土质土力学土的物理性质

土质土力学土的物理性质第一页，共六十六页，2022年，8月28日物理性质分为基本物理性质和水理性质：土的固、液（水）、气三相在质量和体积之间的相互比例关系称为土的基本物理性质，主要反映在土的密实程度和干湿状况等。液相（水）水与固相之间的相互作用所表现出来的性质称为土的水理性质，主要研究土的稠度与塑性、土的膨胀性与收缩性、土的透水性和毛细性等。第二页，共六十六页，2022年，8月28日土的物理性质与力学性质的关系：土的固体骨架是决定土的性质的本质因素，而土中固、液相之间的相互作用以及液相在质和量上的变化，都会引起土的性质发生各种变化，直接影响土的力学性质。第三页，共六十六页，2022年，8月28日3.1土的基本物理性质3.2细粒土的稠度和可塑性3.3土的膨胀性与崩解性3.4土的透水性和毛细性

第四页，共六十六页，2022年，8月28日3.1土的基本物理性质土的基本物理性质包括土的质量、土的含水性和土的孔隙性和密实性，它们反映了土的三相组成之间的比例关系、松密程度和干湿程度。土的基本物理性质取决于组成土的三相之间在质量和体积上的比例关系。通常用一些数值来描述土的基本物理性质，称为土的基本物理性质指标。第五页，共六十六页，2022年，8月28日为了研究方便，通常将各相组成在土中所占的质量和体积用一个简化模型表示（土的三相组成模型，将分散的各部分理想化地分别集中在一起）（下右图），并用相应的符号表示各组成部分及其质量和体积。SWA第六页，共六十六页，2022年，8月28日以质量计：空气质量ma

0

水质量mw土粒质量ms总质量m=mw+ms以重量计：W=mg以体积计：空气体积Va

水体积Vw土粒体积Vs总体积V=Vv+Vs孔隙体积Vvma(0)mwmsmVaVwVsVvV土的三相图质量mass体积volumeSWA第七页，共六十六页，2022年，8月28日土的三相图一、土的质量和重量1、土粒密度土粒密度定义：土粒质量与土粒体积之比单位：g/cm3、t/m3ma(0)mwmsmVaVwVsVvV质量mass体积volumeSWA第八页，共六十六页，2022年，8月28日土粒比重定义：土粒质量与同体积4°C水的质量之比。[无量纲]土粒比重土的三相图ma(0)mwmsmVaVwVsVvV质量mass体积volumeSWA第九页，共六十六页，2022年，8月28日土粒比重与土粒密度在数值上是相等的。一般土的土粒密度值见下表：土名砂土砂质粉土粘质粉土粉质黏土黏土s(g/cm3)2.65~2.692.702.712.72~2.732.74~2.76第十页，共六十六页，2022年，8月28日土粒密度是实测指标，小于5mm的土颗粒采用比重瓶法，等于、大于5mm的土颗粒采用浮称法和虹吸管法测定。粗细混杂的土，采用相应的方法测定土粒密度后取质量加权平均值作为整个土的土粒密度。具体试验方法及技术要点见《土工试验方法标准》GB/T50123-1999。第十一页，共六十六页，2022年，8月28日2、土的密度（1）质量密度（2）重力密度（重度、容重）密度和重度综合反映了土的物质组成与结构ma(0)mwmsmVaVwVsVvV质量mass体积volumeSWA第十二页，共六十六页，2022年，8月28日对天然土，在保持天然结构和保持天然含水量的情况下测得的密度称为土的天然密度（通常所说的密度即指天然密度），相应的重度为天然重度，以区别于其他条件下的密度。第十三页，共六十六页，2022年，8月28日土的密度是实测指标，可采用环刀法、蜡封法、灌水法和灌砂法等方法测定。环刀法适用于细粒土，蜡封法适用于易破裂土和形状不规则的坚硬土，灌水法和灌砂法适用于现场测定粗粒土的密度。

环刀第十四页，共六十六页，2022年，8月28日（3）饱和密度(重度)ma(0)mwmsmVaVwVsVvV质量mass体积volumeSWAw第十五页，共六十六页，2022年，8月28日干密度是表征结构松密程度的指标，与含水量无关（4）干密度（重度）ma(0)mwmsmVaVwVsVvV质量mass体积volumeSWAa土的干密度越大，土越密实，强度越高，水稳定性越好。土的干密度常用作填土密实程度施工控制指标。第十六页，共六十六页，2022年，8月28日（5）各密度的关系土的密度与土的干密度和饱和密度的关系是：当土在天然状态下为干燥时，测得的密度为干密度，饱和时（土处于地下水位面附近及以下）为饱和密度。

第十七页，共六十六页，2022年，8月28日(6)土的有效重度（浮重度）当土浸没在水中时，其颗粒会受到浮力的作用，土体所受的重力应扣除浮力。计算地下水位以下土层的自重应力时应当考虑浮力的影响，此时采用有效重度计算。有效重度是扣除浮力以后的颗粒所受重力与土的总体积之比，用’表示，有效重度又称为浮重度（浮容重）。有效重度除于重力加速度称为土的有效密度（浮密度），用’表示。计算式为：土的有效重度的影响因素与土的密度相同。第十八页，共六十六页，2022年，8月28日2．土的含水性土的含水性是指土的含水情况，说明土的干湿程度。可用土中含水的质量来表示，也可用水充填孔隙的程度表示。第十九页，共六十六页，2022年，8月28日(1)土的天然含水量（含水率）土的三相图ma(0)mwmsmVaVwVsVvV质量mass体积volumeSWA用百分数表示实测指标（烘干法）含水量与土的结构、物质成分、土所处的环境等有关。如，砂土的含水率为0~40%，黏性土20~100%，泥炭有时可达400%以上。第二十页，共六十六页，2022年，8月28日(2)土的饱和度（相对含水率）土的三相图ma(0)mwmsmVaVwVsVvV质量mass体积volumeSWA用小数表示计算指标饱和度反映了孔隙被水充满的程度。干燥时Sr=0，完全饱和时Sr=1。根据饱和度可对砂土和粉土进行湿度划分：Sr0.5为稍湿的；0.5<Sr0.8为很湿的；Sr>0.8为饱和的。第二十一页，共六十六页，2022年，8月28日3．土的孔隙性孔隙是土的重要结构特征之一。土的孔隙性是指土中孔隙的大小、形状、分布特征、连通情况及总体积等。土的孔隙性主要取决于土的粒度成分和土粒排列的紧密程度。孔隙性的评价指标包括孔隙度、孔隙比、相对密实度等。第二十二页，共六十六页，2022年，8月28日(1)孔隙比用小数表示计算指标土的三相图ma(0)mwmsmVaVwVsVvV质量mass体积volumeSWA孔隙比常用以表示土的密实程度，并用于计算地基沉降量。e越大，孔隙越发育，结构越松散。粉土按孔隙比e的分类：密实（e<0.75）；中密（0.75e<0.90）；稍密（e0.90）。第二十三页，共六十六页，2022年，8月28日(1)孔隙度（孔隙率）土的三相图ma(0)mwmsmVaVwVsVvV质量mass体积volumeSWA用百分数表示计算指标孔隙比与孔隙度的关系：第二十四页，共六十六页，2022年，8月28日4．物理性质指标之间的换算土的基本物理性质指标可分为两类：一类是实测指标，主要是土粒密度s、土的天然密度和土的天然含水率；另一类是计算指标，包括干密度d、有效密度’、饱和密度sat

、孔隙比e、孔隙度n、饱和度Sr。第二十五页，共六十六页，2022年，8月28日计算指标可以利用实测指标计算可得。计算方法有两种：第一种方法是：根据指标间的换算公式计算，适用于批量计算，不存在累计误差。通常已知三个指标就可以计算出第四个指标。各指标间的换算关系（换算公式）见教材。第二种方法是利用三相草图，由实测指标先计算出三相草图中的各项体积和质量数值，再按照计算指标的定义式求出各指标值。物理概念明确，但不适合批量计算，计算过程中存在舍入误差。

第二十六页，共六十六页，2022年，8月28日5．土的物理性质指标计算算例例：在某住宅地基勘察中，已知一个钻孔的原状土试样结果为：土的密度=1.80g/cm3，土粒比重G=2.70，土的含水率=18.0%。求其余6个指标。第二十七页，共六十六页，2022年，8月28日解：利用三相草图计算。步骤如下：（1）绘制三相草图；（2）设土样总体积V=1cm3；（3）由=m/V=1.80g/cm3，计算得m=1.80g；（4）由=m/ms=0.18，得m=0.18ms；又m+ms=m=1.80g，得ms=1.525g，m=0.275g；（5）V=0.275cm3；（6）由G=ms/Vs=2.70，计算得Vs=0.565cm3；（7）Vn=V-Vs=0.435cm3，Va=Vn-V=0.160cm3；第二十八页，共六十六页，2022年，8月28日（8）根据其他物理性质指标的定义式可得：孔隙比e=Vn/Vs=0.77；孔隙度n=Vn/V=43.5%；饱和度Sr=Vw/Vn=0.632;干密度d=ms/V=1.525g/cm3；干重度d=15.25KN/m3；饱和密度sat=1.96g/cm3；饱和重度sat=19.6KN/m3；有效密度’=0.96g/cm3；有效重度’=9.6KN/m3；第二十九页，共六十六页，2022年，8月28日作业一：某住宅工程地质勘察中取原状土做试验。用天平称50cm3湿土质量为95.15g，烘干后质量为75.05g，土粒比重2.67。计算此土样的天然密度、干密度、饱和密度、有效密度、天然含水率、孔隙度、孔隙比以及饱和度。作业二：一工厂车间地基表层为厚1.2m的杂填土，第2层为厚5m的黏性土，地下水位埋深1.8m。在黏性土中部取土样做试验，测得天然密度=1.84g/cm3，土粒比重G=2.67。计算此土的干密度、天然含水率、孔隙度和孔隙比。第三十页，共六十六页，2022年，8月28日6．碎石土和砂土的密实度砂土的密实度对砂土的工程性质具有重要影响。密实的砂土具有较高的强度和较低的压缩性，是良好的建筑物地基；但松散的砂土，尤其是饱和松散砂土，不仅强度低，而且水稳定性很差，容易产生液化和流沙等工程事故。对砂土评价的主要问题是正确地划分其密实度。碎石土的性质较好。孔隙比、相对密实度和触探贯入击数是描述碎石土和砂土密实程度的主要指标。关于孔隙比，前面已述及。下面只介绍相对密实度和触探贯入击数。第三十一页，共六十六页，2022年，8月28日(1)砂土的相对密实度定义为：其中，Dr——砂土的相对密实度；e——土的天然孔隙比；emax——土的最大孔隙比（最松散时的孔隙比）；emin——土的最小孔隙比（最密实时的孔隙比）。砂土的相对密实度也是反映砂土密实程度的指标，可以通过试验测定。砂土的相对密实度试验是砂土的最小干密度和最大干密度试验。最小干密度试验采用的是漏斗法和量筒法；最大干密度试验采用振动锤击法。通过干密度计算emax和emin，再计算相对密实度Dr。第三十二页，共六十六页，2022年，8月28日由砂土相对密实度计算公式可以看出，当天然孔隙比接近最大孔隙比时，Dr趋近于0，说明砂土天然状态下接近最松散状态；当天然孔隙比接近最小孔隙比时，Dr趋近于1，说明处于最紧密状态。根据砂土相对密实度进行砂土的密实度分级：0~0.33为松散砂土；0.33~0.67为中等密实砂土；0.67~1为密实砂土。土的最大孔隙比与最小孔隙比与颗粒大小和级配存在一定的关系：随着粒度的增大，最大孔隙比与最小孔隙比都相应地减小；级配良好的砂土与级配不良的相比，最大孔隙比增大，最小孔隙比减小。第三十三页，共六十六页，2022年，8月28日(2)标准贯入击数理论上来说，用相对密实度进行砂土密实度划分是比较合理的，但由于测定砂土的最大孔隙比和最小孔隙比的试验方法的缺陷，试验结果与实际常存在较大的出入；同时，由于很难取得地下水位以下的原状砂土样，砂土的天然孔隙比很难准确测定。因此，相对密实度的应用受到一定的限制。所以，在工程实际中，通常采用标准贯入击数来划分砂土的密实度。第三十四页，共六十六页，2022年，8月28日标准贯入试验是用规定的锤种（63.5kg）和落距（76cm）将标准贯入器（带有刃口的对开管，外径50mm，内径35mm）打入土中，记录贯入一定深度（30cm）所需的锤击数N值的一种原位测试方法。标准贯入击数反映了土层的松密和软硬程度，是一种简便的、常用的测试手段。《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）规定，砂土的密实度应按照标准贯入锤击数N划分：密实（N>30）；中密(15<N30)；稍密(10<N15)；松散（N10）。

第三十五页，共六十六页，2022年，8月28日(3)圆锥动力触探锤击数对于碎石土，通常采用圆锥动力触探锤击数N63.5或N120来划分起密实度。N63.5是重型圆锥动力触探(锤质量为63.5kg、落距76cm)贯入土层10cm的锤击数。碎石土按N63.5划分：密实（N63.5>20）；中密（10<N63.520）；稍密（5<N63.510）；松散（N63.55）。N120是超重型圆锥动力触探(锤质量为120kg、落距100cm)贯入土层10cm的锤击数。碎石土按N120划分：很密实（N120>14）；密实（11<N12014）；中密（6<N12011）;稍密（3<N1206）;松散（N1203）。

第三十六页，共六十六页，2022年，8月28日5.1土的基本物理性质5.2细粒土的稠度和可塑性5.3土的膨胀性与崩解性5.4土的透水性和毛细性

第三十七页，共六十六页，2022年，8月28日稠度状态特征稠度界限体积缩小方向含水率减小方向流态液流状态土呈液体状态,薄层状流动粘流状态土似黏滞液体,厚层状流动塑态粘塑状态土具塑性体性质，可塑成任意形状，且能黏着于其它物体上稠塑状态土具塑性体性质，可塑成任意形状，但不能黏着于其它物体上固态半固体状态土近似固体，力学强度较大，形状固定，不能揉捏变形固体状态土具固体性质，力学强度高，形状大小固定体积不变触变限液限wL塑性上限黏着限塑限wP塑性下限收缩限wS在含水量不同的情况下，黏性土表现出三种不同的物理状态，即固态、塑性态、流动态：第三十八页，共六十六页，2022年，8月28日通常将土中含水的多少而使土体表现出不同的稀稠软硬的性质称为土的稠度。稠度性质只出现于黏性土和含粘粒多的土中。产生的原因是含水量的变化使土粒上结合水膜的厚度变化，从而导致土粒间相对活动性和连结力发生变化。第三十九页，共六十六页，2022年，8月28日不同稠度状态的本质特征：固体状态时，含水量很低，粒间以公共固定层连结，连结力特强，孔隙中全部为空气。强度大，在外力作用下较易破裂。半固体状态时，含水量较低，粒间以公共固定层连结为主，残留部分公共扩散层连结，连结力很强。孔隙中有孔隙。坚硬，在外力作用下易破裂。稠塑状态时，粒间全部通过公共扩散层连结，但扩散层厚度较薄，连结强，土体与他物不能形成公共扩散层，不能粘着在他物上，塑性较弱。可改变形状，外力作用下较易变形。第四十页，共六十六页，2022年，8月28日粘塑状态时，粒间全部通过公共扩散层连结，扩散层厚度较厚，连结较强，土能粘着在他物上，塑性强。可塑造成任意形状，外力作用下易变形。粘流状态时，扩散层厚度大，粒间开始形成公共扩散层，连结较弱，粒间存在少量自由水，可作厚层流动，具有触变性。强度弱至无，基本上没有抵抗外力的能力。液流状态时，粒间存在大量自由水，不能形成公共扩散层，粒间连结弱至无，可作薄层流动，流动性大。呈泥浆状态，无任何抵抗外力的能力。第四十一页，共六十六页，2022年，8月28日2．界限含水量及其测定土的稠度状态变化与含水量的变化有关，随着含水量的变化，土也不断改变其稠度状态。当含水量变化到一定数值时，土的稠度状态会发生本质的变化。随着含水量的变化，土由一种稠度状态转变为另一种稠度状态，相应于转变点的含水量称为界限含水量。又称Atterberg界限(1911年)。第四十二页，共六十六页，2022年，8月28日界限含水量有五个：固态与半固态之间的收缩限、固态与塑态之间的塑限（塑性下限）、稠塑态与粘塑态之间的粘着限、塑态与液态间的液限（塑性上限）、粘流态与液流态间的触变限。其中，意义最大的是塑限和液限，分别记为p和L。有时也用到收缩限，记为s。当土的天然含水量<p时为固态，界于p和L之间时为塑态，>L时为流态。第四十三页，共六十六页，2022年，8月28日塑限和液限是评价黏性土物理性质的重要指标，在工程勘察时通常都要测定，目前的测定方法主要有三种：塑限采用搓条法、液限采用液限仪、联合测定法（利用联合测定仪同时测定塑限和液限）。测定时可采用扰动土样。液限仪有两种：锥式液限仪和碟式液限仪。两种方法测定的结果不一致，使用时也有差别，因此必须注明测定所用的方法以及所依据的测试方法标准。收缩限则采用收缩皿法测定。第四十四页，共六十六页，2022年，8月28日3．黏性土的可塑性及其指标（1）概念当黏性土的天然含水量界于塑限与液限之间时，在外力作用下可塑成任意形状而不破坏土粒间的连结，并在外力解除后也不恢复到原来的形状，保持已有的变形，这种性质称为黏性土的可塑性。黏性土可塑性的高低可以用塑限和液限的差值大小来表示。二者差值越大，处于塑态的含水量变化范围越大，可塑性就越高。而二者间差值越小，可塑性就越低。第四十五页，共六十六页，2022年，8月28日（2）塑性指数1）概念通常将黏性土的液限与塑限的差值称为塑性指数，记为Ip，即：Ip=L-p计算时，通常将含水量中的百分号去掉。土可塑性强弱，主要取决于土中粘粒含量和粘粒矿物的亲水性。土中粘粒含量越多，矿物亲水性越强，Ip越大，可塑性越强。因此，工程实践中常利用塑性指数进行黏性土的分类。第四十六页，共六十六页，2022年，8月28日2）细粒类土的工程分类《岩土工程勘察规范》根据塑性指数对细粒类土的分类：塑性指数Ip>10的土定为黏性土，而Ip10且粒径大于0.075mm的颗粒质量不超过总质量的50%的土定为粉土（过去称为亚砂土）；黏性土中，Ip大于10且小于或等于17的土定为粉质黏土(过去称为亚黏土)，Ip>17的土为黏土。（划分依据：塑性指数由相应于76g圆锥液限仪沉入土中深度为10mm时测定的液限计算而得）。第四十七页，共六十六页，2022年，8月28日《土的工程分类标准》根据塑性图(A.Gasagrande,1930)对细粒类土的分类：图中，A线以上为黏土，以下为粉土。B线右侧为高液限的，左侧为低液限的。英文字母代号的含义：C——黏土M——粉土H——高液限L——低液限O——有机质（划分依据：塑性指数由碟式仪测定的液限或相应于76g圆锥液限仪沉入土中深度为17mm时测定的液限计算而得）。第四十八页，共六十六页，2022年，8月28日（3）液性指数土的天然含水量与塑限之差与塑性指数的比值称为液性指数，用IL表示，计算式为：液性指数的大小反映了土在天然状态下所处的稠度状态。黏性土的状态分类：IL0为坚硬状态；0~0.25为硬塑状态；0.25~0.75为可塑状态；0.75~1.00为软塑状态；IL>1为流塑状态。第四十九页，共六十六页，2022年，8月28日4．影响黏性土可塑性的因素可塑性是粘粒表面形成结合水膜所表现出来的性质。具有可塑性的土，土粒间存在不是很强的水胶连结。可塑性的强弱取决于土粒外围扩散层的最大可能含量，即取决于塑性指数的大小。扩散层越厚，弱结合水含量越多，则塑性指数越大，土的可塑性越强。因此，影响扩散层厚度的因素也就是影响黏性土可塑性的因素，包括土的矿物成分、粒度成分、水溶液的化学成分、浓度及PH值等。第五十页，共六十六页，2022年，8月28日5．研究黏性土稠度及可塑性的意义黏性土的稠度反映了土粒间连结强度，塑性反映了土粒与水相互作用的程度，在一定程度上表明了土中粘粒的含量和矿物成分的亲水程度。因此，稠度和塑性与土的力学性质直接相关，塑性指标是判断黏性土物理力学性质的重要参数。第五十一页，共六十六页，2022年，8月28日黏性土的稠度状态以液性指数作为判断标准，能概略地说明土粒相对活动的难易程度与土抵抗外力变形和破坏的能力。稠度状态能反映土体在天然状态下的强度和稳定性。流塑态时具有高压缩和低强度的特点；软塑态时具有较高的压缩性和较低的强度；硬塑和坚硬状态时具有较低的压缩性和较高的强度。第五十二页，共六十六页，2022年，8月28日值得注意的是，液性指数是利用扰动土测定的液限和塑限经计算得到的。在自然界中，除少数新近堆积的饱水黏性土外，一般土粒间都存在天然的结构连接。因此，往往在天然含水量超过液限时，土并不表现出流动状态；或者天然含水量大于塑限时不表现出塑性状态，而是呈现出半固态或固态。只有当天然结构破坏后，土才呈现出流态或塑态，通常称之为潜流态或潜塑态。因此，在评价天然土层的稠度状态时，应考虑天然结构连接的因素。第五十三页，共六十六页，2022年，8月28日对于红黏土和老黏土，常采用含水比来评价其稠度。含水比是土的天然含水量与液限的比值，含水比越小，土越坚硬。塑性指数可用于黏性土的分类，方法简便。但不能全面反映土的特性。由于液限对土的矿物成分和粒度成分最敏感的指标，因此，常利用塑性指数和液限两个指标对黏性土进行分类，这就是黏性土的塑性图分类(A.Gasagrande,1930)。第五十四页，共六十六页，2022年，8月28日另外，可利用活动性指数A来表示黏性土的亲水程度或活动性。活动性指数A为塑性指数与土中小于0.002mm颗粒百分含量的比值。综合反映了土的塑性与粘粒含量和粘粒矿物亲水性的关系。土的可塑性与膨胀性、收缩性、透水性等有着密切的关系。第五十五页，共六十六页，2022年，8月28日5.1土的基本物理性质5.2细粒土的稠度和可塑性5.3土的膨胀性与崩解性5.4土的透水性和毛细性

第五十六页，共六十六页，2022年，8月28日5.3土的膨胀性和崩解性土在水中由于水溶液的变化而使土体发生变形和破坏的性质，称为土的抗水性。包括膨胀性、收缩性、崩解性、溶滤性、冲刷性等。这里介绍前三种抗水性。1．土的膨胀性及其指标土尤其是黏性土，当含水量增加时，土的体积也随之增大，这种性质称为膨胀性。引起土膨胀的原因，多数认为是结合水膜厚度随含水量的增加而增厚，土粒连接减弱，水的楔劈作用使土粒间距增大。另外，某些黏土矿物如蒙脱石晶胞间因吸入结合水导致晶胞间距增大，也可引起土的膨胀。表示土的膨胀性的指标主要有膨胀率、自由膨胀率、膨胀力、膨胀含水量等。第五十七页，共六十六页，2022年，8月28日(1)膨胀率原状土在一定的压力下，在有侧限条件下，浸水膨胀稳定后的高度与原高度的比值，称为膨胀率，符号为ep，以百分数表示。定义式为其中，hw——土样膨胀稳定后的高度，cm；h0——土样原始高度，cm。不加荷载进行膨胀试验所测得的膨胀率称为无荷载膨胀率，反映土的膨胀性。

第五十八页，共六十六页，2022年，8月28日(2)自由膨胀率将一定体积的扰动烘干土样经充分吸水膨胀稳定后，测得的增加的体积与原干土体积之比称为自由膨胀率，以百分数表示。定义式为(3)膨胀力原始土样在保持体积不变的条件下，由于浸水膨胀而产生的最大内力。(4)膨胀含水量土样膨胀稳定后的含水量，此时扩散层厚度达到最大，结合水含量也达到最大。膨胀性指标利用膨胀试验来测定。第五十九页，共六十六页，2022年，8月28日2．土的收缩性及其指标土当含水量减小时，体