1、 1 第二章 土的物理性质、水理性质和力学性质 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。 一、土的基本物理性质 土的三相图（见教材 P62 图） （一）土粒密度 (particle density) 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： sss Vm g/cm3 土粒密度仅
2、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： 2.65 g/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： 2.682.72g/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 (soil density) 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
3、土的密度称天然密度，以下式表示： vsws VV mmVm 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 .4 g/cm3 粉质砂土及粉质粘土 .4 g/cm3 粘土为 .4 g/cm3 泥炭沼泽土： .4 g/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（ dry density） 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。 2 Vmsd g/cm3 干密度反映了土的孔
4、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 1.41.7 g/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（ saturatio density） 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： VVm wvssat g/cm3 式中： w ：水的密度（工程计算中可取 1 g/cm3） 土的饱和密度的常见值为 1.82.30 g/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 =(ms-v
5、sw)/V 或 wsat 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： ds a ts （ 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 %100%100 s ssw m mmmmw 土的含水率也可用土的密度与干密度计算得到： %1 0 0 s sw 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100105 摄氏度烘至恒重，再称干土质量，湿、干土质量之差与干
6、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1030%最为常见；一般粘土大多在 1080%之间，常见值 2050%。 3 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 %1 0 0 s wvsat mVw w 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。 %100 VVn ww 引用体积含水率 ew：为土中水的体积与土粒体积之比。 %100 VVe ww 2
7、饱和度（ degree of saturation） 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： %100 vwr vvs 或天然含水率与饱和含水率之比： %100 satr wws 饱和度愈大，表明土中孔隙中充水愈多，它在 0100%；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 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
8、比 (void ratio) 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： %100 VVn v 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： 4 svVVe 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： een 1或nne 1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 e1.0 的土是疏松的无压缩性土 饱和含水率是用质量比率来
9、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： wdsatwn wssatwe 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。 mine ：一般采用“振击法”测定； maxe ：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： ninr eeeeD maxmax 式中： maxe ：最大孔隙比。 mine ：最小孔隙比。 e：天然孔隙比。 砂土按相对密度分类： 33.00 Dr 疏松的 66.033.0 Dr 中密的 166.0 Dr 密实的 通常砂土的相对密度的实用表达式为： ddddddDr m inm a xm a x
10、m in 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。 5 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 1.66 g/cm3；问该砂层处于哪种状态？ 解：已知： 47.1 %13w g /cm 320.1m in d g/cm 366.1m ax d 由公式：w1得 g/cm330.1d 28.030.120.166.1 66.120.130.1m i nm a xm a xm i n ddddddDr 3
11、3.028.0 rD 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 Vs =1，则孔隙体积 eVv ，土体体积 eVVV vs 1，于是，由 eeVVn v 1 或nne 12、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 dsm ，水的质量： dw wm 于是由： wV mmVmdws 1wd 1 3、孔隙比与比重和干密度的关系 设土体内土粒体积 1Vs ，则孔隙体积 eVv ，土粒质量 ssm ，于是：由 Vms 得： esd 1 1 dse 1 d wsGe 4、饱和度与含水量，比重和孔隙比的关系 设土体内土
12、粒体积 Vs=1，则孔隙体积 eVv ，土粒质量 ssm ，孔隙水质量 sw wm 6 孔隙水体积：wsw wV 由：vwr VVS 得 ewGewewS swswsr 当 %100rS 时，土饱和，则： smGwe 式中： mw 饱和含水量， sG ：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 3/67.1 cmg 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： gVm 67.1167.1 （ 2）根据含
13、水量定义得： ssw mwmm 1 2 9.0 从三相图可知 ： swa mmmm 0am mmm sw ，即 67.1129.0 ss mm gmgmws19.048.167.118.11 2 9.1 67.1 （ 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 wsws ss V mG 度4 67.2sG 1w 35 5 4.067.2 48.13/67.2167.2cmmVcmgssss 7 （ 4） 31 9 0.00.11 9 0.0 cmmV www （ 5）从三相可知 31cmVVVV Swa 或 3256.0190.0554.011 cmVVV s
14、wa 4 4 6.05 5 4.01 sv VVV （ 6）根据孔隙比定义：svVVe 得 8 0 5.05 5 4.0 19.02 5 6.0 s wa V VVe （ 7）根据孔隙度定义： VVn v 得 %6.444 4 6.01 19.02 5 6.0 V VVn wa 或 %6.44446.0805.01 805.01 een （ 8）根据饱和度定义：vwr VVS 得 %6.42426.019.0256.0 19.0 wa wr VV VS 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
15、为 49.35g。试求土样的 （天然密度），d （干密度）， w（含水量）， e（孔隙比）， n（孔隙率），饱和度。（ 69.2sG ） 解： 3/7 5 0.140.38 21.67 cmgVV mmVm vs ws 3/285.140.38 35.49 cmgV mmVm vsd %19.36%10035.49 35.4921.67%100 s ssw m mmmmw8 093.11285.1 169.21 d wsGe %22.52%1 0 00 9 3.11 0 9 3.11 een %07.890 9 3.1 69.219.36 eGwS sr第二节 土的水理性质 一、粘性土的稠度（
16、 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，
17、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 pcpL WW WWI 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： 0LI 软塑： 175.0 LI 硬塑： 25.00 LI 流塑： 1LI
18、可塑： 75.0LI 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9 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（ plasticity index） 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 Atterber
19、g 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 (plasticity index)，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
20、： %4.37cw %0.23pw %0.16w 21.01 4 4.0 23.026.0%4.141 4 4.023.03 7 4.0ppLpLpIwwIwwI 25.00 LI 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。
21、 （ 3）矿物成分还影响着土的分散程度； 2、有机质含量对土的可塑性有明显的影响 表层土含有机质较多，因有机质的分散度较高，颗粒很细，比表面积大，当有机质含量高时，无论液限值或塑限值均较高。 3、土中的可溶盐类溶于水后，改变了水溶液的离子成分和浓度，从而影响扩散层厚度的变化，导致土的可塑性的增强或减弱。 10 4、粒度成分对粘性土可塑性的影响 主要取决于土中粘粒含量的多少；粘粒含量愈多，分散程度愈高，具有较大的可塑性。 5、孔隙溶液的化学成分，浓度和 PH 值对可塑性的影响，是通过 电位、扩散层的厚度的影响表现出来的。一般来说： 大PHiePH 或 大， d 大 粘性性的可塑性增强。当 PH=
22、PHie，粘性土基本上不表现塑性。 （四）粘性土的活性指数 粘性土的粘性和可塑性被认为是由颗粒表面的吸着水引起的。因此，塑性指数的大小在一定程度上反映了颗粒吸附水能力的强弱。 Skempton（斯开普顿）通过试验发现：对给定的土，其塑性指数与 小于 0.002mm 颗粒的含量成正比，并建议用活性指标来衡量土内粘土矿物吸附水的能力。 其定义为： mmIA p 002.0 颗粒的含量 其中： A 活性指数或亲水性指数。 根据活性指标的大小，他把粘性土分为： 非活性粘土： 75.0A 正常粘土： 25.175.0A 活性粘土： 25.1A 活性粘土的矿物成分以吸水能力很强的蒙脱石等矿物为主，而非活性
23、粘土中的矿物成分，则以高岭石等吸水能力较差的 矿物为主。 （五）灵敏度（ St） 灵敏度反映粘性土结构性的强弱。 0qqS ut 式中： tS 粘性土的灵敏度 uq 原状土的灵敏度 0q 与原状土密度、含水量相同，结构完全破坏的重塑土的无侧限抗压强度。 灵敏度分下列几类： 中等灵敏低灵敏不灵敏42211tttSSS 流动很灵敏灵敏1616884tttSSS 灵敏度高的土，其结构性愈高，受扰动后土的强度降低就愈多，施工时应特别注意保护基槽，使结构不扰动，避免降低地基强度。 触变性：当粘性土结构受扰动时，土的强度降低。但静置一段时间，土的强度又逐渐增长，这种性质称为土的触变性。这是由于土粒、离子和水分子体系随时间而趋于新的平衡状态之故。
