吉大13春《土质学与土力学》第三章 土的物理性质及工程...
吉大13春《土质学与土力学》第三章 土的物理性质及工程分类 课程笔记 主要知识点掌握程度
重点掌握土的三相比例指标,无粘性土的密实度,粘性土的物理特征,粘性土的胀缩性；掌握土的工程分类,区域性土的主要特征。
知识点整理
一、概述
土中的土粒、水和气三部分的质量(或重力)与体积之间的比例关系，随着各种条件的变化而改变。
土粒一般由矿物质组成，即土的固体部分,它构成土的骨架。土骨架间布满孔隙。这些孔隙有时完全被水充满，称为饱和土；有时一部分孔隙被水占据，另一部分被气体占据，称为非饱和土；孔隙完全充满气体时，则称为干土。水和溶解于水的物质构成土的液体部分。空气和其他一些气体构成土的气体部分。
这三种组成部分本身的性质以及它们之间的比例关系和相互作用，决定土的物理力学性质。因此，研究土的性质，必须研究土的固体、液体和气体的三相组成。
二、土的三相比例指标
（一）、土的三相草图
在上述变量中ma = 0，独立的量有 Vs、Vw、 Va、 mw和 ms五个。 1 cm3 水的质量通常等于 1g ，故在数值上 Vw = mw。
当研究这些量的相对比例关系时，总是取某一定数量的土体来分析，例如，取 V = 1cm3 ，或 m =1g，或 Vs = 1cm3 等，因此又可以消去一个未知量。这样，对于一定数量的三相土体，只要知道其中三个独立的量，其他各个量就可从图中直接换算得到。
三相草图是土力学中用来计算三相量比例关系的一种简单而又很实用的工具。
（二）、土的常用物理指标
基本指标：天然密度,相对密度, 天然含水量
换算指标：
孔隙比，孔隙率，饱和度，干密度，干重度，饱和密度，饱和重度， 浮密度，浮重度
1、土粒相对密度（比重）
相对密度:土粒密度（单位体积土粒的质量）与4℃时纯水密度之比。
为4℃时纯水的密度，=1g/cm3； 为土粒的密度，即单位体积土粒的质量。故实用上，土粒相对密度在数值上等于土粒的密度。
测定方法：土粒相对密度或比重可在试验室内用比重瓶法测定。由于土粒相对密度变化不大,通常可按经验数值选用。
2、土的(天然)含水量
含水量：土中水的质量与土粒质量之比，用 w 表示，以百分数计。
含水量 w 是标志土的湿度的一个重要物理指标。天然土层的含水量变化范围很大，它与土的种类、埋藏条件及其所处的自然地理环境等有关。一般说来，对同一类土，当其含水量增大时，则其强度就降低。
同一类土，含水量越大，土越软,强度越低,受力后变形越大。
测定方法：土的含水量一般用“烘干法”测定。先称小块原状土样的湿土质量m，然后置于烘箱内维持100～105℃烘至恒重，再称干土质量ms，水的质量mw为湿土和干土质量之差。
3、土的天然密度
密度：土样总质量与其体积之比,即单位体积土的质量。单位:Mg/m3, g/cm3
粘性土=1.8～2.0g/cm3
砂 土=1.6～2.0g/cm3
腐殖土=1.5～1.7g/cm3
测定方法：一般用“环刀法” ，用一个圆环刀（刀刃向下）放在削平的原状土样面上，慢慢削去环刀外围的土，边削边压，使保持天然状态的土样压满环刀内，称得环刀内土样的质量，求得它与环刀容积之比值即为其密度。
（二）、土的其它常用指标
1、孔隙率 与 孔隙比
定义：孔隙率是土的孔隙体积与土体积之比，或单位体积土中孔隙的体积，以百分数表示
表达式：
定义：孔隙比是土中孔隙体积与土粒体积之比
表达式： 两者关系:
孔隙比e是个重要的物理性指标，可以用来评价天然土层的密实程度。一般e<0.6的土是密实的低压缩性土；e>1.0的土是疏松的无压缩性土。
2、饱和度
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：
饱和度愈大，表明土中孔隙充水愈多，它在0~100%；干燥时Sr=0。孔隙全部为充水是Sr=100%
3、干密度
定义：土的孔隙中完全没有水时的密度，称干密度；是指土单位体积中土粒的重量，即固体颗粒的质量与土的总体积之比值。
表达式： 单位： g/cm3
干密度反映了土的孔隙性，因而可用于计算土的孔隙率，它往往通过土的密度及含水率计算得来，也可以实测。
土的干密度一般常在 1.4~1.7 g/cm3
4、饱和密度
定义:土的孔隙完全被水充满时的密度称为饱和密度。即，土的孔隙中全部充满液态水时的单位体积质量
表达式:单位: g/cm3
土的饱和密度的常见值为1.8~2.30 g/cm3，
5、浮密度
定义:土的浮密度是土单位体积中土粒质量与同体积水的质量之差.
浮重度：
显然有下面的关系
（三）、一些指标的关系
（1）、孔隙率与孔隙比：
（2）、孔隙比与比重和干密度：
（3）、干密度与湿密度和含水量：
（4）、饱和度与含水量，比重和孔隙比：
例题3-1
某原状土样，测得天然密度，含水量 ，土粒相对密度。试计算①土的孔隙比e、饱和度Sr； ②当土中孔隙充满水时土的密度和含水量w。
例题3-2
某土样，测得其孔隙比， 土粒相对密度 。试计算①土的干重度γd、饱和重度γsad和浮重度γ/； ②当土的饱和度Sr=75%时，土的重度γ和含水量w为多大？
三、无粘性土的密实度
砂土、碎石土统称为无粘性土，而粉土则视情况定为无或少粘性土。无粘性土的密度对其工程性质有重要的影响。
土的密实度通常指单位体积中固体颗粒的含量。土颗粒含量多，土就密实；土颗粒含量少，土就疏松。反映这类土工程性质的主要指标是密实度。干密度rd和孔隙比e (或孔隙度n)都是表示土的密实度的指标。
但是这种用固体含量或孔隙含量表示密实度的方法有其明显的缺点，主要是这种表示方法没有考虑到粒径级配这一重要因素的影响。
（一）、相对密度
工程上为了更好地表明砂土所处的密实状态，采用将现场土的孔隙比e与该种土所能达到最密实时的孔隙比emin 和最松散时的孔隙比emax 相比较的办法，来表示孔隙比e时土的密实度。这种度量密实度的指标称为相对密度 Dr，定义为
土的最大孔隙比emax的测定方法是将松散的风干土样，通过长颈漏斗轻轻地倒入容器，求得土的最小干密度再经换算确定；土的最小孔隙比emin的测定方法是将松散的风干土样分批装入金属容器内，按规定的方法进行振动或锤击夯实，直至密实度不再提高，求得最大干密度再经换算确定。
实度判别标准 ：Dr≤1/3 疏松 1/3≤Dr≤2/3 中密 Dr＞2/3 密实密
四、粘性土的物理特征
（一）、粘性土的稠度状态
粘性土最主要的物理状态特征是它的稠度，稠度是指土的软硬程度或土对外力引起变形或破坏的抵抗能力。
土中含水量很低时，水都被颗粒表面的电荷紧紧吸着于颗粒表面，成为强结合水。强结合水的性质接近于固态。因此，当土粒之间只有强结合水时，按水膜厚薄不同，土表现为固态或半固态。
当含水量增加，被吸附在颗粒周围的水膜加厚，土粒周围除强结合水外还有弱结合水，弱结合水呈粘滞状态，不能传递静水压力，不能自由流动，但受力时可以变形，能从水膜较厚处向邻近较薄处移动。在这种含水量情况下，土体受外力作用可以被捏成任意形状而不破裂，外力取消后仍然保持改变后的形状。这种状态称为可塑状态。
（二）、粘性土的稠度反映土中水的形态
区别粘性土从一种状态转变为另一种状态的界限含水量称为稠度界限或阿太堡界限。
（1）、液限（Liquid Limit）：又称流限，是流动状态与可塑状态的界限含水量，也即可塑状态的上限含水量。可用锥式液限仪或碟式液限仪测得。
（2）、塑限（Plastic Limit）：是可塑状态与半固态状态的界限含水量。
用搓条法或液塑限联合测定仪测得。
（3）、缩限（Shrinkage Limit）：是半固体状态与固态的界限含水量。
（4）、塑性指数（Plasticity index）
反映粘性土可塑性的大小。
综合反映粘性土的特性以及各类重要因素的影响，因此可用于土的分类及其性质的评估。
（5）、液性指数（Liquidity index）
反映粘性土软硬程度（稠度，潮湿程度）。
（三）、粘性土的状态分类
例题3-4
五、粘性土的胀缩性
（一）、粘性土胀缩性定义
粘性土中含水量变化会引起土的稠度和体积的变化。
由于含水量增加使体积增大的性能称为膨胀性；
由于含水量减少使体积减小的性能称为收缩性。
（二）、粘性土膨胀性指标
1、膨胀率：原状土在一定压力和有侧限条件下浸水膨胀稳定后的高度 增加量与原高度之比，称为膨胀率，表示为
其中 为土样原始高度，为土样浸水膨胀稳定后的高度
2、自由胀缩率：将一定体积的扰动土经充分吸水膨胀稳定后测得的体积增加量与原体积之比，称为自由膨胀率，表示为
其中 为土样原始体积，为土样浸水膨胀稳定后的体积
3、膨胀力：原状土经充分吸水膨胀时产生的最大内应力称为膨胀力。
4、膨胀含水量：土经充分吸水膨胀后的含水量
其中 为土样膨胀稳定后土中水的质量
为干土样的质量
（三）、土的收缩性及其指标
缩性指数：
表征土收缩性的指标：
体缩率δV：土样失水收缩减少的体积与原体积之比，以百分率表示
式中 为土样收缩前的体积 为土样收缩后的体积
表征土收缩性的指标：
线缩率δsi：土样失水收缩减少的高度与原高度之比，以百分率表示
式中 为土样收缩前的高度
为土样收缩后的体积
收缩系数λs：在直线阶段的竖向线缩率
（四）、影响粘性土胀缩性的因素
粘性土粘粒含量越多，亲水粘土矿物越多，膨胀性和收缩性越强。
土的密实程度和连接强度也着影响着土的胀缩性。
不同结构状态下土样的膨胀率和体缩率。
六、土的工程分类
（一）、国外土分类体系：
1、粗粒土按粒度成分分，细粒土按阿太保界限分
——前苏联的土分类法
2、粗粒土按相对多的的粒组来定名，细粒土按塑性图分。美国ASTM的统一分类法
——美国ASTM的统一分类法
（二）、第一种分类体系：
1、大块碎石类土：粒径大于2 mm颗粒含量超过全重的50%，再按级配和形状分为3个亚类
2、砂土：粒径大于2 mm的颗粒含量不超过全重的50%，且塑性指数不大于1的土。再按级配和形状分为5个亚类
3、粘性土：塑性指大于1的土。按Ip 大小分为3个亚类。
前苏联土分类法的优点
简单明了，能充分反映冲、洪积成因土的主要特征。
前苏联土分类法的缺点
对于坡积、残积成因土只反映主要粒组的影响；特别是对作为材料的土，级配特征描述不详。
（三）、第二种分类体系-ASTM统一分类法：
优点：
逻辑性强，从粗到细逐步分类。
比较全面地考虑粒径级配情况和次要粒组的影响；
适合对于材料土的评价和残、坡积土的分类
缺点：对粗粒土的划分过于简单，无法区别颗粒对土的性质的影响。
表 ASTM粗粒土（过200号筛余量大于50%）分类
表 ASTM细粒土（过200号筛余量小于50%）分类
（四）、我国土的分类体系：
1、《土的分类标准》（GBJ145—90）中的分类法
（1）、首先判别土属有机土还是无机土
若属无机土，则根据土内各粒组的相对含量分为巨粒土、含巨粒土、粗粒土和细粒土四大类。
（2）、巨粒土和含巨粒土的分类
（3）、中砾类土的分类
（4）、中砂类土的分类
（5）、细粒土的分类（10mm 液限）
2、《岩土工程勘察规范》（GB50021—2001）中的分类法
该方法接近于前苏联地基规范的分类法，加入了我国的一些特点。
天然结构，联结的性质和强度
堆积年代和地质成因
特殊形成条件 综合定名
（1）、按颗粒级配或塑性指数先将土分为碎石土、砂土、粉土和粘性土四大类，再结合沉积年代、成因和某些特殊性质综合定名。
（2）、碎石土分类
（3）、砂土分类
（4）、粘性土分类
塑性指数Ip＞10的土，又进一步细分为粘土和粉质粘土
（5）、粉土分类
粒径大于0.075mm的颗粒质量不超过总质量的50%，且塑性指数Ip≤10的土。
粉土的工程性质介于砂土和粘性土之间，既不具备砂土的大的透水性，也不具备粘性土防水性能好的特点。
3、《公路土工试验规程》（JTJ051—93）中的分类法
（1）、JTJ051—93土分类总体系
（2）、土分类总体系
巨粒土：试样中巨粒组质量多于总质量50%的土
粗粒土：试样中粗粒组质量多于总质量50%的土
砾类土：粗粒土中砾粒组质量多于总质量50%的土
砂类土：粗粒土中砾粒组质量少于或等于总质量50%的土
细粒土：细粒组质量多于总质量50%的土
细粒土可按塑性图继续细分
巨粒土分类及符号
砾类土分类及符号
砂类土分类及符号
细粒土分类及符号
4、《岩土工程勘察规范》 与《土的分类标准》之比较
相同点
考虑的基本原则相同，即综合考虑粒度和塑性的影响
不同点
具体定名则各有侧重
两种土质命名对照表
例题3-5、已知A、B土的颗粒级配曲线如图3—15所示，其中B土的10mm液限wL=46%，塑限wP=25%，试用上述两种分类法进行土的分类。
解：（1）、《土的分类标准》的分类法
（2）、《岩土工程勘察规范》的分类法
七、区域性土的主要特征
区域性土是指在特定地理环境下或人为条件下形成的特殊性质的土，其分布具有明显的区域性。
（一）、淤泥类土（软土）
（1）、高孔隙比、饱水、天然含水率大于液限孔隙比常见值为1.0～2.0；液限一般为40％～60％，饱和度一般>90％，天然含水率多为50～70％。
未扰动时，处于软塑状态，一经扰动，结构破坏，处于流动状态。
（2）、透水性极弱：一般垂直方向地渗透系数较水平方向小些。
（3）、高压缩性：a1~2一般为0.7～1.5Mpa－1，且随天然含水率的增大而增大。
（4）、抗剪强度很低，且与加荷速度和排水固结条件有关
（5）、较显著的触变性和蠕变性
（二）、膨胀土
膨胀土的液限、塑限和塑性指数都较大：
液限为40％～68％，塑限为17%～35％，塑性指数为18～33。膨胀土的饱和度一般较大，常在80％以上，天然含水率较小，17％～30％。
（三）、红土
（1）、液限大，含水量大
（2）、孔隙比大
（3）、强度较高，且变化范围大
（4）、膨胀性弱，但某些土具有明显收缩性红粘土具有这些特殊性质，是与其生成环境及其相应 的组成物质有关。
（5）、浸水后强度降低
形成条件：
湿热气候下，富含较多粘粒和铁铝氧化物胶结的红色粘性土。
（四）、黄土类土
成因：风积、冲积、洪积、坡积和冰水沉积等
（1）、塑性较弱；
（2）、含水较少；
（3）、压实程度很差，孔隙较大；
（4）、抗水性弱，遇水崩解，膨胀量较小，但失水收缩量明显；
（5）、透水性较强；
（6）、强度较高，因为压缩中等，抗剪强度较高。
（五）、人工填土
（1）、性质很不均匀，分布和厚度变化上缺乏规律性；
（2）、物质成分异常复杂。有天然土颗粒，有砖瓦碎和石块，以及人类活动和生产所抛弃的各种垃圾；
（3）、是一种欠压密土，一般具有较高的压缩性，孔隙比很大。
（4）、往往具有浸水湿陷性。
（六）、冻土
寒冷地区，气温在零下时，土中液态水冻结为冰，冰胶结了土粒，形成一种特殊联结的土，成为冻土。
冻胀率：冻结后土体膨胀体积与未冻结土体体积的百分比。
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