第二章-土的工程性質(zhì)和工程分類

《土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)》

第二章土的工程性質(zhì)和工程分類第一節(jié)土的物理性質(zhì)第二節(jié)土的水理性質(zhì)第三節(jié)土的力學(xué)性質(zhì)第四節(jié)土的工程分類

第一節(jié)土的物理性質(zhì)

一、土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)及其測定

二、土的其它物理性質(zhì)指標(biāo)

三、土的物理性質(zhì)指標(biāo)的換算

所謂土的物理性質(zhì)就是表示土中三相比例關(guān)系的一些物理量。土的物理性質(zhì)指標(biāo)不僅可以描述土的物理性質(zhì)和它所處的狀態(tài)，而且在一定程度上反映了土的力學(xué)性質(zhì)。

第一節(jié)土的物理性質(zhì)土的物理性質(zhì)指標(biāo)的分類一類是必須通過試驗(yàn)測定的，如含水率、密度和土粒比重，稱為基本指標(biāo)；一類是根據(jù)直接指標(biāo)換算的，如孔隙比、孔隙率、飽和度等，稱為間接指標(biāo)

第一節(jié)土的物理性質(zhì)

土的三相圖為便于說明這些物理性質(zhì)指標(biāo)的定義和它們的換算關(guān)系，常用三相圖表示土體內(nèi)三相的相對含量。

第一節(jié)土的物理性質(zhì)試驗(yàn)直接測定的物理性質(zhì)指標(biāo)

1.土的密度ρ和容重γ密度單位體積土的質(zhì)量，用ρ表示定義：單位：Mg/m3或g/cm3表達(dá)式：容重定義：單位體積土的重量，用γ表示單位：kN/m3表達(dá)式：

第一節(jié)土的物理性質(zhì)土的密度ρ和容重γ測定方法：環(huán)刀法

第一節(jié)土的物理性質(zhì)2.土粒的相對密度定義：土的質(zhì)量與同體積4℃時(shí)純水的質(zhì)量之比（無單位）表達(dá)式：

第一節(jié)土的物理性質(zhì)土名砂土砂質(zhì)粉土粘質(zhì)粉土粉質(zhì)黏土黏土

s(g/cm3)2.65~2.692.702.712.72~2.732.74~2.76土的相對密度Gs測定方法：比重瓶法，事先將比重瓶注滿純水，稱瓶加水的質(zhì)量m1。然后把烘干土若干克(ms)裝入空比重瓶內(nèi)，再加純水至滿，稱瓶加水加土的質(zhì)量m2，按下式計(jì)算土粒比重

第一節(jié)土的物理性質(zhì)土的相對密度Gs

第一節(jié)土的物理性質(zhì)3.土的含水率定義：土中水的質(zhì)量與土粒質(zhì)量之比，以百分?jǐn)?shù)表示

表達(dá)式：

第一節(jié)土的物理性質(zhì)土的含水率測定方法：烘干法。先稱出天然濕土的質(zhì)量，然后放在烘箱里，在100～105℃下烘干，稱干土的質(zhì)量。

第一節(jié)土的物理性質(zhì)間接換算的物理性質(zhì)指標(biāo)1.土的孔隙比定義：土中孔隙的體積與土粒的體積之比，以小數(shù)表示

表達(dá)式：

第一節(jié)土的物理性質(zhì)2.土中孔隙率n定義：土中的孔隙的體積與土的總體積之比，以百分?jǐn)?shù)表示表達(dá)式：

第一節(jié)土的物理性質(zhì)3.土的飽和度Sr定義：土中孔隙水的體積與孔隙體積之比，以百分?jǐn)?shù)表示表達(dá)式：

第一節(jié)土的物理性質(zhì)4.干密度ρd干容重γd

定義：單位體積內(nèi)土粒的質(zhì)量或重量表達(dá)式：

第一節(jié)土的物理性質(zhì)

干密度ρd干容重γd

土烘干，體積要減小，因而土的干密度不等于烘干土的密度。土的干密度或干容重是評價(jià)土密實(shí)程度的指標(biāo)，干密度或干容重越大表明土越密實(shí)，反之越疏松。常用它來控制填土工程的施工質(zhì)量。

第一節(jié)土的物理性質(zhì)5.飽和密度ρsat與飽和容重γsat

定義：土中孔隙完全被水充滿，土處于飽和狀態(tài)時(shí)單位體積土的質(zhì)量或重量表達(dá)式：

第一節(jié)土的物理性質(zhì)6.浮密度與浮容重定義：單位體積內(nèi)土粒質(zhì)量與同體積水質(zhì)量之差表達(dá)式：

第一節(jié)土的物理性質(zhì)各種密度之間的比較

第一節(jié)土的物理性質(zhì)物理性質(zhì)指標(biāo)間的換算常用的物理性質(zhì)指標(biāo)共有9個(gè)，一般說，已知其中任意3個(gè)，通過換算，可以求其余6個(gè)。

第一節(jié)土的物理性質(zhì)孔隙比與孔隙率的關(guān)系

第一節(jié)土的物理性質(zhì)干密度與濕密度和含水率的關(guān)系

第一節(jié)土的物理性質(zhì)孔隙比與相對密度和干密度的關(guān)系

第一節(jié)土的物理性質(zhì)飽和度與含水率、相對密度和孔隙比的關(guān)系飽和含水率

第一節(jié)土的物理性質(zhì)浮密度與相對密度和孔隙比的關(guān)系

第一節(jié)土的物理性質(zhì)一、土的毛細(xì)性、凍脹性二、黏性土的稠度和可塑性

第二節(jié)土的水理性質(zhì)土的毛細(xì)性、凍脹性土層中的毛細(xì)水帶

土中毛細(xì)水分布圖

第二節(jié)土的水理性質(zhì)毛細(xì)水上升的原因1、水與空氣的分界面上存在著表面張力，而液體總是力圖縮小自己的表面積，以使表面自由能變得最小2、毛細(xì)管管壁的分子和水分子之間有引力作用，這個(gè)引力使與管壁接觸部分的水面呈向上的彎曲形狀，這種現(xiàn)象稱為浸潤現(xiàn)象3、毛細(xì)水上升的實(shí)際高度一般不超過數(shù)米

第二節(jié)土的水理性質(zhì)

土的凍脹性在寒冷天氣，受大氣負(fù)溫影響，土中的自由水首先凍結(jié)成冰晶體，隨著氣溫繼續(xù)下降，弱結(jié)合水的最外層也開始凍結(jié)，使冰晶體逐漸擴(kuò)大。另外，下臥層未凍結(jié)區(qū)水膜較厚處的弱結(jié)合水，被吸引到水膜較薄的凍結(jié)區(qū)，并參與凍結(jié)，使冰晶體增大，在土層中形成冰夾層，土體隨之發(fā)生隆起，即凍脹現(xiàn)象

第二節(jié)土的水理性質(zhì)當(dāng)土層解凍時(shí)，土中積聚的冰晶體融化，土體含水量突然增加，使地基土體軟化并下陷，即出現(xiàn)融陷現(xiàn)象。土的凍脹現(xiàn)象和融陷現(xiàn)象是季節(jié)性凍土的特性，亦即土的凍融特性。發(fā)生凍脹時(shí)，路基隆起，柔性路面鼓包、開裂、剛性路面錯(cuò)縫或折斷；發(fā)生融陷后，路基土在車輛反復(fù)輾壓下，輕者路面變得松軟，重者路面斷裂翻漿

第二節(jié)土的水理性質(zhì)土的凍脹規(guī)律：土的毛細(xì)現(xiàn)象顯著則凍漲性較強(qiáng)地下水位較高，水源補(bǔ)給充足，凍漲性也較強(qiáng)

氣溫緩慢下降而負(fù)溫持續(xù)時(shí)間越長，凍漲性越強(qiáng)

第二節(jié)土的水理性質(zhì)黏性土的稠度和可塑性黏性土的稠度的概念黏性土因含水多少而表現(xiàn)出的稀稠軟硬程度或在外力作用下引起變形或破壞的抵抗能力，稱為稠度。因含水多少而呈現(xiàn)出的不同的物理狀態(tài)稱為黏性土的稠度狀態(tài)。土的稠度狀態(tài)因含水量的不同，可表現(xiàn)為固態(tài)、塑態(tài)與流態(tài)三種，其中固態(tài)又可細(xì)分為固態(tài)和半固態(tài)兩種。

第二節(jié)土的水理性質(zhì)黏性土由一種稠度狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N稠度狀態(tài)時(shí)，所對應(yīng)的轉(zhuǎn)變點(diǎn)(臨界點(diǎn))的含水量稱為稠度界限(界限含水量)由固態(tài)轉(zhuǎn)變到半固態(tài)的界限含水量，稱為縮限（wS）；半固態(tài)轉(zhuǎn)變到塑態(tài)的界限含水量，稱為塑限(wP)；由塑態(tài)轉(zhuǎn)變到流態(tài)的界限含水量，稱為液限(wL)液塑限的測定可以采用“聯(lián)合測定法”

第二節(jié)土的水理性質(zhì)0固態(tài)或半固態(tài)可塑狀態(tài)流動(dòng)狀態(tài)ω塑限ωP液限ωL光電式液塑限聯(lián)合測定儀下沉深度為17mm所對應(yīng)的含水量為液限;下沉深度為2mm處所對應(yīng)的含水量為塑限黏性土的液性指數(shù)粘性土即使具有相同的含水率，也未必處于同樣的狀態(tài)，與無粘性土的相對密實(shí)度相似，粘性土的狀態(tài)用液性指數(shù)來判別。液性指數(shù)表征了土的天然含水率與界限含水率之間的相對關(guān)系，表達(dá)了天然土所處的狀態(tài)。

第二節(jié)土的水理性質(zhì)狀態(tài)液性指數(shù)堅(jiān)硬硬塑可塑軟塑流塑IL≤00＜IL≤0.250.25＜IL≤0.750.75＜IL≤1IL＞1塑性指數(shù)

液限和塑限之差的百分?jǐn)?shù)值（去掉百分號(hào)）成為塑性指數(shù)塑性指數(shù)表示處于可塑狀態(tài)時(shí)土的含水率可變化幅度。塑性指數(shù)越大，可塑狀態(tài)含水率變化范圍也大。塑性指數(shù)是反映粘性土性質(zhì)的一個(gè)綜合性指標(biāo)。一般地，塑性指數(shù)越高，土的粘粒含量越高，所以常常用作粘性土地分類指標(biāo)

第二節(jié)土的水理性質(zhì)注意由于液限和塑限目前都是用擾動(dòng)土測定的，土的結(jié)構(gòu)已徹底破壞，而天然土一般在自重作用已有很長的歷史，它獲得了一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，以至于土的天然含水率大于它的液限也未必一定會(huì)發(fā)生流動(dòng)。含水率大于液限只是意味著：若土的結(jié)構(gòu)遭到破壞，它將轉(zhuǎn)變?yōu)檎硿酀{。

第二節(jié)土的水理性質(zhì)

一、土的壓縮性、抗剪性和壓實(shí)性二、黏性土靈敏度和觸變性三、影響土的力學(xué)性質(zhì)的因素

第三節(jié)土的力學(xué)性質(zhì)土的壓縮性土的壓縮性指土在壓力作用下體積壓縮變小的性能土的壓縮通常有三部分：（1）固體土顆粒被壓縮；（2）土中水及封閉氣體被壓縮；（3）水和氣體從孔隙中擠出對于透水性較大的無黏性土，由于水容易排出，壓縮過程很快就可完成；而對于飽和黏性土，由于透水性小，排水緩慢，故要達(dá)到壓縮穩(wěn)定需要很長時(shí)間。

第三節(jié)土的力學(xué)性質(zhì)土的抗剪性土的抗剪性是指土抵抗剪切破壞的性質(zhì)土是由固體顆粒組成的，土粒間的連結(jié)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于土粒本身的強(qiáng)度，故在剪應(yīng)力作用下，多數(shù)土體(如砂類土、細(xì)粒土)發(fā)生的剪切破壞，并不是土粒本身的破壞，而是土粒間發(fā)生相對錯(cuò)動(dòng)，引起土的一部分相對另一部分沿著某個(gè)面發(fā)生與剪切方向一致的滑動(dòng)

第三節(jié)土的力學(xué)性質(zhì)土的壓實(shí)性人們很早就用土作為建筑材料，而且知道要把松土擊實(shí)。公元前200多年，我國秦朝修筑馳實(shí)（行車大道），就有用“鐵錐筑土堅(jiān)實(shí)”的記載，說明那時(shí)人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到土的密度和土的工程特性有關(guān)。

第三節(jié)土的力學(xué)性質(zhì)土的壓實(shí)性指在一定的含水率下，以人工或機(jī)械的方法，使土體能夠壓實(shí)到某種密實(shí)程度的性質(zhì)。土工建筑物，如土壩、土堤及道路填方是用土作為建筑材料填筑而成，為了保證填土有足夠的強(qiáng)度，較小的壓縮性和透水性。在施工中常常需要壓密填料，以提高土的密實(shí)度和均勻性。填土的密實(shí)度常以其干密度來表示。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)研究土的密實(shí)性是通過擊實(shí)試驗(yàn)進(jìn)行的。

第三節(jié)土的力學(xué)性質(zhì)擊實(shí)試驗(yàn)輕型：粒徑小于5毫米重型：粒徑小于40毫米25下，分三層擊實(shí)56下，分5層擊實(shí)

第三節(jié)土的力學(xué)性質(zhì)影響土的壓實(shí)性的因素含水率的影響對同一種土料，分別在不同的含水率下，用同一擊數(shù)將他們分層擊實(shí)，測定土樣的含水率和密度，然后以含水率為橫坐標(biāo)，干密度為縱坐標(biāo)，繪制擊實(shí)曲線。從圖中可以看出，當(dāng)含水率較小時(shí)，土的干密度隨著含水率的增加而增大，而當(dāng)干密度增加到某一值后，含水率繼續(xù)增加反而使干密度減小。干密度的這一最大值稱為該擊數(shù)下的最大干密度，此時(shí)對應(yīng)的含水率稱為最優(yōu)含水率。

第三節(jié)土的力學(xué)性質(zhì)擊實(shí)功能的影響實(shí)驗(yàn)室中的擊實(shí)功能是用擊數(shù)來反映的，對同一種土，壓實(shí)功能小，則能達(dá)到的最大干密度也小，最優(yōu)含水率大；壓實(shí)功能大，則能達(dá)到的最大干密度也大，最優(yōu)含水率小用同一種土料在不同含水率下分別用不同的擊數(shù)進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，就能得到一組隨擊數(shù)而異的含水率與干密度關(guān)系曲線。

第三節(jié)土的力學(xué)性質(zhì)影響土的壓實(shí)性的因素1、土料的最大干密度和最優(yōu)含水率不是常數(shù)。最大干密度隨擊數(shù)的增加而逐漸增大，最優(yōu)含水率則逐漸減小。但是這種增大或減小的速率是遞減的，因而光靠增加擊實(shí)功能來提高土的干密度是有一定限度的。2、含水率較低時(shí)擊數(shù)的影響顯著。當(dāng)含水率較高時(shí)，含水率與干密度的關(guān)系曲線趨近于飽和線，也就是說，這時(shí)提高擊實(shí)功能是無效的。填料的含水率過高和過低都是不利的，過高惡化土體的力學(xué)性質(zhì)，過低則填土遇水后容易引起濕陷。

第三節(jié)土的力學(xué)性質(zhì)影響土的壓實(shí)性的因素土類和級(jí)配的影響

同樣的含水率情況下，粘性土的粘粒含量越高或塑性指數(shù)越大，越難于壓實(shí)對于無粘性土，含水率對壓實(shí)性的影響沒有像粘性土那么敏感，其擊實(shí)曲線與粘性土是不同的，在含水率較大時(shí)得到較高的干密度。因此在無粘性土的實(shí)際填筑中，同時(shí)需要不斷灑水使其在較高含水率下壓實(shí)。無粘性土的填筑標(biāo)準(zhǔn)，通常是用相對密實(shí)度來控制的，一般不進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)級(jí)配良好的土易于壓實(shí)，反之則不易壓實(shí)

第三節(jié)土的力學(xué)性質(zhì)影響土的壓實(shí)性的因素粗粒含量的影響由于擊實(shí)儀尺寸的限制，實(shí)際試驗(yàn)中可能剔除超出粒徑的部分，然后進(jìn)行試驗(yàn)。這樣測得的最大干密度和最有含水率與實(shí)際土料在相同擊實(shí)功能下的最大干密度和最有含水率不同。對于輕型擊實(shí)試驗(yàn)，可按下式修正

第三節(jié)土的力學(xué)性質(zhì)黏性土的靈敏度和觸變性土的靈敏度就是在不排水條件下，原狀土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與重塑土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度之比，用St表示與靈敏度密切相關(guān)的另一黏性土的特性稱觸變性。被擾動(dòng)黏性土的強(qiáng)度隨時(shí)間推移而逐漸恢復(fù)的膠體化學(xué)性質(zhì)稱為土的觸變性。

第三節(jié)土的力學(xué)性質(zhì)影響土的力學(xué)性質(zhì)的因素

1.土質(zhì)與顆粒級(jí)配

2.含水率

3.土的應(yīng)力狀態(tài)

第三節(jié)土的力學(xué)性質(zhì)

一、建筑工程中地基土的分類法

二、公路橋涵地基土的分類法

三、公路路基土的分類法

第四節(jié)土的工程分類一、分類的目的和原則

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，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(jià)值的比較、評價(jià)、積累以及學(xué)術(shù)與經(jīng)驗(yàn)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

第四節(jié)土的工程分類二、分類體系與方法分類體系：1.建筑工程系統(tǒng)分類體系2.工程材料系統(tǒng)分類體系側(cè)重把土作為建筑地基和環(huán)境，研究對象為原狀土，例如：《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007-2002)地基土分類方法側(cè)重把土作為建筑材料，用于路堤、土壩和填土地基工程。研究對象為擾動(dòng)土，例如：《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JGD63-2007)工程用土的分類和《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE40-2007)土的工程分類

第四節(jié)土的工程分類

分類方法1.《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007－2012)

根據(jù)土粒大小、粒組的土粒含量或土的塑性指數(shù)把地基土（巖）分為巖石、碎石土、砂土、粉土和粘性土五大類a.巖石的分類

顆粒間牢固粘結(jié),呈整體或具有節(jié)理隙的巖體稱為巖石，堅(jiān)硬程度可根據(jù)巖塊的飽和單軸抗壓強(qiáng)度frk分類堅(jiān)硬程度類別飽和單軸抗壓強(qiáng)度frk(Mpa)堅(jiān)硬巖較硬巖較軟巖軟巖極軟巖30＜frk≤60frk＞6015＜frk≤305＜frk≤15frk≤5b.碎石土的分類

粒徑大于2mm的顆粒含量超過全重50%的土稱為碎石土

第四節(jié)土的工程分類c.砂土的分類粒徑大于2mm的顆粒含量不超過全重50%的土，且粒徑大于0.075mm的顆粒含量超過全重50%的土稱為砂土土的名稱漂石塊石卵石碎石圓礫角礫顆粒形狀圓形及亞圓形為主棱角形為主圓形及亞圓形為主棱角形為主圓形及亞圓形為主棱角形為主顆粒級(jí)配粒徑大于200mm的顆粒含量超過全重50％粒徑大于20mm的顆粒含量超過全重50％粒徑大于2mm的顆粒含量超過全重50％注：定名時(shí)應(yīng)根據(jù)顆粒級(jí)配由大到小以最先符合者確定碎石土的分類

第四節(jié)土的工程分類d.粉土的分類粒徑大于0.075mm的顆粒含量超過全重50%，塑性指數(shù)IP≤10的土稱為粉土土的名稱礫砂粗砂中砂細(xì)砂粉砂顆粒級(jí)配粒徑大于2mm的顆粒含量占全重25％～50％注：定名時(shí)應(yīng)根據(jù)顆粒級(jí)配由大到小以最先符合者確定粒徑大于0.5mm的顆粒含量超過全重50％粒徑大于0.25mm的顆粒含量超過全重50％粒徑大于0.075mm的顆粒含量超過全重85％粒徑大于0.075mm的顆粒含量超過全重50％砂土的分類e.粘性土的分類土的名稱粘土粉質(zhì)粘土塑性指數(shù)注：塑性指數(shù)由相應(yīng)于76g圓錐體沉入土樣中深度為10mm測定的液限計(jì)算而得IP＞1710＜IP≤17粒徑大于0.075mm的顆粒含量不超過全重50%，塑性指數(shù)IP＞10的土稱為粘性土，粘性土根據(jù)塑性指數(shù)細(xì)分

第四節(jié)土的工程分類

f.人工填土的分類

由于人類活動(dòng)而形成的堆積物稱為人工填土。物質(zhì)成分較雜亂,均勻性較差，根據(jù)其物質(zhì)組成和成因,可分為素填土、壓實(shí)填土、雜填土和沖填土2.《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD63－2007))（一）巖石巖石指顆粒間連接牢固、呈整體或具有節(jié)理裂隙的地質(zhì)體（二）碎石土碎石土指粒徑大于2mm的顆粒含量超過總質(zhì)量50%的土。分為漂石、塊石、卵石、碎石、圓礫和角礫