2土的物理性质及分类

第2章 土的物理性质及分类2.1 概 述土是土粒（固体相），水（液体相）和空气（气体相）三者所组成的；土的物理性质就是研究三相的质量与体积间的相互比例关系以及固、液两相相互作用表现出来的性质。

土的物理性质指标，可分为两类：一类是必须通过试验测定的，如含水量，密度和土粒比重；另一类是可以根据试验测定的指标换算的；如孔隙比，孔隙率和饱和度等。

2.2 土的三相比例指标反映着土的物理状态,如干湿软硬松密等。

表示土的三相组成比例关系的指标,统称为土的三相比例指标。

一、土的三相图【注意】土的三相图只是理想化地把土体中的三相分开，并不表示实际土体三相所占的比例。

二、指标的定义 1．三项基本物理性质指标土的物理性质指标中有三个基本指标可直接通过土工试验测定,亦称直接测定指标。

① 土的密度ρ——土单位体积的质量（单位为3/cm g 或3/m t ）Vm ＝ρ g ργ=试验测定方法：环刀法一般粘性土ρ=1.8～2.03/cm g ；砂土ρ=1.6～2.03/cm g ；腐殖土ρ=1.5～1.73/cm g ； ② 土粒比重（土粒相对密度）s G ——土粒的质量与同体积4o C 纯水的质量之比。

111w s w s s s V m G ρρρ=⨯=，无量纲。

s ρ——土粒密度（3/cm g ）1w ρ——纯水在C 04时的密度（单位体积的重量），等于3/1cm g 或3/1m t 。

试验测定方法：比重瓶法实际上：土粒比重在数值上等于土粒密度，前者无因次。

同一类土，其比重变化幅度很小，通常可按经验数值选用。

见下表。

【课堂讨论】相对密度（比重）与天然密度（重度）的区别注意：从公式可以看出，对于同一种土，在不同的状态（重度、含水量）下，其比重不变；③ 土的含水量ω——土中水的质量与土粒质量之比，以百分数表示：%100⨯=sm m ωω 一般：同一类土，当其含水量增大时，其强度就降低。

试验测定方法：烘干法（湿，干土质量之差与干土质量的比值） 【讨论】含水量能否超过100％？——从公式可以看出，含水量可以超出100％。

2．特殊条件下土的密度① 饱和密度和饱和重度饱和密度sat ρ——（土孔隙中充满水时的单位体积质量）土体中孔隙完全被水充满时的土的密度：VV m v s sat ωρρ+=。

（31/1cm g w w ==ρρ）饱和重度：γsat =sat ρg （kN/m 3）。

② 干密度和干重度干密度——单位体积中土粒的质量：Vm sd =ρ，（kg/m 3，g/cm 3）。

干重度——单位体积中土粒的重量：d γ=ρd g ，（kN/m 3）。

在工程上常把干密度作为评定土体密实程度的指标，以控制填土工程的施工质量。

③ 有效重度（浮重度）——单位土体积中土粒的质量扣除同体积水的质量即为单位土体积中土粒的有效质量，称为土的有效密度ρ'VV m ws s ρρ-'＝VV g m s s ωγγ-='，（kN/m 3）。

同样条件下，上述几种重度在数值上有如下关系：sat γ＞γ＞d γ＞γ'ωγγγ＋＝'sat3．描述土的孔隙体积相对含量的指标测出上述三个基本试验指标后，就可根据三相图，计算出三相组成各自的体积上和质量上的含量，并由此确定其它的物理性质指标，即导出指标。

① 孔隙比——土中孔隙体积与土粒体积之比，用小数表示：svV V e =孔隙比是评价土的密实程度的重要物理性质指标。

天然状态下土的孔隙比称为天然孔隙比，它是一个重要的物理性指标，可以用来评价天然土层的密度程度。

一般e< 0.6的土是密实的低压缩性土，e>1.0的土是疏松的高压缩性土。

② 孔隙率——土中孔隙体积与土的总体积之比，以百分数表示：VV n v=100％ 孔隙率亦可用来表示同一种土的松、密程度。

一般粘性土的孔隙率为30～60%，无粘性土为25～45%。

③ 饱和度——土中所含水分的体积与孔隙体积之比（以百分率计），饱和度可描述土体中孔隙被水充满的程度：%100⨯=vr V V S ω显然, 干土的饱和度S r =0, 当土被完全饱和状态时S r =100%。

砂土根据饱和度可划分为下列三种湿润状态：S r ≤50% 稍湿，50%＜S r ≤80% 很湿，S r ＞80% 饱和。

【讨论】孔隙比、孔隙率、饱和度能否超过1或100％？三、指标的换算已知：ρ（γ），s d ，ω——→e ，n ，S r ，ρsat（γsat ），ρd （γd ），γ'等的表达式。

推导间接指标的关键在于：熟悉各个指标的定义及其表达式，能熟练利用土的三相简图。

令w w ρρ=1， 1=s V则e V v =，e V +=1，w s w s s s G V G m ρρ==，w s s w wG wm m ρ==，w s G w m ρ)1(+=推导：e G w V m ws ++=1)1(ρρ＝（a ） w e G V m w s s d +=+==11ρρρ （b ） 由(b)式，1)1(1-+=-=ρρρρws dws G w G eee G e e G V V m ws w w s w v s s a t ++=++=+=1)(1ρρρρρ eG VV V m V V V m V V m wsws a t ww v s w v s w s s +-=-=-+=--=-='1)1( )(ρρρρρρρρeeV V n v +==1 ewG V wG V m V V S sw v w s w v w v w r ====ρρρ 注意：此时e 已是“已知”的指标。

根据各间接指标的定义，利用三相简图可求得：ωγγe e G s sat ++=1 ωγγeG s +-='11ωρρs d G n －＝1土的三相比例指标换算化式一并列于下表。

【本次课小结】 1．各指标的定义；2．利用三相图进行指标间的相互换算。

【复习思考】1．在土的三相比例指标中，哪些指标是直接测定的？用何方法？ 2．在三相比例指标中，哪些指标的数值可以大于1，哪些不行？ [例题]1．某土样重180g ，饱和度r S =90%，土粒比重7.2=s G ，烘干后重135g ，试计算土样的天然重度和孔隙比。

解： 法一：rsS G e ω=135135180-==s w m m ω er G g V m g r w s ++==1)1(ωρ＝3/0.10m kN r w = 法二：g V V V m m g V m g r av s w s +++===ρ 2/10s m g = 135180-=w m g m s 135=1w s s sss G m m V ρρ⋅==w w w m V ρ= rw v S VV =sw V V e =2.3 粘性土的物理特征一、粘性土的可塑性及界限含水量粘性土由于含水量的不同，分为固态、半固态、可塑状态和流动状态，这即是粘性土的稠度状态。

界限含水量——粘性土由一种状态转到另一种状态的分界含水量，也即各稠度状态间的临界含水量，以百分数表示。

可塑性——当粘性土在某含水量范围内，用外力塑成任何形状而不发生裂纹，并当处力移去后仍能保持形状的性能。

固体状态——半固体状态——可塑状态——流动状态液限——土由可塑状态到流动状态的界限含水量称为，用l ω表示，我国采用锥式液限仪来测定。

其工作过程是：将粘性土调成均匀的浓糊状，装满盛土杯，刮平杯口表面，将76克重圆锥体轻放在试样表面的中心，使其在自重作用下徐徐沉入试样，若圆锥体经5秒种恰好沉入10mm 深度，这时杯内土样的含水量就是液限l ω值。

为了避免放锥时的人为晃动影响，可采用电磁放锥的方法。

塑限——土由半固态到可塑状态的界限含水量，用p ω表示，用"搓条法"测定。

即用双手将天然湿度的土样搓成小圆球（球径小于10mm ），放在毛玻璃板上再用手掌慢慢搓滚成小土条，用力均匀，搓到土条直径为3mm ，出现裂纹，自然断开，这时土条的含水量就是塑限p ω值。

缩限——土由半固体状态不断蒸发水分到体积不再缩小时土的界限含水量，用s ω表示。

注意：塑限、液限、缩限是一个含水量 二、粘性土的可塑性指标粘性土可塑性指标除了塑限、液限、缩限外，还有塑性指数和液性指数等指标。

① 塑性指数——指液限和塑限的差值（省去%号），即土处在可塑状态的含水量变化范围，用p I 表示。

I p =l ω－p ω 注意：计算时含水量要去百分号结论：塑性指数表示土处在可塑状态的含水量变化范围, 显然，塑性指数愈大，土处于可塑状态的含水量范围也愈大。

塑性指数的大小与土中结合水的可能含量有关，土中结合水的含量与土的颗粒组成、矿物组成以及土中水的离子成分和浓度等因素有关。

其值的大小取决于土颗粒吸附结合水的能力,亦即与土中粘粒含量有关。

粘粒含量越多,土的比表面积越大,塑性指数就越高。

应用：根据其值大小对粘性土进行分类。

② 液性指数——粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比。

用L I 表示。

L I 值愈大，土质愈软；反之，土质愈硬。

PL p PpL I I ωωωωωω－－＝－＝)(p ωω 0<L I 坚硬状态10≤≤L I 可塑状态)(L ωω 1>L I 流动状态用途：根据其值大小判定土的软硬状态注：粘性土界限含水量指标p ω、l ω都是采用重塑土测定的，它是天然结构完全破坏的重塑土的物理状态界限含水量。

因此，保持天然结构的原状土，在其含水量达到液限以后，并不处于流动状态。

三、粘性土的结构性和触变性 1．结构性结构性——指天然土的结构受到扰动影响而改变的特性。

一般用灵敏度衡量。

当土受到扰动时，土的平衡体系破坏，土的强度降低和压缩性增大。

灵敏度——以原状土的强度与该土经重塑（土的结构性彻底破坏）后的强度之比来表示。

重塑试样与原状试样具有相同的尺寸、密度和含水量。

对于饱和粘性土的灵敏度t S 可按下式计算：uut q q S '=u q ——原状试样的无侧限抗压强度，kPa; uq '——重塑试样的无侧限抗压强度，kPa 。

根据灵敏度将饱和粘性土分为：21≤<t S 低灵敏 42≤<t S 中灵敏 4>t S 高灵敏土的灵敏度越高，其结构性越强，受扰动后土的强度降低越多。

2．触变性触变性——粘性土的结构受到扰动，导致强度降低，但当扰动停止后，土的强度又随时间而逐渐增大，粘性土的这种抗剪强度随时间恢复的胶体化学性质称为土的触变性。

四、粘性土的胀缩性、湿陷性和冻胀性 1．粘性土的胀缩性粘性土由于含水量的增加而发生体积增大的性能称膨胀性；由于土中水分蒸发而引起体积减少的性能称收缩性；两者统称胀缩性。