03第二章土的物理性质

第二章 土的物理性质 讲授：张文单位：吉林大学建设工程学院

第二章 土的物理性质 土的物理性质指土本身由于三相组成部分的相对 比例关系不同所表现的物理状态以及固、液两相 相互作用时所表现出来的性质。– 前者称土的基本物理性质，主要指土的轻重、干湿、 松密等，具体用土的质量、含水性和孔隙性指标来说 明；

– 后者主要包括细粒土的稠度、塑性、胀缩性以及各种 土的透水性和毛细性等。– 土的物理性质在一定程度上决定了它的力学性质，所 以它是土最基本的工程地质性质，其指标在工程计算 中直接被应用。2

第一节 土的基本物理性质 自然界的土通常是由固态相的土粒、液态 相的水和气态相的空气所组成的，从物理 概念上说土通常是三相体系的，所以土粒、 水和空气称为土的三相组成部分。V -土的总体积,cm³ ; Vs-土中固体颗粒的体积,cm³; Vv-土中孔隙的体积,cm³; Vw-土中水的体积,cm³; Va-土中气体的体积,cm³; m-土的总质量,g; ms-土的固体颗粒的质量,g; mw-土中水的质量,g; ma-土中空气的质量(一般认为ma≈0)3

一、土粒密度和土的密度– 1. 土粒密度 土粒密度是指固体颗粒的质量与其体积之比，即单位体积 土粒的质量，其单位是g/cm3,表达式为

土粒的密度大小决定于土粒的矿物成分，与土的孔隙情况 和含水多少无关。它的数值一般在2.60—2.80g/cm3之间 (表2-1)。一般情况下，随有机质含量增多而减小，随铁镁 质矿物增多而加大。它是土中各种矿物密度的加仅平均值。

土粒密度是实测指标，可在实验室内直接测定。该指标一方面可以间接地说明土中矿物成分特征，另一方面主要 用来计算其他指标。4

土粒密度测定方法 7.1 比重瓶法 1.将比重瓶烘干。称烘干试样15 g(当用 50 ml的比重瓶时称烘干试样10 g)装入比重瓶，称瓶和试样 总质量，精确至0.001 g。 2.向比重瓶内注入半瓶纯水或中性液体，摇动比重瓶，并放在砂浴上煮沸。悬液煮沸时间为：砂性土 不应少于30 min;粘性土不应少于1 h。沸腾后应调节砂浴温度，比重瓶内悬液不得溢出。对砂性土 宜用真空抽气法；对含有可溶盐、有机质和亲水性胶体的土用中性液体代替纯水时，应用真空抽气 法排气。真空压力表读数宜为 100 kPa,抽气时间不宜小于l h。 3.将煮沸经冷却的纯水或中性液体注入装有试样的比重瓶。当用长颈瓶时注纯水至刻度处；当用短颈 瓶时应将纯水注满，塞紧瓶塞，多余水分可自瓶塞毛细管中溢出。将比重瓶置于恒温水槽内至温度 稳定，且瓶内上部悬液澄清。取出比重瓶，擦干瓶外壁，称比重

瓶、水、试样总质量，精确至0.001 g;并应测定瓶内水的温度，精确至0.5 oC。 4.从温度与瓶、水总质量关系曲线中查得各试验温度下的比重瓶、水总质量。

7.2 浮称法 1 取代表性试样将试样500-1000G,表面清洗洁净,浸入水中一昼夜后取出,放入铁丝筐,并缓慢地将铁丝 筐浸没于水中,在水中摇动至试样中无气泡逸出。 2 称铁丝筐和试样在水中的质量,取出试样烘干,并称烘干试样质量。 3 称铁丝筐在水中的质量,并测定盛水容器内水温,准确至0.5℃。

7.3 虹吸筒法 1 取代表性试样试样700-1000G,试样应清洗洁净.浸入水中一昼夜后取出晾干,对大颗粒试样宜用干布 擦干表面,并称晾干试样质量。 2 将清水注入虹吸筒至虹吸管口有水溢出时关管夹，试样缓缓放入虹吸筒中，边放边搅拌，至试样中 无气泡逸出为止，搅动时水不得溅出筒外。 3 当虹吸筒内水面平稳时开管夹，让试样排开的水通过虹吸管流入量筒，称量筒与水总质量，准确至 0.5G,并测定量筒内水温,准确到0.5 ℃. 4 取出试样烘至恒量、称烘干试样质量，准确至0.1G,称量筒质量，准确至0.5G。5

土 的 种 类 常见 值

砾类土 2.65— 2.75

砂类土 2.65— 2.70

粉 土 2.65— 2.70

粉质粘 土2.68— 2.73

粘 土 2.72— 2.76

土粒 密度 (g/ cm3)

平均 值

2.66

2.68

2.71

2.74

表2-1

各种主要类型土的土粒密度6

– 2. 土的密度 土的密度是指土的总质量与总体积之比，即单位体积土的质量，其单 位也是g/cm3。根据土所处的状态不同，土的密度可分为天然密度、 干密度和饱和密度三种。 (1)天然密度– 天然状态下单位体积土的质量称天然密度

– 天然密度的大小取决于土的矿物成分、孔隙和含水情况，其数值一般为 1.6—2.2g/cm3(表2-2)。天然密度在数值上小于土粒密度，是一个实

测指标，可在室内及野外直接测定，是工程地质计算中不可缺少的参数。

表2-2 各类土天然密度范围值 土 的 名 称 天然密度 (g/m3) 砂 土 粉 土 粉质粘土 粘 土7 1.80—2.00

1.40

1.60

1.60—1.75

(2)干密度 – 土的孔隙中完全没有水时的密度，称土的干密 度，是指单位体积干土的质量，即

– 干密度与土中含水多少无关，只取决于土的矿 物成分和孔隙性。对于某一种土来说。矿物成 分是固定的，土的干密度大小只取决于土的孔 隙性，所以干密度能说明土中孔隙多少和表征 土的密实程度。干密度愈大，土愈密实；反之 则疏松。干密度可以实测，也可用其他指标换 算。土的干密度一般在1.4—1.7g/cm3范围内。8

(3)饱和密度– 土的孔隙完全被水充满时的密度称饱和密度， 是指土孔隙中全部充满液态水时的单位体积土

的质量，即

– 式中： w为水的密度(g/cm3)。– 土的饱和密度是土的密度中的最大值，是个计 算指标，常见值为1.80一2.30g/cm3。9

土的密度试验 密度试验对于一般粘性土可用 “环刀法”; 1 环刀：内径61.8mm和79.8mm, 高度20mm。 2 天平：称量500G,最小分度值0.1G; 称量200G,最小分度值0.01G。

如土样易破裂或难以切削，可 用“蜡封法”; 粗粒土可采用“灌砂法”或 “灌水法”。10

二、土的含水性 1. 土的含水率– 土中所含水分的质量与固体颗粒质量之比称含水率，常 用百分率表示。

– 对结构相同的土而言，含水率越大，说明土中水分越多。 由于土层所处的自然条件和土层孔隙发育程度的不同， 土的含水率差别极大。 近代沉积的三角洲相软粘土或湖相粘土的含水率可达50%一 200%, 坚硬粘土的含水率可小于20%。 一般砂类土的含水率不超过40%,常见值为10%一30%,细粒 土的常见值为20%一50%。11

饱和度– 含水率是个绝对指标，只能表明土中水的含量，而不能反映土中孔 隙被水充满的程度。土的饱和度是土中水的体积与孔隙体积的百分 比值，它能说明孔隙中水的充填程度，表达式为–

– 饱和度的数值变化在0%一100%之间；– 当土处于干燥状态时，饱和度等于零；当土的孔隙全部被水充填时， 饱和度等于100%。 – 在工程实际中，按饱和度的大小将含水砂土划分为 稍湿的(≤50%) 很湿的(50%—80%) 饱和的(>80%) 三种含水状态。

– 饱和度是一个计算指标。12

含水性测试烘干法主要仪器设备： 1 电热烘箱：应能控制温度为105-110℃。 2 天平：称量200g,最小分度值0.01g;称量 1000g,最小分度值0.1g。 含水率试验，应按下列步骤进行： 1 取具有代表性试样10-30g或用环刀中的试样，

有机质土、砂类土和整体状构造冻土为50g,放入称量盒内，盖上盒盖，称盒加湿土质量， 准确至0.01g。 2 打开盒盖，将盒置于烘箱内，在105-110℃ 的恒温下烘至恒量。烘干时间对粘土、粉土 不得少于8h,对砂土不得少于6h,对含有机质 超过干土质量5%的土,应将温度控制在6570℃的恒温下烘至恒量。 3 将称量盒从烘箱中取出，盖上盒盖，放入

土样盒

干燥容器内冷却至室温，称盒加干土质量，准确至0.01g。

烘箱

三、土的孔隙性 土中孔隙的大小、形状、分布特征、连通情况和总 体积称为土的孔隙性。目前，主要用孔隙的多少来 表示土的孔隙性。– 1. 土的孔隙率和孔隙比 土中孔隙的数量，通常用孔隙率和孔隙比来表示。它们只能反 映土内孔隙总体积大小，而不能反映单个孔隙的大小，

主要用 来说明土的松密程度。 孔隙率是土中孔隙总体积与土的总体积之比.也叫孔隙度，常 用百分率表示

孔隙比是土中孔隙总体积与土中固体颗粒总体积的比值，常用小数表 示

孔隙率与孔隙比都是反映土孔隙性的指标，两个指标之间的关系为

推导过程：

土的孔隙率和孔隙比的大小，主要取决于土的粒度成分和结构。孔隙 率的常见值为33%一50%,但新近沉积淤泥的孔隙率可达80%。一般 情况下，土的孔隙比值为0.5—1.0,细粒土的孔隙比有时大于1,淤泥 的孔隙比可达1.5以上。15

– 2. 砂土的相对密度 砂土的密实程度还可用相对密度来表示

式中：emax为最大孔隙比，即最疏松状态下的孔隙 比；emin为最小孔隙比，即最紧密状态下的孔隙比； e为孔隙比。 砂土的相对密度是砂土的结构状态指标在工程实践 中，常用相对密度作为砂土在振动荷载作用下能否 引起液化的判别指标，也是评价砂土强度的重要指 标。按相对密度可对砂土的密实程度进行分类。 相对密度是一个实测指标。16

相对密度测试

1.最大孔隙比的测定 (1)取代表性试样约1.5kg,充分风干(或烘于),用手搓揉或用圆木棉在橡皮板上碾 散，并拌和均匀。 (2)将锥形塞杆自漏斗下口穿人，并向上提起，使锥体堵住漏斗管口：一并放人体积 1000cm3量筒中，使其下端与量筒底相接。 (3)称取试样700g,准确至1g,均匀倒人漏斗中，将漏斗与塞杆同时提高，移动塞杆使 锥体略离开管口，管口应经常保持高出砂面约1-2cm,使试样缓缓且均匀分布地落人 量筒中。 (4)试样全部落人量筒后取出漏斗与锥形塞，用砂面拂平器将砂面拂平，勿使量筒 振动，然后测读砂样体积，估读至5cm3。 (5)以手掌或橡皮塞堵住量筒口，将量筒倒转，缓慢地转动量筒内的试样，并回到原来 位置，如此重复几次，记下体积的最大值，估读至5cm3 。 (6)取上述两种方法测得较大体积值，计算最大孔隙比。 2.最小孔隙比的测定 (1)取代表性试样约4kg,按最大孔隙比测定的步骤处理。 (2)分三次倒入容器振击，先取上述试样600-800g(其数量应使振击后的体积略大于 容器容积的1/3)倒人1000 cm3容器内，用振动仪以各(150-200)次/min的速度敲打 容器两侧，并在同一时间内，用击锤于试样表面锤击30-60)次/min,直至砂样体积 不变为止(一般约5-10min时)。敲打时要用足够的力量使试样处于振动状态。振击时， 粗砂可用较少击数，细砂应用较多击数。 (3)如用电动最小孔隙比试验仪时、当试样同上法装人睿器后，开动电机，进行振 击试验。 (4)按上述方法进行后两

次加上的振动和锤击，第三次加上时应先在容器口上安装 套环。 (5)最后一次振毕，取下套环，用修上刀齐容器顶面削去多余试样，称量，准确至 1g,计算其最小孔隙比。 17

密实程度

疏松的

中密的

密实的

相 对 D密 度r

0-0.33

0.33-0.66

0.66-1

砂土按相对密度分类

四、土的基本物理性质指标间关系

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