土力学：土的物理性质及分类
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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）
土力学——土的物理性质
一. 固体颗粒
粒径级配
矿物成分
颗粒形状
物理状态 力学特性
11
§1 土的物性与分类 1. 粒径级配
§1.2土的三相组成
一. 固体颗粒
颗粒大小 影响土性 的主因
各粒径成分 在土中占的 比例 狭义的粒径级配
12
§1 土的物性与分类
§1.2土的三相组成
一. 固体颗粒
颗粒大小
•粒组
按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类
2. 搬运与沉积
运积土
有搬运
重力: 坡积土 土粒粗细不同，性质不均匀 洪积土 有分选性，近粗远细 冲积土 浑圆度分选性明显，土层交迭 流水: 湖泊沼泽沉积土 含有机物淤泥，土性差 海相沉积物 颗粒细，表层松软，土性差 冰川: 冰积土 土粒粗细变化较大，性质不均匀 风：风积土
颗粒均匀，层厚而不具层理
8
25
§1 土的物性与分类 结合水
强结合水 • • • • •
§1.2土的三相组成
二. 土中水
排列致密、定向性强 密度>1g/cm3 冰点处于零下几十度 具有固体的特性 温度高于100°C时可蒸发 弱结合水
• • •
位于强结合水之外，电场引 力作用范围之内 外力作用下可以移动 不因重力而移动，有粘滞性
第一章
土的物理性质与工程分类
1
§1 土的物性与分类
本章目的: 对土的特点进行详细解释和定量描述
本章特点: 看起来零散 学习要点: 各节间联系 各节内层次
2
§1 土的物性与分类 土的形成 影 响 土的三相组成 土的物理状态 土的结构 土的工程分类
渗透特性
决定
变形特性 强度特性
土的压实性
3
土力学第2章 (1)
整理得：
e
Gs w
d
1
16
（四）饱和度与含水率、比重和孔隙比得关系 设土体内土粒的体积为1，则按e=Vv/V得体积vv=e；由ρs ＝ ms / Vs得 土粒的质量ms=ρs。按w= mw / ms ，水得质量mw=wρs，则水得体积 vw= mw / ρw =wρs/ρw。于是，Sr定义可得：
塑限（Wp）——从可塑状态转变为半固体状态的界限含水率，也就是 可塑状态的下限含水率； 缩限（Ws）——从半固体状态转变为固体状态的界限含水率，亦即粘 性土随着含水率的减小而体积开始不变时的含水率。
31
2.液、塑限的测定 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10mm 液限－ 5秒入土10mm时的含水率17mm 液限－ 5秒入土17mm时的含水率
I p wL wp
塑性指数越高，结合水含量可能高，土的粘粒含量越高。
工程中:用塑性指数IP作为粘性土与粉土定名的标准。
35
2.液性指数
第一章 土的物理性质指标与工程分类
IL w wp wL w p w wp Ip
粘性土的状态可用液性指数来判别。 定义为：
式中：IL——液性指数，以小数表示；
沈阳建筑大学
土力学
第2章 土的物理性质及分类
主讲教师: 王宁伟
2.1
概述
• 土是由固体、液体、气体三相所组成。三相组成部分的性 质与数量以及它们之间的相互作用，决定着土的物理力学 性质。 • 土中的孔隙体积大，土就松散；含水多，土就软弱。也就 是说土的松密和软硬程度主要取决于组成土体的三相之间 在数量上所占有的比例，因此土力学中采用三相之间在体 积和质量上的比例关系，作为反映土的物理性质的指标。
e
Gs w
d
1
16
（四）饱和度与含水率、比重和孔隙比得关系 设土体内土粒的体积为1，则按e=Vv/V得体积vv=e；由ρs ＝ ms / Vs得 土粒的质量ms=ρs。按w= mw / ms ，水得质量mw=wρs，则水得体积 vw= mw / ρw =wρs/ρw。于是，Sr定义可得：
塑限（Wp）——从可塑状态转变为半固体状态的界限含水率，也就是 可塑状态的下限含水率； 缩限（Ws）——从半固体状态转变为固体状态的界限含水率，亦即粘 性土随着含水率的减小而体积开始不变时的含水率。
31
2.液、塑限的测定 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10mm 液限－ 5秒入土10mm时的含水率17mm 液限－ 5秒入土17mm时的含水率
I p wL wp
塑性指数越高，结合水含量可能高，土的粘粒含量越高。
工程中:用塑性指数IP作为粘性土与粉土定名的标准。
35
2.液性指数
第一章 土的物理性质指标与工程分类
IL w wp wL w p w wp Ip
粘性土的状态可用液性指数来判别。 定义为：
式中：IL——液性指数，以小数表示；
沈阳建筑大学
土力学
第2章 土的物理性质及分类
主讲教师: 王宁伟
2.1
概述
• 土是由固体、液体、气体三相所组成。三相组成部分的性 质与数量以及它们之间的相互作用，决定着土的物理力学 性质。 • 土中的孔隙体积大，土就松散；含水多，土就软弱。也就 是说土的松密和软硬程度主要取决于组成土体的三相之间 在数量上所占有的比例，因此土力学中采用三相之间在体 积和质量上的比例关系，作为反映土的物理性质的指标。
土力学-第2章 土的物理性质及分类
三相草图法
第二章 土的物理性质及分类
ma=0
m mw ms
质量 空气 air 水 Water
Va
Vv Vw V
固体 Solid
Vs
体积
三 相 草 图(three-phase soil models)
第二章 土的物理性质及分类
九个物理量:
V Vv Vs Va Vw ms m w ma m
物理量关系:
ma=0
空气
Va
Vv Vw V
m mw
水
ms
质量
固体
Vs
体积
位: 无量纲 • 一般范围：粘性土 2.70~2.75， 砂土 2.65
• 单
=1.0 g/cm3
土粒比重在数值上 等于土粒的密度
基本试验指标-土粒比重
第二章 土的物理性质及分类
土的含水量W
• 定义：土中水的质量与土粒质 量之比，用百分数表示 • 表达式：
黏聚力
原始黏聚力（由粒间电分子引力产生） 固化黏聚力（由粒间胶结物产生）
土受扰动时，这两类黏聚力被（部分）破坏，使土的强度降低。但 扰动停止后，原始黏聚力可随时间部分恢复，故强度有所恢复。但固化 黏聚力是无法在短时间内恢复的。所以易于触变的土，被扰动而降低的 强度仅能部分恢复
土中水的离子成分和浓度→水中低价阳离子浓度增加，IP越大
黏土的物理状态指标
第二章 土的物理性质及分类
不同的粘土，wp、wL 大小不同。对于不同的粘土，含水 量相同，稠度可能不同
w wP w w P 液性指数： IL wL wP IP
wp w wL IL 0 坚硬(半固态) 0<IL0.25 硬塑 0.25 <IL 0.75 可塑 0.75 <IL 1 软塑 IL>1 流塑
土力学总结
土力学第一章土的物理性质及工程分类1.土的特点:碎散性、三相性(固,液,气) 、天然性(自然变异性)或成层性.2.土粒大小是影响土的性质最主要因素.土性取决于颗粒的形状,大小和矿物成分.3.常用的粒度成分的表示方法有表格法、累计曲线法和三角坐标法.1).表格法.表格法是以列表形式直接表达各粒组的百分含量.它用于粒度成分的分类是十分方便的.2)累计曲线法.该方法是比较全面和通用的一种图解法,适应于各种土级配好坏的相对比较.由累计曲线的坡度可以大致判断土粒的均匀程度或级配是否良好.3)三角坐标法.三角坐标法只适用于划分三个组粒的情况.4.研究土中水必须考虑到水的存在状态及其土粒的相互作用;存在于土中的液态水可分为结合水和自由水两大类.结合水是指受电分子吸引力吸附在土粒表面的土中水.自由水是存在于土粒表面电场影响范围以外的水.5.土中气:土中的气体存在于土孔隙中未被水所占据的部位.含气体的土称为非饱和土,非饱和土的工程性质研究已形成土力学的一个热点.6.我们把粘土颗粒在直流电作用下向阳极移动的现象称为电泳;而水分子向阴极移动的现象称为电渗.7.双电层的厚度既取决于颗粒表面的带电性,又取决于溶液中阳离子的价数.8.粘土间的相互作用力:(1)粒间吸引力土粒间吸引力主要来源于分子间的范德华力.(2)土粒间排斥力9.土的结构:是指由土粒单元的大小、形状、相互排列及其联结关系等因素形成的综合特征.10.土的构造:土中的物质成分和颗粒大小等都相近的各部分土层之间的相互关系的特征.11.反映土轻重程度的指标:(1)土的天然密度ρ.ρ=m/V (2)土的干密度ρd =m s/V. (3)土的饱和密度ρsat=m s+Vvρw/V (4)土的浮密度ρ′(5)土粒的相对密度12.反映土松密程度的指标(1)孔隙比e:土中孔隙体积与土粒体积之比(2)孔隙率n :土中孔隙体积与总体积之比,以百分数表示.13.反映土含水程度的指标(1)土的含水率ω:土中水的质量与土颗粒质量之比,称为土的含水率,以百分数计.14.影响压实效果的因素:土类、级配、压实功能和含水率,另外土的毛细管压力以及孔隙压力对土的压实性也有一定影响.第二章土中水的运动规律1.孔隙中的自由水在重力(水位差)作用下,发生运动(从土内孔隙中透过)的现象叫渗透.2.土体具有被水透过的性质称为土的渗透性或透水性.3.渗流引起的渗透破坏问题主要有两大类:一是因渗流力的作用,使土体颗粒流失或局部土体产生移动,导致土体变形甚至失稳,如深基坑中流沙和管涌现象;二是由于渗流作用,使水压力或浮力发生变化,导致土体或结构失稳.4.渗流力:水在土中渗流时,受到土颗粒的阻力T的作用,这个力的作用方向与水流方向相反.5.流沙现象:土颗粒之间的压力等于零,土颗粒将处于悬浮状态而失去稳定.6.流沙现象的防治原则:(1)减小或消除水头差,如采取基坑外的井点降水法降低地下水位或水下挖掘;(2)增长渗流途径,如打板桩;(3)在向上渗流出口处地表用透水材料覆盖压重以平衡渗流力;(4)土层处理,减小土的渗透系数,如冻结法、注浆法等.7.管涌现象:水在砂性土中渗流时,土中的一些细小颗粒在渗流力作用下,可能通过粗颗粒的孔隙被水流带走,这种现象称为管涌.8.防治管涌现象,一般从下列三个方面采取措施:(1)改变几何条件,在渗流逸出部位设反滤层是防止管涌破坏的有效措施;(2)改变水力条件,降低水力梯度,如打板桩等;(3)土层处理,减小土的渗透系数.9.流网是由一组流线和一组等势线相互正交组成的网格.流网具有以下特征:(1)流线与等势线相互正交.(2)流线与等势线构成的各个网格的长宽比为常数.(3)相邻等势线之间的水头损失相等.(4)各个流槽(即各相邻两流线间)的渗流量相等.10.土的毛细现象是指土中水在表面张力作用下,沿着孔隙向上及其他地方移动的现象.这种细微孔隙中的水被称为毛细水.11.影响冻胀的因素:(1)土的因素(2)水的因素(3)温度的因素(4)外载荷的因素第三章土中应力计算1.土中应力按其起因可分为自重应力和附加应力两种.土中应力按其作用原理或传递方式可分为有效应力和孔隙应力两种.2.土体的应力-应变关系:(1)土的连续性假定(2)土的线弹性假定(3)土的各向同性假定3.土中某点的自重应力与附加应力之和为土体总的应力.4.在土力学中,正应力以压为正,拉为负.剪应力以逆时针为正.5.地下水位升降,使地基土中自重应力也相应发生变化.6.基底附加压力是指超出原有地基竖向应力的那部分基底压力,也即是作用在基础底面的压力与基底处建造前土中自重应力之差.7.有效应力原理:计算土中应力的目的是为了研究土体受力后的变形和强度问题.8.土中有效应力是指土中固体颗粒(土粒)接触点传递的粒间应力.9.存在土体中某点的总应力有三种情况,即自重应力附加应力、自重应力与附加应力之和.10.有效应力原理:(1)饱和土中任意点的总应力σ总是等于有效应力加上孔隙水压力;(2)土的有效应力控制了土的变形及强度.第四章土的压缩性与地基沉降计算1.土的三大工程问题:渗流、变形、强度.2.在外力作用下土体体积缩小的特性称为土的压缩性.3.土的压缩通常由三部分组成:(1)固体土颗粒被压缩;(2)土中水及封闭气体被压缩;(3)水和气体从孔隙中排出.4.对饱和土来说,土体的压缩变形主要是孔隙水的排出.5沉降:在建筑物荷载作用下,地基土主要由于压缩而引起基础的竖向位移.6.计算地基沉降时,必须取得土的压缩性指标.土的压缩性指标可以通过室内压缩试验或现场原位试验的方式获得.7.土的变形模量是指土体在无侧限条件下的应力与应变的比值.变形模量是反映土的压缩性的重要指标之一.8.土的弹性模量的定义是土体在无侧限条件下瞬时压缩的应力-应变模量.9.变形顺序:初始沉降、固结沉降、次固结沉降.10.几种沉降计算方法:分层总和法、应力面积法和弹性理论方法.第五章土的抗剪强度1.土的抗剪强度是指土抵抗剪切破坏的极限能力.2.土的c和ф统称为土的抗剪强度指标.3.土的抗剪强度是决定建筑物地基和土工建筑物稳定性的关键因素.4.无粘性土的抗剪强度决定于有效法向应力和内摩擦角.5.应力路径是指在外力作用下,土中某一点的应力变化过程在应力坐标图中的轨迹.它是描述土体在外力作用下应力变化情况或过程的一种方法.第六章土压力与挡土墙1.用来支撑天然或人工斜坡不致坍塌,保持土体稳定性的一种建筑物,俗称挡土墙.2.土压力是设计挡土墙结构物断面及验算其稳定性的主要外载荷.3.根据挡土墙的方向,大小及墙后填土处的应力状态,将土压力分为静止土压力,主动土压力,被动土压力三种.4.影响土压力的最主要因素:墙体位移条件.5.挡土墙的类型:重力式挡土墙、悬臂式挡土墙、扶壁式挡土墙、锚定板及锚杆式挡土墙.第七章地基承载力1.地基承载力是指单位面积上地基所能承受的荷载.2.地基破坏模式可分为整体剪切破坏、局部剪切破坏及冲切破坏三种。
土力学 第2版 第二章 土的物理性质及分类
环刀法
环刀的容积V=60cm3； 环刀的质量m1； 环刀和土的质量m2；
土的密度: m2 m1
V
2.2.2 指标的定义
土力学
2.特殊条件下土的密度
质量m
体积V
Vw Va Vv
气
mw
水
m
ms
土粒
Vs V
（1）干密度ρd ：单位体积中固
体颗粒部分的质量 （紧密程度）
d
ms V
（2）饱和密度ρsat ：土体中孔 （3）浮密度ρ ：在地下水位
出合适的名称，可以概略评价土的工程性质。
第2章 土的物理性质及分类
2.1 概述 2.2 土的三相比例指标 2.3 粘性土的物理特征 2.4 无粘性土的密实度 2.5 粉土的密实度和湿度 2.6 土的胀缩性、湿陷性和冻胀性 2.7 土的分类
土力学
2.2 土的三相比例指标
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
土力学
2.2.1 土的三相比例关系图
土力学
质量m
气
mw —土中水质量
mw
水
m
ms —土粒质量
ms
土粒
Vs V
Vw Va Vv
体积V
Va —土中气体积 Vw —土中水体积
Vs —土粒体积
m ms mw
Vv Vw Va
（土的总质量）
（土中孔隙体积）
V Vs Vw Va
（土的总体积）
2.2 土的三相比例指标
ds
ms
Vs 1
s 1
测定方法：比重瓶法
ρs—土粒密度，单位体积土粒质量 ρw1 —纯水在40C时的密度，1g/cm3
土粒相对密度变化范围不大：一般，砂类土2.65～2.69；粉性土
环刀的容积V=60cm3； 环刀的质量m1； 环刀和土的质量m2；
土的密度: m2 m1
V
2.2.2 指标的定义
土力学
2.特殊条件下土的密度
质量m
体积V
Vw Va Vv
气
mw
水
m
ms
土粒
Vs V
（1）干密度ρd ：单位体积中固
体颗粒部分的质量 （紧密程度）
d
ms V
（2）饱和密度ρsat ：土体中孔 （3）浮密度ρ ：在地下水位
出合适的名称，可以概略评价土的工程性质。
第2章 土的物理性质及分类
2.1 概述 2.2 土的三相比例指标 2.3 粘性土的物理特征 2.4 无粘性土的密实度 2.5 粉土的密实度和湿度 2.6 土的胀缩性、湿陷性和冻胀性 2.7 土的分类
土力学
2.2 土的三相比例指标
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
土力学
2.2.1 土的三相比例关系图
土力学
质量m
气
mw —土中水质量
mw
水
m
ms —土粒质量
ms
土粒
Vs V
Vw Va Vv
体积V
Va —土中气体积 Vw —土中水体积
Vs —土粒体积
m ms mw
Vv Vw Va
（土的总质量）
（土中孔隙体积）
V Vs Vw Va
（土的总体积）
2.2 土的三相比例指标
ds
ms
Vs 1
s 1
测定方法：比重瓶法
ρs—土粒密度，单位体积土粒质量 ρw1 —纯水在40C时的密度，1g/cm3
土粒相对密度变化范围不大：一般，砂类土2.65～2.69；粉性土
土力学：第1章 土的物理性质和工程分类
由于引力降低，弱结合水的水分子的排列不如强结 合水紧密，弱结合水可能从较厚水膜或浓度较低处缓慢 地迁移到较薄的水膜或浓度较高处，亦即可从一个土粒 迁移到另一个土粒，这种运动与重力无关，这层不能传 递静水压力的水定义为弱结合水。
d320 d60d10
(1 1b)
式中：d 、d 、d 分别相当于累计百分含量为
10
30
60
10％、30％和60％的粒径；
d10 称为有效粒径；
d60 称为限制粒径；
d 、d 10
30、称d为6平0 均粒径。
3．粒度成分及其表示方法（5）
不均匀系数 Cu 、Cc 反映大小不同粒组的分布情况：
Cu >= 5、Cc =1-3的土级配良好，其余情况为级配不良。
１）横坐标（按对数比例尺）表示某一粒径， ２）纵坐标表示小于某一粒径的土粒的百分
含量。
3．粒度成分及其表示方法（3）
表1-3中的三种土的累计曲线如图1-1所示。
3．粒度成分及其表示方法（4）
在累计曲线上，可确定两个描述土的级配的指标：
• 不均匀系数
Cu
d60 d10
(1 1a)
• 曲率系数
Cs
粒组名称
粒组范围(mm)
粒组名称
粒组范转(mm)
漂石(块石)粒组
>200
砂粒粒组
0.075~2
卵石(碎石粒组)
20~200
粉粒粒组
0.005~0.075
砾石粒粗
2~20
粘粒粒组
<0.005
我国上述规范采用的粒组划分标准见表1-1。《土的
工程分类标准》1．（G土B的J14粒5-9组0）划在分砂粒（粒4组）与粉粒粒组
d320 d60d10
(1 1b)
式中：d 、d 、d 分别相当于累计百分含量为
10
30
60
10％、30％和60％的粒径；
d10 称为有效粒径；
d60 称为限制粒径；
d 、d 10
30、称d为6平0 均粒径。
3．粒度成分及其表示方法（5）
不均匀系数 Cu 、Cc 反映大小不同粒组的分布情况：
Cu >= 5、Cc =1-3的土级配良好，其余情况为级配不良。
１）横坐标（按对数比例尺）表示某一粒径， ２）纵坐标表示小于某一粒径的土粒的百分
含量。
3．粒度成分及其表示方法（3）
表1-3中的三种土的累计曲线如图1-1所示。
3．粒度成分及其表示方法（4）
在累计曲线上，可确定两个描述土的级配的指标：
• 不均匀系数
Cu
d60 d10
(1 1a)
• 曲率系数
Cs
粒组名称
粒组范围(mm)
粒组名称
粒组范转(mm)
漂石(块石)粒组
>200
砂粒粒组
0.075~2
卵石(碎石粒组)
20~200
粉粒粒组
0.005~0.075
砾石粒粗
2~20
粘粒粒组
<0.005
我国上述规范采用的粒组划分标准见表1-1。《土的
工程分类标准》1．（G土B的J14粒5-9组0）划在分砂粒（粒4组）与粉粒粒组
土力学-物理性质及分类
沉降
不均匀沉降会导致建筑物开裂、倾 斜等问题。为了减小沉降，可以采 取加强基础、设置沉降缝等方法。
地震液化
地震液化会导致土壤失去承载力， 影响建筑物安全。为了解决地震液 化问题，可以采取振实、排水、换 填等方法。
05
结论
土力学物理性质及分类的重要性
土力学物理性质及分类是工程设计和施工的重 要依据，能够提供土的强度、变形和渗透等特 性，从而确保工程的安全性和稳定性。
了解土的物理性质和分类有助于预测土的行为， 为工程提供科学依据，避免因对土的性质了解 不足而导致的工程事故。
土的物理性质和分类对于地质工程、环境工程、 岩土工程等领域的研究和应用具有重要意义， 能够为相关领域提供基础数据和理论支持。
对未来研究的展望
随着科技的发展和研究的深入，未来对土的物理性质和分类的研究将更加精细和全面，有望揭示更多 土的内在规律和特性。
颗粒组成
土是由固体颗粒、水和空气组成的混合物。固体颗粒的成分和大小对土的性质 有重要影响。根据颗粒的大小和成分，土可以分为砂土、壤土和粘土等类型。
结构
土的结构是指固体颗粒之间的排列和相互关系。土的结构对土的强度、压缩性 和渗透性等性质有显著影响。
土的含水量
含水量
指土中水的质量与土的固体颗粒 质量的比值，通常以百分比表示 。含水量对土的力学性质和工程 性质有重要影响。
03
土的分类
按颗粒大小分类
粗粒土
粒径在2～0.1mm 之间的颗粒占优势 的土。
极细粒土
粒径在0.01～ 0.005mm之间的颗 粒占优势的土。
巨粒土
大于2mm的颗粒占 优势的土。
细粒土
粒径在0.1～ 0.01mm之间的颗 粒占优势的土。
土的物理性质及分类
Dr. Han WX
1.土中水
土中水可以处于液态、固态或气态。
土中细粒愈多多，即土的分散度愈大，
土中水对土性影响也愈大。
土中水是成分复杂的电解质水溶液，它与土粒有着复杂的相互作用。土中
水在不同作用力之下而处于不同的状态，根据丰要作用力的不同，工程上对土
中水的分类见表1—2。
H2O的类型： Ⅰ固态水
Ⅱ液态水
土粒下沉速度
v s w gd 2 18
速度又
v L t
密度 s Gs wl Gs w
粒度
14
《土力学》 第1章 土的物理性质及分类
§1.2 土的组成 1.2.2 土粒的大小
Dr. Han WX
2.颗粒组成累计曲线
Effective size D10: 0.02 mm
均匀性系数：Cu
d 60 d10
《土力学》 第1章 土的物理性质及分类
§1.1 概述
土的物质成分包括作为上骨架的固态矿物颗粒、土孔隙中的液态水及其溶 解物质以及土孔隙中的气体。因此，土是由颗粒(固相)、水(液相)和气(气相)
土的组成
土粒 S : Solid
水 W: Liquid 气 A: Air
Soil particle
Water (electrolytes) Air
13
《土力学》 第1章 土的物理性质及分类
§1.2 土的组成 1.2.2 土粒的大小
Dr. Han WX
1.颗分析实验 Experiment
沉降分析法的理论基础是土粒在水中的沉降原理，如 图l-1所示，将定量的土样与水混合倾注量筒中，悬液经 过搅拌，使各种粒径的土粒在悬液中均匀分布，此时悬 液浓度(单位体积悬液内含有的土粒重量)在上下不同深度 处是相等的。但静置后，土粒在悬液中下沉，较粗的颗 粒沉陈较快，图中在深度Li处只含有≤di粒径的土粒，悬 液浓度降低了。如在Li深度处考虑一小区段mn，则mn段 悬液的浓度(ti时)与开始浓度(t＝0)之比，即可求得≤di的 累计百分含量。
土力学地基基础土的物理性质及工程分类
第20页/共64页
3 土中气体
土的固体颗粒之间存在孔隙，没有 被水填充的部分为土的气体组成。土中 气体主要分为两类： （1）自由气体：与大气相通，土层受压 时会逸出，一般对工程无影响。 （2）封闭气泡：与大气隔绝，一般存在 于黏土中，土层受压时，封闭气泡缩小， 卸荷时气泡又膨胀，形成有弹性的“橡 皮土”，使土体压实困难，渗透性降低。
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第三节 土的物理性质指标
土的三相分布草图：固相集中于下部， 液相居中部，气相集中于上部，以适当比 例画成的一个草图，左侧标出各相的质量， 右侧注明各相的体积。如下图所示：
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第三节 土的物理性质指标
1 土的三项基本物理性质指标 2 反映土的松密程度的指标 3 反映土中含水程度的指标 4 特定条件下土的密度（重度）
第33页/共64页
4 特定条件下土的密度（重度）
（3）土的有效重度（浮重度）ϒ ’ ①物理意义
土的有效重度（浮重度）ϒ ’ ：地下水位以 下，土体单位体积所受的重力，再扣除浮力的 部分。 ②表达式
式中ϒw为水的重度，可取10kN/m3。 ③常见值
ϒ’ =8~13kN/m3。
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土的物理性质指标汇总
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1 土的三项基本物理性质指标
（1）土的密度ρ和土的重度ϒ ①物理意义
土的密度ρ：单位体积土的质量，g/cm3。 土的重度ϒ：单位体积土所受的重力，即ϒ = ρg = 9.8ρ ≈ 10 ρ，kN/m3。 ②表达式
③常见值 ρ =1.6~2.2 g/cm3， ϒ=16~22kN/m3。
土的结构一般分为下列三种 ①单粒结构：粗粒土（卵石、砂土等）在沉积 过程中，每个颗粒在自重作用下单独下沉达到 稳定状态。 ②蜂窝结构：土颗粒较细（粒径小于0.02mm） 时，在水中单个下沉，碰到已沉积的土粒，由 于土粒之间的分子引力大于土粒自重，使得下 沉的土粒被吸引而不再下沉。一粒粒依次被吸 引，形成很大孔隙的蜂窝状结构。
3 土中气体
土的固体颗粒之间存在孔隙，没有 被水填充的部分为土的气体组成。土中 气体主要分为两类： （1）自由气体：与大气相通，土层受压 时会逸出，一般对工程无影响。 （2）封闭气泡：与大气隔绝，一般存在 于黏土中，土层受压时，封闭气泡缩小， 卸荷时气泡又膨胀，形成有弹性的“橡 皮土”，使土体压实困难，渗透性降低。
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第三节 土的物理性质指标
土的三相分布草图：固相集中于下部， 液相居中部，气相集中于上部，以适当比 例画成的一个草图，左侧标出各相的质量， 右侧注明各相的体积。如下图所示：
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第三节 土的物理性质指标
1 土的三项基本物理性质指标 2 反映土的松密程度的指标 3 反映土中含水程度的指标 4 特定条件下土的密度（重度）
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4 特定条件下土的密度（重度）
（3）土的有效重度（浮重度）ϒ ’ ①物理意义
土的有效重度（浮重度）ϒ ’ ：地下水位以 下，土体单位体积所受的重力，再扣除浮力的 部分。 ②表达式
式中ϒw为水的重度，可取10kN/m3。 ③常见值
ϒ’ =8~13kN/m3。
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土的物理性质指标汇总
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1 土的三项基本物理性质指标
（1）土的密度ρ和土的重度ϒ ①物理意义
土的密度ρ：单位体积土的质量，g/cm3。 土的重度ϒ：单位体积土所受的重力，即ϒ = ρg = 9.8ρ ≈ 10 ρ，kN/m3。 ②表达式
③常见值 ρ =1.6~2.2 g/cm3， ϒ=16~22kN/m3。
土的结构一般分为下列三种 ①单粒结构：粗粒土（卵石、砂土等）在沉积 过程中，每个颗粒在自重作用下单独下沉达到 稳定状态。 ②蜂窝结构：土颗粒较细（粒径小于0.02mm） 时，在水中单个下沉，碰到已沉积的土粒，由 于土粒之间的分子引力大于土粒自重，使得下 沉的土粒被吸引而不再下沉。一粒粒依次被吸 引，形成很大孔隙的蜂窝状结构。
土力学第二章：土的物理性质及工程分类全解
第2章 土的物理性质及工程分类 2.2 土的三相组成
2.2.1土的固体颗粒
3.土的粒径级配 巨粒(>200mm)
土颗粒
粗粒(0.075-200mm)
卵石或碎石颗粒 (20200mm)
圆砾或角砾颗粒 (2-20mm) 砂 (0.075-2mm)
细粒(<0.075mm)
粉粒(0.005-0.075mm)
第2章 土的物理性质及工程分类
2.1.1土的生成
（1）物理风化 ①温差风化：由于温差 变化，岩石在热胀冷缩 过程中逐渐破碎的过程， 常发生在温差较大的干 旱气候地区。
2.1 土的生成与特性
第2章 土的物理性质及工程分类
2.1.1土的生成
（1）物理风化 ② 冰劈作用：充填于岩 石裂隙中的水结冰体积 膨胀而使岩石裂解的过 程。 水结成冰时其体积可增 大9.2％。冰体将对裂缝 壁产生2000kg／cm2的 巨大压力。
1.0 ,0.5, 0.25,
0.075
第2章 土的物理性质及工程分类
2.2.1土的固体颗粒
3.土的粒径级配 (1) 筛分法：适用于0.075mm≤d≤60mm
2.2 土的三相组成
筛析机
第2章 土的物理性质及工程分类
2.2.1土的固体颗粒
3.土的粒径级配 (2) 比重计法:适用于d＜0.075mm
粒径<0.25mm: 粒径<0.075mm:
1-155 0 0151 000 1% 0 500
1-15 5 0 015 100 3 0 04% 500
<2.0
<1.0
<0.5
<0.25
<0.075
90%
60%
《土力学》第一、二章土的物理性质及工程分类
3、描述土的孔隙体积相对含量的指标 （1）、土的孔隙比 ）、土的孔隙比 ）、土的孔隙率 （2）、土的孔隙率 ）、土的饱和度 （3）、土的饱和度 二、指标的换算
1. 4 无黏性土的密实度
一、 砂土的相对密实度 二、无黏性土密实度划分的其他方法
1. 5 黏性土的物理特征
一、黏性土的可塑性及界限含水量 黏性土的状态随含水量的增大而变软: 黏性土的状态随含水量的增大而变软:
一、 渗流力 二、 渗砂或流土现象
当 且方向向上，就会出现土粒悬浮，随水流动现象。 且方向向上，就会出现土粒悬浮，随水流动现象。 这种现象称为渗砂或流土。 这种现象称为渗砂或流土。 开始出现流砂或流土时的水力梯度称为临界水力梯度。 开始出现流砂或流土时的水力梯度称为临界水力梯度。
三、管涌现象和潜蚀作用
在渗透水流作用下，土中细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中流失， 在渗透水流作用下，土中细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中流失，导致孔 隙扩大，渗流速度加快，这种现象称为管涌。管涌是一种潜蚀作用， 隙扩大，渗流速度加快，这种现象称为管涌。管涌是一种潜蚀作用， 可导致土体内部强度下降，造成土体失稳。 可导致土体内部强度下降，造成土体失稳。 在工程中可通过设置隔水层、反滤层或止水帷幕预防流砂或管涌现象。 在工程中可通过设置隔水层、反滤层或止水帷幕预防流砂或管涌现象。
二、黏性土的可塑性指标
1、塑性指数 Ip = wL – wp 2、液性指数 IL =
三、黏性土的结构性和触变性
黏性土的结构性是指天然结构受扰动而改变的特性。以灵敏度衡量： 黏性土的结构性是指天然结构受扰动而改变的特性。以灵敏度衡量： ：低灵敏土 灵敏度： 灵敏度： ：中灵敏土 ：高灵敏土 黏性土经扰动后强度降低，扰动停止后强度又随时间而逐渐恢复。 黏性土经扰动后强度降低，扰动停止后强度又随时间而逐渐恢复。 这种胶体化学性质称为土的触变性。 这种胶体化学性质称为土的触变性。
土力学-第一章
土的结构类型
• 示意图
单粒结构—松
• 排列形式 • 矿物成分
点与点、点与面 原生矿物
单粒结构—密
粗 粒 土
30 岩土工程研究所
郭莹主讲
土力学
§1 土的物性及分类 §1.1土的三相组成和结构 1.1.4土的结构
土的结构类型
• 示意图
细 粒 土 • 形成环境
颗粒级配 颗粒级配曲线及指标的用途：
1）粒组含量用于土的分类定名；
2）不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度： Cu ≥ 5，不均匀土； Cu < 5，均匀土
3）曲率系数Cc用于判定土的连续程度： C c = 1 ~ 3, 级配连续土； Cc > 3 或 Cc < 1，级配不连续土
4）不均匀系数Cu和曲率系数Cc用于判定土的级配优劣： 如果 Cu ≥ 5且 C c = 1 ~ 3 ， 级配良好的土； 如果 Cu < 5 或 Cc > 3 或 Cc < 1, 级配不良的土。
重力水
地下水位（浸润线）以下饱和土中； 在重力作用下可在土中自由流动。
（gravitation water）
自由水
（free water）
• 存在于固气之间
毛细水
• 在重力与表面张力作用下
可在土粒间孔隙中自由移动 （capillary water）
26 岩土工程研究所
郭莹主讲
土力学
§1 土的物性及分类 §1.1土的三相组成和结构 1.1.3土的液相
粒径(mm)
∵d60A = d60B= 0.28，d10A=0.15 d10B =0.02 ∴CuA=1.87 <CuB=14
16 岩土工程研究所
郭莹主讲
土力学-土的物理性质及工程分类
§2.1.4 土的生成与工程特性的关系
各类土的生成条件不同，其工程特性往往相差悬殊。 1、 搬运、沉积条件 通常流水搬运沉积的土优于风力搬运沉积的土； 2、 沉积年代 通常土的沉积年代越长，土的工程性质越好。 3、 沉积的自然地理环境 我国地域辽阔，地形高低、气候冷热、雨量多少各地相差悬殊
，自然地理环境不同所生成的土的工程性质差异也很大。
粘粒
0.005mm≤粒径d
通常粗粒土的压缩性低、强度高、渗透性大、工程性质好。
土力学
§土2的.2物理土性的质三及相工组程分成类
§2.2.1 土的固体颗粒
3、土的粒径级配 自然界里的天然土，很少是一个粒组的土，往往由多个粒组混 合而成。土的颗粒有粗有细，土中土粒的大小及其组成,工程中常 用土中各粒组的相对含量占总质量的百分数来表示，称为土的粒径 级配。 粒径级配是决定无粘性土工程性质的主要因素，以此作为土的 分类定名的标准。
d3 0 2
cc
d1 0 d6 0
(2.2)
一般按经验把Cu≤5的土看作是均粒土，属级配不良；Cu>10的 土属级配良好。此外，要满足级配良好的要求，除土粒大小必须不 均匀外，还要求符合Cc=1～3的条件。否则土粒大小不连续，出现 缺粒段，仍不能称为级配良好。
工程上同时满足Cu>5且Cc=1～3的土为级配良好的土。
分散构造的工程性质最好； 结核状构造工程性质的好坏取决于细粒土部分； 裂隙状构造中，裂隙破坏了土的整体性，使强度降低，渗透性 增大，工程性质差。
土力学
§土2的.1物理土性的质生及成工与程分特类性
§2.1.3 土的工程特性
土与其它连续介质的建材相比，具有下列三个显著的工程特性： 1、 压缩性高
反映材料压缩性高低的指标弹性模量（土称变形模量）。
各类土的生成条件不同，其工程特性往往相差悬殊。 1、 搬运、沉积条件 通常流水搬运沉积的土优于风力搬运沉积的土； 2、 沉积年代 通常土的沉积年代越长，土的工程性质越好。 3、 沉积的自然地理环境 我国地域辽阔，地形高低、气候冷热、雨量多少各地相差悬殊
，自然地理环境不同所生成的土的工程性质差异也很大。
粘粒
0.005mm≤粒径d
通常粗粒土的压缩性低、强度高、渗透性大、工程性质好。
土力学
§土2的.2物理土性的质三及相工组程分成类
§2.2.1 土的固体颗粒
3、土的粒径级配 自然界里的天然土，很少是一个粒组的土，往往由多个粒组混 合而成。土的颗粒有粗有细，土中土粒的大小及其组成,工程中常 用土中各粒组的相对含量占总质量的百分数来表示，称为土的粒径 级配。 粒径级配是决定无粘性土工程性质的主要因素，以此作为土的 分类定名的标准。
d3 0 2
cc
d1 0 d6 0
(2.2)
一般按经验把Cu≤5的土看作是均粒土，属级配不良；Cu>10的 土属级配良好。此外，要满足级配良好的要求，除土粒大小必须不 均匀外，还要求符合Cc=1～3的条件。否则土粒大小不连续，出现 缺粒段，仍不能称为级配良好。
工程上同时满足Cu>5且Cc=1～3的土为级配良好的土。
分散构造的工程性质最好； 结核状构造工程性质的好坏取决于细粒土部分； 裂隙状构造中，裂隙破坏了土的整体性，使强度降低，渗透性 增大，工程性质差。
土力学
§土2的.1物理土性的质生及成工与程分特类性
§2.1.3 土的工程特性
土与其它连续介质的建材相比，具有下列三个显著的工程特性： 1、 压缩性高
反映材料压缩性高低的指标弹性模量（土称变形模量）。
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：
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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 。
2020/3/3
（1）绘制Vs＝1的三相图，计算各相质量与体积
Sr 1.0 wds e
sat
1.95
(1 w)ds 1 e
1.95
解得：
w 0.292
e 0.788
（2）计算干重度或其他指标
wds w
水
(1 w)ds w
dsw
土
d
d g
ds 1 e
g
2.7 10 15.1kN / m3 1 0.788
土的物理性质及分类
基本要求：
掌握土的三相比例指标及相互换算，各物理指标的概念 及测定方法； 熟悉土的分类原则； 了解三种特殊土的概念。
1
本章内容
2.1 概述
2.2 土的三相比例指标
2.3 粘性土的物理特征
2.4 无粘土的密实度
2.5 粉土的密实度和湿度
2.6 土的胀缩性、湿陷性和冻胀性
（1）绘三相图，计算并标出各相质量及体积
设V＝1cm3
ms mw 1.95 mw ms / ds 1.0
解得：
ms 1.51 mw 0.44
标出各相质量与体积
mw 0.44
1.95
ms 1.51
水 Vw 0.44 1.0
土 Vs 0.56
（2）根据定义求指标
d
e wdsw (Sr 1.0)
分 析
sat (1 w)dsw /(1 e)
e未知
wds w
水
e
(1 w)ds w
dsw
土
1
d ds w /(1 e)
2020/3/3
9
推 e wdsw (Sr 1.0)
导
sat (1 w)dsw /(1 e)
ms
V
重度即重力密度： g
质量
★ sat d
孔隙比：
e
Vv Vs
孔隙率：n Vv 100%
V
也即
sat d
饱和度：Sr
Vw Vv
100 %
2020/3/3
气 水 土粒
Va Vw Vv V Vs
体积
6
2.2.3 指标的换算
1、绘制的三相图
令 Vs 1
Vv eVs e
V Vs Vv 1 e
ms Vs ds w ds w
mw wms wds w
m ms mw (1 w)dsw
2020/3/3
7
2、指标间关系的推导（对照三相图）
2020/3/3
8
例题2-1
wc
wL w wL wP
烘干法测含水量，联合测 定仪法测液、塑限。
14
2.3.3 粘性土的活动度、灵敏度和触变性
1、活动度
实际中可能有两种土的塑性指数很接近，但性质却有很大差 异，这主要是由于粘粒的胶体活动性不同。活动性与矿物成 分有关，例如在三种主要粘土矿物中，蒙脱石的活动性最高， 高岭石的最低。
d g
ms V
g
1.51 10 1
15.1kN / m3
e Vv Vw 0.44 0.79 Vs Vs 0.56
2020/3/3
11
解法3： Sr 1.0 ds 2.7 sat 19.5kN / m3 (sat 1.95 g / cm3 )
w 1.0g / cm3
e (ds sat ) /(sat 1)
d ds /(1 e) ds (sat 1) /(ds 1)
d d g ds ( sat w ) /(ds 1)
(2) 代入已知指标计算重度
2020/3/3
10
解法2： Sr 1.0 ds 2.7 sat 19.5kN / m3 (sat 1.95 g / cm3 )
（液塑限联合测定仪：圆锥入土深度与土样含水量的双 对数坐标，2mm及17mm对应的含水量）
2020/3/3
13
2.3.2 粘性土的物理状态指标
1、塑性指数 反映土的塑性大小的指标，用于土分类。
2、液性指数
IP wL wP
反映土的软硬程度的指标，判定土状态 。
IL
w wP wL wP
2.2.1 三相图
在研究三相物质量的比例关系时，可以假想把它们分别集中在一起。
ma=0
气
Va
m
mw
Vv
水
Vw
V
ms
土粒
Vs
质量
2020/3/3
体积
4
2.2.2 指标的定义
1、三个基本指标（实测指标）
土粒比重：
ds
ms
Vs w1
（比重瓶法）
含水量： w mw 100 % ms
（烘干法）
密度：
ds 1 g 2.7 1 10 9.5kN / m3 1 e 1 0.788
n e 0.788 100% 44.07% 1 e 1 0.788
2020/3/3
e
1
12
2.3 粘性土的物理特征
2.3.1 粘性土的可塑性与界限含水量
1、可塑性
2、界限含水量