第二章 土的物理性质及分类

1、第二章 土的物理性质及分类2.1 概述 2.2 土的三相比例指标2.3 粘性土的物理特性2.4 无黏性土的密实度2.5 粉土的密实度和湿度2.6 土的胀缩性、湿陷性和冻胀性2.7 土的分类仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水2.1 2.1 概述概述 土的物理状态土的物理状态土的物理状态土的物理状态粗粒土的松密程度粗粒土的松密程度粘性土的软硬状态粘性土的软硬状态土的物理性质指标土的物理性质指标( (三相间的比例关系三相间的比例关系) )表表示示影响影响力学特性力学特性仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水物理性质指标物理性质指标 特点特点: : 指标概念简单，数量很多指标概念简单，数量很多 要点：要点

2、： 名称、概念或定义、符号、表达式、名称、概念或定义、符号、表达式、单位或量纲、常见值或范围、联系与区别单位或量纲、常见值或范围、联系与区别 基本方法基本方法:三相草图法三相草图法2.1 2.1 概述概述 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水2.2 2.2 土的三相比例指标土的三相比例指标 空气空气 Air三三 相相 草草 图图水水 Water固体固体 Solidma=0mwmsm质量质量VaVwVsVvV体积体积仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水三三 相相 草草 图图九个物理量九个物理量: V , Vv , Vs , Va , Vw, ms , m w , ma, mwavwasVVVVVVV

3、 wwwaawsVm0mmmmm 空气空气水水固体固体ma=0mwmsm质量质量VaVwVsVvV体积体积2.2 2.2 土的三相比例指标土的三相比例指标 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水基本物理性质试验基本物理性质试验为了确定三相草图诸量中的三个量，通为了确定三相草图诸量中的三个量，通常进行三个基本的物理性质试验：常进行三个基本的物理性质试验：F 土的密度试验土的密度试验F 土粒比重试验土粒比重试验F 土的含水量试验土的含水量试验2.2 2.2 土的三相比例指标土的三相比例指标 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 定义：土粒的密度与定义：土粒的密度与4C时时纯蒸馏水密度的比值纯蒸馏水密度的

4、比值 表达式：表达式： 单单 位位: 无量纲无量纲 一般范围：粘性土一般范围：粘性土 2.702.75， 砂土砂土 2.65Cwssd4C4wss)(Vmn 土粒比重土粒比重ds/Gs基本试验指标基本试验指标-土粒比重土粒比重C4w =1.0 g/cm3土粒比重在数值上土粒比重在数值上等于土粒的密度等于土粒的密度空气空气水水固体固体ma=0mwmsm质量质量VaVwVsVvV体积体积2.2 2.2 土的三相比例指标土的三相比例指标 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水基本试验指标基本试验指标 - 含水量含水量 定义：土中水的质量与土粒质定义：土中水的质量与土粒质 量之比，用百分数表示量之比，用百

5、分数表示 表达式：表达式： 单单 位位: 无量纲无量纲 一般范围：变化范围大一般范围：变化范围大ssswmmmmmw(%)注意注意: : 其实是含水比其实是含水比, ,可达到或超过可达到或超过100100n 土的含水量土的含水量空气空气水水固体固体ma=0mwmsm质量质量VaVwVsVvV体积体积2.2 2.2 土的三相比例指标土的三相比例指标 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 定义：土单位体积的质量定义：土单位体积的质量 表达式：表达式： 单单 位位: kg/m3 或或 g/cm3 一般范围一般范围: 1.602.20 g/cm3awswsVVVmmVm n 土的密度土的密度 空气空气水

6、水固体固体ma=0mwmsm质量质量VaVwVsVvV体积体积 相关指标相关指标: : 土的容重土的容重 = g 单位单位: kN/m3 工程上更常用工程上更常用, 用于计算土的用于计算土的自重应力自重应力基本试验指标基本试验指标-土的密度土的密度2.2 2.2 土的三相比例指标土的三相比例指标 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水表示土体密度和容重的指标表示土体密度和容重的指标n 干密度：干密度：单位体积土中固体颗单位体积土中固体颗粒部分的质量粒部分的质量， V/msdn 饱和密度：饱和密度：土孔隙中充满水时的土孔隙中充满水时的单位体积质量，单位体积质量， VVmvwssat n 浮密度：浮密

7、度：土单位体积中土粒的质量与同体积水的质量之差。土单位体积中土粒的质量与同体积水的质量之差。空气空气水水固体固体ma=0mwmsm质量质量VaVwVsVvV体积体积2.2 2.2 土的三相比例指标土的三相比例指标 VVmwss仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水表示土中孔隙含量的指标表示土中孔隙含量的指标砂类土：砂类土：28-35%粘性土：粘性土：30-50%，有的可达，有的可达60-70%svV/Ve n 孔隙比孔隙比e：土中孔隙体积与固土中孔隙体积与固体颗粒体积之比体颗粒体积之比, 为无量纲为无量纲V/V(%)nvn 孔隙率孔隙率(孔隙度孔隙度)n：土中孔隙体土中孔隙体积与总体积之比积与总体

8、积之比, 用百分数表示用百分数表示空气空气水水固体固体ma=0mwmsm质量质量VaVwVsVvV体积体积2.2 2.2 土的三相比例指标土的三相比例指标 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水表示土中含水程度的指标表示土中含水程度的指标对干土：对干土：Sr=0对饱和土：对饱和土：Sr=1 vwrVVS n 饱和度：饱和度：土中水的体积与孔土中水的体积与孔隙体积的比值隙体积的比值饱和度表示孔隙中充满水饱和度表示孔隙中充满水的程度：的程度：空气空气水水固体固体ma=0mwmsm质量质量VaVwVsVvV体积体积2.2 2.2 土的三相比例指标土的三相比例指标 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水常用的

9、物理性质指标间的换算关系：常用的物理性质指标间的换算关系：教科书教科书 P35 P35 表表2-22-2学习要点：学习要点：小小 结结 从物理意义上理解指标间的关系从物理意义上理解指标间的关系 不鼓励死记硬背不鼓励死记硬背 必要时利用三相草图推导必要时利用三相草图推导2.2 2.2 土的三相比例指标土的三相比例指标 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水指标换算2.2 2.2 土的三相比例指标土的三相比例指标 edVmws1111 edVmwssd1111wsdmVe2.2 2.2 土的三相比例指标土的三相比例指标 1111sswswsatwwVswVswssddedVVVmVVVmVVm2.2

10、2.2 土的三相比例指标土的三相比例指标 eeVVnV1edVmVVSswVwVWr2.2 2.2 土的三相比例指标土的三相比例指标 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水2.3 2.3 黏性土的物理特性黏性土的物理特性n 粘性土最主要的物理状态特征是它的粘性土最主要的物理状态特征是它的稠度稠度，稠度，稠度是指土的软硬程度或土对外力引起变形或破坏的是指土的软硬程度或土对外力引起变形或破坏的抵抗能力抵抗能力稠度状态与含水量有关稠度状态与含水量有关粘性土粘性土含水量含水量较硬较硬变软变软流动流动粘性土的稠度状态粘性土的稠度状态仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水界限含水量界限含水量2.3 2.3 黏性土

11、的物理特性黏性土的物理特性仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水塑限塑限w wp p液限液限w wl l粘性土的稠度反映土中水的形态粘性土的稠度反映土中水的形态固态或固态或半固态半固态可塑状态可塑状态 流动状态流动状态 强结合水强结合水弱结合水弱结合水自由水自由水w w土颗粒土颗粒强结合水强结合水弱结合水弱结合水土颗粒土颗粒强结合水强结合水土颗粒土颗粒自由水自由水弱结合水弱结合水强结合水强结合水强结合水膜最大强结合水膜最大出现相当数量自由水出现相当数量自由水粘性土的稠度状态粘性土的稠度状态稠度界限稠度界限稠度状态稠度状态含水量含水量土中水的形态土中水的形态示意图示意图2.3 2.3 黏性土的物理特

12、性黏性土的物理特性仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水pLpwwI 塑性指数塑性指数n 问题：反映的是全部土颗粒吸附结和合的能力，问题：反映的是全部土颗粒吸附结和合的能力，不能充分反映粘土矿物表面活性的高低不能充分反映粘土矿物表面活性的高低 n 定义：定义：大体上表示土的大体上表示土的弱结合水含量弱结合水含量 反映吸附结合水的能力，即粘性大小反映吸附结合水的能力，即粘性大小 大致反映粘土颗粒含量大致反映粘土颗粒含量 常作为细粒土工程分类的依据常作为细粒土工程分类的依据2.3 2.3 黏性土的物理特性黏性土的物理特性仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水pLpLwwwwI 液性指数：液性指数：wpww

13、l IL 0 坚硬坚硬(半固态半固态) 0IL 0.25 硬塑硬塑0.25 IL 0.75 可塑可塑 0.75 1 流塑流塑土的稠度状态土的稠度状态液性指数液性指数不同的粘土，不同的粘土，wp、wl 大小不同。对于不同的粘土，大小不同。对于不同的粘土，含水量相同，稠度可能不同含水量相同，稠度可能不同F液性指数液性指数是表征土的含水量与分界含水量之是表征土的含水量与分界含水量之间相对关系的指标。对重塑土较为合适。间相对关系的指标。对重塑土较为合适。2.3 2.3 黏性土的物理特性黏性土的物理特性仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水pLpLwwwwI F 细粒土的稠度状态指标细粒土的稠度状态指标:

14、: 液性指数液性指数I IL L 界限含水量界限含水量 w wP P、w wL L 土中水形态土中水形态 塑性指数塑性指数 I Ip p 吸附结合水的能力吸附结合水的能力 定义定义 判别标准判别标准小小 结结2.3 2.3 黏性土的物理特性黏性土的物理特性试验方法：液限：锥式液限仪塑限：搓条法锥式液限仪联合测定液、塑限2.3 2.3 黏性土的物理特性黏性土的物理特性2.3.3 黏性土的活动度、灵敏度和触变性一、活动度一、活动度1 1、定义：塑性指数与黏粒（粒径、定义：塑性指数与黏粒（粒径0.002mm0.002mm的颗粒）的颗粒）含量百分数的比值含量百分数的比值2.3 2.3 黏性土的物理特性

15、黏性土的物理特性n 活性指数：活性指数：002. 0ppIA 粒径小于粒径小于0.002mm0.002mm颗粒的质量颗粒的质量占总土总质量的百分比占总土总质量的百分比A 1.25 活性粘土活性粘土仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水反映粘性土结构性的指标反映粘性土结构性的指标 灵敏度灵敏度 触变性触变性S St t1 11-21-22-42-44-84-88-168-161616粘性土粘性土不灵敏不灵敏低灵敏低灵敏中等灵敏中等灵敏灵敏灵敏很灵敏很灵敏流动流动 3=0相同含水相同含水量、密度量、密度 ququ原状土原状土重塑土重塑土灵敏度灵敏度St：原状土的无侧限抗压强度原状土的无侧限抗压强度qu

16、和重塑土的无侧限抗压强度和重塑土的无侧限抗压强度qu之比之比S St t= q= qu u/q/qu u仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水含水量不变，密度不变，因重塑而强度含水量不变，密度不变，因重塑而强度降低，又因静置而逐渐强化，强度逐渐降低，又因静置而逐渐强化，强度逐渐恢复的现象，称为恢复的现象，称为触变性触变性。反映粘性土结构性的指标反映粘性土结构性的指标 土的触变性是土结构中联结形态发生土的触变性是土结构中联结形态发生变化引起的，是土结构随时间变化的变化引起的，是土结构随时间变化的宏观表现。宏观表现。 目前尚没有合理的描述土触变性的方目前尚没有合理的描述土触变性的方法和指标。法和指标。

17、 灵敏度灵敏度 触变性触变性2.4 2.4 无黏性土的密实度无黏性土的密实度 粗粒土的密实状态粗粒土的密实状态n 密实度：密实度：通常指单位体积中固体颗粒含量的多少通常指单位体积中固体颗粒含量的多少简单方便，但只能用于同一种简单方便，但只能用于同一种土，不能反映级配的影响土，不能反映级配的影响 l 物理性质指标物理性质指标：孔隙比：孔隙比e e（孔隙率（孔隙率n n） 干容重干容重 d demin = 0.35emin = 0.20minmaxmaxreeeeD l 相对密度相对密度：e emaxmax与与e emin min ：最大与最小孔隙比：最大与最小孔隙比F最大孔隙比最大孔隙比e em

18、axmax: : 将松散的风干土样通过长颈将松散的风干土样通过长颈漏斗轻轻地倒入容器，避免重力冲击，求得土漏斗轻轻地倒入容器，避免重力冲击，求得土的最小干密度再经换算得到最大孔隙比的最小干密度再经换算得到最大孔隙比F最小孔隙比最小孔隙比emin : 将松散的风干土样装入金属容将松散的风干土样装入金属容器内，按规定方法振动和锤击，直至密度不再器内，按规定方法振动和锤击，直至密度不再提高，求得土的最大干密度再经换算得到最小提高，求得土的最大干密度再经换算得到最小孔隙比孔隙比理论上的最大与最小孔隙比在理论上的最大与最小孔隙比在室内的测定有时很困难室内的测定有时很困难粗粒土的最大与最小孔隙比粗粒土的最

19、大与最小孔隙比2.4 2.4 无黏性土的密实度无黏性土的密实度 粗粒土的相对密度粗粒土的相对密度l 粗粒土的密实粗粒土的密实度标准度标准 Dr = 0 最松状态最松状态 Dr 1/3疏松状态疏松状态1/3 2/3密实状态密实状态 Dr = 1最密状态最密状态l 相对密度指标主要用于人工填土，对天然相对密度指标主要用于人工填土，对天然砂土层采用砂土层采用原位标准贯入试验原位标准贯入试验法测定法测定2.4 2.4 无黏性土的密实度无黏性土的密实度 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水补充内容n 土的压实：土的压实：指通过夯打、振动、碾压等，使土体变指通过夯打、振动、碾压等，使土体变得密实、以提高土的

20、强度、减小土的压缩性和渗透性得密实、以提高土的强度、减小土的压缩性和渗透性n压实性：压实性：指土在一定压实能量作用下密度增长的特性指土在一定压实能量作用下密度增长的特性n研究击实性的目的：研究击实性的目的：以最小的能量消耗获得最大的压实密度以最小的能量消耗获得最大的压实密度n击实方法：击实方法： 室内击实试验室内击实试验 现场试验现场试验: : 夯打、振动、碾压夯打、振动、碾压土的压实性土的压实性仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水土的压实性土的压实性 室内击实试验室内击实试验 F 试验设备：试验设备：击实筒击实筒V=V=1000cm3；击实锤；击实锤w=25牛顿牛顿F 试验条件：试验条件：土样

21、分层土样分层n=3层；落高层；落高d=30cm； 击数击数N=27/ /层层F 击实能量击实能量 3m/mKN5 .607VwdNnE F 试验方法：试验方法：对对w w=cosnst的土，分三层压实；的土，分三层压实； 测定击实后的测定击实后的w、 ，算定，算定 dF 注意：仅适用于细粒土；注意：仅适用于细粒土； 对粗粒土，可用较大尺寸的击实仪对粗粒土，可用较大尺寸的击实仪土土仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水0 4 8 12 16 20 24 28含水量含水量w(%)w(%)2.0干密度干密度 d(g/cm3)饱和曲线饱和曲线 dmaxwop细粒土的压实性细粒土的压实性-

22、 -击实曲线击实曲线 具有峰值具有峰值 最大干密度最大干密度 dmax 最优含水量最优含水量Wopsatdd)( 位于饱和曲线之下位于饱和曲线之下 粘性土透水性小，击实过粘性土透水性小，击实过程中含水量几乎不变，要程中含水量几乎不变，要想击实到饱和状态是不可想击实到饱和状态是不可能的。能的。rswsdS/wG1G wG1G)(swssatd Sr=1土的压实性土的压实性 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水土的压实性土的压实性 含水量含水量 Wopop： 颗粒表面水膜很薄，相对移动困难颗粒表面水膜很薄，相对移动困难 含水量含水量=Wop： 水膜润滑作用效果最佳，孔隙气尚没有形成封闭水膜润滑作用效

23、果最佳，孔隙气尚没有形成封闭 气泡，易排出气泡，易排出 含水量含水量Wop：水膜润滑作用不再明显增加；封闭气泡难以排出水膜润滑作用不再明显增加；封闭气泡难以排出; 水的相对含量增加水的相对含量增加n 压实机理压实机理 颗粒破碎（细粒土较少）颗粒破碎（细粒土较少） 粒间联结力被破坏，颗粒粒间联结力被破坏，颗粒 间孔隙被压缩间孔隙被压缩 土粒定向排列土粒定向排列0 4 8 12 16 20 24 28 含水量含水量w(%)w(%)2.0干密度干密度 d(g/cm3)饱和曲线饱和曲线 dmaxWop n 压实与含水量压实与含水量细粒土的压实性细粒土的压实性- -压实机理压实机理 仁

24、者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水土的压实性土的压实性 细粒土的压实性细粒土的压实性- -压实功能压实功能 F对于同一种土对于同一种土, ,最优含水最优含水量和最大干密度并不恒量和最大干密度并不恒定定, ,而随压实功能变化，而随压实功能变化，压实功能愈大压实功能愈大, ,最优含水最优含水量愈小，相应的最大干量愈小，相应的最大干密度愈高密度愈高F超过最优含水量后，压超过最优含水量后，压实功能的影响随含水量实功能的影响随含水量的增加逐渐减小。击实的增加逐渐减小。击实曲线均靠近于饱和曲线曲线均靠近于饱和曲线0 4 8 12 16 20 24 28 含水量含水量w(%)w(%)1.3干

25、密度干密度 d(g/cm3)饱和曲线饱和曲线N=36N=29N=25N=18仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水土的压实性土的压实性 %)32(wwop 细粒土的压实标准细粒土的压实标准 填土施工时应将土料含水量控制在填土施工时应将土料含水量控制在Wop左右，以期用较小左右，以期用较小的能量获得最好的密度：的能量获得最好的密度： 在在Wop的干侧：常具有的干侧：常具有凝聚结构凝聚结构。土质比较均匀，。土质比较均匀，强度较高，较脆硬，不易压密。但浸水时易产生附强度较高，较脆硬，不易压密。但浸水时易产生附加沉降。加沉降。 在在Wop的湿侧：常具有的湿侧：常具有分散结构分散结构。土体可塑性大，。土体可

26、塑性大，适应变形的能力强。但强度较低，具有不等向性。适应变形的能力强。但强度较低，具有不等向性。在设计土料时应根据填土的要求和当地土料的天然含水在设计土料时应根据填土的要求和当地土料的天然含水量，选定合适的含水量，一般要求为：量，选定合适的含水量，一般要求为：仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水土的压实性土的压实性 %100Dmaxdc室内标准击实试验的填土的干密度、级土石坝级土石坝 Dc9598% III 级土石坝级土石坝 Dc9295% 细粒土的压实标准细粒土的压实标准 n 工程上常采用工程上常采用压实度压实度Dc，作为填方压，作为填方压实密度控制的标准：实密度控制的标准：仁者乐山仁者乐山

27、智者乐水智者乐水土的压实性土的压实性 粗粒土的压实性粗粒土的压实性 n 击实曲线击实曲线n 压实标准：压实标准：常用常用相对密度相对密度控制控制 Dr0.7-0.75Dr0.7-0.75 不存在最优含水量，在完全风干不存在最优含水量，在完全风干或饱和状态下易于击实。在潮湿或饱和状态下易于击实。在潮湿状态下，存在假凝聚力，加大了状态下，存在假凝聚力，加大了阻力阻力 同细粒土不同，粗粒土在击实过同细粒土不同，粗粒土在击实过程中可以自由排水程中可以自由排水 粗砂粗砂w=45%，中砂，中砂w=7%时，时，干密度最小干密度最小 ， 含水量含水量w干密度干密度 粗砂中砂仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水土

28、的压实性土的压实性 小小 结结F室内击实试验室内击实试验F细粒土的压实性细粒土的压实性F粗粒土的压实性粗粒土的压实性 击实曲线击实曲线 最优含水量最优含水量 最大干密度最大干密度 压实功能压实功能 压实标准压实标准 击实曲线击实曲线 压实标准压实标准2.4.2 无黏性土密实度划分的其他方法1、砂土密实度按天然孔隙比划分2、砂土密实度按标准贯入击数N划分3、碎石土密实度按重型动力触探击数划分4、碎石类土密实度的野外鉴别2.4 2.4 无黏性土的密实度无黏性土的密实度 2.5 粉土的密实度和湿度一、粉土的概念粒径0.075mm的颗粒含量不超过全重的50%、塑性指数IP10的土二、粉土的密实度和湿度

29、根据孔隙比e和含水量划分密实度和湿度2.6 土的胀缩性、湿陷性和冻胀性一、土的胀缩性1、定义：黏性土具有吸水膨胀和失水收缩的两种变形特性2、自由膨胀率3、膨胀土的判定二、土的湿陷性定义：指土在自重压力作用下或自重压力和附加压力综合作用下，受水浸湿后土的结构迅速破坏而发生显著附加下陷的特征三、土的冻胀性定义：指土的冻胀和冻融给建筑物或土工建筑物带来危害的变形特性影响：机理：仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水2.7 2.7 土的工程分类土的工程分类 土的组成土的组成土的状态土的状态土的结构土的结构建筑地基基础设计规范建筑地基基础设计规范- GB50007-2002- GB50007-2002分类法

30、分类法 水利部水利部SL237-1999SL237-1999分类法分类法土的工程分类土的工程分类F 目的：目的： 便于调查研究；便于调查研究； 便于分析评价；便于分析评价； 便于交流便于交流 ( (基于共同的概念基于共同的概念) )F 依据：最能反映土的物理力学性质的指标依据：最能反映土的物理力学性质的指标F 要求：要有一定的逻辑性、系统性，要求：要有一定的逻辑性、系统性， 纲目分明，简单易记，便于运用纲目分明，简单易记，便于运用仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水1.5 1.5 土的工程分类土的工程分类 岩石岩石碎石土碎石土砂土砂土粉土粉土粘性土粘性土人工填土人工填土土漂石漂石块石块石圆形及亚圆形为主圆形及亚圆形为主棱角形为主棱角形为主粒径大于粒径大于200mm200mm的颗的颗粒超过全质量粒超过全质量50%50%卵石卵石碎石碎石圆形及亚圆形为主圆形及亚圆形为主棱角形为主棱角形为主圆形及亚圆形为主圆形及亚圆形为主棱角形为主棱角形为主圆砾圆砾角砾角砾粒径大于粒径大于20mm20mm的颗的颗粒超过全质量粒超过全质量50%50%粒径大于粒径大于2mm2mm的颗的颗粒超过全质量粒超过全质量50