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1、第二章 土的物理性质及工程分类(YAO HUAN.professor)福 州 大 学 土 木 工 程 学 院 轨道与地下工程系/工程地质与岩土工程研究所,2.1概述2.2土的三相组成及土的结构2.3土的物理性质指标2.4无粘性土的密实度2.5粘性土的物理性质2.6土(岩)的渗透性2.7土的压实原理2.8土(岩)的工程分类,2.1:土的组份构成 及其物理性质概述,岩石,风化（物理、化学和生物）作用,岩石破碎或 化学成分改变,搬运沉积,大小、形状和成分都不相同的松散颗粒集合体（土）,土,固相,液相,气相,土中颗粒的大小、成分及三相之间的相互作用和比例关系，反映出土的不同性质,2.2 土的三相组成及
2、土的结构,土的三相图,质量m,体积V,描述土的三相组成的方法固相：矿物成分、岩石碎屑（颗粒组成、骨架）液相：基本成分，与固相的相互作用气相：基本成分，在土体中所起的作用,一.土粒（固相）,固体成分,矿物质,原生矿物,次生矿物,石英、长石、云母,粘土矿物,无定形氧化物胶体,可溶盐,有机质,氧化铁 氧化铝,碳酸钙硫酸钙氯化钠,1、原生矿物：由岩石经过物理风化形成，其矿物成分与母岩相同,2、次生矿物（粘土矿物）：岩石经化学或生物风化后所形成的新的矿物，其成分与母岩不相同,例：石英、云母、长石等,特征：矿物成分的性质较稳定，由其组成的土具有无粘性、透水性较大、压缩性较低的特点,例：粘土矿物有高岭石、伊
3、利石、蒙脱石等,特征：性质较不稳定，具有较强的亲水性，遇水易膨胀的特点,一.土粒（固相）,构成粘土矿物的两种晶片（p6）,蒙脱石2:1 三层,高岭石1:1 两层 氢键,伊利石2:1 三层 K+,1个硅片含六个硅-氧四面体,1个铝片含4个铝-氢氧八面体,氧原子可以和氢氧基作用形成氢键，氢键的存在与否决定了三种矿物的水稳定性,蒙脱石：晶胞的两个面都是氧原子，相互间没有氢键；,高岭石：晶胞的一面是氢氧基，另一面露出氧原子。形成氢键，因此晶胞间具有较强的联结力；,伊利石：晶胞与蒙脱石一样，所不同的是硅氧四面体中的Si4+被Al3+或Fe2+所取代，相邻晶胞间将出现若干一价正离子K+、Li+补偿晶胞中正
4、电荷的不足。所以伊利石的结晶结构没有蒙脱石那样活动，其膨胀性和收缩性也较蒙脱石小，但是比高岭石大。,3、三种主要粘土矿物的水稳定性,4.土的颗粒级配(P7),工程上将各种不同的土粒按其粒径范围，划分为若干粒组，为了表示土粒的大小及组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量（即各粒组占土粒总量的百分数）来表示，称为土的颗粒级配。,试验方法,筛分法：适用于0.075mmd60mm,水分法:适用于d0.075mm,粒度：土粒的大小（mm)粒组：某一级粒径范围内变化，大小和性质相近的土粒；共三类六个粒组：巨粒漂石或块石（200），卵石或碎石（200d60）；粗粒圆砾或角砾（60d2），砂粒（2d0.075
5、）；细粒粉粒（0.075d0.005），粘粒（0.005d)。,筛分法 0.075mm相当于200号筛美国ASTM 1in2共有200个筛孔；最小孔径筛时采用水筛便于分开细颗粒,用一套孔径不同的筛子，按从上至下筛孔逐渐减小放置；将事先称过质量的烘干土样过筛，称出留在各筛上的土质量计算各筛上的土质量占总土粒质量的百分数；计算粒径小于某筛孔径的土粒质量百分数,沉降分析法（水分法）：Stokes公式d2=1.126v球状细颗粒在水中的下沉速度与颗粒直径的平方成正比。粗颗粒下沉快，细颗粒下沉速度慢。水力直径：与实际土粒具有相同沉降速度的理想球体的直径。比重计法：测定液体密度（浮泡中心处液体密度）间隔1
6、,2,5,15,30,60,240和1440分钟分别测沉降距离和密度移液管法：用特定装置在规定时间和深度（100mm）吸出定量（10ml）悬液后烘干。,比重计法 0.075mm,利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同来确定小于某粒径的土粒含量,颗粒粒径级配曲线（各粒组质量的相对含量）,纵坐标表示小于某粒径的土粒含量百分比,横坐标表示土粒的粒径(对数坐标）,5、颗粒级配的描述,工程上常用不均匀系数Cu描述颗粒级配的不均匀程度,D10（有效）、d30（中值）、d50（平均）、d60（限定、制或控制）小于某粒径的土粒含量为10%，30%，50%和60%时所对应的粒径,Cu愈大，表示土粒愈不均匀。工程
7、上把Cu5的土视为级配不良的均匀土；Cu10的土视为级配良好的土,曲率系数Cc描述颗粒级配曲线整体形态，表明某粒组是否缺失情况,对于砾类土或砂类土，同时满足Cu5和Cc=13时，定名为良好级配砂或良好级配砾,坡度渐变大小连续连续级配水平段（台阶）缺乏某些粒径不连续级配曲线形状平缓粒径变化范围大不均匀良好曲线形状较陡变化范围小均匀不良到底工程上，土是级配均匀好，还是级配良好好？级配均匀。压实填料级配良好。反滤层,土中水的含量明显地影响土的性质(尤其是粘性土)。土中水除了一部分以结晶水的形式吸附于固体颗粒的晶格内部外，还存在结合水和自由水,1.结合水,强结合水：紧靠于颗粒表面、所受电场的作用力很大
8、、几乎完全固定排列、丧失液体的特性而接近于固体,弱结合水：紧靠强结合水的外围形成的结合水膜，所受的电场作用力随着与颗粒距离增大而减弱,2.自由水,存在于土粒电场影响范围以外，性质和普通水无异，能传递水压力，冰点为0，有溶解能力,以两种形式存在：毛细水、重力水,二、土中水（液相）,3、土的带电现象,3、土的带电现象,1807年莫斯科大学列依斯（Ruess）的实验表明粘土颗粒带负电电渗：阴极水面上升 电泳:阳极水面下降，水浑，粘土颗粒泳向阳极，带电原因：（1）离解（+离子扩散于水溶液，_离子留在颗粒表面）；（2）吸附；（将水溶液的一些离子吸到颗粒表面）（3）同晶型替换（如粘土矿物八面体晶型不变但内
9、部的铝被镁或铁置换，致使有不平衡的负电荷。（4）晶体颗粒侧面断口常带正电,4、颗粒形状和比表面积,比表面积：单位质量的土颗粒所拥有的表面积As=A/m 原生矿物:粗大，粒状，三维尺度近同一数量级；粗粒土表面不带电，比表面积研究意义不大，磨圆度次生矿物：细微，片状或针状，愈细愈扁平，比表面积大；蒙脱石800m2/g，伊利石80100m2/g，高岭石1020m2/g；比表面积研究意义大，反应与水相互作用的强度,4、双电层与扩散层（P10）,双电层：土粒表面带的负电荷构成电场内层；吸引在土颗粒周围正离子和定向排列的极性水分子构成电场的外层靠近土颗粒的一层，水化离子、水分子被土颗粒牢固吸引，为固定层；
10、吸引的水（强结合水）远离土颗粒的一层，水化离子、水分子布朗运动更为强烈，为扩散层；吸引的水（弱结合水）,扩散层之外的水为自由水；,5、结合水的特性,结合水不传递静水压力，不能任意流动（1）强结合水 紧靠表面，电场作用力大（1000MPa），近于固体，冰点低于0度，密度比自由水大，高于100度可蒸发（2）弱结合书 强结合水外电场作用范围内粘滞水膜，受力时水能由水膜厚处移向薄处，可由一个土粒转移到另一土粒周围；可变形，不因重力流动,5、结合水的作用,弱结合水的存在是土颗粒之间粘性的来源,水源充分时，则大量水分可被吸收在土体中，结合水厚度大，土体膨胀，干旱时水分失去，土体收缩开裂结合水厚度变化导致土
11、颗粒之间粘性不稳定工程中需要性能稳定的材料,6、双电层厚度影响因素及其应用,与离子价成反比与离子浓度成反比与离子直径成正比离子交换特性：高价大于低价；同价离子中半径大交换能力大土质改良：石灰、水泥改良土,加水泥改良,3、毛细水,地下水位以上受到水与空气交界面处表面张力作用的自由水。土粒内部孔隙可看成毛细管。,按物理学概念：在毛细管周壁，水膜与空气的分界处存在着表面张力T。水膜表面张力的作用方向与毛细管壁成一夹角。由于表面张力的作用，毛细管内的水被提升到自由水面以上某一高度处。分析该高度水柱的静力平衡条件，因为毛细管内水面处即为大气压；若以大气压力为基准，则该处压力Pa=0,设弯液面处毛细水的压
12、力pc，竖直方向合力为0则有,与静水压力相同：与水头高度成正比。自由水位以上的毛细区域内，颗粒间所受的毛细力为拉力，呈倒三角形分布，弯液面处最大，自由水面处为零，颗粒间受压力；自由水位下为压力，土骨架受浮力，颗粒间压力减小。毛细角边水：非饱和土，稍湿砂土存在粘结作用当饱和或蒸发时会消失成散粒体。,式中，水膜的张力系数T（与温度有关），当10时，T=0.0756g/cm，20时，T0.0742g/cma方向角，其大小与土颗粒和水的性质有关。r、d毛细管半径、直径yw水的容重,土中气体存在于土孔隙中未被水占据的部分，分为与大气连通的非封闭气体和与大气不连通的封闭气体,1.非封闭气体：受外荷作用时被
13、挤出土体外，对土的性质影响不大,2.封闭气体：受外荷作用，不能逸出，被压缩或溶解于水中，压力减小时能有所复原，对土的性质有较大的影响，使土的渗透性减小，弹性增大和延长土体受力后变形达到稳定的历时,三、土中气体,*土的结构和构造*(即土的各向异性),(*粒间作用力*)1 重力2 范德华力 分子间引力，作用范围小，数个分子的距离，颗粒紧密接触点处，距离稍远就不存在；与距离7次方成反比（土为4），细粒土粘结一起主要原因。3 库伦力 静电作用力，与电荷间距离平方成反比，随距离衰减速度远比范德华力慢；可引可斥，据排列情况而论4 胶结作用力 通过游离氧化物、碳酸盐和有机质等胶体连接；化合键，强度高5 毛细
14、压力 细粒土毛细压力计算尚待研究；饱和土体内部不存在,四、土的结构,在成土过程中所形成的土粒或团粒（土粒集合体）的空间排列及其联结形式，与组成土的颗粒大小、颗粒形状、矿物成分和沉积条件有关,1.单粒结构（粗粒土或无粘性土）：粗矿物颗粒在水或空气中在自重作用下沉落形成的单粒结构，其特点是土粒间存在点与点的接触。根据形成条件不同，可分为疏松状态和密实状态,2.蜂窝结构：颗粒间点与点接触，由于彼此之间引力大于重力，接触后不再继续下沉，形成链环单位,很多链环联结起来，形成孔隙较大的蜂窝状结构,细粉粒（0.075mm0.005mm）；单粒下沉；停留在最初接触点上不再下沉,3.絮状结构（P14）：细微粘粒
15、（d0.005mm）或胶粒（d0.002mm）；呈针状或片状，质量极轻，在水中处于悬浮状态，不在自重作用下下沉；当悬液介质发生变化时，土粒表面的弱结合水厚度减薄，粘粒互相接近，凝聚成絮状物下沉，形成孔隙较大的絮状结构盐液絮凝：海水阳离子含量高，平衡相当数量的表面负电位，颗粒得以靠近，斥力减少引力增加非盐液絮凝：布朗运动或静电引力造成边面接触分散（片堆）结构：淡水沉积离子浓度小，颗粒表面吸附的阳离子少，未被平衡的负电位高，结合水膜厚；土粒间为净斥力，面对面片状堆积；分散状态下缓慢沉积土粒定向或半定向排列；片状颗粒一定程度的平行排列；密度大，各向异性明显,盐液中絮凝：河流入海口无盐絮凝：颗粒破键导
16、致边（正）面（负）静电引力；悬浮颗粒的布朗运动片堆结构：净斥力的颗粒将定向或半定向平行排列形成分散结构 三种结构极不稳定，受溶液环境变化或振动影响易重新分散,五、土的构造,土的构造是指土体中各结构单元（物质成分和颗粒大小等相近的各个部分）之间的关系。主要特征是土的成层性和裂隙性,即层理构造和裂隙构造，二者都造成了土的不均匀性,1.层理构造：土粒在沉积过程中,由于不同阶段沉积的物质成分、颗粒大小或颜色不同,而沿竖向呈现出成层特征,2.裂隙构造：土体被许多不连续的小裂隙所分割,在裂隙中常充填有各种盐类的沉淀物,3.分散构造：土层中土粒分布均匀，性质相近，如砂，卵石层为分散构造。4.结核状构造在细粒
17、土中掺有粗颗粒或各种结核，如含礓石的粉质粘土，含砾石的冰碛土等。其工程性质取决于细粒土部分。,*土的物理性质指标*(即三相物质比例关系),2.3 土的物理性质指标,一、土的三相图,质量m(mass),体积V(volume),固相(solid),液相:(water),气相:(air),孔隙v(vacancy),土的物理指标:*9个指标(参数)*,天然密度:天然初始状态时土的密度（基本指标）干密度d:完全失去水分时土的密度饱和密度sat:完全充满水分时土的密度有效密度:土浸泡在水中时所表现的密度土粒相对密度ds:土中土颗粒的比重（基本指标）含水量:土体中水分的含量（基本指标）孔隙比e:土体中孔隙体
18、积与土中土颗粒体积之比孔隙率 n:土体中孔隙体积与总体积之比饱和度 Sr:土中水分体积与孔隙体积之比,主要是为了反映土中三相的比例,（试验简单，又可推导出其他指标）,1.土的密度：单位体积土的质量,工程中常用重度来表示单位体积土的重(力)量,重力加速度，近似取10m/s2,测定方法：环刀法（细粒土）,二、基本指标:3个(直测)(参数)指标,测定方法：蜡封法：不能用环刀切取的坚硬、易碎土样或形状不规则的粘性土样。灌砂法：通过在现场挖试坑采用标准砂（中砂）测定粗粒土的密度。多用于西部和西北部干旱或半干旱地区。灌水法：现场挖试坑采用水测定粗粒土的密度。,土的含水量是影响土体力学性质的重要指标。,测定
19、方法：烘干法,2.土的含水量（基本指标）：,土中水的质量与土粒质量之比，以百分数表示,测定方法：酒精燃烧法：利用酒精在土中燃烧使水分蒸发将土样烘干。适于没有烘箱或土样较少的情况。炒干法：用电炉或炭炉将试样炒干。适于砂类土及含砾较多的土。碳化钙气压法：根据水分和碳化钙发生化学反应产生乙炔气体，通过测量乙炔气体的压力测定水分的含量，由专用的碳化钙气压含水量测定仪来完成。路基土和稳定土(石灰、水泥和粉煤灰)的快速简易测定。CaC2+2H2O=Ca(OH)2+C2H2,3.土粒相对密度ds（比重）（基本指标）：与4时纯水密度之比,测定方法：比重瓶法(粒径小于5mm颗粒的土),ms:干土质量 m1:瓶+
20、水质量 m2:瓶+水+土质量 dw:试验时水的比重w：土粒密度 w：4时纯水密度,土粒比重：土中各种矿物比重的平均值，与土的矿物种类和含量有关。土的固体部分的质量由精密天平测定，固体体积采用排除同体积液体方法测定。变化幅度小。浮称法：将经过冲洗和浸泡的粗粒土置于网框中测定其在水中的浮质量再烘干称量。烘干试样的质量减去试样在水中的浮质量除以同温度下水的比重即为土粒体积。稳定，适合野外使用。适于粒径5mm，其中粒径20mm的土的质量小于土总质量的10%。虹吸筒法：将粗颗粒土放入具有一定水位的虹吸筒中，其排开水的体积相当于土粒体积。注意排气；粗颗粒的体积精度低，比重偏小。适于粒径5mm，其中粒径20
21、mm的土的质量大于土总质量的10%。,三、换算指标 6 个,1.孔隙比e和孔隙率n,孔隙比e：土中孔隙体积与土粒体积之比,孔隙率n：土中孔隙体积与总体积之比，以百分数表示,侧重评价土的孔隙性质,2.土的饱和度Sr(换算指标)土中孔隙水的体积与孔隙总体积之比，以百分数表示,饱和度描述土中孔隙被水充满的程度。干土Sr=0;饱和土Sr=100%。,砂土根据饱和度分为三种状态:Sr50%稍湿；50Sr80%很湿；Sr80%饱和。,侧重评价土的含水特征,3.不同状态下土的密度和重度(容重),1).饱和密度sat：土体中孔隙完全被水充满时的土的密度,2).干密度d：单位体积土中固体颗粒部分的质量,3).有
22、效密度（浮密度）：地下水位以下单位体积土内土粒质量与同体积水的质量之差（单位体积土中土粒的有效质量）,土的三相比例指标中的质量密度指标共有4个:土的密度，饱和密度sat，干密度d，有效密度 单位：(g/cm3);相应的重度指标也有4个(乘以重力加速度):土的重度，饱和重度sat，干重度d，有效重度 单位：(kN/m3),这些物理指标侧重评价土的作为荷载体的性质,四、指标间的换算,e的推导：,换算关系式：（设Vs=1,以e为纽带）,五、例题分析,【例】某土样经试验测得体积为100cm3，湿土质量为187g，烘干后，干土质量为167g。若土粒的相对密度ds为2.66，求该土样的含水量、密度、重度、
23、干重度d、孔隙比e、饱和重度sat和有效重度,五、例题分析,【解答】,2.4 无粘性土的密实度,无粘性土：砂、碎石。密实度：粗粒土的物理性质，单位体积中固体颗粒的含量。根据土颗粒含量的多少，天然状态下的砂、碎石等处于从紧密到松散的不同物理状态；无粘性土的密实度与其工程性质有着密切关系。,一.孔隙比e或孔隙率n,孔隙比e可用来表示砂土的密实度。对于同一种土，当孔隙比小于某一限度时，处于密实状态。孔隙比愈大，土愈松散。受颗粒组成影响大。,二.干密度或干容重d d可用来表示砂土的密实度。对于同一种土，当干密度大于某一限度时，处于密实状态；干密度愈大，土愈密实。,2.4 无粘性土的密实度,三.孔隙比和
24、干密度的不足与局限,未考虑颗粒形状和级配的影响。考虑下面两种不同级配的砂土：(1)理想均匀圆球，Cu=1,e=0.35，设比重Gs=2.65，d=1.98g/cm3(2)两种大小不一的理想均匀圆球，Cu1,最密时e0.35若具有相同的孔隙比0.35，则（1）处于最密实；而（2）则不是。不均匀系数较大的砂砾混合料e0.30;干密度 d=2.05g/cm3，中等密实度，应予工程处理以加密。,四.相对密实度Dr综合反映土粒级配、形状和结构。,砂土在天然状态下孔隙比,砂土在最密实状态时的孔隙比（振击法）,砂土在最松散状态时的孔隙比（松散器法）,最小干密度（最大孔隙比）法：（1）漏斗法：采用锥形塞和长颈
25、漏斗，使烘干砂土从漏斗底和塞子之间缝隙分散、缓慢和均匀地落入量筒，求得最大体积。常规方法。（2）量筒法：将定量的烘干砂置于量筒内倒转并缓慢转会原来位置，使颗粒重新排列，反复数次求得最大体积。慢速倒转，应用较少。最大干密度法（最小孔隙比法）：振动锤击法采用振动叉以一定频率人工敲击盛有砂土的金属圆筒，同时以一定质量的击锤自一定高度从表面击实砂土直至体积不变为止。,天然孔隙比测定困难，室内试验误差大。,当Dr=0时，e=emin，表示土处于最疏松状态;当Dr=1.0时，e=emax，表示土体处于最密实状态,五.相对密实度的工程运用,Dr1/3,疏松状态,1/3Dr2/3,中密状态,2/3Dr1,密实
26、状态,（1）实验室准确测定无粘性土理论上的最大和最小孔隙比困难：静水缓慢沉积土天然孔隙比实验室测得的最大孔隙比大；漫长地质年代经自然力压密堆积的土天然孔隙比较室内最小孔隙比还小。（2）地下深处尤其是地下水位以下粗粒土的天然孔隙比难于准确测定。（3）多用于填方质量控制；对于天然土尚难于应用。,当Dr=0时，e=emin，表示土处于最疏松状态;当Dr=1.0时，e=emax，表示土体处于最密实状态,六.按动力触探确定无粘性土的密实度,Dr1/3,疏松状态,1/3Dr2/3,中密状态,2/3Dr1,密实状态,天然砂土的密实度，可按原位标准贯入试验的锤击数N进行评定。天然碎石土的密实度，可按原位重型圆
27、锥动力触探的锤击数N63.5进行评定(GB50007-2002),1-穿心锤；2-锤垫；3-钻杆；4-贯入器头；5-出水孔；6-贯入器身；7-贯入器靴,标准贯入试验（spt，Standard Penetration Test）动力触探的一种。利用规定重量的穿心锤（63.5Kg），从恒定高度上自由落下（76cm），将一定规格的探头打人士中，根据打入的难易程度（打入30cm所需的锤击数N）判别土的性质。,四、例题分析,【例1】某砂土试样,试验测定土粒相对密度ds=2.7,含水量=9.43%,天然密度=1.66/cm3。已知砂样最密实状态时称得单位体积干砂质量ms1=1.62吨,最疏松状态时称得单位体积干砂质量ms2=1.45吨。求此砂土的相对密度Dr,并判断砂土所处的密实状态。,【解答】,砂土在天然状态下的孔隙比,砂土最小孔隙比,砂土最大孔隙比,相对密实度,（1/3,2/3,砂土处于中密状态,【例2】某天然砂层，密度为1.47g/cm3，含水量13%。由试验求得该砂土的最小干密度为1.20g/cm3，最大干密度为1.66g/cm3，问该砂层处于哪种状态？,【解答】,该砂层处于疏松状态。,
