第一章--土的物理性质及工程分类.ppt

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1、土土 力力 学学绪论绪论u 土力学是力学的一个分支，是以土力学是力学的一个分支，是以土土为研究对象的学科。为研究对象的学科。u 研究内容研究内容：通过研究土的物理、力学、物理化学性质及微观：通过研究土的物理、力学、物理化学性质及微观结构，进一步认识土和土体在荷载、水、温度等外界因素作用结构，进一步认识土和土体在荷载、水、温度等外界因素作用下的反应特性即土的压缩性、剪切性、渗透性及动力特性。下的反应特性即土的压缩性、剪切性、渗透性及动力特性。u 需要研究和解决的工程中的三大类问题：（需要研究和解决的工程中的三大类问题：（1）土体）土体渗流渗流与与渗透变形渗透变形；（；（2）土体）土体变形问题变形

2、问题；（；（3）土体）土体稳定或强度问题稳定或强度问题。2005年年7月月21日在广州海珠区江南大道南海珠广场深基坑南边发生滑坡。日在广州海珠区江南大道南海珠广场深基坑南边发生滑坡。比萨斜塔是意大利比萨斜塔是意大利比萨比萨城大教堂的独城大教堂的独立式钟楼，位于立式钟楼，位于比比萨大教堂萨大教堂的后面。的后面。钟楼始建于钟楼始建于1173年年，设计为垂直建造，但设计为垂直建造，但是在工程开始后不久是在工程开始后不久便由于地基不均匀和便由于地基不均匀和土层松软而倾斜。土层松软而倾斜。比萨比萨(Pisa)斜塔斜塔 该城市人口密集。该城市人口密集。1850年开始抽取地下水，年开始抽取地下水，18911

3、973年，整个年，整个老城下沉达老城下沉达8.7m造成地面道路、建筑及其他建筑设施的破坏。造成地面道路、建筑及其他建筑设施的破坏。土层土层中地下水位的下降，使有效应力增加，使地基进一步固结沉降。中地下水位的下降，使有效应力增加，使地基进一步固结沉降。墨墨西西哥哥城城的的下下沉沉圣母教堂，因地表不均匀下沉使其发生严重倾斜，并成为危房。圣母教堂，因地表不均匀下沉使其发生严重倾斜，并成为危房。La Conchita La Conchita 滑坡滑坡1996年发生在美国加州的年发生在美国加州的La Conchita，因居民已提，因居民已提前撤离固未造成人员伤亡。前撤离固未造成人员伤亡。Santa Te

4、cla Santa Tecla 滑坡滑坡2001年年1月月13日，萨尔瓦多发日，萨尔瓦多发生了生了7.6级的强震，震中位于级的强震，震中位于Santa Miguel西南西南60英里。英里。因此在因此在Santa Tecla 造成造成 山体山体滑坡，最终导致滑坡，最终导致700多人遇难。多人遇难。舟曲泥石流舟曲泥石流舟曲泥石流舟曲泥石流一、是三眼峪沟内部有一、是三眼峪沟内部有滑坡、崩塌滑坡、崩塌等大量的松散固体物质存在，等大量的松散固体物质存在，为泥石流的发生提供了充分的物质条件，其中多数为为泥石流的发生提供了充分的物质条件，其中多数为1879年年7月月1日甘肃文县日甘肃文县8级地震所诱发。同时

5、舟曲位于龙门山地震活动级地震所诱发。同时舟曲位于龙门山地震活动带北缘，又临近天水地震活动带，此前也曾受汶川地震波及，带北缘，又临近天水地震活动带，此前也曾受汶川地震波及，土质相对疏松，一遇强降雨容易形成泥石流。土质相对疏松，一遇强降雨容易形成泥石流。二、是三眼峪沟流域上游植被以幼林为主，灌草比例高，局部二、是三眼峪沟流域上游植被以幼林为主，灌草比例高，局部裸露，储水能力较弱，在经历今年入夏以来长时间严重干旱后，裸露，储水能力较弱，在经历今年入夏以来长时间严重干旱后，表层土变得更加干松。表层土变得更加干松。三、三、是在近期强降雨作用下，土体强度极大地降低是在近期强降雨作用下，土体强度极大地降低，

6、形成坡面形成坡面泥石流，并逐步带动沟坡崩滑岩土形成冲击力巨大的泥石流，泥石流，并逐步带动沟坡崩滑岩土形成冲击力巨大的泥石流，在从中上游汇流至中下游过程中，使得因地震形成的天然堆石在从中上游汇流至中下游过程中，使得因地震形成的天然堆石坝逐级溃决，并最终导致泥石流流量的增大和破坏力的增强。坝逐级溃决，并最终导致泥石流流量的增大和破坏力的增强。舟曲发生泥石流的主要因素：舟曲发生泥石流的主要因素：课程结构体系课程结构体系l第一章第一章 土的物理性质及工程分类土的物理性质及工程分类l第二章第二章 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流l第三章第三章 地基中应力计算地基中应力计算l第四章第四章 土的压缩性和地基

7、沉降计算土的压缩性和地基沉降计算l第五章第五章 土的抗剪强度土的抗剪强度l第六章第六章 地基承载力地基承载力l第七章第七章 土压力土压力l第八章第八章 土坡稳定分析土坡稳定分析第一章第一章 土的物理性质及工程分类土的物理性质及工程分类l 1.1 土的生成土的生成l 1.2 土的三相土的三相组组成成l 1.3 土的土的结结构及构造构及构造l 1.4 土的三相物理性土的三相物理性质质指指标标的的测测定及定及计计算算l 1.5 无粘性土的特性无粘性土的特性l 1.6 粘性土及粉土的特性粘性土及粉土的特性l 1.7 粘性土水粘性土水-土系土系统统的工程（物理的工程（物理-化学）特性化学）特性l 1.8

8、 土的工程分土的工程分类类主要内容主要内容1 1.1.1 土的生成土的生成 风化、搬运、堆积风化、搬运、堆积 岩石岩石 土土 压密、岩化压密、岩化一、土的概念一、土的概念土：土：覆盖在地表上的碎散矿物集合体。覆盖在地表上的碎散矿物集合体。岩石：构成地壳的基本物质，是一种或多种矿物的聚合体。岩石：构成地壳的基本物质，是一种或多种矿物的聚合体。统称为大自然的产物。统称为大自然的产物。土是岩石经过风化后在不同条件下形成的自然历史的产物。土是岩石经过风化后在不同条件下形成的自然历史的产物。岩石风化分为岩石风化分为物理风化、化学风化和生物风化物理风化、化学风化和生物风化。物理风化物理风化：岩石经受风、霜

9、、雨、雪的侵蚀，或受波浪的冲：岩石经受风、霜、雨、雪的侵蚀，或受波浪的冲击、地震等引起各种力的作用，温度的变化、冻胀等因素使击、地震等引起各种力的作用，温度的变化、冻胀等因素使整体岩石产生裂隙、崩解碎裂成岩块、岩屑的过程。整体岩石产生裂隙、崩解碎裂成岩块、岩屑的过程。化学风化化学风化：岩体（或岩块、岩屑）与氧气、二氧化碳等各种：岩体（或岩块、岩屑）与氧气、二氧化碳等各种气体、水和各种水溶液等物质相接触，经氧化、碳化和水化气体、水和各种水溶液等物质相接触，经氧化、碳化和水化作用，使这些岩石或岩屑逐渐产生化学变化，分解为极细颗作用，使这些岩石或岩屑逐渐产生化学变化，分解为极细颗粒的过程。粒的过程。

10、特征：特征：物理风化物理风化：量变过程，形成的土颗粒较粗；：量变过程，形成的土颗粒较粗；化学风化化学风化：质变过程，形成的土颗粒很细。：质变过程，形成的土颗粒很细。对一般的土而言，通常既经历过物理风化，又有化学风化，对一般的土而言，通常既经历过物理风化，又有化学风化，只不过哪种占优势而已只不过哪种占优势而已。土从其堆积或沉积的条件来看可分为：土从其堆积或沉积的条件来看可分为：残积土残积土：岩石风化后仍留在原地的堆积物。：岩石风化后仍留在原地的堆积物。特点：湿热地带，粘土，深厚，松软，易变；特点：湿热地带，粘土，深厚，松软，易变；寒冷地带，岩块或砂，物理风化，稳定。寒冷地带，岩块或砂，物理风化，

11、稳定。运积土运积土：岩石风化后经流水、风和冰川以及人类活动等搬运离：岩石风化后经流水、风和冰川以及人类活动等搬运离 开生成地点后再沉积下来的堆积物。又分为冲积土、风积土、开生成地点后再沉积下来的堆积物。又分为冲积土、风积土、冰碛土和沼泽土等。冰碛土和沼泽土等。冲积土冲积土：由水流冲积而成；颗粒分选、浑圆光滑。：由水流冲积而成；颗粒分选、浑圆光滑。风积土风积土：由风力带动土粒经过一段搬运距离后沉积下来的堆积：由风力带动土粒经过一段搬运距离后沉积下来的堆积物；没有层理、细砂或粉粒；黄土。物；没有层理、细砂或粉粒；黄土。冰碛（冰碛（qi）土）土：由冰川剥落、搬运形成的堆积物；不成层、从：由冰川剥落、

12、搬运形成的堆积物；不成层、从漂石到粘粒。漂石到粘粒。沼泽土沼泽土：在沼泽地的沉积物；含有机质、压缩性高、强度低。：在沼泽地的沉积物；含有机质、压缩性高、强度低。气相固相液相+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土体土体次要作用次要作用 1 1.2.2 土的三相组成土的三相组成土是固体颗粒、水和空气的混合物，常称土为土是固体颗粒、水和空气的混合物，常称土为三相系三相系。l 固相固相：土的颗粒、粒间胶结物；：土的颗粒、粒间胶结物；l 液相液相：土体孔隙中的水；：土体孔隙中的水；l 气相气相：孔隙中的空气。：孔隙中的空气。l当土骨架的孔隙全部被水占满时，这种土称为当土骨架的孔

13、隙全部被水占满时，这种土称为饱和土饱和土；l当土骨架的孔隙仅含空气时，就成为当土骨架的孔隙仅含空气时，就成为干土干土；l一般在地下水位以上地面以下一定深度内的土的孔隙中兼含空一般在地下水位以上地面以下一定深度内的土的孔隙中兼含空气和水，此时的土体属三相系，称为气和水，此时的土体属三相系，称为湿土湿土。根据土的粘性分：根据土的粘性分：粘性土粘性土：颗粒很细；：颗粒很细；无粘性土无粘性土：颗粒较粗，甚至很大。砂、碎石、甚至堆石（直径几：颗粒较粗，甚至很大。砂、碎石、甚至堆石（直径几十厘米甚至十厘米甚至1米）。米）。一、土的固相一、土的固相 土的固相物质包括无机矿物颗粒和有机质，是构成土的骨土的固相

14、物质包括无机矿物颗粒和有机质，是构成土的骨架最基本的物质，称为土粒。对土粒应从其架最基本的物质，称为土粒。对土粒应从其矿物成分、颗粒矿物成分、颗粒的大小的大小来描述。来描述。（一）成土矿物：（一）成土矿物：原生矿物，次生矿物原生矿物，次生矿物 原生矿物原生矿物是指岩浆在冷凝过程中形成的矿物，如石英、长是指岩浆在冷凝过程中形成的矿物，如石英、长石、云母等。石、云母等。次生矿物次生矿物是由原生矿物经过风化作用后形成的新矿物，如是由原生矿物经过风化作用后形成的新矿物，如三氧化二铝、三氧化二铁、次生二氧化硅、粘土矿物以及碳三氧化二铝、三氧化二铁、次生二氧化硅、粘土矿物以及碳酸盐等。酸盐等。（二）土粒的

15、大小和土的级配（二）土粒的大小和土的级配粒度，粒径粒度，粒径粒组粒组：把工程性质相近的土粒合并为一组；某粒组的土粒含：把工程性质相近的土粒合并为一组；某粒组的土粒含量定义为该粒组的土粒质量与干土总质量之比。量定义为该粒组的土粒质量与干土总质量之比。土的级配土的级配：土中各种大小的粒组中土粒的相对含量。土中各种大小的粒组中土粒的相对含量。随着颗粒大小的不同，土的性质可以有很大的差异。因此，随着颗粒大小的不同，土的性质可以有很大的差异。因此，人们常常按照粒径的范围，将土粒分为若干组，粒组之间的人们常常按照粒径的范围，将土粒分为若干组，粒组之间的分界尺寸称为界限粒径。分界尺寸称为界限粒径。国内常用的

16、一种粒组划分如下表所国内常用的一种粒组划分如下表所示。示。土粒粒土粒粒组组的划分的划分粒粒 组组 名名 称称粒径范粒径范围围(mm)一般特征一般特征漂石或块石漂石或块石卵石或碎石卵石或碎石 20020060透水性很大，无粘性，无毛细水透水性很大，无粘性，无毛细水 粗粗 中中 细细602020552透透水水性性大大，无无粘粘性性，毛毛细细水水上上升升高高度度不不超超过粒径大小过粒径大小 粗粗 中中 细细 极细极细20.50.50.250.250.10.10.05易易透透水水，当当混混入入云云母母等等杂杂质质时时透透水水性性减减小小，而而压压缩缩性性增增加加，无无粘粘性性，遇遇水水不不膨膨胀胀，干

17、干燥燥时时松松散散；毛毛细细水水上上升升高高度度不不大大，但但随随粒粒径变小而增大径变小而增大 粗粗 细细0.050.010.010.005透透水水性性小小，湿湿时时稍稍有有粘粘性性，遇遇水水膨膨胀胀小小，干干时时稍稍有有收收缩缩；毛毛细细水水上上升升高高度度较较大大较较快快，极易出现冻胀现象极易出现冻胀现象 粘粘 粒粒 0.075mm 密度计法密度计法：粒径：粒径0.075mm 联合测定联合测定：既有粒径：既有粒径0.075mm 利用一套孔径由大到小的筛子，将按规定利用一套孔径由大到小的筛子，将按规定方法取得的一定质量的干试样放入一次叠好方法取得的一定质量的干试样放入一次叠好的筛中，置振筛机

18、上充分振摇后，称出留在的筛中，置振筛机上充分振摇后，称出留在各级筛上的土粒的质量，按下式计算出小于各级筛上的土粒的质量，按下式计算出小于某土粒粒径的土粒含量百分数某土粒粒径的土粒含量百分数X（）（）。式中：式中：mi，m为分别为小于某粒径的土粒为分别为小于某粒径的土粒质量及试样总质量。质量及试样总质量。1 1、筛分法、筛分法土样筛土样筛颗分筛颗分筛105.02.01.00.50.250.1200g101618242238721009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数小于某粒径之土质量百分数P（）（）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径

19、粒径(mm)P%958778665536土的粒径级配累积曲线土的粒径级配累积曲线水分法水分法粒径粒径(mm)(mm)0.050.010.005百分数百分数P(%)P(%)2613.5102 2、密度计法、密度计法 用于分析粒径小于用于分析粒径小于0.1mm（0.075mm）的土，根据粗颗粒）的土，根据粗颗粒下沉速度快，细颗粒下沉速度慢的原理，可以把颗粒按下沉下沉速度快，细颗粒下沉速度慢的原理，可以把颗粒按下沉速度进行粗细分组。实验室常用比重计来进行细粒土的粒径速度进行粗细分组。实验室常用比重计来进行细粒土的粒径分析，称为密度计法。分析，称为密度计法。密度计密度计3 3、土的级配曲线、土的级配曲

20、线 颗粒分析试验曲线颗粒分析试验曲线(四四)颗粒分析试验曲线的颗粒分析试验曲线的主要用途主要用途按粒径分布曲线可求得：按粒径分布曲线可求得：（1）土中各粒组的土粒含量，用于）土中各粒组的土粒含量，用于粗粒土的分类和大致评粗粒土的分类和大致评估土的工程性质估土的工程性质；（2）某些特性粒径，用于）某些特性粒径，用于建筑材料的选择和评价土级配的建筑材料的选择和评价土级配的好坏好坏。根据某些特征粒径，可得到两个有用的指标，即根据某些特征粒径，可得到两个有用的指标，即不均匀系数不均匀系数CuCu和和曲率系数曲率系数CcCc，它们的定义为：它们的定义为：式中，式中，d10，d30和和d60为粒径分布曲线

21、上小于某粒径的土粒含量为粒径分布曲线上小于某粒径的土粒含量分别为分别为10，30和和60时所对应的粒径。时所对应的粒径。d10称为称为有效粒径有效粒径；d60称为称为限制粒径限制粒径。土的级配的好坏可由土中的土的级配的好坏可由土中的土粒均匀程度土粒均匀程度和和粒径分布曲线的形状粒径分布曲线的形状来决定，而土粒的均匀程度和曲线的形状又可用来决定，而土粒的均匀程度和曲线的形状又可用不均匀系数不均匀系数和和曲曲率系数率系数来衡量。来衡量。lCu小，曲线陡；小，曲线陡；Cu大，易压密；大，易压密；Cc过大，台阶在过大，台阶在d10d30间；间；Cc过小，台阶过小，台阶在在d30d60间；间；l规范：纯

22、净砾、砂，规范：纯净砾、砂，Cu=5，且且Cc=13时，级配良好，否则，不良。时，级配良好，否则，不良。土的颗粒级配曲线土的颗粒级配曲线二、土的液相二、土的液相（一）结合水（一）结合水 强结合水强结合水性质接近于固体，冰点很低，沸点较高，且不能性质接近于固体，冰点很低，沸点较高，且不能传递压力。传递压力。弱结合水弱结合水也称为薄膜水，不能传递压力，也不能在孔隙水也称为薄膜水，不能传递压力，也不能在孔隙水中自由流动，但它可以因电场引力的作用从水膜厚的地方向中自由流动，但它可以因电场引力的作用从水膜厚的地方向水膜薄的地方转移。由于它的存在，使土具有塑性、粘性、水膜薄的地方转移。由于它的存在，使土具

23、有塑性、粘性、影响土的压缩性和强度，并使土的透水性变小。影响土的压缩性和强度，并使土的透水性变小。吸着水厚度吸着水厚度影响因素影响因素：成土矿物；阳离子浓度及化学性质：成土矿物；阳离子浓度及化学性质（阳离子价低，厚；阳离子浓度高，薄）。（阳离子价低，厚；阳离子浓度高，薄）。（二）自由水（二）自由水 离开土颗粒表面较远，不受土颗粒电分子引力作用，且可自离开土颗粒表面较远，不受土颗粒电分子引力作用，且可自由移动的水称为由移动的水称为自由水自由水。（分为。（分为毛细管水毛细管水和和重力水重力水）1 1、毛细管水、毛细管水 土中存在许多大小不同的相互连通土中存在许多大小不同的相互连通的弯曲孔道，由于水

24、分子与土粒分子的弯曲孔道，由于水分子与土粒分子之间的附着力和水气界面上的表面张之间的附着力和水气界面上的表面张力，于是将引起迫使相邻土粒相互积力，于是将引起迫使相邻土粒相互积紧的压力，该压力称为紧的压力，该压力称为毛管水压力毛管水压力。土层中的毛细管水土层中的毛细管水2 2、重力水、重力水p 在重力或水位差作用下能在土中流动的自由水称在重力或水位差作用下能在土中流动的自由水称微重力水微重力水。具。具有溶解能力，能传递静水和动水压力，对土颗粒有浮力作用。有溶解能力，能传递静水和动水压力，对土颗粒有浮力作用。p 当它在土孔隙中流动时，对所流经的土体施加渗流力（亦称动当它在土孔隙中流动时，对所流经的

25、土体施加渗流力（亦称动水压力、渗透力），计算中应考虑其影响。水压力、渗透力），计算中应考虑其影响。三、土的气相三、土的气相 存在土中的气体分为两种基本类型：一种是存在土中的气体分为两种基本类型：一种是与大气连通的气与大气连通的气体体；另一种是；另一种是与大气不连通的以气泡形式存在的封闭气体与大气不连通的以气泡形式存在的封闭气体。一、土的结构一、土的结构1 1、定义、定义土粒或土粒集合体在空间的排列和互相联结形式称为土粒或土粒集合体在空间的排列和互相联结形式称为土的结构土的结构。1 1.3.3 土的结构及构造土的结构及构造2 2、类型、类型（a）单粒结构）单粒结构（b）峰窝结构）峰窝结构（c）絮

26、状结构）絮状结构 单单粒粒结结构构如如图图（a）所示。由）所示。由颗颗粒大的土粒在水或空气中下沉粒大的土粒在水或空气中下沉堆堆积积而成。粗粒土都具有而成。粗粒土都具有单单粒粒结结构。构。单单粒粒结结构可以分构可以分为为疏松的和疏松的和紧紧密的。疏松密的。疏松单单粒粒结结构的土孔隙大，骨架不构的土孔隙大，骨架不稳稳定，在外定，在外载载作用下作用下容易容易发发生生错错位，位，产产生很大的生很大的变变形或沉降，因此，形或沉降，因此，这这种土未种土未经处经处理理一般不宜作一般不宜作为为建筑物的地基。建筑物的地基。紧紧密密单单粒粒结结构的土，由于构的土，由于颗颗粒排列粒排列紧紧密，密，强强度高，度高，压

27、缩压缩性小，在性小，在动动、静、静载载作用下都不会作用下都不会发发生生较较大的大的沉降，是良好的天然地基。沉降，是良好的天然地基。峰峰窝结窝结构构如如图图（b）所示。粒径大）所示。粒径大约约在在0.020.002mm范范围围内的内的粉土或粘土粉土或粘土颗颗粒，在水中粒，在水中单单个下沉个下沉时时，途中碰到已沉，途中碰到已沉积积的土粒的土粒时时，由于土粒之，由于土粒之间间的分子引力大于土粒自重，使得土粒只能停的分子引力大于土粒自重，使得土粒只能停留在最初的接触位置不能留在最初的接触位置不能继续继续下沉，下沉，这样这样，一粒一粒相互吸引，一粒一粒相互吸引，最最终终将能形成具有很大孔隙的蜂将能形成具

28、有很大孔隙的蜂窝窝状状结结构。构。絮状絮状结结构构如如图图（c）所示。直径小于）所示。直径小于0.002mm的极的极细细粘粒，在水粘粒，在水中能中能够长够长期期悬悬浮而不下沉，如果水中浮而不下沉，如果水中掺掺有某些有某些电电解解质质，颗颗粒粒间间的的排斥力能被排斥力能被动动削弱，运削弱，运动动着的土粒能着的土粒能够够相互碰撞凝聚成絮状的小相互碰撞凝聚成絮状的小集粒而下沉，并相集粒而下沉，并相继继与已沉与已沉积积的絮状集粒接触，形成的絮状集粒接触，形成类类似蜂似蜂窝窝而而孔隙很大絮状孔隙很大絮状结结构（又称构（又称为为二二级级蜂蜂窝结窝结构）。构）。以上三种结构中，密实的单粒结构工程性质最好；蜂

29、窝结构和以上三种结构中，密实的单粒结构工程性质最好；蜂窝结构和絮状结构如果受到扰动，强度就会降低，压缩性变高，难以作为絮状结构如果受到扰动，强度就会降低，压缩性变高，难以作为天然地基。天然地基。二、土的构造二、土的构造1 1、定义、定义 同一土层中颗粒或颗粒结合体相互间的位置与充填空间情况同一土层中颗粒或颗粒结合体相互间的位置与充填空间情况称为土的构造。其实，这一定义与大多书本一样仍然比较模糊，称为土的构造。其实，这一定义与大多书本一样仍然比较模糊，未交代结构与构造的关系。其实，土的结构着重于细微观，而未交代结构与构造的关系。其实，土的结构着重于细微观，而构造可以理解为土体的宏观结构。构造可以

30、理解为土体的宏观结构。2 2、类型、类型 土体的构造一般可以分土体的构造一般可以分为为以下四以下四类类：(1)层层状构造状构造 顾顾名思名思义义，层层状构造是由不同状构造是由不同颜颜色和粒径的土粒构成的一色和粒径的土粒构成的一层层一一层层的的结结构状构状态态。大部分。大部分细细粒土的土粒土的土层层是是这这种构造。种构造。(2)分散构造分散构造 土土层层中的土粒分布均匀，性中的土粒分布均匀，性质质相近，粗粒土大都是分散构造。相近，粗粒土大都是分散构造。(3)裂隙状构造裂隙状构造 土体被土体被许许多不多不连续连续的小裂隙所分割，破坏了原状土的整体性，的小裂隙所分割，破坏了原状土的整体性，使其工程性

31、使其工程性质变质变差，一些差，一些坚坚硬和硬塑状硬和硬塑状态态的粘土具有的粘土具有这这种种结结构。构。(4)结结核状构造核状构造 在在细细粒土中明粒土中明显掺显掺有粗有粗颗颗粒或各种粒或各种结结核。如含核。如含结结核的黄土等，核的黄土等，该类该类土的性土的性质质主要决定于主要决定于细细粒土部分。粒土部分。1 1.4.4 土的三相物理性质指标的测定及计算土的三相物理性质指标的测定及计算 土的物理、力学性质不仅决定于它的三相组成性质和它的土的物理、力学性质不仅决定于它的三相组成性质和它的结构，而且还与三相之间量的比例关系密切相关。结构，而且还与三相之间量的比例关系密切相关。可分为两类：可分为两类：

32、p 通过试验测定通过试验测定，如含水量、密度和土粒相对密度，称为，如含水量、密度和土粒相对密度，称为 直接指标；直接指标；p 根据直接指标换算根据直接指标换算，如孔隙比、孔隙率、饱和度等，称为，如孔隙比、孔隙率、饱和度等，称为间接指标。间接指标。土的三相图土的三相图从右图可以容易得到以下关系：从右图可以容易得到以下关系：Vv=Vw+Va V=Vs+Vv=Vs+Vw+Va m=ms+mw 一、试验直接测定的物理性质指标一、试验直接测定的物理性质指标（一）土粒相对密度（土粒比重）（一）土粒相对密度（土粒比重）d ds s 土粒相对密度定义为土粒相对密度定义为土粒的质量（或重量）与同体积土粒的质量（

33、或重量）与同体积4时纯水的质量（或重量）之比（无因次），时纯水的质量（或重量）之比（无因次），其表达式其表达式为：为：或或 式中，式中，为土粒的密度，即土粒单位体积的质量；为土粒的密度，即土粒单位体积的质量；为为4时纯水的密度，时纯水的密度，1.0g/cm3土粒相对密度在数值上等于土粒的密度土粒相对密度在数值上等于土粒的密度 土粒相对密度常用土粒相对密度常用比重瓶法比重瓶法测定，事先将比重瓶注满纯水，测定，事先将比重瓶注满纯水，称瓶加水的质量。然后把烘干土若干克装入该空比重瓶内，称瓶加水的质量。然后把烘干土若干克装入该空比重瓶内，再加纯水至满，称瓶加土加水的质量，按下式计算土粒相对再加纯水至满

34、，称瓶加土加水的质量，按下式计算土粒相对密度：密度：式中，式中，m1为为瓶瓶+水水的质量；的质量；m2为为瓶瓶+土土+水水的质量；的质量；ms为为烘干土烘干土的质量。的质量。其中，其中，m1+ms为为瓶瓶+水（满）水（满）的质量的质量+干土干土的质量；的质量；m1+ms-m2为为与土粒体与土粒体积相同的水积相同的水的质量。的质量。比重瓶法比重瓶法空瓶空瓶质量质量m0烘干土烘干土的质量的质量ms瓶瓶+水水的质量的质量m1瓶瓶+土土+水水的质量的质量m2（二）土的天然含水量（二）土的天然含水量w w 土的天然含水量，定义为土的天然含水量，定义为土中水的质量与土粒的质量之土中水的质量与土粒的质量之比

35、比，以百分数表示，其表达式为：，以百分数表示，其表达式为：将将 代入上式可得代入上式可得 测定含水率常用的方法是测定含水率常用的方法是烘干法烘干法，先称出天然土的质量，先称出天然土的质量，然后放在烘箱中，在然后放在烘箱中，在100105常温下烘干，称得干土常温下烘干，称得干土质量，按上式可算得。质量，按上式可算得。烘干法烘干法 土的密度定义为土的密度定义为单位体积土的质量单位体积土的质量，用，用表示，单位为表示，单位为Mg/m3(或或g/cm3)。表达式如下：表达式如下：对于粘性土，土的密度常用对于粘性土，土的密度常用环刀法环刀法测定。测定。（三）土的天然密度（三）土的天然密度与重度与重度密度

36、：环刀法密度：环刀法定义：定义：土中孔隙的体积与土的总体积之比土中孔隙的体积与土的总体积之比，或单位体积内，或单位体积内孔隙的体积，以百分数表示，其表达式为孔隙的体积，以百分数表示，其表达式为：二、间接换算得物理性质指标二、间接换算得物理性质指标（一）土的孔隙比（一）土的孔隙比e e （二）土的孔隙率（二）土的孔隙率n n 定义：定义：土中孔隙的体积与土粒的体积之比土中孔隙的体积与土粒的体积之比，以小数表示，以小数表示，其表达式为：其表达式为：定义：定义：土中孔隙水的体积与孔隙体积之比土中孔隙水的体积与孔隙体积之比，以百分数表示，其，以百分数表示，其表达式为：表达式为：（三）土的饱和度（三）土

37、的饱和度SrSr 土的干重度：土的干重度：单位体积内土粒的重量单位体积内土粒的重量，表达式为：，表达式为：土烘干，体积要减小，因而，土的干密度不等于烘干土的土烘干，体积要减小，因而，土的干密度不等于烘干土的密度。土的干密度或干重度也是评定土密实程度的指标，密度。土的干密度或干重度也是评定土密实程度的指标，干密度或干重度愈大表明土愈密实，反之愈疏松。干密度或干重度愈大表明土愈密实，反之愈疏松。（四）干密度四）干密度d d与干重度与干重度d d 土的干密度：土的干密度：单位体积内土粒的质量单位体积内土粒的质量，表达式：，表达式：（五）饱和密度（五）饱和密度satsat与饱和重度与饱和重度satsa

38、t 饱和密度定义：饱和密度定义：土中孔隙完全被水充满土处于饱和状态土中孔隙完全被水充满土处于饱和状态时单位体积土的质量时单位体积土的质量。表达式为。表达式为 在饱和状态下，单位体积土的重量称为饱和重度，其表达在饱和状态下，单位体积土的重量称为饱和重度，其表达式为：式为：（六）浮密度（六）浮密度与浮重度（有效重度）与浮重度（有效重度）土在水下，受到重力水的浮力作用，此时土中固体颗粒的土在水下，受到重力水的浮力作用，此时土中固体颗粒的质量再扣去固体颗粒排开水的质量与土样总体积之比质量再扣去固体颗粒排开水的质量与土样总体积之比 浮密度浮密度 与其相应，提出了浮密度的概念，土的浮密度是与其相应，提出了

39、浮密度的概念，土的浮密度是单位体积单位体积内的土粒质量与同体积水质量之差内的土粒质量与同体积水质量之差，其表达式为：，其表达式为：或或 从上述四种土的密度或重度的定义可知，同一土样各种密从上述四种土的密度或重度的定义可知，同一土样各种密度或重度在数值上有如下关系：度或重度在数值上有如下关系：三、常用物理性质指标的实用计算公式三、常用物理性质指标的实用计算公式(重点、难点重点、难点)常用的土的物理指标共有九个。已知其中任意三个，通过换常用的土的物理指标共有九个。已知其中任意三个，通过换算可以求出其余的六个。算可以求出其余的六个。（一）孔隙比与孔隙率的关系（一）孔隙比与孔隙率的关系 设土体内土粒的

40、体积为设土体内土粒的体积为1，则，则 可知，孔隙的体积可知，孔隙的体积Vv为为e，土体的体积土体的体积V为（为（1e），），于是有：于是有：或或 三相示意图（三相示意图（a）（二）干密度与天然密度和含水量的关系二）干密度与天然密度和含水量的关系 设土体的体积设土体的体积V为为1，则，则d=ms/V，土体内土粒的质量土体内土粒的质量ms为为d，由由w=mw/ms水的质量水的质量mw为为wd。于是，按天然于是，按天然密度的定义可得：密度的定义可得：或或 （1-22）三相示意图（三相示意图（b）设土体内土粒的体积为设土体内土粒的体积为1，则按，则按 ，孔隙的体积孔隙的体积Vv为为e；由由s ms/V

41、s得土粒的质量得土粒的质量ms为为s。于是，按。于是，按d的定义可得：的定义可得：将将 代入，整理得：代入，整理得：（三）孔隙比与土粒相对密度和干密度的关系（三）孔隙比与土粒相对密度和干密度的关系三相示意图（三相示意图（c）（四）饱和度与含水量、相对密度和孔隙比的关系（四）饱和度与含水量、相对密度和孔隙比的关系 设土体内土粒的体积为设土体内土粒的体积为1，则按，则按e=Vv/Vs得体积得体积Vv=e；由由s ms/Vs得土粒的质量得土粒的质量ms=s。按按w=mw/ms，得质量，得质量mw=ws，则得体积则得体积Vw=mw/w=ws/w。于是，于是，当土饱和时，即当土饱和时，即Sr为为100，

42、则：，则：式中，式中，wsat为饱和含水率。为饱和含水率。三相示意图（三相示意图（d）（五）浮密度与土粒相对密度和孔隙比的关系（五）浮密度与土粒相对密度和孔隙比的关系 设土体内土粒体积为设土体内土粒体积为1，则按，则按e=Vv/Vs，孔隙的体积，孔隙的体积Vv为为e；由由s ms/Vs得土粒的质量得土粒的质量ms为为s。于是，按式浮密度于是，按式浮密度的定义可得的定义可得 三相示意图（三相示意图（e）习题习题1、某干砂某干砂试样试样 ，经细经细雨后，体雨后，体积积未未变变，饱饱和度达到和度达到Sr=40%，试问细试问细雨后砂雨后砂样样的密度、重度和含的密度、重度和含水量各是多少？水量各是多少？

43、2、有一个完全、有一个完全饱饱和的粘土土和的粘土土样样，测测得得总总体体积积V1=100cm3，已，已知土粒知土粒对对水的相水的相对对密度密度ds=2.66，土，土样样含水量含水量w1=45%，将，将该该土土样样置于烘箱中烘了一段置于烘箱中烘了一段时间时间之后，之后，测测得土得土样样的体的体积积V2=95cm3，w2=35%，问问土土样样烘干前后的密度、干密度、孔隙比、烘干前后的密度、干密度、孔隙比、饱饱和和度各度各为为多少？多少？3、某一某一块试样块试样在天然状在天然状态态下的体下的体积为积为60cm3，称得其称得其质质量量为为108g，将其烘干后称得将其烘干后称得质质量量为为96.43g，

44、根据根据试验试验得到的土粒比得到的土粒比重重ds为为2.7，试试求求试样试样的湿密度、干密度、的湿密度、干密度、饱饱和密度、含水率、和密度、含水率、孔隙比、孔隙率和孔隙比、孔隙率和饱饱和度。和度。4、某土样在天然状态下的孔隙比、某土样在天然状态下的孔隙比 e=0.8，土粒比重土粒比重 ds=2.68，含水量含水量=24%，求：求：(a)天然状态下的重度、干重度和饱和度；天然状态下的重度、干重度和饱和度；(b)若该土样加水后，达到饱和状态，计算饱和时的含水量若该土样加水后，达到饱和状态，计算饱和时的含水量及饱和重度及饱和重度(假定土的孔隙比保持不变假定土的孔隙比保持不变)。5、某饱和土样重、某饱

45、和土样重0.4N，体积为体积为21.5 cm3。放入烘箱内烘一段放入烘箱内烘一段时间后取出，称得其重量为时间后取出，称得其重量为0.33N，体积减小至体积减小至15.7 cm3，饱饱和度为和度为75%。试求该土样烘烤前的含水量。试求该土样烘烤前的含水量 w、孔隙比孔隙比 e 及干及干容重容重 d。n 上一上一节讲节讲的的9个三相指个三相指标标主要是反映土的主要是反映土的物理性物理性质质的，的，还还不能不能直接表直接表现现土的物理状土的物理状态态，本，本节讲节讲授反映土的授反映土的物理状物理状态态的有关指的有关指标标。n 所所谓谓土的物理状土的物理状态态，对对于粗粒土来于粗粒土来讲讲，就是指它的

46、密，就是指它的密实实程度；程度；对对于于细细粒土，粒土，则则是指它的是指它的软软硬程度即粘性土的稠度硬程度即粘性土的稠度(consistency）1.51.5、1.6 1.6 土的物理状态指标土的物理状态指标一、无粘性土（粗粒土）的密实度（一、无粘性土（粗粒土）的密实度（1.51.5节）节）u 土的密土的密实实度度:指指单单位体位体积积的土体中固体的土体中固体颗颗粒的含量。干容量粒的含量。干容量d和孔隙比和孔隙比e（或孔隙率（或孔隙率n）都是表示土的密）都是表示土的密实实度的指度的指标标。u 但但这这种直接用土粒的含量或孔隙含量表示密种直接用土粒的含量或孔隙含量表示密实实度的方法具有度的方法具

47、有明明显显的缺点：的缺点：最主要的就是它最主要的就是它们们没有考没有考虑虑到土粒粒径到土粒粒径级级配配这这一一重要因素的影响，不同重要因素的影响，不同级级配的砂土，即使孔隙比相同，所配的砂土，即使孔隙比相同，所处处的的松密状松密状态态并不会相同。并不会相同。为了更好的表明粗粒土的密实状态，可以将天然孔隙比为了更好的表明粗粒土的密实状态，可以将天然孔隙比e e与同一种土的最密实状态的孔隙比与同一种土的最密实状态的孔隙比e emin min 和最松散状态孔隙比和最松散状态孔隙比e emax max 进行对比，看天然的进行对比，看天然的e e是靠近是靠近e eminmin还是靠近还是靠近e emax

48、max，以此来判，以此来判别它的密实度。这种度量密实度的指标称为别它的密实度。这种度量密实度的指标称为相对密度相对密度(relative densityrelative density)D Dr r。式中：式中：Dr相相对对密密实实度；度；emax无粘性土无粘性土处处在最松状在最松状态时态时的孔隙比；的孔隙比；emin无粘性土无粘性土处处在最密状在最密状态时态时的孔隙比；的孔隙比；e无粘性土得天然孔隙比或填筑孔隙比。无粘性土得天然孔隙比或填筑孔隙比。显显然，当然，当e接近于接近于emin时时，Dr 接近于接近于1，土呈密，土呈密实实状状态态，当，当e接近于接近于emax时时，Dr接近于零，土呈

49、松散状接近于零，土呈松散状态态。通常根据。通常根据Dr可以可以把粗粒土的松密状把粗粒土的松密状态态分分为为下列三种：下列三种：0Dr0.33 松散松散 0.33 Dr0.67 中密中密 0.67 Dr 1 密密实实 天然砂土的密天然砂土的密实实度只能在度只能在现场现场利用利用标标准准贯贯入入试验试验、静力触探、静力触探试验试验等原位等原位测试测试方法来方法来获获得。通常根据得。通常根据标标准准贯贯入入试验试验的的锤击锤击数数N，将天然砂土分，将天然砂土分为为四种密四种密实实度状度状态态如下表所示。如下表所示。天然砂土的密实度划分天然砂土的密实度划分砂土密砂土密实实度度 松散松散稍密稍密中密中密

50、密密实实标标准准实验击实验击数数N1010N151530n 碎石土可以用可挖性、可碎石土可以用可挖性、可钻钻性等方法性等方法进进行行现场鉴别现场鉴别，一般，一般也可区分也可区分为为密密实实、中密和稍密三种密、中密和稍密三种密实实度状度状态态。n 细细粒土（粘性土）无法在粒土（粘性土）无法在实验实验室室测测定最大和最小孔隙比，定最大和最小孔隙比，实实际际上也不存在上也不存在emax和和emin，因此只能，因此只能根据孔隙比根据孔隙比e或干密度或干密度d来来判断其密判断其密实实度度。稠度：稠度：稠度：稠度：指粘性土的干湿程度或在某一含水率下抵抗外指粘性土的干湿程度或在某一含水率下抵抗外指粘性土的干