1、龙岩学院资源工程学院龙岩学院资源工程学院邱占林第二章土的物理性质、水理性质和力学性质第一节 土的物理性质第二节 土的水理性质第三节 土的力学性质第一节 土的物理性质 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。WaterAirSoilma=0mwmsmVaVwVsVvV质量体积第一节 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 土的物理性质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
2、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。砂土的土粒密度一般为：砂土的土粒密度一般为：2.65 g/cm3左右左右粉质砂土的土粒密度一般为：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：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：粘土的土粒密度一般为：2.7-2.75g/cm3 气气水水土粒土粒msmwmVsVwVVa质量质量m体积体积V定义：定义：土粒密度是指固体颗粒的质量土粒密度是指固体颗粒的质量ms与其体与其体积积Vs之比；即土粒的单位体
3、积质量之比；即土粒的单位体积质量 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。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。第一节 土的物理性质土的密度 定义：土的密度是指土的总质量m与总体积V之比，也即为土的单位体积的质量。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土的密度取决于土粒的密度，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
4、g/cm3；粉质砂土及粉质粘土.4 g/cm3；粘土为.4 g/cm3第一节 土的物理性质干密度 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性，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。第一节 土的物理性质饱和密度 定义:土的孔隙完全被水充满时的密度称为饱和密度。即
5、，土的孔隙中全部充满液态水时的单位体积质量 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/cm3第一节 土的物理性质 浮密度定义:土的浮密度是土单位体积中土粒质量与同体积水的质量之差.表达式:=(ms-vsw)/V单位:g/cm3 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：dsats气气水水土粒土粒msmwmVsVwVVa质量质量m体积体积V第一节 土的物理性质土的含水性含水率（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msmwmVsVw
6、VVa质量质量m体积体积V第一节 土的物理性质含水率 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%100ssw或土的孔隙全部被普通液态水充满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第一节 土的物理性质饱和度 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msmwmVsVw
7、VVa质量质量m体积体积V%100satrwws或饱和度愈大，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%。工程上Sr作为砂土湿度划分的标准。Sr 80%饱和的第一节 土的物理性质孔隙性 孔隙率 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。第一节 土的物理性质孔隙率 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
8、土粒土粒msmwmVsVwVVa质量质量m体积体积V两者关系:een1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。第一节 土的物理性质砂土的相对密度 定义式:计算式:ninreeeeDmaxmaxddddddDrminmaxmaxminDr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。砂土按相对密度分类：疏松的 中密的密实的33.00Dr66.033.0Dr166.0 Dr第一节 土的物理性质基本物理性质指标间的相互关系 孔隙率与孔隙比:孔隙比与比重和干密度:饱和度与含水量，比重和孔
9、隙比:干密度与湿密度和含水量:nne1wd11dwsGeewGewewSswswsrn例题1：某天然砂层，密度为1.47g/cm3，含水量13%，由试验求得该砂土的最小干密度为1.20g/cm3；最大干密度为1.66 g/cm3；问该砂层处于哪种状态？n例题2：某原状土样，经试验测得天然密度含水量w=12。9%，土粒比重Gs=2.67，求孔隙比e，孔隙度n和饱和度Sr。n例题3:薄壁取样器采取的土样，测出其体积V与重量分别为38.4cm3和67.21g，把土样放入烘箱烘干，并在烘箱内冷却到室温后，测得重量为49.35g。试求土样的（天然密度），（干密度），w（含水量），e（孔隙比），n（孔隙率
10、），饱和度。GS=2.69n例题4：从某地基取原状土样，测的土的液限为37.4%，塑限为23.0%，天然含水量为26.0%，问地基土处于何种状态？69.2sG69.2sG第二节 土的水理性质粘性土的稠度和塑性 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0wVO半固态颗 粒水Vs+VaVs固态可塑态液态wswPwL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
11、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。液性指数PLLPwwIww反映粘性土软硬程度（稠度，
12、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第二节 土的水理性质粘性土的活性指数 定义:mmIAp002.0颗粒的含量 根据活性指标的大小，他把粘性土分为：非活性粘土：正常粘土：活性粘土：75.0A25.175.0A25.1A活性粘土的矿物成分以吸水能力很强的蒙脱石等矿物为主，而非活性粘土中的矿物成分，则以高岭石等吸水能力较差的矿物为主。第二节 土的水理性质触变性 当粘性土结构受扰动时，土的强度降低。但静置一段时间，土的强度又逐渐增长，这种
13、性质称为土的触变性。这是由于土粒、离子和水分子体系随时间而趋于新的平衡状态之故。土的触变性是土结构中联土的触变性是土结构中联结形态发生变化引起的，结形态发生变化引起的，是土结构随时间变化的宏是土结构随时间变化的宏观表现。观表现。目前尚没有合理的描述土目前尚没有合理的描述土触变性的方法和指标。触变性的方法和指标。lgt结构强度恢复结构破坏结构未破坏触变性第二节 土的水理性质粘性土的胀缩性 膨胀性 收缩性 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 胀缩性 1膨胀率ep%100000VVVVVep常用线膨胀率：%10000hhhep2膨胀力 A
14、wPp103膨胀含水率:%100sslslmmW4自由膨胀率:%10000VVVFs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”收缩性 1体缩率 2线缩率 4收缩系数:作图求解3缩限:作图求解%10000VVVes%10000lllesl粘性土的收缩性是由于水分蒸发引起的。其收缩过程可分为两个阶段：第一阶段（AB）表示了土体积的缩小与含水率的减小成正比，呈直线关系；土之减小的体积等于水分散
15、失的体积；第二阶段（BC）表示了土体积的缩小与含水率的减少呈曲线关系。土体积的减少量小于失水体积，随着含水率的减少，土体积收缩愈来愈慢。粘性土的崩解性 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。n学生：老师，您讲过砂土的粘聚力c为零，在河边的沙滩上，全干和水下的部分，确实无法
16、竖直挖洞；可是在潮湿部分，我们可是垂直挖一个小竖井而不垮，这时为什么呢？n老师：请你将湿手向干砂中插下（结果手上粘了许多砂粒）。干的砂土与饱和砂土是没有粘聚力的，而非饱和的砂土中砂粒间有水，水气表面的毛细力讲砂粒“粘接”在一起，也称为“基质吸力”。由于毛细压力为负孔压，则砂粒间有效应力为正，会产生抗剪强度，称为假粘聚力。所以非饱和土常可以开挖成陡坡，可一旦降雨或浸水，这种假粘聚力消失，陡坡就会坍塌，许多基坑的事故就是这个道理。n学生：老师，为什么土的强度叫抗剪强度；土的破坏叫剪切破坏；边坡稳定分析叫做抗滑稳定分析？n老师：由于土是由碎散的颗粒组成，颗粒间的摩擦力是其强度的主要部分，所以它的强度
17、和破坏都是剪切力控制的，这时与连续介质的固体不同的。n学生：那土有没有抗压破坏呢？n老师：土没有所谓的抗压强度，即使是“无侧限抗压强度”实质上也是抗剪强度，是沿着45+的方向的面上的剪切破坏。对于一个土样施加各向等压荷或者单向压缩（K0固结），只会越压越密，不会破坏，即所谓压密性。另外，土的强度实际上是土骨架的强度而不是土颗粒的强度。只与有效应力有关。亦即在1万米深的海底，砂石颗粒受到100MPa的压力，但有效应力为零，也不会破坏。n学生：土有抗拉强度吗？n老师：只是有粘聚力的粘土有抗拉强度，但由于土颗粒间的胶结和作用力不大，所以抗拉强度有限，有些土体中的裂缝就是由于拉伸破坏引起的。n学生：下
18、雨后，在土路表面上撒一层砂，就避免了滑到和车辆事故，这时什么道理呢？n老师：自从太沙基滑到，发现了有效应力原理后，大家都知道了在饱合粘土中行车走路由于超静孔隙水压力使土的抗剪强度急剧降低。而砂土的渗透系数很高，撒砂以后，在荷载作用下产生的超静孔隙水压力会迅速消散，有效应力提高，发挥砂土的抗剪强度，提供足够的摩擦力。此外，汽车的轮胎和鞋底制成纹路，除了用来增加与地面的咬合力以外，也是为了便于排水，使孔压尽快消散，提供摩擦力。n学生：那为什么雪后也撒砂呢？n老师：通常认为冰雪是滑的，其实主要是由于其表面存在一薄层未冻水，它们隔绝了固体间的接触，在受力时产生超静孔压。在极低温下，冰雪也不是很滑的，撒
19、砂能够避开冰雪中的未冻水膜，靠砂粒间的摩擦力提供前进的反力。n学生：老师，土的密度定义为“单位体积中土的质量”；重度定义为“单位体积土的重量”。质量是“物质的量”，而“重力的大小叫重量”。初中的物理老师就教导我们：质量是物质的固有属性，不能创造也不能消灭；因而它是用天平（不是用秤）来度量的；不管在地球、月球还是在太空，物质的质量是不变的，亦即“物质守恒”。在地球的同一海拔处，物质的重力也不会变化。在土力学中有“浮密度/（submerged or buoyant unit weight）”和“浮重度或浮容重（buoyant density）”这些物理量，难道物质（土）在水下其质量和重量会减少吗，
20、部分物质会消亡吗？这就是唯物主义吗？n老师：这些术语确实不够科学和严密。目前在土力学教材中，“浮密度”的提法少了n但“浮重度（浮容重）”的提法十分普遍。这一术语为土力学学科所特有，在其他的学科中尚未发现。也未见其他学科定义混凝土、刚材和木材的浮容重，木材如果也有浮容重，它就成为“负容重”了。其实土的浮容重就是单位体积的土骨架重量减去水对它的浮力(1-n)，或者单位体积饱和土的重量减去水对它的浮力 w。这一物理量在计算水下土层的有效自重应力时很方便。土力学与其他经典力学相比，在概念和方法方面，有不少姑妄用之，不够严密的情况。所以说土力学是一门很土的力学。n地震液化地基上的建筑物为什么倒而不塌？n
21、学生：在1964年日本的新泻地震、1995年日本的阪神地震、1999年的台湾集集地震中，都会发现在地基液化地区会发生建筑物的整体沉降、倾斜甚至倾倒，但是没有发生梁柱的剪切破坏。而地震时其他地区破坏的建筑物则梁折柱断，屋面与楼板塌落，惨不忍睹。这是什么原因呢？n老师：地震对结构的破坏主要祸首是横波，即剪切波，在剪切惯性力荷载作用下柱被剪断的情况，一般都是抗剪切断面最小的位置被剪切破坏。而一旦发生液化，地基土抗剪强度完全丧失，地基承载力也完全丧失，地基土成为流体，地基不再传递剪切力，所以对房屋结构本身的剪切力很小，建筑物失稳倾倒，如同海上覆舟，但很快又成为坚实的大地，在这种情况下的人员伤亡可能反而
22、不大。n（一）塑性指数与液性指数n粘性土的塑性指数是 ，它是由土性决定的，是粘性土的固有属性，与状态无关，常用于土的分类；液性指数 ，它主要由土当前的含水量决定的，表明、粘性土软硬的一种状态。对于一种粘性土，前者是不变的，后者是随含水量状态而变化的。塑性指数如同你的姓，将你划归了哪一家就不变了。液性指数如同你的年龄，是“状态”的表述。PLPIwwPLLPwwIww 欧姆定律：I=V/R。二者的物理机理是一致的；i与V（水力坡度与电压都是一种“势”；1/k与R（渗透系数的倒数与电阻）是一种阻；v与I（水流速与电流）是一种“流”。亦即“流”正比于“势”，反比于“阻”。水平等效渗透系数kh与垂直等效
23、渗透系数kv kiv 达西定律达西定律n有效应力强度指标和总应力强度指标 n根据有效应力原理，土的抗剪强度是由有效应力决定的；空隙水压力不会产生抗剪强度。但有时又无法将有效应力和空隙水压力分开，只好用总应力与抗剪强度的关系表述，也就是用总应力指标（C,）。这正如工厂的计件生产率与全员生产率一样，100个工人共生产了1000个产品，则有效生产率为10个/人，而工厂有人员200人（包括行政管理、党、团、青、工会、计划生育）总生产率为5个/人，也就是所谓的“大锅饭”。n土颗粒的压缩性与土骨架的压缩性n土的压缩性实际上是土骨架的压缩性，即孔隙的减少，而不是土颗粒本身的压缩性，所以土的压缩量很大。在土力
24、学所考虑的压力范围内，土的矿物颗粒可以认是不可压缩的。在世界上最深的太平洋海沟，水深为11000多米，相当于1100个大气压，海底的土粒、锰核体积压缩也极小。因为有效应力为0。讲一定体积的土体放到这样海底时其体积也基本是不变的（除非用橡皮膜包上）。土的透水性和毛细性 自学第三节 土的力学性质力学性质土的压缩性 土的抗剪性 土的击实性 压缩变形的本质压缩性指标抗剪性本质抗剪强度与剪切定律击实特性压实本质3压缩指数(Cc)Cc=(e1-e2)/(lgp2lgp1)Cc越大，土的压缩性越高。当Cc0.2时，属于低压缩性土；当Cc0.4时属于高压缩性土。压缩系数和压缩指数关系：1lg2lg)12(pp
25、ppaCc4压缩模量（Es）表达式：Es z/qz 单位：MpaEs是指在侧限条件下受压时压应力z与相应应变qz之比值；Es越大，表明在同一压力范围内土的压缩变形越小，土的压缩性越低。5载荷试验和变形模量 地基变形的三个阶段：（1）压密变形阶段：弹性变形（2）剪切变形阶段：塑性变形 （3）完全破坏阶段：破坏变形 临界荷载 极限荷载 变形模量E0z/z E0：是指在无侧限条件下受压时，压应力与相应应变之比值；一般是用载荷试验成果绘制的s-p关系曲线，以曲线中的直线变形段，按弹性理论公式求得，即 E0（12）P/Sd 土的变形模量与压缩模量的关系 EsuEu)121(026前期固结压力和固结比 前
26、期固结压力是指土层在过去历史上曾经受过的最大固结压力，通常用Pc来表示。前期固结压力也是反映土体压密程度及判别其固结状态的一个指标。固结比（OCR）：前期固结应力与上覆土层自重应力之比值。当OCR大于1 超固结土当OCR等于1 正常固结土当OCR小于1 欠固结土“土的压缩过程”和“影响土的压缩性的主要因素”自学土的抗剪性 土的抗剪性本质：土是由固体颗粒组成的，土粒间的连结强度远远小于土粒本身的强度，故在外力作用下，土粒之间发生相对错动，引起土中的一部分相对于另一部分产生移动。研究土的强度特征，就是研究土的抗剪强度特性，简称抗剪性。土的抗剪强度f：是指土体抵抗剪切破坏的极限能力，其数值等于剪切破
27、坏时滑动面上的剪应力。剪切面（剪切带）：土体剪切破坏是沿某一面发生与剪切方向一致的相对位移，这个面通常称为剪切面。抗剪强度和剪切定律 剪切定律：无粘性土：粘性土：tgftgf+C库仑定律说明：土的抗剪强度由土的内摩擦力 和内聚力c两部分组成。内摩擦力与剪切面上的法向压力成正比，其比值为土的内摩擦系数 。tgtg土的抗剪强度指标：土的内摩擦角和内聚力。直接剪切与三轴剪切抗剪强度指标的确定总应力法有效应力法排水剪（慢剪）不排水剪（快剪）固结不排水剪（固结快剪）ctguctgf)(“土的流变特性与动力特性”和“土的击实性（压实性）”自学 土的击实性（压实性）压实：压实：指通过夯打、振动、碾压等，使指
28、通过夯打、振动、碾压等，使土体变得密实、以提高土的强度、减小土体变得密实、以提高土的强度、减小土的压缩性和渗透性土的压缩性和渗透性压实性：压实性：指土在一定压实能量作用下密指土在一定压实能量作用下密度增长的特性度增长的特性研究击实性的目的：研究击实性的目的：以最小的能量消耗获得最大的压实以最小的能量消耗获得最大的压实密度，揭示击实作用下土的干密度、含水率和击实功三密度，揭示击实作用下土的干密度、含水率和击实功三者之间的关系和基本规律。者之间的关系和基本规律。击实方法击实方法：室内击实试验现场试验:夯打、振动、碾压土土dw饱和线dmaxoptw影响因素1.击实功能击实功能d 50 N30 N10
29、 N max,dop,Econst d d E存在一个上界d,E,const 2.土的级配土的级配 d 321constE 越小。越大，级配越好，其opmaxd 3.3.击实方式击实方式 夯实、辗压、振动；辗压对粘土比较合适夯实、辗压、振动；辗压对粘土比较合适 压实标准压实标准a.a.粘性土存在最优含水量粘性土存在最优含水量op，在填土施工中应该将土料的，在填土施工中应该将土料的含水量控制在含水量控制在op左右，以期得到左右，以期得到dmax，通常取，通常取%)32(op b.b.工程上常采用压实度工程上常采用压实度DcDc控制（作为填方密度控制标准）控制（作为填方密度控制标准）%100Dmaxdc 室内标准击实试验的填土的干密度、级土石坝级土石坝 Dc9598%Dc9598%级土石坝级土石坝 Dc9295%Dc9295%无粘性土的压实性无粘性土的压实性 击实曲线击实曲线d 20%20%特点特点不存在最优含水量；不存在最优含水量；在完全风干和饱和两种状态在完全风干和饱和两种状态 下易于击实；下易于击实；潮湿状态下潮湿状态下d d明显降低明显降低。压实标准压实标准 常用相对密度控制常用相对密度控制 Dr0.70.75Dr0.70.75 施工过程中要么风施工过程中要么风干，要么就充分洒水，干，要么就充分洒水，使土料饱和使土料饱和
