1、朱明礼,土力学与地基基础,第2章 土的物理性质及分类,2,4,土的物理状态 粗粒土的松密程度 粘性土的软硬程度,土的物理性质指标 (松密程度、干湿程度、轻重程度),力学特性,直接影响,表示,土的三个组成相的体积和质量上的比例关系,松密程度 干湿程度 轻重程度,特点: 指标概念简单，数量很多,要点：名称、概念或定义、符号、表达式、单位或量纲、常见值或范围、联系与区别,定义,基本方法:,三相草图法,2.1 土的三相比例指标,三相草图,质量,体积,三相草图,已知关系五个:,共有九个参数: V Vv Vs Va Vw / ms m w ma m,剩下三个独立变量,三相草图法,物性指标是比例关系: 可假
2、设任一参数为1,对于饱和土, Va=0 剩下两个独立变量,实验室测定,其它指标,是一种简单而实用的方法,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、密度和土粒相对密度，称为直接指标；另一类是根据直接指标换算的，如孔隙比、孔隙率、饱和度等，称为间接指标。,室内测定的三个物理性质指标,土的密度、土粒的相对密度、土的含水量,土的密度,工程上更常用, 用于计算土的自重应力,单位: kg/m3 或 g/cm3,一般范围: 1.60 2.20 g/cm3,定义: 单位体积土的质量,有时也称土的天然密度,表达式:,三相草图有助于直观理解物性指标的概念,土的密度常用环刀法测定,环 刀 法,
3、土的密度常用环刀法测定,土的重度亦称为容重，定义为单位体积土的重量，用表示，表达式如下：,土的重度,相关指标:,单位: kN/m3,式中：W土的重量，单位为kN；g重力加速度。,土粒相对密度,s 土粒的密度，单位体积土粒的质量,单位: 无量纲,土粒相对密度一般范围: 粘性土 2.70 2.75砂 土 2.65,4C时纯蒸馏水的密度，1g/cm3,土粒相对密度在数值上等于土粒的密度,定义: 土粒质量与同体积4C时纯蒸馏水的质量的比值,表达式:,土粒比重常用比重瓶法测定，事先将比重瓶注满纯水，称瓶加水的质量。然后把烘干土若干克装入该空比重瓶内，再加纯水至满，称瓶加土加水的质量，按下式计算土粒比重：
4、式中：m1瓶加水的质量m2瓶加土加水的质量ms烘干土的质量,土的含水量,定义: 土中水的质量与土粒质量之比 用百分数表示,注意: 其实是含水比, 可达到或超过100,表达式:,测定含水率常用的方法是烘干法，先称出天然土的质量，然后放在烘箱中，在100105常温下烘干，称得干土质量，按上式可算得,烘 干 法,天然密度,干密度,天然重度,干重度,单位: kg/m3 或 g/cm3,单位: kN/m3,定义: 土单位体积中固体颗 粒部分的质量,表达式:,表示土的密度和容重的指标,土的干密度或干重度也是评定土密实程度的指标，干密度或干重度愈大表明土愈密实，反之愈疏松。,饱和密度,浮重度,有效重度,饱和
5、重度,表示土的密度和容重的指标,定义: 土孔隙中充满水时的单位体积质量,式中w 为水的密度，近似等于1g/cm3,浮密度,定义: 在地下水位以下，土单位体积中土粒的质量与同体积水的质量之差,各种密度与重度之间的大小关系,天然密度,干密度,饱和密度,天然重度,干重度,浮重度,饱和重度,浮密度,单位: kg/m3 或 g/cm3,单位: kN/m3,表示土中孔隙含量的指标,孔隙比,孔隙率 (孔隙度),关系:,某种程度上反映土的松密,砂类土：28 35% 粘性土：30 50%有的可达60 70%,定义: 土中孔隙体积与固体颗粒体积之比, 无量纲,表达式:,定义: 土中孔隙体积与总体积之比, 用百分数
6、表示,表达式:,Vs=1,Vv=e,V=1+e,三相草图可用于确定物性指标之间的关系,饱和度,表达式:,定义: 土中水的体积与孔隙体积的比值,饱和度表示孔隙中充满水的程度,Sr=0 : 干土 Sr=1 : 饱和土,常用的土的物理指标,土的密度,土粒相对密度,土的含水量,干密度,饱和密度,浮密度,孔隙比,孔隙率,饱和度,常用的土的物理指标共有九个,常用的土的物理指标共有九个。已知其中任意三个，通过换算可以求出其余的六个。 （一）孔隙比与孔隙率的关系 设土体内土粒的体积为1，则e=Vv/Vs可知，孔隙的体积Vv为e，土体的体积V为（1e），于是有：或,三相示意图,2.2 物理性质指标间的换算,（二
7、）干密度与湿密度和含水率的关系 设土体的体积V为1，则d = ms /V，土体内土粒的质量ms为d，由w= mw / ms水的质量mw为w d。于是，可得：或,（三）孔隙比与比重和干密度的关系 设土体内土粒的体积为1，则按e=Vv/Vs，孔隙的体积vv为e；由s ms / Vs得土粒的质量ms为s。于是，按d的定义可得：整理得：,（四）饱和度与含水率、比重和孔隙比得关系 设土体内土粒的体积为1，则按e=Vv/Vs得体积vv=e；由s ms / Vs得土粒的质量ms=s。按w= mw / ms ，水得质量mw=ws，则水得体积vw= mw / w =ws/w。于是，Sr定义可得：当土饱和时，即S
8、r为100，则：式中：wsat饱和含水率。,（五）浮密度与比重和孔隙比得关系 设土体内土粒体积为1，则按e=Vv/Vs ，孔隙的体积Vv为e；由s ms / Vs得土粒的质量ms为s。于是，可得：,【例题】某一块试样在天然状态下的体积为60cm3，称得其质量为108g，将其烘干后称得质量为96.43g，根据试验得到的土粒相对密度ds为2.7，试求试样的湿密度、干密度、饱和密度、含水率、孔隙比、孔隙率和饱和度。【解】（1）已知V60cm3，m=108g， 得 =m v=180 60=1.8g/cm3,（2）已知ms=96.43g，则 mw=mms=10896.43=11.57g于是 w= mw
9、ms11.5796.43=12% （3）已知ds=2.7，则Vs= ms s=96.43 2.735.7cm3Vv=VVs=6035.724.3cm3于是 e= Vv Vs24.3 35.7=0.68 （4） n= Vv V24.3 60=40.5 （5）根据w的定义 Vw = mw w=11.57 111.57cm3于是 St= Vw Vv=11.57 24.348,小结,物理性质指标,土的三个组成相的体积和质量上的比例关系,松密程度 干湿程度 轻重程度,特点: 指标概念简单，数量很多,要点：名称、概念或定义、符号、表达式、单位或量纲、常见值或范围、联系与区别,定义,基本方法:,三相草图法,
10、室内测定的三个物理性质指标 土的密度、土粒的相对密度、土的含水量,三相草图有助于直观理解物性指标的概念,其它常用的物理性质指标 表示土中孔隙含量的指标 表示土中含水程度的指标 表示土的密度和容重的指标,三相草图可用于确定物性指标之间的关系,三相草图法是求取物理性质指标的简单而有效的方法,粘性土的软硬状态,也称稠度状态,稠度状态与含水量有关,粘性土,含水量,较硬,变软,流动,2.3 黏性土的物理特征,塑限wp,液限wL,稠度界限,粘性土的稠度反映土中水的形态,固态 半固态,塑态,流态,强结合水膜最大,出现自由水,强结合水,弱结合水,自由水,稠度状态,含水量,w,吸附弱结合水的能力,塑性指数,缩限
11、WS,稠度指粘性土的干湿程度或在某一含水率下抵抗外力作用而变形或破坏的能力，是粘性土最主要的物理状态指标。四种状态：固态、半固态、可塑状态及流动状态可塑性：土在外力作用下可改变形状但不显著改变其体积也不开裂，外力卸除厚仍能保持已有的形状。,界限含水率粘性土从一种状态过渡到另一种状态，可用某一界限含水率来区分，这种界限含水率称为稠度界限或阿太堡界限液限（WL）从流动状态转变为可塑状态的界限含水率，也就是可塑状态的上限含水率；塑限（Wp）从可塑状态转变为半固体状态的界限含水率，也就是可塑状态的下限含水率；缩限（Ws）从半固体状态转变为固体状态的界限含水率，亦即粘性土随着含水率的减小而体积开始不变时
12、的含水率。,塑限测定方法,搓滚法：调制均匀的湿图样，在毛玻璃上搓滚成3毫米直径的土条，若这个时刻恰好出现裂缝，就把土条的含水率定为塑限 液塑限联合测定法：取代表性试样，加入不同数量的纯水，调制成三种不同稠度的试样，用电磁落锥测定圆锥在自重作用下经5秒后沉入试样的深度。以含水率为横坐标，圆锥入土深度为纵坐标，在双对数纸上绘制关系曲线。入土深度2毫米所对应的含水率为塑限。,液限测定方法,液塑限联合测定法和碟式仪法,液塑限联合测定法：土工试验方法标准（GB/T50123-1999）规定入土深度恰好为17毫米所对应的含水率为17毫米液限，入土深度恰好为10毫米所对应的含水率为10毫米液限。,蝶式仪,塑
13、性指数和液性指数,1.塑性指数塑性指数：液限和塑限之差的百分数值（去掉百分号）。用Ip表示，取整数，即：塑性指数越高，吸着水含量可能高，土的粘粒含量越高。,2.液性指数 粘性土的状态可用液性指数来判别。 定义为：式中：IL液性指数，以小数表示； w土的天然含水率。 液性指数表征了土的天然含水率与界限含水率之间的相对关系，表达了天然土所处的状态。当wwp时，IL0，土处于坚硬状态；wpwwL时，0IL1.0，土处于可塑状态；wLw时，IL1.0，土处于流动状态。,3.天然稠度原状土样测定的液限和天然含水量的差值与塑性指数之比。,粘性土结构性指标活动度、灵敏度和触变性,1、黏性土的活动度黏性土的活
14、动度反映了黏性土中所含矿物的活动性式中：IP黏性土的塑性指数m颗粒1.25,2、粘性土的灵敏度 St,重塑土的强度,原状土的强度,=,St 1-2 2-4 4-,粘性土 低灵敏 中等灵敏 高灵敏,含水量不变，密度不变，因重塑而强度降低，又因静置而逐渐强化，强度逐渐恢复的现象，称为触变性。 土的触变性是土结构中联结形态发生变化引起的，是土结构随时间变化的宏观表现。 目前尚没有合理的描述土触变性的方法和指标。,3. 粘性土的触变性,2.4 无黏性土的密实度,1、无粘性土的相对密实度常用相对密实度Dr来衡量无粘性土的松紧程度，其定义为式中：Dr 相对密实度；emax 无粘性土处在最松状态时的孔隙比；
15、emin 无粘性土处在最密状态时的孔隙比；e 无粘性土得天然孔隙比或填筑孔隙比。,式中：dmax 无粘性土的最大干密度；dmin 无粘性土的最小干密度；d 无粘性土的天然干密度或填筑干密度。,相对密实度表达式,在工程上，用相对密实度Dr划分无粘性土的状态如下：0Dr1/3 疏松的1/3Dr2/3 中密的2/3Dr1 密实的,2.5 土的膨胀性、湿陷性和冻胀性,土的膨胀性黏性土具有吸水膨胀和失水收缩的两种变形特性 土的湿陷性土在自重压力作用下或自重应力和附加压力综合作用下，受水浸湿后土的结构迅速破坏而发生显著附加下陷的特征 土的冻胀性土的冻胀和冻融给建构物带来危害的变形特性,目的：便于研究、交流
16、及应用,依据：能反映土的物理力学性质,建筑地基基础设计规范-GB50007-2002,水利部SL237-001-1999分类法,2.6 土的工程分类,土的组成 土的状态 土的结构,土的工程分类：是将工程性质相近的土归为一类,公路土工试验规程-JTJ051-93,土的分类标准-GBJ 145-90,土,一般土,特殊土,黄土 膨胀土 红黏土 冻土,无机土,有机土,巨粒土,含巨粒的土,粗粒土,细粒土,漂石,卵石,混合巨粒土,巨粒混合土,砾类土,砂类土,粉土,黏土,土的分类标准-GBJ 145-90,公路土工试验规程-JTJ051-93,建筑地基基础设计规范-GB50007-2002分类法,土,岩石
17、碎石土 砂土 粉土 粘性土 人工填土,第2章 土的物理性质及分类,2.1 土的三相比例指标 2.2 物理性质指标间的换算 2.3 黏性土的物理特征 2.4 无黏性土的密实度 2.5 土的膨胀性、湿陷性和冻胀性 2.6 土的工程分类,压实：指通过夯打、振动、碾压等，使土体变得密实、以提高土的强度、减小土的压缩性和渗透性,压实性：指土在一定压实能量作用下密度增长的特性,研究击实性的目的：以最小的能量消耗获得最大的压实密度,击实方法：,室内击实试验 现场试验: 夯打、振动、碾压,2.7 土的压实性,室内击实试验,土工试验方法标准 轻型：d5mm, V=947cm3, m=2.5kg, 3层 25击, 落高30.5cm 重型：d40mm, V=2104cm3, m=4.5kg, 5层 56击, 落高47.7cm,试验方法 对w=cosnst的土；分层压实；测定击实后的w、，算定d,土,土的压实性影响因素： （一）含水率的影响 最大干密度，最优含水率wop,土的压实性影响因素： （二）击实功能的影响1、土料的最大干密度和最优含水率不是常数。2、当含水率较低时击数的影响较显著。 （三）土类和级配的影响 粘粒含量高，Ip大，难压密；级配良好，易压密,粗粒土的压实性,施工过程中要么风干，要么就充分洒水，使土料饱和,
