土物理性质指标与分类

1、简介简介土力学概念土力学概念中铁上海工程局有限公司中铁上海工程局有限公司技术中心技术中心高冰高冰 第一节第一节 土的土的颗粒级配颗粒级配 颗粒大小粒组 按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类界限粒径d(mm)d(mm)砾石砾石砂粒砂粒粉粒粉粒粘粒粘粒胶粒胶粒6020.050.0050.0020.250.5520粗 中 细 粗 中 细 极细0.1粗粒粗粒细粒细粒颗粒大小分析试验颗粒大小分析试验 测定土中各粒组颗粒质量所占该土总质量的百测定土中各粒组颗粒质量所占该土总质量的百分数，确定粒径分布范围的试验称为分数，确定粒径分布范围的试验称为土的颗粒大小土的颗粒大小分

2、析试验分析试验。常用的方法：常用的方法：筛分法筛分法：粒径：粒径0.075mm 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 土的级配曲线土的级配曲线 颗粒分析试验曲线颗粒分析试验曲线颗粒分析试验曲线的主要用途颗粒分析试验曲线的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粗粒土的分类和大致评估土的工程性质评估土的工程性质； （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建筑材料的选择和评价土级配的好坏的好坏。 根据某些特征粒径，可得到

3、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，即不均匀不均匀系数系数CuCu和和曲率系数曲率系数CcCc，它们的定义为：它们的定义为： 1060ddCu 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。6010230dddCc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

4、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。 第二节第二节 土的土的物理指标物理指标 两类物理指标：两类物理指标： 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、密度和土粒的，如含水率、密度和土粒比重，称为直接指标；比重，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

5、的，如孔隙比、孔隙率、的，如孔隙比、孔隙率、饱和度等，称为间接指标。饱和度等，称为间接指标。 土的三相图土的三相图试验直接测定的物理性质指标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，单位表示，单位为为Mg/m3(或或g/cm3)。 表达式如下：表达式如下： 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。awsawsVVVmmmVm 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

6、达式如下： 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。gVgmVW（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： 或或 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。4s4wwsssVmG4wsssVgmG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s4w4

7、w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。12sswtsmGGmmmwtG 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

8、 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，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： 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

9、得。土质量，按上式可算得。%100swmm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孔隙的体积与土粒的体积之比，以小数表，以小数表示，其表达式为：示，其表达式为： （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，或单位体积内孔隙的体积，以百分数表示，其表达式为：积内孔隙的体积，以百分数表示，其表达式为： svVVe %100VVnv（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

10、之比，以百分数表，以百分数表示，其表达式为：示，其表达式为： %100vwrVVS 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： 土烘干，体积要减小，因而，土的干密度不等于烘干土烘干，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，干密度或干重度愈大表明土愈密实，反之愈疏松。标，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：

11、，表达式： Vmsd（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时单位体积土的质量。表达式为：。表达式为： VVmwvssat 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，其称为饱和重度，其表达式为：表达式为： gVgVgmVVWsatwvswvssat（六）浮密度六）浮密度与浮重度（有效重度）与浮重度（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

12、概念，其表达式为：此提出了浮重度，即有效重度的概念，其表达式为： gVgVgmVVWwsswss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： 或或 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，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：dsatdsatwsatVVmwss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粘性土的干湿程度或指粘性土的干

13、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。 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

14、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

15、，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。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（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

16、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。 pLpwwI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 GB50007-20022.液性指数液性指数粘性土的状态可用液性指数来判别。粘性土的状态可用液性

17、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。pppLpLIwwwwwwIIL1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 第三节第三节 渗透系数渗透系数 渗透渗透：由于土体本身具有连续的孔隙，如果存在水位差的作用时，水就会透过土体孔隙而发生孔隙内的流动。 土具有被

18、水透过的性能称为土的渗透性渗透性。 土的渗透性问题问题是指由于水的渗透引起土体内部应力状态的变化或土体、地基本身的结构、强度等状态的变化，从而影响建筑物或地基的稳定性或产生有害变形的问题。黏土铺盖必要时设防渗帷幕达西渗透定律达西渗透定律 一、达西渗透定律 由于土体中的孔隙一般非常微小，水在土体中流动时的粘滞阻力很大、流速缓慢，因此，其流动状态大多属于层流 著名的达西渗透定律： 渗透速度： 或渗流量为：kiLhkvkiAvAq渗透系数的测定渗透系数的测定 渗透系数的大小是直接衡量土的透水性强弱的一个重要的力学性质指标。 一、实验室内测定渗透系数 就原理而言，可分为：常水头试验和变水头试验。 （一

19、）常水头法 是在整个试验过程中，水头保持不变。此法适用于透水性强的无粘性土。常水头试验装置vAtVqLhkkivAhtVLk （二）变水头法 在整个试验过程中，水头是随着时间而变化的。适用于透水性弱的粘性土。adhdVAdtLhkdV hdhkAaLdthdhkAaLdthhtt212121122112lg)(3 . 2ln)(hhttAaLhhttAaLk 成层土的渗透系数 天然沉积土往往由渗透性不同的土层所组成。对于与土层层面平行和垂直的简单渗流情况，当各土层的渗透系数和厚度为已知时，我们可求出整个土层与层面平行和垂直的平均渗透系数，作为进行渗流计算的依据。 整个土层与层面平行的平均渗透系

20、数kx为 整个土层与层面垂直的平均渗透系数ky为niiixHkHk11niiiykHHk1 对于成层土，如果各土层的厚度大致相近，而渗透性却相差悬殊时，与层向平行的平均渗透系数kx将取决于最透水土层的厚度和渗透性，而与层面垂直的平均渗透系数ky将取决于最不透水土层的厚度和渗透性。思考题 临界水力梯度的试验资料 （1）临界水力梯度与不均匀系数的关系：不均匀系数越大，临界水力梯度越小。 （2）临界水力梯度与细料含量的关系细料含量越高，临界水力梯度越大。 （3）临界水力梯度与渗透系数的关系渗透系数越大，临界水力梯度越小。 如果透水性强，抵抗渗透变形的能力就差。 第四节第四节 压缩系数压缩指数压缩系数

21、压缩指数 土的压缩系数和压缩指数土的压缩曲线越陡，其压缩性越高。土的压缩曲线越陡，其压缩性越高。 故可用故可用e-p曲线的切线斜率来表征土的压缩性，该曲线的切线斜率来表征土的压缩性，该斜率就称为斜率就称为土的压缩系数土的压缩系数，定义为：，定义为： 显然显然e-p曲线上各点的斜率不同，曲线上各点的斜率不同，故土的压缩系数故土的压缩系数不是常数。不是常数。a越大，土压缩性越高。越大，土压缩性越高。实用上，可以采用割线斜率来代替切线斜率。实用上，可以采用割线斜率来代替切线斜率。dpdea压缩曲线的绘制方式压缩曲线的绘制方式e - e - 曲线曲线e - lge - lg曲线曲线 e a(kP ) 0100200 3004000.60.