1、第二章 土的物理性质 第一节 土的基本物理性质 第二节 细粒土的稠度和可塑性 第三节 细粒土的胀缩性 第四节 土的透水性和毛细性 第一节 土的物理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。第一节第一节 土的基本物理性质土的基本物理性质 土粒土粒水水气气固相液相气相构成土骨架，起决定作用构成土骨架，起决定作用重要影响重要影响次要作用次要作用固体+气体 固体液体气体 固体液体 干土 湿土 饱和土 干粘土较硬干砂松散 粘土多为可塑状态 饱和粉细砂受震动可能产生液化 土的物理性质就是研究三相的
2、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。WaterAirSoilma=0mwmsmVaVwVsVvV质量体积一、土粒密度sssVm土粒密度定义：土粒密度是指固体颗粒的质量ms与其体积Vs之比；即土粒的单位体积质量 表达式：单位：g/cm3 土粒密度仅与组成土粒的矿物密度有关，而与土的孔隙大小和含水多少无关。实际上是土中各种矿物密度的加权平均值。是实测指标，可在实验室内直接测定 砂土的土粒密度一般为：2.65 g/cm3左右粉质砂土的土粒密度一般为：2.68g/cm3粉质粘土的土粒密度一般为：2.682.72g/cm3 粘土的土粒密度一般为：2.7-2.75g/cm3 气
3、气水水土粒土粒msmwmVsVwVVa质量质量m体积体积V二、土的密度 土的密度：指土的总质量与总体积之比，即单位体积土的质量，单位g/cm3。根据土所处的状态不同，土的密度可分为天然密度、干密度和饱和密度三种。二、土的密度1、天然密度 定义：指天然状态下土的总质量m与总体积V之比，也即为单位体积土的的质量。表达式：单位：g/cm3 awswsVVVmmVm气气水水土粒土粒msmwmVsVwVVa质量质量m体积体积V土的天然密度取决于土的矿物成分，孔隙体积的大小和孔隙中水的质量多少，它综合反映了土的物质组成和结构特征。室内一般采用“环刀法”测定。砂土一般是.4 g/cm3；粉质砂土及粉质粘土.
4、4 g/cm3；粘土为.4 g/cm3二、土的密度2、干密度 定义：土的孔隙中完全没有水时的密度，称干密度；是指土单位体积中土粒的重量，即：固体颗粒的质量与土的总体积之比值。气气水水土粒土粒msmwmVsVwVVa质量质量m体积体积V表达式：单位：g/cm3 Vmsd干密度反映了土的孔隙生，因而可用以计算土的孔隙率，它往往通过土的密度及含水率计算得来，但也可以实测。土的干密度一般常在1.41.7 g/cm3 在工程上常把干密度作为评定土体紧密程度的标准，以控制填土工程的施工质量。二、土的密度3、饱和密度 定义:土的孔隙完全被水充满时的密度称为饱和密度。即，土的孔隙中全部充满液态水时的单位体积质
5、量 气气水水土粒土粒msmwmVsVwVVa质量质量m体积体积V表达式:单位:g/cm3 VVmwvssat土的饱和密度的常见值为1.82.30 g/cm3dsat同一种土在体积不变的条件下，它的各种密度在数值上有如下关系：三、土的含水性土的含水性含水率（含水量）饱和度 定义:土的含水性指土中含水情况，说明土的干湿程度。气气水水土粒土粒msmwmVsVwVVa质量质量m体积体积V三、土的含水性含水率 定义:土的含水量定义为土中水的质量与土粒质量之比，以百分数表示 表达式:%100%100ssswmmmmmw气气水水土粒土粒msmwmVsVwVVa质量质量m体积体积V土的孔隙全部被普通液态水充满
6、时的含水率称饱和含水率 天然状态下土的含水率称土的天然含水率。一般砂土天然含水率都不超过40%，以1030%最为常见；一般粘土大多在1080%之间，常见值2050%。%100swvsatmVw三、土的含水性饱和度 定义:土中孔隙水的体积与孔隙体积之比，以百分数表示 表达式:%100vwrvvs气气水水土粒土粒msmwmVsVwVVa质量质量m体积体积V饱和度愈大，表明土中孔隙中充水愈多，它在0100%；干燥时Sr=0。孔隙全部为水充填时，Sr=100%。砂土湿度状态稍湿很湿饱和饱和度Sr（%）Sr505080在工程实际中，按饱和度的大小将含水砂土划分为三种含水状态 四、土的孔隙性孔隙性 孔隙率
7、和孔隙比 砂土的相对密度 气气水水土粒土粒msmwmVsVwVVa质量质量m体积体积V定义:孔隙性指土中孔隙的大小，数量、形状、性 质以及连通情况。四、土的孔隙性1、孔隙率与孔隙比定义:孔隙率是土的孔隙体积与土体积之比，或单位体积土中孔隙的体积，以百分数表示 表达式:%100VVnv定义:孔隙比是土中孔隙体积与土粒体积之比，以小数表示 表达式:svVVe气气水水土粒土粒msmwmVsVwVVa质量质量m体积体积V两者关系:%1001een孔隙比e是个重要的物理性指标，可以用来评价天然土层的密实程度。一般e1.0的土是疏松的无压缩性土。nne1四、土的孔隙性2、砂土的相对密度 定义式:ninre
8、eeeDmaxmaxDr在工程上常应用于：（1）评价砂土地基的允许承载力；（2）评价地震区砂体液化；（3）评价砂土的强度稳定性。相对密度是一个实测指标。砂土按相对密度分类：疏松的 中密的密实的33.00Dr66.033.0Dr166.0 Dr五、土的基本物理性质指标间的关系 土粒密度、天然密度、干密度、含水率、饱和度、空隙率和空隙比是研究土的基本物理性质的7个基本指标。其中：土粒密度、天然密度和含水率为实测指标，其余指标可由这3个指标换算取得，称导出指标或计算指标。土的基本物理性质指标是通过土的三相组成部分的质量和体积的相互比例关系求出的，其间必然有内在联系，所以各指标间是可以相互换算的。孔隙
9、率与孔隙比:孔隙比与干密度:饱和度与含水量，土粒密度和孔隙比:干密度与湿密度和含水量:nne1wd11dseewSsr 某原状土样，经试验测得天然密=1.91g/cm3，含水率w=9.5%，土粒密度S=2.70 g/cm3。试计算：1）土的孔隙比、饱和度Sr；2）当土中孔隙充满水时土的密度和饱和含水率Wsat。例题2.1 气气水水土粒土粒Ms=1.744gMw=0.166gm=1.19gVs=0.646cm3Vw=0.166cm3VVa=0.188cm3质量质量m体积体积V绘三相草图，见下图。设土的体积=1.0cm3。例题2.2例2.2某土样已测得其孔隙比e=0.70，土粒密度2.72g/cm
10、3。试计算：1）土的干密度、饱和密度；2）当土的饱和度为75%时，天然密度、含水率为多大？第二节 细粒土的稠度和可塑性稠度定义:指土体在各种不同的湿度条件下，受外力作用后所具有的活动程度。塑性:物体在外力作用下，可被塑成任何形态，而整体性不破坏；即不产生裂隙 固态或半固态固态或半固态塑限塑限P可塑状态可塑状态液限液限L流动状态流动状态0稠度界限：（界限含水率）随着含水率的变化，细粒土可由一种稠度状态转变为另一种稠度状态，相应于转变点的含水率，称为界限含水率，也称为稠度界限。粘性土的稠度状态和稠度界限表稠度状态特 征稠度界限体积缩小方向含水率减小方向液态液流状态土呈液体状，薄层状流动触变限液限（
11、塑性上限）粘着限塑限（塑性下限）收缩限粘流状态土似粘滞液体，厚层状流动塑态粘塑状态土具塑性体性质，可塑成任意形状，且能粘着于其他物体上稠塑状态土具塑性体性质，可塑成任意形状，但不能粘着于其他物体固态半 固 体状态土近似固体，力学强度较大，形状固定，不能揉塑变形固体状态土具固体性质，力学强度高，形状大小固定体积不变wVO半固态颗 粒水Vs+VaVs固态可塑态液态wPwL阿特堡界限(Atterberg limit)粘 粒强结合水弱结合水自由水液 态可塑态固态或半固态稠度状态稠度状态固态或固态或半固态半固态塑态塑态 流态流态 土中水的形态土中水的形态强结合水强结合水弱结合水弱结合水自由水自由水w含水
12、量含水量稠度界限稠度界限塑限塑限p强结合水膜最大强结合水膜最大液限液限l出现自由水出现自由水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 液限和塑限的测定方法：液限（Liquid Limit）：锥式（瓦氏）液限仪或碟式（卡式）液限仪塑限（Plastic Limit）：搓条法或液塑限联合测定仪 塑性指数PLPIww反映粘性土可塑性的大小。综合反映粘性土的特性以及各类重要因素的影响，因此可用于土的分类及其性质的评估。锥 式 液 限 仪 液性指数PLLPwwIww反映粘性土软硬程度（稠度，潮湿程度）。L0I L01IL0I 固态或半固态可塑态液 态 重塑土和原状土状态状态液性指数液性指数
13、坚硬坚硬硬塑硬塑可塑可塑软塑软塑流塑流塑IL00IL0.250.25IL0.750.75IL1IL1塑性图及其对细粒土的分类 塑性图：由美国学者卡萨格兰德于1942年提出的，尔后用于对细粒土的土质分类。以塑性指数（Ip）为纵坐标，液限（wL）为横坐标；图上绘有两条（或两条以上）直线，由于各国标准不同，两条直线的位置也不同。当取质量为76g、锥角为30的液限仪锥尖入土深度为17mm对应的含水量为液限时，应按下图塑性图分类。例题2.3 某土样的液限为38.6%，塑限为23.2%，天然含水量为25.5%，问该土样处于何种状态？第三节 细粒土的胀缩性细粒土的胀缩性 膨胀性 收缩性 由于含水量的增加而发
14、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 一、表征膨胀性的指标 2、膨胀率：%10000hhhwep3、膨胀力 AwPp101、自由膨胀率:%10000VVVwef一般认为引起土体膨胀的原因主要有以下几方面：粘粒的水化作用、粘性表面双电层的形成、扩散层增厚等因素。其膨胀大致分两个阶段：第一阶段：干粘粒表面吸附单层水分子；“晶层间膨胀”或“粒间膨胀”第二阶段：由于双电层的形成，使粘粒或晶层进一步推开。“渗透膨胀”二、表征收缩性的指标 1、体缩率：2、线缩率：3、收缩系数:%10000VVVdV%10000hhhisi 土的收缩是由土中水分的减少而引起的。一般认为，土
15、的失水收缩主要是因为双电层变薄、结合水减少引起的。应当指出的是，土的失水收缩是三维的，不仅竖向收缩，侧向也收缩，所以土收缩时体积收缩率不等于其高度的收缩率。wss土的收缩曲线示意图图中表明，土的收缩过程可分为两个阶段，第一阶段（AB段）表示土体积的缩小与含水量的减少成正比，呈直线关系；当含水量减少到一定程度后（如B点相应的含水量），土体收缩进入第二阶段（BC段），土体积的缩小与含水量的减少呈曲线关系，表明土体积的减小量小于失水的体积，土粒间连结明显增强。随着含水量继续减少，土体积收缩愈来愈慢，当含水量减小到只有强结合水（吸着水）时，土粒间连结很强；以后，随含水量的变化土粒之间距离不再缩小，土体
16、积也不再收缩，曲线接近水平。三、土的收缩曲线及收缩过程四、影响土膨胀性和收缩性的因素 土的膨胀性、收缩性均说明土粒与水作用时的稳定程度，统称为土的抗水性。它是粘性土重要的水理性质。一般情况下，膨胀性强的土收缩性也强；但软粘土及淤泥质土具有强烈的收缩性，而膨胀性较弱。土的膨胀性的本质是由于扩散层及弱结合水厚度发生变化，引起土粒间距离增大或缩小。因此，影响扩散层和结合水厚度的因素，也是影响胀缩性的因素，主要有土的粒度成份和矿物成份：土的天然含水量：土的密实程度和结构：水溶液介质的性质以及外部压力等因素。五、细粒土的崩解性 定义：粘性土由于浸水而发生崩解散体的特性称崩解性 评价粘性土的崩解性一般采用
17、下列三个指标：1、崩解时间：一定体积的土样完全崩解所需的时间；2、崩解特征：土样在崩解过程的各种现象，即出现的崩解形式；3、崩解速度：土样在崩解过程中质量的损失与原土样质量之比，和时间的关系。崩解现象的产生是由于土水化，使颗粒间连接减弱及部分胶结物溶解而引起的崩解。是表征土的抗水性的指标。第四节 土的透水性和毛细性一、土的透水性达西定律示意图水在土中的运动规律：绝大多数情况下，水在天然土层中以层流形式运动，服从达西定律。不同类型的土，孔隙大小不同，透水性也不同，服从运动规律不同。定义：水在土孔隙中渗透流动的性能。达西定律 早在1856年，法国学者达西（Darcy）根据砂土渗透试验，发现水的渗透
18、速度与试样两端面间的水头差成正比，而与相应的渗透路径成反比。于是他把渗透速度表示为：或 渗流量表示为：这就是著名的达西定律。kiLhkvkiAvAq达西定律的两个基本假设由于土试样断面内，仅颗粒骨架间的孔隙是渗水的，而沿试样长度的各个断面，其孔隙大小和分布是不均匀的。达西采用了以整个土样断面积计的假想渗流速度，或单位时间内土样通过单位总面积的流量，而不是土样孔隙流体的真正流速；土中水的实际流程是十分弯曲的，比试样长度大得多，而且也无法知道。达西考虑了以试样长度计的平均水力梯度，而不是局部的真正水力梯度。这样处理就避免了微观流体力学分析上的困难，得出一种统计平均值，基本上是经验性的宏观分析，但不
19、影响其理论和实用价值，故一直沿用到今。达西定律的适用范围 由于土中的孔隙一般非常微小，在多数情况下水在孔隙中流动时的粘滞阻力很大、流速缓慢，因此，其流动状态大多属于层流（即水流线互相平行流动）范围。此时土中水的渗流规律符合达西定律，所以达西定律也称层流渗透定律。但以下二种情况被认为超出达西定律的适用范围：一种情况是在粗粒土（如砾、卵石等）中的渗流（如堆石体中的渗流），且水力梯度较大时。另一种情况是发生在粘性很强的致密粘土中。一种情况是在粗粒土（如砾、卵石等）中的渗流（如堆石体中的渗流），且水力梯度较大时，土中水的流动已不再是层流，而是紊流。这时，达西定律不再适用，渗流速度v与水力梯度i之间的关
20、系不再保持直线而变为次线性的曲线关系，层流与紊流的界限，即为达西定律适用的上限。该上限值目前尚无明确的方法确定。不少学者曾主张用临界雷诺数Re作为确定达西定律上限的指标，也有的学者主张用临界流速vcr来划分这一界限。另一种情况是发生在粘性很强的致密粘土中。不少学者对原状粘土所进行的试验表明这类土的渗透特征也偏离达西定律，其vi关系如图所示。实线表示试验曲线，它成超线性规律增长，且不通过原点。使用时，可将曲线简化为如图虚线所示的直线关系。截距称为起始水力梯度。这时，达西定律可修改为：当水力梯度很小，iiO时，没有渗流发生。不少学者对此现象作如下解释：密实粘土颗粒的外围具有较厚的结合水膜，它占据了
21、土体内部的过水通道，渗流只有在较大的水力梯度作用下，挤开结合水膜的堵塞才能发生。起始水力梯度是用以克服结合水膜阻力所消耗的能量，就是达西定律适用的下限。oiikv影响土的透水性的因素 土的透水性受很多因素影响，不同的土，其影响因素及影响程度各不相同。影响土的透水性的主要因素有：（1）粒度成分：（2）矿物成分：（3）土的密度：（4）水溶液的成分及浓度：（5）土中的气体：（6）土的构造：土的透水性是土体的一个重要的工程地质性质，在计算基坑涌水量、水库及渠道的渗漏、地下水回水浸没等问题时，需要了解土的透水性。在计算饱和细粒土地基沉降和时间的关系时，更需要研究土的透水性 二、土的毛细性定义：指水通过土
22、的毛细孔隙在弯液面力的作用下向各个方向运动的性质能。毛细现象：水在毛细孔隙中运动的现象。土中毛细水的上升可造成土壤的沼泽化和盐化，建筑物地基受毛细水浸湿后稳定性降低。因此，研究土的毛细性具有重要的实际意义。评价指标：评价土的毛细性的指标有毛细上升高度、毛细上升速度和毛细压力，实际应用的主要是毛细上升高度。毛细上升高度：土中毛细水上升达到的最大高度。根据毛细定律，毛细水上升的高度与水的表面张力成正比，与毛细管直径成反比，即 gDHwwC4.0常温下：则,/1,/107333cmgmNwwDHC04.0影响土毛细性的因素 土的粒度成分：决定了土中孔隙的性质和大小，对土的毛细性影响最明显。砂类土的矿物成分不同，所形成的空隙特征不同，因而对土的毛细性也有影响。水溶液的化学成分和浓度主要影响细粒土的毛细上升高度，因为它影响水化膜的厚度。一般情况下，水溶液中低价阳离子为主时，由于结合水膜增厚而导致毛细上升高度降低。在相同离子成分条件下，在高浓度时形成较薄的结合水膜，所以毛细上升高度增大；反之则较小。此外，气候的变化、蒸发量和气温的变化等，均对土的毛细性有一定影响。
