土的物理力学性质及其指标
土的物理性质指标
土的物理性质指标…10
饱和度
定义：土中水的体积与孔隙体积之比，用%表示。 物理意义：表示水在孔隙中充满的程度。
公式： Sr
Vw Vv
范围：0~1 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 Sr ≤50 很湿 50< Sr ≤80 饱和 Sr>80
◇e<0.6 低压缩性土 ◇e>1.0 高压缩性土
土的物理性质指标…9
孔隙率
定义：土中孔隙所占总体积之比，用百分数表示。 物理意义：表示土中孔隙大小的程度。
公式： n
Vv V
单位：% e gd n 1 换算公式： 1 e ds g w
范围：粘性土和粉土:(30~60);砂土: (25~45)。
土的物理性质指标…1
土的三相比例指标 是其物
理性质的反映，但与其力学性 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。
V V
单位：kN/m31 e
土的物理性质指标…8
土的孔隙比
定义：土中孔隙体积与土粒体积之比。 公式： e Vv
Vs
单位：无量纲 换算公式：e d s g w 1 (1 w)d s g w 1 gd g 范围：粘性土和粉土:(0.4~1.2)；砂土: (0.3~0.9)。
V
单位：kN/m3 范围：13~18 换算公式：
4.3 土的物理力学性质及其指标
E0 = βEs
其中
β＝1－12－μμ2
土的泊松比， 一般0~0.5之 间
四、土的力学性质
2. 土的抗剪强度
⑴ 土的强度破坏类型
基础
滑动面
滑动面
挡 土 墙
滑动面
四、土的力学性质
2. 土的抗剪强度 ⑵ 直接剪切试验
试验仪器：直剪仪（应力控制式，应变控制式）
四、土的力学性质
2. 土的抗剪强度 ⑶ 粘性土、无粘性土的抗剪强度
修正后
密实度
松散
稍密
中密
密实
按N评定砂石密实度 N≤10 10＜N≤15 15＜N≤30 N＞30
按N63.5评定碎石土密实度 N63.5≤5 5＜N63.5≤10 10＜N63.5≤20 N63.5＞20
三、粘性土的物理特征
1. 粘性土的稠度状态
土的软硬程度或土受外力作用所引起变形或破坏的抵抗能力,是粘性土 最主要的物理状态特征
0 缩限ωs
塑限ωP
液限ωL
ω
固态
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、塑限的测定 测定液限的方法：锥式液限仪、碟式液限仪和液塑限联合测定仪。 测定塑限的方法：搓条法和液塑限联合测定仪。 测定缩限的方法：碟式仪法和液、塑限联合测定法。
三、粘性土的物理特征
= ms Vs ρω
=
ρs ρω
土粒相对密度变化范围不大：细 粒土（粘性土）一般2.70～2.75； 砂土一般为2.65左右。土中有机 质含量增加，土粒相对密度减小
一、土的三相及三相比例指标
2. 直接指标
质量m 气 水
Vw Va
体积V
土的三项基本物理性质指标
土的三项基本物理性质指标土的物理力学基本指标知识点主要分为：质量密度；孔隙比；孔隙率；含水量；饱和度；界限含水量；液限；塑限；塑性指数；液性指数；渗透系数；内摩擦角与黏(内)聚力等。
土的物理力学基本指标土的三相(固体颗粒、水和气)组成特性，构成了其许多物理力学特性。
相同成分和结构的土中，土的三相之间具备相同的比例。
土的三相共同组成的重量和体积之间的比例关系相同，则土的重量性质(重、轻情况)、不含水性(含水程度)和孔隙性(规整程度)等基本物理性质各不相同，并随着各种条件的变化而发生改变。
比如对同一成分和结构的土，地下水位的增高或减少，都将发生改变土中水的含量;经过压实,其孔隙体积将增大。
这些情况都可以通过适当指标的具体内容数字充分反映出。
土的物理力学基本指标主要有: ①质量密度；②孔隙比；③孔隙率；④含水量；⑤饱和度；⑥界限含水量:黏性土由一种物理状态向另一种物理状态转变的界限状态所对应的含水量；⑦液限:土由流动状态转入可塑状态的界限含水量，是土的塑性上限，称为液性界限，简称液限；⑧塑限:土由可塑状态转为半固体状态时的界限含水量为塑性下限，称为塑性界限，简称塑限；⑨塑性指数:土的液限与塑限之差值；⑩液性指数:土的天然含水量与塑限差值与塑性指数之比值；⑾渗透系数:土被水透过称为土的渗透性，水在土孔隙中流动则为渗流。
在一定水力梯度下，渗流速度反映土的渗透性强弱，渗透系数是渗流速度与水力梯度成正比的比例系数；⑿内摩擦角与黏(内)聚力:土的抗剪强度由滑动面上土的黏聚力(阻挡剪切)和土的内摩阻力两部分组成，摩阻力又与法向应力成正比，其中内摩擦角反映了土的摩阻性质。
因而内摩擦角与黏聚力是土抗剪强度的两个力学指标。
土的物理力学性质及其指标
土的物理力学性质及其指标1. 体积重是指土壤单位体积的质量，通常用单位是千克/立方米（kg/m^3）或兆帕（MPa）表示。
体积重是土壤力学性质的重要参数，它直接影响土体的承载能力和稳定性。
体积重的大小与土壤颗粒密度、含水量和孔隙度有关。
2.孔隙比是指土壤中孔隙体积与总体积的比值，即孔隙度。
孔隙比能够反映土壤孔隙结构和孔隙连通性，对土壤的透水性、保水性和通气性等性质有重要影响。
孔隙比的大小与土壤颗粒颗粒的形态、大小和堆积密度等因素有关。
3.毛细吸力是指土壤孔隙中水分上升或下降所受到的作用力。
毛细吸力与土壤含水量、孔隙度、土壤颗粒大小和水表面张力等因素有关。
毛细吸力对土壤水分运移和供水能力有着重要影响，也是评价土壤保水能力和透水性的重要指标。
4.剪切强度是指土壤在剪切应力作用下的抗剪能力。
剪切强度是土体抗剪破坏的重要参数，直接影响土壤的稳定性和承载力。
土壤的剪切强度与土壤颗粒间的内聚力、黏聚力和有效应力等有关。
此外，还有一些与土壤物理力学性质相关的指标，如孔隙水压力、压缩系数、孔隙率等。
5.孔隙水压力是指土壤孔隙中水分所受到的压力。
它与土壤含水量、孔隙度和毛细吸力等因素有关。
孔隙水压力对土壤水分状态和土壤力学性质具有重要影响。
6.压缩系数是指土壤在外力作用下体积变化与应力之间的关系。
压缩系数反映土壤的压缩性质，与土壤的固结和液化等问题密切相关。
7.孔隙率是指土壤孔隙体积与总体积的比值，即孔隙系数。
孔隙率能够反映土壤孔隙结构和蓄水性能，也是评价土壤质地和透水性的一项重要指标。
这些物理力学性质和指标是描述土体力学性质和水分运移特性的重要参数，对土壤科学研究、土壤工程设计和农田管理等具有重要的理论和实际意义。
各土层物理力学性能指标
各土层物理力学性能指标土层物理力学性能指标是描述土层在受力下的物理学性能的参数，主要包括强度指标、变形指标和渗流指标。
以下将详细介绍各土层物理力学性能指标。
一、强度指标：1.抗压强度：表示土体抵抗垂直压缩力的能力。
一般分为极限抗压强度和终端抗压强度两种。
极限抗压强度是土体在快速加载下失效破坏的抗压强度，终端抗压强度是土体在无限时间加载下失效破坏的抗压强度。
2.抗剪强度：表示土体抵抗剪切力的能力。
常用的指标有剪切强度、内摩擦角和剪胀特性。
剪切强度是土体在剪切加载下失效破坏的抗剪强度；内摩擦角是土体抗剪切力的一个重要参数，描述土体内部颗粒间的摩擦阻力；剪胀特性是土体在剪切加载下发生的体积变化。
3.抗拉强度：表示土体抵抗拉力的能力。
土体的抗拉强度较弱，一般可忽略。
二、变形指标：1.压缩性：土体在承受一定应力后发生的压缩变形。
常见的指标有压缩模量和压缩指数。
压缩模量是描述土体吸水压缩性质的指标；压缩指数是描述土体吸水压缩特性的指标。
2.鼓包性：土体在受到一定的水平应力作用下发生的体积膨胀。
常见的指标有鼓包应力和鼓包系数。
鼓包应力是描述土体水平膨胀特性的指标；鼓包系数是描述土体鼓包性质的指标。
3.剪切变形：土体在受到剪切应力作用下的变形行为。
常用的指标有剪切模量和剪切变形密度。
剪切模量是描述土体剪切变形特性的指标；剪切变形密度是描述土体变形程度的指标。
三、渗流指标：1.渗透性：土体内部孔隙中水分运动的能力。
常用指标有渗透系数和渗透率。
渗透系数是描述土体渗透性的指标；渗透率是描述土体渗透性的指标。
2.孔隙度：表示土体中有效孔隙体积与全体积之比。
孔隙度是描述土体渗透性和储水性的重要参数。
3.渗透容限：土体在承受应力下发生的渗透变形。
渗透容限是描述土体渗透性变形特性的指标。
以上是各土层物理力学性能指标的详细介绍。
不同土层具有不同的力学性能指标，了解和研究土层的物理力学性能指标对于工程设计和建设具有重要意义。
土力学第五讲
测定emax、 emin时人为因素影响较大
Dr 主要应用于填方质量的控制，对于天然土尚难应用
华北电力大学 可再生能源学院
11
现场试验法
标准贯入试验
静力触探试验 63.5kg的钢锤，提升76cm，使 贯入器贯入土中30cm所需要的 锤击数N63.5－－标准贯入试验（先
打入土中15cm不计数） 砂类土的密实度
2
换算关系式推导
md ( 1 + w ) r d r r s w s w r = = ? V 1 + e 1 + e ( 1 + w )
干密度计算：
md r r 1 r r s sw d d r = = = Þ = = d V1 + e1 + w 1 + ed r r sw s
孔隙比：
d ( 1 + w ) r d r r s w s w e = -1e = -1 =s-1 r r r d d
同样的e=0.35，对砂1处于最密实状态，而对砂2未达到最密实。 缺点：用一个指标e无法反映土的粒径级配的因素 华北电力大学 可再生能源学院
9
方法的评价 优点：应用方便简捷 缺点：无法反映土的粒径级配的好与坏
华北电力大学 可再生能源学院
10
相对密实度法
emax e Dr emax emin
2．分类 根据土的密实度进行划分，粉土的密实度以孔隙比为划分标准：e≥0.85为稍密； 0.7≤e<0.85为中密；e＜0.7为密实。
3．工程性质 粉土的性质介于砂类土与粘性土之间。它既不具有砂土透水性大、容易 排水固结、抗剪强度较高的优点，又不具有粘性土防水性能好、不易被水
冲蚀流失、具有较大粘聚力的优点。在许多工程问题上，表现出较差的性
各土层物理力学性能指标
各土层物理力学性能指标土层物理力学性能指标是描述土体固体物理性质的指标，可以用来评价土体的稳定性、抗冲刷性、渗透性等，常用指标包括体积重、单位重、孔隙比、含水率、饱和度、压缩性和剪切性能等。
1.体积重：体积重是指单位体积土体所受重力的大小。
体积重与土壤颗粒的密度有关，一般通过测定单位体积土样的质量和体积来计算。
体积重的大小直接关系到土壤的承载力和稳定性。
2.单位重：单位重是指单位体积土体的质量。
它是体积重的倒数，单位是kN/m3、单位重通常用来计算土体的水力学性质、液化性、动力响应等。
3.孔隙比：孔隙比是指土体中孔隙体积与总体积之比，是衡量土质疏松程度和渗透性的重要指标。
孔隙比越大，土体的渗透性越好。
4.含水率：含水率是指土体中含有的自由水的质量与干土质量之比。
含水率的大小直接影响土体的拟静力稳定性、渗透性、压缩性等。
5.饱和度：饱和度是指研究对象中孔隙中所含水的体积与总体积之比。
饱和度直接影响土体的渗透性、固结性、剪切强度等。
6.压缩性：压缩性是指土体在所受应力作用下体积发生变化的能力。
土壤的压缩性与孔隙分布和组成、饱和度、孔隙比等因素密切相关。
7.剪切性能：剪切性能是指土壤在受到剪切应力作用下的变形能力。
剪切性能是评价土体的抗剪强度和变形特性的重要指标。
除了上述指标外，还有其他一些指标也常用于描述土层的物理力学性能。
例如：-泊松比：泊松比是指材料在受到拉伸或压缩时沿着应变方向的变化与垂直方向的变化之比。
泊松比是评价土体的压缩性和弹性度量的重要指标。
-弹性模量：弹性模量是指材料在受力后恢复原状的能力。
弹性模量是衡量土壤抗剪切性能和变形能力的重要参数。
-液塑限度：液塑限度是指土壤从固态过渡到半固态和可塑态的水分含量范围。
液塑限度对土壤的可塑性和压缩性具有重要作用。
这些土层物理力学性能指标可以根据实际需要在实验室中进行土壤试验，以了解土体的性质，为土方工程、地基处理、地质工程设计等提供依据。
土力学土的物理性质指标
• 土颗粒比重：
指土体在105º-110ºC的温度下烘至恒量时的重量或
质量与土颗粒同体积的4ºC时蒸馏水的重量或质量之比。
Gs
Ws
Vs
Gs
ms
Vs
水的容重=9.81KN/m3，水的密度=1g/cm3
土颗粒的比重与土体中的水和气体无关
土颗粒比重一般介于2.65-2.75之间
• 测定方法：
比重瓶法、浮称法、虹吸筒法
1) 土颗粒体积
8) 浮密度
2) 孔隙体积
9) 湿密度
3) 土颗粒质量
10) 干密度
4) 水的质量
11) 孔隙率
5) 水的体积
12) 饱和度
6) 气体体积
13) 土颗粒的容重
7) 饱和密度
14) 土体的容重
• 已知，
求解-1
• 1）由
可得，
则土颗粒体积为：
• 2）孔隙体积为：
• 3）由
可得，土颗粒质量为：
Ws Vs (KN / m3 )
V
• 浮密度：指土体淹没在水下面的有效密度，这时土颗粒 受到水的浮力作用，其有效质量减小。
ms Vs (g / cm3 )
V • 浮容重与浮密度的关系：
9.81
间接测定指标-5
• 干容重：指干土的容重，这时土体的孔隙中没有水。
d
Ws V
(KN
s 9.81s
直接测定指标-3
• 土体的容重：指单位体积土体的重量。 也称湿容重、
天然容重。 W (KN / m3 )
V • 土体的密度：指单位体积土体的质量。也称湿密度、
天然密度。 m (g / cm3 )
V
• 土体的容重一般介于16.0-19.0KN/m3，
土力学：土的物理性质及分类
2.7 土的分类
2020/3/3
2
2.1 概述
1、物理性质指标：
三相间的比例指标（轻重、松密、干湿程度）。土为 三相体，三相间的比例对土的工程性质具有重要影响。
2、物理状态与特征
无粘性土的松密与粘性土的稠度——土粒大小是影 响土性质最主要的因素。
3、土的工程分类
2020/3/3
3
2.2 土的三相比例指标
m (g / cm3 )
V
（环刀法 ）
2020/3/3
ma=0 mw
m ms
质量
气 水 土粒
Va Vw Vv V Vs
体积
5
2、导出指标
干密度：
d
ms V
(g / cm3 )
ma=0 mw
饱和密度：
sa t
ms
Vv w
V
(g / cm3 )
m
有效密度或浮密度： ms Vs w (g / cm3 )
某饱和土体，土粒相对密度为 ds 2.7 ， 19.5kN / m3 。 试求（1）推
导干重度的表达式；（2）计算干重度。
已知条件分析： Sr 1.0 ds 2.7 sat 19.5kN / m3 (sat 1.95 g / cm3 )
解法1： (1) 绘三相图
IL<0 IL=0 – 1
坚硬状态 可塑状态 流态
0.00 – 0.25硬塑 0.25 - 0.75 可塑 0.75 – 1.00软塑
wL 与 wp 都是采用重塑土测IL>定1，因而液性指数并不能完全反映结构
性粘土的物理状态。
3、天然稠度
取原状土样测试（联合测定），反映路基的干湿状态 。
土的经验参数(物理指标、压缩、变形模量、剪切强度)
有关土的经验参数一、原状土物理性质指标变化范围原状土物理性质指标变化范围，见表3-3-28。
原状土物理性质指标变化范围表3-3-28注：粘砂土3＜I p≤7；砂粘土 7＜I p≤17二、土的平均物理、力学性质指标，见表3-3-29。
土的平均物理、力学性质指标，见表3-3-29。
土的平均物理、力学指标表3-3-29注：①平均比重采取：砂——；粘砂土——；砂粘土——；粘土——；②粗砂和中砂的E 0值适用于不均匀系数C u = = 3者，当C u ＞5时应按表中所列值减少 。
C u为中间值时E 0 值按内插法确定；③对于地基稳定计算，采用人摩擦角φ的计算值低于标准值2°。
三、土的压缩模量一般范围值土的压缩模量一般范围值，见表3-3-3-。
土的压缩模量一般范围值 表3-3-30注：砂粘土7＜I p ≤7；粘土I p ＞17四、粘性土剪强度参考值1060d d 32粘性土抗剪强度参考值，见表3-3-31。
注：粘砂土3＜I p≤7；砂粘土7＜I p≤7；粘土I p＞17五、土的侧压力系数（ξ）和泊松比（u）参考值土的侧压力系数ξ和泊松比u参考值表3-3-32注：粘土I p＞17；粉质粘土10＜I p≤17；I p≤10五、变形模量于压缩模量的关系变形模量E0是指土体在无侧限条件下应力与应变之比，其中的应变包含弹性应变和塑性应变两部分。
因此，变形模量较弹性模量E小，通常在土与基础的共同作用分析中用变形模量E。
变形模量一般是通过现场载荷试验确定，一些地方通过静力触探、标贯试验与变形模量建立了经验公式。
压缩模量Es是在侧限条件下应力与应变的比值，是通过室内试验获取的参数。
两者的关系：对于软土E0近似等于Es；较硬土层，E0=βEs，β=2～8，土愈坚硬，倍数愈大。
第二章土的物理性质指标
液限wl
强结合水膜最大
出现相当数量自由水
§2.3 黏性土的物理特性
测定塑限的方法： 搓滚法和液、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： 塑限－5秒入土2mm时的含水率 17mm液限－ 5秒入土17mm时的含水率
圆锥体入土深度与含水量的关系
§2.3 黏性土的物理特性
§2.3 黏性土的物理特性
密实度 稠度
土的物理性质指标
(三相间的比例关系)
表 示
土的物理状态
粗粒土的松密程度
影响
粘性土的软硬状态
力学特性
土的物理状态指标
§2.3 黏性土的物理特性 粘性土最主要的物理状态特征与含水量有关
粘性土 含水量
较硬 变软 流动
§2.3 黏性土的物理特性
粘性土的状态转变过程
粘性16土~2：0k2N.7/2m~32.76 粉 土：2.70~2.71 砂类13土~1：8k2N.6/5m~32.69
1280~%23~k6N0/%m3
d
e
sdd11(sd1s(1ewew1)w1w)
w
e
dds
(1
d (1w)ww)
1
V Vs Vw Va
天然容重 g
干密度：土被烘干时的密度，
d ms / V
干容重： d dg
饱和密度：土被饱和时的密度，
sat
ms
wVv V
饱和容重：sat satg
浮容重： sat w
表示土体密度和容重的指标
土的三相比例指标
Vs= ms ／ ρs=96.43 ／2.7＝35.7cm3 Vv=V－Vs=60－35.7＝24.3cm3 按式（1－10），于是 e= Vv ／ Vs＝24.3 ／35.7=0.68 （4）按式（1－11） n= Vv ／ V＝24.3 ／60=40.5％ （5）根据ρw的定义 Vw = mw ／ρw=11.57 ／1＝11.57cm3 于是按式（1－12） St= Vw ／ Vv=11.57 ／24.3＝48％
土料物理特性—土的物理性质
引申：
❖ 土的干重度（rd）：土单位体积中土固体颗粒的重量。
❖ 土的饱和重度（rsat）：土中孔隙完全被水充满时土的重度。
❖ 土的有效重度(浮重度)（r′）：在地下水位以下的土受到水的浮力作用，扣除浮力 后的情况，即：单位体积土粒的重量与同体积水的重量之差。
9.2推导指标
密度与重度是一一对应的。 重度r = 密度ρ x 重力加速度g
sat
ms mv V
ms
wVv
V
❖ 单位：g/cm3 ❖ 土的饱和密度一般为：1.8～2.3g/cm3。
9.2推导指标
❖ 6、土的有效密度(浮密度)（ρ′）：在地下水位以下的土受到水的浮力作用，扣除 浮力后的情况，即：单位体积土粒的质量与同体积水的质量之差。
❖ 单位：g/cm3
' ms wVs
9.1基本指标
❖ 土的物理性质：是土的三相的质量与体积间的相互比例关系，以及固、液两相相互作
用所表现出来的性质。
土的三相比例指标
土的物理性质 无黏性土的密实度
黏性土的物理状态特征
9.1基本指标
❖ 土的三项比例指标：土的各组成部分的质量和体积之间的比例关系，能直接反映土的 状态和物理力学性质，间接反映土的工程特性。
9.1基本指标
❖ 土的重力密度（r）：简称土的重度，为土的总重量与总体积之比。
mg g
V
❖ 单位：g/cm3单位：kN/m3 ❖ 砂土16～20kN/m3，粉土、黏性土18～20kN/m3 ❖ 不需测量，直接用密度进行换算。
重度r = 密度ρ x 重力加速度g
9.1基本指标
❖ 土的含水率（w）：也称为土的含水量。为土中水的质量与土粒质量之比。
重量之比。
土的经验参数(物理指标、压缩、变形模量、剪切强度)
土的经验参数(物理指标、压缩、变形模量、剪切强度)-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN有关土的经验参数一、原状土物理性质指标变化范围原状土物理性质指标变化范围，见表3-3-28。
注：粘砂土3＜I p≤7；砂粘土 7＜I p≤17二、土的平均物理、力学性质指标，见表3-3-29。
土的平均物理、力学性质指标，见表3-3-29。
注：①平均比重采取：砂——2.66；粘砂土——2.70；砂粘土——2.71；粘土——2.74；②粗砂和中砂的E 0值适用于不均匀系数C u = = 3者，当C u ＞5时应按表中所列值减少 。
C u为中间值时E 0 值按内插法确定；③对于地基稳定计算，采用人摩擦角φ的计算值低于标准值2°。
1060d d 32三、土的压缩模量一般范围值土的压缩模量一般范围值，见表3-3-3-。
注：砂粘土7＜I p≤7；粘土I p＞17四、粘性土剪强度参考值粘性土抗剪强度参考值，见表3-3-31。
注：粘砂土3＜I p≤7；砂粘土7＜I p≤7；粘土I p＞17五、土的侧压力系数（ξ）和泊松比（u）参考值注：粘土I p＞17；粉质粘土10＜I p≤17；I p≤10五、变形模量于压缩模量的关系变形模量E0是指土体在无侧限条件下应力与应变之比，其中的应变包含弹性应变和塑性应变两部分。
因此，变形模量较弹性模量E小，通常在土与基础的共同作用分析中用变形模量E。
变形模量一般是通过现场载荷试验确定，一些地方通过静力触探、标贯试验与变形模量建立了经验公式。
压缩模量Es是在侧限条件下应力与应变的比值，是通过室内试验获取的参数。
两者的关系：对于软土E0近似等于Es；较硬土层，E0=βEs，β=2～8，土愈坚硬，倍数愈大。
土力学土的物理性质指标
间接测定指标-3
? 饱和容重：指土体处于饱和状态时的容重，或指饱和
土体的容重，这时土体的孔隙中全部充满水。
? sat
?
Ws
? Vv??
V
(KN / m3 )
? 饱和密度：指土体处于饱和状态时的密度，或指饱和
土体的密度，这时土体的孔隙中全部充满水。
? sat
?
ms
? Vv ? ?
V
(g / cm3 )
密度介于1.5-1.8g/cm3之间。 ? ? 9.81?
? 土体的容重与密度的关系： ? 测定方法：
蜡封法、环刀法、灌砂法、灌水法
直接测定指标-4
? 土体的含水率：
反映土体含水的多少。等于土体在105o-110oC的温
度下烘至恒量时所失去的水份的重量或质量与土颗粒
的重量或质量之比。
? ? W? (%)
W ? Ws ? W?
m ? ms ? m?
重量和质量之间的关系
? 重量与质量的区别： 重量：是考虑地球引力影响后自重值，单位：N、KN 质量：是没有考虑地球引力影响的值，单位：g、kg 重量与质量的关系：w=9.81m
? 容重和密度的区别： ? 容重：指单位体积的重量，单位：KN/m3
密度：指单位体积的质量，单位：g/cm3 容重和密度的关系：?=9.81?
? 测定方法：
比重瓶法、浮称法、虹吸筒法
直接测定指标-2
? 土颗粒的容重：指土颗粒的重量与土颗粒的体积之比。
?sBiblioteka ?Ws Vs(KN / m3 )
? 土颗粒的密度：指土颗粒的质量与土颗粒的体积之比
?s
?
ms Vs
(g / cm3 )
土的物理性质
序号物理力学性质单位符号土中固体颗粒质量g m s＝ρd*V=ρ(1+ω)*V202020土中水的质量g m w101010土中空气质量g ma=0000土的总质量g m303030土中固体颗粒所占体cm3Vs222土中水所占体积cm3Vw222土中空气所占体积cm3Va111土中空隙的体积cm3Vv=Va+Vw333土中总的体积cm3V=Vs+Vw+Va555液限%ωL塑限%ωP天然含水量%ω=mw/ms*100%50%50%50%26%天然土的密度g/cm3ρ=m/V=ρd*(1+ω)66626.4土粒相对密度（比重）ds=Ms/(Vs*ρw)土的重力密度(重度KN/cm3γ=ρg=mg/V58.858.858.819.5干体质量(干密度)g/cm3ρd=Ms/V=ρ/(1+ω)4444孔隙比e=Vv/Vs=dsρw(1+ω)/ρ-1=n/(1-n)1.5 1.5 1.5孔隙率%n=Vv/V*100%=e/(1+e)*60%60%60%饱和度%Sr=Vw/Vv*100%=ωds/e=ωρd/n=(ρ-ρd)/n67%333%333%饱和密度g/cm3ρsat=(ms+Vvρw)/V=ρd+e/(1+e)4.6 4.6 4.6饱和重度KN/cm3γsat=(ms+Vv*γw)/V塑限指数Ip=ωL-ωP0液限指数IL=(ω-ωP)/Ip含水比α=ω/ωL稠度指数Is内聚力Mpa C角度摩擦力OΨo=压缩系数Mpa-1a1-2=1000*(e1-e2)/(p0.2总计变形模数Mpa E=(1+e0)/a(e0-天然孔隙比)抗剪强度Mpaτ=P*tgΨo+C(P-土所受垂直压力)承载量KN/cm3R孔号样号取样位置土中固体颗粒质量土中水的质量土中空气质量土的总质量土中固体颗粒所占体积土中水所占体积土中空气所占体积ms mw ma m Vs Vw Vaρd*V m s*ω0m s+m w+m a Vv/e Sr*Vv Vv-Vwg g g g cm3cm3cm31.61450.395502.010.59360.39550.0109 1.50470.36530 1.870.55120.36530.08351.610.400.002.010.590.39550.010.411.000.2528.50%17.60%25%24.50%2.01 2.012.72 2.721.61 1.610.680.6840.64%40.64%0.984197.32%2.0219.8010.90%0.630.8625.0014.000.208.422.729.80 1.6116.557土中空隙的体积土中总的体积含水量湿密度比重干密度孔隙比孔隙度土的重力密度（容重）Vv Vωρdsρd e nγ基本物理性指标Vw+Va ＝nV Vv+Vs Gw/Gs*100%m/V=ρd*(1+ω)Ms/(Vs*ρw)Ms/V=ρ/(1+ω)Vv/Vs=dsρw(1+ω)/ρ-1=n/(1-n)Vv/V*100%=e/(1+e)*100%ρg=mg/Vcm3cm3%g/cm3g/cm3%KN/cm3 0.4064124.50% 2.01 2.721.61450.68540.64%19.698 0.4488124.28% 1.87 2.731.50470.81444.88%18.326-0.0365饱和含水量饱和度饱和密度饱和重度液限塑限液性指数塑性指数按液限塑限指数SrρsatγsatωLωP I L Ip性指标ρw V v/m s Vw/Vv*100%=ωds/e(G s+V v*ρw)/V=ρd+e/(1+e)(Gs+Vv*γw)/V(ω-ωP)/IpωL-ωP %g/cm3KN/cm3%%%25.2%97.3% 2.02119.80528.5%17.6%0.63310.9%可塑29.8%81.4% 1.95419.14447.1%27.1%-0.14319.9%坚硬土按孔隙比定名压缩系数压缩模量内聚力摩擦角度a1-2Es CΨo(e1-(1+e)/ae2)/(p2-p1)*1000Mpa-1Mpa Mpa O中压缩性粉质粘土0.28.42392514中压缩性粘土0.02572.5742514。
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土的三相比例指标的定义
颗粒比重G 土粒重量与同体积4摄氏度时水的重量之比， 颗粒比重 G： 土粒重量与同体积 4摄氏度时水的重量之比 ， 在数值上等于单位体积土粒（固体部分）的重量。 单位体积土粒 在数值上等于单位体积土粒（固体部分）的重量。 重度：单位体积土的重量 重度：单位体积土 干重度、 干重度、饱和重度和浮重度 含水量w 土中水的重量与土粒重量之比， 含水量w：土中水的重量与土粒重量之比，用百分数表示 土粒重量之比 饱和度S 饱和度Sr：土中被水充满的孔隙体积与孔隙总体积之比 孔隙比e 孔隙体积与土粒体积 固体部分）之比。 孔隙比e：孔隙体积与土粒体积（固体部分）之比。 土粒体积（ 孔隙率n 孔隙体积与总体积之比。 孔隙率n：孔隙体积与总体积之比。 总体积之比
决定无粘性土紧密状态的因素
受荷历史：年代较老，有超压密历史的， 受荷历史： 年代较老 ， 有超压密历史的 ， 密实 度大 形成环境：洪积、坡积比冲积、冰积、 形成环境： 洪积 、坡积比冲积 、 冰积、 海积的 密实度小 颗粒组成：粗、不均匀，密实度大 颗粒组成： 不均匀， 矿物成分及颗粒形状：片状云母与柱状 、 粒状 矿物成分及颗粒形状 ： 片状云母与柱状、 颗粒组成比， 颗粒组成比，密实度小
无粘性土紧密状态指标及其确定方法
（2）相对密度： 相对密度： 天然孔隙比作为砂土密实状态的分类指标缺乏概 括性， 因土的密实度还与砂粒的形状、 括性 ， 因土的密实度还与砂粒的形状 、 粒径级配等有 关。 例：疏松、级配良好的砂土孔隙比，比紧密、颗 疏松、级配良好的砂土孔隙比，比紧密、 粒均匀的砂土孔隙比小。 粒均匀的砂土孔隙比小。 相对密度更有代表性。公式： 82（ 14） 相对密度更有代表性。公式：P82（4-14） 1：密实状态；0：松散状态 密实状态； 优点：较完善指标，综合反映各方面特征 优点：较完善指标， 缺点：实际应用困难，使用并不广泛。 缺点：实际应用困难，使用并不广泛。 例子：划分砂土紧密状态P83， 例子：划分砂土紧密状态P83，表4-7
液限的测定
锥式液限仪： 85图 锥式液限仪：P85图4-24 碟式液限仪： 85图 碟式液限仪：P85图4-25 两种仪器比较： 两种仪器比较： 随着液限的增加， 随着液限的增加，两种仪器所测得 的差值增大， 的差值增大，一般情况下碟式仪测得的 液限大于锥式仪。 液限大于锥式仪。
缩限的测定
收缩皿法 缩限=液限缩限=液限-烘干时失去水量
4.2.4 土的力学性质
决定地基变形、 决定地基变形 、 以至失稳危险性 的主要因素： 的主要因素： 上部荷载的性质、大小、分布面积、 上部荷载的性质、大小、分布面积、 形状及时间因素 地基土的力学性质：变形、 地基土的力学性质：变形、强度
对土的变形与强度性质， 对土的变形与强度性质 ， 必须从土 的应力与应变的基本关系出发来研究。 的应力与应变的基本关系出发来研究。 近似： 近似： 非线性非线性-线性近似 非均质性非均质性-均质性近似
压缩系数
压缩性不同的土， 压缩性不同的土，其压 缩曲线的形状是不一样 曲线愈陡． 的。曲线愈陡．说明随 着压力的增加， 着压力的增加，土孔隙 比的减小愈显著， 比的减小愈显著，因而 土的压缩性愈高. 所以， 土的压缩性愈高 . 所以 ， 曲线上任一点的切线斜 率就表示了相应压力作 用下土的压缩性， 用下土的压缩性，称为 压缩系数。 压缩系数。 值越大，压缩性越高。 值越大，压缩性越高。
1 粘性土的界限含水量
粘性土随着本身含水量的变化， 粘性土随着本身含水量的变化 ，可以处于 各种不同的物理状态， 各种不同的物理状态 ，其工程性质也相应地发 生很大的变化。 生很大的变化。 固体状态： 固体状态： 可塑状态： 可塑状态： 流塑-流动状态： 流塑-流动状态：
稠度： 稠度 ： 粘性土因含水量的变化而呈现出的各种不同 物理状态。 物理状态。 可塑性：土在外力作用下， 可塑性 ： 土在外力作用下 ， 可以揉塑成任意形状而 发生裂缝， 发生裂缝 ， 当外力解除后仍能保持既得形状的一种 性能。 性能。 界限含水量（稠度界限） 随着含水量的变化， 界限含水量 （ 稠度界限 ） ： 随着含水量的变化 ， 粘 性土由一种稠度状态转变为另一种状态， 性土由一种稠度状态转变为另一种状态 ， 相应于转 变点的含水量。 变点的含水量。 P84 图4-23 缩限；塑限 （ 塑性下限 ） ； 液限 （ 流限 ， 塑性上限 ） 缩限 ； 塑限（塑性下限） 液限（流限，塑性上限）
无粘性土的紧密状态
无粘性土:碎石土、砂土、 无粘性土:碎石土、砂土、粉土 无粘性土的紧密状态是判定其工程性质的重要指 综合反映了无粘性土颗粒的岩石和矿物组成、 标，综合反映了无粘性土颗粒的岩石和矿物组成、 粒度组成、 粒度组成、颗粒形状和排列等对其工程性质的影 响。 决定无粘性土紧密状态的因素 无粘性土紧密状态指标及其确定方法
变形——压缩性 变形——压缩性
室内压缩实验：
压缩试验时， 压缩试验时 ， 用金属环刀 切取保持天然结构的原状 土样， 土样 ， 并置于圆筒形压缩 容器的刚性护环内， 容器的刚性护环内 ， 土样 上下各垫有一块透水石， 上下各垫有一块透水石 ， 土样受压后土中水可以自 由排出。 由排出 。 由于金属环刀和 刚性护环的限制， 刚性护环的限制 ， 土样在 压力作用下只可能发生竖 向压缩， 而无侧向变形。 向压缩 ， 而无侧向变形 。 土样在天然状态下或经人 工饱和后， 工饱和后 ， 进行逐级加压 固结， 固结 ， 以便测定各级压力 户作用下土样压缩稳定后 的孔隙比变化。 的孔隙比变化。
4.2 土的物理力学性质及其指标
4.2.1 土的三相比例指标 2.2.2 无粘性土的紧密状态 4.2.3 粘性土的物理特征 4.2.4 土的力学性质
土的三相组成及其比例指标
•固相 •液相 •气相
不同成分和结构的土中，土的三相之间具有不同的比例。 不同成分和结构的土中，土的三相之间具有不同的比例。 土的三相组成的重量和体积之间的比例关系不同， 土的三相组成的重量和体积之间的比例关系不同，则土的 重量性质( 重情况) 含水性(含水程度)和孔隙性( 重量性质 (轻 、 重情况 )、 含水性 (含水程度 )和孔隙性 ( 密 实程度)等基本物理性质各不相同， 实程度 )等基本物理性质各不相同 ， 并随着各种条件的变 化而改变。例如对同一成分和结构的土， 化而改变。例如对同一成分和结构的土，地下水位的升高 或降低，都将改变土中水的含量；经过压实， 或降低，都将改变土中水的含量；经过压实，其孔隙体积 将减小。 将减小。这些情况都可以通过相应指标的具体数字反映出 来。 表示土的三相比例关系的指标， 称为土的三相比例指标， 表示土的三相比例关系的指标 ， 称为土的三相比例指标 ， 亦即土的基本物理性质指标，包括土的颗粒比重、重度、 亦即土的基本物理性质指标，包括土的颗粒比重、重度、 含水量、饱和度、孔隙比和孔隙率等。 含水量、饱和度、孔隙比和孔隙率等。
颗粒比重决定于土的矿物成分， 它的数值一般为2 65颗粒比重决定于土的矿物成分 ， 它的数值一般为 2.652.75。有机质土为2．4—2．5；泥炭土为1．5一1．85 75。有机质土为2 泥炭土为1 而含铁质较多的粘件土可达2 种类的土， 而含铁质较多的粘件土可达2．8一L o c同—‘种类的土， 其颗粒比重变 化幅度很小。 化幅度很小。 颗粒比重可在试验室内用比重版法测定。 颗粒比重可在试验室内用比重版法测定。一般土的颗粒 比重值见表23。 比重值见表23。由于颗粒变化 的幅度不大，通常可按经验数值选用。 的幅度不大，通常可按经验数值选用。
de e1 − e2 a=− = dp p2 − p1
压缩指数
e1 − e2 p2 = (e1 − e2 ) / log 土的e 土的 e-p 曲线改绘成半对 Cc = log p2 − log p1 p1
天然孔隙比 相对密度
例外： 例外： 标准贯入或静力触探评定砂土的密实状态。 标准贯入或静力触探评定砂土的密实状态。 P83表4-8 83表 野外鉴别方法评定碎石土的密实状态。 野外鉴别方法评定碎石土的密实状态。 P84表4-10 84表
采取原状土样
4.2.3 粘性土的物理特征
1 粘性土的界限含水量 2 粘性土的塑性指数和液性指数
变形——压缩性 变形——压缩性
基本概念： 基本概念： 压缩性：土在压力作用下体积缩小的特性。 压缩性：土在压力作用下体积缩小的特性。 固体土粒和水的可压缩量小 土的压缩可施为土中孔隙体积的减小。 土的压缩可施为土中孔隙体积的减小。 土的固结：土的压缩随时间而增长的过程。 土的固结：土的压缩随时间而增长的过程。 无粘性土：透水性大，固结快。 无粘性土：透水性大，固结快。 粘性土：透水性小，固结慢。 粘性土：透水性小，固结慢。 对于饱和软粘性土， 对于饱和软粘性土，土的固结问题 是十分重要的。 是十分重要的。
无粘性土紧密状态指标及其确定方法
（1）天然孔隙比： 天然孔隙比： 砂土的承载力不论其颗粒组成的粗细， 砂土的承载力不论其颗粒组成的粗细 ， 均 随着天然孔隙比的减小而显著增大。 随着天然孔隙比的减小而显著增大。 通过测天然重度 通过测天然重度，换算天然孔隙比 天然重度， 天然重度测定方法： 天然重度测定方法： 测定方法 地下水位以上湿砂： 地下水位以上湿砂：环刀法 地下水位以上干砂：灌砂法（注水法） 地下水位以上干砂：灌砂法（注水法） 地下水位以下砂土： 地下水位以下砂土：难 例子：划分砂土密实度P81，表4-6 例子：划分砂土密实度P81， 划分粉土密实度P83， 划分粉土密实度P83，表4-9
（1）液性指数
P86（4-17） 86（ 17） 表征粘性土所处的软硬状态。 表征粘性土所处的软硬状态。 值越大，土质越软；反之，土质越硬。 值越大，土质越软；反之，土质越硬。 P87表 4-11， 按液性指数划分粘性土的状态 。 87表 11，按液性指数划分粘性土的状态。 天然结构土与扰动结构土的差别 瓦式圆锥仪入土深度判定粘性土的天然状态
（2）按液限和塑限的相关关系确定塑限