土力學(xué)與地基基礎(chǔ)(3、土的物理性質(zhì))

3、土的物理性質(zhì)、水理性質(zhì)和地基土的工程分類《土力學(xué)與地基基礎(chǔ)》3、土的物理性質(zhì)、水理性質(zhì)和

地基土的工程分類3.1土的物理性質(zhì)3.2土的水理性質(zhì)3.3地基土的工程分類3.1土的物理性質(zhì)

土的物理性質(zhì)受土體中土顆粒的級配性質(zhì)、密實程度、含水性等影響，直接反映土的松密、軟硬等物理狀態(tài)，也間接反映土的工程性質(zhì)。

土力學(xué)中通過對土的三相比例關(guān)系進行分析，研究土的物理性質(zhì)。以三相（固、液、氣）的體積或質(zhì)量上的相對比值，作為衡量土最基本的物理性質(zhì)指標(biāo)，并利用這些指標(biāo)間接地評定土的工程性質(zhì)。

本節(jié)主要研究土的物理性質(zhì)指標(biāo)及其確定方法。3.1.1指標(biāo)的定義

（1）土的三相關(guān)系示意圖

圖中各符號意義如下：

V－土的體積；

Va－土中氣體所占的體積；

Vw－土中水所占的體積；

Vs－土中顆粒所占的體積；

Vv－土中孔隙所占的體積；

m－土的總質(zhì)量；

mw－土中水的質(zhì)量；

ms－土中顆粒的質(zhì)量。

氣體的質(zhì)量相對甚小，可以忽略不計。圖3.1土的三相關(guān)系示意圖（2）三個基本物理指標(biāo)①土的天然密度ρ

定義：土單位體積的質(zhì)量稱為土的密度(單位為g／cm３或t／m３)，即：

測定方法：采用“環(huán)刀法”測定。用一個圓環(huán)刀(刀刃向下)放置于削平的原狀土樣面上，垂直邊壓邊削至土樣伸出環(huán)刀口為止，削去兩端余土，使與環(huán)刀口面齊平，稱出環(huán)刀內(nèi)土的質(zhì)量，求得它與環(huán)刀容積之比值即為土的密度。天然狀態(tài)下土的密度變化范圍很大，一般為ρ＝1.6～2.2g／cm3。規(guī)范中一般使用“重度”，單位kN/m3。（2）三個基本物理指標(biāo)（續(xù)）②土的含水量ω

定義：土中水的質(zhì)量與土粒質(zhì)量之比(用百分?jǐn)?shù)表示)稱為土的含水量，即：

測定方法：一般采用“烘干法”測定。即將天然土樣的質(zhì)量稱出，然后置于電烘箱內(nèi)，在溫度100～105℃烘至恒重，稱得干土質(zhì)量ms，濕土與干土質(zhì)量之差即為土中水的質(zhì)量mw，然后按上式求得土的含水量。

含水量是反映土濕度的一個重要指標(biāo)。它對粘性土、粉土的性質(zhì)影響較大，對粉砂、細砂等粗粒土稍有影響，而對碎石土等巨粒土沒有影響。

（2）三個基本物理指標(biāo)（續(xù)）③土粒相對密度（比重）ds

土的固體顆粒質(zhì)量與同體積4℃時純水的質(zhì)量之比，稱為土粒相對密度(又稱為比重)，即：式中：ρs－土粒密度(g／cm3)；

ρw1－純水在4℃時的密度(單位體積的質(zhì)量)，等于lg／cm3或1t／m3。土粒相對密度可在實驗室采用“比重瓶法”測定。土的比重值變化不大，其經(jīng)驗值為：砂土2.65～2.69、粉土2.70～2.71、粉質(zhì)粘土2.72～2.73、粘土2.74～2.76；有機質(zhì)土2.4～2.5、泥炭土1.5～1.8。(詳見教材表2.5)

（3）反映土單位體積質(zhì)量(重力)的指標(biāo)①土的干密度（干重度）ρd

土單位體積中固體顆粒部分的質(zhì)量，稱為土的干密度，用ρd表示：土的干密度一般為1.3～1.8t／m3。工程上常用土的干密度來評價土的密實程度，以控制填土、高等級公路路基和壩基的施工質(zhì)量。②土的飽和密度（飽和重度）ρsat

土孔隙中充滿水時的單位體積質(zhì)量，稱為土的飽和密度（飽和重度）ρsat，即：土的飽和重度一般為18～23kN/m3。（3）反映土單位體積質(zhì)量(重力)的指標(biāo)(續(xù))③土的有效密度(或浮密度、浮重度)ρ’在地下水位以下，單位體積中土粒的質(zhì)量扣除同體積水的質(zhì)量后，即為單位土體積中土粒的有效質(zhì)量，稱為土的有效密度，即：

土的密度和重力密度（重度）的關(guān)系：

土的濕重度γ、干重度γd、飽和重度γsat、有效重度ρ’確定：重度值等于密度值乘以重力加速度g

。各重度指標(biāo)的單位為kN／m３。在土的應(yīng)力計算中應(yīng)用重度指標(biāo)。（4）反映土孔隙特性、含水程度的指標(biāo)①土的孔隙比e

土中孔隙體積與土顆粒體積之比稱為土的孔隙比e，即：②土的孔隙率n

土中孔隙體積與總體積之比(用百分?jǐn)?shù)表示)稱為土的孔隙率n,即:

土的孔隙比和孔隙率都是反映土體密實程度的重要物理性質(zhì)指標(biāo)。在一般情況下，e和n愈大，土愈疏松；反之土愈密實。一般來說，e<o.6的土是密實的，土的壓縮性??；e>1.0的土是疏松的，壓縮性高。淤泥的

e>1.5。（4）反映土孔隙特性、含水程度的指標(biāo)(續(xù))③土的飽和度Sr

土中水的體積與孔隙體積之比稱為土的飽和度，用百分?jǐn)?shù)表示，即：

土的飽和度反映了土中孔隙被水充滿的程度。通?？筛鶕?jù)飽和度的大小將細砂、粉砂等土劃分為稍濕、很濕和飽和三種狀態(tài)，見下表。

砂土濕度狀態(tài)劃分表濕度稍濕很濕飽和飽和度Sr(%)Sr≤5050＜Sr≤80Sr＞803.1.2指標(biāo)的換算在推導(dǎo)物理性質(zhì)指標(biāo)之間換算關(guān)系時，常采用圖3.2所示三相草圖，即令Ｖs=1，ρw1=ρw

，則Ｖv=e，Ｖ=1+e，再由基本物理指標(biāo)ρ、w、ds計算得到：

ms=dsρw，

mw=ωds，

m=(1+ω)dsρw。圖3.2土的物理性質(zhì)指標(biāo)換算三相圖土的三相比例指標(biāo)換算公式

土的三相比例指標(biāo)換算公式（續(xù)）例題：

一塊原狀土樣，經(jīng)試驗測得土的天然密度ρ＝1.67t／m3，含水量ω＝12.9％，土粒相對密度ds=2.67。求孔隙比e、孔隙率n和飽和度Ｓr。

（1）

（2）

（3）3.1.3無粘性土的密實度

密實度：是評價砂、卵石等無粘性土密實程度的狀態(tài)指標(biāo)。密實度是影響無粘性土工程性質(zhì)的主要因素。一般用相對密實度Dr評價砂土的密實度：

根據(jù)Dr值可把砂土的密實度狀態(tài)分為下列三種：

1≥Dr>0.67密實的

0.67≥Dr>0.33中密的

0.33≥Dr>0松散的3.1.3無粘性土的密實度（續(xù)）

由于天然狀態(tài)砂土的孔隙比e值難以測定，我國現(xiàn)行的《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB500007)推薦采用原位標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗的錘擊數(shù)N來評價砂類土的密實度，將砂土分為松散、稍密、中密與密實四種密實度（下表所示）。碎石土的密實度一般依靠野外方法綜合確定。

砂土密實度的劃分砂土密實度松散稍密中密密實N10≤10＜N≤1515＜N≤30＞30

3.1.4粘性土的物理特性（1）粘性土的界限含水量含水量增加固態(tài)半固態(tài)塑態(tài)液態(tài)收縮限塑限液

限WsWpWLVW基本概念稠度：粘性土由于含水量變化而表現(xiàn)出的稀稠程度。界限含水量（阿特堡界限，1911）：相應(yīng)于從一種稠度狀態(tài)向另一種稠度狀態(tài)轉(zhuǎn)變點的含水量。液限：土由可塑狀態(tài)過渡到流動狀態(tài)的界限含水量wL。常用落錐法試驗確定（圖示）。塑限：土由可塑狀態(tài)過渡到半固體狀態(tài)的界限含水量wP。常用搓條法試驗確定?？s限：土由半固態(tài)過渡到固體狀態(tài)的界限含水量

ws。錐式液限儀光電式聯(lián)合測定儀錐式液限儀示意圖碟式液限儀示意圖（2）粘性土的塑性指數(shù)和液性指數(shù)①塑性指數(shù)

影響因素礦物成分粒度成分活動性指數(shù)Ip小于0.002mm顆粒含量C②液性指數(shù)IL可以用來表示粘性土所處的軟硬狀態(tài)；IL不能反映原狀土的結(jié)構(gòu)狀態(tài)；用IL判斷擾動土的軟硬狀態(tài)是合適的。原狀土要比擾動土堅硬。

IL0堅硬狀態(tài)

0<IL0.25硬塑狀態(tài)

0.25<IL0.75可塑狀態(tài)

0.75<IL1軟塑狀態(tài)

IL>1流塑狀態(tài)（3）粘性土的靈敏度和觸變性

靈敏度St：用來衡量粘性土結(jié)構(gòu)性對強度的影響的指標(biāo)。式中：qu、qu’-分別為原狀土和重塑土試樣的無側(cè)限抗壓強度。

觸變性：粘性土結(jié)構(gòu)遭到破壞，強度降低，但隨時間發(fā)展土體強度恢復(fù)的膠體化學(xué)性質(zhì)稱為土的觸變性。也就是說土的結(jié)構(gòu)逐步恢復(fù)而導(dǎo)致強度的恢復(fù)。1.0<St≤2.0低靈敏2.0<St≤4.０中等靈敏

St>4.0高靈敏3.2土的水理性質(zhì)

土的水理性質(zhì)：指土在水作用下表現(xiàn)出的性狀特點。粘性土的脹縮性粘性土的崩解性飽和砂粉土的液化性土的凍脹性粘性土的脹縮性粘性土的脹縮性

膨脹性

收縮性

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

膨脹性

體膨脹率ep線膨脹率：

膨脹力(kPa)

膨脹含水率:

自由膨脹率:引起土體膨脹的主要原因有：粘粒的水化作用、粘粒表面雙電層的形成、擴散層增厚等因素。膨脹大致分兩個階段：第一階段：干粘粒表面吸附單層水分子；“晶層間膨脹”或“粒間膨脹”第二階段：由于雙電層的形成，使粘?；蚓舆M一步推開。“滲透膨脹”收縮性

體縮率

線縮率

收縮系數(shù):作圖求解縮限:作圖求解線縮率與含水量關(guān)系曲線粘性土的收縮性是由于水分蒸發(fā)引起的。其收縮過程可分為兩個階段：第一階段：表示了土體積的縮小與含水率的減小成正比，呈直線關(guān)系；土之減小的體積等于水分散失的體積；第二階段：表示了土體積的縮小與含水率的減少呈曲線關(guān)系。土體積的減少量小于失水體積，隨著含水率的減少，土體積收縮愈來愈慢。

粘性土的崩解性

定義：粘性土由于浸水而發(fā)生崩解散體的特性稱崩解性。

粘性土崩解性的三個評價指標(biāo)：1、崩解時間：一定體積的土樣完全崩解所需的時間；2、崩解特征：土樣在崩解過程的各種現(xiàn)象，即出現(xiàn)的崩解形式；3、崩解速度：土樣在崩解過程中質(zhì)量的損失與原土樣質(zhì)量之比，和時間的關(guān)系。崩解現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于土水化，使顆粒間連接減弱及部分膠結(jié)物溶解而引起的崩解。是表征土的抗水性的指標(biāo)。

3.3地基土的工程分類土的工程地質(zhì)分類特殊土的工程地質(zhì)特性土的工程地質(zhì)分類

分類的目的：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，目的在于通過通用的鑒別標(biāo)準(zhǔn)，便于在不同土類間作有價值的比較、評價、積累以及學(xué)術(shù)與經(jīng)驗的交流。分類原則：①分類要簡明，既要能綜合反映土的主要工程性質(zhì)，又要測定方法簡單，使用方便。②土的分類體系所采用的指標(biāo)要在一定程度上反映不同類工程用土的不同特性。土的分類按地質(zhì)成因分類

按顆粒級配和塑性指數(shù)分類

殘積、坡積、洪積、沖積、冰積、風(fēng)積等類型

土按顆粒級配和塑性指數(shù)可分為碎石土、砂土、粉土和粘性土。碎石土分類土的名稱顆粒形狀粒組含量漂石塊石圓形及亞圓形為主棱角形為主粒徑大于200mm的顆粒超過全質(zhì)量50%卵石碎石圓礫角礫圓形及亞圓形為主棱角形為主粒徑大于20mm的顆粒超過全質(zhì)量50%圓形及亞圓形為主棱角形為主粒徑大于2mm的顆粒超過全質(zhì)量50%碎石土：粒徑大于2mm的顆粒含量超過全重50%的土。砂土分類礫砂粗砂中砂細砂粉砂粒徑大于2mm的顆粒占全質(zhì)量25--50%粒徑大于0.5mm的顆粒超過全質(zhì)量50%粒徑大于0.25mm的顆粒超過全質(zhì)量50%粒徑大于0.075mm的顆粒超過全質(zhì)量85%粒徑大于0.075mm的顆粒超過全質(zhì)量50%土的名稱粒組含量砂土：粒徑大于2mm的顆粒含量不超過全重的50%、粒徑大于0.075mm的顆粒超過全重的50%。

粉土分類1.砂質(zhì)粉土粒徑小于0.005mm的顆粒含量不超過全重10%；2.粘質(zhì)粉土粒徑小于0.005mm的顆粒含量超過全重10%。粉土：塑性指數(shù)IP≤10且粒徑大于0.075mm的顆粒含量不超過全重的50%的土。粘性土的分類

根據(jù)堆積時代分

根據(jù)塑性指數(shù)Ip分

按工程特性分

根據(jù)有機質(zhì)含量分類

1）老堆積土：晚更新世及其以前2）一般堆積土：全新世堆積3）新近堆積土：全新世以后粉質(zhì)粘土：10＜Ip≤17粘土：

Ip＞17濕陷性土、紅粘土、軟土（包括淤泥和淤泥質(zhì)土）、多年凍土、膨脹土、鹽漬土、混合土、填土、

污染土等。

無機土：Q＜5%有機質(zhì)土：5%≤Q≤10%泥炭質(zhì)土：10％＜Q≤60％泥炭：Q＞60％粘性土：塑性指數(shù)IP大于10的土。特殊土的工程地質(zhì)特性

淤泥類土

①高孔隙比、飽水、天然含水量大孔隙比常見值為1.0～2.0；液限一般為40％

～60％，飽和度一般>90％，天然含水量多為50～70％。淤泥類土天然含水量大于液限；②未擾動時，處于軟塑狀態(tài)，一經(jīng)擾動，結(jié)構(gòu)破壞，處于流動狀態(tài)；③透水性極弱：一般垂直方向的滲透系數(shù)較水平方向小些；④高壓縮性：a1~2一般為0.7～1.5MPa－1，且隨天然含水率的增大而增大；⑤抗剪強度很低，且與加荷速度和排水固結(jié)條件有關(guān)；⑥有較顯著的觸變性和蠕變性；⑦分為：淤泥(e≥1.5)、淤泥質(zhì)土(1.0≤e＜1.5)。

膨脹土①膨脹土的液限、塑限和塑性指數(shù)都較大：液限為40％～68％，塑限為17%～35％，塑性指數(shù)為18～33；②膨脹土的飽和度一般較大，常在80％以上，天然含水率較小，一般17％～30％；③膨脹土：土中粘粒成分主要為親水性礦物，具有顯著的吸水膨脹和失水收縮性，其自由膨脹率≥40％的粘性土。劃分為膨脹性弱（40-65）、中等（65-90）、強（≥90）三類。特殊土的工程地質(zhì)特性

特殊土的工程地質(zhì)特性

紅粘土①