第二章 土的物理性质

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。 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。

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）

一、土粒密度和土的密度 1. 土粒密度（比重） 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。

土 的 种 类 砾类土 砂类土 粉 土 粉质粘土 粘 土 土粒密度 常见值 2.65—2.75 2.65—2.70 2.68—2.73 2.72—2.76 (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

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。（以前曾称：容重、重度） （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。 土 的 名 称 砂 土 粉 土 粉质粘土 粘 土 天然密度 (g／m3) 1.40 1.60 1.60—1.75 1.80—2.00

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。

(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：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。

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％。

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。

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 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。

3. 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，可以反映颗粒级配对密实程度的影响。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。

密 实 程 度 疏 松 的 中 密 的 密 实 的 相 对 密 度 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

第二节 细粒土的稠度和可塑性 一、细粒土的稠度 细粒土由于含水率不同，可表现出稀稠软硬程度不同的物理状态，如固态、塑态或流态等。 细粒土这种因含水率变化而表现出的各种不同的物理状态，即称为细粒土的稠度。 随着含水率的变化，细粒土可由一种稠度状态转变为另一种稠度状态，相应于转变点的含水率，称为界限含水率，也称为稠度界限。

稠度界限中最有意义的是塑限(Wp)和液限(WL)

二、细粒土的塑性 细粒土的含水率在液限和塑限两个稠度界限之间时，在外力作用下可以揉塑成任意形状而不破坏土粒间的连结，并且在外力解除后仍保持已有的形状。细粒土的这种性质称为可塑性。 细粒土可塑性的大小用塑性指数来表示。塑性指数是细粒土的液限和塑限之差，即土处在可塑状态的含水率变化范围，用符号Ip表示，应用时通常将含水率的百分符号省去。

塑性指数 《建筑地基基础设计规范》(GB5007—2002) 土 的 名 称 Ip ＞17 粘 土 10<Ip ≤17 粉质粘土 细粒土的分类 塑性指数 土 的 名 称 Ip ＞17 粘 土 10<Ip ≤17 粉质粘土 Ip≤10 (粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全量50%) 粉 土

液性指数（IL） 土处于什么稠度状态取决于它的含水率。但是由于不同土的稠度界限是不同的，因此天然含水率不能说明土的稠度状态。为了判别自然界中细粒土的稠度状态，通常采用液性指数鉴别。液性指数是细粒土的天然含水率和塑限的差值与液限和塑限差值之比，即 液性指数表征了细粒土在天然状态下的稠度状态。 当土的天然含水率小于等于塑限时，IL≤0，土处于坚硬状态； 当天然含水率大于液限时，IL ＞1，土处于流动状态； 当天然含水率介于液限和塑限之间时，0＜ IL ≤1，土处于可塑状态。

《建筑地基基础设汁规范》中用液性指数划分细粒上稠度状态的标准。 ≤0 0－0.25 0.25－0.75 0.75－1.00 ＞1.00 稠度状态 坚 硬 硬 塑 可 塑 软 塑 流 塑 稠度状态反映了土层的强度和压缩性。对于同一种土来说，由于稠度状态不同，土层的强度和压缩性也不同。 若土处于流动状态时，强度极低而压缩性很高； 处于塑性状态时，具有较低的强度和较高的压缩性； 处于坚硬状态时，具有较高的强度和较低的压缩性。

塑性图及其对细粒土的分类 C——粘土，M——粉土，H——高液限．L——低液限； 若为有机质土，则在各相应土类代号之后缀以代号O。

C——粘土，M——粉土，H——高液限．L——低液限； 若为有机质土，则在各相应土类代号之后缀以代号O。

第三节 细粒土的胀缩性和崩解性 一、细粒土的胀缩性 (一)基本概念 第三节 细粒土的胀缩性和崩解性 一、细粒土的胀缩性 (一)基本概念 细粒土由于含水率增加而发生体积增大的性能，称膨胀性；而由于土中失去水分而体积缩小的性能，称收缩性。细粒土中含水率的增加与减小，主要是由外部因素引起的，如降水、地表水与地下水的变化、气温及湿度的变化等。 细粒土产生膨胀的根本原因是由于土颗粒表面结合水膜的增厚，并且主要由弱结合水的增加而引起的。结合水膜的增厚，加大了土粒间的距离，使土粒间的引力减弱，引起土体积的膨胀。与之相反，细粒土因蒸发和排水等原因而失去水分，逐渐变干时，弱结合水膜就会变薄，加强了公共水化膜的作用，土粒间的引力增强，距离减小，导致土体积的收缩。

二、细粒土的膨胀性指标 1.自由膨胀率 人工制备的干土，在水中增加的体积与原体积的比，称为自由膨胀率，即 式中：Vwe为土样在水中膨胀稳定后的体积；V0为土样原有体积。 自由膨胀率是判别膨胀土膨胀潜势的参数，可通过膨胀试验得到。 2.膨胀率 土样在一定压力下，浸水膨胀稳定后所增加的体积与原体积之比，称为膨胀率。膨胀率采用室内无侧胀膨胀仪测定，由于侧向限制而只能产生纵向膨胀，因此测得的是线性膨胀率，即 式中：为在一定压力作用下的膨胀率；hw为土样浸水膨胀稳定后的高度(mm)；h0为土样的原始高度(mm)。 3.膨胀力 土样的体积不变时，由于浸水膨胀产生的最大内应力，称为膨胀力。它等于为了阻止土膨胀而施加于其上的最小压力。某些细粒土的膨胀力可大到lOOkPa以上。

三、细粒土的收缩性指标 1.体缩率 土样收缩减小的体积与收缩前体积的比值，称为体缩率，以百分率表示。 式中：V0为土样收缩前的体积(cm3)；Vd为土样收缩后的体积(cm3)。 2.线缩率 土样收缩后的高度减小量与原高度之比，称为线缩率，以百分率表示。 式中:h0为土样收缩前的高度(cm)；hd为土样收缩后的高度(cm)。 3.收缩系数 原状土样在直线收缩阶段，含水量减少1％时的竖向线缩率，称收缩系数。 式中：为收缩过程中与直线变化阶段两点含水量之差对应的竖向线缩率之差(％)；为收缩过程中直线变化阶段两点含水量之差(％)。

细粒土的胀缩性是随土体含水量的变化而变化的。—般情况下，膨胀性大的土，它的收缩性也大。但是，有些土是以膨胀为其主要特征，而某些土则以收缩为其主要特征。如软粘土及淤泥质土具有强烈的收缩性，无明显的膨胀性。细粒土的胀缩性与颗粒表面水膜厚度变化，即弱结合水的数量变化紧密相关。颗粒的分散程度和矿物成分，水溶液中的离子成分、浓度及pH值，土的天然含水率和结构都对土的胀缩性有明显影响。

第四节 土的透水性和毛细性 一、土的透水性 水在土孔隙中渗透流动的性能．称为土的透水性。不同类型的土，孔隙大小不同，透水性也不同，在绝大多数情况下，水在天然土层中以层流形式运动，服从达西(Darcy)定律。如粗粒土的孔隙大，连通性好，透水能力强，水在其中的流动一般呈层流状态，服从达西定律，即  式中:V为水在土中的渗透速度(cm/s)；K为渗透系数(cm/s)；I为水力坡度。 上式中的渗透速度不是地下水的实际流速，而是通过过水断面的地下水流量与垂直水流的过水断面面积的比值．即单位时间通过单位截面的水量。渗透系数是水力坡度为1时的渗透速度，是反映土透水性的一个重要指标。一般通过室内渗透试验和野外抽水试验方法测定土的渗透系数。 巨粒土中孔隙粗大，地下水可在其中以较大流速运动，呈紊流形式，服从哲才(A.Chezg)定律，即 

二、土的毛细性 土的毛细性是指水通过土的毛细孔隙在弯液面力的作用下向各个方向运动的性能。水在毛细孔隙中运动的现象，称毛细现象。土中毛细水的上升可造成土壤的沼泽化和盐渍化，建筑物地基受毛细水浸湿后稳定性降低。因此，研究土的毛细性具有重要的实际意义。 评价土毛细性的指标有毛细上升高度、毛细上升速度和毛细压力，实际应用的主要是毛细上升高度。 土中毛细水上升达到的最大高度，称为毛细上升高度。根据毛细定律，毛细水上升的高度与水的表面张力成正比，与毛细管直径成反比，即 式中：Hc为毛细上升高度(m)；为水的表面张力系数(N／m)；为水的密度(g／cm3)；g为重力加速度(9．81m/s2)；D为土中孔隙的平均直径(mm)。 常温下纯水的表面张力系数N/m，水的密度＝1g/cm3，则毛细上升高度只与毛细管直径有关，此时的毛细上升高度为 上式说明，毛细上升高度与毛细管直径成反比，即毛细孔隙越小，毛细上升高度越大。