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2頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天第一節(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(lái)的性質(zhì)。

WaterAirSoilma=0mwmsmVaVwVsVvV質(zhì)量體積第3頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天第一節(jié)土的物理性質(zhì)土的物理性質(zhì)指標(biāo)，可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是必須通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定的，如含水量，密度和土粒比重；另一類(lèi)是可以根據(jù)試驗(yàn)測(cè)定的指標(biāo)換算的；如孔隙比，孔隙率和飽和度等。

第4頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天第一節(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(dá)式：?jiǎn)挝唬篻/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(cè)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5頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天第一節(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(dá)式：?jiǎn)挝唬篻/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(wú)關(guān)。實(shí)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6頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天第一節(jié)土的物理性質(zhì)干密度

定義：土的孔隙中完全沒(méi)有水時(shí)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(dá)式：?jiǎn)挝唬篻/cm3

干密度反映了土的孔隙性，因而可用以計(jì)算土的孔隙率，它往往通過(guò)土的密度及含水率計(jì)算得來(lái)，但也可以實(shí)測(cè)。

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(píng)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7頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天第一節(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(shí)的密度稱為飽和密度。即，土的孔隙中全部充滿液態(tài)水時(shí)的單位體積質(zhì)量

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

土的飽和密度的常見(jiàn)值為1.8~2.30g/cm3第8頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天第一節(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(dá)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9頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天第一節(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(shuō)明土的干濕程度

氣水土粒msmwmVsVwVVa質(zhì)量m體積V第10頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天第一節(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?jǐn)?shù)表示

表達(dá)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(shí)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(guò)40%，以10~30%最為常見(jiàn)；一般粘土大多在10~80%之間，常見(jiàn)值20~50%。

第11頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天第一節(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?jǐn)?shù)表示

表達(dá)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(shí)Sr=0?？紫度繛樗涮顣r(shí)，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12頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天第一節(jié)土的物理性質(zhì)孔隙性

孔隙率

砂土的相對(duì)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13頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天第一節(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?jǐn)?shù)表示

表達(dá)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(dá)式:氣水土粒msmwmVsVwVVa質(zhì)量m體積V兩者關(guān)系:孔隙比e是個(gè)重要的物理性指標(biāo)，可以用來(lái)評(píng)價(jià)天然土層的密實(shí)程度。一般e<0.6的土是密實(shí)的低壓縮性土；e>1.0的土是疏松的無(wú)壓縮性土。

第14頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天第一節(jié)土的物理性質(zhì)砂土的相對(duì)密度

定義式:計(jì)算式:Dr在工程上常應(yīng)用于：（1）評(píng)價(jià)砂土地基的允許承載力；（2）評(píng)價(jià)地震區(qū)砂體液化；（3）評(píng)價(jià)砂土的強(qiáng)度穩(wěn)定性。砂土按相對(duì)密度分類(lèi)：

疏松的

中密的密實(shí)的第15頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天第一節(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16頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天第二節(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(dòng)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(dòng)狀態(tài)0ω第17頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天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18頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天粘粒強(qiáng)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19頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天稠度狀態(tài)固態(tài)或半固態(tài)塑態(tài)

流態(tài)

土中水的形態(tài)強(qiáng)結(jié)合水弱結(jié)合水自由水w含水量稠度界限塑限ωp強(qiáng)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20頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天

液限和塑限的測(cè)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(cè)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(lèi)重要因素的影響，因此可用于土的分類(lèi)及其性質(zhì)的評(píng)估。第21頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天

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(jiān)硬硬塑可塑軟塑流塑IL≤00＜IL≤0.250.25＜IL≤0.750.75＜IL≤1IL＞1第22頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天第二節(jié)土的水理性質(zhì)觸變性

當(dāng)粘性土結(jié)構(gòu)受擾動(dòng)時(shí)，土的強(qiáng)度降低。但靜置一段時(shí)間，土的強(qiáng)度又逐漸增長(zhǎng)，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(shí)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(shí)間變化的宏觀表現(xiàn)。目前尚沒(méi)有合理的描述土觸變性的方法和指標(biāo)。第23頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天結(jié)構(gòu)強(qiáng)度恢復(fù)結(jié)構(gòu)破壞結(jié)構(gòu)未破壞觸變性第24頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天第二節(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25頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天脹縮性

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(rèn)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(kuò)散層增厚等因素。其膨脹大致分兩個(gè)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(jìn)一步推開(kāi)?！皾B透膨脹”

第26頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天收縮性

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(guò)程可分為兩個(gè)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(lái)愈慢。第27頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天粘性土的崩解性

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(píng)價(jià)粘性土的崩解性一般采用下列三個(gè)指標(biāo)：1、崩解時(shí)間：一定體積的土樣完全崩解所需的時(shí)間；2、崩解特征：土樣在崩解過(guò)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(guò)程中質(zhì)量的損失與原土樣質(zhì)量之比，和時(shí)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28頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天第三節(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(shí)性

壓縮變形的本質(zhì)壓縮性指標(biāo)抗剪性本質(zhì)抗剪強(qiáng)度與剪切定律擊實(shí)特性壓實(shí)本質(zhì)第29頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天1壓縮試驗(yàn)2壓縮系數(shù)第30頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天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(shí)，屬于低壓縮性土；當(dāng)Cc＞0.4時(shí)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(dá)式：Es＝

δz/qz

單位：MpaEs是指在側(cè)限條件下受壓時(shí)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31頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天5載荷試驗(yàn)和變形模量

地基變形的三個(gè)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(wú)側(cè)限條件下受壓時(shí)，壓應(yīng)力與相應(yīng)應(yīng)變之比值；一般是用載荷試驗(yàn)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32頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天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(guò)去歷史上曾經(jīng)受過(guò)的最大固結(jié)壓力，通常用Pc來(lái)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(gè)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33頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天土的抗剪性

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(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于土粒本身的強(qiáng)度，故在外力作用下，土粒之間發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，引起土中的一部分相對(duì)于另一部分產(chǎn)生移動(dòng)。研究土的強(qiáng)度特征，就是研究土的抗剪強(qiáng)度特性，簡(jiǎn)稱抗剪性。土的抗剪強(qiáng)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(shí)滑動(dòng)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(duì)位移，這個(gè)面通常稱為剪切面。

第34頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天抗剪強(qiáng)度和剪切定律

剪切定律：無(wú)粘性土：粘性土：+C庫(kù)侖定律說(shuō)明：⑴土的抗剪強(qiáng)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(qiáng)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35頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天抗剪強(qiáng)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（固結(jié)快剪）第36頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，