土力學教案

第一章土的物理性質及分類

1.1概述

土是由固體顆粒、水、氣體三部分組成的三相

體系。

土=土粒（固相）+水（液相）+空氣（氣相）

1.固相一一包括多種礦物成分組成的土的骨

架。

°2.液相一一主要是水（溶解有少量的可溶鹽

類）。

3.、相一一主要是空氣、水蒸氣，有時還有沼氣

等。

°各相的性質及相對含量的大小直接影響土體

的性質，土粒大小和形狀、礦物成分及排列和聯結

特征是決定土的物理力學性質的重要因素。

土粒礦物成分與土粒大小有關：

粗大土粒：往往保留原生礦物，多呈塊狀或柱狀。

細小土粒：主要是次生礦物，多呈片狀。

無粘性土一一當土樣中巨粒（土粒粒徑大于

60mm）和粗粒（60?0.075mm）的

含量超過全重50%時屬無粘性土。

土中水影響粉性土和粘性土的可塑性、脹縮性、

濕陷性、凍脹性等物理特征。

1.2土的組成

回體顆粒（土粒）

無機礦物顆粒:由原生礦物和次生礦彤組成

土粒＜

有機質

原生礦物：由巖石經物理風化生成的顆粒，它

的成分與母巖的相同，如：石英、長石、輝石、角

閃巖、云母等。

1

特性：顆粒一般較粗，多呈渾圓形、塊狀或板

狀；吸附水的能力弱，性質比較穩，無塑性。

次生礦物：由原生礦物經化學風化生成的新

礦物，它的成分與母巖的完全不同。如：由長石風

化成的高嶺石、由輝石或角閃石風化成的綠泥石

等。

°特性：顆粒極細，且多呈片狀；性質活潑，有

較強的吸附水能力(尤其是由蒙脫石組成的顆粒),

具塑性。遇水膨脹。

粗大土粒一般是化學性質較穩定的原生礦物

顆粒，有單礦物顆粒和多礦物顆粒兩種形態。

細小土粒主要是次生礦物顆粒和生成過程中

介入的有機物質。

二、土粒粒度分析方法

土是由大小不同的土粒組成的。土粒的大小、形狀、

礦物成分和級配對土的物理性質有明顯影響。土粒

的粒徑由粗到細逐漸變化時，土的性質相應地發

生變化O例如土的性質隨著粒徑的變細可由無粘性

變化到有粘性。

()幾個概念

粒度一一土粒藺大小稱為粒度，常以粒徑表示。

粒組一一界于一定粒度范圍內的土粒，稱為粒組。

界限粒徑一一劃分粒組的分界尺寸。

常用粒組的界限粒徑：(根據國標《土的分類

標準》(GBJ145-90))

200mm,60mm,2mm,0.075mm,

0.005mm

200、60、2.

0.0750.005mm

20、50.5.0.25.0.1

0.01

2

漂石或塊石、卵石或碎石、圓礫或角礫、砂

礫、粉粒、粘粒。

（二）土的顆粒級配

1.土的顆粒級配（粒度成分）一一土中各個

粒組的相對含量（各粒組占土粒總重的百分數）。

土粒的組合情況一一大大小小土粒含量的相

對數量關系

2.確定麻粒組相對含量的方法

（1）顆粒分析試驗

①篩分法，0.075mm粒徑60mm的粗粒組

將風干、分散的代表性土樣通過一套自

上而下孔徑由大到小的標準篩，稱出留在各個篩

子上的干土重，經計算可得小于某一篩孔直徑土

粒的累積重量及累計百分含量。

②沉降分析法，比重計法和移液管法，粒徑

<0.075mm的細粒組（下沉速度）

土粒下沉速度與粒徑的理論關系，用比重計

法或移液管法測得顆粒級配。

土粒下沉時的速度與土粒形狀、粒徑、質量密度以及水的粘滯度有關。

土粒的沉降速度可以用G?G?斯葛克斯（Stokes,1845）定律計算：

P%、—pw12

式中v---土粒在水中的沉降速度，cm/s；

g—重力加速度，981cm/s2；

P、、d---土粒的密度，g/cn?和直徑，cm；

P八7———水的密度,g/cn?和粘滯度，107pa?s

p-=彳和&=G,pg?G,p.

上式可變換為：

水的V值由溫度確定

土粒沉降距離心處懸液密度，可采用密度計法（即比重計法）或移液管法測得,

并可由此計

算出小于該粒徑4的累計百分

含量。采用不同的測試時間，，即可測得細顆粒各粒組的相對

含量

沉降法。假定土粒為球體顆粒，實際上土粒并不是

3

球體顆粒，因此計算得的粒徑并不是實際土粒尺

寸，而是與實際土粒在液體中的相同沉降速度的

理想球體的直徑（稱為水力當量直徑）。

（2）試驗成果一一顆粒級配累積曲線

級配累積曲線采用半對數坐標：土粒粒徑相

差常在百倍、千倍以上，宜采用半對數坐標表示。

\[zAlA-fcT，縱坐標一小于某粒徑的土質量含量（%X或稱累計百分含量）

千姒軍懷I橫坐標一對數坐標一±#立粒徑Gnm）

曲線分析：

曲線較陡，則表示粒徑大小相差不多，土粒較

均勻；

曲線平緩，則表示粒徑大小相差懸殊，土粒不均勻,

即級配良好。

不均勻系數c〃=%

判別土體級配好壞的指標;4。

曲率系數G尸

“6()40

4。（有效粒徑）一一小于某粒徑的土粒質量累

計百分數為10%時相應的粒徑;

（中值粒徑）小于某粒徑的土粒質量累

計百分數為30%時相應的粒徑;

九（限制粒徑）一一小于某粒徑的土粒質量累

計百分數為60%時相應的粒徑。

不均勻系數反映大小不同粒組的分布情況。

越大表示土粒大小的分布范圍越大、其級配越好,

作為填方工程的土料時，則比較容易獲得較大的

密實度Q

曲篆系數描寫累積曲線的分布范圍，反映曲

4

“一般￡程上為均粒土，屬級配不良；

的土屬級酣良好C

級配連續土：曲線聿滑，沒有臺階；采用指標

即可判斷級配好壞；

級配不連續：曲線呈臺階狀；采用單一指標

難以判斷級配好壞。

礫類土和砂類土當同時滿足25,=1?3時則為

良好級配礫或良好級配砂。否則，級配不良。

級配良好：曲線平緩，粒徑大小相差懸殊，土粒不

均勻。顆粒級配可以在一定程度上反映土的某些

性質。對于級配良好的土，較粗顆粒間的孔隙被

較細的顆粒所填充，因而土的密實度較好，相應

的地基土的強度和穩定性也較好.透水性和壓縮

性也較小，可用作堤壩或其它土建工程的填方

土料。

三、土中的水和氣

1.土中水

結合水一一是受電分子吸引力吸附于土粒表面的

土中永。

強結合水（吸著水）一一緊靠土粒表面的結合

水膜，牢固地結合在土粒表面，其性質相當于固

體。沒有溶解鹽類的能力，不能傳遞靜水壓力，只

有吸熱變成蒸汽時才能移動。

弱結合水（薄膜水）一一緊靠強結合水外圍的

結合水膜，不能傳遞靜水壓力，但較

厚的弱結合水膜能向鄰近較薄的水

5

膜緩慢轉移。當土中有較多弱結合水

時具有一定的強塑性。弱結合水離土

粒表面愈遠，受到的電分子吸引力

愈弱，并逐漸過渡到自由水。弱結合

水的厚度，對粘性土的粘性特征及

工程性質影響很大。

自由水一一不受土粒表面電場影響，能傳遞

靜水壓力。

重力水一一存在于地下水位以下，重力水的滲流

特征，是地下工程排水和防水工程的主要控制因

素，對土中的應力狀態和開挖基槽、基坑以及修筑

地下構筑物有重要影響。

毛細水一一存在于地下水位以上，毛細水的

上升高度與土粒粒度成分有關;上升高度和速度對

于建筑物地下部分的防潮措施和地基土的浸濕、凍

脹等有影響。

2.土中氣體

封閉氣體為與大氣隔絕的氣體，它使土在外力作

用下的彈性變形增加，透水性減小。

非封閉氣體在外力作用下，連通氣體排出，對土的

性質影響不太。

四、粘土顆粒與水的相互作用

P14

五、土的結構和構造

1.土的結構一一指土粒的原位集合體特征,

6

是由土粒單元的大小、形狀、相互排列及其聯結關

系等因素形成的綜合特征。

［單粒結構一一常見于砂土、碎石土

土的結構蜂窩結構——以粉粒為主的土

絮狀結構——是粘性土的主要結構形式

(1)單粒結構一一由粗大土粒在水中或空氣中下

沉形成的。為碎石類土和砂類土的結構特征。

緊密的單粒結構的土在荷載作用下沉降小、強

度較大、壓縮性較小，是良好的天然地基。

疏松的單粒結構土，在外力作用下易移動，孔隙減

少，變形大，需處理做為人工地基。

(2)蜂窩結構

粒徑0.075?0.005mm的土粒在水中沉積時以單個

土粒下沉，當碰上已沉積土粒時(它們之間的相互

引力大于其重力)就停在最初接觸點不再下沉，逐

漸形成土粒鏈，組成弓架結構，最后形成孔隙大的

蜂窩結構；當承受較高荷載時，結構破壞，產生嚴

重沉降。

(3)絮狀結構

細小的粘粒(粒徑小于0.005mm)或膠粒(粒徑

小于0.002mm)重力小，在水中不因自重而下沉,

主要受粘土顆粒與水作用產生的粒間作用力。粒間

作用力有排斥力和吸引力，且均隨粒間距離減小

而增加，但增長速率不相同。總的吸引力大于排斥

力時為凈吸力，反之為凈斥力。

2.土的構造

土的構造一一指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。

7

層理構造一一土在生成過程中，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

現的成層特征，有水平層理構造和交錯層理構造。

裂隙構造一一如，柱狀裂隙。強度和穩定性降低,

透水性大,對工程不利。

【本次課總結】

1.土是由固體（土粒）、液體（水）和氣體（空氣）

二相所組成.

r粒徑級配'曲線的特點及用途；

3.常見土的結構及構造形式。

【復習思考】

1.粘土顆粒表面哪一層水膜對土的工程性質影響

最大，為什么?

2.為什么土的級配曲線用半對數坐標?

1.3土的三相比例指標

反映著土的物理狀態，如干濕軟硬松密等。表

示土的三相組成比例關系的指標，統稱為土的三相

比例指標。

1.土的三相圖

8

【注意】土的三相圖只是理想化地把土體中的三相

分開，并不表示實際土體三相所占的比例。

一、指標的定義

1.三項基本物理性質指標

土的物理性質指標中有三個基本指標可直接通過

土工試驗測定，亦稱直接測定指標。

①土的密度。一一土單位體積的質量（單位為

g/cm3/tn3）

m

P=—丫=兩

試驗測定方法：環刀法

一般粘性土夕=1?8?2.0g/c〃/；砂土夕=1.6

=

2.0g/cnr；腐殖p1.51.7^/cnr；

土粒比重（土粒相對密度）一一土粒的質量與

同體積4oC純水的質量之比。，無量綱。

P、一—土粒密度（gQ

——純水在時的密度（單位體積的重量），等

于或。

試驗測定方法：比重瓶法

實際上：土粒比重在數值上等于土粒密度，前者無

因次。同一類土，其比重變化幅度很小，通常可按

經驗數值選用。見下表。

土粒比重參考值

粘性土

上的名稱砂士加1

粉質粘土粘土

土粒比重2.65?2.692.70-2.712.72-2.732.74-2.76

9

【課堂討論】相對密度（比重）與天然密度（重度）

的區別

注意：從公式可以看出，對于同一種土，在不同的

狀態（重度、含水量）下，其比重不變；

③土的含水量（一一土中水的質量與土粒質量之

比，以百分數表示：

67=^X100%

般：同一類土，當其含水量增大時，其強度就

降低。

試驗測定方法：烘干法（濕，干土質量之差與

干土質量的比值）

【討論】含水量能否超過100%?

——從公式可以看出，含水量可以超出

100%o

2.特殊條件下土的密度

①飽和密度和飽和重度

飽和密度一一（土孔隙中充滿水時的單

位體積質量）土體中孔隙完全被水充滿時的土

的密度：。（）

②飽和重度：sat=g（kN/m3）o

③和干重度

干密度一一單位體積中土粒的質量：，

（kg/m3,g/cm3）。

④干重度一一單位體積中土粒的重量：=（dg,

（kN/m3）o

在工程上常把干密度

10

作為評定土體密實程度的指標，以控制填土

工程的施工質量。

有效重度(浮重度)一

一單位土體積中土粒的質量扣除同體積水的

質量即為單位土體積中土粒的有效質

量，稱為土的有效密度

叫一匕心

p'=

V

,(kN/m3)o

同樣條件下，上述幾種重度在數值上有如下關系；

3.描述土的孔隙體積相對含量的指標

測出上述三個基本試驗指標后，就可根

據三相圖，計算出三相組成各自的體積上和質量

上的含量，并由此確定其它的物理性質指標，即導

出指標。

孔隙比一一土中孔隙體積與土粒體積之

比，用小數表示：

孔隙比是評價土的密實程度的重要物理

性質指標。

①天然狀態下土的孔隙比稱為天然孔隙比，它

是一個重要的物理性指標，可以用來評價天

然土層的密度程度。一般e<0.6的土是密實的

低壓縮性土,e>1.0的土是疏松的高壓縮性土。

孔隙率一一土中孔隙體積與土的總體積之

11

比，以百分數表示：100%

孔隙率亦可用來表示同一種土的松、密程

度。

②一般粘性土的孔隙率為30?60%,無粘性土

為25?45%。

飽和度一一土中所含水分的體積與孔隙體積之比

(以百分率計)，飽和度可描述土體中孔隙被水

充滿的程度：

顯然,干土的飽和度Sr=0,當土被完全飽和狀態時

Sr=100%o砂土根據飽和度可劃分為下列三種

濕潤狀態：SrW50%稍濕，50%<Sr^80%

很濕,Sr>80%飽和。

【討論】孔隙比、孔隙率、飽和度能否超過1或

100%?

二、指標的換算

已知：((()，,(----->e,n,Sr,(sat((sat),(d

((d),等的表達式。

推導間接指標的關鍵在于：熟悉各個指標的定義

及其表達式，能熟練利用土的三相簡圖。

令，

則，，，，

推導：

V\+e

12

由(b)式，

c〃八+匕夕“，_Gspw+epw_(Gt+e)pw

一=^^=1+,=~

加，一Vspw__ms-(y-匕)。w_ms+Vvpw-Vpw_

P=-v-=v=v=P'LPw

_(G-

1+e

—

V1+e

s二匕二，嗎，二卬Gj4二wG,

「一匕一匕。“一匕2,一e

注意：此時e已是“已知”的指標。根據各間接指

標的定義，利用三相簡圖可求得：

土的三相比例指標換算化式一并列于下表。

【本次課小結】

1.各指標的定義；

2.利用三相圖進行指標間的相互換算。

【復習思考】

1.在土的三相比例指標中，哪些指標是直接

測定的？用何方法？

2.在三相比例指標中，哪些指標的數值可以

大于1,哪些不行？

13

士的三相比例指標換算公式

名稱符號三相比例表達式常用換算公式單位常見的數值他國

粘性土t2.72-2.75

「S?

土位比重G.粉土：2.70-2.71

G尸砧；G.=—w

砂土：2.65?2.69

S,e

W=G；

含水量WW=~X1OOJZO20%?60%

w=?—■一1

P6

P*=pd(1+w)

m

?度PG(1+w)g/ciD31.6?2.0

P-1+eP"

5擊

干密度沁g/cn?1.3?L8

俏G

Pd=IT；外

G-e3

￡和密度p?t4v4=1^7公g/cm1.8?2.3

“LRr

浮密度'v，G?Tg/cm10.8~1.3

d=T?78

5

?度7y=p?gkN/m16?20

為=生兒

干重度7d〃=0d?gkN/mJ13-18

V_G.+e

飽和重度入=?g7-l+JwkN/nP18?23

浮重度rkN/m38?13

?gl+e”

e■27

V,粘性土和粉土：0.40?1.20

孔隙比ePi

FGt(l+w)外,砂土：0.30-0.90

ep1

nearfc

粘性土和粉土：?

孔隙率nn=^-Xl00%30%60%

”=1-讖砂土：25%?45%

苧

SL04Sa50%稽濕

飽和度Sr5r=~X100%50<Sr480%很濕

80<5,<100%飽和

注：水的重度兀r=々4=1t/m3X9.807m/s2=9.807X103(kg?m/力/m3=9.807XJO3N/m3^

10kN/m\

［例題］

1.某土樣重180g,飽和度=90%,土粒比重，烘干后重135g,試計算土樣的天然

重度和孔隙比。

解：

法一：

^=^=180-135

ms135

14

m

，?二夕g="g=r?.v=lU.UkN//

\+e

法二:

mw=180-135ms=135g

V%V=—

S「

PW

yw

匕

1.4無粘性土的密實度

無粘性土一般是指砂（類）土和碎石（類）土；一

般粘粒含量少，不具可塑性，呈單粒結構。

砂土密實度劃分方法：

1.按天然孔隙比劃分

按天然孔隙比e劃分砂土密實度（TJ7-74）

^實度

密實中密稍?松散

±類

礫砂、粗砂、中砂e<0.600.60<*<0.750.75V/&0.85e>0.85

細砂、粉砂e<0.700.700&0.850.85<e40.95e>0.95

要求：采取原狀砂土樣

不足：采樣困難，且難以有效判定密實度

的相對高低。

2.相對密（實）度

“ax

p—P

maxmin

砂土在最松散狀態時的孔隙比，即最

大孔隙比;

砂土在最密實狀態時的孔隙比，即最

小孔隙比；

e一—砂土在天然狀態時的孔隙比。

當，表示砂土處于最松散狀態；

15

,表示砂土處于最密實狀態。

砂土密實度表（JTJ024-85）

松散

分級密實中密

科松極松

D,Q,?O.670.67>A>0,330.33>D,>0.20DV0.20

根據三相比例指標間換算，、和

分別對應有、和，則

D--Pdmin)

夕d(Pdmax—Pdmin)

優點：理論完善，能合理判定砂土的密實度狀態。

不足：測定（或）和（或）的試驗方法

存在問題，對同一種砂土的試驗結果離散性大。

3.標準貫入試驗

砂土根據標準貫入試驗的錘擊數N分為松散、

稍密、中密及密實四種密實度；

按標貫擊數N劃分砂土密實度（GB5OOO7）

宓實度密實中密精密松散

標貨擊數NN>30302N>1515>^>10N<10

按實測平均N劃分砂土密實度（JTJO24—85）

密實度密實中密稍松一極松

標貫擊數N50?3029?109~5<5

4.按重型動力觸探擊數劃分（碎石土）

按重型（圓錐）動力觸探試驗錘擊數劃分如

下：

按重型動力觸探擊數劃分碎石土密實度（GB5OOO7）

密實度一|格實|中,[稍密?|松散

N63.S?岫3.5>30|302丁63.$>151154N-5>7IN63.5W7

本表適用于卵石、碎石、圓礫、角礫。

5.野夕卜鑒另！]（碎石）

對于大胡粒含量較多的碎石土，一般對于漂石、塊

石以及粒徑大于200mm的顆粒含量較多的碎石類

土，密實度很難做室內試驗或原位觸探試驗，一般

采用野外鑒別方法來劃分為：密實、中密、稍密、

松散。如P26表。

16

1.5粘性土的物理特征

一、粘性土的可塑性及界限含水量

粘性土由于含水量的不同，分為固態、半固

態、可塑狀態和流動狀態，這即是粘性土的稠度狀

態。

界限含水量一一粘性土由一種狀態轉到另一

種狀態的分界含水量，也即各稠度狀態間的臨界

含水量，以百分數表示。

可塑性當粘性土在某含水量范圍內，用

外力塑成任何形狀而不發生裂紋，并當處力移去

后仍能保持形狀的性能。

回體狀態半固體狀態可塑狀態

流動狀態

液限土由可塑狀態到流動狀態的界限含

水量稱為，用表示，我國采用錐式液限儀來測

定。其工作過程是：將粘性土調成均勻的濃糊狀,

裝滿盛土杯，刮平杯口表面，將76克重圓錐體輕

放在試樣表面的中心，使其在自重作用下徐徐沉

入試樣，若圓錐體經5秒種恰好沉入10mm深度,

這時杯內土樣的含水量就是液限值。為了避免放

錐時的人為晃動影響，可采用電磁放錐的方法。

塑限一一土由半固態到可塑狀態的界限含水

量，用表示，用“搓條法”測定。即用雙手將天然

濕度的土樣搓成小圓球（球徑小于10mm）,放在

毛玻璃板上再用手掌慢慢搓滾成小土條，用力均

勻，搓到土條直徑為3mm,出現裂紋，自然斷開,

這時土條的含水量就是塑限值。

縮限土由半固體狀態不斷蒸發水分到體積不

再縮小時土的界限含水量，用表示。

17

注意：塑限、液限、縮限是一個含水量

二、粘性土的可塑性指標

粘性土可塑性指標除了塑限、液限、縮限外，還有

塑性指數和液性指數等指標。

①塑性指數一一指液限和塑限的差值（省去%號）,

即土處在可塑狀態的含水量變化范圍，用表示。

Ip=-注意：計算時含水量要去百分號

結論:塑性指數表示土處在可塑

狀態的含水量變化范圍，顯然，塑

性指數愈大，土處于可塑狀態的含

水量范圍也愈大。塑性指數的大小與

土中結合水的可能含量有關，土中

結合水的含量與土的顆粒組成、礦物

組成以及土中水的離子成分和濃度

等因素有關。其值的大小取決于土顆

粒吸附結合水的能力,亦即與土中粘

粒含量有關。粘粒含量越多，土的比

表面積越大,塑性指數就越高。

應用：根據其值大小對粘性土進行

分類。

②液性指數一一粘性土的天然含水量

和塑限的差值與塑性指數之比。用

表示。土質愈軟；反之,

土質愈硬。

18

(0-COCO-CD

_______rn_rn

L；

h^L~MP

(OY叫)IL<0堅硬狀態

0<//<1可塑狀態

(①A①L)L>1.流動狀態

用途：根據其值大小判定土的軟硬狀態

粘性土的狀態(GB50007)

狀態~5區—'一品言—可塑軟朗;流一

質性指數Z1X0I0<ZLC0.250.25<ZL<0,750.75</L<1-0ZL>1.0

粘性土的狀態按液性指數的劃分(JTJ024-85)

可費狀態

分級堅硬、半堅硬狀態流熨狀態

硬塑軟塑

液性指數ZL<00<ZL<0.50.5<ZL<1.0

注：粘性土界限含水量指標、都是采用重塑土

測定的，它是天然結構完全破壞的重塑土的物理

狀態界限含水量。因此，保持天然結構的原狀土,

在其含水量達到液限以后，并不處于流動狀態。

三、粘性土的結構性和觸變性

L結構性

結構性一一指天然土的結構受到擾動影響而

改變的特性。一般用靈敏度衡量。當土受到擾動時,

土的平衡體系破壞，土的強度降低和壓縮性增大。

靈敏度一一以原狀土的強度與該土經重塑(土

的結構性徹底破壞)后的強度之比來表示。重塑試

樣與原狀試樣具有相同的尺寸、密度和含水量。

對于飽和粘性土的靈敏度可按下式

計算:

原狀試樣的無側限抗壓強度，kPa;

19

——重塑試樣的無側限抗壓強度，kPao

根據靈敏度將飽和粘性土分為：

1<5.<2低靈敏

2<5,<4中靈敏

S,〉4高靈敏

土的靈敏度越高，其結構性越強，受擾動后土的強

度降低越多。

2觸變性

觸變存一一粘性土的結構受到擾動，導致強度降

低，但當擾動停止后，土的強度又隨時間而逐漸

增大，粘性土的這種抗剪強度隨時間恢復的膠體

化學性質稱為土的觸變性。

四、粘性土的脹縮性、濕陷性和凍脹性

1知?吐+的賬縮性

病性土由于含汞量的增加而發生體積增大的

性能稱膨脹性；由于土中水分蒸發而引起體積減少

的性能稱收縮性；兩者統稱脹縮性。

粘性土的膨脹性和收縮性對基坑、邊坡、坑道

及地基土的穩定性有著很重要的意義。

(1)膨脹性(expansibility)

粘性土的膨脹性常用下列指標表示:

①自由膨脹率：原狀土樣膨脹后體積

的增量與原體積之比，以百分率表示。

。

A——xlOO%

匕一匕

一—試樣初始體積,取量土杯的容積

為10ml；

膨脹穩定后測得50mL容積的量筒

內試樣體積，mlo

②常用線膨脹率：

式中：一一土樣原來的高度,cm

20

土樣膨脹穩定后的高度,cm

膨脹系數一若直接以小數表示時，稱膨脹系

數。

較小的膨脹土，膨脹潛勢較弱，建筑物損壞輕

微；高的土，具有強的膨脹潛勢，則較多建筑物

將遭到嚴重破壞。

(2)收縮性(shrinkage)

粘性土的收縮性是由于水分蒸發引起的。

當土中含水率小于收縮限Ws時，土體積收縮

極小；隨著含水率的增加，土體積增大，當含水率

大于液限時，土體坍塌。

表征粘性土的收縮性指標有：

①體縮率es:試樣收縮減小的體積與收

縮前體積的比值。以百分率表之。

4二及二^、100%

火中:VO——收縮前的體積,cm3

V——收縮后的體積,cm3

②線縮率esl：試樣收縮后的高度減小量

與原高度之比，以百分率表之。

G=^^xlOO%

式申：/“------試樣原始高度,cm

——試樣經收縮后的高度,cm

2.土的濕陷性

土的濕陷性一一指土在自重壓力作用下或

自重壓力和附加壓力綜合作用下，受水浸濕后，使

土的結構迅速破壞而發生顯著的附加下陷特征,

以濕陷系數值衡量，由室內壓縮試驗測定。

eJi；

一壓縮儀中原狀試樣加壓壓縮穩定后的試

21

樣高度

——壓縮儀中原狀試樣加壓壓縮穩定后，再

加水浸濕下沉穩定后的高度；

%——土樣的原始高度。

對黃土：，為非濕陷性黃土；

,為濕陷性黃土。

土的凍脹性

主3.的凍宸性一一指土的凍脹和凍融給建筑物或土

工建筑物帶來危害的變形特性0

危害：使路基隆起，使柔性路面鼓包、開裂、傾斜、

甚至倒塌；解凍后土層軟化，強度降低。

1.6土的分類標準

一、土的分類原則

土的分類體系就是根據土的工程性質差異將

土劃分成一定的類別。

兩大類土的工程分類體系：

1.建筑工程系統的分類體系：側重于把土作為建

22

筑地基和環境，以原狀土為基本對象。注重土的天

然結構性。

2.工程材料和系統的分類體系：側重于把土作為

建筑材料，用于路堤、土壩和填土地基等工程。以

擾動土為基本對象，注重土的組成，不考慮土的天

然結構性。

土的分類標準

國標《土的分類標準》

(GBJ145-90)的分類體系：

廠fitt±<

I麻石

C畿合巨敕土

含巨做的土<

［無機土《I巨觸混合土

林+｛礫類土

廠一般土1砂類土

<?±

g-Q土

工程用土V-有機土

黃土

(特殊士

【紅帖殳等

土的總分類體系

1.巨粒土和粗粒土的分類標準

(1)幾個概念

巨粒：粒徑的土粒；

巨粒土：

含巨粒的

±:混合巨粒土：

巨粒混合土：

粗粒土：礫類土：

砂類土：

(2)分類

巨粒土和含巨粒的土的分類

±類粒組含量土代號土名稱

巨粒(d>60mm)漂石粒W>200mm)>50%B漂石

巨粒土

含量100%?75%漂石粒工50%Cb卵石

混合巨粒含量漂石粒>50%BSI混合土漂石

巨粒土<75%,>50%潦石粒工50%CbSl混合土卵石

巨粒巨粒含量黑石粒,卵石粒(4460?200mm)SIB煤石混合土

混合土50%?15%漂石粒《卵石粒SICb卵石混合土

23

殊類土的分類（2mmVd460mm礫粒組含量>50%）

粒組含量土代號土名稱

細粒含量級附：95,C-1?3GW級配良好礫

<5%級相：不同時滿足上述要求GP級配不良礫

9K土礫細粒含量5%?15%GF含細粒土礫

細粒含量細粒為粘土GC粘土質碌

>15%,《50%細粒為粉土GM粉土質礫

件：細粒粒組包括粉枝（0.005mm<?/<0.075mm）和粘粒（d40.005mm）.

砂類土的分類（礫粒組含量￡50%）

-類粒組含最土代號土名稱

細粒含量級配：05,G=1?3SW級配良好砂

眇

V5%級配：不同時滿足上述要求SP級配不良砂

￡粒土砂細粒含量5%?15%SF含細粒土砂

細粒含疑細粒為粘土SC粘土質砂

魚紇土質砂

>15%,<50%細粒為粉土SM粉土質砂

2.細粒土的分類標準

細粒土一一試樣中粗粒組（0.075m???<d<6O/77Z??）含

量少于25%的土。

含粗粒的細粒土一一試樣中粗粒含量為

25%?50%的土。

當采用我國錐式液限儀測定液限時，利用塑

性圖（或下表）進行分類：

60

50

40

30

20

10

塑性圖（采用錐式液限儀）望性圖（采用碟式液限儀）

24

細粒土的分類

土的弧性指標在期性圖中的位置

土代號土名稱

塑性指數I?液限WL（%）

_---

WL^40CH高液限粘土

Zp>0.63(WL-20)和

w.<40CL低液限粘土

——

WL)40MH闔液限粉土

/P<0.63(WL-20)和"<10

W.<40ML低液限粉土

兩條經驗界限：

斜線為A線，作用是區分有機土和無機

土、粘土和粉土,A線上側是粘土，下側是粉土，豎

線為B線，作用是區分高塑性土（高液限土）和低

塑性土（低液限土）。

在A線以上的土為粘土：

液限大于40的士稱為高塑性粘土CH,液限小于

40的為低塑性粘土CL；

在A線以下的土為粉土：

液限大于40的士稱為高塑性粉土

MH,液限小于40的為低塑性粘土ML；

若土樣處于A線以上，而塑性指數在7?10之間,

則土的分類應給以相應的搭界分類CL-MLo

含粗粒的細粒土分類：按塑性圖并根據所含粗粒

類型進分分類

（1）當粗粒中礫粒占優勢，稱為含礫細粒土,

在細粒土代號后綴加G,例

含礫低液限粘土，代號CLG；

（2）當粗粒中砂粒占優勢，稱為含砂細粒土,

在細粒土代號后綴加S,例

含砂高液限粘土，代號CHS；

25

若細粒土內含部分有機質，則土名交加“有機質”,

對有機質細粒土的代號后綴代號為O,例，低液限

有機質粉土，代號MLO。

1.7地基土的工程分類

1.按沉積年代和地質成因劃分

地基土按沉積年代可劃分為：①老沉積土:

第四紀晚更新世及其以前沉積的土,般呈超固

結狀態。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。

根據地質成因可分為：殘積土、坡積土、洪積

土、沖積土、湖積土、海積土、淤積土、風積土和

冰積土等。

2.按顆粒級配（粒度成分）和塑性指標劃分

土按顆粒級配和塑性指標分為：碎石類土、砂

土、粉土和粘性土。

地基土的分類是根據不同的原則將其劃分為

一定的類別，同一類別的土在工程地質性質上應

比較接近。土的合理分類具有很大的實際意義，例

如根據分類名稱可以大致判斷土的工程特性、評價

土作為建筑材料的適宜性及結合其他指標來確定

地基的承載力等。

作為建筑場地和地基的土的分類一般可按下

列原則進行：

1、根據地質成因可分為殘積土、坡積土、洪

積土、沖積土、風積土等。

2、根據顆粒級配或塑性指數可分為碎石土、

砂土、粉土和粘性土。

3、根據土的工程特性的特殊性質可分為一般

土和特殊生。

（1）無粘性土

26

無粘性土一般指碎石土和砂土。

碎石土——粒徑大于2mm的顆粒含量超過全

重的50%的土。

碎石土根據粒組含量及形狀按下表分類。

碎石土分類

上的名稱翦粒形狀顆粒級配

9石圓形及亞謖形為主

粒徑大亍200mm的顆粒含量超過全重50%

成石校角形為主

隨石圓形及亞尻形為主

粒徑大于20mm的顆粒含量超過全重50%

碎石校角形為主

3E礫圓形及亞圓形為主

粒徑大于2mm的顆粒含量超過全重50%

用礫校角形為主

注，定名時應根據顆粒緩配由大到小以最先符合者確定.

砂土——粒徑大于砂土分類

2mm的顆粒含量不超過上的名棟麒粒級配

砂粒徑大于2mm的顆粒含魚占全血25%?50%

全重50%、且粒徑大于毛砂粒徑大于。.5mm的顆粒含量超過全重50%

0.075mm的顆粒超過全重*砂粒徑大于25mm的顆粒含址超過全重50%

走砂粒徑大于0.075mm的限粒含量超過全重85%

50%的土。叱砂粒徑大于“075mm的U粒含量超過全貪50%

砂土按粒組含量(顆粒級注：定名時應根據顆粒圾配由大到小以最先符合者確定.

配)分類如下表。

(2)粉土：介于無粘性土與粘性土之間，是指粒

徑大于0.075mm的顆粒含量不超過全重50%,塑

性指數的土。

可根據顆粒級配分為粘質粉土和砂質粉土:

粉土的顆粒級配中0.05—0.1mm和0.005—

0.05mm的粒組占絕大多數，而水與土粒之間的作

用是明顯不同于粘性土和砂土，這主要表現〃粉粒

〃的特性。其工程性質介于粘性土和砂土之間。若

用含水量接近飽和的粉土，團成小球，放在掌上

左右反復搖幌，并以另一手震擊，則土中水迅速

滲出，并呈現光澤，這是野外鑒別時常用方法之

27

(3)粘性土

粘性土是一一指塑性指數的土。粘性土

粉質粘土10Y/p417

［粘土：/P>17

(3)特殊土

特殊土一一具有一定分布區域或工程意義，具有

特殊成分狀態和結構特征的土。有濕陷性土、紅粘

土、軟土(包括淤泥、淤泥質土、泥炭質土、泥炭

等)、混合土、填土、凍土、)脹巖土、鹽漬巖土、

風化巖和殘積土、污染土等。

二、公路橋涵地基土的分類

三、公路路基土的分類

第二章土的滲透性及滲流

2.1概述

滲透性(透水性)一一土體被液體透過的性質O

滲透一一在水位差作用下，水透過土體孔隙

的現象。

滲流一一液體在土孔隙或其他透水性介質中

的流動。

土的滲透性研究包括三個方面：

(1)滲流量：如滲水量及排水量計算；

(2)滲透破壞問題：滲流力一一滲流對土顆粒施

加的作用力。

28

滲流力過大使土體產生滲透變形，甚至滲透破壞,

如邊坡破壞，地面隆起，堤壩失穩等。

（3）滲流控制問題：如降低水位差，防滲等。

2.2土的滲透性

一、土的層流滲透定律

（1）達西定律

試驗發現：單位時間內的滲出水量與

水力梯度和圓筒斷面積A成正比，且與土的透

水性能有關，即

q=kiA

,=』=心

AL

——試樣兩端的水頭差，cm或叱

L---滲徑長度；cm或m；

k―-滲透系數,cm/s或m/d；其物理意義是當水力

梯度i等于1時的滲透速度;

（2）達西定律的適用范圍與起始水力坡降

對于密實的粘土：由于結合水具有較大的粘

滯阻力，只有當水力梯度達到某一數值，克服了結

合水的粘滯阻力后才能發生滲透。

起始水力梯度一一使粘性土開始發生滲透時

的水力坡降。

粘性土滲透系數與水力坡降的規律偏離達西定律

而呈非線性關系，如圖（b）中的實線所示，常用虛

直線來描述密實粘土的滲透規律。

v=k（i-ih）

式中密實粘土的起始水力坡降:

29

對于粗粒土中（如礫、卵石等）：在較小的i

下,v與i才呈線性關系，當滲透速度超過臨界流速

vet時，水在土中的流動進入紊流狀態，滲透速度

與水力坡降呈非線性關系，如圖（C）所示，此時,

達西定律不能適用。

土的滲透速度與水力梯度的關系

Q）砂土，3）密實粘土jQ）礫土

【注意】由上式求出的V

是一種假想的平均流速，假定水在土中的滲透是

通過整個土體截面來進行的。土粒本身是不能透水

的，故真實的過水斷面面積應小于整個斷面積，

所以實際平均流速大于（假想平均流速），關

系如下：

q=vA=vrAr

若均質砂土的孔隙率為，則

vAv

Vr~~nA~~n

二、滲透試驗與滲透系數

滲透系數是一個代表土的滲透性強弱的定量指標,

也是滲透計算時必須用到的一個基本參數。

1.滲透系數的確定

主要分現場試驗和室內滲透試驗兩大類，一

般說，現場試驗比室內試驗所得到的成果要準確

可靠。

（1）菱驗室測定法：常水頭試驗法，透水性大的砂

性土

30

變水頭試驗法，透水性小的無粘性土

①常水頭試驗

適用：透水性大(k>10-3cm/s)的土，例如砂土。

常水頭試驗就是在整個試驗過程中，水頭保持不

變。試驗時測出某時間間隔t內流過試樣的總水量

,根據達西定律

Q=qt=kiAt=k—At

即

常水頭試驗裝置

②變水頭試驗

適用：滲透系數很小的土，如粘土。

粘性土由于滲透系數很小，流經試樣的總水

量也很小，不易準確測定。因此，應采用變水頭試

驗。

變水頭試驗就是在整個試驗過程中，水頭隨

時間而變化的一種試驗方法。設細玻璃管的內截面

積為，試驗開始后任一時刻變水頭的水位差

為