2土的物理性质及分类

第 2 章 土的物理性质及分类2.1 概 述土是土粒（固体相），水（液体相）和空气（气体相）三者所组成的；土的物理性质就是研究三相的质量与体积间的相互比例关系以及固、液两相相互作用表现出来的性质。土的物理性质指标，可分为两类：一类是必须通过试验测定的，如含水量，密度和土粒比重；另一类是可以根据试验测定的指标换算的；如孔隙比，孔隙率和饱和度等。2.2 土的三相比例指标反映着土的物理状态,如干湿软硬松密等。表示土的三相组成比例关系的指标,统称为土的三 相比例指标。一、土的三相图质量m体积V土的三相图【注意】土的三相图只是理想化地把土体中的三相分开，并不表示实际土体三相所占的比例。二、指标的定义 1三项基本物理性质指标土的物理性质指标中有三个基本指标可直接通过土工试验测定,亦称直接测定指标土的密度P 土单位体积的质量（单位为g / cm3或t / m3）Y = Pg试验测定方法：环刀法 一般粘性土 P =1.82.0 g / cm3 ；砂土 p =1.62.0 g / cm3 ；腐殖土 P =1.51.7 g / cm3 ； 土粒比重（土粒相对密度） G 土粒的质量与同体积 4oC 纯水的质量之比。 s小 m1pG = 4 x i，无量纲。s V p psw1w1p 土粒密度（ g /cm3 ）sp 纯水在4oC时的密度（单位体积的重量），等于lg /cm3或It/m3。w1试验测定方法：比重瓶法 实际上：土粒比重在数值上等于土粒密度，前者无因次。同一类土，其比重变化幅度很小，通常 可按经验数值选用。见下表。土粒比重参考值土的名称砂土粉土粘性土粉质粘土:粘土土粒比重2.652, 692. 702. 712. 722. 732.742.76【课堂讨论】相对密度（比重）与天然密度（重度）的区别注意：从公式可以看出，对于同一种土，在不同的状态（重度、含水量）下，其比重不变；土的含水量土中水的质量与土粒质量之比，以百分数表示：w 100%ms一般：同一类土，当其含水量增大时，其强度就降低。试验测定方法：烘干法（湿，干土质量之差与干土质量的比值）【讨论】含水量能否超过100？从公式可以看出，含水量可以超出100。2特殊条件下土的密度 饱和密度和饱和重度饱和密度p t（土孔隙中充满水时的单位体积质量）土体中孔隙完全被水充满时的 sat,宀宀m + V p.,土的密度：p 1 v w。（ p p lg /cm3）sat V ww1饱和重度：丫 = p g （kN/m3）。sat sat 干密度和干重度m干密度单位体积中土粒的质量：pd V，（kg/m3, g/cm3）。干重度单位体积中土粒的重量：yd =pdg，（kN/m3）。在工程上常把干密度作为评定土体密实程度的指标，以控制填土工程的施工质量。 有效重度（浮重度）单位土体积中土粒的质量扣除同体积水的质量即为单位土体积中土粒的有效质量，称为土的有效密度Ppj.m g V 1/、Y= s s d, （kN/m3）。V同样条件下，上述几种重度在数值上有如下关系：sat 1satj1 13描述土的孔隙体积相对含量的指标测出上述三个基本试验指标后，就可根据三相图，计算出三相组成各自的体积上和质量上的 含量，并由此确定其它的物理性质指标，即导出指标。V 孔隙比一一土中孔隙体积与土粒体积之比，用小数表示：e = VvVs孔隙比是评价土的密实程度的重要物理性质指标。天然状态下土的孔隙比称为天然孔隙比，它是一个重要的物理性指标，可以用来评价天然 土层的密度程度。一般e1.0的土是疏松的高压缩性土。V 孔隙率一一土中孔隙体积与土的总体积之比，以百分数表示：n =亠100%V孔隙率亦可用来表示同一种土的松、密程度。一般粘性土的孔隙率为3060%，无粘性土为2545%。 饱和度一一土中所含水分的体积与孔隙体积之比（以百分率计），饱和度可描述土体中孔隙被水充满的程度：S100%rV显然，干土的饱和度S =0,当土被完全饱和状态时S =100%。砂土根据饱和度可划分为vr很湿，S 80% 饱和。rr下列三种湿润状态：S 50% 稍湿，50%VS 17粘性土按塑性指数分类注：.确定时，液限以76克圆锥仪沉入土样中深度10mm为准土的颗粒组成、矿物组成以及土中水的离子成分和浓度等因素有关。其值的大小取决于土颗粒吸 附结合水的能力,亦即与土中粘粒含量有关。粘粒含量越多,土的比表面积越大,塑性指数就越高。应用：根据其值大小对粘性土进行分类。 液性指数一一粘性土的天然含水量和塑限的差 值与塑性指数之比。用表示。Il值愈大，土质愈软；反之，土质愈硬。p =pL I P& 一LPY ） I 0坚硬状态pL0 I 1流动状态LL用途：根据其值大小判定土的软硬状态粘性土的状态（GB50007）蚊态坚硬硬塑可塑软塑流蹩戏性指数0Zl0. 250. 25Zl0. 750. 75/l1-O粘性土的状态按液性指数的划分（JTJ024-85）分级坚硬、半坚硬状态可塑状态流塑状态硬塑软塑浊性指数/l00Gl0. 50. 5Zl1-0九鼻1-0注：粘性土界限含水量指标、都是采用重塑土测定的，它是天然结构完全破坏的重塑土的物 pl理状态界限含水量。因此，保持天然结构的原状土，在其含水量达到液限以后，并不处于流动状 态。三、粘性土的结构性和触变性1结构性结构性指天然土的结构受到扰动影响而改变的特性。一般用灵敏度衡量。当土受到扰动 时，土的平衡体系破坏，土的强度降低和压缩性增大。灵敏度以原状土的强度与该土经重塑（土的结构性彻底破坏）后的强度之比来表示。重 塑试样与原状试样具有相同的尺寸、密度和含水量。对于饱和粘性土的灵敏度S可按下式计算：tuuq 原状试样的无侧限抗压强度，kPa; qu 重塑试样的无侧限抗压强度，kPa。根据灵敏度将饱和粘性土分为：1 S 2 低灵敏t2 S 4咼灵敏t 土的灵敏度越咼，其结构性越强，受扰动后土的强度降低越多。2触变性 触变性粘性土的结构受到扰动，导致强度降低，但当扰动停止后，土的强度又随时间而 逐渐增大，粘性土的这种抗剪强度随时间恢复的胶体化学性质称为土的触变性。四、粘性土的胀缩性、湿陷性和冻胀性1粘性土的胀缩性粘性土由于含水量的增加而发生体积增大的性能称膨胀性；由于土中水分蒸发而引起体积减 少的性能称收缩性；两者统称胀缩性。粘性土的膨胀性和收缩性对基坑、边坡、坑道及地基土的稳定性有着很重要的意义。(1) 膨胀性(expansibility)粘性土的膨胀性常用下列指标表示： 自由膨胀率 ef ：原状土样膨胀后体积的增量与原体积之比，以百分率表示。AV V V5 二二-w 亠 x 100%ef VV00V 试样初始体积，取量土杯的容积为 10ml；0膨胀稳定后测得50 mL容积的量筒内试样体积，ml。w hh 常用线膨胀率：5二 4X100%ef h式中： h 土样原来的0 高度， cm0h土样膨胀稳定后的高度，cm膨胀系数若5 直接以小数表示时，称膨胀系数。ef5 较小的膨胀土，膨胀潜势较弱，建筑物损坏轻微；5 高的土，具有强的膨胀潜势，则ef ef较多建筑物将遭到严重破坏。(2) 收缩性(shrinkage) 粘性土的收缩性是由于水分蒸发引起的。当土中含水率小于收缩限Ws时，土体积收缩极小；随着含水率的增加，土体积增大，当含 水率大于液限时，土体坍塌。表征粘性土的收缩性指标有： 体缩率：试样收缩减小的体积与收缩前体积的比值。以百分率表之。V V e - Qx 100%sV式中：V攵缩前的体积，cm3V 收缩后的体积，cm3 线缩率esl:试样收缩后的高度减小量与原高度之比，以百分率表之。l le - -0x 100%sl l式中： l 试样0原始高度， cm0l 试样经收缩后的高度， cm2土的湿陷性土的湿陷性指土在自重压力作用下或自重压力和附加压力综合作用下，受水浸湿后，使土的结构迅速破坏而发生显著的附加下陷特征，以湿陷系数5值衡量，5由室内压缩试验测定。 ssh - h5 = ppsh0h 压缩仪中原状试样加压压缩稳定后的试样高度ph压缩仪中原状试样加压压缩稳定后，再加水浸湿下沉稳定后的高度；ph 土样的原始高度。0对黄土： 5 0.015，为湿陷性黄土。s3土的冻胀性土的冻胀性指土的冻胀和冻融给建筑物或土工建筑物带来危害的变形特性。危害：使路基隆起，使柔性路面鼓包、开裂、倾斜、甚至倒塌；解冻后土层软化，强度降低。2.4 无粘性土的密实度无粘性土一般是指砂（类）土和碎石（类）土；一般粘粒含量少，不具可塑性，呈单粒结构。砂土密实度划分方法：1按天然孔隙比划分按夭然孔隙比划分砂土密实度（TJ774）密实度主密实中密*松散砾砂、粗砂、中砂e0. 600. 60e0. 750. 75e0. 85细砂、粉砂0. 700. 70e0. 850. 85e0. 95要求：采取原状砂土样不足：采样困难，且难以有效判定密实度的相对高低。2.相对密（实）度e - eD maxr e -emax mine 砂土在最松散状态时的孔隙比，即最大孔隙比 maxe 砂土在最密实状态时的孔隙比，即最小孔隙比 mine 砂土在天然状态时的孔隙比。当 D 0，表示砂土处于最松散状态；rD 1，表示砂土处于最密实状态。r分级密实中密松散稍松极松DrDr0. 670. 67D,0. 330. 33Dr0. 20DrVO. 20砂土密实度表（JTJ02485）e 和e 分别对应有P、P 和P ，则max min d d min d max根据三相比例指标间换算， e 、P (P -P )d maxdd minP (P -P )d d maxd min优点：理论完善，能合理判定砂土的密实度状态。不足：测定e （或P ）和e （或P ）的试验方法存在问题，对同一种砂土的试验结 max d min mind max果离散性大。3 .标准贯入试验砂土根据标准贯入试验的锤击数N分为松散、稍密、中密及密实四种密实度；按标贯击数N划分砂土密实度（GB5OOO7）密实度密实中密梢密!松散标贯击数NNA3030 二 N1515N10NC10按实测平均N划分砂土密实度（JTJ02485）密实度密实中密稍松:极松标贯击数N50 3029-1095 3030AT63.51515 皿3.57“3.5 = 7本表适用于卵石、碎石、圆砾、角砾。5.野外鉴别（碎石）对于大颗粒含量较多的碎石土，一般对于漂石、块石以及粒径大于200mm的颗粒含量较多 的碎石类土，密实度很难做室内试验或原位触探试验，一般采用野外鉴别方法来划分为：密实 中密、稍密、松散。如P26表。2.7 土的分类一、土的分类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类别两大类土的工程分类体系：1建筑工程系统的分类体系：侧重于把土作为建筑地基和环境，以原状土为基本对象。注重土的天然结构性。2工程材料和系统的分类体系：侧重于把土作为建筑材料，用于路堤、土坝和填土地基等工程。以扰动土为基本对象，注重土的组成，不考虑土的天然结构性。二、土的分类标准国标土的分类标准（GBJ145-90）的分类体系:工程用土有机土黄土持殊土膨胀土广巨粒土含巨粒的土ms卵石混合巨粒土巨粒混合土粗粒土俨土J砂类土厂粉土细粒土粘土红粘土等土的总分类体系1巨粒土和粗粒土的分类标准（ 1 ）几个概念巨粒： 粒径d 60mm的土粒；巨粒土： 75% 巨粒含量 100%含巨粒的土：混合巨粒土： 50% 巨粒含量 75%巨粒混合土： 15% 巨粒含量 50%粗粒土：砾类土：砾粒组含量（2mm d 50%砂类土：砾粒组含量（2mm d 60mm） 60mm）漂石粒（d200mm） 50%B漂石含量 100%75%漂石粒W5O%cb卵石混合巨粒含量漂石粒50%BS1混合土漂石巨粒土50%漂石粒50%CbSl混合土卵石巨粒巨粒含翅漂石粒卵石粒（d=60200mm）SIB漂石混合土混合土50%15%漂石粒W卵石粒SICb卵石混合土砾类土的分类（2mm50%）类粒组含量土代号土名称 细粒含量5, G = 13GW级配良好砾级配：不同时满足上述要求GP级配不良砾留乞土砾细粒含量5%15%GF含细粒土砾三贯砾细粒含量15%, M50%细粒为粘土GC粘土质砾细粒为粉土GM粉土质砾注：细粒粒组包括粉粒（0. 005mmVdM0. 075mm）和粘粒（d=0. 005mm）砂类土的分类（砾粒组含量W50%）二类粒组含量土代号土名称砂细粒含量级配：Cu5, Cc = l3SW级配良好砂15%, 50%细粒为粉土SM粉土质砂2细粒土的分类标准细粒土试样中粗粒组（0.075mm d 0. 63 (izjl-20)和 ZplOwl40CH高液限粘土wll40MH高液限粉土bl40ML低液限粉土两条经验界限：斜线为A线，作用是区分有机土和无机土、粘土和粉土，A线上侧是粘土，下侧是粉土,竖线为 B 线，作用是区分高塑性土(高液限土)和低塑性土(低液限土)。在A线以上的土为粘土：液限大于40的土称为高塑性粘土 CH,液限小于40的为低塑性粘土 CL；在 A 线以下的土为粉土：液限大于40的土称为高塑性粉土 MH,液限小于40的为低塑性粘土 ML；若土样处于A线以上，而塑性指数在710之间，则土的分类应给以相应的搭界分类CL ML。含粗粒的细粒土分类：按塑性图并根据所含粗粒类型进分分类(1) 当粗粒中砾粒占优势，称为含砾细粒土，在细粒土代号后缀加G,例 含砾低液限粘土，代号 CLG；(2) 当粗粒中砂粒占优势，称为含砂细粒土，在细粒土代号后缀加S,例含砂高液限粘土，代号CHS； 若细粒土内含部分有机质，则土名交加“有机质”，对有机质细粒土的代号后缀代号为 O， 例，低液限有机质粉土，代号MLO。三、建筑地基土的工程分类1按沉积年代和地质成因划分地基土按沉积年代可划分为：老沉积土：第四纪晚更新世Q 3及其以前沉积的土，一般呈 超固结状态。新近沉积土：第四纪全新世近期沉积的土，一般呈欠固结状态。 根据地质成因可分为：残积土、坡积土、洪积土、冲积土、湖积土、海积土、淤积土、风积土和 冰积土等。2按颗粒级配(粒度成分)和塑性指标划分 土按颗粒级配和塑性指标分为：碎石类土、砂土、粉土和粘性土。 地基土的分类是根据不同的原则将其划分为一定的类别，同一类别的土在工程地质性质上应 比较接近。土的合理分类具有很大的实际意义，例如根据分类名称可以大致判断土的工程特性、 评价土作为建筑材料的适宜性及结合其他指标来确定地基的承载力等。作为建筑场地和地基的土的分类一般可按下列原则进行：1) 根据地质成因可分为残积土、坡积土、洪积土、冲积土、风积土等。2) 根据颗粒级配或塑性指数可分为碎石土、砂土、粉土和粘性土。3) 根据土的工程特性的特殊性质可分为一般土和特殊土。1)无粘性土无粘性土一般指碎石土和砂土。碎石土粒径大于 2mm 的颗粒含量超过全重的 50%的土碎石土根据粒组含量及形状按下表分类。碎石土分类土的名称颗粒形状颗粒级配藤石块石圆形及亚圆形为主棱角形为主粒径大于200mm的颗粒含量超过全重50%卵石详石圆形及亚圆形为主棱角形为主粒径大于20mm的颗粒含量超过全重50%3砾龟砾圆形及亚圆形为主棱角形为主粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50%注；定名时应根据颗粒级配由大到小以最先符合者确定七的名称颗粒级配吾砂粒径大于2mm的颗粒含量占全重25%50%5砂粒径大于0. 5mm的颗粒含量超过全重50%申砂粒径大于0. 25mm的颗粒含量超过全重50%S砂粒径大于0. 075mm的颗粒含量超过全重85%茫砂粒径大于0- 075mm的颗粒含虽超过全重50%砂土分类注；定名时应根据颗粒级配由大到小以最先符合者确定砂土粒径大于 2mm 的颗粒含量不超过全 重 50% 、且粒径大于 0.075mm 的颗粒超过全重 50%的土。 砂土按粒组含量（颗粒级配）分类如下表。 （2）粉土：介于无粘性土与粘性土之间，是指粒 径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重50%，塑 性指数I Q. &0eQ. 7&粉土的颗粒级配中 0.050.1mm 和 0.0050.05mm 的粒组占绝大多数，而水与土粒之间的 作用是明显不同于粘性土和砂土，这主要表现粉粒的特性。其工程性质介于粘性土和砂土之间。 若用含水量接近饱和的粉土，团成小球，放在掌上左右反复摇幌，并以另一手震击，则土中水迅 速渗出，并呈现光泽，这是野外鉴别时常用方法之一。（3）粘性土粉质粘土：0 Y Ip 10的土。粘性土4）特殊土特殊土具有一定分布区域或工程意义，具有特殊成分状态和结构特征的土。有湿陷性土、 红粘土、软土（包括淤泥、淤泥质土、泥炭质土、泥炭等）、混合土、填土、冻土、膨胀岩土、 盐渍岩土、风化岩和残积土、污染土等。