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1、1,第二章 土的物理性质 第一节 土的三相组成,土的三相组成是指土由固体颗粒、液体水和气体三部分组成。土中的固体矿物构成土的骨架,骨架之间贯穿着大量的孔隙,孔隙中充满着液体水和气体。,固相包括多种矿物成分组成土的骨架，骨架间的空隙为液相和气相填满，这些空隙是相互连通的，形成多孔介质； 液相主要是水(溶解有少量的可溶盐类)； 气相主要是空气、水蒸气，有时还有沼气等。,2,土体三相比例不同，土的状态和工程性质也随之各异，例如： 固体+气体（液体=0）为干土，此时粘土呈坚硬状态， 砂土呈松散状态； 固体+液体+气体为湿土，此时粘土多为可塑状态； 固体+液体（气体=0）为饱和土，此时粉细砂或粉土遇强烈
2、地震，可能产生液化，而使工程遭受破坏；粘土地基受建筑物荷载作用发生沉降需几十年才能稳定。,3,第二节 土的基本物理性质,采用土的三相示意图,可使三相比例关系形象化和阐述方便。 土的三相比例关系是其物理性质的反映，但与其力学性质有内在联系. 固相成分的比例越高，其压缩性越小，抗剪强度越大，承载力越高。,一 土的三相指标,4,土的三相物质在体积和质量上的比例关系称为三相比例指标。三相比例指标反映了土的干燥与潮湿、疏松与紧密，是评价土的工程性质的最基本的物理性质指标，也是工程地质勘察报告中不可缺少的基本内容。三相比例指标可分为两种，一种是试验指标（基本指标）；另一种是换算指标。反映土的松密程度的指标
3、有：孔隙比e、孔隙率n；反映了土的含水程度的指标有：含水量、饱和度Sr；不同条件下土的密度有：天然密度、干密度d、饱和密度sat、浮密度。三项基本指标:密度、土粒密度(比重)ds、含水量,5,m土的总质量，g； ms土的固体颗粒质量，g；mw土中液体的质量，g； ma土中空气的质量，（ma=0）； V土的总体积，cm3； Vs土中固体颗粒体积，cm3；Vw土中液体的体积，cm3； Va土中气体的体积，cm3。Vv土中孔隙的体积，cm3。,6,(一)、三相基本试验指标 土的密度、土粒密度（比重）、土的含水量三个指标可在实验室内直接测定，是实测指标，常称为土的三相基本试验指标。1.土的密度（天然密
4、度） 土的密度是指土的总质量与总体积之比，即单位体积土的质量，其单位是g/cm3，常见值为1.62.2g/cm3。,工程实际中，常将土的密度换算成土的重度（），重度等于密度乘以重力加速度g，其单位是kN/m3，即:,v,7,土的密度常用环刀法测定。2.土粒密度（土粒比重） 土粒密度是指固体颗粒的质量与其体积之比，即单位体积土粒的质量，其单位为g/cm3。,土粒密度也称土粒比重(ds)，是指土的质量与4时同体积水的质量之比，其值与土粒密度相同，但没有单位，在用作土的三相指标计算时必须除以水的密度值才能平衡量纲。,8,土粒密度大小决定于土粒的矿物成分，与土的孔隙大小和含水多少无关，它的数值一般在2
5、.62.8g/cm3之间（见表2-1）。,土粒密度常用比重试验法测定。,9,3.土的含水量 土中所含水分的质量与固体颗粒质量之比，以百分数表示，又称土的含水率。,含水量通常以百分数表示，它是描述土的干湿程度的重要指标。 土的天然含水量变化范围很大，从干砂的含水量接近于零到蒙脱石的含水量可达百分之几百。含水量常用烘干法测定。,10,三、其它常用换算指标 除了上述三个试验指标之外，还有六个可以计算求得的指标，称为换算指标，包括：1.表示土中孔隙含量的常用指标 土中孔隙大小、形状、分布特征、连通情况与总体积等，称为土的孔隙性。其主要取决于土的颗粒级配与土粒排列的疏密程度。 实际上土的孔隙性指标一般反
6、映的是土中孔隙体积的相对含量，主要有孔隙度和孔隙比两个指标。（1）孔隙度孔隙度又称孔隙率，指土中孔隙总体积与土的总体积之比，用百分数表示。,11,土的孔隙度取决于土的结构状态，砂类土的孔隙度常小于粘性土的孔隙度。土的孔隙度一般为2752%。（2）孔隙比 孔隙比指土中孔隙总体积与土中固体颗粒总体积的比值，用小数表示。,土的孔隙比说明土的密实程度，按其大小可对砂土或粉土进行密实度分类。,12,如在岩土工勘察规范中，用天然孔隙比来确定粉土的密实度。e0.9为稍密的粉土。,（3）孔隙比与孔隙度的关系,2.表示土中含水程度的指标 表示土中水含量的指标除含水量外，还有饱和度：饱和度土孔隙中所含水的体积与土
7、中孔隙体积的比值称为土的饱和度，以百分数表示。,13,饱和度可以说明土孔隙中充水的程度，其数值为0100%，干土Sr=0；饱和土Sr=100%。3.表示土的密度和重度的指标（1）饱和密度 土的孔隙完全被水充满时的密度称为饱和密度，是指土孔隙中全部充满液态水时的单位体积土的质量，即:,v,14,式中：w为水的密度（g/cm3），常近似取1.0g/cm3。 （2）干密度 干密度指土在干燥状态下的密度，在数值上等于单位体积中土粒的质量，即:,干密度的单位是g/cm3。土的干密度越大，土越密实，强度就越高，水稳定性也好。干密度常用作填土密实度的施工控制指标。 在工程中饱和密度或干密度乘以重力加速度g，
8、分别变换为饱和重度或干重度:,15,另外，处于地下水位以下的土层，如果土层是透水的，此时土受水的浮力作用，土的实际重量将减小，那么这种处于地水位以下的有效重度常特称为土的浮重度，即:,饱和重度与浮重度之间有关系:,对于同一种土来讲，土的天然重度、干重度、饱和重度、浮重度在数值上有如下关系：,g,16,四、指标之间的换算关系 上述表示土的三相比例关系的指标一共有9个，即：土粒密度、天然密度、干密度、饱和密度、浮重度、含水量、饱和度、孔隙度、孔隙比。它们主要反映了土的密实程度与干湿状态，而且相互之间都有内在联系。 土的三相指标之间可以进行换算，由于三个基本指标可以实测，因此，一般用它们来换算其他指
9、标。 已知ds、换算其它指标的一般方法是：,17,第一种换算方法：,18,19,第二种换算方法：,三相比例指标之间可以建立相互换算关系，具体的换算公式可查阅换算表，计算例题见例题2-1。,20,21,【例题2-1】某原状土样，经试验测得=1.85g/cm3, w=25%,s=2.70g/cm3,求d，e，n，Sr。 解法1：由三相图，根据各指标的定义式求解:,绘三相图如上，设 Vs=1.0cm31)确定三相组成的体积与质量,22,2)按定义求其它各指标,23,解法2：由指标之间的变换关系式直接求解：,24,第二节 粘性土的稠度与可塑性 粘性土的稠度与可塑性是土粒与水相互作用后所表现出来的物理性
10、质。一、粘性土的稠度状态 粘性土因含水多少而表现出的稀稠软硬程度，称为稠度。因含水多少而呈现出的不同的物理状态称为粘性土的稠度状态。 土的稠度状态因含水量的不同，可表现为固态、塑态与流态三种状态。1. 固态：含水量相对较少，粒间主要为强结合水连结（强结合水或固定层重叠），连结牢固，土质坚硬，力学强度高，不能揉塑变形，形状大小固定。,25,2. 塑态：含水量较固态为大，粒间主要为弱结合水连结（即弱结合水或扩散层重叠），在外力作用下容易产生变形，可揉塑成任意形状不破裂、无裂纹，去掉外力后不能恢复原状，即可塑性。,图2-2 土中水与稠度状态图件,3. 流态：含水量继续增加、粒间主要为液态水占据，连结
11、极微弱，几乎丧失抵抗外力的能力，强度极低，不能维持一定的形状，土体呈泥浆状，受重力作用即可流动。,26,二、界限含水量稠度界限 粘性土的稠度状态的变化是由于土中含水量的变化而引起的。粘性土由一种稠度状态转变为另一种稠度状态，相应于转变点（临界点）的含水量称为稠度界限（界限含水量）。工程上常用的有液性界限wL和塑性界限wp,图2-3 稠度界限与稠度状态关系图,由半固态转变到塑态的界限含水量，称为塑性界限（塑限）；由塑态转变到流态的界限含水量，称为液性界限（液限）。,27,粉土的液限在32-38%之间，粉质粘土为38-46%，粘土为40-50%。 塑限常见值为17-28%。 粘性土的液限与塑限一般
12、在室内进行测定，液限常采用锥式液限仪，塑限常采用搓条法。,搓好的泥条,锥式液限仪,28,三、液性指数和塑性指数 土处于何种稠度状态取决于土中的含水量，但是由于不同土的稠度界限是不同的，因此天然含水量不能说明土的稠度状态。为判别自然界中粘性土的稠度状态，通常采用液性指数（IL）进行评价，即：,29,表2-4 按液性指数划分粘性土的稠度状态表,粘性土中含水量在液限与塑限两个稠度界限之间时，土处于可塑状态，具有可塑性，这是粘性土的独特性能。 由于粘性土的可塑性是含水量界于液限与塑限之间表现出来的，故可塑性的强弱可由这两个稠度界限的差值大小来反映，这个差值称为塑性指数IP 。即:,30,塑性指数越大，意味着粘性土处于可塑态的含水量变化范围越大，其可塑性就越强。所以在工程实际中直接按塑性指数大小对一般粘性土进行分类，国家标准岩土工程勘察规范按塑性指数IP将粘性土分为两类：IP17为粘土，17IP10为粉质粘土，IP10为粉土或砂类土。例题2-2 从某地基取原状土样，测得土的液限wL=47%，塑限wp=18%，天然含水量w=40%，问：1）地基土为何种土？2）该地基处于什么状态？ 解：1）由下式求塑性指数：,根据岩土工程勘察规范，Ip=2917，该土为粘土。,
