清华土力学 第一章 土的物理性质与工程分类

张丙印《土力学1》之第一章土的物理性质与工程分类

清华大学土木水利学院 岩土工程研究所本章提要本章特点学习要点第一章：土的物理性质与工程分类对土的特点进行详细解释对土的组成和状态进行定量描述

内容琐碎、零散理清各节间联系理清各节内层次注意物理概念的把握第一章：本章概要

渗透特性变形特性强度特性土的三相组成土的物理状态土的结构土的形成过程土的工程分类：便于研究和应用土的压实性：如何获得较好的土决定第一章：本章概要

作业1-1

1-21-3

1-51-61-4（假定两种土的活性指数相同）1-8

1-9

1-101-12第一章：本章概要

第一章：土的物理性质与工程分类§1.1土的形成§1.2土的三相组成§1.3土的物理状态§1.4土的结构§1.5土的工程分类§1.6土的压实性土的形成土岩石风化、搬运、沉积地质成岩作用土的组成、结构和物理力学性质过程、条件§1.1土的形成土的形成与风化作用物理风化化学风化生物活动岩石和土的粗颗粒受各种气候等物理因素的影响产生胀缩而发生裂缝,或在运动过程中因碰撞和摩擦而破碎是颗粒大小发生量的变化矿物成分与母岩相同，称

原生矿物产生无黏性土§1.1土的形成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，形成新的矿物颗粒成分发生质的变化矿物成分与母岩不同，称

次生矿物形成十分细微的土颗粒，最主要为黏性颗粒及可溶盐类土的形成与风化作用物理风化化学风化生物活动§1.1土的形成包括植物、动物和土壤微生物的作用可加剧物理和化学风化构成土中有机质和营养物质的生物循环导致腐殖质的形成，改变土壤的结构土的形成与风化作用物理风化化学风化生物活动§1.1土的形成残积土

无搬运运积土

有搬运搬运与沉积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残积土强风化弱风化微风化母岩体颗粒表面粗糙多棱角粗细不均无明显层理§1.1土的形成搬运与沉积残积土

无搬运运积土

有搬运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坡积土：土粒粗细不同，性质不均洪积土：有分选性，近粗远细冲积土：浑圆度分选性明显，土层交迭湖泊沼泽沉积土：含有机物淤泥，土性差海相沉积物：颗粒细，表层松软，土性差冰积土：土粒粗细变化较大，性质不均匀风积土：颗粒均匀，层厚而不具层理§1.1土的形成第一章：土的物理性质与工程分类§1.1土的形成

§1.2土的三相组成§1.3土的物理状态§1.4土的结构§1.5土的工程分类§1.6土的压实性土中气体气相次要作用固体颗粒固相构成土体骨架

起决定作用土中水液相重要影响土体的三相构成饱和土：土体孔隙完全被水充满干土：土体孔隙完全被气充满非饱和土：孔隙中水和气均存在§1.2土的三相组成固体

颗粒粒径级配矿物成分颗粒形状土的物理状态力学特性固体颗粒三要素§1.2土的三相组成–固体颗粒

固体颗粒-颗粒大小粒组：按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类界限粒径d(mm)砾石砂粒粉粒黏粒胶粒6020.0750.0050.0020.250.5520粗

中

细粗

中

细0.075粗粒细粒粗粒土：以砾石和砂粒为主要组成的土，也称无黏性土细粒土：以粉粒、黏粒和胶粒为主要组成的土，也称黏性土巨粒60§1.2土的三相组成–固体颗粒

固体颗粒-粒径级配粒径级配：各粒组的相对含量，用质量百分

数来表示

分析方法：筛分法：适用于粗粒土孔径大小不同的筛子

水分法：适用于细粒土常采用比重计法表述方法:

粒径级配累积曲线§1.2土的三相组成–固体颗粒

固体颗粒-粒径级配筛分法适合

于粗粒径（d>0.075mm）密度计法适合于细粒径（d<0.075mm）§1.2土的三相组成–固体颗粒

固体颗粒-粒径级配孔径105.02.01.00.50.250.075200g土筛余0101618242246641009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数P（％）105.01.00.50.100.050.01粒径

(mm)P100958778665532土的粒径级配累积曲线水分法粒径(mm)0.050.010.005P(%)2613.510筛分法§1.2土的三相组成–固体颗粒

土的粒径级配累积曲线固体颗粒–

级配曲线斜率:

某粒径范围内颗

粒的含量

陡-相应粒组含量多

缓-相应粒组含量少

平台-相应粒组缺乏1009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)d60d50d30d10§1.2土的三相组成–固体颗粒

固体颗粒–

级配曲线土的粗细度：用d50

表示土的不均匀程度：

不均匀系数Cu=d60/d10Cu

5为不均匀土，反之称为均匀土连续程度:

曲率系数

Cc=1~3为连续级配，反之为不连续级配§1.2土的三相组成–固体颗粒

土的粒径级配累积曲线1009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)d60d50d30d101009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)土的粒径级配累积曲线d60d10d30曲线d60d10d30CuCcL0.330.0050.081663.98M0.0632.41R0.0300.545Cc=13,级配连续缺少小颗粒，Cc缺少大颗粒，Cc固体颗粒–曲率系数举例§1.2土的三相组成–固体颗粒

粒组含量用于土的分类定名；不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度：

Cu

5为不均匀土；Cu

5为均匀土

曲率系数Cc用于判定土的连续程度：

Cc=1~3为级配连续土；Cc>3或Cc<1为级配不连续土不均匀系数Cu和曲率系数Cc用于判定土的级配优劣：

Cu

5且Cc=1~3为级配良好的土；如果Cu<5或Cc>3

或Cc<1为

级配不良的土粒径级配曲线和指标的应用§1.2土的三相组成–固体颗粒

固体颗粒-矿物成分固体成分原生矿物：石英、长石、云母等次生矿物矿物质有机质无定形氧化物胶体可溶盐黏土矿物具有和原生矿物很不相同的特性对黏土性质的影响很大§1.2土的三相组成–固体颗粒

黏土矿物黏土矿物是一种复合的铝-硅盐晶体，颗粒呈片状，是由硅片和铝片构成的晶包所组叠而成，可分成高岭石、伊利石和蒙特石三种类型。

硅片

铝片SiSi氧离子O2-硅离子Si4+硅-氧四面体硅片的结构硅片简图§1.2土的三相组成–固体颗粒

黏土矿物黏土矿物是一种复合的铝-硅盐晶体，颗粒呈片状，是由硅片和铝片构成的晶包所组叠而成，可分成高岭石、伊利石和蒙特石三种类型。OH1-铝离子Al3+铝-氢氧八面体铝片的结构铝片简图AlAl

硅片

铝片§1.2土的三相组成–固体颗粒

晶层间通过氢键联结，联结力强，晶格不能自由活动，水难以进入晶格间能组叠很多晶层，多达百个以上，成为一个颗粒。颗粒长宽约0.3-3，厚约0.03-1主要特征：颗粒较粗，不容易吸水膨胀和失水收缩，或者说亲水能力差黏土矿物依硅片和铝片组叠形式的不同，可分成如下三种类型：高岭石蒙特石伊利石SiSiAlAlSiSiAlAlSiSiAlAl高岭石微粒1:1的两层结构§1.2土的三相组成–固体颗粒

晶层间是O2-对O2-的连结，联结力很弱，水很容易进入晶层之间每一颗粒能组叠的晶层数较少。颗粒大小约为0.1-1，厚约0.001-0.01主要特征：颗粒细微，具有显著的吸水膨胀、失水收缩的特性，或者说亲水能力强2:1的三层结构SiSiAlAlSiSiSiSiAlAlSiSi数层水分子依硅片和铝片组叠形式的不同，可分成如下三种类型：高岭石蒙特石伊利石黏土矿物§1.2土的三相组成–固体颗粒

是云母在碱性介质中风化的产物与蒙特石相似，由两层硅片夹一层铝片所形成的三层结构，但晶层之间有钾离子连结主要特征：连结强度弱于高岭石而高于蒙特石，其特征也介于两者之间2:1的三层结构SiSiAlAlSiSiSiSiAlAlSiSi钾离子依硅片和铝片组叠形式的不同，可分成如下三种类型：高岭石蒙特石伊利石黏土矿物§1.2土的三相组成–固体颗粒

黏土矿物的带电性质研究表明，片状黏土颗粒表面常带有电荷，净电荷通常为负电荷----------------------++++黏土颗粒水分子阳离子黏土矿物的带电特性玻璃筒玻璃皿水位升高黏土粒黏土膏+-黏土的电泳和电渗现象(列依斯,1809)§1.2土的三相组成–固体颗粒

颗粒形状和比表面积原生矿物：一般颗粒较粗，呈粒状。有圆状、浑圆状、棱角状等。次生矿物：颗粒较细，多呈针状、片状、扁平状。比表面积：单位质量土颗粒所拥有的总表面积。对于黏性土，其大小直接反映土颗粒与四周介质,特别是水,相互作用的强烈程度,是代表黏性土特征的一个很重要的指标。

高岭石的比表面积为：10-20m2/g,伊利石：80-l00m2/g,蒙特石：800m2/g粗颗粒的形状黏土颗粒的形状§1.2土的三相组成–固体颗粒

土中水结晶水矿物内部的水结合水吸附在土颗粒表面的水自由水电场引力作用范围之外的水

土中冰由自由水冻成，冻胀融沉

水蒸气存在孔隙空气中§1.2土的三相组成–土中水黏土颗粒周围的双电层§1.2土的三相组成–土中水水分子的结构：O2–H+H+0.096nm104.5=1.84德拜水分子的正负电荷总体是平衡的，但在空间分布上却是不平衡的。因此，水分子是极性分子双电层：----------------------++++黏土颗粒水分子阳离子黏土颗粒表面带负电，形成电场。水中阳离子被吸引，极性水分子发生定向排列颗粒表面的负电荷构成电场的内层，吸引的阳离子和定向排列的水分子构成外层，称为双电层强结合水排列致密，密度>1g/cm3

冰点处于零下几十度完全不能移动，具有固体的特性温度略高于100C时可蒸发弱结合水

受电场引力作用，为黏滞水膜外力作用下可以移动不因重力而流动，有黏滞性

是黏性土表现出可塑性的原因黏土颗粒-----------------++++引力d水分子阳离子强结合水弱结合水自由水土中水–

结合水结合水：受颗粒表面电场作用力吸引而包围在颗粒四周，不传递静水压力，不能任意流动的水§1.2土的三相组成–土中水毛细水：由于土体孔隙的毛细作用升至自由水面以上的水。毛细水承受表面张力和重力的作用重力水：自由水面以下的孔隙自由水，在重力作用下可在土中自由流动土中水–

自由水自由水：不受颗粒电场引力作用的孔隙水hc毛细水重力水§1.2土的三相组成–土中水生活在水面收缩膜

顶面和地面的昆虫收缩膜内压>外压液体1液体2界面张力界面张力水黾

§1.2土的三相组成–土中水毛管中的界面效应Tdkw空气固体=湿润角水T=界面张力dk=毛管直径ua-uwua-uw=压力差毛细吸水现象澳洲蜥蜴录像§1.2土的三相组成–土中水毛细管hc土中毛细水上升高度T2r上升高度r2hcw=2rTcos毛细升高与孔径成反比黏土粉土砂土砾石§1.2土的三相组成–土中水张力TTuc水hc2ruc=-hcw水压+-TT则毛细压力：2πrTcosα+ucπr2=0毛细管中的负静水压力毛细水压力§1.2土的三相组成–土中水土颗粒缝隙处的弯液面r弯液面在非饱和土中，孔隙中含有水和气，此时水多集中于颗粒间的缝隙处，称毛细角边水。由于毛细张力的作用，会形成如图所示的弯液面，使毛细角边水产生负压力，颗粒则受正压力。这是稍湿的砂土颗粒间存在假凝聚力的原因§1.2土的三相组成–土中水气相-土中气自由气体：与大气连通的气体对土的性质影响不大封闭气体：被土颗粒和水封闭的气体

其体积与压力有关。会增加土的弹性；阻塞渗流通道，降低渗透性溶解在水中的气体吸附于土颗粒表面的气体§1.2土的三相组成–土中气土体有三个组成部分：固相、液相和气相

小结固体颗粒土中水土中气体粒径级配矿物成分颗粒形状结合水：强结合水、弱结合水自由水：重力水、毛细水自由气体封闭气体§1.2土的三相组成–小结第一章：土的物理性质与工程分类§1.1土的形成

§1.2土的三相组成§1.3土的物理状态§1.4土的结构§1.5土的工程分类§1.6土的压实性土的物理状态土的物理状态指标粗粒土的松密程度黏性土的软硬状态土的物理性质指标(三相间的比例关系)§1.3土的物理状态土的性质不仅决定于三相组成的性质，而且三相间量的比例关系也是很重要的影响因素表示物理性质指标土的三个组成相的体积和质量上的比例关系土的物理性质指标特点:

指标概念简单，数量很多

要点：名称、概念或定义、符号、表达式、

单位或量纲、常见值或范围、联系与区别

基本方法:定义三相草图法§1.3土的物理状态–物理性质指标

空气Air三相草图水Water固体Solidma=0mwmsm质量VaVwVsVvV体积§1.3土的物理状态–物理性质指标

三相草图九个物理量:

VVvVsVaVw

msmwmam物性指标是比例关系:可假设任一参数为1物理量关系:空气水固体ma=0mwmsm质量VaVwVsVvV体积三个独立变量，干土或饱和土二个独立变量其它指标：三相草图法计算实验室测定§1.3土的物理状态–物理性质指标

基本物理性质试验为了确定三相草图诸量中的三个量，通常进行三个基本的物理性质试验：土的密度试验土粒比重试验土的含水量试验§1.3土的物理状态–物理性质指标

定义：土单位体积的质量表达式：单位:kg/m3

或g/cm3一般范围:1.60~2.20g/cm3土的密度空气水固体ma=0mwmsm质量VaVwVsVvV体积相关指标:土的重度

=

g单位:kN/m3

工程上更常用,用于计算土的

自重应力基本试验指标-土的密度§1.3土的物理状态–物理性质指标

定义：土粒的密度与4˚C时

纯蒸馏水密度的比值表达式：单位:无量纲一般范围：黏性土2.70~2.75，砂土2.65土粒比重Gs基本试验指标-土粒比重=1.0g/cm3土粒比重在数值上等于土粒的密度空气水固体ma=0mwmsm质量VaVwVsVvV体积§1.3土的物理状态–物理性质指标

定义：土粒的密度与4˚C时

纯蒸馏水密度的比值表达式：单位:无量纲一般范围：黏性土2.70~2.75，砂土2.65土粒比重Gs基本试验指标-土粒比重=1.0g/cm3土粒比重在数值上等于土粒的密度空气水固体ma=0mwmsm质量VaVwVsVvV体积§1.3土的物理状态–物理性质指标

基本试验指标-含水量定义：土中水的质量与土粒质

量之比，用百分数表示表达式：单位:无量纲一般范围：变化范围大注意:其实是含水比,可达到或超过100％土的含水量W空气水固体ma=0mwmsm质量VaVwVsVvV体积§1.3土的物理状态–物理性质指标

可表示同一种土的松密，二者之间存在关系：表示土中孔隙含量的指标砂类土：28-35%黏性土：30-50%，有的可达60-70%孔隙比e：土中孔隙体积与固体颗粒体积之比,为无量纲孔隙率(孔隙度)n：土中孔隙体积与总体积之比,用百分数表示可用三相草图推出空气水固体ma=0mwmsm质量VaVwVsVvV体积§1.3土的物理状态–物理性质指标

表示土中含水程度的指标对干土：Sr=0对饱和土：Sr=1含水量：饱和度：土中水的体积与孔隙体积的比值饱和度表示孔隙中充满水的程度：空气水固体ma=0mwmsm质量VaVwVsVvV体积§1.3土的物理状态–物理性质指标

表示土体密度和重度的指标干密度：土被烘干时的密度，

干重度：天然密度

天然重度饱和密度：土被饱和时的密度，

饱和重度：浮重度：静水下的有效重度浮密度空气水固体ma=0mwmsm质量VaVwVsVvV体积§1.3土的物理状态–物理性质指标

各种密度重度间的大小关系天然密度干密度饱和密度天然重度干重度饱和重度浮重度§1.3土的物理状态–物理性质指标

常用的物理性质指标间的换算关系：教科书P23表1-9小结从物理意义上理解指标间的关系不鼓励死记硬背必要时利用三相草图推导学习要点：§1.3土的物理状态–物理性质指标

小结土的三个组成相的体积和质量上的比例关系定义三相草图法室内测定三个基本物理性质指标：土的密度土粒比重土的含水量其它物理性质指标孔隙含量含水程度密度和重度特点:指标概念简单，数量很多要点：名称、概念或定义、符号、表达式、

单位或量纲、常见值或范围、联系与区别土的物理性质指标§1.3土的物理状态–物理性质指标

土的物理状态指标土的物理状态粗粒土的松密程度黏性土的软硬状态土的物理性质指标(三相间的比例关系)表示影响力学特性密实度稠度§1.3土的物理状态–物理状态指标

粗粒土的密实状态

密实度：通常指单位体积中固体颗粒含量的多少简单方便，但只能用于同一种土，不能反映级配的影响

物理性质指标：孔隙比e（孔隙率n）

干重度d

相对密度：emax与emin：最大与最小孔隙比§1.3土的物理状态–物理状态指标

最大孔隙比emax:

将松散的风干土样通过长颈漏斗轻轻地倒入容器，避免重力冲击，求得土的最小干密度再经换算得到最大孔隙比最小孔隙比emin

:将松散的风干土样装入金属容器内，按规定方法振动和锤击，直至密度不再提高，求得土的最大干密度再经换算得到最小孔隙比理论上的最大与最小孔隙比在室内的测定有时很困难粗粒土的最大与最小孔隙比§1.3土的物理状态–物理状态指标

相对密度粗粒土的相对密度粗粒土的密实度标准

Dr=0 最松状态

Dr1/3 疏松状态1/3<Dr2/3 中密状态

Dr>2/3 密实状态

Dr=1 最密状态相对密度指标主要用于人工填土，对天然砂土层采用原位标准贯入试验法测定§1.3土的物理状态–物理状态指标

黏性土最主要的物理状态特征是它的稠度。稠度是指土的软硬程度或土对外力引起变形或破坏的抵抗能力稠度状态与含水量有关黏性土含水量较硬变软流动黏性土的稠度状态§1.3土的物理状态–物理状态指标

塑限wp液限wL黏性土的稠度反映土中水的形态固态或半固态可塑状态流动状态强结合水弱结合水自由水w土颗粒强结合水弱结合水土颗粒强结合水土颗粒自由水弱结合水强结合水强结合水膜最大出现相当数量自由水黏性土的稠度状态稠度界限稠度状态含水量土中水的形态示意图§1.3土的物理状态–物理状态指标

液性指数：wpwwl

IL0坚硬(半固态)0<IL0.25 硬塑0.25<IL

0.75 可塑0.75<IL

1 软塑

IL>1 流塑土的稠度状态–液性指数不同的黏土，wp、wL

大小不同。对于不同的黏土，含水量相同，稠度可能不同液性指数是表征土的含水量与分界含水量之间相对关系的指标。对重塑土较为合适。§1.3土的物理状态–物理状态指标

塑性指数问题：反映的是全部土颗粒吸附结和合的能力，不能充分反映黏土矿物表面活性的高低活性指数：粒径小于0.002mm颗粒的质量占总土总质量的百分比A<0.75 非活性黏土A=075–1.25 正常黏土A>1.25 活性黏土定义：大体上表示土的弱结合水含量反映吸附结合水的能力，即黏性大小大致反映黏土颗粒含量常作为细粒土工程分类的依据§1.3土的物理状态–物理状态指标

粗粒土的密实状态指标:

相对密度Dr

细粒土的稠度状态指标:

液性指数IL定义判别标准界限含水量

wP、wL土中水形态塑性指数Ip

吸附结合水的能力定义判别标准小结§1.3土的物理状态–物理状态指标

第一章：土的物理性质与工程分类§1.1土的形成

§1.2土的三相组成§1.3土的物理状态§1.4土的结构§1.5土的工程分类§1.6土的压实性土的结构土颗粒或粒团的空间排列和相互联结原状土和重塑土的强度沉积或碾压土的各向异性土的结构土体的性质土粒间的作用力粗粒土的结构细粒土的结构黏性土的结构性指标§1.4土的结构

第一章：土的物理性质与工程分类§1.1土的形成

§1.2土的三相组成§1.3土的物理状态§1.4土的结构§1.5土的工程分类§1.6土的压实性土的结构土颗粒或粒团的空间排列和相互联结原状土和重塑土的强度沉积或碾压土的各向异性土的结构土体的性质土粒间的作用力粗粒土的结构细粒土的结构黏性土的结构性指标§1.4土的结构

粗粒土的结构粒间作用力：重力起决定性的作用。在非饱和土中，还受到毛细力的作用排列形式：点与点

点与面单粒结构示意图§1.4土的结构

细土颗粒间的作用力范德华力：接触点处的分子引力，作用范围为几个分子的距离，是细粒土黏结在一起的主因库仑力：颗粒表面的静电引力或斥力，随距离衰减的速度比范德华力慢胶结力：土粒间通过胶体连结在一起，作用力是化合键，具有较高的强度毛细力：土中毛细作用形成的力土中细颗粒，比表面积大，重量轻，重力不起重要的作用，其他粒间力起主导作用：§1.4土的结构

细粒土的结构形成环境粒间作用力排列形式淡水中沉积表面力、胶结力（粒间斥力占优势)面与面絮凝结构海水中沉积表面力、胶结力（斥力减小引力增加)边、角与面边、角与边示意图分散结构§1.4土的结构

反映黏性土结构性的指标灵敏度触变性St11-22-44-88-16>16黏性土不灵敏低灵敏中等灵敏灵敏很灵敏流动3=0相同含水量、密度qu1qu2原状土重塑土灵敏度St：原状土的无侧限抗压强度qu1和重塑土的无侧限抗压强度qu1之比§1.4土的结构

含水量不变，密度不变，因重塑而强度降低，又因静置而逐渐强化，强度逐渐恢复的现象，称为触变性。反映黏性土结构性的指标土的触变性是土结构中联结形态发生变化引起的，是土结构随时间变化的宏观表现目前尚没有合理的描述土触变性的方法和指标灵敏度触变性§1.4土的结构

土的结构土颗粒或粒团的空间排列和相互联结粗粒土的结构单粒结构重力起主导作用粒间力起主导作用黏性土的结构性指标细粒土的结构分散结构絮凝结构小结§1.4土的结构

第一章：土的物理性质与工程分类§1.1土的形成

§1.2土的三相组成§1.3土的物理状态§1.4土的结构§1.5土的工程分类§1.6土的压实性土的组成土的状态土的结构《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011分类法水利部《土工试验规程》SL237-1999分类法土的工程分类目的：便于调查研究；便于分析评价；便于交流(基于共同的概念)依据：最能反映土的物理力学性质的指标要求：要有一定的逻辑性、系统性，

纲目分明，简单易记，便于运用§1.5土的工程分类岩石碎石土砂土粉土黏性土人工填土土漂石块石圆形及亚圆形为主棱角形为主粒径大于200mm的颗粒超过全质量50%卵石碎石圆形及亚圆形为主棱角形为主圆形及亚圆形为主棱角形为主圆砾角砾粒径大于20mm的颗

粒超过全质量50%粒径大于2mm的颗粒超过全质量50%名称颗粒形状粒组含量建筑地基基础规范GB50007-2011§1.5土的工程分类土的名称粒组含量粒径大于2mm的颗粒占全质量25-50%砾砂粗砂中砂细砂粉砂粒径大于0.5mm的颗粒超过全质量50%粒径大于0.25mm的颗粒超过全质量50%粒径大于0.075mm的颗粒超过全质量85%粒径大于0.075mm的颗粒超过全质量50%建筑地基基础规范GB50007-2011岩石碎石土砂土粉土黏性土人工填土土§1.5土的工程分类土黏性土：塑性指数Ip>10的土粉质黏土：10<Ip17的土黏土：Ip>17的土非活性黏土：A<0.75正常黏土A=075–1.25活性黏土A>1.25粉土：粒径大于0.075mm的颗粒含量小于全质量50%而塑性指数Ip10的土建筑地基基础规范GB50007-2011岩石碎石土砂土粉土黏性土人工填土土§1.5土的工程分类水利部SL237-1999分类法土颗粒组成及其特性塑性指标：液限、塑限、塑性指数有机质含量土的分类巨粒土和含巨粒土粗粒土：砾类土、砂类土细粒土：根据塑性图分类特殊土：黄土、膨胀土、红黏土分类依据：§1.5土的工程分类第一章：土的物理性质与工程分类§1.1土的形成

§1.2土的三相组成§1.3土的物理状态§1.4土的结构§1.5土的工程分类§1.6土的压实性土的压实性室内击实试验细粒土的压实性粗粒土的压实性§1.6土的压实性土的压实：指通过夯打、振动、碾压等，使土体变得密实、以提高土的强度、减小土的压缩性和渗透性压实性：指土在一定压实能量作用下密度增长的特性研究击实性的目的：

以最小的能量消耗获得最大的压实密度击实方法：室内击实试验现场试验:夯打、振动、碾压土的压实性§1.6土的压实性-室内击实试验室内轻型标准击实试验

试验设备：击实筒V=947.4cm3；击实锤w=25牛顿

试验条件：土样分层n=3层；落高d=30.5cm；

击数N=25/层

击实能量

试验方法：对w=cosnst的土，分三层压实；

测定击实后的w、，算定d注意：仅适用于细粒土；对粗粒土，可用较大尺寸的击实仪土§1.6土的压实性-室内击实试验0481216202428含水率w(%)2.01.81.61.4干密度d(g/cm3)饱和曲线dmaxwop细粒土的压实性-击实曲线

具有峰值最大干密度dmax最优含水量Wop位于饱和曲线之下

黏性土透水性小，击实过程中含水量几乎不变，要想击实到饱和状态是不可能的Sr=1§1.6土的压实性-细粒土的压实性

含水量Wop：颗粒表面水膜很薄，相对移动困难

含水量=Wop：水膜润滑作用效果最佳，孔隙气尚

没有形成封闭气泡，易排出

含水量>Wop：水膜润滑作用不再明显增加；封闭

气泡难以排出；水的相对含量增加压实机理压实与含水量细粒土的压实性-压实机理

颗粒破碎（细粒土较少）粒间联结力被破坏，颗粒间孔隙被压缩土粒定向排列§1.6土的压实性-细粒土的压实性细粒土的压实性-压实功能

对于同一种土,最优含水量和最大干密度并不恒定,而随压密功能变化，压实功能愈大,最优含水量愈小，相应的最大干密度愈高超过最优含水量后，压实功能的影响随含水量的增加逐渐减小。击实曲线均靠近于饱和曲线0481216202428含水量w(%)1.91.71.51.3干密度d(g/cm3)饱和曲线N=36N=29N=25N=18§1.6土的压实性-细粒土的压实性细粒土的压实标准

填土施工时应将土料含水量控制在Wop左右，以期用较小的能量获得最好的密度：在Wop的干侧：常具有凝聚结构。土质比较均匀，强度较高，较脆硬，不易压密。但浸水时易产生附加沉降在Wop的湿侧：常具有分散结构。土体可塑性大，适应变形的能力强。但强度较低，具有不等向性在设计土料时应根据填土的要求和当地土料的天然含水量，选定合适的含水量，一般要求为：§1.6土的压实性-细粒土的压实性Ⅰ、Ⅱ级土石坝Dc>98~100%III级以下土石坝Dc>96~98%细粒土的压实标准

工程上常采用压实度Dc，作为填方压实密度控制的标准：§1.6土的压实性-细粒土的压实性粗粒土的压实性

击实曲线

压实标准：常用相对密度控制Dr>0.75不存在最优含水量，在完全风干或饱和状态下易于击实。在潮湿状态下，存在假凝聚力，加大了阻力同细粒土不同，粗粒土在击实过程中可以自由排水粗砂w=4~5%，中砂w=7%时，干密度最小

，

含水量w干密度粗砂中砂§1.6土的压实性–粗粒土的压实性小结室内击实试验细粒土的压实性粗粒土的压实性击实曲线最优含水量最大干密度压实功能压实标准击实曲线压实标准§1.6土的压实性第一章：土的物理性质与工程分类§1.1土的形成§1.2土的三相组成§1.3土的物理状态§1.4土的结构§1.5土的工程分类§1.6土的压实性

本章作业§1.1土的形成–总结土的形成土岩石风化、搬运、沉积地质成岩作用土的组成、结构和物理力学性质过程、条件土体有三个组成部分：固相、液相和气相固体颗粒土中水土中气体粒径级配矿物成分颗粒形状结合水：强结合水、弱结合水自由水：重力水、毛细水自由气体封闭气体§1.2土的三相组成–总结土的三相组成土的三个组成相的体积和质量上的比例关系定义三相草图法室内测定三个基本物理性质指标：土的密度土粒比重土的含水量其它物理性质指标孔隙含量含水程度密度和重度土的物理性质指标§1.3土的物理状态–总结

物理性质指标粗粒土的密实状态指标:

相对密度Dr

细粒土的稠度状态指标:

液性指数IL定义判别标准界限含水量

wP、wL土中水形态塑性指数Ip

吸附结合水的能力定义判别标准物理状态指标§1.3土的物理状态–总结

土的结构土颗粒或粒团的空间排列和相互联结粗粒土的结构单粒结构重力起主导作用粒间力起主导作用黏性土的结构性指标细粒土的结构分散结构絮凝结构§1.4土的结构–总结

土的结构土的组成土的状态土的结构建筑地基基础设计规范-GB50007-2011分类法水利部SL237-1999分类法土的工程分类目的：便于调查研究；便于分析评价；便于交流(基于共同的概念)依据：最能反映土的物理力学性质的指标§1.5土的工程分类–总结室内击实试验细粒土的压实性粗粒土的压实性击实曲线最优含水量最大干密度压实功能压实标准击实曲线压实标准§1.6土的压实性–总结土的压实性

清华大学土木水利学院 岩土工程研究所张丙印《土力学1》之课程绪论土力学及其特点什么是土？土及土力学有哪些特点？为什么要学习土力学？土力学包括哪些内容？如何学好土力学？课程绪论：土力学及其特点一般概念中的土土，地之生万物者也。‘二’象地之上，地之中；‘|’物出形也。-《说文解字》土字包括：地上植物部分、表土层、植物地下部分和底土层四个层次。绪论：什么是土？

管仲：“地者，万物之本原，诸生之根苑也”“普天之下，莫非王土”－权力与财富的象征几大古文明中人类起源的传说：不约而同地认为人是上帝（神）用土创造的中国传统文化中的五行：金木水火土土与人类绪论：什么是土？

大气圈水圈岩石圈生物圈风化物土壤圈地下水土壤在自然界的位置地球地壳部分：岩土地球半径：6370km岩土工程：33km-10km其中土（风化岩石）涉及地球表面深度一般<1km绪论：什么是土？

土及其形成土岩石风化、搬运、沉积地质成岩作用土是地球表面的整体岩石在大气中经受长期的风化作用而形成的、覆盖在地表上碎散的、没有胶结或胶结很弱的颗粒堆积物绪论：什么是土？

高山下的冲积锥群风蚀蘑菇土的形成过程黄河冲积三角洲输运砾石料卵石砂粘土（人工破碎）工程与土力学中的土绪论：什么是土？

什么是土？土及土力学有哪些特点？为什么要学习土力学？土力学包括哪些内容？如何学好土力学？课程绪论：土力学及其特点土体的特点一般固体：液体：土体（散粒）：可保持固定的形状不具有特定的形状具有一定但不固定的形状绪论：什么土及土力学有哪些特点？岩石风化或破碎的产物，是非连续体受力以后易变形，强度低体积变化主要是孔隙变化剪切变形主要由颗粒相对

位移引起固相-土骨架液相-水气相-空气受力后由土骨架、孔隙

介质共同承担

相间存在复杂的相互作用孔隙水和孔隙气可流动自然界的产物，存在自然变异性非均匀性各向异性时空变异性土体的特点碎散性三相性天然性绪论：什么土及土力学有哪些特点？渗透特性变形特性强度特性碎散性三相性天然性物理力学特性复杂土体的特点绪论：什么土及土力学有哪些特点？学科研究对象理论力学质点或刚体理想物体材料力学单个弹性杆件（杆、轴、梁）连续固体结构力学若干弹性杆件组成的杆件结构弹性力学弹性实体结构或板壳结构水力学不可压缩的连续流体（水）连续流体土力学天然的三相碎散堆积物碎散材料土力学与其他学科的比较绪论：什么土及土力学有哪些特点？土力学的特点

土力学研究土的渗透、变形和强度特性以及与此有关的工程问题连续介质力学的基本知识实验规律及工程实践经验绪论：什么土及土力学有哪些特点？土力学发展的历史1773-1776Coulomb，强度理论，土压力理论1856Darcy：达西渗流定律1857Rankine：朗肯土压力理论1920Prandtl：普朗特极限力承载公式1921-1925Terzaghi，有效应力原理及固结理论，出版《土力学》

土力学成为一门独立学科的标志1936第一届国际土力学及基础工程会议1960’s后现代土力学萌芽时期古典时期现代绪论：什么土及土力学有哪些特点？什么是土？土及土力学有哪些特点？为什么要学习土力学？土力学包括哪些内容？如何学好土力学？课程绪论：土力学及其特点土是工程中应用最广泛的建筑材料土地是工程建设的基础和环境土的性质十分复杂土力学的重要性对土工程性质认识的偏差可能会导致损失巨大的事故！！！绪论：为什么要学习土力学？

加拿大特朗斯康谷仓事故：9月开始装谷物，至10月17日共装入3万多Ｔ谷物时发生破坏：1小时竖向沉降30.5cm24小时倾斜26°53ˊ西端下沉7.32m东端上抬1.52m上部钢混筒仓完好无损概况：共65个圆筒仓。1913年完工，自重2万T。绪论：为什么要学习土力学？

加拿大特朗斯康谷仓原因：地基承载力按邻近结构物的试验结果计算。事后经核实，地基实际承载力远小于谷仓破坏时的基底压力。谷仓地基因超载发生强度破坏而滑动！！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-13.72-4.271952.10.3试验孔绪论：为什么要学习土力学？

上海“楼脆脆”

事件：

2009年6月27日清晨，上海莲花南路西侧“莲花河畔景苑”小区一栋在建13层住宅楼整体倒塌，造成1名工人死亡，无人受伤（幸运：尚未交付使用）惊奇：上部结构整体完整，尤其是“山寨牌”玻璃一块未碎绪论：为什么要学习土力学？

专家认定的原因：紧贴7号楼北侧，在短期内堆土过高，最高处达10米左右；与此同时，紧邻大楼南侧的地下车库基坑开挖4.6米，大楼两侧的“压力差”使土体产生水平位移，水平力超过了桩基的抗侧能力，导致房屋倾倒覆上海“楼脆脆”

绪论：为什么要学习土力学？

上海“楼脆脆”

“楼脆脆”被网友戏称“第9大建筑奇迹”（1）中国惊世大发现，环保拆楼法：十米堆土拆楼法！（2）给我一堆黄土我能推到一栋大楼！（3）专家快帮帮我，我家边上正在造13层楼。估计比这

土堆重，我现在都不敢住了。（4）1楼：比萨塔斜了几百年了，咋还不倒呀？

2楼：因为旁边没有“10米土堆”啊！绪论：为什么要学习土力学？

死亡：69197人失踪：18341人合计：87538人直接经济损失：8451亿元，约三分之一由15000个左右的滑坡、崩塌和泥石流造成汶川大地震绪论：为什么要学习土力学？

绪论：为什么要学习土力学？

水利部刘宁总工：堰塞湖处置的成功，凝聚着清华人的心血和智慧，这是对水利事业的巨大支持，是对灾区人民的巨大支持绪论：为什么要学习土力学？

万亨大厦基坑倒塌某大厦位于北京东二环，是一22层框剪结构商业办公楼，坑壁附近有：地铁线路、高层塔楼、多层居民楼等基础埋深17.72m，采用复合土钉墙支护2003年4月23日晚至24日晨倒塌由于当时正值“非典”紧张时期，倒塌后，有关部门要求立即填满基坑，附近楼房清空，损失上亿元基坑倒

塌录像绪论：为什么要学习土力学？

日本泥石流室外试验时间：1971年11月9-11日地点：神奈川县川崎市生9日15:00开始人工降雨11日15:00降雨量达500mm，陡坡中泥土突然以20-30m/s流出，斜坡崩塌，泥石流产生绪论：为什么要学习土力学？

关东壤土：

风化花岗岩上火山灰堆积层现场泥石流实验布置和录像滑坡事故现场录像绪论：为什么要学习土力学？

日本泥石流室外试验时间：1971年11月9-11日地点：神奈川县川崎市生9日15:00开始人工降雨11日15:00降雨量达500mm，陡坡中泥土突然以20-30m/s流出，斜坡崩塌，泥石流产生绪论：为什么要学习土力学？

关东壤土：

风化花岗岩上火山灰堆积层现场泥石流实验布置和录像滑坡事故现场录像绪论：为什么要学习土力学？

泥石流推倒28米外的护栏，一直冲到55米外的水池中央，造成31人被埋，15人不幸遇难，11人受伤死者当中：

实验人员1人

参观者10人

报社记者1人

电视采访人员3人事故伤亡情况绪论：为什么要学习土力学？

可归结为与土有关的强度问题加拿大特朗斯康谷仓地基失稳上海“楼脆脆”汶川地震中的滑坡万亨大厦基坑倒塌泥石流室外试验事故案例总结（一）绪论：为什么要学习土力学？

比萨斜塔1173年：动工1360年：再复工，至1370年竣工，

全塔共8层，高度为55m1272年：复工，经6年，至7层，

高48m，再停工1178年：至4层中，高约29m，

因倾斜停工绪论：为什么要学习土力学？

目前：塔向南倾斜，南北两端沉降差1.80m，塔顶离中心线已达5.27m，倾斜5.5°原因：地基持力层为粉砂，下面为粉土和粘土层，强度低，变形大比萨斜塔1590年:伽利略在此塔做

自由落体实验绪论：为什么要学习土力学？

1838-1839：挖环形基坑卸载1933-1935：基坑防水处理基础环灌浆加固1990年1月:封闭1992年7月：加固塔身，用压重法和取土法进行地基处理目前:已向游人开放。