第二章 土的工程性质和工程分类

Vv e n= = V 1+ e
n e= 1− n
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干密度与湿密度和含水率的关系
m ρ d + wρ d ρ= = = ρ d (1 + w) V 1
ρd =
ρ
1+ w
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ห้องสมุดไป่ตู้
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孔隙比与相对密度和干密度的关系
ms ρs ρd = = V 1+ e
hmax 2σ 4σ = = r γ w dγ w
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当土层解冻时，土中积聚的冰晶体融 化，土体含水量突然增加，使地基土体软 化并下陷，即出现融陷现象。土的冻胀现 象和融陷现象是季节性冻土的特性，亦即 土的冻融特性。 发生冻胀时，路基隆起，柔性路面鼓 包、开裂、刚性路面错缝或折断；发生融 陷后，路基土在车辆反复辗压下，轻者路 面变得松软，重者路面断裂翻浆
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第三节土的力学性质 土的力学性质
土的压缩性、抗剪性和压实性 黏性土灵敏度和触变性 影响土的力学性质的因素
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土的压缩性 土的压缩性指土在压力作用下体积压缩变 小的性能 土的压缩通常有三部分：（1）固体土颗粒 被压缩；（2）土中水及封闭气体被压缩； （3）水和气体从孔隙中挤出 对于透水性较大的无黏性土，由于水容易 排出，压缩过程很快就可完成；而对于饱 和黏性土，由于透水性小，排水缓慢，故 要达到压缩稳定需要很长时间。
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土的冻胀性 在寒冷天气，受大气负温影响，土中 的自由水首先冻结成冰晶体，随着气温继 续下降，弱结合水的最外层也开始冻结， 使冰晶体逐渐扩大。另外 ，下卧层未冻结 区水膜较厚处的弱结合水，被吸引到水膜 较薄的冻结区，并参与冻结，使冰晶体增 大 ，在土层中形成冰夹层，土体随之发生 隆起，即冻胀现象。
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土的三相图 为便于说明这 些物理性质指标 的定义和它们的 换算关系，常用 三相图表示土体 内三相的相对含 量。
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试验直接测定的物理性质指标
～土的密度ρ和容重γ
密 度 容 重
定义：单位体积土的质量，用ρ表示 单位： Mg/m3或 g/cm3
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间接换算的物理性质指标 定义： 土中孔隙的体积与土粒的体积之比， 以小数表示 表达式：
Vv e= Vs
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土中孔隙率n
定义： 土中的孔隙的体积与土的总体积之比， 以百分数表示 表达式：
Vv n = × 100% V
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黏性土由一种稠度状态转变为另一种稠度 状态时，所对应的转变点(临界点)的含水 量称为稠度界限(界限含水量) 由固态转变到半固态的界限含水量，称为 缩限（wS）；半固态转变到塑态的界限含水 量，称为塑限(wP)；由塑态转变到流态的界 限含水量，称为液限(wL) 液塑限的测定可以采用“联合测定法”
ρ sat
γ sat
Ws + Vv × γ w = = ρ sat × g V
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ms + Vv × ρ w = V
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 m s − Vs × ρ w 表达式： ′
ρ =
γ ′ = ρ′× g
ρ ′ = ρ sat − ρ w
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光电式液塑限联合测定仪
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黏性土的液性指数
w − wP w − wP IL = = wL − wP IP
粘性土即使具有相同的含水率，也未必处于同样的状态， 与无粘性土的相对密实度相似，粘性土的状态用液性指数 来判别。 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。
击实仪
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影响土的压实性的因素 含水率的影响
对同一种土料，分别在不同的 含水率下，用同一击数将他们 分层击实，测定土样的含水率 和密度，然后以含水率为横坐 标，干密度为纵坐标，绘制击 实曲线。 从图中可以看出，当含水率较 小时，土的干密度随着含水率 的增加而增大，而当干密度增 加到某一值后，含水率继续增 加反而使干密度减小。干密度 的这一最大值称为该击数下的 最大干密度，此时对应的含水 率称为最优含水率。
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土的压实性 人们很早就用土作为建筑材料，而且知 道要把松土击实。公元前200多年，我 国秦朝修筑驰实（行车大道），就有用 “铁锥筑土坚实”的记载，说明那时人 们已经认识到土的密度和土的工程特性 有关。
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土的压实性指在一定的含水率下，以人工 或机械的方法，使土体能够压实到某种密 实程度的性质。 土工建筑物，如土坝、土堤及道路填方是 用土作为建筑材料填筑而成，为了保证填 土有足够的强度，较小的压缩性和透水性。 在施工中常常需要压密填料，以提高土的 密实度和均匀性。填土的密实度常以其干 密度来表示。 在实验室内研究土的密实性是通过击实试 验进行的。
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土的饱和度Sr 定义： 土中孔隙水的体积与孔隙体积之比， 以百分数表示 表达式：
Vw Sr = × 100% Vv
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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：
ms ρd = V
ms × g γd = = ρd × g V
e=
Gs ρ w
ρd
−1
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饱和度与含水率、相对密度和孔隙比的关系
wρ s
Vw wG s ρw Sr = = = Vv e e
e = wsat G s
wsat
饱和含水率
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浮密度与相对密度和孔隙比的关系
ms − Vs ρ w ρ s − ρ w (Gs − 1)ρ w ρ′ = = = V 1+ e 1+ e
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击实功能的影响 实验室中的击实功能是用击数来反映的， 对同一种土，压实功能小，则能达到的最 大干密度也小，最优含水率大；压实功能 大，则能达到的最大干密度也大，最优含 水率小 用同一种土料在不同含水率下分别用不同 的击数进行击实试验，就能得到一组随击 数而异的含水率与干密度关系曲线。
第二章 土的工程性质和工程 分类
第一节 土的物理性质
概念 所谓土的物理性质就是表示土中三相比例关 系的一些物理量。 土的物理性质指标不仅可以描述土的物理性 质和它所处的状态，而且在一定程度上反映 了土的力学性质。
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土的物理性质指标的分类 一类是必须通过试验测定的，如含水率、 密度和土粒比重，称为基本指标； 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
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土的抗剪性 土的抗剪性是指土抵抗剪切破坏的性质 土是由固体颗粒组成的，土粒间的连结强 度远远小于土粒本身的强度，故在剪应力 作用下，多数土体(如砂类土、细粒土)发 生的剪切破坏，并不是土粒本身的破坏， 而是土粒间发生相对错动，引起土的一部 分相对另一部分沿着某个面发生与剪切方 向一致的滑动
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判定
w ≤ wP
IL ≤ 0
wP < w ≤ wL
0 < I L ≤ 1.0
土处于坚硬状态
土处于可塑状态
wL < w
I L > 1.0
土处于流动状态
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注意
由于液限和塑限目前都是用扰动土测定 的，土的结构已彻底破坏，而天然土一 般在自重作用已有很长的历史，它获得 了一定的结构强度，以至于土的天然含 水率大于它的液限也未必一定会发生流 动。含水率大于液限只是意味着：若土 的结构遭到破坏，它将转变为粘滞泥浆。
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塑性指数
液限和塑限之差的百分数值（去掉百分号） 成为塑性指数 Ip
塑性指数表示处于可塑状态时土的含水率可变化幅 度。塑性指数越大，可塑状态含水率变化范围也大。塑 性指数是反映粘性土性质的一个综合性指标。一般地， 塑性指数越高，土的粘粒含量越高，所以常常用作粘性 土地分类指标
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击实试验 轻型：粒径小于5毫米
H = 30.5cm
V = 947cm 3 G = 2.5 Kg
25下，分三层击实
重型：粒径小于40毫米
V = 2104cm 3 G = 4.5 Kg
H = 45.7cm
56下，分5层击实
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土粒的相对密度 定义： 土的质量与同体积4℃时纯水的质量 之比（无因次） 表达式 ：
ms ρs Gs = = Vs × ( ρ w ) 4°c ( ρ w ) 4°c
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土的相对密度Gs 测定方法： 比重瓶法，事先将比重瓶注满纯 水，称瓶加水的质量m1。然后把烘干土若 干克(ms)装入空比重瓶内，再加纯水至满， 称瓶加水加土的质量m2，按下式计算土粒 比重
ms Gs = m1 + m s − m2
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土的相对密度Gs
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土的含水率 含水率： 土中水的质量与土粒质量之比，以百 分数表示 表达式：
mw w= × 100% ms
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土的含水率 测定方法： 烘干法。先称出天然湿土的质量，然 后放在烘箱里，在100～105℃下烘干， 称干土的质量。
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第二节 土的水理性质 一、土的毛细性、冻胀性 二、黏性土的稠度和可塑性
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土的毛细性、冻胀性 土层中的毛细水带
土中毛细水分布图
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毛细水上升的原因 1.水与空气的分界面上存在着表面张力， 而液体总是力图缩小自己的表面积，以使 表面自由能变得最小。 2.毛细管管壁的分子和水分子之间有引力 作用，这个引力使与管壁接触部分的水面 呈向上的弯曲形状，这种现象称为浸润现 象。 3.毛细水上升的实际高度一般不超过数米。
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干密度ρd干容重γd 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。
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饱和密度ρsat与饱和容重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：
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土的冻胀规律： 土的毛细现象显著则冻涨性较强 地下水位较高，水源补给充足，冻涨性也 较强 气温缓慢下降而负温持续时间越长，冻涨 性越强
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黏性土的稠度和可塑性 黏性土的稠度的概念 黏性土因含水多少而表现出的稀稠软硬程 度或在外力作用下引起变形或破坏的抵抗 能力，称为稠度 。 因含水多少而呈现出的不同的物理状态称 为黏性土的稠度状态。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，其中固态又可细分为固态和半固态 两种。
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V
各种密度之间的比较
ρ sat > ρ > ρ d > ρ ′
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物理性质指标间的换算
常用的物理性质指标共有9个，一般说，已 知其中任意3个，通过换算，可以求其余6 个。
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孔隙比与孔隙率的关系
m m s + m w + ma = 表达式： ρ = V V s + V w + Va
定义：单位体积土的重量，用γ表示 单位：kN/m3
W m× g 表达式： γ = V = V = ρ × g
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土的密度ρ和容重γ
测定方法：环刀法
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