土的物理性质(精选)

•
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。
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。
• 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”。
9
二、土的含水性
• 1. 土的含水率
• 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。
3
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。

第二章 土的物理性质、水理性质和力学性质第一节 土的物理性质土是土粒（固体相），水（液体相）和空气（气体相）三者所组成的；土的物理性质就是研究三相的质量与体积间的相互比例关系以及固、液两相相互作用表现出来的性质。

土的物理性质指标，可分为两类：一类是必须通过试验测定的，如含水量，密度和土粒比重；另一类是可以根据试验测定的指标换算的；如孔隙比，孔隙率和饱和度等。

一、土的基本物理性质土的三相图（见教材P62图）（一）土粒密度(particle density)土粒密度是指固体颗粒的质量m s 与其体积Vs 之比；即土粒的单位体积质量：ss s V m =ρ g/cm 3 土粒密度仅与组成土粒的矿物密度有关，而与土的孔隙大小和含水多少无关。

实际上是土中各种矿物密度的加权平均值。

砂土的土粒密度一般为：2.65 g/cm 3左右粉质砂土的土粒密度一般为：2.68g/cm 3粉质粘土的土粒密度一般为：2.68~2.72g/cm 3粘土的土粒密度一般为：2.7-~2.75g/cm 3土粒密度是实测指标。

（二）土的密度(soil density)土的密度是指土的总质量m 与总体积V 之比，也即为土的单位体积的质量。

其中：V=Vs+Vv; m=m s +m w按孔隙中充水程度不同，有天然密度，干密度，饱和密度之分。

1．天然密度（湿密度）(density)天然状态下土的密度称天然密度，以下式表示：vs w s V V m m V m ++==ρ g/cm3 土的密度取决于土粒的密度，孔隙体积的大小和孔隙中水的质量多少，它综合反映了土的物质组成和结构特征。

砂土一般是１.4 g/cm3粉质砂土及粉质粘土１.4 g/cm3粘土为１.4 g/cm3泥炭沼泽土：１.4 g/cm3土的密度可在室内及野外现场直接测定。

室内一般采用“环刀法”测定，称得环刀内土样质量，求得环刀容积；两者之比值。

2．干密度（dry density ）土的孔隙中完全没有水时的密度，称干密度；是指土单位体积中土粒的重量，即：固体颗粒的质量与土的总体积之比值。

不同
土的比热容与含水 量的关系：含水量பைடு நூலகம்越高，比热容越大
土的比热容与土壤 结构的关系：土壤 结构越紧密，比热
容越小
土的热膨胀系数
土的热膨胀系数 是指土在温度变 化时体积变化的
程度
土的热膨胀系数 与土的矿物成分、 含水量、颗粒大
小等因素有关
土的热膨胀系数 越大，土的体积 变化越大，稳定
性越差
土的热膨胀系数 是工程设计中需 要考虑的重要参
渗透破坏的类型：包括管涌、流土、接触冲刷等。
渗透破坏的影响因素：土体的颗粒组成、结构、 渗透系数、水力梯度等。
渗透破坏的防治措施：选择合适的土体材料，优 化土体结构，控制渗透水流等。
土的热学性质
土的热传导系数
01
土的热传导系 数与土的密度、
含水量、温度 等因素有关。
02
土的热传导系 数通常在0
03
抗压强度与土的颗粒组成、结构、含水 量等因素有关。
抗压强度是土力学计算的基础，如地基 承载力、边坡稳定等。
抗压强度试验是测定土的抗压强度的主要 方法，包括三轴试验、直接剪切试验等。
土的抗剪强度
抗剪强度是土力学性质的重要指标
A
之一，反映了土体抵抗剪切破坏的
能力。
抗剪强度与土的颗粒组成、结构、
B
含水量等因素有关，不同土体的抗
隙所占的体积比例。
孔隙度影响土的透水性、
02 透气性、导热性和承载
能力等工程性质。
孔隙度可以通过实验室
03 测试或现场测试的方法
进行测定。
孔隙度是土力学、土质
04 学、土工设计和土工施
工等领域的重要参数。
土的力学性质
土的抗压强度

V
引申：
❖ 土的干重度（rd）：土单位体积中土固体颗粒的重量。
❖ 土的饱和重度（rsat）：土中孔隙完全被水充满时土的重度。
❖ 土的有效重度(浮重度)（r′）：在地下水位以下的土受到水的浮力作用，扣除浮力 后的情况，即：单位体积土粒的重量与同体积水的重量之差。
9.2推导指标
密度与重度是一一对应的。 重度r = 密度ρ x 重力加速度g
sat
ms mv V
ms
wVv
V
❖ 单位：g/cm3 ❖ 土的饱和密度一般为：1.8～2.3g/cm3。
9.2推导指标
❖ 6、土的有效密度(浮密度)（ρ′）：在地下水位以下的土受到水的浮力作用，扣除 浮力后的情况，即：单位体积土粒的质量与同体积水的质量之差。
❖ 单位：g/cm3
' ms wVs
9.1基本指标
❖ 土的物理性质：是土的三相的质量与体积间的相互比例关系，以及固、液两相相互作
用所表现出来的性质。
土的三相比例指标
土的物理性质 无黏性土的密实度
黏性土的物理状态特征
9.1基本指标
❖ 土的三项比例指标：土的各组成部分的质量和体积之间的比例关系，能直接反映土的 状态和物理力学性质，间接反映土的工程特性。
9.1基本指标
❖ 土的重力密度（r）：简称土的重度，为土的总重量与总体积之比。
mg g
V
❖ 单位：g/cm3单位：kN/m3 ❖ 砂土16～20kN/m3，粉土、黏性土18～20kN/m3 ❖ 不需测量，直接用密度进行换算。
重度r = 密度ρ x 重力加速度g
9.1基本指标
❖ 土的含水率（w）：也称为土的含水量。为土中水的质量与土粒质量之比。
重量之比。

微团粒 微团粒 微团粒
团 粒 结 构
（2）块状结构 结构体呈不规则形状,长、宽、高大 致相近,边面不明显,内部较紧实,俗称“ 坷垃”。 在有机质含量较低或黏重的土壤中， 由于土壤过干、过湿耕作，易在表层 形成块状结构；另外由于受到土体的 压力，在心土、底土中也会出现。 （3）核状结构 外形与块状结构体相似，但棱角、边、 面比较明显，内部紧实坚硬，泡水不散， 俗称“蒜瓣土”，多出现在黏土而缺乏 有机质的心土和底土层中。
孔隙类型 当量孔径 土壤水吸 力 通气孔隙 >0.02mm <15kPa 毛管孔隙 0.02～0.002mm 15～150kPa 无效孔隙（非活性孔隙） <0.002mm >150kPa
此孔隙内水分受 此孔隙起通 毛管力影响，能够 此孔隙内水分移动困 主要作用 气透水作用， 移动，可被植物吸 难，不能被植物吸收利用 常被空气占据 收利用，起到保水 ，空气及根系不能进入 蓄水作用
土壤孔隙性
3.土壤孔隙性与植物生长
生产实践表明，适宜于植物生长 发育的耕作层土壤孔隙状况为： （１）总孔隙度为50%～56%,通气 孔隙度在10%以上,如能达到15%～20% 更好 （２）对于含有机质多而结构好 的耕作层土壤容重宜在1.1～ 1.3g/cm3 之间;水田土壤的容重（称为 浸水容重）宜在0.5～0.6g/cm3之间。
土壤耕性
（3）土壤塑性
土壤塑性指在一定含水量范围内可以被塑造成任 意形状,并且在干燥或者外力解除后仍能保持所获 得形状的能力。 干燥的土壤不具有塑性。
影响土壤塑性的因素：土壤 质地、有机质含水量、交换 性阳离子组成、含盐量等。 塑性强的土壤耕性往往不好
土壤耕性
（4）土壤胀缩性
土壤胀缩性是指土壤含水量发生变化而引起的、 或者在含有水分情况下因温度变化而发生的土壤体 积变化 影响胀缩性的主要因素: 土壤质地、黏土矿物类型、 有机质含量、交换性阳离子 种类及土壤结构等。一般具 有胀缩性的土壤均是黏重而 贫瘠的土壤

农业生产中，常采用排水晒田、晒垄、冻 垄等措施，提高土壤溶液电解质的浓度，促进 土壤胶粒凝聚。 (2) 水膜(water film)的粘结作用
土粒在水膜的作用下，在土粒接触处形成
弯月面，由于弯月面内侧的负压，把相邻的土
粒团聚在一起，形成土团。
(3)
胶结作用(cementa soil mineral colloid)
土壤中单粒、复粒在有机或无机胶体的作用
下胶结在一起，具有一定排列、组合形式的土壤 结构体。
（一）土壤结构的类型
1、片状、板状结构
形 状：横轴远大于纵轴，呈扁平状结构体。
产生条件：雨后土壤表面结壳或老耕作土壤犁底层。
大小划分：>3mm者为板状， <3mm者为片状。 性状：土粒排列紧实，透水性和通气性差。
质地名称
松砂土 紧砂土 砂壤土 sandy loam 轻壤土 light loam 中壤土 medium loam 重壤土 heavy loam 轻粘土 light clay 中粘土 medium clay 重粘土 heavy clay
壤 土 loam
粘 土 clay
(4) 我国土壤质地分类

由中科院南京土壤所与西北水土保持所拟定
土壤中Fe2O3· xH20、Al2O3· y H2O、SiO2· z H2S等，常以胶
膜形态包被在一起，形成的结构体。 往往是致密紧实的结构体，如核状结构，对协调水肥的 能力极差。
b、粘粒(clay) 粘粒具有巨大的表面积，粘结力很强，并可 通过带正电和带负电边面的静电引力使其团聚。 c、有机质(organic matter) 土壤中的腐殖质、多醣类、蛋白质、木质素
粘盖砂 不良组合(bad
combination)

土的物理性质3.2.1 土的物理状态物理状态是认识土体性质的最初也是最基本的方面,是指土体在天然状态下或人工制备条件下的存在性状。

土体的物理状态主要包括各相(固、液、气)组成及其构成方式，颗粒构成物及其大小配置，重量或体积的大小，软硬松密状态及程度，土中孔隙及其大小，孔隙中含水或饱水程度和多寡(这后者较之其它工程材料，却是土体所特有的物理内容)等等。

土体是由固、液、气组成的三相分散体系，固相是土体的主体组成部分，构成土的骨架，液相和气相充填于土体孔隙内。

土颗粒的大小和形状是描述土的最直观和最简单的标准。

土的颗粒级配多采用累计曲线来表示,一般采用不均匀系数和曲率系数来评价土的级配优劣及其对工程性质的影响。

根据土粒的粒径从大到小而将土体依次区分成石(漂、块、卵、碎石等)、砾(圆、角砾)、砂(砾、粗、中、细、粉砂等)、粉土和黏性土等。

一般情况下，土体依据颗粒级配或塑性指数等指标可以划分为碎石土、砂土、粉土、黏性土、特殊性土等五大类,其中，在人们的生产实践中最具工程意义又予以更多关切的应是砂土、粉土和黏性土等3种基本土类。

在自然界中，土粒单元所构作的粒状结构、蜂窝状结构和絮状结构等3种基本结构形态大体上已被确认为砂土、粉土和黏性土等3种基本土类的固相的主体结构构成形态,，而散粒状、层状、裂隙和结核状等四种构造形式则是土体最常见的宏观存在形态(表3-1、表3-2、表3-3)。

液相在土体中的存在由土粒核心辐射向外依次形成了结品水、强结合水、弱结合水、重力水或毛细水等的层次结构,反映了颗粒的分子引力的逐次减弱和重力场作用的逐渐增强直至完全起控制作用(表3-4)。

土体内液相的数量和存在形态及其与土粒的相互作用对土体的物理状态和工程性质具有重要影响。

气相多充填土体孔隙的一部分或极少部分，一般认为当土内气相与大气连通时，对土的工程性质无明显影响，但当以封闭气泡存在于土中时，会增大土的弹性和减小土的渗透性。

土体三相构成及其存在形式和相互作用是土体性质特别是其力学性质和工程宏观反应复杂多变的物理基础。

第一章土的物理性质§1-1 土的三相组成一、基本概念1、土：土是由岩石经过物理风化和化学风化后的产物。

土是由各种大小不同的土粒按各种比例组成的集合体。

土粒之间的孔隙中包含着水和气体，是一种三相体系。

2、土的三相1）固相：包含无机矿物颗粒和有机质，是构成土的骨架的基本。

2）液相：存在于孔隙中的水。

3）气相：充填在土孔隙中的气体。

综合：土是由固体颗粒，液体水和气体三部分组成，称为土的三相组成。

土中的固体矿物构成骨架，骨架之间贯穿着孔隙，孔隙中充填着水和空气，三相比例不同，土的状态和工程性质也不相同。

固体+气体（液体=0）为干土，干粘土较硬，干砂松散；固体＋液体＋气体为湿土，湿的粘土多为可塑状态；固体＋液体（气体=0）为饱和土，饱和粉细砂受震动可能产生液化；饱和粘土地基沉降需很长时间才能稳定。

由此可见，研究土的工程性质，首先从最基本的、组成土的三相，即固体相、水和气体本身开始研究。

二、土的固体颗粒研究固体颗粒就要分析粒径的大小及其在土中所占的百分比，称为土的粒径级配（粒度成分）。

此外，还要研究固体颗粒的矿物成分以及颗粒的形状。

（一）粒径级配（粒度成分）随着颗粒大小不同，土可以具有很不相同的性质。

颗粒的大小通常以粒径表示。

工程上按粒径大小分组，称为粒组，即某一级粒径的变化范围。

划分粒组的两个原则：（1）首先考虑到在一定的粒径变化范围内，其工程地质性质是相似的，若超越了这个变化幅度就要引起质的变化。

（2）要考虑与目前粒度成分的测定技术相适应。

此外，要便于记忆。

目前，我国广泛应用的粒组划分方案见教材P11表2-1所示。

将粒径由大至小划分为六个粒组（1）漂石或块石组；（2）卵石（碎石）组；（3）砾石；（4）砂粒组；（5）粉粒组；（6）粘粒组实际上，土常是各种大小不太颗粒的混合体，较笼统的说，以砾石和砂砾为主要组成的土为粗粒土，也称无粘性土。

其特征为：孔隙大、透水性强，毛细上升，高度很小，既无可塑造性，也无胀缩性，压缩性极弱，强度较高。

质量 mass 体积 volume
ma(0) mw
A W S
Va Vw
Vv
V
ms
Vs
土的三相图 Three phase diagram
一、土的质量和重量
1、土粒的比重 （specific gravity） 土的固体颗粒的重 m 量与其相同体积的 4℃纯水的重量之 比。
ma( 0) mw
A W S
孔隙率/孔隙度范围：粘性土和粉土:(30~60);砂土: (25~45)
3、砂土的相对密度Dr(relative density)
最紧密
天然
最松散
emin
d max
e
d
e增大
emax
d min
emax e Dr emax emin
d max ( d d min ) d ( d max d min )
液流状态
粘流状态
自由溶液
自由溶液
自由溶液
扩散层重叠
扩散层重叠 自由溶液
粘塑状态
稠塑状态
扩散层重叠 扩散层重叠 扩散层重叠
扩散层重叠 扩散层重叠 浓缩扩散层 及气体
半固体状态 固定层及浓 气体(扩散 缩扩散层 层开始浓缩) 气体
固体状态 固定层重叠 气体(扩散 层很浓) 气体


Mitchell，1976：不管水的结构情况和粒间力如何，塑限是 当土内表现出塑性性能时的含水范围的下限。 也就是说，在塑限之上，土的变形可以没有体积变化或产 生裂纹，以及将保持它的已有的变形形状。
（2）砂质黏土则位 于区域（2） （3）含较多粉土和有 机质的则位于（3）的 范围之内 （2） （3）
国家标准《土的分类标准》(GBJ145-90)中的塑性图

土的物理力学性质土的物理力学性质，通常在土力学中加以研究。

土力学是利用力学知识和土工试验技术来研究土的强度、变形及其规律的一门学科。

要了解土的物理力学性质，首先得了解和掌握土的特点，然后才能应用土力学的基本知识去正确地解决水土保持工程建筑中的土工问题。

土的特性表现在下述两方面：1．土的复杂性2．土的易变性在土体中，土的固相构成土的骨架。

骨架土粒的矿物成分、含水量、颗粒大小和结构，影响着土的性质。

上述土的三个组成部分的性质，它们之间量的比例关系，以及它们之间的相互作用，决定了土的物理力学性质。

工程上就是用某些物理量来说明土的物理性质和物理状态。

这些定量的数值，就叫土的物理性质指标。

物理性质指标与土的复杂的工程特性，如渗透性、压缩性和强度等，有着紧密联系，所以研究土的物理性质指标，是解决土工问题的最基本的课题。

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧砂土的密实度湿化膨胀与收缩湿化粘性土的膨胀、收缩与液性指数塑性指数度关系粘性土的稠度界限与强缩限塑限液限粘性土的稠度界限粘性土的稠度土的物理状态指标土的饱和度土的孔隙率和孔隙比计算推导指标土的含水量土粒比重浮容重饱和土容重湿土容重干土容重土的容重实验测定指标土的物理性质指标土的物理力学性质指标用试验方法测得的土的容重、土粒比重和含水量后，即可计算其他基本指标。

为了方便，常用下三相图（图1-1）来简化三相在数量上的关系。

该图是假想将土体内的固相、液相和气相分别集中在一起，然后计算各相间的体积与重量关系。

图中符号意义是：V s －土粒体积；V w －土中水体积；V a －土中空气体积；V v －土中孔隙体积，V v ＝V w + V a V －土的总体积，V ＝V v +V w + V a ；G s －土粒重量；G w －土中水重量；G a －土中空气重量，G a ≈0；G v －土中水、空气重量，G v ＝G w + G a ≈ G w ；G －土的总重量，G ＝G v +G w + G a 。

第二章土壤物理性质
第一节土壤孔性
一、孔隙和孔性的概念
二、孔隙的类型 三、土 壤 孔 隙 度 四、土壤容重和比重 五、影 响 孔 性 的 因 素
六、土壤孔性与作物生长的关系
一、孔隙和孔性的概念
土壤是疏松多孔体，土粒或团聚体之间的空间 叫土壤空隙。土壤 孔隙是水气活动的场所，也是物质能量交换的 通道，如大孔隙可通气秀透水，小孔可保水保肥。
五、影 响 孔 性 的 因 素
土壤本身性状 质地： 粘土孔度大，容重小，以毛管孔和无效孔为主砂土相反，壤地土居中。 有机质含量： 有机质本身蔬松多孔，又利形成团粒，故有面机质越多，孔度越大。 土壤松紧和团聚情况： 壤越疏松，团聚情况越好，容重越小，孔度越大。耕作疏松土壤、施有 机肥形成团粒均可使孔度增大，反之减少。 外部因素的影响 自然因素： 降水、地下水升降、重力作用等使土体沉实孔度变小。 农业措施：中耕增加毛管孔； 耙耢、镇压、机械人畜践踏降低也孔度 ；灌水可使孔度下降。
四、土壤容重和土粒密度
土粒密度 土粒密度是指单位体积的固体土粒（不包括粒间孔隙）的质量。单位是g/cm3 影响土粒密度的因素： 主要决定于土壤的矿物组成。土壤中多数矿物的密度在2.6~2.7 g/cm3之 间，故土粒密度一般视为定值，取矿物密度的平均值2.65 g/cm3。 土粒密度还与有机质含量有关系，一般有机质的密度为125—140，但因 有机质含量不高，故予以忽略。
三、土 壤 孔 隙 度
概念
单位体积的自然土壤中，所有孔隙容积占土壤总容积的百分数。无法直接测 定，实际工作中根据比重和容重计算： 总孔隙度（%） =（孔隙容积/土壤容积）×100 =[（土壤容积-土粒容积）/土壤容积]×100 =（1-土粒容积/土壤容积）×100 =[1-（土壤质量/比重）/（土壤重量/容重）]×100 =（1-容重/比重）×100