第一章 土的物理性质

土的物理性质第一章1本章目的:对土的特点进行详细解释和定量描述本章特点:

看起来零散学习要点:

各节间联系各节内层次§1土的物理性质2土的形成渗透特性变形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§1土的物理性质3§1.1土的形成§1.2土的三相组成§1.3土的物理状态§1.4土的结构§1.5土的工程分类§1.6土的压实性§1土的物理性质4§1.1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§1土的物理性质5生物循环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§1.1土的形成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，形成新的矿物一.风化§1土的物理性质6二.搬运与沉积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§1.1土的形成二.搬运与沉积§1土的物理性质7二.搬运与沉积运积土有搬运风：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，土性差颗粒细，表层松软，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§1.1土的形成§1土的物理性质8§1.1土的形成§1.2土的三相组成§1.3土的物理状态§1.4土的结构§1.5土的工程分类§1.6土的压实性§1土的物理性质9§1.2土的三相组成气相固相液相++构成土骨架，起决定作用重要影响土体次要作用§1土的物理性质10一.固体颗粒物理状态力学特性粒径级配§1.2土的三相组成矿物成分颗粒形状§1土的物理性质111.粒径级配一.固体颗粒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§1.2土的三相组成§1土的物理性质12颗粒大小粒组

按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类界限粒径一.固体颗粒§1.2土的三相组成d(mm)d(mm)砾石砂粒粉粒粘粒胶粒6020.050.0050.0020.250.5520粗

中

细粗

中

细

极细0.1粗粒细粒§1土的物理性质13粒径级配确定方法

筛分法：适用于粗粒土(>0.1

mm)

水分法：适用于细粒土(<0.1

mm)——各粒组的相对含量，用质量百分数来表示表述方法

粒径级配累积曲线一.固体颗粒§1.2土的三相组成§1土的物理性质14105.02.01.00.50.250.1200g101618242238721009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数P（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)P%958778665536土的粒径级配累积曲线水分法粒径(mm)0.050.010.005百分数P(%)2613.510一.固体颗粒§1.2土的三相组成§1土的物理性质151009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)土的粒径级配累积曲线d60d50d10d30d60d10d30CuCc0.330.0050.063662.41特征粒径:

d50

:平均粒径d60:控制粒径d10

:有效粒径d30

不均匀程度：Cu=d60/d10

连续程度:

Cc=d302

/(d60×d10)

—曲率系数—不均匀系数Cu

≥5,级配不均匀粗细程度：用d50

表示

一.固体颗粒§1.2土的三相组成§1土的物理性质161009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)土的粒径级配累积曲线d60d10d30曲线d60d10d30CuCcL0.330.0050.081663.98M0.0632.41R0.0300.545斜率:

某粒径范围内颗粒的含量

陡—相应粒组质量集中

缓--相应粒组含量少

平台--相应粒组缺乏连续程度:

Cc=d302

/(d60×d10)

—曲率系数较大颗粒缺少Cc

减小较小颗粒缺少Cc

增大Cc=1~3,级配连续性好一.固体颗粒§1.2土的三相组成§1土的物理性质17粒径级配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；2）不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度：Cu≥5,不均匀土；Cu<5,均匀土3）曲率系数Cc用于判定土的连续程度：Cc

=1~

3,级配连续土；Cc>3或Cc<1,级配不连续土4）不均匀系数Cu和曲率系数Cc用于判定土的级配优劣：

如果Cu≥5且

Cc

=1~3，级配良好的土；如果Cu<5或Cc>3或Cc<1,级配不良的土一.固体颗粒§1.2土的三相组成§1土的物理性质182.矿物成分原生矿物

石英、长石、云母等次生矿物

主要是粘土矿物，包括三种类型

高岭石、伊里石、蒙脱石粘土矿物:由硅片和铝片构成的晶包所组合而成一.固体颗粒§1.2土的三相组成§1土的物理性质19硅片的结构一.固体颗粒§1.2土的三相组成基本单元：硅-氧四面体§1土的物理性质20铝片的结构一.固体颗粒§1.2土的三相组成基本单元：铝-氢氧八面体§1土的物理性质21高岭石（氢键联结）粘土矿物的晶格构造蒙脱石伊利石粒径比表面积胀缩性渗透性强度压缩性大10-20m2/g小大大小中80-100m2/g中中中中小800m2/g大小小大比表面积：单位质量土颗粒所拥有的总表面积9克蒙脱土的总表面积大约与一个足球场一样大一.固体颗粒§1.2土的三相组成§1土的物理性质22粘土矿物的带电性质研究表明：粘土颗粒的表面电荷，净电荷通常为负电荷一.固体颗粒§1.2土的三相组成----------------------++++粘土颗粒水分子阳离子§1土的物理性质233.颗粒形状原生矿物

圆状、浑圆状、棱角状次生矿物

针状、片状、扁平状一.固体颗粒§1.2土的三相组成§1土的物理性质24结晶水矿物内部的水

结合水吸附在土颗粒表面的水自由水电场引力作用范围之外的水土中冰由自由水冻成，冻胀融陷二.土中水（液相）§1.2土的三相组成§1土的物理性质25结合水排列致密、定向性强密度>1g/cm3

冰点处于零下几十度具有固体的特性温度高于100°C时可蒸发强结合水位于强结合水之外，电场引力作用范围之内外力作用下可以移动不因重力而移动，有粘滞性弱结合水二.土中水§1.2土的三相组成§1土的物理性质26自由水重力水毛细水在重力作用下可在土中自由流动存在于固气之间在重力与表面张力作用下可在土粒间空隙中自由移动二.土中水§1.2土的三相组成§1土的物理性质27=

湿润角空气固体水lT=界面张力d=

毛管直径Td=2rua-uwua-uw=压力差二.土中水§1.2土的三相组成毛细水毛细现象毛细管hc§1土的物理性质28土中毛细现象上升高度:πr2hcγw=2πrTcosα毛细水分布在土粒内部相互贯通的孔隙可以看成许多形状不一、直径互异、彼此连通的毛细管毛细升高与孔径成反比粘土粉土砂土砾石分析对象:

水柱二.土中水§1.2土的三相组成§1土的物理性质29对砂土强度的影响:毛细边角水,假凝聚力

毛细压力2πrTcosα+ucπr2=0毛细压力非饱和土中毛细张力影响分析对象:水膜二.土中水§1.2土的三相组成§1土的物理性质30三.土中气体自由气体：与大气连通，对土的性质影响不大封闭气体：增加土的弹性；阻塞渗流通道§1.2土的三相组成§1土的物理性质31

土有三个组成部分：固相、液相和气相

小结1.固体颗粒2.土中水3.土中气体粒径级配矿物成分颗粒形状结合水(强结合水、弱结合水)自由水(重力水、毛细水)自由气体封闭气体§1.2土的三相组成§1土的物理性质32土的物理性质第一章33粘性土（细粒土）无粘性土（砂性土）（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……………34§1.1土的形成§1.2土的三相组成§1.3土的物理状态§1.4土的结构§1.5土的工程分类§1.6土的压实性§1土的物理性质35§1.3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？§1土的物理性质36一.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§1.3土的物理状态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§1土的物理性质371.

三相草图WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm一.物理性质指标质量体积§1.3土的物理状态§1土的物理性质38三相草图WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积已知关系五个:共有九个参数:

VVvVs

Va

Vw

/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一.物理性质指标§1.3土的物理状态§1土的物理性质392.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容重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—2.20

g/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一.物理性质指标§1.3土的物理状态§1土的物理性质40WaterAirSolidVaVwVsVvVma=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:一.物理性质指标§1.3土的物理状态§1土的物理性质41WaterAirSolidVaVwVsVvVma=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,

用百分数表示注意:

其实是含水比,可达到或超过100％表达式:一.物理性质指标§1.3土的物理状态§1土的物理性质42表示土中孔隙含量的指标孔隙比孔隙率(孔隙度)３.其它常用的物理性质指标关系: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体积三相草图可用于确定物性指标之间的关系一.物理性质指标§1.3土的物理状态§1土的物理性质43表示土中含水程度的指标含水量饱和度WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积表达式:定义: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Sr=0:干土Sr=1:饱和土一.物理性质指标§1.3土的物理状态§1土的物理性质44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容重干容重浮容重浮密度有效容重饱和容重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:一.物理性质指标§1.3土的物理状态§1土的物理性质45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容重干容重浮容重饱和容重WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积一.物理性质指标§1.3土的物理状态§1土的物理性质46常用的物理性质指标间的换算关系要求掌握要点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一.物理性质指标§1.3土的物理状态§1土的物理性质47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一.物理性质指标§1.3土的物理状态§1土的物理性质48二.土的物理状态指标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§1.3土的物理状态§1土的物理性质49emax与emin

：最大与最小孔隙比1.粗粒土的密实状态二.物理状态指标密实度如何衡量?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对策相对密度干容重d或孔隙比e或孔隙率nemax

=0.35emin

=0.20§1.3土的物理状态§1土的物理性质50emax: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二.物理状态指标§1.3土的物理状态§1土的物理性质51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

,密实状态相对密度二.物理状态指标§1.3土的物理状态§1土的物理性质522.粘性土的软硬状态也称稠度状态稠度状态与含水量有关粘性土含水量较硬变软流动二.物理状态指标§1.3土的物理状态§1土的物理性质53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土中水的形态w二.物理状态指标§1.3土的物理状态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§1土的物理性质54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硬塑可塑软塑二.物理状态指标§1.3土的物理状态对同一种粘土，含水量可反映其稠度问题：§1土的物理性质55——吸附弱结合水的能力；大致反映粘土颗粒含量、粘性大小塑性指数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=075–1.25A>1.25非活性粘土正常粘土活性粘土二.物理状态指标§1.3土的物理状态§1土的物理性质56液限和塑限的测定方法：液限（LiquidLimit）：

锥式（瓦氏）液限仪或碟式（卡式）液限仪塑限（PlasticLimit）：

搓条法或液塑限联合测定仪塑性指数综合反映粘性土的特性以及各类重要因素的影响，因此可用于土的分类及其性质的评估。反映粘性土可塑性的大小。57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二.物理状态指标§1.3土的物理状态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§1土的物理性质58§1.1土的形成§1.2土的三相组成§1.3土的物理状态§1.4土的结构§1.5土的工程分类§1.6土的压实性§1土的物理性质59土颗粒或粒团的空间排列和相互联结§1.4土的结构土粒间的作用力粘性土的结构性指标力学特性土的结构影响粗粒土的结构细粒土的结构重塑土的强度原状土的强度<§1土的物理性质60一.土粒间的作用力

重力毛细力胶结力颗粒表面力

—土颗粒的自重形成的方向向下的力—砂性土—土中毛细作用形成的力—细砂、细粒土—土粒间的胶体物质形成的作用力—粘性土—粘性土—库仑力：—范德华力：颗粒表面的静电引力或斥力颗粒接触点处的分子间引力§1.4土的结构§1土的物理性质61二.粗粒土的结构粒间作用力排列形式矿物成分单粒结构示意图重力，毛细力点与点、点与面原生矿物§1.4土的结构§1土的物理性质62三.细粒土的结构粒间作用力形成环境排列形式矿物成分表面力、胶结力（斥力减小引力增加）片架结构(凝聚结构)片堆结构(分散结构)示意图表面力、胶结力（粒间斥力占优势）淡水中沉积海水中沉积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。面与面边、角与面边、角与边§1.4土的结构力学特性有何差异？§1土的物理性质63四.反映粘性土结构性的指标相同含水量、密度1.粘性土的灵敏度—St

=原状土结构性相同含水量密度、组成粉碎重塑重塑土强度降低St11-22-44-88-16>16粘性土不灵敏低灵敏中等灵敏灵敏很灵敏流动原状土的无侧限抗压强度重塑土的无侧限抗压强度§1.4土的结构§1土的物理性质64含水量不变，密度不变，因重塑而强度降低，又因静置而逐渐强化，强度逐渐恢复的现象，称为触变性。土的触变性是土结构中联结形态发生变化引起的，是土结构随时间变化的宏观表现。目前尚没有合理的描述土触变性的方法和指标。2.粘性土的触变性§1.4土的结构§1土的物理性质65小结土颗粒或粒团的空间排列和相互联结土粒间的作用力粘性土的结构性指标土的结构粗粒土的结构细粒土的结构§1.4土的结构§1土的物理性质66§1.1土的形成§1.2土的三相组成§1.3土的物理状态§1.4土的结构§1.5土的工程分类§1.6土的压实性§1土的物理性质67目的：依据：建筑地基基础设计规范-GB50007-2002分类法§1.5土的工程分类是将工程性质相近的土归为一类便于研究、交流及应用能反映土的物理力学性质－土的组成土的状态土的结构§1土的物理性质68建筑地基基础设计规范-GB50007-2002分类法土岩石碎石土砂土粉土粘性土人工填土§1.5土的工程分类§1土的物理性质69建筑规范分类法碎石土土的名称颗粒形状粒组含量漂石块石圆形及亚圆形为主棱角形为主粒径大于200mm的颗粒超过全质量50%卵石碎石圆形及亚圆形为主棱角形为主圆形及亚圆形为主棱角形为主圆砾角砾粒径大于20mm的颗粒超过全质量50%粒径大于2mm的颗粒超过全质量50%§1.5土的工程分类§1土的物理性质70砂土土的名称粒组含量粒径大于2mm的颗粒占全质量25-50%砾砂粗砂中砂细砂粉砂粒径大于0.5mm的颗粒超过全质量50%粒径大于0.25mm的颗粒超过全质量50%粒径大于0.075mm的颗粒超过全质量85%粒径大于0.075mm的颗粒超过全质量50%建筑规范分类法§1.5土的工程分类§1土的物理性质71粉土粒径大于0.075mm的颗粒含量小于全质量50%而塑性指数Ip≤10的土塑性指数Ip>10的土粘性土10<Ip≤17的土Ip>17的土粘土粉质粘土A<0.75A=075–1.25A>1.25非活性粘土正常粘土活性粘土建筑规范分类法§1.5土的工程分类§1土的物理性质72铁道部分类法交通部分类法水利部分类法在以后的工作中，注意查相应的规范§1.5土的工程分类§1土的物理性质73§1.1土的形成§1.2土的三相组成§1.3土的物理状态§1.4土的结构§1.5土的工程分类§1.6土的压实性§1土的物理性质74压实：指通过夯打、振动、碾压等，使土体变得密实、以提高土的强度、减小土的压缩性和渗透性压实性：指土在一定压实能量作用下密度增长的特性研究击实性的目的：

以最小的能量消耗获得最大的压实密度

击实方法：室内击实试验现场试验:夯打、振动、碾压§1.6土的压实性§1土的物理性质75一.室内击实试验二.细粒土的压实性三.粗粒土的压实性§1.6土的压实性§1土的物理性质76一.室内击实试验

试验设备

击实筒V=1000cm3；击实锤w=25牛顿

试验条件

土样分层n=3层；落高d=30cm；击数N=27/层

击实能量

试验方法

对ω=const的土；分三层压实；测定击实后的ω、ρ，算定ρd

注意：仅适用于细粒土；对粗粒土，可用较大尺寸的击实仪土§1.6土的压实性§1土的物理性质77二.细粒土的压实性1.击实曲线2.理论分析3.影响因素4.压实标准§1.6土的压实性§1土的物理性质781.击实曲线特点：①具有峰值②位于饱和曲线之下

粘性土渗透系数很小，压实过程中含水量几乎不变，要想击实到饱和状态是不可能的。0481216202428含水量w(%)2.01.81.61.4干密度d(g/cm3)饱和曲线dmax=1.86wop=12.1二.细粒土的压实性

最大干密度最优含水量§1.6土的压实性§1土的物理性质792.理论分析

压实机理：颗粒被击碎，土粒定向排列;粒团破碎，粒间联结力被破坏而发生孔隙体积减小;空气被挤出或被压缩等水膜润滑作用效果最佳;尚没有形成封闭气泡，气体易于排出;颗粒表面水膜很薄，相对移动困难

水膜润滑作用不明显;封闭气泡难以排出;增加水的相对含量

ωωop,ρdρdmaxω<ωop

,ρd<

ρdmaxω>ωop

,ρd<

ρdmax

0481216202428含水量w(%)2.01.81.61.4干密度d(g/cm3)饱和曲线dmax=1.86wop=12.1二.细粒土的压实性

§1.6土的压实性§1土的物理性质803.影响因素a.击实功能b.土的级配

c.击实方式夯实、辗压、振动；辗压对粘土比较合适

E二.细粒土的压实性

§1.6土的压实性§1土的物理性质814.压实标准粘性土存在最优含水量ωop，在填土施工中应该将土料的含水量控制在ωop左右，以期得到ρdmax。在ωop的干侧：常具有凝聚结构。土质比较均匀，强度较高，较脆硬，不易压密；但浸水时易产生附加沉降。在ωop的湿侧：常具有分散结构。土体可塑性大，适应变形的能力强；但强度较低，具有各向异性。在设计土料时应根据填土的要求和当地土料的天然含水量，选定合适的含水量，一般要求为：

b.工程上常采用压实度Dc控制（作为填方密度控制标准）Ⅰ、Ⅱ级土石坝

Dc>95~98%

Ⅲ~Ⅴ级土石坝

Dc>92~95%

二.细粒土的压实性

§1.6土的压实性§1土的物理性质82①不存在最优含水量；②在完全风干和饱和两种状态下易于击实；③潮湿状态下ρd明显降低。

三.粗粒土的压实性

1.击实曲线特点20%粗砂

ω

=4~5%中砂

ω=7%；时，干密度最小