教學(xué)第一章土壤的性質(zhì)課件

第一章土壤的物理機械性質(zhì)

土壤是工程機械的作業(yè)對象或支撐基礎(chǔ)，大部分工程機械都要與土壤和地面發(fā)生聯(lián)系，在現(xiàn)代機器與地面的相互作用已經(jīng)發(fā)展成為工程力學(xué)的一個新的分支，即地面力學(xué)。

地面力學(xué)主要研究機器與其工作地面或土壤之間的相互作用過程，故又叫土壤—系統(tǒng)力學(xué)，它應(yīng)用力學(xué)原理和土壤工程實驗技術(shù)研究土的專門性技術(shù)學(xué)科，它以力學(xué)和工程地質(zhì)學(xué)為基礎(chǔ)，對土的物理力學(xué)性質(zhì)進行研究，為各項工程服務(wù)，如鐵道工程、路橋工程等。

第一章土壤的物理機械性質(zhì)土壤是工程機械的作業(yè)對象或支撐1

工程機械只有和地面相互作用，才能完成其功能，車輛在地面行駛要靠土體支撐，要借助土的反力來發(fā)揮推進力。

舉例：牽引力的產(chǎn)生。

工程機械只有和地面相互作用，才能完成其功能，車輛在地面行2§1土壤的物理機械性質(zhì)

§1.1土的形成與結(jié)構(gòu)

一、土的形成

土是經(jīng)巖石風化作用后，以不同的搬運方式，在不同的地點堆積下來的自然歷史產(chǎn)物，同時在搬運和堆積過程中風化仍在繼續(xù)，而且是經(jīng)過多次的搬運和堆積的，由于風化、剝蝕、搬運和沉積等成土過程各環(huán)節(jié)的交錯反復(fù)，成土的自然地理環(huán)境的復(fù)雜多樣性，使土的類型和性質(zhì)千差萬別。但是凡在大致相同的地質(zhì)年代及相似的沉積條件下形成的堆積物，其成分及性質(zhì)相近。

§1土壤的物理機械性質(zhì)§1.1土的形成與結(jié)構(gòu)3二、土的結(jié)構(gòu)

自然界的土是以顆?；蝾w粒的集合形式存在的。1、土的結(jié)構(gòu)：土粒或土粒集合體的大小、形狀、相互排列與連接等綜合特征，稱為土的結(jié)構(gòu)。

二、土的結(jié)構(gòu)自然界的土是以顆粒或顆粒的集合形式存在的。4

2、分類：

分為：單粒結(jié)構(gòu)、蜂窩結(jié)構(gòu)、絮狀結(jié)構(gòu)。

（1）單粒結(jié)構(gòu)：為砂土和碎石的結(jié)構(gòu)，是由土粒在水或空氣中，在其自身重力作用下沉落堆積而成。由于土粒尺寸較大，顆粒間的分子引力遠小于土粒自重，故土粒間幾乎沒有相互連接作用，是典型的散粒狀結(jié)構(gòu)。

2、分類：

分為：單粒結(jié)構(gòu)、蜂窩結(jié)構(gòu)、絮狀結(jié)構(gòu)。

（1）單5（2）蜂窩結(jié)構(gòu)：多為顆粒細小的粘土所具有的結(jié)構(gòu)形式，粒徑在0.02mm~0.002mm左右的土粒在水中沉積，下沉途中碰上已堆積的土粒時，由于土粒間分子引力與自重相比已足夠大，土粒便停留在最初接觸點上不再下降，形成孔隙很大的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，其中的孔隙遠大于土粒本身的尺寸。（3）絮狀結(jié)構(gòu)：是顆粒最細小的粘土所具有的結(jié)構(gòu)形式，直徑小于0.002mm的土粒能夠在水中長期漂浮，不會因自重而下沉，當水中加入某些電解質(zhì)后，顆粒間的排斥力消弱，運動著的土粒凝聚成絮狀物下沉，形成類似蜂窩狀但孔隙更大的結(jié)構(gòu)。

（2）蜂窩結(jié)構(gòu)：多為顆粒細小的粘土所具有的結(jié)構(gòu)形式，粒徑在06§1.2土的組成

工程中所研究的土并不是土的顆粒，而是松散堆積物的整體。

土是由不同的相所構(gòu)成的多相體系，礦物顆粒組成土的骨架，其間有孔隙，若孔隙中同時存在著水和氣體，則土是三相的，土粒、水和氣體分別稱為土的固相、液相和氣相。有時土粒間的孔隙完全被水充滿，則形成飽和土，則土是兩相的，即只有固相和液相。當土粒中的孔隙只存在著空氣時，即形成無水的干土，也是兩相的。

§1.2土的組成工程中所研究的土并不是土的顆粒，而7

一、土的固體顆粒

土的骨架是由各種不同尺寸的土粒組成，自然界的土粒大小很不均勻，碎石顆粒的直徑可達10cm以上，而在平靜水中緩慢沉積的細微粘土顆粒的直徑只有萬分之一mm，不同大小的土粒在土中的相對含量是決定土的工程性質(zhì)的重要指標之一，因此，首先按土粒的直徑大小進行歸并與分類，將土粒分成若干粒組，每一粒組具有一定的土粒直徑變化范圍，按此范圍將土進行分類。

一、土的固體顆粒

土的骨架是由各種不同尺寸的土粒組成8表1—1土的粒組劃分顆粒名稱粒徑（mm）礫石（渾圓或圓棱）或角礫（尖棱）（土中不具有毛細力，土粒間不存在相互的連接）大20~10中10~4小4~2砂粒（土中存在毛細力，但不具備粘聚性，遇水不膨脹）大2~0.5中0.5~0.25小0.25~0.05粉粒（土粒具有粘聚性，但隨著水分的減少，連接力減弱）0.05~0.005粘土粒（具有很大的粘聚性，并遇水膨脹且干燥收縮顯著，土?xí)S著水分的減少而更堅硬）小于0.005表1—1土的粒組劃分顆粒名稱粒徑（mm）礫石（渾圓或9二、土的級配

實際的土多是不同粒度土粒的混合物，這種混合土的性質(zhì)取決于不同粒度顆粒的相對含量。確定土粒組相對含量的方法，叫顆粒分析實驗。工程中實用的顆粒分析方法有篩分法和比重計法兩種。篩分法適用于粒徑大于0.1mm以上的土壤；比重計法適用于粒徑小于0.1mm的土。如果土中同時含有大于和小于0.1mm的土粒時，則兩種方法并用。二、土的級配實際的土多是不同粒度土粒的混合物，這種混合土的10篩分法：實驗時，采用一套標準篩，各篩的篩孔自上而下分別為10、5、2、1、0.5、0.25、0.1mm，上加頂蓋，下加底盤，疊在一起，將干土樣放入第一層篩中，用搖篩機振蕩，使細土粒通過篩孔漏下，稱出存留在每層篩子和底盤上的土粒重量，就可以計算出某一直徑的土顆粒占總重量的百分比。

對于顆粒細微的粘土，由于無法制作相應(yīng)的細篩，同時也不能使彼此連接很緊的土粒全部分散開來，故不能采用篩分法。對此，可用水將土粒彼此分散，制成懸液，然后根據(jù)不同粒徑的土粒在靜止水中下沉的速度不同的原理，來測定各粒組的百分含量。

篩分法：實驗時，采用一套標準篩，各篩的篩孔自上而下分別為10111、概念：

土的級配：土的各級土粒組合情況，用其含量的百分數(shù)表示，稱為土的顆粒級配。2、表示方法：

土的級配常以顆粒級配曲線表示。

1、概念：12如圖所示，縱坐標表示小于（大于）某一粒徑的土粒占土樣總量的百分數(shù)；橫坐標表示顆粒直徑。級配曲線可反映以下內(nèi)容：（1）粒組范圍及土的級配；

（2）顆粒分布情況；

當曲線平緩時，說明土中大的及小的顆粒都有，顆粒不均勻，即各級粒組搭配良好，稱為級配良好的土；當曲線較陡時，表示土中顆粒直徑范圍較小，顆粒均勻，屬于級配不好的土。如圖所示，縱坐標表示小于（大于）某一粒徑的土粒占土樣總量的百133、土的不均勻系數(shù)：

顆粒分布均勻程度通常用不均勻系數(shù)CU來表示，即：CU＝d60/d10式中：d60——限定粒徑，對應(yīng)于級配曲線上60％數(shù)值的顆粒直徑；d10——有效粒徑，對應(yīng)于級配曲線上10％數(shù)值的顆粒直徑；3、土的不均勻系數(shù)：顆粒分布均勻程度通常用不均勻系數(shù)CU來14CU值越大，說明粒徑級配曲線愈平緩，土的級配越好。CU<4～5，為級配均勻的土；CU>10，為級配良好的土，此種土大顆粒之間的空間被小顆粒所填充，土壤易被壓實，能形成一種更穩(wěn)定的鋪層。CU值越大，說明粒徑級配曲線愈平緩，土的級配越好。15

三、土的物理性質(zhì)指標

土是由土粒、水分和氣體組成的多相體系，土的體積和重量包含著這三相的體積和重量，為便于分析，通常將土中的土粒、水分和氣體的體積和重量按相集中成三部分，構(gòu)成分析模型，即三相圖。

三、土的物理性質(zhì)指標

土是由土粒、水分和氣體組成的多相16MMaMWMSVVaVWVSMMaMWMSVVaVWVS171、土壤的含水量ω：土中水的重量與土粒重量（干重量）之比，用百分數(shù)表示。

土壤的含水量通常用烘干法測定，將重量為M的土樣在105℃下烘干，至恒重，即得土粒的干重量。1、土壤的含水量ω：土中水的重量與土粒重量（干重量）之比，用182、土的天然密度γ0和干密度γd：土的天然密度γ0：土在天然狀態(tài)（自然含水量）下的重量與體積之比。土的干密度γd：土粒的重量與土的總體積之比。2、土的天然密度γ0和干密度γd：土的干密度γd：土粒的重193、土固體顆粒的相對密度ws和密度γs：土固體顆粒的相對密度ws：土的干重量與同體積4℃的水重量之比。

注：在公路、鐵路、建筑等的設(shè)計計算中，對于水面以下的土體應(yīng)考慮浮力的作用，此時采用相對密度。土固體顆粒的密度γs：土的干重量與其固體顆粒體積之比。3、土固體顆粒的相對密度ws和密度γs：土固體顆粒的密度γ204、土的孔隙率n和孔隙比e：土的孔隙率n：土壤的孔隙體積與土的總體積之比。孔隙比e：土的孔隙體積與土中固體顆粒體積之比。土的孔隙度n和孔隙比e都反映了土的密實程度。

4、土的孔隙率n和孔隙比e：21四、土的物理狀態(tài)指標

1、土的塑性：

土在外力作用下可以改變形狀，但不改變體積，不發(fā)生斷裂，并且在外力解除后，仍能保持已有的變形而不恢復(fù)原狀的性質(zhì)。塑性是粘性土的一種特殊性能，即粘性土屬于可塑性的土，而砂土和礫石土則為非塑性土。四、土的物理狀態(tài)指標1、土的塑性：22含水量對粘土塑性的影響：

含水量對粘性土的可塑性有重要影響，只有含水量在一定范圍內(nèi)時其塑性才能表現(xiàn)出來。根據(jù)含水量的不同，可將粘性土分為四種狀態(tài)：固態(tài)、半固態(tài)、可塑狀態(tài)和流動狀態(tài)。

含水量對粘土塑性的影響：含水量對粘性土的可塑性有重要影響23第一章土壤的性質(zhì)課件24（1）液限WL：

當含水量大于一定界限時，土粒中的孔隙全部被水充滿，土顆粒處于懸浮狀態(tài)，相鄰顆粒的水化膜彼此脫離，土處于懸浮狀態(tài)而不具有可塑性。如逐漸蒸發(fā)土中水分，隨著水分的減少，必然會伴隨土的密度的增大和體積的收縮，在土粒彼此逐漸接近的過程中，土開始具有粘聚性，土粒在外力作用下可相互滑動而不產(chǎn)生顆粒間連接的破壞，并開始呈塑性狀態(tài)，這一分界含水量為土的液限WL。WL也稱為流動界限。（1）液限WL：25（2）塑限WP：隨著水分的繼續(xù)蒸發(fā)，自由水進一步減少，體積進一步收縮，而土仍呈塑性狀態(tài)，當孔隙中的自由水大致蒸發(fā)完時，土的強度開始迅速提高，并開始失去可塑性而呈半固體狀態(tài)，這一分界含水量為土的塑限WP。WP也稱為壓延界限。（3）縮限WC：繼續(xù)蒸發(fā)土中的水分，土的體積仍將隨之收縮，但收縮的量不斷減少，直到停止收縮，相應(yīng)的含水量為收縮界限，即縮限WC。WC也稱為收縮界限。（2）塑限WP：隨著水分的繼續(xù)蒸發(fā)，自由水進一步減少，體積進26第一章土壤的性質(zhì)課件27（4）液限和塑限的測定：

液限：采用錐式液限儀。根據(jù)粘性土的貫入強度，利用錐角為30度，重為76g的平衡錐，在其自重下5s內(nèi)沉入土中10mm的含水量。塑限：采用搓條法。

將可塑性狀態(tài)的粘性土搓成粗細均勻的土條，當搓成3mm直徑的土條時，開始斷裂的含水量。（4）液限和塑限的測定：液限：采用錐式液限儀。28（5）塑性指數(shù)IP：塑性指數(shù)IP：工程上將液限與塑限之差稱為塑性指數(shù)。（5）塑性指數(shù)IP：塑性指數(shù)IP：工程上將液限與塑限之差稱29當土中粘粒的含量增加時，液限和塑限都將提高，因為土中粘粒的含量越多，比表面積越大，當其從半固態(tài)轉(zhuǎn)入塑態(tài)，及由塑態(tài)轉(zhuǎn)入流動狀態(tài)時需要吸附更多的結(jié)合水水膜，同時隨著粘粒含量的增多，液限的增加速度要比塑限快的多，即塑性指數(shù)加大。

塑性指數(shù)反映了土的可塑性范圍，其影響因素很多，如土中粘粒含量、土的礦物成分等。土的塑性指數(shù)越高，其粘性與可塑性越高。

當土中粘粒的含量增加時，液限和塑限都將提高，因為土中粘粒30

塑性土壤按其塑性指數(shù)的大小又可分為高塑性土壤(粘土）、塑性土壤（亞粘土）和低塑性土壤(亞砂土)。見下表

土的種類粘土（高塑性土）亞粘土（塑性土）亞砂土（低塑性土）砂土（非塑性土）塑性指數(shù)﹥177~171~7﹤1

塑性土壤按其塑性指數(shù)的大小又可分為高塑性土壤(粘土312、土的粘著性：

土的粘著性是指土壤粘附在其他物體上的能力。粘性土的顆粒有粘在一起的性質(zhì)，也可以粘在其他物體的表面上，土的粘性來源于土粒之間的內(nèi)聚力，當粘性土的含水量增加到一定程度后，土開始具有粘附在不同物體上的能力。

2、土的粘著性：土的粘著性是指土壤粘附在其他物體上的能力。32土的粘著性指標是粘著界限和比粘著力。粘著界限：當粘性土的含水量增加到一定程度后，土開始具有粘附在不同物體上的能力，這一含水量即為粘著界限。比粘著力：使單位面積的金屬片與土脫離所需要的力。對于粘土，比粘著力約等于7~8MPa；對于亞粘土，約為5~7MPa。

土的粘著性是大部分塑性土有適當?shù)暮繒r所共有的特性。粘著性對土方鏟掘機械的實際意義是土壤粘附在工作機構(gòu)上會增大鏟掘阻力和減少工作機構(gòu)的實際容量。

土的粘著性指標是粘著界限和比粘著力。33五、土的密實度土的密實度是表示土質(zhì)密實程度的一項指標。

土的密實程度可以用土的密度、孔隙比等物理特性來表示。但是，由于在取出土樣時要正確無誤地保持土的原始狀態(tài)往往是比較困難的，同時在施工現(xiàn)場常常希望有一種快速的方法來測定土的相對密實程度。就出現(xiàn)了以靜載和動載方法來測定土的相對密實度的方法。這些方法不僅與土的密實程度有關(guān)，而且還綜合地反映了土的機械特性。

五、土的密實度土的密實度是表示土質(zhì)密實程度的一項指標。341、圓錐指數(shù)

圓錐指數(shù)是將一頂角為30度、投影面積約為3.2cm2的圓錐壓頭,以大約0.5cm／s的速度壓入土內(nèi)至一定深度時，單位圓錐投影面積上所需的力即為圓錐指數(shù)。

圓錐指數(shù)通常是隨著壓入深度而變化的，所以也可以用圓錐指數(shù)隨壓深而變化的關(guān)系曲線來表示土的機械特性。

1、圓錐指數(shù)352、沖擊指數(shù)

沖擊指數(shù)是將一面積為1cm2的圓形平壓頭，在每次10J沖擊功之作用下，將壓頭壓入土中達10cm深度時所需的沖擊次數(shù)即為沖擊指數(shù)。

2、沖擊指數(shù)36表1—2按沖擊指數(shù)確定土的等級土的等級土質(zhì)沖擊指數(shù)Ⅰ砂土、亞砂土、無夾雜物的輕質(zhì)亞粘土、粉質(zhì)土0~7Ⅱ中等含水量無夾雜物及較高含水量的亞粘土8~15Ⅲ低含水量密實亞粘土、含礫石和卵石的重質(zhì)亞粘土、中等含水量的亞粘土16~23Ⅳ密實的粘土、干燥的黃土、輕質(zhì)的泥巖、未膠結(jié)的磷鈣土和礫巖24~30表1—2按沖擊指數(shù)確定土的等級土的等級土質(zhì)沖擊指數(shù)Ⅰ37§2土的強度土的強度是土的重要力學(xué)性質(zhì)，對于車輛的行走和牽引性能有重大影響。行走時車輛的行走裝置承受來自土壤的反作用力而產(chǎn)生推進力（即牽引力），其大小取決于土壤的強度，同時機械在作業(yè)時土的切削阻力也和土的強度有關(guān)?！?土的強度土的強度是土的重要力學(xué)性質(zhì)，對于車輛的38大量實驗和破壞的實例表明，土的破壞多是剪切破壞，即因土的強度不足以抵抗某一剪切面上的剪應(yīng)力作用，會沿著該剪應(yīng)力方向的剪切變形急劇發(fā)展造成的破壞。土壤在受到剪應(yīng)力作用時，土具有抵抗剪切的能力，即土的抗剪強度?？辜魪姸取了哂械牡挚辜羟衅茐牡哪芰Α４罅繉嶒灪推茐牡膶嵗砻?，土的破壞多是剪切破壞，即因土39

土壤在剪切力作用下開始破壞時的抗剪反作用力，稱為土壤的最大抗剪強度。因此可用剪切面上的臨界剪應(yīng)力數(shù)值來確定土壤的最大抗剪強度。土壤的抗剪強度是決定機械作業(yè)時能否發(fā)揮最大牽引力的主要因素。土壤在剪切力作用下開始破壞時的抗剪反作用力，稱為土壤的最40一、抗剪強度的確定：

對于土和混凝土混合料而言，當材料內(nèi)部某一平面上的法向力和剪應(yīng)力的組合達到某種限度時，材料即可破壞，土的抗剪強度是剪切面上法向應(yīng)力的函數(shù)?？捎靡韵碌闹苯蛹羟性囼灉y定。一、抗剪強度的確定：41

實驗證明，土的抗剪強度與法向應(yīng)力呈線性關(guān)系，可用直線方程表示——庫侖定律實驗證明，土的抗剪強度與法向應(yīng)力呈線性關(guān)系，可用直線方程42土的剪切強度由兩部分組成：（1）土顆粒之間在單位滑動面積上的內(nèi)摩擦力；（2）土顆粒之間的粘聚力

某些土在一定的狀態(tài)下，能夠承受不大的拉力并能承受剪力，能保持一定高度的豎直邊坡，稱之為粘聚性。松散的砂土在干燥狀態(tài)下不具備粘聚性，而粘性土的粘聚性十分明顯。土的剪切強度由兩部分組成：43土的性質(zhì)不同，其強度公式也不同（1）純砂性土：C=0（2）粘性土：當法向應(yīng)力為零時，仍具有抗剪強度。土的性質(zhì)不同，其強度公式也不同44土在剪切力的作用下，有使土粒與土粒間、這部分土壤與另一部分土壤之間產(chǎn)生相對位移的趨勢，這種相對位移受土壤抗剪強度的制約。當土壤受剪切力作用時就會在剪切表面出現(xiàn)抗剪切應(yīng)力τ，當土壤因受剪切而失效時，此時的抗剪應(yīng)力達到最大值τm，稱為土壤的抗剪強度?？辜魪姸葲Q定了地面所能提供的最大牽引力，而大多數(shù)情況下土壤并未破壞，此時要研究車輛的牽引力必須先清楚剪切應(yīng)力與位移的關(guān)系。二、剪切應(yīng)力與位移的關(guān)系：土在剪切力的作用下，有使土粒與土粒間、這部分土壤與另一部45

土壤的剪切應(yīng)力—位移曲線如下圖：土壤的剪切應(yīng)力—位移曲線如下圖：461、脆性土壤：在脆性土壤上(未經(jīng)攪動的緊密土壤，如堅實的砂、粉土和凍結(jié)的雪等)抗剪應(yīng)力出現(xiàn)“駝峰”后，再降低到恒定的值，即為剩余剪切應(yīng)力，曲線出現(xiàn)駝峰的原因是由于土粒間的咬合作用引起的，當這種咬合作用被克服后，就只剩下表面摩擦力了，因此抗剪強度降低。這種土被移位后，原來的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，新的結(jié)構(gòu)不具有原始結(jié)構(gòu)的抗剪強度，只有摩擦力而無粘性力，故重塑土比原始土的抗剪強度低。1、脆性土壤：472、塑性土壤：在塑性土壤上(松散的土壤，飽和粘土或大多數(shù)攪動過的土壤等)，則剪應(yīng)力達到一定值后，基本上不變。即相當于被壓實后，剪應(yīng)力為恒值。對于這類土建議用下式表示剪切應(yīng)力與變形的關(guān)系：

式中：j—土壤的剪切變形；K—土壤的水平剪切模量。2、塑性土壤：式中：j—土壤的剪切變形；48K值的含義：

對上式取微分，并令j=0，求出原點處的斜率為：K值的含義：49由上圖K就是曲線在原點處的切線與τm所作水平線的交點A的橫坐標值。K值相當于剪應(yīng)力為0.632τm的土的剪應(yīng)變值。由上圖K就是曲線在原點處的切線與τm所作水平線的交點50§3土壤的垂直載荷與沉陷的關(guān)系

工程機械在作業(yè)或行駛過程中，土受到壓縮而變形，產(chǎn)生了沉陷，增加了運動阻力，此時應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系對施工影響很大，如行駛阻力。由于土是一種固、液、氣三相復(fù)合的材料，很難用純理論去解決這一問題。通常用實驗的方法來建立某些經(jīng)驗公式以表達兩者之間的關(guān)系。

§3土壤的垂直載荷與沉陷的關(guān)系工程機械在作業(yè)或行駛過程中，51

土壤的抗壓強度直接影響到機械的下陷及其行駛阻力，為了確定土的抗壓強度，必須知道土壤的垂直變形規(guī)律，即知道法向應(yīng)力p與土的垂直變形z的關(guān)系。實驗時將一塊代表充氣輪胎或履帶接地面積的平板，用均布的負荷壓入土內(nèi)，則靜止下陷量z和法向應(yīng)力p之間的關(guān)系將如下圖所示。土壤的抗壓強度直接影響到機械的下陷及其行駛阻力，為了確52建議這些曲線可用如下方程式來表示：

p=kzn式中：k——土壤變形模數(shù)；p—試驗壓板的接地比壓；n——土壤變形指數(shù)；z—試驗壓板的沉陷深度。建議這些曲線可用如下方程式來表示：53上圖畫出了相同的平板在不同的均勻土壤中所測得的一組典型的負荷—沉陷曲線，這些曲線可以依據(jù)n值分為兩組，分界線為n=1的直線：1、n﹥1時，這類土壤為硬實土壤，隨著載荷的增加，車輪下陷的增加量減慢，在車輛反復(fù)載荷作用下通常變得硬而結(jié)實。2、當n<1時，隨著載荷的增加，車輪下陷的增加量加大，為軟弱土壤，這種土壤在重復(fù)載荷作用下，可能碎裂而失去強度。上圖畫出了相同的平板在不同的均勻土壤中所測得的一組典型的54

美國著名學(xué)者M.G.Bekker用帶狀載荷板又進行了一系列土的壓縮試驗，土壤變形指數(shù)n與土壤類別有關(guān)，但與載荷面積的大小和形狀無關(guān)，即對某一種確定的土壤而言，n是常數(shù)。但變形模量K值既與土壤的類別有關(guān)，又和載荷板的寬度有關(guān)，他建議，載荷板下單位面積上的壓力（垂直載荷）與載荷板靜止沉陷量（土壤變形）之間的關(guān)系可用下式表示：式中：p——單位面積壓力，法向應(yīng)力；Kc——土壤變形的內(nèi)聚模量；與內(nèi)聚力有關(guān)。Kφ——土壤變形的內(nèi)摩擦模量，與內(nèi)摩擦力有關(guān)。b——載荷板的短邊長度；美國著名學(xué)者M.G.Bekker用帶狀載荷板又進行了一系55

試驗表明，在均勻的土壤中，平板尺寸實際上對Kc、Kφ及n值沒有影響。但由于存在著土壤的不均勻性，在野外試驗時壓板的寬度或半徑不能小于5cm，盡可能不小于10cm，且L/b大于5，這樣可以減小土體不均勻的影響。壓入的速度一般為2.5~5cm/s。

注意：上述負荷—沉陷曲線是在均勻壓力下且無水平力作用時測得的，嚴格講只適用于靜止車輛在土壤上的沉陷量，實際上，車輛在行駛時驅(qū)動輪或履帶必定對地面施加水平力，土壤會發(fā)生剪切變形，這會增加土的沉陷，但雖與車輛實際行駛時有些差距，但仍是較實用的衡量的指標。

試驗表明，在均勻的土壤中，平板尺寸實際上對Kc、Kφ及n56第一章土壤的物理機械性質(zhì)

土壤是工程機械的作業(yè)對象或支撐基礎(chǔ)，大部分工程機械都要與土壤和地面發(fā)生聯(lián)系，在現(xiàn)代機器與地面的相互作用已經(jīng)發(fā)展成為工程力學(xué)的一個新的分支，即地面力學(xué)。

地面力學(xué)主要研究機器與其工作地面或土壤之間的相互作用過程，故又叫土壤—系統(tǒng)力學(xué)，它應(yīng)用力學(xué)原理和土壤工程實驗技術(shù)研究土的專門性技術(shù)學(xué)科，它以力學(xué)和工程地質(zhì)學(xué)為基礎(chǔ)，對土的物理力學(xué)性質(zhì)進行研究，為各項工程服務(wù)，如鐵道工程、路橋工程等。

第一章土壤的物理機械性質(zhì)土壤是工程機械的作業(yè)對象或支撐57

工程機械只有和地面相互作用，才能完成其功能，車輛在地面行駛要靠土體支撐，要借助土的反力來發(fā)揮推進力。

舉例：牽引力的產(chǎn)生。

工程機械只有和地面相互作用，才能完成其功能，車輛在地面行58§1土壤的物理機械性質(zhì)

§1.1土的形成與結(jié)構(gòu)

一、土的形成

土是經(jīng)巖石風化作用后，以不同的搬運方式，在不同的地點堆積下來的自然歷史產(chǎn)物，同時在搬運和堆積過程中風化仍在繼續(xù)，而且是經(jīng)過多次的搬運和堆積的，由于風化、剝蝕、搬運和沉積等成土過程各環(huán)節(jié)的交錯反復(fù)，成土的自然地理環(huán)境的復(fù)雜多樣性，使土的類型和性質(zhì)千差萬別。但是凡在大致相同的地質(zhì)年代及相似的沉積條件下形成的堆積物，其成分及性質(zhì)相近。

§1土壤的物理機械性質(zhì)§1.1土的形成與結(jié)構(gòu)59二、土的結(jié)構(gòu)

自然界的土是以顆粒或顆粒的集合形式存在的。1、土的結(jié)構(gòu)：土粒或土粒集合體的大小、形狀、相互排列與連接等綜合特征，稱為土的結(jié)構(gòu)。

二、土的結(jié)構(gòu)自然界的土是以顆?；蝾w粒的集合形式存在的。60

2、分類：

分為：單粒結(jié)構(gòu)、蜂窩結(jié)構(gòu)、絮狀結(jié)構(gòu)。

（1）單粒結(jié)構(gòu)：為砂土和碎石的結(jié)構(gòu)，是由土粒在水或空氣中，在其自身重力作用下沉落堆積而成。由于土粒尺寸較大，顆粒間的分子引力遠小于土粒自重，故土粒間幾乎沒有相互連接作用，是典型的散粒狀結(jié)構(gòu)。

2、分類：

分為：單粒結(jié)構(gòu)、蜂窩結(jié)構(gòu)、絮狀結(jié)構(gòu)。

（1）單61（2）蜂窩結(jié)構(gòu)：多為顆粒細小的粘土所具有的結(jié)構(gòu)形式，粒徑在0.02mm~0.002mm左右的土粒在水中沉積，下沉途中碰上已堆積的土粒時，由于土粒間分子引力與自重相比已足夠大，土粒便停留在最初接觸點上不再下降，形成孔隙很大的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，其中的孔隙遠大于土粒本身的尺寸。（3）絮狀結(jié)構(gòu)：是顆粒最細小的粘土所具有的結(jié)構(gòu)形式，直徑小于0.002mm的土粒能夠在水中長期漂浮，不會因自重而下沉，當水中加入某些電解質(zhì)后，顆粒間的排斥力消弱，運動著的土粒凝聚成絮狀物下沉，形成類似蜂窩狀但孔隙更大的結(jié)構(gòu)。

（2）蜂窩結(jié)構(gòu)：多為顆粒細小的粘土所具有的結(jié)構(gòu)形式，粒徑在062§1.2土的組成

工程中所研究的土并不是土的顆粒，而是松散堆積物的整體。

土是由不同的相所構(gòu)成的多相體系，礦物顆粒組成土的骨架，其間有孔隙，若孔隙中同時存在著水和氣體，則土是三相的，土粒、水和氣體分別稱為土的固相、液相和氣相。有時土粒間的孔隙完全被水充滿，則形成飽和土，則土是兩相的，即只有固相和液相。當土粒中的孔隙只存在著空氣時，即形成無水的干土，也是兩相的。

§1.2土的組成工程中所研究的土并不是土的顆粒，而63

一、土的固體顆粒

土的骨架是由各種不同尺寸的土粒組成，自然界的土粒大小很不均勻，碎石顆粒的直徑可達10cm以上，而在平靜水中緩慢沉積的細微粘土顆粒的直徑只有萬分之一mm，不同大小的土粒在土中的相對含量是決定土的工程性質(zhì)的重要指標之一，因此，首先按土粒的直徑大小進行歸并與分類，將土粒分成若干粒組，每一粒組具有一定的土粒直徑變化范圍，按此范圍將土進行分類。

一、土的固體顆粒

土的骨架是由各種不同尺寸的土粒組成64表1—1土的粒組劃分顆粒名稱粒徑（mm）礫石（渾圓或圓棱）或角礫（尖棱）（土中不具有毛細力，土粒間不存在相互的連接）大20~10中10~4小4~2砂粒（土中存在毛細力，但不具備粘聚性，遇水不膨脹）大2~0.5中0.5~0.25小0.25~0.05粉粒（土粒具有粘聚性，但隨著水分的減少，連接力減弱）0.05~0.005粘土粒（具有很大的粘聚性，并遇水膨脹且干燥收縮顯著，土?xí)S著水分的減少而更堅硬）小于0.005表1—1土的粒組劃分顆粒名稱粒徑（mm）礫石（渾圓或65二、土的級配

實際的土多是不同粒度土粒的混合物，這種混合土的性質(zhì)取決于不同粒度顆粒的相對含量。確定土粒組相對含量的方法，叫顆粒分析實驗。工程中實用的顆粒分析方法有篩分法和比重計法兩種。篩分法適用于粒徑大于0.1mm以上的土壤；比重計法適用于粒徑小于0.1mm的土。如果土中同時含有大于和小于0.1mm的土粒時，則兩種方法并用。二、土的級配實際的土多是不同粒度土粒的混合物，這種混合土的66篩分法：實驗時，采用一套標準篩，各篩的篩孔自上而下分別為10、5、2、1、0.5、0.25、0.1mm，上加頂蓋，下加底盤，疊在一起，將干土樣放入第一層篩中，用搖篩機振蕩，使細土粒通過篩孔漏下，稱出存留在每層篩子和底盤上的土粒重量，就可以計算出某一直徑的土顆粒占總重量的百分比。

對于顆粒細微的粘土，由于無法制作相應(yīng)的細篩，同時也不能使彼此連接很緊的土粒全部分散開來，故不能采用篩分法。對此，可用水將土粒彼此分散，制成懸液，然后根據(jù)不同粒徑的土粒在靜止水中下沉的速度不同的原理，來測定各粒組的百分含量。

篩分法：實驗時，采用一套標準篩，各篩的篩孔自上而下分別為10671、概念：

土的級配：土的各級土粒組合情況，用其含量的百分數(shù)表示，稱為土的顆粒級配。2、表示方法：

土的級配常以顆粒級配曲線表示。

1、概念：68如圖所示，縱坐標表示小于（大于）某一粒徑的土粒占土樣總量的百分數(shù)；橫坐標表示顆粒直徑。級配曲線可反映以下內(nèi)容：（1）粒組范圍及土的級配；

（2）顆粒分布情況；

當曲線平緩時，說明土中大的及小的顆粒都有，顆粒不均勻，即各級粒組搭配良好，稱為級配良好的土；當曲線較陡時，表示土中顆粒直徑范圍較小，顆粒均勻，屬于級配不好的土。如圖所示，縱坐標表示小于（大于）某一粒徑的土粒占土樣總量的百693、土的不均勻系數(shù)：

顆粒分布均勻程度通常用不均勻系數(shù)CU來表示，即：CU＝d60/d10式中：d60——限定粒徑，對應(yīng)于級配曲線上60％數(shù)值的顆粒直徑；d10——有效粒徑，對應(yīng)于級配曲線上10％數(shù)值的顆粒直徑；3、土的不均勻系數(shù)：顆粒分布均勻程度通常用不均勻系數(shù)CU來70CU值越大，說明粒徑級配曲線愈平緩，土的級配越好。CU<4～5，為級配均勻的土；CU>10，為級配良好的土，此種土大顆粒之間的空間被小顆粒所填充，土壤易被壓實，能形成一種更穩(wěn)定的鋪層。CU值越大，說明粒徑級配曲線愈平緩，土的級配越好。71

三、土的物理性質(zhì)指標

土是由土粒、水分和氣體組成的多相體系，土的體積和重量包含著這三相的體積和重量，為便于分析，通常將土中的土粒、水分和氣體的體積和重量按相集中成三部分，構(gòu)成分析模型，即三相圖。

三、土的物理性質(zhì)指標

土是由土粒、水分和氣體組成的多相72MMaMWMSVVaVWVSMMaMWMSVVaVWVS731、土壤的含水量ω：土中水的重量與土粒重量（干重量）之比，用百分數(shù)表示。

土壤的含水量通常用烘干法測定，將重量為M的土樣在105℃下烘干，至恒重，即得土粒的干重量。1、土壤的含水量ω：土中水的重量與土粒重量（干重量）之比，用742、土的天然密度γ0和干密度γd：土的天然密度γ0：土在天然狀態(tài)（自然含水量）下的重量與體積之比。土的干密度γd：土粒的重量與土的總體積之比。2、土的天然密度γ0和干密度γd：土的干密度γd：土粒的重753、土固體顆粒的相對密度ws和密度γs：土固體顆粒的相對密度ws：土的干重量與同體積4℃的水重量之比。

注：在公路、鐵路、建筑等的設(shè)計計算中，對于水面以下的土體應(yīng)考慮浮力的作用，此時采用相對密度。土固體顆粒的密度γs：土的干重量與其固體顆粒體積之比。3、土固體顆粒的相對密度ws和密度γs：土固體顆粒的密度γ764、土的孔隙率n和孔隙比e：土的孔隙率n：土壤的孔隙體積與土的總體積之比。孔隙比e：土的孔隙體積與土中固體顆粒體積之比。土的孔隙度n和孔隙比e都反映了土的密實程度。

4、土的孔隙率n和孔隙比e：77四、土的物理狀態(tài)指標

1、土的塑性：

土在外力作用下可以改變形狀，但不改變體積，不發(fā)生斷裂，并且在外力解除后，仍能保持已有的變形而不恢復(fù)原狀的性質(zhì)。塑性是粘性土的一種特殊性能，即粘性土屬于可塑性的土，而砂土和礫石土則為非塑性土。四、土的物理狀態(tài)指標1、土的塑性：78含水量對粘土塑性的影響：

含水量對粘性土的可塑性有重要影響，只有含水量在一定范圍內(nèi)時其塑性才能表現(xiàn)出來。根據(jù)含水量的不同，可將粘性土分為四種狀態(tài)：固態(tài)、半固態(tài)、可塑狀態(tài)和流動狀態(tài)。

含水量對粘土塑性的影響：含水量對粘性土的可塑性有重要影響79第一章土壤的性質(zhì)課件80（1）液限WL：

當含水量大于一定界限時，土粒中的孔隙全部被水充滿，土顆粒處于懸浮狀態(tài)，相鄰顆粒的水化膜彼此脫離，土處于懸浮狀態(tài)而不具有可塑性。如逐漸蒸發(fā)土中水分，隨著水分的減少，必然會伴隨土的密度的增大和體積的收縮，在土粒彼此逐漸接近的過程中，土開始具有粘聚性，土粒在外力作用下可相互滑動而不產(chǎn)生顆粒間連接的破壞，并開始呈塑性狀態(tài)，這一分界含水量為土的液限WL。WL也稱為流動界限。（1）液限WL：81（2）塑限WP：隨著水分的繼續(xù)蒸發(fā)，自由水進一步減少，體積進一步收縮，而土仍呈塑性狀態(tài)，當孔隙中的自由水大致蒸發(fā)完時，土的強度開始迅速提高，并開始失去可塑性而呈半固體狀態(tài)，這一分界含水量為土的塑限WP。WP也稱為壓延界限。（3）縮限WC：繼續(xù)蒸發(fā)土中的水分，土的體積仍將隨之收縮，但收縮的量不斷減少，直到停止收縮，相應(yīng)的含水量為收縮界限，即縮限WC。WC也稱為收縮界限。（2）塑限WP：隨著水分的繼續(xù)蒸發(fā)，自由水進一步減少，體積進82第一章土壤的性質(zhì)課件83（4）液限和塑限的測定：

液限：采用錐式液限儀。根據(jù)粘性土的貫入強度，利用錐角為30度，重為76g的平衡錐，在其自重下5s內(nèi)沉入土中10mm的含水量。塑限：采用搓條法。

將可塑性狀態(tài)的粘性土搓成粗細均勻的土條，當搓成3mm直徑的土條時，開始斷裂的含水量。（4）液限和塑限的測定：液限：采用錐式液限儀。84（5）塑性指數(shù)IP：塑性指數(shù)IP：工程上將液限與塑限之差稱為塑性指數(shù)。（5）塑性指數(shù)IP：塑性指數(shù)IP：工程上將液限與塑限之差稱85當土中粘粒的含量增加時，液限和塑限都將提高，因為土中粘粒的含量越多，比表面積越大，當其從半固態(tài)轉(zhuǎn)入塑態(tài)，及由塑態(tài)轉(zhuǎn)入流動狀態(tài)時需要吸附更多的結(jié)合水水膜，同時隨著粘粒含量的增多，液限的增加速度要比塑限快的多，即塑性指數(shù)加大。

塑性指數(shù)反映了土的可塑性范圍，其影響因素很多，如土中粘粒含量、土的礦物成分等。土的塑性指數(shù)越高，其粘性與可塑性越高。

當土中粘粒的含量增加時，液限和塑限都將提高，因為土中粘粒86

塑性土壤按其塑性指數(shù)的大小又可分為高塑性土壤(粘土）、塑性土壤（亞粘土）和低塑性土壤(亞砂土)。見下表

土的種類粘土（高塑性土）亞粘土（塑性土）亞砂土（低塑性土）砂土（非塑性土）塑性指數(shù)﹥177~171~7﹤1

塑性土壤按其塑性指數(shù)的大小又可分為高塑性土壤(粘土872、土的粘著性：

土的粘著性是指土壤粘附在其他物體上的能力。粘性土的顆粒有粘在一起的性質(zhì)，也可以粘在其他物體的表面上，土的粘性來源于土粒之間的內(nèi)聚力，當粘性土的含水量增加到一定程度后，土開始具有粘附在不同物體上的能力。

2、土的粘著性：土的粘著性是指土壤粘附在其他物體上的能力。88土的粘著性指標是粘著界限和比粘著力。粘著界限：當粘性土的含水量增加到一定程度后，土開始具有粘附在不同物體上的能力，這一含水量即為粘著界限。比粘著力：使單位面積的金屬片與土脫離所需要的力。對于粘土，比粘著力約等于7~8MPa；對于亞粘土，約為5~7MPa。

土的粘著性是大部分塑性土有適當?shù)暮繒r所共有的特性。粘著性對土方鏟掘機械的實際意義是土壤粘附在工作機構(gòu)上會增大鏟掘阻力和減少工作機構(gòu)的實際容量。

土的粘著性指標是粘著界限和比粘著力。89五、土的密實度土的密實度是表示土質(zhì)密實程度的一項指標。

土的密實程度可以用土的密度、孔隙比等物理特性來表示。但是，由于在取出土樣時要正確無誤地保持土的原始狀態(tài)往往是比較困難的，同時在施工現(xiàn)場常常希望有一種快速的方法來測定土的相對密實程度。就出現(xiàn)了以靜載和動載方法來測定土的相對密實度的方法。這些方法不僅與土的密實程度有關(guān)，而且還綜合地反映了土的機械特性。

五、土的密實度土的密實度是表示土質(zhì)密實程度的一項指標。901、圓錐指數(shù)

圓錐指數(shù)是將一頂角為30度、投影面積約為3.2cm2的圓錐壓頭,以大約0.5cm／s的速度壓入土內(nèi)至一定深度時，單位圓錐投影面積上所需的力即為圓錐指數(shù)。

圓錐指數(shù)通常是隨著壓入深度而變化的，所以也可以用圓錐指數(shù)隨壓深而變化的關(guān)系曲線來表示土的機械特性。

1、圓錐指數(shù)912、沖擊指數(shù)

沖擊指數(shù)是將一面積為1cm2的圓形平壓頭，在每次10J沖擊功之作用下，將壓頭壓入土中達10cm深度時所需的沖擊次數(shù)即為沖擊指數(shù)。

2、沖擊指數(shù)92表1—2按沖擊指數(shù)確定土的等級土的等級土質(zhì)沖擊指數(shù)Ⅰ砂土、亞砂土、無夾雜物的輕質(zhì)亞粘土、粉質(zhì)土0~7Ⅱ中等含水量無夾雜物及較高含水量的亞粘土8~15Ⅲ低含水量密實亞粘土、含礫石和卵石的重質(zhì)亞粘土、中等含水量的亞粘土16~23Ⅳ密實的粘土、干燥的黃土、輕質(zhì)的泥巖、未膠結(jié)的磷鈣土和礫巖24~30表1—2按沖擊指數(shù)確定土的等級土的等級土質(zhì)沖擊指數(shù)Ⅰ93§2土的強度土的強度是土的重要力學(xué)性質(zhì)，對于車輛的行走和牽引性能有重大影響。行走時車輛的行走裝置承受來自土壤的反作用力而產(chǎn)生推進力（即牽引力），其大小取決于土壤的強度，同時機械在作業(yè)時土的切削阻力也和土的強度有關(guān)?！?土的強度土的強度是土的重要力學(xué)性質(zhì)，對于車輛的94大量實驗和破壞的實例表明，土的破壞多是剪切破壞，即因土的強度不足以抵抗某一剪切面上的剪應(yīng)力作用，會沿著該剪應(yīng)力方向的剪切變形急劇發(fā)展造成的破壞。土壤在受到剪應(yīng)力作用時，土具有抵抗剪切的能力，即土的抗剪強度?？辜魪姸取了哂械牡挚辜羟衅茐牡哪芰Α４罅繉嶒灪推茐牡膶嵗砻?，土的破壞多是剪切破壞，即因土95

土壤在剪切力作用下開始破壞時的抗剪反作用力，稱為土壤的最大抗剪強度。因此可用剪切面上的臨界剪應(yīng)力數(shù)值來確定土壤的最大抗剪強度。土壤的抗剪強度是決定機械作業(yè)時能否發(fā)揮最大牽引力的主要因素。土壤在剪切力作用下開始破壞時的抗剪反作用力，稱為土壤的最96一、抗剪強度的確定：

對于土和混凝土混合料而言，當材料內(nèi)部某一平面上的法向力和剪應(yīng)力的組合達到某種限度時，材料即可破壞，土的抗剪強度是剪切面上法向應(yīng)力的函數(shù)?？捎靡韵碌闹苯蛹羟性囼灉y定。一、抗剪強度的確定：97

實驗證明，土的抗剪強度與法向應(yīng)力呈線性關(guān)系，可用直線方程表示——庫侖定律實驗證明，土的抗剪強度與法向應(yīng)力呈線性關(guān)系，可用直線方程98土的剪切強度由兩部分組成：（1）土顆粒之間在單位滑動面積上的內(nèi)摩擦力；（2）土顆粒之間的粘聚力

某些土在一定的狀態(tài)下，能夠承受不大的拉力并能承受剪力，能保持一定高度的豎直邊坡，稱之為粘聚性。松散的砂土在干燥狀態(tài)下不具備粘聚性，而粘性土的粘聚性十分明顯。土的剪切強度由兩部分組成：99土的性質(zhì)不同，其強度公式也不同（1）純砂性土：C=0（2）粘性土：當法向應(yīng)力為零時，仍具有抗剪強度。土的性質(zhì)不同，其強度公式也不同100土在剪切力的作用下，有使土粒與土粒間、這部分土壤與另一部分土壤之間產(chǎn)生相對位移的趨勢，這種相對位移受土壤抗剪強度的制約。當土壤受剪切力作用時就會在剪切表面出現(xiàn)抗剪切應(yīng)力τ，當土壤因受剪切而失效時，此時的抗剪應(yīng)力達到最大值τm，稱為土壤的抗剪強度。抗剪強度決定了地面所能提供的最大牽引力，而大多數(shù)情況下土壤并未破壞，此時要研究車輛的牽引力必須先清楚剪切應(yīng)力與位移的關(guān)系。二、剪切應(yīng)力與位移的關(guān)系：土在剪切力的作用下，有使土粒與土粒間、這部分土壤與另一部101

土壤的剪切應(yīng)力—位移曲線如下圖：土壤的剪切應(yīng)力—位移曲線如下圖：1021、脆性土壤：