第一章 土的物理性质及工程分类 土力学与基础工程

3.浮密度与浮容重 定义：单位体积内土粒质量与同体积水质量之 差。
表达式：
m s Vs w V
g
sat w
sat d
4.土的孔隙比e ：是土 中孔隙体积与土粒体 积之比，孔隙比用小
5.土的孔隙率 n ：土中 孔隙所占体积与总体
测定方法：通常用比重瓶法(pycnometric method )
质量m mw ma 气 水 土粒
体积V Vw Va V
3.土的含水量(moisture content)w：土中水的质量与
土粒质量之比，以百分数表示
w mw m ms s
土的含水量是标志土含水程度的一个重要物理指标。天 然土层含水量变化范围较大，与土的种类、埋藏条件及 其所处的自然地理环境等有关。 测定方法：通常用烘干法(oven drying method)，亦 可近似用酒精燃烧法
颗粒级配学习的目的？
1、作为实验室人员要会 做颗粒级配试验；并能 对数据正确处理和结论；
2、作为项目管理人员要 会根据试验结果做出 正确的处理措施，确 保工程按要求保质保 量完成。
1.1.2土中水
土中水是土的液体相组成部分。水对无粘性土的 工程地质性质影响较小，但粘性土中水是控制其工程 地质性质的重要因素，如粘性土的可塑性、压缩性及 其抗剪性等，都直接或间接地与其含水量有关
Sr ≤ 50
很湿 50<Sr ≤ 80
饱和
Sr >80
土的三相比例换算公式
第三节 土的物理状态指标
一 无黏性土的密实状态 1 孔隙比e
孔隙比e可以用来表示砂土的密实度。对于同一种 土，当孔隙比小于某一限度时，处于密实状态。 孔隙比愈大，土愈松散
2.相对密实度：砂土的密实程度并不完全取决于天然孔隙比， 而很大程度上取决于土的级配情况，相对密实度同时反映 了孔隙比和级配的影响，以Dr表示。
第一章 土的物理性质及工程分类
• 学习要求 • 1）土的三相组成、颗粒级配和粒组划分 • 2）掌握土的物理性质和物理状态指标的定 义、物理概念、计算公式和单位。 • 3）液、塑限概念及测定 • 4）土的击实性 • 5）了解土的工程分类依据与准确定名
第一节土的组成与结构
1.1土的三相组成
土
1.固相 由无机矿物颗粒和有机质组成，而 矿物由原生矿物和次生矿物组成 2. 液相 土中水有表面结合水和自由水两种 形态。
积之比，孔隙率用百
分数表示。即：
数表示。即：
Vv e Vs
1 V Vv Vs 1 1 n Vv Vv e
Vv n 100% V
n e 1 e
e
n 1 n
6、饱和度 定义：土中水的体积与孔隙体积之比，用百分数表示。 V Sr w 公式： Vv 单位：% 物理意义：表示水在孔隙中充满的程度。 范围： Sr =0-100% 工程应用：饱和度可以反映土的干湿程度，砂土根据饱和 度Sr的指标值分为稍湿、很湿与饱和三种湿度状态，其划分 标准见下表： 砂土湿度状态 饱和度Sr （%） 稍湿
: 平均粒径 : 限定粒径 : 有效粒径 : 中值粒径
粗细程度： 用d50 表示 不均匀程度：
Cu = d60 / d10
— 不均匀系数
Cu ≥5,级配不均匀
连续程度:
Cc = d302 / (d60 ×d10 )
— 曲率系数
d60 d10 d30 Cu Cc
0.33 0.0050.063 66 2.41
土的固体颗粒构成图的骨架，其大小和形状、矿 物成分以及大小搭配情况对土的物理力学性质有 明显影响。 一、土的矿物成分 矿物成分取决于母岩的成分以及所经受的风化 作用 原生矿物：岩石经物理风化作用后破碎形成的矿 物颗粒。 例如：石英、云母、长石等 次生矿物：岩石经化学风化作用所形成的矿物颗 粒。
三类重要的次生矿物：高岭石、伊利石、蒙脱石 其中：蒙脱石晶格最不稳定，亲水性最强，土中 含量多时，土具有可塑性和高压缩性，强度低， 渗透性小，具有较大的吸水膨胀和脱水收缩的特 性 高岭石晶格稳定，亲水性最弱
2 . 2 . 2
结晶水：土粒矿物内 部的水。
结晶水 强结合水 结合水 弱结合水 重力水 自由水 毛细水
土中水
结合水：受电分子吸 引力作用吸附于土粒 表面的土中水。
自由水：存在于土粒 表面电场影响范围以 外的土中水。
结合水
强结合水
排列致密、定向性强
密度>1.2-2.4g/cm3 冰点-76℃ 具有极大的粘滞性和固体 的特性 温度高于100°C时可蒸发
m ms m ma ma 0 m V
V Vs Va V Vv Va V
m
水
土粒
ms
Vs
V
对于饱和土, Va=0 剩下两个独立变量
物性指标是比例关系: 可假设任一参数为1
三.换算指标 1.干密度ρd（干容重γd） 定义：单位体积内土粒的质量或重量。
固相 液相 气相
3. 气相 土中气体可分为与大气连通的和不 连通的两类。与大气连通的气体对 土的工程性质影响不大，而与大气 不连通的密封气体对土的工程性质 影响较大。
土的三相组成
土体
土的三相比例不同，其性质不同
固相 + 液相 + 气相
构成土骨架，起决定作用
重要影响
次要作用
土体三相组成示意图
1.1.1土的固相
一、土的三相图
质量m
m w ma
体积V
Vw Va Vv
水 气体 颗粒
气 水 土粒
m
ms
Vs
V
三相草图 质量m
mw ma
共有九个参数:
体积V
Vw Va
V Vv Vs Va Vω / ms m ω ma m
已知关系五个:
Vv
气 水 土粒
m ms m ma V Vs Va V ma 0 m V
结果分析
粒径(mm) 0.05 百分数P(%) 26
0.01 13.5
0.01 0.005
0.005 10
0.001
0.10 0.05
典 型 颗 分 级 配 曲 线
1.0 0.5
10 5.0
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
特征粒径:
土的粒径级配累积曲线
d50 d60 d10 d30
2.蜂窝结构：主要由粉粒组成的土结构形式。粉粒 在水中沉积时，基本以单个土粒下沉，当碰到已 沉积的土粒时，由于彼此之间引力大于重力，土 粒就停留在最初的接触点上不再继续下沉，形成 土粒链，后者组成弓形结构，形成孔隙较大的蜂 窝结构
蜂窝结构
3.絮状结构：更细小的粘粒或胶粒，质量及轻，在 水中处于悬浮状态。当悬液介质发生变化时，土 粒表面的弱结合水厚度减薄，粘粒互相接近，凝 聚成絮状物下沉，形成孔隙较大的絮状结构。
物性指标是比例关系: 可假设任一参数为1
Vv Va V
m
ms
其它指标
实验室测定
Vs
V
剩下三个独立变量 对于饱和土, Va=0 剩下两个独立变量
三相草图法 是一种简单而实用的方法
二、实测指标
----土的密度、土粒的比重、土的含水量 1.土的密度
有时也称土的天然密度 定义: 土单位体积的质量 表达式:
絮状结构
三种结构中密实的单粒结构土的工程性
质最好，蜂窝状为其次，絮状结构土工程
性质最差。后两种结构土，如果因振动其 天然结构被破坏的话，强度很低，压缩性 大。因此未经处理不能作为天然地基。
第二节 土的物理性质指标
土的三相比例指标是其物理性质的反映，但与 其力学性质质有内在联系，显然固相成分的比例 越高，其压缩性越小，抗剪强度越大，承载力越 高 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。
表达式：
ms d V
ms g d d g V
2.饱和密度ρsat（饱和容重γsat ） 定义：土中孔隙完全被水充满，土处于饱和状态
时单位体积土的质量或重量。
表达式：
ms Vv w V
sat
sat
Ws Vv w sat g V
毛细水
受到水与空气交界面处表面 张力作用的自由水。
毛细升高与孔径成反比
土中毛细现象
重力水是在重力和水位差作用下能在土中流动的自 由水。它是土中其它类型水的来源。重力水具有融解能 力，能传递静水和动水压力，并对土粒起浮力作用 。
应当指出，水是土的一个重要组成部分。根据实用 观点，一般认为它不承受剪力，但能承受压力和一定的 吸力；同时，水的压缩性很小，在通常所遇到的压力范 围内，它的压缩量可以忽略不计
质量m
mw ma
体积V
Vw Va Vs
ms m w m V Vs Vw Va
m
水 土粒
单位: kg/m3 或 g/cm3 一般范围: 1.60—2.20 相关指标: g/cm3 三相草图有助于直观 理解物性指标的概念 工程上更常用于计算土 的自重应力
土的容重 γ=ρg
单位: kN/m3
沉降分析法：利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同 来确定小于某粒径的土粒含量.适用于细粒土 (<0.1 mm)
3.粒度成分及其表示方法 粒度成分是指土中各种不同粒组的相对含量。 常用的粒度成分的表示方法有：表格法、累计曲线法和三角形坐标法
累计曲线表示法
小于某粒径之土质量百分数P（％）
粒径(mm)