《經(jīng)典土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)》

土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)

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(wèn)題。

土的形成經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史過(guò)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(guò)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(lèi)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(cè)到因土性質(zhì)的變異帶來(lái)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(mén)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(cè)試方法和測(cè)試技術(shù)。

4.土的工程地質(zhì)分類(lèi)。

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(cè)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(lái)求得量的關(guān)系，其力學(xué)計(jì)算模型必須建立在現(xiàn)場(chǎng)勘察和實(shí)測(cè)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(mén)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(mén)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(wèn)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(wèn)題。

第一章土的物質(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30—80km厚的范圍是地殼。地殼中原來(lái)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(chēng)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"（soilmass）

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(guò)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(lèi)型

的土體。

再搬運(yùn)過(guò)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(guò)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：

將經(jīng)過(guò)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（

Xb.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(guò)程，就是土的性質(zhì)和變化過(guò)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(lèi)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(guò)各種復(fù)雜的自然

因素作用后形成各類(lèi)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①粗分散體系（大于2口），②細(xì)分散體系，

（2—0.1P）,③膠體體系（0.1~0.01H）,④分子體系（小于0.01口）。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(lèi)均儲(chǔ)備有一定的能量，在砂土和粘土類(lèi)土中其總能量系由內(nèi)部?jī)?chǔ)量與表面能

量之和構(gòu)成,即:

E.&=Ert+E?

4.土是多礦物組合體

在一般情況下，土將含有5?10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。粘土礦物的粒徑很小（小于0.002mm）,遇水呈現(xiàn)出膠體化學(xué)特性。

（二）土體的主要成因類(lèi)型

按形成土體的地質(zhì)營(yíng)力和沉積條件（沉積環(huán)境），可將土體劃分為若干成因類(lèi)型：如殘

積、坡積、洪積……

現(xiàn)就介紹幾種主要的成因類(lèi)型、土體的性質(zhì)成分及其工程地質(zhì)特征。

I.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(lèi)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。

①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(lèi)土和工程地質(zhì)特征。

②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(lèi)；如碳酸鈣、硫酸鈣等。

③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(jiàn)：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(lèi)型從礫石類(lèi)

土過(guò)渡到砂類(lèi)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U＞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(wú)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(guò)渡狀態(tài)，其工程地質(zhì)特征

也很相似。①巖性成分多種多樣；

②一般見(jiàn)不到層理；

③地下水一般屬于潛水，有時(shí)形成上層滯水

④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、周期性地面水流一一山洪帶來(lái)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(guó)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??；（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(jiàn)水平層理。

咸水湖積物以石膏、巖鹽、芒硝及RCO3巖類(lèi)為主，有時(shí)以淤泥為主。

「①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②具獨(dú)特的產(chǎn)狀條件

<③粘土類(lèi)湖積物常含有機(jī)質(zhì)、各種鹽類(lèi)及其

它混合物

I④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、牛帆湖相。

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(lèi)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(guò)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）牛輾湖相沖積土是在廢河道形成的牛朝湖中沉積下來(lái)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(méi)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(lèi)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(chēng)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(zhǎng)時(shí)間才能穩(wěn)定。

由此可見(jiàn)，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(kāi)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(chēng)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。

（-）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(chēng)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(cè)定技術(shù)相適應(yīng)。

此外，要便于記憶。

目前，我國(guó)廣泛應(yīng)用的粒組劃分方案見(jiàn)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(shuō)，以礫石和砂礫為主要組成

的土為粗粒土，也稱(chēng)無(wú)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(wú)

可塑造性，也無(wú)脹縮性，壓縮性極弱，強(qiáng)度較高。以粉粒、粘粒（或膠粒?！?.002mm）為

主的土稱(chēng)為細(xì)粒土，也稱(chēng)為粘性土。其特征為：主要由原生礦物、次生礦物組成，孔隙很小，

透水性極弱，毛細(xì)上升高度較高，有可塑性、脹縮性，強(qiáng)度較低。

1、粒徑級(jí)配分析方法

工程上，使用的粒徑級(jí)配的分析方法有篩分法和水分法兩種。

篩分法適用于顆粒大于0.1mm（或0.074mm,按篩的規(guī)格而言）的土。它是利用一套

孔徑大小不同的篩子，將事先稱(chēng)過(guò)重量的烘干土樣過(guò)篩，稱(chēng)留在各篩上的重量，然后計(jì)算相

應(yīng)的百分?jǐn)?shù)。

礫石類(lèi)土與砂類(lèi)土采用篩分法。

水分法（靜水沉降法）：用于分析粒級(jí)小于0.1mm的土，根據(jù)斯托克斯（stokes）定理，

球狀的細(xì)顆粒在水中的下沉速度與顆粒直徑的平方成正比。V=Kd2。因此可以利用粗顆粒

下沉速度快，細(xì)顆粒下沉速度慢的原理，把顆粒按下沉速度進(jìn)行進(jìn)行粗細(xì)分組。實(shí)驗(yàn)室常用

比重計(jì)進(jìn)行顆粒分析，稱(chēng)為比重計(jì)法。此外還有移液管等。

例1.從干砂樣中取質(zhì)量1000g的試樣，放入0.1?0.2mm的標(biāo)準(zhǔn)篩中，經(jīng)充分振蕩,

稱(chēng)各級(jí)篩上留下來(lái)的土粒質(zhì)量見(jiàn)表第二行，試求土粒中各粒組的土粒含量。

篩分析試驗(yàn)結(jié)果

篩孔徑（mm）2.01.00.50.250.150.1底盤(pán)

各級(jí)篩上的土粒質(zhì)量10010025030010050100

（g）

小于各級(jí)篩孔徑的土粒908055251510

含量（％）

各粒組的土粒含量（％）102510105

解（1）留在孔徑2.0mm篩上的土粒質(zhì)量為100g,則小于2.0mm的土粒質(zhì)量為

1000-100=900g,于是小于該孔徑（2.0.mm）的土粒含量為900/1000=90%

同理可稱(chēng)得小于其它孔徑的土粒含量，見(jiàn)第三行。

（2）因小于2.0mm和小于1.0mm孔徑的土粒含量90%和80%,可得2.0mm到1.0mm

粒組的土粒含量0.90-0.80=10%o

同理可算得其它粒組的土粒含量見(jiàn)第四行。

2、粒徑級(jí)配曲線(xiàn)

將篩分析和比重計(jì)試驗(yàn)的結(jié)果繪制在以土的粒徑為橫坐標(biāo),小于某粒徑之土質(zhì)量百分?jǐn)?shù)

p（%）為縱坐標(biāo)，得到的曲線(xiàn)稱(chēng)土的粒徑級(jí)配累積曲線(xiàn)（見(jiàn)教材P14圖2—1,和P179圖1一

12）o

此外，粒徑的級(jí)配的表示方法還有列表法，三角圖法等。

3、粒徑級(jí)配累積曲線(xiàn)的應(yīng)用

土的粒徑級(jí)配累積曲線(xiàn)是土工上最常用的曲線(xiàn)，從這曲線(xiàn)上可以直接了解土的粗細(xì)、粒

徑分布的均勻程度和級(jí)配的優(yōu)劣。

土的平均粒徑（d50）：系指土中大于此粒徑和小于此粒徑的土的含量均占50%

土的有效粒徑（diO）：小于某粒徑的土粒質(zhì)量累計(jì)百分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，相應(yīng)的粒徑稱(chēng)為

有效粒徑（diO）,

d30：小于某粒徑的土粒質(zhì)量累計(jì)百分?jǐn)?shù)為30%時(shí)的粒徑用d30表示。

土的控制粒徑（d60）或稱(chēng)限定粒徑（d60）：當(dāng)小于某粒徑的土粒質(zhì)量累計(jì)百分?jǐn)?shù)為60%

時(shí)，該粒徑稱(chēng)為控制粒徑。

定義土的不均勻系數(shù)Ca為：

4o

,2

定義土的粒徑級(jí)配累積曲線(xiàn)的曲率系數(shù)Cc為：Cc=30

460*40

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,

顆粒大小越不均勻，其級(jí)配越良好，作為填方工程的土料時(shí)，則比較容易獲得較大的密實(shí)度。

曲線(xiàn)系數(shù)Cc描寫(xiě)的是累積曲線(xiàn)的分布范圍，反映曲線(xiàn)的整體形狀；或稱(chēng)反映累積曲線(xiàn)

的斜率是否連續(xù)。

在一般情況下：1）.工程上把C”<5的土看作是均粒土，屬級(jí)配不良；C〃>5時(shí)，稱(chēng)為

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)，Cc的范圍約為1?3；

因此當(dāng)或Cc>3時(shí)，均表示級(jí)配線(xiàn)不連續(xù)。

從工程上看：N5且Cc=l?3的土，稱(chēng)為級(jí)配良好的土：不能同時(shí)滿(mǎn)足上述兩個(gè)

要求的土，稱(chēng)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4倍半氧化物

次生礦物JI次生氧化物

＜Ir難溶鹽

I可溶的一中溶鹽

「腐植質(zhì)I易溶鹽

【有機(jī)質(zhì)-

I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(jiàn)的石英、長(zhǎng)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(lái)說(shuō)，土中原生礦物主要有：（1）硅酸鹽類(lèi)礦物；（2）氧化物類(lèi)礦物；（3）硫

化物礦物；（4）磷酸鹽類(lèi)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I）.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(yáng)離子及酸根離子，溶于水后，在遷移過(guò)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(lèi)礦物。

2）.倍半氧化物是由三價(jià)的Fe、Al和0、0H、出0等組成的礦物，可用R2O3表示

例如：針鐵礦Fe2O3?H2O呈紅色

褐鐵礦Fe2O3?3H2O呈黃色

三水鋁石A12O3?H2O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-0四面體構(gòu)成的硅氧晶

片；另一種是由Al~0H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

J電子顯微鏡法（幾萬(wàn)?幾十萬(wàn)倍）=＞外貌特征（攝像機(jī)）

粘土礦物的鑒定方用差熱分析：加熱后的物理?化學(xué)變化過(guò)程

匚薄片鑒定

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(chēng)為礦物內(nèi)部結(jié)合水，它只

有在比較高的溫度（80?680℃,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(lèi)。

（―）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(wàn)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(chǎng)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(méi)有溶解鹽類(lèi)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1.2?2.4g/cm3,

冰點(diǎn)為一78℃,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(guò)渡到自由水。

（二）自由水

自由水是存在于土粒表面電場(chǎng)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(kāi)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(guò)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a,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

以上高也處。

見(jiàn)教材P12頁(yè)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

為基準(zhǔn)，則該處壓力Pa=O

故：城?hc?yw=2初?Tcosa

：.h=2Tcosa.....................⑴

r*rw

式中，水膜的張力T（與溫度有關(guān)），當(dāng)10℃B寸，T=0.0756g/cm

20℃時(shí)，T=0.0742g/cm

a——方向角，其大小與土顆粒和水的性質(zhì)有關(guān)。

/一一毛細(xì)管半徑

----水的容重

若令a=0,則可求得毛細(xì)水上升的最大高度（/?（.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

（毛細(xì)管直徑）越細(xì)，則/?,愈大。

毛細(xì)水的工程地質(zhì)意義：

27cosn

（1）產(chǎn)生毛細(xì)壓力（pc）：Pc=—~—=?hc與一般靜水壓力的概念相同，它

y

與水頭高度也成正比。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p,是倒三角

形分布，彎液面處最大（〃0?/“）,

毛細(xì)壓力促使土的強(qiáng)度增高

（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(zhǎng)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。

r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I佛石水「結(jié)合水―

Ir液態(tài)水VI弱結(jié)合水

I孔隙中的水Y固態(tài)水I非結(jié)合水［毛細(xì)水

l氣態(tài)水l重力水

三、土中氣體

土的孔隙中沒(méi)有被水占據(jù)的部分都是氣體。

1、土中氣體的來(lái)源

土中氣體的成因，除來(lái)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。2為：20.9%

(2)土中氣體。2含量比空氣中少乙t中為：10.3%

土中氣體CO2含量比空氣中高很多；空氣含量為003%,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(lèi)：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(guò)2?3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、。2水汽(H2。)；其次為H2、。2、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(guò)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??；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(chēng)為土的結(jié)構(gòu)。

常見(jiàn)的土結(jié)構(gòu)有以下三種：

I、單粒結(jié)構(gòu)(particlestructure)或(single-grainedstructure)

粗顆粒土，如卵石、砂等。

2、蜂窩結(jié)構(gòu)（honeycombstructure）

當(dāng)土顆粒較細(xì)（粒級(jí)在0.02~0.002mm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)（flocculentstructure）

粒徑小于0.005mm的粘土顆粒，在水中長(zhǎng)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(jiàn)。

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(chēng)為土的構(gòu)造。覺(jué)見(jiàn)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，如含福石的粉質(zhì)粘土，含礫石的冰磺土等。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(jiǎn)介

不同的研究?jī)?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(lèi)：一類(lèi)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(lèi)是間接方法，即通過(guò)受試樣結(jié)構(gòu)控制的物理、力學(xué)性質(zhì)的測(cè)定來(lái)

分析土結(jié)構(gòu)特征，如：X射線(xiàn)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?jī)?nèi)容：土的原始分散程度；說(shuō)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?jī)?nèi)容:土的存在狀態(tài)分散程度，說(shuō)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?jī)?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(cè)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?jī)?nèi)容（1）單元體形狀，大?。?/p>

（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?jī)?nèi)容，同上。

6.X射線(xiàn)衍射分析

研究?jī)?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?jī)?nèi)容：通過(guò)宏觀上土的流變性測(cè)定土的結(jié)構(gòu)連接類(lèi)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(lái)的性質(zhì)。

土的物理性質(zhì)指標(biāo)，可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是必須通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定的，如含水量，密度和土粒

比重：另一類(lèi)是可以根據(jù)試驗(yàn)測(cè)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)

士的三相圖（見(jiàn)教材P62圖）

（一）土粒密度（particledensity）

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：

m,3

P.v=—s或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(wú)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：2.65g/cn?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：2.68~2.72g/cm3

粘土的土粒密度一般為：2.7—2.75g/cn?

土粒密度是實(shí)測(cè)指標(biāo)。

（二）土的密度（soildensity）

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。

I.天然密度（濕密度）（density）

天然狀態(tài)下土的密度稱(chēng)天然密度，以下式表示：

_m_mx+mw

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)蛆成和結(jié)構(gòu)特征。

砂土一般是1.4g/cm3

粉質(zhì)砂土及粉質(zhì)粘土1.4g/cm3

粘土為1.4g/cm3

泥炭沼澤土：1.4g/cm3

土的密度可在室內(nèi)及野外現(xiàn)場(chǎng)直接測(cè)定。室內(nèi)一般采用“環(huán)刀法”測(cè)定，稱(chēng)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（drydensity）

土的孔隙中完全沒(méi)有水時(shí)的密度，稱(chēng)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。

Pd=-g/cm3

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(guò)土的密度及含水率

計(jì)算得來(lái)，但也可以實(shí)測(cè)。

土的干密度一般常在1.4~1.7g/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(saturatiodensity)

土的孔隙完全被水充滿(mǎn)時(shí)的密度稱(chēng)為飽和密度。即，土的孔隙中全部充滿(mǎn)液態(tài)水時(shí)的單

位體積質(zhì)量，可用下式表示：

Psa,="Wcm3

式中：pw：水的密度(工程計(jì)算中可取1g/cm3)

土的飽和密度的常見(jiàn)值為1.8-2.30g/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

5

p=(ms-vspw)/V或“=psu,-pw

由此可見(jiàn)：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:

Ps>PSa,>P>Pd>P'

(2)容重：?jiǎn)挝惑w積的重量

(三)土的含水性

土的含水性指土中含水情況，說(shuō)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

771m—m

W=X100%=---------X100%

msms

土的含水率也可用土的密度與干密度計(jì)算得到：

w=P~PsxlOO%

Ps

室內(nèi)測(cè)定：一般用“洪干法”，先稱(chēng)小塊原狀土樣的濕土質(zhì)量，然后置于烘箱內(nèi)維持

100705攝氏度烘至恒重，再稱(chēng)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(chēng)土的天然含水率。一般砂土天然含水率都不超過(guò)40%,以

10~30%最為常見(jiàn)；一般粘土大多在10~80%之間，常見(jiàn)值20~50%。

土的孔隙全部被普通液態(tài)水充滿(mǎn)時(shí)的含水率稱(chēng)飽和含水率

卬必

=ZV￡BX10()%

ms

p”.水的密度，又稱(chēng)飽和水容度。

飽和含水率又稱(chēng)飽和水密度，它既反映了水中孔隙充滿(mǎn)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n“,：為土中水的體積與體積之比。

V

凡=^xlOO%

aV

引用體積含水率e”：為土中水的體積與土粒體積之比。

V

e=1x100%

卬V

2.飽和度(degreeofsaturation)

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：

v

sr="xl00%

匕，

或天然含水率與飽和含水率之比：

w

sr=——X100%

%,

飽和度愈大，表明土中孔隙中充水愈多，它在0~100%；干燥時(shí)SrH)?？紫度繛樗?/p>

填時(shí)，Sr=100%o

工程上Sr作為砂土濕度劃分的標(biāo)準(zhǔn)。

Sr<50%稍濕的

Sr=50-80%很濕的

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(voidratio)

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：

〃="xl00%

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:

匕

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:

土的孔隙比或孔隙度都可用來(lái)表示同一種土的松，密程度。它隨土形成過(guò)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(shuō)：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(lái)評(píng)價(jià)天然土層的密實(shí)程度。一般e<0.6的土

是密實(shí)的低壓縮性土；e>1.0的土是疏松的無(wú)壓縮性土

飽和含水率是用質(zhì)量比率來(lái)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:

〃二Y

e=%?—

pw

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。

emin：一般采用“振擊法”測(cè)定;

e3x：一般用“松砂器法”測(cè)定。

砂土的松密程度還可以用相對(duì)密度來(lái)評(píng)價(jià):

max

D,=

P-p

maxnin

式中:max：最大孔隙比。

emin：最小孔隙比。

e：天然孔隙比。

砂土按相對(duì)密度分類(lèi)：

0<Dr<0,33疏松的

0.33<Dr<0.66中密的

0.66<Dr<\密實(shí)的

通常砂土的相對(duì)密度的實(shí)用表達(dá)式為:

Dy._(fid-Pdmin)Pdmax

\Pdmax-Pdmin)夕4

因?yàn)樽畲蠡蜃钚「擅芏瓤芍苯忧蟮谩?/p>

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1.66g/cm3；問(wèn)該砂層處于哪種狀態(tài)？

解：己知：p=1.47w=13%4min=L20g/cm3-1.66g/cm3

由公式：p=P—得2,=L30g/cm3

1+w

Dr=(4-A/miMmax=(130-1.20)X1.66=Q

一々一(1.66-1.20)x1.30

D,=0.28<0.33

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ks=l,則孔隙體積匕=e,土體體積丫=匕+匕=l+e,于是,

,匕en

由〃=一=----或e=----

V1+e1-n

2、干密度與濕密度和含水量的關(guān)系

設(shè)土體體積V=l,則土體內(nèi)土粒質(zhì)量加,=g/,水的質(zhì)量：mw=wpd

于是由：夕="=---=夕4。+卬)

3、孔隙比與比重和干密度的關(guān)系

]T!

設(shè)土體內(nèi)土粒體積Vs=1,則孔隙體積匕=e,土粒質(zhì)量機(jī)，=P,，璃由P=上得:

6=2-1

Pd

Pd

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=L則孔隙體積匕=e，土粒質(zhì)量加，=夕,，孔隙水質(zhì)量〃?卬=wPs

孔隙水體積：匕，=也

P*，

WPs

由：s=區(qū)得s=2_="=嗎

'匕'eepwe

當(dāng)S,=100%時(shí)，土飽和，則:

e=wmGs

w

式中：m——飽和含水量，Gst土粒比重。

常見(jiàn)的物理性質(zhì)指標(biāo)及互相關(guān)系換算公式見(jiàn)教材P69表5-5

例題：某原狀土樣，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得天然密度夕=1.67g/cm3含水量w=12o9%,土粒比

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：m=P丫=1.67x1=1.67g

(2)根據(jù)含水量定義得：mw=wms=0.129m(

從三相圖可知：m=ma+mw+ms

?ma0

mw+ms=m,即0.129叫.+叫=1.67

1.6711°

m=-------=l18g

二5v1.129

=1.67-1.48=0.19g

(3)根據(jù)土粒比重定義：土粒的質(zhì)量與同體積純蒸儲(chǔ)水在4攝氏度時(shí)質(zhì)量之比，即

「ms_Ps

???G,=2.67pw=1

ps=2.67x1=2.67g/cm3

以1.48

匕0.554cm3

A2.67

m^^=0.190cm3

（4）匕.=1

1.0

（5）從三相可知

V=Va+匕+匕=1的3

或匕,=1—匕_匕=1_0.554-0.190=0.256czn3

V,,=1/一匕=1-0.554=0.446

V

（6）根據(jù)孔隙比定義：e=，得

匕

一=”小。5

（7）根據(jù)孔隙度定義：”=乜得

V

V-V0.256+0.19

——=0.446=44.6%

V~T~

e_0.805

或〃==0.446=44.6%

1+e1+0.805

V

（8）根據(jù)飽和度定義：Sr=一得

V

V

匕.0.19

S,=0.426=42.6%

%+匕0.256+0.19

例題.薄壁取樣器采取的土樣，測(cè)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(cè)得重量為49.35g。試求土樣的夕（天然密度）,

（干密度），w（含水量），e（孔隙比），n（孔隙率），飽和度。（G,=2.69）

pd

=23=175。/c〃?3

解：①p=—=叫

V匕+匕38.40

m4935

②Pdv"3=1.285g/cm3

V38.40

cmm-m.67.21-49.35,,、人》

③vv=---wx100%=-------=-------------x100%=36.19%

儀49.35

mc

Ggi2.69x1

@e--1=1.093

Pa~1.285

/e1.093see”

⑤〃=----=---------x100%=52.22%

1+e1+1.093

⑥S上5=36.19x2.69=8907%

e1.093

第二節(jié)土的水理性質(zhì)

一、粘性土的稠度(consistency)和塑性(plasticity)

(-)稠度與液性指數(shù)

粘性土的物理狀態(tài)常以稠度來(lái)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(lái)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

耐度狀態(tài)稠度的特征標(biāo)準(zhǔn)溫度或稠度界線(xiàn)

液流狀呈薄層流動(dòng)

液體狀觸變界限

粘流狀(觸變狀)呈厚層流動(dòng)

液限Wc

粘塑狀具有塑體的性質(zhì)，并粘著其他物體

塑體狀粘著性界限

稠塑狀具有塑體的性質(zhì)，但不粘著其他物體

塑限Wp

半固體狀失掉塑體性質(zhì)，具有半固體性質(zhì)

固體狀收縮界限Ws

固體狀具有固體性質(zhì)

相鄰兩稠度狀態(tài)，既相互區(qū)別又是逐漸過(guò)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(chēng)界限含水量。

在稠度的各界限值中，塑性上限(W1)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(jiǎn)稱(chēng)液限和塑限。

土所處的稠度狀態(tài)，一般用液性指數(shù)II(即稠度指標(biāo)B)來(lái)表示

卬―W

IL----------

w,-%

式中：W-天然含水量

W1—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：0.754441

硬塑：0<4〈0.25流塑：乙>1

可塑：K0.75

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(guò)程見(jiàn)教材圖所示。

(二)塑性和塑性指數(shù)(plasticityindex)

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(méi)有塑性，故粘性土又稱(chēng)塑性土，砂土稱(chēng)非塑性土。

在巖土工程中常用二個(gè)界限含水量(又稱(chēng)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(chēng)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(chēng)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)(plasticityindex),即：Ip=Wl-Wp

塑性指數(shù)表示粘性土具有可塑性的含水量變化范圍