土的物理性质水理性质和力学性质.docx

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土的物理性质水理性质和力学性质

第二章土的物理性质、水理性质和力学性质

本章学习要点:

学习三相比例关系的计算（三相草图、三个基本物理实验、九个常用三相比例指标）、土的物理性质指标、水理性质指标和力学性质指标等内容，要求记住三相指标的定义式，熟练掌握三相指标的换算。

学习粗粒土和细粒土压实特性与压实机理，击实试验与击实功对压实曲线的影响的压实特性在分层压实处理地基中的应用意义。

第一节土的物理性质

土是土粒（固体相），水（液体相）和空气（气体相）三者所组成的；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。

土的物理性质指标，可分为两类：

一类是必须通过试验测定的，如含水量，密度和土粒比重；另一类是可以根据试验测定的指标换算的；如孔隙比，孔隙率和饱和度等。

土的基本物理性质

土的三相图（见教材P62图）

一、土粒密度（particledensity）

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：

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

土粒密度是实测指标。

二、土的密度（soildensity）

土的密度是指土的总质量m与总体积V之比，也即为土的单位体积的质量。

其中：

V=Vs+Vv;m=ms+mw

按孔隙中充水程度不同，有天然密度，干密度，饱和密度之分。

1．天然密度（湿密度）（density）

天然状态下土的密度称天然密度，以下式表示：

g/cm3

土的密度取决于土粒的密度，孔隙体积的大小和孔隙中水的质量多少，它综合反映了土的物质组成和结构特征。

砂土一般是１.4g/cm3

粉质砂土及粉质粘土１.4g/cm3

粘土为１.4g/cm3

泥炭沼泽土：

１.4g/cm3

土的密度可在室内及野外现场直接测定。

室内一般采用“环刀法”测定，称得环刀内土样质量，求得环刀容积；两者之比值。

2．干密度（drydensity）

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。

g/cm3

干密度反映了土的孔隙生，因而可用以计算土的孔隙率，它往往通过土的密度及含水率计算得来，但也可以实测。

土的干密度一般常在1.4~1.7g/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。

3．饱和密度（saturatiodensity）

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，可用下式表示：

g/cm3

式中：

：

水的密度（工程计算中可取1g/cm3）

土的饱和密度的常见值为1.8~2.30g/cm3

此外：

（1）浮密度

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，即

ρ’=（ms-vsρw）/V或

由此可见：

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：

（2）容重：

单位体积的重量

三、土的含水性

土的含水性指土中含水情况，说明土的干湿程度。

1．含水率（含水量）

土的含水量定义为土中水的质量与土粒质量之比，以百分数表示，即

土的含水率也可用土的密度与干密度计算得到：

室内测定：

一般用“洪干法”，先称小块原状土样的湿土质量，然后置于烘箱内维持100~105摄氏度烘至恒重，再称干土质量，湿、干土质量之差与干土质量的比值就是土的含水量。

天然状态下土的含水率称土的天然含水率。

一般砂土天然含水率都不超过40%，以10~30%最为常见；一般粘土大多在10~80%之间，常见值20~50%。

土的孔隙全部被普通液态水充满时的含水率称饱和含水率

水的密度,又称饱和水容度。

饱和含水率又称饱和水密度，它既反映了水中孔隙充满普通液态水时的含水特性，又反映了孔隙的大小。

土的含水率又可分为体积含水率与引用体积含水率：

体积含水率nw：

为土中水的体积与体积之比。

引用体积含水率ew：

为土中水的体积与土粒体积之比。

2．饱和度（degreeofsaturation）

定义为：

土中孔隙水的体积与孔隙体积之比，以百分数表示，即：

或天然含水率与饱和含水率之比：

饱和度愈大，表明土中孔隙中充水愈多，它在0~100%；干燥时Sr=0。

孔隙全部为水充填时，Sr=100%。

工程上Sr作为砂土湿度划分的标准。

Sr<50%稍湿的

Sr=50~80%很湿的

Sr>80%饱和的

工程研究中，一般将Sr大于95%的天然粘性土视为完全饱和土；而砂土Sr大于80%时就认为已达到饱和了。

四、土的孔隙性

孔隙性指土中孔隙的大小，数量、形状、性质以及连通情况。

1．孔隙率（porosity）与孔隙比（voidratio）

孔隙率（n）：

是土的孔隙体积与土体积之比，或单位体积土中孔隙的体积，以百分数表示，即：

孔隙比：

定义为土中孔隙体积与土粒体积之比，以小数表示，即：

孔隙比和孔隙率（度）都是用以表示孔隙体积含量的概念。

两者有如下关系：

或

土的孔隙比或孔隙度都可用来表示同一种土的松，密程度。

它随土形成过程中所受的压力、粒径级配和颗粒排列的状况而变化。

一般说：

粗粒土的孔隙度小，细粒土的孔隙度大。

孔隙比e是个重要的物理性指标，可以用来评价天然土层的密实程度。

一般e<0.6的土是密实的低压缩性土；e>1.0的土是疏松的无压缩性土。

饱和含水率是用质量比率来反映土的孔隙性结构指标的，它与孔隙率和孔隙比，有如下关系：

2．砂土的相对密度

对于砂土，孔隙比有最大值与最小值，即最松散状态和最紧密状态的孔隙比。

：

一般采用“振击法”测定；

：

一般用“松砂器法”测定。

砂土的松密程度还可以用相对密度来评价：

式中：

：

最大孔隙比。

：

最小孔隙比。

e：

天然孔隙比。

砂土按相对密度分类：

疏松的

中密的

密实的

通常砂土的相对密度的实用表达式为：

因为最大或最小干密度可直接求得。

Dr在工程上常应用于：

（1）评价砂土地基的允许承载力；

（2）评价地震区砂体液化；（3）评价砂土的强度稳定性。

例题：

某天然砂层，密度为1.47g/cm3，含水量13%，由试验求得该砂土的最小干密度为1.20g/cm3；最大干密度为1.66g/cm3；问该砂层处于哪种状态？

解：

已知：

由公式：

得

该砂层处于疏松状态。

五、基本物理性质指标间的相互关系

1、孔隙比与孔隙率的关系

设土体内土粒体积=1，则孔隙体积，土体体积，于是，由或

2、干密度与湿密度和含水量的关系

设土体体积V=1，则土体内土粒质量，水的质量：

于是由：

3、孔隙比与比重和干密度的关系

设土体内土粒体积，则孔隙体积，土粒质量，于是：

由得：

4、饱和度与含水量，比重和孔隙比的关系

设土体内土粒体积Vs=1，则孔隙体积，土粒质量，孔隙水质量

孔隙水体积：

由：

得

当时，土饱和，则：

式中：

——饱和含水量，：

土粒比重。

常见的物理性质指标及互相关系换算公式见教材P69表5-5

例题：

某原状土样，经试验测得天然密度含水量w=12。

9%，土粒比重Gs=2.67，求孔隙比e，孔隙度n和饱和度Sr。

解：

绘三相草图

（1）设土的体积V=1.0cm3

根据密度定义得：

（2）根据含水量定义得：

从三相图可知：

∵

，即

∴

（3）根据土粒比重定义：

土粒的质量与同体积纯蒸馏水在4摄氏度时质量之比，即

∵

∴

（4）

（5）从三相可知

或

∴

（6）根据孔隙比定义：

得

（7）根据孔隙度定义：

得

或

（8）根据饱和度定义：

得

例题．薄壁取样器采取的土样，测出其体积V与重量分别为38.4cm3和67.21g，把土样放入烘箱烘干，并在烘箱内冷却到室温后，测得重量为49.35g。

试求土样的（天然密度），（干密度），w（含水量），e（孔隙比），n（孔隙率），饱和度。

（）

解：

①

②

③

④

⑤

⑥

第二节土的水理性质

一、粘性土的稠度（consistency）和塑性（plasticity）

（一）稠度与液性指数

粘性土的物理状态常以稠度来表示。

稠度的涵义是指土体在各种不同的湿度条件下，受外力作用后所具有的活动程度。

粘性土的稠度，可以决定粘性土的力学性质及其在建筑物作用下的性状。

在土质学中，常采用下列稠度状态来区别粘性土在各种不同温度条件下所具备的物理状态。

粘性土的标准稠度及其特征

稠度状态

稠度的特征

标准温度或稠度界线

液体状

液流状

呈薄层流动

触变界限

液限Wc

粘着性界限

塑限Wp

收缩界限Ws

粘流状（触变状）

呈厚层流动

塑体状

粘塑状

具有塑体的性质，并粘着其他物体

稠塑状

具有塑体的性质，但不粘着其他物体

固体状

半固体状

失掉塑体性质，具有半固体性质

固体状

具有固体性质

相邻两稠度状态，既相互区别又是逐渐过渡的，稠度状态之间的转变界限叫稠度界限，用含水量表示，称界限含水量。

在稠度的各界限值中，塑性上限（Wl）和塑性下限（Wp）的实际意义最大。

它们是区别三大稠度状态的具体界限，简称液限和塑限。

土所处的稠度状态，一般用液性指数IL（即稠度指标B）来表示

式中：

W—天然含水量

Wl—液限含水量

Wp—塑限含水量

按液性指数（IL）粘性土的物理状态可分为：

坚硬：

软塑：

硬塑：

流塑：

可塑：

在稠度变化中，土的体积随含水量的降低而逐渐收缩变小，到一定值时，尽管含水量再降低，而体积却不再缩小，其变化过程见教材图所示。

（二）塑性和塑性指数（plasticityindex）

塑性的基本特征：

（1）物体在外力作用下，可被塑成任何形态，而整体性不破坏；即不产生裂隙。

（2）外力除去后，物体能保持变形后的形态，而不恢复原状。

有的物体是在一定的温度条件下具有塑性；有的物体在一定的压力条件下具有塑性；而粘性土则是在一定的湿度条件下具有塑性

粘性土具有塑性，砂土没有塑性，故粘性土又称塑性土，砂土称非塑性土。

在岩土工程中常用二个界限含水量（又称Atterberg界限，瑞典土壤学家，1911年）表示粘性土的塑性。

（1）、塑性下限或称塑限：

是半固态和塑态的界限含水量，它是使土颗粒相对位移而土体整体性不破坏的最低含水量。

（2）、塑性上限或称液限：

即塑态与流态的界限含水量，也即是强结合水加弱结合水的含量。

二个界限含水量的差值为塑性指数（plasticityindex），即：

Ip=Wl－Wp

塑性指数表示粘性土具有可塑性的含水量变化范围，以百分数表示。

塑性指数数值愈大，土的塑性愈强，土中粘粒含量越多。

例题：

从某地基取原状土样，测的土的液限为37.4%，塑限为23.0%，天然含水量为26.0%，问地基土处于何种状态？

解：

已知：

∵

∴该地基土处于硬塑状态

（三）影响粘性土可塑性的因素

粘性土塑性大小决定于土的成分及孔隙水溶液的性质。

土的成分包括粒度成分、矿物成分及交换阳离子成分；孔隙水溶液的性质是指化学成分及浓度。

1、矿物成分

（1）土的矿物成分不同，其晶格构造各异，对水的结合程度不一样；例如：

蒙脱石具

有较大的可塑性。

（2）矿物成分决定着颗粒的形状与分散程度。

只有片状结构的矿物破坏后才表现出可

塑性。

例如：

黑云母，绿泥石，高岭石等。

（3