土的物理、水理、力學(xué)性質(zhì)綜述

關(guān)于土的物理、水理、力學(xué)性質(zhì)綜述第一頁，共四十二頁，2022年，8月28日土的物理性質(zhì)、水理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)第一節(jié)土的物理性質(zhì)第二節(jié)土的水理性質(zhì)第三節(jié)土的力學(xué)性質(zhì)第二頁，共四十二頁，2022年，8月28日第一節(jié)土的物理性質(zhì)

土的物理性質(zhì)就是研究三相的質(zhì)量與體積間的相互比例關(guān)系以及固、液兩相相互作用表現(xiàn)出來的性質(zhì)。

WaterAirSoilma=0mwmsmVaVwVsVvV質(zhì)量體積第三頁，共四十二頁，2022年，8月28日第一節(jié)土的物理性質(zhì)土的物理性質(zhì)指標(biāo)，可分為兩類：一類是必須通過試驗測定的，如含水量，密度和土粒比重；另一類是可以根據(jù)試驗測定的指標(biāo)換算的；如孔隙比，孔隙率和飽和度等。

第四頁，共四十二頁，2022年，8月28日第一節(jié)土的物理性質(zhì)土的密度

定義：土的密度是指土的總質(zhì)量m與總體積V之比，也即為土的單位體積的質(zhì)量。

表達式：單位：g/cm3

氣水土粒msmwmVsVwVVa質(zhì)量m體積V土的密度取決于土粒的密度，孔隙體積的大小和孔隙中水的質(zhì)量多少，它綜合反映了土的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)特征。室內(nèi)一般采用“環(huán)刀法”測定。砂土一般是１.4g/cm3；粉質(zhì)砂土及粉質(zhì)粘土１.4g/cm3；粘土為１.4g/cm3第五頁，共四十二頁，2022年，8月28日第一節(jié)土的物理性質(zhì)土粒密度定義：土粒密度是指固體顆粒的質(zhì)量ms與其體積Vs之比；即土粒的單位體積質(zhì)量

表達式：單位：g/cm3

土粒密度僅與組成土粒的礦物密度有關(guān)，而與土的孔隙大小和含水多少無關(guān)。實際上是土中各種礦物密度的加權(quán)平均值。

砂土的土粒密度一般為：2.65g/cm3左右粉質(zhì)砂土的土粒密度一般為：2.68g/cm3粉質(zhì)粘土的土粒密度一般為：2.68~2.72g/cm3

粘土的土粒密度一般為：2.7-~2.75g/cm3

氣水土粒msmwmVsVwVVa質(zhì)量m體積V第六頁，共四十二頁，2022年，8月28日第一節(jié)土的物理性質(zhì)干密度

定義：土的孔隙中完全沒有水時的密度，稱干密度；是指土單位體積中土粒的重量，即：固體顆粒的質(zhì)量與土的總體積之比值。

氣水土粒msmwmVsVwVVa質(zhì)量m體積V表達式：單位：g/cm3

干密度反映了土的孔隙性，因而可用以計算土的孔隙率，它往往通過土的密度及含水率計算得來，但也可以實測。

土的干密度一般常在1.4~1.7g/cm3

在工程上常把干密度作為評定土體緊密程度的標(biāo)準(zhǔn)，以控制填土工程的施工質(zhì)量。

第七頁，共四十二頁，2022年，8月28日第一節(jié)土的物理性質(zhì)飽和密度

定義:土的孔隙完全被水充滿時的密度稱為飽和密度。即，土的孔隙中全部充滿液態(tài)水時的單位體積質(zhì)量

氣水土粒msmwmVsVwVVa質(zhì)量m體積V表達式:單位:g/cm3

土的飽和密度的常見值為1.8~2.30g/cm3第八頁，共四十二頁，2022年，8月28日第一節(jié)土的物理性質(zhì)

浮密度定義:土的浮密度是土單位體積中土粒質(zhì)量與同體積水的質(zhì)量之差.

表達式:ρ’=(ms-vsρw)/V單位:g/cm3

同一種土在體積不變的條件下，它的各種密度在數(shù)值上有如下關(guān)系：

氣水土粒msmwmVsVwVVa質(zhì)量m體積V第九頁，共四十二頁，2022年，8月28日第一節(jié)土的物理性質(zhì)土的含水性含水率（含水量）

飽和度

定義:土的含水性指土中含水情況，說明土的干濕程度

氣水土粒msmwmVsVwVVa質(zhì)量m體積V第十頁，共四十二頁，2022年，8月28日第一節(jié)土的物理性質(zhì)含水率

定義:土的含水量定義為土中水的質(zhì)量與土粒質(zhì)量之比，以百分數(shù)表示

表達式:氣水土粒msmwmVsVwVVa質(zhì)量m體積V或土的孔隙全部被普通液態(tài)水充滿時的含水率稱飽和含水率

天然狀態(tài)下土的含水率稱土的天然含水率。一般砂土天然含水率都不超過40%，以10~30%最為常見；一般粘土大多在10~80%之間，常見值20~50%。

第十一頁，共四十二頁，2022年，8月28日第一節(jié)土的物理性質(zhì)飽和度定義:土中孔隙水的體積與孔隙體積之比，以百分數(shù)表示

表達式:氣水土粒msmwmVsVwVVa質(zhì)量m體積V或飽和度愈大，表明土中孔隙中充水愈多，它在0~100%；干燥時Sr=0?？紫度繛樗涮顣r，Sr=100%。

工程上Sr作為砂土濕度劃分的標(biāo)準(zhǔn)。Sr<50%稍濕的Sr=50-80%很濕的Sr>80%飽和的第十二頁，共四十二頁，2022年，8月28日第一節(jié)土的物理性質(zhì)孔隙性

孔隙率

砂土的相對密度氣水土粒msmwmVsVwVVa質(zhì)量m體積V定義:孔隙性指土中孔隙的大小，數(shù)量、形狀、性質(zhì)以及連通情況。

第十三頁，共四十二頁，2022年，8月28日第一節(jié)土的物理性質(zhì)孔隙率與孔隙比定義:孔隙率是土的孔隙體積與土體積之比，或單位體積土中孔隙的體積，以百分數(shù)表示

表達式:定義:孔隙比是土中孔隙體積與土粒體積之比，以小數(shù)表示

表達式:氣水土粒msmwmVsVwVVa質(zhì)量m體積V兩者關(guān)系:孔隙比e是個重要的物理性指標(biāo)，可以用來評價天然土層的密實程度。一般e<0.6的土是密實的低壓縮性土；e>1.0的土是疏松的無壓縮性土。

第十四頁，共四十二頁，2022年，8月28日第一節(jié)土的物理性質(zhì)砂土的相對密度

定義式:計算式:Dr在工程上常應(yīng)用于：（1）評價砂土地基的允許承載力；（2）評價地震區(qū)砂體液化；（3）評價砂土的強度穩(wěn)定性。砂土按相對密度分類：

疏松的

中密的密實的第十五頁，共四十二頁，2022年，8月28日第一節(jié)土的物理性質(zhì)基本物理性質(zhì)指標(biāo)間的相互關(guān)系

孔隙率與孔隙比:孔隙比與比重和干密度

:飽和度與含水量，比重和孔隙比:

干密度與濕密度和含水量

:第十六頁，共四十二頁，2022年，8月28日第二節(jié)土的水理性質(zhì)粘性土的稠度和塑性

稠度定義:指土體在各種不同的濕度條件下，受外力作用后所具有的活動程度。

塑性

:物體在外力作用下，可被塑成任何形態(tài)，而整體性不破壞；即不產(chǎn)生裂隙

固態(tài)或半固態(tài)塑限ωP可塑狀態(tài)液限ωL流動狀態(tài)0ω第十七頁，共四十二頁，2022年，8月28日wVO半固態(tài)顆粒水Vs+VaVs固態(tài)可塑態(tài)液態(tài)wswPwL阿特堡界限(Atterberglimit)第十八頁，共四十二頁，2022年，8月28日粘粒強結(jié)合水弱結(jié)合水自由水液態(tài)可塑態(tài)固態(tài)或半固態(tài)第十九頁，共四十二頁，2022年，8月28日稠度狀態(tài)固態(tài)或半固態(tài)塑態(tài)

流態(tài)

土中水的形態(tài)強結(jié)合水弱結(jié)合水自由水w含水量稠度界限塑限ωp強結(jié)合水膜最大液限ωl出現(xiàn)自由水粘性土的稠度反映土中水的形態(tài)第二十頁，共四十二頁，2022年，8月28日

液限和塑限的測定方法：液限（LiquidLimit）：錐式（瓦氏）液限儀或碟式（卡式）液限儀塑限（PlasticLimit）：搓條法或液塑限聯(lián)合測定儀

塑性指數(shù)反映粘性土可塑性的大小。綜合反映粘性土的特性以及各類重要因素的影響，因此可用于土的分類及其性質(zhì)的評估。第二十一頁，共四十二頁，2022年，8月28日

液性指數(shù)反映粘性土軟硬程度（稠度，潮濕程度）。固態(tài)或半固態(tài)可塑態(tài)液態(tài)

重塑土和原狀土狀態(tài)液性指數(shù)堅硬硬塑可塑軟塑流塑IL≤00＜IL≤0.250.25＜IL≤0.750.75＜IL≤1IL＞1第二十二頁，共四十二頁，2022年，8月28日第二節(jié)土的水理性質(zhì)觸變性

當(dāng)粘性土結(jié)構(gòu)受擾動時，土的強度降低。但靜置一段時間，土的強度又逐漸增長，這種性質(zhì)稱為土的觸變性。這是由于土粒、離子和水分子體系隨時間而趨于新的平衡狀態(tài)之故。

土的觸變性是土結(jié)構(gòu)中聯(lián)結(jié)形態(tài)發(fā)生變化引起的，是土結(jié)構(gòu)隨時間變化的宏觀表現(xiàn)。目前尚沒有合理的描述土觸變性的方法和指標(biāo)。第二十三頁，共四十二頁，2022年，8月28日結(jié)構(gòu)強度恢復(fù)結(jié)構(gòu)破壞結(jié)構(gòu)未破壞觸變性第二十四頁，共四十二頁，2022年，8月28日第二節(jié)土的水理性質(zhì)粘性土的脹縮性

膨脹性

收縮性

粘性土由于含水量的增加而發(fā)生體積增大的性能稱膨脹性

由于土中水分蒸發(fā)而引起體積減少的性能稱收縮性

第二十五頁，共四十二頁，2022年，8月28日脹縮性

1膨脹率ep

常用線膨脹率：

2膨脹力

3膨脹含水率:

4自由膨脹率:一般認為引起土體膨脹的原因主要有以下幾方面：粘粒的水化作用、粘性表面雙電層的形成、擴散層增厚等因素。其膨脹大致分兩個階段：第一階段：干粘粒表面吸附單層水分子；“晶層間膨脹”或“粒間膨脹”第二階段：由于雙電層的形成，使粘?；蚓舆M一步推開?！皾B透膨脹”

第二十六頁，共四十二頁，2022年，8月28日收縮性

1體縮率

2線縮率

4收縮系數(shù):作圖求解3縮限:作圖求解粘性土的收縮性是由于水分蒸發(fā)引起的。其收縮過程可分為兩個階段：第一階段（AB）表示了土體積的縮小與含水率的減小成正比，呈直線關(guān)系；土之減小的體積等于水分散失的體積；第二階段（BC）表示了土體積的縮小與含水率的減少呈曲線關(guān)系。土體積的減少量小于失水體積，隨著含水率的減少，土體積收縮愈來愈慢。第二十七頁，共四十二頁，2022年，8月28日粘性土的崩解性

定義：粘性土由于浸水而發(fā)生崩解散體的特性稱崩解性評價粘性土的崩解性一般采用下列三個指標(biāo)：1、崩解時間：一定體積的土樣完全崩解所需的時間；2、崩解特征：土樣在崩解過程的各種現(xiàn)象，即出現(xiàn)的崩解形式；3、崩解速度：土樣在崩解過程中質(zhì)量的損失與原土樣質(zhì)量之比，和時間的關(guān)系。崩解現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于土水化，使顆粒間連接減弱及部分膠結(jié)物溶解而引起的崩解。是表征土的抗水性的指標(biāo)。

第二十八頁，共四十二頁，2022年，8月28日第三節(jié)土的力學(xué)性質(zhì)力學(xué)性質(zhì)土的壓縮性

土的抗剪性

土的擊實性

壓縮變形的本質(zhì)壓縮性指標(biāo)抗剪性本質(zhì)抗剪強度與剪切定律擊實特性壓實本質(zhì)第二十九頁，共四十二頁，2022年，8月28日1壓縮試驗2壓縮系數(shù)第三十頁，共四十二頁，2022年，8月28日3壓縮指數(shù)(Cc)

Cc=(e1-e2)/(lgp2－lgp1)

Cc越大，土的壓縮性越高。當(dāng)Cc＜0.2時，屬于低壓縮性土；當(dāng)Cc＞0.4時屬于高壓縮性土。壓縮系數(shù)和壓縮指數(shù)關(guān)系：Cc＝4壓縮模量（Es）

表達式：Es＝

δz/qz

單位：MpaEs是指在側(cè)限條件下受壓時壓應(yīng)力δz與相應(yīng)應(yīng)變qz之比值；Es越大，表明在同一壓力范圍內(nèi)土的壓縮變形越小，土的壓縮性越低。

第三十一頁，共四十二頁，2022年，8月28日5載荷試驗和變形模量

地基變形的三個階段：（1）壓密變形階段：彈性變形（2）剪切變形階段：塑性變形（3）完全破壞階段：破壞變形臨界荷載

極限荷載

變形模量E0＝δz/εz

E0：是指在無側(cè)限條件下受壓時，壓應(yīng)力與相應(yīng)應(yīng)變之比值；一般是用載荷試驗成果繪制的s-p關(guān)系曲線，以曲線中的直線變形段，按彈性理論公式求得，即

E0＝（1－μ2）P/Sd

第三十二頁，共四十二頁，2022年，8月28日土的變形模量與壓縮模量的關(guān)系6前期固結(jié)壓力和固結(jié)比

前期固結(jié)壓力是指土層在過去歷史上曾經(jīng)受過的最大固結(jié)壓力，通常用Pc來表示。前期固結(jié)壓力也是反映土體壓密程度及判別其固結(jié)狀態(tài)的一個指標(biāo)。固結(jié)比（OCR）：前期固結(jié)應(yīng)力與上覆土層自重應(yīng)力之比值。當(dāng)OCR大于1超固結(jié)土當(dāng)OCR等于1正常固結(jié)土當(dāng)OCR小于1欠固結(jié)土第三十三頁，共四十二頁，2022年，8月28日土的抗剪性

土的抗剪性本質(zhì)：土是由固體顆粒組成的，土粒間的連結(jié)強度遠遠小于土粒本身的強度，故在外力作用下，土粒之間發(fā)生相對錯動，引起土中的一部分相對于另一部分產(chǎn)生移動。研究土的強度特征，就是研究土的抗剪強度特性，簡稱抗剪性。土的抗剪強度τf：是指土體抵抗剪切破壞的極限能力，其數(shù)值等于剪切破壞時滑動面上的剪應(yīng)力。剪切面（剪切帶）：土體剪切破壞是沿某一面發(fā)生與剪切方向一致的相對位移，這個面通常稱為剪切面。

第三十四頁，共四十二頁，2022年，8月28日抗剪強度和剪切定律

剪切定律：無粘性土：粘性土：+C庫侖定律說明：⑴土的抗剪強度由土的內(nèi)摩擦力σ和內(nèi)聚力c兩部分組成。⑵內(nèi)摩擦力與剪切面上的法向壓力成正比，其比值為土的內(nèi)摩擦系數(shù)。土的抗剪強度指標(biāo)：土的內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力。

直接剪切與三軸剪切第三十五頁，共四十二頁，2022年，8月28日抗剪強度指標(biāo)的確定總應(yīng)力法有效應(yīng)力法排水剪（慢剪）不排水剪（快剪）固結(jié)不排水剪（固