第二章土的物理性质指标

1、四、土的物理与力学性质空气空气 Air三三 相相 草草 图图水水 Water固体固体 Solidma=0mwmsm质量质量VaVwVsVnV体积体积土的三相比例指标土的三相比例指标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。系以及固、液两相相互作用表现出来的性质。 WaterAirSoilVaVwVsVnVma=0mwmsm质量质量体积体积VVVnVVVVaasVmmmmmmaas0已知关系五个已知关系五个: :共有九个参数共有九个参数: V Vn Vs Va V / / ms m ma m三相草图

2、法三相草图法对于饱和土对于饱和土, Va=0是一种简单而实用的方法是一种简单而实用的方法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，通常进行三个基本指标的物理性质试验：常进行三个基本指标的物理性质试验：F土的密度试验土的密度试验F土粒相对密度试验土粒相对密度试验F土的含水量试验土的含水量试验 土的三相基本指标土的三相基本指标 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 试验方法：环刀法试验方法：环刀法 一般范围一般范围: 1.602.20 g/cm3awswsVVVmmVmn

3、土的（湿）密度土的（湿）密度 (天然密度天然密度)空气空气水水固体固体ma=0mwmsm质量质量VaVwVsVnV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土的三个基本指标土的三个基本指标粘性土：粘性土： =1.82.0g/cm3 砂砂 土：土： =1.62.0g/cm3 腐殖土：腐殖土： =1.51.7g/cm3 测定方法测定方法：一般用一般用“环刀法环刀法” ，用一个圆环刀（刀刃向下）放在用一个圆环刀（刀刃向下）放在削平的原状土样面上，徐徐削去削平的原状土样面上，徐徐削去环刀外围的

4、土，边削边压，使保环刀外围的土，边削边压，使保持天然状态的土样压满环刀内，持天然状态的土样压满环刀内，称得环刀内土样的质量，求得它称得环刀内土样的质量，求得它与环刀容积之比值即为其密度。与环刀容积之比值即为其密度。土的三个基本指标土的三个基本指标n 土的（湿）密度土的（湿）密度 用烘干法测定用烘干法测定sssVm土粒密度是指固体颗粒的质量土粒密度是指固体颗粒的质量ms与其体与其体积积Vs之比；即土粒的单位体积质量之比；即土粒的单位体积质量 ：单位：g/cm3 土粒密度仅与组成土粒的矿物密度有关，而。实际上是土中各种矿物密度的加权平均值。 砂土的土粒密度一般为：2.65 g/cm3左右粉质砂土的

5、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：2.7-2.75g/cm3 气气水水土粒土粒msmwmVsVwVVa质量质量m体积体积V 土的三个基本指标土的三个基本指标n 土粒的密度土粒的密度 s 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，用百分数表示 表达式：表达式： 单单 位位: 无量纲无量纲 实验方法：烘干法实验方法：烘干法,酒精燃烧法酒精燃烧法 一般范围：变化范围大一般范围：变化范围大(%)100%100%wsssmmmmm注意注意: : 其实是含水比其实是含水比, ,可达到或超过可

6、达到或超过100100n 土的含水量土的含水量W空气空气水水固体固体ma=0mwmsm质量质量VaVwVsVnV体积体积土的三个基本指标土的三个基本指标：先称小块原状土样的湿土质量先称小块原状土样的湿土质量，然后置于烘箱内然后置于烘箱内维持维持100105烘至恒重，再称干土质量烘至恒重，再称干土质量s，水的质量，水的质量w为湿为湿土和干土质量之差。土和干土质量之差。土的三个基本指标土的三个基本指标n 土的含水量土的含水量W 用烘干法测定用烘干法测定。 气气水水土粒土粒msmwmVsVwVVa质量质量m体积体积V：单位： g/cm3 Vmsd土的干密度一般常在1.31.8 g/cm3 在工程上常

7、把干密度作为评定土体紧密程度的标准，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。以控制填土工程的施工质量。 n 土的干密度土的干密度 d气气水水土粒土粒msmwmVsVwVVa质量质量m体积体积V单位: g/cm3 VVnmwssat土的饱和密度的常见值为1.82.30 g/cm3n 土的饱和密度土的饱和密度 sat = sat -w单位: g/cm3 同一种土在体积不变的条件下，它的各种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：密度在数值上有如下关系： dsats气气水水土粒土粒msmwmVsVwVVa质量质量m体积体积Vn 土的浮密度土的浮密度

8、 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：土被烘干时的密度，土被烘干时的密度， 干容重：干容重：gddV/msdn 天然密度天然密度 天然容重天然容重awswsVVVmmVm gn 饱和密度：饱和密度：土被饱和时的密度，土被饱和时的密度， 饱和容重：饱和容重：VVmvwssat gsatsat wsat n 浮容重：浮容重：静水下的静水下的有效容重有效容重空气空气水水固体固体ma=0mwmsm质量质量VaVwVsVnV体积体积各种密度容重间的大小关系各种密度容重间的大小关系dsat dsatn 天然密度天然密度n 干密度干密度n 饱和密度饱和密度VmmVmwsVVm

9、vwssat V/msdn 天然容重天然容重n 干容重干容重n 饱和容重饱和容重n 浮容重浮容重gdd g gsatsat wsat 空气空气水水固体固体ma=0mwmsm质量质量VaVwVsVnV体积体积 土的三相比例指标土的三相比例指标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%sV/Vne 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(%)nnn 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积之比, 用百分数表

10、示用百分数表示空气空气水水固体固体ma=0mwmsm质量质量VaVwVsVnV体积体积 土的三相比例指标土的三相比例指标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 swmm(%)wn 含水量：含水量：nwrVVS 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VaVwVsVnV体积体积 土的三相比例指标土的三相比例指标 土的三相比例指标土的三相比例指标 土的三相比例指标土的三相比例指标常用的物理性质指标间的

11、换算关系常用的物理性质指标间的换算关系要点要点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，如含水率、密度和土粒比重，称为直接的，如含水率、密度和土粒比重，称为直接指标；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、饱和度等，称为的，如孔隙比、孔隙率、饱和度等，称为间接指标。间接指标。土的三相比例指标土的三相比例指标【例题【例题1】某一块试样在天然状态下的】某一块试样在天然状态下的体积体积为为38.4cm3，称得其，称得其质量为质量为6

12、7.21g，将其，将其烘烘干后干后称得质量为称得质量为49.35g，根据试验得到的，根据试验得到的土粒比重土粒比重G为为2.69，试求试样的土的密度、，试求试样的土的密度、干密度、含水率、饱和密度、孔隙比、孔隙干密度、含水率、饱和密度、孔隙比、孔隙率和饱和度。率和饱和度。【解】（1）已知V60cm3，m=108g，则由式（14）得 =m v=180 60=1.8g/cm3（2）已知ms=96.43g，则 mw=mms=10896.43=11.57g按式（19），于是 w= mw ms11.5796.43=12%（3）已知Gs=2.7，则 Vs= ms s=96.43 2.735.7cm3 Vv

13、=VVs=6035.724.3cm3按式（110），于是 e= Vv Vs24.3 35.7=0.68（4）按式（111） n= Vv V24.3 60=40.5（5）根据w的定义 Vw = mw w=11.57 111.57cm3 于是按式（112） St= Vw Vv=11.57 24.3482.2 土的三相比例指标土的三相比例指标土的物理状态指标土的物理状态指标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密实度密实度稠度稠度2.3 黏性土

14、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与含水量有关粘性土最主要的物理状态特征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2.3 黏性土的物理特性黏性土的物理特性粘性土的状态转变过程粘性土的状态转变过程可塑状态：黏性土在某含水量范围内，可用外力塑成任何形状而不发生裂纹，当外力卸除后仍能保持已有的形状。 2.3 黏性土的物理特性黏性土的物理特性塑限塑限w wp p液限液限w wl l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

15、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界限含水量界限含水量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 黏性土的物理特性黏性土的物理特性测定塑限的方法： 搓滚法和液、塑限联合测定法。测定液限的方法： 碟式仪法和液、塑限联合测定法液、塑限联合测定法：塑限5秒入土2mm时的含水率17mm液限 5秒入土17mm时的含水率圆锥体入土深度与含水量的关系圆锥体入土深度与含水量的关系2.3 黏性土的物理特性黏性土的物理特性液塑限联合测定仪液塑限联合测定仪液限：液限：76g76g圆锥下沉深度为圆锥下沉深度

16、为17mm所对应的含水量所对应的含水量塑限：塑限：76g圆锥圆锥下沉深度为下沉深度为2mm处所对应的含水量处所对应的含水量2.3 黏性土的物理特性黏性土的物理特性pLpI 吸附结合水的能力；粘性大小；大致反映粘土颗粒含量吸附结合水的能力；粘性大小；大致反映粘土颗粒含量反映了黏性土及其三相组成的基本特性反映了黏性土及其三相组成的基本特性 塑性指数塑性指数2.3 黏性土的物理特性黏性土的物理特性土粒越细，比表面积越大，结合水含量越高，Ip越大黏土矿物（尤以蒙脱石类）含量越多，水化作用越剧烈，结合 水含量越高， Ip越大水中高价阳离子浓度越低，反离子层中的低价阳离子增加， Ip变大工程上常按工程上常

17、按塑性指数塑性指数对黏性土进行工程分类对黏性土进行工程分类相对稠度相对稠度pLpLI 问题：仅适用于问题：仅适用于重塑土重塑土对于对于不同的粘土，含水量相同，状态可能不同状态可能不同液性指数：液性指数：不同的粘土，p、l 大小不同定义：定义：wpwwlIL1坚硬状态坚硬状态可塑状态可塑状态流流 态态0.00 0.250.25 0.750.75 1.00硬塑硬塑可塑可塑软塑软塑是指黏性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比。是指黏性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比。对重塑土较为合适。对重塑土较为合适。2.3 黏性土的物理特性黏性土的物理特性黏性土根据黏性土根据液性指数液性指数划划分软硬

18、状态分软硬状态塑性指数常作为细粒土工程分类的依据塑性指数常作为细粒土工程分类的依据缺点：缺点：反映的是全部土颗粒吸附结和合的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能力，不能充分反映粘土矿物表面活性的高低高低 （不能充分不能充分反映粘土颗粒含量）反映粘土颗粒含量） 不同的粘土矿物结合水的能力不同不同的粘土矿物结合水的能力不同活性指数活性指数002. 0ppIA p0.002: 粒径小于粒径小于0.002mm颗粒的质量占总土总质量的百分比颗粒的质量占总土总质量的百分比A 1.25非活性粘土非活性粘土正常粘土正常粘土活性粘土活性粘土2.3 黏性土的物理特性黏性土的物理特性

19、 活动度活动度反映黏性土中所含矿物的活动性反映黏性土中所含矿物的活动性孔隙比孔隙比e 优点：简单方便优点：简单方便 缺点：无法反映土的级配因素缺点：无法反映土的级配因素0.60.750.85松散松散中密中密密实密实稍密稍密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2 2 土的物理性质及分类土的物理性质及分类 2.4 无黏性土的密实度无黏性土的密实度e emaxmax与与e emin min ：最大与最小孔隙比最大与最小孔隙比优点：优点：简单方便简单方便缺点：缺点：不能反映级配的影响不能反映级配的影响 只能用于同一种土只能用于同一种土对对策策相对密

20、度相对密度minmaxmaxreeeeD 孔隙比孔隙比e e或孔隙率或孔隙率n nemin = 0.35emin = 0.202 2 土的物理性质及分类土的物理性质及分类 2.4 无黏性土的密实度无黏性土的密实度相相 对对 密密 度度 假定第一种砂是理想的均匀圆球，不均匀系数假定第一种砂是理想的均匀圆球，不均匀系数Cu1.0 ，最密时的孔隙比，最密时的孔隙比e0.35，如果砂粒的比重，如果砂粒的比重G2.65，则最密时的干密度，则最密时的干密度 d1.96/cm3。 第二种砂同样是理想的圆球。但其级配中除大的圆球外，还有小的圆球可第二种砂同样是理想的圆球。但其级配中除大的圆球外，还有小的圆球可

21、以充填于孔隙中，不均匀系数以充填于孔隙中，不均匀系数Cu1.0, 最密时的孔隙比最密时的孔隙比e0.35。就是说这两。就是说这两种砂若都具有同样的孔隙比种砂若都具有同样的孔隙比e0.35时时,对于第一种砂，已处于最密实的状态，而对于第一种砂，已处于最密实的状态，而对于第二种砂则不是最密实。对于第二种砂则不是最密实。2 2 土的物理性质及分类土的物理性质及分类 2.4 无黏性土的密实度无黏性土的密实度e emaxmax: : 最大孔隙比；将松散的风干土样通过长颈漏斗轻轻地倒入容器，最大孔隙比；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，求得土的最小干密度再经换算得到最大孔隙比避免重

22、力冲击，求得土的最小干密度再经换算得到最大孔隙比e eminmin: : 最小孔隙比；将松散的风干土样装入金属容器内，按规定方法最小孔隙比；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，直至密度不再提高，求得土的最大干密度再经换算得振动和锤击，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孔隙比到最小孔隙比e emaxmax与与e emin min ：最大与最小孔隙比最大与最小孔隙比注意：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优点：计入土的级配因素，理论上比较完善。优点：计入土的级配因素，理论上比较完善。缺点：天然孔隙比难以获取

23、，且缺点：天然孔隙比难以获取，且e emaxmax, ,e eminmin的测定受人为的影的测定受人为的影响较大。响较大。2 2 土的物理性质及分类土的物理性质及分类 2.4 无黏性土的密实度无黏性土的密实度l 相对密度相对密度minmaxmaxreeeeD dmindmaxdmaxdminddr)()(D 粗粒土的相对密度粗粒土的相对密度l 粗粒土的密粗粒土的密实度标准实度标准 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

24、原位标准贯入试验原位标准贯入试验法测定法测定优点：计入土的级配因素，理论上比较完善。优点：计入土的级配因素，理论上比较完善。缺点：天然孔隙比难以获取，且缺点：天然孔隙比难以获取，且e emaxmax, ,e eminmin的测定受人为的影的测定受人为的影响较大。响较大。2 2 土的物理性质及分类土的物理性质及分类 2.4 无黏性土的密实度无黏性土的密实度pLpLwwwwI F 粗粒土的密实状态指标粗粒土的密实状态指标: : 相对密度相对密度D Dr r F 细粒土的稠度状态指标细粒土的稠度状态指标: : 液性指数液性指数I IL L 定义定义 判别标准判别标准 界限含水量界限含水量 w wP

25、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minmaxmaxreeeeD 定义定义 判别标准判别标准小小 结结2 2 土的物理性质及分类土的物理性质及分类 2.4 无黏性土的密实度无黏性土的密实度土的结构土的结构土颗粒或粒团的土颗粒或粒团的空间排列和相互联结空间排列和相互联结粗粒土的结构粗粒土的结构单粒结构单粒结构重力起主导作用重力起主导作用粒间力起粒间力起主导作用主导作用粘性土的粘性土的结构性指标结构性指标细粒土的结构细粒土的结构分散结构分散结构 凝聚结构凝聚结构小小 结结2 2 土的物理性质及分类土的物理性质及分类 2.2 土的

26、三相比例指标土的三相比例指标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2 2 土的物理性质及分类土的物理性质及分类 2.2

27、 土的三相比例指标土的三相比例指标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%50%名称名称 颗粒形状颗粒形状 粒组含量粒组含量碎石土碎石土建筑场地基基

28、础规范建筑场地基基础规范GB50007-2002GB50007-20022 2 土的物理性质及分类土的物理性质及分类 2.2 土的三相比例指标土的三相比例指标土的名称土的名称 粒组含量粒组含量粒径大于粒径大于2mm2mm的颗粒占的颗粒占全质量全质量25 - 50%25 - 50%砾砂砾砂粗砂粗砂中砂中砂细砂细砂粉砂粉砂粒径大于粒径大于0.5mm0.5mm的颗粒的颗粒超过全质量超过全质量50%50%粒径大于粒径大于0.25mm0.25mm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0.075mm0.075mm的的颗粒超过全质量颗粒超过全质量85%85%粒径大于粒径大于0.075m

29、m0.075mm的颗的颗粒超过全质量粒超过全质量50%50%建筑场地基基础规范建筑场地基基础规范GB50007-2002GB50007-2002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砂土砂土2 2 土的物理性质及分类土的物理性质及分类 2.2 土的三相比例指标土的三相比例指标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粉土粉土粘性土粘性土n 粘性土：粘性土：塑性指数塑性指数Ip10的土的土 粉质粘土：粉质粘土：10I1017的土的土 非活性粘土：非活性粘土： A 1.25n 粉土：粉土：粒径大于粒径大于0.075mm的颗粒含量小于的颗粒含量小于全

30、质量全质量50%而塑性指数而塑性指数Ip 10的土的土建筑场地基基础规范建筑场地基基础规范GB50007-2002GB50007-20022 2 土的物理性质及分类土的物理性质及分类 2.2 土的三相比例指标土的三相比例指标【例题17】有A，B，C三种土，它们的粒径分布曲线如图所示。已知B土的液限为38，塑限为19，C土的液限为47，塑限为24。试对这三种土进行分类。2 2 土的物理性质及分类土的物理性质及分类 2.2 土的三相比例指标土的三相比例指标【解】（1）对A土进行分类：从图128曲线A查得粒径大于60mm的巨粒含量为零，而粒径大于0.075mm的粗粒含量为98，大于50，所以A土属于

31、粗粒土；从图中查得粒径大于2mm的砾粒含量为63，大于50，所以A土属于砾类土；细粒含量为2，少于5，该土属砾；从图中曲线查得d10，d30和d60分别为0.32mm、1.65mm和3.55mm，因此，土的不均匀系数 Cu= d60d10=3.55 0.3211.0土的曲率系数 Cc=(d30)2 d10 d601.652 0.323.55=2.402 2 土的物理性质及分类土的物理性质及分类 2.2 土的三相比例指标土的三相比例指标由于Cu5，Cc13，所以A土属于级配良好砾（GW）。（2）对B土进行分类：从图128的B曲线中查得大于0.075mm的粗粒含量为72，大于50，所以B土属于粗粒土；从图中查得大于2mm的砾粒含量为8，小于50，所以B土属于砂类土，但小于0.075mm的细粒含量为28，在1550%之间，因而B土属于细粒土质砂；由于B土的液限为38，塑性指数Ip381919，在17mm塑性图上落在CL区，故B土最后应定名为粘土质砂（SC）。