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第四章 土的工程性质
? 土是地壳表层的物质，在长期风化、搬运、磨蚀、沉积作用
的过程中，形成大小不等，未经胶结的一切松散物质。土的总体
特征是颗粒与颗粒之间的连接强度较土粒本身强度低，甚至没有
连接性。根据土粒之间有无连接性，大致可将土分为砂类土（砾
石、砂）和粘性土两大类 。
? 土从外观颜色看较为复杂，但以黑、红、白为基本色调。颜
色是土颗粒成分的直接反映，黑色是由所含的有机物的腐化染色
而成的；白色常来自石英和高岭石；红色主要由高价氧化铁染色
而成。土的颜色随土的成因环境不同，呈现出多种多样的颜色。
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第一节 土的三相组成
? 土的三相组成是指土由固体土粒、液体水和气体三相组成。土中
的固体矿物构成土的骨架，骨架之间贯穿着大量孔隙，孔隙中充
填着液体水和气体。
? 一、土中固体颗粒
? 1.土的矿物组成
? 2.土的颗粒形状
? 二,土中的水
? 三,土中气体
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? 土中固体颗粒是土的三相组成中的主体，主要由矿物组成，
不同的矿物成分组成对土的物理性质有着不同的影响。组成土的
矿物质主要有原生矿物和次生矿物。
? ⑴ 原生矿物：主要的是石英，其次是长石、云母等。这类矿物
的化学性质稳定，具有较强的抗水和抗风化能力，亲水性差。
? ⑵ 次生矿物：这类矿物比较复杂，对土的物理性质影响较大。
次生矿物可分为可溶性和不溶性。
? 可溶性次生矿物化，根据其溶解的难易程度又可分为易溶的、
中溶的和难溶的三类。不溶性次生矿物多系风化残余物及新生成
的粘土矿物质。除上述矿物质外，土中还常含有机质土。
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? 土的颗粒形状对土的密度和稳定性有着显著的影响。在
描述土粒的形状时，我们常用两个指标：浑圆度和球度。
? 1,浑圆度：反映土粒尖角的尖锐程度的。
? 式中,ri ── 土颗粒突出角的半径；
R ── 土颗粒的内接圆半径；
N ── 土颗粒尖角的数量。
NRr iN
i
/)(浑圆度
1??
? （ 4-1）
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? 2,球度：
? 式中,Dd ── 在扁平面上与土粒投影面积相等
的圆的半径；
? Dc ── 最小外接圆半径。
? 3,体积系数 VC：
? 式中,V ─土粒体积； dm ─土粒的最大直径。
c
d
D
D?球度 （ 4-2）
3
6
md
VVC
??
（ 4-3）
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? VC愈小,土粒离圆体愈远。圆球体 VC=1；立方体 VC=0.37；棱角
体土粒 VC更小。
? 4,形状系数 F：
? 式中,A,B,C 分别为土粒的最大、中间、最小尺寸。
AB
BCF
/
/? （ 4-4）
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? 土中的水以不同的形式和不同的状态存在，它们对土的工程性质
的起着不同的作用和影响。土中的水按其工程地质性质可分为：
? 1,结构水
? 2,自由水
? （ 1）毛细水
? （ 2）重力水
? 3,气态水
? 4,固体水
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? 土中气体指土固体矿物之间的孔隙中，没有被水充填的部分。土
的含气量与含水量有密切关系。
? 土中气体可分为自由气体和封闭气泡两类。自由气体与大气相连
通，通常在土层受力压缩时即逸出，对土的工程性质影响不大；
封闭气泡与大气隔绝，对土的工程性质影响较大，在受外力作用
时，随着压力的增大，这种气泡可被压缩或溶解于水中，压力减
小时，气泡会恢复原状或重新游离出来。若土中封闭气泡很多时，
将使土的压缩性增高，渗透性降低。土质学与土力学中将这种含
气体的土称为非饱和土。
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第二节 土的物理性质
? 土的物理性质是指土的各组成部分（固相、液相和气相）的数量
比例、性质、排列方式等所表现的物理状态，是土最基本的工程
性质。
? 一,土的密度
? 二,土与水的关系
? 三,土的孔隙性结构指标
? 四,土的物理性质指标间的相互关系
? 五,土的压实
? 六,粘性土的界限含水量
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? 土的密度是指土的总质量与土的总体积的比值。根据孔隙中含水
的情况可将土的密度分为天然密度（ ρ）、干密度（ ρd）、饱和
密度（ ρf）。
? 1,天然密度：也称湿密度，指天然状态下土的单位体积的质量。
? 式中,ρ ─土的天然密度； m,v─土的总质量和总体积（ cm3）；
ms,mw─土的颗粒质量和土水分质量 g。
? 土的天然密度一般在 1.6～ 2.2 g/cm3之间，通常用环刀法、灌砂
法测定。
V
mm
V
m ws ???? （ 4-5）
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? 2,干密度（ d）：是指干燥状态下单位体积土的质量，土中固体
土粒的质量与土的体积的比值。
? 式中,d ─干密度（ g/cm3）。
? 土的干密度实际上是土中完全不含水分的密度，它是土密度的最
小值。土的干密度与土中所含土粒质量的多少有关，也就是与土
结构的紧密程度有关，间接与土粒的矿物成份相关。因此，土的
结构影响着干密度的值，干密度值越大，土越密实。所以干密度
在一定程度上反映了土粒排列的紧密程度，在工程中常用它作为
压实的控制指标。
V
m s
d ??
（ 4-6）
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? 3,饱和密度（ ρf ）：是指土的孔隙中全被水充满的情况下单位体
积土的质量。即土粒的质量（ ms）及孔隙中充满水的质量 (mw)之
和与土的总体积（ V）的比值。
? 式中,ρf ─土的饱和密度（ g/cm3）； mw ─土的孔隙中充，满
水的质量（ g）； Vn─孔隙的体积（ cm3）； w─水的密度
（ g/cm3）；
? 土中孔隙体积小，土粒密度大，土的饱和密度就大，反之则小。
V
mm ws
f
??? 或
V
Vm wns
f
?? ?? （ 4-7）
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? 4,相对密度（ Gs）
? 指土固体物质本身的密度。即土在 105～ 110℃ 下烘至恒重时的
质量与同体积 4℃ 时蒸馏水质量的比值。
? 式中,Gs ─土粒的相对密度（ g/cm3）；
mw─4℃ 时同体积蒸馏水的质量（ g）；
土粒相对密度只与组成土粒的矿物成分有关，而与土的孔隙
大小及其所含水分多少无关。
wS
s
w
s
S V
m
m
mG
???
（ 4-9）
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? 1,含水量（ w）
? 含水量指土中所含水分的质量与干土颗粒质量的比值，用百分数
表示。
? 式中,w───土的含水量（ %）；
? 土的含水量愈大，表明土中的水分也愈多。通常用烘干法或酒精
燃烧法直接测定。土中所含水分多少的不同所表现出的工程性质
各不相同。
100??
s
w
m
mw （ 4-10）
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? 2,土的饱和含水量（ wmax）
? 土的饱和含水量是假定土中的孔隙全部被水充满，达到饱和状态
时的含水量。即土的孔隙中充满水分的质量与干土颗粒质量的比
值，用百分数表示：
? 式中,wmax─土的饱和含水量（ %）；
? 饱和含水量实质上就是用水的数量来表示土中孔隙体积的大小，
即 Vn=mw。
100m a x ??
s
wnmVw ? （ 4-11）
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? 3,土的最佳含水量（ w佳 ）
? 土的最佳含水量是指土在标准击实试验条件下，能达到最大干密
度时的含水量。一般通过土的击实曲线得到，或利用相关物理指
标导出。
? 4,土的饱和度（ Sr）
? 饱和度是土中天然含水量的体积（ Vw）与土的全部孔隙体积（ Vn）
的比值，用百分数表示。
? 或者，用天然含水量 w和饱和含水量 wmax的比值来表示：
1 0 0??
n
Wr
V
VS （ 4-12）
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? 式中,─土的饱和度（ %）；
? 饱和度是用来描述土中水充满孔隙的程度,Sr=0为完全干燥土，
属二相系（固、气）； Sr=1为完全饱和土属二相系（固、液）；
Sr介于 0～ 1之间，按照天然砂性土所含水分的多少，可将砂性土
划分为三个状态：
? 稍湿的,0≤Sr≤50%很湿的,50%＜ Sr≤80%饱和的,80%＜ Sr＜
100%
1 0 0
m a x
?? w wS r （ 4-13）
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? 土不是致密无隙的固体，在土颗粒间存在着较多的孔隙。土的孔
隙性是指孔隙的大小、形状、数量及连通情况等特征。土的孔隙
性决定于土的粒度成份和土的结构，即土粒排列的松紧程度。
? 1,孔隙比（ e）：指土中孔隙的体积（ Vn）与土粒的体积（ Vs）
的比值。
? 式中,e─土的孔隙比
? 一般在天然状态下的土，若 e＜ 0.6可认为是工程性质良好的土，
若 e＞ 1是工程性质不良的土。
s
n
V
Ve ? （ 4-14）
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? 2,孔隙度（ n）
? 在天然状态下，土中的孔隙体积与整个土体积的比值，称为孔隙
度或孔隙率，用百分数表示：
? 孔隙率与孔隙比之间存在着下述换算关系：
? n 与 e都是反映孔隙性的指标，但在应用上有所不同。凡是用于
与整个土的体积有关的测试时，一般用 n 较为方便；但若要对比
一种土变化状态时则用 e较为准确。
100?? VVn n （ 4-15）
e
en
?? 1 （ 4-16）
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? 3,砂类土的相对密实度（ Dr）
? 相对密实度是反映砂类土在天然状态下松密程度的指标，数值上
它等于砂土在最疏松状态和天然状态下孔隙比之差与最疏松状态
和最密实状态下孔隙比之差的比值，即：
? 式中,Dr ─相对密实度；
? e ─土的天然孔隙比；
? emin ─最密实状态的孔隙比；
? emax ─最疏松状态的孔隙比。
m ix
r ee
eeD
?
??
m a x
m a x
（ 4-17）
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? 上式也等价为：
? 式中,Dr ─相对密实度；
? ρd ─土的干密度；
? ρd min─最疏松状态土的干密度；
? ρd max ─最密实状态土的干密度。
? 相对密实度可以用来判断砂性土的密实状态及其是否有压密的可
能性。当 Dr=1时，土体为密实的； Dr=0时，土为最疏松状态，
在外力作用下，土体的压缩性很大。按 Dr的大小，砂性土可分为
4种状态 。
ddd
dddrD
???
???
)(
)(
m inm a x
m a xm in
?
?? （ 4-18）
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? 前面介绍的土的物理性质指标实际上是土的固相、液相和气相在
质量和体积方面不同组合上所构成的不同比值，即三者之间的质
量与质量、质量与体积、体积与体积相互组成不同性质的指标。
在工程地质检测中，只有准确地掌握了这些概念，才能正确地评
价土质。
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? 五、土的压实
? 路基是公路组成的重要部分，它与路面共同承受来自行车荷载和
自然因素的作用，所以要求路基具有足够的强度和稳定性。
? 1、路基压实的评定指标
? 土是由三相体组成的，它们具有各自的特性，相互制约，共同存
在于统一的土体中，构成土体的各种物理性质 ——滲 透性、粘滞
性、压缩性、弹性、塑性和力学性质等。而土体中三相在体积和
重量上的比例关系，既是评价土的工程性质又是影响土压实性能
的重要因素。
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? 一般的说土的干密度 ρd越大，土体越密实，土体的强度和承载力
愈高。而提高土体的干密度则需改变土的三相组成比例，用压实
机械对填土路基碾压就是改变土的三相组成比例，增加单位体积
内固体颗粒百分含量，减少孔隙率。即通过碾压使土体达到：
? ⑴ 连接的土重新排列靠近，单位重量增加，粘结力增大，土体
强度提高。
? ⑵ 通过压实使土粒外表的水膜减至更薄，增加内聚力，提高土
体抗剪强度。
? ⑶ 通过压实将土壤孔隙中的空气挤出，减小孔隙率，增大土的
密度，提高土体的水稳定性和减少冻胀而引起的不均匀变形。
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? 实践中常用压实度来表示土基压实的好坏，所谓压实度是指路基
土压实后的干密度与该土的标准干密度之比，并用百分数表示。
即：
? 式中,K ─土基压实度,% ； ρd ── 压实后的干密度,g/cm3；
ρm ── 最大干密度（或称标准干密度）,g/cm3。
? 2、标准干密度的确定方法
? 根据交通部, 公路土工试验规程, 规定，对细粒土、含砾土
等的标准干密度（最大干密度）采用标准击实试验确定，同时亦
可得出相应的最佳含水量。
100??
m
dK
?
? % （ 4-19）
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? 粘性土最主要的物理特性是土粒与土中水相互作用产生的稠度，
即土的软硬程度或土对外力引起变形或破坏的抵抗能力。
? 粘性土的稠度，反映土粒之间的联结强度随着含水量高低而变化
的性质。粘性土在不同的稠度时所呈现的固态、半固态、塑态、
液态称为稠度状态。由于含水量的变化，粘性土可从一种稠度状
态转变为另一种稠度的界限，称为稠度界限。由于稠度界限是用
含水量表示的，又称界限含水量。
? 1．液限 wL(%)：液限又称塑性上限或液限下限，是指粘性土由
可塑状态转变为流动状态时的分界含水量。测定方法：液塑限联
合测定
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? 2．塑限 wP（ %）：塑限又称塑性下限,是可塑状态与半干硬状态
之间的界限含水量。测定方法：液塑限联合测定或滚搓法
? 3．塑性指数 IP,粘性土自可塑状态起，逐渐增加含水量到滞流状
态出现时止，若增加的含水量幅度大，说明该粘性土的吸水能力
很强，有较大的保持塑限状态的能力，我们称这样的粘性土具有
高塑性；如果由可塑状态转变到滞流状态所增加的含水量很小，
就称这一类粘性土为低塑性。粘性土塑性的高低，通常用塑性指
数 Ip表示，即塑性指数大的粘性土具有较高塑性，塑性指数小的
粘性土具有较低塑性。在数值上，塑性指数等于液限与塑限之差。
? IP = wL – wP （ 4-20）
? 塑性指数是反映粘性土中粘粒和胶粒含量的一个重要指标，塑性
指数大的粘性土，表明土中粘粒和胶粒多。
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? 4．液性指数 IL
? 土的天然含水量在一定程度上反映土中水的多少，但天然含水量
并不能说明土处于什么物理状态，因此还需要一个能够表示天然
含水量与界限含水量关系的指标，即液性指数 IL。
? 式中,IL─土的液性指数； wL─土的液限； wP─土的塑限。
? 对于某种粘性土，其液限 wL和塑限 wP都是一定值，土的天然含
水量越大，液性指数越大，土越稀软。
pL
p
p
p
L ww
ww
I
wwI
?
???? （ 4-21）
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第三节 土的颗粒级配
? 自然界的土，作为组成土体骨架的土粒，大小悬殊，性质各异。
工程上常把组成土的各种大小颗粒的相互比例关系，称为土的粒
度成分。土的粒度成分如何，对土的一系列工程性质有着决定性
的影响，因而它是工程地质研究主要内容之一。
? 一,粒组的划分
? 二,粒度成分的分析方法
? 三,粒度成分的表示方法
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? 土的粒度，是指土颗粒的大小，以粒径表示，通常以 mm为单位。
土粒由粗到细，粒径尺寸相差非常悬殊，为了研究方便，将一定
范围大小土粒合并成一组，将土粒由粗到细划分为若干段，每一
段规定一个粒径尺寸范围，称为粒组。每个粒级的区间内，常以
其粒径上、下限给粒组命名。
? 从工程地质角度看,划分原则为：
? ⑴ 应符合量变到质变的规律。以 2mm粒径为土粒有无毛细水的
界限；以 0.074mm粒径为土粒有无水连结和有无粘着力的界限；
以 0.002mm粒径为土粒有无粘着力的界限。
? ⑵ 应与现代粒度分析水平相适应，粒径大于 0.074mm的土粒，
可用筛析法进行颗粒分析；粒径小于 0.074mm的土粒，可采用静
水沉降法进行颗粒分析，
? ⑶ 粒组的界限值服从数学规律，便于记忆。
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? 二、粒度成分的分析方法
? 以般天然土都由若干个粒组组成，它所包含的各个粒组在土的全
部质量中各自占有的比例，称为粒度成分。
? 1.筛析法：将土样通过一组标准筛，对于通过某一筛孔的土粒，
可以认为其粒径恒小于该筛的孔径，反之，遗留在筛上的颗粒，
可以认为其粒径恒大于该筛孔径，这样即可把土样的大小颗粒按
筛孔大小逐级加以分组和分析。
? 2.沉降分析法：基本原理是 0.002～ 0.02mm粒径的土在水或液体
中靠自重下沉时应作等速运动，运动的规律符合司笃克斯定律。
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? 司笃克斯定律认为土粒越大，在静水中沉降的速度越快，反之土
粒越小，沉降速度越慢。设土粒为圆球形颗粒，在无限大的水中
沉降，它在重力作用下产生的稳定沉降速度为 v，则粒径与沉降
速度的平方根成正比。
? 式中,v─球形颗粒在液体中的稳定沉降速度（ m/s）； R─球形颗
粒的半径（ m）； ρs,ρs ─颗粒及液体的密度（ N/m3）； η─液体
的动力粘度（ Pa.s）。
?
?? WSRv ?? 2
9
2 （ 4-22）
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? 经过试验分析，知道了土样中各粒组的相对含量之后，就可用一
定的方法将它表示出来。
? 1．表格法
? 2．累积曲线法
它是一种比较完善的图示方法。通常用半对数坐标纸绘制，
以土粒粒径尺寸的常用对数作为横坐标，小于某一粒径尺寸的粒
组累计相对含量的百分数为纵坐标，将经过筛分法或沉降法所得
到的粒度成分分析结果，绘制在这个半对数坐标纸上，就得到了
粒度成分的累积曲线
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? 从累积曲线图上可以看出：曲线平缓，表明土的粒度成分混杂，
大小粒组都有，各粒组的相对含量都差不多；曲线坡度较陡，表
明土粒比较均匀，斜率最大线段所包括的粒组，在土样中的含量
最多，成为具有代表性的粒组。
? （ 1）累积曲线的用途
? ① 从累种曲线的形态及分布的粒组区间可判断土的粒度成分的
级配特征。
? ② 利用累积曲线可以求得有关土粒的级配指标：不均匀系数 Cu
和曲率系数 Cc。
? ③ 通过累积曲线可以查知各粒组的相对含量，给土进行命名。
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? （ 2）土粒的级配指标
? ① 不均匀系数 Cu
? 不均匀系数反映大小不同组的分布情况，它是限定粒径 d 60与有
效粒径 d10的比值。
? 式中,Cu─土的不均匀系数； d10─有效粒径，在累积曲线上，累
积含量为 10%所对应在横坐标上的粒径值（ mm）； d 60─限定粒
径，在累积曲线上，累积含量为 60%所对应在横坐标上的粒径值
（ mm）。
10
60
d
dC
u ?
（ 4-24）
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? 不均匀系数 Cu可反映土的粗细情况和级配情况,Cu值越大，曲线
越平缓，表明土粒大小分布范围大，土的级配良好； Cu值越小，
曲线越陡，表明土粒大小相似，土的级配不好。一般认为 Cu＜ 5
时，属于均粒土，其级配不良； Cu≥5的土为不均粒土，级配良好。
在实际工作中，仅用 Cu来判别土粒级配的好坏是不够的，还必须
分析曲率系数 Cc。
? ② 曲率系数 Cc
6010
2
30 )(
dd
dC
c ?
（ 4-25）
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? 式中,Cc─累积曲线的曲率系数； d 30─在累积曲线上，累积含量
为 30%所对应在横坐标上的粒径值（ mm）；
? Cc值越高，表明土的均匀程度高；反之，均匀程度低。在工程中，
常利用累积曲线法及其中的两个指标来判定土的级配优劣情况。
根据工程经验，只有同时满足 Cu≥5和 Cc=1～ 3这两个条件时，
土才为级配良好的，否则为级配不良的土。
? 3,三角坐标法
? 三角坐标法是一种图示法。利用等边三角形中任意一点至三边的
垂线之和恒等于三角形之高的原理来表示粒度成分。
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第四节 土的工程分类与野外鉴别
? 一、土的分类原则和分类方法
? 1．分类原则
? 粗粒土按粒度成分及级配特征；细粒土按塑性指数和液限，即塑
性图法；有机土和特殊土则分别单独各列为一类；对定出的土名
给以明确含义的文字符号，既可一目了然，又可便于查找，还可
为计算机检索土质试验资料提供条件。
? ① 土类名称可用一个基本符号表示。
? ② 当由两个基本代号构成时，第一个代号表示土的主成分，第
二个代号表示副成分。
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? ③ 当由三个基本代号构成时，第一个代号表示土的主成分，第
二代号表示液限高低或级配的好坏，第三个代号表示土中所含次
要成分。
? 2．分类方法
? 土的分类方法有, 公路桥涵地基与基础设计规范, 法和, 公路土
工试验规程, 法。
? 二,,公路土工试验规程, 中土的分类
? 1．工程土分类的总体系
? 2．巨粒土分类
? 3．粗粒土分类
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? 4．细粒土分类
? 三、按塑性图分类
? 塑性图：是在土的颗粒级配和塑性的基础上，以土的塑性指数 IP
为纵坐标，以液限 wL（ %）为横坐标的直角坐标图式 。
? 四,土的野外鉴别
? （一）野外现场记录及鉴别简易试验方法
? 1．土的现场记录
? 2．土的简易鉴别方法
? ⑴ 手搓试验； ⑵ 手捻试验； ⑶ 干强度试验；
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? ⑷ 韧性试验； ⑸ 摇震试验；
? （二）野外对土的基本描述和鉴别
? 1．对土的基本描述
? 2．土的野外鉴别
? ⑴ 碎石类土和砂类土野外鉴别
? ⑵ 碎石类土密实程度鉴别
? ⑶ 砂类土潮湿程度野外鉴别
? ⑷ 粘性土的野外鉴别
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第四章 土的工程性质
? 土是地壳表层的物质，在长期风化、搬运、磨蚀、沉积作用
的过程中，形成大小不等，未经胶结的一切松散物质。土的总体
特征是颗粒与颗粒之间的连接强度较土粒本身强度低，甚至没有
连接性。根据土粒之间有无连接性，大致可将土分为砂类土（砾
石、砂）和粘性土两大类 。
? 土从外观颜色看较为复杂，但以黑、红、白为基本色调。颜
色是土颗粒成分的直接反映，黑色是由所含的有机物的腐化染色
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第一节 土的三相组成
? 土的三相组成是指土由固体土粒、液体水和气体三相组成。土中
的固体矿物构成土的骨架，骨架之间贯穿着大量孔隙，孔隙中充
填着液体水和气体。
? 一、土中固体颗粒
? 1.土的矿物组成
? 2.土的颗粒形状
? 二,土中的水
? 三,土中气体
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? 土中固体颗粒是土的三相组成中的主体，主要由矿物组成，
不同的矿物成分组成对土的物理性质有着不同的影响。组成土的
矿物质主要有原生矿物和次生矿物。
? ⑴ 原生矿物：主要的是石英，其次是长石、云母等。这类矿物
的化学性质稳定，具有较强的抗水和抗风化能力，亲水性差。
? ⑵ 次生矿物：这类矿物比较复杂，对土的物理性质影响较大。
次生矿物可分为可溶性和不溶性。
? 可溶性次生矿物化，根据其溶解的难易程度又可分为易溶的、
中溶的和难溶的三类。不溶性次生矿物多系风化残余物及新生成
的粘土矿物质。除上述矿物质外，土中还常含有机质土。
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? 土的颗粒形状对土的密度和稳定性有着显著的影响。在
描述土粒的形状时，我们常用两个指标：浑圆度和球度。
? 1,浑圆度：反映土粒尖角的尖锐程度的。
? 式中,ri ── 土颗粒突出角的半径；
R ── 土颗粒的内接圆半径；
N ── 土颗粒尖角的数量。
NRr iN
i
/)(浑圆度
1??
? （ 4-1）
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? 2,球度：
? 式中,Dd ── 在扁平面上与土粒投影面积相等
的圆的半径；
? Dc ── 最小外接圆半径。
? 3,体积系数 VC：
? 式中,V ─土粒体积； dm ─土粒的最大直径。
c
d
D
D?球度 （ 4-2）
3
6
md
VVC
??
（ 4-3）
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? VC愈小,土粒离圆体愈远。圆球体 VC=1；立方体 VC=0.37；棱角
体土粒 VC更小。
? 4,形状系数 F：
? 式中,A,B,C 分别为土粒的最大、中间、最小尺寸。
AB
BCF
/
/? （ 4-4）
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? 土中的水以不同的形式和不同的状态存在，它们对土的工程性质
的起着不同的作用和影响。土中的水按其工程地质性质可分为：
? 1,结构水
? 2,自由水
? （ 1）毛细水
? （ 2）重力水
? 3,气态水
? 4,固体水
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? 土中气体指土固体矿物之间的孔隙中，没有被水充填的部分。土
的含气量与含水量有密切关系。
? 土中气体可分为自由气体和封闭气泡两类。自由气体与大气相连
通，通常在土层受力压缩时即逸出，对土的工程性质影响不大；
封闭气泡与大气隔绝，对土的工程性质影响较大，在受外力作用
时，随着压力的增大，这种气泡可被压缩或溶解于水中，压力减
小时，气泡会恢复原状或重新游离出来。若土中封闭气泡很多时，
将使土的压缩性增高，渗透性降低。土质学与土力学中将这种含
气体的土称为非饱和土。
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第二节 土的物理性质
? 土的物理性质是指土的各组成部分（固相、液相和气相）的数量
比例、性质、排列方式等所表现的物理状态，是土最基本的工程
性质。
? 一,土的密度
? 二,土与水的关系
? 三,土的孔隙性结构指标
? 四,土的物理性质指标间的相互关系
? 五,土的压实
? 六,粘性土的界限含水量
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? 土的密度是指土的总质量与土的总体积的比值。根据孔隙中含水
的情况可将土的密度分为天然密度（ ρ）、干密度（ ρd）、饱和
密度（ ρf）。
? 1,天然密度：也称湿密度，指天然状态下土的单位体积的质量。
? 式中,ρ ─土的天然密度； m,v─土的总质量和总体积（ cm3）；
ms,mw─土的颗粒质量和土水分质量 g。
? 土的天然密度一般在 1.6～ 2.2 g/cm3之间，通常用环刀法、灌砂
法测定。
V
mm
V
m ws ???? （ 4-5）
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? 2,干密度（ d）：是指干燥状态下单位体积土的质量，土中固体
土粒的质量与土的体积的比值。
? 式中,d ─干密度（ g/cm3）。
? 土的干密度实际上是土中完全不含水分的密度，它是土密度的最
小值。土的干密度与土中所含土粒质量的多少有关，也就是与土
结构的紧密程度有关，间接与土粒的矿物成份相关。因此，土的
结构影响着干密度的值，干密度值越大，土越密实。所以干密度
在一定程度上反映了土粒排列的紧密程度，在工程中常用它作为
压实的控制指标。
V
m s
d ??
（ 4-6）
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? 3,饱和密度（ ρf ）：是指土的孔隙中全被水充满的情况下单位体
积土的质量。即土粒的质量（ ms）及孔隙中充满水的质量 (mw)之
和与土的总体积（ V）的比值。
? 式中,ρf ─土的饱和密度（ g/cm3）； mw ─土的孔隙中充，满
水的质量（ g）； Vn─孔隙的体积（ cm3）； w─水的密度
（ g/cm3）；
? 土中孔隙体积小，土粒密度大，土的饱和密度就大，反之则小。
V
mm ws
f
??? 或
V
Vm wns
f
?? ?? （ 4-7）
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? 4,相对密度（ Gs）
? 指土固体物质本身的密度。即土在 105～ 110℃ 下烘至恒重时的
质量与同体积 4℃ 时蒸馏水质量的比值。
? 式中,Gs ─土粒的相对密度（ g/cm3）；
mw─4℃ 时同体积蒸馏水的质量（ g）；
土粒相对密度只与组成土粒的矿物成分有关，而与土的孔隙
大小及其所含水分多少无关。
wS
s
w
s
S V
m
m
mG
???
（ 4-9）
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? 1,含水量（ w）
? 含水量指土中所含水分的质量与干土颗粒质量的比值，用百分数
表示。
? 式中,w───土的含水量（ %）；
? 土的含水量愈大，表明土中的水分也愈多。通常用烘干法或酒精
燃烧法直接测定。土中所含水分多少的不同所表现出的工程性质
各不相同。
100??
s
w
m
mw （ 4-10）
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? 2,土的饱和含水量（ wmax）
? 土的饱和含水量是假定土中的孔隙全部被水充满，达到饱和状态
时的含水量。即土的孔隙中充满水分的质量与干土颗粒质量的比
值，用百分数表示：
? 式中,wmax─土的饱和含水量（ %）；
? 饱和含水量实质上就是用水的数量来表示土中孔隙体积的大小，
即 Vn=mw。
100m a x ??
s
wnmVw ? （ 4-11）
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? 3,土的最佳含水量（ w佳 ）
? 土的最佳含水量是指土在标准击实试验条件下，能达到最大干密
度时的含水量。一般通过土的击实曲线得到，或利用相关物理指
标导出。
? 4,土的饱和度（ Sr）
? 饱和度是土中天然含水量的体积（ Vw）与土的全部孔隙体积（ Vn）
的比值，用百分数表示。
? 或者，用天然含水量 w和饱和含水量 wmax的比值来表示：
1 0 0??
n
Wr
V
VS （ 4-12）
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? 式中,─土的饱和度（ %）；
? 饱和度是用来描述土中水充满孔隙的程度,Sr=0为完全干燥土，
属二相系（固、气）； Sr=1为完全饱和土属二相系（固、液）；
Sr介于 0～ 1之间，按照天然砂性土所含水分的多少，可将砂性土
划分为三个状态：
? 稍湿的,0≤Sr≤50%很湿的,50%＜ Sr≤80%饱和的,80%＜ Sr＜
100%
1 0 0
m a x
?? w wS r （ 4-13）
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? 土不是致密无隙的固体，在土颗粒间存在着较多的孔隙。土的孔
隙性是指孔隙的大小、形状、数量及连通情况等特征。土的孔隙
性决定于土的粒度成份和土的结构，即土粒排列的松紧程度。
? 1,孔隙比（ e）：指土中孔隙的体积（ Vn）与土粒的体积（ Vs）
的比值。
? 式中,e─土的孔隙比
? 一般在天然状态下的土，若 e＜ 0.6可认为是工程性质良好的土，
若 e＞ 1是工程性质不良的土。
s
n
V
Ve ? （ 4-14）
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? 2,孔隙度（ n）
? 在天然状态下，土中的孔隙体积与整个土体积的比值，称为孔隙
度或孔隙率，用百分数表示：
? 孔隙率与孔隙比之间存在着下述换算关系：
? n 与 e都是反映孔隙性的指标，但在应用上有所不同。凡是用于
与整个土的体积有关的测试时，一般用 n 较为方便；但若要对比
一种土变化状态时则用 e较为准确。
100?? VVn n （ 4-15）
e
en
?? 1 （ 4-16）
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? 3,砂类土的相对密实度（ Dr）
? 相对密实度是反映砂类土在天然状态下松密程度的指标，数值上
它等于砂土在最疏松状态和天然状态下孔隙比之差与最疏松状态
和最密实状态下孔隙比之差的比值，即：
? 式中,Dr ─相对密实度；
? e ─土的天然孔隙比；
? emin ─最密实状态的孔隙比；
? emax ─最疏松状态的孔隙比。
m ix
r ee
eeD
?
??
m a x
m a x
（ 4-17）
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? 上式也等价为：
? 式中,Dr ─相对密实度；
? ρd ─土的干密度；
? ρd min─最疏松状态土的干密度；
? ρd max ─最密实状态土的干密度。
? 相对密实度可以用来判断砂性土的密实状态及其是否有压密的可
能性。当 Dr=1时，土体为密实的； Dr=0时，土为最疏松状态，
在外力作用下，土体的压缩性很大。按 Dr的大小，砂性土可分为
4种状态 。
ddd
dddrD
???
???
)(
)(
m inm a x
m a xm in
?
?? （ 4-18）
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? 前面介绍的土的物理性质指标实际上是土的固相、液相和气相在
质量和体积方面不同组合上所构成的不同比值，即三者之间的质
量与质量、质量与体积、体积与体积相互组成不同性质的指标。
在工程地质检测中，只有准确地掌握了这些概念，才能正确地评
价土质。
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? 五、土的压实
? 路基是公路组成的重要部分，它与路面共同承受来自行车荷载和
自然因素的作用，所以要求路基具有足够的强度和稳定性。
? 1、路基压实的评定指标
? 土是由三相体组成的，它们具有各自的特性，相互制约，共同存
在于统一的土体中，构成土体的各种物理性质 ——滲 透性、粘滞
性、压缩性、弹性、塑性和力学性质等。而土体中三相在体积和
重量上的比例关系，既是评价土的工程性质又是影响土压实性能
的重要因素。
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? 一般的说土的干密度 ρd越大，土体越密实，土体的强度和承载力
愈高。而提高土体的干密度则需改变土的三相组成比例，用压实
机械对填土路基碾压就是改变土的三相组成比例，增加单位体积
内固体颗粒百分含量，减少孔隙率。即通过碾压使土体达到：
? ⑴ 连接的土重新排列靠近，单位重量增加，粘结力增大，土体
强度提高。
? ⑵ 通过压实使土粒外表的水膜减至更薄，增加内聚力，提高土
体抗剪强度。
? ⑶ 通过压实将土壤孔隙中的空气挤出，减小孔隙率，增大土的
密度，提高土体的水稳定性和减少冻胀而引起的不均匀变形。
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? 实践中常用压实度来表示土基压实的好坏，所谓压实度是指路基
土压实后的干密度与该土的标准干密度之比，并用百分数表示。
即：
? 式中,K ─土基压实度,% ； ρd ── 压实后的干密度,g/cm3；
ρm ── 最大干密度（或称标准干密度）,g/cm3。
? 2、标准干密度的确定方法
? 根据交通部, 公路土工试验规程, 规定，对细粒土、含砾土
等的标准干密度（最大干密度）采用标准击实试验确定，同时亦
可得出相应的最佳含水量。
100??
m
dK
?
? % （ 4-19）
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? 粘性土最主要的物理特性是土粒与土中水相互作用产生的稠度，
即土的软硬程度或土对外力引起变形或破坏的抵抗能力。
? 粘性土的稠度，反映土粒之间的联结强度随着含水量高低而变化
的性质。粘性土在不同的稠度时所呈现的固态、半固态、塑态、
液态称为稠度状态。由于含水量的变化，粘性土可从一种稠度状
态转变为另一种稠度的界限，称为稠度界限。由于稠度界限是用
含水量表示的，又称界限含水量。
? 1．液限 wL(%)：液限又称塑性上限或液限下限，是指粘性土由
可塑状态转变为流动状态时的分界含水量。测定方法：液塑限联
合测定
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? 2．塑限 wP（ %）：塑限又称塑性下限,是可塑状态与半干硬状态
之间的界限含水量。测定方法：液塑限联合测定或滚搓法
? 3．塑性指数 IP,粘性土自可塑状态起，逐渐增加含水量到滞流状
态出现时止，若增加的含水量幅度大，说明该粘性土的吸水能力
很强，有较大的保持塑限状态的能力，我们称这样的粘性土具有
高塑性；如果由可塑状态转变到滞流状态所增加的含水量很小，
就称这一类粘性土为低塑性。粘性土塑性的高低，通常用塑性指
数 Ip表示，即塑性指数大的粘性土具有较高塑性，塑性指数小的
粘性土具有较低塑性。在数值上，塑性指数等于液限与塑限之差。
? IP = wL – wP （ 4-20）
? 塑性指数是反映粘性土中粘粒和胶粒含量的一个重要指标，塑性
指数大的粘性土，表明土中粘粒和胶粒多。
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? 4．液性指数 IL
? 土的天然含水量在一定程度上反映土中水的多少，但天然含水量
并不能说明土处于什么物理状态，因此还需要一个能够表示天然
含水量与界限含水量关系的指标，即液性指数 IL。
? 式中,IL─土的液性指数； wL─土的液限； wP─土的塑限。
? 对于某种粘性土，其液限 wL和塑限 wP都是一定值，土的天然含
水量越大，液性指数越大，土越稀软。
pL
p
p
p
L ww
ww
I
wwI
?
???? （ 4-21）
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第三节 土的颗粒级配
? 自然界的土，作为组成土体骨架的土粒，大小悬殊，性质各异。
工程上常把组成土的各种大小颗粒的相互比例关系，称为土的粒
度成分。土的粒度成分如何，对土的一系列工程性质有着决定性
的影响，因而它是工程地质研究主要内容之一。
? 一,粒组的划分
? 二,粒度成分的分析方法
? 三,粒度成分的表示方法
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? 土的粒度，是指土颗粒的大小，以粒径表示，通常以 mm为单位。
土粒由粗到细，粒径尺寸相差非常悬殊，为了研究方便，将一定
范围大小土粒合并成一组，将土粒由粗到细划分为若干段，每一
段规定一个粒径尺寸范围，称为粒组。每个粒级的区间内，常以
其粒径上、下限给粒组命名。
? 从工程地质角度看,划分原则为：
? ⑴ 应符合量变到质变的规律。以 2mm粒径为土粒有无毛细水的
界限；以 0.074mm粒径为土粒有无水连结和有无粘着力的界限；
以 0.002mm粒径为土粒有无粘着力的界限。
? ⑵ 应与现代粒度分析水平相适应，粒径大于 0.074mm的土粒，
可用筛析法进行颗粒分析；粒径小于 0.074mm的土粒，可采用静
水沉降法进行颗粒分析，
? ⑶ 粒组的界限值服从数学规律，便于记忆。
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? 二、粒度成分的分析方法
? 以般天然土都由若干个粒组组成，它所包含的各个粒组在土的全
部质量中各自占有的比例，称为粒度成分。
? 1.筛析法：将土样通过一组标准筛，对于通过某一筛孔的土粒，
可以认为其粒径恒小于该筛的孔径，反之，遗留在筛上的颗粒，
可以认为其粒径恒大于该筛孔径，这样即可把土样的大小颗粒按
筛孔大小逐级加以分组和分析。
? 2.沉降分析法：基本原理是 0.002～ 0.02mm粒径的土在水或液体
中靠自重下沉时应作等速运动，运动的规律符合司笃克斯定律。
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? 司笃克斯定律认为土粒越大，在静水中沉降的速度越快，反之土
粒越小，沉降速度越慢。设土粒为圆球形颗粒，在无限大的水中
沉降，它在重力作用下产生的稳定沉降速度为 v，则粒径与沉降
速度的平方根成正比。
? 式中,v─球形颗粒在液体中的稳定沉降速度（ m/s）； R─球形颗
粒的半径（ m）； ρs,ρs ─颗粒及液体的密度（ N/m3）； η─液体
的动力粘度（ Pa.s）。
?
?? WSRv ?? 2
9
2 （ 4-22）
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? 经过试验分析，知道了土样中各粒组的相对含量之后，就可用一
定的方法将它表示出来。
? 1．表格法
? 2．累积曲线法
它是一种比较完善的图示方法。通常用半对数坐标纸绘制，
以土粒粒径尺寸的常用对数作为横坐标，小于某一粒径尺寸的粒
组累计相对含量的百分数为纵坐标，将经过筛分法或沉降法所得
到的粒度成分分析结果，绘制在这个半对数坐标纸上，就得到了
粒度成分的累积曲线
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? 从累积曲线图上可以看出：曲线平缓，表明土的粒度成分混杂，
大小粒组都有，各粒组的相对含量都差不多；曲线坡度较陡，表
明土粒比较均匀，斜率最大线段所包括的粒组，在土样中的含量
最多，成为具有代表性的粒组。
? （ 1）累积曲线的用途
? ① 从累种曲线的形态及分布的粒组区间可判断土的粒度成分的
级配特征。
? ② 利用累积曲线可以求得有关土粒的级配指标：不均匀系数 Cu
和曲率系数 Cc。
? ③ 通过累积曲线可以查知各粒组的相对含量，给土进行命名。
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? （ 2）土粒的级配指标
? ① 不均匀系数 Cu
? 不均匀系数反映大小不同组的分布情况，它是限定粒径 d 60与有
效粒径 d10的比值。
? 式中,Cu─土的不均匀系数； d10─有效粒径，在累积曲线上，累
积含量为 10%所对应在横坐标上的粒径值（ mm）； d 60─限定粒
径，在累积曲线上，累积含量为 60%所对应在横坐标上的粒径值
（ mm）。
10
60
d
dC
u ?
（ 4-24）
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? 不均匀系数 Cu可反映土的粗细情况和级配情况,Cu值越大，曲线
越平缓，表明土粒大小分布范围大，土的级配良好； Cu值越小，
曲线越陡，表明土粒大小相似，土的级配不好。一般认为 Cu＜ 5
时，属于均粒土，其级配不良； Cu≥5的土为不均粒土，级配良好。
在实际工作中，仅用 Cu来判别土粒级配的好坏是不够的，还必须
分析曲率系数 Cc。
? ② 曲率系数 Cc
6010
2
30 )(
dd
dC
c ?
（ 4-25）
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? 式中,Cc─累积曲线的曲率系数； d 30─在累积曲线上，累积含量
为 30%所对应在横坐标上的粒径值（ mm）；
? Cc值越高，表明土的均匀程度高；反之，均匀程度低。在工程中，
常利用累积曲线法及其中的两个指标来判定土的级配优劣情况。
根据工程经验，只有同时满足 Cu≥5和 Cc=1～ 3这两个条件时，
土才为级配良好的，否则为级配不良的土。
? 3,三角坐标法
? 三角坐标法是一种图示法。利用等边三角形中任意一点至三边的
垂线之和恒等于三角形之高的原理来表示粒度成分。
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第四节 土的工程分类与野外鉴别
? 一、土的分类原则和分类方法
? 1．分类原则
? 粗粒土按粒度成分及级配特征；细粒土按塑性指数和液限，即塑
性图法；有机土和特殊土则分别单独各列为一类；对定出的土名
给以明确含义的文字符号，既可一目了然，又可便于查找，还可
为计算机检索土质试验资料提供条件。
? ① 土类名称可用一个基本符号表示。
? ② 当由两个基本代号构成时，第一个代号表示土的主成分，第
二个代号表示副成分。
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? ③ 当由三个基本代号构成时，第一个代号表示土的主成分，第
二代号表示液限高低或级配的好坏，第三个代号表示土中所含次
要成分。
? 2．分类方法
? 土的分类方法有, 公路桥涵地基与基础设计规范, 法和, 公路土
工试验规程, 法。
? 二,,公路土工试验规程, 中土的分类
? 1．工程土分类的总体系
? 2．巨粒土分类
? 3．粗粒土分类
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? 4．细粒土分类
? 三、按塑性图分类
? 塑性图：是在土的颗粒级配和塑性的基础上，以土的塑性指数 IP
为纵坐标，以液限 wL（ %）为横坐标的直角坐标图式 。
? 四,土的野外鉴别
? （一）野外现场记录及鉴别简易试验方法
? 1．土的现场记录
? 2．土的简易鉴别方法
? ⑴ 手搓试验； ⑵ 手捻试验； ⑶ 干强度试验；
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? ⑷ 韧性试验； ⑸ 摇震试验；
? （二）野外对土的基本描述和鉴别
? 1．对土的基本描述
? 2．土的野外鉴别
? ⑴ 碎石类土和砂类土野外鉴别
? ⑵ 碎石类土密实程度鉴别
? ⑶ 砂类土潮湿程度野外鉴别
? ⑷ 粘性土的野外鉴别
