1 土的物理性能及工程分类

第一节 土的三相组成 第二节 土的结构与构造 第三节 土的物理性质指标 第四节 土的物理状态指标 第五节 地基岩、土的工程分类

固体矿物颗粒 （固相）

土中气体（气相） 土中水

（液相）

第一节 土的组成

一、 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 : 石英、长石、云母—砾石和砂

（ 2）次生矿物：蒙脱石、伊利石和高岭石 --粘性土

（ 3）有机质

次生矿物

蒙脱石 伊利石 高岭石

高 岭 石高 岭 石伊 利 石伊 利 石

蒙 脱 石

2. 土颗粒的大小与形状基本概念粒组：工程上将各种不同的土颗粒按性质相近的原则划分为若干组，称为粒组。

粘 粉 砂 砾 卵 漂

0.005 0.075 2 20 200

巨粒粗粒细粒透水性大小

粘 性小大

土中粒度对土工程性质的影响

土的颗粒级配

（ 1 ）定义 自然界的土由多个粒组组成 , 常用土中各粒组的相对含量（各粒组占土粒总质量的百分数）来表示土粒的大小及组成，称为土的颗粒级配。

（ 2 ）粒径分析方法：颗粒分析试验• 筛分法 （ d>0.075mm 的土）• 密度计法（ d<0.075mm 的土）

筛分法（ d>0.075mm 的土）

密度计法（ d<0.075mm 的土）

（ 3 ）颗粒级配的表示方法表示方法：表格法、颗粒累计级配曲线法

10-2 2-0.075 0.075-0.005 <0.005

A 0 99 1 0

B 0 66 30 4

C 44 56 0 0

30d 30d

不均匀系数 :10

60u

d

dC

6010

302

dd

dCc

60d 10d

曲率系数：

不均匀系数 : 曲率系数：10

60u

d

dC

6010

302

dd

dCc

土的颗粒级配指标：

不均匀系数反映大小不同粒组的分布情况，其值越大，表示粒径分布越不均匀，土级配越好。

曲率系数反映曲线的整体形状，其值太大或太小，表示可能缺失中间粒径，级配不连续，级配差。

工程实践表明，如果只用一个指标评定土的颗粒级配情况是不够的，应该把两项指标结合起来才比较完善。当 时称为级配良好的土，若不能同时满足上述两个条件，称为级配不良的土。

10

60u

d

dC

6010

302

dd

dCc

不均匀系数 : 曲率系数：

31C10C cu

二、 土中水（ 1 ）结合水

强结合水、弱结合水（可塑性）

（ 2 ）自由水 重力水（浮力）、毛细水（沼泽、盐渍）

（ 3）气态水

（ 4）固态水（冻胀和融陷）

双电层

• 结合水概念强结合水、弱结合水

• 双电层概念

1.1.3 土中气体

土中的气体存在于土孔隙中未被水所占据的部位。

（ 1 ）自由气体：

（ 2 ）封闭气体：增大土的弹性和压缩性， 降低透水性。

1.1.4 土的结构

单粒结构 蜂窝结构 絮状结构

土的结构是指土颗粒的大小、形状、相互排列及其联结关系的综合特征。

砂土以上 粉土 粘性土

a) 疏松状态的单粒结构 b) 紧密状态的单粒结构

1.1.5 土的构造

• 层状构造

• 分散构造

• 裂隙构造

课 堂 小 结• 土的组成及结构构造对土的工程性质有

什么影响？

• 思考题 1 、 3

1.2.1 土的三相比例指标概述

土的物理性质直接反映土的松密、软硬等物理状态，也间接反映土的工程性质。土的松密和软硬程度主要取决于土的三相各自在数量上所占的比例。

三相指标的定义

1.2 土的物理性质指标

固相

液相

气相

土颗粒

土中水

土中气

土颗粒

水

气 体

sm

wm

am

m

aV

wV

sV

vV

V

0

wm

气 体

ws mmm Vs VVV awV VVV

三相指标－三个基本试验指标土的天然密度或天然重度 公式：

（ t/m3 、 g/cm3)

(KN/m3)

测定：环刀法、蜡封法、灌砂法、灌水法等

V

m

气

水

土粒

ma

mw

ms

m

Va

Vw V

v

V

VS

V

W

三相指标－三个基本试验指标土的含水率（ % ） 公式： (%) 测定：烘干法、 酒精燃烧法 微波炉法

%100m

m

s

w

气

水

土粒

ma

mw

ms

m

Va

Vw V

v

V

VS

三相指标－三个基本试验指标土粒相对密度 ds （土粒比重 Gs ）

公式： （无量纲）

测定：比重瓶法

ws

s

w

ss V

md

气

水

土粒

ma

mw

ms

m

Va

Vw V

v

V

VS

三个基本试验指标

)cm/g、m/t(V

m 33

%100m

m

s

w

）(V

md

ws

s

w

ss 无量纲

土的天然密度和天然重度 公式： 测定：环刀法、蜡封法、灌砂法、灌水法等土的含水率（% ） 公式： 测定：烘干法、酒精燃烧法土粒相对密度（土粒比重） 公式： 测定：比重瓶法

)m/kN(V

W 3

1.2.3 其它指标1 、土的干密度 和干重度 （ g/cm3 或 t/m3 ）

(kN/m3)

d d

V

m sd

gV

Wd

sd

sat sat2 、土的饱和密度 和饱和重度

V

Vm wvssat

gsatsat

3 、土的有效重度 ( 或浮重度 )

V

gVgm' wss

1.2.3 其它指标4 、土的孔隙率 n

5 、土的孔隙比 e

6 、土的饱和度 Sr

%100V

Vn v

s

v

V

Ve

v

wr V

VS

指标的换算

土的密度、含水量、土粒比重是通过试验测定，其他指标可由这三个指标换算得到。

在进行土的三相指标计算时，可利用表中公式直接计算，也可利用土的各指标的三相比例表达式计算：在三相图上假定 Vs=1( 或 V=1) ，根据已知条件得到各部分的体积和重力，就可求得其他指标。

sat

1)1(

sdee

ds sr

e

en

1

)1(d

)1d(

s

ssat

1d

例1-1 某原状土样经试验测得土的天然重度 γ=18.3kN/m3 ，ds=2.70，ω=20% ，求

dsat en

rs

)m/kN(25.152.01

3.18

13

d

)m/kN(60.1910)2.01(70.2

)17.2(3.18

)1(d

)1d( 3

s

ssat

)m/kN(60.91060.19 3sat

77.013.18

10)2.01(70.21

)1(de s

%5.4377.01

77.0

e1

en

70.0

77.0

7.22.0

e

ds sr

解 1 ：直接利用表中公式计算。

解 2 ：设 V=1 ，则土的重力 W=V=18.3kN

例1-1 某原状土样经试验测得土的天然重度 γ=18.3kN/m3 ，ds=2.70，ω=20% ，求

dsat en rs

%100m

m

s

%100W

W3.18%20

s

s

kN25.15W s 则 解得

ws

ss V

md

10V

25.15

10V

W7.2

ss

s

565.0Vs

435.0565.01VVV sv 05.325.153.18WWW sw

305.010

05.3WV

25.151

25.15

V

W sd 60.19

1

435.01025.15

V

VW vssat

60.91

10565.025.15

V

gVgm ss

77.0

565.0

435.0

V

Ve

s

v

%5.43%1001

435.0%100

V

Vn v 70.0

435.0

305.0

V

VS

v

wr

则 解得

求得三相物质的重力和体积后，就可根据定义表达式计算其他指标。

课堂小结• 掌握土的基本物理状态指标及测定• 会进行土的其他指标的计算

思考题 4

作业 1

无粘性土——密实度

粘性土的物理特征——界限含水率

第四节 土的物理状态指标

一、 无粘性土的密实度

• 无粘性土颗粒较粗，土粒间无粘结力而呈散粒状态，其密实度对它的工程性质有十分重要的影响。

a) 疏松状态的单粒结构 b) 紧密状态的单粒结构

一、 无粘性土的密实度

（ 1 ）天然孔隙比 e

• 优点：简单方便• 缺点：无法反映土的颗粒级配因素

0.6 0.75 0.85

松散中密密实 稍密

1 、砂土的密实度

（ 2）相对密实度Dr

定义：

•优点：计入土的级配因素，理论上比较 完善。•缺点：天然孔隙比难以获取，且emax,emin

的测定受人为的影响较大。

minmax

maxr ee

eeD

用相对密度判断土的密实状态

密实状态 密　实 中　密 松　散

相对密实度Dr

1 ～0.67

0.67 ～0.33

0.33 ～0

（ 3 ）标准贯入试验30 15 10

松散中密密实 稍密

标准贯入试验锤击数 N

密实度标准贯入试

验锤击数N

密实度

N≤10 松散 15 ＜N≤30

中密

10 ＜N≤15 稍密 N ＞ 30 密实

2 、碎石土的密实度 《建筑地基基础设计规范》用重型圆锥动力触探锤

击数 N63.5 来划分碎石土的密实度。

重型圆锥动力触探试验锤击

数 N63.5

密实度

重型圆锥动力触探试验锤击

数 N63.5

密实度

N63.5≤5 松散 10 ＜N63.5≤20 中密

5 ＜N63.5≤10 稍密 N63.5 ＞ 20 密实对于平均粒径大于 50mm 或最大粒径大于 100mm 的碎石土，

根据《规范》要求对于这类土可在现场进行观察，根据骨架颗粒的含量和排列、可挖性和可钻性来鉴别。

二、 粘性土的特征指标

• 液限、塑限、缩限• 塑性指数• 液性指数• 灵敏度

1 、界限含水率：液限、塑限、缩限

一、定义 液限WL、塑限Wp、缩限Ws

二、测定方法塑限是用搓条法测定液限我国采用平衡锥式液限仪测定液塑限联合测定法

WS Wp WL

液态固态 塑态半固态

0

液塑限联合测定仪

测试结果整理

将试样调成不同含水率的土样：

3-4mm,7-9mm,15-17mm

测定圆锥仪在 5s 时的下沉深度 h 及相应的含水率。 h=2mm—塑限 ωP

h=10mm—10mm液限 ωL

h=17mm—17mm液限 ωL

3 、粘性土的可塑性指标

•塑性指数 IP

•液性指数 IL

IL>1.0 0.75<IL≤1 0.25<IL≤0.75 0<IL≤0.25 IL<0 液性指数

流 塑 软 塑 可 塑 硬 塑 坚 硬 状 态

pLpI

p

p

pL

pL I

I

例题 1-2

已知某粘性土样的天然含水率 ω=40.3% ，塑限ωP=25.2% ，液限ωL=47.7% ，判断它所处的状态。

解 该土样的塑性指数为 IP=ωL-ωP= 47.7-25.2=22.5

该土样的液性指数为

由于 0.25 ＜ IL≤0.75 所以该土样处于可塑状态。67.05.22

2.253.40

P

pL I

I

小 　结

• 掌握砂土和碎石土密实度的判别• 了解相对密度的概念及测定• 熟悉液、塑限的测定• 掌握塑性指数和液性指数的计算，

会准确判断粘性土的状态

《建筑地基基础设计规范》将土分为• 岩石• 碎石土• 砂土• 粉土•粘土•人工填土•特殊土

1.5 地基岩土的工程分类

一、岩 石 岩石（基岩）是指颗粒间牢固联结，形

成整体或具有节理、裂隙的岩体。• 岩石坚硬程度的划分• 岩体完整程度的划分• 岩石风化程度的划分

未风化、微风化完整的硬质岩石是最优良的地基，强风化和全风化破碎的软质岩石工程性质较差。

岩 石 坚 硬 程 度 的 划 分坚硬程度

类别 坚硬岩 较硬岩 较软岩 软岩 极软岩饱和单轴抗压强度标准值 ƒrk

（ Mpa ）

ƒrk ＞ 6060≥ƒrk ＞

3030≥ƒrk ＞

1515≥ƒrk ＞

5ƒrk≤5

岩 体 完 整 程 度 的 划 分完整程度等级 完整 较完整 较破碎 破碎 极破碎

完整性指数

＞0.75

0.75 ～0.55

0.55 ～0.35

0.35 ～0.15

＜0.15

岩石风化程度特征表 风化程度 特 征

未风化 结构构造未变，岩质新鲜

微风化 结构构造、矿物色泽基本未变，部分裂隙面有铁锰质渲染

中风化结构和构造较清晰，岩体被节理、裂隙分割成块状，裂隙中填充少量风化物。锤击声脆，且不易击碎；用镐难掘，用岩心钻方可钻进。

强风化结构和构造不甚清晰，矿物成分已显著变化；岩体被节理、裂隙分割成碎石状，碎石用手可以折断；用镐可以挖掘，手摇钻不易钻进

全风化 结构和构造完全破坏，矿物成分以次生矿物为主，松散易碎；手摇钻易钻进

二、碎石土

碎石土是指粒径大于 2 mm 的颗粒含量超过总质量的 50％的土，按粒径和颗粒形状可进一步划分为漂石、块石、卵石、碎石、圆砾和角砾。

碎石土的密实度可分为松散、稍密、中密和密实。

碎石土的强度大，压缩性小、渗透性大，为良好的地基。

碎 石 土 分 类 土的名称 颗粒形状 粒 组 含 量

漂石块石

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的 50%

卵石碎石

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的

50%

圆砾角砾

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的

50%注：分类时应根据粒组含量栏从上到下以最先符合者确定。

三、砂 土

砂土为粒径大于 2mm 的颗粒含量不超过全重的 50％、粒径大于 0.075mm 的颗粒超过全重 50％的土。

砂土按粒组含量可分为砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂 。

砂 土 的 分 类 土名 粒 组 含 量

砾砂 粒径大于 2mm 的颗粒含量占全重的 25%-50%

粗砂 粒径大于 0.5mm 的颗粒含量超过全重的50%

中砂 粒径大于 0.25mm 的颗粒含量超过全重的50%

细砂 粒径大于 0.075mm 的颗粒含量超过全重的85%

粉砂 粒径大于 0.075mm 的颗粒含量超过全重的50%

注：分类时应根据粒组含量栏从上到下以最先符合者确定。

砂 土• 砂土按其密实度分为密实、中密、

稍密和松散。• 砂土的潮湿程度可按饱和度分为饱

和、很湿和稍湿三种状态。• 常见的砾砂、粗砂、中砂为良好地

基，粉、细砂要具体分析，如为饱和疏松状态则为不良地基。

四、 粉 土塑性指数 Ip≤10 ，且粒径大于 0.075mm

的颗粒含量不超过全重 50％的土称为粉土，其性质介于砂土与粘性土之间。

• 粉土的密实度根据孔隙比划分为密实、中密和稍密。

• 粉土的湿度根据含水量划分为稍湿、湿和很湿。

• 密实状态的粉土性质好，强度高，是良好的地基；饱和稍密的粉土地震时易产生液化，为不良地基。

粉土密实度分类

孔隙比 e 密实度

e ＜ 0.750.75≤e≤0.90e ＞ 0.9

密实中密稍密

粉土湿度分类

含水量 ω 湿 度

ω＜ 2020≤ω≤30ω＞ 30

稍 湿湿很 湿

五、粘性土• 粘性土为塑性指数 Ip>10 的土，可按塑

性指数 Ip 分为粘土和粉质粘土。• 粘性土的状态按液性指数分为坚硬、硬塑、可塑、软塑和流塑五种状态。

• 密实硬塑状态的粘性土为良好地基，疏松流塑状态的粘性土为软弱地基。

土的名称 塑性指数 Ip

粘土粉质粘土

Ip ＞ 1710 ＜ Ip≤17

六、人工填土人工填土是由于人类活动堆积而成的土。按其成因及堆

积物质成分不同可分为以下几种：• 素填土：主要由碎石、砂土、粉土、粘性土等组成的填土，经分层碾压或夯实的填土统称为压实填土。

• 杂填土：主要为建筑垃圾、工业废料或生活垃圾等杂物的填土。

• 冲填土：用水力冲填法将水底泥砂等沉积物堆积而成的。

人工填土具有不均匀性、低密度性、高压缩性和低强度，有时具有湿陷性的特点。

七、特殊土• 软土：是天然含水量大于液限、天然孔隙比大

于 1.0 的饱和粘性土。分为淤泥和淤泥质土。软土地基承载力低、变形大、不均匀变形也大，且变形稳定历时较长 。

• 膨胀土：是一种吸水膨胀和失水收缩、具有较大胀缩变形性能，且变形往复的高塑性粘土。建造在膨胀土地基上的建筑物如果不进行地基处理，常会对建筑物造成危害。

• 湿陷性黄土：黄土的浸水湿陷而使建筑物产生不均匀沉陷是造成黄土地区事故的主要原因。

例题： 已知某土样，颗粒分析结果如表所示，标贯击数 N=25 ，饱和度 Sr=50% ，确定该土样的名称及所处的状态。

粒径范围 /mm

＞ 22 ～

0.50.5 ～

0.250.25 ～0.075

0.075 ～0.05

＜0.05

粒组含量(%)

3.5 12 15.5 26.5 26 16.5

解：（ 1 ）确定土样名称• 大于 2mm 的颗粒占全重的 3.5%• 大于 0.5mm 的颗粒占全重的 15.5%• 大于 0.25mm 的颗粒占全重的 31%• 大于 0.075mm 的颗粒占全重的 57.5%• 由此确定该土为粉砂。 （ 2 ）确定土的状态饱和度 Sr=50% ，土的湿度状态为稍湿。标贯击数 N=25 ， 15 ＜ N=25≤30 ，土的密实状态为中密。

粒径范围 ＞ 2

2 ～0.5

0.5 ～0.25

0.25 ～0.075

0.075 ～0.05

＜0.05

粒组含量 3.5 12 15.5 26.5 26 16.5

本 章 小 结1 、土的三相组成、结构构造是影响土的工程性

质的主要因素。土的固体颗粒以原生矿物为主，粒径越粗，棱角越明显，级配越好，土的工程性质就越好；土的固体颗粒以次生矿物和有机质为主，则土中含粘土矿物越多，土的粘性、塑性和膨胀性也越大，土的工程性质就越差。具有单粒结构的较粗颗粒的土，在其排列密实时，土的强度大，工程性质好；具有蜂窝结构和絮状结构的粉粒和粘粒土，孔隙大、结构不稳定，压缩性大，工程性质差。

本 章 小 结2 、土中水对土的工程性质的影响也很大。

特别是对粘性土，土的含水率不同，粘性土的物理状态就不同，随着含水率的增加，粘性土可分别处于固态、半固态、可塑状态和流动状态。处于固态、半固态的粘性土工程性质较好，为优良地基；处于可塑状态和流动状态的粘性土工程性质差，为软弱地基。

本 章 小 结3 、土的基本物理性质指标（又称试验指

标）为土的含水率、土的密度或土的重度、土粒密度或土粒相对密度（土粒比重）；土的其它物理性质指标有土的干密度和干重度、土的饱和密度和饱和重度、土的有效重度 ( 或浮重度 ) 、土的孔隙率 n 、土的孔隙比 e 、土的饱和度Sr 。土的基本物理性质指标通过试验直接测得，土的其它物理性质指标是通过三个试验指标经换算得到的。

本 章 小 结4 、土的物理状态指标为无粘性土的

密实度、湿度，粘性土的稠度。它们是定量分析和评价土的工程性质好坏的具体指标。对细颗粒土来说还是进行土的工程分类的主要依据。

本 章 小 结5 、《建筑地基基础设计规范》

(GB50007—2002)将作为建筑地基的岩土分成：岩石、碎石土、砂土、粉土、粘性土、人工填土和特殊土。

作 业• 1 、 3 、 4