土的物理性质

第二章土的物理性质一、土的基本物理性质二、粘性土的稠度状态及可塑性三、粘性土的胀缩性和崩解性四、土的透水性和毛细性土的物理状态指标土的物理状态粗粒土的松密程度粘性土的软硬状态土的物理性质指标(三相间的比例关系)表示影响力学特性密实度稠度土的三个组成相的体积和质量上的比例关系密实程度干湿程度……定义土的物理性质主要研究：1、土的三相体系间质量与体积间的比例关系，如密度、空隙性等，称基本物理性质，共有9个指标。2、固体与液体间相互作用表现出来的性质如稠度、可塑性、胀缩性、透水性等，称水理性质。空气Air三相示意图水Water固体Solidma=0mwmsm质量VaVwVsVvV体积1.密度土粒密度s实测指标土的天然密度实测指标土的干密度d饱和密度sat土的物理性质指标空气水固体ma=0mwmsm质量VaVwVsVvV体积2.含水性指标天然含水率w实测指标饱和含水率wsat饱和度sr3.空隙性孔隙率n孔隙比e空气水固体ma=0mwmsm质量VaVwVsVvV体积指标含及其确定方法：实测指标1.土粒密度s：•定义：单位体积内土颗粒的质量•表达式：s=ms/Vs•单位：kg/m3或g/cm3•一般范围：粘性土2.70~2.75g/cm3，砂土2.65g/cm3空气水固体ma=0mwmsm质量VaVwVsVvV体积指标含及其确定方法：实测指标2.土的天然密度：•定义：天然状态下单位体积内土的质量。•表达式：•单位：kg/m3或g/cm3•一般范围：1.60~2.20g/cm3空气水固体ma=0mwmsm质量VaVwVsVvV体积awswsVVVmmVm注意区别：1）含义上：s是固体相部分质量，只与土中的矿物组成有关，与孔隙性和含水性无关；而是天然状态下单位体积内土的质量，与两者均有关。2）测定方法上：s用扰动土样，采用比重瓶法测定，用原状土样，采用环刀法或蜡封法测定。3）数值上：s指标含及其确定方法：实测指标3.土的天然含水率w：•定义：土中水的质量与土粒质量之比，用百分数表示•表达式：•单位：无量纲•一般范围：变化范围大，可超过100%•测量方法：室内一般用烘干法。空气水固体ma=0mwmsm质量VaVwVsVvV体积ssswmmmmm(%)w可表示同一种土的松密，二者之间存在关系：表示土中孔隙含量的指标e1enn1ne砂类土：28-35%粘性土：30-50%，有的可达60-70%svV/Ve孔隙比e：土中孔隙体积与固体颗粒体积之比,为无量纲V/V(%)nv孔隙率(孔隙度)n：土中孔隙体积与总体积之比,用百分数表示可用三相草图推出空气水固体ma=0mwmsm质量VaVwVsVvV体积指标含及确定方法：换算指标：1、干密度d：•定义：土中孔隙完全没有水时的密度•表达式：d=ms/VKN/m3g/cm3它可用和w换算。wmmmmmmVmmVmmVmdswswssss1/空气水固体ma=0mwmsm质量VaVwVsVvV体积2、饱和密度sat：土中孔隙完全被水充满时的密度。sVmVsatWVVdwdnn空气水固体ma=0mwmsm质量VaVwVsVvV体积饱和容重：gsatsatVVmvwssat3、有效容重（浮容重）•表达式：•物理意义：地下水位以下，土体受水的浮力时单位体积的质量。wsat天然密度干密度饱和密度VmmVmwsVVmvwssatV/msddsat4、饱和含水率（wsat)：指土饱和时，所含水的质量与固体质量之比。%。5、饱和度（Sr）：指土中水的体积与空隙体积之比的%。表示孔隙的饱和程度。%100%10011）（sdswVsatmVsatww%100/%100satsWVswwVwV空气水固体ma=0mwmsm质量VaVwVsVvV体积•6、孔隙率n：指土中孔隙体积与土总体积之比的%。•7、孔隙比e：指土中孔隙体积与固体体积之比%100)1(%100sdVVVVVVnn11)1(wVVsdssVee•上述ρ,ρs,w,ρd,ρsat,,wsat,sr,n,e一共10个物理性质指标，是否各自独立，互不相干呢？•不是，通常实验室测定ρ,ρs,w后，其余7个指标可以通过三相草图换算而得。•因为三相草图是相对比例关系，为了计算方便，我们可以设其中一个部分为1，例如设Vs=1§1.3土的物理状态–物理性质指标小结土的三个组成相的体积和质量上的比例关系定义三相草图法室内测定三个基本物理性质指标：土的密度土粒密度土的含水量其它物理性质指标孔隙含量含水程度密度和容重•特点:指标概念简单，数量很多•要点：名称、概念或定义、符号、表达式、单位或量纲、常见值或范围、联系与区别密实程度干湿程度……4、某住宅地基勘察中，由一个原状土试验测得：土的天然密度ρ=1.85kN/m3,土粒密度ρs=2.75kN/m3,土的天然含水量w=20%。求其余6个指标1、已知一块饱和原状土样，其体积为17.40cm3，重29.8g，经105度温度下烘干后，重19.6g。求：w、s、e、d、sat。2、在野外试验中用体积为90cm3的环刀取原状土样，称得质量为154g，送回试验室后称得重量148g，并测得w=15%，s=2.7g/cm3。求、d、w、e、n、wsat、sr。3、一块体积为27cm3的粘土，烘干后重47.25g。在体积不变的情况下饱和，饱和后的重量56.7g。求s。1、已知一块饱和原状土样，其体积为17.40cm3，重29.8g，经105度温度下烘干后，其重为19.6g，求：w,s,e,d,sat,解：42.111)/(1.17)/(71.1)/(3.11)/(13.1)/(2.27)/(72.2%526.198.294.1713.172.2334.178.29334.176.1933/)6.198.29(4.176.196.196.198.29dsswssswemKNcmgmKNcmgmKNcmgwmmVsatVmdVmsmmssat2.在野外试验中用体积为90cm3的环刀取原状土样，称得质量为154g，送回试验室后称得重量148g，并测得w=15%,s=2.7g/cm3.求,d,w,e,n,wsat,sr.已知：V=90cm3,m=154g，m’=148g,w’=15%,s=2.7g/cm3.解：土样从野外送回试验室的过程中，土的重量减轻了。说明土的水分损失了一部分，所以试验室测得的含水率偏小。真正的含水率应根据含水率的概念确定。....89.01%0.47)%1()%1(%9.59%9.32)%()%()/(1.17)/(71.1)/(3.14)/(43.1%7.197.12815.0%15148.%,7.243.17.2143.1111339015433907.1287.1287.128154148答：为：真正的解得得：代入而不会变其中总质量而\dssdsatsdssswenswmKNcmgmKNcmgwwgm3.一块体积为27cm3的粘土，烘干后重47.25g。在体积不变的情况下饱和，饱和后的重量56.7g。求s.已知：V=27cm3，ms=47.25g，msat=56.7g解：.......)/(9.26)/(69.233)1/45.9(2725.47/)25.477.56(2725.4725.47答：mKNcmgwVssVVVms二、粘性土的稠度状态及可塑性1.稠度与界限含水率粘性土由于含水率不同，可表现出稀稠软硬程度不同的物理状态（如固态、可塑态及流动态），称为土的稠度。即：说明随w的增大，土的状态发生了变化；也说明土中颗粒的活动性随w的增大变得容易，即水与颗粒的表面现象越明显。由一种状态转变为另一种时的含水率叫界限含水率，如由态到塑态到流态。固态塑态流态固体态半固态粘塑态稠塑态粘流态液流态W小W大触变限塑限Wp粘着限收缩限液限wl塑限wp液限wl粘性土的稠度反映土中水的形态固态或半固态可塑状态流动状态强结合水弱结合水自由水w土颗粒强结合水弱结合水土颗粒强结合水土颗粒自由水弱结合水强结合水强结合水膜最大出现相当数量自由水粘性土的稠度状态稠度界限稠度状态含水量土中水的形态示意图根据土的不同状态，有几种界限含水率。包括：收缩限、塑限、粘着限、液限、触变限等，又称阿太堡界限。塑限wp：由半固态转变为可塑态的界限含水率。液限wL：由可塑态转变为流态的界限含水率。塑限的实测常用搓条法；液限的测定常用锥式液限仪或蝶式液限仪。固态塑态流态固体态半固态粘塑态稠塑态粘流态液流态W小W大触变限塑限Wp粘着限收缩限液限wl2、塑性指数及土的塑性指数分类如果土的天然含水率介于塑限和液限之间时，土将处于塑性状态，这时土可被塑成任意形状而不发生断裂，这种性质叫可塑性。塑性指数（Ip）是指液限与塑限的差值。Ip=wL-wpIp愈大，说明土的可塑状态的范围越大，可塑性越好，反之亦然。Ip=0时，土无可塑性。Ip的大小主要取决于土中粘粒的含量及其矿物成分。土中粘粒含量越高，矿物的亲水性越好，Ip越大，反之，就小。思考：砂和砾石类土是否有可塑性,why?土按塑性指数的分类，各部门有所区别，界限也有区别。国标准《岩土工程勘察规范》中规定：分类不足之处在于：不同的液限和塑限可能得出相同的塑性指数，即土类型相同，但其性质可能完全不同。为解决这一问题，提出了用塑性图对细粒土分类。如国标中就采用了这一分类方法。如图：塑性指数土的名称Ip17粘土10Ip=17粉质粘土CLCLO1030塑性指数IpIp=10Ip=7MLMLOMHMHOCHCHOA80604020100液限Wl(%)C代表粘土M代表粉土O代表有机质A线：Ip=0.63(Wl-20)IpWlIp=0.63(wl-20)Wl=40%CH高液限粘土Ip=10Wl40%CL低液限粘土Ip0.63(wl-20)Wl=40%MH高液限粉土Ip10Wl40%ML低液限粉土土代号土名称土的Ip在塑性中的位置如果土中含有有机质就用代号O。例如CHO为有机质高液限粘土类。另外还有一些别的规定。3.液性指数及稠度状态分级液性指数可以看出：当wwp时，IL0，土将处于固体状态；当wwL时，(w-wpWL-WP)，IL1,土将处于流动状态；当wpwwL时，0IL1，土将处于可塑状态；因此，IL的大小实际上反映了土的天然稠度状态。按IL将土划分为坚硬、硬塑、可塑、软塑、流塑五种状态。pppLpI从土的力学性质角度，考察土的稠度状态：实际上，IL反映了土的强度和压缩性，IL越大，土将处于软塑或流塑状态，土体的强度就低，压缩性高，承载力低；反之，IL越小，土处于坚硬或硬塑状态，土的强度就高，压缩性就低，承载力大。液性指数IL00IL0.250.25IL0.750.75IL1.00IL1.00稠度状态坚硬硬塑可塑软塑流塑三、粘性土的胀缩性和崩解性1.胀缩性包括膨胀性与收缩性：是指粘性土由于含水率增加或减少而引起体积增大（膨胀）或减少（收缩）的性质。一般来说，粘性土不同程度的具有胀缩性。产生原因：由于土颗粒表面的结合水（水化）膜厚度产生了变化，从而导致矿物颗粒间引力变化，进而产生了土的胀缩性。评价指标：膨胀率、膨胀力、线膨胀率、体缩率等。2.崩解性：指粘性土随含水率增加而发生崩散解体的性能。崩解形式：散粒崩解、鳞片状崩解、碎块状或崩裂状崩解。具体形式主要取决于土的矿物成分、粒度成分、结构及胶结程度等。产生原因：由