第二章土的物理性质指标

四、土的物理与力学性质空气Air三相草图水Water固体Solidma=0mwmsm质量VaVwVsVnV体积土的三相比例指标土的物理性质就是研究三相的质量与体积间的相互比例关系以及固、液两相相互作用表现出来的性质。

WaterAirSoilVaVwVsVnVma=0mwmsm质量体积已知关系五个:共有九个参数:

VVnVsVaVω

/msmωmam三相草图法对于饱和土,Va=0是一种简单而实用的方法基本物理性质试验为了确定三相草图诸量中的三个量，通常进行三个基本指标的物理性质试验：土的密度试验土粒相对密度试验土的含水量试验

土的三相基本指标定义：土单位体积的质量表达式：单位:kg/m3

或g/cm3试验方法：环刀法一般范围:1.60~2.20g/cm3

土的（湿）密度

(天然密度)空气水固体ma=0mwmsm质量VaVwVsVnV体积相关指标:土的容重=g单位:kN/m3

工程上更常用,用于计算土的

自重应力土的三个基本指标粘性土：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。土的三个基本指标土的（湿）密度用烘干法测定土样电子天平环刀定义：土粒密度是指固体颗粒的质量ms与其体积Vs之比；即土粒的单位体积质量

表达式：单位：g/cm3

土粒密度仅与组成土粒的矿物密度有关，而与土的孔隙大小和含水多少无关。实际上是土中各种矿物密度的加权平均值。

砂土的土粒密度一般为：2.65g/cm3左右粉质砂土的土粒密度一般为：2.68g/cm3粉质粘土的土粒密度一般为：2.68~2.72g/cm3粘土的土粒密度一般为：2.7-~2.75g/cm3

气水土粒msmwmVsVwVVa质量m体积V

土的三个基本指标

土粒的密度sρ土粒的密度值ρs在大小上等于土的相对密度即等于土的比重G。定义：土中水的质量与土粒质

量之比，用百分数表示表达式：单位:无量纲实验方法：烘干法,酒精燃烧法一般范围：变化范围大注意:其实是含水比,可达到或超过100％土的含水量W空气水固体ma=0mwmsm质量VaVwVsVnV体积土的三个基本指标测定方法：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土的三个基本指标土的含水量W用烘干法测定定义：土的孔隙中完全没有水时的密度，称干密度；是指土单位体积中土粒的重量，即：固体颗粒的质量与土的总体积之比值。

气水土粒msmwmVsVwVVa质量m体积V表达式：单位：g/cm3

土的干密度一般常在1.3~1.8g/cm3

在工程上常把干密度作为评定土体紧密程度的标准，以控制填土工程的施工质量。

土的干密度d定义:土的孔隙完全被水充满时的密度称为饱和密度。即，土的孔隙中全部充满液态水时的单位体积质量

气水土粒msmwmVsVwVVa质量m体积V单位:g/cm3

土的饱和密度的常见值为1.8~2.30g/cm3

土的饱和密度sat

定义:土的浮密度是土单位体积中土粒质量与同体积水的质量之差.

ρ’=ρsat-ρw单位:g/cm3

同一种土在体积不变的条件下，它的各种密度在数值上有如下关系：

气水土粒msmwmVsVwVVa质量m体积V

土的浮密度’表示土体密度和容重的指标干密度：土被烘干时的密度，

干容重：天然密度

天然容重饱和密度：土被饱和时的密度，

饱和容重：浮容重：静水下的有效容重空气水固体ma=0mwmsm质量VaVwVsVnV体积各种密度容重间的大小关系天然密度干密度饱和密度天然容重干容重饱和容重浮容重空气水固体ma=0mwmsm质量VaVwVsVnV体积

土的三相比例指标表示土中孔隙含量的指标砂类土：28-35%粘性土：30-50%，有的可达60-70%孔隙比e：土中孔隙体积与固体颗粒体积之比,为无量纲孔隙率(孔隙度)n：土中孔隙体积与总体积之比,用百分数表示空气水固体ma=0mwmsm质量VaVwVsVnV体积

土的三相比例指标表示土中含水程度的指标对干土：Sr=0对饱和土：Sr=1含水量：饱和度：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：空气水固体ma=0mwmsm质量VaVwVsVnV体积

土的三相比例指标

三相指标换算

土的三相比例指标

三相指标换算

土的三相比例指标常用的物理性质指标间的换算关系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可分为两类：一类是必须通过试验测定的，如含水率、密度和土粒比重，称为直接指标；另一类是根据直接指标换算的，如孔隙比、孔隙率、饱和度等，称为间接指标。土的三相比例指标【例题1】某一块试样在天然状态下的体积为38.4cm3，称得其质量为67.21g，将其烘干后称得质量为49.35g，根据试验得到的土粒比重G为2.69，试求试样的土的密度、干密度、含水率、饱和密度、孔隙比、孔隙率和饱和度。【解】（1）已知V＝60cm3，m=108g，则由式（1－4）得ρ=m／v=180／60=1.8g/cm3（2）已知ms=96.43g，则mw=m－ms=108－96.43=11.57g按式（1－9），于是w=mw／ms＝11.57／96.43=12%（3）已知Gs=2.7，则Vs=ms／ρs=96.43／2.7＝35.7cm3

Vv=V－Vs=60－35.7＝24.3cm3按式（1－10），于是e=Vv／Vs＝24.3／35.7=0.68（4）按式（1－11）n=Vv／V＝24.3／60=40.5％（5）根据ρw的定义Vw=mw／ρw=11.57／1＝11.57cm3于是按式（1－12）St=Vw／Vv=11.57／24.3＝48％§2.2土的三相比例指标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状态土的物理性质指标(三相间的比例关系)表示影响力学特性密实度稠度§2.3黏性土的物理特性粘性土最主要的物理状态特征与含水量有关粘性土含水量较硬变软流动§2.3黏性土的物理特性粘性土的状态转变过程可塑状态：黏性土在某含水量范围内，可用外力塑成任何形状而不发生裂纹，当外力卸除后仍能保持已有的形状。§2.3黏性土的物理特性塑限wp液限wl固态或半固态可塑状态流动状态强结合水弱结合水自由水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强结合水膜最大出现相当数量自由水界限含水量稠度状态含水量土中水的形态示意图§2.3黏性土的物理特性测定塑限的方法：搓滚法和液、塑限联合测定法。测定液限的方法：

碟式仪法和液、塑限联合测定法液、塑限联合测定法：塑限－5秒入土2mm时的含水率17mm液限－5秒入土17mm时的含水率圆锥体入土深度与含水量的关系§2.3黏性土的物理特性液塑限联合测定仪液限：76g圆锥下沉深度为17mm所对应的含水量塑限：76g圆锥下沉深度为2mm处所对应的含水量§2.3黏性土的物理特性——吸附结合水的能力；粘性大小；大致反映粘土颗粒含量反映了黏性土及其三相组成的基本特性

塑性指数§2.3黏性土的物理特性土粒越细，比表面积越大，结合水含量越高，Ip越大黏土矿物（尤以蒙脱石类）含量越多，水化作用越剧烈，结合水含量越高，Ip越大水中高价阳离子浓度越低，反离子层中的低价阳离子增加，Ip变大工程上常按塑性指数对黏性土进行工程分类相对稠度问题：仅适用于重塑土对于不同的粘土，含水量相同，状态可能不同液性指数：不同的粘土，ωp、ωl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硬塑可塑软塑是指黏性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比。对重塑土较为合适。§2.3黏性土的物理特性黏性土根据液性指数划分软硬状态塑性指数常作为细粒土工程分类的依据缺点：反映的是全部土颗粒吸附结和合的能力，不能充分反映粘土矿物表面活性的高低（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§2.3黏性土的物理特性活动度反映黏性土中所含矿物的活动性孔隙比e优点：简单方便缺点：无法反映土的级配因素0.60.750.85松散中密密实稍密密实度如何衡量?单位体积中固体颗粒含量的多少§2土的物理性质及分类

§2.4无黏性土的密实度emax与emin：最大与最小孔隙比优点：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孔隙比e或孔隙率nemin

=0.35emin

=0.20§2土的物理性质及分类

§2.4无黏性土的密实度相对密度

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。§2土的物理性质及分类

§2.4无黏性土的密实度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优点：计入土的级配因素，理论上比较完善。缺点：天然孔隙比难以获取，且emax,emin的测定受人为的影响较大。§2土的物理性质及分类

§2.4无黏性土的密实度相对密度粗粒土的相对密度粗粒土的密实度标准Dr=0 最松状态Dr1/3 疏松状态1/3<Dr2/3 中密状态Dr>2/3 密实状态Dr=1 最密状态相对密度指标主要用于人工填土，对天然砂土层采用原位标准贯入试验法测定优点：计入土的级配因素，理论上比较完善。缺点：天然孔隙比难以获取，且emax,emin的测定受人为的影响较大。§2土的物理性质及分类

§2.4无黏性土的密实度粗粒土的密实状态指标:

相对密度Dr

细粒土的稠度状态指标:

液性指数IL定义判别标准界限含水量

wP、wL

土中水形态塑性指数Ip

吸附结合水的能力定义判别标准小结§2土的物理性质及分类

§2.4无黏性土的密实度土的结构土颗粒或粒团的空间排列和相互联结粗粒土的结构单粒结构重力起主导作用粒间力起主导作用粘性土的结构性指标细粒土的结构分散结构凝聚结构小结§2土的物理性质及分类

§2.2土的三相比例指标土的组成土的状态土的结构建筑地基基础设计规范-GB50007-2002分类法

土的工程分类目的：便于调查研究；便于分析评价；便于交流(基于共同的概念)

依据：最能反映土的物理力学性质的指标要求：要有一定的逻辑性、系统性，

纲目分明，简单易记，便于运用§2土的物理性质及分类

§2.2土的三相比例指标岩石碎石土砂土粉土粘性土人工填土土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%名称颗粒形状粒组含量碎石土建筑场地基基础规范GB50007-2002§2土的物理性质及分类

§2.2土的三相比例指标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%建筑场地基基础规范GB50007-2002岩石碎石土砂土粉土粘性土人工填土砂土§2土的物理性质及分类

§2.2土的三相比例指标岩石碎石土砂土粉土粘性土人工填土土粉土粘性土粘性土：塑性指数Ip>10的土粉质粘土：10<Ip17的土粘土：Ip>17的土非活性粘土：A<0.75

正常粘土A=075–1.25

活性粘土A>1.25粉土：粒径大于0.075mm的颗粒含量小于全质量50%而塑性指数Ip10的土建筑场地基基础规范GB50007-2002§2土的物理性质及分类

§2.2土的三相比例指标【例题1－7】有A，B，C三种土，它们的粒径分布曲线如图所示。已知B土的液限为38％，塑限为19％，C土的液限为47％，塑限为24％。试对这三种土进行分类。§2土的物理性质及分类

§2.2土的三相比例指标【解】（1）对A土进行分类：①从图1－28曲线A查得粒径大于60mm的巨粒含量为零，而粒径大于0.075mm的粗粒含量为98％，大于50％，所以A土属于粗粒土；②从图中查得粒径大于2mm的砾粒含量为63％，大于50％，所以A土属于砾类土；③细粒含量为2％，少于5％，该土属砾；④从图中曲线查得d10，d30和d60分别为0.32mm、1.65mm和3.55mm，因此，土的不均匀系数Cu=d60／d10=3.55／0.32＝11.0土的曲率系数Cc=(d30)2／d10d60＝1.652／0.32×3.55=2.40§2土的物理性质及分类

§2.2土的三相比例指标⑤由于Cu＞5，Cc＝1～3，所以A土属于级配良好砾（GW）。（2）对B土进行分类：①从图1－28的B曲线中查得大于0.075mm的粗粒含量为72％，大于50％，所以B土属于粗粒土；②从图中查得大于2mm的砾粒含量为8％，小于50％，所以B土属于砂类土，但小于0.075mm的细粒含量为28％，在15％~50%之间，因而B土属于细粒土质砂；③由于B土的液限为38％，塑