緒論1土力學是研究土的物理性質以及在荷載作用下土體內部的應力變形和強度規律的一門學科。土力學研究對象是土需要研究和解決的工程中的三大類問題：土體穩定或強度問題；土體變形問題；滲流：滲透變形與滲透穩定。緒論2土力學課程的學習方法：注重基本概念的理解，要咬文嚼字，理解加記憶；注意基本理論學習；掌握基本的計算方法。緒論3土力學的歷史：人類在同生存作斗爭的歷史中，積累了大量的土力學知識；土力學作為一門系統的學科是以太沙基的1925年出版的《土力學》為標志；很多基本理論、試樣方法在20世紀70年代前就已經形成；現代土力學在本構模型理論、計算方法、非飽和土力學有較大發展；量測技術的提高；土動力學理論、分析方法、測試手段有很大發展和提高。第二章土的物理性質指標與工程分類42.1概述化學風化：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。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，只不過哪種占優而已。第二章土的物理性質指標與工程分類5土從其堆積或沉積的條件來看可分為：殘積土：巖石風化后仍留在原地的堆積物。特點：濕熱地帶，粘土，深厚，松軟，易變；寒冷地帶，巖塊或砂，物理風化，穩定。運積土：巖石風化后經流水、風和冰川以及人類活動等搬運離開生成地點后再沉積下來的堆積物。又分為沖積土、風積土、冰磧土和沼澤土等。沖積土：由水流沖積而成；顆粒分選、渾圓光滑風積土：由風力帶動土粒經過一段搬運距離后沉積下來的堆積物；沒有層理、細砂或粉粒；黃土冰磧土：由冰川剝落、搬運形成的堆積物；沼澤土：在沼澤地的沉積物；含有機質、壓縮性高、強度低62.2土的組成第二章土的物理性質指標與工程分類7土是固體顆粒、水和空氣的混合物，常稱土為三相系。固相：土的顆粒、粒間膠結物；液相：土體孔隙中的水；氣相：孔隙中的空氣。2.2土的組成第二章土的物理性質指標與工程分類8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）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。92.4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；另一類是根據直接指標換算的，如孔隙比、孔隙率、飽和度等，稱為間接指標。102.4土的物理性質指標一、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Mg/m3(或g/cm3)。表達式如下：（2.4）

對于粘性土，土的密度常用環刀法測定。11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：（2.5）式中：W——土的重量，單位為kN；g——重力加速度。12（二）土粒比重Gs土粒比重定義為土粒的質量（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：（2.6）或（2.7）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（γw）4℃——4℃時純水的重度。13土粒比重常用比重瓶法測定，事先將比重瓶注滿純水，稱瓶加水的質量。然后把烘干土若干克裝入該空比重瓶內，再加純水至滿，稱瓶加土加水的質量，按下式計算土粒比重：（2.8）式中：m1——瓶加水的質量；

m2——瓶加土加水的質量；

ms——烘干土的質量。14（三）土的含水率w土的含水率，曾稱為含水量，定義為土中水的質量與土粒的質量之比，以百分數表示，其表達式為：（2.9）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，按上式可算得。15二、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，以小數表示，其表達式為：（2.10）（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，以百分數表示，其表達式為：（2.11）

16（三）土的飽和度Sr定義：土中孔隙水的體積與孔隙體積之比，以百分數表示，其表達式為：（2.12）17土的干重度：單位體積內土粒的重量，表達式為：

（2.14）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：（2.13）18（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時單位體積土的質量。表達式為：（2.15）19在飽和狀態下，單位體積土的重量稱為飽和重度，其表達式為：（2.16）20（六）浮密度ρ’與浮重度（有效重度）γ’土在水下，受到水的浮力作用，其有效重量減小，因此提出了浮重度，即有效重度的概念，其表達式為：

（2.17）21與其相應，提出了浮密度的概念，土的浮密度是單位體積內的土粒質量與同體積水質量之差，其表達式為：（2.18）或（2.19）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值上有如下關系：22三、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：（2.20）或（2.21）三相示意圖（a）23（二）干密度與濕密度和含水率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。于是，按式（2.4）的定義可得：

或

（2.22）24（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：應用式（2.6）整理得：(2.23)25（四）飽和度與含水率、比重和孔隙比得關系設土體內土粒的體積為1，則按e=Vv/V得體積vv=e；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：（2.24）當土飽和時，即Sr為100％，則：（2.25）式中：wsat——飽和含水率。26（五）浮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。于是，按式（2.18）可得：（2.26）272.5土的物理狀態指標土的物理狀態粗粒土的松密程度粘性土的軟硬狀態土的物理性質指標(三相間的比例關系)力學特性影響表示emax與emin：最大與最小孔隙比

2.5.1無粘性土的物理狀態指標密實度如何衡量?單位體積中固體顆粒含量的多少優點：簡單方便缺點：不能反映級配的影響只能用于同一種土對策相對密度孔隙比e或孔隙率nemin

=0.35emin

=0.20emax:最大孔隙比；將松散的風干土樣通過長頸漏斗輕輕地倒入容器，避免重力沖擊，求得土的最小干密度再經換算得到最大孔隙比emin:最小孔隙比；將松散的風干土樣裝入金屬容器內，按規定方法振動和錘擊，直至密度不再提高，求得土的最大干密度再經換算得到最小孔隙比emax與emin：最大與最小孔隙比注意：室內測得理論上的最大與最小孔隙比有時很困難粗粒土的密實狀態指標

判別標準：

Dr

=1

,最密狀態

Dr

=0

,最松狀態

Dr≤1/3,

疏松狀態1/3<

Dr≤

2/3,中密狀態

Dr>2/3

,密實狀態相對密度【例3】某砂土試樣,試驗測定土粒相對密度Gs=2.7,含水量w=9.43%,天然密度ρ=1.66/cm3。已知單位體積砂樣最密實狀態時稱得干砂質量ms1=1.62kg,最疏松狀態時稱得干砂質量ms2=1.45kg。求此砂土的相對密度Dr,并判斷砂土所處的密實狀態【解答】砂土在天然狀態下的孔隙比砂土最小孔隙比砂土最大孔隙比相對密實度∈（1/3,2/3]中密狀態2.5.2粘性土的物理狀態指標也稱稠度狀態稠度狀態與含水量有關粘性土含水量較硬變軟流動塑限wp稠度界限粘性土的稠度反映土中水的形態固態或半固態塑態

流態

強結合水膜最大出現自由水強結合水弱結合水自由水稠度狀態含水量土中水的形態w（%）半固態與固態之間的分界含水率。到固態后體積不再收縮而得名。液限1．液限、塑限和縮限——吸附結合水的能力；粘性大小；大致反映粘土顆粒含量

1）塑性指數常作為細粒土工程分類的依據缺點不能充分反映粘土顆粒含量

不同的粘土礦物結合水的能力不同活性指數p0.002:粒徑小于0.002mm顆粒的質量占總土總質量的百分比A<0.75A=075–1.25A>1.25非活性粘土正常粘土活性粘土2．塑性指數、液性指數相對稠度對于不同的粘土，含水量相同，稠度可能不同液性指數不同的粘土，wp、wL

大小不同定義：wpwwlIL<0IL=0–1IL>1堅硬狀態可塑狀態流態0.00–0.250.25-0.750.75–1.00硬塑可塑軟塑2）液性指數相同含水量、密度1)

粘性土的靈敏度—

St

=原狀土結構性相同含水量密度粉碎重塑重塑土強度降低St11-22-44-88-16>16粘性土不靈敏低靈敏中等靈敏靈敏很靈敏流動原狀土的無側限抗壓強度重塑土的無側限抗壓強度3.土的靈敏度和觸變性含水量不變，密度不變，因重塑而強度降低，又因靜置而逐漸強化，強度逐漸恢復的現象，稱為觸變性。土的觸變性是土結構中聯結形態發生變化引起的，是土結構隨時間變化的宏觀表現。目前尚沒有合理的描述土觸變性的方法和指標。2)

粘性土的觸變性

粗粒土的密實狀態指標:相對密度Dr

小結2.5物理狀態指標細粒土的稠度狀態指標:液性指數IL引入定義判別標準稠度界限稠度狀態含水量土中水的形態塑性指數液性指數引入定義判別標準

反映粘性土結構性的指標:1)靈敏度;2)觸變性.壓實：指通過夯打、振動、碾壓等，使土體變得密實、以提高土的強度、減小土的壓縮性和滲透性壓實性：指土在一定壓實能量作用下密度增長的特性研究擊實性的目的：

以最小的能量消耗獲得最大的壓實密度

擊實方法：室內擊實試驗現場試驗:夯打、振動、碾壓2.6土的壓實性一.室內擊實試驗二.細粒土的壓實性三.粗粒土的壓實性2.6土的壓實性擊實筒護筒擊錘導筒一.室內擊實試驗

試驗設備

擊實筒V=1000cm3；擊實錘w=25牛頓

試驗條件

土樣分層n=3層；落高d=30cm；擊數N=27/層

擊實能量

試驗方法

對w=cosnst的土；分三層壓實；測定擊實后的w、ρ，算定ρd

注意：僅適用于細粒土；對粗粒土，可用較大尺寸的擊實儀2.6土的壓實性二.細粒土的壓實性1.擊實曲線2.理論分析3.影響因素4.壓實標準2.6土的壓實性1.擊實曲線特點：①具有峰值②位于飽和曲線之下

粘性土滲透系數很小，壓實過程中含水量幾乎不變，要想擊實到飽和狀態是不可能的。0481216202428含水量w(%)2.01.81.61.4干密度d(g/cm3)飽和曲線dmax=1.86wop=12.1二.細粒土的壓實性最大干密度最優含水量2.6土的壓實性2.理論分析壓實機理：顆粒被擊碎，土粒定向排列;粒團破碎，粒間聯結力被破壞而發生孔隙體積減小;空氣被擠出或被壓縮等水膜潤滑作用效果最佳;尚沒有形成封閉氣泡，氣體易于排出;顆粒表面水膜很薄，相對移動困難

水膜潤滑作用不明顯;封閉氣泡難以排出;增加水的相對含量

wwop,ρdρdmaxw<wop,ρd<

ρdmaxw>wop,ρd<

ρdmax

0481216202428含水量w(%)2.01.81.61.4干密度d(g/cm3)飽和曲線dmax=1.86wop=12.1二.細粒土的壓實性2.6土的壓實性3.影響因素a.擊實功能b.土的級配

c.擊實方式夯實、輾壓、振動；輾壓對粘土比較合適

E二.細粒土的壓實性2.6土的壓實性4.壓實標準粘性土存在最優含水量wop，在填土施工中應該將土料的含水量控制在wop左右，以期得到ρdmax。在wop的干側：常具有凝聚結構。土質比較均勻，強度較高，較脆硬，不易壓密；但浸水時易產生附加沉降。在wop的濕側：常具有分散結構。土體可塑性大，適應變形的能力強；但強度較低，具有各向異性。在設計土料時應根據填土的要求和當地土料的天然含水量，選定合適的含水量，一般要求為：

b.工程上常采用壓實度Dc控制（作為填方密度控制標準）Ⅰ、Ⅱ級土石壩

Dc>95~98%

Ⅲ~Ⅴ級土石壩

Dc>92~95%

二.細粒土的壓實性①不存在最優含水量；②在完全風干和飽和兩種狀態下易于擊實；③潮濕狀態下ρd明顯降低。

三.粗粒土的壓實性

1.擊實曲線特點20%粗砂

w

=4~5%中砂

w=7%；時，干密度較大

2.理論分析對粗粒土，擊實過程中可以自由排水，不存在細粒土中出現的現象。在潮濕狀態下，存在著假凝聚力，加大了阻力。3.壓實標準常用相對密度控制Dr>0.7~0.75施工過程中要么風干，要么就充分灑水，使土料飽和2.6土的壓實性小結一.室內擊實試驗二.細粒土的壓實性三.粗粒土的壓實性1.擊實曲線2.理論分析3.影響因素4.壓實標準1.擊實曲線2.理論分析3.壓實標準2.6土的壓實性目的：依據：2.7巖土的工程分類便于研究及應用能反映土的物理力學性質－土的組成土的狀態土的結構2.7.1按現行規范進行巖土的分類目前，《建筑地基基礎設計規范》GB50007-2002、《巖土工程勘察規范》GB50021-2001和《公路橋涵地基與基礎設計規范》JTJD063-2007對巖土的分類標準是相同的。該分類體系的主要特點是，在考慮劃分標準時，注重土的天然結構特性和強度，并始終與土的主要工程特性——變形和強度特征緊密聯系。因此，該分類標準既考慮了按沉積年代和地質成因的劃分，同時又將某些特殊形成條件和特殊工程性質的區域性特殊土與普通土區別開來。地基土按沉積年代可劃分為：①老沉積土：第四紀晚更新世Q3及其以前沉積的土，一般呈超固結狀態，具有較高的結構強度；②新近沉積土：第四紀全新世近期沉積的土，一般呈欠固結狀態，結構強度較低。根據地質成因土可分為殘積土、坡積土、洪積土、沖積土、湖積土、海積淤積土、風積土和冰積土。作為建筑地基的巖土可分為巖石、碎石土、砂土、粉土、粘性土、人工填土和特殊土。1.巖石巖石為顆粒間牢固粘結，呈整體或具有節理裂隙的巖體稱為巖石，巖石的堅硬程度可根據巖塊的飽和單軸抗壓強度fr分類：

2.碎石土

粒徑大于2mm的顆粒含量超過全重50％的土稱為碎石土。根據顆粒級配和顆粒性質分為漂石、塊石、卵石、碎石、圓礫和角礫。3.砂土

粒徑大于2mm的顆粒含量不超過全重50％，且粒徑大于0.075mm的顆粒含量超過全重50％的土稱為砂土。根據顆粒級配分為礫砂、粗砂、中砂、細砂和粉砂。

4.粉土粉土也稱為粉性土，粉土是介于砂土和粘性土之間，塑性指數Ip≤10，粒徑大于0.075mm的顆粒含量不超過全重50％的土。根據粉粒、粘粒、砂粒之間含量的分配情況，細分為粘質粉土、砂質粉土和粉土。5.粘性土

粘性土是指塑性指數Ip＞10的土。根據塑性指數又可分為粉質粘土和粘土。Ip＞17粘土；10＞Ip≤17粉質粘土。在靜水或緩慢的流水環境中沉積，并經生物化學作用形成，其天然含水量大于液限、天然孔隙比e≥1.5的粘性土稱為淤泥。當天然含水量大于液限而1.5>e≥1.0的粘性土或粉土為淤泥質土。6.人工填土

由于人類活動而形成的堆積物稱為人工填土。物質成分較雜亂，均勻性較差，根據其物質組成和成因，可分為素填土、壓實填土、雜填土和沖填土。