第2章土的性质及工程分类
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土力学课件第2章_土的物理性质及分类
• 一类是根据直接指标换算的，称为间接指标（换 算指标），有 孔隙比（void rate） 孔隙率（porosity） 饱和度（degree of saturation）
2.2.1 土的三相比例关系图
质量
m mw ms
气 水 土粒
体积
Va
Vv
Vw
V
Vs
ms：土粒质量 mw：土中水质量 m：土的总质量
100 %
（7）干密度ρd干容重γd • 定义：单位体积内土粒的质量或重量
• 表达式：
d
ms V
d
ms g V
d
g
• 土烘干，体积要减小，因而土的干密度不 等于烘干土的密度。
• 土的干密度或干容重是评价土密实程度的 指标，干密度或干容重越大表明土越密实， 反之越疏松。常用它来控制填土工程的施 工质量。
干密度与湿密度和含水率的关系
m
V
d
wd
1
d 1 w
d
1 w
孔隙比与比重和干密度的关系
d
ms V
s
1 e
e dsw 1 d
饱和度与含水率、比重和孔隙比的关系
Sr
Vw Vv
ws w
e
wd s e
当土饱和时，即为Sr=100％
则
e wsat ds
w
sat
Gs e 1 e
w
Gs 1 1 e
e Gs (1 w)w 1
n 1 d Gs w
St
w d nw
kN/m3 kN/m3 kN/m3 kN/m3
2.2.1 土的三相比例关系图
质量
m mw ms
气 水 土粒
体积
Va
Vv
Vw
V
Vs
ms：土粒质量 mw：土中水质量 m：土的总质量
100 %
（7）干密度ρd干容重γd • 定义：单位体积内土粒的质量或重量
• 表达式：
d
ms V
d
ms g V
d
g
• 土烘干，体积要减小，因而土的干密度不 等于烘干土的密度。
• 土的干密度或干容重是评价土密实程度的 指标，干密度或干容重越大表明土越密实， 反之越疏松。常用它来控制填土工程的施 工质量。
干密度与湿密度和含水率的关系
m
V
d
wd
1
d 1 w
d
1 w
孔隙比与比重和干密度的关系
d
ms V
s
1 e
e dsw 1 d
饱和度与含水率、比重和孔隙比的关系
Sr
Vw Vv
ws w
e
wd s e
当土饱和时，即为Sr=100％
则
e wsat ds
w
sat
Gs e 1 e
w
Gs 1 1 e
e Gs (1 w)w 1
n 1 d Gs w
St
w d nw
kN/m3 kN/m3 kN/m3 kN/m3
土力学-第二章土的物理性质及分类
土的物理性质及分类
土力学
概述 土的三相比例指标
粘性土的物理特征
无粘性土的密实度 粉土的密实度和湿度 土的胀缩性、湿陷性和冻胀性 土的分类
2.2
土的三相比例指标
土力学
2.2.1
土的三相比例关系图
2.2.2
指标的定义
2.2.3
指标的换算
2.2.1
土的三相比例关系图
质量m 气
m
土力学
体积V
Vw Va
mw —土中水质量 ms
土单位体积的重力（即土的密度与重力加速度的乘积）称 为土的重力密度，简称重度。 土的三相比例指标中的质量密度指标共有4个，土的密度 ρ，饱和密度ρsat，干密度ρd，浮密度ρ (kg/m3),相应的重 度也有4个，土的重度 =ρg，饱和重度sat= ρsatg，干重 度d= ρdg，浮重度 =ρ g (kN/m3) 各密度与重度指标，在数值上有如下关系：
ρw1 —纯水在40C时的密度，1g/cm3
s
ms
测定方法：比重瓶法
土粒相对密度变化范围不大：一般，砂类土2.65～2.69；粉性土 2.70～2.71；粉质粘土2.72～2.73；粘土2.74～2.76。 土中有机质含量增加，土粒相对密度减小：无机矿物2.6～2.8； 有机质2.4～2.5；泥炭1.5～1.8
ρsat ≥ ρ≥ρd > ρ
sat ≥ ≥ d >
2.2.2
指标的定义
土力学
Vw Va
mw
Vv
3.描述土的孔隙体积相对含量的指标 质量m 体积V （1）孔隙比e ：土中孔隙体 积与土粒体积之比 气
m
水 土粒
Vv e Vs
ms
第二章土的工程性质及分类
For personal use only in study and research; not for commercial use第二章土的性质及工程分类土的性质包括：物理性质、力学性质、水理性质、工程性质。
土是由固体颗粒、水和空气组成的三相体系。
由于三相比例的不同，决定了土的物理性质（轻重、疏密、干湿、软硬）。
土的物理性质又决定了土的力学性质，因此土的物理性质是我们研究的主要特性之一。
本章主要介绍土的组成及土的结构土的物理性质指标无粘性土的密实度粘性土的物理特性土的渗透性及渗流土的动力特性地基(岩)土的工程分类2.1概述土是风化的产物，是由固体颗粒、水和空气组成的三相体系，下面看三相组成示意图。
在外力作用下，土体并不显示为一般固体的特性，也不表现为一般液体的特性，因此，在研究土的工程性质时，既有别于固体力学，也有别于液体力学。
2.2土的三相组成及土的结构2.2.1 土的组成一、土的固体颗粒土的固体颗粒的大小和形状，矿物成分及其组成情况，是决定土的物理力学性质的重要因素。
2.2.1.1土的矿物成分矿物成分分为原生矿物、次生矿物2.2.1.2土粒粒组自然界中存在的土，都是由大小不同的土粒组成的。
土粒的粒径由粗到细逐渐变化时，土的性质也相应地发生变化。
例如，土的性质随着粒径的变细，可由无粘性变化到有粘性。
因此可以将土中各种不同粒径的土粒，按适当的粒径范围，分为若干组，各个粒组，随着分界尺寸的不同而呈现一定质的变化，划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。
目前我国常用的土粒粒组划分方法，按照界限粒径的大小，将土粒分为六个组：漂石（块石）（＞200）、卵石（碎石）（200～60）、圆砾（角砾）（60～2）砂粒（2～0.075）、粉粒（0.075～0.005）和粘粒＜0.005（注漂石、卵石、圆砾是一定磨圆形状、圆形或亚圆形）土中土粒的大小及其组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量来表示，称为土的颗粒级配。
如何来分析土中的颗粒级配情况，通常用筛分法与水分法两种。
土力学_第2章(土的物理性质和工程分类)
固 态 结晶水
强结合水
固体 状态
结合水
土中的水
液 态
不任意流动
弱结合水 毛细水
自由水
重力水
气 态
四种—书中P13
+ + + +_ + _ _ _ _ + _ _ _ __ + _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _
粘土颗粒
强结合水
弱结合水
自由水
O 2
粘粒
H+
105o
H+
水分子 极 性
（c）土中的气体（空气）
判断标准：
N63.5 ≤5 松散
稍密 中密 密实 N ≤ 10 松散 稍密 中密
碎石土
5＜ N63.5 ≤10 10＜ N63.5 ≤20 N63.5 ＞20
砂 土
密实状态
10＜ N ≤15 15＜ N ≤30
密实状态
N ＞30
标准贯入 击数
密实
重Ⅰ型 动力触探击数
（3） 粘性土的物理状态（软－硬状态）
Va 气体 ma=0 mw=w ρs Vw
水
mw
Vv=e V =e+1
ms= ρs
Vs 土粒 ms
Vs=1
干容重计算公式：
ms g s g Gs w g Gs w d d g V e 1 e 1 e 1
浮容重：静水下的土体受到水的浮力作用，其容重等于土的饱和容重减去水的容重。
隙比e与该种土达到最密时的孔隙比emin和最松时的孔隙比emax相对 比的办法，来表示孔隙比e时土的密实度。
emax e Dr emax emin
0.67＜Dr≤1.0 密实 中密 松散 （《地基与基础》－p27）
强结合水
固体 状态
结合水
土中的水
液 态
不任意流动
弱结合水 毛细水
自由水
重力水
气 态
四种—书中P13
+ + + +_ + _ _ _ _ + _ _ _ __ + _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _
粘土颗粒
强结合水
弱结合水
自由水
O 2
粘粒
H+
105o
H+
水分子 极 性
（c）土中的气体（空气）
判断标准：
N63.5 ≤5 松散
稍密 中密 密实 N ≤ 10 松散 稍密 中密
碎石土
5＜ N63.5 ≤10 10＜ N63.5 ≤20 N63.5 ＞20
砂 土
密实状态
10＜ N ≤15 15＜ N ≤30
密实状态
N ＞30
标准贯入 击数
密实
重Ⅰ型 动力触探击数
（3） 粘性土的物理状态（软－硬状态）
Va 气体 ma=0 mw=w ρs Vw
水
mw
Vv=e V =e+1
ms= ρs
Vs 土粒 ms
Vs=1
干容重计算公式：
ms g s g Gs w g Gs w d d g V e 1 e 1 e 1
浮容重：静水下的土体受到水的浮力作用，其容重等于土的饱和容重减去水的容重。
隙比e与该种土达到最密时的孔隙比emin和最松时的孔隙比emax相对 比的办法，来表示孔隙比e时土的密实度。
emax e Dr emax emin
0.67＜Dr≤1.0 密实 中密 松散 （《地基与基础》－p27）
土的物理性质及地基土的工程分类
第二章 土的物理性质及地基土的工程分类1. 土力学的研究对象：土土——土是连续、坚固的岩石在风化作用下形成的大小悬殊的颗粒，经过不同的搬运方式，在各种自然环境中生成的沉积物。
§2-1 土的组成一、土的组成⎪⎩⎪⎨⎧孔隙中的水液气体气冰土颗粒固:::土中颗粒的大小、成分及三相之间的比例关系反映出土的不同性质，如干湿、轻重、松紧、软硬等。
这就是土的物理性质。
二、土的固体颗粒（一）土的颗粒级配1．土颗粒的大小直接决定土的性质 2．粒径——颗粒直径大小3．粒组——为了研究方便，将粒径大小接近、矿物成分和性质相似的土粒归并为若干组别即称为粒组。
粒组的划分：漂石 粘粒 4．颗粒级配——土粒的大小及组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量来表示，称为土的颗粒级配。
颗粒级配的测室方法：——筛析法 比重计法 试验成果分析：①颗粒级配累积曲线（半对数坐标） 见P17 图1-10分析⎩⎨⎧级配良好不均匀粒径大小接近曲线陡级配良好不均匀粒径大小悬殊曲线平缓②不均匀系数（C u ）1060u d /d C = ⎩⎨⎧<>级配不良级配良好5C 0C u u式中：d 60——当小于某粒径的土粒质量累计百分数为60%时，该粒径称为限定粒径d 60。
d 10——当小于某粒径的土粒质量累计百分数为10%时，相应的粒径称为有效粒径d 10。
③曲率系数（C c ）6010230c d d d C ⋅=式中：d 30——当小于某粒径的土粒质量累计百分数为30%时的粒径用d 30表示。
C c ——曲率系数，它描写的是累积曲线的分布范围，反映曲线的整体形状。
C c =1~3时 级配良好 （二）土粒的矿物成分漂石、卵石、砾石等粗大土粒的矿物成分以原生矿物为主。
（与每岩相同） 砂粒的矿物成分大多为母岩中的单矿物颗粒。
如石英等。
粉粒的矿物成分以粘土矿物为主。
粘土矿物由两种原子层构成，主要类型⎪⎩⎪⎨⎧高岭石伊利石蒙脱石粘土矿物的特点：细小、亲水性强，吸水膨胀，脱水收缩。
土力学与基础工程参考答案_赵明华版 高清无水印
则r = ρg = （3） 由n =
vv e n wd vd (1 − n) v · 100% 得 n = ， 则 sr = w · 100% = s = s ⇒e= v 1+ e 1− n vv e n
2.3 在土的三 相组成示意图中，取土 粒体积 vs = 1 。已知某土样的 土粒比重 d s =2.70， 含水量=32.2%， 土的天然密度 ρ =1.91 g / cm3 ， 水的密度 ρ w = 1.0 g / cm3 。 按各三相比例指标的定义，计算图 2.50 中 6 个括号内的数值及 sr 和 r ' 。 解：因 vs = 1 , d s = 2.70 , w=32.2%, ρ =1.91g/ cm 3 , ρ w = 1.0 g / cm3
ms = d s vs ρ w = d s ρw
由w=
所以 m = ms + mw = d s (1 + w) ρ w （1）由 ρd = 得 ρd = ds ρw 1+ e ms v
（2）由 sr =
wd s vw · 100% 得 sr = ⇒ wd s = sr e e vv m d (1 + w) ρ w d (1 + w)rw d s wrw + d s rw sr erw + d s rw g= s g= s = = v 1+ e 1+ e 1+ e 1+ e
5
土力学与地基基础参考答案
（1） I p = wL − wp = 48 − 35.4 = 12.6 （2）因 10< I p <17 属于粉质粘土
IL =
w − wp Ip
=
36.4 − 35.4 = 0.08 12.6 硬塑状态
2 土的性质及工程分类
3、已知含水量
mw w 0.1, ms mw 0.1m s
土粒
而 m w m s m 1.7 m s 1.55, m w 0.15
4、土粒密度
ms 而： s Vs ms 1.55 Vs 0.57 s 2.72
s 27.2 s 2.72 g 10
m V
土 的 质 3 （g/cm ） 量
土的体积
g
(kN/m3)
测试方法：粘性土一般采用环刀法。
2、土的含水量
土中水的质量 mw 与固体（土粒）质量 ms 之比。
mw w 100 ％ ms
m湿－m干 w 100 ％ m干
含水量常用烘干法测定， 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 量接近于零到蒙脱土的含水 量可达百分之几百。
6.7 --- 限定粒径 中值粒径有效粒径 1.5
工程中常用不均匀系数Cu和曲率系数Cc来反映土颗粒级 配的不均匀程度。
可见，不均匀系数Cu反映了大小不同粒组的分布情况， 曲率系数Cc描述了级配曲线分布的整体形态。
工程上对土的级配是否良好可按如下规定判断：
① 对于级配连续的土：Cu>5，级配良好；反之，Cu<5， 级配不良。
土的结构和构造
土的结构是指土粒单 元的大小、形状、相互排 列及其联结关系等因素形 成的综合特征。
土的结构
单粒结构 蜂窝结构 絮凝结构
1、单粒结构 单粒结构是碎石土和砂土的结构特征。 紧密状单粒结构的土，强度较大，压缩性较小，是较为良 好的天然地基； 而具有疏松单粒结构的土，其骨架不稳定，当受到振动或 其他外力作用时，引起土体较大的变形，这种土层如未经处 理一般不宜作为建筑物的地基。 2、蜂窝结构 蜂窝状结构是以粉粒(0.075－0.005mm)为主的土的结构 特征。可承担一般的水平静荷载。但当其承受较高水平荷载 或动力荷载时，其结构将破坏，导致严重的地基沉降。 3、絮状结构 絮状结构是粘土颗粒特有的结构特征。土的结构形成以后， 当外界条件变化时，土的结构会发生变化。在取土试验或施 工过程中都必须尽量减少对土的扰动，避免破坏土的原状结 构。
土力学与地基基础2.土的性质及工程分类
2、液性指数（又称稠度指标）：
IL
p
Ip
IL表征土的天然含水率与界限含水率之间的相对关系。
例题P29 2-5
例 题
一黏性土IL= - 0.16，ωL=37.5%，IP=13.2。
求：黏性土的天然含水率ω？
第五节 地基土的工程分类
目的：任何一种土的分类体系，其目的都是
提供一种通用的鉴别标准，以便在不同土类 之间作有价值的比较、评价及累积和交流经 验。 一般粗粒土按颗粒组成进行分类；细小的粘 性土按塑性指数分类。
2）土的孔隙率
2.表示土中含水程度的指标
含水率ω是表示土中含水程度的一个重要指
标。此外，工程上还需要知道孔隙中充满水 的程度，这可用土的饱和度Sr表示。
3.表示土的密度和重度的几种指标
除了天然密度ρ（有时也叫湿密度）以外，工程计算中 还常用如下土的密度： 1.土的干密度
2.土的饱和密度
3.土的有效密度（或浮密度）
2.固体颗粒粒组及其划分
粒度-土粒的大小d，单位mm。 粒组-工程上常把大小、性质相近的土粒合 并为一组，称为粒组。见表2.1 粒度成分-土中各粒组的相对百分含量。
3. 粒度成分的分析方法
⑴筛分法：di>0.075mm利用一
套孔径由大到小的筛子，将按规 定方法取得的一定质量的干试样 放入一次叠好的筛中，置振筛机 上充分振摇后，称出留在各级筛 上的土粒的质量，按下式计算出 小于某土粒粒径的土粒含量百分 数X： mi
第二章
土的物理性质及工程分类
土的形成
土的组成
土的物理性质指标
土的物理状态指标 土的工程分类
第一节 土的生成与特性
一.土的生成
第二章土的工程性质与分类
（四 ）、土的含水量：土中水的重量与土粒重量之比，称为土的 含水量。以百分数计
• （五）土的饱和度Sr:土中被水充满的孔隙体 积与孔隙总体积之比，称为饱和度。 湿度 ω（%） 稍湿 ω ＜20 湿 20≤ ω ≤30 很湿 ＞30
（六）土的孔隙比e和孔隙率n 土的孔隙比是土中孔隙体积与土粒体积之比， 用小数表示 土的孔隙率比是土中孔隙所占体积与总体积之比， 用百分数表示
Dr=
emax-e emax-emin
相对密度Dr划分砂土紧密状态
紧密状态 实密 中密 稍密 松散 Dr 0.67＜Dr≤1 0.33＜Dr≤0.67 0.2＜Dr≤0.33 0≤Dr≤0.2
• 按标准贯入锤击数N值决定砂土密实度
密实度 实密 中密 稍密 松散 N值 N ＞30 15＜ N ≤30 10＜ N ≤15 N ≤10 按天然孔隙比e划分粉土密实度 密实度 实密 中密 稍密
粘性土对应状态示意图
固态
半固态
缩限 （ ws）
可塑状态
液态
液限 （ wL ）
塑限 （ wp ）
二、粘性土的塑性指数和液性指数 塑性指数Ip：指液限和塑限的差值， Ip= wL- wp 土的塑性指数Ip表示土处于可塑状态时的含水量变化范围， 塑性指数Ip大小与土中结合水的发育程度与含量有关。 液性指数IL：指粘性土天然含水量和塑限之差与塑性指数 之比，用小数表示。 I L= W- wp W- wp = Wl- wp Ip
土粒粒组划分
粒组名称 漂石或块石颗粒 卵石或碎石颗粒 圆砾或 角砾颗 粒 粗 中 细 粗 中 细 极细 粗 细 粒径范围（mm) ＞200 200～20 20～10 10～5 5 ～2 2 ～0.5 0.5 ～0.25 0.25 ～0. 1 0.1 ～0.075 0.075 ～0.01 0.01 ～0.005 ＜0.005 一般特征 透水性很大,无粘性,无毛细作用 透水性大,无粘性,毛细水上升高度不超过粒径大 小
• （五）土的饱和度Sr:土中被水充满的孔隙体 积与孔隙总体积之比，称为饱和度。 湿度 ω（%） 稍湿 ω ＜20 湿 20≤ ω ≤30 很湿 ＞30
（六）土的孔隙比e和孔隙率n 土的孔隙比是土中孔隙体积与土粒体积之比， 用小数表示 土的孔隙率比是土中孔隙所占体积与总体积之比， 用百分数表示
Dr=
emax-e emax-emin
相对密度Dr划分砂土紧密状态
紧密状态 实密 中密 稍密 松散 Dr 0.67＜Dr≤1 0.33＜Dr≤0.67 0.2＜Dr≤0.33 0≤Dr≤0.2
• 按标准贯入锤击数N值决定砂土密实度
密实度 实密 中密 稍密 松散 N值 N ＞30 15＜ N ≤30 10＜ N ≤15 N ≤10 按天然孔隙比e划分粉土密实度 密实度 实密 中密 稍密
粘性土对应状态示意图
固态
半固态
缩限 （ ws）
可塑状态
液态
液限 （ wL ）
塑限 （ wp ）
二、粘性土的塑性指数和液性指数 塑性指数Ip：指液限和塑限的差值， Ip= wL- wp 土的塑性指数Ip表示土处于可塑状态时的含水量变化范围， 塑性指数Ip大小与土中结合水的发育程度与含量有关。 液性指数IL：指粘性土天然含水量和塑限之差与塑性指数 之比，用小数表示。 I L= W- wp W- wp = Wl- wp Ip
土粒粒组划分
粒组名称 漂石或块石颗粒 卵石或碎石颗粒 圆砾或 角砾颗 粒 粗 中 细 粗 中 细 极细 粗 细 粒径范围（mm) ＞200 200～20 20～10 10～5 5 ～2 2 ～0.5 0.5 ～0.25 0.25 ～0. 1 0.1 ～0.075 0.075 ～0.01 0.01 ～0.005 ＜0.005 一般特征 透水性很大,无粘性,无毛细作用 透水性大,无粘性,毛细水上升高度不超过粒径大 小
2土的物理性质及分类
m ds (1 )
V
1 e
d
ms V
dsw
1e
1
e ds (1 )w 1
e ds w 1 ds (1 )
d
土的三相物理指标换算
sat
ms
VV w
V
(ds e)w
1 e
' ms Vs w ms (V VV )w
例题
标准贯入试验
标准贯入试验(SPT)是动 力触探的一种，它利用 一定的锤击动能（锤重 63.5±0.5kg，落距 76±2cm），贯入阻抗用 贯入器贯入土中30cm的 锤击数N表示，N63.5也 称为标贯击数
建筑地基土的分类
按《建筑地基基础设计规范》GB50072002和《岩土工程勘察规范》GB500212009，建筑地基土可分为碎石土、砂土、 粉土、黏性土及其它特殊类土。
砂质粉土：粒径小于0.005mm的颗粒含量不超过 全重10% 黏质粉土：粒径小于0.005mm的颗粒含量超过全 重10%
黏性土是指塑性指数Ip大于10的土。
又可分为粉质黏土和黏土两类。详见P55, 表2-19
特殊土
具有一定的分布区域或工程意义，具有 特殊成分、状态和结构特征的土。
1. 湿陷性土； 2. 红黏土； 3. 软土（淤泥、淤泥质土、泥炭质土等） 4. 混合土； 5. 填土； 6. 多年冻土； 7. 膨胀岩土； 8. 盐渍岩土
碎石土是粒径大于2mm的颗粒含量超
过全重的50%的土。详见P55,表2-16
砂土是指粒径大于2mm的颗粒含量不超
过全重50%、粒径大于0.075mm的颗粒超过 全重50%的土。详见P55,表2-17
土力学
第2章土的物理性质及工程分类1. 岩石有哪几种风化风化作用: 物理作用：岩石产生量的变化化学作用，生物作用岩石产生质的变化2. 土的三相组成是什么土的物质成分包括有作为土骨架的固态矿物颗粒、孔隙中的水及其溶解物质以及气体。
因此，土是由颗粒(固相)、水(液相)和气(气相)所组成的三相体系。
3. 土粒的主要矿物成分有哪些⑴原生矿物——由岩石经物理风化而成，其成分与母岩相同，包括：单矿物颗粒——一个颗粒为单一的矿物，如常见的石英、长石、云母、角闪石与辉石等，砂土多为单矿物颗粒；多矿物颗粒——一个颗粒中包含多种矿物，如巨粒土的漂石、卵石和粗粒土的砾石，往往为多矿物颗粒。
⑵次生矿物——母岩岩屑经化学风化，改变原来的成份，成为一种颗粒很细的新矿物，主要是粘土矿物。
粘土矿物的粒径d<0.005mm,肉眼看不清，电子显微镜下为鳞片状。
⑶腐植质4. 利用土颗粒的级配指标及级配曲线判断土的级配状态一土的固体颗粒·土中的固体颗粒(简称土粒)的大小和形状、矿物成分及其组成情况是决定土的物理力学性质的重要因素。
(一) 土的颗粒级配在自然界中存在的土，都是由大小不同的土粒组成的。
土粒的粒径由粗到细逐渐变化时，土的性质相应地发生变化，例如土的性质随着粒径的变细可由无粘性变化到有粘性。
将土中各种不同粒径的土粒，按适当的粒径范围，分为若干粒组，各个粒组随着分界尺寸的不同而呈现出一定质的变化。
划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。
根据界限粒径200、20、2、0．05和0．005mm把土粒分为六大粒组：漂石<块石)颗粒、卵石(碎石)颗粒、圆砾(角砾)颗粒、砂粒、粉粒及粘粒。
土粒的大小及其组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量(各粒组占土粒总量的百分数)来表示，称为土的颗粒级配。
颗粒分析试验：筛分法；密度计法,移液管法根据颗粒大小分析试验成果，可以绘制如图1—10所示的颗粒级配累积曲线由曲线的坡度可判断土的均匀程度有效粒径；限定粒径。
第二章 土的物理性质及工程分类
土粒质量 ms d 总体积 V
三、其他常用指标
1. 特殊条件下土的密度和重度
土的干重度 d
干重度—土单位体积土粒重量（kN/m3)
Ws ms g d d g m V V m w
ms
气
水 土粒
Va Vw Vs
Vv
三、其他常用指标
1. 特殊条件下土的密度和重度
（2）饱和密度和饱和重度 饱和密度 sat 饱和密度—孔隙充满水时土单位体积质量 （g/cm3或t/m3)
土粒质量 ms s 土粒体积 Vs
气
m mw ms 水 土粒 Va Vw Vs Vv
二、基本试验指标
1. 土粒相对密度 ds 土粒相对密度—土颗粒质量与同体积的4oC时的 纯水的质量之比。
Gs
Vs w1
ms
s w1
气
m mw 水 土粒
Va Vw Vs
Vv
纯水在4oC时的密度， 等于1g/cm3或1t/m3。
矿 物 质
固 体 颗 粒
次生矿物
固体颗粒矿物成分
原生矿物：原岩经物理风化生成的土粒，成分与母岩 完全相同，如石英、长石、云母等 ；颗粒较粗，一般 为无粘性土；圆形、板状、块状；吸水力弱、稳定、 无塑性；
云母
石英 长石 角闪石
石英 晶体
云母 晶体
次生矿物：由原生矿物经化学风化作用而形成的矿物。 颗粒较细，一般为粘土矿物，如高岭石、伊利石、蒙 脱石，形成粘性土。片状、极细；吸水力强、活泼、 有塑性。
粘粒
粉粒
细粒
砂粒
粗粒
角砾/ 圆砾
卵石/ 碎石
巨粒
块石/ 漂石
二）、粒度成分的分析方法
第二章土的物理性质及工程分类
②次生矿物
固相 构成
风化 程度
颗粒 大小
特点及对工程性质、力学性质 的可能影响
高度的分散性,呈细粒状,它的
次生 矿物（蒙 脱石、伊 利石、高
岭石）
化学 风化
细小，呈片 状 ,是粘性 土固相的主 要成分。
含量的变化对粘性土性质十分 敏感,巨大的比表面使其具有 很强的与水相互作用的能力, 它的结晶结构的不同,会带来 其工程性质的显著差异。
1 、粒度：指土粒的大小，通常用粒径d表示，单位mm。 注：当d越小时，粘性越好；反之，当d越大时，粘性越差。 2 、粒组：界于一定粒度范围内的土粒。 3、界限粒径：划分粒组的分界尺寸。 注：工程上根据界限粒径200、60、2、0.075和0.005mm把土粒
分为：漂石（块石）颗粒、卵石（碎石）颗粒、园砾（角砾） 颗粒、砂粒、粉粒及粘粘六大类。
Teacher Yang Ping
第二节 土的三相组成
①在天然状态下，土呈三相系，即由固体颗粒、水和 空气三相所组成。
②饱和土和干土都是二相土。 注：当孔隙全部为水填充时，称为饱和土。反之，当
孔隙中没有水，全部为气体填充时，称为干土。
Teacher Yang Ping
一、土中固体颗粒（简称土粒） ㈠、基本概念
四、孔隙比e
1.概念：土中孔隙体积与土粒体积之比。
2.计算公式：
e Vv Vs
注：孔隙比反映了土的密实度，e<0.6时，土是密实的
低压缩性土；e>1时，土是疏松的高压缩性土。同一类
土的孔隙比越大，土的压缩性和透水性越大，而其强
度就越小。
Teacher Yang Ping
五、孔隙率n 1.概念：土中孔隙体积与土体体积之比，用百分数表示。 2.计算公式：
2 土力学(composition)土的物理力学性质及分类
Va Vw Vs Vv V
mw m ms w(%) ms ms
质量
体积
注意: 其实是含水比, 可达到或超过100％
8
§2土的物理性质及分类
§2.1土的三相比例指标
烘干法
§2土的物理性质及分类
§2.1土的三相比例指标
Air Water Solid
Va Vw Vs Vv V
３. 其它常用物理性质指标 表示土中孔隙含量的指标
sat sat g
sat w
有效重度 浮密度
？
§2土的物理性质及分类
§2.1土的三相比例指标
Air
Water
各种密度重度之间的大小关系：
天然密度
干密度
饱和密度 天然重度
sat ms d V ms wVv sat V
g
d d g
§2土的物理性质及分类
§2.1土的三相比例指标
小结
物理性质指标 松密程度 干湿程度 轻重程度 定义 土的三个组成相的体积和质量上 的比例关系
室内测定的三个物理性质指标 土的密度、土粒比重、土的含水量 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 表示土的密度和重度的指标 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
21
p0.002: 粒径小于0.002mm颗粒的质量占总土总质量的百分比 （取数值大小）
§2土的物理性质及分类
§2.2黏性土的物理特征
液、塑限的测定
测定塑限的方法：搓条法和液塑限联合测 定法
测定液限的方法：碟式仪法和液塑限联
合测定法 液、塑限联合测定法：
土的物理性质及分类
2.1.4 土的结构和构造
1. 单粒结构
2. 蜂窝结构 3. 絮凝结构
2.1.5土的构造：土体在空间构成上不均匀特征的总和。
不同土类和成因类型，构造特征不一样 1. 层状构造 2. 分散构造
3. 裂隙构造
2.1.4 土的结构和构造
（c） 孔隙胶结物（2000倍）
（a） 粒间空隙（500倍） （b）微裂隙（1200倍）
2.1.4 土的结构和构造
粘土矿物的片状结构
粘土矿物的定向排列
粘土矿物中的网状结构
2.2
土的三相比例指标
三相简图法
Three-phase diagram
ma=0
m mw ms
Air Water Soil
Va Vv Vw Vs V
质量mass/quality
体积volume
2.2.1 室内测定的三个基本物理指标
2.1.2 土中水（liquid
1、结合水
强结合水
phase）
弱结 合水
重力水
2、自由水
毛细水
2.1.2 土中水（liquid
毛细水
phase）
毛细水导致岩块产生裂 缝、肿胀现象
2.1.3 土中气体
vapor phase
土中气体按其所处的状态和结构特点可分以下几种类型： 自由气体：与大气连通，对土的性质影响不大 封闭气体：增加土的弹性；阻塞渗流通道
对数 坐标
粒径(mm)
0.01 0.005
0.001
0.10 0.05
1.0 0.5
10 5.0
小于某粒径土重含量（％）
特征粒径及定义 d60 : 限定粒径;d30 : 中值粒径
100 Particle-size distribution curve d10 : 有效粒径;d50 :平均粒径 90 80 分别相当于小于某粒径土 70 重累计百分含量为60％、 60 50%、30％及10％对应的粒 50 径，d60>d50>d30>d10 40 30 20 度量指标 10 （1）土粒大小的均匀程度： d60 d30 d10 0 Cu = d60 / d10（不均匀系数） lgd (mm)
土的物理性质及工程分类
的抵抗能力,是粘性土最主要的物理状态特征。
•0
•塑限ωP
•液限ωL
•ω
•固态或半固态
•可塑状态
•流动状态
• 粘性土由某一种状态过渡到另一状态的界限含水量称为土的 稠度界限。
• 液塑限测定根据《土工试验规程》(SL237-007-1999)规定，采 用液塑限联合测定仪进行测定。
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土的物理性质及工程分类
•说明：塑性指数的大小取决于土颗粒吸附结合水的能力,即与土中 粘粒含量有关。粘粒含量越多,塑性指数就越高
•液性指数IL是粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比
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•说明：液性指数表征土的天然含水量与界限含水量间的相对关系。 当IL≤0时,ω≤ωP,土处于坚硬状态;当IL＞1时,ω＞ωL,土处于流动 状态。根据IL值可以直接判定土的软硬状态
•风化（物理、 化学）作用
•岩石破碎
•岩
化学成分
石
改变
•搬运沉
积 •大小、形状和 成分都不相同的 松散颗粒集合体 （土）
•固 相 •土 •液 相 •气 相
•土中颗粒的大小、成分及三相之间的相互 作用和比例关系，反映出土的不同性质。
土的物理性质及工程分类
§2.1 土的组成及其结构与构造
v 一、土的固相
•分类方法：
•1.《建筑地基基础设计规范》(GB50007－2002)
• 根据土粒大小、粒组的土粒含量或土的塑性指数把地基土 （岩）分为岩石、碎石土、砂土、粉土和粘性土五大类。
•a.岩石的分类
• 颗粒间牢固粘结,呈整体或具有节理隙的岩体称为岩石，坚硬 程度可根据岩块的饱和单轴抗压强度frk分类
•坚硬程度类别 •坚硬岩 •较硬岩 •较软岩 •软岩 •极软岩
•0
•塑限ωP
•液限ωL
•ω
•固态或半固态
•可塑状态
•流动状态
• 粘性土由某一种状态过渡到另一状态的界限含水量称为土的 稠度界限。
• 液塑限测定根据《土工试验规程》(SL237-007-1999)规定，采 用液塑限联合测定仪进行测定。
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土的物理性质及工程分类
•说明：塑性指数的大小取决于土颗粒吸附结合水的能力,即与土中 粘粒含量有关。粘粒含量越多,塑性指数就越高
•液性指数IL是粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比
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•说明：液性指数表征土的天然含水量与界限含水量间的相对关系。 当IL≤0时,ω≤ωP,土处于坚硬状态;当IL＞1时,ω＞ωL,土处于流动 状态。根据IL值可以直接判定土的软硬状态
•风化（物理、 化学）作用
•岩石破碎
•岩
化学成分
石
改变
•搬运沉
积 •大小、形状和 成分都不相同的 松散颗粒集合体 （土）
•固 相 •土 •液 相 •气 相
•土中颗粒的大小、成分及三相之间的相互 作用和比例关系，反映出土的不同性质。
土的物理性质及工程分类
§2.1 土的组成及其结构与构造
v 一、土的固相
•分类方法：
•1.《建筑地基基础设计规范》(GB50007－2002)
• 根据土粒大小、粒组的土粒含量或土的塑性指数把地基土 （岩）分为岩石、碎石土、砂土、粉土和粘性土五大类。
•a.岩石的分类
• 颗粒间牢固粘结,呈整体或具有节理隙的岩体称为岩石，坚硬 程度可根据岩块的饱和单轴抗压强度frk分类
•坚硬程度类别 •坚硬岩 •较硬岩 •较软岩 •软岩 •极软岩
土力学第二章-土的工程分类
• 含细粒土砾： 细颗粒含量5-15%的土。
• 细粒土质砾：
细颗粒含量15-50%的土，分为粘土质砾和粉土质砾。
砂类土的分类
• 砂类土分类： 砂、含细粒土砂、细粒土质砂 • 砂： 细颗粒含量<5%的土，分为级配良好砂和级配不良砂。 • 含细粒土砂： 细颗粒含量5-15%的土。 • 细粒土质砂： 细颗粒含量15-50%的土，分为粘土 指粗粒组含量<25%的土。 • 含粗粒土的细粒土： 指粗粒组含量在25-50%之间的土。 • 塑性图： 塑性图以液限表示横坐标，以塑性指数表示作坐标。 • 细粒土按照塑性图分类： 高液限粘土、低液限粘土、高液限粉土、低液限粉土
粗粒土的分类
• 粗粒土分类： 砾类土、砂类土 • 砾类土： 指粗粒土中砾粒组（2-60mm）的含量>50%的土。 • 砂类土： 指粗粒土中砂粒组(0.075-2mm）的含量>50%的土。 • 砾类土和砂类土又可以进一步分类。
砾类土的分类
• 砾类土分类：
砾、含细粒土砾、细粒土质砾 • 砾：
细颗粒含量<5%的土，分为级配良好砾和级配不良砾。
土的大类
•
•
• • •
土的分类： 有机土：有机质含量大于5%的土 无机土：有机质含量小于5%的土 工程用土是无机土 无机土分类： 巨粒土、粗粒土、细粒土 巨粒土：指粒径大于60mm以上的颗粒含量>50%土 粗粒土：指粒径大于0.075mm以上的颗粒含量>50%土 细粒土：指粒径小于0.075mm以下的颗粒含量>50%土
巨粒土的分类
• 巨粒土分类： 巨粒类土、巨粒混合土 • 巨粒类土： 指巨粒土中巨粒组的含量>50%的土。 分为： 巨粒土：巨粒组含量在75-100%之间 混合巨粒土：巨粒组含量在50-75%之间 • 巨粒混合土： 指巨粒组含量在15-50%之间的土。 • 如巨粒组含量<15%，扣除巨粒，按粗粒土或细粒 土分类。
• 细粒土质砾：
细颗粒含量15-50%的土，分为粘土质砾和粉土质砾。
砂类土的分类
• 砂类土分类： 砂、含细粒土砂、细粒土质砂 • 砂： 细颗粒含量<5%的土，分为级配良好砂和级配不良砂。 • 含细粒土砂： 细颗粒含量5-15%的土。 • 细粒土质砂： 细颗粒含量15-50%的土，分为粘土 指粗粒组含量<25%的土。 • 含粗粒土的细粒土： 指粗粒组含量在25-50%之间的土。 • 塑性图： 塑性图以液限表示横坐标，以塑性指数表示作坐标。 • 细粒土按照塑性图分类： 高液限粘土、低液限粘土、高液限粉土、低液限粉土
粗粒土的分类
• 粗粒土分类： 砾类土、砂类土 • 砾类土： 指粗粒土中砾粒组（2-60mm）的含量>50%的土。 • 砂类土： 指粗粒土中砂粒组(0.075-2mm）的含量>50%的土。 • 砾类土和砂类土又可以进一步分类。
砾类土的分类
• 砾类土分类：
砾、含细粒土砾、细粒土质砾 • 砾：
细颗粒含量<5%的土，分为级配良好砾和级配不良砾。
土的大类
•
•
• • •
土的分类： 有机土：有机质含量大于5%的土 无机土：有机质含量小于5%的土 工程用土是无机土 无机土分类： 巨粒土、粗粒土、细粒土 巨粒土：指粒径大于60mm以上的颗粒含量>50%土 粗粒土：指粒径大于0.075mm以上的颗粒含量>50%土 细粒土：指粒径小于0.075mm以下的颗粒含量>50%土
巨粒土的分类
• 巨粒土分类： 巨粒类土、巨粒混合土 • 巨粒类土： 指巨粒土中巨粒组的含量>50%的土。 分为： 巨粒土：巨粒组含量在75-100%之间 混合巨粒土：巨粒组含量在50-75%之间 • 巨粒混合土： 指巨粒组含量在15-50%之间的土。 • 如巨粒组含量<15%，扣除巨粒，按粗粒土或细粒 土分类。
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【例2-1】已知某土样ρ =1700Kg/m3 ,ds=2．67 ,
ω=14%
【解】：用三相草图法，如图
ma=0 ①令V=1 m3 气 ②则重量m= ρ *V=1700kg 水 ③而ω=mω ／mＳ m=mω +ms 土 解得ms=1490kg mω =210kg 粒 ④Vs=ms/ds= 1.49/2.67= 0.558 m3 ⑤Vv = V-Vs =1-0.558=0.442 m3 ⑥Vω =mω /ρω = 210/1000 = 0.21 m3 在图中填各数 ⑦可得 e =VV / Vs=0.79 Sr= Vω /VV=0.47 ms VV w 1490 0.442 1000 sat 1910 kg / m3 V 1
2．液性指数IL liquidity index p P IL L P Ip
讨论： ① IL表示土的软硬程度, 用IL划分土的软硬状态，IL↑， 土软↑, IL<0 坚硬， IL>=1流动状态。 ② 没考虑土的结构影响，在含水量相同时，原状土比 重 塑土硬，故用IL判断重塑土合适，但对原状土偏于保守。
注：1)：干密度(g/cm3)
dry density
ms d V
2:)：饱和密度(g/cm3) sat ms mw ms VV w V Vs Vw Va
saturated density
3)：浮密度(g/cm3) 显然：ρ 重力密度 (简称重度)
sat>ρ
2 土的物理性质及分类
主要内容
概 述 土的三相比例指标 黏性土的物理特征 无黏性土的密实度 粉土的密实度和湿度 土的胀缩性、湿陷性和冻胀性 土的分类
1
2.1概 述
土 的 物 理 性 质 土 的 化 学 性 质
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
土的三相组成 三相比例大小
2
2.2 土的物理性质指标
2.2.1-2.2.2 土三相比例关系及指标定义
31
2.7.4公路桥涵地基土的分类
碎石土、砂土、粉土的分类与《建筑地基基础设计规范》 完全相同。粘性土的定义稍有差异，除要满足塑性指数 大于10之外，还要求粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过 总质量50%的土，另外按沉积年代划分黏土。
液塑限联合测定仪
液限
塑限
下沉深度为17mm所对应的含水量为液限;下沉深度为 2mm处所对应的含水量为塑限。
12
13
2.3.3黏性土的活动度、灵敏度和触变性
活动度：反映黏性土 中所含矿物的活动性
A<0.75 不活动
IP A m
0.75<A<1.25 正常
A>1.25
活动
14
2.3.3黏性土的灵敏度
灵敏度：
低灵敏度
1 St 2 2 St 4 St 4
15
qu St ' qu
中灵敏度
高灵敏度
2.3.3黏性土的触变性、
概念：黏性土的抗剪强度随时间恢 复的胶体化学性质 实质：微观结构多为片架结构，含 较多结合水，随着时间被破坏的原 始黏聚力部分得到恢复
16
2.4 无粘性土的密实度
（4）粉土——粒径>0.075mm颗粒含量≤50%全土重， 且IP≤10的土。e<0.6良好天然地基，e>1.0为软弱地 基。 （5）粘性土——塑性指数IP＞10的土称为粘性土，
粘性土根据塑性指数细分。
土的名称 粘土 塑性指数 IP＞17 10＜IP≤17
30
粉质粘土
3。其他
① 软土：（e≥1，ω ≥ω L )压缩性高、 强度低和具有灵敏性、结构性。其包括 淤泥、淤泥质粘性土、淤泥质粉土。 ②红粘土（云贵，广西） ③黄土（西北、华北） ④ 膨胀土：自由膨胀率>40%,十几个省 ⑤ 多年冻土 ⑥ 盐渍土 ⑦ 污染土
①老沉积土：第四纪晚更新世Q3及其以前沉积的 土，呈超固结状态、具有较高的结构强度 ②新近沉积土：第四纪全新世近期沉积的土，一般 呈欠固结状态、结构强度较低
28
2.7.2建筑地基土的分类
2、根据土粒大小、粒组的土粒含量或土的塑性指数 把地基土（岩）分为岩石、碎石土、砂土、粉土和粘性 土五大类。（与书上P54稍有差异） （1）岩石 颗粒间牢固粘结,呈整体或具有节理隙的岩体称为岩 石，坚硬程度可根据岩块的饱和单轴抗压强度frk分类。
d min
相对密实度 D emax e 0.42∈（1/3,2/3] 中密状态 r
emax emin
19
•3 据标准贯入击数判断（新规范采用）
标准贯入 试验方法 锤重(63.5kg) 落距(76cm) 入土中30cm 锤击数N
《建筑地基基础设计规范》： N>30密实；15<N≤30中密；10<N≤15稍密； N≤10松散 《公路桥涵地基及基础设计规范》 N≥30密实；10 ≤N<30中密；5 ≤N<9 稍密； N<5松散 骨架颗粒含量和排列 4 碎石土密实度野外鉴别 可挖性和可钻性
s
ma=0
气 水 土 粒
—土粒密度，即土颗粒单位体积的质量(g/cm3)
土的相对密 度测定方法
粘性土：ｄs ＝2.7～2.75 砂性土：ｄs ＝2.65
比重瓶法
土中有机质含量增加， 土粒相对密度减小
5
Vs
Vw Va VV
ms / Vs
s 4
ma=0
气 水 土 粒
•二、反映土的松密程度的指标
完全饱和
Sr>80%饱和 Sr=0完全干燥
6
Vs
Vw Va VV
2.2.3指标间的换算 2.2.3指标的换算
注： （1） 实验直接测定的指标为：ρ， ω，ds(或ρs） （2） 各指标间关系可用三相草图法 换算,不必死记这些换算公式 土的三相比例指标换算公式（表2-2）
7
五、例题分析
求e、Sr及ρsat
2.工程材料系统分类体系
侧重把土作为建筑材料，用于路堤、土坝和填土地基工程。 研究对象为扰动土，例如：《土的分类标准》(GB/T501452007)工程用土的分类和《公路土工试验规程》(JTJ051-93) 土的工程分类
27
2.7.2建筑地基土的分类
《建筑地基基础设计规范》(GB50007－2002) 1、按沉积年代和地质成因划分
2.6土的胀缩性、湿陷性和冻胀性
2.6.1土的胀缩性
胀缩性：吸水膨胀和 失水收缩的特性
自由膨胀率
VW V0 ef 100% V0
膨胀土
①裂隙发育、常有光滑面 和擦痕 ②多出露于阶地、山前… ③常见浅层滑坡、地裂、坍塌 ④裂隙随其气候张闭
23
ef 40%
2.6.2土的湿陷性
质量m
ma=0
体积V 一、反映土轻重程度的指标
Vw Va
mw
m
水
土粒
ms
Vs
V
Vv
气
1.土的天然密度ρ：单位体积土的 质量(g/cm3) ms mw m V Vs Vw Va
土的三相图 Three phase skeletal
土的密度 测定方法
环刀法
蜡封法
灌砂法
3
一般 ρ ＝1.6～2.2g／cm3
1．孔隙比void ratio 2．孔隙率porosity
m ms mw
e=vv/vs
n=vv/v×100%
三、反映土中含水程度的指标——ω ，Sr
1、土的含水率(含水量) water content 用烘干法测定
m 100% ms
Sr=100%
2．土的饱和度 degree of saturation Sr =vw/vv ×100%
The compactness of none-cohesive soil
无粘性土主要包括砂类土和碎石土，而影响无粘性
土工程性质的主要因素是密实度
1.孔隙比e （老规范）:没考虑级配因素 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。
17
2.由相对密实度Dr判断（公路规范用）
9
2.3.2黏性土的物理状态指标
1．塑性指数Ip plasticity index Ip=WL－Wp
讨论： ①塑性指数表示粘土处在可塑状态时含水量的变化范围. ②Ip取决于： 颗粒细↑，土能吸附水量↑，IP↑； 矿物成分，吸水能力↑，IP↑，故蒙脱含量↑，则IP↑； 水中离子成分和浓度,价高阳离子数↑，IP↓。 ③粘性土的分类常用于IP
ms Vs w V
>ρ d>ρ ˊ
天然重度γ =ρ g 干 重度 γ d=ρ dg 饱和重度γ sat=ρ satg 浮重度 γ ˊ=ρ ˊg
γ
sat>γ
>γ d>γ ˊ
4
2.土粒相对密度ｄs（土粒比重）：无量纲
单位体积土颗粒质量与4℃纯水单位体积的质量之比
4
m ms mw
ds
ρ
10
3．天然稠度(natural consistency)
L L P
路基的干湿状态
测定：烘干法
《公路沥青路面设计规范》 （JTJD60-2006）
c c1 中湿 c1 c c 2 潮湿 c 2 c c 3 过湿 c c 3
干燥
11
【解答】 砂土在天然状态下的孔隙比
e
1
砂土最小孔隙比
d max
m s1 1.62g / cm3 V
砂土最大孔隙比
d min
emax
emin