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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 particledensity 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 65g 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 68 2 72g cm3粘土的土粒密度一般为 2 7 2 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 4g cm3粉质砂土及粉质粘土 4g cm3粘土为 4g cm3泥炭沼泽土 4g 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 saturatiodensity 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 8 2 30g 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 vs w 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100 105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10 30 最为常见 一般粘土大多在10 80 之间 常见值20 50 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 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0 100 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 Sr80 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 voidratio 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 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 66g cm3 问该砂层处于哪种状态 五 基本物理性质指标间的相互关系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 5 5 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 5 5 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 天然含水量Wl 液限含水量Wp 塑限含水量 三 塑性和塑性指数 plasticityindex 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 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 plasticityindex 即 Ip WL Wp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 根据活性指标的大小 把粘性土分为 非活性粘土 A 0 75正常粘土 A 0 75 1活性粘土 A 1 25 活性粘土的矿物成分以吸水能力很强的蒙脱石等矿物为主 而非活性粘土中的矿物成分 则以高岭石等吸水能力较差的矿物为主 五 灵敏度 St 灵敏度反映粘性土结构性的强弱 式中 St 粘性土的灵敏度qu 与原状土密度 含水量相同 结构完全破坏的重塑土的无侧限抗压强度 q0 与原状土密度 含水量相同 结构完全破坏的重塑土的无侧限抗压强度 灵敏度分下列几类 灵敏度高的土 其结构性愈高 受扰动后土的强度降低就愈多 施工时应特别注意保护基槽 使结构不扰动 避免降低地基强度 触