01第一章土的物理性质及工程分类

1、兰州交通大学博文学院教案1课题:第一章土的物理性质及工程分类一、教学目的：1.了解土的生成和工程力学性质及其变化规律；2.掌握土的物理性质指标的测定方法和指标间的相互转换；3.熟悉土的抗渗性与工程分类。二、教学重点：土的组成、土的物理性质指标、物理状态指标。三、教学难点：指标间的相互转换及应用。四、教学时数：6学时。五、习题：兰州交通大学博文学院教案2第一章土的物理性质及工程分类一、土的生成与特性1.土的生成工程领域土的概念：土是指覆盖在地表的没有胶结和弱胶结的颗粒堆积物，土与岩石的区分仅在于颗粒胶结的强弱，土和石没有明显区分。土的生成:岩石在各种风化作用下形成的固体矿物、流体水、气体混合物。不同风化形成不同性质的土，有下列三种：（1）物理风化：只改变颗粒大小，不改变矿物成分。由物理风化生成土为粗粒土（如块碎石、砾石、砂土），为无粘性土。（2）化学风化：矿物发生改变，生成新成分—次生矿物。由化学风化生成土为细粒土，具有粘结力（粘土和粘质粉土），为粘性土。（3）生物风化：动植物与人类活动对岩体的破坏。矿物成分没有变化。2.土的结构和构造（1）土的结构定义：土颗粒间的相互排列和联结形式称。

2、为土的结构。1)种类：单粒结构：每一个颗粒在自重作用下单独下沉并达到稳态。蜂窝结构：单个下沉，碰到已下沉的土颗粒，因土粒间分子引力大于重力不再下沉，形成大孔隙蜂窝状结构。絮状结构：微粒极细的粘土颗粒在水中长期悬浮，相互碰撞吸引形成小链环状土集粒。小链之间相互吸引，形成大链环，称絮状结构。图1.1土的结构3）工程性质：密实的单粒结构工程性质最好，蜂窝结构与絮状结构如被扰动破坏天然结构，则强度低、压缩性高，不可用做天然地基。兰州交通大学博文学院教案3（2）土的构造1）定义：同一土层中，土颗粒之间的相互关系。2）种类：层状结构：由不同颜色或不同粒径的土组成层理，一层一层互相平行。分散构造：土粒分布均匀，性质相近，如砂与卵石层为分散构造。结核状构造:在细粒土中混有粗颗粒或各种结核，属结核状构造。裂隙状构造：土体中有很多不连续的小裂隙。3）工程性质：分散结构的工程性质最好，结核状取决于细粒土，裂隙状渗透性大，工程性质差。3.土的工程特性(1)压缩性高当应力数值相同，材料厚度一样时，卵石的压缩性为刚才压缩性的数千倍；饱和细沙的压缩性为C20混凝土的数千倍，足以证明土的压缩性极高。软塑。

3、或流塑状态的粘性土比饱和细沙的压缩性还要高。(2)强度低土的强度特指抗剪强度，而非抗压强度或抗拉强度。无粘性土的强度来源于土粒表面滑动的摩擦和颗粒间的咬合摩擦；粘性土的强度出摩擦力外，还有粘聚力，均远小于建筑材料本身的强度。(3)透水性大土体颗粒间具有许多透水空隙，因此透水性比木材、混凝土都大，尤其是粗颗粒的卵石或砂土，其透水性更大。4.土的生成与工程特性的关系(1)搬运、沉积条件：冲积层优于风积层。(2)沉积年代：沉积年代越长，工程性质越好。(3)自然环境：特殊土地基。二、土的三相组成土的三相组成是指土由固体矿物、水和气体三部分组成。1.土的固体颗粒土的固体颗粒是土的三相组成中的主体，是决定土的工程性质的主要成分。（1）土粒的矿物成分1）原生矿物兰州交通大学博文学院教案4由岩石经物理风化生成，它的成分与母岩的相同，常见的有石英，包括单矿物颗粒—一个颗粒为单一的矿物，如常见的石英、长石、云母、角闪石与灰石等，砂土即为单矿物颗粒；多矿物颗粒—一个颗粒中包含多种矿物，如巨粒土的漂石、卵石和粗粒土的砾石，往往为多矿物颗粒。2）次生矿物母岩经化学风化生成的新矿物，它的成分成分与母岩的完全不同。。

4、次矿物主要是粘土矿物，由两种种原子层构成：一种是Si-O四面体构成的硅氧晶片，另一种是Al-OH八面体构成的铝氢氧晶片。因为这两种晶片结合的情况不同，粘土矿物可分为下列三种：图1.2粘土矿物两种原子层蒙脱石—两结构单元之间没有氢键，相互的联结弱，水分子可以进入量晶胞之间。因此，蒙脱石的亲水性最大，具有强烈的吸水膨胀、失水收缩的特性。伊利石—又称水云母，部分Si-O四面体中的Si为Al、Fe所取代，损失的原子价由阳离子钾补偿。因此，晶格层组之间具有结合力，亲水性低于蒙脱石。高岭石—晶胞之间有氢键，相互结合力较强，晶胞之间的距离不易改变，水分子不能进入。因此，高岭石的亲水性最小。腐殖质：土中腐殖质含量多，使土的压缩性增大。有机质超过3%~5%的不宜作为建筑材料。（2）土颗粒的大小和形状通过界限粒径（划分粒组的分界尺寸）将土颗粒划分为6个粒组：粘粒（小于0.005㎜）、粉粒（0.005,0.075）、砂粒（0.075，2）、圆砾(角砾)（2，60）、卵石(碎石)/（60，200）、漂石(块石）（大于200mm）。通常粗粒土的压缩性低、强度高、渗透性大。表面粗糙抗剪强度越高。（3）土的颗粒级配。

5、粒径级配：土中各粒组的相对含量，占总质量的百分数。兰州交通大学博文学院教案51）筛分法：适用于砾石类和砂类土，d0.075mm，主要设备为一套标准分析筛，孔径分别为20，10，5，2.0，1.0，0.5，0.25，0.075mm。取样数量：d＜20mm，可取1000~2000g;d＜10mm，可取300~1000g;d＜2mm，可取100~300g;震筛10~15min后称取各级筛底盘试样的质量。2）密度计法：适用于粉土和粘性土，d＜0.075mm，测定悬浊液读数。粒径级配曲线上：纵坐标10%所对应的粒径d10称为有效粒径；纵坐标为60%所对应的粒径60d称为限定粒径；60d与10d的比值称为不均匀系数uC，即6010udCd(1.1)不均匀系数uC为表示土颗粒组成的重要特征。当uC很小时曲线很陡，表示土均匀；当uC很大时曲线平缓，表示土的级配良好。曲率系数cC为表示土颗粒组成的又一特征，cC按下式计算：2301060cdCdd(1.2)式中30d为粒径级配曲线上纵坐标为30%所对应的粒径。砾石和砂土级配uC≥5且cC=1~3为级配良好；级配不同时满足这两个要求则为级配不良。2.。

6、土中水（1）结合水1）强结合水排列致密、定向性强；密度1g/cm3；冰点处于零下几十度具有固体的的特性；接近固体，不传递静水压力；温度高于100°C时可蒸发，粘土只含结合水时呈坚硬状态。2）弱结合水：位于强结合水之外，电场引力作用范围之内；密度大；不传递静水压力（不应重力而移动）；有粘滞性。自由水：离土粒较远，位于电场引力范围外，排列散乱。重力水：位于地下水位以下，具有浮力作用，可从总水头较高处向较低处流动。毛细水：位于地下水位以上，受毛细作用上升，粉土中空隙小，毛细水上升高。（2）气态水：水汽，影响不大。兰州交通大学博文学院教案6（3）固态水:0℃以下自由水发生冻胀。3.土中气体土颗粒中没有被水填充的部分为气体。（1）自由气体：与大气连通，压缩逸出，对工程无影响。（2）封闭气体：与大气隔绝，加载缩小，卸载膨胀，使土的渗透性降低。三、土的物理性质指标1.土的三项基本物理性质指标（此三项均由实验室测定）（1）土的密度和土的重度1）物理意义：为单位体积土的重量，3/gcm。单位体积土所受的重力，即39,810,/gkNm。2）表达式=mV土的总质量土的总体积。

7、(1.3)3）常见值：331.6~2.2/,16~22/gcmkNcm。4）测定方法：环刀法（粘性土和粉土），灌水法（卵石、砾石与原状砂）。（2）土粒比重()ssGd1）物理意义：土中固体矿物的质量与同体积4℃时的纯水质量的比值。2）表达式：=4(4)(4)sssswwmVG固体颗粒的密度纯水℃时的密度℃℃(1.4）3）常见值：砂土sG=2.65~2,69，粉土sG=2.70~2.71,粘性土2.72~2.75，数值大小取决于矿物成分。4）测定方法：比重瓶法；经验法。（3）土的含水率1）物理意义:土体中水的质量与固体矿物质量的比值，用百分数表示。2）表达式：=100%wsmm水的质量固体颗粒质量（1.5）3）常见值：砂土0%~40%，粘性土20%~60%，0，粘性土呈坚硬状态。4）测定方法：烘箱法。2.反映土的松密程度的指标（1）土的孔隙比e1）物理意义：土中孔隙体积与固体颗粒体积之比。兰州交通大学博文学院教案72）表达式：=VSVeV孔隙体积固体颗粒体积(1.6)3）常见值：砂土0.5~1.0e，粘性土0.5~1.2e4）确定方法：由S。

8、、G、实测值推算。（2）土的孔隙度（孔隙率）n1）物理意义：表示孔隙体积含量，土中空隙占总体积的百分比。2）表达式：=100%VVnV孔隙体积土体总体积(1.7)3）常见值：30%~50%n4）确定方法：由S、G、实测值推算。3.反映土中含水程度的指标（1）含水率(前已述)（2）土的饱和度rS1）物理意义：水在空隙中的充满程度。2）表达式：=WrVVSV水的体积孔隙体积(1.8)3）常见值：0~1rS4）确定方法：由S、G、实测值推算。5）工程应用：砂土和粉土以饱和度分为稍湿（＜0.5）、很湿（0.5~0.8）、饱和（＞0.8）三类。4.特定条件下土的密度（重度）（1）土的干密度d和土的干重度d1）物理意义：干密度为单位体积土的质量，3/gcm。2）土的干重度为单位体积干土所受的重力，即39.810/ddddgkNm。3）表达式=sdmV固体颗粒质量土的总体积(1.9)4）常见值：331.3~2.0/;13~20/ddgcmkNcm。5）工程应用：干密度或干重度越大，表明土体越密实，表明工程质量越好。6）测定方法：环刀法，放射性同位素测。

9、试仪。（2）土的饱和密度sat和土的饱和重度sat1）物理意义：孔隙中全部充满水时单位体积土的质量，3/gcm。兰州交通大学博文学院教案8孔隙中全部充满水时单位体积土所受的重力，即39.810/satsatsatsatgkNm。2）表达式+m=swawsvwsatmVmVVV孔隙全部充满水的总质量土的总体积(1.10)3）常见值：331.8~2.3/;18~23/satdgcmkNcm。（3）土的有效重度（浮重度）'1）物理意义：地下水位以下土体单位体积土所受的重力扣除浮力。。2）表达式'satw(1.11)3）常见值：3'8~13/kNm。*有效密度：'sswmVV(1.12）延伸：各种密度和重度之间的大小关系sdsatdswvsatmVmVmVV天然密度：干密度：饱和密度：ddsatdsatsatsatwggg天然重度：干重度：饱和重度：浮重度：规律总结：（1）当设1sV时，(1)(1)1(1)1sssssws。

10、wsvGGVmGmGVmGVV（2）当设1V时，1111(1)(1)swwsvSSVmmmVVVGG四、土的物理状态指标1.无粘性土的密实度（1）孔隙比标准（同级配）（2）相对密度标准：maxmaxminreeDee（1.13）用rD指标可将土的密实程度分为：松散（rD1/3）中密（1/3rD2/3）密实（rD2/3）三种状态。兰州交通大学博文学院教案9（3）贯入试验标准一种现场原位测试试验：63.5kg钢锤提升76cm高度贯入30cm所需锤击数N，反映贯入阻力的大小，亦即密实度的大小，将土分为松散（N10）稍密（10N15）中密（15N30）密实（N30）。2.粘性土的物理状态指标无粘性土为单粒结构，土粒与土中水的相互作用不明显，但是粘性土颗粒很细，土粒与土中水相互作用明显，关系密切，同一种土随着含水率的增加土的状态变化为固态—半固态—可塑状态—液体状态，可见粘性土的主要物理特征并非非粘性土使用的指标，而是稠度（反映土粒间的联结强度随着含水率高低而变化的性质。