复习-土的工程性质

土质学第一章土的物质组成1.1土的粒度成分1.2土的矿物成分1.3土的化学成分1.4土中的水1.5土中的气体固相液相气相1.1.1粒组及其划分粒度(粒径)的定义?土粒平均直径的大小.界限粒径d(mm)砾石砂粒粉粒粘粒胶粒6020.0750.0050.0020.250.5520粗

中

细粗

中

细0.075粗粒细粒巨粒60粒组(粒级)的定义:粒径大小相近,工程地质性质相近.各粒组土的工程性质1.漂石,卵石,砾粒2.砂粒3.粉粒4.粘粒透水性颗粒之间的连接可塑性胀缩性压缩性强度土的粒度成分(颗粒级配)?1.1.2粒度成分的测定方法及结果分析土中各种大小土粒的相对含量。用质量百分数来表示。分析方法：表达方式:适用于粗粒土适用于细粒土列表法累积曲线三角图法筛分法：孔径大小不同的筛子水分法：常采用比重计法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)累积曲线d60d50d10d30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d50:平均粒径d60:控制粒径d10

:有效粒径d30斜率的意义?从图中查找特殊粒径土的不均匀程度：用不均匀系数：掌握两个计算式:连续程度:用曲率系数

Cu=d60/d10

表示，Cu

5，称为不均匀土，反之称为均匀土

Cc=d302/(d60×d10

)

度量,Cc=1~3为连续级配,>3或<1为不连续级配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)累积曲线d60d10d30曲线d60d10d30CuCcL0.330.0050.081663.98M0.0632.41R0.0300.545曲率系数举例是否均匀?是否连续级配?1.1.3土按粒度成分的分类第6章固体成分原生矿物-石英、长石、云母等次生矿物矿物质有机质可溶盐不可溶(游离氧化物,粘土矿物)1.2土的矿物成分1.2.2土的矿物成分与粒组的关系P.16第3段粘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。

高岭石蒙特石伊利石主要特征：颗粒较粗，不容易吸水膨胀和失水收缩，或者说亲水能力差。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。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。1.2.3粘土矿物1.2.4土的矿物成分研究方法了解1.3土的化学成分河砂海砂1.4土中的水矿物中的结合水:矿物内部的水土粒表面结合水:吸附在土颗粒表面非结合水(自由水)电场引力作用范围之外的水固态水由自由水冻成，冻胀融沉气态气存在孔隙空气中总共几类?1.4土中的水1.4.1矿物中的结合水结构水粘土矿物OH-蒙脱石：2Al2[Si4O10](OH)2nH2O，土状或显微鳞片状集合体；白色或灰白色因含杂质染有黄、浅玫瑰红、蓝或绿色；土状者光泽暗淡；硬度1~2；相对密度2~3；具可塑性，遇水剧烈膨胀。结晶水沸石水石膏,苏打方沸石-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100°C时可蒸发-弱结合水：受电场引力作用，为粘滞水膜外力作用下可以移动不因重力而流动，有粘滞性粘土颗粒-----------------++++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，不能任意流动的水结合水特点?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–自由水非结合水(自由水)：不受颗粒电场引力作用的孔隙水,主要受重力控制毛细水重力水1.4.4固态水冻土是指0摄氏度以下，并含有冰的各种岩石和土壤。地球上多年冻土/季节冻土和短时冻土区的面积约占陆地面积的50%，其中，多年冻土面积占陆地面积的25%。1.4.5气态水1.5土中的气体游离气体：与大气连通连通的气体

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，降低渗透性吸附于土颗粒表面的气体几类?3.1概述土的结构是指组成土的基本单元体（单粒）和结构单元体(集粒)的大小、形状、表面特征、定量比例关系、各结构单元体在空间的排列状况及其结构连结特征和孔隙特征的总称。

颗粒大小(粒度分析)

颗粒的连接

颗粒的排列

颗粒组成形状第3章土的结构和土体结构土的构造系指土体形成时期伴随形成的相的特征，以及后期改造过程中产生的节理、裂隙等不连续面在土块内的排列、组合特征。如层理、节理、裂隙等，它影响着土体的稳定、沉降、渗流等工程地质特性。3.1土的结构连结组成土的颗粒之间的连结、组合关系通常称为结构连结，简称连结。一、按连结物质性质的分类(5种)毛细水连结结合水连结冰连结无连结胶结连结二、按连结力的性质分类(6种)离子—静电连结化学连结毛细力连结分子连结磁性连结静电连结3.2土的排列方式与孔隙类型排列是指土的结构单元体(单粒和集粒)的排列方式，即指土颗粒间排列组合关系。通俗地说，就是指土颗粒排列的松紧程度。土的排列方式直接影响到土中孔隙大小和孔隙类型、数量的多少，因而影响土的水理性质和力学性质。砾粒、砂粒、粉粒，由于其颗粒较粗大，比表面积小，土粒自重远远大于颗粒间的分子引力，所以粒间几乎没有连结，或者具有微弱的连结，形成单粒结构。因而常称粗粒土为“无凝聚性土”或“无粘性土”。粗粒土的排列有松散的和紧密的两种。一、粗粒土的排列方式与孔隙类型

二、细粒土的排列方式通常认为，片状粘土矿物是以单个薄片形式存在于土中，片状矿物的晶面上往往带负电荷，而其边缘表面有时带正电荷，有时带负电荷，分子吸引及静电引力使这些颗粒相互接触。按单个片状结构单元体(粘土矿物)相互间的接触方式可分为边面与边面、边面与晶面、晶面与晶面三种类型。细粒土的排列，可以根据孔隙比的大小来判断其排列的紧密程度。通常我们按照孔隙比的大小将土的结构单元体的排列分为：

孔隙比大于1.0的土称为“松散排列的土”；孔隙比小于0.7的土称为“紧密排列的土”；孔隙比为1.0~0.7的土称为“中密排列的土”。一般情况下，呈紧密排列的土中结构单元体基本上以镶嵌接触方式为主，而呈松散排列的土中结构单元体基本上以架空的接触或凝聚型的接触方式为主要类型。土中的孔隙大体上可以分为以下四种孔隙：溶蚀孔隙粒间孔隙粒内孔隙大孔隙3.3土的结构类型及研究方法一、粗粒土的微观结构类型分为松散结构和紧密结构。松散砂土，由于其孔隙较大，土粒位置不固定，在较大压力，特别是动荷作用下变形时，颗粒滑动或滚动到紧密状态，孔隙比随之减小；而紧密砂土在外力作用下孔隙比增大。这种结构的变化影响到土层或土坡的稳定性。二、细粒土的微观结构类型(至少掌握5种)

关于土的微观类型，在不同的研究时代，人们曾提出了很多的意见和想法。目前，根据不同成因、不同物质组成和不同的形态特征提出了以下结构类型:骨架状结构、絮凝状结构、蜂窝状结构、海绵状结构、叠片状结构、基质状结构凝块状结构、团聚状结构、磁畴状结构粗粒土-双目放大镜或显微镜细粒土-显微镜、x射线能谐和波谱分析、压汞法、电子显微镜三、研究土结构特征的方法简介了解3.4

土体结构土体结构土体原生结构土体次生结构流水形成的层理风积形成的均质结构残积、洪积、冰积等形成的无序状结构块状结构碎裂状结构团粒状结构柱状结构割裂状结构片状结构教材P.52-53第四章土的物理性质4.1土的基本物理性质土的基本物理性质包括土的密度、土的含水性、土的孔隙性，它们反映了土的三相物质的比例关系，土的松密和干湿程度。土的物理性质与土的物质组成和结构密切相关，主要取决于土粒、水和气体三相基本组成在质量与体积方面的相互比例关系。空气三相草图水Water固体Solidma=0mwmsm质量VaVwVsVvV体积一、土粒密度土粒密度是指土颗粒质量ms与其体积Vs之比，即土粒单位体积的质量：空气水固体ma=0mwmsm质量VaVwVsVvV体积土粒密度只与组成土粒的矿物密度有关土粒密度与哪些因素有关?与土的孔隙率有关?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：粘性土2.70~2.75，砂土2.65

土的比重Gs=1.0g/cm3土的比重在数值上等于土粒的密度如何得到土粒密度?实验比重瓶法二、土的密度土的密度是指土的总质量M与总体积V之比，即土单位体积的质量(亦称质量密度，单位为g/cm3)。土总质量包括土粒质量Ms和水质量Mw，空气质量Ma忽略不计，总体积包括土粒体积Vs和土粒间空隙体积Vv。

按土孔隙中充水程度和土所处的位置不同,将土的密度又分为天然密度、干密度和饱和密度。

定义：土单位体积的质量表达式：单位:kg/m3

或g/cm3土的天然密度

相关指标:土的重度(容重)=g单位:kN/m3

工程上更常用,用于计算土的

自重应力地基沉降天然状态下环刀法,蜡封法如何得到土的天然密度?

2．干密度

土孔隙中没有水时干土的密度称干密度，即固体颗粒的质量与土总体积之比，用下式表示：

干密度是土密度的最小值，它取决于单位体积的土中固体颗粒多少及组成土粒的矿物密度，其值的大小反映了土粒排列的密实程度。

若土愈密实，土粒愈多，孔隙体积就愈小，则干密度愈大；反之，土愈琉松，土粒愈少，孔隙体积愈大，则干密度愈小。故干密度也反映了土的孔隙性。因此，可用来计算孔隙性指标。对填土工程(如堤、坝、路基)常用干密度作为填土压密程度的质量要求指标。

土的干密度，可用土的天然密度及含水率计算得到，称计算指标，其一般值在1.4—1.7g/cm3。如何得到土的干密度?

3．饱和密度土的孔隙完全充满水时的密度称饱和密度，亦即土孔隙中全部充满水时的单位土体积质量，用下式表示：饱和密度是上密度的最大值，一般值在1.80—2.30g/cm3。可通过干密度、孔隙率等指标计算求得。如何得到土的饱和密度?地下水位以下的土，受到水的浮力作用。在单位体积土中，土颗粒所受的重力减掉浮力后的重度称为浮重度，其数值等于饱和重度减水的重度，又称水下重度，其表示式为：4．重度

工程上也常用重力密度(简称重度)这一概念。它是指单位体积的土所受的重力，其值等于土的质量密度乘以重力加速度。因此，相应地有,土的天然重度、干重度及饱和重度.表示土体密度和容重的指标干密度：土被烘干时的密度，

干容重：天然密度天然容重饱和密度：土被饱和时的密度，饱和容重：浮容重：各种密度容重间的大小关系天然密度干密度饱和密度天然容重干容重饱和容重浮容重三、土的含水性

土的含水性是指土中含水情况，说明土的干湿程度.土中水土中气体固体颗粒可用土中含水的质量来表示，也可用水充填孔隙的程度来表示。1．含水率土中所含水分的质量与固体颗粒质量之比，称为土的含水率，也称为含水量，通常用百分比表示，在计算时则化为小数，表达式为：土在天然状态下的含水率称天然含水率，它在很大程度上决定了土的力学性质。天然含水率是实测指标，如何测定?一般砂土的天然含水率不超过40％，常见值为10％-30％。一般粘性土大多在10％-80％之间，常见值为20％-50％。室内常用烘干法土的孔隙全部被水充满时的含水率称饱和含水率，用ωsat表示，表达式为：饱和含水率

2．饱和度含水率只能表明土中含水的质量与土粒质量的相对比值，不能反映土中孔隙的充水程度。因此，在工程实践中，除测定土的天然含水率外，还用饱和度Sr来表明土中孔隙被水充满的程度。Sr用土中水的体积与孔隙体积的百分比值表示，即或用天然含水率与饱和含水率之百分比表示：在工程实践中，按饱和度的大小将土的饱水程度划为如下三种状态：Sr<50％为稍湿的；Sr＝50％—80％为很湿的；Sr＞80％为饱和的。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：1．孔隙率与孔隙比孔隙率和孔隙比是用来表示土中孔隙体积的数量及土的松密程度的两个指标。它们不能表示孔隙的大小和连通情况。

孔隙率n：(也称孔隙度)是土的孔隙体积与土总体积之比，常用百分比表示：

孔隙比e：是土的孔隙体积与土粒体积之比，常用小数表示：孔隙率与孔隙比之间可做如下换算：孔隙率的常见值为33％~55％；一般情况下，孔隙比的常见值在0.5~1.0之间，粘土孔隙比有时可大于1。四、土的孔隙性

2．砂土的相对密实度砂土的密实程度还可以用相对密实度Dr，来判断工程中常用Dr作为砂土振动液化的判别标准,它也是评价砂土强度和稳定性的重要指标。3．影响孔隙性的因素不同类型的土，由于其粒度成分、矿物成分、结构排列、土层埋藏条件及沉积历史的不同，孔隙性有显著差异。教材P.59五、土基本物理性质指标的求法和相互关系土的基本物理性质指标中的土粒密度、土的天然密度、土的含水率可以通过试验直接测得，称实测指标；而土的干密度、饱和密度、饱和度、孔隙率、孔隙比等指标可通过上述三个实测指标换算求得，故又称为导出指标，其基本计算公式如下：通过土的三相组成示意图，还可以导出许多土的基本物理性质指标的换算公式，常用的换算公式有：4-2细粒土的稠度和可塑性

土粒与水相互作用所表现出的某些性质，也称土的水理性质，如(1)与结合水有关的稠度、可塑性、膨胀性、收缩性、崩解性等.(2)与水的流动有关的透水性、毛细性等性质，均直接或间接地影响建筑物的安全与稳定，是土工程性质的重要内容。

一、细粒土的稠度及界限含水率

细粒土，因土中水分在量和质方面的变化而明显地表现出不同的物理状态，具有不同的性质，如随着含水率从少到多，土可以由固态、半固态变为可塑态，最后变为流动状态。细粒土这种因含水率的变化而表现出的各种不同物理状态，称为细粒土的稠度。什么是稠度?随着含水率的变化，土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界限含水率，也称稠度界限。稠限首先是由瑞典农学家阿太堡提出来的，故也称阿太堡界限。水wVO半固态颗粒Vs+VaVs固态可塑态wswPwL阿太堡界限(Atterberglimit)五个界限含水率中，意义最大的是从半固态过渡到稠塑态的塑限含水率Wp(也称塑性下限)和从粘塑态过渡到粘流态的液限含水率WL(也称塑性上限)；WL相当于土中结合水达到最大值时的含水率。显然，界限含水率可以用来判断土的稠度状态，当W≤Ws时，土呈固态：Ws＜W≤Wp土呈半固态，Wp＜W≤WL土呈塑态，W＞WL土呈流态。塑限测定方法1：搓滚法：调制均匀的湿图样，在毛玻璃上搓滚成3毫米直径的土条，若这个时刻恰好出现裂缝，就把土条的含水率定为塑限塑限测定方法2：液塑限联合测定法：取代表性试样，加入不同数量的纯水，调制成三种不同稠度的试样，用电磁落锥测定圆锥在自重作用下经5秒后沉入试样的深度。以含水率为横坐标，圆锥入土深度为纵坐标，在双对数纸上绘制关系曲线。入土深度2毫米所对应的含水率为塑限。液限测定方法2：液塑限联合测定法：

《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999）规定入土深度恰好为17毫米所对应的含水率为17毫米液限，入土深度恰好为10毫米所对应的含水率为10毫米液限。液限测定方法1：锥式液限仪注意由于液限和塑限目前都是用扰动土测定的，土的结构已彻底破坏，而天然土一般在自重作用已有很长的历史，它获得了一定的结构强度，以至于土的天然含水率大于它的液限也未必一定会发生流动。含水率大于液限只是意味着：若土的结构遭到破坏，它将转变为粘滞泥浆。二、细粒土的可塑性及其指标

细粒土的可塑性主要是在含水率界于液限和塑限之间才表现出来的。因此，可塑性的高低可以由WL和Wp这两个界限含水率的差值大小来反映，二者差值愈大，意味着细粒土处于塑态的含水率变化范围大，可塑性愈高，反之两者差值愈小，土的可塑性愈低。工程中，将液限含水率和塑限含水率的差值称为塑性指数，应用时通常去掉百分符号，用Ip表示：塑性指数定义：大体上表示土的弱结合水含量大致反映矿物的亲水性大致反映粘土颗粒含量常作为细粒土工程分类的依据工程中常用塑性指数Ip对土进行分类：我国一般细粒土(指不含大量有机质或水溶盐的土)的塑限值多在15％—30％之间，常见值为17％—28%。液限值变化范围较大，从20％—40％；重粘土WL高达50％—60％。建筑地基基础设计规范

GB-50007_2002一个问题：液性指数：wpwwL土的稠度状态–液性指数不同的粘土，wp、wL

大小不同。对于不同的粘土，含水量相同，稠度可能不同

液性指数IL是用来判断粘性土天然稠度状态的塑性指标，用土的天然含水率和塑限含水率之差与塑性指数的比值来表示.土的天然含水率愈大，则液性指数愈大。根据液性指数对土的分类建筑地基基础设计规范

GB-50007_2002[例]某粘性土的天然含水量w=19.3%，液限wL=28.3%，塑限wP=16.7%。求塑性指数IP和液性指数IL，确定该土状态。查表可知该土的状态为硬塑状态。IL===0.224[解]：IP=wL-wP=28.3-16.7=11.6IL＞l，故此粘性土为流塑状态。【例】已知粘性土的土粒重度γs=27.5kN/m3，液限为40％，塑限为22％，饱和度为98%，孔隙比为1.15，试计算塑性指数、液性指数及确定粘性土的状态。【解】根据液限和塑限可以求得塑性指数为18，土的含水量及液性指数可由下式求得三、细粒土稠度变化的本质细粒土稠度状态的变化，是由于土中含水率的增减引起的，其实质是由于土颗粒周围结合水厚度或者扩散层厚度发生了变化，使土粒间连结强度发生变化所致。

2.1粘粒的胶体特性(吸引带电颗粒)

1、选择吸附2、表面分子解离3、同晶替代2.2粘粒双电层的形成（双电层与扩散层的概念影响扩散层厚度的因素）

2.3离子交换

离子交换：吸附在粘粒表面的离子可与溶液中的离子进行交换（同号交换），这种现象称之为…。2.4粘粒的聚沉和稳定

当W＜Ws时，土粒表面只有极薄的固定层水(强结合水)，颗粒间靠置叠的固定层连接，连结牢固，颗粒之间距离很小，孔隙中存在很多气体。此时，土具有较高的强度，形状固定，不易变形，土体不会因水分的减少而发生显著的收缩，土呈固态。土颗粒强结合水当Ws＜W≤Wp时，土粒表面结合水膜增厚，固定层外围形成很薄的扩散层水(弱结合水)，粒间连结仍以固定层连结为主，连结力稍减弱，但仍较牢固，粒间距离稍有增大，孔隙中气体减少，土体积有微弱的膨胀，土能抵抗一定外力，但不能揉塑变形，土进入半固体状态。弱结合水土颗粒强结合水

当Wp＜W≤WL时，土粒表面扩散层弱结合水膜增厚．土粒间距离显著增大，粒间靠重量的扩散层的连结，连结力明显减弱。此时，土在外力作用下可揉塑成任意形状而不破坏连结，上呈可塑状态。其中，当扩散层结合水膜相对较薄时，土与其它干燥物体之间不能相互粘着，土处于稠塑状态；当扩散层相对较厚时，土与其它干燥物体接触时能够相互粘着，土进入粘塑状态。弱结合水土颗粒强结合水当W＞WL时，土粒扩散层外围出现自由液态水，土粒之间距离已超出相互引力范围，连结力几乎消失。此时，自由液态水起主要作用，土难以维持一定形状，呈流动状态。土颗粒自由水弱结合水强结合水四、影响细粒土可塑性的因素1．矿物成分和粒度成分的影响

矿物成分和粒度成分是影响细粒土塑性的最主导因素。

2．溶液的化学成分、浓度和pH值的影响

土孔隙中溶液的化学成分、浓度和pH值对土可塑性的影响是通过对扩散层厚度的影响表现出来的。蒙脱石粗粒土五、研究细粒土的稠度和可塑性的意义细粒土的稠度反映了土粒间的连接强度，塑性反映了土粒与水相互作用的程度，在一定程度上表明了土中粘粒的含量和矿物成分的亲水程度。因此，稠度和塑性与土的力学性质直接相关，塑性指标是判断细粒土物理力学性质的重要参数。了解建筑地基基础设计规范

GB-50007_2002活性指数活性指数：A<0.75 非活性粘土A=075–1.25 正常粘土A>1.25 活性粘土粒径小于0.002mm颗粒的质量占总土总质量的百分比矿物亲水性4-3土的胀缩性及崩解性细粒土由于含水率的增加土体积增大的性能称为膨胀性；由于含水率的减少体积减少的性能称为收缩性。这种湿胀干缩的性质，统称为土的胀缩性。土由于浸水而产生崩散解体的特性称为崩解性，又称湿化性。细粒土由于含水率的变化,稠度发生变化。膨胀、收缩、崩解等特性是说明土与水作用时的稳定程度，故又统称土的抗水性。

几个定义?土的膨胀、收缩相崩解对某些基坑、边坡稳定性有着重要的影响。而崩解常造成塌岸现象，影响边坡稳定性。因此，研究土的胀缩性和崩解性对工程建筑物的安全和稳定具有重要意义。一、研究土胀缩性和崩解性的意义

了解二、土的膨胀性及其指标土膨胀的最普遍形式是由于双电层形成，结合水，特别是弱结合水的增加，削弱了粒间的连结力，增大了粒间的距离，从而使土体积膨胀；当含水量达到液限，即相当于最大分子水容量时，土体膨胀达最大值。这种膨胀的机理是由于粘土矿物和细分散有机质因水化而产生的结合水膜对土粒间的楔劈作用的结果。如果扩散层较薄，结合水较少，土的粒间连结力大于或等于结合水膜的楔劈作用时，土不会发展膨胀。当扩散层较厚，结合水较多，结合水的楔劈压力大于粒间连结力时，将迫使土粒间距增大，从而引起土体积膨胀，直到达两种力达到新的平衡为止。土的膨胀性原因土颗粒结合水膜弱结合水强结合水教材P.69某些亲水性能较强的粘土矿物的晶胞之间，可以吸附大量水分子。由于进入硅氧四面体和铝氧八面体的“层间结合水”的增加，使结晶格架膨胀，引起土体积膨胀，这称为层间膨胀或结晶内部膨胀。表征土膨胀性的指标主要有膨胀率、自由膨胀率、膨胀力、膨胀含水量。1.膨胀率原状土在一定压力下，在有侧限条件下浸水膨胀稳定后的高度与原高度之比，用百分率表示。其值愈大，说明土的膨胀性愈强。室内试验是用环刀取土测定的，由于是在有侧限条件下的膨胀，因此测得的膨胀率(线胀率）实际上就是体胀率即膨胀率。表达式为?

2．自由膨胀率将一定体积的扰动烘干土样经充分吸水膨胀稳定后，测得的增加的体积与原干土体积之比即为自由膨胀率，以百分率表示：3．膨胀力Pe

原始土样在体积不变时，由于浸水膨胀时产生的最大内应力。4．膨胀含水率Wsl

土样膨胀稳定后的含水率，此时扩散层已达最大厚度．结合水含量增至极限状态。三、土的收缩性及其指标一般认为土的失水收缩主要是因为双电层变薄、结合水减少引起的。土中水分进一步减小而土的体积不再缩小时的含水率，称为土的收缩界限含水率，简称“缩限”，用Ws表示。液限与缩限为土与水相互作用后土体积随含水率变化的上、下界限，以缩性指数表示：缩性指数随含水率的变化,土体积变化的大小表征土收缩性的指标有：1．体缩率

土样失水收缩减少的体积与原体积之比，以百分率表示。2．线缩率土样失水收缩减少的高度与原高度之比，以百分率表示。3．收缩系数原状土样在直线收缩阶段，含水率每减少1％时的竖向线缩率。四、影响土膨胀性和收缩性的因素影响扩散层和结合水厚度的因素，也是影响胀缩性的因素，主要有土的粒度成分和矿物成分、土的天然含水率、土的密实程度、土的结构、水溶液介质的性质以及外部压力等因素。

五、土的崩解性及其影咱因素土因浸水而发生崩解散体的特性称崩解性。土的崩解形式是多种多样的，有的呈均匀的散粒状，有的呈鳞片状、碎块状或崩裂状等等。不同的崩解形式与土的矿物成分、粒度成分、颗粒形状及土的结构和胶结程度有关。了解评价粘性土的崩解性一般采用下列三个指标：(1)崩解时间：一定体积的土样完全崩解所需的时间；(2)崩解特征：土样在崩解过程中的各种现象；(3)崩解速度：土样在崩解过程中质量的损失与原土样质量之比和时间的关系。4-4土的毛细性毛细水：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毛细管中流体的界面效应PD=表面张力系数弯液面力弯液面力用水柱高度表示毛细上升高度土颗粒毛细水结合水起始水力梯度教材P.75土颗粒土中水渗流土是一种碎散的多孔介质，其孔隙在空间互相连通。当饱和土中的两点存在能量差时，水就在土的孔隙中从能量高的点向能量低的点流动

水在土体孔隙中流动的现象称为渗流土具有被水等液体透过的性质称为土的渗透性4-5土的渗透性在多数情况下，水在天然土层中以层流形式运动，服从达西定律，通常用渗透系数K来表征土的透水性。达西定律达西定律：在层流状态的渗流中，渗透速度v与水力坡降i的一次方成正比，并与土的性质有关渗透系数k:

反映土的透水性能的比例系数，其物理意义为水力坡降i＝1时的渗流速度，单位：cm/s,m/s,m/day渗透速度v：土体试样全断面的平均渗流速度，也称假想渗流速度其中，Vs为实际平均流速，孔隙断面的平均流速土颗粒水比较大小(1)在纯砾以上的很粗的粗粒土如堆石体中，在水力坡降较大时，达西定律不再适用，此时：

两种特例ivovcr(2)粘性土的渗透性而在粘土中，主要是结合水在运动。因为结合水具有抗剪强度，所以，必须是水力梯度达到某一数值后，克服了结合水的抗剪强度时，水才能在土中渗透流动。因此，粘性土透水性较弱，一般常把粘性土视为隔水层，而实际上粘性土还是透水的，如建在粘性土地基上的建筑物的基础沉降，就是在建筑物荷重作用下，一部分结合水从孔隙中被挤出，孔隙体积减小，引起地基土层压缩所致。这就是结合水在土孔隙中渗透流动的结果。由于结合水粘滞阻力的影响．使粘性土中水的渗透不符合达西定律。结合水中的强结合水具有固体性质，可视为固体相的一部分。弱结合水，由于水分子排列不紧密，既具固体性质，又具液体性质，在水力梯度较小时，渗透速度非常小；当水力梯度增大到某一数值后，克服了结合水抗剪强度时，水才能发生渗透流动。用于克服结合水抗剪强度的水力梯度，称起始水力梯度，用I0表示。ivoi0i>i0,v=k(i-i0)是土中孔隙直径大小的主要影响因素因由粗颗粒形成的大孔隙可被细颗粒充填，故土体孔隙的大小一般由细颗粒所控制。因此，土的渗透系数常用有效粒径d10来表示，如哈臣公式：土的性质水的性质粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构渗透系数的影响因素

掌握定性分析是单位土体中孔隙体积的直接度量对于砂性土，常建立孔隙比e与渗透系数k之间的关系，如：渗透系数的影响因素

土的性质水的性质粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构对粘性土，影响颗粒的表面力不同粘土矿物之间渗透系数相差极大，其渗透性大小的次序为高岭石>伊利石>蒙脱石；当粘土中含有可交换的钠离子越多时，其渗透性将越低塑性指数Ip综合反映土的颗粒大小和矿物成份，常是渗透系数的参数渗透系数的影响因素

土的性质水的性质粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构影响孔隙系统的构成和方向性，对粘性土影响更大在宏观构造上，天然沉积层状粘性土层，扁平状粘土颗粒常呈水平排列，常使得k水平﹥k垂直在微观结构上，当孔隙比相同时，凝聚结构将比分散结构具有更大的透水性渗透系数的影响因素

土的性质水的性质粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构渗透系数的影响因素水的动力粘滞系数：温度，水粘滞性，k饱和度（含气量）：封闭气泡对k影响很大，可减少有效渗透面积，还可以堵塞孔隙的通道

土的性质

水的性质粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构第五章土的力学性质

5.0概述一、土的力学性质的涵义：

土在外力作用下表现出的性质。

高压缩性——孔隙被压缩，土的体积减小 低抗剪强度——低抗剪切破坏的能力弱

不考虑拉应力包括： 可压缩性简称压缩性（在压应力作用下产生） 抗剪性（在剪应力作用下产生） 渗透变形（在渗透水流作用的渗透力下产生）特点5.1土的压缩性

一、土的压缩性及实质 压缩性——土在静压应力作用下体积压缩变小的性能。

土的压缩性包括两含义：

压缩量大小：研究外力与e的关系。

压缩这程快慢：研究变形与时间t的关系。土压缩变形的本质土体的压缩变形实际上是孔隙压缩、孔隙比变小所造成的。在土的压缩过程中，假定土颗粒是不可压缩的，水是不可压缩的，只有孔隙可以压缩。对饱和土而言，土的压缩主要是由孔隙中的水被挤出所致，压缩过程同排水过程一致。孔隙水排出，土的压缩随时间而增长的过程，称为土的固结。试验方法压缩试验载荷试验受力条件不同：①有侧限室内压缩试验——只有垂向变形（大量的，传统的）②无侧限现场载荷试验——既有垂向压缩，又有侧向变形二、压缩实验、参数1、土的压缩试验特点：①室内，取样品做；②有侧限。（1）原理及方法 方法：室内用环刀切取土体，放在垂向变形的压缩仪中，分级加压，测取各级压力下压缩稳定后土样的高度变化，换算相应的孔隙比，然后作p-e曲线。分级加压，令Pi=0.5，1，2，3kg/cm2

用测微表测出△h0.5△h1,△h2,△h3通过公式算出e0.5e1e2e3作p—e曲线称为压缩曲线 e-p曲线ep01002003000.60.70.80.91.0ep(kPa)不同土的压缩系数不同，a越大，土的压缩性越大同种土的压缩系数a不是常数，与应力p有关通常用a1-2即应力范围为100-200kPa的a值对不同土的压缩性进行比较压缩系数

KPa-1，MPa-1土的类别a1-2(MPa-1)高压缩性土>0.5中压缩性土0.1-0.5低压缩性土<0.1压缩系数a1-2常用作比较土的压缩性大小压缩系数：01002003000.60.70.80.91.0epep(kPa)（3）压缩指数Cc 将压缩试验成果投放e-lgp对数座标系中，得一曲线，其中线段的斜率定义为压缩指数。用Cc表示。 优点：线在很大范围内呈直线，Cc是常量而非变量，用起来也较方便。Cc越大，线段越陡，表示土的压缩性越高。压缩指数粘性土的Cc值一般在0.1—1.0之间

体积压缩系数1e0e孔隙固体颗粒e压缩模量指土在侧限压缩条件下竖向附加压应力与应变增量之比，单位为MPa。三、载荷试验和变形模量

载荷试验 无侧限现场试验，在试坑中进行，较真实反映土体的受力状态，因而成果较符合实际。 压力p沉降SOab载荷试验P~S曲线

oa段：压密变形阶段（直线变形或隙性变形阶段）P-S曲线近直线，反映地基的弹性变形为主，主要是土颗粒在垂直方向上彼此靠拢，0~Pa压力下，剪力＜土的抗剪强度。

ab段：局部剪切变形段（局部塑性变形阶段）压力＞Pa后，局部地基土剪应力超过土抗剪强度，局部地压出现剪切变形，且随压力的增大逐渐增大，但在Pa~Pb范围内未出现连续破坏面。Pa称临塑荷载，Pb称极限荷载。

bc段：完全破坏阶段（b点以左），荷载达Pb后剪切变形形成连续滑动面，地基土发生破坏。

变形模量 从P-S曲线可以确定土的变形模量E0。 E0的物理意义：土在无侧限条件下受压，压应力与压应变之比。

掌握计算式

当u在0.5~0.0之间时,β在1~0之间 ∴Eo＜Es(理论值)

但是在实际工作中有时侧得β=＞1，与理论值不符，原因是：

结构性,弹性体四.变形模量E与压缩模量Es间的关系天然土体往往是经过反复加载荷的。下降段——沉积,建造房屋——加荷；五、应力历史和先期固结压力

上升段——剥蚀，建筑拆除——卸荷。描述：在压缩试验过程中加压至某值pb后逐级卸压，土样即回弹，称为回弹曲线，如图中bc段所示。可恢复的这部分变形（即与ec-eb

相当的压缩量）是弹性变形，不可恢复的变形（即与e0-ec相当的压缩量）则称为残余变形。如卸压后又重新逐级加压至pf

，则相应的孔隙比与压力的关系曲线段称为再压缩曲线，如图中cdf

所示。在图中指出?先期固结压力?

先期固结压力：土层历史上所经受到的最大压力p 目的：用先期固结压力与目前土的上覆土重对比，研究其压缩性，结构性。

正常固结土、超固结土、欠固结土的概念正常固结土：土层历史上经受的最大压力等于现有覆盖土的自重应力.超固结土：土层在超过目前自重压力的荷载作用下固结形成的土,也即该土层历史上曾受过大于现有覆盖土重的前期固结压力.超固结比OCR:先期固结压力与现有土层自重应力之比.OCR=pc/p1欠固结土：土层在目前的土重下,还没有达到完全固结的状态,土层实际固结压力小于现有土层的自重应力.p=s：正常固结土p>s：超固结土p<s：欠固结土OCR=1：正常固结OCR>1：超固结OCR<1：欠固结

超固结比：如土层当前承受的自重压力为s

相同s

时，一般OCR越大，土越密实，压缩性越小固结状态的相互转化可以相互转化的。例如：对于原位地基中沉积已稳定的正常固结土，因开挖卸载等，就成为超固结土，而超固结土则可因足够大的堆载加压而成为正常固结土。新近沉积土在自重应力作用下尚未完成固结，故为欠固结土，但随着时间的推移，在自重应力下的压缩会渐趋稳定从而转化为正常固结土。对于室内压缩稳定并处于正常固结状态的土样，经卸荷就会进入超固结状态，而处于超固结状态的土样则可经施加更大的压力而进入正常固结状态。土的固结状态是否可以相互转化?举例?六、土的压缩过程

土的压缩性应包括： ①压力与变形的关系（e-p，e-logp，p-s）或该土在某级压力下压缩达稳定时压力与变形量的关系； ②变形与时间的关系（s-t）或该是土在一定压力下的压缩过程，即压缩稳定所需的时间及在t稳过程中s的变化规律。七.影响因素

1.粒度成分和矿物成分的影响

2.含水率的影响

3.密实度的影响

4.结构状态的影响

5.构造特征的影响

6.受力历史的影响5.2土的抗剪性

一、抗剪强度及剪切破坏本质1、土的抗剪性，抗剪强度。

抗剪性：在剪应力作用下，土抵抗剪切破坏的性质。

抗剪强度：土抵抗剪切破坏的极限强度。定义土的强度破坏的本质：

实际上是颗粒间的相互错动最终在土体中形成连续的滑动面。 ①粒间存在摩擦阻力。 ②土粒间有结构连结。 不同的土粒间摩阻力不同，结构连结亦不同，抗剪强度就不相同。无粘性土主要是粒向摩阻力；粘性土还有粒间结构连结力，但它的粒间摩阻力小。土为什么有抗剪强度?抗剪强度指标的测试方法较多，有：室内的：直剪、三轴、无侧限抗压强度野外的：十字板、静力触探、大型直剪二.土的剪切试验

即直接剪切试验，是研究土的抗剪强度的一种较常规，一般的方法。室内进行。1、直剪试验方法：用环刀取土，将土样推入剪切盒中（由上、下两半组成），上盒固定，从上部加垂直压力P，然后从水平方向施加剪力T，当T增到某一定值时，土样沿剪切面剪坏。PT土样下盒上盒S面积A

直剪试验

法向应力：

剪应力：

剪切变形SS123

库仑公式：（1776）f1f2f3Oc

f

：土的抗剪强度tg：摩擦强度-正比于压力：土的内摩擦角c：土的粘聚力-与所受压力无关直剪试验的优缺点

设备和操作简单人为固定剪切面剪切面积逐渐减小排水条件不明确333331=3+11=3+1原理：据土体在主向力作用下处于极限平衡状态时，土内某点的应力状态（σ1、σ3）与c、φ之间的关系来确定土的抗剪强度指标2、三轴剪切试验（静三轴）1-313=100kPa3=300kPa3=500kPa三轴试验确定土的强度包线O31f强度包线c由不同围压的三轴试验，得到破坏时相应的（1-)f分别绘制破坏状态的应力摩尔圆，其公切线即为强度包线，可得强度指标c与(1-3)f类型施加

3施加

1-3量测固结

排水固结排水体变固结

不排水固结不排水孔隙水压力不固结不排水不固结不排水孔隙水压力常用试验类型333331=3+11=3+1常规三轴试验优缺点单元体试验，试样内应力和应变相对均匀应力状态和应力路径明确排水条件清楚，可控制破坏面不是人为固定的设备操作复杂现场无法试验常规三轴试验不能反映2的影响说明：3＝0即为无侧限抗压强度试验3、无侧限抗压强度试验（三轴试验的特例）

圆柱形土样放在无侧向压力仪上，使土样发生剪切破坏。即：指土抵抗轴乱向压力的极限强度。 适用于饱和软粘土（认为φ≈o）

极限应力圆试验时围压σ3=0（无侧限），试样在轴向压力下产生剪切破坏。破坏时的轴向压力称为无侧限抗压强度，以qu

表示。十字板剪切试验一般适用于测定软粘土的不排水强度指标钻孔到指定的土层，插入十字形的探头通过施加的扭矩计算土的抗剪强度

1、总应力法 用剪切面上的总应力表示土的抗剪强度的方法。 总应力强度指标——用总应力法求得的土的抗剪强度指标。

τf=σtg+c（对无法测u来说的）三、土的抗剪强度指标确定

因试样剪切过程中排水程度不同，u不同，在相同压力下，测得的指标c，φ值是不同的，分三种：①慢剪（排水剪）：加上压力后试样充分排水固结，然后（φd，cd）缓慢加水平力，试验中均排水，u=0，压缩固结；②快剪（不排水剪）：加上压力不排水，又迅速加水平剪力下试样剪坏（φu，cu），整个试验过程中ω不变；③固结快剪（固结不排水剪）：加压后充分排水固结，然后迅速加水平力剪坏试样（φcu，Ccu）(1)慢剪施加正应力-充分固结剪切速率很慢，<0.02mm/分，以保证无超静孔压(2)固结快剪施加正应力-充分固结在3-5分钟内剪切破坏(3)快剪施加正应力后立即剪切3-5分钟内剪切破坏通过控制剪切速率近似模拟排水条件关系：φd＞φcu＞φu

慢剪＞固结快＞快剪在实际工程中该采取哪种方法应依具体情况定，即模拟实际工程的情况及土性，工程排水条件，施工期长短等，一般来说：①厚层粘土，排水条件不好，施工短期，采用?②薄层粘土，排水条件较好，施工期较长,采用?③施工期间固结基本完成的土（砂类土或施工期长的粘性土）；期间可能突然加荷,采用?快剪。慢剪。固结快剪。2、有效应力法和有效应力强度指标

有效应力法：用剪切面上的有效应力表示土的抗剪强度的方法。

测定方法：主要是三轴剪切实验。抗剪强度的有效应力指标c，c+tg=-u

符合土的破坏的机理，

但有时孔隙水压力u

无法确定

有效应力指标与总应力指标凡是可以确定（测量、计算）孔隙水压力u的情况，都应当使用有效应力指标c，采用总应力指标c，时，应根据现场土体可能的固结排水情况，选用不同的总应力强度指标研究意义在于评价土稳定时如何选用强度指标，选残余强度是安全的，但偏于保守。3、土的峰值强度和残余强度1、峰值强度以土样剪坏时的最大剪应力（峰值）确定土的抗剪强度。2、残余强度以土样剪坏时的最小剪应力（稳定值）确定土的抗剪强度。无粘性土的剪切性状紧砂的强度达一定值后，随着轴向应变的继续增加强度减小，最后趋于与松砂相同的恒定值，这一恒定的强度称为残余强度。紧砂的这种强度减小被认为是剪应变克服了土粒间的咬合作用之后，无粘性土结构崩解变松的结果。粘土的残余强度正常固结粘性土的峰值强度＜超固结粘性土峰值强度正常固结土的残余强度=超固结土的残余强度粘土的残余强度粘土的残余强度与它的应力历史无关在大剪位移下超固结粘土的强度降低幅度比正常固结粘土的大

峰值强度指标与残余强度指标

峰值强度：一般问题

残余强度古旧滑坡断层夹泥大变形问题四、土的蠕变及长期强度 1、土的蠕变 是由工程实践中提出来的。工程实践中发现，建筑物建成后，使用开始，土体稳定。随着时间延伸，有些地基土在τ＜τf时发生变形甚至破坏。说明——在不变的剪力作用下，随