课题: 第一章 土的物理性质及工程分类
一、 教学目的：1.了解土的生成和工程力学性质及其变化规律；
2.掌握土的物理性质指标的测定方法和指标间的相互转换；
3.熟悉土的抗渗性与工程分类。
二、教学重点： 土的组成、土的物理性质指标、物理状态指标。
三、教学难点： 指标间的相互转换及应用。
四、教学时数： 6 学时。
五、习题： 第一章 土的物理性质及工程分类
一、 土的生成与特性
1. 土的生成
工程领域土的概念：土是指覆盖在地表的没有胶结和弱胶结的颗粒堆积物，土与岩石的区分仅在于颗粒胶结的强弱，土和石没有明显区分。
土的生成:岩石在各种风化作用下形成的固体矿物、流体水、气体混合物。
不同风化形成不同性质的土，有下列三种：
（1）物理风化：只改变颗粒大小，不改变矿物成分。由物理风化生成土为粗粒土（如块碎石、砾石、砂土），为无粘性土。
（2）化学风化：矿物发生改变，生成新成分—次生矿物。由化学风化生成土为细粒土，具有粘结力（粘土和粘质粉土），为粘性土。
（3）生物风化：动植物与人类活动对岩体的破坏。矿物成分没有变化。
2. 土的结构和构造
（1） 土的结构
定义：土颗粒间的相互排列和联结形式称为土的结构。
1) 种类：
单粒结构：每一个颗粒在自重作用下单独下沉并达到稳态。
蜂窝结构：单个下沉，碰到已下沉的土颗粒，因土粒间分子引力大于重力不再下沉，形成大孔隙蜂窝状结构。
絮状结构：微粒极细的粘土颗粒在水中长期悬浮，相互碰撞吸引形成小链环状土集粒。小链之间相互吸引，形成大链环，称絮状结构。
图 土的结构
3）工程性质：
密实的单粒结构工程性质最好，蜂窝结构与絮状结构如被扰动破坏天然结构，则强度低、压缩性高，不可用做天然地基。 （2）土的构造
1）定义：同一土层中，土颗粒之间的相互关系。
2）种类：
层状结构：由不同颜色或不同粒径的土组成层理，一层一层互相平行。
分散构造：土粒分布均匀，性质相近，如砂与卵石层为分散构造。
结核状构造:在细粒土中混有粗颗粒或各种结核，属结核状构造。
裂隙状构造：土体中有很多不连续的小裂隙。
3）工程性质：分散结构的工程性质最好，结核状取决于细粒土，裂隙状渗透性大，工程性质差。
3. 土的工程特性
(1)压缩性高
当应力数值相同，材料厚度一样时，卵石的压缩性为刚才压缩性的数千倍；饱和细沙的压缩性为C20混凝土的数千倍，足以证明土的压缩性极高。软塑或流塑状态的粘性土比饱和细沙的压缩性还要高。
(2)强度低
土的强度特指抗剪强度，而非抗压强度或抗拉强度。
(3)透水性大
土体颗粒间具有许多透水空隙，因此透水性比木材、混凝土都大，尤其是粗颗粒的卵石或砂土，其透水性更大。
4. 土的生成与工程特性的关系
(1)搬运、沉积条件：冲积层优于风积层。
(2)沉积年代：沉积年代越长，工程性质越好。
(3)自然环境：特殊土地基。
二、 土的三相组成
土的三相组成是指土由固体矿物、水和气体三部分组成。
1. 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 由岩石经物理风化生成，它的成分与母岩的相同，常见的有石英，包括单矿物颗粒—一个颗粒为单一的矿物，如常见的石英、长石、云母、角闪石与灰石等，砂土即为单矿物颗粒；多矿物颗粒—一个颗粒中包含多种矿物，如巨粒土的漂石、卵石和粗粒土的砾石，往往为多矿物颗粒。
2）次生矿物
母岩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，由两种种原子层构成：一种是Si-O四面体构成的硅氧晶片，另一种是Al-OH八面体构成的铝氢氧晶片。因为这两种晶片结合的情况不同，粘土矿物可分为下列三种：
图 粘土矿物两种原子层
蒙脱石—两结构单元之间没有氢键，相互的联结弱，水分子可以进入量晶胞之间。因此，蒙脱石的亲水性最大，具有强烈的吸水膨胀、失水收缩的特性。
伊利石—又称水云母，部分Si-O四面体中的Si为Al、Fe所取代，损失的原子价由阳离子钾补偿。因此，晶格层组之间具有结合力，亲水性低于蒙脱石。
高岭石—晶胞之间有氢键，相互结合力较强，晶胞之间的距离不易改变，水分子不能进入。因此，高岭石的亲水性最小。
腐殖质：土中腐殖质含量多，使土的压缩性增大。有机质超过3%~5%的不宜作为建筑材料。
（2）土颗粒的大小和形状
通过界限粒径（划分粒组的分界尺寸）将土颗粒划分为6个粒组：粘粒（小于㎜）、粉粒（,）、砂粒（，2）、圆砾(角砾)（2，60）、卵石(碎石)/（60，200）、漂石(块石）（大于200mm）。通常粗粒土的压缩性低、强度高、渗透性大。表面粗糙抗剪强度越高。
（3）土的颗粒级配
粒径级配：土中各粒组的相对含量，占总质量的百分数。
1） 筛分法： 适用于砾石类和砂类土，d>，主要设备为一套标准分析筛，孔径分别为20，10，5，，，，，。
取样数量：d＜20mm，可取1000~2000g; d＜10mm，可取300~1000g; d＜2mm，可取100~300g;
震筛10~15min后称取各级筛底盘试样的质量。
2） 密度计法：
适用于粉土和粘性土，d＜，测定悬浊液读数。
粒径级配曲线上：纵坐标10%所对应的粒径称为有效粒径；纵坐标为60%所对应的粒径60d称为限定粒径；60d与10d的比值称为不均匀系数uC，即
6010udCd
不均匀系数uC为表示土颗粒组成的重要特征。当uC很小时曲线很陡，表示土均匀；当uC很大时曲线平缓，表示土的级配良好。
曲率系数cC为表示土颗粒组成的又一特征，cC按下式计算：
2301060cdCdd
式中30d为粒径级配曲线上纵坐标为30%所对应的粒径。
砾石和砂土级配uC≥5且 cC=1~3为级配良好；级配不同时满足这两个要求则为级配不良。
2. 土中水
（1）结合水
1）强结合水
排列致密、定向性强；密度>1g/cm3；冰点处于零下几十度具有固体的的特性；接近固体，不传递静水压力；温度高于100°C时可蒸发，粘土只含结合水时呈坚硬状态。
2）弱结合水：位于强结合水之外，电场引力作用范围之内；密度大；不传递静水压力（不应重力而移动）；有粘滞性。
自由水：离土粒较远，位于电场引力范围外，排列散乱。
重力水：位于地下水位以下，具有浮力作用，可从总水头较高处向较低处流动。
毛细水：位于地下水位以上，受毛细作用上升，粉土中空隙小，毛细水上升高。
（2）气态水：水汽，影响不大。
（3）固态水:0℃以下自由水发生冻胀。
3. 土中气体 土颗粒中没有被水填充的部分为气体。
（1） 自由气体：与大气连通，压缩逸出，对工程无影响。
（2）封闭气体：与大气隔绝，加载缩小，卸载膨胀，使土的渗透性降低。
三、 土的物理性质指标
1. 土的三项基本物理性质指标（此三项均由实验室测定）
（1）土的密度和土的重度
1）物理意义：为单位体积土的重量，3/gcm。
单位体积土所受的重力，即39,810,/gkNm。
2）表达式 =mV土的总质量土的总体积
3）常见值：331.6~2.2/,16~22/gcmkNcm。
4）测定方法：环刀法（粘性土和粉土），灌水法（卵石、砾石与原状砂）。
（2）土粒比重()ssGd
1）物理意义：土中固体矿物的质量与同体积4℃时的纯水质量的比值。
2）表达式： =4(4)(4)sssswwmVG固体颗粒的密度纯水℃时的密度℃℃ ）
3）常见值：砂土sG=~2,69，粉土sG=~,粘性土~，数值大小取决于矿物成分。
4） 测定方法：比重瓶法；经验法。
（3）土的含水率
1）物理意义:土体中水的质量与固体矿物质量的比值，用百分数表示。
2）表达式： =100%wsmm水的质量固体颗粒质量 （）
3）常见值：砂土0%~40%，粘性土20%~60%，0，粘性土呈坚硬状态。
4）测定方法：烘箱法。
2. 反映土的松密程度的指标
（1）土的孔隙比e
1）物理意义：土中孔隙体积与固体颗粒体积之比。
2）表达式： =VSVeV孔隙体积固体颗粒体积
3） 常见值：砂土0.5~1.0e，粘性土0.5~1.2e
4）确定方法：由S、G、实测值推算。 （2）土的孔隙度（孔隙率）n
1）物理意义：表示孔隙体积含量，土中空隙占总体积的百分比。
2）表达式： =100%VVnV孔隙体积土体总体积
3）常见值：30%~50%n
4）确定方法：由S、G、实测值推算。
3. 反映土中含水程度的指标
（1）含水率(前已述)
（2）土的饱和度rS
1）物理意义：水在空隙中的充满程度。
2）表达式： =WrVVSV水的体积孔隙体积
3）常见值：0~1rS
4）确定方法：由S、G、实测值推算。
5）工程应用：砂土和粉土以饱和度分为稍湿（＜）、很湿（~）、饱和（＞）三类。
4. 特定条件下土的密度（重度）
（1）土的干密度d和土的干重度d
1）物理意义：干密度为单位体积土的质量，3/gcm。
2）土的干重度为单位体积干土所受的重力，即39.810/ddddgkNm。
3）表达式 =sdmV固体颗粒质量土的总体积
4） 常见值：331.3~2.0/;13~20/ddgcmkNcm。
5）工程应用：干密度或干重度越大，表明土体越密实，表明工程质量越好。
6）测定方法：环刀法，放射性同位素测试仪。
（2）土的饱和密度sat和土的饱和重度sat
1）物理意义：孔隙中全部充满水时单位体积土的质量，3/gcm。
孔隙中全部充满水时单位体积土所受的重力，即39.810/satsatsatsatgkNm。
2）表达式 +m=swawsvwsatmVmVVV孔隙全部充满水的总质量土的总体积
3） 常见值：331.8~2.3/;18~23/satdgcmkNcm。