第二章土的物理性质及工程分类.pptx

第二章第二章 土的物理性质指标与工程分类土的物理性质指标与工程分类2-1 2-1 土的形成土的形成土是松散颗粒的堆积物，是岩石风化的产物（土是松散颗粒的堆积物，是岩石风化的产物（人工破碎；堆石坝的人工破碎；堆石坝的坝壳料；相当于物理风化坝壳料；相当于物理风化）。）。土是指覆盖在地表的没有胶结或弱胶结的颗粒堆积物。土是指覆盖在地表的没有胶结或弱胶结的颗粒堆积物。根据来源分：根据来源分：有机土和无机土有机土和无机土岩石风化分为岩石风化分为物理风化物理风化、化学风化化学风化和和生物风化生物风化。物理风化物理风化：岩石经受风、霜、雨、雪的侵蚀，或受波浪的冲击、地岩石经受风、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、冻胀等因素使整体岩石产生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。裂隙、崩解碎裂成岩块、岩屑的过程。2.1 2.1 土的形成土的形成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搬运、沉积搬运、沉积形成过程形成过程形成条件形成条件物理力学物理力学性质性质 风化风化土土地球影响岩石岩石地球化学风化化学风化：岩体（或岩块、岩屑）与氧气、二氧化碳等各种气体、：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、碳化和水化作用，使这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，分解为极细颗粒的过程。些岩石或岩屑逐渐产生化学变化，分解为极细颗粒的过程。特征：特征：物理风化物理风化与与生物风化生物风化：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，只不过对一般的土而言，通常既经历过物理风化，又有化学风化，只不过哪种占优而已哪种占优而已。2-1 2-1 土的形成土的形成生物风化生物风化：由植物、动物和人类活动对岩体的破坏称为生物风：由植物、动物和人类活动对岩体的破坏称为生物风化。化。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，稳定。2-1 2-1 土的形成土的形成运积土运积土：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、冰碛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。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物；：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；黄土没有层理、细砂或粉粒；黄土冰碛土冰碛土：由冰川剥落、搬运形成的堆积物；不成层、从漂石到粘粒：由冰川剥落、搬运形成的堆积物；不成层、从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2-1 2-1 土的形成土的形成气相固相液相+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次要作用次要作用2-2 2-2 土的组成土的组成2-2 2-2 土的组成土的组成土是固体颗粒、水和空气的混合物，常称土土是固体颗粒、水和空气的混合物，常称土为为三相系三相系。固相固相：土的颗粒、粒间胶结物；：土的颗粒、粒间胶结物；液相液相：土体孔隙中的水；：土体孔隙中的水；气相气相：孔隙中的空气。：孔隙中的空气。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隙全部被水占满时，这种土称为饱和土饱和土；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；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，称为含空气和水，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：颗粒较粗，甚至很大。砂、碎石、甚至堆石（直径几十至堆石（直径几十cm甚至甚至1m）2-2 2-2 土的组成土的组成不同类型的土不同类型的土不同类型的土不同类型的土一、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，是构成土土的固相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。对土粒应从其矿物成的骨架最基本的物质，称为土粒。对土粒应从其矿物成分、颗粒的大小和形状来描述。分、颗粒的大小和形状来描述。（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、是指岩浆在冷凝过程中形成的矿物，如石英、长石、云母等。长石、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，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、粘土矿物如三氧化二铝、三氧化二铁、次生二氧化硅、粘土矿物以及碳酸盐等。以及碳酸盐等。2-2 2-2 土的组成土的组成一、土的固相一、土的固相（二）土粒的大小和土的级配（二）土粒的大小和土的级配粒组粒组：把工程性质相近的土粒合并为一组；某粒组的：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土粒含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。我国我国GB50021-94岩土工程勘察规范的粒组划分标准可参见岩土工程勘察规范的粒组划分标准可参见表表1-1。2-2 2-2 土的组成土的组成粒粒 组组 名名 称称粒粒 组组 范范 围围/mmmm粒粒 组组 名名 称称粒粒 组组 范范 围围/mmmm漂石（块石）粒漂石（块石）粒组组 200 200 砂粒粒组砂粒粒组 0.07520.0752卵石（碎石）粒卵石（碎石）粒组组20200 20200 粉粒粒组粉粒粒组 0.0050.075 0.0050.075 砾石粒组砾石粒组 220220粘粒粒组粘粒粒组 0.0050.075mm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0.075mm2-2 2-2 土的组成土的组成（三）颗粒大小分析试验（三）颗粒大小分析试验1.筛分法筛分法利用一套孔径由大到小的筛子，将按规定方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的法取得的一定质量的干试样放入一次叠好的筛中，置振筛机上充分振摇后，称出留在各筛中，置振筛机上充分振摇后，称出留在各级筛上的土粒的质量，按下式计算出小于某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土粒粒径的土粒含量百分数X（）（）式中：式中：mi，m分别为小于某粒径的土粒质分别为小于某粒径的土粒质量及试样总质量量及试样总质量2-2 2-2 土的组成土的组成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 2-2 土的组成土的组成2.密度计法密度计法利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同来确定小利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同来确定小于某粒径的土粒含量的方法。于某粒径的土粒含量的方法。通过密度计测定土水悬浊液的密度来确定。通过密度计测定土水悬浊液的密度来确定。2-2 2-2 土的组成土的组成3.土的级配曲线土的级配曲线 2-2 2-2 土的组成土的组成1-1 1-1 1-1 1-1 颗粒分析试验曲线颗粒分析试验曲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：2-2 2-2 土的组成土的组成颗粒级配的描述颗粒级配的描述工程上常用不均匀系工程上常用不均匀系数数Cu描述颗粒级配的描述颗粒级配的不均匀程度不均匀程度 d10、d30、d60小于某粒径的土粒含量为小于某粒径的土粒含量为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。Cu愈大，表示土粒愈不均愈大，表示土粒愈不均匀。工程上把匀。工程上把Cu5的土视的土视为级配不良的土；为级配不良的土；Cu10的土视为级配良好的土的土视为级配良好的土 曲率系数曲率系数Cc描述颗粒级描述颗粒级配曲线整体形态，表明配曲线整体形态，表明某粒组是否缺失情况某粒组是否缺失情况 对于砾类土或砂类土，同时满对于砾类土或砂类土，同时满足足Cu5和和Cc=13时，定名为时，定名为良好级配砂或良好级配砾良好级配砂或良好级配砾 二、土的液相二、土的液相土的液相是水及各离子的溶液，其含量及性质明显地影响土，尤其是土的液相是水及各离子的溶液，其含量及性质明显地影响土，尤其是粘性土的性质，如增加水平，可使土地状态由坚硬变为可塑，甚至成为流粘性土的性质，如增加水平，可使土地状态由坚硬变为可塑，甚至成为流动状态的土浆。动状态的土浆。土中水可分为下列各类：土中水可分为下列各类：结晶水结晶水、吸着水吸着水、自由水自由水。（一）结晶水（一）结晶水结晶水：结晶水：溶质从溶液里结晶析出时，晶体里结合着一定数目的水分子，溶质从溶液里结晶析出时，晶体里结合着一定数目的水分子，这样的水分子叫结晶水。这样的水分子叫结晶水。存在矿物结晶中的水，只有在高温（大于存在矿物结晶中的水，只有在高温（大于105）下，才能使之从矿物）下，才能使之从矿物中析出，故可将它视作矿物本身的一部分。中析出，故可将它视作矿物本身的一部分。2-2 2-2 土的组成土的组成二、土的液相二、土的液相（二）吸着水（二）吸着水（与土粒表面结合的水，受粘土矿物表面静电引力和分（与土粒表面结合的水，受粘土矿物表面静电引力和分子引力作用而被吸附在土粒表面的水。）子引力作用而被吸附在土粒表面的水。）（1 1）吸着水是指附着在土粒表面呈薄膜状的水，受土粒表面引力作用而吸着水是指附着在土粒表面呈薄膜状的水，受土粒表面引力作用而不服从静水力学规律，其冰点低于不服从静水力学规律，其冰点低于0 0。它比普通水有较大的粘滞性，较小。它比普通水有较大的粘滞性，较小能动性和不同的密度。能动性和不同的密度。（2 2）粘土矿物颗粒具有较强的与水相互作用的力，称之为）粘土矿物颗粒具有较强的与水相互作用的力，称之为亲水性亲水性。这种。这种亲水性的土粒表面常常带有负电荷，电荷的大小与土粒表面积大小有关。亲水性的土粒表面常常带有负电荷，电荷的大小与土粒表面积大小有关。常用常用比表面积比表面积来表示电荷对土粒性能的影响。来表示电荷对土粒性能的影响。（3 3）比表面积大则电荷作用能力强。）比表面积大则电荷作用能力强。比表面积：比表面积：每每g g物质中所有颗粒总外表面积之和。物质中所有颗粒总外表面积之和。2-2 2-2 土的组成土的组成强吸着水强吸着水强吸着水强吸着水土粒表面的负电荷吸引着周围极化了的水分子和水溶液中阳离子（如钾、土粒表面的负电荷吸引着周围极化了的水分子和水溶液中阳离子（如钾、土粒表面的负电荷吸引着周围极化了的水分子和水溶液中阳离子（如钾、土粒表面的负电荷吸引着周围极化了的水分子和水溶液中阳离子（如钾、钠、钙、镁等），靠近土粒表面的地方引力最大，土粒周围的水分子和离子被钠、钙、镁等），靠近土粒表面的地方引力最大，土粒周围的水分子和离子被钠、钙、镁等），靠近土粒表面的地方引力最大，土粒周围的水分子和离子被钠、钙、镁等），靠近土粒表面的地方引力最大，土粒周围的水分子和离子被吸引在土粒表面附近，排列十分紧密，失去常见水的某些特性，通常把靠近土吸引在土粒表面附近，排列十分紧密，失去常见水的某些特性，通常把靠近土吸引在土粒表面附近，排列十分紧密，失去常见水的某些特性，通常把靠近土吸引在土粒表面附近，排列十分紧密，失去常见水的某些特性，通常把靠近土颗粒表面的一层水称为强吸着水。颗粒表面的一层水称为强吸着水。颗粒表面的一层水称为强吸着水。颗粒表面的一层水称为强吸着水。弱吸着水弱吸着水弱吸着水弱吸着水土粒表面的引力随离开土粒表面的距离增大而迅速降低，距土粒表面稍远土粒表面的引力随离开土粒表面的距离增大而迅速降低，距土粒表面稍远土粒表面的引力随离开土粒表面的距离增大而迅速降低，距土粒表面稍远土粒表面的引力随离开土粒表面的距离增大而迅速降低，距土粒表面稍远的地方，水分子虽仍为定向排列，但不如强吸着水那么紧密和严格，因此这层的地方，水分子虽仍为定向排列，但不如强吸着水那么紧密和严格，因此这层的地方，水分子虽仍为定向排列，但不如强吸着水那么紧密和严格，因此这层的地方，水分子虽仍为定向排列，但不如强吸着水那么紧密和严格，因此这层水有可能由水膜较厚处缓慢地迁移到另一土粒上去，这种运动与重力无关。这水有可能由水膜较厚处缓慢地迁移到另一土粒上去，这种运动与重力无关。这水有可能由水膜较厚处缓慢地迁移到另一土粒上去，这种运动与重力无关。这水有可能由水膜较厚处缓慢地迁移到另一土粒上去，这种运动与重力无关。这层水不能传递静水压力，称之为弱吸着水。层水不能传递静水压力，称之为弱吸着水。层水不能传递静水压力，称之为弱吸着水。层水不能传递静水压力，称之为弱吸着水。吸着水与土的物理力学性质吸着水与土的物理力学性质吸着水与土的物理力学性质吸着水与土的物理力学性质土粒为弱吸着水分隔时，由于土粒相互受到土粒表面引力的作用，因而土粒为弱吸着水分隔时，由于土粒相互受到土粒表面引力的作用，因而土粒为弱吸着水分隔时，由于土粒相互受到土粒表面引力的作用，因而土粒为弱吸着水分隔时，由于土粒相互受到土粒表面引力的作用，因而在土颗粒间表现一定的联接强度。弱吸着水越薄，土粒间距越小，引力越高，在土颗粒间表现一定的联接强度。弱吸着水越薄，土粒间距越小，引力越高，在土颗粒间表现一定的联接强度。弱吸着水越薄，土粒间距越小，引力越高，在土颗粒间表现一定的联接强度。弱吸着水越薄，土粒间距越小，引力越高，这时联接性就越强，土粒就越不容易发生移动。反之弱吸着水越厚，引力降低，这时联接性就越强，土粒就越不容易发生移动。反之弱吸着水越厚，引力降低，这时联接性就越强，土粒就越不容易发生移动。反之弱吸着水越厚，引力降低，这时联接性就越强，土粒就越不容易发生移动。反之弱吸着水越厚，引力降低，联接性减弱，就越易于移动。弱吸着水厚度的变化，会使土的物理力学性质发联接性减弱，就越易于移动。弱吸着水厚度的变化，会使土的物理力学性质发联接性减弱，就越易于移动。弱吸着水厚度的变化，会使土的物理力学性质发联接性减弱，就越易于移动。弱吸着水厚度的变化，会使土的物理力学性质发生改变。生改变。生改变。生改变。（三）自由水（三）自由水离开土颗粒表面较远，不受土颗粒电分子引力作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用，且可自由移动的水称为自由水自由水。（分为毛细管水和重力水）（分为毛细管水和重力水）1.毛细管水毛细管水土中存在许多大小不同的相互土中存在许多大小不同的相互连通的弯曲孔道，由于水分子连通的弯曲孔道，由于水分子与土粒分子之间的附着力和水与土粒分子之间的附着力和水气界面上的表面张力，于是，气界面上的表面张力，于是，将引起迫使相邻土粒相互挤紧将引起迫使相邻土粒相互挤紧的压力，这个压力称为的压力，这个压力称为毛管水毛管水压力压力。2-2 2-2 土的组成土的组成2.重力水重力水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微重力水水。具有溶解能力，能传递静水和动水压力，对土颗粒有浮具有溶解能力，能传递静水和动水压力，对土颗粒有浮力作用。力作用。当它在土孔隙中流动时，对所流经的土体施加渗流力当它在土孔隙中流动时，对所流经的土体施加渗流力（亦称动水压力、渗透力），计算中应考虑其影响。（亦称动水压力、渗透力），计算中应考虑其影响。2-2 2-2 土的组成土的组成三、土的气相三、土的气相2-2 2-2 土的组成土的组成土中气体土中气体存在于土孔隙中未被水占据的部分，存在于土孔隙中未被水占据的部分，分为分为与大气连通的非封闭气体与大气连通的非封闭气体和和与大气不连与大气不连通的封闭气体。通的封闭气体。1.非封闭气体：非封闭气体：受外荷作用时被挤出土体外，对受外荷作用时被挤出土体外，对土的性质影响不大。土的性质影响不大。2.封闭气体：封闭气体：受外荷作用，不能逸出，被压缩或受外荷作用，不能逸出，被压缩或溶解于水中，压力减小时能有所复原，对土的性溶解于水中，压力减小时能有所复原，对土的性质有较大的影响，使土的渗透性减小，弹性增大质有较大的影响，使土的渗透性减小，弹性增大和延长土体受力后变形达到稳定的历时。和延长土体受力后变形达到稳定的历时。一、土的结构一、土的结构2-3 2-3 土的结构土的结构 在成土过程中所形成的土粒的空间排列及其联结形式，在成土过程中所形成的土粒的空间排列及其联结形式，与组成土的颗粒大小、颗粒形状、矿物成分和沉积条件有与组成土的颗粒大小、颗粒形状、矿物成分和沉积条件有关关 （一）（一）单粒结构：单粒结构：粗矿物颗粒在水或空气中在自重作用下粗矿物颗粒在水或空气中在自重作用下沉落形成的单粒结构，沉落形成的单粒结构，其特点其特点是土粒间存在点与点的接触。是土粒间存在点与点的接触。根据形成条件不同，可分为疏松状态和密实状态。根据形成条件不同，可分为疏松状态和密实状态。密实状态密实状态疏松状态疏松状态一、土的结构一、土的结构（二）蜂窝状结构（二）蜂窝状结构颗粒间点与点接触，由于彼此之间引力大于重力，接触后，不再继续下颗粒间点与点接触，由于彼此之间引力大于重力，接触后，不再继续下沉，形成链环单位沉，形成链环单位,很多链环联结起来，形成孔隙较大的蜂窝状结构。很多链环联结起来，形成孔隙较大的蜂窝状结构。2-3 2-3 土的结构土的结构蜂窝结构蜂窝结构一、土的结构一、土的结构（三）絮状结构（三）絮状结构角、边与面接触时净引力最大，因此絮状结构的特角、边与面接触时净引力最大，因此絮状结构的特征是土粒之间以角、边与面的接触或边与边的搭接形式为征是土粒之间以角、边与面的接触或边与边的搭接形式为主。这种结构的土粒呈任意排列，具有较大的孔隙，其强主。这种结构的土粒呈任意排列，具有较大的孔隙，其强度低，压缩性高，对扰动比较敏感。度低，压缩性高，对扰动比较敏感。2-3 2-3 土的结构土的结构絮状结构絮状结构2-3 2-3 土的结构土的结构二、土的构造二、土的构造土的构造：土的构造：是指土体中各结构单元之间的关系。主要是指土体中各结构单元之间的关系。主要特征是土的成层性和裂隙性特征是土的成层性和裂隙性,即层理构造和裂隙构造，即层理构造和裂隙构造，二者都造成了土的不均匀性。二者都造成了土的不均匀性。（1）层理构造：层理构造：土粒在沉积过程中土粒在沉积过程中,由于由于不同阶段不同阶段沉积的物质成分、颗粒大小或颜色不同沉积的物质成分、颗粒大小或颜色不同,而沿而沿竖向竖向呈现呈现出成层特征。出成层特征。（2）裂隙构造：裂隙构造：土体被许多不连续的小裂隙所土体被许多不连续的小裂隙所分割分割,在裂隙中常充填有各种盐类的沉淀物。在裂隙中常充填有各种盐类的沉淀物。2-4 2-4 土的物理性质指标土的物理性质指标可分为两类：可分为两类：一类是必须一类是必须通过试验测定通过试验测定的，如含水率、密度和土粒比重，的，如含水率、密度和土粒比重，称为直接指标；称为直接指标；另一类是另一类是根据直接指标换算根据直接指标换算的，如孔隙比、孔隙率、饱和度的，如孔隙比、孔隙率、饱和度等，称为间接指标。等，称为间接指标。土的三相图土的三相图土的三相图土的三相图一、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）土的密度（一）土的密度与重度与重度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：（1-4）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。2-4 2-4 土的物理性质指标土的物理性质指标土的重度亦称为容重，定义为土的重度亦称为容重，定义为单位体积土的重量单位体积土的重量，用，用表示，单位为表示，单位为kN/m3。表达式如下：表达式如下：（1-5）式中：式中：W土的重量，单位为土的重量，单位为kN；g重力加速度。重力加速度。2-4 2-4 土的物理性质指标土的物理性质指标（二）土粒比重（二）土粒比重Gs土粒比重定义为土粒比重定义为土粒的质量（或重量）与同体积土粒的质量（或重量）与同体积4时纯水的质量时纯水的质量（或重量）之比（无因次），（或重量）之比（无因次），其表达式为：其表达式为：（1-6）或或（1-7）式中：式中：土粒的密度，即土粒单位体积的质量；土粒的密度，即土粒单位体积的质量；4时纯水的密度，时纯水的密度，1.0g/cm34时纯水的重度。时纯水的重度。2-4 2-4 土的物理性质指标土的物理性质指标土粒比重在数值上等于土粒的密度土粒比重在数值上等于土粒的密度土粒比重常用土粒比重常用比重瓶法比重瓶法测定，事先将比重瓶注满纯水，称测定，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，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，按下式计算土粒比再加纯水至满，称瓶加土加水的质量，按下式计算土粒比重：重：（1-8）式中：式中：m1瓶瓶+水水的质量；的质量；m2瓶瓶+土土+水水的质量；的质量；ms烘干土烘干土的质量；的质量；tC时蒸馏水的比重。时蒸馏水的比重。2-4 2-4 土的物理性质指标土的物理性质指标m0 ms m1 m2空瓶空瓶质量质量烘干土烘干土的质量的质量瓶瓶+水水的质量的质量瓶瓶+土土+水水的质量的质量m1+ms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与土粒体积相同的水与土粒体积相同的水的质量。的质量。比重瓶法比重瓶法比重瓶法比重瓶法（三）土的含水率（三）土的含水率w土的含水率，曾称为含水量，定义为土的含水率，曾称为含水量，定义为土中水的质量与土粒土中水的质量与土粒的质量之比的质量之比，以百分数表示，其表达式为：，以百分数表示，其表达式为：（1-9）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，称得干常温下烘干，称得干土质量，按上式可算得。土质量，按上式可算得。2-4 2-4 土的物理性质指标土的物理性质指标二、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：（1-10）（二）土的孔隙率（二）土的孔隙率n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：（1-11）2-4 2-4 土的物理性质指标土的物理性质指标（三）土的饱和度三）土的饱和度Sr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，以百分数表示，其表达式为：其表达式为：（1-12）2-4 2-4 土的物理性质指标土的物理性质指标土的干重度：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：（1-14）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与干重度与干重度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：（1-13）2-4 2-4 土的物理性质指标土的物理性质指标（五）饱和密度（五）饱和密度sat与饱和重度与饱和重度sat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时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单位体积土的质量。表达式为：。表达式为：（1-15）2-4 2-4 土的物理性质指标土的物理性质指标在饱和状态下，单位体积土的重量在饱和状态下，单位体积土的重量称为饱和重度，其表达称为饱和重度，其表达式为：式为：（1-16）2-4 2-4 土的物理性质指标土的物理性质指标（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，受到水的浮力作用，其有效重量减小，因此提土在水下，受到水的浮力作用，其有效重量减小，因此提出了浮重度，即有效重度的概念，其表达式为：出了浮重度，即有效重度的概念，其表达式为：（1-17）2-4 2-4 土的物理性质指标土的物理性质指标与其相应，提出了浮密度的概念，土的浮密度是与其相应，提出了浮密度的概念，土的浮密度是单位体单位体积内的土粒质量与同体积水质量之差积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：（1-18）或或（1-19）从上述四种土的密度或重度的定义可知，同一土样各种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：密度或重度在数值上有如下关系：2-4 2-4 土的物理性质指标土的物理性质指标三、物理性质指标间的换算三、物理性质指标间的换算常用的土的物理指标共有九个。已知其中任意三个，通过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。换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：（1-20）或或（1-21）三相示意图（a）2-4 2-4 土的物理性质指标土的物理性质指标（二）干密度与湿密度和含水率的关系二）干密度与湿密度和含水率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，于是，按式（按式（14）的定义可得：）的定义可得：或或（1-22）2-4 2-4 土的物理性质指标土的物理性质指标（三）孔隙比与比重和干密度的关系（三）孔隙比与比重和干密度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，孔隙的体积孔隙的体积Vv为为e；由由sms/Vs得土粒的质量得土粒的质量ms为为s。于是，按于是，按d的的定义可得：定义可得：应用式（应用式（16）整理得：）整理得：(1-23)2-4 2-4 土的物理性质指标土的物理性质指标（四）饱和度与含水率、比重和孔隙比得关系（四）饱和度与含水率、比重和孔隙比得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，水得质，水得质量量mw=ws，则水得体积则水得体积vw=mw/w=ws/w。于是，于是，S（1-24）当土饱和时，即当土饱和时，即Sr为为100，则：，则：（1-25）式中：式中：wsat饱和含水率。饱和含水率。2-4 2-4 土的物理性质指标土的物理性质指标（五）浮密度与比重和孔隙比得关系（五）浮密度与比重和孔隙比得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/V，孔隙的体积，孔隙的体积Vv为为e；由由sms/Vs得土粒的质量得土粒的质量ms为为s。于是，按式（于是，按式（118）可）可（1-26）2-4 2-4 土的物理性质指标土的物理性质指标【例题例题12】某一块试样在天然状态下的体积为某一块试样在天然状态下的体积为60cm3，称得其质量为称得其质量为108g，将其烘干后称得质量为将其烘干后称得质量为96.43g，根据根据试验得到的土粒比重试验得到的土粒比重Gs为为2.7，试求试样的湿密度、干密，试求试样的湿密度、干密度、饱和密度、含水率、孔隙比、孔隙率和饱和度。度、饱和密度、含水率、孔隙比、孔隙率和饱和度。【解】（【解】（1）已知）已知V60cm3，m=108g，则由式（则由式（14）得）得=mv=180/60=1.8g/cm32-4 2-4 土的物理性质指标土的物理性质指标（2）已知）已知ms=96.43g，则则 mw=mms=10896.43=11.57g按式（按式（18），于是），于是 w=mwms11.5796.43=12%（3）已知已知Gs=2.7，则则 Vs=ms/s=96.43 2.735.7cm3 Vv=V Vs=6035.724.3cm3按式（按式（111），于是），于是2-4 2-4 土的物理性质指标土的物理性质指标（44）按式（按式（按式（按式（111122）n=Vn=Vvv/V/V24.3 24.3 60=40.560=40.5（55）根据根据根据根据ww的定义的定义的定义的定义 V Vww=m=mww/ww=11.57=11.57 1111.57cm11.57cm33 于是按式（于是按式（于是按式（于是按式（111133）SSrr=V=Vww/V/Vvv=11.57=11.57 24.324.34848=24.3=24.3 35.7=0.6835.7=0.68【例BrajaM.DasAdvancedSoilMechanicsp.5】Forasoilinnaturalstate,givene=0.8,Gs=2.68andw=24%.(a)Determinethemoistunitweight,dryunitweight,anddegreeofsaturation.(b)Ifthesoilismadecompletelysaturatedbyaddingwater,whatwoulditsmoisturecontentbeatthattime?Alsofindthesaturatedunitweight.（eunchanged）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Gs=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)。2-4 2-4 土的物理性质指标土的物理性质指标解解:(a)(b)2-4 2-4 土的物理性质指标土的物理性质指标【例】Asaturatedsoilsampleweighs0.4Nanditsvolumeis21.5cm3.Theweightandthevolumeare0.33Nand15.7cm3afterbeingnon-completely(partly)driedinanovenforaperiod.Thecorrespondingdegreeofsaturationis75%.Determinethewatercontentw,voidrationeanddryunitweightdbeforedrying.【例【例1-3】某饱和土样重某饱和土样重0.4N，体积为体积为21.5cm3。放入烘箱内烘一段时间后取出，放入烘箱内烘一段时间后取出，称得其重量为称得其重量为0.33N，体积减小至体积减小至15.7cm3，饱和度为饱和度为75%。试求该土样烘烤前。试求该土样烘烤前的含水量的含水量w、孔隙比孔隙比e及干容重及干容重d。2-4 2-4 土的物理性质指标土的物理性质指标解：设烘一段时间后，孔隙体积为解：设烘一段时间后，孔隙体积为Vv2，孔隙水所占体积为孔隙水所占体积为Vw2，则：则：在烘后状态：在烘后状态：在烘前状态：在烘前状态：联立求解得：联立求解得：2-4 2-4 土的物理性质指标土的物理性质指标 =4.8cm=4.8cm33，=3.6cm=3.6cm331-10 实验测得某土样的孔隙比e=0.72，土颗粒的比重Gs=2.61。求：(1)孔隙率、干密度及饱和密度；(2)若该土样的饱和度为60%，计算其天然重度。Forasoilinnaturalstate,givene=0.72,andGs=2.61.(a)Determinetheporosity,dryunitweight,andsaturatedunitweight.(b)Ifdegreeofsaturationofthesoilis60%,calculatetheunitweight.1-11 1-11 画土的三相图，设画土的三相图，设，试证明：，试证明：密实度密实度如何衡量如何衡量?单位体积中固体颗粒含量的多少单位体积中固体颗粒含量的多少或或孔隙含量的多少孔隙含量的多少优点：优点：简单方便简单方便缺点：缺点：不能反映级配的影响不能反映级配的影响只能用于同一种土只能用于同一种土对对策策相对密度相对密度干容重干容重 d d或或孔隙比孔隙比e e或孔隙率或孔隙率n nemin=0.35emin=0.202-5 2-5 无粘性土的相对密实度、无粘性土的相对密实度、粘性土的稠度及土的压实性粘性土的稠度及土的压实性2-5 2-5 无粘性土的相对密实度、无粘性土的相对密实度、粘性土的稠度及土的压实性粘性土的稠度及土的压实性一、无粘性土的相对密实度一、无粘性土的相对密实度常用常用相对密实度相对密实度Dr来衡量无粘性土的松紧程度，其定义为来衡量无粘性土的松紧程度，其定义为（1-27）式中：式中：Dr相对密实度；相对密实度；emax无粘性土处在最松状态时的孔隙比；无粘性土处在最松状态时的孔隙比；emin无粘性土处在最密状态时的孔隙比；无粘性土处在最密状态时的孔隙比；e0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。按式（按式（123）可得相对密实度得使用表达式）可得相对密实度得使用表达式（1-28）式中：式中：dmax无粘性土的最大干密度；无粘性土的最大干密度；dmin无粘性土的最小干密度；无粘性土的最小干密度；d无粘性土的天然干密度或填筑干密度。无粘性土的天然干密度或填筑干密度。将风干的无粘性土试样用将风干的无粘性土试样用漏斗法漏斗法测定其最小干密度，用测定其最小干密度，用振击法振击法测定其测定其最大干密度。最大干密度。2-