土的物理性质-课件.ppt
第二章第二章 土的物理性质土的物理性质 第一节第一节 土的三相组成土的三相组成土的三相组成是指土由固体颗粒、液体水和气体三部分组成。土中的固体矿物构成土的骨架,骨架之间贯穿着大量的孔隙,孔隙中充满着液体水和气体。固固相相包包括括多多种种矿矿物物成成分分组组成成土土的的骨骨架架，骨骨架架间间的的空空隙隙为为液液相相和和气气相相填填满满，这这些些空空隙隙是是相相互互连连通的，形成多孔介质；通的，形成多孔介质；液液相相主主要要是是水水(溶溶解解有有少少量量的可溶盐类的可溶盐类)；气气相相主主要要是是空空气气、水水蒸蒸气气，有时还有沼气等。有时还有沼气等。1土体三相比例不同，土的状态和工程性质也随之各异，例如：固体+气体（液体=0）为干干土土，此时粘粘土土呈坚硬状态，砂土呈松散状态；固体+液体+气体为湿土湿土，此时粘土粘土多为可塑状态；固体+液体（气体=0）为饱饱和和土土，此时粉细砂或粉土遇强烈地震，可能产生液化，而使工程遭受破坏；粘粘土土地基受建筑物荷载作用发生沉降需几十年才能稳定。2第二节第二节 土的基本物理性质土的基本物理性质 采用土的采用土的三相示三相示意图意图,可使三相比例关可使三相比例关系形象化和阐述方便。系形象化和阐述方便。土的三相比例关系是其物理性质的反映，但与其力学性质有内在联系.固相成分的比例越高，其压缩性越小，抗剪强度越大，承载力越高。一一 土的三相指标土的三相指标3土的三相物质在体积和质量上的比例关系称为土的三相物质在体积和质量上的比例关系称为三相比例指标三相比例指标。三相比例指标反映了土的干燥与潮湿、疏松与紧密，是评价土的工程性质的最基本的物理性质指标，也是工程地质勘察报告中不可缺少的基本内容。三相比例指标可分为两种，一种是试验指标（基本指标）；另一种是换算指标。反映土的松密程度的指标有：孔隙比e、孔隙率n；反映了土的含水程度的指标有：含水量、饱和度Sr；不同条件下土的密度有：天然密度、干密度d、饱和密度sat、浮密度。三项基本指标:密度、土粒密度(比重)ds、含水量4图图2-1土的三相示意图土的三相示意图m m土的总质量，土的总质量，g g；m ms s土的固体颗粒质量，土的固体颗粒质量，g g；m mw w土中液体的质量，土中液体的质量，g g；m ma a土中空气的质量，（土中空气的质量，（m ma a=0=0）；）；V V土的总体积，土的总体积，cmcm3 3；V Vs s土中固体颗粒体积，土中固体颗粒体积，cmcm3 3；V Vw w土中液体的体积，土中液体的体积，cmcm3 3；V Va a土中气体的体积，土中气体的体积，cmcm3 3。V Vv v土中孔隙的体积，土中孔隙的体积，cmcm3 3。5(一一)、三相基本试验指标、三相基本试验指标 土的密度、土粒密度（比重）、土的含水量三个指标可土的密度、土粒密度（比重）、土的含水量三个指标可在实验室内直接测定，是实测指标，常称为土的三相基本试在实验室内直接测定，是实测指标，常称为土的三相基本试验指标。验指标。1.1.土的密度（天然密度）土的密度（天然密度）土的密度是指土的总质量与总体积之比，即单位体积土土的密度是指土的总质量与总体积之比，即单位体积土的质量，其单位是的质量，其单位是g/cmg/cm3 3，常见值为，常见值为1.62.2g/cm1.62.2g/cm3 3。工程实际中，常将土的密度换算成土的重度（工程实际中，常将土的密度换算成土的重度（），），重度等于密度乘以重力加速度重度等于密度乘以重力加速度g g，其单位是，其单位是kN/mkN/m3 3，即，即:v v6 土的密度常用土的密度常用环刀法环刀法测定。测定。2.2.土粒密度（土粒比重）土粒密度（土粒比重）土粒密度是指固体颗粒的质量与其体积之比，即单土粒密度是指固体颗粒的质量与其体积之比，即单位体积土粒的质量，其单位为位体积土粒的质量，其单位为g/cmg/cm3 3。土粒密度也称土粒密度也称土粒比重土粒比重(ds)(ds)，是指土的质量与，是指土的质量与44时同体积水的质量之比，其值与土粒密度相同，但没有时同体积水的质量之比，其值与土粒密度相同，但没有单位，在用作土的三相指标计算时必须除以水的密度值单位，在用作土的三相指标计算时必须除以水的密度值才能平衡量纲。才能平衡量纲。7 土粒密度大小决定于土粒的矿物成分，与土的孔隙土粒密度大小决定于土粒的矿物成分，与土的孔隙大小和含水多少无关，它的数值一般在大小和含水多少无关，它的数值一般在2.62.8g/cm2.62.8g/cm3 3之之间（见表间（见表2-12-1）。）。表2-1 各种主要类型土的土粒密度土的种类砾类土砂类土粉土粉质粘土粘土土粒密度（g/cm3）常见值2.65-2.752.65-2.702.65-2.702.68-2.732.72-2.76平均值2.662.682.712.74土粒密度常用土粒密度常用比重试验法比重试验法测定。测定。83.3.土的含水量土的含水量 土中所含水分的质量与固体颗粒质量之比，以百分数土中所含水分的质量与固体颗粒质量之比，以百分数表示，又称土的表示，又称土的含水率。含水率。含水量通常以百分数表示，它是描述土的干湿程度的含水量通常以百分数表示，它是描述土的干湿程度的重要指标。重要指标。土的天然含水量变化范围很大，从干砂的含水量接近土的天然含水量变化范围很大，从干砂的含水量接近于零到蒙脱石的含水量可达百分之几百。于零到蒙脱石的含水量可达百分之几百。含水量常用含水量常用烘干法烘干法测定。测定。9三、其它常用换算指标三、其它常用换算指标 除了上述三个试验指标之外，还有六个可以计算求得除了上述三个试验指标之外，还有六个可以计算求得的指标，称为的指标，称为换算指标换算指标，包括：，包括：1.1.表示土中孔隙含量的常用指标表示土中孔隙含量的常用指标 土中孔隙大小、形状、分布特征、连通情况与总体积等，土中孔隙大小、形状、分布特征、连通情况与总体积等，称为称为土的孔隙性土的孔隙性。其主要取决于土的颗粒级配与土粒排列。其主要取决于土的颗粒级配与土粒排列的疏密程度。的疏密程度。实际上土的孔隙性指标一般反映的是土中孔隙体积的相实际上土的孔隙性指标一般反映的是土中孔隙体积的相对含量，主要有对含量，主要有孔隙度和孔隙比孔隙度和孔隙比两个指标。两个指标。（1 1）孔隙度）孔隙度孔隙度孔隙度又称又称孔隙率孔隙率，指土中孔隙总体积与指土中孔隙总体积与土的总体积土的总体积之比，用百分数表示。之比，用百分数表示。10 土的孔隙度取决于土的结构状态，砂类土的孔隙度常土的孔隙度取决于土的结构状态，砂类土的孔隙度常小于粘性土的孔隙度。土的孔隙度一般为小于粘性土的孔隙度。土的孔隙度一般为2752%2752%。（2 2）孔隙比）孔隙比 孔隙比孔隙比指土中指土中孔隙总体积孔隙总体积与土中与土中固体颗粒总体积固体颗粒总体积的的比值，用小数表示。比值，用小数表示。土的孔隙比说明土的密实程度，按其大小可对砂土土的孔隙比说明土的密实程度，按其大小可对砂土或粉土进行密实度分类。或粉土进行密实度分类。11 如在岩土工勘察规范中，用天然孔隙比来确定粉如在岩土工勘察规范中，用天然孔隙比来确定粉土的密实度。土的密实度。e0.75e0.9e0.9为稍密的粉土。为稍密的粉土。（3 3）孔隙比与孔隙度的关系）孔隙比与孔隙度的关系2.2.表示土中含水程度的指标表示土中含水程度的指标 表示土中水含量的指标除含水量外，还有饱和度：表示土中水含量的指标除含水量外，还有饱和度：饱和度饱和度土孔隙中所含水的体积与土中孔隙体积的比值土孔隙中所含水的体积与土中孔隙体积的比值称为土的饱和度，以百分数表示。称为土的饱和度，以百分数表示。12 饱和度可以说明土孔隙中充水的程度，其数值为饱和度可以说明土孔隙中充水的程度，其数值为0100%0100%，干土，干土Sr=0Sr=0；饱和土；饱和土Sr=100%Sr=100%。3.3.表示土的密度和重度的指标表示土的密度和重度的指标（1 1）饱和密度）饱和密度 土的孔隙完全被水充满时的密度称为土的孔隙完全被水充满时的密度称为饱和密度饱和密度，是指，是指土孔隙中全部充满液态水时的单位体积土的质量，即土孔隙中全部充满液态水时的单位体积土的质量，即:v v13式中：式中：ww为水的密度（为水的密度（g/cmg/cm3 3），常近似取），常近似取1.0g/cm1.0g/cm3 3。（2 2）干密度）干密度 干密度干密度指土在干燥状态下的密度，在数值上等于单位指土在干燥状态下的密度，在数值上等于单位体积中土粒的质量，即体积中土粒的质量，即:干密度的单位是干密度的单位是g/cmg/cm3 3。土的干密度越大，土越密实，。土的干密度越大，土越密实，强度就越高，水稳定性也好。干密度常用作填土密实度的强度就越高，水稳定性也好。干密度常用作填土密实度的施工控制指标。施工控制指标。在工程中饱和密度或干密度乘以重力加速度在工程中饱和密度或干密度乘以重力加速度g g，分别变，分别变换为换为饱和重度饱和重度或或干重度干重度:14 另外，处于地下水位以下的土层，如果土层是透水的，另外，处于地下水位以下的土层，如果土层是透水的，此时土受水的浮力作用，土的实际重量将减小，那么这种此时土受水的浮力作用，土的实际重量将减小，那么这种处于地水位以下的有效重度常特称为土的处于地水位以下的有效重度常特称为土的浮重度浮重度，即，即:饱和重度与浮重度之间有关系饱和重度与浮重度之间有关系:对于同一种土来讲，土的天然重度、干重度、饱和重对于同一种土来讲，土的天然重度、干重度、饱和重度、浮重度在数值上有如下关系：度、浮重度在数值上有如下关系：g g15四、指标之间的换算关系四、指标之间的换算关系 上述表示土的三相比例关系的指标一共有上述表示土的三相比例关系的指标一共有9 9个，即：个，即：土粒密度、天然密度、干密度、饱和密度、浮重度、含水土粒密度、天然密度、干密度、饱和密度、浮重度、含水量、饱和度、孔隙度、孔隙比。量、饱和度、孔隙度、孔隙比。它们主要反映了土的密实它们主要反映了土的密实程度与干湿状态，而且相互之间都有内在联系。程度与干湿状态，而且相互之间都有内在联系。土的三相指标之间可以进行换算，由于三个基本指标土的三相指标之间可以进行换算，由于三个基本指标可以实测，因此，一般用它们来换算其他指标。可以实测，因此，一般用它们来换算其他指标。已知已知dsds、换算其它指标的一般方法是：换算其它指标的一般方法是：16第一种换算方法：第一种换算方法：1718第二种换算方法：第二种换算方法：三相比例指标之间可以建立相互换算关系，具体的换算公三相比例指标之间可以建立相互换算关系，具体的换算公式可查阅式可查阅换算表换算表，计算例题见，计算例题见例题例题2-12-1。1920【例题【例题2-12-1】某原状土样，经试验测得某原状土样，经试验测得=1.85g/cm=1.85g/cm3 3,w=25%,w=25%,s s=2.70g/cm=2.70g/cm3 3,求求d d，e e，n n，S Sr r。解法解法1 1：由三相图，根据各指标的定义式求解由三相图，根据各指标的定义式求解:绘三相图如上，设绘三相图如上，设 V Vs s=1.0cm=1.0cm3 31)1)确定三相组成的体积与质量确定三相组成的体积与质量212)2)按定义求其它各指标按定义求其它各指标22解法解法2 2：由指标之间的变换关系式直接求解：由指标之间的变换关系式直接求解：23第二节第二节 粘性土的稠度与可塑性粘性土的稠度与可塑性 粘性土的稠度与可塑性是土粒与水相互作用后粘性土的稠度与可塑性是土粒与水相互作用后所表现出来的物理性质。所表现出来的物理性质。一、粘性土的稠度状态一、粘性土的稠度状态 粘性土因含水多少而表现出的粘性土因含水多少而表现出的稀稠软硬程度稀稠软硬程度，称，称为为稠度稠度。因含水多少而呈现出的。因含水多少而呈现出的不同的物理状态不同的物理状态称为称为粘性土的粘性土的稠度状态稠度状态。土的稠度状态因含水量的不同，可表现为土的稠度状态因含水量的不同，可表现为固态固态、塑态塑态与与流态流态三种状态。三种状态。1.1.固态：固态：含水量相对较少，粒间主要为强结合水连含水量相对较少，粒间主要为强结合水连结（强结合水或固定层重叠），连结牢固，土质坚硬，结（强结合水或固定层重叠），连结牢固，土质坚硬，力学强度高，不能揉塑变形，形状大小固定。力学强度高，不能揉塑变形，形状大小固定。242.2.塑态：塑态：含水量较固态为大，粒间主要为弱结合水连结含水量较固态为大，粒间主要为弱结合水连结（即弱结合水或扩散层重叠），在外力作用下容易产生变形，（即弱结合水或扩散层重叠），在外力作用下容易产生变形，可揉塑成任意形状不破裂、无裂纹，去掉外力后不能恢复原可揉塑成任意形状不破裂、无裂纹，去掉外力后不能恢复原状，即可塑性。状，即可塑性。图图2-2 2-2 土中水与稠度状态图件土中水与稠度状态图件3.3.流态：流态：含水量继续增含水量继续增加、粒间主要为液态水加、粒间主要为液态水占据，连结极微弱，几占据，连结极微弱，几乎丧失抵抗外力的能力，乎丧失抵抗外力的能力，强度极低，强度极低，不能维持一不能维持一定的形状定的形状，土体呈，土体呈泥浆泥浆状状，受重力作用即，受重力作用即可流可流动动。25二、界限含水量二、界限含水量稠度界限稠度界限 粘性土的稠度状态的变化是由于土中含水量的变化而引粘性土的稠度状态的变化是由于土中含水量的变化而引起的。粘性土由一种稠度状态转变为另一种稠度状态，相应起的。粘性土由一种稠度状态转变为另一种稠度状态，相应于转变点（临界点）的含水量称为于转变点（临界点）的含水量称为稠度界限（界限含水量）。稠度界限（界限含水量）。工程上常用的有工程上常用的有液性界限液性界限w wL L和和塑性界限塑性界限w wp p图图2-3 2-3 稠度界限与稠度状态关系图稠度界限与稠度状态关系图 由半固态转变到塑态的界限含水量，称为由半固态转变到塑态的界限含水量，称为塑性界限（塑限）；塑性界限（塑限）；由塑态转变到流态的界限含水量，称为由塑态转变到流态的界限含水量，称为液性界限（液限）。液性界限（液限）。26 粉土的液限在粉土的液限在32-38%32-38%之间，粉质粘土为之间，粉质粘土为38-46%38-46%，粘土，粘土为为40-50%40-50%。塑限常见值为塑限常见值为17-28%17-28%。粘性土的液限与塑限一般在室内进行测定，液限常采粘性土的液限与塑限一般在室内进行测定，液限常采用用锥式液限仪锥式液限仪，塑限常采用，塑限常采用搓条法搓条法。搓好的泥条锥式液限仪27三、液性指数和塑性指数三、液性指数和塑性指数 土处于何种稠度状态取决于土中的含水量，但是土处于何种稠度状态取决于土中的含水量，但是由于不同土的稠度界限是不同的由于不同土的稠度界限是不同的，因此天然含水量不能，因此天然含水量不能说明土的稠度状态。为判别自然界中粘性土的稠度状态，说明土的稠度状态。为判别自然界中粘性土的稠度状态，通常采用通常采用液性指数（液性指数（I IL L）进行评价，即：进行评价，即：28表表2-4 2-4 按液性指数划分粘性土的稠度状态表按液性指数划分粘性土的稠度状态表液性指数ILIL00IL0.250.25IL0.750.751.00稠度状态坚硬硬塑可塑软塑流塑 粘性土中含水量在液限与塑限两个稠度界限之间时，土粘性土中含水量在液限与塑限两个稠度界限之间时，土处于可塑状态，具有可塑性，这是粘性土的独特性能。处于可塑状态，具有可塑性，这是粘性土的独特性能。由于粘性土的可塑性是含水量界于液限与塑限之间表现由于粘性土的可塑性是含水量界于液限与塑限之间表现出来的，故可塑性的强弱可由这两个稠度界限的差值大小来出来的，故可塑性的强弱可由这两个稠度界限的差值大小来反映，这个差值称为反映，这个差值称为塑性指数塑性指数I IP P 。即。即:29 塑性指数越大，意味着粘性土处于可塑态的含水量变塑性指数越大，意味着粘性土处于可塑态的含水量变化范围越大，其可塑性就越强。化范围越大，其可塑性就越强。所以在工程实际中直接按所以在工程实际中直接按塑性指数大小对一般粘性土进行分类，国家标准岩土工塑性指数大小对一般粘性土进行分类，国家标准岩土工程勘察规范按塑性指数程勘察规范按塑性指数I IP P将粘性土分为两类：将粘性土分为两类：I IP P1717为粘为粘土，土，17I17IP P1010为粉质粘土，为粉质粘土，I IP P1010为粉土或砂类土。为粉土或砂类土。例题例题2-2 2-2 从某地基取原状土样，测得土的液限从某地基取原状土样，测得土的液限w wL L=47%=47%，塑，塑限限w wp p=18%=18%，天然含水量，天然含水量w w=40%=40%，问：，问：1 1）地基土为何种土？）地基土为何种土？2 2）该地基处于什么状态？）该地基处于什么状态？解：解：1 1）由下式求塑性指数：）由下式求塑性指数：根据岩土工程勘察规范，根据岩土工程勘察规范，I Ip p=2917=2917，该土为粘土。，该土为粘土。30
