第三章_土的物理性质及工程分类

土中的土粒、水和气三部分的质量(或重力)与体积之间的比例关系，随着各种条件的变化而改变。土粒一般由矿物质组成，构成土的固体部分。土粒构成土的骨架。土骨架间布满相互贯通的孔隙。这些孔隙有时完全被水充满，称为饱和土；有时一部分孔隙被水占据，另一部分被气体占据，称为非饱和土；孔隙完全充满气体时，则称为干土。水和溶解于水的物质构成土的液体部分。空气和其他一些气体构成土的气体部分。这三种组成部分本身的性质以及它们之间的比例关系和相互作用，决定土的物理力学性质。因此，研究土的性质，必须研究土的固体、液体和气体的三相组成。土的三相比例指标一.土的三相草图在上述变量中ma=0，独立的量有Vs、Vw、Va、mw和ms五个。1cm3水的质量通常等于1g，故在数值上Vw=mw。当研究这些量的相对比例关系时，总是取某一定数量的土体来分析，例如，取V=1cm3，或m=1g，或Vs=1cm3等，因此又可以消去一个未知量。这样，对于一定数量的三相土体，只要知道其中三个独立的量，其他各个量就可从图中直接换算得到。三相草图是土力学中用以计算三相量比例关系的一种简单而又很实用的工具。Vm1.土的密度密度：单位体积土的质量。Mg/m3,g/cm3粘性土=1.8～2.0g/cm3砂土=1.6～2.0g/cm3腐殖土=1.5～1.7g/cm3测定方法：一般用“环刀法”，用一个圆环刀（刀刃向下）放在削平的原状土样面上，徐徐削去环刀外围的土，边削边压，使保持天然状态的土样压满环刀内，称得环刀内土样的质量，求得它与环刀容积之比值即为其密度。gVmgVG2.土的重度重度:单位体积土的重量，是重力的函数。kN/m3G为土的重量，g为重力加速度，工程上为了计算方便，取g=10m/s2。11/1wswssVmd3土粒相对密度（比重）相对密度:土粒密度（单位体积土粒的质量）与4℃时纯水密度之比。w1为4℃时纯水的密度，w1=1g/cm3;s为土粒的密度，即单位体积土粒的质量。故实用上，土粒相对密度在数值上等于土粒的密度。测定方法：土粒相对密度或比重可在试验室内用比重瓶法测定。由于土粒相对密度变化不大,通常可按经验数值选用。土土粒粒相相对对密密度度参参考考值值粘性土土的名称砂土粉土粉质粘土粘土土粒相对密度2.65～2.692.70～2.712.72～2.732.74～2.76含水量w是标志土的湿度的一个重要物理指标。天然土层的含水量变化范围很大，它与土的种类、埋藏条件及其所处的自然地理环境等有关。一般说来，对同一类土，当其含水量增大时，则其强度就降低。%100%100ssswmmmmmw4土的含水量含水量：土中水的质量与土粒质量之比，用w表示，以百分数计。测定方法：土的含水量一般用“烘干法”测定。先称小块原状土样的湿土质量m，然后置于烘箱内维持100～105℃烘至恒重，再称干土质量ms，水的质量mw为湿土和干土质量之差。铝盒烘箱电子天平土样基本指标土的密度土粒比重ds土的含水量w在测定土的密度、土粒比重和土的含水量这三个基本指标后，就可以根据三相草图计算出三相组成各自在体积上与质量上的含量。1.土的孔隙比和孔隙率孔隙比:土中孔隙体积与土粒体积之比，以小数记。三相量比例关系的其它常用指标svVVe它是一个重要的物理性能指标，可用来评价天然土层的密实程度。一般地，e0.6的土是密实的低压缩性土，e1.0的土是疏松的高压缩性土。1.土的孔隙比和孔隙率孔隙率：土中孔隙体积与土总体积之比，以百分数计。三相量比例关系的其它常用指标%100VVnv%1001eennne1砂类土：28-35%粘性土：0-50%,有的可达60-70%2土的饱和度%100vwrVVS饱和度：土中被水充满的孔隙体积与孔隙总体积之比。砂土根据饱和土Sr的指标值分为稍湿、很湿和饱和三种湿度状态。显然，干土的饱和度Sr=0，而完全饱和土的饱和度Sr=100%。砂土湿度状态的划分砂土湿度状态稍湿很湿饱和饱和度Sr（%）Sr≤5050Sr≤80Sr803土的饱和密度和干密度VVmwVssat饱和密度:土中孔隙被水充满时土的密度，Mg/m3,g/cm3Vmsd干密度：单位土体积中土粒的质量，Mg/m3,g/cm3重度＝密度×g密度与重度ggsatsatgdd饱和重度天然重度干重度wsatwssVVgm对于地下水位以下的土体，由于受到水的浮力作用，将扣除水浮力后单位体积土所受的重力称为土的有效重度(土浸泡在水中受到浮力时的重度），以′表示，当认为水下土是饱和时，它在数值上等于饱和重度sat。有效重度dsat名称符号三相比例表达式常用换算公式单位常见的数值范围土粒比重sdwlsssVmdweSdrs粘性土：2.72~2.76粉土：2.70~2.71砂类土：2.65~2.69含水量w%100swmmwsrdeSw；1dw20%~60%密度Vm)1(dwws1)1(ewdg/cm31.6~2.0g/cm3干密度dVmsd)1(dwwsd1edg/cm31.3~1.8g/cm3饱和密度satVVmwsssatwssat1eedg/cm31.8~2.3g/cm3有效密度VVmwsswsatws11edg/cm30.8~1.3g/cm3重度ggVmws1)1(ewdkN/m316~20kN/m3干重度dggVmdsdwsd1edkN/m313~18kN/m3饱和重度satggVVmsatwsssatwssat1eedkN/m318~23kN/m3有效重度ggVVmwssws11edkN/m38~13kN/m3孔隙比esvVVe1dwsde1)1(wswde粘性土和粉土：0.40~1.20砂类土：0.30~0.90孔隙率n%100vVVneen1；wsd1dn粘性土和粉土：30%~60%砂类土：25%~45%饱和度rS%100vwrVVSewdSsr；wdrnwS0~100%三相指标换算名称符号三相比例表达式常用换算公式单位常见的数值范围土粒比重sdwlsssVmdweSdrs粘性土：2.72~2.76粉土：2.70~2.71砂类土：2.65~2.69含水量w%100swmmwsrdeSw；1dw20%~60%密度Vm)1(dwws1)1(ewdg/cm31.6~2.0g/cm3干密度dVmsd)1(dwwsd1edg/cm31.3~1.8g/cm3饱和密度satVVmwsssatwssat1eedg/cm31.8~2.3g/cm3有效密度VVmwsswsatws11edg/cm30.8~1.3g/cm3重度ggVmws1)1(ewdkN/m316~20kN/m3干重度dggVmdsdwsd1edkN/m313~18kN/m3饱和重度satggVVmsatwsssatwssat1eedkN/m318~23kN/m3有效重度ggVVmwssws11edkN/m38~13kN/m3孔隙比esvVVe1dwsde1)1(wswde粘性土和粉土：0.40~1.20砂类土：0.30~0.90孔隙率n%100vVVneen1；wsd1dn粘性土和粉土：30%~60%砂类土：25%~45%饱和度rS%100vwrVVSewdSsr；wdrnwS0~100%名称符号三相比例表达式常用换算公式单位常见的数值范围土粒比重sdwlsssVmdweSdrs粘性土：2.72~2.76粉土：2.70~2.71砂类土：2.65~2.69含水量w%100swmmwsrdeSw；1dw20%~60%密度Vm)1(dwws1)1(ewdg/cm31.6~2.0g/cm3干密度dVmsd)1(dwwsd1edg/cm31.3~1.8g/cm3饱和密度satVVmwsssatwssat1eedg/cm31.8~2.3g/cm3有效密度VVmwsswsatws11edg/cm30.8~1.3g/cm3重度ggVmws1)1(ewdkN/m316~20kN/m3干重度dggVmdsdwsd1edkN/m313~18kN/m3饱和重度satggVVmsatwsssatwssat1eedkN/m318~23kN/m3有效重度ggVVmwssws11edkN/m38~13kN/m3孔隙比esvVVe1dwsde1)1(wswde粘性土和粉土：0.40~1.20砂类土：0.30~0.90孔隙率n%100vVVneen1；wsd1dn粘性土和粉土：30%~60%砂类土：25%~45%饱和度rS%100vwrVVSewdSsr；wdrnwS0~100%三相指标换算从物理意义上理解指标间的关系不鼓励死记硬背必要时利用三相草图推导三相图换算指标，就是利用已知的指标，计算出三相草图中的各相数值，再根据所求指标的定义直接计算。事实上，由于三相量的指标都是相对的比例关系，不是量的绝对值，因此，为了简化计算，常常可以假设三相中某相的值为1个单位，实用上最常用的是假设Vs=1.0m3(或cm3)或V=1.0m3(或cm3)进行计算。所谓土的物理状态，对于粗粒土、是指土的密实程度，对于细粒土则是指土的软硬程度或称为粘性土的稠度。土的物理状态无黏性土的密实度砂土、碎石土和粉土统称为无黏性土，无黏性土的密度对其工程性质有重要的影响。土的密实度通常指单位体积中固体颗粒的含量。土颗粒含量多，土就密实；土颗粒含量少，土就疏松。反映这类土工程性质的主要指标是密实度。干密度d和孔隙比e(或孔隙度n)都是表示土的密实度的指标。但是这种用固体含量或孔隙含量表示密实度的方法有其明显的缺点，主要是这种表示方法没有考虑到粒径级配这一重要因素的影响。相对密度假定第一种砂是理想的均匀圆球，不均匀系数Cu＝1.0，最密时的孔隙比e＝0.35，如果砂粒的比重G＝2.65，则最密时的干密度d＝1.96/cm3。第二种砂同样是理想的圆球。但其级配中除大的圆球外，还有小的圆球可以充填于孔隙中，不均匀系数Cu＝＞1.0,最密时的孔隙比e＜0.35。就是说这两种砂若都具有同样的孔隙比e＝0.35时,对于第一种砂，已处于最密实的状态，而对于第二种砂则不是最密实。相对密度minmaxmaxeeeeDr工程上为了更好地表明砂土所处的密实状态，采用将现场土的孔隙比e与该种土所能达到最密实时的孔隙比emin和最松散时的孔隙比emax相比较的办法，来表示孔隙比e时土的密实度。这种度量密实度的指标称为相对密度Dr定义为密实度判别标准：Dr≤1/3疏松1/3≤Dr≤2/3中密Dr＞2/3密实土的最大孔隙比emax的测定方法是将松散的风干土样，通过长颈漏斗轻轻地倒入容器，求得土的最小干密度再经换算确定；土的最小孔隙比emin的测定方法是将松散的风干土样分批装人金属容器内，按规定的方法进行振动或锤击夯实，直至密实度不再提高，求得最大干密度再经换算确定。粘性土的稠度状态土中含水量很低时，水都被颗粒表面的电荷紧紧吸着于颗粒表面，成为强结合水。强结合水的性质接近于固态。因此