土力學SoilMechanics第1章

緒論1.1土力學及其研究對象1.2土力學的任務1.3土力學的學科地位1.4土力學的發展簡史1.5課程的學習方法土力學是干什么的？

土力學是以傳統的工程力學和地質學的知識為基礎，研究與土木工程有關的土中應力、變形、強度和穩定性的應用力學分支。同時，土力學還要用專門的土工試驗技術來研究土的物理化學特性，以及土的強度、變形和滲透等特殊力學特性。

因此，土力學除了工程力學的一般內容外，還有土質學、土工試驗以及滲流力學的相關內容。1.1土力學及其研究對象什么是土？

土是礦物或巖石碎屑物構成的松軟堆積物。在自然條件下，這些堆積物可形成具有一定物質組成、結構形式和賦存環境的地質體。1.1土力學及其研究對象

在工程建設中，土被廣泛用作各種建筑物的地基或材料，或構成建筑物周圍的環境或保護層。

1.1土力學及其研究對象土的特點：

三相體：由固體顆粒、液體水和氣體組成。碎散性：固體顆粒之間沒有聯接強度或聯接強度遠小于顆粒本身的強度是土有別于其它連續介質的一大特點。透水性：粗、細粒土差別很大。多孔性：變形大、土粒之間的相對移動性。自然變異性或不均勻性：土有很強的區域性。易變性：易受溫度、濕度、地下水、荷載等影響。1.1土力學及其研究對象1）土體穩定問題：包括地基承載力、邊坡以及擋土墻的穩定等，也就是研究土體中的應力和強度，避免土體因強度不足而導致建筑物的破壞或邊坡喪失穩定性。

1.2土力學的任務地基承載力不足案例：加拿大特朗斯康谷倉由65個圓筒倉組成，59.44m×23.47m，高31.00m。鋼筋混凝土筏板基礎，埋深3.66m。谷倉地基土事先未進行勘察，僅根據鄰近結構物基槽開挖試驗結果，計算得到地基承載力為352kPa。谷倉于1913年完工后，10月13日初次裝入谷物（基底壓力329.4kPa）時，發現1小時內豎向沉降達30.5cm，24小時內谷倉向西傾斜達26°53′，西端下沉7.32m，東端上抬1.52m。事后查明，該谷倉地基實際承載力為194~277kPa，遠小于谷倉破壞時的基底壓力。1.2土力學的任務加拿大特朗斯康谷倉傾斜示意圖邊坡失穩案例：太澳高速路塹邊坡（2010）1.2土力學的任務邊坡失穩案例：羅長高速路堤邊坡（2004）1.2土力學的任務2）土體變形問題：地基的變形特征（沉降量、沉降差、傾斜和局部傾斜）不超過建筑物的允許值。

1.2土力學的任務工程案例一：意大利比薩斜塔

該塔于1173年動工，1370年竣工。全塔8層，高度為55m，總荷重145MN，基底壓力約50kPa。地基持力層為粉砂，下為粉土和黏性土。該塔向南傾斜，南北兩端沉降差1.80m，塔頂離中心線達5.27m，傾斜5.5°，成為危險建筑，1990年被封閉。1.2土力學的任務工程案例二：蘇州虎丘塔

建于959～961年期間，為七級八角形磚塔，塔底直徑13.66m，高47.5m，重63000kN。1956～1957年修繕后，塔體重量增加約2000kN，同時加速了塔體的不均勻沉降，塔頂偏離中心線的距離由1957年的1.7m發展到1978年的2.31m，并導致地層砌體產生局部破壞。后于1983年對該塔進行了基礎托換。1.2土力學的任務工程案例三：樓歪歪與樓靠靠

3）滲透變形問題：流土、管涌、基坑突涌等。

1.2土力學的任務2019年8月24日，南京地下空間基坑突涌2016年7月4日，武漢市青山區倒口湖管涌處理1.2土力學的任務美國Idaho州Teton壩1976年6月失事。直接損失8000萬美元。1.2土力學的任務1.2土力學的任務美國Idaho州Teton壩1976年6月失事（續）是土木類專業的一門重要的專業基礎課程；與其他課程相互滲透、相互依存。預備知識：高等數學、工程地質學、流體力學、材料力學和彈性力學的基本概念和部分計算理論后續課程：基礎工程、深基坑工程、地基處理1.3土力學的學科地位萬丈高樓平地起！古老+年輕感性認識階段：古代勞動人民留下了令今人嘆為觀止的工程遺產。恢宏的宮殿寺院、靈巧的水榭樓臺、巍峨高塔、蜿蜒萬里的長城、大運河等等，無不體現出能工巧匠的高超技藝和創新智慧。但這僅僅局限于工程實踐經驗，受到當時生產力水平的限制，未能形成系統的土力學和工程建設理論。

1.4土力學的發展簡史萌芽期(1773~1923)：十七世紀末期，歐洲各國大規模的城堡建設推動了筑城學的發展并提出了墻后土壓力問題，庫侖（1773）提出了著名的抗剪強度公式和土壓力理論。1869年英國人朗肯又從不同途徑提出了擋土墻的土壓力理論。1.4土力學的發展簡史CACoulomb(1736—1806)WJMRankine(1820—1872)十九世紀中葉開始，大規模的橋梁、鐵路和公路建設推動了樁基和深基礎的理論與施工方法的發展。1885年布辛奈斯克求得了彈性半空間體在豎向集中力作用下的應力和位移解。同時深井抽水很盛行，促進了地下水的研究。1852年達西創立了砂性土的滲流理論“達西定律”。1.4土力學的發展簡史JVBoussinesq(1842—1929)HPGDarcy(1803—1858)路塹和路堤、運河渠道邊坡、水壩等的建設提出了土坡穩定性的分析問題。1916年，瑞典彼得森(K.E.Petterson)首先提出了邊坡穩定計算的圓弧滑動法，1922年，瑞典費倫紐斯(W.Fellenius)對此做了進一步的發展，至今在邊坡工程中廣泛采用。1920年法國普朗德爾(L.Prandtl)發表了地基滑動面計算的數學公式，為后來多種地基承載力理論公式的提出奠定了基礎。1.4土力學的發展簡史古典土力學（1923~1963）：1923年，太沙基提出了飽和土體一維固結理論，1925年在歸納以往成果的基礎上闡述了有效應力原理，發表了第一本《土力學》（Erdbaumechanik）專著，從而建立起一門獨立的學科——土力學。1.4土力學的發展簡史KTerzaghi(1883—1963)這一時期，費倫紐斯、泰勒（D.W.Taylor）和畢肖普(A.W.Bishop)等完善和發展了圓弧滑動分析方法，特別是1955年畢肖普對邊坡安全系數提出的新定義，為其后非圓弧條分法的提出鋪平了道路。1941年比奧(M.A.Biot)提出了Biot三維固結理論，首次將滲流和變形耦合到一起。1948年，巴隆（R.A.Barron）提出的砂井固結理論成為預壓法處理軟弱地基的理論基礎。1954年斯肯普敦(A.W.Skempton)提出的著名的孔隙水壓力公式和1963年簡布(N.Janbu)提出的模量公式，已分別初步考慮到了土體的剪脹性和壓硬性，這說明現代土力學已在20世紀50年代已開始醞釀。1.4土力學的發展簡史現代土力學（1963~）：1963年，羅斯科(K.H.Roscoe)等人創建并發表了著名的劍橋彈塑性模型，標志著人們對土性質的認識和研究進入了一個嶄新的階段。其后，非線性和彈塑性本構模型得以深入研究，新的本構模型不斷涌現，非飽和土力學已日漸雛形。隨著土工數值計算的飛速發展，土力學進入了計算機模擬階段。同時土工測試技術，特別是原位測試技術和離心模型試驗技術也取得很大進展。1.4土力學的發展簡史沈珠江院士將現代土力學理論歸結為一個模型、三個理論和四個分支。一個模型即本構模型，特別是指結構性模型；三個理論即非飽和土固結理論、液化破壞理論和漸進破壞理論；四個分支即理論土力學、計算土力學、試驗土力學和應用土力學（土工學）。1.4土力學的發展簡史沈珠江(1933.1.25-2006.10.2)中國學者的貢獻：我國對土力學的研究始于1945年在中央水利試驗處創立第一個土工試驗室，但是，大規模的研究則是在新中國成立以后大規模的工程建設中。1.4土力學的發展簡史南京長江大橋三峽大壩中國學者的貢獻：在土的特性方面：劉祖典等對黃土濕陷特性的研究、魏汝龍對軟黏土強度變形特性的研究、汪聞韶對砂土動力特性的研究等。1.4土力學的發展簡史劉祖典（1914—)汪聞韶（1919—）中國學者的貢獻：在理論和計算方面：黃文熙對地基應力和沉降計算方面的改進、陳宗基的流變模型、錢家歡應用李氏比擬法求解黏彈性多孔介質的固結問題、謝定義關于砂土液化理論的研究、沈珠江關于有效應力動力分析方法的研究1.4土力學的發展簡史黃文熙(1909—2001)陳宗基（1922—1991）1.4土力學的發展簡史錢家歡（1923—1995）謝定義（1931-）特點：涉及領域廣、內容多、綜合性、理論性和實踐性都很強。學習方法：強化基本概念、基本理論的學習，重視有關理論和公式的適用性。緊抓四大主題，建立內在聯系。重視土工試驗，加強動手操作能力。加強案例學習，提高運用理論知識解決實際問題的能力。

1.5土力學的學習方法土力學SoilMechanics第2章土的物理性質及工程分類2.1土的生成2.2土的組成2.3土的結構和構造2.4土的物理性質指標2.5土的物理狀態指標2.6土的壓實性2.7土的工程分類工程地質已講授，本節僅是復習

土是指地殼表面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，在各種自然環境中堆積而形成的松散顆粒集合體。在漫長的地質年代中，土（沉積作用）→巖石（風化作用）→土，永無休止的循環。土的類型：殘積土和運積土

2.1土的生成表層風化形成殘積土2.1.1風化作用風化是巖石在自然界各種因素和外力的作用下遭到破碎與分解，產生顆粒大小變小及化學成分改變等現象。通常把風化作用分為物理風化、化學風化和生物風化三種類型。2.1土的生成物理風化化學風化生物風化2.1土的生成風化類型風化營力顆粒特征物理風化地質構造運動、溫差變化、凍脹以及在運動過程中的碰撞、摩擦等只能引起巖塊的機械破碎，顆粒粗大，其成分基本上與母巖相同化學風化水化作用、氧化作用、碳酸鹽化作用及溶解作用等形成新的礦物，顆粒細小生物風化各種動植物及人類活動所引起物理風化、化學風化具有三種風化作用是相互關聯的，可以同時或相互交替作用。在不同的地區，往往以一種作用為主。風化作用往往在巖體表面比較強烈，達到一定深度后，風化作用基本消失。2.1.2土的成因類型按形成條件分為殘積土和運積土。1）殘積土：母巖表面經風化作用破碎成為巖屑或細小顆粒后，未經搬運，殘留在原地的堆積物。它與母巖之間沒有明顯的界限，其礦物成分和母巖相同。顆粒未經分選和磨圓，沒有層理構造，均質性較差。一般分布在寬廣的分水嶺上和平緩的山坡或低洼地帶。2.1土的生成北京公路兩邊的殘積土2）運積土：巖石風化后所形成的土顆粒，受自然力的作用，被搬運到遠近不同的地點所沉積下來的堆積物。特點：顆粒經過滾動和摩擦作用而變圓滑，具有一定的渾圓度；在搬運和沉積過程中因受水流等自然力的分選作用可形成顆粒粗細不同的土層。根據搬運力的不同分：坡積土、洪積土、沖積土、湖泊沼澤沉積土、海相沉積土、風積土、冰川堆積物等。2.1土的生成2.1土的生成北京公路兩邊的坡積土北京公路兩邊的沖積土洪積土風積土三相體系固相（固體顆粒）液相（土中水）氣相（土中氣體）注意：飽和土和干土為兩相體系固相是骨架三相相對含量的變化影響土的軟硬、干濕、疏密

2.2土的組成2.2.1土的固體顆粒（固相）土的固體顆粒構成土的骨架，其大小和形狀、礦物成分以及大小搭配情況對土的物理力學性質有明顯影響。1.土的礦物成分礦物成分取決于母巖的礦物成分和風化作用，按其成因可分為原生礦物、次生礦物和有機質等。2.2土的組成2.2土的組成1）原生礦物。原生礦物常見的有石英、長石、云母、角閃石等。其礦物成分與母巖相同，顆粒較大，物理化學性質較穩定，具有較強的抗水性和抗風化能力，親水性較弱。它們對土的工程性質的影響主要表現在顆粒的形狀、堅硬程度和抗風化穩定性方面。由它們構成的粗粒土，若級配良好，則工程性質較穩定。石英鈉長石黑云母2.2土的組成2）次生礦物。次生礦物主要有黏土礦物、氧化物和水溶性鹽類等。它們顆粒細小，一般呈片狀或針狀，是黏性土固相的主要成分。其粒徑非常小(<0.005mm)，具有很大的比表面積和較強的親水性。黏土礦物主要有蒙脫石、伊利石和高嶺石三類。蒙脫石親水性最強，容易吸水膨脹脫水收縮，高嶺石親水性較弱，性質相對穩定，伊利石介于蒙脫石和高嶺石之間。3）有機質。有機質是由土層中的動植物分解而形成的。一種是分解不完全的植物殘骸，形成泥炭，疏松多孔；另一種則是完全分解的腐殖質。有機質易于分解變質，親水性強，使土具有較強的可塑性、膨脹性和黏性，對土的工程性質有很大的不利影響。2.黏土礦物的結構特征黏土礦物是由硅片和鋁片構成的晶胞交互成層組疊而成的一種復合鋁–硅酸鹽晶體，呈片狀。硅片的基本單元是硅–氧四面體，由6個硅–氧四面體組成一個硅片。2.2土的組成鋁片的基本單元是鋁–氫氧八面體，由4個鋁–氫氧八面體組成一個鋁片。三種常見黏土礦物的晶格結構2.2土的組成高嶺石

蒙特石

伊利石3.粘土礦物表面的帶電性質伊斯試驗：陽極水位下降、變渾，陰極水位升高，稱之為電泳、電滲。2.2土的組成土顆粒泳向陽極說明土顆粒表面帶負電荷。在片狀土顆粒的側面斷口處常帶正電荷，整體通常表現為負電荷。雙電層

土粒表面形成一個電場。在最靠近土粒表面處，靜電引力最強，形成固定層。在固定層外圍，靜電引力比較小，形成擴散層。固定層和擴散層所含離子與土粒表面電荷的電位相反，合稱反離子層，與土粒表面負電荷一起構成雙電層。2.2土的組成4．土粒粒度分析方法2.2土的組成粒度：土顆粒的大小。粒徑：土顆粒的形狀、大小各異，但都可以將土顆粒的體積化為一個當量的小球體，據此可算出當量小球體的直徑，稱為當量直徑，簡稱粒徑。粒組：工程上通常把工程性質相近的一定尺寸范圍的土粒劃分為一組。粒組的分界尺寸稱為界限粒徑。《土的工程分類標準》(GB/T50145—2007)按界限粒徑200、60、2、0.075和0.005mm，將土粒粒組先粗分為巨粒、粗粒和細粒三個統稱，再細分為六個粒組：漂石（塊石）、卵石（碎石）、礫粒、砂粒、粉粒和粘粒。

1）顆粒大小與粒組劃分表2-1土粒粒組劃分粒組統稱粒組名稱粒徑范圍(mm)一般特征巨粒漂石（塊石）>200透水性很大，無粘性，無毛細水卵石（碎石）200~60粗粒

粗礫礫粒

中礫

細礫60~2020~55~2透水性大，無粘性，毛細水上升高度不超過粒徑大小

粗砂砂粒中砂

細砂2~0.50.5~0.250.25~0.075易透水，當混入云母等雜質時透水性減小，而壓縮性增加；無粘性，遇水不膨脹，干燥時松散；毛細水上升高度不大，隨粒徑變小而增大細粒粉粒0.075~0.005透水性小，濕時稍有粘性，遇水膨脹小，干時稍有收縮；毛細水上升高度較大較快，極易出現凍脹現象黏粒<0.005透水性很小，濕時有粘性、可塑性，遇水膨脹大，干時收縮顯著；毛細水上升高度大，但速度較慢

2.2土的組成土的顆粒級配：土中各粒組的含量占土樣總質量的百分數。土的顆粒分析試驗：確定土中各粒組相對含量的方法，工程實踐中常用的有篩分法和密度計法兩種。前者適用于分析粒徑大于0.075mm的粗粒土；后者則適用于粒徑小于0.075mm的細粒土。2）顆粒級配和顆粒分析試驗

2.2土的組成顆粒分析試驗——篩分法適用于0.075mm≤d≤60mm的粗粒土。用一套孔徑不同的篩子，按從上至下篩孔逐漸減小放置。將事先稱過質量的烘干土樣過篩，稱出留在各篩上的土質量，然后計算其占總土粒質量的百分數。2.2土的組成顆粒分析試驗——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。適用于d＜0.075mm的細粒土。2.2土的組成3）顆粒級配曲線2.2土的組成以土粒粒徑為橫坐標，小于某粒徑土質量占試樣總質量的百分數為縱坐標繪制而成的曲線。橫坐標用對數坐標表示，以突出顯示細小顆粒粒徑。

顆粒級配曲線的閱讀（一）：2.2土的組成曲線上一點的縱坐標y為小于橫坐標所示粒徑dy的土質量占試樣總質量的百分數；幾個常用的粒徑：有效粒徑d10、中值粒徑d30、限定粒徑d60。

d10d30d60顆粒級配曲線的閱讀（二）2.2土的組成粒組的百分含量為該粒組兩端的界限粒徑索對應縱坐標的差。

4)顆粒級配的應用2.2土的組成級配均勻級配良好級配間斷從曲線形態上常常可以定性的評定土的顆粒級配特征，從而評價土的工程性質。工程上引入兩個指標級配曲線的形狀：不均勻系數Cu描述顆粒級配的不均勻程度。該值較大時，土顆粒較不均勻，即級配良好；曲率系數Cc描述顆粒級配曲線整體形態，表明某粒組是否缺失的情況。當Cc＞3時，曲線曲率變化較快，土較均勻；當Cc＜1時，曲線曲率變化過于平緩。工程標準：Cu＜5，級配不良；

Cu＞10；級配良好；對于礫類土或砂類土，同時滿足Cu≥5和Cc=1～3時，定名為良好級配砂或良好級配礫。2.2土的組成2.2.2土的水土中水的存在形態：固態的冰（凍土）、水蒸氣（氣相）、結晶水（礦物的組成部分)、液態水。2.2土的組成按是否受到土顆粒電場力的作用，土中的液態水分為結合水和自由水。1.結合水是指受分子引力作用吸附在土粒表面的土中水。強結合水：緊靠于顆粒表面，所受電場力很大，幾乎完全固定排列，喪失液體的特性而接近于固體,密度1.2～2.4g/cm3，冰點-78°C，105°C以上時才可被蒸發，且不能傳遞壓力，具有極大的粘滯度、彈性和抗剪強度。也稱為吸附水或吸著水。

弱結合水：緊靠強結合水的外圍形成的結合水膜，所受電場力隨與顆粒距離增大而減弱，呈粘滯狀態，不能傳遞壓力，不能自由流動，但可以因電場引力的作用從水膜厚的地方向水膜薄的地方轉移。弱結合水的存在，使土具有塑性、粘性，影響土的壓縮性和強度，并使土的透水性變弱。

2.2土的組成2.

自由水離開土顆粒表面較遠，不受土顆粒電分子引力作用，且可自由移動的水,性質和普通水無異，能傳遞水壓力，冰點為0℃，有溶解能力。可分為兩種：毛細水：存在于地下水位以上的、透水土層中受到水與空氣交界面處表面張力和重力共同作用的自由水。這種毛細水上升對于公路路基土的干濕狀態及建筑物的防潮有重要影響。重力水：存在于地下水位以下透水土層中的水。在重力或壓力差作用下能滲流，對于土顆粒和結構物都有浮力作用。在土力學計算中應當考慮這種滲流及浮力的作用力。2.2土的組成毛細水帶按其形成條件和分布狀況亦可分為：正常毛細水帶(又稱毛細飽和帶，位于毛細帶的下部與地下水直接連通)；毛細網狀水帶(位于毛細水帶中部)；毛細懸掛水帶(位于毛細帶的上部，由地表面滲入)。2.2土的組成2.2土的組成毛細壓力在水和空氣的分界面處，由于彎液面表面張力的存在，以及水與土粒表面的浸潤作用，孔隙水的壓力將小于孔隙內的大氣壓力。于是沿著毛細彎液面的切線方向，將產生迫使相鄰土粒擠緊的壓力，稱為毛細壓力。毛細壓力的存在，使得濕砂具有一定的黏聚性，并稱之為毛細黏聚力或似黏聚力現象。干砂和飽和砂，不存在這種現象。3.土的凍脹性負溫下，土中的自由水首先凍結成冰晶體，隨著溫度的下降，弱結合水的最外層也開始凍結，產生凍脹勢，使得下臥未凍結區的弱結合水被吸引過來，參與凍結，使冰晶體增大，在土層中形成冰夾層，土體隆起，即凍脹現象。土體解凍時，冰晶體融化，土體隨之下陷，即出現融陷現象。2.2土的組成凍脹丘凍脹丘凍脹引起的工程問題2.2土的組成路面破壞岸坡塌陷凍脹引起的工程問題2.2土的組成某橋凍拔成非對稱羅鍋形影響凍脹的因素土的因素：細粒土：粉砂、粉土、粉質黏土。水的因素：有外來水源補給，地下水位高。溫度的因素：氣溫緩降，負溫持續時間長。地基土凍脹性分類根據土的類別、凍前天然含水量、凍結期間地下水位距凍結面的最小距離、平均凍脹率等將土分為：不凍脹、弱凍脹、凍脹、強凍脹和特強凍脹五種類型。具體將規范條文。

2.2土的組成2.2.3土中的氣土中氣體按其所處的狀態可分為自由氣體、封閉氣體、吸附于顆粒表面的氣體和溶解于水中的氣體。自由氣體：與大氣相通，在外力作用下，氣體易排出，對土的性質影響不大。在粗顆粒沉積物中，常見。封閉氣體：多見于細粒土中，體積與壓力有關，壓力增加，體積縮小；反之亦然。在外力作用下，封閉氣體易溶解于水，外力卸除后，溶解的氣體又重新釋放出來，因此，封閉氣體的存在，使得土的彈性增加，影響土的變形性質，同時還可阻塞土中滲流通道，減弱土的透水性。2.2土的組成2.3.1土的結構指土粒或土粒集合體的大小、形狀、相互排列與聯結關系等綜合特征。1.

單粒結構：粗大顆粒在水或空氣中在自重作用下沉落而形成，其特點是土粒間存在點與點的接觸。根據形成條件不同，可分為疏松狀態和密實狀態。

密實狀態疏松狀態2.3土的結構與構造2.蜂窩結構：粉粒或細砂粒間點與點接觸，由于彼此之間引力大于重力，接觸后，不再繼續下沉，形成鏈環單位,很多鏈環聯結起來，形成孔隙較大的蜂窩狀結構。蜂窩結構絮狀結構3.絮狀結構：黏粒大都呈針狀或片狀，質量極輕，在水中處于懸浮狀態。當懸液介質發生變化時，土粒表面的弱結合水厚度減薄，粘粒互相接近，凝聚成絮狀物下沉，形成孔隙較大的絮狀結構。

2.3土的結構與構造2.3.2土的構造也稱土體的宏觀結構，是指土體中各組成部分之間的排列、分布及外貌特征。1）層狀構造：即層理構造，土粒在沉積過程中,由于不同階段沉積的物質成分、顆粒大小或顏色不同，而沿豎向呈現出成層特征。常見的有水平層理和交錯層理。2.3土的結構與構造水平層理交錯層理2）裂隙狀構造：土體中有很多不連續的小裂隙，如黃土中的柱狀裂隙。裂隙的存在大大降低了土體的強度和穩定性，增大透水性，對工程不利。2.3土的結構與構造3）分散構造：殘積、洪積、冰積等形成的土體，土層中各部分的土粒組成無明顯層次，粗細粒（碎石、礫石、砂、分散黏土等）混雜在一起，各部分的性質亦相近。2.3土的結構與構造氣水土粒msmwmVsVwVVa質量m體積VVv2.4.1土的三相圖ma注意：9個量，現有的等式5個，下余4個未知量；考慮的是比例關系，這樣僅剩3個，3個實驗即可。2.4土的物理性質指標1）土的密度ρ：單位體積土的質量。

密度單位：g/cm3,t/m3天然狀態下土的密度變化范圍很大，一般為1.6~2.2g/cm3。

2.4.2指標的定義1.三項基本物理性質指標

工程中常用重度

來表示單位體積土的重力，重度單位：kN/m3，重度與密度關系為

，這里g為重力加速度，近似取10m/s2。2.4土的物理性質指標氣水土粒msmwmVsVwVVa質量m體積VVvma密度室內測定方法：通常用環刀法。用一個圓環刀(質量恒定，刀刃向下)放置于削平的原狀土樣面上，徐徐的削去環刀外圍土，邊壓環刀邊削至土樣伸出環刀口為止，削去兩端余土，使與環刀口面平齊，稱出環刀和土的質量，減去環刀的質量，就是土的質量，再與環刀容積之比值即為土的密度。2.4土的物理性質指標2）土的含水率w：也稱為含水量，土中水的質量與土粒質量之比，以百分數表示

土的含水率是標志土含水程度的一個重要物理指標。天然土層含水量變化范圍較大，與土的種類、埋藏條件及其所處的自然地理環境等有關。一般來說，同一類土，含水量增大時，其強度就降低。土的含水量對黏性土、粉土的性質影響較大，對粉砂、細砂稍有影響，而對碎石土等基本上沒有影響。2.4土的物理性質指標氣水土粒msmwmVsVwVVa質量m體積VVvma含水率室內測定方法：通常用烘干法。將天然土樣的質量稱出，然后置于電烘箱內，在溫度100℃～105℃烘至恒重，稱得干土質量ms，濕土與干土質量之差即為土中水的質量mw，故可求得土的含水量。施工現場亦可近似用酒精燃燒法。

2.4土的物理性質指標3）土粒相對密度ds（土粒比重)：土粒質量與同體積的4℃時純水的質量之比。

土粒相對密度變化范圍不大：粘性土一般2.72～2.76；粉土一般2.70~2.71；砂土一般為2.65~2.69。土中有機質含量增加，土粒相對密度減小：有機質2.4~2.5；泥炭1.5~1.8.2.4土的物理性質指標氣水土粒msmwmVsVwVVa質量m體積VVvma土粒相對密度室內測定方法：通常用比重瓶法。就是利用比重瓶裝滿水與土粒時的質量與裝滿水時的質量的不同，來推求土粒的體積。2.4土的物理性質指標2.常用的換算指標

1）孔隙比e和孔隙率n孔隙比e：土中孔隙體積與土粒體積之比

孔隙率n

：土中孔隙體積與總體積之比，以百分數表示注：e和n是反映土體密實度的重要指標；一般e<0.6的土是密實的，e>1.0的土是疏松的。2.4土的物理性質指標氣水土粒msmwmVsVwVVa質量m體積VVvma2）土的飽和度Sr

：土中孔隙水的體積與孔隙總體積之比，以百分數表示飽和度描述土中孔隙被水充滿的程度。干土Sr=0，飽和土Sr=100%。細砂、粉砂等土可根據飽和度分為三種狀態:

Sr≤50%稍濕；50％＜Sr≤80%很濕；Sr＞80%飽和2.4土的物理性質指標氣水土粒msmwmVsVwVVa質量m體積VVvma3）不同狀態下土的密度和重度飽和密度ρsat

：土體中孔隙完全被水充滿時的土的密度。干密度

ρd:單位體積中固體顆粒部分的質量。

有效密度ρ

：土單位體積內土粒質量與同體積水的質量之差。

土的三相比例指標中的質量密度指標共有4個：土的密度ρ、飽和密度ρsat、干密度ρd和有效密度ρ

，相應的重度指標也有4個，土的重度

、飽和重度

sat、干重度

d和有效重度

。2.4土的物理性質指標氣水土粒msmwmVsVwVVa質量m體積VVvma3.三相指標的換算

基本思路是：假設3個基本指標已知，將三相簡圖中各相的質量和體積全部用它們表示，再依據其余六個指標的定義求解其表達式。常假定Vs=1或V=1。2.4土的物理性質指標氣水土粒msmwmVsVwVVa質量m體積VVvmaVs=1時各相的質量和體積。也常用含水率、比重和孔隙比表示各相的質量和體積。氣水土粒dsρw

Vs＝11+e質量m體積VVv=e

wdsρw

ds（1＋w）ρw

02.4土的物理性質指標這樣，利用定義可得4.例題

【例】用體積為50cm3的環刀取得原狀土樣，稱得土樣總質量為95g，烘干后75g，經比重試驗得到比重ds=2.68。求該土樣的含水率w、密度ρ、重度

、孔隙比e、飽和度Ssat.

【解】2.4土的物理性質指標已知V=50cm3，m=95g，ms=75g，則mw=95–75=20g利用比重定義，可得所以，孔隙體積Vv=V-Vs==50–28=22cm3這樣，空氣體積Vw=2cm3所以，孔隙水體積Vw=20cm3繪三相簡圖。2.4土的物理性質指標利用定義求指標。在含水率、比重求出后，其他指標也可按換算公式計算。2.5.1粗粒土的密實度

粗粒土即無黏性土，如砂、卵石、礫石等。密實度是表征無黏性土物理性質的主要指標，指粗粒土固體顆粒排列的緊密程度。天然狀態下無黏性土處于松散到密實的不同物理狀態，呈密實狀態時，強度較大，結構穩定，是良好的天然地基；反之，其結構常處于不穩定狀態，為不良地基；特別是飽和的粉細砂，結構性差，在振動荷載作用下可能發生液化，對工程很不利。2.5土的物理狀態指標1.砂土的密實度1）孔隙比e或孔隙率n一定程度上可反映砂土的密實度。對于同一種土，當孔隙比小于某一限度時，處于密實狀態。孔隙比愈大，土愈松散。但無法全面反映土的密實程度，還要考慮土顆粒形狀和級配。例如：最密實狀態的兩種砂。甲砂：單一粒徑，Cu=1，孔隙比e=0.35；乙砂：兩種粒徑，Cu>1，孔隙比e<0.35。2.5土的物理狀態指標甲砂：單一粒徑乙砂：兩種粒徑2）砂土相對密度Dr：將天然土的孔隙比e與該種土所能達到最密實時的孔隙比emin和最疏松時的孔隙比emax相對比。

2.5土的物理狀態指標Dr在0~1之間。根據砂土相對密度可以將砂土的密實狀態分為三類：疏松，0.00＜Dr≤0.33；中密，0.33＜Dr≤0.67；密實，0.67＜Dr≤l.00。Dr可用干密度換算：注意：最大和最小孔隙比不易準確測定。3）標準貫入試驗

：用質量為63.5kg的錘，在落距為76cm的條件下，把標準貫入器(帶有刀口的對開管，外徑50mm，內徑35mm)打入土中，記錄貫入30cm所需的錘擊數N值的原位測試方法。

2.5土的物理狀態指標GB50007－2011中關于砂土密實狀態的劃分標準：標貫錘擊數NN≤1010＜N≤1515＜N≤30N＞30密實度松散稍密中密密實2.碎石土的密實度根據《巖土工程勘察規范》(GB50021－2001)2009版，對于平均粒徑等于或小于50mm，且最大粒徑小于100mm的碎石土，可以根據修正的的圓錐動力觸探試驗錘擊數N63.5確定密實度。2.5土的物理狀態指標重型動力觸探錘擊數N63.5密實度重型動力觸探錘擊數N63.5密實度N63.5≤5松散10＜N63.5≤20中密5＜N63.5≤10稍密N63.5＞20密實2.碎石土的密實度（續）對于平均粒徑大于50mm，或最大粒徑大于100mm的碎石土，可以根據修正的的超重型圓錐動力觸探試驗錘擊數N120確定其密實度。2.5土的物理狀態指標超重型動力觸探錘擊數N120密實度超重型動力觸探錘擊數N120密實度N120≤3松散ll＜N120≤14密實3＜N120≤6稍密N120＞14很密6＜N120≤11中密

2.碎石土的密實度（續）對于大顆粒含量較多的碎石土，很難進行原位試驗，可用野外鑒別方法確定其密實度。2.5土的物理狀態指標密實度骨架顆粒含量和排列可挖性可鉆性松散骨架顆粒質量小于總質量的60%，排列混亂，大部分不接觸鍬可以挖掘，井壁易坍塌，從井壁取出大顆粒后，立即塌落鉆進較易，鉆桿稍有跳動，孔壁易坍塌中密骨架顆粒質量等于總質量的60%～70%，呈交錯排列，大部分接觸鍬鎬可挖掘，井壁有掉塊現象，從井壁取出大顆粒處，能保持凹面形狀鉆進較困難，鉆桿、吊錘跳動不劇烈，孔壁有坍塌現象密實骨架顆粒質量大于總質量的70%，星交錯排列，連續接觸鍬鎬挖掘困難，用撬棍方能松動，井壁較穩定鉆進困難，鉆桿、吊錘跳動劇烈，孔壁較穩定2.5.2黏性土的稠度1.

稠度狀態1）當土中含水率很低時，土中水被緊緊的吸著于土顆粒表面，成為強結合水膜。強結合水膜的性質接近固體的性質，根據水膜厚薄不同，土表現為固態或半固態。2.5土的物理狀態指標2）隨著含水率增加，被吸附在土顆粒周圍的結合水膜增厚，在強結合水膜外形成弱結合水膜；此時的黏性土在外力作用下可任意改變形狀而不開裂，外力撤去后仍能保持改變后的形態，這種狀態稱為可塑狀態。3）當含水率繼續增加時，土中除結合水外，還會有相當數量的自由水；此時土顆粒之間被自由水隔開，相互間引力減小，土體不能承受任何剪應力，而呈流動的液態。2.5土的物理狀態指標黏性土的的物理狀態與含水率的大小密切相關；土的稠度實際上反映了土處于不同形態時的含水率，也反映了土粒之間的聯結強度隨含水率的不同而變化的性質。2.

稠度界限黏性土由一種狀態轉變為另一種狀態的分界含水率，稱為土的稠度界限或界限含水率，分別稱為液限、塑限和縮限。2.5土的物理狀態指標液限wL表示黏性土由可塑狀態轉變為流動狀態的分界含水率；塑限wp表示土由半固態轉變到可塑狀態的分界含水率；縮限ws表示土由固態轉到半固態的分界含水率。土體體積隨著含水率的減小而發生收縮現象，而當含水率小于縮限時，土體體積將不隨含水率的變化而變化。wPwLws碟式液限儀錐式液限儀稠度界限試驗《土工試驗方法標準》(GB/T50123–2019)規定：液限和塑限采用液塑限聯合測定儀測定。液限也可以采用錐式液限儀或碟式儀來測定；塑限也可以搓滾法進行測定；縮限采用收縮皿法測定。工程上一般僅做液限和塑限。2.5土的物理狀態指標液塑限聯合測定法對三個不同含水量的土樣，用錐式液限儀測試，在雙對數坐標紙上作出入土深度與含水量的直線，則2mm對應塑限，10mm或17mm對應液限。2.5土的物理狀態指標3.塑性指數和液性指數塑性指數IP是液限和塑限的差值(省去%)，即土處在可塑狀態的含水量變化范圍。說明：塑性指數Ip表示黏性土處在可塑狀態的含水率的變化范圍。土粒越細，黏土礦物含量越多，親水礦物(如蒙脫石)含量越高，結合水含量越高，則Ip越大；當水中高價陽離子的濃度增加時，結合水含量減小，Ip也小。在一定程度上，塑性指數綜合反映了黏性土及其組成的基本特征。因此，在工程上常按塑性指數對黏性土進行工程分類。

液性指數IL是黏性土的天然含水率和塑限的差值與塑性指數之比。2.5土的物理狀態指標說明：當IL≤0時，w≤wP，土處于堅硬狀態；當IL＞1時，w＞wL,土處于流動狀態。根據IL值可以直接判定土的軟硬狀態。

狀態液性指數堅硬硬塑可塑軟塑流塑IL≤00＜IL≤0.250.25＜IL≤0.750.75＜IL≤1IL＞12.5土的物理狀態指標液性指數IL是黏性土的天然含水率和塑限的差值與塑性指數之比。注意：液限和塑限都是由擾動土樣確定的，所以用液性指數判斷粘性土的軟硬狀態，沒有考慮土原有結構的影響。4.粘性土的靈敏度和觸變性1）土的結構性。概念：天然土因結構受到擾動而使強度改變的特征。靈敏度(sensitivityofsoil)St為原狀土和重塑土試樣的無側限抗壓強度之比，用來衡量粘性土結構性對強度的影響。工程上根據靈敏度的大小可將飽和黏土分為三類：低靈敏，1~2；中等靈敏，2~4；高靈敏，＞4。說明：靈敏度越高，其結構性越強，受擾動后土的強度降低就越多。因此，基礎工程施工中必須注意保護基槽，盡量減少對土結構的擾動。2.5土的物理狀態指標2.5土的物理狀態指標北歐的一種高靈敏度土。其原狀三軸試樣可承受11kg的砝碼，在燒杯中攪拌擾動后就變成了泥漿。這些海相淤積的軟黏土，在大約20000年前冰河期被壓在3000米冰層以下，以后冰層退去，淤積土露出地面，上部形成硬殼層。一旦受到擾動，在很短時間內大面積流動破壞。2.5土的物理狀態指標橡皮土清理橡皮土清理橡皮土及其處理2）觸變性。飽和黏性土受到擾動后，結構產生破壞，土的強度降低。但當擾動停止后，土的強度隨時間又會逐漸恢復。黏性土的這種隨時間發展強度逐漸恢復的膠體化學性質稱為土的觸變性。例如：樁剛打入時承載力較低，靜止一段時間后，承載力就可提高。所以，飽和黏性土中基樁承載力檢測開始試驗的時間不得少于25天。

2.5土的物理狀態指標土的壓實性是指土體在壓實能量作用下，土粒克服粒間阻力，產生位移，使土中的孔隙減小，密度增加的性狀。工程填土，都要采用夯打、振動或碾壓等方法，使土得到壓實，以提高土的強度，減小其沉降量，降低其透水性，從而保證地基或土工構筑物的穩定。2.6土的壓實性碾壓夯打振動細粒土和粗粒土具有不同的壓實性質。壓實細粒土宜用夯擊機具或壓強較大的碾壓機具，同時必須把土的含水量控制在一定范圍內；而壓實粗粒土時，則宜采用振動機具，同時充分灑水。2.6.1細粒土的壓實性1.

擊實試驗及壓實特性

室內擊實試驗的主要設備是擊實儀。2.6土的壓實性擊錘和導筒擊實筒手動擊實儀電動擊實儀室內擊實試驗有輕型和重型兩種：輕型擊實試驗適用于粒徑小于5mm的土，擊實筒容積為947cm3，擊錘質量為2.5kg。土料分三層裝入擊實筒，每層土料用擊錘均勻錘擊25下，擊錘落高為30.5cm。重型擊實試驗適用于粒徑小于40mm的土，擊實筒容積為2104cm3，擊錘質量為4.5kg，擊錘落高為45.7cm。分五層擊實，每層56擊。2.6土的壓實性試驗時，首先將土樣分成5～7份，并使每份具有不同的含水率，然后對每份土樣用完全相同的方法分別進行擊實。擊實曲線：測出擊實土的含水率和干密度，以含水率為橫坐標，干密度為縱坐標，繪制出含水率與干密度關系曲線。縱坐標取為含水率所對應的土體達到飽和狀態時的干密度，即得到理論上所能達到的最大壓實曲線，即飽和度為100%時的飽和曲線。2.6土的壓實性擊實特性2.6土的壓實性1）對于某一土樣，在一定的擊實功能作用下，只有當土的含水量為某一適宜值時，土樣才能被擊實到最密實，對應的是擊實曲線上的峰值點，峰值點所對應的縱坐標值稱為最大干密度ρdmax，對應的橫坐標值稱為最優含水率wop。wopρdmax擊實特性2.6土的壓實性2)試驗得出的擊實曲線在峰值以右逐漸接近于理論飽和曲線，并且大體上與之平行；在峰值以左，則兩條曲線差別較大，而且隨著含水率減小，差值迅速增加。2.土的擊實機理2.6土的壓實性人工壓實不是擠出土中水分而是擠出土中氣體。1）在含水率增加到最優含水率之前，土中氣體大都與外界連通，在擊實功作用下，氣體能夠被排出。隨著含水率的增加，結合水膜加厚，粒間阻力必然減小，顆粒自然容易移動，因而，土的密度隨含水率增加而增大。2.6土的壓實性2）當含水率接近最優含水率時，土孔隙中的氣體越來越處于與大氣不連通的狀態，擊實功已不能將其排出土體之外，土中出現孔隙水壓力，它會抵抗擊實功的作用，這時含水率的變化對干密度的影響就不那么明顯，擊實曲線趨于平緩。土不可能被擊實到完全飽和狀態，擊實曲線必然位于飽和曲線的左側而不能與飽和曲線有交點。2.6土的壓實性3）當含水率大于最優含水率時，水分的不斷增多會使氣體體積逐漸減少，且此時土中氣體基本上是封閉式的，土中水和氣不但不能排出，反而對擊實功起抵消作用。因此，必然是含水率越高，得到的壓實干密度反而越小。3.影響黏性土壓實性的主要因素2.6土的壓實性影響土體壓實最重要的因素是含水率、擊實功和土的性質。1）含水量的影響。當土干燥時，水只要是強結合水，土粒之間摩擦力、黏結力都很大，土粒的相對移動比較困難，故不易被擊實；隨著含水率的增加，土粒周圍的水薄膜變厚，摩擦力和黏結力減小，土粒之間彼此容易移動，土的擊實干密度增大，至最優含水率時，干密度達最大值；當含水率超過最優含水量后，含水量越大，水所占據的體積越大，顆粒所占據的體積越小，因而干密度越小。最優含水量與土的塑限有關，大致為wop=wp+2%。一般地，土中黏土礦物含量越大，則最優含水量越大。2.6土的壓實性2）擊實功能的影響。當擊實能增大時，最優含水率減小，最大干密度相應地增大。所以，若土的含水率較小，則需較大的機具，才能把土壓實至最大干密度；在碾壓過程中，如未能將土壓實至最密實的程度，則須增大壓實功能；若土的含水率較大，則應選用壓實功能較小的機具，否則會出現“橡皮土”現象。因此，填土必須合理控制壓實時的含水率，選用適合的壓實功能。2.6土的壓實性3）土類和級配的影響。土的顆粒粗細、級配、礦物成分和添加的材料等因素對壓實效果也有影響。一般而言，顆粒相對較粗的土更易壓實。黏粒含量越多的土，越不易壓實。土的級配對土的壓實性影響很大。級配良好的土，易于壓實，級配不良的土，不易壓實，因為級配良好的土有足夠的細粒去充填較粗粒形成的孔隙，因而能獲得較高的干密度。黏性土的壓實效果與其中的黏土礦物成分含量有關；添加木質素和鐵基材料可改善土的壓實效果。4.土的壓實度2.6土的壓實性土的壓實度或壓實系數λc定義為工地壓實時要求達到的干密度ρd與室內擊實試驗所得到的最大干密度ρdmax之比值工程填土的質量標準常以壓實度來控制。壓實度越接近1，表明對壓實質量的要求越高。根據工程性質及填土的受力狀況，所要求的壓實度往往不一樣。必須指出，現場施工的填土壓實情況與室內擊實試驗不同。因此，室內擊實試驗用來模擬工地壓實僅是一種半經驗的方法。要使填土壓實，現場施工要確保質量，達到要求的密實度，還應該進行現場試驗。壓實度的檢驗2.6土的壓實性在工地上對壓實度的檢驗，一般可用環刀法、灌砂(或水)法、濕度密度儀法或核子密度儀法等來測定土的干密度和含水率。具體選用哪種方法，可根據工地的實際情況來決定。環刀法灌砂法2.6.2粗粒土的壓實性2.6土的壓實性粗粒土的壓實性也與含水率有關，但不存在最優含水率。一般在完全干燥或者充分灑水飽和的情況下容易壓實到較大的干密度。在潮濕狀態，由于毛細壓力的作用，壓實干密度顯著降低。所以，在壓實砂礫時要充分灑水使土料飽和。粗粒土的壓實標準，一般用相對密度Dr控制。相對密度0.70～0.75是力學性質的一個轉折點。2.7.1《土的工程分類標準》(GB/T50145—2007)

該標準分類體系考慮了土的有機質含量、顆粒組成特征及土的塑性指標(液限、塑限和塑性指數)。2.7土的工程分類按該標準，首先要判斷該土是有機質土還是無機質土。當有機質含量在5%~10%之間時，為有機質土；當有機質含量超過10%時，為有機土，否則為無機土。若屬于無機土，則可根據土內各粒組的相對含量，將土分為巨粒組和含巨粒組、粗粒組和細粒組3大類。無機土粒組劃分標準

2.7土的工程分類粒組統稱粒組名稱粒組粒徑的范圍d/mm巨粒土和含巨粒土漂石(塊石)粒卵石(碎石)粒d>200200≥d>60粗粒土礫粒粗礫60≥d>20中礫20≥d>5細礫5≥d>2砂粒2≥d>0.075細粒土粉粒黏粒0.075≥d>0.0050.005≥d1.巨粒土和含巨粒土的分類

2.7土的工程分類巨粒土和含巨粒土應按試樣中所含粒徑大于60mm的巨粒含量來劃分，即土類粒組含量土代號土名稱巨粒土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（塊石）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（塊石）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（塊石）混合土卵石（碎石）混合土2.粗粒土的分類

2.7土的工程分類試樣中粒徑大于0.075mm的顆粒含量超過全部質量50％的土稱為粗粒土。粗粒土又根據粒徑大于2mm的顆粒含量是否大于全部質量的50%分為礫類土和砂類土兩類。然后，按照試樣中粒徑小于0.075mm的細粒含量和土的顆粒級配進一步細分。礫類土的分類標準土類粒組含量土代號土名稱礫類土礫細粒含量<5%級配：Cu≥5且Cc=l～3GW級配良好礫級配：不能同時滿足Cu≥5和Cc=1～3GP級配不良礫含細粒礫細粒含量5%～15%GF含細粒士礫細粒土質礫15%<細粒含量≤50%細粒中粉粒含量不大于50%GC黏土質礫細粒中黏粒含量不大于50%GM粉土質礫2.7土的工程分類砂類土的分類標準土類粒組含量土代號土名稱砂類土砂細粒含量<5%級配：Cu≥5且Cc=l～3SW級配良好砂級配：不能同時滿足Cu≥5和Cc=1～3SP級配不良砂含細粒砂細粒含量5%～15%SF含細粒土砂細粒土質砂15%<細粒含量≤50%細粒中粉粒含量不大于50%SC黏土質砂細粒中黏粒含量不大于50%SM粉土質砂3.細粒土的分類

2.7土的工程分類試樣中粒徑小于0.075mm的細粒組含量大于或等于全部質量50％的土稱為細粒土。細粒土按塑性圖分類。要注意：圖中的液限是用碟式液限儀測得的，或用質量為76g、錐角為30°的液限儀，以錐尖入土深度為17mm的標準測得的。另外，該方法忽略了天然土的結構性。2.7.2《建筑地基基礎設計規范》(GB50007－2011)該標準注重土的天然結構特征和強度，并始終與土的主要工程特性——變形和強度特征緊密聯系。將作為建筑地基的巖土分被為巖石、碎石土、砂土、粉土、黏性土和人工填土6大類。天然土實際上是分成碎石土、砂土、粉土和黏性土四大類。碎石土和砂土屬于粗粒土，粉土和黏性土屬于細粒土。粗粒土按粒徑級配分類，細粒土則按塑性指數分類。2.7土的工程分類1.巖石巖石是顆粒間牢固聯結，呈整體或具有節理裂隙的巖體。作為建筑物地基，除應確定巖石的地質名稱外，尚應按以下方法確定其堅硬程度和完整程度。堅硬程度類別飽和單軸抗壓強度frk(MPa)堅硬巖較硬巖較軟巖軟巖極軟巖30＜frk≤60frk＞6015＜frk≤305＜frk≤15frk≤52.7土的工程分類完整程度等級完整較完整較破碎破碎極破碎完整性指數＞0.750.75～0.550.55～0.3550.35～0.15＜0.15土的名稱漂石塊石卵石碎石圓礫角礫顆粒形狀圓形及亞圓形為主棱角形為主圓形及亞圓形為主棱角形為主圓形及亞圓形為主棱角形為主顆粒級配粒徑大于200mm的顆粒含量超過全重50％粒徑大于20mm的顆粒含量超過全重50％粒徑大于2mm的顆粒含量超過全重50％注：定名時應根據顆粒級配由大到小以最先符合者確定碎石土的分類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。2.7土的工程分類3.砂土粒徑大于2mm的顆粒含量不超過全重50%的土，且粒徑大于0.075mm的顆粒含量超過全重50%的土稱為砂土。土的名稱礫砂粗砂中砂細砂粉砂顆粒級配粒徑大于2mm的顆粒含量占全重25％～50％注：定名時應根據顆粒級配由大到小以最先符合者確定粒徑大于0.5mm的顆粒含量超過全重50％粒徑大于0.25mm的顆粒含量超過全重50％粒徑大于0.075mm的顆粒含量超過全重85％粒徑大于0.075mm的顆粒含量超過全重50％砂土的分類2.7土的工程分類4.粉土粒徑大于0.075mm的顆粒含量不超過全重50%，塑性指數IP≤10的土稱為粉土。這類土既不具有砂土透水性大、容易排水固結、抗剪強度高的優點，又不具有黏性土防水性能好、不容易被水沖蝕流失、具有較大黏聚力的優點。常表現出較差的工程性質。5.黏性土塑性指數IP＞10的土稱為黏性土，粘性土根據塑性指數細分黏土和粉質黏土。土的名稱黏土粉質黏土塑性指數注：塑性指數由相應于76g圓錐體沉入土樣中深度為10mm測定的液限計算而得IP＞1710＜IP≤172.7土的工程分類6.人工填土人工填土是指由于人類活動而堆積的土，其物質成分雜亂，均勻性較差。根據其物質組成和成因可分為：素填土：由碎石土、砂土、粉土、黏性土等組成的填土。壓實填土：經分層壓實的素填土。雜填土：含有大量建筑垃圾、工業廢料或生活垃圾等雜物的填土。沖填土：由水力沖填泥砂形成的填土。2.7土的工程分類自然界中還分布著許多具有特殊性質的土，如淤泥、淤泥質土、紅黏土、濕陷性黃土、膨脹土、凍土等。它們的性質與上述6大類巖土不同，需要區別對待。【例題1】取100g的土樣，顆粒分析試驗結果如下表，試分別用《建筑地基基礎設計規范》(GB50007–2011)和《土的工程分類標準》(GB/T50145—2007)分類法確定這種土的名稱，比較其結果是否一致。2.7土的工程分類試樣編號A篩孔直徑/mm200602020.50.250.075<0.075合計留篩質量/g034.75.530.85.213.829.980100大于某粒徑含量占全部土樣質量的百分數/%034.740.27176．290.01000100通過某篩孔徑的土樣質量的百分數/%10065.359.82923.89.9800例表土樣顆粒分析試驗結果解：1)GB50007。分類時應根據粒組含量由大到小，以最先符合者確定。根據顆粒分析結果知，粒徑大于2mm的顆粒含量占全部質量的71％。查課本表2-22知，粒徑大于2mm的顆粒含量超過全部質量50％者，定義為圓礫(角礫)。

2)GB/T50145。由于土樣中粒徑大于60mm的顆粒含量占全部質量的34.7％，介于15％～50％之間；所以該土屬于巨粒混合土。又因為d＞200mm的漂石粒組含量為0%，d＞60mm的卵石粒組含量為34.7％；所以，漂石含量<卵石含量。故根據課本表2-15定義該土為卵石混合土，土代號為S1Cb。評價：對同一種土樣，采用不同的分類方法，得到的土的名稱并不相同。可見分類方法影響土的定名。在實踐中應根據具體工程所屬的行業，選擇適宜的分類方法。2.7土的工程分類【例題2】已知某細粒土的10mm液限wL=46.0％，塑限wP=32.0％，天然含水率w=42.0％。試分別用《建筑地基基礎設計規范》(GB50007–2011)和《土的工程分類標準》(GB/T50145—2007)分類法確定這兩種土的名稱，并比較結果的一致性。2.7土的工程分類解：1)GB50007。土的塑性指數Ip=46－32=14。由于10<Ip=14

<17，所以該土屬于粉質黏土。

2)GB/T50145。由于該標準判別時采用的時17mm液限，所以需由已知的10mm液限和塑限推算出17mm液限。根據錐尖入土深度與含水率在雙對數坐標系中為線性關系，所以10mm液限=46.0％，塑限=32.0％，可得17mm液限=51.8％。因此，塑性指數Ip=19.8。2.7土的工程分類由于該土樣wL=51.9％>50％，0.73(wL–20)=

0.73(51.8–20)=23.21>Ip，對照課本圖1–26或查表2–19可知，由上述各參數所確定的點落在塑性圖的MH區。所以，該土屬于高液限粉土，土的代號是MH。注意：對于細粒土，不同的分類方法得出的土的名稱也有可能不一致。本題一個分類標準判別為粉質黏土，另一個判別為粉土。但由于《建筑地基基礎設計規范》只有一個參數指標，即塑性指數，而《土的工程分類標準》中的塑性圖采用雙標準，還考慮了有機物的含量，與國際上對細粒土的分類法比較一致。所以，對于細粒土當采用不同標準所得結論不一致時，建議以塑性圖的結果為準。土力學SoilMechanics第3章土的滲透性與滲流3.1概述3.2土的滲透性與達西定律3.3滲透系數的測定及其影響因素3.4二維滲流、流網及工程應用3.5滲流力與滲透破壞浸潤線流線等勢線下游上游土壩蓄水后水透過壩身流向下游H隧道開挖時，地下水向隧道內流動當土中任意兩點之間存在水頭差的作用時，水會透過土體孔隙在兩點之間發生孔隙內的流動，這一流動過程稱為滲透或滲流。土體允許水透過的性能稱為土的滲透性。3.1概述由土的滲透性引起的土體邊坡失穩、邊坡變形、地基變形、巖溶滲透塌陷等均屬于土體的滲透穩定問題。這些問題可以歸納為水的問題和土的問題。3.1概述1）水的問題。是指在工程中由于水本身所引起的工程問題，比如基坑積水、漏水、基坑突涌、地下水開采引起大面積地面沉降及沼澤枯竭等。也就是指水自身的量（涌水量、滲水量）、質（水質）、賦存位置（地下水位）的變化所引起的問題。3.1概述基坑積水基坑漏水基坑突涌沼澤枯竭2）土的問題。指由于水的滲透引起土體內部應力狀態的變化或土體、地基本身的結構、強度等狀態的變化，從而影響建筑物或地基的穩定性或產生有害變形的問題。

比如：降雨誘發滑坡、管涌、擋土墻失穩等。3.1概述降雨誘發滑坡管涌擋土墻失穩3.2.1地下水的運動方式通常所說的地下水是指地下水位以下（飽水帶）的重力水。1.地下水成因與分類

滲流作用形成的地下水和凝結作用形成的地下水。2.地下水運動的基本方式1）按流線形態分：層流和湍流。2）按水流特征隨時間的變化狀況分：穩定流和非穩定流。3）按水流在空間上的分布狀況分：單向流動，二維流動和三維流動。3.2土的滲透性與達西定律3.2.2水力坡降的概念水頭是指單位重量水體所具有的能量。流體中任意點的總水頭h等于位置水頭、壓力水頭和流速水頭之和，即3.2土的滲透性與達西定律用于土體滲流，忽略流速水頭，則實際應用中，將位置水頭與壓力水頭之和稱為測壓管水頭。位置水頭壓力水頭測壓管水頭水力坡降定義為單位滲流長度上的水頭損失，即3.2土的滲透性與達西定律ΔhL式中，Δh為A點和B點之間的水頭差；L為A點和B點兩點間滲流路徑的長度。值得注意的是，飽和土中任意兩點間滲流流動的發生僅取決于兩點的總水頭差，與所研究兩點的位置高低無關。3.2.3達西定律3.2土的滲透性與達西定律1856年，法國學者達西（H.Darcy）利用圖示的試驗裝置，研究了砂土的滲透性，發現在層流狀態下，水的滲透速度與試樣兩端水面間的水位差成正比，而與滲徑長度成反比，即式中，v為滲流速度；h為試樣兩端的水位差為滲徑長度；A為試樣截面積；q為滲流量；k為土的滲透系數。或3.2土的滲透性與達西定律說明：1）滲流速度v的過水面積是土樣的整個斷面積，并包括土顆粒骨架的所占的部分面積，與土孔隙中水的實際滲流速度vs之間的關系為2)土的滲透系數k反映土的透水性能，其物理意義是當水力坡降i等于1時的滲透速度，它不僅取決于土體材料的性質，而且還與流經土孔隙流體的特性等因素有關。3)滲徑長度L并不是流線的真實長度。實際上，土中水是以變化的速度沿著彎曲的軌跡從孔隙中流過的。達西定律適用于層流，一般認為只要Re小于1.0，在土孔隙內的水流就處于層流狀態，所以實用于比粗砂更細的土。1）試驗表明，砂土的滲透速度與水頭梯度呈線性關系。2）密實的黏土中，需要克服結合水的粘滯阻力后才能發生滲透；同時滲透速度與水力坡降的規律還偏離達西定律而呈非線性關系。ib計算起始水力坡降直線簡化v=kiivO砂土0iv密實黏土3.2土的滲透性與達西定律3.2.4達西定律的適用范圍3）在礫類土和巨粒土中，若水力坡降較大，水在其中的流動大多是紊流狀態，滲流速度與水力坡降之間呈非線性關系；只有在較小的水力坡降時，才可能是線性的。

總之，達西定律適用于飽和砂土的層流狀態，不適用于紊流。其他土類宜通過試驗確定。0iv砂礫3.2土的滲透性與達西定律3.3.1實驗室測定滲透系數公式推導：時間t內流出的水量為1.常水頭滲透試驗整個試驗過程中水頭保持不變，水頭差也為常數。適用于透水性強（k>10-3cm/s）的土，例如砂土。

3.3滲透系數的測定及影響因素常水頭試驗示意圖TST70型滲透儀2、變水頭滲透試驗

整個試驗過程水頭隨時間變化。適用于透水性弱的黏性土。

3.3滲透系數的測定及影響因素T-55型滲透儀玻璃管

變水頭試驗裝置

變水頭試驗示意圖公式推導：

任一時刻t的水頭差為h，經時段dt后，細玻璃管中水位降落dh，在時段dt內流經試樣的水量為

dQ=－adh

在時段dt內流經試樣的水量為

dQ=kiAdt=kAh/Ldt

管內減少水量＝流經試樣水量，即

－adh=kAh/Ldt

分離變量積分

3.3滲透系數的測定及影響因素3.3.2滲透系數的現場測定

現場井孔抽水試驗適用于均質粗粒土體。以潛水完整井為例。3.3滲透系數的測定及影響因素在現場打一口試驗井，貫穿要測定滲透系數的砂土層；設置兩個以上的觀測孔。自井中以不變的速率連續抽水，測定試驗井和觀測中的穩定水位，畫出觀測孔和試驗井中的水位變化圖形。公式推導：

3.3滲透系數的測定及影響因素Dupuit假定：潛水在緩變流動下，可忽略地下水的垂向分速度。則水流是水平的，則流向試驗井的滲流過水斷面應該是一系列的同心圓柱面。設單位時間抽水量為q。圍繞試驗井取一過水斷面，該斷面距井中心距離為r，水面高度為h，則過水斷面的面積為A=2πrh假使該過水斷面上各處的水力坡降為常數，且等于地下水位在該處的坡降，則有公式推導（續）：

3.3滲透系數的測定及影響因素根據達西定律，單位時間自試驗井內抽出的水量即單位滲水量q為整理得對上式等式兩邊進行積分可得土的滲透系數為或3.3.3影響滲透系數的主要因素

3.3滲透系數的測定及影響因素1．土的粒徑大小與級配砂土中粉粒及黏粒含量增多時，其滲透性就會大大降低。土顆粒越小，土的滲透性就越低；而土粒越粗，大小越均勻，形狀越圓滑，k值也就越大。Harzen提出如下經驗公式：2．土的孔隙比當土體被壓縮或受振動影響時，土的密度增大，孔隙比就變小，土的滲透性也就隨之降低。3.3滲透系數的測定及影響因素3．土的飽和度低飽和土中的孔隙存在較多氣泡會減小過水面積，甚至堵塞細小孔道，因而降低土的滲透性。同時氣體也可因孔隙水壓力的變化而收縮。因此，為了保持測定k值時的試驗精度，要求滲透試驗中的試樣必須充分飽和。4．土的結構和構造在孔隙比相同的情況下，具有凝聚結構的黏性土的滲透性最高，而具有分散結構的黏性土的滲透性最低。由于天然土層在固結過程中顆粒會有一定的定向排列，因而造成土的滲透性呈現明顯的各向異性，在水平方向上的滲透系數遠大于垂直方向的滲透系數。3.3滲透系數的測定及影響因素5．土的顆粒礦物組成礦物組成往往影響顆粒的尺寸、形狀、排列及結合水膜的厚度。這是造成黏性土與無黏性土的滲透性差別很大的原因之一。黏土礦物的種類對滲透系數的影響也很大。黏土礦物的滲透性依次是：高嶺石>伊利石>蒙脫石。6．水的黏滯度水的黏滯度受溫度的影響，同一種土在不同的溫度下將會得到不同的滲透系數。《土工試驗方法標準》GB/T50123采用20℃為標準溫度進行滲透系數的測定，其他溫度下所測定的滲透系數可以轉換3.3.4成層土的滲透性

3.3滲透系數的測定及影響因素對于與土層層面平行和垂直的簡單滲流情況，可求出整個土層與層面平行和垂直的平均滲透系數3.3滲透系數的測定及影響因素從公式可以看出：對于成層土，如果各土層的厚度大致相近，而滲透性卻相差懸殊時，與沉積層面平行方向的平均滲透系數將取決于最透水土層的厚度和滲透性；與沉積層面垂直方向的平均滲透系數將取決于最不透水土層的厚度和滲透性。3.4.1穩定滲流場中的拉普拉斯方程3.4二維滲流、流網及工程應用設二維穩定滲流場任意點的總水頭或測壓管水頭為H。假定在滲流作用下單元體的體積保持不變，考慮到水是不可壓縮的，則單位時間內流入單元體的總水量必等于