长安大学公路学院土质土力学-3土的物理性质及工程分类

1、土的物理性质土的物理性质及工程分类及工程分类土的三相比例指标土的三相比例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程度粘性土的软硬程度土的三相比例指标土的三相比例指标(松密程度、干湿程度松密程度、干湿程度)力学特性力学特性影响影响表表示示土的三个组成相的体积和土的三个组成相的体积和质量上的比例关系质量上的比例关系定义名称、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、联系与区别基本方法基本方法:三相草图法三相草图法土的三相比例指标土的三相比例指标WaterairSolidVaVwVsVvVm

2、a=0mwmsm土的三相图土的三相图土的三相比例指标土的三相比例指标三相草图三相草图sawvawVVVVVVVswaawwwmmmmm0mV 已知关系五个已知关系五个: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简单而实用的方法是一种简单而实用的方法共有九个参数共有九个参数: V Vv Vs Va Vw / ms m w ma mWaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积土的三相比例

3、指标土的三相比例指标 试验指标：试验指标：土的密度、土颗粒密度、土的含水量土的密度、土颗粒密度、土的含水量土的密度土的密度awswsVVVmmVm 土的容重土的容重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: kg/m3 或或 g/cm3单位单位: kN/m3 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:相关指标相关指标:三相草图有助于直观三相草图有助于直观理解物性指标的概念理解物性指标的概念WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量质

4、量体积体积g测试方法：测试方法：环刀法环刀法土的三相比例指标土的三相比例指标土粒比重土粒比重 s: 土粒的密度，单位体积土粒的质量土粒的密度，单位体积土粒的质量sssVm 单位单位: 无量纲无量纲土粒比重一般数值土粒比重一般数值sswG w: 4C时纯蒸馏水的密度时纯蒸馏水的密度 w: =1.0 g/cm3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定义定义: 土粒的密度与土粒的密度与4C时纯蒸馏水的密度的比值时纯蒸馏水的密度的比值表达式表达式:WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量质量体积体积土名土名砂土砂土砂质粉土砂质粉土黏质粉土黏质粉土粉质黏土

5、粉质黏土黏土黏土土粒密度土粒密度2.652.692.72.712.722.73 2.742.76土的三相比例指标土的三相比例指标土粒密度土粒密度单位单位: kg/m3 或或 g/cm3测定方法：测定方法：土粒密度可由土粒密度可由比重瓶法比重瓶法测定。土粒密度主要取决于土矿测定。土粒密度主要取决于土矿物成分，与土的孔隙大小和含水多少无关物成分，与土的孔隙大小和含水多少无关定义定义:土粒的密度，单位体积土粒的质量土粒的密度，单位体积土粒的质量表达式表达式:WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量质量体积体积sssVm 数值：数值：不同土类的土粒密度变化范围不大不同土类的土

6、粒密度变化范围不大,有经验的地区可按经验值有经验的地区可按经验值选用。随着土中有机质含量增加，土粒密度减小选用。随着土中有机质含量增加，土粒密度减小.土名土名砂土砂土砂质粉土砂质粉土黏质粉土黏质粉土粉质黏土粉质黏土黏土黏土土粒密度（土粒密度（g/cm3）2.652.692.72.712.722.73 2.742.76土的三相比例指标土的三相比例指标土的含水量土的含水量ssswmmmmm(%)w 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:WaterAirSolid

7、VaVwVsVvVma=0mwmsm质量质量体积体积测试方法测试方法: 烘干法烘干法土的三相比例指标土的三相比例指标 其它常用的物理性质指标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 VV(%)nv 关系关系:e1en n1ne 在某种程度上反映在某种程度上反映土的松密土的松密砂类土：砂类土：28-35%粘性土：粘性土：30-50%有的可达有的可达60-70%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: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,

8、 用百分数表示用百分数表示表达式表达式: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WaterAirSolidVaVwVsVvV体积体积Vs=1Vv=eV=1+eWaterAirSolid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swmm(%)w 含水量含水量饱和度饱和度vwrVVS 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孔隙中充满水的程度饱和度表示孔隙中充满水的程度Sr=0 : 干土干土Sr=1 : 饱和土饱和土WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwm

9、sm质量质量体积体积土的三相比例指标土的三相比例指标表示土的表示土的密度密度和和容重容重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 天然容重天然容重干容重干容重Vmsd g gdd VVmvwssat gsatsat 浮容重浮容重wsat 有效容重有效容重饱和容重饱和容重单位单位: 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:WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量质量体积体积土的三相比例指标土的三相比例

10、指标 各种密度容重之间的大小关系：各种密度容重之间的大小关系：satd dsat天然密度天然密度干密度干密度饱和密度饱和密度Vm 天然容重天然容重干容重干容重Vmsd g gdd VVmvwssat gsatsat 浮容重浮容重wsat 饱和容重饱和容重土的三相比例指标土的三相比例指标 三相指标间的换算三相指标间的换算假定土的颗粒体积假定土的颗粒体积Vs=1，并假定并假定 w1= w，则孔隙则孔隙 Vv=e，总体积总体积 V=1+e，颗粒质量颗粒质量 ms=VsGs w1=VsGs w，水的质量水的质量 mw=wms=wGs w，总质量总质量 m=Gs（1+w） w，于是根据定义有于是根据定义

11、有WaterAirSolid0VvewGsms1+e质量质量体积体积wGswGswGs（1+w）w土的三相比例指标土的三相比例指标 三相指标间的换算三相指标间的换算WaterAirSolid0VvewGsms1+e质量质量体积体积wGswGswGs（1+w）w11swGwmVe11sswdmGVee1swsswsatGemVVe111swwsdGweG sswsatwm gVV wswswwstvmwGVwGSVeee1wsVenVe土的三相比例指标土的三相比例指标例题：已知土的试验指标，重度为例题：已知土的试验指标，重度为17.0kN/m3，土里比重，土里比重2.72，含水，含水率率10.0

12、%，求孔隙比，求孔隙比e，饱和度，饱和度St，干重度，干重度d方法一12.721 10.09.81110.72717.0swGwe 10.0 2.720.37437.4%0.727stwGSe317.015.5/11 10.0ddkN mw土的三相比例指标土的三相比例指标土粒体积土粒体积方法二方法二31sVm土粒的重力土粒的重力1 2.72 9.8126.68ssswWV GkN 水的重力水的重力10.0 26.682.67wsswWwW GkN土的重力土的重力26.682.6729.35wsWWWkN土的重度土的重度317.0/kN m土的体积土的体积329.351.72717.0WVm孔隙

13、的体积孔隙的体积31.727 10.727VsVVVm 水的体积水的体积32.670.2729.81wwwWVm土的三相比例指标土的三相比例指标求得三相物质的重力和体积，根据定义计算孔隙比、饱和度、干密度求得三相物质的重力和体积，根据定义计算孔隙比、饱和度、干密度0.7270.7271VsVeV0.2720.37437.4%0.727wrVVSV326.6815.4/1.727sdWkN mV土的三相比例指标土的三相比例指标例题：已知例题：已知饱和黏土饱和黏土的含水率为的含水率为36%，土里比重，土里比重2.75，求其孔隙比，求其孔隙比e。解：此题指出该黏土为饱和黏土，饱和黏土的饱和度解：此题

14、指出该黏土为饱和黏土，饱和黏土的饱和度Sr为为1，因此，因此0.36 2.750.991stwGeS土的界限含水率土的界限含水率土的物理状态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三相比例指标土的三相比例指标(松密程度、干湿程度松密程度、干湿程度)力学特性力学特性影响影响表表示示土的界限含水率土的界限含水率 黏性土的状态（黏性土的软硬程度）黏性土的状态（黏性土的软硬程度）黏性土黏性土塑限塑限较硬较硬变软变软流动流动固态或半固态固态或半固态可塑状态可塑状态流动状态流动状态pw液限液限Lw0w缩限缩限sw土的界限含水率土的界限含水率 土中状态与含水量的关

15、系土中状态与含水量的关系土的界限含水率土的界限含水率塑限塑限wp液限液限wl界限含水率界限含水率粘性土的状态反映土中水的形态粘性土的状态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黏土的状态黏土的状态含水量含水量土中水的形态土中水的形态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土的界限含水率土的界限含水率 界限含水率黏性土由某一种状态过渡到另一种状态的含水率，称为黏性土由某一种状态过渡到另一种状态的含

16、水率，称为界限含水率界限含水率。液限液限wL：流动状态与可塑性状态间的界限含水率：流动状态与可塑性状态间的界限含水率塑限塑限wP：可塑性状态与半固体状态间的界限含水率：可塑性状态与半固体状态间的界限含水率缩限缩限ws：半固体状态与固体状态间的界限含水率：半固体状态与固体状态间的界限含水率土的界限含水率土的界限含水率 界限含水率的测试方法界限含水率的测试方法塑限的测试方法塑限的测试方法塑限塑限wp主要采用主要采用滚搓法滚搓法将可塑性状态的土样在毛玻璃上用手滚搓，在缓慢的、单方向的搓动将可塑性状态的土样在毛玻璃上用手滚搓，在缓慢的、单方向的搓动过程中，土膏内的水分渐渐蒸发，如搓到土条的直径为过程中

17、，土膏内的水分渐渐蒸发，如搓到土条的直径为3mm左右时左右时产生裂缝并断裂为若干段，此时试样的含水率为产生裂缝并断裂为若干段，此时试样的含水率为塑限塑限wp 界限含水率的测试方法界限含水率的测试方法液限的测试方法液限的测试方法液限液限wL采用圆锥仪测定法，仪器为平衡锥式液限仪。采用圆锥仪测定法，仪器为平衡锥式液限仪。平衡锥平衡锥76g，锥角，锥角30，试验时使平衡锥在自重作用下沉入土膏，达，试验时使平衡锥在自重作用下沉入土膏，达到规定深度时的含水率为到规定深度时的含水率为液限液限wp土的界限含水率土的界限含水率液限塑限联合测定法液限塑限联合测定法液限液限wL采用圆锥仪测定法，仪器为平衡锥式液限

18、仪，平衡锥采用圆锥仪测定法，仪器为平衡锥式液限仪，平衡锥制备不同含水率制备不同含水率w的土样，分别测定圆锥下沉深度的土样，分别测定圆锥下沉深度h，绘制，绘制h-w图，图，对应下沉深度为对应下沉深度为10mm或或17mm处所对应的含水率为处所对应的含水率为液限液限，下沉深度，下沉深度为为2mm处所对应的含水率为塑限。处所对应的含水率为塑限。土的界限含水率土的界限含水率表示天然含水率与界限含水率表示天然含水率与界限含水率相对关系相对关系的指标的指标pLlpwwIww 即使含水量相同，软硬程度可能不同即使含水量相同，软硬程度可能不同液性指数液性指数对不同的粘土，对不同的粘土，wp、wL 大小不同大小

19、不同定义：定义：wpwwLIL1固态或半固态固态或半固态可塑状态可塑状态流动状态流动状态0.00 0.250.25 - 0.750.75 1.00硬塑硬塑可塑可塑软塑软塑问题：问题：土的界限含水率土的界限含水率说明：说明：塑性指数的大小取决于土粒吸附结合水的能力，与土中黏粒含塑性指数的大小取决于土粒吸附结合水的能力，与土中黏粒含量有关，黏粒含量越多，塑性指数越高。量有关，黏粒含量越多，塑性指数越高。plpIww塑性指数塑性指数是液限和塑限的差值（省去是液限和塑限的差值（省去%），土处在可塑状态的含水率），土处在可塑状态的含水率变化范围变化范围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

20、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 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无黏性土的密实度无黏性土的密实度土的物理状态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三相比例指标土的三相比例指标(松密程度、干湿程度松密程度、干湿程度)力学特性力学特性影响影响表表示示无黏性土的密实度无黏性土的密实度 无粘性土的密实度无粘性土的密实度emax：最大孔隙比，砂土在最松散状态下的孔隙比最大孔隙比，砂土在最松散状态下的孔隙比emin ：最小孔隙比，砂土在最密实状态下的孔隙比最小孔隙比，砂土在最密实状态下的孔隙比如何衡量?

21、单位体积中固体颗粒含量的多少，无粘性单位体积中固体颗粒含量的多少，无粘性土的密实度与其工程性质有着密切关系。土的密实度与其工程性质有着密切关系。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实度相对密实度minmaxmaxreeeeD 孔隙比孔隙比e或孔隙率或孔隙率nemin = 0.35emin = 0.20无黏性土的密实度无黏性土的密实度 工程应用：工程应用：当当D=0时，时，e=emax，表示土处于最松散状态，表示土处于最松散状态，当，当D=1.0时，时，e=emin，表示土处于最密实状态。，表示土处于最密实状

22、态。 D0.33 0.33D0.7 0.67D1 疏松状态疏松状态 中密状态中密状态 密实状态密实状态无黏性土的密实度无黏性土的密实度 无黏性土密实度分类（标准贯入试验）无黏性土密实度分类（标准贯入试验）天然砂土的密实度，可按原位标准贯入试验的锤击数天然砂土的密实度，可按原位标准贯入试验的锤击数N进行评定。天进行评定。天然碎石土的密实度，可按圆锥动力触探锤击数然碎石土的密实度，可按圆锥动力触探锤击数N63.5进行评定进行评定岩土工程勘察规范岩土工程勘察规范（GB 500212001）。）。锤重锤重63.5kg落距落距76mm将标准贯入器将标准贯入器（外径（外径5cm，内径，内径3,5cm）贯入

23、土中）贯入土中30mm所需的锤击数所需的锤击数N密实度密实度松散松散稍密稍密中密中密密实密实按按N锤击砂土密实度锤击砂土密实度N1010N1515N30N30按按N63.5锤击碎石土密实度锤击碎石土密实度N63.55 5N63.510 10N63.520N63.520土的工程分类土的工程分类 分类的目的和原则分类的目的和原则土的分类系统是把不同的土分别安排到各个具有相近性质的组土的分类系统是把不同的土分别安排到各个具有相近性质的组合中，目的是为了根据同类土已知的性质去评价其使用性能，合中，目的是为了根据同类土已知的性质去评价其使用性能，或提供一个可采用的描述与评价图的方法。或提供一个可采用的描

24、述与评价图的方法。1.分类要简明，既要能综合反映土的主要工程性质，又要测定分类要简明，既要能综合反映土的主要工程性质，又要测定方法简单，使用方便。方法简单，使用方便。2. 土的分类体系所采用的指标要在一定程度上反映不同类工程土的分类体系所采用的指标要在一定程度上反映不同类工程用土的不同特性用土的不同特性.分类原则分类原则土的工程分类土的工程分类 碎石土分类碎石土分类岩土工程勘察规范岩土工程勘察规范（GB500212001）公路桥涵地基与基础设计规范公路桥涵地基与基础设计规范（JTG D632007）土的名称颗粒形状颗粒级配漂石圆形及亚圆形为主粒径大于200mm的颗粒含量超过全重50块石棱角形为

25、主卵石圆形及亚圆形为主粒径大于20mm的颗粒含量超过全重50碎石棱角形为主圆砾圆形及亚圆形为主粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50角砾棱角形为主粒径大于粒径大于2mm的颗粒含量超过全重的颗粒含量超过全重50%的土称为碎石土。的土称为碎石土。土的工程分类土的工程分类 砂土分类砂土分类岩土工程勘察规范岩土工程勘察规范（GB500212001）公路桥涵地基与基础设计规范公路桥涵地基与基础设计规范（JTG D632007）粒径大于粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重的颗粒含量不超过全重50%的土，且粒径的土，且粒径大于大于0.075mm的颗粒含量超过全重的颗粒含量超过全重50%的土称为砂土。的土称为砂土

26、。土的名称颗粒级配砾砂粒径大于2mm的颗粒含量占全重2550粗砂粒径大于0.5mm的颗粒含量超过全重50中砂粒径大于0.25mm的颗粒含量超过全重50细砂粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重85粉砂粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50土的工程分类土的工程分类 细粒土分类细粒土分类岩土工程勘察规范岩土工程勘察规范（GB500212001）公路桥涵地基与基础设计规范公路桥涵地基与基础设计规范（JTG D632007）粒径大于粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重的颗粒含量不超过全重50%，按塑性，按塑性指数，细粒土可划分为粉土和黏性土两大类，黏性土可进指数，细粒土可划分为粉土和黏性土两大类，黏性土可进一步划分为粉质黏土和黏土两个亚类。一步划分为粉质黏土和黏土两个亚类。土的名称塑性指数黏土Ip17粉质黏土10Ip17粉土Ip10土的工程分类土的工程分类 粉土分类粉土分类粉土是介于砂土和黏性土之间的过渡性土类，根据黏粒含粉土是介于砂土和黏性土之间的过渡性土类，根据黏粒含量可再划分为砂质粉土和黏质粉土。量可再划分为砂质粉土和黏质粉土。砂质粉土砂质粉土粒径小于粒径小于0.005mm的颗粒质量小于等于总质