工程地質(zhì)學(xué)第三章土的物理性質(zhì)

工程地質(zhì)學(xué)第三章土的物理性質(zhì)第一頁，共二十七頁，2022年，8月28日第三章土的物理性質(zhì)第一節(jié)土的基本物理性質(zhì)第二節(jié)粘性土的稠度與可塑性第三節(jié)細(xì)粒土的脹縮性和崩解性第四節(jié)土的透水性和毛細(xì)性第二頁，共二十七頁，2022年，8月28日2023/2/42土的物理性質(zhì)是指土本身由于三相組成部分的相對比例關(guān)系不同所表現(xiàn)的物理狀態(tài)；固、液兩相相互作用時(shí)所表現(xiàn)出來的性質(zhì)。三相比例關(guān)系——物理狀態(tài)：輕重、干濕、松密固、液相互作用——物理性質(zhì)：稠度、塑性、脹縮、透水性、毛細(xì)性土的物理性質(zhì)在一定程度上決定了它的力學(xué)性質(zhì)，其指標(biāo)在工程計(jì)算中常被直接應(yīng)用。對種類繁多、性質(zhì)各異的土，按一定的原則，進(jìn)行分門別類，給出合適的名稱，可以概略評價(jià)土的工程性質(zhì)。第三章土的物理性質(zhì)第三頁，共二十七頁，2022年，8月28日2023/2/43第一節(jié)土的基本物理性質(zhì)土的物理性質(zhì)是指三相的質(zhì)量與體積之間的相互比例關(guān)系及固、液二相相互作用表現(xiàn)出來的性質(zhì)。前者稱為土的基本物理性質(zhì)，主要研究土的密實(shí)程度和干濕狀況；后者主要研究粘性土的可塑性、脹縮性及透水性等。第四頁，共二十七頁，2022年，8月28日2023/2/44一、土粒密度土粒密度是指固體顆粒的質(zhì)量與其體積之比，即單位體積土粒的質(zhì)量。第五頁，共二十七頁，2022年，8月28日2023/2/45二、土的密度土的密度是指土的總質(zhì)量與總體積之比，即單位體積土的質(zhì)量，單位是g/cm3。1、天然密度天然狀態(tài)下單位體積土的質(zhì)量，稱天然密度，即：天然密度常見值為1.6~2.2g/cm3，小于土粒密度值，它是一個(gè)實(shí)測指標(biāo)。第六頁，共二十七頁，2022年，8月28日2023/2/462、干密度土的孔隙中完全沒有水時(shí)的密度，稱土的干密度，指單位體積干土的質(zhì)量，即干密度與土中含水多少無關(guān)，只取決于土的礦物成分和孔隙性。土的干密度一般在1.4~1.7g/cm3之間。第七頁，共二十七頁，2022年，8月28日2023/2/473、飽和密度土的孔隙完全被水充滿時(shí)的密度稱為飽和密度，是指土孔隙中全部充滿液態(tài)水時(shí)的單位體積土的質(zhì)量，即第八頁，共二十七頁，2022年，8月28日2023/2/48三、土的含水性1、含水量含水量指土中所含水分的質(zhì)量與固體顆粒質(zhì)量之比，以百分?jǐn)?shù)表示，又稱土的含水率。一般所說的含水量指的是天然含水量。土的孔隙中全被水充滿時(shí)的含水量，稱為飽和含水量wsat。飽和含水量既能反映土孔隙中全部充滿水時(shí)含水多少。又能反映土的孔隙率大小。第九頁，共二十七頁，2022年，8月28日2023/2/492、飽和度土孔隙中所含水的體積與土中孔隙體積的比值稱為土的飽和度，以百分?jǐn)?shù)表示。干土：Sr=0；飽和土：Sr=100%。砂類土的含水狀況：Sr<50%，稍濕的；50%≤Sr≤80%，很濕的；Sr>80%，飽和的第十頁，共二十七頁，2022年，8月28日2023/2/410四、土的孔隙性土中孔隙大小、形狀、分布特征、連通情況與總體積等，稱為土的孔隙性。其主要取決于土的顆粒級配與土粒排列的疏密程度。1、孔隙度孔隙度又稱孔隙率，指土中孔隙總體積與土的總體積之比，用百分?jǐn)?shù)表示。土的孔隙度取決于土的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，砂類土的孔隙度常小于粘性土的孔隙度。土的孔隙度一般為27~52%。新沉積的淤泥，孔隙度可達(dá)80%。

第十一頁，共二十七頁，2022年，8月28日2023/2/4112、孔隙比孔隙比指土中孔隙體積與土中固體顆粒總體積的比值，用小數(shù)表示，土的孔隙比說明土的密實(shí)程度，按其大小可對砂土或粉土進(jìn)行密實(shí)度分類。在《巖土工勘察規(guī)范》（GB50021-2002）中，用天然孔隙比來確定粉土的密實(shí)度。e<0.75密實(shí)0.75≤e≤0.9中密e>0.9稍密孔隙度與孔隙比的關(guān)系為第十二頁，共二十七頁，2022年，8月28日2023/2/4123、砂土的相對密度砂土的密實(shí)程度還可用相對密度（Dr）來表示。Dr=0時(shí)，土處于最疏松狀態(tài)；Dr=1時(shí)，土處于最密實(shí)狀態(tài)。第十三頁，共二十七頁，2022年，8月28日2023/2/413五、指標(biāo)之間的關(guān)系土粒密度、天然密度、含水量是三個(gè)基本實(shí)測指標(biāo)、即通過試驗(yàn)直接測定。由實(shí)測指標(biāo)換算求取六個(gè)導(dǎo)出指標(biāo)可直接用簡單的數(shù)學(xué)演算方法，如：第十四頁，共二十七頁，2022年，8月28日2023/2/414第二節(jié)粘性土的稠度與可塑性粘性土的稠度與可塑性是土粒與水相互作用后所表現(xiàn)出來的物理性質(zhì)。第十五頁，共二十七頁，2022年，8月28日2023/2/415一、粘性土的稠度狀態(tài)粘性土因含水多少而表現(xiàn)出的稀稠軟硬程度，稱為稠度。因含水多少而呈現(xiàn)出的不同的物理狀態(tài)稱為粘性土的稠度狀態(tài)。固態(tài)：含水量相對較少，粒間主要為強(qiáng)結(jié)合水連結(jié)，連結(jié)牢固，土質(zhì)堅(jiān)硬，力學(xué)強(qiáng)度高，不能揉塑變形，形狀大小固定。塑態(tài)：含水量較固態(tài)為大，粒間主要為弱結(jié)合水連結(jié)，在外力作用下容易產(chǎn)生變形，可揉塑成任意形狀不破裂、無裂紋，去掉外力后不能恢復(fù)原狀。流態(tài)：含水量繼續(xù)增加、粒間主要為液態(tài)水占據(jù)，連結(jié)極微弱，幾乎喪失抵抗外力的能力，強(qiáng)度極低，不能維持一定的形狀，土體呈泥漿狀，受重力作用即可流動(dòng)。

第十六頁，共二十七頁，2022年，8月28日2023/2/416二、界限含水量——稠度界限縮限塑限液限0固態(tài)半固態(tài)可塑狀態(tài)流動(dòng)狀態(tài)土從某種稠度狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)時(shí)的界限含水量稱為稠度界限工程上常用的有液性界限wL和塑性界限wp液性界限，相當(dāng)于土從塑性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐盒誀顟B(tài)時(shí)的含水量，簡稱液限wL塑性界限，相當(dāng)于土從半固體狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄誀顟B(tài)時(shí)的含水量，簡稱塑限wp

常見值為17~28%第十七頁，共二十七頁，2022年，8月28日2023/2/417液性指數(shù)IL反映土的天然含水量與界限含水量之間的關(guān)系，工程上用來表示土的稠度狀態(tài)。ωpωωL0ω-ωpωL-ωp第十八頁，共二十七頁，2022年，8月28日2023/2/418第十九頁，共二十七頁，2022年，8月28日2023/2/419三、粘性土的可塑性當(dāng)粘性土的含水量在某范圍內(nèi)時(shí)，可用外力塑成任何形狀而不發(fā)生裂紋，并在外力移去時(shí)能保持既得的形狀，土的這種性能叫可塑性。粘性土中含水量在液限與塑限兩個(gè)稠度界限之間時(shí)，土處于可塑狀態(tài)，具有可塑性，這是粘性土的獨(dú)特性能。wL和wp的差值可以反映可塑性的大小，工程上定義為塑性指數(shù)IPIP=wL-wp《巖土工程勘察規(guī)范》按塑性指數(shù)IP將粘性土分為兩類，IP>17為粘土，17≥IP>10為粉質(zhì)粘土，IP≤10為粉土或砂類土。第二十頁，共二十七頁，2022年，8月28日2023/2/420一、細(xì)粒土的脹縮性細(xì)粒土由于含水率增加而發(fā)生體積增大的性能，稱膨脹性。細(xì)粒土由于失去水分而體積縮小的性能，稱收縮性。細(xì)粒土產(chǎn)生膨脹的根本原因是由于土顆粒表面結(jié)合水膜的增厚，并且主要由弱結(jié)合水的增加而引起的。與之相反，細(xì)粒土失去水分時(shí)弱結(jié)合水膜就會(huì)變薄，加強(qiáng)了公共水化膜的作用，土粒間的引力增強(qiáng)，距離減小，導(dǎo)致土體積的收縮。細(xì)粒土的脹縮性對工程建筑物的影響很大，土體的脹縮不僅降低了土體的強(qiáng)度，而且引起土體變形導(dǎo)致建筑物的毀壞。細(xì)粒土組成的斜坡，常因土體的膨脹發(fā)生滑坡。第三節(jié)細(xì)粒土的脹縮性和崩解性第二十一頁，共二十七頁，2022年，8月28日2023/2/421（一）表征細(xì)粒土膨脹性的指標(biāo)1、自由膨脹率?人工制備的干土，在水中增加的體積與原體積的比，稱為自由膨脹率。

ef=（vwe–v0)/v0×100%式中：vwe為土樣在水中膨脹穩(wěn)定后的體積；v0為土樣原有體積。自由膨脹率是判別膨脹土膨脹潛勢的參數(shù)，可通過膨脹實(shí)驗(yàn)得到。第二十二頁，共二十七頁，2022年，8月28日2023/2/4222、膨脹率土樣在一定壓力下，浸水膨脹穩(wěn)定后所增加的體積與原體積之比，稱為膨脹率。膨脹率采用室內(nèi)無側(cè)脹膨脹儀測定，由于側(cè)向限制而只能產(chǎn)生縱向膨脹，因此測得的是線性膨脹率

ep=（hw–h0)/h0×100%3、膨脹力土樣的體積不變時(shí)，由于浸水膨脹產(chǎn)生的最大內(nèi)應(yīng)力，稱為膨脹力。它等于為了阻止土膨脹而施加于其上的最小壓力。某些細(xì)粒土的膨脹力可大到100kPa以上第二十三頁，共二十七頁，2022年，8月28日2023/2/4231、體縮率土樣收縮減小的體積與收縮前體積的比值，稱為體縮率。以百分率表示。

v=(v0–vd)/v0×100%

2、線縮率土樣收縮后的高度減小量與原高度之比，稱為線縮率，以百分率表示。

s=（h0–h)/h0×100%3、收縮系數(shù)原狀土佯在直線收縮階段，含水l量減少1%時(shí)的豎向線縮率，稱收縮系數(shù)。（二）表征細(xì)粒土收縮性的指標(biāo)第二十四頁，共二十七頁，2022年，8月28日2023/2/424二、細(xì)粒土的崩解性細(xì)粒土由于浸水而發(fā)生崩散解體的性能，稱為崩解性。細(xì)粒土的崩解性是由于土體浸水后，水進(jìn)入孔隙或裂隙的情況不平衡因而引起粒間結(jié)合水膜增厚的速度不同，以致粒間斥力超過吸力的情況也不平衡，產(chǎn)生應(yīng)力集中，使土體沿著斥力超過吸引力的最大面崩落下來。細(xì)粒土的崩解性通常用崩解時(shí)間、崩解速度、崩解特征來表示。細(xì)粒土的崩解實(shí)質(zhì)上是膨脹的特殊形式及其進(jìn)一步發(fā)展。受土的礦物成分、粒度成分、水溶液的濃度、PH值和土的結(jié)構(gòu)影響。第二十五頁，共二十七頁，2022年，8月28日2023/2/425第四節(jié)土的透水性和毛細(xì)性一、土的透水性水在土孔隙中滲透流動(dòng)的性能，稱為土的透水性。不同類型的土，孔隙大小不同，透水性也不同。絕大多數(shù)情況下，水在天然土層中以層流形式運(yùn)動(dòng)，服從達(dá)西(Darcy)定律。即

v=KI巨粒土中孔隙粗大，地下水可在其中以較大流速運(yùn)動(dòng)，呈紊流形式，服從哲才(A.Chezg)定律，即

v=