第一章土的物理性质及工程分类

2. 粘性土的物理状态指标
无粘性土为单粒结构，土粒与土中水的相互作用不明显，但是粘性土颗粒很细，土粒
与土中水相互作用明显，关系密切，同一种土随着含水率的增加土的状态变化为固态—半
固态—可塑状态—液体状态，可见粘性土的主要物理特征并非非粘性土使用的指标，而是
稠度（反映土粒间的联结强度随着含水率高低而变化的性质）。
2）表达式：
Gs
固体颗粒的密度 纯水4℃时的密度
=
Vs w (4℃)
s w (4℃)
）
3）常见值：砂土 Gs =~2,69，粉土 Gs =~,粘性土~，数值大小取决于矿物成分。 4） 测定方法：比重瓶法；经验法。
（3）土的含水率
1）物理意义:土体中水的质量与固体矿物质量的比值，用百分数表示。
2）表达式：
' sat w
3）常见值： ' 8 ~ 13kN / m3 。
*有效密度：
' ms Vs w
）
V
延伸：各种密度和重度之间的大小关系
天然密度： 干密度：

m V
d
ms V
天然重度： g
sat
d
干重度： d d g 饱和重度： sat sat
g
sat
d
饱和密度：sat
ms
水的质量 固体颗粒质量
=
mw ms
100%
（）
3）常见值：砂土 0% ~ 40% ，粘性土 20% ~ 60%， 0 ，粘性土呈坚硬状态。
4）测定方法：烘箱法。
2. 反映土的松密程度的指标
（1）土的孔隙比 e
1）物理意义：土中孔隙体积与固体颗粒体积之比。
2）表达式：
e
孔隙体积 固体颗粒体积
=
VV VS
wVv V
浮重度： sat w
规律总结：
（1）当设Vs 1 时，
Vs
1
ms
Gs
mw
Gs
Vw
m
Gs (1 )
V
(1 )Gs
Vv
(1 )Gs
1
（2）当设V 1时，
V
1
m
ms
1
mw
1
Vw
Vs
GS (1 )
Vv
1
GS (1 )
四、 土的物理状态指标
1. 无粘性土的密实度 （1） 孔隙比标准（同级配）
（2）封闭气体：与大气隔绝，加载缩小，卸载膨胀，使土的渗透性降低。
三、 土的物理性质指标
1. 土的三项基本物理性质指标（此三项均由实验室测定）
（1）土的密度 和土的重度 1）物理意义： 为单位体积土的重量， g / cm3 。
单位体积土所受的重力，即 g 9,8 10, kN / m3 。
课题: 第一章 土的物理性质及工程分类
一、 教学目的：1.了解土的生成和工程力学性质及其变化规律； 2.掌握土的物理性质指标的测定方法和指标间的相互转换； 3.熟悉土的抗渗性与工程分类。
二、教学重点： 土的组成、土的物理性质指标、物理状态指标。 三、教学难点： 指标间的相互转换及应用。 四、教学时数： 6 学时。 五、习题：
（2） 相对密度标准：
Dr
emax e emax emin
（）
用 Dr 指标可将土的密实程度分为：松散（ Dr <1/3）中密（1/3< Dr <2/3）密实（ Dr >2/3） 三种状态。
（3） 贯入试验标准 一种现场原位测试试验：钢锤提升 76cm 高度贯入 30cm 所需锤击数 N，反映贯入阻力 的大小，亦即密实度的大小，将土分为松散（N<10）稍密（10<N<15）中密（15<N<30） 密实（N>30）。
2）表达式
sat
孔隙全部充满水的总质量 土的总体积
=
ms +mw Va w V
ms
Vv w V
3） 常见值： sat 1.8 ~ 2.3g / cm3; d 18 ~ 23kN / cm3 。
（3）土的有效重度（浮重度） '
1）物理意义：地下水位以下土体单位体积土所受的重力扣除浮力。。
2）表达式
（1）土的干密度 d 和土的干重度 d 1）物理意义：干密度为单位体积土的质量， g / cm3 。
2）土的干重度为单位体积干土所受的重力，即 d d g 9.8d 10d kN / m3 。
3）表达式
d
固体颗粒质量 土的总体积
=
ms V
4） 常见值： d 1.3 ~ 2.0g / cm3; d 13 ~ 20kN / cm3 。
2）表达式
土的总质量 土的总体积
=
m V
3）常见值： 1.6 ~ 2.2g / cm3, 16 ~ 22kN / cm3 。
4）测定方法：环刀法（粘性土和粉土），灌水法（卵石、砾石与原状砂）。
（2）土粒比重 Gs (ds ) 1）物理意义：土中固体矿物的质量与同体积 4℃时的纯水质量的比值。
ms
（1）含水率 (前已述)
（2）土的饱和度 Sr
1）物理意义：水在空隙中的充满程度。
2）表达式：
Sr
水的体积 孔隙体积
= VW VV
3）常见值： Sr 0 ~ 1 4）确定方法：由 、GS、 实测值推算。
5）工程应用：砂土和粉土以饱和度分为稍湿（＜）、很湿（~）、饱和（＞）三类。
4. 特定条件下土的密度（重度）
重力水：位于地下水位以下，具有浮力作用，可从总水头较高处向较低处流动。
毛细水：位于地下水位以上，受毛细作用上升，粉土中空隙小，毛细水上升高。
（2）气态水：水汽，影响不大。
（3）固态水:0℃以下自由水发生冻胀。
3. 土中气体
土颗粒中没有被水填充的部分为气体。
（1） 自由气体：与大气连通，压缩逸出，对工程无影响。
震筛 10~15min 后称取各级筛底盘试样的质量。
2） 密度计法：
适用于粉土和粘性土， d ＜，测定悬浊液读数。
粒径级配曲线上：纵坐标 10%所对应的粒径 称为有效粒径；纵坐标为 60%所对应的
粒径 d60 称为限定粒径； d60 与 d10 的比值称为不均匀系数 Cu ，即
Cu
d60 d10
不均匀系数 Cu 为表示土颗粒组成的重要特征。当 Cu 很小时曲线很陡，表示土均匀；
第一章 土的物理性质及工程分类 一、 土的生成与特性 1. 土的生成 工程领域土的概念：土是指覆盖在地表的没有胶结和弱胶结的颗粒堆积物，土与岩石 的区分仅在于颗粒胶结的强弱，土和石没有明显区分。 土的生成:岩石在各种风化作用下形成的固体矿物、流体水、气体混合物。 不同风化形成不同性质的土，有下列三种： （1）物理风化：只改变颗粒大小，不改变矿物成分。由物理风化生成土为粗粒土（如 块碎石、砾石、砂土），为无粘性土。 （2）化学风化：矿物发生改变，生成新成分—次生矿物。由化学风化生成土为细粒 土，具有粘结力（粘土和粘质粉土），为粘性土。 （3）生物风化：动植物与人类活动对岩体的破坏。矿物成分没有变化。 2. 土的结构和构造 （1） 土的结构 定义：土颗粒间的相互排列和联结形式称为土的结构。 1) 种类：
5）工程应用：干密度或干重度越大，表明土体越密实，表明工程质量越好。
6）测定方法：环刀法，放射性同位素测试仪。
（2）土的饱和密度 sat 和土的饱和重度 sat 1）物理意义：孔隙中全部充满水时单位体积土的质量， g / cm3 。
孔隙中全部充满水时单位体积土所受的重力，即 sat sat g 9.8sat 10satkN / m3 。
图 粘土矿物两种原子层
蒙脱石—两结构单元之间没有氢键，相互的联结弱，水分子可以进入量晶胞之间。因 此，蒙脱石的亲水性最大，具有强烈的吸水膨胀、失水收缩的特性。
伊利石—又称水云母，部分 Si-O 四面体中的 Si 为 Al、Fe 所取代，损失的原子价由阳 离子钾补偿。因此，晶格层组之间具有结合力，亲水性低于蒙脱石。
3） 常见值：砂土 e 0.5~1.0 ，粘性土 e 0.5~1.2 4）确定方法：由 、GS、 实测值推算。
（2）土的孔隙度（孔隙率） n
1）物理意义：表示孔隙体积含量，土中空隙占总体积的百分比。
2）表达式：
n
孔隙体积 土体总体积
= VV V
100%
3）常见值： n 30%~50%
4）确定方法：由 、GS、 实测值推算。 3. 反映土中含水程度的指标
（2）土的构造 1）定义：同一土层中，土颗粒之间的相互关系。 2）种类：
层状结构：由不同颜色或不同粒径的土组成层理，一层一层互相平行。 分散构造：土粒分布均匀，性质相近，如砂与卵石层为分散构造。 结核状构造:在细粒土中混有粗颗粒或各种结核，属结核状构造。 裂隙状构造：土体中有很多不连续的小裂隙。 3）工程性质：分散结构的工程性质最好，结核状取决于细粒土，裂隙状渗透性大， 工程性质差。 3. 土的工程特性 (1)压缩性高 当应力数值相同，材料厚度一样时，卵石的压缩性为刚才压缩性的数千倍；饱和细沙 的压缩性为 C20 混凝土的数千倍，足以证明土的压缩性极高。软塑或流塑状态的粘性土比 饱和细沙的压缩性还要高。 (2)强度低 土的强度特指抗剪强度，而非抗压强度或抗拉强度。 无粘性土的强度来源于土粒表面滑动的摩擦和颗粒间的咬合摩擦；粘性土的强度出摩 擦力外，还有粘聚力，均远小于建筑材料本身的强度。 (3)透水性大 土体颗粒间具有许多透水空隙，因此透水性比木材、混凝土都大，尤其是粗颗粒的卵 石或砂土，其透水性更大。 4. 土的生成与工程特性的关系 (1)搬运、沉积条件：冲积层优于风积层。 (2)沉积年代：沉积年代越长，工程性质越好。 (3)自然环境：特殊土地基。 二、 土的三相组成 土的三相组成是指土由固体矿物、水和气体三部分组成。 1. 土的固体颗粒 土的固体颗粒是土的三相组成中的主体，是决定土的工程性质的主要成分。 （1）土粒的矿物成分 1）原生矿物