土力学课件 第一章 土的物理性质和工程分类.ppt

土的物理性质和工程分类（１） 土的物理性质和工程分类（２）本章主要讨论土的物质组成以及定性、定量描述其物质组成的方法，包括:土的三相组成　　土的三相指标**土的结构构造粘性土的界限含水量**砂土的密实度**土的工程分类*这些内容是学习土力学原理和基础工程设计与施工技术所必需的基本知识，也是评价土的工程性质、分析与解决土的工程技术问题时讨论的最基本的内容。 1.1土的形成（生成）土是由岩石经风化、搬运、堆积的产物自然界的土是由岩石经风化、搬运、堆积而形成。影响土的组成的主要因素:母岩成分(原生矿物，次生矿物)风化性质（物理、化学、生物风化）搬运过程（水、风、重力）堆积的环境（河、湖、海、沙漠） 1.2土的（三相）组成固体颗粒　　水　　气体（a）实际土体；（b）土的三相图；（c）各相的质量与体积图1-1土的三相图 一、土的固相土的固相物质包括无机矿物颗粒和有机质，是构成土的骨架最基本的物质，称为土粒。对土粒应从其矿物成分、颗粒的大小和形状来描述。 （一）土的粒度成分（土粒级配）（１）天然土是由大小不同的颗粒组成的，土粒的大小称为粒度。土颗粒的大小相差悬殊，从大于几十厘米的漂石到小于几微米的胶粒。土粒的形状是不规则的，很难直接测量土粒的大小，只能用间接的方法来定量地描述土粒的大小及各种颗粒的相对含量。 （一）土的粒度成分（土粒级配）（２）粒度成分：用不同粒径颗粒的相对含量来描述土的颗粒组成。粒度成分测定常用方法:1）筛分法：对粒径大于0.075mm的土粒2）沉降分析法：对小于0.075mm的土粒 1．土的粒组划分（１）天然土的粒径一般是连续变化的，为了描述方便，工程上常把大小相近的土粒合并为组，称为粒组。粒组间的分界线是人为划定的，划分时应使粒组界限与粒组性质的变化相适应，并按一定的比例递减关系划分粒组的界限值。 1．土的粒组划分（２）粒径d:＞=200，200-60，60-2，2-0.075，0.075-0.005,＜＝0.005粒组：漂石卵石圆砾砂粒粉粒粘粒块石碎石角砾 1．土的粒组划分（3）对粒组的划分，各个国家，甚至一个国家的各个部门有不同的规定。从70年代末到80年代末这十年中，我国的粒组划分标准出现了一些变化。《建筑地基基础设计规范》（GBJ7一89）和《岩土工程勘察规范》(GB50021一94)在修订和编制过程中经过充分论证，将砂粒粒组与粉粒组的界限从0.05mm改为0.075mm。表1-1粒组划分标准(GB50021-94)粒组名称粒组范围(mm)粒组名称粒组范转(mm)漂石(块石)粒组>200砂粒粒组0.075~2卵石(碎石粒组)20~200粉粒粒组0.005~0.075砾石粒粗2~20粘粒粒组<0.005 1．土的粒组划分（4）我国上述规范采用的粒组划分标准见表1-1。《土的工程分类标准》（GBJ145-90）在砂粒粒组与粉粒粒组的界限上取与上述规范相同的标准，但将卵石粒组与砾石粒组界限改为60mm，其粒组划分标准见表1-2。表1-2粒组划分(GBJ145-90)粒组统称粒组名称粒组范围(mm)巨粒漂石(块石)粒组卵石(碎石)粒组>200200~60粗粒粗砾砾粒细砾砂粒60~2020~22~0.075细粒粉粒粘粒0.075~0.005<0.005 2．粒度成分分析方法（１）对于粗粒土可以采用筛分法，而对于细粒土则必须用沉降分析法（比重计法）分析粒度成分。（１）筛分法是用一套不同孔径的标准筛把各种粒组分离出来，这和建筑材料的粒径级配筛分试验是一样的。 2．粒度成分分析方法（２）按我国原有的标准，最小孔径的筛是0.1mm,但是新的筛孔标准已改为0.075mm,这相当于美国ASTM标准的200号筛（即在1平方英寸面积上共有200个筛孔）。图１－2细筛 2．粒度成分分析方法（3）（２）沉降分析法是根据土粒在悬液中沉降的速度与粒径的平方成正比的司笃克斯公式来确定各粒组相对含量的方法。（比重计法）但实际上，土粒并不是球形颗粒，因此用上述公式计算的并不是实际土粒的尺寸，而是与实际土粒有相同沉降速度的理想球体的直径，称为水力直径。 2．粒度成分分析方法（4）用沉降分析法测定土的粒度成分可用两种方法，即比重计法和移液管法。１）比重计是用测定液体密度的一种仪器，对于不均匀的液体，从比重计读出的密度只表示浮泡形心处的液体密度。２）移液管法是用一种特定的装置在一定深度处吸出一定量的悬液，用烘干的方法求出其密度。用上述二种方法都可以求出土粒的粒径和累计百分含量。 3．粒度成分及其表示方法（１）土的粒度成分是指土中各种不同粒组的相对含量（以干土质量的百分比表示），它可用以描述土中不同粒径土粒的分布特征。常用的粒度成分的表示方法有表格法、累计曲线法和三角坐标法。 （１）表格法：是以列表形式直接表达各粒组的相对含量。它用于粒度成分的分类是十分方便的，例如表1-3给出了3种土样的粒度成分分析结果。表1-3粒度成分分析结果(%)粒组(mm)土样A土样B土样C0.10~0.0759.04.614.40.075~0.01－8.137.60.01~0.005－4.211.10.005~0.001－5.218.9<0.001－1.510.0粒组(mm)土样A土样B土样C10~5－25.0－5~23.120.0－2~16.012.3－1~0.516.48.0－0.5~0.2541.56.2－0.25~0.1026.04.98.0 3．粒度成分及其表示方法（2）（２）累计曲线法：是一种图示的方法，通常用半对数纸绘制，１）横坐标（按对数比例尺）表示某一粒径，２）纵坐标表示小于某一粒径的土粒的百分含量。 3．粒度成分及其表示方法（3）表1-3中的三种土的累计曲线如图1-1所示。 3．粒度成分及其表示方法（4）在累计曲线上，可确定两个描述土的级配的指标：不均匀系数曲率系数式中：分别相当于累计百分含量为10％、30％和60％的粒径；称为有效粒径；称为限制粒径；称为平均粒径。 3．粒度成分及其表示方法（5）不均匀系数、反映大小不同粒组的分布情况：>=5、=1-3的土级配良好，其余情况为级配不良。<5的土称为匀粒土，级配不良；越大，表示粒组分布范围比较广>10的土级配良好但如过大，表示有可能缺失中间粒径，属不连续级配，故需同时用曲率系数来评价。曲率系数则是描述累计曲线整体形状的指标。 3．粒度成分及其表示方法（6）（３）三角坐标法：这也是一种图示法，它利用等边三角形内任意一点至三个边(、、)的垂直距离的总和恒等于三角形之高的原理，用表示组成土的三个粒组相对含量，即土中的三个垂直距离可以确定一点的距离。三角形坐标只适用于划分为三个粒组的情况。例如当把粘性土划分为砂土、粉土和粘土粒组时,就可以用图1-2所示的三角形坐标图来表示。 3．粒度成分及其表示方法（7）三种方法特点和适用条件（１）表格法能很清楚的用数量说明土样的个粒组含量，但对于大量土样之间的比较就显得过于冗长，且无直观概念，使用比较困难。（２）累计曲线法能用一条曲线表示一种土的粒度成分，而且可以在一张图上同时表示多种土的粒度成分，能直观的比较其级配情况。 3．粒度成分及其表示方法（8）（３）三角坐标法能用一点表示一种土的粒度成分，在一张图上能同时表示许多种土的粒度成分，便于进行土料的级配设计。三角坐标图中不同的区域表示土的不同组成，因而还可以用来确定按粒度成分菜蜘住名。（４）在工程上可根据使用的要求选用适合的表示方法，也可以在不同的场合选用不同的方法。 3．粒度成分及其表示方法（9）图1-3三角坐标图 （二）土的矿物成分（１）土中的矿物成分：1．原生矿物：原生矿物是指岩浆在冷凝过程中形成的矿物，如石英、长石、云母等。单矿物颗粒：石英、长石、云母等。多矿物颗粒：母岩碎屑、卵石、碎石。 （二）土的矿物成分（２）2．次生矿物：粘土矿物，难溶盐１）次生矿物是由原生矿物经过风化作用后形成的新矿物（如三氧化二铝、三氧化二铁、次生二氧化硅、粘土矿物以及碳酸盐等）。次生矿物按其与水的作用可分为易溶的、难溶的和不溶的，次生矿物的水溶性对土的性质有重要的影响。 （二）土的矿物成分（３）２）粘土矿物主要有两种原子结构单元组成：硅氧四面体铝氢氧八面体粘土矿物的主要代表性矿物为高岭石：蒙脱石：具强烈的吸水膨胀、失水收缩特性伊利石： （二）土的矿物成分（４）由于其亲水性不同，当其含量不同时土的工程性质就各异。在以物理风化为主的过程中，岩石破碎而并不改变其成分，岩石中的原生矿物得以保存下来。在化学风化的过程中，有些矿物分解成为次生的粘土矿物。粘土矿物是很细小的扁平颗粒，表面具有极强的和水相互作用的能力。颗粒愈细，表面积愈大，这种亲水的能力就愈强，对土的工程性质的影响也就愈大。 （二）土的矿物成分（5）3．有机质：腐殖质，泥炭在风化过程中，在微生物作用下，土中产生复杂的腐殖质，此外还会有动植物残体等有机物，如泥炭等。有机颗粒紧紧地吸附在无机矿物颗粒的表面形成了颗粒间的连接，但是这种连接的稳定性较差。 （二）土的矿物成分（6）4．粘土矿物的带电性粘土矿物带电性在19世纪就为列依斯通过实验发现了，称为电渗电泳试验（列依斯试验）：如图，接通电源后，发现阳极筒中水位不断下降，变混浊，阴极筒内水位上升说明：粘土颗粒带负电正极=电泳水分子阳离子负极=电渗细颗粒 （二）土的矿物成分（7）在工程上可以利用这一物理现象处理一些地基问题。带电的原因：①从组成：组成粘土矿物晶片的边面处为负离子，带负电，面棱角处带电，②了解作用：矿物一般在水中要离解的正负离子，正离子一向扩散到水中，所以矿物果粒带负电：③吸附作用及置换作用→低价阳离子，置换晶体中的高价阳离子土里粒带负电。 （二）土的矿物成分（８） （三）土粒的形状（１）土粒的形状是多种多样的，卵石接近于圆形而碎石颇多棱角，云母是薄片状而石英砂却是颗粒状的。土粒形状对于土的密实度和土的强度有显著的影响，棱角状的颗粒互相嵌挤咬合形成比较稳定的结构，强度较高；磨圆度好的颗粒之间容易滑动，土体的稳定性比较差。 （三）土粒的形状（２）土粒的形状与土的矿物成分有关，也与土的形成条件及地质历史有关。原生矿物：粒状片状次生矿物：片状针状颗粒的比表面积定义：比表面积砂高岭土蒙脱土 二、土的液相结晶水（强、弱）结合水　自由水土的液相是指存在于土孔隙中的水。通常认为水是中性的，在零度时冻结。但实际上土中的水是一种成分非常复杂的电解质水溶液，它和亲水性的矿物颗粒表面有着复杂的物理化学作用。水-极性分子。 １．结合水（１）按照水与土相互作用程度的强弱，可将土中水分为结合水和自由水两大类。结合水是指处于土颗粒表面水膜中的水，受到表面引力的控制而不服从静水力学规律，其冰点低于零度。结合水又可分为：强结合水　　弱结合水。 １．结合水（２）（１）强结合水在最靠近土颗粒表面处，水分子和水化离子排列得非常紧密，以致其密度大于1，并有过冷现象，即温度降到零度以下不发生冻结的现象。 １．结合水（３）（２）在距土粒表面较远地方的结合水称为弱结合水。由于引力降低，弱结合水的水分子的排列不如强结合水紧密，弱结合水可能从较厚水膜或浓度较低处缓慢地迁移到较薄的水膜或浓度较高处，亦即可从一个土粒迁移到另一个土粒，这种运动与重力无关，这层不能传递静水压力的水定义为弱结合水。 １．结合水（４）图1-4吸着水示意图 １．结合水（５）图1-5土粒、结合水、自由水示意图 ２．自由水（１）２.自由水包括：毛细水　　重力水１）毛细水不仅受到重力的作用，还受到表面张力的支配，能沿着土的细孔隙从潜水面上升到一定的高度。这种毛细上升对于公路路基土的干湿状态及建筑物的防潮有重要影响。2）重力水在重力或压力差作用下能在土中渗流，对于土颗粒和结构物都有浮力作用，在土力学计算中应当考虑这种渗流及浮力的作用力。在以后的章节中将进一步讨论重力水的渗流及浮力的作用与计算问题。 ２．自由水（2）图1-6土层内的毛细管水带图1-7毛细管水压示意图 三、土的气相（１）土的气相是指充填在土的孔隙中的气体，包括与大气连通的和不连通的两类。与大气连通的气体对土的工程性质没有多大的影响，它的成分与空气相似，当土受到外力作用时，这种气体很快从孔隙中挤出； 三、土的气相（２）密闭的气体对土的工程性质有很大的影响，密闭气体的成分可能是空气、水汽或天然气。在压力作用下这种气体可被压缩或溶解于水中，而当压力减小时，气泡会恢复原状或重新游离出来。含气体的土称为非饱和土，非饱和土的工程性质研究已成为土力学的一个新分支。 1.3土的结构与构造一、土的结构在漫长的地质年代里，由各种物理的、化学的、物理一化学的及生物的因素综合作用形成土的各种结构，使得大自然的土具有各种各样的工程特征。研究土的工程性质必须重视对土的结构性的分析，学习土力学也必须掌握有关土的结构构造的知识。 一、土的结构（１）土的结构是指土粒（或团粒）的大小、形状、互相排列及联结的特征土的结构是在成土过程中逐渐形成的，它反映了土的成分、成因和年代对土的工程性质的影响。例如西北黄土的大孔隙结构是在干旱的气候条件下形成的，而西南的红粘土是在湿热的气候条件下形成的。这二种土虽然都具有大孔隙，但成因不同，土粒间的胶结物质不同，工程性质也就截然不同。土的结构对土的工程性质有重要的影响，但到目前为止还未能提出满意的定量方法来描述土的结构。 一、土的结构（2）土的结构按其颗粒的排列和联结可分为图1-8所示的三种基本类型。土的单粒结构土的蜂窝结构土的絮状结构图1-8土的结构的基本类型 一、土的结构（3） 一、土的结构（4）S=57MPaS=38MPaS=0 围压为4MPa时的结构复形照片 剪切带断面放大系数为12放大系数为35 １．单粒结构（１）单粒结构这是碎石土和砂土的结构特征。其特点是土粒间没有联结存在，或联结非常微弱，可以忽略不计。疏松状态的单粒结构在荷载作用下，特别在振动荷载作用下会趋向密实，土粒移向更稳定的位置，同时产生较大的变形； １．单粒结构（２）密实状态的单粒结构在剪应力作用下会发生剪胀，即特点体积膨胀，密度变松。单粒结构的紧密程度取决于矿物成分、颗粒形状、粒度成分及级配的均匀程度。片状矿物颗粒组成的砂土最为疏松；浑圆的颗粒组成的土比带棱角的容易趋向密实；土粒的级配愈不均匀，结构愈紧密。 ２．蜂窝状结构这是以粉粒为主的土的结构特征，粒径在0.02-0.002mm左右的土粒在水中沉积时，基本上是单个颗粒下沉，在下沉过程中碰上已沉积的土粒时，如土粒间的引力相对自重而言已经足够地大，则此颗粒就停留在最初的接触位置上不再下沉，形成大孔隙的蜂窝状结构。 ３．絮状结构这是粘土颗粒特有的结构，悬浮在水中的粘土颗粒当介质发生变化时，土粒互相聚合，以边一边、面一边的接触方式形成絮状物下沉，沉积为大孔隙的絮状结构。 一、土的结构（5）卸载时土体的膨胀（如钻探取土时土样的膨胀或基坑开挖时基底的隆起）会松动土的结构；当土层失水干缩或介质变化时，盐类结晶胶结能增强土粒间的联结；土的结构形成以后，当外界条件变化时，土的结构会发生变化。土层在上覆土层作用下压密固结时，结构会趋于更紧密的排列； 一、土的结构（6）在外力作用下（如施工时对土的扰动或剪应力的长期作用）会弱化土的结构，破坏土粒原来的排列方式和土粒间的联结，使絮状结构变为平行的重塑结构，降低土的强度，增大压缩性。因此，在取土试验或施工过程中都必须尽量减少对土的扰动，避免破坏土的原状结构。 二、土的构造非层理构造层理构造：正常层理薄层透镜体尖灭体斜层面 1.4土的物理性质指标（三相比例指标）（１）土的三相物质在体积和质量上的比例关系称为三相比例指标。三相比例指标反映:土的干燥与潮湿　　疏松与紧密这是评价土的工程性质的最基本的物理性质指标，也是工程地质勘察报告中不可缺少的基本内容。 1.4土的物理性质指标（三相比例指标）（２）ThreePhasesinSoilsS:SolidSoilparticleW:LiquidWater(electrolytes)A:AirAir 1.4土的物理性质指标（三相比例指标）（３）为了推导土的三相比例指标，通常把在土体中实际上是处于分散状态的三相物质理想化地分别集中在一起，构成如图1-3所示的三相图。在图（c）中，右边注明各相的体积，左边注明各相的质量。土样的体积V为土中空气的体积、水的体积和土粒的体积之和；土样的质量为土中空气的质量、水的质量和土粒的质量之和；通常认为空气的质量可以忽略，则土样的质量就仅为水和土粒质量之和。 1.4土的物理性质指标（三相比例指标）（４）三相比例指标可分为两种，一种是试验指标；另一种是换算指标。（a）实际土体；（b）土的三相图；（c）各相的质量与体积图1-1土的三相图 一、试验指标1土的密度2土粒比重（土粒相对密度）3土的含水（量）率通过试验测定的指标有土的密度、土粒比重和含水量。 １．土的密度（１）土的密度是单位体积土的质量，如令土的体积为,质量为，则土的密度可由下式表示： １．土的密度（２）土的密度常用环刀法测定，其单位是，一般土的密度为。当用国际单位制计算重力时，由土的质量产生的单位体积的重力称为重力密度），简称为重度；重力等于质量乘以重力加速度，则重度由密度乘以重力加速度求得，其单位是，但在工程上为简化计常用其密度乘以10。 １．土的密度（３）对天然土求得的密度称为天然密度，相应的重度称为天然重度，以区别于其他条件下的指标，如下面将要讲到的干密度和干重度、饱和密度和饱和重度等。 ２．土粒比重土粒比重是干土粒的质量与其同体积4°C时水的质量之比，由下式表示： 1．土粒密度（4）土名砂土砂质粉土粘质粉土粉质粘土粘土土粒比重2.65~2.692.702.712.72~2.732.74~2.76表1-4土粒比重的一般数值 1．土粒密度（5）3土的含水率是土中水的质量与固体（土粒）质量之比，由下式表示: 1．土粒密度（6）含水率通常以百分数表示。含水率常用烘干法测定，是描述土的干湿程度的重要指标，土的天然含水率变化范围很大，从干砂的含水率接近于零到蒙脱土的含水率可达百分之几百。 二、换算指标（１）除了上述三个试验指标之外，还有六个可以计算求得的指标，称为换算指标，包括土的干密度（干重度）、饱和密度（饱和重度）、有效重度、孔隙比、孔隙率和饱和度。 二、换算指标（２）土的孔隙比土的孔隙率土的饱和度 二、换算指标（３）土的干密度土的饱和密度土的浮密度 二、换算指标（４）土的重度土的干重度土的饱和重度土的有效（浮）重度 干密度是土的固相质量与土的总体积之比，可由下式表示：土的干密度越大，土越密实，强度就越高，水稳定性也好。干密度常用作填土密实度的施工控制指标。１．干密度 ２．土的饱和密度土的饱和密度是当土的孔隙中全部为水所充满时的密度，即全部充满孔隙的水的质量与固相质量之和与土的总体积之比，由下式表示：当用干密度或饱和密度计算重力时，也应乘以10变换为干重度或饱和重度。 ３．浮重度当土浸没在水中时，土的固相受到水的浮力作用，土体的重力也应扣除浮力。计算地下水位以下土层的自重应力时应当用有效重度，有效重度是扣除浮力以后的固相重力与土的总体积之比（又称为浮重度），由下式表示：式中——为水的重度，纯水在4℃时的重度等于9.81，在工程上化整为l0。 ４．土的孔隙比土的孔隙比是孔隙的体积与固相体积之比，由下式表示：孔隙比用来评价土的紧密程度，或从孔隙比的变化推算土的压密程度，在土力学的计算中经常用到这个指标。 ５．土的孔隙率土的孔隙率是孔隙的体积与土的总体积之比，由下式表示： ６．土的饱和度土的饱和度是指孔隙中水的体积与孔隙体积之比，由下式表示： 三、三相比例指标的换算（１）土的三相比例指标之间可以互相换算，根据上述三个试验指标，可以用换算公式求得。全部计算指标，也可以用某几个指标换算其他的指标。这种换算关系见表1-5。 三、三相比例指标的换算（２）表1-5三相指标的换算关系 三、三相比例指标的换算（３）【例题1-1】已知土的试验指标为=17,=27.2和=l0％，求、和。【解】可以有二种解法。第一种方法直接用表1-5中的换算公式计算；第二种方法利用试验指标按定义分别求出三相物质的重力和体积，然后按定义计算。 三、三相比例指标的换算（４）第一种方法 三、三相比例指标的换算（５）第二种方法设土的体积等于1，则土的重力已知土粒的重力与水的重力之和等于土的重力,即水的重力与土的重力之比等于含水量则解联立方程即可得土粒的重力和水的重力 三、三相比例指标的换算（６）土粒体积可由土粒的重度和土粒的重力求得，其值为0.57m3，孔隙的体积为0.43m3，水的体积由水的重度和水的重力求得，其值为0.15m3。求得三相物质的重力和体积以后就可根据定义计算孔隙比,饱和度和干重度的数值。 三、三相比例指标的换算（７） 三、三相比例指标的换算（８）从上述二种方法计算的结果看出，在尾数上有一个单位的误差，这是第二种方法计算误差积累的缘故，在工程实用上一般都用第一种方法计算。这里介绍第二种方法的目的是为了使读者通过例题熟悉三相指标的定义。 三、三相比例指标的换算（９）【例题1-2】已知饱和粘土的含水量为36％，求其孔隙比。【解】此题只给出一个试验指标，但同时给出饱和、粘土二个可以利用的条件，饱和土的饱和度为1，粘土的土粒密度可以从表1-4查得为2.74～2.76(g/cm3)，如以中间值计算则得 三、三相比例指标的换算（１０）如果土的密度取下限值2.74,则求得土的孔隙比为0.986；如取上限值2.76，则求得土的孔隙比为0.994。这对于取小数点后二位的精度，孔隙比均为0.99，可见表1-4中土的密度值的幅度变化对于三相指标的计算影响不大。此题的目的是为了使读者学习如何查用土的密度的经验值以及掌握饱和土的物理特性，对饱和土来说，孔隙比与含水量呈线性关系，软土的含水量一般均超过36％。大量实测数据的统计也证明了这一点。 1.5土的物理状态和土的压实度粘性土的界限含水量在生活中经常可以看到这样的现象，雨天土路泥泞不堪，车辆驶过便形成深深的车辙，而放晴以后土路却异常坚硬。这种现象说明土的工程性质与它的含水量有着十分密切的关系，因此需要定量地加以研究。 一、粘性土的状态与界限含水量土从泥泞到坚硬经历了几个不同的物理状态。含水量很大时土就成为泥浆，是一种粘滞流动的液体，称为流动状态；含水量逐渐减少时，粘滞流动的特点渐渐消失而显示出塑性。所谓塑性就是指可以塑成任何形状而不发生裂缝，并在外力解除以后能保持已有的形状而不恢复原状的性质。粘土的可塑性是一个十分重要的性质，对于陶瓷工业、农业和土木工程都有重要的意义。当含水量继续减少时，则发现土的可塑性逐渐消失，从可塑状态变为半固体状态。 （一）　粘性土的状态图1-9粘性土的状态转变过程 （二）　分界含水量（１）分界含水量：从一种状态变到另一种状态的分界点１.流动状态与可塑状态间的分界含水量称为液限；２.可塑状态与半固体状态间的分界含水量称为塑限;３.半固体状态与固体状态间的分界含水量称为缩限。 （二）　分界含水量（２）塑限和液限在国际上称为阿太堡界限(Atterberglimits)，来源于农业土壤学，后来被应用于土木工程，成为粘性土的重要指标。塑限是用搓条法测定的。把塑性状态的土在毛玻璃板上用手搓条，在缓慢的、单方向的搓动过程中土内的水分渐渐蒸发，如搓到土条的直径为3mm左右时断裂为若干段，则此时的含水量即为塑限。 （二）　分界含水量（３）搓好的泥条 （二）　分界含水量（４）液限可用两种方法测定。我国采用平衡锥式液限仪测定，平衡锥重为76g，锥角为300。试验时使平衡锥在自重作用下沉入土体，当达到规定的深度时的含水量即为液限。沉人深度按试验标准有两种规定，一种为l0mm；另一种为17mm。前一种标准是我国惯用的标准，《建筑地基基础设计规范》(GBJ7一89)和《岩土工程勘察规范》(GB50021一94)采用这一标准。 （二）　分界含水量（５）《土的工程分类标准》(GBJ145-90)则采用后一种标准锥式液限仪 二、塑性指数（１）可塑性是粘性土区别于砂土的重要特征。可塑性的大小用土处在塑性状态的含水量变化范围来衡量，从液限到塑限含水量的变化范围愈大，土的可塑性愈好。这个范围称为塑性指数。塑性指数习惯上用不带％的数值表示。 二、塑性指数（２）Atterberg界限是细粒土颗粒与土中水相互物理化学作用的结果。土中粘粒含量越多，土的可塑性就越大，液限、塑限和塑性指数都相应增大，这是由于粘粒部分含有较多的粘土矿物颗粒和有机质的缘故。 二、塑性指数（３）如以塑性指数为纵坐标，小于0.002mm的胶粒含量为横坐标绘制散点图，如图1-10所示。图1-10土的活动性指数 二、塑性指数（４）按活动性指数的大小，可以划分为低活动性粘土（AC＜0.75）中等活动性粘土（AC=0.75-1.25）高活动性粘土(AC＞1.25)。 二、塑性指数（５）当粘粒部分为不同矿物成分时，其活动性指数是不同的。根据Skempton的报道：石英的活动性指数为零　方解石仅为0.18云母为0.23高岭石为0.33-0.46伊利石为0.90钙蒙脱石为1.5钠蒙脱石为7.2 二、塑性指数（６）从这些资料可知，土的高塑性的机理在于土的粘粒部分中含有能与水发生物理化学作用的高亲水性的粘土矿物。塑性指数是土的最基本、最重要的物理指标之一，它综合地反映了土的物质组成，广泛应用于土的分类和评价。 三、液性指数（１）土的天然含水量是反映土中水量多少的指标，在一定程度上说明土的软硬与干湿状况。仅有含水量的绝对数值却不能确切地说明土处在什么状态。 三、液性指数（２）如果有几个含水量相同的土样，但它们的塑限、液限不同，那么这些土样所处的状态可能不同。例如，土样的含水量为32％，则对于液限为30％的土是处于流动状态，而对液限为35％的土来说则是处于可塑状态。 三、液性指数（３）需要提出一个能表示天然含水量与界限含水量相对关系的指标—液性指数来描述土的状态。可塑状态的土的液性指数在0到1之间，液性指数越大，表示土越软；液性指数大于1的土处于流动状态；小于0的土则处于固体状态或半固体状态。液性指数 三、液性指数（４）液性指数固然可以反映土所处的状态，但必须指出，液限和塑限都是用重塑土测定的，没有反映土的原状结构的影响。保持原状结构的土即使天然含水量大于液限，但仍有一定的强度，并不呈流动的性质，可称为潜流状态。这就是说，虽然原状土并不流动，但一旦天然结构被破坏时，强度立即丧失而出现流动的性质。 三、液性指数（５）《岩土工程勘察规范》（GB50021一94）规定粘性土的状态应根据液性指数IL分为坚硬、硬塑、可塑、软塑和流塑，并应符合图1-11的规定。图1-11塑性图 三、液性指数（６）【例题1-3】已知粘性土土的液限为41％，塑限为22％，饱和度为0.98，孔隙比为1.55，试计算塑性指数、液性指数及确定粘性土的状态。 三、液性指数（７）【解】根据液限和塑限可以求得塑性指数为19，土的密度可从表1-4查得，则土的含水量及液性指数可由下式求得 四、砂土的密实度砂土的密实度对其工程性质具有重要的影响。密实的砂土具有较高的强度和较低的压缩性，是良好的建筑物地基；但松散的砂土，尤其是饱和的松散砂土，不仅强度低，且水稳定性很差，容易产生流砂、液化等工程事故。对砂土评价的主要问题是正确地划分其密实度。 （一）　相对密实度（１）土的孔隙比一般可以用来描述土的密实程度，但砂土的密实程度并不单独取决于孔隙比，而在很大程度上取决于土的级配情况。粒径级配不同的砂土即使具有相同的孔隙比，但由于颗粒大小不同，颗粒排列不同，所处的密实状态也会不同。为了同时考虑孔隙比和级配的影响，引入砂土相对密实度的概念。 （一）　相对密实度（２）最小孔隙比:砂土处于最密实状态时的孔隙比最大孔隙比:砂土处于最疏松状态时的孔隙比按下式计算砂土的相对密实度： （一）　相对密实度（３）从上式可以看出，当砂土的天然孔隙比接近于最小孔隙比时，相对密实度接近于ｌ，表明砂土接近于最密实的状态；而当天然孔隙比接近于最大孔隙比则表明砂土处于最松散的状态，其相对密实度接近于0。根据砂土的相对密实度可以按表1-6将砂土划分为密实、中密、和松散三种密实度。表1-6砂土密实度划分标准密实度密实中密松散相对密实度1~0.670.67~0.330.33~0 （一）　相对密实度（4）我国一些地区砂土的最大孔隙比和最小孔隙比的实测资料见表1-7。从表可以看出颗粒的大小和级配对砂土的这二个指标的影响，随着粒度增大，最大孔隙比和最小孔隙比都相应地减少；级配良好的砂土与级配均匀的相比，最大孔隙比增大，最小孔隙比减小。 土类地区最大孔隙比最小孔隙比粉砂黑龙江1.210.62细砂1.080.59中砂1.010.55粗砂0.980.52砾砂0.980.48土类地区最大孔隙比最小孔隙比中砂(级配均匀)(级配良好)四川德阳1.051.140.670.51粗砂(级配均匀)(级配良好)0.891.040.560.48砾砂(级配均匀)(级配良良好)0.640.740.400.38表1-7砂土最大孔隙比和最小孔隙比资料（一）　相对密实度（5） （二）标准贯入试验（１）从理论上讲，用相对密实度划分砂土的密实度是比较合理的。但由于测定砂土的最大孔隙比和最小孔隙比试验方法的缺陷，试验结果常有较大的出入；同时也由于很难在地下水位以下的砂层中取得原状砂样，砂土的天然孔隙比很难准确地测定，这就使相对密实度的应用受到限制。因此，在工程实践中通常用标准贯入击数来划分砂土的密实度。 （二）标准贯入试验（２）标准贯入试验声用规定的锤重(63.5kg)和落距(76cm)把标准贯入器（带有刃口的对开管，外径50mm,内径35mm）打入土中，记录贯入一定深度（30cm）所需的锤击数N值的原位测试方法。标准贯入试验的贯入锤击数反映了土层的松密和软硬程度，是一种简便的测试手段。 《岩土工程勘察规范》（GB50021-94）规定砂土的密实度应根据标准贯入锤击数按表1-8的规定划分为密实、中密、稍密和松散四种状态。表1-8按标准贯入锤击数N值确定砂土密实度N值密度值N≤10松散10＜N≤15稍密15＜N≤30中密N＞30密实（二）标准贯入试验（3） （二）标准贯入试验（4） 五、土的压实性（１）1．概述土用作地基土用作材料：经人工作用：土的结构、构造、w等有很大变化，与天然情况下不相同。 五、土的压实性（２）（不同）概念：压实：土体受瞬时重复荷重，土粒很快克服阻力，产生位移，↓↑，称为压实。压缩：固结：粘性土压实过程，主要是排气，使↓，可使↑，↓↓。 1．概述直到1933年，Proctor建立了压实理论，说明了—关系，提出和概念。（30年代以后---近代方法修建的土石坝）（土石坝）填方工程的主要问题之一：正确掌握土的压实特性，合理选择压实机械和压实参数。压实机械：平碾、网络碾，垫块碾、气胎碾、夯板、振动碾压费用占土石坝造价10～15%。 2．土的击实试验含水率的影响干密度击实功的影响最优含水率含水率最大干密度干密度　　　　　击实曲线干密度含水率 3．压实原理（１）压实：土在瞬时重复荷重作用下，土颗粒很快克服粒间力，产生位移，土的孔隙减小，重度增加，称为压实。土的压实线。对压实机理还没有说服力的解释推理、判断。 3．压实原理（２）（１）普氏毛管润滑说低，产生负孔压，毛管压力使土粒拉紧，阻力大，不易压实；随增大，水起润滑，但太大，随↑，水占孔隙体积、排不出，反而降低。 3．压实原理（３）（２）霍金吐根的粘着水说低，较干燥时，凝聚力较大，剪阻力大，低，增高，水膜变厚，凝聚力减小，剪阻力小，增加，当增加到一定，粘着水的凝聚力不再降低，而增加的水分，不仅不能有助于压实，反而使减少。 3．压实原理（４）（３）兰姆的颗粒定向理论从土的结构（双电层理论）解释：低：孔隙水盐浓度大，颗间以吸收引力为主，呈凝聚结构，不易压实，使小；增加：双电层扩张，使引力减小而斥力增加，形成分散结构，易压实而升高。　　这一理论仅考虑片状粘粒，不适于粗粘土非尾片土。、—一个地区的与相关关系，统计而来。 4．压实对土的工程性质和力学性质的影响（１）（1）强度：土的强度随↑而增加，但峰值在干侧，达到和超过关时增加而强度下降，过度压实，施工必须控制在干侧。（2）压缩性：土的压缩性随↑而减少，但饱和后压缩性增加（与强度结论相同）。 4．压实对土的工程性质和力学性质的影响（２）（3）渗透性：土的渗透性缝↑而减小，在湿测最小，防渗材料，湿测有利。（4）膨胀量：同一种土，不同的，不同的制备，其膨胀量不同。试验：同↑膨胀量大，↑，同，膨胀量小。对膨胀土，压实使↑是不利的，控制在湿侧，可减少膨胀量。 5．影响土压实的因素（１）（１）含水量的影响（２）压实功能能对压实的影响（３）土类对压实的影响（４）含水量制备方法对压实的影响 5．影响土压实的因素（2）规程：1）将土风干，加水↑分样击实，2）由干到湿风干逐级加水↓↑3）湿水逐级风干↑↓由湿到干：内湿外干→=<平均，不均匀。由干到湿：内干外湿→=><平均，此为客观推测还未试验证实。 5．影响土压实的因素（３）（５）粘土矿物及交换阳离子对压实的影响伊利土，高岭土压实性较好。蒙脱土，压实性变化较大。含有不同交换阳离子的粘土矿物，压实性也不同，压实顺序是Na>Cc>Mg>Fe>K。（６）温度对压实性的影响（７）粗料含量对压实的影响 5．影响土压实的因素（４） 5．影响土压实的因素（５） 5．影响土压实的因素（６） 5．影响土压实的因素（７） 5．影响土压实的因素（８） 5．影响土压实的因素（９） 5．影响土压实的因素（１０） 5．影响土压实的因素（１１） 5．影响土压实的因素（１２） 5．影响土压实的因素（１３） 5．影响土压实的因素（１４） 1.6土的工程分类（１）一、概述土的工程分类是地基基础勘察与设计的前提，一个正确的设计必须建立在对土的正确评价的基础上，而土的工程分类正是工程勘察评价的基本内容。 1.6土的工程分类（２）因此土的工程分类是岩土工程界普遍关心的问题之一，也是勘察、设计规范的首要内容，在20世纪80年代到90年代制订的一批规范发展和丰富了土的分类系统，我国的岩土分类学研究达到了一个新的水平。 一、概述（１）20世纪初期，瑞典土壤学家阿太堡(A.Atterberg)提出了土的粒组划分方法和土的液限、塑限的测定方法，为近代土分类系统的形成奠定了基础。到40年代末50年代初，土的工程分类已逐步成熟，形成了不同的分类体系。 一、概述（２）土的分类系统是把不同的土分别安排到各个具有相近性质的组合中去，其目的是为了人们有可能根据同类土已知的性质去评价其性质，或为工程师提供一个可供采用的描述与评价土的方法。由于各类工程的特点不同，分类依据的侧重面也就不同，因而形成了服务于不同工程类型的分类体系。对同样的土如果采用不同的规范分类，定出的土名可能会有差别。在使用规范时必须充分注意这个问题。 一、概述（３）分类只能提供一些最基本的信息，指导工程师选择合适的勘察方法与试验方法，明确评价的重点，建议必要的施工措施，但分类不能代替试验和评价。在进行分类研究的时候，要遵循同类土的工程性质最大程度相似和异类土的工程性质显著差异的原则来选择分类指标和确定分类界限。离开了对工程性质变化规律的研究这一前提，就不可能得出正确的工程分类结果。 一、概述（４）土的工程分类我国土的工程分类：建设部、水利部、交通部土的分类标准：土体总的分类体系 1．巨粒土和含巨粒土的分类1．巨粒土和含巨粒土的分类：巨粒土（再2分）d＞60mm的巨粒（质量）组含量≥75%的土。混合巨粒土（2分）d＞60mm的巨粒（质量）组含量＜75%～＞50%的土。巨粒混合土：（2分）d＞60mm的巨粒（质量）组含量≤50%～≥15%的土。 2．粗粒土的分类2．粗粒土的分类：粗粒土：d＞0.075mm的粗粒组含量＞50%的土砾类土：（再三分）d＞2mm的粗粒组含量＞50%的土砂类土：（再三分）d＞2mm的粗粒组含量≤50%的土P31表1-11 3．细粒土的分类3．细粒土的分类：细粒土：d＞0.075的细粒组质量≥50%的土再三分，塑性图分类。《建筑地基基础设计规范》中的地基土分类 二、碎石土分类（１）碎石土是指粒径大于2mm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，划分的标准见表1-9。 二、碎石土分类（２）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的颗粒含量超过总质量的50%卵石圆形及亚圆形为主棱角形为主粒径大于200mm的颗粒含量超过总质量的50%圆砾角砾圆形及亚圆形为主棱角形为主粒径大于200mm的颗粒含量超过总质量的50%注:分类时应根据粒组含量由大到小以最先符合者确定表1-9碎石土的分类(GBJ7-89) 三、砂土分类（１）砂土是指粒径大于2mm的颗粒含量不超过总质量的50％且粒径大于0.075mm的颗粒含量超过总质量的50％的土。砂土可再划分为5个亚类，即砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂，划分的标准见表1-11。 三、砂土分类（２）土的名称粒组含量砾砂粒径大于2mm的颗粒含量占总质量的25%~50%粗砂粒径大于0.5mm的颗粒含量占总质量的50%中砂粒径大于0.25mm的颗粒含量占总质量的50%细砂粒径大于0.075mm的颗粒含量占总质量的85%粉砂粒径大于0.075mm的颗粒含量占总质量的50%表1-11砂土的分类(GBJ7-89)注:分类时应根据粒组含量由大天小以最先符合者确定 四、细粒土分类（１）粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过总质量的50％的土属于细粒土，细粒土可划分为粉土和粘性土两大类，粘性土可再划分为粉质粘土和粘土两个亚类，划分标准见表1-12。 四、细粒土分类（２）塑性指数土的名称IP>17粘土10