《土力學(xué)》.doc

緒論緒論 土質(zhì)學(xué)、土力學(xué)都是研究土的學(xué)科，目的是解決工程建筑中有關(guān)土的工程 技術(shù)問題。 土的形成經(jīng)歷了漫長的地質(zhì)歷史過程，它是地質(zhì)作用的產(chǎn)物，是一種礦物 集合體，為由多種組成的多相分散系統(tǒng)。其主要特征是分散性、復(fù)雜性和易變 性，極易受到外界環(huán)境（溫度、濕度等）的變化而發(fā)生變化。由于土的形成過 程不同，加上自然環(huán)境的不同，使土的性質(zhì)有著極大的差異，而人類工程活動(dòng) 又促使土的性質(zhì)發(fā)生變異。因此在進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)，必須密切結(jié)合土的實(shí)際性 質(zhì)進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工，在預(yù)測到因土性質(zhì)的變異帶來的危害，并加以改良，否則 會(huì)影響工程的經(jīng)濟(jì)合理性和安全使用。 土質(zhì)學(xué)是一門屬于地質(zhì)學(xué)范疇的科學(xué)，是從工程地質(zhì)觀點(diǎn)（即從工程建筑 物與自然地質(zhì)體相互作用、相互制約角度出發(fā)的觀點(diǎn)）去研究土的，它是地質(zhì) 學(xué)觀點(diǎn)和力學(xué)觀點(diǎn)的有機(jī)結(jié)合，其理論性和實(shí)踐性很強(qiáng)。土質(zhì)學(xué)研究的內(nèi)容主 要包括以下幾個(gè)方面： 1土的工程地質(zhì)性質(zhì)，包括物理性質(zhì)、水理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)，如干密度、 干濕狀況、孔隙特征、與水相互作用表現(xiàn)出的性質(zhì)及在外力作用下表現(xiàn)出的變 形和強(qiáng)度特征。 2土的工程地質(zhì)性質(zhì)的形成和分布規(guī)律；土的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造對(duì)土的 工程地質(zhì)性質(zhì)的影響。 3土的工程地質(zhì)性質(zhì)指標(biāo)的測試方法和測試技術(shù)。 4土的工程地質(zhì)分類。 5土的工程地質(zhì)性質(zhì)在自然或人為因素作用下的變化趨勢(shì)和變化規(guī)律，預(yù) 測這種變化對(duì)各種建筑物的危害。 6特殊土的工程地質(zhì)特征。 土力學(xué)是屬于工程力學(xué)范疇的科學(xué)，是運(yùn)用力學(xué)原理，同時(shí)考慮到土作為 分散系特征來求得量的關(guān)系，其力學(xué)計(jì)算模型必須建立在現(xiàn)場勘察和實(shí)測土的 計(jì)算參數(shù)（即工程地質(zhì)性質(zhì)指標(biāo)）的基礎(chǔ)上，因此土力學(xué)也是一門理論性和實(shí) 踐性很強(qiáng)的學(xué)科。它研究的內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面： 1土的應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系。 2土的強(qiáng)度及土的變形和時(shí)間的關(guān)系。 3土在外荷作用下的穩(wěn)定性計(jì)算。 土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)雖各屬不同學(xué)科范疇，但彼此間關(guān)系十分密切。隨著科學(xué) 的不斷發(fā)展，這兩門學(xué)科的相互結(jié)合已成為必然的發(fā)展趨勢(shì)。土質(zhì)學(xué)需吸取土 力學(xué)中運(yùn)用數(shù)學(xué)、力學(xué)等最新理論去研究土的工程地質(zhì)性質(zhì)的本質(zhì)；土力學(xué)將 吸取土質(zhì)學(xué)從成因及微觀結(jié)構(gòu)等認(rèn)識(shí)土的性質(zhì)本質(zhì)的研究成果去研究與工程建 筑有關(guān)的土的應(yīng)力、應(yīng)變、強(qiáng)度和穩(wěn)定性等力學(xué)問題。本課程把土質(zhì)學(xué)與土力 學(xué)結(jié)合在一起就是順應(yīng)了科學(xué)發(fā)展的這種趨勢(shì)，顯示了完整性和系統(tǒng)性，它定 能更好地解決實(shí)際工程中有關(guān)土的問題。 第一章第一章 土的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)土的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu) 第一節(jié) 土的形成 一、土和土體的概念 1土(soil) 地球表面 3080km 厚的范圍是地殼。地殼中原來整體堅(jiān)硬的巖石，經(jīng)風(fēng)化、剝蝕搬 運(yùn)、沉積，形成固體礦物、水和氣體的集合體稱為土。 土是由固體相、液相、氣體三相物質(zhì)組成；或土是由固體相、液體相、氣體相和有機(jī) 質(zhì)（腐殖質(zhì)）相四相物質(zhì)組成。 不同的風(fēng)化作用，形成不同性質(zhì)的土。風(fēng)化作用有下列三種：物理風(fēng)化、化學(xué)風(fēng)化、 生物風(fēng)化。 2 “土體”(soil mass) 土體不是一般土層的組合體，而是與工程建筑的穩(wěn)定、變形有關(guān)的土層的組合體。 土體是由厚薄不等，性質(zhì)各異的若干土層，以特定的上、下次序組合在一起的。 二、 土和土體的形成和演變 地殼表面廣泛分布著的土體是完整堅(jiān)硬的巖石經(jīng)過風(fēng)化、剝蝕等外力作用而瓦解的碎 塊或礦物顆粒，再經(jīng)水流、風(fēng)力或重力作用、冰川作用搬運(yùn)在適當(dāng)?shù)臈l件下沉積成各種類 型的土體。 再搬運(yùn)過程中，由于形成土的母巖成分的差異、顆粒大小、形態(tài)，礦物成分又進(jìn)一步 發(fā)生變化，并在搬運(yùn)及沉積過程中由于分選作用形成在成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和性質(zhì)上有規(guī)律 的變化。 土體沉積后： a.將經(jīng)過生物化學(xué)及物理化學(xué)變化，即成壤作用，形成土壤 （1）靠近地表的土體 b. 未形成土壤的土，繼續(xù)受到風(fēng)化、剝蝕、侵蝕而再破碎、 再搬運(yùn)、再沉積等地質(zhì)作用。 （2）時(shí)代較老的土，在上覆沉積物的自重壓力及地下水的作用下，經(jīng)受成巖作用，逐漸固 結(jié)成巖，強(qiáng)度增高，成為“母巖” 。 總之，土體的形成和演化過程，就是土的性質(zhì)和變化過程，由于不同的作用處于不同 的作用階段，土體就表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。 三、 土的基本特征及主要成因類型 （一）土的基本特征 從工程地質(zhì)觀點(diǎn)分析，土有以下共同的基本特征： 1土是自然歷史的產(chǎn)物 土是由許多礦物自然結(jié)合而成的。它在一定的地質(zhì)歷史時(shí)期內(nèi)，經(jīng)過各種復(fù)雜的自然 因素作用后形成各類土的形成時(shí)間、地點(diǎn)、環(huán)境以及方式不同，各種礦物在質(zhì)量、數(shù)量和 空間排列上都有一定的差異，其工程地質(zhì)性質(zhì)也就有所不同。 2土是相系組合體 土是由三相（固、液、氣）或四相（固、液、氣、有機(jī)質(zhì)）所組成的體系。相系組成 之間的變化,將導(dǎo)致土的性質(zhì)的改變。土的相系之間的質(zhì)和量的變化是鑒別其工程地質(zhì)性質(zhì) 的一個(gè)重要依據(jù)。它們存在著復(fù)雜的物理化學(xué)作用。 3土是分散體系 由二相或更多的相所構(gòu)成的體系，其一相或一些相分散在另一相中，謂之分散體系。 根據(jù)固相土粒的大小程度(分散程度)，土可分為粗分散體系（大于 2） ，細(xì)分散體系， （20.1） ，膠體體系（0.10.01） ，分子體系（小于 0.01） 。分散體系的性質(zhì)隨 著分散程度的變化而改變。 粗分散與細(xì)分散和膠體體系的差別很大。細(xì)分散體系與膠體具有許多共性，可將它們 合在一起看成是土的細(xì)分散部分。土的細(xì)分散部分具有特殊的礦物成分，具有很高的分散 性和比表面積，因而具有較大的表面能。 任何土類均儲(chǔ)備有一定的能量，在砂土和粘土類土中其總能量系由內(nèi)部儲(chǔ)量與表面能 量之和構(gòu)成，即： E總E內(nèi)E表 4土是多礦物組合體 在一般情況下，土將含有 510 種或更多的礦物，其中除原生礦物外，次生粘土礦物 是主要成分。粘土礦物的粒徑很?。ㄐ∮?0.002mm） ，遇水呈現(xiàn)出膠體化學(xué)特性。 （二）土體的主要成因類型 按形成土體的地質(zhì)營力和沉積條件（沉積環(huán)境） ，可將土體劃分為若干成因類型：如 殘積、坡積、洪積 現(xiàn)就介紹幾種主要的成因類型、土體的性質(zhì)成分及其工程地質(zhì)特征。 1殘積土體的工程地質(zhì)特征 殘積土體是由基巖風(fēng)化而成，未經(jīng)搬運(yùn)留于原地的土體。它處于巖石風(fēng)化殼的上部， 是風(fēng)化殼中劇風(fēng)化帶。 殘積土一般形成剝蝕平原 影響殘積土工程地質(zhì)特征因素主要是氣候條件和母巖的巖性： 1）氣候因素 氣候影響著風(fēng)化作用類型 從而使得不同氣候條件不同地區(qū)的殘積土具有特定的粒 度成分、礦物成分、化學(xué)成分。 干旱地區(qū)：以物理風(fēng)化為主，只能使巖石破碎成粗碎屑物和砂礫，缺乏粘土礦物， 具有礫石類土和工程地質(zhì)特征。 半干旱地區(qū)：在物理風(fēng)化的基礎(chǔ)上發(fā)生化學(xué)變化，使原生的硅酸鹽礦物變成粘土 礦物；但由于雨量稀少，蒸汽量大，故土中常含有較多的可溶鹽類；如碳酸鈣、硫酸鈣等。 潮濕地區(qū)：a、在潮濕而溫暖，排水條件良好的地區(qū)，由于有機(jī)質(zhì)迅速腐爛，分解 出 CO2，有利于高嶺石的形成。b、在潮濕溫暖而排水條件差的地區(qū)，則往往形成蒙脫石。 可見：從干旱、半干旱地區(qū)至潮濕地區(qū)，土的顆粒組成由粗變細(xì)；土的類型從礫石類 土過渡到砂類土、粘土。 2）.母巖因素 母巖的巖性影響著殘積土的粒度成分和礦物成分； 酸性火成巖 含較多的粘土礦物，其巖性為粉質(zhì)粘土或粘土； 中性或基性火成巖 易風(fēng)化成粉質(zhì)粘土； 沉積巖大多是松軟土經(jīng)成巖作用后形成的，風(fēng)化后往往恢復(fù)原有松軟土的特點(diǎn)，如： 粘土巖 粘土；細(xì)砂巖 細(xì)砂土等。 殘積物的厚度在垂直方向和水平方向變化較大；這主要與沉積環(huán)境、殘積條件有關(guān) （山丘頂部因侵蝕而厚度較?。簧焦鹊屯萏巹t厚度較大。 ） 殘積物一般透水性強(qiáng)，以致殘積土中一般無地下水。 2坡積土體的工程地質(zhì)特征 坡積土體是殘積物經(jīng)雨水或融化了的雪水的片流搬運(yùn)作用，順坡移動(dòng)堆積而成的，所 以 其物質(zhì)成分與斜坡上的殘積物一致。坡積土體與殘積土體往往呈過渡狀態(tài)，其工程地質(zhì)特 征也很相似。 巖性成分多種多樣； 一般見不到層理； 地下水一般屬于潛水，有時(shí)形成上層滯水 坡積土體的厚度變化大，由幾厘米至一二十米，在斜坡較陡處薄，在坡腳 地段厚。一般當(dāng)斜坡的坡角越陡時(shí)，坡腳坡積物的范圍越大。 3洪積土體的工程地質(zhì)特征 洪積土體是暫時(shí)性、周期性地面水流山洪帶來的碎屑物質(zhì)，在山溝的出口地方堆 積而成。 洪積土體多發(fā)育在干旱半干旱地區(qū)，如我國的華北、西北地區(qū)。 其特征為：距山口越近顆粒越粗，多為塊石、碎石、礫石和粗砂，分選差，磨圓度低、 強(qiáng)度高，壓縮性小；（但孔隙大，透水性強(qiáng)） 距山口越遠(yuǎn)顆粒越細(xì)，分選好，磨圓度高，強(qiáng)度低，壓縮性高。 此外：洪積土體具有比較明顯的層理（交替層理、夾層、透鏡體等） ；洪積土體中地 下水一般屬于潛水。 4湖積土體的工程地質(zhì)特征 湖積土體在內(nèi)陸分布廣泛，一般分為淡水湖積土和咸水湖積土。 淡水湖積土：分為湖岸土和湖心土兩種。 湖岸多為礫石土、砂土或粉質(zhì)砂土； 湖心土主要為靜水沉積物，成分復(fù)雜，以淤泥、粘性土為主，可見水平層理。 咸水湖積物以石膏、巖鹽、芒硝及 RCO3巖類為主，有時(shí)以淤泥為主。 分布面積有限，且厚度不大 總之，湖積土體具有以下工程地質(zhì)特征 具獨(dú)特的產(chǎn)狀條件 粘土類湖積物常含有機(jī)質(zhì)、各種鹽類及其 它混合物 具層理性，具各向異性 5沖積土體的工程地質(zhì)特征 沖積土體是由于河流的流水作用，將碎屑物質(zhì)搬運(yùn)堆積在它侵蝕成的河谷內(nèi)而形成的。 沖積土體主要發(fā)育在河谷內(nèi)以及山區(qū)外的沖積平原中，一般可分為三個(gè)相：即河床相， 河漫灘相、牛軛湖相。 1）河床相：主要分布在河床地帶，沖積土一般為砂土及礫石類土，有時(shí)也夾有粘土 透鏡體，在垂直剖面上土粒由下到上，由粗到細(xì)，成分較復(fù)雜，但磨圓度較好。 山區(qū)河床沖積土厚度不大，一般為 10 米左右；而平原地區(qū)河床沖積土則厚度很大， 一般超過幾十米，其沉積物也較細(xì)。 河床相物質(zhì)是良好的天然地基。 2）河漫灘相沖積土是由洪水期河水將細(xì)粒懸浮物質(zhì)帶到河漫灘上沉積而成的。一般 為細(xì)砂土或粘土，覆蓋于河床相沖積土之上。常為上下兩層結(jié)構(gòu)，下層為粗顆粒土，上層 為泛濫的細(xì)顆粒土。 3）牛軛湖相沖積土是在廢河道形成的牛軛湖中沉積下來的松軟土。由含有大量有機(jī) 質(zhì)的粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)砂土、細(xì)砂土組成，沒有層理。 河口沖積土：由河流攜帶的懸浮物質(zhì)，如粉砂、粘粒和膠體物質(zhì)在河口沉積的一套淤 泥質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土或淤泥，形成河口三角洲。往往作為港口建筑物的地基。 另外，還有很多類型：冰川、崩積、風(fēng)積、海洋沉積、火山等等。 第二節(jié) 土的三相組成 土是由固體顆粒，液體水和氣體三部分組成，稱為土的三相組成。土中的固體礦物構(gòu) 成骨架，骨架之間貫穿著孔隙，孔隙中充填著水和空氣，三相比例不同，土的狀態(tài)和工程 性質(zhì)也不相同。 固體+氣體（液體=0）為干土，干粘土較硬，干砂松散； 固體液體氣體為濕土，濕的粘土多為可塑狀態(tài)； 固體液體（氣體=0）為飽和土，飽和粉細(xì)砂受震動(dòng)可能產(chǎn)生液化；飽和粘土地基沉 降需很長時(shí)間才能穩(wěn)定。 由此可見，研究土的工程性質(zhì)，首先從最基本的、組成土的三相，即固體相、水和氣 體本身開始研究。 一、 土的固體顆粒 研究固體顆粒就要分析粒徑的大小及其在土中所占的百分比，稱為土的粒徑級(jí)配（粒 度成分） 。 此外，還要研究固體顆粒的礦物成分以及顆粒的形狀。 （一）粒徑級(jí)配（粒度成分） 隨著顆粒大小不同，土可以具有很不相同的性質(zhì)。顆粒的大小通常以粒徑表示。工程 上按粒徑大小分組，稱為粒組，即某一級(jí)粒徑的變化范圍。 劃分粒組的兩個(gè)原則： （1）首先考慮到在一定的粒徑變化范圍內(nèi)，其工程地質(zhì)性質(zhì)是相似的，若超越了這個(gè) 變化幅度就要引起質(zhì)的變化。 （2）要考慮與目前粒度成分的測定技術(shù)相適應(yīng)。 此外，要便于記憶。 目前，我國廣泛應(yīng)用的粒組劃分方案見教材 P11 表 2-1 所示。將粒徑由大至小劃分為 六個(gè)粒組（1）漂石或塊石組；（2）卵石（碎石）組；（3）礫石；（4）砂粒組；（5）粉 粒組；（6）粘粒組 實(shí)際上，土常是各種大小不太顆粒的混合體，較籠統(tǒng)的說，以礫石和砂礫為主要組成 的土為粗粒土，也稱無粘性土。其特征為：孔隙大、透水性強(qiáng)，毛細(xì)上升，高度很小，既 無可塑造性，也無脹縮性，壓縮性極弱，強(qiáng)度較高。以粉粒、粘粒（或膠粒5 時(shí)，稱為CuCu 不均粒土；10 的土屬級(jí)配良好。2).經(jīng)驗(yàn)證明，當(dāng)級(jí)配連續(xù)時(shí)，的范圍約為CuCc 13；因此當(dāng)3 時(shí)，均表示級(jí)配線不連續(xù)。CcCc 從工程上看：5 且13 的土，稱為級(jí)配良好的土；不能同時(shí)滿足上述兩個(gè)CuCc 要求的土，稱為級(jí)配不良的土。 （二）土粒成分 土中固體部分的成分，絕大部分是礦物質(zhì)，另外或多或少有一些有機(jī)質(zhì)，而土粒的礦 物成分主要決定于母巖的成分及其所經(jīng)受的風(fēng)化作用。不同的礦物成分對(duì)土的性質(zhì)有著不 同的影響，其中以細(xì)粒組的礦物成分尤為重要。 土中的礦物成分由下圖所示： 原生礦物 粘土礦物 不可溶的 倍半氧化物 次生礦物 次生氧化物 難溶鹽 可溶的 中溶鹽 腐植質(zhì) 易溶鹽 有機(jī)質(zhì) 泥炭 1、原生礦物 由巖石經(jīng)物理風(fēng)化而成，其成分與母巖相同。包括： （1）單礦物顆粒：如常見的石英、長石、云母、角閃石與輝石等，砂土為單礦物顆 粒。 （2）多礦物顆粒：母巖碎屑，如漂石、卵石與礫石等顆粒為多礦物顆粒。 但總的來說，土中原生礦物主要有：（1）硅酸鹽類礦物；（2）氧化物類礦物； （3）硫化物礦物；（4）磷酸鹽類礦物 2、次生礦物 巖屑經(jīng)化學(xué)風(fēng)化而成，其成分與母巖不同，為一種新礦物，顆粒細(xì)。包括 1).可溶性的 次生礦物；2).不可溶的次生礦物。 （1）可溶性的次生礦物主要指各種礦物中化學(xué)性質(zhì)活潑的 K、Na、Ca、Mg 及 Cl、S 等元素，這些元素呈陽離子及酸根離子，溶于水后，在遷移過程中，因蒸發(fā)濃縮作用形成 可溶的鹵化物，硫酸鹽和碳酸鹽。 （2）不可溶性的次生礦物有次生二氧化硅，倍半氧化物，粘土礦物。 1）.次生二氧化硅 硅酸鹽，由二氧化硅組成，例如：燧石、瑪瑙、蛋白石等都屬 這類礦物。 2）.倍半氧化物是由三價(jià)的 Fe、Al 和 O、OH、H2O 等組成的礦物，可用 R2O3表示 例如：針鐵礦 Fe2O3H2O 呈紅色 褐鐵礦 Fe2O33H2O 呈黃色 三水鋁石 Al2O3H2O 呈白色 3）.粘土礦物 粘土礦物的微觀結(jié)構(gòu)由兩種原子層（晶面）構(gòu)成：一種是由 Si-O 四面體構(gòu)成的硅氧晶 片；另一種是由 AlOH 八面體構(gòu)成的鋁氫氧晶片，因這兩種晶片結(jié)合的情況不同，形成三 種粘土礦物，蒙脫石，伊利石（水云母） 、高嶺石。 X 衍射分析，晶格距離 電子顯微鏡法（幾萬幾十萬倍） 外貌特征（攝像機(jī)） 粘土礦物的鑒定方法 差熱分析：加熱后的物理化學(xué)變化過程 薄片鑒定 3、有機(jī)質(zhì)：泥炭、腐植質(zhì) 動(dòng)植物殘骸 二、土中水 組成土的第二種主要成分是土中水。在自然條件下，土中總是含水的。土中水可以處 于液態(tài)、固態(tài)或氣態(tài)。土中細(xì)粒越多，即土的分散度越大，水對(duì)土的性質(zhì)的影響也越大。 研究土中水，必須考慮到水的存在狀態(tài)及其與土粒的相互作用。 存在于土粒礦物的晶體格架內(nèi)部或是參與礦物構(gòu)造中的水稱為礦物內(nèi)部結(jié)合水，它只 有在比較高的溫度（80680，隨土粒的礦物成分不同而異）下才能化為氣態(tài)水而與土粒 分離，從土的工程性質(zhì)上分析，可以把礦物內(nèi)部結(jié)合水當(dāng)作礦物顆粒的一部分。 存在于土中的液態(tài)水可分為結(jié)合水和自由水兩大類。 （一）結(jié)合水： 系指受電分子吸引力吸附于土粒表面的土中水，這種電分子吸引力高達(dá)幾千到幾萬個(gè) 大氣壓，使水分子和土粒表面牢固的粘結(jié)在一起。 結(jié)合水因離顆粒表面遠(yuǎn)近不同，受電場作用力的大小也不同，所以分為強(qiáng)結(jié)合水和弱 結(jié)合水。 1、強(qiáng)結(jié)合水（吸著水） 系指緊靠土粒表面的結(jié)合水，它的特征是：1）.沒有溶解鹽類的能力，2）.不能傳遞靜 水壓力，3）.只有吸熱變成蒸汽時(shí)才能移動(dòng)。 這種水極其牢固的結(jié)合在土粒表面上，其性質(zhì)接近于固體，密度約為 1.22.4g/cm3， 冰點(diǎn)為78，具有極大的粘滯度、彈性和抗剪強(qiáng)度。 如果將干燥的土移在天然濕度的空氣中，則土的質(zhì)量將增加，直到土中吸著的強(qiáng)結(jié)合 水達(dá)到最大吸著度為止。 土粒越細(xì)，土的比表面積越大，則最大吸著度就越大。砂土為 1，粘土為 17 2、弱結(jié)合水（薄膜水） 弱結(jié)合水緊靠于強(qiáng)結(jié)合水的外圍形成一層結(jié)合水膜。它仍然不能傳遞靜水壓力，但水 膜較厚的弱結(jié)合水能向臨近的較薄的水膜緩慢移動(dòng)。 當(dāng)土中含有較多的弱結(jié)合水時(shí)，土則具有一定的可塑性。砂土比表面積較小，幾乎不 具可塑性，而粘土的比表面積較大，其可塑性范圍較大。 弱結(jié)合水離土粒表面積愈遠(yuǎn)，其受到的電分子吸引力愈弱小，并逐漸過渡到自由水。 （二）自由水 自由水是存在于土粒表面電場影響范圍以外的水。它的性質(zhì)和普通水一樣，能傳遞靜 水壓力，冰點(diǎn)為 0，有溶解能力。 自由水按其移動(dòng)所受到作用力的不同，可以分為重力水和毛細(xì)水。 1、重力水 重力水是存在于地下水位一下的透水土層中的地下水，它是在重力或壓力差作用下運(yùn) 動(dòng)的自由水，對(duì)土粒有浮力作用，重力水對(duì)土中的應(yīng)力狀態(tài)和開挖基槽、基坑以及修筑地 下構(gòu)筑物時(shí)所應(yīng)采取的排水、防水措施有重要的影響。 2、毛細(xì)水 毛細(xì)水是受到水與空氣交界面處表面張力作用的自由水。其形成過程通常用物理學(xué)中 毛細(xì)管現(xiàn)象解釋。分布在土粒內(nèi)部相互貫通的孔隙，可以看成是許多形狀不一，直徑各異， 彼此連通的毛細(xì)管。 按物理學(xué)概念：在毛細(xì)管周壁，水膜與空氣的分界處存在著表面張力 T。水膜表面張 力的作用方向與毛細(xì)管壁成夾角，由于表面張力的作用，毛細(xì)管內(nèi)的水被提升到自由水 面以上高處。 c h 見教材 P12 頁圖所示。 分析高度為的水柱靜力平衡條件，因?yàn)槊?xì)管內(nèi)水面處即為大氣壓；若以大氣壓力 c h 為基準(zhǔn)，則該處壓力 Pa=0 故：cos2 2 Th wc （1） w c T h cos2 式中，水膜的張力 T（與溫度有關(guān)） ，當(dāng) 10時(shí)，T=0.0756g/cm 20時(shí)，T0.0742g/cm 方向角，其大小與土顆粒和水的性質(zhì)有關(guān)。 毛細(xì)管半徑 水的容重 w 若令0，則可求得毛細(xì)水上升的最大高度（） maxc h w c h 2 max 上式表明，毛細(xì)升高與毛細(xì)管半徑成反比；顯然土顆粒的直徑越小，孔隙的直徑 c h （毛細(xì)管直徑）越細(xì)，則愈大。 c h 毛細(xì)水的工程地質(zhì)意義： （1）產(chǎn)生毛細(xì)壓力（）：與一般靜水壓力的概念相同， c p cwc h T p cos2 它與水頭高度成正比。但自由水位以上，毛細(xì)區(qū)域內(nèi)，顆粒間所受的毛細(xì)壓力是倒 c h c p 三角形分布，彎液面處最大（） ，自由水面處為零。 c h w c h w 毛細(xì)壓力促使土的強(qiáng)度增高 毛細(xì)管中的負(fù)靜水 壓力 c h 自由水面 （2）毛細(xì)水對(duì)土中氣體的分布與流通起有一定作用，常是導(dǎo)致產(chǎn)生密閉氣體的原因。 （3）當(dāng)?shù)叵滤裆顪\，由于毛細(xì)管水上升，可助長地基土的冰凍現(xiàn)象；地下室潮濕； 危害房屋基礎(chǔ)及公路路面；促使土的沼澤化。 結(jié)構(gòu)水 礦物成分水 結(jié)晶水 強(qiáng)結(jié)合水 綜上：土中的水 佛石水 結(jié)合水 液態(tài)水 弱結(jié)合水 孔隙中的水 固態(tài)水 非結(jié)合水 毛細(xì)水 氣態(tài)水 重力水 三、土中氣體 土的孔隙中沒有被水占據(jù)的部分都是氣體。 1、土中氣體的來源 土中氣體的成因，除來自空氣外，也可由生物化學(xué)作用和化學(xué)反應(yīng)所生成。 2、土中氣體的特點(diǎn) （1）土中氣體除含有空氣中的主要成分 O2外，含量最多的是水汽，CO2,N2,CH4,H2S 等氣 體，并含有一定放射性元素。 空氣中 O2為：20.9 （2）土中氣體 O2含量比空氣中少 土中 O2為：10.3 土中氣體 CO2含量比空氣中高很多；空氣含量為 0.03，土中氣體為 10； 土中氣體中放射性元素的含量比在空氣中的含量大 2000 倍。 3、土中氣體按其所處狀態(tài)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可分為以下幾大類：吸附氣體、溶解氣體、密閉氣 體及自由氣體。 （1）吸附氣體： 由于分子引力作用，土粒不但能吸附水分子，而且能吸附氣體，土粒吸附氣體的厚度 不超過 23 個(gè)分子層。 土中吸附氣體的含量決定于礦物成分、分散程度、孔隙度、濕度及氣體成分等。 在自然條件下，在沙漠地區(qū)的表層中可能遇到比較大的氣體吸附量。 （2）溶解氣體 在土的液相中主要溶解有：CO2、O2水汽（H2O） ；其次為 H2、Cl2、CH4；其溶解數(shù) 值取決于溫度、壓力、氣體的物理化學(xué)及溶液的化學(xué)成分。 溶解氣體的作用主要為： a.改變水的結(jié)構(gòu)及溶液的性質(zhì)，對(duì)土粒施加力學(xué)作用； b.當(dāng) T、P 增高時(shí)，在土中可形成密閉氣體。 c.可加速化學(xué)潛蝕過程。 （3）自由氣體 自由氣體與大氣連通，對(duì)土的性質(zhì)影響不大。 （4）密閉氣體 封閉氣體的體積與壓力有關(guān)，壓力增大，則體積縮小；壓力減少，則體積增大。因此 密閉氣體的存在增加了土的彈性。 密閉氣體可降低地基的沉降量，但當(dāng)其突然排除時(shí)，可導(dǎo)致基礎(chǔ)與建筑物的變形。 密閉氣體在不可排水的條件下，由于密閉氣體可壓縮性會(huì)造成土的壓密。密閉氣體的 存在能降低土層透水性，阻塞土中的滲透通道，減少土的滲透性。 第三節(jié) 土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造 一、土的構(gòu)造 土顆粒之間的相互排列和連續(xù)形式，稱為土的結(jié)構(gòu)。 常見的土結(jié)構(gòu)有以下三種： 1、單粒結(jié)構(gòu)(particle structure)或 (single-grained structure) 粗顆粒土，如卵石、砂等。 2、蜂窩結(jié)構(gòu)(boneycomb structure) 當(dāng)土顆粒較細(xì)（粒級(jí)在 0.020.002mm 范圍） ，在水中單個(gè)下沉，碰到已沉積的土粒， 由于土粒之間的分子吸力大于顆粒自重，則正常土粒被吸引不再下沉，形成很大孔隙的蜂 窩狀結(jié)構(gòu)。 3、絮狀結(jié)構(gòu)（flocculent structure） 粒徑小于 0.005mm 的粘土顆粒，在水中長期懸浮并在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)，形成小鏈環(huán)狀的土 集粒而下沉。這種小鏈環(huán)碰到另一小鏈環(huán)被吸引，形成大鏈環(huán)狀的絮狀結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)在 海積粘土中常見。 上述三種結(jié)構(gòu)中，以密實(shí)的單粒結(jié)構(gòu)土的工程性質(zhì)最好，蜂窩狀其次，絮狀結(jié)構(gòu)最差。 后兩種結(jié)構(gòu)土，如因振動(dòng)破壞天然結(jié)構(gòu)，則強(qiáng)度低，壓縮性大，不可用作天然地基。 二、土的構(gòu)造 同一土層中，土顆粒之間相互關(guān)系的特征稱為土的構(gòu)造。覺見的有下列幾種： 1層狀構(gòu)造 土層由不同顏色，不同粒徑的土組成層理，平原地區(qū)的層理通常為水平層理。 層狀構(gòu)造是細(xì)粒土的一個(gè)重要特征。 2分散構(gòu)造： 土層中土粒分布均勻，性質(zhì)相近，如砂，卵石層為分散構(gòu)造。 3結(jié)核狀構(gòu)造 在細(xì)粒土中摻有粗顆?；蚋鞣N結(jié)核，如含礓石的粉質(zhì)粘土，含礫石的冰磧土等。其工 程性質(zhì)取決于細(xì)粒土部分。 4裂隙狀構(gòu)造 土體中有很多不連續(xù)的小裂隙，有的硬塑與堅(jiān)硬狀態(tài)的粘土為此種構(gòu)造。裂隙強(qiáng)度低， 滲透性高，工程性質(zhì)差。 三、研究方法簡介 不同的研究內(nèi)容有不同的研究方法，因此，土結(jié)構(gòu)研究方法較多，但與土的成分研究 方法相比，結(jié)構(gòu)研究方法還很不成熟。 目前常用的方法基本上分二大類：一類為直接方法，即對(duì)結(jié)構(gòu)形態(tài)特征進(jìn)行直接觀察， 如各種顯微鏡下觀察；二類是間接方法，即通過受試樣結(jié)構(gòu)控制的物理、力學(xué)性質(zhì)的測定 來分析土結(jié)構(gòu)特征，如：X 射線衍射，聲速，導(dǎo)電率，熱傳導(dǎo)率，磁化系數(shù)，彈性模量等。 現(xiàn)將粘性土結(jié)構(gòu)研究主要方法介紹如下： 1粒度成分分析（加分散劑）： 研究內(nèi)容：土的原始分散程度；說明組成土的原始結(jié)構(gòu)單元體的大小及其百分含量。 2團(tuán)粒成分分析（不加分散劑） 研究內(nèi)容：土的存在狀態(tài)分散程度，說明土存在狀態(tài)下結(jié)構(gòu)單元體的大小及其百分含 量。 3光學(xué)顯微鏡（光片、薄片觀察） 研究內(nèi)容：1)單元體的形狀，大?。?2）單元本的排列組合情況，利用雙折射率比值測定單元體定向程度； 3）單元體顆粒及膠結(jié)物的礦物成分； 4）孔隙形狀、大小、分布特征。 4電子顯微鏡（透射電鏡，樣品表面復(fù)型薄膜或超薄切片 ） 研究內(nèi)容（1）單元體形狀，大??； （2）單元體的排列組合情況； （3）孔隙形狀、大小、分布。 5掃描電鏡 研究內(nèi)容，同上。 6X 射線衍射分析 研究內(nèi)容：利用礦物晶體的 001 或 002 和 020 晶面衍射強(qiáng)度的比值半定量地確定結(jié)構(gòu) 單元體的定向程度。 7物理化學(xué)力學(xué)方法 研究內(nèi)容：通過宏觀上土的流變性測定土的結(jié)構(gòu)連接類型，用物理化學(xué)方法研究制約 土的性質(zhì)及結(jié)構(gòu)的物理化學(xué)因素 8化學(xué)分析：研究膠結(jié)物的成分及其含量等。 第二章第二章 土的物理性質(zhì)、水理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)土的物理性質(zhì)、水理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì) 第一節(jié) 土的物理性質(zhì) 土是土粒（固體相） ，水（液體相）和空氣（氣體相）三者所組成的；土的物理性質(zhì)就 是研究三相的質(zhì)量與體積間的相互比例關(guān)系以及固、液兩相相互作用表現(xiàn)出來的性質(zhì)。 土的物理性質(zhì)指標(biāo)，可分為兩類：一類是必須通過試驗(yàn)測定的，如含水量，密度和土 粒比重；另一類是可以根據(jù)試驗(yàn)測定的指標(biāo)換算的；如孔隙比，孔隙率和飽和度等。 一、土的基本物理性質(zhì) 土的三相圖（見教材 P62 圖） （一）土粒密度(particle density) 土粒密度是指固體顆粒的質(zhì)量 ms與其體積 Vs 之比；即土粒的單位體積質(zhì)量： g/cm3 s s s V m 土粒密度僅與組成土粒的礦物密度有關(guān)，而與土的孔隙大小和含水多少無關(guān)。實(shí)際上 是土中各種礦物密度的加權(quán)平均值。 砂土的土粒密度一般為：2.65 g/cm3左右 粉質(zhì)砂土的土粒密度一般為：2.68g/cm3 粉質(zhì)粘土的土粒密度一般為：2.682.72g/cm3 粘土的土粒密度一般為：2.7-2.75g/cm3 土粒密度是實(shí)測指標(biāo)。 （二）土的密度(soil density) 土的密度是指土的總質(zhì)量 m 與總體積 V 之比，也即為土的單位體積的質(zhì)量。其中： V=Vs+Vv; m=ms+mw 按孔隙中充水程度不同，有天然密度，干密度，飽和密度之分。 1天然密度（濕密度）(density) 天然狀態(tài)下土的密度稱天然密度，以下式表示： g/cm3 vs ws VV mm V m 土的密度取決于土粒的密度，孔隙體積的大小和孔隙中水的質(zhì)量多少，它綜合反映了 土的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)特征。 砂土一般是.4 g/cm3 粉質(zhì)砂土及粉質(zhì)粘土.4 g/cm3 粘土為.4 g/cm3 泥炭沼澤土：.4 g/cm3 土的密度可在室內(nèi)及野外現(xiàn)場直接測定。室內(nèi)一般采用“環(huán)刀法”測定，稱得環(huán)刀內(nèi) 土樣質(zhì)量，求得環(huán)刀容積；兩者之比值。 2干密度（dry density） 土的孔隙中完全沒有水時(shí)的密度，稱干密度；是指土單位體積中土粒的重量，即：固 體顆粒的質(zhì)量與土的總體積之比值。 g/cm3 V ms d 干密度反映了土的孔隙生，因而可用以計(jì)算土的孔隙率，它往往通過土的密度及含水 率計(jì)算得來，但也可以實(shí)測。 土的干密度一般常在 1.41.7 g/cm3 在工程上常把干密度作為評(píng)定土體緊密程度的標(biāo)準(zhǔn)，以控制填土工程的施工質(zhì)量。 3飽和密度（saturatio density） 土的孔隙完全被水充滿時(shí)的密度稱為飽和密度。即，土的孔隙中全部充滿液態(tài)水時(shí)的 單位體積質(zhì)量，可用下式表示： g/cm3 V Vm wvs sat 式中： ：水的密度（工程計(jì)算中可取 1 g/cm3） w 土的飽和密度的常見值為 1.82.30 g/cm3 此外： （1）浮密度 土的浮密度是土單位體積中土粒質(zhì)量與同體積水的質(zhì)量之差，即 =(ms-vsw)/V或 wsat 由此可見：同一種土在體積不變的條件下，它的各種密度在數(shù)值上有如下關(guān)系： dsats （2）容重：單位體積的重量 （三）土的含水性 土的含水性指土中含水情況，說明土的干濕程度。 1含水率（含水量） 土的含水量定義為土中水的質(zhì)量與土粒質(zhì)量之比，以百分?jǐn)?shù)表示，即 %100%100 s s s w m mm m m w 土的含水率也可用土的密度與干密度計(jì)算得到： %100 s s w 室內(nèi)測定：一般用“洪干法” ，先稱小塊原狀土樣的濕土質(zhì)量，然后置于烘箱內(nèi)維持 100105 攝氏度烘至恒重，再稱干土質(zhì)量，濕、干土質(zhì)量之差與干土質(zhì)量的比值就是土的 含水量。 天然狀態(tài)下土的含水率稱土的天然含水率。一般砂土天然含水率都不超過 40%，以 1030%最為常見；一般粘土大多在 1080%之間，常見值 2050%。 土的孔隙全部被普通液態(tài)水充滿時(shí)的含水率稱飽和含水率 %100 s wv sat m V w 水的密度,又稱飽和水容度。 w 飽和含水率又稱飽和水密度，它既反映了水中孔隙充滿普通液態(tài)水時(shí)的含水特性，又 反映了孔隙的大小。 土的含水率又可分為體積含水率與引用體積含水率： 體積含水率 nw：為土中水的體積與體積之比。 %100 V V n w w 引用體積含水率 ew：為土中水的體積與土粒體積之比。 %100 V V e w w 2飽和度（degree of saturation） 定義為：土中孔隙水的體積與孔隙體積之比，以百分?jǐn)?shù)表示，即： %100 v w r v v s 或天然含水率與飽和含水率之比： %100 sat r w w s 飽和度愈大，表明土中孔隙中充水愈多，它在 0100%；干燥時(shí) Sr=0。孔隙全部為水充 填時(shí)，Sr=100%。 工程上 Sr 作為砂土濕度劃分的標(biāo)準(zhǔn)。 Sr 80% 飽和的 工程研究中，一般將 Sr 大于 95%的天然粘性土視為完全飽和土；而砂土 Sr 大于 80% 時(shí)就認(rèn)為已達(dá)到飽和了。 （四）土的孔隙性 孔隙性指土中孔隙的大小，數(shù)量、形狀、性質(zhì)以及連通情況。 1孔隙率（porosity）與孔隙比(void ratio) 孔隙率（n）：是土的孔隙體積與土體積之比，或單位體積土中孔隙的體積，以百分?jǐn)?shù) 表示，即： %100 V V n v 孔隙比：定義為土中孔隙體積與土粒體積之比，以小數(shù)表示，即： s v V V e 孔隙比和孔隙率（度）都是用以表示孔隙體積含量的概念。兩者有如下關(guān)系： 或 e e n 1n n e 1 土的孔隙比或孔隙度都可用來表示同一種土的松，密程度。它隨土形成過程中所受的 壓力、粒徑級(jí)配和顆粒排列的狀況而變化。一般說：粗粒土的孔隙度小，細(xì)粒土的孔隙度 大。 孔隙比 e 是個(gè)重要的物理性指標(biāo)，可以用來評(píng)價(jià)天然土層的密實(shí)程度。一般 e1.0 的土是疏松的無壓縮性土 飽和含水率是用質(zhì)量比率來反映土的孔隙性結(jié)構(gòu)指標(biāo)的，它與孔隙率和孔隙比，有如 下關(guān)系： w d sat wn w s sat we 2砂土的相對(duì)密度 對(duì)于砂土，孔隙比有最大值與最小值，即最松散狀態(tài)和最緊密狀態(tài)的孔隙比。 ：一般采用“振擊法”測定； min e ：一般用“松砂器法”測定。 max e 砂土的松密程度還可以用相對(duì)密度來評(píng)價(jià)： nin r ee ee D max max 式中：最大孔隙比。 max e ：最小孔隙比。 min e e：天然孔隙比。 砂土按相對(duì)密度分類： 疏松的33 . 0 0 Dr 中密的66 . 0 33 . 0 Dr 密實(shí)的166 . 0 Dr 通常砂土的相對(duì)密度的實(shí)用表達(dá)式為： ddd ddd Dr minmax maxmin 因?yàn)樽畲蠡蜃钚「擅芏瓤芍苯忧蟮谩?Dr 在工程上常應(yīng)用于：（1）評(píng)價(jià)砂土地基的允許承載力；（2）評(píng)價(jià)地震區(qū)砂體液化； （3）評(píng)價(jià)砂土的強(qiáng)度穩(wěn)定性。 例題：某天然砂層，密度為 1.47g/cm3，含水量 13%，由試驗(yàn)求得該砂土的最小干密度 為 1.20g/cm3；最大干密度為 1.66 g/cm3；問該砂層處于哪種狀態(tài)？ 解：已知： 47 . 1 %13wg/cm320 . 1 min d g/cm366 . 1 max d 由公式： 得 w 1 g/cm330 . 1 d 28 . 0 30 . 1 20 . 1 66 . 1 66 . 1 20 . 1 30 . 1 minmax maxmin ddd ddd Dr 33 . 0 28 . 0 r D 該砂層處于疏松狀態(tài)。 （五）基本物理性質(zhì)指標(biāo)間的相互關(guān)系 1、孔隙比與孔隙率的關(guān)系 設(shè)土體內(nèi)土粒體積=1，則孔隙體積，土體體積，于是，VseVveVVV vs 1 由或 e e V V n v 1n n e 1 2、干密度與濕密度和含水量的關(guān)系 設(shè)土體體積 V=1，則土體內(nèi)土粒質(zhì)量，水的質(zhì)量： ds m dw wm 于是由：w V mm V m d ws 1 w d 1 3、孔隙比與比重和干密度的關(guān)系 設(shè)土體內(nèi)土粒體積，則孔隙體積，土粒質(zhì)量，于是：由1VseVv ss m 得： V ms e s d 1 1 d s e 1 d ws G e 4、飽和度與含水量，比重和孔隙比的關(guān)系 設(shè)土體內(nèi)土粒體積 Vs=1，則孔隙體積，土粒質(zhì)量，孔隙水質(zhì)量eVv ss m sw wm 孔隙水體積： w s w w V 由：得 v w r V V S e wG e w e w S s w sw s r 當(dāng)時(shí)，土飽和，則：%100 r S smG we 式中：飽和含水量，：土粒比重。 m w s G 常見的物理性質(zhì)指標(biāo)及互相關(guān)系換算公式見教材 P69 表 5-5 例題：某原狀土樣，經(jīng)試驗(yàn)測得天然密度含水量 w=12。9%，土粒比3/67 . 1 cmg 重 Gs=2.67，求孔隙比 e，孔隙度 n 和飽和度 Sr。 解：繪三相草圖 （1）設(shè)土的體積 V=1.0cm3 根據(jù)密度定義得：gVm67 . 1 167 . 1 （2）根據(jù)含水量定義得： ssw mwmm129 . 0 從三相圖可知： swa mmmm 0 a m ，即mmm sw 67 . 1 129 . 0 ss mm gm gm w s 19 . 0 48 . 1 67 . 1 18 . 1 129 . 1 67 . 1 （3）根據(jù)土粒比重定義：土粒的質(zhì)量與同體積純蒸餾水在 4 攝氏度時(shí)質(zhì)量之比，即 w s ws s s V m G 度4 67 . 2 s G1 w 3554 . 0 67 . 2 48 . 1 3/67 . 2 167 . 2 cm m V cmg s s s s （4）3190 . 0 0 . 1 190 . 0 cm m V w w w （5）從三相可知 31cmVVVV Swa 或3256 . 0 190 . 0 554. 011cmVVV swa 446 . 0 554 . 0 1 sv VVV （6）根據(jù)孔隙比定義：得 s v V V e 805 . 0 554 . 0 19 . 0 256 . 0 s wa V VV e （7）根據(jù)孔隙度定義：得 V V n v % 6 . 44446 . 0 1 19 . 0 256 . 0 V VV n wa 或% 6 . 44446 . 0 805 . 0 1 805 . 0 1 e e n （8）根據(jù)飽和度定義：得 v w r V V S % 6 . 42426 . 0 19 . 0 256 . 0 19 . 0 wa w r VV V S 例題薄壁取樣器采取的土樣，測出其體積 V 與重量分別為 38.4cm3 和 67.21g，把土 樣放入烘箱烘干，并在烘箱內(nèi)冷卻到室溫后，測得重量為 49.35g。試求土樣的（天然密 度） ，（干密度） ，w（含水量） ，e（孔隙比） ，n（孔隙率） ，飽和度。 （） d 69 . 2 s G 解： 3/750 . 1 40.38 21.67 cmg VV mm V m vs ws 3/285 . 1 40.38 35.49 cmg V mm V m vs d %19.36%100 35.49 35.4921.67 %100 s s s w m mm m m w 093 . 1 1 285 . 1 169 . 2 1 d ws G e %22.52%100 093 . 1 1 093 . 1 1 e e n %07.89 093 . 1 69 . 2 19.36 e Gw S s r 第二節(jié) 土的水理性質(zhì) 一、粘性土的稠度（consistency）和塑性(plasticity) （一）稠度與液性指數(shù) 粘性土的物理狀態(tài)常以稠度來表示。 稠度的涵義是指土體在各種不同的濕度條件下，受外力作用后所具有的活動(dòng)程度。 粘性土的稠度，可以決定粘性土的力學(xué)性質(zhì)及其在建筑物作用下的性狀。 在土質(zhì)學(xué)中，常采用下列稠度狀態(tài)來區(qū)別粘性土在各種不同溫度條件下所具備的物理 狀態(tài)。 粘性土的標(biāo)準(zhǔn)稠度及其特征 稠度狀態(tài)稠度的特征標(biāo)準(zhǔn)溫度或稠度界線 液流狀呈薄層流動(dòng) 液體狀粘流狀（觸變狀） 呈厚層流動(dòng) 粘塑狀具有塑體的性質(zhì)，并粘著其他物體 塑體狀 稠塑狀具有塑體的性質(zhì)，但不粘著其他物體 半固體狀失掉塑體性質(zhì)，具有半固體性質(zhì) 固體狀 固體狀具有固體性質(zhì) 觸變界限 液限 Wc 粘著性界限 塑限 Wp 收縮界限 Ws 相鄰兩稠度狀態(tài)，既相互區(qū)別又是逐漸過渡的，稠度狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)變界限叫稠度界限， 用含水量表示，稱界限含水量。 在稠度的各界限值中，塑性上限（Wl）和塑性下限（Wp）的實(shí)際意義最大。它們是區(qū) 別三大稠度狀態(tài)的具體界限，簡稱液限和塑限。 土所處的稠度狀態(tài)，一般用液性指數(shù) IL（即稠度指標(biāo) B）來表示 pc p L WW WW I 式中：W天然含水量 Wl液限含水量 Wp塑限含水量 按液性指數(shù)（IL）粘性土的物理狀態(tài)可分為： 堅(jiān)硬： 軟塑：0 L I175 . 0 L I 硬塑： 流塑：25 . 0 0 L I1 L I 可塑：75 . 0 L I 在稠度變化中，土的體積隨含水量的降低而逐漸收縮變小，到一定值時(shí)，盡管含水量 再降低，而體積卻不再縮小，其變化過程見教材圖所示。 （二）塑性和塑性指數(shù)（plasticity index） 塑性的基本特征：（1）物體在外力作用下，可被塑成任何形態(tài)，而整體性不破壞；即 不產(chǎn)生裂隙。 （2）外力除去后，物體能保持變形后的形態(tài)，而不恢復(fù)原狀。 有的物體是在一定的溫度條件下具有塑性；有的物體在一定的壓力條件下具有塑性； 而粘性土則是在一定的濕度條件下具有塑性 粘性土具有塑性，砂土沒有塑性，故粘性土又稱塑性土，砂土稱非塑性土。 在巖土工程中常用二個(gè)界限含水量（又稱 Atterberg 界限，瑞典土壤學(xué)家，1911 年）表 示粘性土的塑性。 （1） 、塑性下限或稱塑限：是半固態(tài)和塑態(tài)的界限含水量，它是使土顆粒相對(duì)位移而 土體整體性不破壞的最低含水量。 （2） 、塑性上限或稱液限：即塑態(tài)與流態(tài)的界限含水量，也即是強(qiáng)結(jié)合水加弱結(jié)合水 的含量。 二個(gè)界限含水量的差值為塑性指數(shù)(plasticity index)，即：Ip=WlWp 塑性指數(shù)表示粘性土具有可塑性的含水量變化范圍，以百分?jǐn)?shù)表示。塑性指數(shù)數(shù)值愈 大，土的塑性愈強(qiáng)，土中粘粒含量越多。 例題：從某地基取原狀土樣，測的土的液限為 37.4%，塑限為 23.0%，天然含水量為 26.0%，問地基土處于何種狀態(tài)？ 解： 已知： % 4 . 37 c w% 0 . 23 p w% 0 . 16w 21 . 0 144 . 0 23 . 0 26 . 0 % 4 . 14144 . 0 23 . 0 374 . 0 p p L pLp I ww I wwI 25 . 0 0 L I 該地基土處于硬塑狀態(tài) （三）影響粘性土可塑性的因素 粘性土塑性大小決定于土的成分及孔隙水溶液的性質(zhì)。土的成分包括粒度成分、礦物 成分及交換陽離子成分；孔隙水溶液的性質(zhì)是指化學(xué)成分及濃度。 1、礦物成分 （1）土的礦物成分不同，其晶格構(gòu)造各異，對(duì)水的結(jié)合程度不一樣；例如：蒙脫石具 有較大的可塑性。 （2）礦物成分決定著顆粒的形狀與分散程度。只有片狀結(jié)構(gòu)的礦物破壞后才表現(xiàn)出可 塑性。例如：黑云母，綠泥石，高嶺石等。 （3）礦物成分還影響著土的分散程度； 2、有機(jī)質(zhì)含量對(duì)土的可塑性有明顯的影響 表層土含有機(jī)質(zhì)較多，因有機(jī)質(zhì)的分散度較高，顆粒很細(xì)，比表面積大，當(dāng)有機(jī)質(zhì)含 量高時(shí)，無論液限值或塑限值均較高。 3、土中的可溶鹽類溶于水后，改變了水溶液的離子成分和濃度，從而影響擴(kuò)散層厚度 的變化，導(dǎo)致土的可塑性的增強(qiáng)或減弱。 4、粒度成分對(duì)粘性土可塑性的影響 主要取決于土中粘粒含量的多少；粘粒含量愈多，分散程度愈高，具有較大的可塑性。 5、孔隙溶液的化學(xué)成分，濃度和 PH 值對(duì)可塑性的影響，是通過 電位、擴(kuò)散層的厚 度的影響表現(xiàn)出來的。一般來說：或 大，大粘性性的可塑大PHiePHd 性增強(qiáng)。當(dāng) PH=PHie，粘性土基本上不表現(xiàn)塑性。 （四）粘性土的活性指數(shù) 粘性土的粘性和可塑性被認(rèn)為是由顆粒表面的吸著水引起的。因此，塑性指數(shù)的大小 在一定程度上反映了顆粒吸附水能力的強(qiáng)弱。 Skempton（斯開普頓）通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：對(duì)給定的土，其塑性指數(shù)與小于 0.002mm 顆粒 的含量成正比，并建議用活性指標(biāo)來衡量土內(nèi)粘土礦物吸附水的能力。 其定義為：顆粒的含量 mm I A p 002 . 0 其中： A活性指數(shù)或親水性指數(shù)。 根據(jù)活性指標(biāo)的大小，他把粘性土分為： 非活性粘土：75 . 0 A 正常粘土：25 . 1 75 . 0 A 活性粘土：25 . 1 A 活性粘土的礦物成分以吸水能力很強(qiáng)的蒙脫石等礦物為主，而非活性粘土中的礦物成 分，則以高嶺石等吸水能力較差