土的物力性质指标与工程分类

1、第第1章章 土的物理性质及工程分类土的物理性质及工程分类上海大学上海大学 土木工程系土木工程系2007.9第一章第一章 土的物理性质指标与工程分类土的物理性质指标与工程分类1-1 1-1 土的形成土的形成土土是松散颗粒的堆积物，是岩石风化的产物（是松散颗粒的堆积物，是岩石风化的产物（人工破碎；堆石坝的人工破碎；堆石坝的坝壳料；相当于物理风化坝壳料；相当于物理风化）。）。土是指覆盖在地表的没有胶结或弱胶结的颗粒堆积物。土是指覆盖在地表的没有胶结或弱胶结的颗粒堆积物。根据来源分：根据来源分：有机土和无机土有机土和无机土岩石风化分为岩石风化分为物理风化物理风化和和化学风化化学风化。物理风化物理风化：

2、岩石经受风、霜、雨、雪的侵蚀，或受波浪的冲击、地岩石经受风、霜、雨、雪的侵蚀，或受波浪的冲击、地震等引起各种力的作用，温度的变化、冻胀等因素使整体岩石产生震等引起各种力的作用，温度的变化、冻胀等因素使整体岩石产生裂隙、崩解碎裂成岩块、岩屑的过程。裂隙、崩解碎裂成岩块、岩屑的过程。1.1 1.1 土的形成土的形成土是岩石经过风化后在不同条件下形成的自然历史的产物土是岩石经过风化后在不同条件下形成的自然历史的产物搬运、沉积搬运、沉积形成过程形成过程形成条件形成条件物理力学物理力学性质性质 风化风化土土地球影响岩石岩石地球化学风化化学风化：岩体（或岩块、岩屑）与氧气、二氧化碳等各种气体：岩体（或岩块

3、、岩屑）与氧气、二氧化碳等各种气体、水和各种水溶液等物质相接触，经氧化、碳化和水化作用，使、水和各种水溶液等物质相接触，经氧化、碳化和水化作用，使这些岩石或岩屑逐渐产生化学变化，分解为极细颗粒的过程。这些岩石或岩屑逐渐产生化学变化，分解为极细颗粒的过程。特征：特征：物理风化物理风化：量变过程，形成的土颗粒较粗；：量变过程，形成的土颗粒较粗；化学风化化学风化：质变过程，形成的土颗粒很细。：质变过程，形成的土颗粒很细。对一般的土而言，通常既经历过物理风化，又有化学风化，只不过对一般的土而言，通常既经历过物理风化，又有化学风化，只不过哪种占优而已哪种占优而已。1-1 1-1 土的形成土的形成土从其堆

4、积或沉积的条件来看可分为：土从其堆积或沉积的条件来看可分为：沼泽土冰碛土风积土河流冲积土运积土残积土土残积土残积土：岩石风化后仍留在原地的堆积物。：岩石风化后仍留在原地的堆积物。特点：湿热地带，粘土，深厚，松软，易变；特点：湿热地带，粘土，深厚，松软，易变； 寒冷地带，岩块或砂，物理风化，稳定。寒冷地带，岩块或砂，物理风化，稳定。)(沼泽土有机土冰碛土风积土冲积土运积土残积土无机土土1-1 1-1 土的形成土的形成运积土运积土：岩石风化后经流水、风和冰川以及人类活动等搬运离：岩石风化后经流水、风和冰川以及人类活动等搬运离 开生成地点后再沉积下来的堆积物。又分为冲积土、风积土、冰碛开生成地点后再

5、沉积下来的堆积物。又分为冲积土、风积土、冰碛土和沼泽土等。土和沼泽土等。 冲积土冲积土：由水流冲积而成；颗粒分选、浑圆光滑：由水流冲积而成；颗粒分选、浑圆光滑风积土风积土：由风力带动土粒经过一段搬运距离后沉积下来的堆积物；：由风力带动土粒经过一段搬运距离后沉积下来的堆积物；没有层理、细砂或粉粒；黄土没有层理、细砂或粉粒；黄土冰碛土冰碛土：由冰川剥落、搬运形成的堆积物；不成层、从漂石到粘粒：由冰川剥落、搬运形成的堆积物；不成层、从漂石到粘粒沼泽土沼泽土：在沼泽地的沉积物；含有机质、压缩性高、强度低：在沼泽地的沉积物；含有机质、压缩性高、强度低1-1 1-1 土的形成土的形成气相固相液相+构成土骨

6、架，起决定作用构成土骨架，起决定作用重要影响重要影响土体次要作用次要作用1-2 1-2 土的组成土的组成1-2 1-2 土的组成土的组成土是固体颗粒、水和空气的混合物，常称土土是固体颗粒、水和空气的混合物，常称土为为三相系三相系。 固相固相：土的颗粒、粒间胶结物；：土的颗粒、粒间胶结物； 液相液相：土体孔隙中的水；：土体孔隙中的水； 气相气相：孔隙中的空气。：孔隙中的空气。当土骨架的孔隙全部被水占满时，这种土称为当土骨架的孔隙全部被水占满时，这种土称为饱和土饱和土；当土骨架的孔隙仅含空气时，就成为当土骨架的孔隙仅含空气时，就成为干土干土；一般在地下水位以上地面以下一定深度内的土的孔隙中兼一般在

7、地下水位以上地面以下一定深度内的土的孔隙中兼含空气和水，此时的土体属三相系，称为含空气和水，此时的土体属三相系，称为湿土湿土。根据土的粘性分：根据土的粘性分：粘性土粘性土：颗粒很细；：颗粒很细；无粘性土无粘性土：颗粒较粗，甚至很大。砂、碎石、甚：颗粒较粗，甚至很大。砂、碎石、甚 至堆石（直径几十至堆石（直径几十cm甚至甚至1m）1-2 1-2 土的组成土的组成 不同类型的土不同类型的土一、土的固相一、土的固相 土的固相物质包括无机矿物颗粒和有机质，是构成土的固相物质包括无机矿物颗粒和有机质，是构成土的骨架最基本的物质，称为土粒。对土粒应从其矿物土的骨架最基本的物质，称为土粒。对土粒应从其矿物成

8、分、颗粒的大小和形状来描述。成分、颗粒的大小和形状来描述。（一）成土矿物：（一）成土矿物：原生矿物，次生矿物原生矿物，次生矿物 原生矿物原生矿物是指岩浆在冷凝过程中形成的矿物，如石英是指岩浆在冷凝过程中形成的矿物，如石英、长石、云母等。、长石、云母等。 次生矿物次生矿物是由原生矿物经过风化作用后形成的新矿物是由原生矿物经过风化作用后形成的新矿物，如三氧化二铝、三氧化二铁、次生二氧化硅、粘土矿，如三氧化二铝、三氧化二铁、次生二氧化硅、粘土矿物以及碳酸盐等。物以及碳酸盐等。1-2 1-2 土的组成土的组成一、土的固相一、土的固相（二）土粒的大小和土的级配（二）土粒的大小和土的级配粒组粒组：把工程性

9、质相近的土粒合并为一组；某粒组的：把工程性质相近的土粒合并为一组；某粒组的土粒含量定义为该粒组的土粒质量与干土总质量之比土粒含量定义为该粒组的土粒质量与干土总质量之比土的级配土的级配：土中各种大小的粒组中土粒的相对含量。土中各种大小的粒组中土粒的相对含量。我国我国GB 50021-94岩土工程勘察规范的粒组划分标准可参见岩土工程勘察规范的粒组划分标准可参见表表1-1。1-2 1-2 土的组成土的组成粒粒 组组 名名 称称粒粒 组组 范范 围围 / /mmmm粒粒 组组 名名 称称粒粒 组组 范范 围围 / /mmmm漂石（块石）粒漂石（块石）粒组组 200 200 砂粒粒组砂粒粒组 0.075

10、20.0752卵石（碎石）粒卵石（碎石）粒组组 20200 20200 粉粒粒组粉粒粒组 0.0050.075 0.0050.075 砾石粒组砾石粒组 220220粘粒粒组粘粒粒组 0.0050.075mm 密度计法密度计法：粒径：粒径0.075mm 联合测定联合测定：既有粒径：既有粒径0.075mm 1-2 1-2 土的组成土的组成（三）颗粒大小分析试验（三）颗粒大小分析试验1.筛分法筛分法利用一套孔径由大到小的筛子，将按规定方利用一套孔径由大到小的筛子，将按规定方法取得的一定质量的干试样放入一次叠好的法取得的一定质量的干试样放入一次叠好的筛中，置振筛机上充分振摇后，称出留在各筛中，置振筛机

11、上充分振摇后，称出留在各级筛上的土粒的质量，按下式计算出小于某级筛上的土粒的质量，按下式计算出小于某土粒粒径的土粒含量百分数土粒粒径的土粒含量百分数X（）（）式中：式中：mi，m分别为小于某粒径的土粒质分别为小于某粒径的土粒质量及试样总质量量及试样总质量100mmXi1-2 1-2 土的组成土的组成105.02.01.0200g101618242238721009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数小于某粒径之土质量百分数P（）（）105.01.050.010.0050.001粒径粒径(mm)P%958778665536土的粒径级

12、配累积曲线土的粒径级配累积曲线水分法水分法粒径粒径(mm)(mm)0.050.010.005百分数百分数P(%)P(%)2613.5101-2 1-2 土的组成土的组成2.密度计法密度计法利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同来确定小利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同来确定小于某粒径的土粒含量的方法。于某粒径的土粒含量的方法。通过密度计测定土水悬浊液的密度来确定。通过密度计测定土水悬浊液的密度来确定。1-2 1-2 土的组成土的组成3.土的级配曲线土的级配曲线 1-2 1-2 土的组成土的组成1-1 1-1 颗粒分析试验曲线颗粒分析试验曲线(四四)颗粒分析试验曲线的颗粒分析试验曲线的主要用

13、途主要用途按粒径分布曲线可求得：按粒径分布曲线可求得：（1）土中各粒组的土粒含量，用于）土中各粒组的土粒含量，用于粗粒土的分类和大致评粗粒土的分类和大致评估土的工程性质估土的工程性质；（2）某些特性粒径，用于）某些特性粒径，用于建筑材料的选择和评价土级配的建筑材料的选择和评价土级配的好坏好坏。根据某些特征粒径，可得到两个有用的指标，即根据某些特征粒径，可得到两个有用的指标，即不均匀系数不均匀系数CuCu和和曲率系数曲率系数CcCc，它们的定义为：它们的定义为： （12）1060ddCu1-2 1-2 土的组成土的组成 (13)式中：式中：d10，d30和和d60为粒径分布曲线上小于某粒径的土为

14、粒径分布曲线上小于某粒径的土粒含量分别为粒含量分别为10，30和和60时所对应的粒径。时所对应的粒径。d10称为称为有效粒径有效粒径； d60称为称为限制粒径限制粒径。6010230dddCc1-2 1-2 土的组成土的组成土的级配的好坏可由土中的土的级配的好坏可由土中的土粒均匀程度土粒均匀程度和和粒径分布曲粒径分布曲线的形状线的形状来决定，而土粒的均匀程度和曲线的形状又可来决定，而土粒的均匀程度和曲线的形状又可用用不均匀系数不均匀系数和和曲率系数曲率系数来衡量。来衡量。Cu小，曲线陡；小，曲线陡； Cu大，易压密；大，易压密；Cc过大，台阶在过大，台阶在d10d30间；间； Cc过小，台阶在

15、过小，台阶在d30d60间；间；规范：纯净砾、砂，规范：纯净砾、砂，Cu=5，且且Cc=13时，级配良好，否则，不良。时，级配良好，否则，不良。1-2 1-2 土的组成土的组成二、土的液相二、土的液相（一）吸着水（一）吸着水 强吸着水强吸着水性质接近于固体，冰点很低，沸点较高，性质接近于固体，冰点很低，沸点较高，且不能传递压力。且不能传递压力。 弱吸着水弱吸着水也称为薄膜水，不能传递压力，也不能在也称为薄膜水，不能传递压力，也不能在孔隙水中自由流动，但它可以因电场引力的作用从水膜孔隙水中自由流动，但它可以因电场引力的作用从水膜厚的地方向水膜薄的地方转移。由于它的存在，使土具厚的地方向水膜薄的地

16、方转移。由于它的存在，使土具有塑性、粘性、影响土的压缩性和强度，并使土的透水有塑性、粘性、影响土的压缩性和强度，并使土的透水性变小。性变小。吸着水厚度吸着水厚度影响因素影响因素：成土矿物；阳离子浓度及化学性：成土矿物；阳离子浓度及化学性质质(阳离子价低阳离子价低,厚厚; 阳离子浓度高阳离子浓度高,薄薄)。1-2 1-2 土的组成土的组成（二）自由水（二）自由水离开土颗粒表面较远，不受土颗粒电分子引力作离开土颗粒表面较远，不受土颗粒电分子引力作用，且可自由移动的水称为用，且可自由移动的水称为自由水自由水。（分为毛细管水和重力水）（分为毛细管水和重力水）1.毛细管水毛细管水土中存在许多大小不同的相

17、互土中存在许多大小不同的相互连通的弯曲孔道，由于水分子连通的弯曲孔道，由于水分子与土粒分子之间的附着力和水与土粒分子之间的附着力和水气界面上的表面张力，于是，气界面上的表面张力，于是，将引起迫使相邻土粒相互积紧将引起迫使相邻土粒相互积紧的压力，这个压力称为的压力，这个压力称为毛管水毛管水压力压力。1-2 1-2 土的组成土的组成2.重力水重力水在重力或水位差作用下能在土中流动的自由水称在重力或水位差作用下能在土中流动的自由水称微重力微重力水水。具有溶解能力，能传递静水和动水压力，对土颗粒有浮具有溶解能力，能传递静水和动水压力，对土颗粒有浮力作用。力作用。当它在土孔隙中流动时，对所流经的土体施加

18、渗流力（当它在土孔隙中流动时，对所流经的土体施加渗流力（亦称动水压力、渗透力），计算中应考虑其影响。亦称动水压力、渗透力），计算中应考虑其影响。1-2 1-2 土的组成土的组成三、土的气相三、土的气相存在土中的气体分为两种基本类型：一种是存在土中的气体分为两种基本类型：一种是与大气连与大气连通的气体通的气体；另一种是；另一种是与大气不连通的以气泡形式存在与大气不连通的以气泡形式存在的封闭气体的封闭气体。1-2 1-2 土的组成土的组成一、土的结构一、土的结构（一）单粒结构（一）单粒结构1-3 1-3 土的结构土的结构一、土的结构一、土的结构（二）蜂窝状结构（二）蜂窝状结构1-3 1-3 土的结

19、构土的结构二、土的结构二、土的结构（三）絮状结构（三）絮状结构 角、边与面接触时净引力最大，因此絮状结构的特角、边与面接触时净引力最大，因此絮状结构的特征是土粒之间以角、边与面的接触或边与边的搭接形式征是土粒之间以角、边与面的接触或边与边的搭接形式为主。这种结构的土粒呈任意排列，具有较大的孔隙，为主。这种结构的土粒呈任意排列，具有较大的孔隙，其强度低，压缩性高，对扰动比较敏感。其强度低，压缩性高，对扰动比较敏感。1-3 1-3 土的结构土的结构 土的絮状结构土的絮状结构 1-4 1-4 土的物理性质指标土的物理性质指标可分为两类：可分为两类：一类是必须一类是必须通过试验测定通过试验测定的，如含

20、水率、密度和土粒比重的，如含水率、密度和土粒比重，称为直接指标；，称为直接指标；另一类是另一类是根据直接指标换算根据直接指标换算的，如孔隙比、孔隙率、饱和的，如孔隙比、孔隙率、饱和度等，称为间接指标。度等，称为间接指标。 土土的的三相图三相图一、试验直接测定的物理性质指标一、试验直接测定的物理性质指标（一）土的密度（一）土的密度与重度与重度土的密度定义为土的密度定义为单位体积土的质量单位体积土的质量，用，用表示，单位为表示，单位为Mg/m3(或或g/cm3)。表达式如下：表达式如下： （1-4） 对于粘性土，土的密度常用对于粘性土，土的密度常用环刀法环刀法测定。测定。awsawsVVVmmmV

21、m1-4 1-4 土的物理性质指标土的物理性质指标土的重度亦称为容重，定义为土的重度亦称为容重，定义为单位体积土的重量单位体积土的重量，用，用表示，单位为表示，单位为kN/m3。表达式如下：表达式如下： （1-5）式中：式中：W土的重量，单位为土的重量，单位为kN； g重力加速度。重力加速度。gVgmVW1-4 1-4 土的物理性质指标土的物理性质指标（二）土粒比重（二）土粒比重Gs土粒比重定义为土粒比重定义为土粒的质量（或重量）与同体积土粒的质量（或重量）与同体积4时纯水的质量时纯水的质量（或重量）之比（无因次），（或重量）之比（无因次），其表达式为：其表达式为： （1-6） 或或 （1-7

22、）式中：式中： 土粒的密度，即土粒单位体积的质量；土粒的密度，即土粒单位体积的质量； 4时纯水的密度，时纯水的密度，1.0g/cm3 4时纯水的重度。时纯水的重度。4s4wwsssVmG4wsssVgmG1-4 1-4 土的物理性质指标土的物理性质指标土粒比重在数值上等于土粒的密度土粒比重在数值上等于土粒的密度s4w4w土粒比重常用土粒比重常用比重瓶法比重瓶法测定，事先将比重瓶注满纯水，称测定，事先将比重瓶注满纯水，称瓶加水的质量。然后把烘干土若干克装入该空比重瓶内，瓶加水的质量。然后把烘干土若干克装入该空比重瓶内，再加纯水至满，称瓶加土加水的质量，按下式计算土粒比再加纯水至满，称瓶加土加水的

23、质量，按下式计算土粒比重：重： （1-8）式中：式中：m1瓶瓶+水水的质量；的质量； m2瓶瓶+土土+水水的质量；的质量； ms烘干土烘干土的质量；的质量； t C时蒸馏水的比重。时蒸馏水的比重。12sswtsmGGmmm1-4 1-4 土的物理性质指标土的物理性质指标wtG m0 ms m1 m2 空瓶空瓶质量质量 烘干土烘干土的质量的质量 瓶瓶+水水的质量的质量 瓶瓶+土土+水水的质量的质量 m1+ms瓶瓶+水（满）水（满）的质量的质量+干土干土的质量；的质量； m1+ms-m2与土粒体积相同的水与土粒体积相同的水的质量。的质量。比重瓶法比重瓶法（三）土的含水率（三）土的含水率w土的含水率

24、，曾称为含水量，定义为土的含水率，曾称为含水量，定义为土中水的质量与土粒土中水的质量与土粒的质量之比的质量之比，以百分数表示，其表达式为：，以百分数表示，其表达式为： （1-9）测定含水率常用的方法是测定含水率常用的方法是烘干法烘干法，先称出天然土的质量，先称出天然土的质量，然后放在烘箱中，在然后放在烘箱中，在100105常温下烘干，称得干常温下烘干，称得干土质量，按上式可算得。土质量，按上式可算得。%100swmm1-4 1-4 土的物理性质指标土的物理性质指标二、间接换算得物理性质指标二、间接换算得物理性质指标（一）土的孔隙比（一）土的孔隙比e定义：定义：土中孔隙的体积与土粒的体积之比土中

25、孔隙的体积与土粒的体积之比，以小数表示，以小数表示，其表达式为：其表达式为： （1-10）（二）土的孔隙率（二）土的孔隙率n定义：定义：土中孔隙的体积与土的总体积之比土中孔隙的体积与土的总体积之比，或单位体积内，或单位体积内孔隙的体积，以百分数表示，其表达式为：孔隙的体积，以百分数表示，其表达式为： （1-11） svVVe %100VVnv1-4 1-4 土的物理性质指标土的物理性质指标（三）土的饱和度三）土的饱和度Sr定义：定义：土中孔隙水的体积与孔隙体积之比土中孔隙水的体积与孔隙体积之比，以百分数表，以百分数表示，其表达式为：示，其表达式为： （1-12）%100vwrVVS1-4 1-

26、4 土的物理性质指标土的物理性质指标土的干重度：土的干重度：单位体积内土粒的重量单位体积内土粒的重量，表达式为：，表达式为： （1-14）土烘干，体积要减小，因而，土的干密度不等于烘干土的土烘干，体积要减小，因而，土的干密度不等于烘干土的密度。土的干密度或干重度也是评定土密实程度的指标，密度。土的干密度或干重度也是评定土密实程度的指标，干密度或干重度愈大表明土愈密实，反之愈疏松。干密度或干重度愈大表明土愈密实，反之愈疏松。gVgmVWdssd（四）干密度四）干密度d与干重度与干重度d土的干密度：土的干密度：单位体积内土粒的质量单位体积内土粒的质量，表达式：，表达式： （1-13）Vmsd1-4

27、 1-4 土的物理性质指标土的物理性质指标（五）饱和密度（五）饱和密度sat与饱和重度与饱和重度sat饱和密度定义：饱和密度定义：土中孔隙完全被水充满土处于饱和状态时土中孔隙完全被水充满土处于饱和状态时单位体积土的质量单位体积土的质量。表达式为：。表达式为： （1-15）VVmwvssat1-4 1-4 土的物理性质指标土的物理性质指标在饱和状态下，单位体积土的重量在饱和状态下，单位体积土的重量称为饱和重度，其表达称为饱和重度，其表达式为：式为： （1-16）gVgVgmVVWsatwvswvssat1-4 1-4 土的物理性质指标土的物理性质指标（六）浮密度六）浮密度与浮重度（有效重度）与浮

28、重度（有效重度） 土在水下，受到水的浮力作用，其有效重量减小，因此提土在水下，受到水的浮力作用，其有效重量减小，因此提出了浮重度，即有效重度的概念，其表达式为：出了浮重度，即有效重度的概念，其表达式为： （1-17）gVgVgmVVWwsswss1-4 1-4 土的物理性质指标土的物理性质指标与其相应，提出了浮密度的概念，土的浮密度是与其相应，提出了浮密度的概念，土的浮密度是单位体单位体积内的土粒质量与同体积水质量之差积内的土粒质量与同体积水质量之差，其表达式为：，其表达式为： （1-18） 或或 （1-19）从上述四种土的密度或重度的定义可知，同一土样各种从上述四种土的密度或重度的定义可知，

29、同一土样各种密度或重度在数值上有如下关系：密度或重度在数值上有如下关系：dsatdsatwsatVVmwss1-4 1-4 土的物理性质指标土的物理性质指标三、物理性质指标间的换算三、物理性质指标间的换算常用的土的物理指标共有九个。已知其中任意三个，通过常用的土的物理指标共有九个。已知其中任意三个，通过换算可以求出其余的六个。换算可以求出其余的六个。（一）孔隙比与孔隙率的关系（一）孔隙比与孔隙率的关系设土体内土粒的体积为设土体内土粒的体积为1，则，则 可知，孔隙的体积可知，孔隙的体积Vv为为e，土体的体积土体的体积V为（为（1e），），于是有：于是有： （1-20） 或或 （1-21）eeVV

30、nv1nne1 孔隙 e 1+e 土粒 1 三相示意图（a）1-4 1-4 土的物理性质指标土的物理性质指标svVVe （二）干密度与湿密度和含水率的关系二）干密度与湿密度和含水率的关系设土体的体积设土体的体积V为为1，则，则d = ms /V，土体内土粒的质量土体内土粒的质量ms为为d，由由w= mw / ms水的质量水的质量mw为为w d。于是，于是，按式（按式（14）的定义可得：）的定义可得： 或或 （1-22）)1 (1wwVmdddwd11-4 1-4 土的物理性质指标土的物理性质指标（三）孔隙比与比重和干密度的关系（三）孔隙比与比重和干密度的关系设土体内土粒的体积为设土体内土粒的体

31、积为1，则按，则按 ，孔隙的体积孔隙的体积Vv为为e；由由s ms / Vs得土粒的质量得土粒的质量ms为为s。于是，按于是，按d的的定义可得：定义可得：应用式（应用式（16）整理得：）整理得： (1-23)eVmssd11dwsGe1-4 1-4 土的物理性质指标土的物理性质指标svVVe （四）饱和度与含水率、比重和孔隙比得关系（四）饱和度与含水率、比重和孔隙比得关系设土体内土粒的体积为设土体内土粒的体积为1，则按，则按e=Vv/Vs得体积得体积vv=e；由由s ms / Vs得土粒的质量得土粒的质量ms=s。按按w= mw / ms ，水得质，水得质量量mw=ws，则水得体积则水得体积v

32、w= mw / w =ws/w。于是，于是，S （1-24）当土饱和时，即当土饱和时，即Sr为为100，则：，则： （1-25）式中：式中：wsat饱和含水率。饱和含水率。ewGewVVSswsvwrssatGwe 1-4 1-4 土的物理性质指标土的物理性质指标（五）浮密度与比重和孔隙比得关系（五）浮密度与比重和孔隙比得关系设土体内土粒体积为设土体内土粒体积为1，则按，则按e=Vv/V ，孔隙的体积，孔隙的体积Vv为为e；由由s ms / Vs得土粒的质量得土粒的质量ms为为s。于是，按式（于是，按式（118）可）可 （1-26）eGeVVmwswswss1111-4 1-4 土的物理性质指

33、标土的物理性质指标【例题例题12】某一块试样在天然状态下的体积为某一块试样在天然状态下的体积为60cm3，称得其质量为称得其质量为108g，将其烘干后称得质量为将其烘干后称得质量为96.43g，根据根据试验得到的土粒比重试验得到的土粒比重Gs为为2.7，试求试样的湿密度、干密，试求试样的湿密度、干密度、饱和密度、含水率、孔隙比、孔隙率和饱和度。度、饱和密度、含水率、孔隙比、孔隙率和饱和度。【解】（【解】（1）已知）已知V60cm3，m=108g，则由式（则由式（14）得）得 =mv=180/ 60=1.8g/cm31-4 1-4 土的物理性质指标土的物理性质指标（2）已知）已知ms=96.43

34、g，则则 mw=mms=10896.43=11.57g按式（按式（18），于是），于是 w= mwms11.5796.43=12%（3）已知已知Gs=2.7，则则 Vs= ms /s=96.43 2.735.7cm3 Vv=V Vs =6035.724.3cm3按式（按式（111），于是），于是1-4 1-4 土的物理性质指标土的物理性质指标vsVeV（4）按式（按式（112） n= Vv/V24.3 60=40.5（5）根据根据w的定义的定义 Vw = mw/w=11.57 111.57cm3 于是按式（于是按式（113） Sr= Vw/Vv=11.57 24.348=24.3 35.7=0

35、.68【例Braja M. Das Advanced Soil Mechanics p.5】 For a soil in natural state, given e=0.8, Gs=2.68 and w=24%.(a) Determine the moist unit weight, dry unit weight, and degree of saturation.(b) If the soil is made completely saturated by adding water,what would its moisture content be at that time? Also

36、 find the saturated unit weight.（e unchanged） 某土样在天然状态下的孔隙比某土样在天然状态下的孔隙比 e=0.8，土粒比重土粒比重 Gs=2.68，含水量含水量=24%，求：求：(a) 天然状态下的重度、干重度和饱和度；天然状态下的重度、干重度和饱和度；(b)若该土样加水后，达到饱和状态，计算饱和时的含水量若该土样加水后，达到饱和状态，计算饱和时的含水量及饱和重度及饱和重度(假定土的孔隙比保持不变假定土的孔隙比保持不变)。1-4 1-4 土的物理性质指标土的物理性质指标ewGws11解解:(a)32.68 9.81 10.24kN18.11m10.8

37、318.11kN14.61m1124%dw%4 .8080. 068. 224. 0ewGSsr0.8029.85%2.68satsewG32.680.89.8118.97kN/m110.8ssatwGee(b)1-4 1-4 土的物理性质指标土的物理性质指标【例】 A saturated soil sample weighs 0.4N and its volume is 21.5 cm3. The weight and the volume are 0.33N and 15.7 cm3after being non-completely (partly) dried in an oven f

38、or a period. The corresponding degree of saturation is 75%.Determine the water content w, void ration e and dry unit weight d before drying.【例【例1-3】某饱和土样重某饱和土样重0.4N ，体积为体积为21.5 cm3。放入烘箱内烘一段时间后取出放入烘箱内烘一段时间后取出，称得其重量为，称得其重量为0.33N，体积减小至体积减小至15.7 cm3，饱和度为饱和度为75% 。试求该土样烘烤。试求该土样烘烤前的含水量前的含水量 w、孔隙比孔隙比 e 及干容重

39、及干容重 d 。1-4 1-4 土的物理性质指标土的物理性质指标解：设烘一段时间后，孔隙体积为解：设烘一段时间后，孔隙体积为Vv2，孔隙水所占体积为孔隙水所占体积为Vw2，则：则：在烘后状态：在烘后状态：在烘前状态：在烘前状态：联立求解得：联立求解得：%7522vwrVVS%100)7 .155 .21(1010/10)33. 04 . 0(2632vwrVVS36313 . 41010/10)33. 04 . 0(6 . 3cmVw316 .10)7 .155 .21(8 . 4cmVv63610.6 101036%0.4 1010.6 1010w972. 06 .105 .216 .10e

40、3630.4 10/(21.5 10 )13.68kN/m11 36%dw1-4 1-4 土的物理性质指标土的物理性质指标2vV2wV =4.8cm3，=3.6cm31-10 实验测得某土样的孔隙比e=0.72，土颗粒的比重Gs=2.61。求：(1) 孔隙率、干密度及饱和密度；(2) 若该土样的饱和度为60%，计算其天然重度。For a soil in natural state, given e=0.72, and Gs=2.61.(a) Determine the porosity, dry unit weight, and saturated unit weight.(b) If deg

41、ree of saturation of the soil is 60%, calculate the unit weight.1V (1)1swewd1srwGSe1-11 画土的三相图，设，试证明：密实度密实度如何衡量如何衡量? ?单位体积中固体颗粒含量的多少单位体积中固体颗粒含量的多少 或或 孔隙含量的多少孔隙含量的多少优点：优点：简单方简单方便便缺点：缺点：不能反映级配的影不能反映级配的影响响 只能用于同一种土只能用于同一种土对对策策相对密度相对密度干容重干容重 d d或或孔隙比孔隙比e e或孔隙率或孔隙率n nemin = 0.35emin = 0.201-5 1-5 无粘性土的相对

42、密实度、无粘性土的相对密实度、 粘性土的稠度及土的压实性粘性土的稠度及土的压实性1-5 1-5 无粘性土的相对密实度、无粘性土的相对密实度、 粘性土的稠度及土的压实性粘性土的稠度及土的压实性一、无粘性土的相对密实度一、无粘性土的相对密实度常用常用相对密实度相对密实度Dr来衡量无粘性土的松紧程度，其定义为来衡量无粘性土的松紧程度，其定义为 （1-27）式中：式中：Dr相对密实度；相对密实度； emax无粘性土处在最松状态时的孔隙比；无粘性土处在最松状态时的孔隙比； emin无粘性土处在最密状态时的孔隙比；无粘性土处在最密状态时的孔隙比； e0无粘性土得天然孔隙比或填筑孔隙比。无粘性土得天然孔隙比

43、或填筑孔隙比。minmax0maxeeeeDr按式（按式（123）可得相对密实度得使用表达式）可得相对密实度得使用表达式 （1-28）式中：式中：dmax无粘性土的最大干密度；无粘性土的最大干密度； dmin无粘性土的最小干密度；无粘性土的最小干密度； d无粘性土的天然干密度或填筑干密度。无粘性土的天然干密度或填筑干密度。将风干的无粘性土试样用将风干的无粘性土试样用漏斗法漏斗法测定其最小干密度，用测定其最小干密度，用振击法振击法测定其测定其最大干密度。最大干密度。ddddddrDminmaxmaxmin1-5 1-5 无粘性土得相对密实度、无粘性土得相对密实度、 粘性土得稠度及土的压实性粘性土

44、得稠度及土的压实性注意：注意：室内测得理论上的最大与最小孔隙比有时很困难室内测得理论上的最大与最小孔隙比有时很困难在工程上，用相对密实度在工程上，用相对密实度Dr划分无粘性土的状态如下：划分无粘性土的状态如下： 0Dr1/3 疏松的疏松的 1/3Dr2/3 中密的中密的 2/3Dr1 密实的密实的1-5 1-5 无粘性土得相对密实度、无粘性土得相对密实度、 粘性土得稠度及土的压实性粘性土得稠度及土的压实性A sample of sand, given =14.7 kN/m3, w=13%, dmin=12kN/m3 , dmax=16.6kN/m3 . Estimate its compact

45、ion state.Solution:1, 11,1maxminminmaxdsdsdsdeeew1-5 1-5 无粘性土得相对密实度、无粘性土得相对密实度、 粘性土得稠度及土的压实性粘性土得稠度及土的压实性1111maxminminminmaxmaxdsdsdsdsreeeeD31278. 0136 .16126 .161213maxminmaxminddrddddDSo, it is loose.1-5 1-5 无粘性土得相对密实度、无粘性土得相对密实度、 粘性土得稠度及土的压实性粘性土得稠度及土的压实性二、粘性土的稠度二、粘性土的稠度（一）粘性土的稠度状态（一）粘性土的稠度状态稠度稠度指

46、粘性土的干湿程度或指粘性土的干湿程度或在某一含水率下抵抗外力作在某一含水率下抵抗外力作用而变形或破坏的能力，是用而变形或破坏的能力，是粘性土最主要的物理状态指粘性土最主要的物理状态指标。标。流动、软、可塑、硬流动、软、可塑、硬等描述等描述四种状态四种状态可塑性可塑性：土在外力作用下可：土在外力作用下可改变形状但不显著改变其体改变形状但不显著改变其体积也不开裂，外力卸除厚仍积也不开裂，外力卸除厚仍能保持已有的形状。能保持已有的形状。 1-5 1-5 无粘性土得相对密实度、无粘性土得相对密实度、 粘性土得稠度及土的压实粘性土得稠度及土的压实性性粘性粘性土土较较硬硬变变软软流流动动（二）界限含水率及

47、其测定（二）界限含水率及其测定1.界限含水率界限含水率粘性土从一种状态过渡到另一种状态，可用某一界限含水粘性土从一种状态过渡到另一种状态，可用某一界限含水率来区分，这种界限含水率称为率来区分，这种界限含水率称为稠度界限稠度界限或阿太堡界限或阿太堡界限 (Atterberg limits )。液限液限（wL）从流动状态转变为可塑状态的界限含水率从流动状态转变为可塑状态的界限含水率，也就是可塑状态的上限含水率；，也就是可塑状态的上限含水率；塑限塑限（ wp ）从可塑状态转变为半固体状态的界限含水从可塑状态转变为半固体状态的界限含水率，也就是可塑状态的下限含水率；率，也就是可塑状态的下限含水率；缩限

48、缩限（ ws ）从半固体状态转变为固体状态的界限含水从半固体状态转变为固体状态的界限含水率，亦即粘性土随着含水率的减小而体积开始不变时的含率，亦即粘性土随着含水率的减小而体积开始不变时的含水率水率。1-5 1-5 无粘性土得相对密实度、无粘性土得相对密实度、 粘性土得稠度及土的压实性粘性土得稠度及土的压实性2.液、塑限的测定液、塑限的测定测定塑限的方法：测定塑限的方法：搓滚法搓滚法和和液、塑限联合测液、塑限联合测定法定法。测定液限的方法：测定液限的方法：碟式仪法碟式仪法和和液、塑限联液、塑限联合测定法合测定法 锥式液限仪测定法锥式液限仪测定法。液、塑限联合测定法液、塑限联合测定法：塑限塑限5秒

49、入土秒入土2mm时的含水率时的含水率 10mm液限液限 5秒入土秒入土10mm时的含水率时的含水率 17mm液限液限 5秒入土秒入土17mm时的含水率时的含水率1-5 1-5 无粘性土得相对密实度、无粘性土得相对密实度、 粘性土得稠度及土的压实性粘性土得稠度及土的压实性1-5 1-5 无粘性土得相对密实度、无粘性土得相对密实度、 粘性土得稠度及土的压实性粘性土得稠度及土的压实性2.液、塑限的测定液、塑限的测定测定液限的方法：测定液限的方法：碟式仪法碟式仪法和和液、塑限联合测定法液、塑限联合测定法。2.液、塑限的测定液、塑限的测定测定液限的方法：测定液限的方法：碟式仪法碟式仪法和和液、塑限联合测

50、定法液、塑限联合测定法。测定塑限的方法：测定塑限的方法：搓滚法搓滚法和和液、塑限联合测定法液、塑限联合测定法。25击合拢长度击合拢长度13mm时含水率为液限时含水率为液限1-5 1-5 无粘性土得相对密实度、无粘性土得相对密实度、 粘性土得稠度及土的压实性粘性土得稠度及土的压实性土的缩限用土的缩限用收缩皿法收缩皿法测定，把土料的含水率调制到测定，把土料的含水率调制到大于土的液大于土的液限限，然后将试样分层填入收缩皿中，刮平表面，烘干，测出干，然后将试样分层填入收缩皿中，刮平表面，烘干，测出干试样的体积并称量准确至试样的体积并称量准确至0.1g后，按下式计算：后，按下式计算： （1-29）式中：

51、式中：ws土的缩限（）土的缩限（） w制备时的含水率（）制备时的含水率（）V1湿试样的体积（湿试样的体积（cm3） ，V2干试样的体积（干试样的体积（cm3）10021wssmVVww1-5 1-5 无粘性土得相对密实度、无粘性土得相对密实度、 粘性土得稠度及土的压实性粘性土得稠度及土的压实性（三）塑性指数和液性指数三）塑性指数和液性指数1.塑性指数塑性指数塑性指数塑性指数：液限和塑限之差的百分数值（去掉百分号）。：液限和塑限之差的百分数值（去掉百分号）。用用Ip表示，取整数，即：表示，取整数，即：塑性指数越塑性指数越高高，吸着水含量可能，吸着水含量可能高高，土的粘粒含量越，土的粘粒含量越高高

52、。 pLpwwI1-5 1-5 无粘性土得相对密实度、无粘性土得相对密实度、 粘性土得稠度及土的压实性粘性土得稠度及土的压实性塑性指数Ip土的名称Ip17粘土10Ip17粉质粘土注注:塑性指数由相应于塑性指数由相应于76g圆锥体沉入土样中深度为圆锥体沉入土样中深度为10mm时测定的液限时测定的液限计算而得。计算而得。 粘粘 性性 土土 的的 分分 类类 建筑地基基础设计规范建筑地基基础设计规范 GB50007-20021-5 1-5 无粘性土得相对密实度、无粘性土得相对密实度、 粘性土得稠度及土的压实性粘性土得稠度及土的压实性2.液性指数液性指数粘性土的状态可用液性指数来判别。粘性土的状态可用

53、液性指数来判别。定义为：定义为： （1-31）式中：式中：IL液性指数，以小数表示；液性指数，以小数表示； w土的天然含水率。土的天然含水率。液性指数表征了土的天然含水率与界限含水率之间的相对关系，表达液性指数表征了土的天然含水率与界限含水率之间的相对关系，表达了天然土所处的状态。了天然土所处的状态。pppLpLIwwwwwwI1-5 1-5 无粘性土得相对密实度、无粘性土得相对密实度、 粘性土得稠度及土的压实性粘性土得稠度及土的压实性IL1坚硬状坚硬状态态可塑状可塑状态态流流 态态0.00 0.250.25 - 0.750.75 1.00硬硬塑塑可可塑塑软软塑塑液性指数液性指数IL状态状态液

54、性指数液性指数IL状态状态IL 00坚硬坚硬0.75 IL1软塑软塑01流塑流塑0.25 IL0.75可塑可塑 粘性土的状态粘性土的状态 建筑地基基础设计规范建筑地基基础设计规范 GB50007-20021-5 1-5 无粘性土得相对密实度、无粘性土得相对密实度、 粘性土得稠度及土的压实性粘性土得稠度及土的压实性【例】【例】 已知粘性土的颗粒重度已知粘性土的颗粒重度s =27.5 kN/m3，液限为液限为40，塑限为，塑限为22，饱和，饱和度为度为98%，孔隙比为，孔隙比为1.15，试计算塑性指数、液性指数及确定粘性土的状态。，试计算塑性指数、液性指数及确定粘性土的状态。【解】【解】 根据液限

55、和塑限可以求得塑性指数为根据液限和塑限可以求得塑性指数为18，土的含水量及液性指数可由下，土的含水量及液性指数可由下式求得式求得 IL l，故此粘性土为流塑状态。故此粘性土为流塑状态。1-5 1-5 无粘性土得相对密实度、无粘性土得相对密实度、 粘性土得稠度及土的压实性粘性土得稠度及土的压实性1.15 10 98%41%27.5wrseSw41 221.064022pLLpwwIww一. 室内击实试验 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 试验条件试验条件 土样分层土样分层n=3层；落高层；落高d=30cm；击数击数N=27/ /层层 击实能量击实

56、能量 3m/mKN5 .607VwdNnE 试验方法试验方法 对对=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、，算定算定d 注意注意：仅适用于细粒土；对粗粒土，可用较大尺仅适用于细粒土；对粗粒土，可用较大尺寸的击实仪寸的击实仪土土1-1-6 6 土的压实原理土的压实原理击实试验击实试验一、土的压实性一、土的压实性土的压实性：指在一定的含水率下，以人工或机械的方法，使土能够土的压实性：指在一定的含水率下，以人工或机械的方法，使土能够压实到某种密实度的性质。压实到某种密实度的性质。填土的密实程度常以干密度表示填土的密实程度常以干密度表示土工试验方法标准（国家标准）

57、土工试验方法标准（国家标准）轻型：轻型：d5mm； V=947cm3, m=2.5kg, 3层层 25击，击， 落高落高30.5cm重型：重型： d5mm粒径的含量不超过粒径的含量不超过2530时，仍可时，仍可用轻型击实，但要修正。用轻型击实，但要修正。问题：问题： d5mm粒径的含量较少时是剔除好：还是粒径的含量较少时是剔除好：还是修正好？或者干脆用重型？修正好？或者干脆用重型？1-1-6 6 土的压实原理土的压实原理1-1-7 7 土的工程分类土的工程分类粗粒土按粗粒土按颗粒组成颗粒组成进行分类；粘性土按进行分类；粘性土按塑性指数塑性指数分类。分类。一、土的分类标准一、土的分类标准（一）巨

58、粒土和含巨粒土的分类（一）巨粒土和含巨粒土的分类巨粒土和含巨粒土应按试样中所含巨粒土和含巨粒土应按试样中所含粒径大于粒径大于60mm的巨粒组含量来的巨粒组含量来划分。试样中含巨粒组质量多于总划分。试样中含巨粒组质量多于总质量的质量的50的土称为的土称为巨粒土巨粒土；试样；试样中巨粒组质量为总质量的中巨粒组质量为总质量的1550的土称为的土称为巨粒混合土巨粒混合土；试样中巨粒组质量少于总质量；试样中巨粒组质量少于总质量的15的土，可扣除巨粒，按粗粒土或细粒土的相应规定分类定名。（二）粗粒土的分类二）粗粒土的分类试样中粒径大于试样中粒径大于0.075mm的粗粒组质量多于总质量的粗粒组质量多于总质量

59、50的土称为的土称为粗粒土粗粒土。粗粒土又分为。粗粒土又分为砾类土砾类土和和砂类土砂类土两类。试样中粒径大于两类。试样中粒径大于2mm的砾粒组质的砾粒组质量多于总质量的量多于总质量的50的土称为的土称为砾类土砾类土；试样中粒径大于；试样中粒径大于2mm的砾粒组质的砾粒组质量少于或等于总质量量少于或等于总质量50的土称为的土称为砂类土砂类土。1-1-7 7 土的工程分类土的工程分类（三）细粒土的分类（三）细粒土的分类试样中粒径小于试样中粒径小于0.075mm的细粒组质量多于或等于总质量的细粒组质量多于或等于总质量的的50的土称为的土称为细粒土细粒土。细粒土应按下列规定划分：。细粒土应按下列规定划分：1、试样中粗粒组质量少于总质量的、试样中粗粒组质量少于总质量的25的土称为的土称为细粒土细粒土；2、试样中粗粒组质量为总质量的、试样中粗粒组质量为总质量的2550的土称的土称含粗粒含粗粒的细粒土的细粒土；3、试样中含部分有机质的土称、试样中含部分有机质的土称有机质土有机质土。细粒土可按塑性图进一步细分细粒土可按塑性图进一步细分。1-1-7 7 土的工程分类土的工程分类1-1-7 7 土的工程分类土的工程分类1-1-7 7 土的工程分类土的工程分类【例题【例题15】有有A，B，C三种土，它们的粒径分布曲线如图三种土，