第1章 土的物理性质与软土地基处理

第一节 土的成因与组成

*第二节 土的物理性质指标

第三节 土的物理状态与工程特性

第四节 地基岩土的工程分类与野外鉴别

本

章

讲

授

内

容

★学习目标★

知识目标：通过本章的学习，了解土的成因、结构、构造、工

程特性等概念，应掌握土的组成及比例关系对土体性质的影响，土

的物理性质、物理状态评价指标及其在工程中的应用，清楚岩土的

工程分类。了解地基处理的目的、对象以及软弱地基、不良地基等

概念；熟悉地基处理方法的分类、工作机理、适用范围以及设计、

施工要点；掌握本地区常用地基处理方法的基本原理、适用范围、

设计与施工要点。

能力目标：能熟练进行土的物理性质指标计算并分析判定土的

各种状态，能进行试验操作测定相关指标；能鉴别常见土的工程性

状与种类；能够按照现行规范合理设计一般的地基处理方案。

一、土力学与地基基础的概念

二、地基基础在工程中的重要性

四、地基基础设计的要求与程序

三、课程内容与学习要求

回 顾

结构荷载

基底压力

上部结构、基础、地基示意图

压力扩散线

持力层

下卧层

地基

•地基：承受建筑物荷载应力与应变不能

忽略的土层。（有一定深度和范围）

天然地基：没有经过人为处理，直接修建。

人工地基：承载力低，高压缩性地基，

人工处理后才能修建。

•基础：埋入土层一定深度并将荷载传给地基

的建筑物下部结构。

浅基础(≤5m)：用一般方法、工艺施工。

深基础(桩基、沉井)：特殊工艺施工。

•本章主要内容:土的组成，物理性质与

状态指标，工程分类，

软土地基处理

•以上指标将影响土的物理、力学性质。

•工程上可将土示为一种工程材料。

本章概要

1.土：岩石经风化、剥蚀、破碎、搬运、沉积等过程

形成的堆积物，由固体颗粒、水和气体组成的

三相分散体系。（形成了土自身固有的特性）

第一节 土的成因与组成

一、土的生成

风化：

物理风化—机械破坏，无质变（称为原生矿物）；

化学风化—水与大气作用，产生次生矿物；

生物风化—动植物、微生物生长使岩石破坏变化。

内力地质作用—内部压力、温度变化引起。

外力地质作用—天体间引力、太阳辐射等引起。

3.地质年代：按地壳的发展、演化历史划分

的时间段落。

分为代、 纪、世、期，现代土一般指新生代第四纪Q

（距今2.5~100 万年）沉积形成的。

(侏罗纪：距今135～180百万年（恐龙时代）)

2.地质作用：

地壳在太阳辐射、地球重力及地球内热能作用下，处

于不断的运动和演变中，这种作用称为地质作用。

基岩

残积土

坡积土

洪积土 冲积土

风积土（黄土高原风成学说）

4.土按成因条件分类：

雅丹地貌（风蚀作用形成）

卡斯特地貌（水溶作用形成）

雅丹地貌

卡斯特地貌

特例：

干土与饱和土

二、土的组成

土一般是由固体颗粒、水和气体组成的三相

孔隙介质。

孔 隙

水

气体

土三相分布组成示意图

土颗粒

(一)土中固体颗粒：

土颗粒构成土的骨架，其大小、粗细、

成分与组成决定土的物理力学性质。

粒组划分

工程上将物理力学性质相近的颗粒划分

为一组，便于研究。

细粒：粉粒：0.005＜d≤0.075；

粘粒：d≤0.005

巨粒：漂石、块石：d＞200；

卵石、碎石：60＜d≤200

粗粒：砾粒、粗粒：20＜d≤60，

细粒：2＜d≤20；

砂粒：0.075＜d≤2

透水性大，无粘性。

透水性大，无粘性。

易透水，无粘性，松散。

透水性小，稍有粘性。

透水性很小，有粘性，可塑。

粒组划分及特性 d 土颗粒粒径

土的

工程分类

土工分析方法：（土工试验）

筛分法（0.075~60）

密度计法(≤0.075的粉粒，粘粒)

试验结果表述：

▪ 颗粒级配：指大小土粒的搭配情况，通常用各粒组

的相对含量表示。

▪ 颗粒级配曲线：纵坐标表示小于某粒径的土粒含量

百分比；横坐标表示土粒的粒径（取对数坐标）。

曲线平缓，粒径不均匀，级配好；

曲线陡，粒径均匀，级配不好。

曲

线

特

征

天然地基土是由不同粒组组成的混合物

颗粒级配曲线：反映土粒大小搭配情况

不均匀系数：

10

60

d

d

cu

=

d60—限定粒径

d10—有效粒径

d30—对应小于某粒径的

土粒质量占总质量的30%

曲率系数： 时的粒径。

10 60

2

30

d d

d

cc



=

cu＜5，级配不好；

cu＞10， cc=1~3级配良好。

级

配

评

价

工

程

评

价

（二）土中水：按物理状态分为

土颗粒

•自由水

弱结合水

强结合水

•结合水

存于孔隙中

•固态水（冰）

•气态水（孔隙中水气）

•液态水（有以下两种

存在方式，影响土性）

1.结合水

➢强结合水：紧靠土粒表面（受电场作用力很大）

近于固体特征。

➢弱结合水：强结合水外，受电场作用减小，呈粘滞

状态，对粘性土物理力学性质影响大。

2.自由水（不受电场吸引）

➢ 重力水：存在于地下水位以下土孔隙中，服从重力

规律，传递水压力，对土粒有浮力。

➢ 毛细水：存在于地下水位以上土孔隙中（表面张力

作用产生，细粒土明显），注意防冻、防潮。

潜水

承压水

含水层

❖地下水埋藏方式简介

天然地面

补给源

不透水层

地下水位面 喷泉 井

上层滞水

（三）土中气体

与大气相通时可排出，封闭气泡可使土产生

压缩性和弹性。（对土的性质影响相对较小）

a.单粒结构（砂粒以上）

b.蜂窝结构（粉粒）

c.絮状结构（粘粒）

结构性强，受扰动后

强度降低。

a.单粒结构 b.蜂窝结构 c.絮状结构

三、土的结构与构造

➢土的结构：土粒的空间排列及其连接形式。

土的构造示意图

(a)水平层理构造；(b)交错层理构造；(c)裂隙构造

(a) (b) (c)

➢土的构造：宏观上土的组成，如成层性、裂隙性。

四、土的工程特性

高压缩性

高渗透性

低承载力

（散粒结构特点决定的）

•概要：土中三相（质量与体积）组成比例关系，

直接影响土的工程性质（干湿、软硬、松密等）。

气

水

土粒

W

W

w

W

S

V

V

S

V

v

Va

V

w

第二节 土的物理性质指标（本章重点）

a-气体 s-土粒

w-水 v-孔隙

W—重量

V—体积

一、土的三相组成简图：

可用烘干法测定，反应土的干湿程度。

同类土，w越大，土越软。

V

W

 =

= 100%

S

w

W

W

w

二、基本指标（可由试验直接测得）

1.土的重度－ γ (kN/m3

)

一般用环刀法测定，天然土γ在16~22 kN/m3之间。

2.土的含水量－w

？反映土

密实度

γ ＞20 kN/m3土较密实； γ ＜18 kN/m3土较松软。

3.土粒相对密度（或称土粒比重）－ Gs （ ds ）

w

s

s w

s

s

V

W

G







=  =

1

( )

3

KN m

V

W

s

s

 s

=

γs—土颗粒重度

• 土粒重量与同体积4℃时水的重量之比。

• 用比重瓶法测定。

• 一般砂土：2.65~2.95，粘土：2.7~2.75。

透水石

环刀法重度测定

环刀

含水量测定

三、换算指标

（以下定义指标可由上述三个指标推算得出）

V

Ws

 d

=

V

Ws

Vv w

sat





+ 

=

sat w

s s w

V

W V

 



 = −

− 



=

3.土的有效重度（地下水位以下水受浮力作用）－

(kN/m3

)

2.土的饱和重度－ (kN/m3

)

(kN/m3 1.土的干重度－ )

γd

γsat

γ′

4.土的孔隙比－

s

v

V

V

e =

= 100%

V

V

n

v

= 100%

v

w

r

V

V

S

6.土的饱和度－

5.土的孔隙率－

用于评价天然土层的密实程度，

一般e＜0.6为低压缩性土， e＞1

为疏松的高压缩性土。

亦反映土的密实程度

反映土中孔隙被水充满

的程度，Sr=0为干土，

Sr=100为饱和土。

e

n

Sr

四、指标换算公式（书P20表1—3）

1

(1 )

−

+

=



G  w

e

s w

e

wG

s

s

r

=

( / )

1

3

k N m

w

d

+

=





( / )

1

3

k N m

e

G e

w

s

sat  

+

+

=

( / )

3

 

=  sat − w

k N m

( / )

1

( 1) 3

k N m

e

Gs w

sat w

+

−



= − =



  

e

e

n

+

=

1

【例2-1】 某土样测得重量为1.87N，体积为100cm3

,烘干

后重量为1.67N，已知土粒的相对密度为Gs=2.66，试求：γ、

w、e、sr、 γd、 γsat 、γ′

。

3

6

3

18.7 /

100 10

1.87 10 k N m

V

W

=





= =

−

−



100% 11.98%

1.67

1.87 1.67 100%  =

−

=  =

S

w

W

W

w

1 0.593 (1 )

− =

+

=



G  w

e

s w

【解】

= = 53.7%

e

wG

s

s

r

3

16.7 /

1

k N m

w

d

=

+

=





3

20.4 /

1

k N m

e

G e

w

s

sat

=

+

+

 = 

3

 

=  sat −

w

=10.4k N/ m

第三节 土的物理状态指标与工程特性

重点内容：掌握判断不同土物理状态的依据

N63.5 ≤5 松散 10＜ N63.5 ≤20 中密

5＜ N63.5 ≤10 稍密 N63.5 ＞20 密实

一、无粘性土的物理状态指标

➢《规范》法探测：重型圆锥动力触探试验

用锤击数N63.5判断其密实度。

➢也可根据野外方法鉴别(教材P25表1-7）

（一）碎石土的密实度 粒经大于2mm的颗粒

含量超全重50%的土.

30cm

锤重：63.5kN

落距：760mm

动力触探试验原理示意图

标准惯入器 重型圆锥

地面

触探杆

被探测土层

➢采用相对密实度Dr判断（试验困难，应用较少）

max min

max

e e

e e

Dr

−

−

=

e---土天然孔隙比

emin---土最小孔隙比

emax---土最大孔隙比

0 ≤ Dr≤0.33 松散

0.33＜ Dr≤0.67 中密

0.67＜ Dr≤1 密实

（二）砂土的密实度

指粒经大于2mm的颗粒含量

不超全重50%、大于0.075mm超

全重50%的土。

N ≤10 松散 15＜ N ≤30 中密

10＜ N ≤15 稍密 N ＞30 密实

➢《规范》法探测：标准惯入试验

用锤击数N判断。

➢用孔隙比e判断

e＜0.6 密实 是良好的天然地基

e ＞0.95 松散 不宜作天然地基

即粘性土的软硬程度—因土粒与水作用强，

故水对其工程性质影响大。

固态 半固态 可塑状态 流动状态

缩限ws 塑限wp （测） 液限wL（测）

含水量 w

（一）界限含水量（由试验测得）

粘性土由一种状态转变到另一种状态的

分界含水量。

二、粘性土的物理状态指标

0

P

wL

wP

I = −

IP大，则粘粒（d≤0.005mm颗粒）含量多，

故工程上用于对土进行分类，即：

当：IP ＞10时为粘性土。

（二）塑性指数－ IP

表示土在可塑状态下的含水量变化范围。

塑性指数

（三）液性指数－ IL

反映土不同天然含水量（w）状态下软硬程度指标，

规范根据液性指数将粘性土划分为如下五种状态：

IL≤0 0~0.25 0.25~0.75 0.75~1 IL ＞

1

坚硬 硬塑 可塑 软塑 流塑

L P

P

L

w w

w w

I

−

−

液性指数

=

粘性土具有天然结构性，其结构破坏时强度

降低，压缩性增大。用灵敏度表示：

St

=qu

/q0

qu—原状土强度；

q0—重塑土强度。

（四）粘性土的灵敏度

•高灵敏度的土，结构性强，因而基槽施工时应

注意防止土体结构扰动，避免承载力降低。

1＜ St

≤2 2＜ St

≤4 St ＞4

低灵敏度 中灵敏度 高灵敏度

锥式液限仪

（五）黏性土塑限wp 、液限wL的测定

锥式液限仪测定土的液限

电脑液塑限联合测定仪

搓条法测定塑限

土

样

含

水

量

测

量

土样烘干

三、土的压实性（填土施工）

1.压实

压实是指采用人工或机械以夯、碾、振动等方式，对

土施加夯压能量，使土颗粒原有结构破坏，空隙减小，气

体排出，重新排列压实致密，从而得到新的结构强度。

2.击实试验

在工程建设中，经常会遇到填土或松软地基，为了改善

这些土的工程性质，常采用压实的方法使土变得密实。

击实试验就是模拟施工现场压实条件，采用锤击方法

使土体密度增大、强度提高、沉降变小的一种试验方法。

击实试验分轻型击实试验和重型击实试验两种方法。

轻型击实试验适用于粒径小于5mm的粘性土；重型击实试

验适用于粒径不大于20mm的土。

击实仪构造

最优含水量：

使土在同样的击

实能情况下获得

最大密实程度的

土含水量。

土在一定的击实效应下，如果含水率不同，则所得

的密度也不相同，击实试验的目的是测定试样在一定击

实次数下或某种压实功能下的含水率与干密度之间的关

系，从而确定土的最大干密度和最优含水率，为施工控

制填土密度提供设计依据。

w含水量

γd 干重度

wop

γdmax

不同击实能

情况下曲线