第一章土的物理性质和工程分类

1、是力学的一个分支，是以是力学的一个分支，是以土土为研究对象的学科。为研究对象的学科。研究内容研究内容：通过研究土的物理、力学、物理化学性质及微观结构，进一步认通过研究土的物理、力学、物理化学性质及微观结构，进一步认识土和土体在荷载、水、温度等外界因素作用下的反应特性即土识土和土体在荷载、水、温度等外界因素作用下的反应特性即土的压缩性、剪切性、渗透性及动力特性。的压缩性、剪切性、渗透性及动力特性。需要研究和解决的工程中的三大类问题：需要研究和解决的工程中的三大类问题：n 土体土体变形问题变形问题；n 土体土体稳定或强度问题稳定或强度问题；n 土体土体渗透变形与渗透稳定渗透变形与渗透稳定。绪绪 论

2、论1.什么是土什么是土?2.土有哪些特点土有哪些特点?3.土力学有何特点土力学有何特点?4.为什么要学习土力学为什么要学习土力学?5.土力学包括哪些内容土力学包括哪些内容?地球颗粒堆积物颗粒堆积物地球绪论绪论1.什么是土？什么是土？地表的整体岩石，经过物理、化学和生物风化作用后形成地表的整体岩石，经过物理、化学和生物风化作用后形成的产物，再经搬运、沉积而成的成分、大小和组成不同的的产物，再经搬运、沉积而成的成分、大小和组成不同的松散颗粒集合体。松散颗粒集合体。量变量变质变质变无粘性土无粘性土原生矿物原生矿物粘性土粘性土次生矿物次生矿物动植物的活动动植物的活动有机质有机质风化风化物理风化物理风化

3、 化化学风化学风化 生物风化生物风化岩石和土的粗颗粒受各种气候因素的影响产生胀缩而岩石和土的粗颗粒受各种气候因素的影响产生胀缩而发生裂缝发生裂缝, ,或在运动过程中因碰撞和摩擦而破碎。或在运动过程中因碰撞和摩擦而破碎。母岩表面和碎散的颗粒受环境因素的作用而改变其矿母岩表面和碎散的颗粒受环境因素的作用而改变其矿物的化学成分，形成新的矿物。物的化学成分，形成新的矿物。绪论绪论土质较好土质较好颗粒表面粗糙颗粒表面粗糙多棱角多棱角粗细不均粗细不均无层理无层理母岩表层经风化作用破碎成岩屑或细小颗粒后，母岩表层经风化作用破碎成岩屑或细小颗粒后，未经搬运残留在原地的堆积物。未经搬运残留在原地的堆积物。风化所

4、形成的土颗粒，受自然力的作用搬运到远风化所形成的土颗粒，受自然力的作用搬运到远近不同的地点所沉积的堆积物。近不同的地点所沉积的堆积物。 搬运与沉积搬运与沉积绪论绪论风：风：风积土风积土重力重力: : 坡积土坡积土 流水流水: :洪积土洪积土冲积土冲积土湖泊沼泽沉积土湖泊沼泽沉积土海相沉积物海相沉积物冰川冰川: : 冰碛土冰碛土土粒粗细不同，性质不均匀土粒粗细不同，性质不均匀有分选性，近粗远细有分选性，近粗远细浑圆度分选性明显，土层交迭浑圆度分选性明显，土层交迭含有机物淤泥，土性差含有机物淤泥，土性差颗粒细，表层松软，土性差颗粒细，表层松软，土性差土粒粗细变化较大，性质不均匀土粒粗细变化较大，性

5、质不均匀颗粒均匀，层厚而不具层理颗粒均匀，层厚而不具层理绪论绪论运积土运积土（有搬运）（有搬运）碎散性碎散性非连续介质非连续介质受力以后易变形受力以后易变形体积变化主要是孔隙变化体积变化主要是孔隙变化剪切变形主要由颗粒相对位移引起剪切变形主要由颗粒相对位移引起强度低强度低岩石风化的产物岩石风化的产物绪论绪论2.土有哪些特点土有哪些特点? 碎散性碎散性多相介质多相介质三相体系三相体系受力后由土骨架、孔隙共同承担受力后由土骨架、孔隙共同承担存在复杂的相互作用存在复杂的相互作用孔隙流体流动孔隙流体流动固相固相土骨架土骨架液相液相水水气相气相空气空气绪论绪论2.土有哪些特点土有哪些特点? 三相体系三相

6、体系天然性天然性( (自然变异性自然变异性) )自然界的产物自然界的产物碎散性碎散性三相性三相性天然性天然性 强度特性强度特性 变形特性变形特性 渗透特性渗透特性力学特性复杂力学特性复杂绪论绪论2.土有哪些特点土有哪些特点? 天然性天然性3.土力学有何特点土力学有何特点?土力学：土力学：研究土的物理性质、研究土的物理性质、土的变形、强度和渗透特性土的变形、强度和渗透特性以及与此有关的工程问题以及与此有关的工程问题的一门学科。的一门学科。学科学科研究对象研究对象理论力学理论力学质点或刚体质点或刚体材料力学材料力学单个弹性杆件（杆、轴、梁）单个弹性杆件（杆、轴、梁）连续固体连续固体结构力学结构力学

7、若干弹性杆件组成的杆件结构若干弹性杆件组成的杆件结构弹性力学弹性力学弹性实体结构或板壳结构弹性实体结构或板壳结构水水 力力 学学不可压缩的连续流体（水）不可压缩的连续流体（水）连续流体连续流体天然的三相碎散堆积物天然的三相碎散堆积物碎散材料碎散材料绪论绪论4.为什么要学习土力学为什么要学习土力学?土具有广泛的工程应用土具有广泛的工程应用存在大量与土有关的工程问题存在大量与土有关的工程问题 土工建筑材料土工建筑材料 建筑物基础地基建筑物基础地基 建筑环境建筑环境 强度问题强度问题 变形问题变形问题 渗透问题渗透问题绪论绪论强度问题强度问题加拿大特朗斯康谷仓加拿大特朗斯康谷仓事故：事故：19131

8、913年年9 9月装谷物，月装谷物，1010月月1717日装了日装了3182231822谷物时，谷物时，1 1小时竖向沉降达小时竖向沉降达30.5cm30.5cm2424小时倾斜小时倾斜26265353西端下沉西端下沉7.32m7.32m 东端上抬东端上抬1.52m1.52m上部钢混筒仓完好无损上部钢混筒仓完好无损与土有关的工程问题与土有关的工程问题绪论绪论处理：处理：事后在下面做了七十多个事后在下面做了七十多个支撑于基岩上的混凝土墩，使用支撑于基岩上的混凝土墩，使用388388个个50t50t千斤顶以及支撑系统，千斤顶以及支撑系统，把仓体逐渐纠正过来，其位置比把仓体逐渐纠正过来，其位置比原来

9、降低了米。原来降低了米。原因：原因：地基土事先未进行调地基土事先未进行调查，据邻近结构物基查，据邻近结构物基槽开挖取土试验结果，槽开挖取土试验结果，计算地基承载力应用计算地基承载力应用到此谷仓。到此谷仓。19521952年经年经勘察试验与计算，地勘察试验与计算，地基实际承载力小于破基实际承载力小于破坏时的基底压力。坏时的基底压力。谷仓地基因超载发生谷仓地基因超载发生强度破坏而滑动。强度破坏而滑动。2653失事后1913.10.181952.10.5 试验孔填土褐色粉质粘土灰色粉质粘土-0.61-12.34-13.72-4.271952.10.3 试验孔加拿大特朗斯康谷仓：加拿大特朗斯康谷仓：失

10、事原因及处理措施失事原因及处理措施与土有关的工程问题与土有关的工程问题绪论绪论比萨比萨 (Pisa) 斜塔斜塔绪论绪论比萨斜塔是意大利比萨斜塔是意大利比萨比萨城大教堂的独城大教堂的独立式钟楼，位于立式钟楼，位于比比萨大教堂萨大教堂的后面的后面 钟楼始建于钟楼始建于1173年，年，设计为垂直建造，但设计为垂直建造，但是在工程开始后不久是在工程开始后不久便由于地基不均匀和便由于地基不均匀和土层松软而倾斜土层松软而倾斜 绪论绪论变形问题变形问题比萨斜塔比萨斜塔目前：目前：塔向南倾斜，南北两端沉降差塔向南倾斜，南北两端沉降差1.80m1.80m，塔顶离中心线已达塔顶离中心线已达5.27m5.27m，倾

11、斜，倾斜5.55.513601360：再复工，至再复工，至13701370年竣工，全塔共年竣工，全塔共8 8层，层，高度为高度为55m55m12721272：复工，经复工，经6 6年，至年，至7 7层，高层，高48m48m，再停工，再停工11781178：至至4 4层中，高约层中，高约29m29m，因倾斜停工，因倾斜停工11731173：动工动工与土有关的工程问题与土有关的工程问题绪论绪论比萨斜塔：比萨斜塔：失事原因及处理措施失事原因及处理措施1838-18391838-1839：挖环形基坑卸载挖环形基坑卸载1933-19351933-1935：基坑防水处理基坑防水处理 基础环灌浆加固基础环灌

12、浆加固19901990年年1 1月月: : 封闭封闭19921992年年7 7月：月：加固塔身，用压重法和加固塔身，用压重法和 取土法进行地基处理取土法进行地基处理目前目前: : 已向游人开放已向游人开放原因原因：持力层为粉砂，下面为粉土和粘土层，模量较低，变形较大。：持力层为粉砂，下面为粉土和粘土层，模量较低，变形较大。与土有关的工程问题与土有关的工程问题绪论绪论渗透问题渗透问题九江大堤决口九江大堤决口19981998年年8 8月月7 7日日13:1013:10发生管涌发生管涌险情，险情，2020分钟后，在堤外迎水分钟后，在堤外迎水面找到面找到2 2处进水口。处进水口。又过又过2020分钟，

13、防水墙后的土堤分钟，防水墙后的土堤突然塌陷出突然塌陷出1 1个洞，个洞，5 m5 m宽的堤宽的堤顶随即全部塌陷，并很快形成顶随即全部塌陷，并很快形成一宽约一宽约62m62m的溃口。的溃口。溃口原因：溃口原因：堤基管涌堤基管涌与土有关的工程问题与土有关的工程问题绪论绪论堤基管涌堤基管涌管涌：管涌：在渗流作用下，无粘性土体中的细小颗粒，通在渗流作用下，无粘性土体中的细小颗粒，通过土的孔隙，发生移动或被水流带出的现象。过土的孔隙，发生移动或被水流带出的现象。长江堤防工程堤基管涌发生发展过程示意图长江堤防工程堤基管涌发生发展过程示意图砂砂环环管管涌涌口口粘性土粘性土砂性土砂性土渗水渗水杂填土杂填土与土

14、有关的工程问题与土有关的工程问题绪论绪论 2010年年8月月8日舟曲泥石流日舟曲泥石流绪论绪论舟曲泥石流舟曲泥石流绪论绪论舟曲发生泥石流的主要因素：舟曲发生泥石流的主要因素：是三眼峪沟内部有是三眼峪沟内部有滑坡、崩塌滑坡、崩塌等大量的松散固体物质存等大量的松散固体物质存在，为泥石流的发生提供了充分的物质条件，其中多数为在，为泥石流的发生提供了充分的物质条件，其中多数为1879年年7月月1日甘肃文县日甘肃文县8级地震所诱级地震所诱 发。同时舟曲位于龙发。同时舟曲位于龙门山地震活动带北缘，又临近天水地震活动带，此前也曾受门山地震活动带北缘，又临近天水地震活动带，此前也曾受汶川地震波及，汶川地震波及

15、，土质相对疏松，一遇强降雨容易形成泥石流。土质相对疏松，一遇强降雨容易形成泥石流。是三眼峪沟流域上游植被以幼林为主，灌草比例高，局是三眼峪沟流域上游植被以幼林为主，灌草比例高，局部裸露，储水能力较弱，在经历今年入夏以来长时间严重干部裸露，储水能力较弱，在经历今年入夏以来长时间严重干旱后，表层土变得更加干松。旱后，表层土变得更加干松。是在近期强降雨作用下，土体强度极大地降低，是在近期强降雨作用下，土体强度极大地降低，形成坡形成坡面泥石流，并逐步带动沟坡崩滑岩土形成冲击力巨大的泥石面泥石流，并逐步带动沟坡崩滑岩土形成冲击力巨大的泥石流，在从中上游汇流至中下游过程中，使得因地震形成的天流，在从中上游

16、汇流至中下游过程中，使得因地震形成的天然堆石坝逐级溃决，并最终导致泥石流流量的增大和破坏力然堆石坝逐级溃决，并最终导致泥石流流量的增大和破坏力的增强。的增强。绪论绪论该城市人口密集。该城市人口密集。1850年开始抽取地下水，年开始抽取地下水，18911973年，整个年，整个老城下沉达老城下沉达8.7m造成地面道路、建筑及其他建筑设施的破坏。造成地面道路、建筑及其他建筑设施的破坏。墨墨西西哥哥城城的的下下沉沉土层中地下水位的下降，使有效应力增加，使地基进一步固结沉降。土层中地下水位的下降，使有效应力增加，使地基进一步固结沉降。绪论绪论 第一章第一章 土的物理性质土的物理性质指标指标与工程分类与工

17、程分类 第二章第二章 土体应力计算土体应力计算 第三章第三章 土的渗透性土的渗透性 第四章第四章 土的压缩与固结土的压缩与固结 第五章第五章 土的抗剪强度土的抗剪强度 第六章第六章 挡土结构物挡土结构物上的上的土压力土压力 第七章第七章 边边坡稳定分析坡稳定分析 第八章第八章 地基承载力地基承载力 基础基础预备预备渗透特性渗透特性变形特性变形特性强度特性强度特性具体应用具体应用绪论绪论5.土力学包括哪些内容土力学包括哪些内容?本章主要内容本章主要内容v1.1 土的生成土的生成v1.2 土的三相组成土的三相组成v1.3 土的结构、构造土的结构、构造v1.4 土的三相物理性质指标的测定及计算土的三

18、相物理性质指标的测定及计算v1.5 无粘性土的特性无粘性土的特性v1.6 粘性土的特性粘性土的特性v1.7土的工程分类土的工程分类第第1章章 土的物理性质及工程分类土的物理性质及工程分类土的物理状态指标对土的特点进行详细解释和定量描述对土的特点进行详细解释和定量描述本章特点本章特点: : 看起来零散看起来零散学习要点学习要点: : 理清理清 各节间联系各节间联系 各节内层次各节内层次 1 1.1 .1 土的生成土的生成 风化、搬运、堆积 岩石 土 压密、岩化一、土的概念一、土的概念土：土： 覆盖在地表上的碎散矿物集合体。覆盖在地表上的碎散矿物集合体。岩石：构成地壳的基本物质，是一种或多种矿物的

19、聚合体。岩石：构成地壳的基本物质，是一种或多种矿物的聚合体。 统称为大自然的产物统称为大自然的产物土是岩石经过风化后在不同条件下形成的自然历史的产物土是岩石经过风化后在不同条件下形成的自然历史的产物土从其堆积或沉积的条件来看可分为：土从其堆积或沉积的条件来看可分为：沼泽土冰碛土风积土河流冲积土运积土残积土土残积土残积土：岩石风化后仍留在原地的堆积物。特点是湿热：岩石风化后仍留在原地的堆积物。特点是湿热地带，粘土，深厚，松软，易变；地带，粘土，深厚，松软，易变； 寒冷地带，岩块或砂寒冷地带，岩块或砂，物理风化，稳定。，物理风化，稳定。运积土运积土：岩石风化后经流水、风和冰川以及人类活动等：岩石风

20、化后经流水、风和冰川以及人类活动等搬运离开生成地点后再沉积下来的堆积物。又分为冲积搬运离开生成地点后再沉积下来的堆积物。又分为冲积土、风积土、冰碛土和沼泽土等。土、风积土、冰碛土和沼泽土等。)(沼泽土有机土冰碛土风积土冲积土运积土残积土无机土土1 1.1 .1 土的生成土的生成气相固相液相+构成土骨架，起决定作用构成土骨架，起决定作用重要影响重要影响土体次要作用次要作用 1 1.2 .2 土的三相组成土的三相组成土是固体颗粒、水和空气的混合物，是一个多相、土是固体颗粒、水和空气的混合物，是一个多相、分散、多孔的系统，常称土为分散、多孔的系统，常称土为三相体系三相体系。 固相固相：土的颗粒、粒间

21、胶结物；：土的颗粒、粒间胶结物； 液相液相：土体孔隙中的水；：土体孔隙中的水； 气相气相：孔隙中的空气。：孔隙中的空气。1 1.2 .2 土的三相组成土的三相组成当土骨架的孔隙全部被水占满时，这种土称为当土骨架的孔隙全部被水占满时，这种土称为饱和土饱和土；当土骨架的孔隙仅含空气时，就成为当土骨架的孔隙仅含空气时，就成为干土干土；一般在地下水位以上地面以下一定深度内的土的孔隙中一般在地下水位以上地面以下一定深度内的土的孔隙中兼含空气和水，此时的土体属三相系，称为兼含空气和水，此时的土体属三相系，称为湿土湿土。根据土的粘性分：根据土的粘性分：粘性土粘性土：颗粒很细；：颗粒很细；无粘性土无粘性土：颗

22、粒较粗，甚至很大。砂、碎石、甚：颗粒较粗，甚至很大。砂、碎石、甚 至堆石（直径几十至堆石（直径几十cm甚至甚至1m）1 1.2 .2 土的三相组成土的三相组成物理状态力学特性一、土的固相一、土的固相 土的固相物质包括无机矿物颗粒和有机质，是构土的固相物质包括无机矿物颗粒和有机质，是构成土的骨架最基本的物质，称为土粒。对土粒应从其成土的骨架最基本的物质，称为土粒。对土粒应从其 来描述。来描述。矿物成分矿物成分 颗粒级配颗粒级配 颗粒形状颗粒形状 1 1.2 .2 土的三相组成土的三相组成蒙脱石石英、长石、云母等石英、长石、云母等原生矿物原生矿物主要是粘土矿物主要是粘土矿物,包括三种类型包括三种类

23、型次生矿物次生矿物伊利石高岭石（一）（一） 矿物成分矿物成分岩浆在冷凝过程中形成的矿物岩浆在冷凝过程中形成的矿物原生矿物经过风化作用后形成的新矿物原生矿物经过风化作用后形成的新矿物1 1.2 .2 土的三相组成土的三相组成圆状、浑圆状、棱角状圆状、浑圆状、棱角状原生矿物原生矿物针状、片状、扁平状针状、片状、扁平状次生矿物次生矿物1.1.11.1.1土的固相土的固相1.11.1土的三相组成土的三相组成1 1土的组成和物理性质土的组成和物理性质颗粒形状颗粒形状（二）土粒的大小和土的级配（二）土粒的大小和土的级配土的粒度成分（粒径级配）土的粒度成分（粒径级配）粒径粒径：土颗粒的大小，以其直径大小来表

24、示。单位：土颗粒的大小，以其直径大小来表示。单位mm粒组粒组：把工程性质相近的土粒合并为一组；某粒组的土：把工程性质相近的土粒合并为一组；某粒组的土粒含量定义为该粒组的土粒质量与干土总质量之比。粒含量定义为该粒组的土粒质量与干土总质量之比。土的级配土的级配：土中各种大小的粒组中土粒的相对含量随着土中各种大小的粒组中土粒的相对含量随着颗粒大小的不同，土的性质可以有很大的差异。因此，颗粒大小的不同，土的性质可以有很大的差异。因此，人们常常按照粒径的范围，将土粒分为若干组，粒组之人们常常按照粒径的范围，将土粒分为若干组，粒组之间的分界尺寸称为界限粒径。表间的分界尺寸称为界限粒径。表1-1是国内常用的

25、一种是国内常用的一种粒组划分。粒组划分。1 1.2 .2 土的三相组成土的三相组成 指大小相近的土粒。指大小相近的土粒。人为划定。按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类。人为划定。按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类。要求粒组划分与粒组的性质变化相适应。要求粒组划分与粒组的性质变化相适应。 粒组粒组表表1-1 1-1 粒组划分标准粒组划分标准岩土工程勘察规范岩土工程勘察规范GB50021-2001GB50021-2001建筑地基基础设计规范建筑地基基础设计规范GB5007-2002GB5007-20021 1.2 .2 土的三相组成土的三相组成土土 粒粒 粒粒 组组 的的 划划 分分 表表1-1

26、粒粒 组组 名名 称称粒径范围粒径范围(mm) 一一 般般 特特 征征漂石或块石漂石或块石卵石或碎石卵石或碎石 20020060透水性很大，无粘性，无毛细水透水性很大，无粘性，无毛细水 粗粗 中中 细细602020552透水性大，无粘性，毛细水上升高度不透水性大，无粘性，毛细水上升高度不超过粒径大小超过粒径大小 粗粗 中中 细细 20.50.50.250.250.075易透水，当混入云母等杂质时透水性减易透水，当混入云母等杂质时透水性减小，而压缩性增加，无粘性，遇水不膨小，而压缩性增加，无粘性，遇水不膨胀，干燥时松散；毛细水上升高度不大，胀，干燥时松散；毛细水上升高度不大，但随粒径变小而增大但

27、随粒径变小而增大0.0750.005透水性小，湿时稍有粘性，遇水膨胀小，透水性小，湿时稍有粘性，遇水膨胀小，干时稍有收缩；毛细水上升高度较大较干时稍有收缩；毛细水上升高度较大较快，极易出现冻胀现象快，极易出现冻胀现象粘粘 粒粒 0.075mm 密度计法密度计法：粒径：粒径0.075mm 联合测定联合测定：既有粒径：既有粒径0.075mm 1 1.2 .2 土的三相组成土的三相组成1.筛分法筛分法利用一套孔径由大到小的筛子，将按规定方利用一套孔径由大到小的筛子，将按规定方法取得的一定质量的干试样放入一次叠好的法取得的一定质量的干试样放入一次叠好的筛中，置振筛机上充分振摇后，称出留在各筛中，置振筛

28、机上充分振摇后，称出留在各级筛上的土粒的质量，按下式计算出小于某级筛上的土粒的质量，按下式计算出小于某土粒粒径的土粒含量百分数土粒粒径的土粒含量百分数X（）（） （1-1）式中：式中：mi 小于某粒径的土粒质量小于某粒径的土粒质量 m 试样总质量试样总质量100mmXi1 1.2 .2 土的三相组成土的三相组成利用一套孔径由大到小的筛子，将事先称过质利用一套孔径由大到小的筛子，将事先称过质量的干试样放入筛中，经过充分震摇后，把留量的干试样放入筛中，经过充分震摇后，把留在各级筛上的土粒分别称量，算出小于某粒径在各级筛上的土粒分别称量，算出小于某粒径的土粒含量，用以确定土中各粒组的土粒含量的土粒含

29、量，用以确定土中各粒组的土粒含量 。筛分法筛分法1 1.2 .2 土的三相组成土的三相组成土样筛土颗粒筛分1 1.2 .2 土的三相组成土的三相组成105.02.01.00.50.250.1200g101618242238721009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数小于某粒径之土质量百分数P（）（）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径粒径(mm)P%958778665536土的粒径级配累积曲线土的粒径级配累积曲线水分法水分法粒径粒径(mm)(mm)0.050.010.005百分数百分数P(%)P(%)2613.5101 1.2 .2

30、 土的三相组成土的三相组成StokesStokes定律：定律：球状的细颗粒在水中的球状的细颗粒在水中的下沉速度与颗粒直径的平方成正比。下沉速度与颗粒直径的平方成正比。将一定质量土浸入水中搅拌成悬液，将一定质量土浸入水中搅拌成悬液，搅拌停止后，土粒开始下沉，悬液的搅拌停止后，土粒开始下沉，悬液的浓度随之发生变化。利用特制的密度浓度随之发生变化。利用特制的密度计，在不同时刻测悬液浓度的变化。计，在不同时刻测悬液浓度的变化。即可换算出相应的粒径及小于该粒径即可换算出相应的粒径及小于该粒径的土粒质量，绘出级配曲线。的土粒质量，绘出级配曲线。 比重计法比重计法移液管法移液管法沉降分析法沉降分析法2.密度

31、计法密度计法用于分析粒径小于用于分析粒径小于0.1mm（0.075mm）的土，根据土）的土，根据土粒沉降速度与其直径平方成正比，粗颗粒下沉速度快粒沉降速度与其直径平方成正比，粗颗粒下沉速度快，细颗粒下沉速度慢的原理（斯托克斯原理），可以，细颗粒下沉速度慢的原理（斯托克斯原理），可以把颗粒按下沉速度进行粗细分组。实验室常用比重计把颗粒按下沉速度进行粗细分组。实验室常用比重计来进行细粒土的粒径分析，称为密度计法。来进行细粒土的粒径分析，称为密度计法。1 1.2 .2 土的三相组成土的三相组成密度计3.土的级配曲线土的级配曲线 图图1-1 1-1 颗粒分析试验曲线颗粒分析试验曲线1 1.2 .2 土

32、的三相组成土的三相组成试验结果绘制在半对数纸上试验结果绘制在半对数纸上纵坐标：纵坐标：小于某粒径的土粒含量小于某粒径的土粒含量横坐标：横坐标：使用对数尺度表示土的粒径，可以把粒径使用对数尺度表示土的粒径，可以把粒径相差上千倍的粗粒都表示出来，尤其能把占总重量相差上千倍的粗粒都表示出来，尤其能把占总重量少，但对土的性质可能有总要影响的颗粒部分清楚少，但对土的性质可能有总要影响的颗粒部分清楚地表达出来地表达出来 。 累积曲线法累积曲线法(四四)颗粒分析试验曲线的颗粒分析试验曲线的主要用途主要用途按粒径分布曲线可求得：按粒径分布曲线可求得：（1）土中各粒组的土粒含量，用于）土中各粒组的土粒含量，用于

33、粗粒土的分类和大致评粗粒土的分类和大致评估土的工程性质估土的工程性质；（2）某些特性粒径，用于）某些特性粒径，用于建筑材料的选择和评价土级配的建筑材料的选择和评价土级配的好坏好坏。根据某些特征粒径，可得到两个有用的指标，即根据某些特征粒径，可得到两个有用的指标，即不均匀系数不均匀系数CuCu和和曲率系数曲率系数CcCc，它们的定义为：它们的定义为： （12）1060ddCu1 1.2 .2 土的三相组成土的三相组成 (13)式中：式中：d10，d30和和d60为粒径分布曲线上小于某粒径的土粒含量分为粒径分布曲线上小于某粒径的土粒含量分别为别为10，30和和60时所对应的粒径。时所对应的粒径。d

34、10称为称为有效粒径有效粒径； d60称为称为限制粒径限制粒径。土的级配的好坏可由土中的土的级配的好坏可由土中的土粒均匀程度土粒均匀程度和和粒径分布曲线的形状粒径分布曲线的形状来决定，而土粒的均匀程度和曲线的形状又可用来决定，而土粒的均匀程度和曲线的形状又可用不均匀系数不均匀系数和和曲曲率系数率系数来衡量。来衡量。Cu小，曲线陡；小，曲线陡； Cu大，易压密；大，易压密；Cc过大，台阶在过大，台阶在d10d30间；间； Cc过小，台阶在过小，台阶在d30d60间；间；规范：纯净砾、砂，规范：纯净砾、砂，Cu=5，且且Cc=13时，级配良好，否则，时，级配良好，否则，不良。不良。6010230d

35、ddCc1 1.2 .2 土的三相组成土的三相组成105.02.01.00.50.250.1200g101618242238721009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数小于某粒径之土质量百分数P P（）（）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径粒径(mm)(mm)P%100958778665536作用：作用：1）确定土的名称）确定土的名称 2）确定土的级配优劣）确定土的级配优劣土的颗粒级配累积曲线土的颗粒级配累积曲线d60d10d30CuCc0.33 0.005 0.063662.41d d6060 : : 限制粒径限制粒径d d10

36、 10 : : 有效粒径有效粒径d d3030 : : Cu = d60 / d10 C Cu u 5,5,级配不均匀级配不均匀特征粒径特征粒径 不均匀系数不均匀系数1001009090808070706060505040403030202010100 0小于某粒径之土质量百分数（）小于某粒径之土质量百分数（）10105.05.01.01.00.50.50.100.100.050.050.010.010.0050.0050.0010.001粒径粒径(mm)(mm)土的粒径级配累积曲线土的粒径级配累积曲线d60d10d30曲线曲线d d6060d d1010d d3030C Cu uC Cc c

37、L L0.330.33 0.0050.0050.0810.08166663.983.98M M0.0630.0632.412.41R R0.0300.0300.5450.545斜率斜率: : 某粒径范围内颗粒的含量某粒径范围内颗粒的含量陡陡相应粒组质量集中相应粒组质量集中缓缓相应粒组含量少相应粒组含量少平台平台相应粒组缺乏相应粒组缺乏C Cc c = d = d30302 2 / / ( (d d6060 d d10 10 ) ) 较大颗粒缺少较大颗粒缺少C Cc c 减小减小较小颗粒缺少较小颗粒缺少Cc Cc 增大增大C C c c = 1 = 13 3 级配连续性好级配连续性好不均匀系数不

38、均匀系数1001009090808070706060505040403030202010100 0小于某粒径之土质量百分数（）小于某粒径之土质量百分数（）10105.05.01.01.00.50.50.100.100.050.050.010.010.0050.0050.0010.001粒径粒径(mm)(mm)土的粒径级配累积曲线土的粒径级配累积曲线d60d10d30d30d301）粒组含量用于土的分类定名；）粒组含量用于土的分类定名；2）不均匀系数不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度：用于判定土的不均匀程度： Cu 5 不均匀土不均匀土 Cu 3 或或 Cc 1 级配不连续土级配不连续土4）不

39、均匀系数不均匀系数Cu和和曲率系数曲率系数Cc用于判定土的级配优劣：用于判定土的级配优劣： Cu 5且且 C c = 1 3 级配级配 良好的土；良好的土； Cu 3 或或 Cc 11g/cm3g/cm3冰点处于零下几十度冰点处于零下几十度具有固体的的特性具有固体的的特性温度高于温度高于100100C C时可蒸发时可蒸发位于强结合水之外，位于强结合水之外，电场引力作用范围之内电场引力作用范围之内外力作用下可以移动外力作用下可以移动不因重力而移动，有粘滞性不因重力而移动，有粘滞性强结合水强结合水弱结合水弱结合水结合水结合水在重力作用下可在土中自由流动在重力作用下可在土中自由流动在重力与表面张力作

40、用下，在重力与表面张力作用下，可在土粒间空隙中自由移动可在土粒间空隙中自由移动重力水重力水毛细水毛细水自由水自由水rThccos2上升高度上升高度r r2 2h hc cw w=2=2rTcosrTcos毛细升高与孔径成反比毛细升高与孔径成反比粘土粘土粉土粉土砂土砂土砾石砾石分析对象分析对象: 水柱水柱毛细水毛细水分布在土粒内部相互贯通的孔分布在土粒内部相互贯通的孔隙可以看成许多形状不一、直隙可以看成许多形状不一、直径互异、彼此连通的毛细管。径互异、彼此连通的毛细管。增加土的弹性；阻塞渗流通道增加土的弹性；阻塞渗流通道指充填在土的空隙中的气体。指充填在土的空隙中的气体。 三、三、 土的气相土的

41、气相自由气体自由气体封闭气体封闭气体与大气连通，对土的性质影响不大与大气连通，对土的性质影响不大一、土的结构一、土的结构1. 定义定义土粒或土粒集合体在空间的排列和互相联结形式称为土的结构土粒或土粒集合体在空间的排列和互相联结形式称为土的结构. 1 1.3 .3 土的结构、构造土的结构、构造2. 类型类型(a) 单粒结构 (b) 分散结构 (c) 絮状结构(1)单粒结构单粒结构 如图如图(a)所示。由颗粒大的土粒在水或所示。由颗粒大的土粒在水或空气中下沉堆积而成。粗粒土都具有单粒结构。空气中下沉堆积而成。粗粒土都具有单粒结构。单粒结构可以分为疏松的和紧密的。疏松单粒结单粒结构可以分为疏松的和紧

42、密的。疏松单粒结构的土孔隙大，骨架不稳定，在外载作用下容易构的土孔隙大，骨架不稳定，在外载作用下容易发生错位，产生很大的变形或沉降，因此，这种发生错位，产生很大的变形或沉降，因此，这种土未经处理一般不宜作为建筑物的地基。紧密单土未经处理一般不宜作为建筑物的地基。紧密单粒结构的土，由于颗粒排列紧密，强度高，压缩粒结构的土，由于颗粒排列紧密，强度高，压缩性小，在动、静载作用下都不会发生较大的沉降，性小，在动、静载作用下都不会发生较大的沉降，是良好的天然地基。是良好的天然地基。1 1.3 .3 土的结构、构造土的结构、构造(2)分散（分散（峰窝）结构峰窝）结构 如图如图(b)所示。粒径大约在所示。粒

43、径大约在0.020.002mm范围内的粉土或粘土颗粒，在水中单范围内的粉土或粘土颗粒，在水中单个下沉时，途中碰到已沉积的土粒时，由于土粒之个下沉时，途中碰到已沉积的土粒时，由于土粒之间的分子引力大于土粒自重，使得土粒只能停留在间的分子引力大于土粒自重，使得土粒只能停留在最初的接触位置不能继续下沉，这样，一粒一粒相最初的接触位置不能继续下沉，这样，一粒一粒相互吸引，最终将能形成具有很大孔隙的蜂窝状结构。互吸引，最终将能形成具有很大孔隙的蜂窝状结构。1 1.3 .3 土的结构、构造土的结构、构造(3)絮状结构絮状结构 如图如图(c)所示。直径小于所示。直径小于0.005mm的极细粘粒的极细粘粒，在

44、水中能够长期悬浮而不下沉在水中能够长期悬浮而不下沉，如果水中掺有某些电解质，颗粒间的排斥力能如果水中掺有某些电解质，颗粒间的排斥力能被动削弱，运动着的土粒能够相互碰撞凝聚成被动削弱，运动着的土粒能够相互碰撞凝聚成絮状的小集粒而下沉，并相继与已沉积的絮状絮状的小集粒而下沉，并相继与已沉积的絮状集粒接触，形成类似蜂窝而孔隙很大絮状结构集粒接触，形成类似蜂窝而孔隙很大絮状结构（又称为二级蜂窝结构）。（又称为二级蜂窝结构）。 以上三种结构中，密实的单粒结构工程性质最以上三种结构中，密实的单粒结构工程性质最好；蜂窝结构和絮状结构如果受到扰动，强度好；蜂窝结构和絮状结构如果受到扰动，强度就会降低，压缩性变

45、高，难以作为天然地基。就会降低，压缩性变高，难以作为天然地基。1 1.3 .3 土的结构、构造土的结构、构造二、土的构造二、土的构造1. 定义定义v同一土层中颗粒或颗粒结合体相互间的位置与充填同一土层中颗粒或颗粒结合体相互间的位置与充填空间情况称为土的构造。其实，这一定义与大多书空间情况称为土的构造。其实，这一定义与大多书本一样仍然比较模糊，未交代结构与构造的关系。本一样仍然比较模糊，未交代结构与构造的关系。其实，土的结构着重于细微观，而构造可以理解为其实，土的结构着重于细微观，而构造可以理解为土体的宏观结构。土体的宏观结构。1 1.3 .3 土的结构、构造土的结构、构造2. 类型类型v土体的

46、构造一般可以分为以下四类：土体的构造一般可以分为以下四类： (1) 层状构造层状构造v顾名思义，层状构造是由不同颜色和粒径的土顾名思义，层状构造是由不同颜色和粒径的土粒构成的一层一层的结构状态。大部分细粒土粒构成的一层一层的结构状态。大部分细粒土的土层是这种构造。的土层是这种构造。 (2) 分散构造分散构造v土层中的土粒分布均匀，性质相近，粗粒土大土层中的土粒分布均匀，性质相近，粗粒土大都是分散构造。都是分散构造。1 1.3 .3 土的结构、构造土的结构、构造 (3) 裂隙状构造裂隙状构造v土体被许多不连续的小裂隙所分割，破坏了原土体被许多不连续的小裂隙所分割，破坏了原状土的整体性，使其工程性

47、质变差，一些坚硬状土的整体性，使其工程性质变差，一些坚硬和硬塑状态的粘土具有这种结构。和硬塑状态的粘土具有这种结构。 (4) 结核状构造结核状构造v在细粒土中明显掺有粗颗粒或各种结核。如含在细粒土中明显掺有粗颗粒或各种结核。如含结核的黄土等，该类土的性质主要决定于细粒结核的黄土等，该类土的性质主要决定于细粒土部分。土部分。1 1.3 .3 土的结构、构造土的结构、构造1 1.4 .4 土的三相物理性质指标的测定及计算土的三相物理性质指标的测定及计算土的物理、力学性质不仅决定于它的三相组成性质和它的结土的物理、力学性质不仅决定于它的三相组成性质和它的结构，而且还与三相之间量的比例关系密切相关。构

48、，而且还与三相之间量的比例关系密切相关。可分为两类：可分为两类：通过试验测定通过试验测定，如土的密度和土粒的比重、土的含水率，如土的密度和土粒的比重、土的含水率，称为直接指标；称为直接指标；根据直接指标换算根据直接指标换算，如孔隙比、孔隙率、饱和度等，称为，如孔隙比、孔隙率、饱和度等，称为间接指标。间接指标。 土的三相图土的三相图从右图可以容易得到以下关系：从右图可以容易得到以下关系：Vv = Vw + Va V = Vs + Vv = Vs + Vw + Va m = ms + mw 一、试验直接测定的物理性质指标一、试验直接测定的物理性质指标（一）土的天然密度（一）土的天然密度与重度与重度

49、土的密度定义为土的密度定义为单位体积土的质量单位体积土的质量，用，用表示，单位为表示，单位为kg/m3(或或g/cm3)。表达式如下：表达式如下： （1.4.1） 对于粘性土，土的密度常用对于粘性土，土的密度常用环刀法环刀法测定。测定。环刀法是利用一定体积的钢制圆筒（称环刀）切割自然状环刀法是利用一定体积的钢制圆筒（称环刀）切割自然状态的土壤。态的土壤。gVVVmmmVmawsaws1 1.4 .4 土的三相物理性质指标的测定及计算土的三相物理性质指标的测定及计算密度：环刀法（二）土粒比重（土粒相对密度）（二）土粒比重（土粒相对密度）Gs土粒的比重定义为土粒的比重定义为土粒的质量（或重量）与同

50、体积土粒的质量（或重量）与同体积4时纯水的质时纯水的质量（或重量）之比（无因次），量（或重量）之比（无因次），其表达式为：其表达式为： （1.4.2）或或 （1.4.3）式中：式中： 土粒的密度，即土粒单位体积的质量；土粒的密度，即土粒单位体积的质量； 4时纯水的密度，时纯水的密度，1.0g/cm3土粒的比重在数值上等于土粒的密度土粒的比重在数值上等于土粒的密度wswssswssVVmmGwsssVGmsw1 1.4 .4 土的三相物理性质指标的测定及计算土的三相物理性质指标的测定及计算土粒的比重常用土粒的比重常用比重瓶法比重瓶法测定，事先将比重瓶注满纯水，测定，事先将比重瓶注满纯水，称瓶加水

51、的质量。然后把烘干土若干克装入该空比重瓶内称瓶加水的质量。然后把烘干土若干克装入该空比重瓶内，再加纯水至满，称瓶加土加水的质量，按下式计算土粒，再加纯水至满，称瓶加土加水的质量，按下式计算土粒的比重：的比重： 21mmmmGsss式中：式中： m1瓶瓶+水水的质量；的质量； m2瓶瓶+土土+水水的质量；的质量； ms烘干土烘干土的质量；的质量；1 1.4 .4 土的三相物理性质指标的测定及计算土的三相物理性质指标的测定及计算 m0 ms m1 m2 空瓶空瓶质量质量 烘干土烘干土的质量的质量 瓶瓶+水水的质量的质量 瓶瓶+土土+水水的质量的质量 m1+ms瓶瓶+水（满）水（满）的质量的质量+干

52、土干土的质量；的质量； m1+ms-m2与土粒体积相同的水与土粒体积相同的水的质量。的质量。比重瓶法比重瓶法1 1.4 .4 土的三相物理性质指标的测定及计算土的三相物理性质指标的测定及计算（三）土的天然含水量（含水率）（三）土的天然含水量（含水率）w土的天然含水量，定义为土的天然含水量，定义为土中水的质量与土粒的质量之比土中水的质量与土粒的质量之比，以百分数表示，其表达式为：，以百分数表示，其表达式为： （1.4.4）将式（将式（1.4.3）代入（）代入（1.4.4）中得）中得测定含水率常用的方法是测定含水率常用的方法是烘干法烘干法，先称出天然土的质量，先称出天然土的质量，然后放在烘箱中，在

53、然后放在烘箱中，在100105常温下烘干，称得干常温下烘干，称得干土质量，按上式可算得。土质量，按上式可算得。%100swmmwsswVGm 1 1.4 .4 土的三相物理性质指标的测定及计算土的三相物理性质指标的测定及计算烘干法二、间接换算得物理性质指标二、间接换算得物理性质指标（一）土的孔隙比（一）土的孔隙比e定义：定义：土中孔隙的体积与土粒的体积之比土中孔隙的体积与土粒的体积之比，以小数表示，以小数表示，其表达式为：其表达式为： （1.4.5）（二）土的孔隙率（二）土的孔隙率n定义：定义：土中孔隙的体积与土的总体积之比土中孔隙的体积与土的总体积之比，或单位体积内，或单位体积内孔隙的体积，

54、以百分数表示，其表达式为：孔隙的体积，以百分数表示，其表达式为： （1.4.6） svVVe %100VVnv1 1.4 .4 土的三相物理性质指标的测定及计算土的三相物理性质指标的测定及计算反映土的松密程度的指标反映土的松密程度的指标,e越大越疏松，越大越疏松，e越小越密实。越小越密实。（三）土的饱和度三）土的饱和度Sr定义：定义：土中孔隙水的体积与孔隙体积之比土中孔隙水的体积与孔隙体积之比，以百分数表示，以百分数表示，表明孔隙被水充满程度，其表达式为：表明孔隙被水充满程度，其表达式为： （1.4.7）%100vwrVVS1 1.4 .4 土的三相物理性质指标的测定及计算土的三相物理性质指标

55、的测定及计算工程规定砂土的湿度按饱和度划分为三种状态工程规定砂土的湿度按饱和度划分为三种状态Sr=50% 稍湿的；稍湿的；50%Sr80% 饱和的。饱和的。土的干重度：土的干重度：单位体积内土粒的重量单位体积内土粒的重量，表达式为：，表达式为： （1.4.9）土烘干，体积要减小，因而，土的干密度不等于烘干土的土烘干，体积要减小，因而，土的干密度不等于烘干土的密度。土的干密度或干重度也是评定土密实程度的指标，密度。土的干密度或干重度也是评定土密实程度的指标，干密度或干重度愈大表明土愈密实，反之愈疏松。干密度或干重度愈大表明土愈密实，反之愈疏松。gVgmVWdssd（四）干密度四）干密度d与干重度

56、与干重度d 土的干密度：土的干密度：单位体积内土粒的质量单位体积内土粒的质量，表达式：，表达式： （1.4.8）Vmsd1 1.4 .4 土的三相物理性质指标的测定及计算土的三相物理性质指标的测定及计算（五）饱和密度（五）饱和密度sat与饱和重度与饱和重度sat饱和密度定义：饱和密度定义：土中孔隙完全被水充满土处于饱和状态时土中孔隙完全被水充满土处于饱和状态时单位体积土的质量单位体积土的质量。表达式为。表达式为 （1.4.10）VVmwvssat在饱和状态下，单位体积土的重量称为饱和重度，其表达式在饱和状态下，单位体积土的重量称为饱和重度，其表达式为：为： （1.4.11）gVgVgmVVWs

57、atwvswvssat1 1.4 .4 土的三相物理性质指标的测定及计算土的三相物理性质指标的测定及计算（六）浮密度六）浮密度与浮重度（有效重度）与浮重度（有效重度） 土在水下，受到重力水的浮力作用，此时土中固体颗粒的质土在水下，受到重力水的浮力作用，此时土中固体颗粒的质量再扣去固体颗粒排开水的质量与土样总体积之比量再扣去固体颗粒排开水的质量与土样总体积之比 （1.4.12） VVmwss浮密度浮密度1 1.4 .4 土的三相物理性质指标的测定及计算土的三相物理性质指标的测定及计算wsatVVVVmwswvwvs与其相应，提出了浮重度的概念，土的浮重度是与其相应，提出了浮重度的概念，土的浮重度

58、是单位体积内单位体积内的土粒重量与同体积水重量之差的土粒重量与同体积水重量之差，其表达式为：，其表达式为： （1.4.13）从上述四种土的密度或重度的定义可知，同一土样各种密度从上述四种土的密度或重度的定义可知，同一土样各种密度或重度在数值上有如下关系：或重度在数值上有如下关系：dsatdsatgVgVgmVVWwsswss1 1.4 .4 土的三相物理性质指标的测定及计算土的三相物理性质指标的测定及计算三、常用物理性质指标的实用计算公式三、常用物理性质指标的实用计算公式(重点、难点重点、难点)常用的土的物理指标共有九个。已知其中任意三个，通过常用的土的物理指标共有九个。已知其中任意三个，通过

59、换算可以求出其余的六个。换算可以求出其余的六个。（一）孔隙比与孔隙率的关系（一）孔隙比与孔隙率的关系设土体内土粒的体积为设土体内土粒的体积为1，则，则 可知，孔隙的体积可知，孔隙的体积Vv为为e，土体的体积土体的体积V为（为（1e），），于是有：于是有： 或或 eeVVnv1nne1 孔隙 e 1+e 土粒 1 三相示意图（a）svVVe 1 1.4 .4 土的三相物理性质指标的测定及计算土的三相物理性质指标的测定及计算（二）干密度与天然密度和含水量的关系二）干密度与天然密度和含水量的关系设土体的体积设土体的体积V为为1，则，则d = ms /V，土体内土粒的质量土体内土粒的质量ms为为d，由

60、由w= mw / ms水的质量水的质量mw为为w d。于是，按于是，按t天然密度的定义可得：天然密度的定义可得： 或或 （1-22）)1 (1wwVmdddwd11 1.4 .4 土的三相物理性质指标的测定及计算土的三相物理性质指标的测定及计算（三）孔隙比与土粒的比重和干密度的关系（三）孔隙比与土粒的比重和干密度的关系设土体内土粒的体积为设土体内土粒的体积为1，则按，则按 ，孔隙的体积孔隙的体积Vv为为e；由由s ms / Vs得土粒的质量得土粒的质量ms为为s。于是，按于是，按d的定的定义可得：义可得：应用式应用式 整理得：整理得： eVmssd11dwsGesvVVe 1 1.4 .4 土