土的物理性质第五章讲解

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1、第五章 土的物理性质 学习要求： 了解土的成因和三相组成，掌 握土的物理性质和物理状态指标的 定义、物理概念、计算公式和单位 。要求熟练地掌握物理指标的三相 换算。了解地基土的工程分类依据 与准确定名。 基本内容： 1.1 土的形成与特征 1.2 土的三相组成 1.3 土的物理性质指标 1.4 土的物理状态指标 第一节 土的物理性质 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

2、据试验测定的指标换算 的；如孔隙比，孔隙率和饱和度等。 一、土的基本物理性质 （一）土粒相对密度(particle density) 土粒密度是指固体颗粒的质量ms与其体积 Vs之比；即土粒的单位体积质量： g/cm3 土粒密度仅与组成土粒的矿物密度有关， 而与土的孔隙大小和含水多少无关。实际 上是土中各种矿物密度的加权平均值。 很重 要 砂土的土粒密度一般为：2.65 g/cm3左右 粉质砂土的土粒密度一般为：2.68g/cm3 粉质粘土的土粒密度一般为： 2.682.72g/cm3 粘土的土粒密度一般为：2.72.75g/cm3 土粒密度是实测指标！ 记住范围 （二）土的重力密度 土的密度

3、是指土的总质量m与总体积V之比 ，也即为土的单位体积的质量。其中： V=Vs+Vv; m=ms+mw 按孔隙中充水程度不同，有天然密度，干 密度，饱和密度之分。 天然状态下土的密度称天然密度，以下式 表示： 土的密度取决于土粒的密度，孔隙体积 的大小和孔隙中水的质量多少，它综合反映 了土的物质组成和结构特征。 砂土一般是.4 g/cm3 粉质砂土及粉质粘土.4 g/cm3 粘土为.4 g/cm3 泥炭沼泽土：.4 g/cm3 土的密度可在室内及野外现场直接测定 。室内一般采用“环刀法”测定，称得环刀内 土样质量，求得环刀容积；两者之比值。 2干密度 土的孔隙中完全没有水时的密度，称干 密度；是

4、指土单位体积中土粒的重量，即 ：固体颗粒的质量与土的总体积之比值。 干密度反映了土的孔隙生，因而可用以 计算土的孔隙率，它往往通过土的密度及 含水率计算得来。 在工程上常把干密度作为评定土体紧密 程度的标准，以控制填土工程的施工质量 。 3饱和密度（saturatio density） 土的孔隙完全被水充满时的密度称为饱 和密度。即，土的孔隙中全部充满液态水 时的单位体积质量，可用下式表示： 土的饱和密度的常见值为1.82.30 g/cm3 （1）浮密度 土的浮密度是土单位体积中土粒质量与 同体积水的质量之差，即 =(ms-vsw)/V或 可见：同一种土在体积不变的条件下， 它的各种密度在数值

5、上有如下关系： （三）土的含水性 土的含水性指土中含水情况，说明土的干 湿程度。 1含水率（含水量） 土的含水量定义为土中水的质量与土粒质 量之比，以百分数表示，即 室内测定：一般用“洪干 法”，先称小块原状土样的 湿土质量，然后置于烘箱内 维持100105摄氏度烘至恒 重，再称干土质量，湿、干 土质量之差与干土质量的比 值就是土的含水量。 天然状态下土的含水率称土的 天然含水率。一般砂土天然含水率 都不超过40%，以1030%最为常见 ；一般粘土大多在1080%之间，常 见值2050%。 土的孔隙全部被普通液态水充满时的含水 率称饱和含水率 2饱和度 定义为：土中孔隙水的体积与孔隙体积之 比

6、，以百分数表示，即 饱和度愈大，表明土中孔隙中充水愈多， 它在0100%；干燥时Sr=0。孔隙全部为水 充填时，Sr=100%。 工程上Sr作为砂土湿度划分的标准。 Sr 80% 饱和的 工程研究中，一般将Sr大于95%的天然粘 性土视为完全饱和土；而砂土Sr大于80% 时就认为已达到饱和了。 （四）土的孔隙性 孔隙性指土中孔隙的大小，数量、形状、 性质以及连通情况。 1孔隙率（porosity）与孔隙比(void ratio) 孔隙率（n）：是土的孔隙体积与土体积之 比，或单位体积土中孔隙的体积，以百分 数表示，即： 孔隙比：定义为土中孔隙体积与土粒体积 之比，以小数表示，即 孔隙比和孔隙率

7、（度）都是用以表示孔隙 体积含量的概念。两者有如下关系： 2砂土的相对密度 对于砂土，孔隙比有最大值与最小值，即 最松散状态和最紧密状态的孔隙比。 ：一般采用“振击法”测定； ：一般用“松砂器法”测定。 砂土的松密程度还可以用相对密度来评价 ： 砂土按相对密度分类： 疏松的 中密的 密实的 Dr在工程上常应用于： （1）评价砂土地基的允许承载力 ； （2）评价地震区砂体液化； （3）评价砂土的强度稳定性。 例题：某天然砂层，密度为1.47g/cm3，含 水量13%，由试验求得该砂土的最小干密 度为1.20g/cm3；最大干密度为1.66 g/cm3 ；问该砂层处于哪种状态？ （五）基本物理性质

8、指标间的相互关系 1、孔隙比与孔隙率的关系 2、干密度与湿密度和含水量的关系 3、孔隙比与比重和干密度的关系 4、饱和度与含水量，比重和孔隙比的关系 例题：某原状土样，经试验测得天然密度 含水量w=12。9%，土粒比重Gs=2.67，求 孔隙比e，孔隙度n和饱和度Sr。 解：绘三相草图 （1）设土的体积V=1.0cm3 根据密度定义得： （2）根据含水量定义得： 从三相图可知： （3）根据土粒比重定义：土粒的质量与同 体积纯蒸馏水在4摄氏度时质量之比， （4） （5）从三相可知 （6）根据孔隙比定义： （7）根据孔隙度定义： （8）根据饱和度定义： 例题薄壁取样器采取的土样，测出其体 积V与重

9、量分别为 38.4cm3和67.21g，把土 样放入烘箱烘干，并在烘箱内冷却到室温 后，测得重量为49.35g。试求土样的（天 然密度）， d（干密度），w（含水量） ，e（孔隙比），n（孔隙率），饱和度。 （Gs=2.69） 解 ： . 第二节 土的水理性质 一、粘性土的稠度（consistency）和塑性 (plasticity) （一）稠度与液性指数 粘性土的物理状态常以稠度来表示。 稠度的涵义是指土体在各种不同的湿度 条件下，受外力作用后所具有的活动程度 。 稠度：是指土因水多少而表现的稀稠程 度。用来表示粘性土在不同含水量时，土 粒所具有的活动性和土体抵抗外力的能力 。 稠度状态：粘

10、性士在各种不同含水量时 所呈现的物理状态，如固态、塑态、液态 等。 稠度界限和界限含水量：粘性土随着 含水量的变化，从一种稠度状态变为另一 种稠度状态，标志这种状态之间的转变界 限叫作稠度界限。因为这是由于含水量不 同所引起的，故常用含水量来表示，称为 界限含水量。 应该指出粘性土在相邻的两个稠度状 态之间，是既有区别叉是逐渐过渡的，也 就是说根据含水量的不同，除了可以将土 区分为固态、塑态、液态等几个基本状态 外，还能作进一步的细分。 粘性土随着含水量的不同，在稠度方面所 发生的变化及有关特征，可概括如表(55)所 述 (二)塑性及其指标 塑性是指土在外力作用下可以塑 造成任何形状而不破坏其

11、整体性，并 且当外力取消后仍能保持已有的形状 之性能。一般只有粘性土才具有这种 特性，故将粘性土对叫作塑性土。 从表(55)中可看出，粘性土呈塑性状 态是有条件的，即只有当土中的含水量达 到某一既定值(塑限和液限之间)时才会呈 现塑性状态，而这个定值大小对不同类型 的粘性土又是不同的。 1、液限又称流限或叫塑性上限或称流 动下限：粘性土由塑性状态转变成流动状 态时的界限含(W)越大，液性指数(IL)越大 ，土也就越软越稀，强度越低且越容易 变形；反之则反。 由于液性指数反映了土的天然含水量、 稠度状态及工程地质性质，因此在工程实 践中，亦常用。 液性指数IL（即稠度指标B）来表示： 式中：W天

12、然含水量 Wl液限含水量 Wp塑限含水量 （三）塑性和塑性指数（plasticity index） 塑性的基本特征： （1）物体在外力作用下，可被塑成任何形 态，而整体性不破坏；即不产生裂隙。（2 ）外力除去后，物体能保持变形后的形态 ，而不恢复原状。 粘性土具有塑性，砂土 没有塑性，故粘性土又称塑 性土，砂土称非塑性土。 在岩土工程中常用二个界限含水量（又 称Atterberg界限，瑞典土壤学家，1911年 ）表示粘性土的塑性。 （1）、塑性下限或称塑限：是半固态和 塑态的界限含水量，它是使土颗粒相对位 移而土体整体性不破坏的最低含水量。 （2）、塑性上限或称液限：即塑态与流 态的界限含水量

13、，也即是强结合水加弱结 合水的含量。 二个界限含水量的差值为塑性指数 (plasticity index)，即：Ip=WLWp 塑性指数表示粘性土具有可塑性 的含水量变化范围，以百分数表示。 塑性指数数值愈大，土的塑性愈强， 土中粘粒含量越多。 例题：从某地基取原状土样，测的土的 液限为37.4%，塑限为23.0%，天然含水量 为26.0%，问地基土处于何种状态？ 解： 已知：Wc=37.4 Wp=23.0 W=13 该地基土处于硬塑状态 （四）影响粘性土可塑性的因素 1、矿物成分 2、有机质含量对土的可塑性有明显的 影响 3、土中的可溶盐 4、粒度成分对粘性土可塑性的影响 5、孔隙溶液的化学

14、成分，浓度和PH 值对可塑性的影响 1、矿物成分 （1）土的矿物成分不同，其晶格构造各 异，对水的结合程度不一样；例如：蒙脱 石具 有较大的可塑性。 （2）矿物成分决定着颗粒的形状与分散 程度。只有片状结构的矿物破坏后才表现 出可塑性。例如：黑云母，绿泥石，高岭 石等。 （3）矿物成分还影响着土的分散程度； 2、有机质含量对土的可塑性有明显的影 响 表层土含有机质较多，因有机质的分散 度较高，颗粒很细，比表面积大，当有机 质含量高时，无论液限值或塑限值均较高 。 3、土中的可溶盐类溶于水后，改变了 水溶液的离子成分和浓度，从而影响扩散 层厚度的变化，导致土的可塑性的增强或 减弱。 4、粒度成分对粘性土可塑性的影响 主要取决于土中粘粒含量的多少；粘粒 含量愈多，分散程度愈高，具有较大的可 塑性。 5、孔隙溶液的化学成分，浓度和PH值 对可塑性的影响，是通过电位、扩散层的 厚度的影响表现出来的。 （五）粘性土的活性指数 粘性土的粘性和可塑性被认为是由颗粒 表面的吸着水引起的。因此，塑性指数的 大小在一定程度上反映了颗粒吸附水能力 的强弱。 通过试验发现：对给定的土，其塑性指数 与小于0.002mm颗粒的含量成正比，并建 议用活性指标来衡量土内粘土矿物吸附水 的能力。 其定义为： 颗粒的含量 其中： A活性指数或亲水性指数。 根据活性指标的