土的物理性质及分类

土的物理性质第一章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:

理清各节间联系各节内层次§1土的物理性质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§1.1土的形成

§1.2土的三相组成§1.3土的土的结构§1.4土的物理性质指标和物理状态指标§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§1土的物性形成过程形成条件物理力学性质风化岩石地球土地球影响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§1土的物性一.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，形成新的矿物岩石和土的性质与其生成的地质年代有关，一般生成年代越久，则上覆土层越厚，土被压得越密实，土粒间联结越强，土的强度越高，土的压缩性越小，土质好。新近堆积的土，土层薄，土质松软，土的强度低，土的压缩性大，土质差。§1土的物性§1.1土的形成现今常见的土绝大多数生成的地质年代为第四纪（符号为Q），约百年万年历史，见表1-1所示。通常把Q3及其以前时期堆积的土层称为老堆积土；把Q4时期内文化期（有人类文化的时期）以前堆积的称为一般堆积土；把文化期以后堆积的称为新近堆积土。§1.1土的形成§1土的物性表1-1第四纪地质年代纪（系）世（统）距今年代第四纪（系）Q全新世（统）Qh或Q42.5万年更新世（统）QP晚更新世（上更新统）Q315万年中更新世（中更新统）Q250万年早更新世（中更新统）Q1100万年§1.1土的形成§1土的物性二.搬运与沉积残积土无搬运运积土有搬运土质较好§1土的物性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§1.1土的形成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2.搬运与沉积运积土有搬运风：风积土§1土的物性重力: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§1.1土的形成土粒粗细不同，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土的物理性质§1.1土的形成§1.2土的三相组成§1.3土的物理状态§1.4土的工程分类§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§1土的物性次要作用一.固体颗粒物理状态力学特性粒径级配§1土的物性§1.2土的三相组成矿物成分颗粒形状1.粒径级配一.固体颗粒§1土的物性§1.2土的三相组成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dmm卵石砾石砂粒粉粒粘粒胶粒6020.0050.0020.250.5520粗

中

细粗

中

细

0.075粗粒土细粒土§1土的物性§1.2土的三相组成dmm卵石砾石砂粒粉粒粘粒胶粒6020.0050.0020.250.5520粗

中

细粗

中

细

0.075粗粒土细粒土粒径级配确定方法

筛分法：适用于粗粒土(>0.075

mm)

水分法：适用于细粒土(<0.075

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§1土的物性一.固体颗粒§1.2土的三相组成一.固体颗粒§1土的物性105.02.01.00.50.250.1200g101618242238721009080706050403020100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)§1.2土的三相组成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土的物性§1.2土的三相组成1009080706050403020100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土的物性§1.2土的三相组成1009080706050403020100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§1土的物性一.固体颗粒§1.2土的三相组成2.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§1土的物性一.固体颗粒§1.2土的三相组成粘土矿物:由硅片和铝片构成的晶包所组合而成§1土的物性一.固体颗粒§1.2土的三相组成硅片的结构§1土的物性一.固体颗粒§1.2土的三相组成铝片的结构§1土的物性一.固体颗粒§1.2土的三相组成粘土矿物的晶格构造高岭石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§1土的物性一.固体颗粒§1.2土的三相组成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3.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§1土的物性一.固体颗粒§1.2土的三相组成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§1土的物性§1.2土的三相组成二.土中水（液相）§1土的物性§1.2土的三相组成二.土中水结合水排列致密、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§1土的物性§1.2土的三相组成二.土中水§1土的物性§1.2土的三相组成二.土中水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§1土的物性§1.2土的三相组成二.土中水对砂土强度的影响:毛细边角水,假凝聚力假定α=0,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土的物性§1.2土的三相组成

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土的物性§1.2土的三相组成§1土的物理性质§1.1土的形成§1.2土的三相组成§1.3土的结构§1.4土的物理性质指标和物理状态指标土颗粒或粒团的空间排列和相互联结§1.3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土的物性一.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——砂土——土中毛细作用形成的力——细砂、粉土——土粒间的胶体物质产成的作用力——粘土——粘土——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土的物性§1.3土的结构二.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土的物性§1.3土的结构三.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土的物性§1.3土的结构四.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

§1土的物性§1.3土的结构=原状土结构性相同含水量密度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土的物性§1.3土的结构小结§1土的物性§1.3土的结构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土的物理指标土的物理状态粗粒土的松密程度粘性土的软硬状态§1土的物理性质土的物理性质指标(三相间的比例关系)力学特性影响表示§1.4土的物理指标一.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土的物性密实程度干湿程度……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§1.4土的物理指标1.

三相草图WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm§1土的物性一.物理性质指标质量体积§1.4土的物理指标三相草图§1土的物性一.物理性质指标WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积已知关系五个:共有九个参数:

VVvVs

VaVω

/msmωmam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§1.4土的物理指标§1土的物性一.物理性质指标2.室内测定的三个物理性质指标WaterAirSoilVaVwVsVvVma=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:土单位体积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§1.4土的物理指标§1土的物性一.物理性质指标WaterAirSoilVaVwVsVvVma=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:§1.4土的物理指标§1土的物性一.物理性质指标WaterAirSoilVaVwVsVvVma=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:§1.4土的物理指标一.物理性质指标表示土中孔隙含量的指标孔隙比孔隙率(孔隙度)§1土的物性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:WaterAirSoilVaVwVsVvV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+eWaterAirSoil体积三相草图可用于确定物性指标之间的关系§1.4土的物理指标一.物理性质指标表示土中含水程度的指标§1土的物性含水量饱和度WaterAirSoilVaVwVsVvVma=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§1.4土的物理指标§1土的物性一.物理性质指标表示土中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WaterAirSoilVaVwVsVvVma=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:§1.4土的物理指标各种密度容重之间的大小关系：§1土的物性一.物理性质指标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WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积§1.4土的物理指标§1土的物性一.物理性质指标常用的物理性质指标间的换算关系教科书P25表1-9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§1.4土的物理指标§1土的物性一.物理性质指标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密实程度干湿程度……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中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§1.4土的物理指标§1土的物性二.土的物理状态指标§1.4土的物理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)力学特性影响表示二.物理状态指标emax与emin

：最大与最小孔隙比1.粗粒土的密实状态§1土的物性二.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§1.4土的物理指标表1-10按孔隙比e划分砂土密实度表孔隙比e密实度e＜0.75密实0.75≤e≤0.90中密E＞0.90稍密§1土的物性§1.4土的物理指标二.物理状态指标§1土的物性二.物理状态指标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(T0123-93)注意：室内测得理论上的最大与最小孔隙比有时很困难§1.4土的物理指标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§1土的物性二.物理状态指标相对密度§1.4土的物理指标§1土的物性二.物理状态指标标准贯入试验中的锤击数N标准贯入试验标准贯入试验是在现场进行的一种原位测试：用卷扬机将质量为63.5kg的钢锤，提升76cm高度，让钢锤自由下落，打击贯入器，使贯入器贯入土中深为30cm所需的锤击数，记为N63.5(简化为N)来鉴定该土层的密实程度。判别标准：

N≤10,松散状态10<N≤15,稍密状态

15<N≤30,中密状态

N>30,密实状态§1.4土的物理指标

标准贯入试验（StandardPenetrationTest）

标准贯入数N63.5

锤重：63.5kg

落距：760mm

打入深度：300mm§1.4土的物理指标二.物理状态指标§1土的物性2.粘性土的软硬状态§1土的物性二.物理状态指标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§1.4土的物理指标塑限ωp液限ωl§1土的物性二.物理状态指标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§1.4土的物理指标图1-19碟式液限仪图1.20平衡锥式液限仪§1土的物性§1.4