1、 第二章 土的物理性质第一节 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。固相 包括多种矿物成分组成土的骨架，骨架间的空隙为液相和气相填满，这些空隙是相互连通的，形成多孔介质； 液相 主要是水 (溶解有少量的可溶盐类 )； 气相 主要是空气、水蒸气，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 干土 ，此时 粘土 呈坚硬状态， 砂土呈松散状态；固体 +液体 +气体为 湿土 ，此时 粘土 多为可塑状态；固体 +液体（气体 =0）
2、为 饱和土 ，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 土的基本物理性质采用土的 三相示意图 ,可使三相比例关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 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 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（
3、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 2-1 土的三相示意图 m 土的总质量， g； ms 土的固体颗粒质量， g；mw 土中液体的质量， g； ma 土中空气的质量，（ ma=0）； V 土的总体积， cm3； Vs 土中固体颗粒体积， cm3；Vw 土中液体的体积， cm3； Va 土中气体的体积， cm3。Vv 土中孔隙的体积，
4、cm3。 5(一 )、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。1.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，即单位体积土的质量，其单位是 g/cm3， 常见值为 1.62.2g/cm3。 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 g， 其单位是 kN/m3， 即 :v6土的密度常用 环刀法 测定。2.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，即单位体积土粒的质量，其单位为 g/cm3。 土粒密度也称 土粒比重 (ds)， 是指土的质量与 4时同体
5、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，与土的孔隙大小和含水多少无关，它的数值一般在 2.62.8g/cm3之间（见表 2-1）。 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 2.65-2.75 2.65-2.70 2.65-2.70 2.68-2.73 2.72-2.76平均值 2.66 2.68 2.71 2.74土粒密度常用 比重试验法 测定。 83.土的含水量土中所含水分的质量与固体颗粒质量之比，以百分数表示，又称土的 含
6、水率。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。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。含水量常用 烘干法 测定。9三、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的指标，称为 换算指标 ，包括：1.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，称为 土的孔隙性 。其主要取决于土的颗粒级配与土粒排列的疏密程度。实际上土的孔隙性指标一般反映的是土中孔隙体积的相对含量，主要有 孔隙度和孔隙比 两个指标。（ 1）孔隙度孔隙度 又称 孔隙率 ， 指土中孔隙总体积与 土的总体积之比，用百分数表示。10
7、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 2752%。（ 2）孔隙比孔隙比 指土中 孔隙总体积 与土中 固体颗粒总体积 的比值，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土的密实度。 e0.9为稍密的粉土。（ 3）孔隙比与孔隙度的关系2.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：饱和度 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。12饱和度可以说明土孔隙中充水的程度，其数值为0100%，干土 Sr=0； 饱和土 Sr=1
8、00%。3.表示土的密度和重度的指标（ 1）饱和密度土的孔隙完全被水充满时的密度称为 饱和密度 ，是指土孔隙中全部充满液态水时的单位体积土的质量，即 :v13式中： w 为水的密度（ g/cm3）， 常近似取 1.0g/cm3。（ 2） 干密度干密度 指土在干燥状态下的密度，在数值上等于单位体积中土粒的质量，即 :干密度的单位是 g/cm3。 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 g， 分别变换为 饱和重度 或 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，此时土受水的浮力作用，土的实
9、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 浮重度 ，即 :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、饱和重度、浮重度在数值上有如下关系：g15四、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 9个，即：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。 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。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。已知 ds、 、 换算其它指标的一般方法是：16第一种换算方法：1718第二种换算方法： 三相比例指标之间可以
10、建立相互换算关系，具体的换算公式可查阅 换算表 ， 计算例题见 例题 2-1。 1920【例题 2-1】 某原状土样，经试验测得 =1.85g/cm 3, w=25%, s=2.70g/cm3,求 d， e， n， Sr。 解法 1： 由三相图，根据各指标的定义式求解 :绘三相图如上，设 Vs=1.0cm31)确定三相组成的体积与质量212)按定义求其它各指标22解法 2： 由指标之间的变换关系式直接求解：23第二节 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所表现出来的物理性质。一、粘性土的稠度状态粘性土因含水多少而表现出的 稀稠软硬程度 ，称为 稠度 。因含水多少而呈现出
11、的 不同的物理状态 称为粘性土的 稠度状态 。土的稠度状态因含水量的不同，可表现为 固态 、塑态 与 流态 三种状态。1. 固态： 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，力学强度高，不能揉塑变形，形状大小固定。 242. 塑态： 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，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。图 2-2 土中水与稠度状态图件3. 流态： 含水量继续增加、粒间主要为液态水占据，连结极微弱，几乎丧失抵抗外力的能力，强度极低， 不能维持一定的形状 ，土体呈 泥
12、浆状 ，受重力作用即 可流动 。25二、界限含水量 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 稠度界限（界限含水量）。 工程上常用的有 液性界限 wL和 塑性界限 wp图 2-3 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 塑性界限（塑限）；由塑态转变到流态的界限含水量，称为 液性界限（液限）。26粉土的液限在 32-38%之间，粉质粘土为 38-46%，粘土为 40-50%。塑限常见值为 17-28%。粘性土的液限与塑限一般在室内进行测定，液限常采用 锥式液限仪 ，塑限常采用
13、 搓条法 。搓好的泥条锥式液限仪27三、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，但是由于不同土的稠度界限是不同的 ，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，通常采用 液性指数（ IL） 进行评价，即：28表 2-4 按液性指数划分粘性土的稠度状态表液性指数 IL IL0 01.00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 塑性指数 IP 。 即 :29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。 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，国家标准岩土工程勘察规范按塑性指数 IP将粘性土分为两类： IP17为粘土， 17 IP10为粉质粘土， IP10 为粉土或砂类土。例题 2-2 从某地基取原状土样，测得土的液限 wL=47%， 塑限 wp=18%， 天然含水量 w=40%， 问： 1）地基土为何种土？ 2）该地基处于什么状态？ 解： 1）由下式求塑性指数：根据岩土工程勘察规范， Ip=2917， 该土为粘土。 30
