岩土物理力学性质指标

1、塑性指数plasticity index

塑性指数是液限和塑限之差称为塑性指数，用不带百分号的小数表示，符号为IP。

概述

塑性是表征细粒土物理性能一个重要特征，一般用塑性指数来表示；液限与塑限的差值称为塑性指数IP，即IP=WL-WP。过去的研究表明，细粒土的许多力学特性和变形参数均与塑性指数有密切的关系。

特征

塑性指数

可塑性是粘性土区别于砂土的重要特征。可塑性的大小用土处在塑性状态的含水量变化范围来衡量，粘性土由一种状态过渡到另一种状态的分界含水量叫作界限含水量，也称为阿太堡界限，有缩限含水量、塑限含水量、液（流）限含水量、粘限含水量、浮限含水量五种，在建筑工程中常用前三种含水量。固态与半固态间的界限含水量称为缩限含水量，简称缩限，用ω表示。半固态与可塑状态间的含水量称为塑限含水量，简称塑限，用ωp表示。可塑状态与流动状态间的含水量称为液（流）限含水量，简称液限，用ωl表示。含水量用百分数表示。天然含水量大于液限时土体处于流动状态；天然含水量小于缩限时，土体处于固态；天然含水量大于缩限小于塑限时，土体处于半固态；天然含水量大于塑限小于液限时，土体处于可塑状态。

塑性指数习惯上用不带%的数值表示。塑性指数是粘土的最基本、最重要的物理指标之一，它综合地反映了粘土的物质组成，广泛应用于土的分类和评价。

因素

由于塑性指数在一定程度上综合反映了影响粘性土特征的各种重要因素。塑性指数愈大，表明土的颗粒愈细，比表面积愈大，土的粘粒或亲水矿物（如蒙脱石）含量愈高，土处在可塑状态的含水量变化范围就愈大。也就是说塑性指数能综合地反映土的矿物成分和颗粒大小的影响。因此，在工程上常按塑性指数对黏性土进行分类。粉土为塑性指数小于等于10且粒径大于0.075的颗粒含量不超过总质量50%的土；黏性土为塑性指数大于10且粒径大于0.075的颗粒含量不超过总质量50%的土，其中：

Ip>17 黏土

Ip>10 粉质黏土

Ip<10或Ip=10 粉土

对黏性土来说，有一个指标叫液性指数，是判断土的软硬状态，表示天然含水率与界限含水率相对关系的指标。

液性指数公式

IL=(ω-ωp)/(ωL-ωp)。

ω：土的实际含水量

ωp：塑性界限含水量，即粘性土处于塑性状态与半固体状态之间的界限含水量ωL：粘性土处于液态与塑性状态之间的界限含水量

液性指数≤0 坚硬；0< 液性指数≤0.25 硬塑；0.25< 液性指数≤0.75 可塑；

0.75<液性指数≤1 软塑；液性指数>1 流塑。

液性指数与土的类别及含水量有关，同一种土，含水量越大则液性指数越大，土质越软。

粘性土有缩限、塑限和液限等几个分界线，当含水量小于缩限时土体处于固态，且体积不再再发生变化，当处于缩限和塑限之间时土体体积随含水量减小体积变化，仍处于固态，当土体含水量处于塑限和液限之间时，土体具有可塑性，即可以塑造出各种形状，当土体含水量大于液限时，土体处于流动状态，即土体具有可流动性。分别对应上面的坚硬、硬塑、可塑和软塑、流塑。

3、液限wl

概述

土从流动状态转变为可塑状态的界限含水率称为液限，用wL表示，我国采用锥式液限仪来测定。其工作过程是：将粘性土调成均匀的浓糊状，装满盛土杯，刮平杯口表面，将76克重圆锥体轻放在试样表面的中心，使其在自重作用下徐徐沉入试样，若圆锥体经5秒种恰好沉入10mm深度，这时杯内土样的含水量就是液限wL值。为了避免放锥时的人为晃动影响，可采用电磁放锥的方法。

4、塑限wp

搓滚法测塑限

土从可塑状态转变为半固体状态的界限含水率称为塑限，用wp表示，用搓滚法测定。即将土先调匀成硬塑状态，然后在毛玻璃板上再用手掌慢慢搓滚成细条，用力均匀，当土条搓成直径正好为3mm时产生横向裂缝并开始断裂，此时土条的率就是塑限wp值。

5、孔隙比

void ratio;pore space ratio 定义：土体中空隙体积与固体颗粒体积之比值。

6、压缩系数（coefficient of compressibility）

是描述物体压缩性大小的物理量。

通常可将常规压缩试验所得的e-p数据采用普通直角坐标绘制成e-p曲线，如图4-1所示。设压力由p1增至p2，相应的孔隙比由e1减小到e2，当压力变化范围不大时，可将M1M2一小段曲线用割线来代替，用割线M1M2的斜率来表示土在这一段压力范围的压缩性，即：

式中a 为压缩系数，MPa^(-1)；压缩系数愈大，土的压缩性愈高。

从图4-1可以看出，压缩系数a值与土所受的荷载大小有关。工程中一般采用100～200 kPa压力区间内对应的压缩系数a1-2来评价土的压缩性。即a1-2<0.1 MPa^(-1)属低压缩性土；

0.1 MPa^(-1)≤a1-2<0.5 MPa^(-1)属中压缩性土；

a1-2≥0.5 MPa^(-1)属高压缩性土。

7、压缩模量

压缩模量

modulus of compressibility

土试样在压缩试验条件下，竖向应力与竖向应变之比。

物体在受三轴压缩时应力与应变的比值。实验上可由应力-应变曲线起

压缩模量模型

始段的斜率确定。径向同性材料的压缩模量值常与其杨氏模量值近似相等。

土的压缩模量指在侧限条件下土的垂直向应力与应变之比，是通过室内试验得到的，是判断土的压缩性和计算地基压缩变形量的重要指标之一。

8、粘聚力cohesion

粘聚力又叫内聚力，是在同种物质内部相邻各部分之间的相互吸引力，这种相互吸引力是同种物质分子之间存在分子力的表现。只有在各分子十分接近时（小于10e-6厘米）才显示出来。粘聚力能使物质聚集成液体或固体。特别是在与固体接触的液体附着层中，由于粘聚力与附着力相对大小的不同，致使液体浸润固体或不浸润固体。

9、内摩擦角(angle of internal friction)

岩体在垂直重力作用下发生剪切破坏时错动面的倾角

概念

作为岩(土)体的两个重要参数之一的内摩擦角，是土的抗剪强度指标，是工程设计的重要参数。土的内摩擦角反映了土的摩擦特性，一般认为包含两个部分：土颗料的表面摩擦力，颗粒间的嵌入和联锁作用产生的咬合力。

内摩擦角是土力学上很重要的一个概念。内摩擦角最早出现在库仑公式中，也就是土体强度决定于摩擦强度和粘聚力，摩擦强度又分为滑动摩擦和咬合摩擦，两者共同概化为摩擦角。

表达式

经典的表达式就是库伦定律τ=σtanφ+c

其中，对于黏性土，c不为0，对于砂土，c为0，φ、c可以通过三轴试验得出，（或直剪）。在不同围压下，得到破坏时的最大主应力和最小主应力，做出应力圆，至少在三种不同的围压下，这样可以做出三个应力圆，作三个圆的公切线，斜率即为内摩擦角。

内摩擦角在力学上可以理解为块体在斜面上的临界自稳角，在这个角度内，块体是稳定的；大于这个角度，块体就会产生滑动。利用这个原理，可以分析边坡的稳定性。

反映内容

内摩擦角是反映散粒物料间摩擦特性和抗剪强度，它是确定物料仓仓壁压力以及设计重力流动的料仓和料斗的重要设计参数。如果把散粒物料看成一个整体，在其内部任意处取出一单元体，此单元体单位面积上的法向压力可看作该面上的压应力，单位面积上的剪切力可看作该面上的剪应力。物料沿剪切力方向发生滑动，可以认为整体在该处发生流动或屈服。即散粒物料的流动可以看成与固体剪切流动破坏现象相类似。这样，就可以应用莫尔强度理论来研究散粒物料的抗剪强度，进而得出确定内摩擦角的理论和方法。

计算方法

根据莫尔理论，如果散粒物料在二向应力作用下沿着某一个平面产生破坏，则在

这个平面内存在着一定的正应力σ和剪应力τ的组合。破坏平面内的正应力σ和剪应力τ可由力平衡求出

σ= σ1cosθ+σ3sinθ

τ= （σ1-σ3）cosθsinθ

式中σ1——最大主应力；σ3——最小主应力；θ——破坏平面和最大主应力平面之间的夹角；

对同一种物料在不同的σ3 情况下作试验，可得出散粒物料发生破坏时的一系列σ1 。莫尔圆和莫尔包络线相切的点表示散粒物料产生破坏时的平面方位及平面上的应力状态，它表示了散粒物料的强度条件。

莫尔包络线可用下式表示为

τ= c+σtanφi

式中τ——散粒体抗剪强度；

c——散粒体粘聚力；

σ——破坏平面上的正应力；

φi——内摩擦角。

莫尔包络线和水平线的夹角即为散粒物料的内摩擦角φi.莫尔包络线即表示散粒物料的剪切强度。如果表示物料内某点应力状态的莫尔圆落到莫尔包络线以下，则这个点的剪切应力是小于剪切强度，散粒物料不可能产生破坏和流动。莫尔包络线相切的任意莫尔圆表示一个非稳定状态。在非稳定状态时，用切点表示的平面上可能出现破坏。散粒体的剪切强度和内摩擦角可直接用图解法求出。它们的数值也可用莫尔圆方程直接求出。

测定方法

为了测定散粒物料的内摩擦角，必须首先通过试验确定这种物料的莫尔包络线。目前，农业散粒物料的莫尔包络线可采用两种测定方法。

1．三轴压缩试验

三轴压缩试验装置简图如图所示，它是利用研究土壤剪切特性的装置发展起来的。采用此装置作散粒物料如谷粒的剪切试验时，将预先压实的谷粒控封闭在橡胶薄膜中，并放进压缩室。压缩室内逐渐升压到预定的压力‘“轴向裁荷通过万能试验机或其它加裁装置施加到谷粒柱上。这样，谷粒柱在径向受到空气压力σ3 的压缩，在铀向受压缩空气压力和轴向载荷的共同作用，破坏时的σ1 值可通过记录仪测得。重复以上程

序，即可得到不同的σ3 值时谷粒拄破坏的主应力σ1 值，从而得出了散粒物料在一定压实状态下的莫尔包络线。

2．直接剪切试验

直接剪切试验可在图所示的剪切仪上进行。剪切仪由剪切槽、加载装置和记录仪三个基本部分组成。剪切槽包括底座、剪切环和顶盖。法向压力利用垂直作用的压实裁荷，剪切作用力通过电或机械传动装置施加于剪切环。传动装置上装有力传感器或测力计，用于测量作用在底座和剪切环间接触平面内的剪应力。

一些农业物料的内摩擦角的数值如下表。

最新数据参看《粮食平房仓设计规范》

休止角与内摩擦角的区别与联系：

(1)休止角和内摩擦角都反映了散粒物料的内摩擦特性；

(2)休止角和内摩擦角两者概念不同。内摩擦角反映散粒物料层间的摩擦特性，休止角则表示单粒物料在物料堆上的滚落能力，是内摩擦特性的外观表现；

(3) 数值不同。对质量和含水率近似的同类物料，休止角始终大于内摩擦角，且都大于滑动摩擦角。对于缺乏粘聚力的散粒物料如砂子等，其休止角等于内摩擦角。

10、回弹指数swelling index

土试样在压缩试验条件下，卸荷回弹所得的孔隙比与有效压力对数值关系曲线的斜率。