第二章 土的物理性质及工程分类

颗粒通常是由一种或几种原生矿物所组 成，它的成分成分与母岩的相同，颗粒 一般较粗，吸附水的能力弱，性质比较 稳，无塑性。
物理风化仅使岩 石产生量的变化 原生矿物 土粒的大小 及其组成
物理分化
岩石
化学分化
土
土粒的粒径由粗到细逐渐变化 时，土的性质相应地发生变化
化学风化仅使岩 石产生质的变化
次生矿物 原生矿物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。颗粒极 细，性质活泼，有较强的吸附水能力， 具塑性。
（三）土的气相
分类: 1.吸附于土颗粒表面的气体
2. 溶解于水中的气体 3.四周为颗粒和水所封闭的气体以及自由气体
特点: 通常认为自由气体与大气连通，对土的性质无大影
响。密闭气体的体积与压力有关，压力增加，则体 积缩小，压力减小，则体积胀大。因此，密闭气体 的存在增加了土的弹性，同时还可阻塞土中的渗流 通道，减小上的渗透性。
0.01 0.005
0.001
0.10 0.05
1.0 0.5
10 5.0
100 90 80 70 60 50 粗细程度： 用d50 表示 40 30 斜率:某粒径范围内颗粒的含量 20 10 陡—相应粒组质量集中 0
d10土粒的ຫໍສະໝຸດ 配－颗分曲线分析土的粒径范围窄，分布曲线陡 ，d10和d60靠近， 土的不均匀系数小，表示土粒均匀 。 土的粒径范围宽，分布曲线缓， d10和d60相距 远，土的不均匀系数大，表示土粒不均匀。
界限粒径——划分粒组的分界尺寸。
土的颗粒级配——土中各粒组的相对百分含量， 通常用各粒组占土粒总质量（干土质量）的百分 数表示，也称为土的粒度成分。 粗粒土指以砾石和砂粒为主的土，又称为无粘性 土。 细粒土指以粉粒、粘粒和胶粒为主的土，又称为 粘性土。
土按颗粒级配的分类
《岩土工程勘察规范》中的分类法： 粒径＞ 2mm的质量超过50%的称为碎石土 粒径＞2mm的质量小于50％而＞ 0.075mm 的质量超过50%的称为砂土 粒径＞ 0.075mm的质量小于50%的定为粉 土或粘性土 碎石土、砂土又称为无粘性土
有时 Cu 虽然大，但并 不表明土粒级配良好， 还要用Cc来衡量， Cu 和 Cc 描述了级配曲线 整体特征，可描述土 级配的好坏。
1.0 0.5
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
d60 d30 d10
土粒的级配 －级配的概念


土的级配 指土中各粒组的相对含量，用土粒总重的百分数表示。 正常级配：土的颗粒大小分布是连续的，曲线坡度是 渐变的 。 不连续级配：土中缺乏某些粒径的土粒，曲线出现水 平段 。 级配良好：粒径分布曲线形状平缓，土粒大小分布范 围广，土粒大小不均匀。 级配不良：粒径分布曲线形状较陡，土粒大小分布范 围窄，土粒均匀 。
3. 毛细水是受毛细管作用控制的水，毛管直径愈细上升 高度愈高。在常温下毛细上升高度hc与毛管半径r 有 以下关系：
hc=15/r
当r=0.1μm时，hc=150mm，这与砂土(粒径为0.5~lmm) 中的情况大致相当。粘土的孔隙直径约为0.1μm，按上式 计算毛细上升高度将达150m。 4. 毛细区域内的水压力与一般静水压力的概念相同，它与水 头高度非常hc成正比。负号表示拉力。自由水位以下为压 力，自由水位以上，毛细区域内为拉力。颗粒骨架承受水 的反作用力，因此自由水位以下。上骨架受浮托力，减小 颗粒间的压力。自由水位以上，毛细区域内，颗粒间受压 力，毛细压力呈倒三角形分布。弯液面处最大，自由水面 处为零。
透水性很大，压缩性极小， 颗粒间无粘结，无毛细性。
粗粒
砾 粒 砂 粒
粗砾 细砾 粗砂 中砂 细砂
筛
透水性大，压缩性小，无粘 性，有一定毛细性。
分
法
细粒
粉粒 粘粒
静水 沉降 原理
透水性小，压缩性中等，毛 细上升高度大，微粘性。 透水性极弱，压缩性变化大， 具粘性和可塑性。
粒度成分的分析方法

土的性质取决于各不同粒组的相对含量。为 了确定各粒组的相对含量，必须用试验方法 （颗分试验）将各粒组区分开来，最常用的 颗分析试验方法有筛分法和比重计法两种。

Cu大 密度大 Cu小 度小

不均匀 均匀
有细粒土填空 无细粒土填空
压 压密
曲率系数:
Cc = d302 / (d60 ×d10 ) 土的粒径级配累积曲线
— 曲率系数
小于某粒径之土质量百分数 （％） 10 5.0
Cc=1-3,级配连续性好

粒径 (mm)
0.01 0.005
0.001
0.10 0.05
（3）固态水
特点: 1.水结冰后体积膨胀，同时由于水分迁移和补给，在
土层中会形成冰层或透镜体。 2.固态水在土中起着暂时的胶结作用，提高土的力学 强度，降低透水性。
3. 温度升高后，冰层解冻为液态水，使土的强度急剧 降低，压缩性增大，土的性质显著恶化，如处于地 下水以上的某些公路路面在开春后的翻浆现象就是 一例。
ms Vs w ' V
各种密度容重之间的大小关系

颗粒分析试验曲线
200g 10 5.0 2.0 1.0 0.5 0.25 0.1 10 16 18 24 22 38 72 筛分法
小于某粒径之土质量百分数P（％）
P % 95 87 78 66 55 36
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
土的粒径级配累积 曲线
粒径(mm) 取对数尺度 0.01 0.005 0.001 0.10 0.05 1.0 0.5 10 5.0
mw 100% ms
土的天然密度(环刀法)：土单位体积的质量
m V
土的干密度：土单位体积中固体颗粒部分的质量
ms d V
土的饱和密度：土孔隙中充满水时的单位体积质量
sat
ms Vv w V
土的有效密度：地下水位以下，单位土体积中土粒的质
量扣除同体积水的质量后，即为单位土体积中土粒的有 效质量
土粒的级配－颗分曲线分析

级配的好坏由土粒的均匀程度和粒径分布曲线的 形状去确定。
规范规定： Cu
5
同时满足，级配良好
Cc 1 ~ 3
二、土的液相
土中水处于不同位置 和温度条件下，可具 有不同的物理状态— 固态，液态、气态。 液态水是土中孔隙水 的主要存在状态，可 分为结合水，毛细水， 重力水。 水的类型 结合水 非 结 合 水 毛 细 水 重 力 水 主要作用力 物理化学力 表面张力 重力
比重计法： 适用于粒径小于0.075mm的土
粒度成分表示方法
表格法 以列表形式直接表达各粒组的相对含量 表示方法有两种： （1）以累计含量百分比表示 （2）以粒组表示

颗粒分析试验曲线
试验结果可绘制在半对数纸上 纵坐标：小于某粒径的土粒含量 横坐标：使用对数尺度表示土的粒径，可以 把粒径相差上千倍的粒组都表示出来，尤其 能把占总重量少，但对土的性质可能有总要 影响的颗粒部分清楚地表达出来(从大到小 或从小到大表示都可以)
第二章 土的物理性质及工程分类
土的生成与特性 土的三相组成 土的物理性质指标 土的物理状态指标 地基土的工程分类
土的形成
过程、条件
土的组成、结构 和物理力学性质
风化、搬运、沉积
岩石
地质成岩作用
土
土 的 形 成
风化作用
地表及地面以下一定深度的岩土，在气温变化、水溶液、气体及 生物等自然因素作用下、逐渐产生裂隙、发生机械破碎和矿物成 份的改变、丧失完整性的过程
粘土颗粒性质
土的三相比例指标
Air
Water Soil Va Vv Vw Vs V
ma=0 m mw
ms
质量
体积
土粒比重(比重瓶法)：
ms 1 s ds Vs w1 w1
ρs：土粒密度（g/cm3) ρwl：纯水在4摄氏度时的密度
土的含水量(烘干法)：土中水的质量与土粒质量之比
毛细压力增加了土粒间的联结，所以散 粒状的砂土，当含有少量水分时具有假 粘聚力，但是当土饱和时，这种联结作 用即告消失。因此，由于毛细力而 呈现的粘性是暂时性的。
（2）重力水 特点: 重力水是存在于地下水位以下的适水土层中的地下
水。它是在重力或压力差作用下运动的自由水，对土粒有 浮力作用。重力水只受重力控制，不受土粒表面吸引力的 影响。
筛分法：

适用于粒径大于0.075mm的土
利用一套孔径由大到 小的筛子，将事先称 过质量的干试样放入 筛中，经过充分震摇 后，把留在各级筛上 的土粒分别称量，算 出小于某粒径的土粒 含量，用以确定土中 各粒组的土粒含量。
筛分实验
比重计法： 适用于粒径小于0.075mm的土


比重计法是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。 将一定质量土浸入水中搅拌成悬液，搅拌停止后， 土粒便开始下沉，悬液的浓度随之发生变化。利用 特制的密度计，在不同时刻测悬液浓度的变化。利 用Stokes公式即可换算出相应的粒径及小于该粒径 的土粒质量，绘出级配曲线。
原生矿物
由岩石经物理风化生成的 颗粒通常是由一种或几种 原生矿物所组成，它的成 成分与母岩的相同，常见 的有石英，长石和云母。 颗粒一般较粗，多呈浑圆 形，块状或板状。 吸附水的能力弱，性质比 较稳，无塑性。
次生矿物
由原生矿物经化学风化生成 的新矿物，它的成分成分与 母岩的完全不同。次 矿物主要是粘土矿物，即高 岭石，伊利石和蒙脱石。 颗粒极细，且多呈片状。 性质活泼，有较强的吸附水 能力（尤其是由蒙脱石组成 的颗粒），具塑性。
水溶盐
可溶性次生矿物。最 常见的有岩盐，钾盐， 石膏，方解石，硫酸 盐类还对金属和混凝 土有一定的腐蚀作用