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3土的物理性质,土的工程性质主要指土的物理性质和力学性质。土的物理性质是指组成土的各部分之间的数量比例关系、性质、相互之间的作用关系等不同所引起的各种物理状态。土的力学性质是指土在外力作用下所表现出来的性质（变形和强度）。,3土的物理性质,物理性质分为基本物理性质和水理性质：土的固、液（水）、气三相在质量和体积之间的相互比例关系称为土的基本物理性质，主要反映在土的密实程度和干湿状况等。液相（水）水与固相之间的相互作用所表现出来的性质称为土的水理性质，主要研究土的稠度与塑性、土的膨胀性与收缩性、土的透水性和毛细性等。,3土的物理性质,土的物理性质与力学性质的关系：土的固体骨架是决定土的性质的本质因素，而土中固、液相之间的相互作用以及液相在质和量上的变化，都会引起土的性质发生各种变化，直接影响土的力学性质。,3土的物理性质,3.1土的基本物理性质3.2细粒土的稠度和可塑性3.3土的膨胀性与崩解性3.4土的透水性和毛细性,3土的物理性质,3.1土的基本物理性质土的基本物理性质包括土的质量、土的含水性和土的孔隙性和密实性，它们反映了土的三相组成之间的比例关系、松密程度和干湿程度。土的基本物理性质取决于组成土的三相之间在质量和体积上的比例关系。通常用一些数值来描述土的基本物理性质，称为土的基本物理性质指标。,3土的物理性质,为了研究方便，通常将各相组成在土中所占的质量和体积用一个简化模型表示（土的三相组成模型，将分散的各部分理想化地分别集中在一起）（下右图），并用相应的符号表示各组成部分及其质量和体积。,3土的物理性质,以质量计：空气质量ma0水质量mw土粒质量ms总质量m=mw+ms以重量计：W=mg,以体积计：空气体积Va水体积Vw土粒体积Vs总体积V=Vv+Vs孔隙体积Vv,ma(0),mw,ms,m,Va,Vw,Vs,Vv,V,土的三相图,质量mass,体积volume,S,W,A,3土的物理性质,土的三相图,一、土的质量和重量,1、土粒密度,土粒密度定义：土粒质量与土粒体积之比单位：g/cm3、t/m3,ma(0),mw,ms,m,Va,Vw,Vs,Vv,V,质量mass,体积volume,S,W,A,3土的物理性质,土粒比重定义：土粒质量与同体积4C水的质量之比。无量纲,土粒比重,3土的物理性质,土粒比重与土粒密度在数值上是相等的。一般土的土粒密度值见下表：,3土的物理性质,土粒密度是实测指标，小于5mm的土颗粒采用比重瓶法，等于、大于5mm的土颗粒采用浮称法和虹吸管法测定。粗细混杂的土，采用相应的方法测定土粒密度后取质量加权平均值作为整个土的土粒密度。具体试验方法及技术要点见土工试验方法标准GB/T50123-1999。,3土的物理性质,2、土的密度（1）质量密度,（2）重力密度（重度、容重）,密度和重度综合反映了土的物质组成与结构,ma(0),mw,ms,m,Va,Vw,Vs,Vv,V,质量mass,体积volume,S,W,A,3土的物理性质,对天然土，在保持天然结构和保持天然含水量的情况下测得的密度称为土的天然密度（通常所说的密度即指天然密度），相应的重度为天然重度，以区别于其他条件下的密度。,3土的物理性质,土的密度是实测指标，可采用环刀法、蜡封法、灌水法和灌砂法等方法测定。环刀法适用于细粒土，蜡封法适用于易破裂土和形状不规则的坚硬土，灌水法和灌砂法适用于现场测定粗粒土的密度。,环刀,3土的物理性质,（3）饱和密度(重度),ma(0),mw,ms,m,Va,Vw,Vs,Vv,V,质量mass,体积volume,S,W,A,w,3土的物理性质,干密度是表征结构松密程度的指标，与含水量无关,（4）干密度（重度）,ma(0),mw,ms,m,Va,Vw,Vs,Vv,V,质量mass,体积volume,S,W,A,a,土的干密度越大，土越密实，强度越高，水稳定性越好。土的干密度常用作填土密实程度施工控制指标。,3土的物理性质,（5）各密度的关系土的密度与土的干密度和饱和密度的关系是：当土在天然状态下为干燥时，测得的密度为干密度，饱和时（土处于地下水位面附近及以下）为饱和密度。,3土的物理性质,(6)土的有效重度（浮重度）当土浸没在水中时，其颗粒会受到浮力的作用，土体所受的重力应扣除浮力。计算地下水位以下土层的自重应力时应当考虑浮力的影响，此时采用有效重度计算。有效重度是扣除浮力以后的颗粒所受重力与土的总体积之比，用表示，有效重度又称为浮重度（浮容重）。有效重度除于重力加速度称为土的有效密度（浮密度），用表示。计算式为：土的有效重度的影响因素与土的密度相同。,3土的物理性质,2土的含水性土的含水性是指土的含水情况，说明土的干湿程度。可用土中含水的质量来表示，也可用水充填孔隙的程度表示。,3土的物理性质,(1)土的天然含水量（含水率）,用百分数表示实测指标（烘干法）,含水量与土的结构、物质成分、土所处的环境等有关。如，砂土的含水率为040%，黏性土20100%，泥炭有时可达400%以上。,3土的物理性质,(2)土的饱和度（相对含水率）,用小数表示计算指标,饱和度反映了孔隙被水充满的程度。干燥时Sr=0，完全饱和时Sr=1。根据饱和度可对砂土和粉土进行湿度划分：Sr0.5为稍湿的；0.50.8为饱和的。,3土的物理性质,3土的孔隙性孔隙是土的重要结构特征之一。土的孔隙性是指土中孔隙的大小、形状、分布特征、连通情况及总体积等。土的孔隙性主要取决于土的粒度成分和土粒排列的紧密程度。孔隙性的评价指标包括孔隙度、孔隙比、相对密实度等。,3土的物理性质,(1)孔隙比,用小数表示计算指标,孔隙比常用以表示土的密实程度，并用于计算地基沉降量。e越大，孔隙越发育，结构越松散。粉土按孔隙比e的分类：密实（e0.75）；中密（0.75e30）；中密(15N30)；稍密(1020）；中密（10N63.520）；稍密（514）；密实（11N12014）；中密（617的土为黏土。（划分依据：塑性指数由相应于76g圆锥液限仪沉入土中深度为10mm时测定的液限计算而得）。,3土的物理性质,土的工程分类标准根据塑性图(A.Gasagrande,1930)对细粒类土的分类：图中，A线以上为黏土，以下为粉土。B线右侧为高液限的，左侧为低液限的。英文字母代号的含义：C黏土M粉土H高液限L低液限O有机质,（划分依据：塑性指数由碟式仪测定的液限或相应于76g圆锥液限仪沉入土中深度为17mm时测定的液限计算而得）。,3土的物理性质,（3）液性指数土的天然含水量与塑限之差与塑性指数的比值称为液性指数，用IL表示，计算式为：液性指数的大小反映了土在天然状态下所处的稠度状态。黏性土的状态分类：IL0为坚硬状态；00.25为硬塑状态；0.250.75为可塑状态；0.751.00为软塑状态；IL1为流塑状态。,3土的物理性质,4影响黏性土可塑性的因素可塑性是粘粒表面形成结合水膜所表现出来的性质。具有可塑性的土，土粒间存在不是很强的水胶连结。可塑性的强弱取决于土粒外围扩散层的最大可能含量，即取决于塑性指数的大小。扩散层越厚，弱结合水含量越多，则塑性指数越大，土的可塑性越强。因此，影响扩散层厚度的因素也就是影响黏性土可塑性的因素，包括土的矿物成分、粒度成分、水溶液的化学成分、浓度及PH值等。,3土的物理性质,5研究黏性土稠度及可塑性的意义黏性土的稠度反映了土粒间连结强度，塑性反映了土粒与水相互作用的程度，在一定程度上表明了土中粘粒的含量和矿物成分的亲水程度。因此，稠度和塑性与土的力学性质直接相关，塑性指标是判断黏性土物理力学性质的重要参数。,3土的物理性质,黏性土的稠度状态以液性指数作为判断标准，能概略地说明土粒相对活动的难易程度与土抵抗外力变形和破坏的能力。稠度状态能反映土体在天然状态下的强度和稳定性。流塑态时具有高压缩和低强度的特点；软塑态时具有较高的压缩性和较低的强度；硬塑和坚硬状态时具有较低的压缩性和较高的强度。,3土的物理性质,值得注意的是，液性指数是利用扰动土测定的液限和塑限经计算得到的。在自然界中，除少数新近堆积的饱水黏性土外，一般土粒间都存在天然的结构连接。因此，往往在天然含水量超过液限时，土并不表现出流动状态；或者天然含水量大于塑限时不表现出塑性状态，而是呈现出半固态或固态。只有当天然结构破坏后，土才呈现出流态或塑态，通常称之为潜流态或潜塑态。因此，在评价天然土层的稠度状态时，应考虑天然结构连接的因素。,3土的物理性质,对于红黏土和老黏土，常采用含水比来评价其稠度。含水比是土的天然含水量与液限的比值，含水比越小，土越坚硬。塑性指数可用于黏性土的分类，方法简便。但不能全面反映土的特性。由于液限对土的矿物成分和粒度成分最敏感的指标，因此，常利用塑性指数和液限两个指标对黏性土进行分类，这就是黏性土的塑性图分类(A.Gasagrande,1930)。,3土的物理性质,另外，可利用活动性指数A来表示黏性土的亲水程度或活动性。活动性指数A为塑性指数与土中小于0.002mm颗粒百分含量的比值。综合反映了土的塑性与粘粒含量和粘粒矿物亲水性的关系。土的可塑性与膨胀性、收缩性、透水性等有着密切的关系。,3土的物理性质,5.1土的基本物理性质5.2细粒土的稠度和可塑性5.3土的膨胀性与崩解性5.4土的透水性和毛细性,3土的物理性质,5.3土的膨胀性和崩解性土在水中由于水溶液的变化而使土体发生变形和破坏的性质，称为土的抗水性。包括膨胀性、收缩性、崩解性、溶滤性、冲刷性等。这里介绍前三种抗水性。1土的膨胀性及其指标土尤其是黏性土，当含水量增加时，土的体积也随之增大，这种性质称为膨胀性。引起土膨胀的原因，多数认为是结合水膜厚度随含水量的增加而增厚，土粒连接减弱，水的楔劈作用使土粒间距增大。另外，某些黏土矿物如蒙脱石晶胞间因吸入结合水导致晶胞间距增大，也可引起土的膨胀。表示土的膨胀性的指标主要有膨胀率、自由膨胀率、膨胀力、膨胀含水量等。,3土的物理性质,(1)膨胀率原状土在一定的压力下，在有侧限条件下，浸水膨胀稳定后的高度与原高度的比值，称为膨胀率，符号为ep，以百分数表示。定义式为其中，hw土样膨胀稳定后的高度，cm；h0土样原始高度，cm。不加荷载进行膨胀试验所测得的膨胀率称为无荷载膨胀率，反映土的膨胀性。,3土的物理性质,(2)自由膨胀率将一定体积的扰动烘干土样经充分吸水膨胀稳定后，测得的增加的体积与原干土体积之比称为自由膨胀率，以百分数表示。定义式为(3)膨胀力原始土样在保持体积不变的条件下，由于浸水膨胀而产生的最大内力。(4)膨胀含水量土样膨胀稳定后的含水量，此时扩散层厚度达到最大，结合水含量也达到最大。膨胀性指标利用膨胀试验来测定。,3土的物理性质,2土的收缩性及其指标土当含水量减小时，体积缩小的性质称为土的收缩性。主要原因是双电层厚度变薄、结合水量减少。当含水量减小到一定数值时，土的体积不再随含水量的减小减小，转变点的含水量即为缩限，是固态与半固态的分界点含水量。收缩性的评价指标有：(1)体缩率土样失水收缩减小的体积与原体积的比值，称之，以百分数表示，定义式为：,3土的物理性质,(2)线缩率土样失水收缩减小的高度与原高度的比值，称之，以百分数表示，定义式为：(3)收缩系数原状土样在直线收缩阶段，含水量每减小1%时的竖向线缩率。即收缩性指标利用收缩试验来测定。,3土的物理性质,3土的崩解性及其指标土浸水后，由于含水量的增加，而发生崩散、解体的性质，称为崩解性。崩解性是膨胀性的进一步发展，是膨胀性的变态。导致崩解的原因与膨胀性相似。通常有两种解释：一种是宏观解释，就是随着含水量增加，土体表面发生膨胀，对内部产生压力，土体内部应力分布不均匀而破坏，表现为土样由表及里逐渐剥落。另一种是微观解释，就是当水进入孔隙是不均匀的，反离子层中逸出离子也是不均匀的，从而在内部产生不均衡的应力，由于斥力与吸力不均衡，局部应力集中，在吸力最小处产生破坏。,3土的物理性质,评价土的崩解性的指标有：(1)崩解时间：一定体积的土样浸水后完全崩解所需的时间。(2)崩解特征：土样崩解过程中的各种现象，如均匀散粒状、鳞片状、碎块状、崩裂状等。(3)崩解速度：土样在崩解过程中质量的损失与原土样质量之比值与时间的关系。4影响土的抗水性的因素土的上述抗水性与土粒扩散层的厚度变化有关，所以影响扩散层厚度的因素也是影响抗水性的因素。,3土的物理性质,5.1土的基本物理性质5.2细粒土的稠度和可塑性5.3土的膨胀性与崩解性5.4土的透水性和毛细性,3土的物理性质,1.土的透水性土的透水性的原因是土中存在连通的孔隙。透水性的强弱与孔隙的大小及连通性有关，而与土的孔隙度无关。因此，碎石土的透水性好，砂土的透水性较好，而黏性土的透水性差。碎石土及砂土中水的渗透服从达西定律。黏性土则当水力坡度达到一定数值后才能产生渗透。土的透水性的指标是渗透系数K，是达西公式中的比例系数。,3土的物理性质,2.毛细性土中存在毛细孔隙，水在通过毛细孔隙时，水、固、气界面上产生毛细力，水在毛细力的作用向各方向运动的特性，称为毛细性。中砂、细砂、粉砂的毛细性明显，粗砂、碎石土基本不存在毛细性。黏性土的情况较复杂。毛细性可产生毛细压力（连结力）、使土的含水量增加（导致地基土的冰冻现象、地下室潮湿、危害房屋基础及道路路面、促使土的沼泽化与盐碱化）。毛细性的评价指标是毛细上升高度、毛细上升速度等。,
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