第五章土的物理性质及其工程分类 第一节土的组成、结构和构造 土中的固体颗粒 土中的水 土中的气 四、土的冻胀机理 五、土的结构和构造 第二节土的物理性质指标 土的实测物理性质指标 土的换算物理性质指标 土的物理性质指标换算
第五章 土的物理性质及其工程分类 ⚫ 第一节 土的组成、结构和构造 ⚫ 一、土中的固体颗粒 ⚫ 二、土中的水 ⚫ 三、土中的气 ⚫ 四、土的冻胀机理 ⚫ 五、土的结构和构造 ⚫ 第二节 土的物理性质指标 ⚫ 一、土的实测物理性质指标 ⚫ 二、土的换算物理性质指标 ⚫ 三、土的物理性质指标换算
●第三节无粘性土的特性 ●第四节粘性土的特性 土的界限含水量和含水状态特征 粘性土的塑性指数和液性指数 粘性土的活性数 四、粘性土的灵敏度和触变性 第五节土的工程分类 根据土的颗粒级配货塑性指数分类 根据土的特殊性质分类 细粒土按塑性图的分类
⚫ 第三节 无粘性土的特性 ⚫ 第四节 粘性土的特性 ⚫ 一、土的界限含水量和含水状态特征 ⚫ 二、粘性土的塑性指数和液性指数 ⚫ 三、粘性土的活性数 ⚫ 四、粘性土的灵敏度和触变性 ⚫ 第五节 土的工程分类 ⚫ 一、根据土的颗粒级配货塑性指数分类 ⚫ 二、根据土的特殊性质分类 ⚫ 三、细粒土按塑性图的分类
第一节土的组成、结构和构造 岩石在成土过程中,风化、搬运和沉积这三者不是简单 的相互衔接,在搬运和沉积过程中,风化仍在继续。土也不 见得是一次搬运、沉积而成 往是绎过了多次的搬运和沉 积,并在搬运过程中造成土颗粒的分选,使土具有了多样性。 工程实践表明,土的工程性质除与土的物质组成、矿物 成分、土粒大小和形状有关以外,还与其成因 成的地质 历更、沉枳环境、自然历史条件的变迁等有很大关系。 通常情况下,组成土的物质可分为固相、液相和气相三种状 态。固相部分主要是士粒,有时还有粒间的胶结物和有机质 它们构成士的骨架;液相部分为水及其溶解物;气相部分为 空气和其它微量气体 1土骨架之间的孔隙被水充满时,我们称其为饱和土或 完全饱和土;当土骨架间的孔隙不含水时,称其为干 土的孔隙中既含有水,又有一定量的气体存在时,称其为 非饱和土或湿土。也有学者提出,非饱和土是由四相物质构 成,第四相物质为气相物质与液相物质的界面,正是 相物质的存在,才使非饱和土具有了和饱和土及干士的本质 差别
第一节 土的组成、结构和构造 岩石在成土过程中，风化、搬运和沉积这三者不是简单 的相互衔接，在搬运和沉积过程中，风化仍在继续。土也不 见得是一次搬运、沉积而成，往往是经过了多次的搬运和沉 积，并在搬运过程中造成土颗粒的分选，使土具有了多样性。 工程实践表明，土的工程性质除与土的物质组成、矿物 成分、土粒大小和形状有关以外，还与其成因、形成的地质 历史、沉积环境、自然历史条件的变迁等有很大关系。 通常情况下，组成土的物质可分为固相、液相和气相三种状 态。固相部分主要是土粒，有时还有粒间的胶结物和有机质， 它们构成土的骨架；液相部分为水及其溶解物；气相部分为 空气和其它微量气体。 当土骨架之间的孔隙被水充满时，我们称其为饱和土或 完全饱和土；当土骨架间的孔隙不含水时，称其为干土；而 当土的孔隙中既含有水，又有一定量的气体存在时，称其为 非饱和土或湿土。也有学者提出，非饱和土是由四相物质构 成，第四相物质为气相物质与液相物质的界面，正是由于该 相物质的存在，才使非饱和土具有了和饱和土及干土的本质 差别
土中的固体颗粒 在土的固体颗粒中,我们需要研究的有土颗粒的矿物成分 土的粒组和土的颗粒级配 土颗粒的矿物成分 如前所述,土的物质组成、矿物成分、土粒大小及形状是决 定土工程性质的重要因素。由于土是岩石风化的产物,所 土粒的矿物组成将取决于成土母岩的矿物组成及其后的风化 作用 成土矿物可分成两大类。一类是岩石经物理风化生成的颗粒, 也称原生矿物,如石英、长石、云母等。这类颗粒一般较粗, 多呈浑圆形、块状或板状,吸附水的能力弱,性质比较稳定, 有较好的透水性。原生矿物中的云母则呈片状,其含量较多 隙增大,厝缩性亦随之增大土颗粒的矿物中的丰 要物质有氧、硅、铝、镁、钙、铁、钾、钠等。此外还有其 它一些微量物质。 士粒中的另一类矿物是原生矿物经化学和生物化学风化生成 的新矿物,也称次生矿物。它们的成分与原生矿物不完 同。由次生矿物组成的土颗粒一般极细。次生矿物中的难 盐如和等,可在土粒间产生胶结作用,从而增加土的结构
一、土中的固体颗粒 在土的固体颗粒中，我们需要研究的有土颗粒的矿物成分、 土的粒组和土的颗粒级配。 1.土颗粒的矿物成分 如前所述，土的物质组成、矿物成分、土粒大小及形状是决 定土工程性质的重要因素。由于土是岩石风化的产物，所以 土粒的矿物组成将取决于成土母岩的矿物组成及其后的风化 作用。 成土矿物可分成两大类。一类是岩石经物理风化生成的颗粒， 也称原生矿物，如石英、长石、云母等。这类颗粒一般较粗， 多呈浑圆形、块状或板状，吸附水的能力弱，性质比较稳定， 有较好的透水性。原生矿物中的云母则呈片状，其含量较多 时，土孔隙增大，压缩性亦随之增大。土颗粒的矿物中的主 要物质有氧、硅、铝、镁、钙、铁、钾、钠等。此外还有其 它一些微量物质。 土粒中的另一类矿物是原生矿物经化学和生物化学风化生成 的新矿物，也称次生矿物。它们的成分与原生矿物不完全相 同。由次生矿物组成的土颗粒一般极细。次生矿物中的难溶 盐如和等，可在土粒间产生胶结作用，从而增加土的结构强
度,减小土的压缩性;次生矿物中的可溶性盐类如和等, 遇水溶解并使土的力学性质变差。构成粘土颗粒的主要 成分是次生矿物中的粘土矿物,其物质组成、性质差异 等已经做过论述,此处不再赘述。 2.土的粒组 如上所述,土粒的大小与成土矿物之间存在着一定的内在 联系,因此土粒大小也就在一定程度上反映了土粒性质 的差异。天然土的固相是由无数多个大小不同的土粒组 成的,逐个地研究它们的性质是不可能的。但实践表明, 尺寸大小相近的土颗粒有其一定的共性,为此,在研究 土的性质时,人们引入了粒组的概念 将土中各种不同粒径的颗粒按适当的尺寸划分为若干个组 别,每一个组别的颗粒称为土的一个粒组。用以对土粒 进行粒组划分的分界尺寸称为土的界限粒径。目前土的 粒组划分方法并不完全一致,各个国家、甚至一个国家 的各个部门或行业都有一些不完全相同的土颗粒划分规 定。表5-1是一种常用的粒组划分方法
度，减小土的压缩性；次生矿物中的可溶性盐类如和等， 遇水溶解并使土的力学性质变差。构成粘土颗粒的主要 成分是次生矿物中的粘土矿物，其物质组成、性质差异 等已经做过论述，此处不再赘述。 2. 土的粒组 如上所述，土粒的大小与成土矿物之间存在着一定的内在 联系，因此土粒大小也就在一定程度上反映了土粒性质 的差异。天然土的固相是由无数多个大小不同的土粒组 成的，逐个地研究它们的性质是不可能的。但实践表明， 尺寸大小相近的土颗粒有其一定的共性，为此，在研究 土的性质时，人们引入了粒组的概念。 将土中各种不同粒径的颗粒按适当的尺寸划分为若干个组 别，每一个组别的颗粒称为土的一个粒组。用以对土粒 进行粒组划分的分界尺寸称为土的界限粒径。目前土的 粒组划分方法并不完全一致，各个国家、甚至一个国家 的各个部门或行业都有一些不完全相同的土颗粒划分规 定。表5-1是一种常用的粒组划分方法
需要特别指出的是,粘粒并非一定是粘土矿物颗粒,即 并非所有的粘土矿物粒径都小于0005mm(或 0.002mm),也并非所有小于0005mm的颗粒都是粘土 矿物,粘土矿物的粒径可达0.02mm,而非粘土矿物的 粒径则可小至0001mm。但由于绝大多数粒径小于 0.005mm的颗粒已具有了某些近似胶体的性质,所以我 们称其为粘粒 3.土的颗粒级配 以土中各粒组颗粒的相对含量(占颗粒总质量的百分数) 表示的土中颗粒大小及组成情况称为土的颗粒级配 土的颗粒级配需通过土的颗粒大小分析实验来测定。对 于粒径大于0.075mm粗颗粒用筛分法测定粒组的土质量 试验时将风干、分散的代表性土样通过一套孔径不同的 标准筛(例如20、2、0.5、0.25、0.1、0.075mm)
需要特别指出的是，粘粒并非一定是粘土矿物颗粒，即 并非所有的粘土矿物粒径都小于0.005mm（或 0.002mm），也并非所有小于0.005mm的颗粒都是粘土 矿物，粘土矿物的粒径可达0.02mm，而非粘土矿物的 粒径则可小至0.001mm。但由于绝大多数粒径小于 0.005mm的颗粒已具有了某些近似胶体的性质，所以我 们称其为粘粒。 3. 土的颗粒级配 以土中各粒组颗粒的相对含量（占颗粒总质量的百分数） 表示的土中颗粒大小及组成情况称为土的颗粒级配。 土的颗粒级配需通过土的颗粒大小分析实验来测定。对 于粒径大于0.075mm粗颗粒用筛分法测定粒组的土质量。 试验时将风干、分散的代表性土样通过一套孔径不同的 标准筛（例如20、2、0.5、0.25、0.1、0.075mm）
土粒粒组划分 表5-1 粒组名称 粒径范围 (mm) 般特征 漂石或块石颗粒 >200 透水性大,无粘性,无毛细水 卵石或碎石颗粒 200~60 60~20 圆砾或角砾 颗粒 粗中细粗中细 20~5 透水性大,无粘性, 毛细水上升高度不超过粒径大小 2~0.5 0.5~0.25易透水,当混入云母等杂质时透水性减小,而 砂粒 压缩性增加,无粘性,遇水不膨胀,干燥时松 0.25~0.1 散,毛细上升高度不大,随粒径减小而增大 极细0.1~0.075 粗0075~001透水性小,湿时有粘性,遇水有膨胀,干时有 粉粒 收缩,毛细上升高度较大较快,极易出现冻胀现 细001~0.005 象 粘粒 透水性极小,湿时有粘性,遇水膨胀大 0.05收缩显著,毛细上升高度大,但速度较慢
粒 组 名 称 粒径范围 （mm） 一 般 特 征 漂石或块石颗粒 ＞200 透水性大，无粘性，无毛细水 卵石或碎石颗粒 200～60 圆砾或角砾 颗粒 粗 60～20 透水性大，无粘性， 毛细水上升高度不超过粒径大小 中 20～5 细 5～2 砂 粒 粗 2～0.5 易透水，当混入云母等杂质时透水性减小，而 压缩性增加，无粘性，遇水不膨胀，干燥时松 散，毛细上升高度不大，随粒径减小而增大。 中 0.5～0.25 细 0.25～0.1 极细 0.1～0.075 粉 粒 粗 0.075～0.01 透水性小，湿时有粘性，遇水有膨胀，干时有 收缩,毛细上升高度较大较快，极易出现冻胀现 细 0.01～0.005 象。 粘 粒 ＜0．005 透水性极小，湿时有粘性，遇水膨胀大，干时 收缩显著，毛细上升高度大，但速度较慢。 土 粒 粒 组 划 分 表5-1
进行分选,分别用天平称重即可确定各粒组颗粒的相对含量 粒径小于0.075mm的细颗粒难以筛分,可用比重计法或移液管 法(见《土工试验方法标准》)进行粒组相对含量测定。实际 上,小土颗粒多为片状或针状,因此粒径并不是这类土粒的实 际尺寸,而是它们的水力当量直径(与实际土粒在液体中有相 同沉降速度的理想球体的直径)。累积曲线法是一种最常用的 颗粒分析试验结果表示方法,其横坐标表示粒径(因为土粒粒 径相差数百、数千倍以上,小颗粒土的含量又对士的性质影响 较大,所以横坐标用粒径的对数值表示);纵坐标则用小于 或大于)某粒径颗粒的累积百分含量来表示。所得曲线称为 颗粒级配曲线或颗粒级配累积曲线(如图5-1所示)。由级配 曲线可以直观地判断土中各粒组的含量情况,如果曲线陡峻, 表示士粒大小均匀,级配不好;反之则表示土粒不均匀但级配 良好。 工程上常用土粒的不均匀系数来定量判断土的级配好坏。不均 匀系数可表示如下:
进行分选，分别用天平称重即可确定各粒组颗粒的相对含量。 粒径小于0.075mm的细颗粒难以筛分，可用比重计法或移液管 法（见《土工试验方法标准》）进行粒组相对含量测定。实际 上，小土颗粒多为片状或针状，因此粒径并不是这类土粒的实 际尺寸，而是它们的水力当量直径（与实际土粒在液体中有相 同沉降速度的理想球体的直径）。累积曲线法是一种最常用的 颗粒分析试验结果表示方法，其横坐标表示粒径（因为土粒粒 径相差数百、数千倍以上，小颗粒土的含量又对土的性质影响 较大，所以横坐标用粒径的对数值表示）；纵坐标则用小于 （或大于）某粒径颗粒的累积百分含量来表示。所得曲线称为 颗粒级配曲线或颗粒级配累积曲线（如图5-1所示）。由级配 曲线可以直观地判断土中各粒组的含量情况，如果曲线陡峻， 表示土粒大小均匀，级配不好；反之则表示土粒不均匀但级配 良好。 工程上常用土粒的不均匀系数来定量判断土的级配好坏。不均 匀系数可表示如下：
(5-1) 式中称为限定粒径,当土的颗粒级配曲线上小于某粒径的土 粒相对累积含量为60%时,该粒径即为;称为有效粒径,当 土的颗粒级配曲线上小于某粒径的土粒相对累积含量为10 时,该粒径即为。工程上一般称10的为级配良好的土;=5~10的为级配一般的土 工程中也有以两个指标来判断土级配的情况,例如水电部 《土工试验规程》(DS01-79)规定,对于纯净的砂、砾, 当≥5,且=1~3时,它是级配良好的,不能同时满足上述条件 时,其级配是不好的。其中称为土的曲率系数,可表示为: (5-2) 式中为土的颗粒级配曲线上小于某粒径的土粒相对累积含量 为30%时的粒径
（5-1） 式中称为限定粒径，当土的颗粒级配曲线上小于某粒径的土 粒相对累积含量为60%时，该粒径即为；称为有效粒径，当 土的颗粒级配曲线上小于某粒径的土粒相对累积含量为10% 时，该粒径即为。工程上一般称＜5的土为均粒土，属级配不 良土；＞10的为级配良好的土；=5～10的为级配一般的土。 工程中也有以两个指标来判断土级配的情况，例如水电部 《土工试验规程》（5DS01-79）规定，对于纯净的砂、砾， 当≥5，且=1～3时，它是级配良好的，不能同时满足上述条件 时，其级配是不好的。其中称为土的曲率系数，可表示为： （5-2） 式中为土的颗粒级配曲线上小于某粒径的土粒相对累积含量 为30%时的粒径。 10 60 d d Cu = 60 10 2 30 d d d Cc =
土中的水 土中水实际上是指土中的水溶液,它包含了各种溶 于水中的离子和化合物。土中水的含量多少对土的性质 有明显的影响,尤其对粘性土等细粒土的性质影响更大 在自然状态下,绝大多数环境中的土总是含水的,土中 究土中水时必 须考虑其存在状态及其与士粒之间的相互作用。 士粒矿 以内的水称为结晶水 的结晶水只能 在较髙的温度(80~680,随土粒矿物成分 异)下才能化为水汽而与土粒分离,因此在一般工程中, 结晶水被视为矿物固体颗粒的一部分。通常所说的水是 指常温状态下的液态 因为一般情况下水汽和结 晶水对土的工程性质影响不大 按土中水是否受土粒电场力作用可以将土中水分为两类 类称为结合水,另一类称为自由水。 结合水 般情况下,土粒的表面带有负电荷,在土粒周围 形成电场,吸引水中的氢原子一端
二、土中的水 土中水实际上是指土中的水溶液，它包含了各种溶 于水中的离子和化合物。土中水的含量多少对土的性质 有明显的影响，尤其对粘性土等细粒土的性质影响更大。 在自然状态下，绝大多数环境中的土总是含水的，土中 水可以是液态，也可以是固态或气态。研究土中水时必 须考虑其存在状态及其与土粒之间的相互作用。存在于 土粒矿物晶格以内的水称为结晶水。土中的结晶水只能 在较高的温度（80～680oC，随土粒矿物成分的不同而 异）下才能化为水汽而与土粒分离，因此在一般工程中， 结晶水被视为矿物固体颗粒的一部分。通常所说的水是 指常温状态下的液态水。这是因为一般情况下水汽和结 晶水对土的工程性质影响不大。 按土中水是否受土粒电场力作用可以将土中水分为两类， 一类称为结合水，另一类称为自由水。 1. 结合水 一般情况下，土粒的表面带有负电荷，在土粒周围 形成电场，吸引水中的氢原子一端