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1、课程介绍课程介绍变形问题、强度问题、变形问题、强度问题、稳定问题稳定问题、渗流问题、渗流问题研究土体在荷载作用下，土中的研究土体在荷载作用下，土中的应力、变形、强度和稳定性以及应力、变形、强度和稳定性以及渗流规律渗流规律的一门力学分支称它为土力学。的一门力学分支称它为土力学。专业基础课、理论为主专业基础课、理论为主。土力学土力学s 土力学的研究主题土力学的研究主题基础工程基础工程运运用用土土力力学学的的基基础础理理论论研研究究结结构构物物物物地地基基基基础础的的设设计计，以以及及下下部部结结构构与与土土层层相相互互作作用用共共同同承承担担上上部部结结构构物物所所产产生生的的各各种种变变形形和和
2、稳稳定定问问题题，包包括括基基础础设设计计、地地基基设设计计两两部部分分。研研究究的的目目的的是是为为设设计计提提供供依依据，解决岩土工程中的安全性和经济性这一对矛盾，据，解决岩土工程中的安全性和经济性这一对矛盾，专业课、应用专业课、应用为主为主。第1页/共142页上部结构上部结构：对于某一建筑结构而言，在岩土地层（土层或岩层：对于某一建筑结构而言，在岩土地层（土层或岩层）上上的工程结构成为上部结构。的工程结构成为上部结构。地基地基：支撑建筑物（上部结构）荷载、并且受建筑物影响的那一部：支撑建筑物（上部结构）荷载、并且受建筑物影响的那一部分地层称为地基。分地层称为地基。天然地基天然地基：没有经
3、过人工处理的地基。建筑物直接建筑在地基上。：没有经过人工处理的地基。建筑物直接建筑在地基上。人人工工地地基基：如如果果地地基基不不满满足足工工程程要要求求，需需要要对对地地基基进进行行加加固固处处理，处理后的地基被称为人工地基。理，处理后的地基被称为人工地基。地基与基础的基本概念地基与基础的基本概念基基 础础：将将上上部部结结构构的的荷荷载载传传递递到到地地基基中中的的结结构构组组成成部部分分被被称称为为基基础。通常被称为下部结构。础。通常被称为下部结构。第2页/共142页浅基础浅基础：通常把埋置深度不大（小于或相当于基础底面宽度，：通常把埋置深度不大（小于或相当于基础底面宽度，一般认为小于一
4、般认为小于5 5米）的基础。米）的基础。深基础深基础：若浅层土质不良，必须把基础埋置于较深处良好地若浅层土质不良，必须把基础埋置于较深处良好地层时（基础深度大于基础宽度）的基础。层时（基础深度大于基础宽度）的基础。持力层持力层：直接承担基础荷载的土层被称为持力层。：直接承担基础荷载的土层被称为持力层。下卧层下卧层：持力层下面的土层被称为下卧层。：持力层下面的土层被称为下卧层。软弱下卧层软弱下卧层：承载力显著低于持力层的土层，如淤泥。：承载力显著低于持力层的土层，如淤泥。地基与基础的基本概念地基与基础的基本概念第3页/共142页 地基与基础示意图地基持力层下卧层第4页/共142页第5页/共142
5、页第一章第一章 土的物理性质与工程分类土的物理性质与工程分类土的组成与结构土的组成与结构土的物理性质指标土的物理性质指标土的物理状态土的物理状态 土的渗透性及工程分类土的渗透性及工程分类 第6页/共142页渗透特性变形特性强度特性土的三相组成土的结构与构造土的物理性质指标土的物理状态土的渗透性影响土的形成过程决定本章脉络 土的分类第7页/共142页 地质年代地质年代太古代、元古代、古生代、中生代和新生代 地壳发展历史与地壳运动、沉积环境及生物演化相对应的时代段落。地质年代和地层单位、顺序、名称对应关系 表1-1 1-1 地质年代单位地质年代单位代代纪纪世世期期地层单位地层单位界界系系统统阶（层
6、）阶（层）相对地质年代 古生物的演化岩层形成的顺序一、一、土的形成土的形成（了解（了解)第8页/共142页 第四纪地质年代细分表 表1-21-2 n 土的概念土的概念 地壳表层原来坚硬连续的岩石，经历长期的风化作用以及剥蚀、搬运、沉积等作用，在各种交错复杂的自然环境中在地表形成的各种散粒堆积物称为“第四纪沉积物”或“土”。岩石土风化作用沉积过程 由人类文化期以来的沉积土称为“新近沉积土”纪（系）纪（系）世（统）世（统）距今年代（百距今年代（百万年）万年）第四纪（系）第四纪（系）Q Q全新世（统）全新世（统）Q Q4 4（Q Qh h）0.0110.011更新世更新世（统）（统）（Q Qp p）
7、晚更新世（上更新统）晚更新世（上更新统）Q Q3 30.130.13中更新世（中更新统）中更新世（中更新统）Q Q2 20.730.73早更新世（下更新统）早更新世（下更新统）Q Q1 12.432.43第9页/共142页生成产物产生原因s 岩石的风化 物理风化、化学风化、生物风化 物理风化物理风化风化后的产物仅由大变小，化学成分不变，物理化学性状较稳定。风化特征属于原生矿物颗粒,易生成巨粒土、粗粒土，如漂石、砾类土、砂类土等。、地质构造力；、温差；、冰胀 ；、碰撞 （一）风化作用（一）风化作用第10页/共142页生成产物产生原因风化后的产物改变其矿物的化学成分，形成新的矿物。风化特征属 于
8、次 生 矿 物 颗 粒,易 生 成 细 粒 土，最 主要的是黏土颗粒及大量的可溶性盐。、水解作用；、水化作用；、氧化作用 ；、溶解作用 生物的物理风化 生物的化学风化 化学风化化学风化 生物风化生物风化（一）风化作用（一）风化作用第11页/共142页第12页/共142页 残积残积土土残积土 颗粒表面粗糙、多棱角、粗细不均匀、无层理。特点（二）不同形成条件下土的特点（二）不同形成条件下土的特点第13页/共142页w 坡积土 坡积土（物、层）断面 搬运搬运土土搬运距离短；土中组成物的尺寸相差很大，性质很不均匀。特点作用力重力、雨水或雪水第14页/共142页w 洪积土 洪积土（物、层）断面 有一定的
9、分选性，搬运距离近的沉积物颗粒较粗，力学性质较好；搬运距离远的沉积物颗粒较细，力学性质较差。洪积土还常呈现不规则交错的层理构造。特点作用力暴雨或山洪第15页/共142页第16页/共142页w 冲积土 山区河谷断面示例 由于经过较长时间的搬运，浑圆度和分选性更为明显，常形成砂土层和黏性土层交叠的地层。特点作用力河流流水第17页/共142页第18页/共142页w 风积土风力 w 湖泊沼泽沉积土缓慢的水流或静水条件 w 海相沉积土海水 w 冰积土冰川或冰水 颗粒细，磨圆度、分选性好，表层土质松软，黄土具有湿陷性；沙丘在风力推动下随时改变形状和位置。这种土的特征，除了含有细微的颗粒外，常伴有生物化学作
10、用所形成的有机物的存在，成为具有特殊性质的淤泥或淤泥质土，工程性质都很一般。颗粒细，表层土质松软，工程性质较差。颗粒粗细变化也较大，土质不均匀。第19页/共142页s 土的工程性质的概念土的工程性质的概念 是指与变形、强度、稳定和渗流等有关的土的性质。它有是指与变形、强度、稳定和渗流等有关的土的性质。它有3 3个基个基本特征和本特征和2 2个基本特点，从而导致土力学不同于其他力学学科（包括个基本特点，从而导致土力学不同于其他力学学科（包括岩石力学）。岩石力学）。土体的三个基本特征土体的三个基本特征1 1、三相体、三相体 土的组成土的组成 土粒土粒 土中水土中水 土中气土中气 固相固相 液相液相
11、 气相气相 饱和土饱和土非饱和土非饱和土干土干土 二、土的组成与结构二、土的组成与结构第20页/共142页 土体工程性质的二个基本特点土体工程性质的二个基本特点3 3、自然变异性或不均匀性、自然变异性或不均匀性 土的自然变异性是指土的工程性质随空间与时间而变异的性质，有土的自然变异性是指土的工程性质随空间与时间而变异的性质，有时也称其为不均匀性。这种变异性是客观的、自然形成的。时也称其为不均匀性。这种变异性是客观的、自然形成的。1 1、不确定性、不确定性 2 2、易变性、易变性 原因原因 土的性质复杂土的性质复杂 埋藏于地下，难以直接测量埋藏于地下，难以直接测量 土粒间的联结为无黏结或弱黏结。
12、土体是碎散的，是一种以摩擦为土粒间的联结为无黏结或弱黏结。土体是碎散的，是一种以摩擦为主的集聚性材料，具有散粒性和孔隙性。主的集聚性材料，具有散粒性和孔隙性。2 2、碎散性、碎散性 物理力学性质复杂第21页/共142页粒径粒度粒组w 界限粒径：土颗粒的大小 土颗粒大小的程度 将土中各种不同粒径的土粒，按适当的粒径范围，分为若干组 ，称为粒组。划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。国标土的分类标准（GBJ145-90GBJ145-90）规定的界限粒径200200、6060、2 2、0.0750.075和0.005mm0.005mm。颗粒大小与粒组划分颗粒大小与粒组划分 粒组划分与颗粒级配粒组划分与颗粒
13、级配（熟知）（熟知）（一）土中固体颗粒（一）土中固体颗粒第22页/共142页粒径范围粒径范围d d/mm/mm粒组划分粒组划分方案一方案一方案二方案二d d 200200漂石（块石）漂石（块石）巨粒组巨粒组漂石（块石）漂石（块石）200200d d6060卵石（碎石）卵石（碎石）卵石（碎石）卵石（碎石）6060d d2020粗粒组粗粒组砾粒砾粒粗砾粗砾2020d d2 2圆砾（角砾）圆砾（角砾）细砾细砾22d d0.50.5砂粒砂粒粗砂粗砂砂粒砂粒粗砂粗砂0.50.5d d0.250.25中砂中砂中砂中砂0.250.25d d0.0750.075细砂细砂细砂细砂0.0750.075d d0.0
14、050.005粉粒粉粒细粒组细粒组粉粒粉粒0.0050.005d d黏粒黏粒黏粒黏粒w 粒组划分粒组划分 表1-3 1-3 方案一：建筑地基基础设计规范和岩土工程勘察规范 方案二：土的分类标准（GBJ145-90GBJ145-90）第23页/共142页 土的颗粒级配土的颗粒级配 土中各个粒组的相对含量(各粒组占土粒总质量的百分数)，这个百分数习惯上称为土的颗粒级配。土颗粒分析试验土颗粒分析试验w 筛分法w 沉降分析法用于粒径小于等于60mm60mm、大于0.075mm0.075mm粗粒土。用于粒径小于0.075mm0.075mm的细粒土。沉降分析法有密度计法（比重计法）、移液管法等。第24页/
15、共142页孔径10105.05.02.02.01.01.00.50.50.250.250.10.1(0.075)(0.075)200g200g土筛余0 010101616181824242222383872721001009090808070706060505040403030202010100 0小于某粒径的土的百分含量（）10105.05.01.01.00.50.50.100.100.050.050.010.010.0050.0050.0010.001粒径(mm)(mm)P P100100959587877878666655553636土的颗粒级配累计曲线沉降法粒径粒径(mm)(mm)0.
16、050.050.010.010.0050.005百分数百分数P(%)P(%)262613.513.51010筛分法 颗粒级配曲线颗粒级配曲线第25页/共142页1001009090808070706060505040403030202010100 0小于某粒径的土的百分含量（）10105.05.01.01.00.50.50.100.100.050.050.010.010.0050.0050.0010.001粒径(mm)(mm)土的粒径级配累计曲线d d6060d d5050d d1010d d3030特征粒径:斜率:某粒径范围内颗 粒的含量 陡：相应粒组含量多 缓：相应粒组含量少平台：相应粒组
17、缺乏d d5050:平均粒径d d6060:控制粒径d d1010:有效粒径d d3030:中值粒径第26页/共142页1001009090808070706060505040403030202010100 0小于某粒径的土的百分含量（）10105.05.01.01.00.50.50.100.100.050.050.010.010.0050.0050.0010.001粒径(mm)(mm)土的粒径级配累计曲线A A、B B、C C三种不同土样的颗粒级配曲线 ABCw 颗粒级配曲线的应用第27页/共142页 不均匀系数CuCu 曲率系数CcCc在一般情况下，把CuCu 10Cu10的土属级配良好。
18、经验证明，当级配连续时，CcCc的范围约为1 13 3；因此当Cc1Cc3Cc3时，均表示级配线不连续。工程上要求同时工程上要求同时CuCu5 5且且Cc=1Cc=13 3的土为级配良好的土的土为级配良好的土第28页/共142页F 粒组含量用于土的分类定名；F 不均匀系数C Cu u用于判定土的不均匀程度；C Cu u 5 5为不均匀土；C Cu u 5 5为均匀土F 曲率系数C Cc c用于判定土的连续程度；C Cc c=1 13 3为级配连续土；C Cc c3 3 或 C Cc c11为级配不连续土F 不均匀系数C Cu u和曲率系数C Cc c 用于判定土的级配优劣：C Cu u 5 5
19、且 C Cc c=1-31-3为级配良好的土；如果C Cu u53 3 或C Cc c11为级配不良的土。土颗粒级配曲线和指标的应用土颗粒级配曲线和指标的应用第29页/共142页（一）土中固体颗粒（一）土中固体颗粒 土粒的矿物成分土粒的矿物成分矿物的定义矿物的定义矿矿物物是是地地壳壳中中的的一一种种或或多多种种元元素素在在各各种种地地质质作作用用（自自然然作作用用）下下 形形 成成 的的 自自 然然 产产 物物，是是 具具 有有 一一 定定 化化 学学 成成 分分、内内 部部 构构 造造 和和 物物 理理性性 质质 的的 自自 然然 元元 素素 或或 化化 合合 物物。它它 们们 在在 一一
20、定定 的的 物物 理理 化化 学学 条条 件件 范范 围围内内 稳稳 定定，是是 组组 成成 岩岩 石石 和和 矿矿 物物 的的 基基 本本 单单 元元，是是 构构 成成 地地 壳壳 的的 最最 基基本物质。本物质。矿物的形态矿物的形态一向延长型一向延长型二向延展型二向延展型三向等长型三向等长型单粒形态单粒形态显晶集合体显晶集合体隐晶集合体隐晶集合体胶态集合体胶态集合体集合体形态集合体形态第30页/共142页第31页/共142页柱状集合体柱状集合体（石英）（石英）针状集合体针状集合体（辉秘矿）（辉秘矿）片状集合体（白云母）片状集合体（白云母）粒状集合体（方铅矿）粒状集合体（方铅矿）第32页/共
21、142页纤维状集合体（直闪石石棉）纤维状集合体（直闪石石棉）放射状集合体（红柱石）放射状集合体（红柱石）水晶水晶晶簇晶簇第33页/共142页分分泌泌体体|玛玛瑙瑙第34页/共142页钟乳状（方解石钟乳状（方解石)肾状肾状(硬锰矿硬锰矿)第35页/共142页皮壳状（孔雀石）皮壳状（孔雀石）第36页/共142页土粒成分 无机矿物有机质 原生矿物 次生矿物 不可溶的 可溶的 黏土矿物倍半氧化物 次生氧化物 难溶盐 中溶盐 易溶盐 腐植质分解完全 土泥炭分解不完全 （一）土中固体颗粒（一）土中固体颗粒 土粒的矿物成分土粒的矿物成分第37页/共142页 原生矿物原生矿物主要类型工程性质是岩浆在冷凝过程中
22、形成的矿物，常见的有石英、云母、长石等。原生矿物颗粒是母岩石经物理风化而成，仅形状和大小发生了变化，成分与母岩相同，颗粒较粗大，有圆状、浑圆状、棱角状等。原生矿物硅酸盐类矿物、氧化物类矿物、硫化物类矿物、磷酸盐类矿物。、矿物的化学成分比较稳定，具有较强的抗水性和抗风能力，亲水性较弱。、对土的工程性质的影响主要表现在颗粒的大小、形状、坚硬程度、表面特征、矿物类型等方面。第38页/共142页原生矿物（或母岩）经化学风化而成，其成分与母岩不同，为一种新矿物。次生矿物颗粒较细，为细粒组的主要成分。颗粒较细，多呈针状、片状、扁平状。次生矿物可溶性的次生矿物不溶性的次生矿物次生氧化物成凝胶状，颗粒极细，亲
23、水性弱，性质稳定。含水倍半氧化物成凝胶状，颗粒极细，亲水性强。黏土矿物次生二氧化硅 对黏土性质的影响很大 次生矿物次生矿物第39页/共142页w 黏土矿物（熟知）硅片 铝片SiSiSiSi氧离子O O2-2-硅离子SiSi4+4+硅-氧四面体 硅片的结构 硅片简图OHOH1-1-铝离子AlAl3+3+铝-氢氧八面体 铝片的结构 铝片简图Al AlAl Al第40页/共142页蒙脱石蒙脱石二层、三层晶胞蒙脱石的主要特征是颗粒细小，具有明显的吸水膨胀和失水收缩的特性，或说其亲水能力很强。第41页/共142页高岭石高岭石高岭石的主要特征晶胞之间的连接较强，晶胞之间的距离不易改变，水分子不能进入，晶胞
24、的活动性小。使得其亲水性、膨胀性和收缩性较弱。伊利石伊利石伊利石的结晶构造比蒙脱石稳定。亲水能力较蒙脱石差。其特征也介于两者之间第42页/共142页比表面积单位体积(或质量)的颗粒的总表面积 黏土颗粒的带电性研究表明，片状黏土颗粒表面常带有电荷，净电荷通常为负电荷黏土的电泳和电渗现象(莫斯科大学列依斯,1809),1809)-+黏土颗粒水分子阳离子玻璃筒玻璃皿水位升高黏土粒黏土膏+-第43页/共142页 土中的水的分类土中的水的分类土中水 矿物中的结合水土孔隙中的水 液态水 结合水 自由水 强结合水弱结合水 重力水 毛细水 固态水汽态水结构水结晶水 沸石水 （二）土中水（二）土中水（熟知）（熟
25、知）第44页/共142页 结合水（束缚水、吸附水）结合水（束缚水、吸附水）指受电分子吸引力吸附于土粒表面的土中水 结合水受电分子吸引力吸附于土粒表面成薄膜状，不服从静水力学规律，其冰点低于零度，其密度和黏滞性比一般正常水高，只有吸热变成蒸汽才能移动。黏土颗粒-+引力d水分子阳离子强结合水弱结合水自由水强结合水弱结合水第45页/共142页F 没有溶解盐类的能力；F 不能传递静水压力；F 只有吸热变成蒸汽时才能移动，在105105时才蒸发；F 其性质接近于固体，密度约为1.21.2 2.4g/cm2.4g/cm3 3；F 冰点为7878，具有极大的黏滞度、弹性和抗剪强度；F 强结合水厚度很薄，吸附
26、力高，阳离子浓度大，水分子的定向排列特征显著。只含强结合水时，黏土呈固体坚硬状态、砂土呈散粒状态只含强结合水时，黏土呈固体坚硬状态、砂土呈散粒状态强结合水吸着水 第46页/共142页F 受电场引力作用，为黏滞水膜；F 外力作用下可以移动；F 不因重力而流动，有黏滞性；F 密度约为1.01.0 1.7g/cm1.7g/cm3 3；弱结合水薄膜水 此部分水的厚度对黏性土的黏性特征和工程性质影响此部分水的厚度对黏性土的黏性特征和工程性质影响最大，当土中含有较多的弱结合水时，土具有一定的最大，当土中含有较多的弱结合水时，土具有一定的可塑性。可塑性。第47页/共142页土粒表面的结合水第48页/共142
27、页 非结合水（自由水）非结合水（自由水）重力水毛细水按其移动所受作用力的不同重力或水头压力作用下运动毛细水承受表面张力和重力的作用毛细水是受到水与空气交界面处表面张力作用的自由水重力水是存在于地下水位以下的透水土层中的地下水 第49页/共142页毛细管hcT2r土中毛细水上升高度土中毛细水上升高度黏土黏土粉土粉土砂土砂土毛细水的形成第50页/共142页r空气 水 固体颗粒弯液面 毛细水的工程地质意义 F 毛细黏聚力提高土的强度 F毛细水可助长地基土的冻胀现象；地下室潮湿；危害房屋基础及公路路面；在干旱区，地下水中的可溶性盐随毛细水上升后不断蒸发，盐分便积聚在地表处而易形成盐渍土。F毛细水对土中
28、气体的分布与流通起有一定作用，常是导致产生密闭气体的原因。第51页/共142页土体有三个组成部分：固相、液相和气相 小 结F固体颗粒固体颗粒F土中水土中水F土中气体土中气体颗粒级配矿物成分黏土矿物结合水：强结合水、弱结合水 自由水：重力水、毛细水吸附气体 溶解气体自由气体 封闭气体第52页/共142页原状土和重塑土的强度沉积或碾压土的各向异性土的结构土的结构土的结构是指土粒的原位集合体特征，是由土粒单元的大小、形状、相互排列及其联结关系等因素形成的综合特征。土颗粒或粒团的空间排列和相互联结。土体的性质单粒结构蜂窝结构絮状结构（三）土的结构和构造（三）土的结构和构造 土的结构土的结构第53页/共
29、142页F 粗颗粒土在水中或空气中下沉而成的，是碎石土和砂类土的结构特征。w 单粒结构单粒结构F 特点：土粒间的分子吸引力很小，颗粒几乎没有联结。F 粒间作用力：重力起决定性的作用。在非饱和土中，还受到毛细力的作用。F 排列形式：点与点、点与面第54页/共142页w 蜂窝结构蜂窝结构F 当土颗粒较细，在水中单个下沉，碰到已沉积的土粒，由于土粒之间的分子吸力大于颗粒自重，则土粒被吸引不再下沉，逐渐形成土粒链，土粒链组成弓架结构，形成很大孔隙的蜂窝状结构。是粉粒土的结构形式。F 特点：孔隙大，高水平荷载作用下，结构破坏，易导致严重的地基沉降。第55页/共142页w 絮状结构絮状结构F 粒径小于0.
30、005mm0.005mm的黏土颗粒，在水中长期悬浮并在水中运动时，形成小链环状的土集粒而下沉。这种小链环碰到另一小链环被吸引，形成大链环状的絮状结构。F 特点：不稳定的，随溶液性质的改变或受到震荡后可重新分散。土的构造土的构造（了解）（了解）在同一土层中的物质成分和颗粒大小等都相近的各部分之间的相互关系的特征称为土的构造。第56页/共142页层状构造层状构造 土土粒粒在在沉沉积积过过程程中中，由由于于不不同同阶阶段段沉沉积积的的物物质质成成分分、颗粒大小或颜色不同，沿竖向呈层状特征。颗粒大小或颜色不同，沿竖向呈层状特征。淤泥夹粘土透镜体黏土尖灭砂土夹黏土层水平层理 交错层理第57页/共142页
31、分散构造分散构造 土土层层中中各各部部分分的的土土粒粒无无明明显显差差别别，分分布布均均匀匀，各各部部分分性性质质亦亦接接近近。例例如如，各各种种经经过过分分选选的的砂砂、砾砾石石、卵卵石石等等沉沉积积厚厚度度较较大大时时，无无明明显显层层次次，都都属属于于分分散散构造。构造。具具有有分分散散构构造造的的上上可可作作为各向同性体看待。为各向同性体看待。裂隙构造裂隙构造 土体被许多不连续的小裂隙所分割，在裂隙中常充填有各种盐类的沉淀物。不少坚硬和硬塑状态的粘性土具有此种构造。黄土具有特殊的柱状裂隙。裂隙破坏土的整体性，增大透水性，对工程不利。第58页/共142页土的结构土颗粒或粒团的空间排列和相
32、互联结粗粒土的结构单粒结构重力起主导作用粒间力起主导作用黏性土的结构性指标细粒土的结构蜂窝结构 絮凝结构 小 结第59页/共142页 土的三相草图 土的物理性质指标（土的三相比例指标）土的物理性质指标（土的三相比例指标）表示土的三相组成各部分的质量和体积之间的比例关系的指标九个物理量:m ma V Vv Vw ms m w Vs Va 三、三、土的物理性质指标土的物理性质指标第60页/共142页三个独立变量，干土或饱和土二个独立变量其它指标：三相草图法计算 实验室测定九个物理量:m ma V Vv Vw ms m w Vs Va 可假设任一参数为1 1为了确定三相草图诸量中的三个量，通常进行三
33、个基本的物理性质试验：F 土的密度试验F 土粒比重试验F 土的含水量试验第61页/共142页 土粒比重土粒比重G Gs s（土粒相对密度）（土粒相对密度）土中固体颗粒的质量与同体积44时纯水的质量之比；或为土粒密度与44时纯水的密度之比。w 表达式 w 测定方法：比重瓶法；经验法常见值：砂类土 G Gs s=2.65=2.652.692.69；粉类土 G Gs s=2.70=2.702.712.71；黏性土 G Gs s=2.72=2.722.762.76。有机质 G Gs s=2.4=2.42.52.5；泥炭 G Gs s=1.5=1.51.81.8。w 土粒密度 （一）土的基本物理性质指标
34、（一）土的基本物理性质指标第62页/共142页 土的含水量（含水率）土的含水量（含水率）w w土中水的质量与土粒质量之比，以百分数表示 。w 表达式 w 测定方法 w 常见值：砂土 w=(0w=(040)%40)%；黏性土 w=(20w=(2060)%60)%。w 意义：表示土体湿度（含水程度）的物理指标。与土 的种类、埋藏条件及其附近的自然环境等有关。烘干法；红外线法；酒精燃烧法；铁锅炒干法第63页/共142页 土的密度土的密度 土的总质量m m与总体积V V之比或土单位体积的质量。单位：国际上kg/mkg/m3 3，国内工程中常用g/cmg/cm3 3。w 测定方法:环刀法 适用于黏性土、
35、粉土与砂土。w 常见值：砂土：1.61.62.0g/cm2.0g/cm3 3；黏土:1.8:1.82.0g/cm2.0g/cm3 3；腐殖土：1.51.51.7g/cm1.7g/cm3 3。w 表达式 w 意义：综合反映了土的物质组成和结构特征。第64页/共142页 干密度干密度 土单位体积中土粒的质量或土的孔隙中完全没有水时的密度。w 测定方法：大环刀法 ；放射性同位素法w 常见值：d d=（1.31.31.81.8）g/cmg/cm3 3w 工程应用 在工程上常把干密度作为评定土体紧密程度的标准。通常用作填方工程如土坝、路基和人工压实地基等土体压实质量的控制标准。w 表达式 n 表示特殊条
36、件下土的密度的指标表示特殊条件下土的密度的指标（二）土的间接物理性质指标（二）土的间接物理性质指标第65页/共142页 饱和密度饱和密度 土的孔隙完全被水充满时的密度w 常见值：satsat=（1.81.82.32.3）g/cmg/cm3 3 浮密度（有效密度）浮密度（有效密度）在地下水位以下，土单位体积中土粒的质量与同体积水的质量之差 。w 表达式 w 表达式 w 常见值：第66页/共142页 土的孔隙比土的孔隙比e e土中孔隙体积与固体颗粒体积之比 根据、GsGs与W W实测值计算而得，工程应用很广，可以用来评价天然土层的密实度、进行砂土液化判断等。w 常见值：砂土 e=0.3e=0.30
37、.90.9；当砂土e0.6e1.0e1.0时，为软弱地基。w 表达式 n 表示土中孔隙体积相对含量的指标表示土中孔隙体积相对含量的指标（二）土的间接物理性质指标（二）土的间接物理性质指标第67页/共142页 孔隙度孔隙度(孔隙率孔隙率)n)n土的孔隙体积与土总积之比 ，以百分数表示。w 常见值：黏性土和粉土:(30-60)%:(30-60)%；砂土:(25-45)%:(25-45)%。根据、GsGs与W W实测值计算而得，孔隙度与孔隙比相比，工程应用较少。w 表达式 w 物理意义：表示土中孔隙大小的程度。n 表示土中孔隙体积相对含量的指标表示土中孔隙体积相对含量的指标第68页/共142页 土的
38、饱和度土的饱和度S Sr r土中孔隙水的体积与孔隙体积之比 ，以百分数表示。w 常见值：S Sr r=0=0100%100%。根据、G Gs s与W W实测值计算而得。w 工程中S Sr r作为砂土湿度划分的标准：w 表达式 w 物理意义：表示水在孔隙中充满的程度。S Sr r 50%50%稍湿的50%50%S Sr r80%80%很湿的S Sr r 80%80%饱和的n 表示土中含水程度的指标表示土中含水程度的指标第69页/共142页 重度重度 土的重力密度（重量）。单位（N/mN/m3 3）或（kN/mkN/m3 3）土的密度 和土的重度 ；土的干密度 和土的干重度 ；土的饱和密度 和饱和
39、重度 ；有效密度(浮密度)和有效重度(浮重度)；第70页/共142页土的三个组成相的体积和质量上的比例关系三相草图法室内测定三个基本室内测定三个基本物理性质指标：物理性质指标：土的密度土的密度 土粒比重土粒比重土的含水量土的含水量其它物理性质指标其它物理性质指标孔隙含量孔隙含量含水程度含水程度密度和容重密度和容重土的物理性质指标小小 结结特点:指标概念简单，数量很多要点：名称、概念或定义、符号、表达式、单位或量纲、常见值或范围、联系与区别第71页/共142页步骤：首先绘出三相草图；明确所求指标的表达式或定义；作假设以减少未知量，求解。（三）物理性质指标之间的换算（三）物理性质指标之间的换算第7
40、2页/共142页例如设：设：第73页/共142页推求第74页/共142页【例题例题1-11-1】某完全饱和黏土试样试计算该【解解】土样的孔隙比、饱和重度和干重度。令：第75页/共142页【例题例题1-21-2】某饱和土样切满容器为24.51cm24.51cm3 3的环刀内，称得总质量为110.8g110.8g，烘干后质量为100.4g100.4g。已知环刀质量为66.5g66.5g，土粒比重2.72,2.72,该土样的密度、有效密度、含水量、孔隙比。【解解】第76页/共142页【练习练习1-11-1】一体积为150cm150cm3 3的土样，湿土重270g270g，烘干后质量为204g,204
41、g,土粒比重2.67,2.67,求该土样的密度、含水率、孔隙比和饱和度。由已知条件：【解解】定义第77页/共142页第78页/共142页【练习练习1-21-2】某原状土，天然密度（1 1）计算土的孔隙比、饱和度；（2 2）当土中孔隙充满水时土的饱和密度和含水率。（1 1）：令：【解解】第79页/共142页（2 2）：第80页/共142页【练习练习1-31-3】某饱和土体，重度，土粒比重（1 1）根据题中的已知条件，推导干重度的表达式;（2 2）根据（1 1）的结果，计算该土的干重度。由已知条件：令：【解解】第81页/共142页土的物理状态 反映土的松密和软硬 状态的指标 无黏性土的松密程度 黏
42、性土的软硬状态土的物理性质指标三相间的比例关系质量和体积之间的关系影响力学特性密实度稠度四、四、土的物理状态土的物理状态第82页/共142页 黏性土的物理特征黏性土含水量较硬变软流动固态固态半固态半固态可塑状态可塑状态液体状态（流动状态液体状态（流动状态)黏性土的可塑性黏黏性性土土在在外外力力的的作作用用下下可可以以任任意意改改变变形形状状而而不不开开裂，外力撤去后仍能保持既得的形状的性能。裂，外力撤去后仍能保持既得的形状的性能。界限含水量黏性土由一种状态转到另一种状态的黏性土由一种状态转到另一种状态的分界含水量分界含水量，称，称为土的稠度界限或为土的稠度界限或界限含水量界限含水量。（一）黏性
43、土的物理状态（一）黏性土的物理状态第83页/共142页塑限液限黏性土的状态反映土中水的形态固态或半固态可塑状态 流动状态 强结合水弱结合水自由水w w土颗粒强结合水弱结合水土颗粒强结合水土颗粒自由水弱结合水强结合水强结合水膜最厚出现相当数量自由水 黏性土的状态与土中水界限含水量稠度状态含水量土中水的形态示意图缩限第84页/共142页定义定义黏性土由可塑黏性土由可塑状态转到流动状态的界限含水状态转到流动状态的界限含水量称为量称为液限液限w wL L。1 1、液限、液限w wL L(%)(%)测定方法测定方法 锥式液限仪操作过程：将黏性土调成均匀的浓糊状，装满盛土杯，刮平杯口表面，将7676克重圆
44、锥体轻放在试样表面的中心，使其在自重作用下徐徐沉入试样，若圆锥体经5 5秒种恰好沉入10mm10mm深度，这时杯内土样的含水量就是液限W WL L值。为了避免放锥时的人为晃动影响，可采用电磁放锥的方法。锥式液限仪第85页/共142页定定义义黏黏性性土土由由半半固固态态转转到到可可塑塑状状态态的的界界限限含含水量称为水量称为塑限塑限wP2 2、塑限、塑限w wP P(%)(%)测定方法测定方法操作过程：用双手将天然湿度的土样搓成小圆球（球径小于10mm10mm），放在毛玻璃板上再用手掌慢慢搓滚成小土条，用力均匀，搓到土条直径为3mm3mm，出现裂纹，自然断开，这时土条的含水量就是塑限w wp p
45、值。搓好的泥条 滚搓法第86页/共142页 入土深度与含水量的关系制制备备3 3个个不不同同含含水水量量的的试试样样，测测定定圆圆锥锥仪仪在在5 5秒秒时时的的下下沉沉深深度度，测测定定此此时时的的含含水水量量，在在双双对对数数坐坐标标纸纸上上绘绘出出圆圆锥锥下下沉沉深深度度和和含含水水量量的的关关系系直直线线。深深度度10mm10mm，对对应应的的含含水水量量为为液液限限，2mm2mm对对应应的的含水量为塑限含水量为塑限。液、塑限联合测定法第87页/共142页定义定义黏性土呈半固态与固态之间的界黏性土呈半固态与固态之间的界限含水量称为限含水量称为缩限缩限wS。3 3、缩限、缩限w wS S(
46、%)(%)测定方法测定方法用用收收缩缩皿皿法法，用用收收缩缩皿皿或或环环刀刀盛盛满满含含水水量量为为液液限限的的试试样样，放放在在室室内内逐逐渐渐晾晾干干，至至试试样样的的颜颜色色变变淡淡时时，放放入入烘烘箱箱中中烘烘至至恒恒重重，测测定定烘烘干干后后收收缩缩体体积积和干土重，从而求得缩限。和干土重，从而求得缩限。第88页/共142页 定义定义黏性土与粉土的液限与塑限的差黏性土与粉土的液限与塑限的差值（去掉值（去掉%），称），称塑性指数，记为塑性指数，记为IP。工程应用工程应用用塑性指数用塑性指数I IP P作为黏性土定名的标准。作为黏性土定名的标准。黏性土的物理状态指标 物理意义物理意义 土
47、处在可塑状态的含水量变化范围。塑性指数愈大，土处于可塑状态的含水量范围也愈大。黏土粉质黏土 塑性指数塑性指数I IP P第89页/共142页液液性性指指数数又又称称相相对对稠稠度度，是是将将土土的的天天然然含含水水量量w w与与w wL L及及w wP P相相比比较较，以以表表明明w w是是靠靠近近w wL L还还是是靠靠近近w wP P，反反映映土土的的软软硬不同。硬不同。物理意义物理意义工程应用工程应用定义定义黏性土的液性指数为天然含水量与塑黏性土的液性指数为天然含水量与塑限的差值和液限与塑限差值之比，称限的差值和液限与塑限差值之比，称液性指数，记为液性指数，记为IL。状态状态坚硬坚硬硬塑
48、硬塑可塑可塑软塑软塑流塑流塑液性指数液性指数I IL L000I0IL L0.250.250.25I0.25IL L0.750.750.75I0.751.01.0 液性指数液性指数I IL L黏性土的状态（GB50007)GB50007)第90页/共142页 黏性土结构性的演示黏性土结构性的演示 黏性土因受扰动而原结构被破坏后，其工程性质通常会变差，强度将明显下降。土中所示土样在保持天然结构时(原状土)，其上承受了1.5kg1.5kg的压力，但当结构完全破坏而成为重塑土时，变为可流动的泥浆。黏性土的结构性第91页/共142页S St t1 11-21-22-42-44-84-88-168-16
49、1616黏性土不灵敏低灵敏中等灵敏灵敏很灵敏流动 3 3=0=0相同含水量、密度 q qu u原状土重塑土灵敏度S St t：原状土的无侧限抗压强度q qu u和重塑土的无侧限抗压强度 之比。灵敏度触变性 黏性土的结构性第92页/共142页黏性土含水量不变，密度不变，因重塑而强度降低，又因静置而逐渐强化，强度逐渐恢复的现象，称为触变性。土的触变性是土结构中联结形态发生变化引起的，是土结构随时间变化的宏观表现。目前尚没有合理的描述土触变性的方法和指标。灵敏度触变性第93页/共142页 用孔隙比e e为标准 w 无黏性土无黏性土 按天然孔隙比e e划分砂土的密实度（7474规范）表1-61-6w
50、密实度：土的固体颗粒排列的紧密程度。密实密实中密中密稍密稍密松散松散砾砂砾砂 粗砂粗砂 中砂中砂e0.6e0.60.6e0.750.6e0.750.75e0.850.75e0.85e0.85细砂细砂 粉砂粉砂e0.7e0.70.7e0.850.7e0.850.85e0.950.85e0.95e0.95评价：（1 1）优点：简捷方便；（2 2）缺点：无法反映土的粒径级配与颗粒形状因素。一般指砂（类）土和碎石（类）土，这两大类土中一般黏粒含量少，不具有可塑性，呈单粒结构，它们的物理状态主要取决于土的密实程度，即密实度。（二）无黏性土的物理状态（二）无黏性土的物理状态第94页/共142页 无黏性土的