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1、土的物理性质概述 岩石 风化（物理、 化学）作用 岩石破碎 化学成分改变 搬运 沉积 大小、形状和 成分都不相同 的松散颗粒集 合体（土） 土 固相 液相 气相 土中颗粒的大小、成分及三相 之间的相互作用和比例关系， 反映出土的不同性质 2.1 概述 2.2 土的成因和组成 l一、土的组成 1.土粒的矿物成分 原生矿物 由岩石经过物理风化形成，其矿物成分与母岩相同 特征： 矿物成分的性质较稳定，由其组成的土具有 无粘性、透水性较大、压缩性较低的特点 例：石英、云母、长石等 l（一）土的固体颗粒 次生矿物 特征： 岩石经化学风化后所形成的新的矿物，其成分 与母岩不相同 例：粘土矿物有高岭石、伊利
2、石、蒙脱石等 性质较不稳定，具有较强的亲水性， 遇水易膨胀的特点 2.土粒粒组 粒度：土粒的大小 粒组：大小、性质相近的土粒合并为一组 界限粒径：划分粒组的分界尺寸 蒙 脱 石 粒组划分示意图 粘粒粉粒砂粒圆粒碎石块石 0.0050.075260 200 巨粒 粗粒细粒 3.土的颗粒级配 定义：通常以土中各个粒组的相对含量（即各粒组占土粒 总量的百分数）来表示，称为土的颗粒级配 试验方法 筛分法：适用于0.075mmd60mm 比重计法:适用于d0.075mm 表格法 10-22-0.05 0.05- 0.005 0.005 A09910 B066304 C445600 表示方法 表格法 颗粒
3、级配曲线法 颗粒粒径级配曲线 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(对数坐标） 颗粒级配的描述 工程上常用不均匀系 数Cu描述颗粒级配的 不均匀程度 d10、d30、d60小于某粒径的 土粒含量为10%、 30%和 60%时所对应的粒径 Cu愈大，表示土粒愈不均 匀。工程上把Cu5的土视 为级配不良的土； Cu10 的土视为级配良好的土 曲率系数Cc描述颗粒级 配曲线整体形态，表明 某粒组是否缺失情况 对于砾类土或砂类土，同时满 足Cu5和Cc=13时，定名为 良好级配砂或良好级配砾 水 固态水 液态水 气态水 结合水 自由水 强结合水 弱结合水 重力水 毛细水 1.土
4、中水的存在形态 受电分子吸引力作用吸 附于土粒表面的土中水 存在于土粒表面电场影 响范围以外的土中水 存在地下水位 以下、土颗粒 电分子引力以 外的水 受到水与空气表面张力 的作用，地下水位以上 的透水层中的自由水 l（二）土中的水 土中毛细现象 上升高度: r2hcw=2rTcos 毛细水 毛细升高与孔径成反比 分析对象: 水柱 粘土、粉土、砂土、砾石 毛细水：是受到水与空气交界面处表面张力作用、存 在地下水位以上的透水层中的水 毛细现象: 土中水在表面张力作用下，沿着细的空隙 向上及向其他方向移动的现象 土中气体存在于土孔隙中未被水占据的部分，分 为与大气连通的非封闭气体和与大气不连通的封
5、 闭气体 1.非封闭气体：受外荷作用时被挤出土体外，对土 的性质影响不大 2.封闭气体：受外荷作用，不能逸出，被压缩或溶 解于水中，压力减小时能有所复原，对土的性质有 较大的影响，使土的渗透性减小，弹性增大和延长 土体受力后变形达到稳定的历时 三、 土中的气体 2.2.2.4 土的冻胀 l（1）冻胀现象：某些细粒土层随着土中水的冻结 ，土体产生体积膨胀，这种现象称为冻胀现象。 l土层发生冻胀的原因，不仅是由于水分冻结成水时 其体积要增大9的缘故，而主要是由于土层冻结时， 周围未冻结区中的水分会向表层冻结区迁移集聚，使 冻结区土层中的水分增加，冻结的水分逐渐增多，土 体积也随之发生膨胀隆起。 l
6、（2）融陷现象：当土层解冻时，土中积聚的冰晶体 融化，土体随之下陷，这种现象称为融陷现象。 l3冻土现象对工程的危害 l（1）冻胀时，路基被隆起，柔性路面鼓包、开裂， 刚性路面错缝或折断； l（2）修建在冻土上的建筑物，冻胀引起建筑物的开 裂、倾斜甚至轻型构筑物倒塌； l（3）发生融陷后，路基土在车辆反复碾压下，轻者 路面变得松软，重者路面翻浆。 l（4）季节性冻土地区，当土层解冻融化后，土层软 化，强度大大降低，使得房屋、桥梁和涵管等发生过 量沉降和不均匀沉降，引起建筑物的开裂破坏。 l因此，冻土现象必须引起注意，并采取必要的防治 措施。 l2.2.3土的结构和构造 在成土过程中所形成的土粒
7、的空间排列及其联结形式 ，与组成土的颗粒大小、颗粒形状、矿物成分和沉积条件 有关 1.单粒结构：粗矿物颗粒在水或空气中在自重作用下沉落 形成的单粒结构，其特点是土粒间存在点与点的接触。根 据形成条件不同，可分为疏松状态和密实状态 密实状态疏松状态 l土的结构 强度大， 压缩性小 土粒易移 动，变形 大 2.蜂窝结构：颗粒间点与点接触，由于彼此之间引力大 于重力，接触后，不再继续下沉，形成链环单位,很多链 环联结起来，形成孔隙较大的蜂窝状结构 3.絮状结构：细微粘粒大都呈针状或片状，质量极轻， 在水中处于悬浮状态。当悬液介质发生变化时，土粒表 面的弱结合水厚度减薄，粘粒互相接近，凝聚成絮状物 下
8、沉，形成孔隙较大的絮状结构 蜂窝结构 絮状结构 l土的构造 土的构造是指在同一土层中的物质成分和颗粒大小等 都相近的各部分之间的相互关系的特征。主要特征是 土的成层性和裂隙性,即层理构造和裂隙构造，二者 都造成了土的不均匀性 1.层理构造：土粒在沉积过程中,由于不同阶段沉积 的物质成分、颗粒大小或颜色不同,而沿竖向呈现出成 层特征 2.裂隙构造：土体被许多不连续的小裂隙所分割,在 裂隙中常充填有各种盐类的沉淀物 2.3 土的物理性质指标 l一、土的三相图 气 水 土粒 msmw m VsVw V Va 质量m 体积V n2.3.1 三个基本试验指标 1.土的密度：单位体积土的质 量 工程中常用
9、重度来表示单位体 积土的重力 重力加速度， 近似取10m/s2 2.土粒相对密度ds（土粒比重） ：土粒质量与同体积的4时纯 水的质量之比 土粒相对密度变化范围不大：细粒土（粘性土）一般2.702.75； 砂土一般为2.65左右。土中有机质含量增加，土粒相对密度减小 Vv 2.3.1 指标的定义 气 水 土粒 msmw m VsVw V Va 质量m 体积V3.土的含水量：土中水的 质量与土粒质量之比，以百分 数表示 土的含水量是标志土含水程度的一个重要物理指标。天 然土层含水量变化范围较大，与土的种类、埋藏条件及 其所处的自然地理环境等有关。 测定方法：通常用烘干法，亦可近似用酒精燃烧法 l
10、2.3.1.3 反映土的孔隙特征、含水程度的指标 气 水 土粒 msmw m VsVw VV Va 质量m 体积V 1.孔隙比e和孔隙率n 孔隙比e ：土中孔隙体积与土 粒体积之比 2.土的饱和度Sr ：土中孔 隙水的体积与孔隙总体积之 比，以百分数表示 饱和度描述土中孔隙被水充满的程度。干土Sr=0,饱和土 Sr=100%。砂土根据饱和度分为三种状态: 孔隙率n ：土中孔隙体积与总 体积之比，以百分数表示 Sr50%稍湿； 50Sr80%很湿； Sr80%饱和 l2.3.2 指标间的换算 气 水 土粒 dsw Vs1 1+e 质量m 体积V 土的三相指标中，土粒比重ds ，含水量和密度是通过
11、试 验测定的，可以根据三个基 本指标换算出其余各指标 Vv=e dsw ds（1）w 推导 ： 换算关系式 ： 2.4 无粘性土的密实度 l一、无粘性土的密实度 土的密实度指单位体积土中固体颗粒的含量。根据土 颗粒含量的多少，天然状态下的砂、碎石等处于从紧密到 松散的不同物理状态。无粘性土的密实度与其工程性质有 着密切关系 1.孔隙比e 孔隙比e可以用来表示砂土的密实度。对于同一种土 ，当孔隙比小于某一限度时，处于密实状态。孔隙比愈 大，土愈松散 2.相对密实度Dr 砂土在天然状 态下孔隙比 砂土在最密实状 态时的孔隙比 砂土在最松 散状态时的 孔隙比 2.5.1、粘性土的界限含水量 粘性土从
12、一种状态转变为另一种状态的分界含水量称为 界限含水量。 四种状态：固态 半固态 可塑状态 流动状态 粘性土就是指具有可塑状态性质的土。 可塑性：土在外力作用下，可塑成任何形状而不发裂， 当外力卸除后仍能保持已有的形状。 含水量对粘性土的工程性质有着极大的影响。 2.5 粘性土的物理特性 2.5.2 粘性土的塑性指数和液性指数 塑性指数IP是液限和塑限的差值(省去%)，即土处在可塑状态的 含水量变化范围 说明：塑性指数的大小取决于土颗粒吸附结合水的能力,即与土 中粘粒含量有关。粘粒含量越多,塑性指数就越高 说明：液性指数表征土的天然含水量与界限含水量间的相对关 系。当IL0时,P,土处于坚硬状态
13、;当IL1时,L,土处 于流动状态。根据IL值可以直接判定土的软硬状态 液性指数IL是粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比 状态 液性指数 坚硬硬塑可塑软塑流塑 IL00IL0.250.25IL0.750.75IL1IL1 2.5.3 粘性土的灵敏度和触变性 1. 粘性土的结构性概念 原状土具有结构性，具有相同的含水量和密度， 经过粉碎/重塑后，变为重塑土，强度降低。 2. 粘性土的灵敏度StSt = 原状土的无侧限抗压强度 重塑土的无侧限抗压强度 相同含水量、密度 含水量不变，密度不变，因重塑而强度降低， 又因静置而逐渐强化，强度逐渐恢复的现象， 称为触变性触变性。 土的触变性是土结
14、构中联结形态发生变化引起 的，是土结构随时间变化的宏观表现。 目前尚没有合理的描述土触变性的方法和指标 。 3. 粘性土的触变性 4. 粘性土的胀缩性、湿陷性、冻胀性 l三、例题分析 n【例】某砂土试样,试验测定土粒相对密度Gs=2.7,含水量 =9.43%,天然密度=1.66/cm3。已知砂样最密实状态时称 得干砂质量ms1=1.62kg,最疏松状态时称得干砂质量 ms2=1.45kg。求此砂土的相对密度Dr,并判断砂土所处的密 实状态 【解答】 砂土在天然状态下的孔隙比 砂土最小孔隙比砂土最大孔隙比 相对密实度（1/3,2/3 中密状态 达西根据对不同尺寸的圆筒和不同类型 及长度的土样所进
15、行的试验发现,渗出量Q 与圆筒断面积A和水力坡降i成正比，且与 土的透水性质有关。即 写成等式为： 上式称为达西定律。 式中，v断面平均渗透速度，单位cm/s k反映土的透水性能的比例系数，称为土的渗透系数。它相当 于水力坡降i1时的渗透速度，故其量纲与流速相同，mm/s或m/day。 渗透流速v并不是土孔隙中水的实际平均流速。因为公式推导中采 用的是土样的整个断面积，其中包括了土粒骨架所占的部分面积在内。 显然，土粒本身是不能透水的，故真实的过水面积Av应小于A，从而实 际平均流速认应大于v。 为了研究的方便，渗流计算中均采用假想的平均流速。 2.6.1 达西定律与渗透试验 达西定律的适用范围围 达西定律是描述层流状态下渗透流速与水头损 失关系的规律，即渗 流速度v与水力坡降i成线性关系只适用于层流范围。 (二)影响土的渗透性的因素 土粒特性 流体特性 粒径大小及级配粒径大小及级配 孔隙比孔隙比 矿物成分矿物成分 结构和构造结构和构造 l水的动力粘滞系数（水温） l饱和度（含气量） 对k影响很大，封闭气泡 结论： l 渗透力是水流对单位体积土体颗粒的作用力； l 是一种体积力 l 渗透力的大小与水力坡降成正比，方向与渗流方向一致。 临临界水力坡降： 渗透力j与有效重度大小相等，方向相反时，土颗颗粒之间间的压压力为为零，即 ： j=wi=satw
