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第二章土的工程性质和工程分类本讲稿第一页，共六十七页第一节 土的物理性质v概念v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。v土的物理性质指标不仅可以描述土的物理性质和它所处的状态，而且在一定程度上反映了土的力学性质。本讲稿第二页，共六十七页v土的物理性质指标的分类v一类是必须通过试验测定的，如含水率、密度和土粒比重，称为基本指标；v一类是根据直接指标换算的，如孔隙比、孔隙率、饱和度等，称为间接指标 本讲稿第三页，共六十七页v土的三相图 为便于说明这些物理性质指标的定义和它们的换算关系，常用三相图表示土体内三相的相对含量。本讲稿第四页，共六十七页v试验直接测定的物理性质指标 土的密度和容重密度单位体积土的质量，用表示定义：单位：Mg/m3或 g/cm3表达式：容重定义：单位体积土的重量，用表示单位：kN/m3表达式：本讲稿第五页，共六十七页v土的密度和容重v测定方法：环刀法本讲稿第六页，共六十七页v土粒的相对密度v定义：土的质量与同体积4时纯水的质量之比（无因次）v表达式：本讲稿第七页，共六十七页v土的相对密度Gsv测定方法：比重瓶法，事先将比重瓶注满纯水，称瓶加水的质量m1。然后把烘干土若干克(ms)装入空比重瓶内，再加纯水至满，称瓶加水加土的质量m2，按下式计算土粒比重本讲稿第八页，共六十七页v土的相对密度Gs本讲稿第九页，共六十七页 土的含水率含水率：土中水的质量与土粒质量之比，以百分数表示 表达式：本讲稿第十页，共六十七页土的含水率测定方法：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。本讲稿第十一页，共六十七页间接换算的物理性质指标定义：土中孔隙的体积与土粒的体积之比，以小数表示表达式：本讲稿第十二页，共六十七页土中孔隙率n定义：土中的孔隙的体积与土的总体积之比，以百分数表示表达式：本讲稿第十三页，共六十七页 土的饱和度Sr定义：土中孔隙水的体积与孔隙体积之比，以百分数表示表达式：本讲稿第十四页，共六十七页 干密度d干容重d 定义：单位体积内土粒的质量或重量表达式：本讲稿第十五页，共六十七页 干密度d干容重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。土的干密度或干容重是评价土密实程度的指标，干密度或干容重越大表明土越密实，反之越疏松。常用它来控制填土工程的施工质量。本讲稿第十六页，共六十七页 饱和密度sat与饱和容重sat 定义：土中孔隙完全被水充满，土处于饱和状态时单位体积土的质量或重量表达式：本讲稿第十七页，共六十七页 浮密度 与浮容重 定义：单位体积内土粒质量与同体积水质量之差表达式：本讲稿第十八页，共六十七页v各种密度之间的比较本讲稿第十九页，共六十七页v物理性质指标间的换算 v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。本讲稿第二十页，共六十七页v孔隙比与孔隙率的关系 本讲稿第二十一页，共六十七页v干密度与湿密度和含水率的关系 本讲稿第二十二页，共六十七页v孔隙比与相对密度和干密度的关系 本讲稿第二十三页，共六十七页v饱和度与含水率、相对密度和孔隙比的关系 饱和含水率本讲稿第二十四页，共六十七页v浮密度与相对密度和孔隙比的关系 本讲稿第二十五页，共六十七页第二节 土的水理性质 一、土的毛细性、冻胀性 二、黏性土的稠度和可塑性本讲稿第二十六页，共六十七页v土的毛细性、冻胀性v土层中的毛细水带 土中毛细水分布图本讲稿第二十七页，共六十七页v毛细水上升的原因v1.水与空气的分界面上存在着表面张力，而液体总是力图缩小自己的表面积，以使表面自由能变得最小。v2.毛细管管壁的分子和水分子之间有引力作用，这个引力使与管壁接触部分的水面呈向上的弯曲形状，这种现象称为浸润现象。v3.毛细水上升的实际高度一般不超过数米。本讲稿第二十八页，共六十七页 土的冻胀性v 在寒冷天气，受大气负温影响，土中的自由水首先冻结成冰晶体，随着气温继续下降，弱结合水的最外层也开始冻结，使冰晶体逐渐扩大。另外，下卧层未冻结区水膜较厚处的弱结合水，被吸引到水膜较薄的冻结区，并参与冻结，使冰晶体增大，在土层中形成冰夹层，土体随之发生隆起，即冻胀现象。本讲稿第二十九页，共六十七页v 当土层解冻时，土中积聚的冰晶体融化，土体含水量突然增加，使地基土体软化并下陷，即出现融陷现象。土的冻胀现象和融陷现象是季节性冻土的特性，亦即土的冻融特性。v 发生冻胀时，路基隆起，柔性路面鼓包、开裂、刚性路面错缝或折断；发生融陷后，路基土在车辆反复辗压下，轻者路面变得松软，重者路面断裂翻浆 本讲稿第三十页，共六十七页v土的冻胀规律：v土的毛细现象显著则冻涨性较强 v地下水位较高，水源补给充足，冻涨性也较强 v气温缓慢下降而负温持续时间越长，冻涨性越强本讲稿第三十一页，共六十七页v黏性土的稠度和可塑性 v黏性土的稠度的概念v黏性土因含水多少而表现出的稀稠软硬程度或在外力作用下引起变形或破坏的抵抗能力，称为稠度。v因含水多少而呈现出的不同的物理状态称为黏性土的稠度状态。土的稠度状态因含水量的不同，可表现为固态、塑态与流态三种，其中固态又可细分为固态和半固态两种。本讲稿第三十二页，共六十七页v黏性土由一种稠度状态转变为另一种稠度状态时，所对应的转变点(临界点)的含水量称为稠度界限(界限含水量)v由固态转变到半固态的界限含水量，称为缩限（wS）；半固态转变到塑态的界限含水量，称为塑限(wP)；由塑态转变到流态的界限含水量，称为液限(wL)v液塑限的测定可以采用“联合测定法”本讲稿第三十三页，共六十七页光电式液塑限联合测定仪 本讲稿第三十四页，共六十七页v黏性土的液性指数v 粘性土即使具有相同的含水率，也未必处于同样的状态，与无粘性土的相对密实度相似，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率与界限含水率之间的相对关系，表达了天然土所处的状态。本讲稿第三十五页，共六十七页v塑性指数v液限和塑限之差的百分数值（去掉百分号）成为塑性指数 塑性指数表示处于可塑状态时土的含水率可变化幅度。塑性指数越大，可塑状态含水率变化范围也大。塑性指数是反映粘性土性质的一个综合性指标。一般地，塑性指数越高，土的粘粒含量越高，所以常常用作粘性土地分类指标 本讲稿第三十六页，共六十七页v判定土处于坚硬状态 土处于可塑状态 土处于流动状态 本讲稿第三十七页，共六十七页v注意v由于液限和塑限目前都是用扰动土测定的，土的结构已彻底破坏，而天然土一般在自重作用已有很长的历史，它获得了一定的结构强度，以至于土的天然含水率大于它的液限也未必一定会发生流动。含水率大于液限只是意味着：若土的结构遭到破坏，它将转变为粘滞泥浆。本讲稿第三十八页，共六十七页v第三节土的力学性质土的力学性质 v土的压缩性、抗剪性和压实性v黏性土灵敏度和触变性v影响土的力学性质的因素本讲稿第三十九页，共六十七页v土的压缩性v土的压缩性指土在压力作用下体积压缩变小的性能 v土的压缩通常有三部分：（1）固体土颗粒被压缩；（2）土中水及封闭气体被压缩；（3）水和气体从孔隙中挤出 v对于透水性较大的无黏性土，由于水容易排出，压缩过程很快就可完成；而对于饱和黏性土，由于透水性小，排水缓慢，故要达到压缩稳定需要很长时间。本讲稿第四十页，共六十七页v土的抗剪性v土的抗剪性是指土抵抗剪切破坏的性质 v土是由固体颗粒组成的，土粒间的连结强度远远小于土粒本身的强度，故在剪应力作用下，多数土体(如砂类土、细粒土)发生的剪切破坏，并不是土粒本身的破坏，而是土粒间发生相对错动，引起土的一部分相对另一部分沿着某个面发生与剪切方向一致的滑动 本讲稿第四十一页，共六十七页v土的压实性v人们很早就用土作为建筑材料，而且知道要把松土击实。公元前200多年，我国秦朝修筑驰实（行车大道），就有用“铁锥筑土坚实”的记载，说明那时人们已经认识到土的密度和土的工程特性有关。本讲稿第四十二页，共六十七页v土的压实性指在一定的含水率下，以人工或机械的方法，使土体能够压实到某种密实程度的性质。v土工建筑物，如土坝、土堤及道路填方是用土作为建筑材料填筑而成，为了保证填土有足够的强度，较小的压缩性和透水性。在施工中常常需要压密填料，以提高土的密实度和均匀性。填土的密实度常以其干密度来表示。v在实验室内研究土的密实性是通过击实试验进行的。本讲稿第四十三页，共六十七页v击实试验轻型：粒径小于5毫米重型：粒径小于40毫米25下，分三层击实56下，分5层击实本讲稿第四十四页，共六十七页击实仪本讲稿第四十五页，共六十七页v影响土的压实性的因素v含水率的影响v对同一种土料，分别在不同的含水率下，用同一击数将他们分层击实，测定土样的含水率和密度，然后以含水率为横坐标，干密度为纵坐标，绘制击实曲线。v从图中可以看出，当含水率较小时，土的干密度随着含水率的增加而增大，而当干密度增加到某一值后，含水率继续增加反而使干密度减小。干密度的这一最大值称为该击数下的最大干密度，此时对应的含水率称为最优含水率。本讲稿第四十六页，共六十七页v击实功能的影响 v实验室中的击实功能是用击数来反映的，对同一种土，压实功能小，则能达到的最大干密度也小，最优含水率大；压实功能大，则能达到的最大干密度也大，最优含水率小v用同一种土料在不同含水率下分别用不同的击数进行击实试验，就能得到一组随击数而异的含水率与干密度关系曲线。本讲稿第四十七页，共六十七页影响土的压实性的因素1.土料的最大干密度和最优含水率不是常数。最大干密度随击数的增加而逐渐增大，最优含水率则逐渐减小。但是这种增大或减小的速率是递减的，因而光靠增加击实功能来提高土的干密度是有一定限度的。2.含水率较低时击数的影响显著。当含水率较高时，含水率与干密度的关系曲线趋近于饱和线，也就是说，这时提高击实功能是无效的。填料的含水率过高和过低都是不利的，过高恶化土体的力学性质，过低则填土遇水后容易引起湿陷。本讲稿第四十八页，共六十七页v影响土的压实性的因素v土类和级配的影响 v同样的含水率情况下，粘性土的粘粒含量越高或塑性指数越大，越难于压实v对于无粘性土，含水率对压实性的影响没有像粘性土那么敏感，其击实曲线与粘性土是不同的，在含水率较大时得到较高的干密度。因此在无粘性土的实际填筑中，同时需要不断洒水使其在较高含水率下压实。无粘性土的填筑标准，通常是用相对密实度来控制的，一般不进行击实试验v级配良好的土易于压实，反之则不易压实 本讲稿第四十九页，共六十七页v影响土的压实性的因素v粗粒含量的影响 v由于击实仪尺寸的限制，实际试验中可能剔除超出粒径的部分，然后进行试验。这样测得的最大干密度和最有含水率与实际土料在相同击实功能下的最大干密度和最有含水率不同。对于轻型击实试验，可按下式修正 本讲稿第五十页，共六十七页v黏性土的灵敏度和触黏性土的灵敏度和触变性性v土的灵敏度就是在不排水条件下，原状土的无侧限抗压强度与重塑土的无侧限抗压强度之比，用St表示 v与灵敏度密切相关的另一黏性土的特性称触变性。被扰动黏性土的强度随时间推移而逐渐恢复的胶体化学性质称为土的触变性。本讲稿第五十一页，共六十七页v影响土的力学性影响土的力学性质的因素的因素 v土质与颗粒级配v含水率 v土的应力状态 本讲稿第五十二页，共六十七页v第四节 土的工程分类v一、分类的目的和原则一、分类的目的和原则 土的分类体系就是根据土的工程性质差异将土划分成一定的土的分类体系就是根据土的工程性质差异将土划分成一定的类别，目的在于通过通用的鉴别标准，便于在不同土类间作有价类别，目的在于通过通用的鉴别标准，便于在不同土类间作有价值的比较、评价、积累以及学术与经验的交流值的比较、评价、积累以及学术与经验的交流分类原则：分类原则：1.分类要简明，既要能综合反映土的主要工程性质，又要测分类要简明，既要能综合反映土的主要工程性质，又要测定方法简单，使用方便定方法简单，使用方便2.土的分类体系所采用的指标要在一定程度上反映不同类土的分类体系所采用的指标要在一定程度上反映不同类工程用土的不同特性工程用土的不同特性本讲稿第五十三页，共六十七页v二、分类体系与方法二、分类体系与方法分类体系：分类体系：1.建筑工程系统分类体系建筑工程系统分类体系2.工程材料系统分类体系工程材料系统分类体系侧重把土作为建筑地基和环境，研究对象为原状土，例如：侧重把土作为建筑地基和环境，研究对象为原状土，例如：建筑地基基础设计规范建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)地基土分类方法地基土分类方法侧重把土作为建筑材料，用于路堤、土坝和填土地基工程。研侧重把土作为建筑材料，用于路堤、土坝和填土地基工程。研究对象为扰动土，例如：公路桥涵地基与基础设计规范究对象为扰动土，例如：公路桥涵地基与基础设计规范(JG D63-2007)工程用土的分类和公路土工试验规程工程用土的分类和公路土工试验规程(JTG E40-2007)土的工程分类土的工程分类本讲稿第五十四页，共六十七页v分类方法1.1.建筑地基基础设计规范建筑地基基础设计规范(GB500072002)根据土粒大小、粒组的土粒含量或土的塑性指数把地根据土粒大小、粒组的土粒含量或土的塑性指数把地基土（岩）分为岩石、碎石土、砂土、粉土和粘性土五大基土（岩）分为岩石、碎石土、砂土、粉土和粘性土五大类类a.岩石的分类岩石的分类 颗粒间牢固粘结颗粒间牢固粘结,呈整体或具有节理隙的岩体称为岩石，呈整体或具有节理隙的岩体称为岩石，坚硬程度可根据岩块的饱和单轴抗压强度坚硬程度可根据岩块的饱和单轴抗压强度frk分类分类 坚硬程度类别坚硬程度类别饱和单轴抗压饱和单轴抗压强度强度frk(Mpa)坚硬岩坚硬岩较硬岩较硬岩较软岩较软岩软岩软岩极软岩极软岩30frk60frk6015frk30 5frk15frk5b.碎石土的分类碎石土的分类 粒径大于粒径大于2mm的颗粒含量超过全重的颗粒含量超过全重50%的土称为碎石土的土称为碎石土本讲稿第五十五页，共六十七页碎石土的分碎石土的分类c.砂土的分类砂土的分类 粒径大于粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重的颗粒含量不超过全重50%的土，且粒径大于的土，且粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重的颗粒含量超过全重50%的土称为砂土的土称为砂土 土的名称土的名称漂石漂石块石块石卵石卵石碎石碎石圆砾圆砾角砾角砾颗粒形状颗粒形状圆形及亚圆形为主圆形及亚圆形为主棱角形为主棱角形为主圆形及亚圆形为主圆形及亚圆形为主棱角形为主棱角形为主圆形及亚圆形为主圆形及亚圆形为主棱角形为主棱角形为主颗粒级配颗粒级配粒径大于粒径大于200mm的颗粒的颗粒含量超过全重含量超过全重50粒径大于粒径大于20mm的颗粒的颗粒含量超过全重含量超过全重50粒径大于粒径大于2mm的颗粒含的颗粒含量超过全重量超过全重50注：注：定名时应根据颗粒级配由大到小以最先符合者确定定名时应根据颗粒级配由大到小以最先符合者确定碎石土的分类碎石土的分类本讲稿第五十六页，共六十七页v砂土的分砂土的分类d.粉土的分类粉土的分类 粒径大于粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全的颗粒含量超过全重重50%，塑性指数，塑性指数IP10的土称为粉土的土称为粉土土的名称土的名称砾砂砾砂粗砂粗砂中砂中砂细砂细砂粉砂粉砂颗粒级配颗粒级配粒径大于粒径大于2mm的颗粒含量占全重的颗粒含量占全重2550注：注：定名时应根据颗粒级配由大到小以最先符合者确定定名时应根据颗粒级配由大到小以最先符合者确定粒径大于粒径大于0.5mm的颗粒含量超过全重的颗粒含量超过全重50粒径大于粒径大于0.25mm的颗粒含量超过全重的颗粒含量超过全重50粒径大于粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重的颗粒含量超过全重85粒径大于粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重的颗粒含量超过全重50砂土的分类砂土的分类e.粘性土的分类粘性土的分类土的名称土的名称粘土粘土粉质粘土粉质粘土塑性指数塑性指数注：注：塑性指数由相应于塑性指数由相应于76g圆圆锥体沉入土样中深度为锥体沉入土样中深度为10mm测定的液限计算而得测定的液限计算而得 IP1710IP17 粒径大于粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全的颗粒含量不超过全重重50%，塑性指数，塑性指数IP10的土称为粘性土，的土称为粘性土，粘性土根据塑性指数细分粘性土根据塑性指数细分本讲稿第五十七页，共六十七页vf.人工填土的分人工填土的分类 由于人类活动而形成的堆积物称为人工填土。物质成分较杂由于人类活动而形成的堆积物称为人工填土。物质成分较杂乱乱,均匀性较差，根据其物质组成和成因均匀性较差，根据其物质组成和成因,可分为素填土、压实填可分为素填土、压实填土、杂填土和冲填土土、杂填土和冲填土 2.2.公路桥涵地基与基础设计规范公路桥涵地基与基础设计规范(JTG D632007)（一）岩石（一）岩石岩石指颗粒间连接牢固、呈整体或具有节理裂隙的地岩石指颗粒间连接牢固、呈整体或具有节理裂隙的地质体质体（二）碎石土（二）碎石土碎石土指粒径大于碎石土指粒径大于2mm2mm的颗粒含量超过总质量的颗粒含量超过总质量50%50%的土的土 。分。分为漂石、块石、卵石、碎石、圆砾和角砾为漂石、块石、卵石、碎石、圆砾和角砾 本讲稿第五十八页，共六十七页（三）砂土（三）砂土 砂土指粒径大于砂土指粒径大于2mm2mm的颗粒含量不超过总的颗粒含量不超过总质量的质量的50%50%、粒径大于、粒径大于0.075mm0.075mm的颗粒超过的颗粒超过总质量总质量50%50%的土的土，分为砾砂、粗砂、中砂、分为砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂细砂和粉砂 （四）粉土（四）粉土 粉土指塑性指数粉土指塑性指数I IP P1010且粒径大于且粒径大于0.075mm0.075mm的颗粒含量不超过总质量的颗粒含量不超过总质量50%50%的土的土 本讲稿第五十九页，共六十七页（五）黏性土（五）黏性土 黏性土指塑性指数黏性土指塑性指数1010且粒径大于且粒径大于0.075mm0.075mm的的颗粒含量不超粒含量不超过总质量量50%50%的土的土。分分为黏土和粉黏土和粉质黏土黏土 （六）特殊性岩土（六）特殊性岩土 特殊性岩土指具有一些特殊成分、特殊性岩土指具有一些特殊成分、结构和构和性性质的区域性地基土，包括的区域性地基土，包括软土、膨土、膨胀土、土、湿陷性土、湿陷性土、红黏土、黏土、冻土、土、盐渍土和填土土和填土等等 本讲稿第六十页，共六十七页3.3.公路土工试验规程（公路土工试验规程（JTG E40-2007)JTG E40-2007)本讲稿第六十一页，共六十七页v巨粒土分巨粒土分类 本讲稿第六十二页，共六十七页v粗粒土的分类粗粒土的分类 试样中巨粒组土粒质量少于或等于总质量试样中巨粒组土粒质量少于或等于总质量15%15%，且巨粒组土粒，且巨粒组土粒与粗粒组土粒质量之和多于总土质量与粗粒组土粒质量之和多于总土质量50%50%的土称粗粒土的土称粗粒土 v1.砾类土 本讲稿第六十三页，共六十七页v2.砂类土 本讲稿第六十四页，共六十七页v细粒土粒土 试样中细粒组土粒质量多于或等于总质量50%的土称细粒土 本讲稿第六十五页，共六十七页v细粒土应按下列规定划分：v（1）细粒土中粗粒组质量少于或等于总质量25%的土称粉质土或黏质土。v（2）细粒土中粗粒组质量为总质量25%50%（含50%）的土称含粗粒的粉质土或含粗粒的黏质土。v（3）试样中有机质含量多于或等于总质量的5%，且少于总质量的10%的土称有机质土。v试样中有机质含量多于或等于10%的土称为有机土。本讲稿第六十六页，共六十七页v细粒土应按塑性图分类 本讲稿第六十七页，共六十七页