第2章 土的物理性质及分类
2.1 概 述
土是土粒（固体相），水（液体相）和空气（气体相）三者所组成的；土的物理性质就是研究三相的质量与体积间的相互比例关系以及固、液两相相互作用表现出来的性质。
土的物理性质指标，可分为两类：一类是必须通过试验测定的，如含水量，密度和土粒比重；另一类是可以根据试验测定的指标换算的；如孔隙比，孔隙率和饱和度等。
2.2 土的三相比例指标
反映着土的物理状态,如干湿软硬松密等。表示土的三相组成比例关系的指标,统称为土的三相比例指标。 一、土的三相图
【注意】土的三相图只是理想化地把土体中的三相分开，并不表示实际土体三相所占的比例。 二、指标的定义 1．三项基本物理性质指标
土的物理性质指标中有三个基本指标可直接通过土工试验测定,亦称直接测定指标。
① 土的密度ρ——土单位体积的质量（单位为3
/cm g 或3
/m t ）
V
m ＝ρ g ργ=
试验测定方法：环刀法
一般粘性土ρ=1.8～2.03/cm g ；砂土ρ=1.6～2.03/cm g ；腐殖土ρ=1.5～1.73
/cm g ； ② 土粒比重（土粒相对密度）s G ——土粒的质量与同体积4o C 纯水的质量之比。
1
11w s w s s s V m G ρρρ=?=
，无量纲。 s ρ——土粒密度（3/cm g ）
1w ρ——纯水在C 04时的密度（单位体积的重量），等于3/1cm g 或3
/1m t 。
试验测定方法：比重瓶法
实际上：土粒比重在数值上等于土粒密度，前者无因次。同一类土，其比重变化幅度很小，通常可按经验数值选用。见下表。
【课堂讨论】相对密度（比重）与天然密度（重度）的区别
注意：从公式可以看出，对于同一种土，在不同的状态（重度、含水量）下，其比重不变；
③ 土的含水量ω——土中水的质量与土粒质量之比，以百分数表示：
%100?=
s
m m ω
ω 一般：同一类土，当其含水量增大时，其强度就降低。 试验测定方法：烘干法（湿，干土质量之差与干土质量的比值） 【讨论】含水量能否超过100％？
——从公式可以看出，含水量可以超出100％。 2．特殊条件下土的密度
① 饱和密度和饱和重度
饱和密度sat ρ——（土孔隙中充满水时的单位体积质量）土体中孔隙完全被水充满时的
土的密度：V
V m v s sat ωρρ+=
。 （3
1/1cm g w w ==ρρ）
饱和重度：γ
sat =
sat ρg （kN/m 3）
。 ② 干密度和干重度
干密度——单位体积中土粒的质量：V
m s
d =
ρ，（kg/m 3，g/cm 3）。 干重度——单位体积中土粒的重量：d γ=ρd g ，（kN/m 3）。
在工程上常把干密度作为评定土体密实程度的指标，以控制填土工程的施工质量。
③ 有效重度（浮重度）——单位土体积中土粒的质量扣除同体积水的质量即为单位土体
积中土粒的有效质量，称为土的有效密度ρ'
V
V m w
s s ρρ-'＝
V
V g m s s ω
γγ-=
'，（kN/m 3）。
同样条件下，上述几种重度在数值上有如下关系：
sat γ＞γ＞d γ＞γ'
ωγγγ＋＝'sat
3．描述土的孔隙体积相对含量的指标
测出上述三个基本试验指标后，就可根据三相图，计算出三相组成各自的体积上和质量上的含量，并由此确定其它的物理性质指标，即导出指标。
① 孔隙比——土中孔隙体积与土粒体积之比，用小数表示：s
v
V V e =
孔隙比是评价土的密实程度的重要物理性质指标。
天然状态下土的孔隙比称为天然孔隙比，它是一个重要的物理性指标，可以用来评价天然土层的密度程度。一般e< 0.6的土是密实的低压缩性土，e>1.0的土是疏松的高压缩性土。 ② 孔隙率——土中孔隙体积与土的总体积之比，以百分数表示：V
V n v
=100％ 孔隙率亦可用来表示同一种土的松、密程度。
一般粘性土的孔隙率为30～60%，无粘性土为25～45%。
③ 饱和度——土中所含水分的体积与孔隙体积之比（以百分率计），饱和度可描述土体中
孔隙被水充满的程度：%100?=
v
r V V S ω
显然, 干土的饱和度S r =0, 当土被完全饱和状态时S r =100%。砂土根据饱和度可划分为下列三种湿润状态：S r ≤50% 稍湿，50%＜S r ≤80% 很湿，S r ＞80% 饱和。 【讨论】孔隙比、孔隙率、饱和度能否超过1或100％？
三、指标的换算
已知：ρ（γ），s d ，ω——→e ，n ，S r ，ρsat
（γsat ），ρd （γd ），γ'等的表达式。
推导间接指标的关键在于：熟悉各个指标的定义及其表达式，能熟练利用土的三相简图。
令w w ρρ=
1， 1=s V
则e V v =，e V +=1，w s w s s s G V G m ρρ==，w s s w wG wm m ρ==，w s G w m ρ)1(+=
推导：
e G w V m w
s ++=
1)1(ρρ＝
（a ） w e G V m w s s d +=
+==
11ρ
ρρ （b ） 由(b)式，1)1(1-+=
-=
ρ
ρρρw
s d
w
s G w G e
e
e G e e G V V m w
s w w s w v s s a t ++=
++=+=1)(1ρρρρρ e
G V
V V m V V V m V V m w
s
w
s a t w
w v s w v s w s s +-=-=-+=--=-=
'1)1( )(ρρρρρρρρ
e
e
V V n v +=
=
1 e
wG V wG V m V V S s
w v w s w v w v w r ====
ρρρ 注意：此时e 已是“已知”的指标。根据各间接指标的定义，利用三相简图可求得：
ωγγe e G s sat ++=
1 ωγγe
G s +-='11
ωρρs d G n －＝1
土的三相比例指标换算化式一并列于下表。 【本次课小结】 1．各指标的定义；
2．利用三相图进行指标间的相互换算。 【复习思考】
1．在土的三相比例指标中，哪些指标是直接测定的？用何方法？ 2．在三相比例指标中，哪些指标的数值可以大于1，哪些不行？ [例题]
1．某土样重180g ，饱和度r S =90%，土粒比重7.2=s G ，烘干后重135g ，试计算土样的天然重度和孔隙比。 解： 法一：r
s
S G e ω=
135
135
180-==
s w m m ω e
r G g V m g r w s ++=
=1)1(ωρ＝
3
/0.10m kN r w = 法二：g V V V m m g V m g r a
v s w s +++==
=ρ 2/10s m g = 135180-=w m g m s 135=
1w s s s
s
s G m m V ρρ?=
=
w w w m V ρ= r
w v S V
V =
s
w V V e =
2.3 粘性土的物理特征
一、粘性土的可塑性及界限含水量
粘性土由于含水量的不同，分为固态、半固态、可塑状态和流动状态，这即是粘性土的稠度状态。
界限含水量——粘性土由一种状态转到另一种状态的分界含水量，也即各稠度状态间的临界含水量，以百分数表示。
可塑性——当粘性土在某含水量范围内，用外力塑成任何形状而不发生裂纹，并当处力移去后仍能保持形状的性能。
固体状态——半固体状态——可塑状态——流动状态
液限——土由可塑状态到流动状态的界限含水量称为，用l ω表示，我国采用锥式液限仪来
测定。其工作过程是：将粘性土调成均匀的浓糊状，装满盛土杯，刮平杯口表面，将76克重圆锥体轻放在试样表面的中心，使其在自重作用下徐徐沉入试样，若圆锥体经5秒种恰好沉入10mm 深度，这时杯内土样的含水量就是液限l ω值。为了避免放锥时的人为晃动影响，可采用电磁放锥的方法。
塑限——土由半固态到可塑状态的界限含水量，用p ω表示，用"搓条法"测定。即用双手将天然湿度的土样搓成小圆球（球径小于10mm ），放在毛玻璃板上再用手掌慢慢搓滚成小土条，用力均匀，搓到土条直径为3mm ，出现裂纹，自然断开，这时土条的含水量就是塑限p ω值。 缩限——土由半固体状态不断蒸发水分到体积不再缩小时土的界限含水量，用s ω表示。
注意：塑限、液限、缩限是一个含水量 二、粘性土的可塑性指标
粘性土可塑性指标除了塑限、液限、缩限外，还有塑性指数和液性指数等指标。
① 塑性指数——指液限和塑限的差值（省去%号），即土处在可塑状态的含水量变化范围，用p I 表示。
I p =l ω－p ω 注意：计算时含水量要去百分号
结论：塑性指数表示土处在可塑状态的含水量变化范围, 显然，塑性指数愈大，土处于可塑状态的含水量范围也愈大。塑性指数的大小与土中结合水的可能含量有关，土中结合水的含量与土的颗粒组成、矿物组成以及土中水的离子成分和浓度等因素有关。其值的大小取决于土颗粒吸
附结合水的能力,亦即与土中粘粒含量有关。粘粒含量越多,土的比表面积越大,塑性指数就越高。 应用：根据其值大小对粘性土进行分类。 ② 液性指数——粘性土的天然含水量和塑限的差
值与塑性指数之比。用L I 表示。L I 值愈大，土质愈软；反之，土质愈硬。
P
L p P
p
L I I ωωωωωω－－＝
－＝
)(p ωω 0 10≤≤L I 可塑状态 )(L ωω 1>L I 流动状态 用途：根据其值大小判定土的软硬状态 注：粘性土界限含水量指标p ω、l ω都是采用重塑土测定的，它是天然结构完全破坏的重塑土的物理状态界限含水量。因此，保持天然结构的原状土，在其含水量达到液限以后，并不处于流动状态。 三、粘性土的结构性和触变性 1．结构性 结构性——指天然土的结构受到扰动影响而改变的特性。一般用灵敏度衡量。当土受到扰动时，土的平衡体系破坏，土的强度降低和压缩性增大。 灵敏度——以原状土的强度与该土经重塑（土的结构性彻底破坏）后的强度之比来表示。重塑试样与原状试样具有相同的尺寸、密度和含水量。 对于饱和粘性土的灵敏度t S 可按下式计算： u u t q q S '= u q ——原状试样的无侧限抗压强度，kPa; u q '——重塑试样的无侧限抗压强度，kPa 。 根据灵敏度将饱和粘性土分为： 21≤ 土的灵敏度越高，其结构性越强，受扰动后土的强度降低越多。 2．触变性 触变性——粘性土的结构受到扰动，导致强度降低，但当扰动停止后，土的强度又随时间而逐渐增大，粘性土的这种抗剪强度随时间恢复的胶体化学性质称为土的触变性。 四、粘性土的胀缩性、湿陷性和冻胀性 1．粘性土的胀缩性 粘性土由于含水量的增加而发生体积增大的性能称膨胀性；由于土中水分蒸发而引起体积减少的性能称收缩性；两者统称胀缩性。 粘性土的膨胀性和收缩性对基坑、边坡、坑道及地基土的稳定性有着很重要的意义。 （1）膨胀性(expansibility) 粘性土的膨胀性常用下列指标表示： ① 自由膨胀率 ef δ：原状土样膨胀后体积的增量与原体积之比，以百分率表示。 %1000 0?-=?= V V V V V w ef δ 0V ——试样初始体积，取量土杯的容积为10ml ； w V ——膨胀稳定后测得50 mL 容积的量筒内试样体积，ml 。 ② 常用线膨胀率：%1000 ?-=h h h ef δ 式中：0h ——土样原来的高度，cm h ——土样膨胀稳定后的高度，cm 膨胀系数——若ef δ直接以小数表示时，称膨胀系数。 ef δ较小的膨胀土，膨胀潜势较弱，建筑物损坏轻微；ef δ高的土，具有强的膨胀潜势，则 较多建筑物将遭到严重破坏。 （2）收缩性(shrinkage) 粘性土的收缩性是由于水分蒸发引起的。 当土中含水率小于收缩限Ws 时，土体积收缩极小；随着含水率的增加，土体积增大，当含水率大于液限时，土体坍塌。 表征粘性土的收缩性指标有： ① 体缩率e s ：试样收缩减小的体积与收缩前体积的比值。以百分率表之。 %1000 0?-= V V V e s 式中：V 0——收缩前的体积，cm 3 V ——收缩后的体积，cm 3 ② 线缩率e sl ：试样收缩后的高度减小量与原高度之比，以百分率表之。 %1000 0?-= l l l e sl 式中：0l ——试样原始高度，cm l ——试样经收缩后的高度，cm 2．土的湿陷性 土的湿陷性——指土在自重压力作用下或自重压力和附加压力综合作用下，受水浸湿后，使 土的结构迅速破坏而发生显著的附加下陷特征，以湿陷系数s δ值衡量，s δ由室内压缩试验测定。 h h h p p s '-= δ p h ——压缩仪中原状试样加压压缩稳定后的试样高度 p h '——压缩仪中原状试样加压压缩稳定后，再加水浸湿下沉稳定后的高度； 0h ——土样的原始高度。 对黄土：015.0 土的冻胀性——指土的冻胀和冻融给建筑物或土工建筑物带来危害的变形特性。 危害：使路基隆起，使柔性路面鼓包、开裂、倾斜、甚至倒塌；解冻后土层软化，强度降低。 2.4 无粘性土的密实度 无粘性土一般是指砂（类）土和碎石（类）土；一般粘粒含量少，不具可塑性，呈单粒结构。砂土密实度划分方法： 1．按天然孔隙比划分 要求：采取原状砂土样 不足：采样困难，且难以有效判定密实度的相对高低。 ２．相对密（实）度 min max max e e e e D r --= m ax e ——砂土在最松散状态时的孔隙比，即最大孔隙比； m in e ——砂土在最密实状态时的孔隙比，即最小孔隙比； e ——砂土在天然状态时的孔隙比。 当 0=r D ，表示砂土处于最松散状态； 1=r D ，表示砂土处于最密实状态。 根据三相比例指标间换算，e 、m ax e 和m in e 分别对应有d ρ、min d ρ和max d ρ，则 ) () (min max min max d d d d d d r D ρρρρρρ--= 优点：理论完善，能合理判定砂土的密实度状态。 不足：测定m ax e （或min d ρ）和m in e （或max d ρ）的试验方法存在问题，对同一种砂土的试验结 果离散性大。 ３．标准贯入试验 砂土根据标准贯入试验的锤击数N 分为松散、稍密、中密及密实四种密实度； ４．按重型动力触探击数划分（碎石土） 按重型（圆锥）动力触探试验锤击数5.63N 划分如下： 本表适用于卵石、碎石、圆砾、角砾。 ５．野外鉴别（碎石） 对于大颗粒含量较多的碎石土，一般对于漂石、块石以及粒径大于200mm 的颗粒含量较多的碎石类土，密实度很难做室内试验或原位触探试验，一般采用野外鉴别方法来划分为：密实、中密、稍密、松散。如Ｐ26表。 2.7 土的分类 一、土的分类原则 土的分类体系就是根据土的工程性质差异将土划分成一定的类别。 两大类土的工程分类体系： 1．建筑工程系统的分类体系：侧重于把土作为建筑地基和环境，以原状土为基本对象。注重土 的天然结构性。 2．工程材料和系统的分类体系：侧重于把土作为建筑材料，用于路堤、土坝和填土地基等工程。 以扰动土为基本对象，注重土的组成，不考虑土的天然结构性。 二、土的分类标准 国标《土的分类标准》（GBJ145-90）的分类体系： 1．巨粒土和粗粒土的分类标准 （1）几个概念 巨粒： 粒径mm d 60>的土粒； 巨粒土： %100%75≤≤巨粒含量 含巨粒的土： 混合巨粒土：%75%50<<巨粒含量 巨粒混合土：%50%15≤<巨粒含量 粗粒土： 砾类土：%50)602(>≤ 2．细粒土的分类标准 细粒土——试样中粗粒组（mm d mm 60075.0≤<）含量少于25%的土。 含粗粒的细粒土——试样中粗粒含量为25%～50%的土。 当采用我国锥式液限仪测定液限时，利用塑性图（或下表）进行分类： 塑性图（采用锥式液限仪） 塑性图（采用碟式液限仪） 两条经验界限： 斜线为A 线，作用是区分有机土和无机土、粘土和粉土，A 线上侧是粘土，下侧是粉土， 竖线为B线，作用是区分高塑性土（高液限土）和低塑性土（低液限土）。 在A线以上的土为粘土： 液限大于40的土称为高塑性粘土CH，液限小于40的为低塑性粘土CL； 在A线以下的土为粉土： 液限大于40的土称为高塑性粉土MH，液限小于40的为低塑性粘土ML； 若土样处于A线以上，而塑性指数在7～10之间，则土的分类应给以相应的搭界分类CL—ML。 含粗粒的细粒土分类：按塑性图并根据所含粗粒类型进分分类 （1）当粗粒中砾粒占优势，称为含砾细粒土，在细粒土代号后缀加G，例 含砾低液限粘土，代号CLG； （2）当粗粒中砂粒占优势，称为含砂细粒土，在细粒土代号后缀加S，例 含砂高液限粘土，代号CHS； 若细粒土内含部分有机质，则土名交加“有机质”，对有机质细粒土的代号后缀代号为O，例，低液限有机质粉土，代号MLO。 三、建筑地基土的工程分类 1．按沉积年代和地质成因划分 Q及其以前沉积的土，一般呈地基土按沉积年代可划分为：①老沉积土：第四纪晚更新世 3 超固结状态。②新近沉积土：第四纪全新世近期沉积的土，一般呈欠固结状态。 根据地质成因可分为：残积土、坡积土、洪积土、冲积土、湖积土、海积土、淤积土、风积土和冰积土等。 2．按颗粒级配（粒度成分）和塑性指标划分 土按颗粒级配和塑性指标分为：碎石类土、砂土、粉土和粘性土。 地基土的分类是根据不同的原则将其划分为一定的类别，同一类别的土在工程地质性质上应比较接近。土的合理分类具有很大的实际意义，例如根据分类名称可以大致判断土的工程特性、评价土作为建筑材料的适宜性及结合其他指标来确定地基的承载力等。 作为建筑场地和地基的土的分类一般可按下列原则进行： 1）根据地质成因可分为残积土、坡积土、洪积土、冲积土、风积土等。 2）根据颗粒级配或塑性指数可分为碎石土、砂土、粉土和粘性土。 3）根据土的工程特性的特殊性质可分为一般土和特殊土。 （1）无粘性土 无粘性土一般指碎石土和砂土。 碎石土——粒径大于2mm 的颗粒含量超过全重的50%的土。 碎石土根据粒组含量及形状按下表分类。 砂土——粒径大于2mm 的颗粒含量不超过全 重50%、且粒径大于0.075mm 的颗粒超过全重50%的土。 砂土按粒组含量（颗粒级配）分类如下表。 （2）粉土：介于无粘性土与粘性土之间，是指粒径大于0.075mm 的颗粒含量不超过全重50%，塑性指数10≤p I 的土。 可根据颗粒级配分为粘质粉土和砂质粉土： 粉土的颗粒级配中0.05—0.1mm 和0.005—0.05mm 的粒组占绝大多数，而水与土粒之间的作用是明显不同于粘性土和砂土，这主要表现"粉粒"的特性。其工程性质介于粘性土和砂土之间。若用含水量接近饱和的粉土，团成小球，放在掌上左右反复摇幌，并以另一手震击，则土中水迅速渗出，并呈现光泽，这是野外鉴别时常用方法之一。 （3）粘性土 粘性土是——指塑性指数10>p I 的土。粘性土???≤17 1710 P P I I 粘土：粉质粘土： （4）特殊土 特殊土——具有一定分布区域或工程意义，具有特殊成分状态和结构特征的土。有湿陷性土、红粘土、软土（包括淤泥、淤泥质土、泥炭质土、泥炭等）、混合土、填土、冻土、膨胀岩土、盐渍岩土、风化岩和残积土、污染土等。 兰州交通大学博文学院教案 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1.1 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。 流体的物理性质 流体流动与输送过程中，流体的状态与规律都与流体的物理性质有关。因此，首先要了解流体的常见物理和化学性质，包括密度、压力、黏度、挥发性、燃烧爆炸极限、闪点、最小引燃能量、燃烧热等。 一、密度与相对密度 密度是用夹比较相同体积不同物质的质量的一个非常重要的物理量，对化工生产的操作、控制、计算等，特别是对质量与体积的换算，具有十分重要的意义。 流体的密度是指单位体积的流体所具有的质量，用符号ρ表示，在国际单位制中，其单位是ke／m3。 式中m——流体的质量，kg； y——流体的体积，m3。 任何流体的密度都与温度和压力有关，但压力的变化对液体密度的影响很小(压力极高时除外)，故称液体是不可压缩的流体。工程上，常忽略压力对液体的影响，认为液体的密度只是温度的函数。例如，纯水在277K时的密度为1000kg／m3，在293K时的密度为998．2kg ／m3，在373时的密度为958．4kg／ms。因此，在检索和使用密度时，需要知道液体的温度。对大多数液体而言，温度升高，其密度下降。 液体纯净物的密度通常可以从《物理化学手册》或《化学工程手册》等查取。液体?昆合物的密度通常由实验测定，例如比重瓶法、韦氏天平法及波美度比重计法等。其中，前两者用于精确测量，多用于实验室中，后者用于快速测量，在工业上广泛使用。 在工程计算中，当混合前后的体积变化不大时，液体混合物的密度也可由下式计算，即： 式中ρ—液体混合物的密度，kg／ms； ρ1、ρ2、ρi、ρn——构成混合物的各纯组分的密度，ks／m3； w1、w2、wi、wn——混合物中各组分的质量分数。 气体具有明显的可压缩性及热膨胀性，当温度、压力发生变化时，其密度将发生较大的变化。常见气体的密度也可从《物理化学手册》或《化学工程手册》中查取。在工程计算中，如查压力不太高、温度不太低，均可把气体(或气体混合物)视作理想气体，并由理想气体状态方程计算其密度。 由理想气体状态方程式 式中ρ—气体在温度丁、压力ρ的条件下的密度，kg／m3； V——气体的体积，ITl3； 户——气体的压力，kPa； T一—气体的温度，K； m--气体的质量，kg； 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1.1 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。 第一章土的物理性质及工程分类 一、思考题 1、土是由哪几部分组成的？ 2、建筑地基土分哪几类？各类土的工程性质如何？ 3、土的颗粒级配是通过土的颗粒分析试验测定的，常用的方法有哪些？如何判断土的级配情况？ 4、土的试验指标有几个？它们是如何测定的？其他指标如何换算？ 5、粘性土的含水率对土的工程性质影响很大，为什么？如何确定粘性土的状态？ 6、无粘性土的密实度对其工程性质有重要影响，反映无粘性土密实度的指标有哪些？ 二、选择题 1、土的三项基本物理性质指标是（） A、孔隙比、天然含水率和饱和度 B、孔隙比、相对密度和密度 C、天然重度、天然含水率和相对密度 D、相对密度、饱和度和密度 2、砂土和碎石土的主要结构形式是（） A、单粒结构 B、蜂窝结构 C、絮状结构 D、层状结构 3、对粘性土性质影响最大的是土中的( ) A、强结合水 B、弱结合水 C、自由水 D、毛细水 4、无粘性土的相对密实度愈小，土愈（） A、密实 B、松散 C、居中 D、难确定 5、土的不均匀系数C u 越大，表示土的级配（） A、土粒大小不均匀，级配不良 B、土粒大小均匀，级配良好 C、土粒大小不均匀，级配良好 6、若某砂土的天然孔隙比与其能达到的最大孔隙比相等，则该土（） A、处于最疏松状态 B、处于中等密实状态 C、处于最密实状态 D、无法确定其状态 7、无粘性土的分类是按（） A、颗粒级配 B、矿物成分 C、液性指数 D、塑性指数 8、下列哪个物理性质指标可直接通过土工试验测定（） A、孔隙比 e B、孔隙率 n C、饱和度S r D、土粒比重 d s 9、在击实试验中，下面说法正确的是（） A、土的干密度随着含水率的增加而增加 B、土的干密度随着含水率的增加而减少 C、土的干密度在某一含水率下达到最大值，其它含水率对应干密度都较小 10、土粒级配曲线越平缓，说明（） 土的物理性质与工程分类习题解答全 二 土的物理性质与工程分类 一、填空题 1. 土是由固体颗粒、_________和_______组成的三相体。 2. 土颗粒粒径之间大小悬殊越大，颗粒级配曲线越_______，不均匀系数越______，颗粒级配越______。为了获得较大的密实度，应选择级配________的土料作为填方或砂垫层的土料。 3. 塑性指标P I =________，它表明粘性土处于_______状态时的含水量变化范围。 4. 根据___________可将粘性土划分为_________、_________、 _________、________、和___________五种不同的软硬状态。 5. 反映无粘性土工程性质的主要指标是土的________，工程上常用指标 ________结合指标________来衡量。 6. 在土的三相指标中，可以通过试验直接测定的指标有_________、_________和________，分别可用_________法、_________法和________法测定。 7. 土的物理状态，对于无粘性土，一般指其________；而对于粘性土，则是指它的_________。 8. 土的结构是指由土粒单元的大小、形状、相互排列及其连接关系等因素形成的综合特征，一般分为_________、__________和__________三种基本类型。 9. 土的灵敏度越高，结构性越强，其受扰动后土的强度降低就越________。 10. 工程上常用不均匀系数u C 表示土的颗粒级配，一般认为，u C ______的土属级配不良，u C ______的土属级配良好。有时还需要参考__________值。 11. 土的含水量为土中_______的质量与_________的质量之比。 12. 某砂层天然饱和重度sat γ20=KN/m 3，土粒比重的68.2=s d ，并测得该砂土的最大干密度33max 1.7110kg /m d ρ=?，最小干密度33min 1.5410kg /m d ρ=?，则 天然孔隙比e 为______，最大孔隙比m ax e 为______，最小孔隙比m in e 为______。 13. 岩石按风化程度划分为__________，__________，________；按其成因可分为 第一章土的物理性质及工程分类 ?选择题 1、土颗粒的大小及其级配，通常是用粒径级配曲线来表示的。级配曲线越陡表示。 （A）土粒大小较均匀，级配不好 （B）土粒大小不均匀，级配不良 （C）土粒大小不均匀，级配良好 2、土的九个三相比例指标中为实测指标。 （A）含水量、孔隙比、饱和度（B）密度、含水量、孔隙比 （C）土粒比重、含水量、密度 3、计算自重应力时，对地下水位以下的土层一般采用。 （A）天然重度（B）饱和重度（C）有效重度 4、矩形基础，短边b=2m，长边l=4m ，在长边方向作用一偏心荷载F+G=1000kN 。试问当pmin=0时，最大压应力为。 （A）120 kN/m2 （B）150 kN/m2 （C）200 kN/m2 5、地下水位突然从基础底面处上升1m时，土中的应力有何变化？ (A) 没有影响(B) 应力减小(C) 应力增加 6、土的强度是特指土的。 （A）抗剪强度（B）抗压强度（C）抗拉强度 7、某土的抗剪强度指标为c、?，该土受剪时将首先沿与小主应力作用面成的面被剪破。 （A）450（B）450 +?/2 （C）450－?/2 （D）450 +? ?问答题： 1、塑性指数的定义和物理意义是什么？Ip大小与土颗粒粗细有何关系？ 2、土的压实性与哪些因素有关？何谓土的最大干密度和最优含水率？ 3、土的抗剪强度是怎么产生的？简述土的密度和含水量对土的内摩擦角有何影 响？ 4、简述极限平衡状态的概念，并说明什么是土的极限平衡条件？ 计算题： 1.一个饱和原状土样，体积为140cm3，质量为238g，土粒比重为 2.70， 求解土样的孔隙比、含水率和干密度。 2.某饱和土的天然重度为18.44kN/m3，天然含水量为36.5%，液限34%， 塑限16%。确定该土的名称。 3、某基础底面尺寸为20m×10m，其上作用有24000kN竖向荷载，计算：（1） 若为轴心荷载，求基底压力；（2）若合力偏心距ey＝0，ex=0.5m，求基底压力；（3）若偏心距ex≥1.8m 时，基底压力又为多少。 4、某方形基础受中心垂直荷载作用，b=1.5m，d=2.0m，地基为坚硬粘土， γ=18.2kN/m3，c=30kPa,φ=22°，试分别按p1/4，太沙基公式确定地基的承载力(安全系数取3)。 第一章土的物理性质及分类 1—1 概述 土的定义： 土是连续，坚固的岩石在风化作用下形成的大小悬殊的颗粒，经过不同的搬运方式，在各种自然环境中生成的沉积物。 土的三相组成： 土的物质成分包括有作为土骨架的固态矿物颗粒、孔隙中的水及其溶解物质以及气体。因此，土是由颗粒(固相)、水(液相)和气(气相)所组成的三相体系。 第二节土的生成 一、地质作用的概念 地质作用--导致地壳成分变化和构造变化的作用。 根据地质作用的能量来源的不同，可分为内力地质作用和外力地质作用 内力地质作用: 由于地球自转产生的旋转能和放射性元素蜕变产生的热能等，引起地壳物质成分、内部构造以及地表形态发生变化的地质作用。如岩浆作用、地壳运动(构造运动)和变质作用。 外力地质作用： 由于太阳辐射能和地球重力位能所引起的地质作用。它包括气温变化、雨雪、山洪、河流、湖泊、海洋、冰川、风、生物等的作用。 风化作用--外力(包括大气、水、生物)对原岩发生机械破碎和化学变化的作用。 沉积岩和土的生成--原岩风化产物（碎屑物质），在雨雪水流、山洪急流、河流、湖浪、海浪、冰川或风等 外力作用下，被剥蚀，搬运到大陆低洼处或海洋底部沉积下来，在漫长的地质年代里，沉积的物质逐渐加厚，在覆盖压力和含有碳酸钙、二氧化硅、氧化铁等胶结物的作用下，使起初沉积的松软碎屑物质逐渐压密、脱水、胶结、硬化生成新的岩石，称为沉积岩。未经成岩作用所生成的所谓沉积物，也就是通常所说的“土”。 风化、剥蚀、搬运及沉积--外力地质作用过程中的风化、剥蚀、搬运及沉积，是彼此密切联系的。 二、矿物与岩石的概念 岩石--一种或多种矿物的集合体。 矿物--地壳中天然生成的自然元素或化合物，它具有一定的物理性质、化学成份和形态． (一) 造岩矿物 组成岩石的矿物称为造岩矿物。 矿物按生成条件可分为原生矿物和次生矿物两大类。 区分矿物可以矿物的形状、颜色、光泽、硬度、解理、比重等特征为依据。 （二）岩石 岩石的主要特征包括矿物成分、结构和构造三方面。 岩石的结构—岩石中矿物颗粒的结晶程度、大小和形状、及其彼此之间的组合方式。 岩石的构造--岩石中矿物的排列方式及填充方式。 岩浆岩、沉积岩、变质岩是按成因划分的三大岩类 三地质年代的概念 地质年代--地壳发展历史与地壳运动，沉积环境及生物演化相对应的时代段落。 相对地质年代--根据古生物的演化和岩层形成的顺序，所划分的地质年代。 四第四纪沉积物(层) 不同成因类型的第四纪沉积物，各具有一定的分布规律和工程地质特征，以下分别介绍其中主要的几种成因类型。 (一)残积物、坡积物和洪积物 1．残积物 残积物是残留在原地未被搬运的那 一部分原岩风化剥蚀后的产物，而 另一部分则被风和降水所带走。 2．坡积物 坡积物是雨雪水流的地质作用将高处岩石风化产物缓慢地洗刷剥蚀、顺着斜坡向下逐渐移动、沉积在较平缓的山坡上而形成的沉积物。 3．洪积物(Q”) · 由暴雨或大量融雪骤然集聚而成的暂时性山洪急流，具有很大的剥蚀和搬运能力。 编号：SY-AQ-08047 ( 安全管理) 单位：_____________________ 审批：_____________________ 日期：_____________________ WORD文档/ A4打印/ 可编辑 流体的物理性质 Physical properties of fluids 流体的物理性质 导语：进行安全管理的目的是预防、消灭事故，防止或消除事故伤害，保护劳动者的安全与健康。在安全管 理的四项主要内容中，虽然都是为了达到安全管理的目的，但是对生产因素状态的控制，与安全管理目的关 系更直接，显得更为突出。 流体流动与输送过程中，流体的状态与规律都与流体的物理性质有关。因此，首先要了解流体的常见物理和化学性质，包括密度、压力、黏度、挥发性、燃烧爆炸极限、闪点、最小引燃能量、燃烧热等。 一、密度与相对密度 密度是用夹比较相同体积不同物质的质量的一个非常重要的物理量，对化工生产的操作、控制、计算等，特别是对质量与体积的换算，具有十分重要的意义。 流体的密度是指单位体积的流体所具有的质量，用符号ρ表示，在国际单位制中，其单位是ke／m3。 式中m——流体的质量，kg； y——流体的体积，m3。 任何流体的密度都与温度和压力有关，但压力的变化对液体密 度的影响很小(压力极高时除外)，故称液体是不可压缩的流体。工程上，常忽略压力对液体的影响，认为液体的密度只是温度的函数。例如，纯水在277K时的密度为1000kg／m3，在293K时的密度为998．2kg／m3，在373时的密度为958．4kg／ms。因此，在检索和使用密度时，需要知道液体的温度。对大多数液体而言，温度升高，其密度下降。 液体纯净物的密度通常可以从《物理化学手册》或《化学工程手册》等查取。液体?昆合物的密度通常由实验测定，例如比重瓶法、韦氏天平法及波美度比重计法等。其中，前两者用于精确测量，多用于实验室中，后者用于快速测量，在工业上广泛使用。 在工程计算中，当混合前后的体积变化不大时，液体混合物的密度也可由下式计算，即： 式中ρ—液体混合物的密度，kg／ms； ρ1、ρ2、ρi、ρn——构成混合物的各纯组分的密度，ks／m3； w1、w2、wi、wn——混合物中各组分的质量分数。 气体具有明显的可压缩性及热膨胀性，当温度、压力发生变化 第一章土的物理性质及工程分类 第一节土的组成与结构 一、土的组成 天然状态下的土的组成（一般分为三相） ⑴固相：土颗粒--构成土的骨架,决定土的性质--大小、形状、成分、组成、排列 ⑵液相：水和溶解于水中物质 ⑶气相：空气及其他气体 （1）干土=固体+气体（二相） （2）湿土=固体+液体+气体（三相） （3）饱和土=固体+液体（二相） 二、土的固相——矿物颗粒 土粒粒径大小及矿物成分不同，对土的物理力学性质有着较大影响。如当土粒粒径由粗变细时，土的性质可从无粘性变化到有粘性。 （一）土的粒组划分 工程上将物理力学性质较为接近的土粒划分为一个粒组，粒组与粒组之间的分界尺寸称为界限粒径。土颗粒根据粒组范围划分不同的粒组名称： 六大粒组：块石（漂石）、碎石（卵石）、角粒（圆粒）、砂粒、粉粒、粘粒 界限粒径分别是：200mm、20mm、2mm、0.075mm、0.005mm,见下表。 表1-1 粒组划分标准（GB 50021—94） （二）土的颗粒级配 自然界的土通常由大小不同的土粒组成，土中各个粒组重量（或质量）的相对含量百分比称为颗粒级配，土的颗粒级配曲线可通过土的颗粒分析试验测定。 1.颗粒大小分析试验 方法（1）筛分法：适用60—0.075mm的粗粒土 （2）密度计法：适用小于0.075mm的细粒土 2.颗粒级配曲线——半对数坐标系 3.级配良好与否的判别 1)定性判别（1）坡度渐变——大小连续——连续级配 （级配曲线）（2）水平段（台阶）——缺乏某些粒径——不连续级配 （1）曲线形状平缓——粒径变化范围大——不均匀——良好 （2） 曲线形状较陡——变化范围小——均匀——不良 2) 定量判别：不均匀系数 10 60 d d C u = 103060d d d 分别表示级配曲线上纵坐标为60% 30% 10%时对应粒径 不均匀系数越大，土粒越不均匀，工程上把5u C 大于的土看作是不均匀的，级配良好。 （三）土的矿物成分和土中的有机质 土中矿物成分可分为原生矿物和次生矿物两大类。 1.原生矿物——岩石经物理风化作用而成的颗粒（化学成分无变化），成分与母岩相同。原生矿物性质稳定。块石、碎石、角粒矿物成分与原生矿物相同，砂粒是原生矿物的单矿物颗粒，如：石英、长石——砾石、砂的主要矿物成分——性质稳定、强度高 云母——薄片状——强度低、压缩性大、易变形 粉粒的矿物成分是多样的主要有原生矿物的石英，次生矿物的难溶盐类 2.次生矿物——原生矿物经化学风化作用而成的新矿物（化学成分变化）。如三氧化二铝、三氧化二铁、次生二氧化硅及各种粘土矿物。粘粒几乎都是次生矿物的粘土矿物、氧化物、难溶盐及腐植质。 粘土矿物——亲水性、粘聚性、可塑性、膨胀性、收缩性。粘土矿物分为： ①高岭石（土）：遇水后膨胀性与可塑性较小，颗粒相对较大——亲水性较弱，晶体结构较稳定。 ②伊利石（土）：性质介于高岭土与蒙脱土之间，接近蒙脱土。 ③蒙脱石（土）：遇水后膨胀性与可塑性极大，透水性小，多个晶体层——结构不稳定、颗粒最小、亲水性。 水溶盐①难溶：CaCO 3 ②中溶：石膏 CaSO 4.2H 2O ③易溶：NaCl kCl CaCl 2 K Na 的 SO 42- CO 32- 3.土中的有机质——亲水性强，压缩性大，强度低 三、土中水 土中水分为结合水和自由水两大类。 1.结合水：是吸附在土粒表面的结合水膜。土粒表面带负电荷，吸附电场范围内的水分子及水分子中的阳离子，越靠近土粒表面吸附作用越强，结合水从内向外可分为固定层和扩散层。 强结合水：处于固定层中，性质接近于固体，不能传递水压，具有极大的粘滞性、弹 第2章 土的物理性质及分类 2.1 概 述 土是土粒（固体相），水（液体相）和空气（气体相）三者所组成的；土的物理性质就是研究三相的质量与体积间的相互比例关系以及固、液两相相互作用表现出来的性质。 土的物理性质指标，可分为两类：一类是必须通过试验测定的，如含水量，密度和土粒比重；另一类是可以根据试验测定的指标换算的；如孔隙比，孔隙率和饱和度等。 2.2 土的三相比例指标 反映着土的物理状态,如干湿软硬松密等。表示土的三相组成比例关系的指标,统称为土的三相比例指标。 一、土的三相图 【注意】土的三相图只是理想化地把土体中的三相分开，并不表示实际土体三相所占的比例。 二、指标的定义 1．三项基本物理性质指标 土的物理性质指标中有三个基本指标可直接通过土工试验测定,亦称直接测定指标。 ① 土的密度ρ——土单位体积的质量（单位为3 /cm g 或3 /m t ） V m ＝ρ g ργ= 试验测定方法：环刀法 一般粘性土ρ=1.8～2.03/cm g ；砂土ρ=1.6～2.03/cm g ；腐殖土ρ=1.5～1.73 /cm g ； ② 土粒比重（土粒相对密度）s G ——土粒的质量与同体积4o C 纯水的质量之比。 1 11w s w s s s V m G ρρρ=?= ，无量纲。 s ρ——土粒密度（3/cm g ） 1w ρ——纯水在C 04时的密度（单位体积的重量），等于3/1cm g 或3 /1m t 。 试验测定方法：比重瓶法 实际上：土粒比重在数值上等于土粒密度，前者无因次。同一类土，其比重变化幅度很小，通常可按经验数值选用。见下表。 【课堂讨论】相对密度（比重）与天然密度（重度）的区别 注意：从公式可以看出，对于同一种土，在不同的状态（重度、含水量）下，其比重不变； ③ 土的含水量ω——土中水的质量与土粒质量之比，以百分数表示： %100?= s m m ω ω 一般：同一类土，当其含水量增大时，其强度就降低。 试验测定方法：烘干法（湿，干土质量之差与干土质量的比值） 【讨论】含水量能否超过100％？ ——从公式可以看出，含水量可以超出100％。 2．特殊条件下土的密度 ① 饱和密度和饱和重度 饱和密度sat ρ——（土孔隙中充满水时的单位体积质量）土体中孔隙完全被水充满时的 土的密度：V V m v s sat ωρρ+= 。 （3 1/1cm g w w ==ρρ） 饱和重度：γ sat = sat ρg （kN/m 3） 。 ② 干密度和干重度 干密度——单位体积中土粒的质量：V m s d = ρ，（kg/m 3，g/cm 3）。 干重度——单位体积中土粒的重量：d γ=ρd g ，（kN/m 3）。 土的物理性质及地基土的工程分类 第二章 土的物理性质及地基土的工程分类 1. 土力学的研究对象：土 土——土是连续、坚固的岩石在风化作用下形成的大小悬殊的颗粒，经过不 同的搬运方式，在各种自然环境中生成的沉积物。 §2-1 土的组成 一、土的组成?? ? ??孔隙中的水液气体 气冰土颗粒 固::: 土中颗粒的大小、成分及三相之间的比例关系反映出土的不同性质，如干湿、轻重、松紧、软硬等。这就是土的物理性质。 二、土的固体颗粒 （一）土的颗粒级配 1．土颗粒的大小直接决定土的性质 2．粒径——颗粒直径大小 3．粒组——为了研究方便，将粒径大小接近、矿物成分和性质相似的土粒 归并为若干组别即称为粒组。 粒组的划分： 漂石 4．颗粒级配——土粒的大小及组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量 来表示，称为土的颗粒级配。 颗粒级配的测室方法：——筛析法 比重计法 试验成果分析： ①颗粒级配累积曲线（半对数坐标） 见P17 图1-10 分析?? ?级配良好不均匀 粒径大小接近 曲线陡 级配良好不均匀粒径大小悬殊曲线平缓 ②不均匀系数（C u ） 1060u d /d C = ?? ?<>级配不良级配良好5 C 0C u u 式中：d 60——当小于某粒径的土粒质量累计百分数为60%时，该粒径称为 限定粒径d 60。 d 10——当小于某粒径的土粒质量累计百分数为10%时，相应的粒径称为 有效粒径d 10。 ③曲率系数（C c ） 60102 30 c d d d C ?= 式中：d 30——当小于某粒径的土粒质量累计百分数为30%时的粒径用d 30 表示。 C c ——曲率系数，它描写的是累积曲线的分布范围，反映曲线的整体形 状。 C c =1~3时 级配良好 （二）土粒的矿物成分 漂石、卵石、砾石等粗大土粒的矿物成分以原生矿物为主。（与每岩相同） 砂粒的矿物成分大多为母岩中的单矿物颗粒。如石英等。 粉粒的矿物成分以粘土矿物为主。 粘土矿物由两种原子层构成，主要类型??? ??高岭石 伊利石蒙脱石 粘土矿物的特点：细小、亲水性强，吸水膨胀，脱水收缩。 二、土中的水和气 （一）土中水? ? ? ??? ???????毛细水重力水自由水弱结合水强结合水 结合水 1. 结合水 ——指受电分子吸引力吸附于土粒表面的土中水。 几万大气压 吸收力达几千极性分子水负电 土粒~? ?? -- 见P19 图1-13 （1）强结合水 ——指紧靠土粒表面的结合水。 特征：没有溶解盐类的能力，不传递静水压力，只有吸热变成蒸汽时才能移动。 物理指标：容度1.2~2.4g/cm 3 固体状态 冰点-78℃ 砂土吸 度占土粒质量1%、粘土17%。 第三章土的物理性质及工程分类 第三章土的物理性质及工程分类 一、单项选择题 1. 土的三相比例指标包括：土粒比重、含水量、密度、 孔隙比、孔隙率和饱和度，其中为实测指标。 (A) 含水量、孔隙比、饱和度(B) 密度、含水量、孔隙比(C) 土粒比重、含水量、密度 2. 砂性土的分类依据主要是。 (A) 颗粒粒径及其级配(B) 孔隙比及其液性指数(C) 土的液限及塑限 3. 已知a和b两种土的有关数据如下： 指标 w L w p w γs S r 土样 (a) 30% 12% 15% 27 kN/m3100% (b) 9% 6% 6% 26.8 kN/m3100% Ⅰ、a土含的粘粒比b土多Ⅱ、a土的重度比b土大 Ⅲ、a土的干重度比b土大Ⅳ、a土的孔隙比比b土大 下述哪种组合说法是对的： (A) I、Ⅲ(B) Ⅱ、Ⅲ (C) Ⅰ、Ⅳ 4. 有下列三个土样，试判断哪一个是粘土： (A) 含水量w=35%，塑限w p=22%，液性指数I L=0.9 (B) 含水量w=35%，塑限w p=22%，液性指数I L=0.85 (C) 含水量w=35%，塑限w p=22%，液性指数 I L=0.75 5. 有一个非饱和土样，在荷载作用下饱和度由80%增加至95%。试问土的重度γ和含水量w变化如何？ (A) 重度γ增加，w减小(B) 重度γ不变，w不变(C) 重度γ增加，w不变 6. 有三个土样，它们的重度相同，含水量相同。则下述三种情况哪种是正确的？ (A) 三个土样的孔隙比也必相同(B) 三个土样的饱和度也必相同 (C) 三个土样的干重度也必相同 7. 有一个土样，孔隙率n=50%，土粒比重G s=2.7，含水量w=37%，则该土样处于： (A) 可塑状态(B) 饱和状态 (C) 不饱和状态 8. 在下述地层中，哪一种地层容易发生流砂现象？ (A) 粘土地层(B) 粉细砂地层 二 土的物理性质与工程分类 一、填空题 1. 土是由固体颗粒、_________和_______组成的三相体。 2. 土颗粒粒径之间大小悬殊越大，颗粒级配曲线越_______，不均匀系数越______，颗粒级配越______。为了获得较大的密实度，应选择级配________的土料作为填方或砂垫层的土料。 3. 塑性指标P I =________，它表明粘性土处于_______状态时的含水量变化范围。 4. 根据___________可将粘性土划分为_________、_________、_________、________、和___________五种不同的软硬状态。 5. 反映无粘性土工程性质的主要指标是土的________，工程上常用指标________结合指标________来衡量。 6. 在土的三相指标中，可以通过试验直接测定的指标有_________、_________和________，分别可用_________法、_________法和________法测定。 7. 土的物理状态，对于无粘性土，一般指其________；而对于粘性土，则是指它的_________。 8. 土的结构是指由土粒单元的大小、形状、相互排列及其连接关系等因素形成的综合特征，一般分为_________、__________和__________三种基本类型。 9. 土的灵敏度越高，结构性越强，其受扰动后土的强度降低就越________。 10. 工程上常用不均匀系数u C 表示土的颗粒级配，一般认为，u C ______的土属级配不良，u C ______的土属级配良好。有时还需要参考__________值。 11. 土的含水量为土中_______的质量与_________的质量之比。 12. 某砂层天然饱和重度sat γ20=KN/m 3，土粒比重的68.2=s d ，并测得该砂土的最 大干密度33max 1.7110kg /m d ρ=?，最小干密度33 min 1.5410kg /m d ρ=?，则天然孔隙比e 为 ______，最大孔隙比m ax e 为______，最小孔隙比m in e 为______。 13. 岩石按风化程度划分为__________，__________，________；按其成因可分为_________，_________，_________；按坚固程度可划分为_________，_________。 14.砂土是指粒径大于______mm 的颗粒累计含量不超过总质量的______，而粒径大于______mm 的颗粒累计含量超过总质量的______的土。 15. 土由可塑状态转到流动状态的界限含水量叫做_________，可用_________测定；土由半固态转到可塑状态的界限含水量叫做________，可用___________测定。 16. 在击实试验中，压实功能越大，得到的最优含水量越______，相应得到的最大干密度越______。 17. 土按颗粒级配和塑性指数可分为________、________、________、_______四种土。 18. 土中液态水按其存在状态可分为________、__________。 19. 工程上常按塑性指数的大小把粘性土分为__________、__________两种；其相应的塑性指数范围分别为__________、__________。 第一章土的物理性质及工程分类 1.对工程会产生不利影响的土的构造为（）： （A）层理构造 （B）结核构造 （C）层面构造 （D）裂隙构造 2.下列土中，最容易发生冻胀融陷现象的季节性冻土是（）： （A）碎石土（B）砂土（C）粉土（D）粘土 3.吸水膨胀、失水收缩性最弱的粘土矿物是（）： （A）蒙脱石 （B）伊利石 （C）高岭石 （D）方解石 4.土的三相比例指标中需通过实验直接测定的指标为（）： （A）含水量、孔隙比、饱和度 （B）密度、含水量、孔隙率 （C）土粒比重、含水量、密度 （D）密度、含水量、孔隙比 5. 不能传递静水压力的土中水是（）： （A）毛细水 （B）自由水 （C）重力水 （D）结合水 6. 若土的粒径级配曲线很陡，则表示（）。 （A）粒径分布较均匀（B）不均匀系数较大 （C）级配良好（D）填土易于夯实 7. 不均匀系数的表达式为（） (A) C u=d60/ d10(B) C u=d50/ d15 (C) C u=d60/ d15(D) C u=d50/ d10 8.当粘性土含水量减小，土体积不再减小，土样所处的状态是（）： （A）固体状态 （B）可塑状态 （C）流动状态 （D）半固体状态 9. 同一土样的饱和重度γsat、干重度γd、天然重度γ、有效重度γ′大小存在的关系是（）：（A）γsat > γd > γ> γ′ （B）γsat > γ> γd > γ′ （C）γsat > γ> γ′> γd （D）γsat > γ′>γ> γd 10.判别粘性土软硬状态的指标是（）： （A）液限 （B）塑限 （C）塑性指数 （D）液性指数 11.土的含水量w 是指（）： （A）土中水的质量与土的质量之比 （B）土中水的质量与土粒质量之比 （C）土中水的体积与土粒体积之比 （D）土中水的体积与土的体积之比 12.土的饱和度Sr是指：土中水的体积与孔隙体积之比( ) （A）土中水的体积与土粒体积之比 （B）土中水的体积与土的体积之比 （C）土中水的体积与气体体积之比 （D）土中水的体积与孔隙体积之比 13.粘性土由半固态转入可塑状态的界限含水量被称为（）： （A）缩限（B）塑限（C）液限（D）塑性指数 第1章流体及其主要物理性质 一、概念 1、什么是流体？什么是连续介质模型？连续介质模型的适用条件； 2、流体粘性的定义；动力粘性系数、运动粘性系数的定义、公式；理想流体的 定义及数学表达；牛顿内摩擦定律（两个表达式及其物理意义）；粘性产生的机理，粘性、粘性系数同温度的关系；牛顿流体的定义； 3、可压缩性的定义；体积弹性模量的定义、物理意义及公式；气体等温过程、 等熵过程的体积弹性模量；不可压缩流体的定义及体积弹性模量； 4、作用在流体上的两种力。 二、计算 1、牛顿内摩擦定律的应用－间隙很小的无限大平板或圆筒之间的流动。 第2章流体静力学 一、概念 1、流体静压强的特点；理想流体压强的特点（无论运动还是静止）； 2、静止流体平衡微分方程，物理意义及重力场下的简化； 3、不可压缩流体静压强分布（公式、物理意义），帕斯卡原理； 4、绝对压强、计示压强、真空压强的定义及相互之间的关系； 5、各种U型管测压计的优缺点； 6、作用在平面上的静压力（公式、物理意义）。 二、计算 1、U型管测压计的计算； 2、绝对压强、计示压强及真空压强的换算； 3、平壁面上静压力大小的计算。 第3章流体运动概述 一、概念 1、描述流体运动的两种方法（着眼点、数学描述、拉格朗日及欧拉变数）； 2、流场的概念，定常场、非定常场、均匀场、非均匀场的概念及数学描述； 3、一元、二元、三元流动的概念； 4、物质导数的概念及公式：物质导数（质点导数）、局部导数（当地导数）、对 流导数（迁移导数、位变导数）的物理意义、数学描述；流体质点加速度、不可压缩流体、均质不可压缩流体的数学描述； 5、流线、迹线、染色线的定义、特点和区别，流线方程、迹线方程，什么时候 三线重合；流管的概念； 6、线变形的概念：相对伸长率、相对体积膨胀率公式，不可压缩流体的相对体 积膨胀率应为什么？旋转的概念：旋转角速度公式，什么样的流动是无旋的？ 角变形率公式。 7、微分形式连续方程的适用条件、物理意义、公式及各种简化形式。 二、计算 1、物质导数的计算，如流体质点加速度或流体质点某物理量对时间的变化率； 第1章土的物理性质及工程分类 1.1 土的形成 岩土体是地壳的物质组成。岩体是地壳表层圈层，经建造和改造而形成的具一定组分和结构的地质体。它赋存于一定的地质环境之中，并随着地质环境的演化和地质作用的持续，仍在不断的变化着。土体是岩石风化的产物，是一种松散的颗粒堆积物。由于岩土材料组成的复杂性，其性质在许多方面不同于其它材料，具有其特有的多变性及复杂性。以下就岩土的特性分别简述之。 1.2 土的组成 1.1.1 土的结构与特性 土是一种松散的颗粒堆积物。它是由固体颗粒、液体和气体三部份组成。土的固体颗粒一般由矿物质组成，有时含有胶结物和有机物，这一部分构成土的骨架。土的液体部分是指水和溶解于水中的矿物质。空气和其它气体构成土的气体部分。土骨架间的孔隙相互连通，被液体和气体充满。土的三相组成决定了土的物理力学性质。 1）土的固体颗粒 土骨架对土的物理力学性质起决定性的作用。分析研究土的状态，就要研究固体颗粒的状态指标，即粒径的大小及其级配、固体颗粒的矿物成分、固体颗粒的形状。 （1）固体颗粒的大小与粒径级配 土中固体颗粒的大小及其含量，决定了土的物理力学性质。颗粒的大小通常用粒径表示。实际工程中常按粒径大小分组，粒径在某一范围之内的分为一组，称为粒组。粒组不同其性质也不同。常用的粒组有：砾石粒、砂粒、粉粒、粘粒、胶粒。以砾石和砂粒为主要组成成分的土称为粗粒土。以粉粒、粘粒和胶粒为主的土，称为细粒土。土的工程分类见本章第三节。各粒组的具体划分和粒径范围见表1-1。 土中各粒组的相对含量称土的粒径级配。土粒含量的具体含义是指一个粒组中的土粒质量与干土总质量之比，一般用百分比表示。土的粒径级配直接影响土的性质，如土的密实度、土的透水性、土的强度、土的压缩性等。要确定各粒组的相对含量，需要将各粒组分离开，再分别称重。这就是工程中常用的颗粒分析方法，实验室常用的有筛分法和密度计法。 筛分法适用粒径大于0.075mm的土。利用一套孔径大小不同的标准筛子，将称过质量的干土过筛，充分筛选，将留在各级筛上的土粒分别称重，然后计算小于某粒径的土粒含量。 密度计法适用于粒径小于0.075mm的土。基本原理是颗粒在水中下沉速度与粒径的平 第四章土的工程性质与分类 名词解释 湿陷性：黄土在一定压力作用下受水浸湿，土结构迅速破坏而发生显著附加下沉，具有这种特性的黄土，称湿陷性黄土。 膨胀土：膨胀土是一种粘性土，含有较多的亲水性粘土矿物，吸水膨胀，遇水崩解或软化，失水收缩，抗冲刷性能差，这种具有较明显的胀缩性的土称为膨胀土。 冻土：温度小于等于0℃，并含有冰的土层，称为冻土。 土的结构：土颗粒本身的特点：土颗粒大小、形状和磨圆度及表面性质（粗糙度）等。土颗粒之间的相互关系特点：粒间排列及其连结性质。 构造：在一定土体中，土层单元体的形态和组合特征，整个土层（土体）构成上的不均匀性特征的总和。包括：层理、夹层、透镜体、结核、组成颗粒大小悬殊及裂隙发育程度与特征等。 思考题 土的结构类型是什么，特征是什么？ 1.单粒结构（散粒结构）：是碎石(卵石)、砾石类土和砂土等无黏性土的基本结构形式。 2.集合体结构：也称团聚结构或絮凝结构。这类结构为粘性土所特有。对集合体结构，根据其颗粒组成、连结特点及性状的差异性，可分为蜂窝状结构和絮状结构两种类型。 单粒结构（散粒结构）特点 1) 孔隙大，透水性强，一般没有内聚力，但内摩擦力大，并且受压力时土体积变化较小。 2) 在荷载作用下压密过程很快。 3）一般情况（静荷载作用）下可不担心强度和变形问题。 集合体结构特点： 1）孔隙度和压缩性大（可达50％～98 ％）. 2）含水量大（往往超过50％），渗透性差，压缩过程缓慢. 3）具有大的易变性—不稳定性。 特殊土的特征和工程地质特性是什么及如何判别？ ?黄土的湿陷性是如何判别？ 湿陷黄土的工程特征：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，遇水强烈崩解，膨胀量较小，但失水收缩量较明显；5）透水性较强；6）压缩中等，抗剪强度较高。 根据湿陷系数的大小，可以大致判断湿陷性黄土湿陷的强弱。 ?非自重湿陷性和自重湿陷性的差别？ 自重湿陷性黄土: 在上覆土自重压力下受水浸湿发生湿陷的湿陷性黄土地基； 非自重湿陷性黄土: 只有在大于上覆土自重压力下受水浸湿后才会发生湿陷的湿陷性黄土地基。 当自重湿陷量<7cm时应定为非自重湿陷性黄土。 当自重湿陷量>7cm时应定为自重湿陷性黄土 ?湿陷起始压力和湿陷起始含水量是什么？ 黄土的湿陷量与所受压力有关，存在一个压力界限，压力低于这个数值，黄土浸水也不会湿陷，这个压力为湿陷起始压力。 第一章 土的物理性质指标和工程分类 1-1 有A 、B 两个土样，通过室内试验测得其粒径与小于该粒径的土粒质量如下表所示，试绘制出它 们的级配曲线并求出C u 和C c 值。 A 土样试验资料（总质量500g ） 粒径d （mm ） 5 2 1 0.5 0.25 0.1 0.075 小于该粒径的质量（g ） 500 460 310 185 125 75 30 B 土样试验资料（总质量30g ） 粒径d （mm ） 0.075 0.05 0.02 0.01 0.005 0.002 0.001 小于该粒径的质量（g ） 30 28.8 26.7 23.1 15.9 5.7 2.1 1-2 从地下水位以下某粘土层取出一土样做试验，测得其质量为15.3 g ，烘干后质量为10.6 g ，土粒 比重为2.70。求试样的含水率、孔隙比、孔隙率、饱和密度、浮密度、干密度及其相应的重度。 1-3 某土样的含水率为6.0%，密度为1.60 g/cm 3,土粒比重为2.70，若设孔隙比不变，为使土样完全 饱和，问100 cm 3土样中应加多少水？ 1-4 有一砂土层，测得其天然密度为1.77 g/cm 3，天然含水率为9.8%，土的比重为2.70，烘干后测 得最小孔隙比为0.46，最大孔隙比为0.94，试求天然孔隙比e 、饱和含水率和相对密实度D r ，并判别该砂土层处于何种密实状态。 1-5 今有两种土，其性质指标如下表所示。试通过计算判断下列说法是否正确? 1. 土样A 的密度比土样B 的大； 2. 土样A 的干密度比土样B 的大； 3. 土样A 的孔隙比比土样B 的大； 1-6 试从基本定义证明： 1. 干密度 (1)1s w d s w G G n E ρρρ= =?+ 2. 湿密度 1s r w G S e e ρρ+=+01第一章 土的物理性质及工程分类
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