第四章土的物理性质

第四章土的物理性质第1页，课件共70页，创作于2023年2月土的形成渗透特性变形特性强度特性土的工程分类土的压实性决定影响如何获得较好的土便于研究和应用基本物理性质水理性质力学性质土中的土粒、水和气三部分的质量(或重力)与体积之间的比例关系，随着各种条件的变化而改变。§4.1土的形成第2页，课件共70页，创作于2023年2月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、沉积形成过程形成条件物理力学性质风化土地球影响岩石地球包括基本物理性质水理性质力学性质第3页，课件共70页，创作于2023年2月生物风化物理风化化学风化量变无粘性土原生矿物质变粘性土次生矿物动植物的活动一.风化有机质岩石和土的粗颗粒受各种气候因素的影响产生胀缩而发生裂缝,或在运动过程中因碰撞和摩擦而破碎母岩表面和碎散的颗粒受环境因素的作用而改变其矿物的化学成分，形成新的矿物第4页，课件共70页，创作于2023年2月残积土无搬运运积土有搬运土质较好残积土强风化弱风化微风化母岩体颗粒表面粗糙多棱角粗细不均无层理母岩表层经风化作用破碎成岩屑或细小颗粒后，未经搬运残留在原地的堆积物风化所形成的土颗粒，受自然力的作用搬运到远近不同的地点所沉积的堆积物第5页，课件共70页，创作于2023年2月运积土有搬运风：风积土重力:

坡积土

流水:洪积土冲积土湖泊沼泽沉积土海相沉积物冰川:

冰积土土粒粗细不同，性质不均匀有分选性，近粗远细浑圆度分选性明显，土层交迭含有机物淤泥，土性差土粒粗细变化较大，性质不均匀颗粒均匀，层厚而不具层理第6页，课件共70页，创作于2023年2月气相固相液相++构成土骨架，起决定作用重要影响土体次要作用§4.2土的基本物理性质第7页，课件共70页，创作于2023年2月土粒一般由矿物质组成，构成土的固体部分。土粒构成土的骨架。土骨架间布满相互贯通的孔隙。这些孔隙有时完全被水充满，称为饱和土；有时一部分孔隙被水占据，另一部分被气体占据，称为非饱和土；孔隙完全充满气体时，则称为干土。水和溶解于水的物质构成土的液体部分。空气和其他一些气体构成土的气体部分。这三种组成部分本身的性质以及它们之间的比例关系和相互作用，决定土的物理力学性质。因此，研究土的性质，必须研究土的固体、液体和气体的三相组成。第8页，课件共70页，创作于2023年2月土的三个组成相的质量和体积方面的比例关系松密程度干湿程度轻重程度特点:指标概念简单，数量很多要点：名称、概念或定义、符号、表达式、单位或量纲、常见值或范围、联系与区别定义基本方法:三相草图法土的含水性、土的密度土的孔隙性基本物理性质第9页，课件共70页，创作于2023年2月土的三相比例指标1.土的三相草图体积质量第10页，课件共70页，创作于2023年2月三相草图已知关系五个:共有九个参数:

VVvVsVaVw

/msmwmam剩下三个独立变量三相草图法物性指标是比例关系:可假设任一参数为1对于饱和土,Va=0剩下两个独立变量实验室测定其它指标是一种简单而实用的方法WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积第11页，课件共70页，创作于2023年2月

在上述变量中ma=

0，独立的量有

Vs、Vw、

Va、mw和ms五个。1m3

水的质量通常等于1g，故在数值上Vw=mw。当研究这些量的相对比例关系时，总是取某一定数量的土体来分析，例如，取V=1cm3

，或m=1g，或Vs

=1cm3

等，因此又可以消去一个未知量。这样，对于一定数量的三相土体，只要知道其中三个独立的量，其他各个量就可从图中直接换算得到。三相草图是土力学中用以计算三相量比例关系的一种简单而又很实用的工具。第12页，课件共70页，创作于2023年2月2.室内测定的三个物理性质指标WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积－土的密度、土粒的比重、土的含水量土的密度土的重度γ=ρg工程上更常用,用于计算土的自重应力单位:kg/m3或g/cm3单位:kN/m3

一般范围:1.60—2.20g/cm3定义:单位体积土的质量有时也称土的天然密度表达式:相关指标:三相草图有助于直观理解物性指标的概念单位g-kN/kgm/s2

第13页，课件共70页，创作于2023年2月土的密度：单位体积土的质量。Mg/m3,

g/cm3粘性土r=1.8～2.0g/cm3砂土r=1.6～2.0g/cm3腐殖土r=1.5～1.7g/cm3测定方法：一般用“环刀法”，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，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。第14页，课件共70页，创作于2023年2月WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积土粒比重

s:土粒的密度，单位体积土粒的质量单位:无量纲土粒比重一般范围:

粘性土2.70—2.75砂土2.654˚C时纯蒸馏水的密度=1.0g/cm3土粒比重在数值上等于土粒的密度定义:土粒的密度与4˚C时纯蒸馏水的密度的比值表达式:ρw1=1g/cm3;第15页，课件共70页，创作于2023年2月

rw1为4℃时纯水的密度，rw1=1g/cm3;rs为土粒的密度，即单位体积土粒的质量。故实用上，土粒相对密度在数值上等于土粒的密度。测定方法：土粒相对密度或比重可在试验室内用比重瓶法测定。由于土粒相对密度变化不大,通常可按经验数值选用。第16页，课件共70页，创作于2023年2月WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积土的含水量定义:土中水的质量与土粒质量之比,用w表示，以百分数计。注意:其实是含水比,可达到或超过100％表达式:

含水量w是标志土的湿度的一个重要物理指标。天然土层的含水量变化范围很大，它与土的种类、埋藏条件及其所处的自然地理环境等有关。一般说来，对同一类土，当其含水量增大时，则其强度就降低。第17页，课件共70页，创作于2023年2月测定方法：土的含水量一般用“烘干法”测定。先称小块原状土样的湿土质量m，然后置于烘箱内维持100～105℃烘至恒重，再称干土质量ms，水的质量mw为湿土和干土质量之差。铝盒烘箱电子天平土样第18页，课件共70页，创作于2023年2月基本指标土的密度

r土粒比重Gs土的含水量

w在测定土的密度、土粒比重和土的含水量这三个基本指标后，就可以根据三相草图计算出三相组成各自在体积上与质量上的含量。

第19页，课件共70页，创作于2023年2月表示土中孔隙含量的指标孔隙比孔隙率(孔隙度)在某种程度上反映土的松密砂类土：28-35%粘性土：30-50%有的可达60-70%定义:土中孔隙体积与固体颗粒体积之比,无量纲表达式:WaterAirSolidVaVwVsVvV体积定义:土中孔隙体积与总体积之比,用百分数表示表达式:Vs=1Vv=eV=1+eWaterAirSolid体积第20页，课件共70页，创作于2023年2月孔隙比是一个重要的物理性能指标，可用来评价天然土层的密实程度。一般地，

e<0.6的土是密实的低压缩性土，

e>1.0的土是疏松的高压缩性土。关系:三相草图可用于确定物性指标之间的关系第21页，课件共70页，创作于2023年2月土中被水充满的孔隙体积与孔隙总体积之比。

表示土中含水程度的指标含水量饱和度WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积饱和度表示孔隙中充满水的程度Sr=0:干土Sr=1:饱和土第22页，课件共70页，创作于2023年2月

砂土根据饱和土Sr的指标值分为稍湿、很湿和饱和三种湿度状态。显然，干土的饱和度Sr=0，而完全饱和土的饱和度Sr=100%。第23页，课件共70页，创作于2023年2月表示土的密度和容重的指标天然密度干密度饱和密度天然重度干重度浮重度有效重度饱和重度WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积单位:kg/m3

或g/cm3单位:kN/m3

定义:土被完全烘干时的密度,等于单位体积内土粒的质量表达式:单位g-kN/kg

第24页，课件共70页，创作于2023年2月各种密度容重之间的大小关系：天然密度干密度饱和密度天然重度干重度浮重度饱和重度第25页，课件共70页，创作于2023年2月重度＝密度×g

密度与重度饱和重度天然重度干重度第26页，课件共70页，创作于2023年2月

对于地下水位以下的土体，由于受到水的浮力作用，将扣除水浮力后单位体积土所受的重力称为土的有效重度，以g′表示，当认为水下土是饱和时，它在数值上等于饱和重度gsat与水的重度之差。有效重度第27页，课件共70页，创作于2023年2月

三相指标换算第28页，课件共70页，创作于2023年2月

三相指标换算第29页，课件共70页，创作于2023年2月从物理意义上理解指标间的关系不鼓励死记硬背必要时利用三相草图推导

三相图换算指标，就是利用已知的指标，计算出三相草图中的各相数值，再根据所求指标的定义直接计算。事实上，由于三相量的指标都是相对的比例关系，不是量的绝对值，因此，为了简化计算，常常可以假设三相中某相的值为1个单位，实用上最常用的是假设Vs=1.0m3(或cm3)或V=1.0m3(或cm3)进行计算。第30页，课件共70页，创作于2023年2月小结物理性质指标土的三个组成相的体积和质量上的比例关系松密程度干湿程度轻重程度特点:指标概念简单，数量很多要点：名称、概念或定义、符号、表达式、单位或量纲、常见值或范围、联系与区别定义基本方法:三相草图法室内测定的三个物理性质指标土的密度、土粒的比重、土的含水量三相草图有助于直观理解物性指标的概念其它常用的物理性质指标表示土中孔隙含量的指标表示土中含水程度的指标表示土的密度和容重的指标三相草图可用于确定物性指标之间的关系三相草图法是求取物理性质指标的简单而有效的方法第31页，课件共70页，创作于2023年2月§4.3土的物理状态土的物理状态粗粒土的松密程度粘性土的软硬程度土的物理性质指标(松密程度、干湿程度、轻重程度)力学特性影响表示？第32页，课件共70页，创作于2023年2月土的物理状态粗粒土的松密程度粘性土的软硬程度土的物理性质指标(三相间的比例关系)力学特性影响表示

所谓土的物理状态，对于粗粒土、是指土的密实程度，对于细粒土则是指土的软硬程度或称为粘性土的稠度。第33页，课件共70页，创作于2023年2月土的物理状态密实度如何衡量?单位体积中固体颗粒含量的多少或孔隙含量的多少优点：简单方便缺点：不能反映级配的影响只能用于同一种土干重度

d或孔隙比e或孔隙率n相对密度对策emin

=0.35emin

=0.201.粗粒土的密实状态第34页，课件共70页，创作于2023年2月相对密度

假定第一种砂是理想的均匀圆球，不均匀系数Cu＝1.0，最密时的孔隙比e＝0.35，如果砂粒的比重G＝2.65，则最密时的干密度

d＝1.96/cm3。第二种砂同样是理想的圆球。但其级配中除大的圆球外，还有小的圆球可以充填于孔隙中，不均匀系数Cu＝＞1.0,最密时的孔隙比e＜0.35。就是说这两种砂若都具有同样的孔隙比e＝0.35时,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。emin

=0.35emin

=0.20第35页，课件共70页，创作于2023年2月相对密度工程上为了更好地表明砂土所处的密实状态，采用将现场土的孔隙比e与该种土所能达到最密实时的孔隙比emin和最松散时的孔隙比emax相比较的办法，来表示孔隙比e时土的密实度。这种度量密实度的指标称为相对密度Dr定义为第36页，课件共70页，创作于2023年2月emax: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；可用倒转法测定emin: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到最小孔隙比可用击实法测定emax与emin：最大与最小孔隙比注意：室内测得理论上的最大与最小孔隙比有时很困难第37页，课件共70页，创作于2023年2月粗粒土的密实状态指标

判别标准：Dr

=1,最密状态

Dr

=0,最松状态

Dr≤1/3,疏松状态1/3<

Dr≤2/3,中密状态

Dr>2/3,密实状态相对密度第38页，课件共70页，创作于2023年2月

粘性土最主要的物理状态特征是它的稠度，稠度是指土的软硬程度或土对外力引起变形或破坏的抵抗能力。稠度状态与含水量有关粘性土含水量较硬变软流动2.粘性土的软硬状态也称稠度状态第39页，课件共70页，创作于2023年2月塑限wp液限wl稠度界限粘性土的稠度反映土中水的形态固态或半固态可塑态

流态

强结合水膜最大出现自由水强结合水弱结合水自由水稠度状态含水量w土颗粒强结合水弱结合水土颗粒强结合水土颗粒自由水弱结合水强结合水吸附弱结合水的能力塑性指数第40页，课件共70页，创作于2023年2月土中水与稠度状态第41页，课件共70页，创作于2023年2月稠度界限土从某种状态进入另外一种状态的分界含水量称为土的特征含水量或(稠度界限)。工程上常用的稠度界限有液性界限wL和塑性界限wP。液性界限(wL)简称液限，相当于土从塑性状态转变为流动状态时的含水量。这时，土中水的形态除结合水外，已有相当数量的自由水。塑性界限(wp)简称塑限，相当于土从半固体状态转变为塑性状态时的含水量。这时土中水的形态大约是强结合水含量达到最大时。第42页，课件共70页，创作于2023年2月土中含水量很低时，水都被颗粒表面的电荷紧紧吸着于颗粒表面，成为强结合水。强结合水的性质接近于固态。因此，当土粒之间只有强结合水时，按水膜厚薄不同，土表现为固态或半固态。当含水量增加，被吸附在颗粒周围的水膜加厚，土粒周围除强结合水外还有弱结合水，弱结合水呈粘滞状态，不能传递静水压力，不能自由流动，但受力时可以变形，能从水膜较厚处向邻近较薄处移动。在这种含水量情况下，土体受外力作用可以被捏成任意形状而不破裂，外力取消后仍然保持改变后的形状。这种状态称为可塑状态。第43页，课件共70页，创作于2023年2月

弱结合水的存在是土具有可塑状态的原因。土处在可塑状态的含水量变化范围，大体上相当于土粒所能够吸附的弱结合水的含量。这一含量的大小土要决定于土的比表面积相矿物成分。粘性大的土必定是比表面积大，矿物的亲水能力强的土(例如蒙持石)，自然也是能吸附较多的结合水的土，因之它的塑态含水量的变化范围也必定大。当含水量继续增加，土中除结合水外，已有相当数量的水处于电场引力影响范围以外，成为自由水。这时土粒之间被自由水所隔开，土体不能原受任何剪应力，而呈流动状态。从物理概念分析，土的稠度实际上是反映土中水的形态。第44页，课件共70页，创作于2023年2月相对稠度问题：仅适用于重塑土即使含水量相同，稠度可能不同液性指数对不同的粘土，wp、wl大小不同定义：wpwwlIL<0IL=0–1IL>1坚硬状态可塑状态流态0.00–0.250.25-0.750.75–1.00硬塑可塑软塑问题：对同一种粘土，含水量可反映其稠度第45页，课件共70页，创作于2023年2月液性指数Ip

状态Ip≤00＜Ip≤0.250.25＜Ip≤0.750.75＜Ip≤1.0

Ip＞1.0坚硬硬塑可塑软塑流塑粘性土的状态分类第46页，课件共70页，创作于2023年2月常作为细粒土工程分类的依据缺点不能充分反映粘土颗粒含量不同的粘土矿物结合水的能力不同活性指数p0.002:粒径小于0.002mm颗粒的质量占总土总质量的百分比A<0.75A=075–1.5A>1.5非活性粘土正常粘土活性粘土——吸附弱结合水的能力；大致反映粘土颗粒含量、粘性大小反映土的塑性与粘粒含量和粘粒矿物亲水性的关系。工程实践中常用活动性指数作为粘性土胀缩性的判别指标。第47页，课件共70页，创作于2023年2月粗粒土的密实状态指标:

相对密度Dr

小结粘性土的稠度状态指标:

液性指数IL引入定义判别标准稠度界限稠度状态含水量土中水的形态塑性指数液性指数引入定义判别标准粗粒土与粘性土为何采用不同的物理状态指标？反映土的细观特点与力学特性有更直接的联系便于量测第48页，课件共70页，创作于2023年2月4.4.1研究土的胀缩性及崩解性的意义细粒土由于含水率的增加土体积增大的性能称为膨胀性；由于含水率的减少体积减少的性能称为收缩性；这种湿胀干缩的性质，统称为土的胀缩性。

土由于浸水而产生崩解散体的特性称为崩解性。

土的膨胀可造成基坑，坑壁的隆起或边坡的滑移，道路翻浆；土体积的收缩时常伴随着产生裂隙，从而增大了土的透水性，降低了土的强度和斜坡表层土的稳定性；崩解时常造成塌岸现象，影响边坡稳定性。§4.4土的胀缩性与崩解性影响土的膨胀收缩崩解基坑、边坡、坑道壁及地基的稳定性第49页，课件共70页，创作于2023年2月4.4.2土的膨胀性及其指标

对于土吸水膨胀，失水收缩的原因，认为主要是由于粘粒与水作用后，由于双电层的形成，使扩散层或弱结合水厚度变化所致；或者是由于某些亲水性较强的粘土矿物（如蒙脱石）层间结合水的吸入或析出所致。表征土膨胀性的指标主要有：膨胀率,自由膨胀率，膨胀力，膨胀含水量。

(1)膨胀率定义：原状土在一定压力下，在有侧限条件下浸水膨胀稳定后的高度与原高度之比。公式：

获取：室内实验--环刀法第50页，课件共70页，创作于2023年2月51

(2)自由膨胀率定义：将一定体积的扰动烘干土样经充分吸水膨胀稳定后，测得的增加体积与原干体积之比。公式：

表明土在无结构力影响下的膨胀特性，说明土膨胀的可能趋势；(3)膨胀力定义：原始土样在体积不变时，由于浸水膨胀时产生的最大内应力。意义：衡量土的膨胀趋势和考虑地基承载能力。(4)膨胀含水率定义：土样膨胀稳定后的含水率，此时扩散层厚度已达最大厚度。结合水含量增至极限状态。公式：

——土样膨胀稳定后土中水的质量；——干土样的质量。第51页，课件共70页，创作于2023年2月4.4.3土的收缩性及其指标土的收缩是由于土中水分减少引起的。一般认为，土的失水收缩主要是因为双电层变薄，结合水减少引起的。缩限：土中水分进一步减少而土体积不再缩小时的含水率。缩性指数：是指液限与缩限为土与水相互作用后土体积随含水率变化的上，下界限。缩性指数的大小，可以说明随含水率的变化土体积变化的大小。表征土收缩性的指标有:第52页，课件共70页，创作于2023年2月53

(1)体缩率定义：土样失水收缩减少的体积与原体积之比，以百分率表示。公式：

(2)线缩率

定义：土样失水收缩减少的高度与原高度之比，以百分率表示。

公式：

(3)收缩系数定义：原状土样在直线收缩阶段，含水率每减少1%的竖向线缩率。公式：

收缩性指标均可通过实验法测得。第53页，课件共70页，创作于2023年2月4.4.4影响土膨胀性和收缩性的因素

土的膨胀性，收缩性及崩解性均说明土粒与水作用时的稳定程度，统称为土的抗水性。土的胀缩性本质，由于扩散层及弱结合水厚度的变化，引起土粒间距离增加或减少。因此，影响扩散层和结合水厚度的因素，也是影响胀缩性的因素。影响因素：土的粒度成分和矿物成分:粘粒含量和粘土矿物

土的天然含水率：天然含水率高，膨胀性弱；

土的密实度：密实的细粒土膨胀性弱

土的结构：结构强度大，胀缩性弱

水溶液介质的性质：影响扩散层和结合水膜的厚度

外部压力：压力大，收缩性大。第54页，课件共70页，创作于2023年2月4.4.5土的崩解性及其影响因素

定义：土由于浸水而产生崩散解体的特性。又叫湿化性。崩解现象的产生是由于土水化，使颗粒间连接减弱及部分胶结物溶解而引起的崩解。是表征土的抗水性的指标。

评价粘性土的崩解性一般采用下列三个指标：

(1)

崩解时间：一定体积的土样完全崩解所需要的时间；

(2)崩解特征：土样在崩解工程中的各种现象；

(3)崩解速度：土样在崩解过程中质量的损失与原土样质量之比和时间的关系式中：V——崩解速度g/sW——试样原重量，gWt——在t时间段后试样的重量，gt——时间段，s第55页，课件共70页，创作于2023年2月对工程的影响：崩解常造成塌岸现象，影响边坡的稳定性。意义：对工程建筑的安全与稳定性有重要意义。土崩解性的影响因素：（1）物质成分：矿物成分，粒度成分及交换阳离子成分；（2）土的结构特征（结构连接）：孔隙、裂隙不发育，崩解速度慢；（3）含水量：（4）水溶解的成分及浓度：一般来说：土的崩解性在很大程度上与原始含水量有关。干土或未饱和土比饱和土崩解得要快得多。第56页，课件共70页，创作于2023年2月4.5土的毛细性

(1)定义：存在于毛细孔隙中的水，在弯液面力的作用下，沿毛细孔隙向各方向运动的性能。毛细水主要存在于孔径0.002~0.5mm的毛细孔隙中（多存在于微细砂及粉土中）

(2)意义：对于由地下水位变化而引起的地面沼泽地、盐渍化、建筑物地基强度变化及附加沉降等具有实际意义。

(3)评价指标：弯液面力，毛细上升速度及毛细上升高度。第57页，课件共70页，创作于2023年2月T

w空气固体水

aua-uw第58页，课件共70页，创作于2023年2月砂土及粘粒较少的细粒土的毛细上升高度服从孔隙愈小上升高度愈高的规律。粘性土及粘粒较多的细粒土的毛细上升高度不一定服从孔隙愈小上升高度愈高的规律。（原因：结合水的粘滞