土力学-第12章土的组成物理力学性质及分类

1、1土的组成第一章2本章目的本章目的: : 对土的组成特点进行详细解释和描述 本章特点本章特点: : 知识点零散学习要点学习要点: : 各组成部分的特点对土 物理力学性质的影响 1 土的组成31土的组成土的形成渗透特性渗透特性变形特性变形特性强度特性强度特性土的三相组成土的物理状态土的结构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41.1 土的形成（概述）1.2 土的固体颗粒1.3 土中水和气体1.4黏土颗粒与水的相互作用1.5土的结构和构造1土的组成51.1 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

2、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 风风化化土土地球影响1土的组成岩石岩石地球6土的形成与风化作用土的形成与风化作用 物理风化物理风化 化学风化化学风化 生物活动生物活动 岩石和土的粗颗粒受各种气岩石和土的粗颗粒受各种气候等物理因素的影响产生胀候等物理因素的影响产生胀缩而发生裂缝缩而发生裂缝, ,或在运动过或在运动过程中因碰撞和摩擦而破碎程中因碰撞和摩擦而破碎 是颗粒大小发生量的变化是颗粒大小发生量的变化 矿物成分与母岩相同，称原矿物成分与母岩相同，称原生矿物生矿物 产生无黏性土产生无黏性土1土的组成1.11.1土的形成土的形成71土的组成1.

3、11.1土的形成土的形成8 母岩表面和碎散的颗粒受环母岩表面和碎散的颗粒受环境因素的作用而改变其矿物境因素的作用而改变其矿物的化学成分，形成新的矿物的化学成分，形成新的矿物 颗粒成分发生质的变化颗粒成分发生质的变化 矿物成分与母岩不同，称次矿物成分与母岩不同，称次生矿物生矿物 形成十分细微的土颗粒，最形成十分细微的土颗粒，最主要为黏性颗粒及可溶盐类主要为黏性颗粒及可溶盐类土的形成与风化作用土的形成与风化作用 物理风化物理风化 化学风化化学风化 生物活动生物活动1土的组成1.11.1土的形成土的形成9 包括植物、动物和土壤微包括植物、动物和土壤微生物的作用生物的作用 可加剧物理和化学风化可加剧物

4、理和化学风化 构成土中有机质和营养物构成土中有机质和营养物质的生物循环质的生物循环 导致腐殖质的形成，改变导致腐殖质的形成，改变土壤的结构土壤的结构土的形成与风化作用土的形成与风化作用 物理风化物理风化 化学风化化学风化 生物活动生物活动1土的组成1.11.1土的形成土的形成10二. 搬运与沉积残积土残积土无搬运运积土运积土有搬运残积土残积土强风化强风化弱风化弱风化微风化微风化母岩体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1.11.1土的形成土的形成1土的组成1

5、12. 搬运与沉积运积土运积土有搬运风：风：风积土风积土重力重力: : 坡积土坡积土 流水流水: :洪积土洪积土冲积土冲积土湖泊沼泽沉积土湖泊沼泽沉积土海相沉积物海相沉积物冰川冰川: : 冰积土冰积土土粒粗细不同，性质不均匀土粒粗细不同，性质不均匀有分选性，近粗远细有分选性，近粗远细浑圆度分选性明显，土层交迭浑圆度分选性明显，土层交迭含有机物淤泥，土性差含有机物淤泥，土性差颗粒细，表层松软，土性差颗粒细，表层松软，土性差土粒粗细变化较大，性质不均匀土粒粗细变化较大，性质不均匀颗粒均匀，层厚而不具层理颗粒均匀，层厚而不具层理1.11.1土的形成土的形成1 土的组成121.1 土的形成1.2 土的

6、固体颗粒1.3 土中水和气体1.4黏土颗粒与水的相互作用1.5土的结构和构造1 土的组成13气相固相液相+ + +构成土骨架，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土体三相组成示意图土体三相组成示意图湿土。是一种非饱湿土。是一种非饱和土。若为粘土多和土。若为粘土多为可塑性土。为可塑性土。液相为零，为干液相为零，为干土。此时黏土呈土。此时黏土呈坚硬状态，砂土坚硬状态，砂土呈松散状态。呈松散状态。气体为零，为饱和气体为零，为饱和状态。此时粉细砂状态。此时粉细砂或粉土在震动下容或粉土在震动下容易产生液化。易产生液化。土的三相比例不同，其性质不同土的三相比例不同，其性质不

7、同1 土的组成14一. 固体颗粒物理状态力学特性粒径级配粒径级配1.21.2土的土的固体颗粒固体颗粒矿物成分矿物成分颗粒形状颗粒形状 1 土的组成151. 粒径级配颗粒大小各粒径成分在土中占的比例狭义的粒径级配影响土性的主因1.21.2土的土的固体颗粒固体颗粒1 土的组成16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1.21.2土的土的固体颗粒固体颗粒1 土的组成d(mm)d(mm)砾石砾石砂粒砂粒粉粒粉粒黏粒黏粒胶粒胶粒6020.050.0050.0020.250.5520粗 中 细 粗 中 细 极细0.1粗粒粗粒细粒细粒17d(mm)砾石

8、砾石砂粒砂粒粉粒粉粒粘粒黏粘粒黏 胶粒胶粒6020.0750.0050.0020.250.5520粗 中 细粗 中 细0.075粗粒粗粒细粒细粒粗粒土：以砾石和砂砾为主要组成的土，也称无黏性土。粗粒土：以砾石和砂砾为主要组成的土，也称无黏性土。细粒土：以粉粒、粘粒和胶粒为主要组成的土，也称黏性土。细粒土：以粉粒、粘粒和胶粒为主要组成的土，也称黏性土。巨粒巨粒601 土的组成1.21.2土的土的固体颗粒固体颗粒1820020020202002002 220200.0750.0752 20.0050.0050.0750.0750.0050.1 mm) 水分法：水分法：适用于细粒土适用于细粒土 (0

9、.1 mm)各粒组的相对含量，用质量百分数来表示各粒组的相对含量，用质量百分数来表示表述方法表述方法 粒径级配累积曲线粒径级配累积曲线1.21.2土的固体颗粒土的固体颗粒1 土的组成20筛分法筛分法用一套孔径不同的筛子，按用一套孔径不同的筛子，按从上至下筛孔逐渐减小放置。从上至下筛孔逐渐减小放置。将事先称过质量的烘干土样将事先称过质量的烘干土样过筛，称出留在各筛上的土过筛，称出留在各筛上的土质量，然后计算其占总土粒质量，然后计算其占总土粒质量的百分数质量的百分数 21105.02.01.0200g101618242238721009080706050403020100小于某

10、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土的粒径级配累积曲线土的粒径级配累积曲线沉降分析法沉降分析法粒径粒径(mm)(mm)0.050.010.005百分数百分数P(%)P(%)2613.5101.21.2土的固体颗粒土的固体颗粒1 土的组成22比重计法比重计法利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同来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确定小于某粒径的土粒含量1 土的组成1.21.2土的固体颗粒土的固体颗粒23理论基础：依据理论基础：依据Stok

11、es(Stokes(司托克斯司托克斯) )定律，即球状的细颗粒在定律，即球状的细颗粒在水中的下沉速度水中的下沉速度v v与颗粒直径与颗粒直径d d的平方成正比的平方成正比. .土粒越大在土粒越大在静水中沉降速度越快静水中沉降速度越快 1 土的组成1.21.2土的固体颗粒土的固体颗粒241009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（）小于某粒径之土质量百分数（）105.01.050.010.0050.001粒径粒径(mm)土的粒径级配累积曲土的粒径级配累积曲线线d60d50d10d30d60d10d30CuCc0.33 0.005 0.063662.4

12、1特征粒径特征粒径: : d50 : 平均平均粒径粒径d60 : 控制控制粒径粒径d10 : 有效有效粒径粒径d30 : 中值粒径中值粒径不均匀程度不均匀程度：Cu = d60 / d10 连续程度连续程度: : Cc = d302 / (d60 d10 ) 曲率系数曲率系数 不均匀系数不均匀系数Cu 5,级配不均匀粗细程度粗细程度： 用用d50 表示 1.21.2土的固体颗粒土的固体颗粒1 土的组成251009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（）小于某粒径之土质量百分数（）105.01.050.010.0050.001粒径粒径(mm)土的粒径级

13、配累积曲土的粒径级配累积曲线线d60d10d30曲线d60d10d30CuCcL0.33 0.0050.081663.98M0.0632.41R0.0300.545斜率斜率: : 某粒径范围内颗粒的含量某粒径范围内颗粒的含量 陡陡相应粒组质量集中相应粒组质量集中 缓缓-相应粒组含量少相应粒组含量少 平台平台-相应粒组缺乏相应粒组缺乏连续程度连续程度: : Cc = d302 / (d60 d10 ) 曲率系数曲率系数较大颗粒缺少较大颗粒缺少Cc 减小减小较小颗粒缺少较小颗粒缺少Cc 增大增大Cc = 1 3, 级配连续性好级配连续性好1.21.2土的固体颗粒土的固体颗粒1 土的组成26粒径级配

14、粒径级配累积曲线及指标的用途粒径级配累积曲线及指标的用途：1）粒组含量用于土的分类定名粒组含量用于土的分类定名；2）不均匀系数不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度：用于判定土的不均匀程度： Cu 5, 不均匀土不均匀土； Cu 3 或 Cc 1,级配不连续土级配不连续土4）不均匀系数不均匀系数Cu和和曲率系数曲率系数Cc用于判定土的级配优劣：用于判定土的级配优劣： 如果如果 Cu 5且且 C c = 1 3 ， 级配级配 良好的土良好的土； 如果如果 Cu 3 或或 Cc 1g/cm3 冰点处于零下几十度冰点处于零下几十度 完全不能移动，具有固体的特性完全不能移动，具有固体的特性 温度略高于温

15、度略高于100C时可蒸发时可蒸发- 弱结合水：弱结合水： 受电场引力作用，为粘滞水膜受电场引力作用，为粘滞水膜 外力作用下可以移动外力作用下可以移动 不因重力而流动，有粘滞性不因重力而流动，有粘滞性粘土粘土颗粒颗粒- - - - - - - - - - - - - - - - - +引力引力d水分子水分子阳离子阳离子强结合水强结合水弱结合水弱结合水自由水自由水n 结合水：结合水：受颗粒表面电场作用力受颗粒表面电场作用力吸引而包围在颗粒四周，不传递静水吸引而包围在颗粒四周，不传递静水压力，不能任意流动的水压力，不能任意流动的水1 土的组成1.31.3土中水和土中气土中水和土中气40自由水自由水重

16、力水重力水毛细水毛细水在重力作用下可在土中自由流动在重力作用下可在土中自由流动不受颗粒电场引力作用的孔隙水不受颗粒电场引力作用的孔隙水 存在于固气之间存在于固气之间 在重力与表面张力作用下在重力与表面张力作用下 可在土粒间空隙中自由移动可在土粒间空隙中自由移动1 土的组成1.31.3土中水和土中气土中水和土中气41 = 湿润角湿润角 空气空气固体固体水水 lT = 界面张力界面张力d d = 毛管直径毛管直径Td=2rua-uwua-uw = 压力差压力差毛细水毛细现象毛细现象毛毛细细管管hc1 土的组成1.31.3土中水和土中气土中水和土中气42土中毛细现象土中毛细现象rThccos2上升高

17、度上升高度: :r2hcw=2rTcos毛细水分布在土粒内部相互贯通分布在土粒内部相互贯通的孔隙可以看成许多形状的孔隙可以看成许多形状不一、直径互异、彼此连不一、直径互异、彼此连通的毛细管通的毛细管毛细升高与孔径成反比毛细升高与孔径成反比黏土黏土粉土粉土砂土砂土砾石砾石分析对象分析对象: 水柱水柱1 土的组成1.31.3土中水和土中气土中水和土中气43对砂土强度的影响对砂土强度的影响:毛细边角毛细边角水水, 假凝聚力假凝聚力cchu 毛细压力毛细压力2rTcos+ucr2 = 0毛细压力 非饱和土中毛细张力影响非饱和土中毛细张力影响分析对象分析对象:水膜水膜rThccos21 土的组成1.31

18、.3土中水和土中气土中水和土中气44三. 土中气体v自由气体：自由气体：与大气连通，对土的性质影响不大与大气连通，对土的性质影响不大v封闭气体：封闭气体：增加土的弹性；阻塞渗流通道增加土的弹性；阻塞渗流通道1 土的组成1.31.3土中水和土中气土中水和土中气45 土有三个组成部分：固相、液相和气相土有三个组成部分：固相、液相和气相 小结小结1. 固体颗粒固体颗粒2. 土中水土中水3. 土中气体土中气体 粒径级配粒径级配 矿物成分矿物成分 颗粒形状颗粒形状 结合水结合水 (强结合水、弱结合水强结合水、弱结合水) 自由水自由水 (重力水、毛细水重力水、毛细水) 自由气体自由气体封闭气体封闭气体1

19、土的组成1.31.3土中水和土中气土中水和土中气46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1.5 1.5 土的结构和构造土的结构和构造土粒间的作用力土粒间的作用力粘性土的结构性指标粘性土的结构性指标力学特性力学特性土的结构影响粗粒土的结构粗粒土的结构细粒土的结构细粒土的结构重塑土的强度重塑土的强度原状土的强度原状土的强度1 土的组成47一一. 土粒间的作用力土粒间的作用力 重重 力力 毛细力毛细力 胶结力胶结力 颗粒表面力颗粒表面力 土颗粒的自重形成的方向向下的土颗粒的自重形成的方向向下的力力 砂性土砂性土 土中毛细作用形成的土中毛细作用形成的力力 细砂、细粒土细砂、

20、细粒土 土粒间的胶体物质形成的作用土粒间的胶体物质形成的作用力力 黏性土黏性土 黏性土黏性土 库库 仑仑 力力： 范德华力范德华力：颗粒表面的静电引力或斥颗粒表面的静电引力或斥力力颗粒接触点处的分子间引颗粒接触点处的分子间引力力1.5 土的结构和构造土的结构和构造1 土的组成48二二. .粗粒土的结构粗粒土的结构 粒间作用力粒间作用力 排列形式排列形式 矿物成分矿物成分单粒结构单粒结构 示意图示意图重力，毛细力重力，毛细力点与点、点与面点与点、点与面原生矿物原生矿物 指粗颗粒在重力作用下独立下沉并与其它稳定颗粒相接触所形成的一种结构形式密实状态密实状态疏松状态疏松状态根据形成条件分为根据形成条

21、件分为1.5 土的结构和构造土的结构和构造1 土的组成49蜂窝结构蜂窝结构是主要由是主要由粉粒粉粒(0.075(0.0750.005mm)0.005mm)组 成 的 土 的 结 构 形 式 。 据 研 究 ， 粒 径 在组 成 的 土 的 结 构 形 式 。 据 研 究 ， 粒 径 在0.0750.0750.005mm0.005mm左右的土粒在水中沉积时，基左右的土粒在水中沉积时，基本上是以本上是以单个土粒单个土粒下沉，当碰上已沉积的土粒下沉，当碰上已沉积的土粒时，由于它们之间的相互时，由于它们之间的相互引力大于其重力引力大于其重力，因因此土粒就停留在最初的接触点上不再下沉，形此土粒就停留在最

22、初的接触点上不再下沉，形成成具有很大孔隙具有很大孔隙的蜂窝状结构。的蜂窝状结构。三三. .细粒土的结构细粒土的结构1.5 土的结构和构造土的结构和构造1 土的组成50絮状结构絮状结构是由是由粘粒粘粒(0.005mm)(0.005mm)集合体组成集合体组成的结构形式。粘粒能够在水中长期悬浮，的结构形式。粘粒能够在水中长期悬浮，不因不因自重而下沉自重而下沉。当这些悬浮在水中的粘粒被带到。当这些悬浮在水中的粘粒被带到电解质浓度较大的环境中电解质浓度较大的环境中( (如海水如海水) )粘粒凝聚成粘粒凝聚成絮状的集粒絮状的集粒( (粘粒集合体粘粒集合体) )而下沉，并相继和已而下沉，并相继和已沉积的絮状

23、集粒接触，而形成沉积的絮状集粒接触，而形成类似蜂窝而孔隙类似蜂窝而孔隙很大的絮状结构很大的絮状结构( (也称二级蜂窝结构也称二级蜂窝结构) )。1.5 土的结构和构造土的结构和构造1 土的组成51 粒间作用力粒间作用力 形成环境形成环境 排列形式排列形式 矿物成分矿物成分表面力、胶结力表面力、胶结力（斥力减小引力增加）（斥力减小引力增加） 絮状结构絮状结构蜂窝结构蜂窝结构 示意图示意图表面力、胶结力表面力、胶结力（粒间斥力占优势）（粒间斥力占优势） 淡水中沉积淡水中沉积海水中沉积海水中沉积次生矿物次生矿物次生矿物次生矿物天然条件下，可能是多种组合，或者由一种结构过渡向另一种结构。天然条件下，可

24、能是多种组合，或者由一种结构过渡向另一种结构。面与面面与面边、角与面边、角与面边、角与边边、角与边力学特性有何差异？1.5 土的结构和构造土的结构和构造1 土的组成521.5 土的结构和构造土的结构和构造1 土的组成 具有具有蜂窝结构蜂窝结构和和絮状结构絮状结构的土，颗粒间存在的土，颗粒间存在大量微细孔隙大量微细孔隙，其，其压缩压缩性大、强度低、透水性弱性大、强度低、透水性弱。又因土粒之间的联结较弱且。又因土粒之间的联结较弱且不甚稳定不甚稳定，在，在受受扰扰力作用下力作用下( (如施工扰动影响如施工扰动影响) )，土粒接触点可能脱离，部分，土粒接触点可能脱离，部分结构结构遭受遭受破破坏坏，土的

25、，土的强度强度会会迅速降低迅速降低。 具有蜂窝结构和絮状结构的土，其土粒之间的具有蜂窝结构和絮状结构的土，其土粒之间的联结力联结力( (结构强度结构强度) )往往往由于往由于长期的压密作用和胶结作用长期的压密作用和胶结作用而得到而得到加强加强。53层理构造层理构造 土粒在沉积过程中，由于不同阶段沉积的物质土粒在沉积过程中，由于不同阶段沉积的物质成分成分、颗粒、颗粒大大小小或或颜色颜色不同，沿竖向呈层状特征。不同，沿竖向呈层状特征。淤泥夹粘土透镜体淤泥夹粘土透镜体粘土尖灭粘土尖灭砂土夹粘土层砂土夹粘土层水平层理水平层理 交错层理交错层理1.5 土的结构和构造土的结构和构造1 土的组成土的构造土的

26、构造土层在空间的赋存状态土层在空间的赋存状态最主要特征最主要特征54分散构造分散构造 土层中各部分的土粒无明显土层中各部分的土粒无明显差别，分布均匀，各部分性质亦差别，分布均匀，各部分性质亦接近。接近。例如例如，各种，各种经过分选的经过分选的砂、砂、砾石、卵石砾石、卵石等沉积等沉积厚度较大厚度较大时，时，无明显层次无明显层次，都属于分散构造。，都属于分散构造。 具有分散构造的上可作为具有分散构造的上可作为各各向同性体向同性体看待。看待。裂隙构造裂隙构造 土体被许多不连续的小裂隙土体被许多不连续的小裂隙所分割，在裂隙中常充填有各种所分割，在裂隙中常充填有各种盐类的沉淀物。不少盐类的沉淀物。不少坚

27、硬坚硬和和硬塑硬塑状态的状态的粘性土粘性土具有此种构造具有此种构造。黄黄土土具有特殊的具有特殊的柱状裂隙柱状裂隙。裂隙。裂隙破破坏土的整体性，增大透水性，对坏土的整体性，增大透水性，对工程不利。工程不利。1.5 土的结构和构造土的结构和构造1 土的组成55土的物理性质及分类第二章56 黏性土黏性土（细粒土）（细粒土） 无黏性土无黏性土（砂性土）（砂性土）（粗粒土）（粗粒土）土的特点土的力学特性与土有关的工程问题土的生成土的三相组成57 2.1 概述 2.2土的三相组成比例指标 2.3黏性土的物理特征 2.4无黏性土的密实度 2.5粉土的密实度和湿度 2.6土的胀缩性、湿陷性、和 冻胀性 2.7

28、土的分类2土的物理性质及分类582.1 概述概述土的物理状态无黏性土的松密程度无黏性土的松密程度黏性土的软硬程度黏性土的软硬程度土的物理性质指标( (松松密程度、干湿程度、轻重程度密程度、干湿程度、轻重程度) )力学特力学特性性影响影响表表示示？2土的物理性质及分类59土的三个组成相的体积和质量上的比例关系2.2 土的三相比例指标土的三相比例指标松密程度松密程度干湿程度干湿程度轻重程度轻重程度特点: 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、联系与区别定义定义基本方法:三相草图法2土的物理性质及分类60三相草图三相草图WaterAirSolidVaV

29、wVsVvVma=0mwmsm质量体积2.2 土的三相比例指标土的三相比例指标2土的物理性质及分类61三相草图三相草图WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量质量体积体积sawvawV V V VV V V swaawwwmmmmm0mV 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 Vv Vs Va Vw / / ms m w ma m剩下三个独立变量剩下三个独立变量三相草图法三相草图法物性指标是比例关系物性指标是比例关系: :可假设任一参数为可假设任一参数为1对于饱和土对于饱和土, Va=0剩下两个独立变量实验室测定实验室测定其它指标其它指标是一种

30、简单而实用的方法是一种简单而实用的方法2.2 土的三相比例指标土的三相比例指标2土的物理性质及分类62室内测定的三个物理性质指标室内测定的三个物理性质指标WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量质量体积体积土的密度、土粒的相对密度、土的含水量土的密度、土粒的相对密度、土的含水量土的密度土的密度awswsVVVmmVm 单位单位: kg/m3 或或 g/cm3一般范围一般范围: 1.602.20 g/cm3定义定义: 单位体积土的质量单位体积土的质量有时也称有时也称土的天然密度土的天然密度表达式表达式:2.2 土的三相比例指标土的三相比例指标2土的物理性质及分类土的密度

31、取决于土的密度取决于土粒的密度，土粒的密度，孔隙体积的大小孔隙体积的大小孔隙中水的质量多少，孔隙中水的质量多少，它综合反映了土的它综合反映了土的物质组成和结构特征。物质组成和结构特征。632.2 土的三相比例指标土的三相比例指标2土的物理性质及分类土的重度土的重度=g工程上更常用工程上更常用, , 用于计算土的自重应力用于计算土的自重应力单位单位: kN/m3 环刀：环刀： 内径内径:6.18cm:6.18cm 壁厚：壁厚：1.5mm1.5mm 体积：体积：60cm60cm3 3核子密度仪或者核子仪是核子密度仪或者核子仪是核子密度核子密度/ /湿度检测仪湿度检测仪的简称，是利用同位素的简称，是

32、利用同位素放射原理实时检测土工放射原理实时检测土工建筑材料的密度和湿度建筑材料的密度和湿度的电子仪器。的电子仪器。相关指标相关指标:64WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量质量体积体积土粒相对密度土粒相对密度 s: 土粒的密度，单位体积土粒的质土粒的密度，单位体积土粒的质量量sssVm 单位单位: 无量无量纲纲C4w C4wssG 4C时纯蒸馏水的密时纯蒸馏水的密度度C4w =1.0 g/cm3土粒相对密度在数值上等于土粒的密度土粒相对密度在数值上等于土粒的密度定义定义: 土粒的质量与同体积土粒的质量与同体积4C时纯蒸馏时纯蒸馏水的质量的比值水的质量的比值表达式表

33、达式:2.2 土的三相比例指标土的三相比例指标2土的物理性质及分类土的名称土的名称砂土砂土粉土粉土粘性土粘性土土粒相对密度土粒相对密度2.652.692.702.712.722.76参考值：参考值： 土粒相对密度土粒相对密度取决于取决于土的矿物成分，变化幅度很小。土的矿物成分，变化幅度很小。65比重瓶法法比重瓶2.2 土的三相比例指标土的三相比例指标2土的物理性质及分类测定方法：66WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量质量体积体积土的含水量土的含水量%100(%)ssswmmmmmw定义定义: 土中水的质量与土粒质量之比土中水的质量与土粒质量之比, 用百分数表示用

34、百分数表示注意注意: 其实是含水比其实是含水比, 可达到或超过可达到或超过100表达式表达式:2.2 土的三相比例指标土的三相比例指标2土的物理性质及分类土的含水量是标志土含水程度的一个重要物理指标。天然土土的含水量是标志土含水程度的一个重要物理指标。天然土层含水量变化范围较大，与层含水量变化范围较大，与土的种类土的种类、埋藏条件埋藏条件及其所处的及其所处的自然地理环境自然地理环境等有关。等有关。 测定方法：测定方法：通常用烘干法，通常用烘干法，亦可近似用酒精燃烧法亦可近似用酒精燃烧法 炒干法炒干法 67（烘干法）试验法（烘干法）试验法1 1、代表性土样（、代表性土样（10-30g10-30g

35、）放入称量盒中盖盖称重）放入称量盒中盖盖称重g g1 12 2、打开盒盖，放入烘干箱、打开盒盖，放入烘干箱100-105100-105o oc c下烘干至恒重，取出冷却至室温下烘干至恒重，取出冷却至室温3 3、盖盖称重、盖盖称重g g2 2 g0为盒重为盒重平行试验（两个试样）误差平行试验（两个试样）误差2%,2%,取平均值取平均值（炒干法）工程法（炒干法）工程法 1kg-2kg 1kg-2kg 天然土放于锅内炒干，天然土放于锅内炒干，测测w w天然状态下土的含水量称土的天然含水量。天然状态下土的含水量称土的天然含水量。一般砂土天然含水量都一般砂土天然含水量都不超过不超过40%40%，以以10

36、-30%10-30%最为常见；最为常见；一般黏土大多在一般黏土大多在10-80%10-80%之间，常见值之间，常见值20-50%20-50%。 准确到准确到0.01g%100(%)0221ggggw2.2 土的三相比例指标土的三相比例指标2土的物理性质及分类准确到准确到0.01g68v表示土中孔隙含量的指标表示土中孔隙含量的指标孔隙比孔隙比孔隙率孔隙率( (孔隙度孔隙度) )svVVe 其它常用的物理性质指标其它常用的物理性质指标VV(%)nv 关系关系:e1en n1ne 在某种程度上反映土的松密在某种程度上反映土的松密一般一般e1.0的土是疏松的高压缩性土。的土是疏松的高压缩性土。砂类土：

37、砂类土：28-35%黏性土：黏性土：30-50%有的可达有的可达60-70%定义定义: 土中孔隙体积与固体颗土中孔隙体积与固体颗粒体积之比粒体积之比, 无量纲无量纲表达式表达式:WaterAirSolidVaVwVsVvV体积体积定义定义: 土中孔隙体积与总体土中孔隙体积与总体积之比积之比, 用百分数表示用百分数表示表达式表达式:Vs=1Vv=eV=1+eWaterAirSolid体积体积三相草图可用于确定三相草图可用于确定物性指标之间的关系物性指标之间的关系2.2 土的三相比例指标土的三相比例指标2土的物理性质及分类69v表示土中含水程度的指标表示土中含水程度的指标%100(%)swmmw含

38、水量含水量饱和度饱和度%100vwrVVS WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量质量体积体积表达式表达式:定义定义: 土中水的体积与孔隙体积的比值土中水的体积与孔隙体积的比值饱和度表示饱和度表示孔隙中充满水的程度孔隙中充满水的程度它在它在0100%0100%；干燥时；干燥时Sr Sr=0=0。孔孔隙全部为水充填时，隙全部为水充填时，Sr Sr=100%=100%。 工程应用：饱和度可以反映土的干湿程度，砂土根据饱和度Sr的指标 值分为稍湿、很湿与饱和三种湿度状态，其划分标准见下表：砂土湿度状态砂土湿度状态稍湿稍湿很湿很湿饱和饱和饱和度饱和度Sr(%)Sr 5050

39、802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70v表示土的表示土的密度和重度密度和重度的指标的指标天然密度天然密度干密度干密度饱和密度饱和密度awswsVVVmmVm 天然重度天然重度干重度干重度Vmsd g gddVVmvwssat gsatsat 浮重度浮重度wsat 浮密度浮密度有效重度有效重度饱和重度饱和重度WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量质量体积体积单位单位: kg/m3 或或 g/cm3单位单位: kN/m3 定义定义: 土被完全烘干时的密度土被完全烘干时的密度, 等于等于 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:

40、2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干密度干密度反映了土的孔隙性反映了土的孔隙性，因而可用以计算土的，因而可用以计算土的n n，它往往通过土的它往往通过土的及及w w计算得来，但也可以计算得来，但也可以实测实测。 在工程上常把干密度作为在工程上常把干密度作为评定评定土体紧密程度的标准土体紧密程度的标准，以控制以控制填土工程的施工质量填土工程的施工质量。 土的干密度一般常在土的干密度一般常在1.41.7 g/cm1.41.7 g/cm3 3 71各种密度重度之间的大小关系：各种密度重度之间的大小关系：dsat dsat天然密度天然密度干密度干密度饱和密度饱和密度Vm 天然

41、重度天然重度干重度干重度Vmsd g gddVVmvwssat gsatsat 浮重度浮重度wsat 饱和重度饱和重度WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量质量体积体积2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72气水土粒质量m体积VV=1+eVv=eVs=1土的三项物理指标换算图土的三项物理指标换算图e=VV/VsssswmGVwsmwm2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常用的物理性质指标间的换算关系73sw(1)1Gwe2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74sw(1)1Gwe2土的物理性质及分

42、类2.2 土的三相比例指标土的三相比例指标75土的三相比例指标换算公式 1 名称名称 符号符号 三相比例表达式三相比例表达式 常用换算公式常用换算公式 单位单位sG土粒比重土粒比重含水量含水量密密 度度饱和密度饱和密度有效密度有效密度干密度干密度g/cm3g/cm3 g/cm3g/cm3wdsatssswmGVrsS eGwws100%mwmrsS ewGd1wVmsw(1)1Gwed(1)wsVwsatmVVsdw1Ged1wsdmVsVwmVV sw11Ge satw ssatw1Gee76kN/m3 名称名称 符号符号 三相比例表达式三相比例表达式 常用换算公式常用换算公式 单位单位重度

43、重度干重度干重度饱和重度饱和重度孔隙比孔隙比孔隙率孔隙率有效重度有效重度 kN/m3 kN/m3 kN/m3饱和度饱和度dsatenrSmggVsw(1)1GwesddmggVsvwsatsatmVggVsswmVggVsdw1Gessatw1GeeeGs11vsVeVv100%VnVwrv100%VSVswd1Gesw(1)1Gweeen1dsw1nG stwGSedtwwSn土的三相比例指标换算公式 277例题例题1.1 1.1 某工程地基勘探中，取原状50cm3，重95.15g，烘干后重75.05g，土粒相对密度为2.67 。求：dsatr,we nS解解：绘制三相比例图质量（g)体积(

44、cm3)m = 95.15g95.15V = 50cm350ms = 75.05g75.0520.13www1 /mg cmV3w20.1Vcm20.1ssswmGVssswmVG311.28167. 205.75cm28.11Vv = 5028.11= 21.89cm321.89Va = 21.8920.1= 1.79cm31.79mw = 95.1575.05= 20.1g2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78质量（g)体积(cm3)95.155075.05121.891.792、计算三相比例指标mgV3/03.19105015.95mkN

45、sdmgV3/01.15105005.75mkNsvwsatmVgV3/39.191050189.2105.75mkNsatw =19.39-10=9.39kN/m3wsmwm%78.262678. 005.751 .20VsVeV78. 011.2889.21VVnV%78.434378. 05089.21wrVVSV%8 .91918. 089.211 .20例题例题1.11.12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79 某土料孔隙比e=0.9，饱和度Sr=40%，如果在体积不变的情况下，使饱和度增加到Sr=90%，问1m3土料中应加多少水。体积体积(m3)1加水后体

46、积加水后体积(m3)Vs0.9VeVVv+Vs=1m3Vv=0.9Vs=0.474m33s10.5261 0.9Vm0.4740.526w1r1v0.4VSV加水前3w10.4 0.4740.19Vmw2r2v0.9VSV加水后3w20.9 0.4740.43Vm0.190.43所以所以1m3土加水量为土加水量为0.430.19=0.24(t)解：10.526例题例题1.21.22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80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2土的物理性质及分类2

47、.2 土的三相比例指标土的三相比例指标81小结小结物理性质指标物理性质指标土的三个组成相的体积和质量上土的三个组成相的体积和质量上的比例关系的比例关系松密程度松密程度干湿程度干湿程度轻重程度轻重程度特点特点: 指标概念简单，数量很多指标概念简单，数量很多要点：要点：名称、概念或定义、符号、表达式、名称、概念或定义、符号、表达式、单位或量纲、常见值或范围、联系与区别单位或量纲、常见值或范围、联系与区别定义定义基本方法基本方法:三相草图法三相草图法室内测定的三个物理性质指标室内测定的三个物理性质指标土的密度、土粒的比重、土的含水量土的密度、土粒的比重、土的含水量三相草图有助于直观三相草图有助于直观

48、理解物性指标的概念理解物性指标的概念其它常用的物理性质指标其它常用的物理性质指标v表示土中孔隙含量的指标表示土中孔隙含量的指标v表示土中含水程度的指标表示土中含水程度的指标v表示土的密度和重度的指标表示土的密度和重度的指标三相草图可用于确定三相草图可用于确定物性指标之间的关系物性指标之间的关系三相草图法是求取物三相草图法是求取物理性质指标的简单而理性质指标的简单而有效的方法有效的方法2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82影响影响无黏性土的松密程度无黏性土的松密程度力学特力学特性性密实度大密实度大结构稳定、强度大、压缩变形小结构稳定、强度大、压缩变形小密实度小密实度小结

49、构疏松、不稳定、压缩变形大结构疏松、不稳定、压缩变形大衡量无黏性土的密实度方法衡量无黏性土的密实度方法孔隙比孔隙比e e或孔隙率或孔隙率n n相对密度相对密度D Dr r现场标准贯入试验测定现场标准贯入试验测定土的密实度通常是指土的密实度通常是指单位体积中固体颗粒的含量单位体积中固体颗粒的含量定义定义:2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2.4 无黏性土的密实度无黏性土的密实度83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 e不容易获得。不容易获得。对对策策相对密度相对密度minmaxmaxreeeeD

50、 1 1、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 = 0.202.4 无黏性土的密实度无黏性土的密实度2土的物理性质及分类孔隙比孔隙比e e或孔隙率或孔隙率n n分类（分类（TJ7-74TJ7-74）e 0 .9 5 e 0 .8 5 松松散散0 .8 5 e 0 .9 50 .7 0 e 0 .8 5 e 0 .7 0 细细 砂砂 、 粉粉 砂砂0 .7 5 e 0 .8 50 .6 0 e 0 .7 5 e 0 .6 0砾砾 砂砂 、 粗粗 砂砂 、中中 砂砂稍稍密密中中密密密密实实密密 实实 度度土土 的的 名名 称称e 0 .9

51、 5 e 0 .8 5 松松散散0 .8 5 e 0 .9 50 .7 0 e 0 .8 5 e 0 .7 0 细细 砂砂 、 粉粉 砂砂0 .7 5 e 0 .8 50 .6 0 e 0 .7 5 e 0 .6 0砾砾 砂砂 、 粗粗 砂砂 、中中 砂砂稍稍密密中中密密密密实实密密 实实 度度土土 的的 名名 称称工业与民用建筑地基基础设计规范工业与民用建筑地基基础设计规范建筑地基基础设计规范建筑地基基础设计规范198984e 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，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e eminmin: : 最小孔隙

52、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e emaxmax与与e eminmin ：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2.4 无黏性土的密实度无黏性土的密实度2土的物理性质及分类优点：优点：克服了克服了e不能不能反映级配的缺点反映级配的缺点缺点：缺点：e仍然不容易获得。仍然不容易获得。85无黏性土的密实状态指标无黏性土的密实状态指标 判别标准：判别标准： D Dr r = 1 = 1 最密状态最密状态 D Dr r = 0 =

53、 0 最松状态最松状态 D Dr r 1/3 1/3 疏松状态疏松状态 1/3 1/3 2/3 2/3 密实状态密实状态相对密度相对密度minmaxmaxeeeeDrdmindmaxdmaxdminddr)()(D 2.4 无黏性土的密实度无黏性土的密实度2土的物理性质及分类D Dr r在工程上常应用于：在工程上常应用于：（1 1）评价砂土地基的允许承载力；）评价砂土地基的允许承载力；（2 2）评价地震区砂体液化；）评价地震区砂体液化；（3 3）评价砂土的强度稳定性。）评价砂土的强度稳定性。 863 3、根据现场标准贯入试验判定根据现场标准贯入试验判定标准贯入试验标准贯入试验(SPT)(SPT

54、)是动力触探的一种，它利用一定的是动力触探的一种，它利用一定的锤击动锤击动能能( (锤重锤重63.5kg63.5kg，落距，落距76cm)76cm)，将一定规格的对开管式的，将一定规格的对开管式的贯入器贯入器打入钻孔孔底的土中，根据打入土中的贯阻抗，判别土层的工打入钻孔孔底的土中，根据打入土中的贯阻抗，判别土层的工程性质。程性质。贯入阻抗贯入阻抗用贯入器贯入土中用贯入器贯入土中30cm30cm的锤击数的锤击数N N63.563.5表示，表示， N N63.563.5 也称为也称为标贯击数标贯击数。N N的大小，综合反映了土的贯入阻力的的大小，综合反映了土的贯入阻力的大小，亦即密实度的大小。大小

55、，亦即密实度的大小。标准贯入标准贯入试验垂击试验垂击数数N NN10N1010N1510N1515N3015N30N30N30密实度密实度松散松散稍密稍密中密中密密实密实判定标准：判定标准：2.4 无黏性土的密实度无黏性土的密实度2土的物理性质及分类建筑地基基础设计规范建筑地基基础设计规范（GB500072002）872.4 无黏性土的密实度无黏性土的密实度2土的物理性质及分类88碎石土密实度野外鉴别碎石土密实度野外鉴别2.4 无黏性土的密实度无黏性土的密实度2土的物理性质及分类89黏性土的软硬状态黏性土的软硬状态也称也称稠度状态稠度状态稠度状态与含水量有关稠度状态与含水量有关黏性黏性土土含水

56、含水量量较较硬硬变变软软流流动动2.3黏性土的物理特征黏性土的物理特征2土的物理性质及分类90塑限塑限wp液限液限wl稠度界限稠度界限黏性土的稠度反映土中水的形态黏性土的稠度反映土中水的形态固态或固态或半固态半固态塑态塑态 流态流态 强结合水膜最大强结合水膜最大出现自由水出现自由水强结合水强结合水弱结合水弱结合水自由水自由水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plpIww吸附弱结合吸附弱结合水的能力水的能力塑性指数塑性指数2.3黏性土的物理特征黏性土

57、的物理特征2土的物理性质及分类91 测试方法测试方法用用搓条法搓条法测定塑限测定塑限3mm3mm2.3黏性土的物理特征黏性土的物理特征2土的物理性质及分类可塑状态：可塑状态：1、外力作用下可塑成任何形状而不出现裂纹、外力作用下可塑成任何形状而不出现裂纹2、外力撤去后，仍能保持既有形状。、外力撤去后，仍能保持既有形状。92用用平衡锥式液限仪平衡锥式液限仪测定测定其工作过程是：将粘性土调成均匀的浓糊状，装满盛土杯，刮平杯口其工作过程是：将粘性土调成均匀的浓糊状，装满盛土杯，刮平杯口表面，将表面，将7676克克重圆锥体轻放在试样表面的中心，使其在自重作用下徐徐沉重圆锥体轻放在试样表面的中心，使其在自

58、重作用下徐徐沉入试样，若圆锥体经入试样，若圆锥体经5 5秒秒种恰好沉入种恰好沉入10mm10mm深度，这时杯内土样的含水量就深度，这时杯内土样的含水量就是液限是液限w wL L值。值。为了避免放锥时的人为晃动影响，可采用电磁放锥的方法为了避免放锥时的人为晃动影响，可采用电磁放锥的方法 2.3黏性土的物理特征黏性土的物理特征2土的物理性质及分类9310mm液限测定演示：液限测定演示：2.3黏性土的物理特征黏性土的物理特征2土的物理性质及分类9410mm液限测定演示：液限测定演示：2.3黏性土的物理特征黏性土的物理特征2土的物理性质及分类95液限测定演示：液限测定演示：2.3黏性土的物理特征黏性土

59、的物理特征2土的物理性质及分类96 取不同含水量做几次(一般3次)试验,试验结果绘在双对数坐标纸上,试验点连成直线,可在图上直接查得塑限和液限.圆锥入土深度与含水量关系2.3黏性土的物理特征黏性土的物理特征2土的物理性质及分类97锥式液限仪锥式液限仪碟式液限仪碟式液限仪2.3黏性土的物理特征黏性土的物理特征2土的物理性质及分类wL碟碟=wL锥（锤下沉锥（锤下沉17mm）982.3黏性土的物理特征黏性土的物理特征2土的物理性质及分类99相对稠度相对稠度pLlpw wIww 问题：仅适用于问题：仅适用于重塑土重塑土即使即使含水量相同，稠度可能不同稠度可能不同液性指数液性指数对不同的黏土，对不同的黏

60、土，wp、wl 大小不同大小不同定义：定义：wpwwlIL1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对同一种黏土，含水量可反映其稠度对同一种黏土，含水量可反映其稠度问题：问题：2.3黏性土的物理特征黏性土的物理特征2土的物理性质及分类100plpIww吸附弱结合水的能力吸附弱结合水的能力塑性指数塑性指数 （常省略常省略 %,取整数）取整数）常作为细粒土工程分类的依据常作为细粒土工程分类的依据缺点缺点不能充分反映粘土颗粒含量不能充分反映粘土颗粒含量 土颗粒大小土颗粒大小不同矿物成分不同不同矿物成分不同土中水的离子