土力學-2-土地性質及工程分類

2土的性質及工程分類基本內容：概述土的三相組成及土的結構土的物理性質指標無粘性土的密實度粘性土的物理特性土的滲透及滲流土的動力特性地基土的工程分類土的定義：土是連續(xù)，堅固的巖石在風化作用下形成的大小懸殊的顆粒，經過不同的搬運方式，在各種自然環(huán)境中生成的沉積物。物理風化：巖石經受風、霜、雨、雪的侵蝕，或受波浪的沖擊、地震等引起各種力的作用，溫度的變化、凍脹等因素使整體巖石產生裂隙、崩解碎裂成巖塊、巖屑的過程?；瘜W風化：巖體（或巖塊、巖屑）與氧氣、二氧化碳等各種氣體、水和各種水溶液等物質相接觸，經氧化、碳化和水化作用，使這些巖石或巖屑逐漸產生化學變化，分解為極細顆粒的過程。2.1概述特征：物理風化：量變過程，形成的土顆粒較粗；化學風化：質變過程，形成的土顆粒很細。對一般的土而言，通常既經歷過物理風化，又有化學風化，只不過哪種占優(yōu)而已。

土的三相組成：土的物質成分包括有作為土骨架的固態(tài)礦物顆粒、孔隙中的水及其溶解物質以及氣體。因此，土是由顆粒(固相)、水(液相)和氣(氣相)所組成的三相體系。當土骨架的孔隙全部被水占滿時，這種土稱為飽和土；當土骨架的孔隙僅含空氣時，就成為干土；一般在地下水位以上地面以下一定深度內的土的孔隙中兼含空氣和水，此時的土體屬三相系，稱為濕土。根據(jù)土的粘性分：粘性土：顆粒很細； 無粘性土：顆粒較粗，甚至很大。砂、碎石、甚至堆石（直徑幾十cm甚至1m）2.2土的三相組成及土的結構一、土的固相（一）成土礦物原生礦物：由物理風化生成的土粒；顆粒較粗，一般為無粘性土；石英、長石、云母等；圓形、板狀、塊狀；吸水力弱、穩(wěn)定、無塑性；砂多為石英。次生礦物：由原生礦物經化學風化作用而形成的礦物。顆粒較細，一般為粘土礦物，形成粘性土。高嶺石、伊利石、蒙脫石；片狀、極細；吸水力強、活潑、有塑性。（二）粘土礦物的晶體結構粘土礦物：是一種復合的鋁-硅酸鹽晶體，顆粒成片狀，是由硅片和鋁片構成的晶胞所組疊而成。硅片：基本單元是硅－氧四面體，底面每個氧離子為2個相鄰單元的硅原子共有組成六邊形硅片；鋁片：鋁（鎂）－氫氧（氧）八面體，每個氫氧離子為2個相鄰單元的鋁原子共有組成鋁片；蒙脫石：伊利石進一步風化，2：1型晶格，二個硅片＋一個鋁片＝一個晶層，晶層沒有鉀離子連接，而是有水分子進入；連接弱。伊利石：云母在堿性介質中風化產物，2：1型晶格，晶層靠鉀離子連接，比較穩(wěn)定，但不如氫鍵；高嶺石：長石風化產物，1：1型晶格，一個硅片＋一個鋁片＝一個晶層，晶層靠氫鍵連接，一個顆粒多達近百個晶層。（三）土粒的大小和土的級配粒組：把工程性質相近的土粒合并為一組。粘土細砂粗砂碎石卵石碎石粘土（四）顆粒大小分析試驗測定土中各粒組顆粒質量所占該土總質量的百分數(shù)，確定粒徑分布范圍的試驗稱為土的顆粒大小分析試驗。篩分法：粒徑>0.075mm

密度計法：粒徑<0.075mm

聯(lián)合測定：既有粒徑>0.075mm，又有粒徑>0.075mm土的級配：土中各種大小的粒組中土粒的相對含量。1.篩分法利用一套孔徑由大到小的篩子，將按規(guī)定方法取得的一定質量的干試樣放入一次疊好的篩中，置振篩機上充分振搖后，稱出留在各級篩上的土粒的質量，按下式計算出小于某土粒粒徑的土粒含量百分數(shù)X（％）式中：mi，m－分別為小于某粒徑的土粒質量及試樣總質量

2.密度計法利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同來確定小于某粒徑的土粒含量的方法。通過密度計測定土水懸濁液的密度來確定。(五)顆粒分析試驗曲線的主要用途按粒徑分布曲線可求得：（1）土中各粒組的土粒含量，用于粗粒土的分類和大致評估土的工程性質；（2）某些特性粒徑，用于建筑材料的選擇和評價土級配的好壞。根據(jù)某些特征粒徑，可得到兩個有用的指標，即不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc。式中：d10，d30和d60為粒徑分布曲線上小于某粒徑的土粒含量分別為10％，30％和60％時所對應的粒徑。d10稱為有效粒徑；d60稱為限制粒徑；d30稱中值粒徑。Cu小，曲線陡；Cu大，易壓密；Cc過大，臺階在d10~d30間；Cc過小，臺階在d30~d60間；規(guī)范：Cu>=5，且Cc=1~3時，級配良好，否則，不良。

不均勻系數(shù)Cｕ反映大小不同粒組的分布情況。Cｕ越大表示土粒大小的分布范圍越大、其級配越良好，作為填方工程的土料時，則比較容易獲得較大的密實度。曲率系數(shù)Cc描寫累積曲線的分布范圍，反映曲線的整體形狀。級配良好二、土的液相土中水處于不同位置和溫度條件下，可具有不同的物理狀態(tài)——固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)。液態(tài)水是土中孔隙水的主要存在狀態(tài)，因其受土粒表面雙電層影響程度的不同可分為結合水、毛細水、重力水。后兩者也稱為非結合水（自由水）。

1．結合水土顆粒表面帶有一定的電荷，當土粒與水相接觸時，由于靜電作用力，將吸引水化離子和水分子，形成雙電層，在雙電層影響下的水膜稱為表面結合水。雙電層的厚薄也反映了結合水的厚薄，結合水具有與一般自由水不同的性質，其密度較大、粘滯度高、流動性差、冰點低、比熱較大。這種差異隨距離增加而減弱。2.自由水(非結合水)在雙電層影響以外的水為自由液態(tài)水，它主要受重力作用的控制，土粒表面吸引力居次要地位，這部分水稱為非結合水，它包括毛細水和重力水。

(1)毛細水

毛細水是受到水與空氣交界面處表面張力作用的自由水。

(2)重力水

它是在重力或壓力差作用下運動的自由水，對土粒有浮力作用。重力水只受重力控制，不受土粒表面吸引力的影響。三、土中氣土中的氣體與大氣相通

壓縮性高；與大氣隔絕

降低透水性四、土的結構和構造

土的結構是指由土粒單元的大小、形狀、相互排列及其聯(lián)結關系等因素形成的綜合特征。一般分為單粒結構、蜂窩結構和絮狀結構三種基本類型。

在同一土層中的物質成分和顆粒大小等都相近的各部分之間的相互關系的特征稱為土的構造。土的構造最主要特征就是成層性即層理構造。土的構造的另一特征是土的裂隙性。2.3土的物理性質指標可分為兩類：一類是必須通過試驗測定的，如含水率、密度和土粒比重，稱為直接指標；另一類是根據(jù)直接指標換算的，如孔隙比、孔隙率、飽和度等，稱為間接指標。一、試驗直接測定的物理性質指標（一）土的密度ρ與重度γ土的密度定義為單位體積土的質量，用ρ表示，單位為g/cm3表達式如下：

對于粘性土，土的密度常用環(huán)刀法測定。土的重度亦稱為容重，定義為單位體積土的重量，用γ表示，單位為kN/m3。表達式如下：

式中：W——土的重量，單位為kN；

g——重力加速度。一般土18～20砂土16～20（二）土粒相對密度ds土粒相對密度定義為土粒的質量（或重量）與同體積4℃時純水的質量（或重量）之比（無因次），其表達式為：

式中：ρs——土粒的密度，即土粒單位體積的質量；（ρw）4℃——4℃時純水的密度，1g/cm3土粒相對密度取絕于土的礦物成分。粘性土2·70～2·75，砂土2·65左右。（三）土的含水量w土的含水量，定義為土中水的質量與土粒的質量之比，以百分數(shù)表示，其表達式為：

※含水量是標志土的濕度的一個重要物理指標。含水量大濕軟測定含水率常用的方法是烘干法，先稱出天然土的質量，然后放在烘箱中，在100℃～105℃常溫下烘干，稱得干土質量，按前式可算得。二、間接換算得物理性質指標（一）土的孔隙比e定義：土中孔隙的體積與土粒的體積之比，以小數(shù)表示，其表達式為：（二）土的孔隙率n定義：土中孔隙的體積與土的總體積之比，或單位體積內孔隙的體積，以百分數(shù)表示，其表達式為：

（三）土的飽和度Sr定義：土中孔隙水的體積與孔隙體積之比，以百分數(shù)表示，其表達式為：

描述土體中孔隙被水充滿的程度。干土為0；濕土為100%。土的干重度：單位體積內土粒的重量，表達式為：

土烘干，體積要減小，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評定土密實程度的指標，干密度或干重度愈大表明土愈密實，反之愈疏松。（四）干密度ρd與干重度γd土的干密度：單位體積內土粒的質量，表達式：

（五）飽和密度ρsat與飽和重度γsat

飽和密度定義：土中孔隙完全被水充滿土處于飽和狀態(tài)時單位體積土的質量。表達式為：

第一章土的物理性質指標與工程分類在飽和狀態(tài)下，單位體積土的重量稱為飽和重度，其表達式為：第一章土的物理性質指標與工程分類（六）有效密度ρ’與有效重度γ’

土在水下，受到水的浮力作用，其有效重量減小，因此提出了有效重度的概念，其表達式為：

與其相應，提出了有效密度的概念，土的有效密度是單位體積內的土粒質量與同體積水質量之差，其表達式：

或從上述四種土的密度或重度的定義可知，同一土樣各種密度或重度在數(shù)值上有如下關系：三、物理性質指標間的換算常用的土的物理指標共有九個。已知其中任意三個，通過換算可以求出其余的六個。（一）孔隙比與孔隙率的關系設土體內土粒的體積為1，則e=Vv/V可知，孔隙的體積Vv為e，土體的體積V為（1＋e），于是有：

或

三相示意圖（二）干密度與濕密度和含水量的關系設土體的體積V為1，則ρd=ms/V，土體內土粒的質量ms為ρd，由w=mw/ms水的質量mw為wρd。

（三）孔隙比與比重和干密度的關系設土體內土粒的體積為1，則按e=Vv/V，孔隙的體積vv為e；由ρs

＝ms/Vs得土粒的質量ms為ρs。于是，按ρd的定義可得：

（四）飽和度與含水率、比重和孔隙比得關系由ρs

＝ms/Vs得土粒的質量ms=ρs。按w=mw/ms

，水得質量mw=wρs，則水得體積vw=mw/ρw=wρs/ρw。于是，Sr定義可得：

（五）有效密度與比重和孔隙比得關系設土體內土粒體積為1，則按e=Vv/V，孔隙的體積Vv為e；由ρs

＝ms/Vs得土粒的質量ms為ρs?！纠}2.1】一塊原狀土樣，經試驗測得土的天然密度為1.67t/m3，含水量為12.9%，土粒相對密度ds為2.7。求土樣孔隙比、孔隙率和飽和度。2、無粘性土的相對密實度常用相對密實度Dr來衡量無粘性土的松緊程度，其定義為

式中：Dr——相對密實度；

emax——無粘性土處在最松狀態(tài)時的孔隙比；

emin——無粘性土處在最密狀態(tài)時的孔隙比；

e0——無粘性土得天然孔隙比或填筑孔隙比。

2.4無粘性土的密實度1、孔隙比優(yōu)點：判別簡便缺點：不能考慮級配的因素在工程上，用相對密實度Dr劃分無粘性土的狀態(tài)如下：

0＜Dr≤1/3疏松的

1/3＜Dr≤2/3中密的

2/3＜Dr≤1密實的將風干的無粘性土試樣用漏斗法測定其最小干密度，用振擊法測定其最大干密度。3、標準貫入試驗的錘擊數(shù)N松散稍密中密密實4、野外鑒別法碎石土根據(jù)可挖性可鉆性

2.5粘性土的物理特性1、粘性土的界限含水量粘性土從一種狀態(tài)轉變?yōu)榱硪环N狀態(tài)的分界含水量稱為界限含水量。四種狀態(tài)：固態(tài)半固態(tài)可塑狀態(tài)流動狀態(tài)粘性土就是指具有可塑狀態(tài)性質的土?？伤苄裕和猎谕饬ψ饔孟?，可塑成任何形狀而不發(fā)裂，當外力卸除后仍能保持已有的形狀。

含水量對粘性土的工程性質有著極大的影響。液限（WL）——從流動狀態(tài)轉變?yōu)榭伤軤顟B(tài)的界限含水量塑限（Wp）——從可塑狀態(tài)轉變?yōu)榘牍腆w狀態(tài)的界限含水量縮限（Ws）——從半固體狀態(tài)轉變?yōu)楣腆w狀態(tài)的界限含水量，即粘性土隨著含水量的減小而體積開始不變時的含水量。2.液、塑限的測定測定塑限的方法：搓滾法和液、塑限聯(lián)合測定法。測定液限的方法：碟式儀法和液、塑限聯(lián)合測定法。液、塑限聯(lián)合測定法：塑限－5秒入土2mm時的含水量液限－5秒入土10mm時的含水量聯(lián)合測定儀蝶式儀3、塑性指數(shù)和液性指數(shù)

1.塑性指數(shù)塑性指數(shù)：液限和塑限之差的百分數(shù)值（去掉百分號）。用Ip表示，取整數(shù)，即：塑性指數(shù)越高，吸著水含量可能高，土的粘粒含量越高。

2.液性指數(shù)粘性土的狀態(tài)可用液性指數(shù)來判別。定義為：

式中：IL——液性指數(shù)，以小數(shù)表示；

w——土的天然含水量。

液性指數(shù)表征了土的天然含水量與界限含水量之間的相對關系，表達了天然土所處的狀態(tài)。

wL＜w時，IL＞1.0，土處于流動狀態(tài)。

w≤wp時，IL≤0，土處于堅硬狀態(tài)；

wp＜w≤wL時，0＜IL≤1.0，土處于可塑狀態(tài)；2.6土的滲透及滲流

滲透：由于土體本身具有連續(xù)的孔隙，如果存在水位差的作用，水就會透過土體孔隙而發(fā)生孔隙內的流動。土具有被水透過的性能稱為土的滲透性。土的問題是指由于水的滲透引起土體內部應力狀態(tài)的變化或土體、地基本身的結構、強度等狀態(tài)的變化，從而影響建筑物或地基的穩(wěn)定性或產生有害變形的問題。1、達西滲透定律由于土體中的孔隙一般非常微小，水在土體中流動時的粘滯阻力很大、流速緩慢，因此，其流動狀態(tài)大多屬于層流。著名的達西(Darcy)滲透定律：滲透速度：或滲流量為：對粘性土：滲透系數(shù)的大小是直接衡量土的透水性強弱的一個重要的力學性質指標。一、實驗室內測定滲透系數(shù)常水頭試驗和變水頭試驗。常水頭法是在整個試驗過程中，水頭保持不變。常水頭法適用于透水性強的無粘性土。土的滲透系數(shù)：2、滲透系數(shù)的測定一、如果土是各向同性的kx等于ky，則上式就是著名的拉普拉斯（Laplace）方程，它是描述穩(wěn)定滲流的基本方程式。二、流網(wǎng)及其特征就滲流問題來說，一組曲線稱為等勢線，在任一條等勢線上各點的總水頭是相等的；另一組曲線稱為流線，它們代表滲流的方向。等勢線和流線交織在一起形成的網(wǎng)格叫流網(wǎng)。３、二維滲流及流網(wǎng)流網(wǎng)的確定方法對于各向同性的滲透介質，流網(wǎng)具有下列特征：（1）流線與等勢線彼此正交；（2）每個網(wǎng)格的長寬比為常數(shù)；（3）相鄰等勢線間的水頭損失相等；（4）各流槽的滲流量相等。流網(wǎng)的繪制（1）按一定比例繪出結構物和土層的剖面圖；（2）判定邊界條件：透水面為等勢線，不透水面為流線；（3）先試繪若干條流線；（4）繪制等勢線。

4、流網(wǎng)的應用

（1）測管水頭根據(jù)流網(wǎng)特征可知，任意兩相鄰等勢間的水頭損失，從而算出相鄰兩條等勢線之間的水頭損失。——上、下游水位差，也就是水從上游到下游的總水頭損失；——等勢線間隔數(shù)；——等勢線數(shù)；（2）孔隙水壓力滲流場中各點的孔隙水壓力，等于該點以上測壓管中的水柱高度乘以水的重度。（３）水力坡降流網(wǎng)中任意網(wǎng)格的平均水力坡降為——為該網(wǎng)格處流線的平均長度；由以上公式可知，流網(wǎng)中網(wǎng)格越密處，其水力坡降越大。（４）滲流流速各點的水力坡降已知后，滲流流速可以由達西定律求出。（５）滲流量流網(wǎng)中任意兩相鄰流線間的單寬流量是相等的?？倖螌捔髁靠倽B流量【例題2.2】圖2.32為一板樁打入透水土層后形成的流網(wǎng)。已知透水土層深18m，滲透系數(shù)，板樁打入土層表面以下9m，板樁前后水深如圖所示。試求（1）圖中所示各點的孔隙水壓力；（2）地基的單寬滲流量。解:根據(jù)流網(wǎng)可知，每一等勢線間隔的水頭降落1m

列表計算各點的孔隙水壓力測管水頭=位置水頭+壓力水頭位置位置水頭z（m）測管水頭h（m）壓力水頭hu（m）孔隙水壓力u（kN/m3）a272700b1827988.2c92314137.2d181919.8e191900（2）地基的單寬滲流量

滲流所引起的穩(wěn)定問題：（1）土體的局部穩(wěn)定問題，又稱為滲透變形問題；（2）整體穩(wěn)定問題。一、滲流力的概念水在土體中流動時，將會引起水頭的損失。這種水頭損失是由于水在土體孔隙中流動時，力圖拖曳土粒而消耗能量的結果。滲流力：滲透水流施于單位土體內土粒上的拖曳力，也稱滲透力、動水壓力。5、滲流所引起的穩(wěn)定問題驗證滲流力存在的流土試驗：當容器B提升到一定高度，容器A與容器B內水位差達到一定值時，可以看到砂面出現(xiàn)沸騰那樣的景象，這種現(xiàn)象稱為流土或浮沖、砂沸。滲流力的大小與水力梯度成正比，其作用方向與滲流（或流向）方向一致，是一種體積力。二、滲透變形（一）滲透變形的形式滲透變形可分為：流土和管涌兩種基本形式。流土：在滲流作用下局部土體表面隆起，或土粒群同時起動而流失的現(xiàn)象。它主要發(fā)生在地基或土壩下游滲流溢出處。管涌：在滲流作用下土體中的細土粒在粗土粒形成的孔隙通道中發(fā)生移動并被帶出的現(xiàn)象。它主要發(fā)生在砂礫土中。流砂和管涌的區(qū)別：流砂：一般發(fā)生在土體表面滲流逸出處，不發(fā)生于土體內部。管涌：即可以發(fā)生在滲流的逸出處，也可能發(fā)生于土體的內部，一般對于不均勻系數(shù)大于10的土才會發(fā)生。（二）土的臨界水力梯度土體抵抗?jié)B透破壞的能力，稱為抗?jié)B強度。通常以瀕臨滲透破壞時的水力梯度表示，一般稱為臨界水力梯度或抗?jié)B梯度。土的有效重度一般在8-12kN/m3，而水的重度一般取10kN/m3，因此可近似取1。流土一般發(fā)生在滲流逸出處，根據(jù)逸出梯度ie：

ie<icr

穩(wěn)定

ie=icr

臨界

ie>icr

流土設計時要保證：ie<＝[i]=icr

/Fs安全

工程中廣泛應用到填土，如路基、堤壩、飛機跑道、平整場地等，這些填土都要經過壓實，以減少其沉降量，降低其透水性，提高強度。土的壓實性：指在一定的含水量下，以人工或機械的方法，使土能夠壓實到某種密實度的性質。工程中采用的壓實方法：碾壓、夯實、振動2.７ 土的動力特性填土的密實程度常以干密度表示擊實試