土力学 课件全套 第1-10章 绪论、土的物理性质及工程分类- 特殊性土地基

土力学SoilMechanics第1章

绪论1.1土力学及其研究对象1.2土力学的任务1.3土力学的学科地位1.4土力学的发展简史1.5课程的学习方法土力学是干什么的？

土力学是以传统的工程力学和地质学的知识为基础，研究与土木工程有关的土中应力、变形、强度和稳定性的应用力学分支。同时，土力学还要用专门的土工试验技术来研究土的物理化学特性，以及土的强度、变形和渗透等特殊力学特性。

因此，土力学除了工程力学的一般内容外，还有土质学、土工试验以及渗流力学的相关内容。1.1土力学及其研究对象什么是土？

土是矿物或岩石碎屑物构成的松软堆积物。在自然条件下，这些堆积物可形成具有一定物质组成、结构形式和赋存环境的地质体。1.1土力学及其研究对象

在工程建设中，土被广泛用作各种建筑物的地基或材料，或构成建筑物周围的环境或保护层。

1.1土力学及其研究对象土的特点：

三相体：由固体颗粒、液体水和气体组成。碎散性：固体颗粒之间没有联接强度或联接强度远小于颗粒本身的强度是土有别于其它连续介质的一大特点。透水性：粗、细粒土差别很大。多孔性：变形大、土粒之间的相对移动性。自然变异性或不均匀性：土有很强的区域性。易变性：易受温度、湿度、地下水、荷载等影响。1.1土力学及其研究对象1）土体稳定问题：包括地基承载力、边坡以及挡土墙的稳定等，也就是研究土体中的应力和强度，避免土体因强度不足而导致建筑物的破坏或边坡丧失稳定性。

1.2土力学的任务地基承载力不足案例：加拿大特朗斯康谷仓由65个圆筒仓组成，59.44m×23.47m，高31.00m。钢筋混凝土筏板基础，埋深3.66m。谷仓地基土事先未进行勘察，仅根据邻近结构物基槽开挖试验结果，计算得到地基承载力为352kPa。谷仓于1913年完工后，10月13日初次装入谷物（基底压力329.4kPa）时，发现1小时内竖向沉降达30.5cm，24小时内谷仓向西倾斜达26°53′，西端下沉7.32m，东端上抬1.52m。事后查明，该谷仓地基实际承载力为194~277kPa，远小于谷仓破坏时的基底压力。1.2土力学的任务加拿大特朗斯康谷仓倾斜示意图边坡失稳案例：太澳高速路堑边坡（2010）1.2土力学的任务边坡失稳案例：罗长高速路堤边坡（2004）1.2土力学的任务2）土体变形问题：地基的变形特征（沉降量、沉降差、倾斜和局部倾斜）不超过建筑物的允许值。

1.2土力学的任务工程案例一：意大利比萨斜塔

该塔于1173年动工，1370年竣工。全塔8层，高度为55m，总荷重145MN，基底压力约50kPa。地基持力层为粉砂，下为粉土和黏性土。该塔向南倾斜，南北两端沉降差1.80m，塔顶离中心线达5.27m，倾斜5.5°，成为危险建筑，1990年被封闭。1.2土力学的任务工程案例二：苏州虎丘塔

建于959～961年期间，为七级八角形砖塔，塔底直径13.66m，高47.5m，重63000kN。1956～1957年修缮后，塔体重量增加约2000kN，同时加速了塔体的不均匀沉降，塔顶偏离中心线的距离由1957年的1.7m发展到1978年的2.31m，并导致地层砌体产生局部破坏。后于1983年对该塔进行了基础托换。1.2土力学的任务工程案例三：楼歪歪与楼靠靠

3）渗透变形问题：流土、管涌、基坑突涌等。

1.2土力学的任务2019年8月24日，南京地下空间基坑突涌2016年7月4日，武汉市青山区倒口湖管涌处理1.2土力学的任务美国Idaho州Teton坝1976年6月失事。直接损失8000万美元。1.2土力学的任务1.2土力学的任务美国Idaho州Teton坝1976年6月失事（续）是土木类专业的一门重要的专业基础课程；与其他课程相互渗透、相互依存。预备知识：高等数学、工程地质学、流体力学、材料力学和弹性力学的基本概念和部分计算理论后续课程：基础工程、深基坑工程、地基处理1.3土力学的学科地位万丈高楼平地起！古老+年轻感性认识阶段：古代劳动人民留下了令今人叹为观止的工程遗产。恢宏的宫殿寺院、灵巧的水榭楼台、巍峨高塔、蜿蜒万里的长城、大运河等等，无不体现出能工巧匠的高超技艺和创新智慧。但这仅仅局限于工程实践经验，受到当时生产力水平的限制，未能形成系统的土力学和工程建设理论。

1.4土力学的发展简史萌芽期(1773~1923)：十七世纪末期，欧洲各国大规模的城堡建设推动了筑城学的发展并提出了墙后土压力问题，库仑（1773）提出了著名的抗剪强度公式和土压力理论。1869年英国人朗肯又从不同途径提出了挡土墙的土压力理论。1.4土力学的发展简史CACoulomb(1736—1806)WJMRankine(1820—1872)十九世纪中叶开始，大规模的桥梁、铁路和公路建设推动了桩基和深基础的理论与施工方法的发展。1885年布辛奈斯克求得了弹性半空间体在竖向集中力作用下的应力和位移解。同时深井抽水很盛行，促进了地下水的研究。1852年达西创立了砂性土的渗流理论“达西定律”。1.4土力学的发展简史JVBoussinesq(1842—1929)HPGDarcy(1803—1858)路堑和路堤、运河渠道边坡、水坝等的建设提出了土坡稳定性的分析问题。1916年，瑞典彼得森(K.E.Petterson)首先提出了边坡稳定计算的圆弧滑动法，1922年，瑞典费伦纽斯(W.Fellenius)对此做了进一步的发展，至今在边坡工程中广泛采用。1920年法国普朗德尔(L.Prandtl)发表了地基滑动面计算的数学公式，为后来多种地基承载力理论公式的提出奠定了基础。1.4土力学的发展简史古典土力学（1923~1963）：1923年，太沙基提出了饱和土体一维固结理论，1925年在归纳以往成果的基础上阐述了有效应力原理，发表了第一本《土力学》（Erdbaumechanik）专著，从而建立起一门独立的学科——土力学。1.4土力学的发展简史KTerzaghi(1883—1963)这一时期，费伦纽斯、泰勒（D.W.Taylor）和毕肖普(A.W.Bishop)等完善和发展了圆弧滑动分析方法，特别是1955年毕肖普对边坡安全系数提出的新定义，为其后非圆弧条分法的提出铺平了道路。1941年比奥(M.A.Biot)提出了Biot三维固结理论，首次将渗流和变形耦合到一起。1948年，巴隆（R.A.Barron）提出的砂井固结理论成为预压法处理软弱地基的理论基础。1954年斯肯普敦(A.W.Skempton)提出的著名的孔隙水压力公式和1963年简布(N.Janbu)提出的模量公式，已分别初步考虑到了土体的剪胀性和压硬性，这说明现代土力学已在20世纪50年代已开始酝酿。1.4土力学的发展简史现代土力学（1963~）：1963年，罗斯科(K.H.Roscoe)等人创建并发表了著名的剑桥弹塑性模型，标志着人们对土性质的认识和研究进入了一个崭新的阶段。其后，非线性和弹塑性本构模型得以深入研究，新的本构模型不断涌现，非饱和土力学已日渐雏形。随着土工数值计算的飞速发展，土力学进入了计算机模拟阶段。同时土工测试技术，特别是原位测试技术和离心模型试验技术也取得很大进展。1.4土力学的发展简史沈珠江院士将现代土力学理论归结为一个模型、三个理论和四个分支。一个模型即本构模型，特别是指结构性模型；三个理论即非饱和土固结理论、液化破坏理论和渐进破坏理论；四个分支即理论土力学、计算土力学、试验土力学和应用土力学（土工学）。1.4土力学的发展简史沈珠江(1933.1.25-2006.10.2)中国学者的贡献：我国对土力学的研究始于1945年在中央水利试验处创立第一个土工试验室，但是，大规模的研究则是在新中国成立以后大规模的工程建设中。1.4土力学的发展简史南京长江大桥三峡大坝中国学者的贡献：在土的特性方面：刘祖典等对黄土湿陷特性的研究、魏汝龙对软黏土强度变形特性的研究、汪闻韶对砂土动力特性的研究等。1.4土力学的发展简史刘祖典（1914—)汪闻韶（1919—）中国学者的贡献：在理论和计算方面：黄文熙对地基应力和沉降计算方面的改进、陈宗基的流变模型、钱家欢应用李氏比拟法求解黏弹性多孔介质的固结问题、谢定义关于砂土液化理论的研究、沈珠江关于有效应力动力分析方法的研究1.4土力学的发展简史黄文熙(1909—2001)陈宗基（1922—1991）1.4土力学的发展简史钱家欢（1923—1995）谢定义（1931-）特点：涉及领域广、内容多、综合性、理论性和实践性都很强。学习方法：强化基本概念、基本理论的学习，重视有关理论和公式的适用性。紧抓四大主题，建立内在联系。重视土工试验，加强动手操作能力。加强案例学习，提高运用理论知识解决实际问题的能力。

1.5土力学的学习方法土力学SoilMechanics第2章土的物理性质及工程分类2.1土的生成2.2土的组成2.3土的结构和构造2.4土的物理性质指标2.5土的物理状态指标2.6土的压实性2.7土的工程分类工程地质已讲授，本节仅是复习

土是指地壳表面的岩石在风化作用下形成的大小悬殊的颗粒，经过不同的搬运方式，在各种自然环境中堆积而形成的松散颗粒集合体。在漫长的地质年代中，土（沉积作用）→岩石（风化作用）→土，永无休止的循环。土的类型：残积土和运积土

2.1土的生成表层风化形成残积土2.1.1风化作用风化是岩石在自然界各种因素和外力的作用下遭到破碎与分解，产生颗粒大小变小及化学成分改变等现象。通常把风化作用分为物理风化、化学风化和生物风化三种类型。2.1土的生成物理风化化学风化生物风化2.1土的生成风化类型风化营力颗粒特征物理风化地质构造运动、温差变化、冻胀以及在运动过程中的碰撞、摩擦等只能引起岩块的机械破碎，颗粒粗大，其成分基本上与母岩相同化学风化水化作用、氧化作用、碳酸盐化作用及溶解作用等形成新的矿物，颗粒细小生物风化各种动植物及人类活动所引起物理风化、化学风化具有三种风化作用是相互关联的，可以同时或相互交替作用。在不同的地区，往往以一种作用为主。风化作用往往在岩体表面比较强烈，达到一定深度后，风化作用基本消失。2.1.2土的成因类型按形成条件分为残积土和运积土。1）残积土：母岩表面经风化作用破碎成为岩屑或细小颗粒后，未经搬运，残留在原地的堆积物。它与母岩之间没有明显的界限，其矿物成分和母岩相同。颗粒未经分选和磨圆，没有层理构造，均质性较差。一般分布在宽广的分水岭上和平缓的山坡或低洼地带。2.1土的生成北京公路两边的残积土2）运积土：岩石风化后所形成的土颗粒，受自然力的作用，被搬运到远近不同的地点所沉积下来的堆积物。特点：颗粒经过滚动和摩擦作用而变圆滑，具有一定的浑圆度；在搬运和沉积过程中因受水流等自然力的分选作用可形成颗粒粗细不同的土层。根据搬运力的不同分：坡积土、洪积土、冲积土、湖泊沼泽沉积土、海相沉积土、风积土、冰川堆积物等。2.1土的生成2.1土的生成北京公路两边的坡积土北京公路两边的冲积土洪积土风积土三相体系固相（固体颗粒）液相（土中水）气相（土中气体）注意：饱和土和干土为两相体系固相是骨架三相相对含量的变化影响土的软硬、干湿、疏密

2.2土的组成2.2.1土的固体颗粒（固相）土的固体颗粒构成土的骨架，其大小和形状、矿物成分以及大小搭配情况对土的物理力学性质有明显影响。1.土的矿物成分矿物成分取决于母岩的矿物成分和风化作用，按其成因可分为原生矿物、次生矿物和有机质等。2.2土的组成2.2土的组成1）原生矿物。原生矿物常见的有石英、长石、云母、角闪石等。其矿物成分与母岩相同，颗粒较大，物理化学性质较稳定，具有较强的抗水性和抗风化能力，亲水性较弱。它们对土的工程性质的影响主要表现在颗粒的形状、坚硬程度和抗风化稳定性方面。由它们构成的粗粒土，若级配良好，则工程性质较稳定。石英钠长石黑云母2.2土的组成2）次生矿物。次生矿物主要有黏土矿物、氧化物和水溶性盐类等。它们颗粒细小，一般呈片状或针状，是黏性土固相的主要成分。其粒径非常小(<0.005mm)，具有很大的比表面积和较强的亲水性。黏土矿物主要有蒙脱石、伊利石和高岭石三类。蒙脱石亲水性最强，容易吸水膨胀脱水收缩，高岭石亲水性较弱，性质相对稳定，伊利石介于蒙脱石和高岭石之间。3）有机质。有机质是由土层中的动植物分解而形成的。一种是分解不完全的植物残骸，形成泥炭，疏松多孔；另一种则是完全分解的腐殖质。有机质易于分解变质，亲水性强，使土具有较强的可塑性、膨胀性和黏性，对土的工程性质有很大的不利影响。2.黏土矿物的结构特征黏土矿物是由硅片和铝片构成的晶胞交互成层组叠而成的一种复合铝–硅酸盐晶体，呈片状。硅片的基本单元是硅–氧四面体，由6个硅–氧四面体组成一个硅片。2.2土的组成铝片的基本单元是铝–氢氧八面体，由4个铝–氢氧八面体组成一个铝片。三种常见黏土矿物的晶格结构2.2土的组成高岭石

蒙特石

伊利石3.粘土矿物表面的带电性质伊斯试验：阳极水位下降、变浑，阴极水位升高，称之为电泳、电渗。2.2土的组成土颗粒泳向阳极说明土颗粒表面带负电荷。在片状土颗粒的侧面断口处常带正电荷，整体通常表现为负电荷。双电层

土粒表面形成一个电场。在最靠近土粒表面处，静电引力最强，形成固定层。在固定层外围，静电引力比较小，形成扩散层。固定层和扩散层所含离子与土粒表面电荷的电位相反，合称反离子层，与土粒表面负电荷一起构成双电层。2.2土的组成4．土粒粒度分析方法2.2土的组成粒度：土颗粒的大小。粒径：土颗粒的形状、大小各异，但都可以将土颗粒的体积化为一个当量的小球体，据此可算出当量小球体的直径，称为当量直径，简称粒径。粒组：工程上通常把工程性质相近的一定尺寸范围的土粒划分为一组。粒组的分界尺寸称为界限粒径。《土的工程分类标准》(GB/T50145—2007)按界限粒径200、60、2、0.075和0.005mm，将土粒粒组先粗分为巨粒、粗粒和细粒三个统称，再细分为六个粒组：漂石（块石）、卵石（碎石）、砾粒、砂粒、粉粒和粘粒。

1）颗粒大小与粒组划分表2-1土粒粒组划分粒组统称粒组名称粒径范围(mm)一般特征巨粒漂石（块石）>200透水性很大，无粘性，无毛细水卵石（碎石）200~60粗粒

粗砾砾粒

中砾

细砾60~2020~55~2透水性大，无粘性，毛细水上升高度不超过粒径大小

粗砂砂粒中砂

细砂2~0.50.5~0.250.25~0.075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，遇水不膨胀，干燥时松散；毛细水上升高度不大，随粒径变小而增大细粒粉粒0.075~0.005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快，极易出现冻胀现象黏粒<0.005透水性很小，湿时有粘性、可塑性，遇水膨胀大，干时收缩显著；毛细水上升高度大，但速度较慢

2.2土的组成土的颗粒级配：土中各粒组的含量占土样总质量的百分数。土的颗粒分析试验：确定土中各粒组相对含量的方法，工程实践中常用的有筛分法和密度计法两种。前者适用于分析粒径大于0.075mm的粗粒土；后者则适用于粒径小于0.075mm的细粒土。2）颗粒级配和颗粒分析试验

2.2土的组成颗粒分析试验——筛分法适用于0.075mm≤d≤60mm的粗粒土。用一套孔径不同的筛子，按从上至下筛孔逐渐减小放置。将事先称过质量的烘干土样过筛，称出留在各筛上的土质量，然后计算其占总土粒质量的百分数。2.2土的组成颗粒分析试验——密度计法利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同来确定小于某粒径的土粒含量。适用于d＜0.075mm的细粒土。2.2土的组成3）颗粒级配曲线2.2土的组成以土粒粒径为横坐标，小于某粒径土质量占试样总质量的百分数为纵坐标绘制而成的曲线。横坐标用对数坐标表示，以突出显示细小颗粒粒径。

颗粒级配曲线的阅读（一）：2.2土的组成曲线上一点的纵坐标y为小于横坐标所示粒径dy的土质量占试样总质量的百分数；几个常用的粒径：有效粒径d10、中值粒径d30、限定粒径d60。

d10d30d60颗粒级配曲线的阅读（二）2.2土的组成粒组的百分含量为该粒组两端的界限粒径索对应纵坐标的差。

4)颗粒级配的应用2.2土的组成级配均匀级配良好级配间断从曲线形态上常常可以定性的评定土的颗粒级配特征，从而评价土的工程性质。工程上引入两个指标级配曲线的形状：不均匀系数Cu描述颗粒级配的不均匀程度。该值较大时，土颗粒较不均匀，即级配良好；曲率系数Cc描述颗粒级配曲线整体形态，表明某粒组是否缺失的情况。当Cc＞3时，曲线曲率变化较快，土较均匀；当Cc＜1时，曲线曲率变化过于平缓。工程标准：Cu＜5，级配不良；

Cu＞10；级配良好；对于砾类土或砂类土，同时满足Cu≥5和Cc=1～3时，定名为良好级配砂或良好级配砾。2.2土的组成2.2.2土的水土中水的存在形态：固态的冰（冻土）、水蒸气（气相）、结晶水（矿物的组成部分)、液态水。2.2土的组成按是否受到土颗粒电场力的作用，土中的液态水分为结合水和自由水。1.结合水是指受分子引力作用吸附在土粒表面的土中水。强结合水：紧靠于颗粒表面，所受电场力很大，几乎完全固定排列，丧失液体的特性而接近于固体,密度1.2～2.4g/cm3，冰点-78°C，105°C以上时才可被蒸发，且不能传递压力，具有极大的粘滞度、弹性和抗剪强度。也称为吸附水或吸着水。

弱结合水：紧靠强结合水的外围形成的结合水膜，所受电场力随与颗粒距离增大而减弱，呈粘滞状态，不能传递压力，不能自由流动，但可以因电场引力的作用从水膜厚的地方向水膜薄的地方转移。弱结合水的存在，使土具有塑性、粘性，影响土的压缩性和强度，并使土的透水性变弱。

2.2土的组成2.

自由水离开土颗粒表面较远，不受土颗粒电分子引力作用，且可自由移动的水,性质和普通水无异，能传递水压力，冰点为0℃，有溶解能力。可分为两种：毛细水：存在于地下水位以上的、透水土层中受到水与空气交界面处表面张力和重力共同作用的自由水。这种毛细水上升对于公路路基土的干湿状态及建筑物的防潮有重要影响。重力水：存在于地下水位以下透水土层中的水。在重力或压力差作用下能渗流，对于土颗粒和结构物都有浮力作用。在土力学计算中应当考虑这种渗流及浮力的作用力。2.2土的组成毛细水带按其形成条件和分布状况亦可分为：正常毛细水带(又称毛细饱和带，位于毛细带的下部与地下水直接连通)；毛细网状水带(位于毛细水带中部)；毛细悬挂水带(位于毛细带的上部，由地表面渗入)。2.2土的组成2.2土的组成毛细压力在水和空气的分界面处，由于弯液面表面张力的存在，以及水与土粒表面的浸润作用，孔隙水的压力将小于孔隙内的大气压力。于是沿着毛细弯液面的切线方向，将产生迫使相邻土粒挤紧的压力，称为毛细压力。毛细压力的存在，使得湿砂具有一定的黏聚性，并称之为毛细黏聚力或似黏聚力现象。干砂和饱和砂，不存在这种现象。3.土的冻胀性负温下，土中的自由水首先冻结成冰晶体，随着温度的下降，弱结合水的最外层也开始冻结，产生冻胀势，使得下卧未冻结区的弱结合水被吸引过来，参与冻结，使冰晶体增大，在土层中形成冰夹层，土体隆起，即冻胀现象。土体解冻时，冰晶体融化，土体随之下陷，即出现融陷现象。2.2土的组成冻胀丘冻胀丘冻胀引起的工程问题2.2土的组成路面破坏岸坡塌陷冻胀引起的工程问题2.2土的组成某桥冻拔成非对称罗锅形影响冻胀的因素土的因素：细粒土：粉砂、粉土、粉质黏土。水的因素：有外来水源补给，地下水位高。温度的因素：气温缓降，负温持续时间长。地基土冻胀性分类根据土的类别、冻前天然含水量、冻结期间地下水位距冻结面的最小距离、平均冻胀率等将土分为：不冻胀、弱冻胀、冻胀、强冻胀和特强冻胀五种类型。具体将规范条文。

2.2土的组成2.2.3土中的气土中气体按其所处的状态可分为自由气体、封闭气体、吸附于颗粒表面的气体和溶解于水中的气体。自由气体：与大气相通，在外力作用下，气体易排出，对土的性质影响不大。在粗颗粒沉积物中，常见。封闭气体：多见于细粒土中，体积与压力有关，压力增加，体积缩小；反之亦然。在外力作用下，封闭气体易溶解于水，外力卸除后，溶解的气体又重新释放出来，因此，封闭气体的存在，使得土的弹性增加，影响土的变形性质，同时还可阻塞土中渗流通道，减弱土的透水性。2.2土的组成2.3.1土的结构指土粒或土粒集合体的大小、形状、相互排列与联结关系等综合特征。1.

单粒结构：粗大颗粒在水或空气中在自重作用下沉落而形成，其特点是土粒间存在点与点的接触。根据形成条件不同，可分为疏松状态和密实状态。

密实状态疏松状态2.3土的结构与构造2.蜂窝结构：粉粒或细砂粒间点与点接触，由于彼此之间引力大于重力，接触后，不再继续下沉，形成链环单位,很多链环联结起来，形成孔隙较大的蜂窝状结构。蜂窝结构絮状结构3.絮状结构：黏粒大都呈针状或片状，质量极轻，在水中处于悬浮状态。当悬液介质发生变化时，土粒表面的弱结合水厚度减薄，粘粒互相接近，凝聚成絮状物下沉，形成孔隙较大的絮状结构。

2.3土的结构与构造2.3.2土的构造也称土体的宏观结构，是指土体中各组成部分之间的排列、分布及外貌特征。1）层状构造：即层理构造，土粒在沉积过程中,由于不同阶段沉积的物质成分、颗粒大小或颜色不同，而沿竖向呈现出成层特征。常见的有水平层理和交错层理。2.3土的结构与构造水平层理交错层理2）裂隙状构造：土体中有很多不连续的小裂隙，如黄土中的柱状裂隙。裂隙的存在大大降低了土体的强度和稳定性，增大透水性，对工程不利。2.3土的结构与构造3）分散构造：残积、洪积、冰积等形成的土体，土层中各部分的土粒组成无明显层次，粗细粒（碎石、砾石、砂、分散黏土等）混杂在一起，各部分的性质亦相近。2.3土的结构与构造气水土粒msmwmVsVwVVa质量m体积VVv2.4.1土的三相图ma注意：9个量，现有的等式5个，下余4个未知量；考虑的是比例关系，这样仅剩3个，3个实验即可。2.4土的物理性质指标1）土的密度ρ：单位体积土的质量。

密度单位：g/cm3,t/m3天然状态下土的密度变化范围很大，一般为1.6~2.2g/cm3。

2.4.2指标的定义1.三项基本物理性质指标

工程中常用重度

来表示单位体积土的重力，重度单位：kN/m3，重度与密度关系为

，这里g为重力加速度，近似取10m/s2。2.4土的物理性质指标气水土粒msmwmVsVwVVa质量m体积VVvma密度室内测定方法：通常用环刀法。用一个圆环刀(质量恒定，刀刃向下)放置于削平的原状土样面上，徐徐的削去环刀外围土，边压环刀边削至土样伸出环刀口为止，削去两端余土，使与环刀口面平齐，称出环刀和土的质量，减去环刀的质量，就是土的质量，再与环刀容积之比值即为土的密度。2.4土的物理性质指标2）土的含水率w：也称为含水量，土中水的质量与土粒质量之比，以百分数表示

土的含水率是标志土含水程度的一个重要物理指标。天然土层含水量变化范围较大，与土的种类、埋藏条件及其所处的自然地理环境等有关。一般来说，同一类土，含水量增大时，其强度就降低。土的含水量对黏性土、粉土的性质影响较大，对粉砂、细砂稍有影响，而对碎石土等基本上没有影响。2.4土的物理性质指标气水土粒msmwmVsVwVVa质量m体积VVvma含水率室内测定方法：通常用烘干法。将天然土样的质量称出，然后置于电烘箱内，在温度100℃～105℃烘至恒重，称得干土质量ms，湿土与干土质量之差即为土中水的质量mw，故可求得土的含水量。施工现场亦可近似用酒精燃烧法。

2.4土的物理性质指标3）土粒相对密度ds（土粒比重)：土粒质量与同体积的4℃时纯水的质量之比。

土粒相对密度变化范围不大：粘性土一般2.72～2.76；粉土一般2.70~2.71；砂土一般为2.65~2.69。土中有机质含量增加，土粒相对密度减小：有机质2.4~2.5；泥炭1.5~1.8.2.4土的物理性质指标气水土粒msmwmVsVwVVa质量m体积VVvma土粒相对密度室内测定方法：通常用比重瓶法。就是利用比重瓶装满水与土粒时的质量与装满水时的质量的不同，来推求土粒的体积。2.4土的物理性质指标2.常用的换算指标

1）孔隙比e和孔隙率n孔隙比e：土中孔隙体积与土粒体积之比

孔隙率n

：土中孔隙体积与总体积之比，以百分数表示注：e和n是反映土体密实度的重要指标；一般e<0.6的土是密实的，e>1.0的土是疏松的。2.4土的物理性质指标气水土粒msmwmVsVwVVa质量m体积VVvma2）土的饱和度Sr

：土中孔隙水的体积与孔隙总体积之比，以百分数表示饱和度描述土中孔隙被水充满的程度。干土Sr=0，饱和土Sr=100%。细砂、粉砂等土可根据饱和度分为三种状态:

Sr≤50%稍湿；50％＜Sr≤80%很湿；Sr＞80%饱和2.4土的物理性质指标气水土粒msmwmVsVwVVa质量m体积VVvma3）不同状态下土的密度和重度饱和密度ρsat

：土体中孔隙完全被水充满时的土的密度。干密度

ρd:单位体积中固体颗粒部分的质量。

有效密度ρ

：土单位体积内土粒质量与同体积水的质量之差。

土的三相比例指标中的质量密度指标共有4个：土的密度ρ、饱和密度ρsat、干密度ρd和有效密度ρ

，相应的重度指标也有4个，土的重度

、饱和重度

sat、干重度

d和有效重度

。2.4土的物理性质指标气水土粒msmwmVsVwVVa质量m体积VVvma3.三相指标的换算

基本思路是：假设3个基本指标已知，将三相简图中各相的质量和体积全部用它们表示，再依据其余六个指标的定义求解其表达式。常假定Vs=1或V=1。2.4土的物理性质指标气水土粒msmwmVsVwVVa质量m体积VVvmaVs=1时各相的质量和体积。也常用含水率、比重和孔隙比表示各相的质量和体积。气水土粒dsρw

Vs＝11+e质量m体积VVv=e

wdsρw

ds（1＋w）ρw

02.4土的物理性质指标这样，利用定义可得4.例题

【例】用体积为50cm3的环刀取得原状土样，称得土样总质量为95g，烘干后75g，经比重试验得到比重ds=2.68。求该土样的含水率w、密度ρ、重度

、孔隙比e、饱和度Ssat.

【解】2.4土的物理性质指标已知V=50cm3，m=95g，ms=75g，则mw=95–75=20g利用比重定义，可得所以，孔隙体积Vv=V-Vs==50–28=22cm3这样，空气体积Vw=2cm3所以，孔隙水体积Vw=20cm3绘三相简图。2.4土的物理性质指标利用定义求指标。在含水率、比重求出后，其他指标也可按换算公式计算。2.5.1粗粒土的密实度

粗粒土即无黏性土，如砂、卵石、砾石等。密实度是表征无黏性土物理性质的主要指标，指粗粒土固体颗粒排列的紧密程度。天然状态下无黏性土处于松散到密实的不同物理状态，呈密实状态时，强度较大，结构稳定，是良好的天然地基；反之，其结构常处于不稳定状态，为不良地基；特别是饱和的粉细砂，结构性差，在振动荷载作用下可能发生液化，对工程很不利。2.5土的物理状态指标1.砂土的密实度1）孔隙比e或孔隙率n一定程度上可反映砂土的密实度。对于同一种土，当孔隙比小于某一限度时，处于密实状态。孔隙比愈大，土愈松散。但无法全面反映土的密实程度，还要考虑土颗粒形状和级配。例如：最密实状态的两种砂。甲砂：单一粒径，Cu=1，孔隙比e=0.35；乙砂：两种粒径，Cu>1，孔隙比e<0.35。2.5土的物理状态指标甲砂：单一粒径乙砂：两种粒径2）砂土相对密度Dr：将天然土的孔隙比e与该种土所能达到最密实时的孔隙比emin和最疏松时的孔隙比emax相对比。

2.5土的物理状态指标Dr在0~1之间。根据砂土相对密度可以将砂土的密实状态分为三类：疏松，0.00＜Dr≤0.33；中密，0.33＜Dr≤0.67；密实，0.67＜Dr≤l.00。Dr可用干密度换算：注意：最大和最小孔隙比不易准确测定。3）标准贯入试验

：用质量为63.5kg的锤，在落距为76cm的条件下，把标准贯入器(带有刀口的对开管，外径50mm，内径35mm)打入土中，记录贯入30cm所需的锤击数N值的原位测试方法。

2.5土的物理状态指标GB50007－2011中关于砂土密实状态的划分标准：标贯锤击数NN≤1010＜N≤1515＜N≤30N＞30密实度松散稍密中密密实2.碎石土的密实度根据《岩土工程勘察规范》(GB50021－2001)2009版，对于平均粒径等于或小于50mm，且最大粒径小于100mm的碎石土，可以根据修正的的圆锥动力触探试验锤击数N63.5确定密实度。2.5土的物理状态指标重型动力触探锤击数N63.5密实度重型动力触探锤击数N63.5密实度N63.5≤5松散10＜N63.5≤20中密5＜N63.5≤10稍密N63.5＞20密实2.碎石土的密实度（续）对于平均粒径大于50mm，或最大粒径大于100mm的碎石土，可以根据修正的的超重型圆锥动力触探试验锤击数N120确定其密实度。2.5土的物理状态指标超重型动力触探锤击数N120密实度超重型动力触探锤击数N120密实度N120≤3松散ll＜N120≤14密实3＜N120≤6稍密N120＞14很密6＜N120≤11中密

2.碎石土的密实度（续）对于大颗粒含量较多的碎石土，很难进行原位试验，可用野外鉴别方法确定其密实度。2.5土的物理状态指标密实度骨架颗粒含量和排列可挖性可钻性松散骨架颗粒质量小于总质量的60%，排列混乱，大部分不接触锹可以挖掘，井壁易坍塌，从井壁取出大颗粒后，立即塌落钻进较易，钻杆稍有跳动，孔壁易坍塌中密骨架颗粒质量等于总质量的60%～70%，呈交错排列，大部分接触锹镐可挖掘，井壁有掉块现象，从井壁取出大颗粒处，能保持凹面形状钻进较困难，钻杆、吊锤跳动不剧烈，孔壁有坍塌现象密实骨架颗粒质量大于总质量的70%，星交错排列，连续接触锹镐挖掘困难，用撬棍方能松动，井壁较稳定钻进困难，钻杆、吊锤跳动剧烈，孔壁较稳定2.5.2黏性土的稠度1.

稠度状态1）当土中含水率很低时，土中水被紧紧的吸着于土颗粒表面，成为强结合水膜。强结合水膜的性质接近固体的性质，根据水膜厚薄不同，土表现为固态或半固态。2.5土的物理状态指标2）随着含水率增加，被吸附在土颗粒周围的结合水膜增厚，在强结合水膜外形成弱结合水膜；此时的黏性土在外力作用下可任意改变形状而不开裂，外力撤去后仍能保持改变后的形态，这种状态称为可塑状态。3）当含水率继续增加时，土中除结合水外，还会有相当数量的自由水；此时土颗粒之间被自由水隔开，相互间引力减小，土体不能承受任何剪应力，而呈流动的液态。2.5土的物理状态指标黏性土的的物理状态与含水率的大小密切相关；土的稠度实际上反映了土处于不同形态时的含水率，也反映了土粒之间的联结强度随含水率的不同而变化的性质。2.

稠度界限黏性土由一种状态转变为另一种状态的分界含水率，称为土的稠度界限或界限含水率，分别称为液限、塑限和缩限。2.5土的物理状态指标液限wL表示黏性土由可塑状态转变为流动状态的分界含水率；塑限wp表示土由半固态转变到可塑状态的分界含水率；缩限ws表示土由固态转到半固态的分界含水率。土体体积随着含水率的减小而发生收缩现象，而当含水率小于缩限时，土体体积将不随含水率的变化而变化。wPwLws碟式液限仪锥式液限仪稠度界限试验《土工试验方法标准》(GB/T50123–2019)规定：液限和塑限采用液塑限联合测定仪测定。液限也可以采用锥式液限仪或碟式仪来测定；塑限也可以搓滚法进行测定；缩限采用收缩皿法测定。工程上一般仅做液限和塑限。2.5土的物理状态指标液塑限联合测定法对三个不同含水量的土样，用锥式液限仪测试，在双对数坐标纸上作出入土深度与含水量的直线，则2mm对应塑限，10mm或17mm对应液限。2.5土的物理状态指标3.塑性指数和液性指数塑性指数IP是液限和塑限的差值(省去%)，即土处在可塑状态的含水量变化范围。说明：塑性指数Ip表示黏性土处在可塑状态的含水率的变化范围。土粒越细，黏土矿物含量越多，亲水矿物(如蒙脱石)含量越高，结合水含量越高，则Ip越大；当水中高价阳离子的浓度增加时，结合水含量减小，Ip也小。在一定程度上，塑性指数综合反映了黏性土及其组成的基本特征。因此，在工程上常按塑性指数对黏性土进行工程分类。

液性指数IL是黏性土的天然含水率和塑限的差值与塑性指数之比。2.5土的物理状态指标说明：当IL≤0时，w≤wP，土处于坚硬状态；当IL＞1时，w＞wL,土处于流动状态。根据IL值可以直接判定土的软硬状态。

状态液性指数坚硬硬塑可塑软塑流塑IL≤00＜IL≤0.250.25＜IL≤0.750.75＜IL≤1IL＞12.5土的物理状态指标液性指数IL是黏性土的天然含水率和塑限的差值与塑性指数之比。注意：液限和塑限都是由扰动土样确定的，所以用液性指数判断粘性土的软硬状态，没有考虑土原有结构的影响。4.粘性土的灵敏度和触变性1）土的结构性。概念：天然土因结构受到扰动而使强度改变的特征。灵敏度(sensitivityofsoil)St为原状土和重塑土试样的无侧限抗压强度之比，用来衡量粘性土结构性对强度的影响。工程上根据灵敏度的大小可将饱和黏土分为三类：低灵敏，1~2；中等灵敏，2~4；高灵敏，＞4。说明：灵敏度越高，其结构性越强，受扰动后土的强度降低就越多。因此，基础工程施工中必须注意保护基槽，尽量减少对土结构的扰动。2.5土的物理状态指标2.5土的物理状态指标北欧的一种高灵敏度土。其原状三轴试样可承受11kg的砝码，在烧杯中搅拌扰动后就变成了泥浆。这些海相淤积的软黏土，在大约20000年前冰河期被压在3000米冰层以下，以后冰层退去，淤积土露出地面，上部形成硬壳层。一旦受到扰动，在很短时间内大面积流动破坏。2.5土的物理状态指标橡皮土清理橡皮土清理橡皮土及其处理2）触变性。饱和黏性土受到扰动后，结构产生破坏，土的强度降低。但当扰动停止后，土的强度随时间又会逐渐恢复。黏性土的这种随时间发展强度逐渐恢复的胶体化学性质称为土的触变性。例如：桩刚打入时承载力较低，静止一段时间后，承载力就可提高。所以，饱和黏性土中基桩承载力检测开始试验的时间不得少于25天。

2.5土的物理状态指标土的压实性是指土体在压实能量作用下，土粒克服粒间阻力，产生位移，使土中的孔隙减小，密度增加的性状。工程填土，都要采用夯打、振动或碾压等方法，使土得到压实，以提高土的强度，减小其沉降量，降低其透水性，从而保证地基或土工构筑物的稳定。2.6土的压实性碾压夯打振动细粒土和粗粒土具有不同的压实性质。压实细粒土宜用夯击机具或压强较大的碾压机具，同时必须把土的含水量控制在一定范围内；而压实粗粒土时，则宜采用振动机具，同时充分洒水。2.6.1细粒土的压实性1.

击实试验及压实特性

室内击实试验的主要设备是击实仪。2.6土的压实性击锤和导筒击实筒手动击实仪电动击实仪室内击实试验有轻型和重型两种：轻型击实试验适用于粒径小于5mm的土，击实筒容积为947cm3，击锤质量为2.5kg。土料分三层装入击实筒，每层土料用击锤均匀锤击25下，击锤落高为30.5cm。重型击实试验适用于粒径小于40mm的土，击实筒容积为2104cm3，击锤质量为4.5kg，击锤落高为45.7cm。分五层击实，每层56击。2.6土的压实性试验时，首先将土样分成5～7份，并使每份具有不同的含水率，然后对每份土样用完全相同的方法分别进行击实。击实曲线：测出击实土的含水率和干密度，以含水率为横坐标，干密度为纵坐标，绘制出含水率与干密度关系曲线。纵坐标取为含水率所对应的土体达到饱和状态时的干密度，即得到理论上所能达到的最大压实曲线，即饱和度为100%时的饱和曲线。2.6土的压实性击实特性2.6土的压实性1）对于某一土样，在一定的击实功能作用下，只有当土的含水量为某一适宜值时，土样才能被击实到最密实，对应的是击实曲线上的峰值点，峰值点所对应的纵坐标值称为最大干密度ρdmax，对应的横坐标值称为最优含水率wop。wopρdmax击实特性2.6土的压实性2)试验得出的击实曲线在峰值以右逐渐接近于理论饱和曲线，并且大体上与之平行；在峰值以左，则两条曲线差别较大，而且随着含水率减小，差值迅速增加。2.土的击实机理2.6土的压实性人工压实不是挤出土中水分而是挤出土中气体。1）在含水率增加到最优含水率之前，土中气体大都与外界连通，在击实功作用下，气体能够被排出。随着含水率的增加，结合水膜加厚，粒间阻力必然减小，颗粒自然容易移动，因而，土的密度随含水率增加而增大。2.6土的压实性2）当含水率接近最优含水率时，土孔隙中的气体越来越处于与大气不连通的状态，击实功已不能将其排出土体之外，土中出现孔隙水压力，它会抵抗击实功的作用，这时含水率的变化对干密度的影响就不那么明显，击实曲线趋于平缓。土不可能被击实到完全饱和状态，击实曲线必然位于饱和曲线的左侧而不能与饱和曲线有交点。2.6土的压实性3）当含水率大于最优含水率时，水分的不断增多会使气体体积逐渐减少，且此时土中气体基本上是封闭式的，土中水和气不但不能排出，反而对击实功起抵消作用。因此，必然是含水率越高，得到的压实干密度反而越小。3.影响黏性土压实性的主要因素2.6土的压实性影响土体压实最重要的因素是含水率、击实功和土的性质。1）含水量的影响。当土干燥时，水只要是强结合水，土粒之间摩擦力、黏结力都很大，土粒的相对移动比较困难，故不易被击实；随着含水率的增加，土粒周围的水薄膜变厚，摩擦力和黏结力减小，土粒之间彼此容易移动，土的击实干密度增大，至最优含水率时，干密度达最大值；当含水率超过最优含水量后，含水量越大，水所占据的体积越大，颗粒所占据的体积越小，因而干密度越小。最优含水量与土的塑限有关，大致为wop=wp+2%。一般地，土中黏土矿物含量越大，则最优含水量越大。2.6土的压实性2）击实功能的影响。当击实能增大时，最优含水率减小，最大干密度相应地增大。所以，若土的含水率较小，则需较大的机具，才能把土压实至最大干密度；在碾压过程中，如未能将土压实至最密实的程度，则须增大压实功能；若土的含水率较大，则应选用压实功能较小的机具，否则会出现“橡皮土”现象。因此，填土必须合理控制压实时的含水率，选用适合的压实功能。2.6土的压实性3）土类和级配的影响。土的颗粒粗细、级配、矿物成分和添加的材料等因素对压实效果也有影响。一般而言，颗粒相对较粗的土更易压实。黏粒含量越多的土，越不易压实。土的级配对土的压实性影响很大。级配良好的土，易于压实，级配不良的土，不易压实，因为级配良好的土有足够的细粒去充填较粗粒形成的孔隙，因而能获得较高的干密度。黏性土的压实效果与其中的黏土矿物成分含量有关；添加木质素和铁基材料可改善土的压实效果。4.土的压实度2.6土的压实性土的压实度或压实系数λc定义为工地压实时要求达到的干密度ρd与室内击实试验所得到的最大干密度ρdmax之比值工程填土的质量标准常以压实度来控制。压实度越接近1，表明对压实质量的要求越高。根据工程性质及填土的受力状况，所要求的压实度往往不一样。必须指出，现场施工的填土压实情况与室内击实试验不同。因此，室内击实试验用来模拟工地压实仅是一种半经验的方法。要使填土压实，现场施工要确保质量，达到要求的密实度，还应该进行现场试验。压实度的检验2.6土的压实性在工地上对压实度的检验，一般可用环刀法、灌砂(或水)法、湿度密度仪法或核子密度仪法等来测定土的干密度和含水率。具体选用哪种方法，可根据工地的实际情况来决定。环刀法灌砂法2.6.2粗粒土的压实性2.6土的压实性粗粒土的压实性也与含水率有关，但不存在最优含水率。一般在完全干燥或者充分洒水饱和的情况下容易压实到较大的干密度。在潮湿状态，由于毛细压力的作用，压实干密度显著降低。所以，在压实砂砾时要充分洒水使土料饱和。粗粒土的压实标准，一般用相对密度Dr控制。相对密度0.70～0.75是力学性质的一个转折点。2.7.1《土的工程分类标准》(GB/T50145—2007)

该标准分类体系考虑了土的有机质含量、颗粒组成特征及土的塑性指标(液限、塑限和塑性指数)。2.7土的工程分类按该标准，首先要判断该土是有机质土还是无机质土。当有机质含量在5%~10%之间时，为有机质土；当有机质含量超过10%时，为有机土，否则为无机土。若属于无机土，则可根据土内各粒组的相对含量，将土分为巨粒组和含巨粒组、粗粒组和细粒组3大类。无机土粒组划分标准

2.7土的工程分类粒组统称粒组名称粒组粒径的范围d/mm巨粒土和含巨粒土漂石(块石)粒卵石(碎石)粒d>200200≥d>60粗粒土砾粒粗砾60≥d>20中砾20≥d>5细砾5≥d>2砂粒2≥d>0.075细粒土粉粒黏粒0.075≥d>0.0050.005≥d1.巨粒土和含巨粒土的分类

2.7土的工程分类巨粒土和含巨粒土应按试样中所含粒径大于60mm的巨粒含量来划分，即土类粒组含量土代号土名称巨粒土7%≤巨粒含量≤100%漂石含量>卵石含量漂石含量≤卵石含量BCb漂石（块石）卵石（碎石）混合巨粒土50%≤巨粒含量≤75%漂石含量>卵石含量漂石含量≤卵石含量BS1CbS1混合土漂石（块石）混合土卵石（碎石）巨粒混合土15%≤巨粒含量<50%漂石含量>卵石含量漂石含量≤卵石含量S1BS1Cb漂石（块石）混合土卵石（碎石）混合土2.粗粒土的分类

2.7土的工程分类试样中粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全部质量50％的土称为粗粒土。粗粒土又根据粒径大于2mm的颗粒含量是否大于全部质量的50%分为砾类土和砂类土两类。然后，按照试样中粒径小于0.075mm的细粒含量和土的颗粒级配进一步细分。砾类土的分类标准土类粒组含量土代号土名称砾类土砾细粒含量<5%级配：Cu≥5且Cc=l～3GW级配良好砾级配：不能同时满足Cu≥5和Cc=1～3GP级配不良砾含细粒砾细粒含量5%～15%GF含细粒士砾细粒土质砾15%<细粒含量≤50%细粒中粉粒含量不大于50%GC黏土质砾细粒中黏粒含量不大于50%GM粉土质砾2.7土的工程分类砂类土的分类标准土类粒组含量土代号土名称砂类土砂细粒含量<5%级配：Cu≥5且Cc=l～3SW级配良好砂级配：不能同时满足Cu≥5和Cc=1～3SP级配不良砂含细粒砂细粒含量5%～15%SF含细粒土砂细粒土质砂15%<细粒含量≤50%细粒中粉粒含量不大于50%SC黏土质砂细粒中黏粒含量不大于50%SM粉土质砂3.细粒土的分类

2.7土的工程分类试样中粒径小于0.075mm的细粒组含量大于或等于全部质量50％的土称为细粒土。细粒土按塑性图分类。要注意：图中的液限是用碟式液限仪测得的，或用质量为76g、锥角为30°的液限仪，以锥尖入土深度为17mm的标准测得的。另外，该方法忽略了天然土的结构性。2.7.2《建筑地基基础设计规范》(GB50007－2011)该标准注重土的天然结构特征和强度，并始终与土的主要工程特性——变形和强度特征紧密联系。将作为建筑地基的岩土分被为岩石、碎石土、砂土、粉土、黏性土和人工填土6大类。天然土实际上是分成碎石土、砂土、粉土和黏性土四大类。碎石土和砂土属于粗粒土，粉土和黏性土属于细粒土。粗粒土按粒径级配分类，细粒土则按塑性指数分类。2.7土的工程分类1.岩石岩石是颗粒间牢固联结，呈整体或具有节理裂隙的岩体。作为建筑物地基，除应确定岩石的地质名称外，尚应按以下方法确定其坚硬程度和完整程度。坚硬程度类别饱和单轴抗压强度frk(MPa)坚硬岩较硬岩较软岩软岩极软岩30＜frk≤60frk＞6015＜frk≤305＜frk≤15frk≤52.7土的工程分类完整程度等级完整较完整较破碎破碎极破碎完整性指数＞0.750.75～0.550.55～0.3550.35～0.15＜0.15土的名称漂石块石卵石碎石圆砾角砾颗粒形状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形及亚圆形为主棱角形为主颗粒级配粒径大于200mm的颗粒含量超过全重50％粒径大于20mm的颗粒含量超过全重50％粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50％注：定名时应根据颗粒级配由大到小以最先符合者确定碎石土的分类2.

碎石土粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50%的土称为碎石土。2.7土的工程分类3.砂土粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50%的土，且粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50%的土称为砂土。土的名称砾砂粗砂中砂细砂粉砂颗粒级配粒径大于2mm的颗粒含量占全重25％～50％注：定名时应根据颗粒级配由大到小以最先符合者确定粒径大于0.5mm的颗粒含量超过全重50％粒径大于0.25mm的颗粒含量超过全重50％粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重85％粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50％砂土的分类2.7土的工程分类4.粉土粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重50%，塑性指数IP≤10的土称为粉土。这类土既不具有砂土透水性大、容易排水固结、抗剪强度高的优点，又不具有黏性土防水性能好、不容易被水冲蚀流失、具有较大黏聚力的优点。常表现出较差的工程性质。5.黏性土塑性指数IP＞10的土称为黏性土，粘性土根据塑性指数细分黏土和粉质黏土。土的名称黏土粉质黏土塑性指数注：塑性指数由相应于76g圆锥体沉入土样中深度为10mm测定的液限计算而得IP＞1710＜IP≤172.7土的工程分类6.人工填土人工填土是指由于人类活动而堆积的土，其物质成分杂乱，均匀性较差。根据其物质组成和成因可分为：素填土：由碎石土、砂土、粉土、黏性土等组成的填土。压实填土：经分层压实的素填土。杂填土：含有大量建筑垃圾、工业废料或生活垃圾等杂物的填土。冲填土：由水力冲填泥砂形成的填土。2.7土的工程分类自然界中还分布着许多具有特殊性质的土，如淤泥、淤泥质土、红黏土、湿陷性黄土、膨胀土、冻土等。它们的性质与上述6大类岩土不同，需要区别对待。【例题1】取100g的土样，颗粒分析试验结果如下表，试分别用《建筑地基基础设计规范》(GB50007–2011)和《土的工程分类标准》(GB/T50145—2007)分类法确定这种土的名称，比较其结果是否一致。2.7土的工程分类试样编号A筛孔直径/mm200602020.50.250.075<0.075合计留筛质量/g034.75.530.85.213.829.980100大于某粒径含量占全部土样质量的百分数/%034.740.27176．290.01000100通过某筛孔径的土样质量的百分数/%10065.359.82923.89.9800例表土样颗粒分析试验结果解：1)GB50007。分类时应根据粒组含量由大到小，以最先符合者确定。根据颗粒分析结果知，粒径大于2mm的颗粒含量占全部质量的71％。查课本表2-22知，粒径大于2mm的颗粒含量超过全部质量50％者，定义为圆砾(角砾)。

2)GB/T50145。由于土样中粒径大于60mm的颗粒含量占全部质量的34.7％，介于15％～50％之间；所以该土属于巨粒混合土。又因为d＞200mm的漂石粒组含量为0%，d＞60mm的卵石粒组含量为34.7％；所以，漂石含量<卵石含量。故根据课本表2-15定义该土为卵石混合土，土代号为S1Cb。评价：对同一种土样，采用不同的分类方法，得到的土的名称并不相同。可见分类方法影响土的定名。在实践中应根据具体工程所属的行业，选择适宜的分类方法。2.7土的工程分类【例题2】已知某细粒土的10mm液限wL=46.0％，塑限wP=32.0％，天然含水率w=42.0％。试分别用《建筑地基基础设计规范》(GB50007–2011)和《土的工程分类标准》(GB/T50145—2007)分类法确定这两种土的名称，并比较结果的一致性。2.7土的工程分类解：1)GB50007。土的塑性指数Ip=46－32=14。由于10<Ip=14

<17，所以该土属于粉质黏土。

2)GB/T50145。由于该标准判别时采用的时17mm液限，所以需由已知的10mm液限和塑限推算出17mm液限。根据锥尖入土深度与含水率在双对数坐标系中为线性关系，所以10mm液限=46.0％，塑限=32.0％，可得17mm液限=51.8％。因此，塑性指数Ip=19.8。2.7土的工程分类由于该土样wL=51.9％>50％，0.73(wL–20)=

0.73(51.8–20)=23.21>Ip，对照课本图1–26或查表2–19可知，由上述各参数所确定的点落在塑性图的MH区。所以，该土属于高液限粉土，土的代号是MH。注意：对于细粒土，不同的分类方法得出的土的名称也有可能不一致。本题一个分类标准判别为粉质黏土，另一个判别为粉土。但由于《建筑地基基础设计规范》只有一个参数指标，即塑性指数，而《土的工程分类标准》中的塑性图采用双标准，还考虑了有机物的含量，与国际上对细粒土的分类法比较一致。所以，对于细粒土当采用不同标准所得结论不一致时，建议以塑性图的结果为准。土力学SoilMechanics第3章土的渗透性与渗流3.1概述3.2土的渗透性与达西定律3.3渗透系数的测定及其影响因素3.4二维渗流、流网及工程应用3.5渗流力与渗透破坏浸润线流线等势线下游上游土坝蓄水后水透过坝身流向下游H隧道开挖时，地下水向隧道内流动当土中任意两点之间存在水头差的作用时，水会透过土体孔隙在两点之间发生孔隙内的流动，这一流动过程称为渗透或渗流。土体允许水透过的性能称为土的渗透性。3.1概述由土的渗透性引起的土体边坡失稳、边坡变形、地基变形、岩溶渗透塌陷等均属于土体的渗透稳定问题。这些问题可以归纳为水的问题和土的问题。3.1概述1）水的问题。是指在工程中由于水本身所引起的工程问题，比如基坑积水、漏水、基坑突涌、地下水开采引起大面积地面沉降及沼泽枯竭等。也就是指水自身的量（涌水量、渗水量）、质（水质）、赋存位置（地下水位）的变化所引起的问题。3.1概述基坑积水基坑漏水基坑突涌沼泽枯竭2）土的问题。指由于水的渗透引起土体内部应力状态的变化或土体、地基本身的结构、强度等状态的变化，从而影响建筑物或地基的稳定性或产生有害变形的问题。

比如：降雨诱发滑坡、管涌、挡土墙失稳等。3.1概述降雨诱发滑坡管涌挡土墙失稳3.2.1地下水的运动方式通常所说的地下水是指地下水位以下（饱水带）的重力水。1.地下水成因与分类

渗流作用形成的地下水和凝结作用形成的地下水。2.地下水运动的基本方式1）按流线形态分：层流和湍流。2）按水流特征随时间的变化状况分：稳定流和非稳定流。3）按水流在空间上的分布状况分：单向流动，二维流动和三维流动。3.2土的渗透性与达西定律3.2.2水力坡降的概念水头是指单位重量水体所具有的能量。流体中任意点的总水头h等于位置水头、压力水头和流速水头之和，即3.2土的渗透性与达西定律用于土体渗流，忽略流速水头，则实际应用中，将位置水头与压力水头之和称为测压管水头。位置水头压力水头测压管水头水力坡降定义为单位渗流长度上的水头损失，即3.2土的渗透性与达西定律ΔhL式中，Δh为A点和B点之间的水头差；L为A点和B点两点间渗流路径的长度。值得注意的是，饱和土中任意两点间渗流流动的发生仅取决于两点的总水头差，与所研究两点的位置高低无关。3.2.3达西定律3.2土的渗透性与达西定律1856年，法国学者达西（H.Darcy）利用图示的试验装置，研究了砂土的渗透性，发现在层流状态下，水的渗透速度与试样两端水面间的水位差成正比，而与渗径长度成反比，即式中，v为渗流速度；h为试样两端的水位差为渗径长度；A为试样截面积；q为渗流量；k为土的渗透系数。或3.2土的渗透性与达西定律说明：1）渗流速度v的过水面积是土样的整个断面积，并包括土颗粒骨架的所占的部分面积，与土孔隙中水的实际渗流速度vs之间的关系为2)土的渗透系数k反映土的透水性能，其物理意义是当水力坡降i等于1时的渗透速度，它不仅取决于土体材料的性质，而且还与流经土孔隙流体的特性等因素有关。3)渗径长度L并不是流线的真实长度。实际上，土中水是以变化的速度沿着弯曲的轨迹从孔隙中流过的。达西定律适用于层流，一般认为只要Re小于1.0，在土孔隙内的水流就处于层流状态，所以实用于比粗砂更细的土。1）试验表明，砂土的渗透速度与水头梯度呈线性关系。2）密实的黏土中，需要克服结合水的粘滞阻力后才能发生渗透；同时渗透速度与水力坡降的规律还偏离达西定律而呈非线性关系。ib计算起始水力坡降直线简化v=kiivO砂土0iv密实黏土3.2土的渗透性与达西定律3.2.4达西定律的适用范围3）在砾类土和巨粒土中，若水力坡降较大，水在其中的流动大多是紊流状态，渗流速度与水力坡降之间呈非线性关系；只有在较小的水力坡降时，才可能是线性的。

总之，达西定律适用于饱和砂土的层流状态，不适用于紊流。其他土类宜通过试验确定。0iv砂砾3.2土的渗透性与达西定律3.3.1实验室测定渗透系数公式推导：时间t内流出的水量为1.常水头渗透试验整个试验过程中水头保持不变，水头差也为常数。适用于透水性强（k>10-3cm/s）的土，例如砂土。

3.3渗透系数的测定及影响因素常水头试验示意图TST70型渗透仪2、变水头渗透试验

整个试验过程水头随时间变化。适用于透水性弱的黏性土。

3.3渗透系数的测定及影响因素T-55型渗透仪玻璃管

变水头试验装置

变水头试验示意图公式推导：

任一时刻t的水头差为h，经时段dt后，细玻璃管中水位降落dh，在时段dt内流经试样的水量为

dQ=－adh

在时段dt内流经试样的水量为

dQ=kiAdt=kAh/Ldt

管内减少水量＝流经试样水量，即

－adh=kAh/Ldt

分离变量积分

3.3渗透系数的测定及影响因素3.3.2渗透系数的现场测定

现场井孔抽水试验适用于均质粗粒土体。以潜水完整井为例。3.3渗透系数的测定及影响因素在现场打一口试验井，贯穿要测定渗透系数的砂土层；设置两个以上的观测孔。自井中以不变的速率连续抽水，测定试验井和观测中的稳定水位，画出观测孔和试验井中的水位变化图形。公式推导：

3.3渗透系数的测定及影响因素Dupuit假定：潜水在缓变流动下，可忽略地下水的垂向分速度。则水流是水平的，则流向试验井的渗流过水断面应该是一系列的同心圆柱面。设单位时间抽水量为q。围绕试验井取一过水断面，该断面距井中心距离为r，水面高度为h，则过水断面的面积为A=2πrh假使该过水断面上各处的水力坡降为常数，且等于地下水位在该处的坡降，则有公式推导（续）：

3.3渗透系数的测定及影响因素根据达西定律，单位时间自试验井内抽出的水量即单位渗水量q为整理得对上式等式两边进行积分可得土的渗透系数为或3.3.3影响渗透系数的主要因素

3.3渗透系数的测定及影响因素1．土的粒径大小与级配砂土中粉粒及黏粒含量增多时，其渗透性就会大大降低。土颗粒越小，土的渗透性就越低；而土粒越粗，大小越均匀，形状越圆滑，k值也就越大。Harzen提出如下经验公式：2．土的孔隙比当土体被压缩或受振动影响时，土的密度增大，孔隙比就变小，土的渗透性也就随之降低。3.3渗透系数的测定及影响因素3．土的饱和度低饱和土中的孔隙存在较多气泡会减小过水面积，甚至堵塞细小孔道，因而降低土的渗透性。同时气体也可因孔隙水压力的变化而收缩。因此，为了保持测定k值时的试验精度，要求渗透试验中的试样必须充分饱和。4．土的结构和构造在孔隙比相同的情况下，具有凝聚结构的黏性土的渗透性最高，而具有分散结构的黏性土的渗透性最低。由于天然土层在固结过程中颗粒会有一定的定向排列，因而造成土的渗透性呈现明显的各向异性，在水平方向上的渗透系数远大于垂直方向的渗透系数。3.3渗透系数的测定及影响因素5．土的颗粒矿物组成矿物组成往往影响颗粒的尺寸、形状、排列及结合水膜的厚度。这是造成黏性土与无黏性土的渗透性差别很大的原因之一。黏土矿物的种类对渗透系数的影响也很大。黏土矿物的渗透性依次是：高岭石>伊利石>蒙脱石。6．水的黏滞度水的黏滞度受温度的影响，同一种土在不同的温度下将会得到不同的渗透系数。《土工试验方法标准》GB/T50123采用20℃为标准温度进行渗透系数的测定，其他温度下所测定的渗透系数可以转换3.3.4成层土的渗透性

3.3渗透系数的测定及影响因素对于与土层层面平行和垂直的简单渗流情况，可求出整个土层与层面平行和垂直的平均渗透系数3.3渗透系数的测定及影响因素从公式可以看出：对于成层土，如果各土层的厚度大致相近，而渗透性却相差悬殊时，与沉积层面平行方向的平均渗透系数将取决于最透水土层的厚度和渗透性；与沉积层面垂直方向的平均渗透系数将取决于最不透水土层的厚度和渗透性。3.4.1稳定渗流场中的拉普拉斯方程3.4二维渗流、流网及工程应用设二维稳定渗流场任意点的总水头或测压管水头为H。假定在渗流作用下单元体的体积保持不变，考虑到水是不可压缩的，则单位时间内流入单元体的总水量必等于