1、第二章第二章 土的物理性质及其工程分类土的物理性质及其工程分类2.1 土的成因2.2 土的组成、结构与构造2.3 土的物理性质指标2.4 基本指标的测定2.5 无粘性土的密实度2.6 粘性土的物理特性2.7 土的渗透性2.8 土的压实性2.9 土的工程分类土土 的的 形形 成成土土岩石岩石风化、搬运、沉积风化、搬运、沉积地质成岩作用地质成岩作用土的组成、结构土的组成、结构和物理力学性质和物理力学性质过程、条件过程、条件2.12.1土的成因土的成因土的形成与风化作用土的形成与风化作用 物理风化物理风化 化学风化化学风化 生物活动生物活动 岩石和土的粗颗粒受各种气岩石和土的粗颗粒受各种气候等物理因
2、素的影响产生胀候等物理因素的影响产生胀缩而发生裂缝缩而发生裂缝, ,或在运动过或在运动过程中因碰撞和摩擦而破碎程中因碰撞和摩擦而破碎 是颗粒大小发生量的变化是颗粒大小发生量的变化 矿物成分与母岩相同，称原矿物成分与母岩相同，称原生矿物生矿物 产生无粘性土产生无粘性土 母岩表面和碎散的颗粒受环母岩表面和碎散的颗粒受环境因素的作用而改变其矿物境因素的作用而改变其矿物的化学成分，形成新的矿物的化学成分，形成新的矿物 颗粒成分发生质的变化颗粒成分发生质的变化 矿物成分与母岩不同，称次矿物成分与母岩不同，称次生矿物生矿物 形成十分细微的土颗粒，最形成十分细微的土颗粒，最主要为粘性颗粒及可溶盐类主要为粘性
3、颗粒及可溶盐类土的形成与风化作用土的形成与风化作用 物理风化物理风化 化学风化化学风化 生物活动生物活动 包括植物、动物和土壤微包括植物、动物和土壤微生物的作用生物的作用 可加剧物理和化学风化可加剧物理和化学风化 构成土中有机质和营养物构成土中有机质和营养物质的生物循环质的生物循环 导致腐殖质的形成，改变导致腐殖质的形成，改变土壤的结构土壤的结构土的形成与风化作用土的形成与风化作用 物理风化物理风化 化学风化化学风化 生物活动生物活动 残积土残积土 无搬运无搬运 运积土运积土 有搬运有搬运搬运与沉积搬运与沉积母岩表层经风化作用破碎成母岩表层经风化作用破碎成岩屑或细小颗粒后，未经搬岩屑或细小颗粒
4、后，未经搬运残留在原地的堆积物运残留在原地的堆积物 残积土残积土 强风化强风化 弱风化弱风化 微风化微风化 母岩体母岩体 颗粒表面粗糙颗粒表面粗糙 多棱角多棱角 粗细不均粗细不均 无明显层理无明显层理搬运与沉积搬运与沉积 残积土残积土 无搬运无搬运 运积土运积土 有搬运有搬运风化所形成的土颗粒，受自然力的风化所形成的土颗粒，受自然力的作用搬运到远近不同的地点所沉积作用搬运到远近不同的地点所沉积的堆积物的堆积物 坡积土：坡积土：土粒粗细不同，性质不均土粒粗细不同，性质不均 洪积土：洪积土：有分选性，近粗远细有分选性，近粗远细 冲积土：冲积土：浑圆度分选性明显，土层交迭浑圆度分选性明显，土层交迭
5、湖泊沼泽沉积土：湖泊沼泽沉积土：含有机物淤泥，土性差含有机物淤泥，土性差 海相沉积物：海相沉积物：颗粒细，表层松软，土性差颗粒细，表层松软，土性差 冰积土：冰积土：土粒粗细变化较大，性质不均匀土粒粗细变化较大，性质不均匀 风积土：风积土：颗粒均匀，层厚而不具层理颗粒均匀，层厚而不具层理岩石因物理岩石因物理风化作用破风化作用破碎，在重力碎，在重力作用下堆积作用下堆积到山脚到山脚高山下的冲积锥群高山下的冲积锥群风蚀蘑菇风蚀蘑菇土的形成过程土的形成过程黄河冲积三角洲土中气体土中气体 气相气相 次要作用次要作用固体颗粒固体颗粒 固相固相 构成土体骨架构成土体骨架 起决定作用起决定作用土中水土中水 液相
6、液相 重要影响重要影响2.2.1 2.2.1 土体的三相构成土体的三相构成饱和土饱和土 ：土体孔隙完全被水充满：土体孔隙完全被水充满干干 土土 ：土体孔隙完全被气充满：土体孔隙完全被气充满非饱和土：孔隙中水和气均存在非饱和土：孔隙中水和气均存在2.2 2.2 土的组成、结构与构造土的组成、结构与构造 固体颗粒固体颗粒 - - 颗粒大小颗粒大小 粒组粒组 按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类 界限粒径界限粒径d(mm)砾石砾石砂粒砂粒粉粒粉粒粘粒粘粒胶粒胶粒6020.0750.0050.0020.250.5520粗 中 细粗 中 细0.075粗粒粗粒细粒细粒粗
7、粒土：以砾石和砂砾为主要组成的土，也称无粘性土。粗粒土：以砾石和砂砾为主要组成的土，也称无粘性土。细粒土：以粉粒、粘粒和胶粒为主要组成的土，也称粘性土。细粒土：以粉粒、粘粒和胶粒为主要组成的土，也称粘性土。巨粒巨粒601.1.土的颗粒级配土的颗粒级配固体颗粒固体颗粒 - - 粒径级配粒径级配F 颗粒级配：颗粒级配：土粒的大小及组成情况，即各粒组土粒的大小及组成情况，即各粒组 的相对含量，用质量百分数来表示的相对含量，用质量百分数来表示F 分析方法：分析方法： 筛分法：适用于粗粒土筛分法：适用于粗粒土 孔径大小不同的筛子孔径大小不同的筛子 水分法：适用于细粒土水分法：适用于细粒土 常采用比重计法
8、常采用比重计法F 表述方法表述方法: : 粒径级配累积曲线粒径级配累积曲线固体颗粒固体颗粒 - - 粒径级配粒径级配孔径孔径105.02.01.00.50.250.1(0.075)200g土筛筛余余0101618242238721009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数小于某粒径之土质量百分数P P（）（）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径粒径(mm)(mm)P100958778665536土的粒径级配土的粒径级配累积曲线累积曲线水分法水分法粒径粒径(mm)(mm)0.050.050.010.010.0050.005百分数百分数P(
9、%)P(%)262613.513.51010筛筛分分法法1009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（）小于某粒径之土质量百分数（）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径粒径(mm)(mm) 土的粒径级配累积曲线土的粒径级配累积曲线固体颗粒固体颗粒 级配曲线级配曲线d60d50d10d30特征粒径特征粒径: 斜率斜率: : 某粒径范围内颗某粒径范围内颗 粒的含量粒的含量 陡陡- -相应粒组含量多相应粒组含量多 缓缓- -相应粒组含量少相应粒组含量少 平台平台- -相应粒组缺乏相应粒组缺乏d50 : 平均粒径平均粒径d60 : 控制粒径控制
10、粒径d10 : 有效粒径有效粒径d30 土的粗细度：土的粗细度：用用d50 表示表示 土的不均匀程度：土的不均匀程度：用不用不均匀系数：均匀系数： Cu = d60 / d10 表示，表示，Cu 5，称为不均，称为不均匀土，反之称为均匀土匀土，反之称为均匀土 连续程度连续程度: 用曲率系数用曲率系数 Cc = d302 / (d60 d10 ) 度量度量, Cc=13为连续级为连续级配配, 33或或13 或或 Cc1为级配不连续土为级配不连续土F 不均匀系数不均匀系数Cu和曲率系数和曲率系数Cc 用于判定土的用于判定土的级配优劣级配优劣： Cu 5且且 Cc=13为级配为级配 良好的土；如果良
11、好的土；如果Cu3 或或Cc1g/cm3 冰点处于零下几十度冰点处于零下几十度 完全不能移动，具有固体的特性完全不能移动，具有固体的特性 温度略高于温度略高于100C时可蒸发时可蒸发- 弱结合水：弱结合水： 受电场引力作用，为粘滞水膜受电场引力作用，为粘滞水膜 外力作用下可以移动外力作用下可以移动 不因重力而流动，有粘滞性，在外不因重力而流动，有粘滞性，在外 力作用下可以挤压变形力作用下可以挤压变形粘土粘土颗粒颗粒- - - - - - - - - - - - - - - - - +引力引力d水分子水分子阳离子阳离子强结合水强结合水弱结合水弱结合水自由水自由水土中水土中水 结合结合水水n 结合
12、水：结合水：受颗粒表面电场作用力受颗粒表面电场作用力吸引而包围在颗粒四周，不传递静水吸引而包围在颗粒四周，不传递静水压力，不能任意流动的水压力，不能任意流动的水- 毛细水：毛细水：由于土体孔隙的由于土体孔隙的毛细毛细作用作用升至自由水面以上的水。升至自由水面以上的水。毛细水承受表面张力和重力的毛细水承受表面张力和重力的作用作用- 重力水：重力水：自由水面以下的孔隙自由水面以下的孔隙自由水，在重力作用下可在土自由水，在重力作用下可在土中自由流动中自由流动土中水土中水 自由自由水水n 自由水：自由水：结合水膜之外，不结合水膜之外，不受颗粒电场引力作用的孔隙水受颗粒电场引力作用的孔隙水hc毛细水毛细
13、水重力水重力水毛毛细细管管hc土中毛细水上升高度土中毛细水上升高度表面张力表面张力：液体表面的基本特：液体表面的基本特性是倾向于收缩，即总是尽可性是倾向于收缩，即总是尽可能取最小的表面积。能取最小的表面积。 垂直地通过液体表面上任一单垂直地通过液体表面上任一单位孤元，并沿着与液面相切方位孤元，并沿着与液面相切方向的收缩表面的力，叫做表面向的收缩表面的力，叫做表面张力张力毛细现象毛细现象：将内径很小的管子：将内径很小的管子（毛细管）插入液体中，管内（毛细管）插入液体中，管内外液面产生高度差的现象。表外液面产生高度差的现象。表面张力与润湿现象的联合作用，面张力与润湿现象的联合作用，形成了毛细现象形
14、成了毛细现象 。土的三相组成土的三相组成 土中气土中气 气相气相 - - 土中气土中气F自由气体：自由气体：受外荷作用时被挤出土体外，受外荷作用时被挤出土体外，对土的性质影响不大对土的性质影响不大 F封闭气体：封闭气体：与大气隔绝，形成封闭气泡。与大气隔绝，形成封闭气泡。受压时体积缩小，卸荷后体积恢复，增受压时体积缩小，卸荷后体积恢复，增加土的弹性，阻塞渗流通道，减小透水加土的弹性，阻塞渗流通道，减小透水性，延长土体受力后变形达到稳定的历性，延长土体受力后变形达到稳定的历时时 土中气体存在于土孔隙中未被水占据的部土中气体存在于土孔隙中未被水占据的部分，分为分，分为与大气连通的自由气体与大气连通
15、的自由气体和和与大气与大气不连通的封闭气体不连通的封闭气体土体有三个组成部分：土体有三个组成部分：固相固相、液相液相和和气相气相 小小 结结F固体颗粒固体颗粒F土中水土中水F土中气体土中气体粒径级配粒径级配矿物成分矿物成分颗粒形状颗粒形状结合水结合水 ：强结合水、弱结合水：强结合水、弱结合水 自由水自由水 ：重力水、毛细水：重力水、毛细水自由气体自由气体封闭气体封闭气体2.2.22.2.2、土的结构与构造、土的结构与构造 在成土过程中所形成的土粒的相互排列及其联结形式在成土过程中所形成的土粒的相互排列及其联结形式称为土的结构。与组成土的颗粒大小、颗粒形状、矿物成称为土的结构。与组成土的颗粒大小
16、、颗粒形状、矿物成分和沉积条件有关分和沉积条件有关 1.单粒结构：单粒结构：粗矿物颗粒在水或空气中在自重作用下落沉粗矿物颗粒在水或空气中在自重作用下落沉积形成的结构，积形成的结构，其特点其特点是土粒间存在点与点的接触。根据是土粒间存在点与点的接触。根据形成条件不同，可分为疏松状态和密实状态形成条件不同，可分为疏松状态和密实状态 密实状态密实状态疏松状态疏松状态土的结构（微观概念）土的结构（微观概念）2.蜂窝结构：蜂窝结构：粉粒（粉粒（0.0750.0750.005mm0.005mm）在水中下沉碰到已经）在水中下沉碰到已经沉积的土粒时，由于彼此之间引力大于重力，因而土粒停留沉积的土粒时，由于彼此
17、之间引力大于重力，因而土粒停留在接触面上不再继续下沉，形成链环单位在接触面上不再继续下沉，形成链环单位, ,很多链环联结起来，很多链环联结起来，形成孔隙较大的蜂窝状结构，颗粒间点与点接触。形成孔隙较大的蜂窝状结构，颗粒间点与点接触。3.絮状结构絮状结构：细微黏粒细微黏粒（0.005mm）大都呈针状或片状，大都呈针状或片状，质量极轻，在水中处于悬浮状态。当遇到电解质较大环境时，质量极轻，在水中处于悬浮状态。当遇到电解质较大环境时，土粒表面的弱结合水厚度减薄，粘粒互相接近，凝聚成絮状土粒表面的弱结合水厚度减薄，粘粒互相接近，凝聚成絮状物集体下沉，形成孔隙较大的絮状结构。物集体下沉，形成孔隙较大的絮
18、状结构。蜂窝结构蜂窝结构絮状结构絮状结构土的结构土的结构土颗粒或粒团的土颗粒或粒团的空间排列和相互联结空间排列和相互联结粗粒土的结构粗粒土的结构单粒结构单粒结构重力起主导作用重力起主导作用粒间力起粒间力起主导作用主导作用孔隙较多，压缩孔隙较多，压缩性大，结构破坏性大，结构破坏后强度降低大，后强度降低大，工程性质差工程性质差细粒土的结构细粒土的结构分散结构分散结构 凝聚结构凝聚结构小小 结结强度与排列密实强度与排列密实度有关度有关 土的构造（宏观概念）土的构造（宏观概念）土的构造土的构造是指土体中各结构单元之间的关系。主要是指土体中各结构单元之间的关系。主要特征是土的成层性和裂隙性特征是土的成层
19、性和裂隙性, ,即层理构造和裂隙构造，即层理构造和裂隙构造，二者都造成了土的不均匀性二者都造成了土的不均匀性 1.层理构造：层理构造：土粒在沉积过程中土粒在沉积过程中, ,由于由于不同阶段不同阶段沉积沉积的物质成分、颗粒大小或颜色不同的物质成分、颗粒大小或颜色不同, ,而沿而沿竖向竖向呈现出呈现出成层特征成层特征 2.裂隙构造：裂隙构造：土体被许多不连续的小裂隙所土体被许多不连续的小裂隙所分割分割, ,在在裂隙中常充填有各种盐类的沉淀物裂隙中常充填有各种盐类的沉淀物 3.分散构造：分散构造：土粒分布均匀，性质相近土粒分布均匀，性质相近 特点特点: : 指标概念简单，数量很多指标概念简单，数量很
20、多 要点：要点： 名称、概念或定义、符号、表达式、名称、概念或定义、符号、表达式、 单位或量纲、常见值或范围、联系与区别单位或量纲、常见值或范围、联系与区别 基本方法基本方法:三相草图法三相草图法2.3 土的物理性质指标土的物理性质指标组成土的固体、液体、气体三个部分之间的不同比例，组成土的固体、液体、气体三个部分之间的不同比例，反映了土的各种不状态，对于评价土的物理、力学性质反映了土的各种不状态，对于评价土的物理、力学性质有着重要的意义有着重要的意义土的物理性质指标：土的物理性质指标：表示土中固体、液体气体三部分之表示土中固体、液体气体三部分之 间比例关系的指标间比例关系的指标空气空气 Ai
21、r三三 相相 草草 图图水水 Water固体固体 Solidma=0mwmsm质量质量VaVwVsVvV体积体积九个物理量九个物理量: V Vv Vs Va Vw ms m w ma mwavwasVVVVVVV wwwaawsVm0mmmmm 物理量关系物理量关系:空气空气水水固体固体ma=0mwmsm质量质量VaVwVsVvV体积体积三个基本指标三个基本指标其它指标：其它指标：三相草图法计算三相草图法计算实验室实验室测定测定土的密度土的密度土的含水量土的含水量土粒比重土粒比重 定义：单位体积定义：单位体积土土的质量的质量 表达式：表达式： 单单 位位: kg/m3 或或 g/cm3（t/m
22、3) 一般范围一般范围: 1.602.20 g/cm3awswsVVVmmVm 1.土的密度土的密度 空气空气水水固体固体ma=0mwmsm质量质量VaVwVsVvV体积体积 相关指标相关指标: : 土的容重土的容重 = g (单位体积土的重力）单位体积土的重力） 单位单位: kN/m3 工程上更常用工程上更常用, 用于计算土的用于计算土的自重应力自重应力2.3.1 2.3.1 基本物理指标基本物理指标重力加速度，近重力加速度，近似取似取10m/s2 定义：土粒质量与同体积的定义：土粒质量与同体积的4时纯水的质量之比时纯水的质量之比 （土粒的密度（土粒的密度与与4C时纯水密度的比值）时纯水密度
23、的比值）表达式：表达式： 单单 位位: 无量纲无量纲 一般范围：粘性土一般范围：粘性土 2.702.75， 砂土砂土 2.65wsssdG)(Vmwss2.2.土粒比重土粒比重GsGs或或dsds（土粒相对密度）（土粒相对密度）C4w =1.0 g/cm3土粒比重在数值上土粒比重在数值上等于土粒的密度等于土粒的密度空气空气水水固体固体ma=0mwmsm质量质量VaVwVsVvV体积体积 定义：土中水的质量与土粒质定义：土中水的质量与土粒质 量之比，用百分数表示量之比，用百分数表示 表达式：表达式： 单单 位位: 无量纲无量纲 一般范围：变化范围大一般范围：变化范围大注意注意: : 其实是含水比
24、其实是含水比, ,可达到或超过可达到或超过1001003.3.土的含水量土的含水量 W W空气空气水水固体固体ma=0mwmsm质量质量VaVwVsVvV体积体积%100%100sssmmmmm土的含水量是标志土含水程度的一个重要物理指标。天然土层土的含水量是标志土含水程度的一个重要物理指标。天然土层含水量变化范围较大，与土的种类、埋藏条件及其所处的自然含水量变化范围较大，与土的种类、埋藏条件及其所处的自然地理环境等有关。地理环境等有关。 2.3.2 2.3.2 土的其他物理指标（换算指标）土的其他物理指标（换算指标）砂类土：砂类土：28-35%粘性土：粘性土：30-50%，有的可达，有的可达
25、60-70%空气空气水水固体固体ma=0mwmsm质量质量VaVwVsVvV体积体积1.1.孔隙比孔隙比e和孔隙率和孔隙率n孔隙比孔隙比e e ：土中孔隙体积与土粒：土中孔隙体积与土粒 体积之比体积之比 svVVe孔隙率孔隙率n n ：土中孔隙体积与总体：土中孔隙体积与总体 积之比，以百分数表示积之比，以百分数表示 %100VVnv2.2.土的饱和度土的饱和度S Sr r 土中水的体积与孔隙总体积之土中水的体积与孔隙总体积之比，以百分数表示比，以百分数表示空气空气水水固体固体ma=0mwmsm质量质量VaVwVsVvV体积体积饱和度描述土中孔隙被水充满的程度。饱和度描述土中孔隙被水充满的程度。
26、干土干土S Sr r=0,=0,饱和土饱和土S Sr r=100%=100%。砂土根据饱。砂土根据饱和度分为三种状态和度分为三种状态: :Sr50%稍湿；稍湿； 50Sr80%很湿；很湿； Sr80%饱和饱和%100vrVVS3.3.不同状态下土的密度和重度不同状态下土的密度和重度（2 2）土的饱和密度和饱和重度）土的饱和密度和饱和重度饱和密度饱和密度sat ：土体中孔隙完全被水充满时土的密度称为土的饱和密度：土体中孔隙完全被水充满时土的密度称为土的饱和密度（1 1）土的干密度和干重度）土的干密度和干重度： 干密度干密度 d d：土单位体积内固体颗粒部分的质量：土单位体积内固体颗粒部分的质量
27、（3 3）土的有效重度（浮重度）土的有效重度（浮重度）有效重度（浮重度）有效重度（浮重度） ：在地下水位以下，土体收到水的浮力作用时土的重：在地下水位以下，土体收到水的浮力作用时土的重度称为土的有效重度度称为土的有效重度空气空气水水固体固体ma=0mwmsm质量质量VaVwVsVvV体积体积饱和重度饱和重度 sat ：土体中孔隙完全被水充满时土的重度称为土的饱和重度：土体中孔隙完全被水充满时土的重度称为土的饱和重度干重度干重度 d d ：土单位体积内固体颗粒部分的重力土单位体积内固体颗粒部分的重力gddV/msdVVmvwssat gsatsat wsatwwvsVVVgm2.3.3 2.3.
28、3 基本指标和其他指标的关系基本指标和其他指标的关系气气水水土粒土粒dsw Vs11+1+e质量质量m体积体积V土的三相指标中土的三相指标中，土粒比重土粒比重ds ，含水量含水量W和和密度密度是通过试验测是通过试验测定的，可以根据三个基本指标定的，可以根据三个基本指标换算出其余各指标换算出其余各指标Vv=e Wdsw ds（1W）w 土的三相物理指标换算图土的三相物理指标换算图假设土粒体积假设土粒体积V Vs s为单位为单位1 1则：则：eVeVsvswssssddVm1)(wsswWdmWm)1 (Wdmmmwsws换算关系式：换算关系式：eWdVmws1)1 (推导：推导：WedVmwss
29、d111)1 (1wsdwsWddeeeVVnv1eedVVgmwswVssat1)(WWggdd11edeedwswwswsat1) 1(1)(eWdVmVVSswvwvwr气气水水土粒土粒dsw Vs11+1+e质量质量m体积体积VVv=e Wdsw ds（1W）w 例题分析例题分析 n【例】某土样经试验测得体积为某土样经试验测得体积为100cm3，湿土质量为，湿土质量为187g，烘干后，干土质量为，烘干后，干土质量为167g。若土粒的相对密度。若土粒的相对密度ds为为2.66，求该土样的含水量，求该土样的含水量W、密度、密度、重度、重度 、干重度、干重度d 、孔隙比、孔隙比e、饱和重度、
30、饱和重度sat和有效重度和有效重度 【解答解答】%98.11167167187%100smm3/87. 1100187cmgVm3/7 .181087. 1mkNg3/7 .1610100167mkNgdd593. 0187. 1)1198. 01 (66. 21)1 (Wdes%7 .53593. 066. 21198. 0eWdSsr3/4 .2010593. 01593. 066. 21mkNeeGssat3/4 .10104 .20mkNwsat土的物理状态土的物理状态粗粒土的松密程度粗粒土的松密程度粘性土的软硬状态粘性土的软硬状态土的物理性质指标土的物理性质指标( (三相间的比例关系
31、三相间的比例关系) )表表示示影响影响力学特性力学特性密实度密实度稠度稠度2.5 2.5 无黏性土的密实度无黏性土的密实度n 密实度：密实度：指单位体积土中固体颗粒的含量。根据土颗粒含指单位体积土中固体颗粒的含量。根据土颗粒含量的多少，天然状态下的砂、碎石等处于从紧密到松散的不同量的多少，天然状态下的砂、碎石等处于从紧密到松散的不同物理状态。无粘性土的密实度与其工程性质有着密切关系物理状态。无粘性土的密实度与其工程性质有着密切关系简单方便，但只能用于同一种简单方便，但只能用于同一种土，不能反映级配的影响土，不能反映级配的影响 l 物理性质指标物理性质指标：孔隙比：孔隙比e e( (可以用来表示
32、砂土的密实度。可以用来表示砂土的密实度。对于同一种土，当孔隙比小于某一限度时，处于密实状态。对于同一种土，当孔隙比小于某一限度时，处于密实状态。孔隙比愈大，土愈松散孔隙比愈大，土愈松散) )emin = 0.35emin = 0.20F最大孔隙比最大孔隙比e emaxmax: : 将松散的风干土样通过长颈漏斗轻轻地将松散的风干土样通过长颈漏斗轻轻地倒入容器，避免重力冲击，求得土的最小干密度再经换算倒入容器，避免重力冲击，求得土的最小干密度再经换算得到最大孔隙比得到最大孔隙比F最小孔隙比最小孔隙比emin : 将松散的风干土样装入金属容器内，按将松散的风干土样装入金属容器内，按规定方法振动和锤击
33、，直至密度不再提高，求得土的最大规定方法振动和锤击，直至密度不再提高，求得土的最大干密度再经换算得到最小孔隙比干密度再经换算得到最小孔隙比理论上的最大与最小孔隙比在室内的测定有时很困难理论上的最大与最小孔隙比在室内的测定有时很困难minmaxmaxreeeeD l 相对密度相对密度：e emaxmax与与e eminmin ：最大与最小孔隙比：最大与最小孔隙比砂土在天然状态下砂土在天然状态下孔隙比孔隙比砂土在最密实状态时砂土在最密实状态时的孔隙比的孔隙比砂土在最松散状砂土在最松散状态时的孔隙比态时的孔隙比1minmaxdswde1maxmindswdel 粗粒土的密粗粒土的密实度标准实度标准
34、Dr = 0 最松状态最松状态 Dr 1/3松散状态松散状态1/3 2/3密实状态密实状态 Dr = 1最密状态最密状态l 相对密度指标主要用于人工填土，对天然相对密度指标主要用于人工填土，对天然砂土层采用砂土层采用原位标准贯入试验原位标准贯入试验法测定法测定l 相对密度相对密度minmaxmaxreeeeD l 原位标准贯入试验法原位标准贯入试验法 天然砂土的密实度，可按原位标准贯入试验的锤击数天然砂土的密实度，可按原位标准贯入试验的锤击数N进进行评定。天然碎石土的密实度，可根据野外鉴别方法划分为行评定。天然碎石土的密实度，可根据野外鉴别方法划分为密实、中密和稍密三种状态密实、中密和稍密三种
35、状态密实度密实度按按N评定砂石密实度评定砂石密实度 松散松散稍密稍密中密中密密实密实N1010N1515N30N30例题分析例题分析 n【例】某砂土试样某砂土试样, ,试验测定土粒相对密度试验测定土粒相对密度ds=2.7, ,含水量含水量W=9.43%, ,天然密度天然密度=1.66/cm3。已知砂样最密实状态时称。已知砂样最密实状态时称得单位体积得单位体积(1cm(1cm3 3) )干砂质量干砂质量ms1=1.62kg, ,最疏松状态时称得最疏松状态时称得单位体积干砂质量单位体积干砂质量ms2=1.45kg。求此砂土的相对密度。求此砂土的相对密度Dr, ,并并判断砂土所处的密实状态判断砂土所
36、处的密实状态 【解答解答】78. 0166. 1)0943. 01 (7 . 21)1 (Wdes砂土在天然状态下的孔隙比砂土在天然状态下的孔隙比砂土最小孔隙比砂土最小孔隙比31max/62. 1cmgVmsd67.01maxmindwsde砂土最大孔隙比砂土最大孔隙比32min/45. 1cmgVmsd86.01minmaxdwsde42.0minmaxmaxeeeeDr相对密实度相对密实度（1/3,2/31/3,2/3 中密状态中密状态2.6 黏性土的物理特性黏性土的物理特性n 粘性土最主要的物理状态特征是它的粘性土最主要的物理状态特征是它的稠度稠度，稠度，稠度是指土的软硬程度或土对外力引
37、起变形或破坏的是指土的软硬程度或土对外力引起变形或破坏的抵抗能力抵抗能力稠度状态与含水量有关稠度状态与含水量有关粘性土粘性土含水量含水量较硬较硬变软变软流动流动粘性土由某一种状态过渡到另一状态的界限含水量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称为土的稠度界限稠度界限，或称，或称界限含水量界限含水量。塑限塑限w wp p液限液限w wl l粘性土的稠度反映土中水的形态粘性土的稠度反映土中水的形态固态或固态或半固态半固态可塑状态可塑状态 流动状态流动状态 强结合水强结合水弱结合水弱结合水自由水自由水w w土颗粒土颗粒强结合水强结合水弱结合水弱结合水土颗粒土颗粒强结合水强结合水土颗粒土
38、颗粒自由水自由水弱结合水弱结合水强结合水强结合水弱结合水膜最大弱结合水膜最大出现相当数量自由水出现相当数量自由水粘性土的稠度状态粘性土的稠度状态稠度界限稠度界限稠度状态稠度状态含水量含水量土中水的形态土中水的形态示意图示意图l 塑限采用搓条法测定，搓到土条直径塑限采用搓条法测定，搓到土条直径3mm3mm左右时断裂为若干段，左右时断裂为若干段，此时对应的含水量为塑限此时对应的含水量为塑限 。l 液限测定根据液限测定根据建筑地基基础设计规范建筑地基基础设计规范(GB50007-2002规定，规定，采用平衡锥液限仪进行测定采用平衡锥液限仪进行测定, ,质量为质量为76g76g的平衡锥靠自重下沉深度的
39、平衡锥靠自重下沉深度为为10mm10mm所对应的含水量为液限。所对应的含水量为液限。平衡锥液限仪平衡锥液限仪粘性土的塑性指数和液性指数粘性土的塑性指数和液性指数塑性指数塑性指数IP表示土的可塑性范围，是液限和塑限的差值表示土的可塑性范围，是液限和塑限的差值(省去省去%)，即土处在可塑状态的含水量变化范围即土处在可塑状态的含水量变化范围说明：说明：塑性指数的大小取决于土颗粒吸附结合水的能力塑性指数的大小取决于土颗粒吸附结合水的能力( (黏性黏性大小）大小）, ,即与土中粘粒含量有关。粘粒含量越多即与土中粘粒含量有关。粘粒含量越多, ,塑性指数就越塑性指数就越高高 I IP P10,10,黏性土黏
40、性土I IP P10,10,粉土粉土PLpWWI1017黏土黏土工程上常以塑性指数对土进行分类：工程上常以塑性指数对土进行分类：pLpLIwwww液性指数：液性指数：wpwwl IL 0 坚硬坚硬(半固态半固态) 0IL 0.25硬塑硬塑0.25 IL 0.75可塑可塑 0.75 1流塑流塑液性指数液性指数IL是判别黏性土的软硬程度的指标，叫做稠度。是粘是判别黏性土的软硬程度的指标，叫做稠度。是粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比 说明：说明：液性指数表征土的天然含水量液性指数表征土的天然含水量与界限含水量间的相对关系。当与界限含水量间的相对关
41、系。当IL0时时, ,WWP, ,土处于坚硬状态土处于坚硬状态; ;当当IL1时时, ,WWL, ,土处于流动状态。根据土处于流动状态。根据IL值值可以直接判定土的软硬状态可以直接判定土的软硬状态 例题：例题： 某土样经试验测定天然含水量某土样经试验测定天然含水量W=21%,塑限塑限WP=20%，液限，液限WL=31%，试确定此土样名称及，试确定此土样名称及其所处状态。其所处状态。 解：塑性指数： 液性指数： 故该土样定名为粉质黏土，处于硬塑状态。注意去掉百分号！）(112031PLpWWI09. 011/ )2021(wwPpLIIpLpLwwwwI F 粗粒土的密实状态指标粗粒土的密实状态
42、指标: : 相对密度相对密度D Dr r F 细粒土的稠度状态指标细粒土的稠度状态指标: : 液性指数液性指数I IL L 定义定义 判别标准判别标准 界限含水量界限含水量 w wP P、w wL L 土中水形态土中水形态 塑性指数塑性指数 I Ip p 吸附结合水的能力吸附结合水的能力minmaxmaxreeeeD 定义定义 判别标准判别标准小小 结结2.7 2.7 土的渗透性土的渗透性土颗粒土颗粒土中水土中水渗流渗流n 土是一种碎散的多孔介质，土是一种碎散的多孔介质，其孔隙在空间互相连通。当其孔隙在空间互相连通。当饱和土中的两点存在能量差饱和土中的两点存在能量差时，水就在土的孔隙中从能时，
43、水就在土的孔隙中从能量高的点向能量低的点流动量高的点向能量低的点流动F 在水位差的作用下水在土体孔隙中流动的现象在水位差的作用下水在土体孔隙中流动的现象 称为称为渗流渗流F 土具有被水等液体透过的性质称为土的土具有被水等液体透过的性质称为土的渗透性渗透性一、概述一、概述浸润线浸润线流线流线等势线等势线下游下游上游上游土坝蓄水后水透土坝蓄水后水透过坝身流向下游过坝身流向下游H隧道开挖时，地隧道开挖时，地下水向隧道流动下水向隧道流动 渗透渗透( (流流):):在水位差作用下，水透过土体孔隙发生流动的现象。隧道隧道工程工程堤坝堤坝工程工程渗透的工程背景渗透的工程背景 上图是水利工程中的闸基，在上游水
44、位压力差的作用下，水将从上游河底进入闸基地基，沿地基土中的孔隙渗向下游，再从下游河床逸出。闸基闸基闸基闸基 上图为软土地基深基坑施工时常用的防渗、护壁围护结构，在开挖基坑的过程中，通常是基坑外土层中的地下水位高于基坑内水位而形成水头差，地下水将通过坑外土层绕过板桩渗入坑内。基坑基坑工程工程基坑工程基坑工程二、土的渗透定律二、土的渗透定律流线：水点的运动轨迹流线：水点的运动轨迹l 层流：流线互不相交层流：流线互不相交l 紊流：流线相交，水中发生局部漩涡，破坏水紊流：流线相交，水中发生局部漩涡，破坏水的规律性的规律性岩土工程中的绝大多数渗流问题，包括砂土或岩土工程中的绝大多数渗流问题，包括砂土或
45、一般粘土，均属层流范围一般粘土，均属层流范围ikvn 达西定律：达西定律：在层流状态的渗流中，渗透速度在层流状态的渗流中，渗透速度v与水力坡降与水力坡降i的一次方成正比，并与土的性质有关的一次方成正比，并与土的性质有关达西(1856年)分析了大量实验资料，发现水在土中的渗流规律层流渗流定律,称为达西定律，它是渗透的基本定律。式中 v渗透速度渗透速度（cm/s),土体试样全断面的平均渗流速度 i=h/L，称为水力坡度水力坡度；L为水的渗流路径长度(cm)， h为在渗流路径长度L内的水头差水头差。 k渗透系数渗透系数,反映土的透水性能的比例系数，其物理意义 为水力坡降i1时的渗流速度（cm/s），
46、其值与土的种 类和性质有关 A A点总水头：点总水头：H1=H1=位置水头位置水头Z Z1 1+ +压力水头压力水头h h1 1ABLH1H2z11h2hz2H H基准面基准面水力坡降线水力坡降线 B B点总水头：点总水头：H2=H2=位置水头位置水头Z Z1 1+ +压力水头压力水头h h1 1位置水头：位置水头：到基准面的竖直距离，代到基准面的竖直距离，代表单位重量的液体从基准面算起所具表单位重量的液体从基准面算起所具有的位置势能有的位置势能压力水头：压力水头：水压力所能引起的自由水水压力所能引起的自由水面的升高，表示单位重量液体所具有面的升高，表示单位重量液体所具有的压力势能的压力势能测
47、管水头：测管水头：测管水面到基准面的垂直测管水面到基准面的垂直距离，距离，等于位置水头和压力水头之和等于位置水头和压力水头之和，表示单位重量液体的总势能表示单位重量液体的总势能A A、B B两点水头差：两点水头差： h=Hh=H1 1-H-H2 212000b0()b(a)(b)层 流紊 流v-i曲线，黏土的起始水力坡度曲线，黏土的起始水力坡度达西定律是由砂质土体砂质土体( (中砂、中砂、细砂、粉砂等细砂、粉砂等) )实验得到的，后来经过修正后推广应用于其他土体如粘土和具有细裂隙的岩石等。l在砂土及一般黏土中水的流动符合达西定律；l而在颗粒很细的黏土中，由于土颗粒周围存在着结合水，结合水因受到
48、分子引力作用而呈现粘滞性,需要克服结合水的粘滞阻力才能发生渗流。通常把克服此粘滞阻力所需要的水头梯度，称为粘土的起始水头梯度起始水头梯度i ib b, 只有在达到起始水力梯度后才能发生渗透。 iib b, v=k(i-ib b ) iib b, 不透水砂土、一般黏土 颗粒极细的黏土土：渗透系数的测定方法渗透系数的测定方法 常水头试验法常水头试验法(粗粒土）粗粒土） 变水头试验法（细粒土）变水头试验法（细粒土） 井孔抽水试验井孔抽水试验 井孔注水试验井孔注水试验F 室内试验方法室内试验方法F 野外试验方法野外试验方法渗透系数渗透系数K K是综合反映土体渗透能力的一个指标，其数值的正确确定对渗透计
49、算有着非常重要的意义。要建立计算渗透系数K的精确理论公式比较困难，可通过试验方法或经验估算法来确定k值。 n 是土中孔隙直径大小的主要影是土中孔隙直径大小的主要影响因素响因素n 土粒越粗、大小越均匀、形状土粒越粗、大小越均匀、形状越圆滑，渗透系数越圆滑，渗透系数K值越大值越大n 因由粗颗粒形成的大孔隙可被因由粗颗粒形成的大孔隙可被细颗粒充填，故土体孔隙的大细颗粒充填，故土体孔隙的大小一般由细颗粒所控制。因此，小一般由细颗粒所控制。因此，土的渗透系数常用有效粒径土的渗透系数常用有效粒径d10来表示，如哈臣公式：来表示，如哈臣公式：210dck三、影响渗透系数的主要因素三、影响渗透系数的主要因素
50、土的粒度成分土的粒度成分 土的密实度土的密实度 土的饱和度土的饱和度 土的结构结构土的结构结构渗透系数的影响因素 土的性质土的性质 水的温度水的温度n 土越密实，土越密实，K值越小。值越小。n 对于砂性土，试验资料表明，对于砂性土，试验资料表明，K值大致与孔隙比值大致与孔隙比e的二次方成的二次方成正比正比渗透系数的影响因素 土的性质土的性质 水的温度水的温度 土的粒度成分土的粒度成分 土的密实度土的密实度 土的饱和度土的饱和度 土的结构土的结构n 饱和度（含气量）：封闭气泡对饱和度（含气量）：封闭气泡对K K影响很大，可减少有效渗透面影响很大，可减少有效渗透面积，还可以堵塞细小孔道。积，还可以
