度就可以將顆粒按粒徑大小分組（詳見土工試驗書籍）。當土中含有顆粒粒徑大于0.075mm和小于0.075mm的土粒時，可以聯(lián)合使用密度計法和篩分法。工程中常用粒徑級配曲線直接了解土的級配情況。曲線的橫坐標為土顆粒粒徑的對數，單位為mm；縱坐標為小于某粒徑土顆粒的累積含量，用百分比（%）表示。如圖1-1。顆粒級配曲線在土木、水利水電等工程中經常用到。從曲線中可直接求得各粒組的顆粒含量及粒徑分布的均勻程度，進而估測土的工程性質。其中一些特征粒徑，可作為選擇建筑材料的依據，并評價土的級配優(yōu)劣。特征粒徑有：d10 土中小于此粒

5、徑的土的質量占總土質量的10%，也稱有效粒徑；d30 土中小于此粒徑的土的質量占總土質量的30%；d50 土中小于此粒徑的土的質量和大于此粒徑的土的質量各占50%，也稱平均粒徑，用來表示土的粗細；d60 土中此粒徑土的質量占總土質量的60%，也稱限制粒徑。粒徑分布的均勻程度由不均勻系數Cu表示：Cu= d60/ d10 (1-1)Cu愈大，土愈不均勻，也即土中粗、細顆粒的大小相差愈懸殊。若土的顆粒級配曲線是連續(xù)的，Cu愈大，d60與d10相距愈遠，則曲線愈平緩，表示土中的粒組變化范圍寬，土粒不均勻；反之，Cu愈小，d60與d10相距愈近，曲線愈陡，表示土中的粒組變化范圍窄，土粒均勻。工程中，把

6、Cu5的土稱為不均為土，Cu5的土稱為均勻土。若土的顆粒級配曲線不連續(xù)，在該曲線上出現水平段，如圖1-1曲線和所示，水平段粒組范圍不包含該粒組顆粒。這種土缺少中間某些粒徑，粒徑級配曲線呈臺階狀，土的組成特征是顆粒粗的較粗，細的較細，在同樣的壓實條件下，密實度不如級配連續(xù)的土高，其它工程性質也較差。土的粒徑級配曲線的形狀，尤其是確定其是否連續(xù)，可用曲率系數Cc反映：(1-2)若曲率系數過大，表示粒徑分布曲線的臺階出現在d10和d30范圍內。反之，若曲率系數過小，表示臺階出現在d30和d60范圍內。經驗表明，當級配連續(xù)時，Cc的范圍大約在13。因此，當Cc 1或Cc3時，均表示級配曲線不連續(xù)。由上

7、可知，土的級配優(yōu)劣可由土中土粒的不均勻系數和粒徑分布曲線的形狀曲率系數衡量。我國土的分類標準（GBJ 145-90）規(guī)定：對于純凈的砂、礫石，當實際工程中，Cu大于或等于5，且Cc等于13時，它的級配是良好的；不能同時滿足上述條件時，它的級配是不良的。（2） 固體顆粒的成份土中固體顆粒的成份絕大多數是礦物質，或有少量有機物。顆粒的礦物成份一般有兩大類，一類是原生礦物，另一類是次生礦物。（3）固體顆粒的形狀原生礦物的顆粒一般較粗，多呈粒狀；次生礦物的顆粒一般較細，多呈片狀或針狀。土的顆粒愈細，形狀愈扁平，其表面積與質量之比愈大。對于粗顆粒，比表面積沒有很大意義。對于細顆粒，尤其是粘性土顆粒，比表

8、面積的大小直接反應土顆粒與四周介質的相互作用，是反應粘性土性質特征的一個重要指標。2）土的液體部分如前所述，土中液體含量不同，土的性質就不同。土中的液體一部分以結晶水的形式存在于固體顆粒的內部，形成結合水；另一部分存在于土顆粒的孔隙中，形成自由水。（1）結合水在電場作用力范圍內，水中的陽離子和極性分子被吸引在土顆粒周圍，距離土顆粒越近，作用力越大；距離越遠，作用力越小，直至不受電場力作用。通常稱這一部分水為結合水。特點是包圍在土顆粒四周，不傳遞靜水壓力，不能任意流動。由于土顆粒的電場有一定的作用范圍，因此結合水有一定的厚度，其厚度首先與顆粒的粘土礦物成分有關。在三種粘土礦物中，由蒙脫石組成的土

9、顆粒，盡管其單位質量的負電荷最多，但其比表面積較大，因而單位面積上的負電荷反而較少，結合水層較??；而高嶺石則相反，結合水層較厚。伊利石介于二者之間。其次，結合水的厚度還取決于水中陽離子的濃度和化學性質，如水中陽離子濃度越高，則靠近土顆粒表面的陽離子也越多，極性分子越少，結合水也就越薄。（2）自由水不受電場引力作用的水稱為自由水。自由水又可分為毛細水和重力水。 毛細水，毛細水分布在土顆粒間相互連通的彎曲孔道。由于水分子與土顆粒之間的附著力和水、氣界面上的表面張力，地下水將沿著這些孔道被吸引上來，而在地下水位以上形成一定高度的毛細管水帶。它與土中孔隙的大小、形狀、土顆粒的礦物成分以及水的性質有關。

10、在潮濕的粉、細砂中，由于孔隙中的氣與大氣相通，孔隙水中的壓力也小于大氣壓力，此時孔隙水僅存于土顆粒接觸點周圍。 重力水，在重力本身作用下的水稱重力水。重力水能在土體中自由流動，具有溶解能力，能傳遞水壓力。水是土的重要成分之一。一般認為水不能承受剪力，但能承受壓力和一定的吸力；一般情況下，水的壓縮量很小，可以忽略不計。3）土的氣體部分 在非飽和土中，土顆粒間的孔隙由液體和氣體充滿。土中氣一般以下面兩種形式存在于土中：一種是四周被顆粒和水封閉的封閉氣體，另一種是與大氣相通的自由氣體。當土的飽和度較低，土中氣體與大氣相通時，土體在外力作用下，氣體很快從孔隙中排出，則土的強度和穩(wěn)定性提高。當土的飽和度

11、較高，土中出現封閉氣體時，土體在外力作用下，則體積縮??；外力減小，則體積增大。因此，土中封閉氣體增加了土的彈性。同時，土中封閉氣體的存在還能阻塞土中的滲流通道，減小土的滲透性。1.3 土的物理性質指標 由于土是由固體顆粒、液體和氣體三部分組成，各部分含量的比例關系，直接影響土的物理性質和土的狀態(tài)。例如，同樣一種土，松散時強度較低，經過外力壓密后，強度會提高。對于粘性土，含水量不同，其性質也有明顯差別，含水量多，則軟；含水量少，則硬。在土力學中，為進一步描述土的物理力學性質，將土的三相成分比例關系量化，用一些具體的物理量表示，這些物理量就是土的物理力學性質指標。如含水量、密度、土粒比重、孔隙比、

12、孔隙率和飽和度等。為了形象、直觀地表示土的三相組成比例關系，常用三相圖來表示土的三相組成，如圖1-2所示。在三相圖左側，表示三相組成的質量，三相圖的右側，表示三相組成的體積。1) 實測指標（1）土的含水率 ( )土的含水量 是指土中液體的質量 (mw ) 和土顆粒質量 (ms) 之比，用百分比表示。這一指標需通過試驗取得。（1-4）式中土粒的質量 ms 就是干土的質量，是把土烘干至恒量后稱得的，氣體的質量忽略小計，液體的質量由總質量 m 和干土的質量ms 相減而得。（2）土的密度 ( r )土的密度 r 是指單位體積土的質量，在三相圖中，即是總質量與總體積之比。單位用 或計。公式如下：（1-5

13、）對粘性土，土的密度常用環(huán)刀法測得。即用一定容積V的環(huán)刀切取試樣，稱得質量m，即可求得密度 r 。r 通常稱為天然密度或濕密度。工程計算中還常用到飽和密度和干密度兩種密度。飽和密度(rsat)：孔隙完全被水充滿時土的密度，公式為：（1-6）干密度（rd）：土被完全烘干時的密度，若忽略氣體的質量，干密度在數值上等于單位體積中土粒的質量。公式為（1-7）實際工程中，由于人們習慣用重量表示物質含量的多少，所以還常用到土的重度。對應于上述幾種密度，相應地用天然重度、飽和重度sat和干重度d來表示土在不同含水狀態(tài)下單位體積的重量。在數值上，它們等于相應的密度乘以重力加速度g。此外，靜水中土體受水的浮力作

14、用，其重度等于土的飽和重度減去水的重度，稱為浮重度，單位用計。由于重量 (G) 與質量 (m) 有存在G = mg 關系，所以土的重度與土的密度 r 的關系如下： = r g = 9.8r ( 1-8 )其中g為重力加速度（）有時工程上為了計算方便，取 。土的密度隨土的三相組成比例不同而異，一般情況在1.60 2.20之間。（3） 土粒比重 ( Gs )土粒比重 ( Gs) 是土粒的質量與同體積純蒸餾水在4時的質量之比，這一指標需試驗取得，公式如下：（1-9）式中，r s為土粒的密度，即單位土體土粒的質量； 為4時純蒸餾水的密度。土粒比重常用比重瓶法測得。將比重瓶加滿蒸餾水，稱水和瓶的總質量m

15、1；然后把烘干土ms裝入該空比重瓶，再加滿蒸餾水，稱總質量m2，按下面的公式求得土粒比重： ( 1-10 )實際上由于 = 1.0g/ ，故土粒比重在數值上等于土粒的密度，但無量綱。天然土的顆粒是由不同的礦物組成的，它們的比重一般并不相同。試驗測得的是土粒的比重的平均值。土粒的比重變化范圍較小，砂土一般在2.65左右，粘性土一般在2.75左右；若土中的有機質含量增加，則土的比重將減小。2）其它指標（1）孔隙比（ e）孔隙比是指孔隙的體積與固體顆粒實體的體積之比，用小數表示，公式為： (1-11)（2）孔隙度（ n）孔隙度是指孔隙的體積與土的總體積之比，用百分數表示，公式為： (%) ( 1-1

16、2 )根據二者的定義很容易證明，孔隙度 n 與孔隙比 e 之間有如下關系：( 1-13 )或( 1-14 )土的孔隙比和孔隙度都是用來表示孔隙體積的含量。同一種土，孔隙比和孔隙度不同，土的密實程度也不同。它們隨土的形成過程中所受到的壓力、粒徑級配和顆粒排列的不同而有很大差異。一般來說，粗粒土的孔隙度小，如砂類土的孔隙度一般在30%左右；細粒土的孔隙度大，如粘性土的孔隙度有時可高達70%。（3）飽和度 (Sr)土的飽和度Sr是指土孔隙中液體的體積與孔隙的體積之比，用百分數表示，公式如下（1-15）含水率是用來表示土中含水程度的一個重要指標，飽和度Sr則用來確定孔隙中充滿水的程度。很顯然，干土的飽

17、和度Sr=0,飽和土的飽和度Sr=100% 。土的物理性質指標之間的關系可用三相圖來換算。1.4 土的物理狀態(tài)指標粘性土（細粒土）的物理狀態(tài)指標粘性土最主要的特征是它的稠度，稠度是指粘性土在某一含水量下的軟硬程度和土體對外力引起的變形或破壞的抵抗能力。當土中含水量很低時，水被土顆粒表面的電荷吸著于顆粒表面，土中水為強結合水，土呈現固態(tài)或半固態(tài)。當土中含水量增加，吸附在顆粒周圍的水膜加厚，土粒周圍除強結合水外還有弱結合水。弱結合水不能自由流動，但受力時可以變形，此時土體受外力作用可以被捏成任意形狀，外力取消后仍保持改變后的形狀，這種狀態(tài)稱為塑態(tài)。當土中含水量繼續(xù)增加，土中除結合水外已有相當數量的

18、水處于電場引力范圍外，這時，土體不能受剪應力，呈現流動狀態(tài)。實質上，土的稠度就是反應土體的含水量。土從一種狀態(tài)轉變成另一種狀態(tài)的界限含水量，稱為稠度界限。工程上常用的稠度界限有液限和塑限。國際上稱為阿太堡界限（Aterberg Limit）。1）液限( )液限指土從塑性狀態(tài)轉變?yōu)橐盒誀顟B(tài)時的界限含水量；2）塑限( )塑限指土從半固體狀態(tài)轉變?yōu)樗苄誀顟B(tài)時的界限含水量。實驗室測定液限使用液限儀，測定塑性用搓條法。具體方法請參閱“土工試驗規(guī)程”。實際上，由于粘性土從一種狀態(tài)轉變?yōu)榱硪环N狀態(tài)是漸變的，沒有明確的界限，因此只能根據這些通用的試驗方法測得的含水量代替界限含水量。此外，為了表征土體天然含水量

19、與界限含水量之間的相對關系，工程上還常用液性指數 和塑性指數 兩個指標判別土體的稠度。3）塑性指數 (1-32)式中， 為液限， 為塑限。 塑性指數越大，土性越粘，工程中根據塑性指數的大小對粘性土進行分類（見表1-16）。4）液性指數 ： （1-33）當 =0時， ，土從半固態(tài)進入可塑狀態(tài)。當 =1時，土從可塑狀態(tài)進入液態(tài)。因此，可以根據 的值直接判定土的軟硬狀態(tài)。工程上按液性指數 的大小，可把粘性土的狀態(tài)區(qū)分開來： 0 堅固狀態(tài) 01.0 流動狀態(tài)應當注意，實驗室測定塑限和液限時，是用擾動樣，土的結構已經破壞，實測值要比實際值小，因此，用液性指數反映天然土的稠度有一定缺點，用于判別重塑土的稠

20、度較為合適。1）相對密實度（Dr） 相對密實度是指砂土的密實程度。孔隙比、干容重在一定程度上也可以反映土的密度程度，但這兩個指標沒有考慮粒徑級配對土的密度程度的影響。不難驗證，不同極配的砂土，可以具有相同的孔隙比e，若土顆粒的大小、形狀和級配不同，則土的密實程度也明顯不同。如均勻顆粒的土與包含大顆粒和小顆粒的土，其密實程度是不同的。為此，實際工程中，一般用相對密實度Dr來表征砂土的密實程度。公式為：（1-34）式中, 指砂土的天然孔隙比； 指砂土的最大孔隙比，由它的最小干密度換算而得； 指砂土的最小孔隙比，由它的最大干密度換算而得；將式(1-34)中的孔隙比用干密度替換，可得到用干密度表示的相

21、對密度表達式：(1-35)式中， 指砂土的天然干密度； 指砂土的最大干密度； 指砂土的最小干密度。最大干密度和最小干密度可直接由試驗測定。具體測定方法請參閱“土工試驗規(guī)程”。當 時， ，表示土處于最松狀態(tài)。當 時， ，表示土處于最密實狀態(tài)。工程中，用相對密度判別砂土的密實狀態(tài)標準為： 疏松 中密 密實粘性土不存在最大和最小孔隙比，因此粘性土的密實度只能依據孔隙比和干密度來判別。1.5 土的工程分類自然界中土的種類不同，其工程性質也必不相同。從直觀上，可以粗略的把土分成兩大類，一類是土體中肉眼可見松散顆粒，顆粒間連結弱，這就是前面提到的無粘性土（粗粒土）；另一類是顆粒非常細微，顆粒間連結力強，這

22、就是前面提到的粘土。實際工程中，這種粗略的分類遠遠不能滿足工程的要求，還必須用更能反映土的工程特性的指標來系統(tǒng)分類。前面已介紹過，影響土的工程性質的主要因素是土的三相組成和土的物理狀態(tài)，其中最主要的因素是三相組成中土的固體顆粒。如顆粒的粗細、顆粒的級配等。目前，國際、國內土的工程分類法并不統(tǒng)一。即使同一國家的各個行業(yè)、各個部門，土的分類體系也都是結合本專業(yè)的特點而制定的。本節(jié)主要介紹我國“土的分類標準”(GBJ 14590)和“建筑地基基礎設計規(guī)范”（GB500072002）。1） 土的分類標準（GBJ 14590）為了與國際接軌，我國特制定了“土的分類標準”，這一分類體系與一些歐美國家的土分

23、類體系原則相近，僅根據我國的實際情況作了適當修正。按GBJ 145-90分類法，土的總分類體系如下：對土進行分類時，首先根據有機質的含量把土分成有機土和無機土兩大類。無機土中，再根據土中各粒組的相對含量把土再分為：巨粒土、含巨粒土、粗粒土和細粒土。根據土的分類標準，各粒組還可進一步細分。下面分別予以說明（1）巨粒土和含巨粒土土體顆粒粒徑在60mm以上的稱巨粒。若土中巨粒含量高于50%，該土屬巨粒土；若土中巨粒含量在15%50%之間，該土屬含巨粒土。巨粒土和含巨粒土依據其中所含漂石粒含量進一步劃分如表1-10。 表1-10 巨粒土和含巨粒土的分類代號名 稱類 型粒 組 含 量B漂 石巨 粒 土巨

24、粒含量75%漂石含量 50%Cb卵 石漂石含量 50%BSI混合土漂石50%巨粒含量 50%CSI混合土卵石漂石含量 50%SIB漂石混合土含巨粒土15%巨粒含量50%漂石含量 卵石含量SIC卵石混合土漂石含量 卵石含量（2）粗粒土粗粒土中大于0.075mm的粗粒含量在50%以上。粗粒土分為礫類土和砂類土兩類。若土中粒徑大于2mm的礫粒含量多于50%，則該土屬礫類土；不足50%，則屬砂類土。礫類土和砂類土再按細粒土(0.075mm)的含量進一步細分。具體細粒含量和其它相關指標見表1-11、表1-12。表1-11 礫 類 土 的 分 類名 稱代號類 別細粒含量級配或塑性圖分類級配良好礫GW礫類土

25、礫5%Cu5，Cc=13級配不良礫GP不能同時滿足上述條件含細粒土礫GF含細粒土礫5%15%粘土質礫GC細粒土質礫15%50%粘土粉土質礫GM粉土表1-12 砂 類 土 的 分 類名 稱代號類 別細粒含量級配或塑性圖分類級配良好砂SW砂類土砂5%Cu5，Cc=13級配不良砂SP不能同時滿足上述條件含細粒土砂SF含細粒土砂5%15%粘土質砂SC細粒土質砂15%50%粘土粉土質砂SM粉土（3）細粒土的分類細粒土中粒徑小于0.075mm在細粒含量在50%以上，且粗粒含量少于25%。細粒土按塑性圖分類。塑性圖以液限為橫坐標，塑性指數 為縱坐標，見圖1-5，圖中用A、B二條線和和及 的二段水平線將整張圖

26、分成5個區(qū)域。若土的液限和塑性指數在圖中A線以上，B線以左，線之上，則該土屬低液限粘土；若土的液限和塑性指數在圖中A線以下，B線以右，則該土屬高液限粉土。土的具體分類和名稱見表1-13。 表1-13 細 粒 土 的 分 類名 稱代號液限( )塑性指數( )高液限粘土CH50%0.73( 20)且 10低液限粘土CL50%高液限粉土MH50% 0.73( 20)且低液限粉土ML50%2） 建筑地基基礎設計規(guī)范（GB500072002）這種分類方法的體系比較簡單，按照土顆粒的大小、粒組的土顆粒含量把地基土分成碎石土、砂土、粉土和粘性土和人工填土。按我國“土的分類標準”，碎石土和砂土屬于粗粒土，粉土和粘性土屬于細粒土。粗粒土按粒徑級配分類，細粒土則按塑性指數分類。1）碎石土粒徑大于2mm的顆粒含量大于50%的土屬碎石土。根據粒組含量及顆粒形狀，可細分為漂石、塊石、卵石、碎石、圓礫、角礫。具體見表1-14。 表1-14 碎 石 土 的 分 類名稱顆 粒 形 狀粒 組 的 顆 粒 含 量漂石塊石 圓形及次圓形為主 棱角形為主 粒徑大于200mm的顆粒超過50%卵石碎石 圓形及次圓形為主 棱角形為主 粒徑大于20mm的顆粒含量超過50%圓礫角礫 圓形及次圓形為主 棱角形為主 粒徑大于2mm