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——土单位体积的质量（单位为3/cmg或3/mt）

Vm＝ g

试验测定方法：环刀法 一般粘性土=1.8～2.03/cmg；砂土=1.6～2.03/cmg；腐殖土=1.5～1.73/cmg；

② 土粒比重（土粒相对密度）sG——土粒的质量与同体积4oC纯水的质量之比。111wswsssV

mG，无量纲。

s——土粒密度（3/cmg）

1w——纯水在C04时的密度（单位体积的重量），等于3/1cmg或3/1mt。

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——土中水的质量与土粒质量之比，以百分数表示：

%100sm

m

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——（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：VVmvssat。 （31/1cmgww） 饱和重度：sat=satg （kN/m3）。 ② 干密度和干重度 干密度——单位体积中土粒的质量：Vmsd，（kg/m3，g/cm3）。 干重度——单位体积中土粒的重量：d=dg，（kN/m3）。 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

VVmwss＝

VVgmss，（kN/m3）。

同样条件下，上述几种重度在数值上有如下关系： sat＞＞d＞

＋＝

sat

3．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：svVVe

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：VVnv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vrVVS

显然, 干土的饱和度Sr =0, 当土被完全饱和状态时Sr =100%。砂土根据饱和度可划分为下列三种湿润状态：Sr≤50% 稍湿，50%＜Sr≤80% 很湿，Sr＞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：（），sd，——→e，n，Sr，sat（sat），d（d），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ww1， 1sV

则eVv，eV1，wswsssGVGm，wsswwGwmm，wsGwm)1( 推导：

eGwVmws1)1(＝

（a）

weGVmwssd11 （b）

由(b)式，1)1(1wsdwsGwGe

eeGeeGVVmwswwswvssat1)(1

eGVVVmVVVmVVmwswsatwwvswvswss1)1( )(

eeVVnv1 ewGVwGVmVVSswvwswvwvwr

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：

eeGssat1 eGs1

1



sd

Gn－＝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rS=90%，土粒比重7.2sG，烘干后重135g，试计算土样的天然重度和孔隙比。 解：

法一：rsSGe

135135180swmm

erGgVmgrws1)1(＝

3

/0.10mkNrw

法二：gVVVmmgVmgravsws 2/10smg 135180wm gms135

1wsssssGmmV wwwmV rwvS

VV

swV

Ve

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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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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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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。 Ip=l－p 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LI表示。LI值愈大，土质愈软；反之，土质愈硬。

PLpPpLII－

－＝－＝

)(p 0LI

坚硬状态

10LI 可塑状态

)(L 1LI 流动状态

用途：根据其值大小判定土的软硬状态