6、土的物理性质

1、土的物理性质土是由固体相、液体相和气体相三相物质组成的多相体系。而土的物理性质，实际上是研究土中三相物质的质量和体积之间的相互比例关系，以及固体相和液体相相互作用所表现出来的性质，前者称为土的基本物理性质 ，主要研究土的密实程度几土的干湿状况；后者称为土的水理性质，主要研究粘性土的稠度与可塑性、胀缩性、崩解性和透水性等 。土的这些性质是土的重要工程地质性质，它直接影响着土的力学性质。可以通过室内试验和现场原位测试，并经过相互换算求得土的性质指标，用来定量评价土的工程地质性质，而且在工程实践中直接被采用。1一、土的基本物理性质指标V土的总体积 Vs土中固体颗粒的体积Vv土中孔隙的体积Vw土中水的

2、体积Va土中气体的体积m土的总质量mw土中水的质量ms土中固体颗粒的质量ma土中气体的质量 土的物理性质指标2土的基本物理性质指标，有的是直接测定的，称为实测指标；有的是通过计算求得的，称为换算指标。（一）直接测定的基本物理性质指标1、土粒密度和土粒的比重 土粒密度与土粒比重这两个名词广泛应用与岩土工程的实践中，有时两者相互混用。其实两者在岩土工程中有不同的意义。 土粒密度是指固体颗粒的质量ms与其体积Vs之比值，即土粒单位体积的质量，表示式：s=ms/vs 土粒的比重Gs是指土粒在温度为105110下烘至恒量时的质量与同体积4时的纯水质量的比 值。G=ms/vs* W3土粒比重是实测指标，可

3、在实验室内直接测定。其测定方法有：比重瓶法（适用于粒径小于5mm的各类土）、浮称法（适用于粒径等于、大于5mm的各类土，其中粒径大于20mm的土质量应小于总土质量的10%）和虹吸法（适用于粒径等于、大于5mm的各类土，其中粒径大于20mm的土质量应等于、大于总土质量的10%）。土粒比重的实际应用：根据比重的大小可约略判定土中是否存在某中造岩矿物或有机质。提供土的基本物理性质指标：孔隙比、孔隙度、饱和度等的计算。在土的击实试验中计算饱和含水量及估算最大干密度。在有机土中，可以用来计算干燥土中有机物的含量。42、土的密度土的密度是指在天然状态下，土的总质量m与总体积v 之比，即土单位体积的质量，也

4、称为土的天然密度，单位为g/cm3。土的总质量包括土粒的质量ms和水的质量mw,空气质量ma忽略不计，总体积包括土粒体积VS和土粒间孔隙体积Vv。土的密度用下式表示： =m/v (g/cm3)所谓天然状态有两个方面的含义：其一是保持土的原始结构不变，也就是土粒排列的相对位置未经扰动；其二是保持土原有的水分不变。土的天然密度可在室内及现场直接测定。室内试验一般多采用环刀法或者腊封法；现场试验主要采用灌水法、灌砂法及核子密度仪法。环刀法：是最普遍的一种试验方法，利用一定体积的环刀切取土样，称土质量，以此质量与环刀体积之比为该土的密度，适用于均匀的细粒土。 5土密度的实际应用 土的密度是计算孔隙比e

5、，孔隙度n、干密度pd、和饱和度sr等基本物理指标，提供土在压缩中的沉降量计算。 从土的密度可大致判别土的密实程度，密度越大，土越密实。 结合土的自重及其他力学指标计算土压力、边坡稳定性、地基基础承载力、及路基里面施工时填料土压实密度的控制等。63、土的含水率土的含水率W是指在天然状态下土中所含水分的质量mw与固体颗粒质量ms之比值，所以也称天然含水率，用百分率表示。即 w=mw/ms室内一般用烘干法测定土的含水率，即把湿土试样放在烘箱内，在105110下烘至恒重时所失去的水分质量与干土质量进行计算 。土的含水率是很重要的基本物理性质指标，常用它来计算土的干密度、孔隙比、饱和度等其它指标，它也

6、是岩土工程实践中检查施工质量的重要指标。土的含水量也是土工建筑物施工质量控制的重要依据 7（二）计算求得的基本物理性质指标1、土的干密度土的孔隙中完全没有水时的密度称为土的干密度。它是指单位体积干土的质量，即固体颗粒的质量ms与土的总体积V的比值，以下式表示：d= ms/v (g/cm3)干密度是土密度的最小值，它取决于单位体积的土中固体颗粒多少及组成土粒的矿物密度，其值的大小反映了土粒排列的密实程度。若土愈密实，土粒愈多，孔隙体积就愈小， 则干密度愈大；反之，土愈疏松，土粒愈少，孔隙体积愈大，则干密度愈小。故干密度也反映了土的孔隙性。因此，可用来计算孔隙性指标。对填土工程(如堤、坝、路基)常

7、用干密度作为填土压密程度的质量要求指标。82土的饱和密度 土的孔隙完全充满水时的密度称饱和密度，即土孔隙中全部充满水时的单位体积土的质量，用下式表示：土的天然密度、干密度、饱和密度表示了不同含水状态下土的质量与总体积之间的比例关系，反映了土的密实程度与孔隙充水情况 93重度 工程上也常用重力密度(简称重度)这一概念。它是指单位体积的土所受的重力，其 值等于土的质量密度乘以重力加速度。因此，土的天然重度g(kNm3)、干重度d d g(kNm3)、饱和重度satsatg(kNm3)。 地下水位以下的土，受到水的浮力作用。在单位体积土中，土颗粒所受的重力减掉浮力后的重度称为浮重度，其数值等于饱和重

8、度减水的重度，又称水下重度，其表示式为：104饱和度 含水率只能表明土中含水的质量与土粒质量的相对比值，不能反映土中孔隙的充水程度。因此，在工程实践中，除测定土的天然含水率外，还用饱和度Sr，来表明土中孔隙被水充满的程度。Sr，用土中水的体积与孔隙体积的百分比值表示，即 Sr=(Vw/Vv)100 (49)土的饱和度也可由其它指标换算得到，即 Sr=WG/epwo 令pwo=1则：Sr=WG/e 饱和度值愈大，表明土中孔隙中充水愈多。当土处于干燥状态时，孔隙全部由气体充填，饱和度为零；当土中空隙全部被水充填时，饱和度为100。 在工程实践中，按饱和度的大小将土的湿度划为如下三种状态：Sr80为

9、饱和的。115、孔隙率与孔隙比 孔隙率和孔隙比是用来表示土中孔隙体积的数量及土的松密程度的两个指标。它们不能表示孔隙的大小和连通情况。 孔隙率(也称孔隙度)是土的孔隙体积与土总体积之比，常用百分比表示： 孔隙率比e是土的孔隙体积与土粒体积之比，常用小数表示： 12孔隙率与孔隙比的大小取决于土的结构状态，是表征土结构特征的重要指标。其数值愈大，表明土中孔隙体积愈大，土的结构愈疏松。反之，土的结构愈密实。孔隙率的常见值为33一55，但聚凝结构的粘土孔隙率可达80；一般情况下，孔隙比的常见值在0.51.0之间，粘土孔隙比有时可大于l，而某些深海沉积的粘土孔隙比可超过5.00。孔隙率和孔隙比，可以通过

10、土粒密度、干密度或含水率计算得到其计算公式：n=1（pdGs ） e=Gspd1在岩徒工程中，孔隙比是用来计算地基沉降和评价土密实程度的重要指标。在有些规范中规定，砂土和粉土的密实度可按孔隙比的大小分为稍密、中密和密实，但因孔隙比测定较困难，实际上很少应用。136、砂土的相对密实度 砂土的密实程度还可以用相对密实度Dr，来判断。式中：e max土处于最松散状态的最大孔隙比；e min土处于最密实状态的最小孔隙比； e土的天然孔隙比。e max和e min，可在实验室中通过倒转法和击实法测定。14如果天然孔隙比接近最大孔隙比，即Dr0，说明这种砂土天然状态下接近最松散状态；当天然孔隙比接近最小孔

11、隙比时，则Dr1，表明这种砂土接近最蜜实状态。工程中常用Dr，作为砂土振动液化的判别标准；Dr，也是评价砂土强度和稳定性的重要指标。按相对密实度，可对砂土密实程度 作出评价。密实程度松散的中密的密实的相对密度.0Dr0.330.33Dr0.660.66Dr115采用相对密度D r来评价砂土的松密程度在理论上是合理的，但在实际上测砂土的天然孔隙比困难很大。因此，砂土的相对密度Dr的测定误差是很大的。故在实际工作中，应用较多的是现场标准贯入试验来评价土的密实程度。GB500072002建筑地基基础设计规范将砂土的密实度划分为：标准贯入试验击数N密实度N10松散10N15稍密15N30中密30N密实

12、16土基本物理性质指标间的相互关系 土的基本物理性质指标反映了土的密实程度和干湿状态，如土的密度和孔隙性指标表 征了土的密实程度，其中土的密度还与土中水分有关；而土的干湿状态主要取决于土中水分的含量。由此可见，土的基本物理性质之间具有内在联系,各指标间可以相互换算 ，公式见课本P109(下表）1718二、土的水理性质 土粒与水相互作用所表现出的某些性质，也称土的水理性质，如与结合水有关的稠度、塑性、膨胀性、收缩性、崩解性等，与水的流动有关的透水性、毛细性等性质，均直接或间接地影响建筑物的安全与稳定，是土工程性质的重要内容。 （一）粘性土的稠度和可塑性1、粘性土的稠度及界限含水率 粘性土因含水率

13、的变化而表现出的各种不同物理状态，称为粘性土的稠度。 随着含水率的变化，土由一种稠度状态转变为另一种稠度状态，相应于转变点的含水率称界限含水率，也称稠度界限。 19稠度状态 特征界限含水量体积缩小方向含水量减小方向液态液流状态土呈液体状，薄层状流动触变限 流限wL(塑性上限)粘着限塑限wp(塑性下限)收缩限wu粘流状态土似粘滞液体，厚层状流动塑塑态粘塑状态土具塑性体性质，可塑成任意形状，且能粘着于其它物体上稠塑状态土具塑性体性质，可塑成任意形状，但不能粘着其它物体固态半固态状态土近似固体，力学强度较大，形状固定，不能揉塑变形、体积不变固体状态土具固体性质，力学强度高，形状大小固定20 液限WL

14、是可塑状态与液 态的分界含水率。在室内多采用锥式液限法和碟式液限仪法测定。锥式液限法最为常用，其锥式仪重76g，锥尖顶角30o，将土样调制成膏状，使锥尖接触土面并在自重作用下15秒钟沉入土中的刻度恰好为10mm，此时的含水量即为液限。 塑限wP是半固态与可塑态的分界含水量。目前室内一般采用搓条法测定，将适当含水量的土球放在毛玻璃扳上，搓成直径为3mm时产生裂缝，并开始断裂为止，此时的含水量为塑限。 粘性土所处的稠度状态，一般用液性指数IL来表示，它是粘性土天然含水率和塑限的差值与液限和塑限差值的比值。即：IL=W-WP/WL-WP21液性指数 IL00IL0.250.25IL0.750.751

15、.0稠度状态 坚硬 硬塑 可塑 软塑 流塑按液性指数IL对粘性土稠度状态的分类222、粘性土的可塑性及其指标 土在外力作用下可以揉塑成任意形状而不破坏土粒间连结，并且在外力解除后也不恢复原来的形状，保持已有的变形，粘性土的这种性质称为可塑性。粘性土的可塑性主要是在含水率界于液限和塑限之间才表现出来的。因此，可塑性的高低可以由WL和Wp这两个界限含水率的差值大小来反映，二者差值愈大，意味着粘性土处于塑态的含水率变化范围愈大，可塑性愈高，反之两者差值愈小，土的可塑性愈低。工程中，将液限含水率和塑限含水率的差值称为塑性指数，应用时通常去掉百分符号，用IP表示； IPWLWP 23土可塑性的强弱，主要

16、取决于土中粘粒含量和粘粒矿物的亲水程度。土中粘粒含量愈多、粘粒矿物亲水性愈强时，IP值愈大，则土的塑性愈强。塑性指数的大小，在一定程度上，反映了土中粘粒的含量和矿物的亲水性。因此，工程中常用塑性指数IP对土进行分类。GB50007-2002建筑地基基础设计规范根据IP对粘性土的分类情况。按塑性指数IP的类塑性指数土的名称IP粘土10IP17粉质粘土243、粘性土的胶体性质（1）比表面积的概念 （2）粘粒表面电荷的形成 选择性吸附 表面分子解离 同晶替代 （3）粘粒双电层的特征双电层结构示意图 254、粘粒的胶溶与凝聚粘粒的胶溶与凝聚都是由于扩散层厚度变化而引起的。扩散层变薄，粘粒靠近，产生凝聚；扩散层变厚，粘粒分散，产