土力學(xué)教材林業(yè)大學(xué)

1、目 錄緒 論.2第一章 土的物理性質(zhì)及工程分類.10第二章 土中水的運(yùn)動規(guī)律.39第三章 土中應(yīng)力計(jì)算.55第四章 土的壓縮性與地基沉降計(jì)算.91第五章 土的抗剪強(qiáng)度.138第六章 土壓力與擋土墻168第七章 地基承載力203第八章 土坡穩(wěn)定分析.224第九章 土在動力荷載作用下的力學(xué)特性.240第十章 地基勘察及勘察報(bào)告的運(yùn)用.253緒 論01 土力學(xué)的研究對象及意義土是由地殼表層的巖石經(jīng)受風(fēng)化作用后形成的。風(fēng)化作用包括物理風(fēng)化、化學(xué)風(fēng)化和生物風(fēng)化，風(fēng)化作用的結(jié)果使整體巖石破碎成分散體，其礦物成分也可能發(fā)生變化，以及產(chǎn)生有機(jī)質(zhì)的積聚。巖石風(fēng)化后的產(chǎn)物還受到重力、流水、冰川和風(fēng)等的挾帶搬運(yùn)，使

2、土顆粒進(jìn)一步破碎分散，并使得土顆粒變得渾圓和土層分選，土在搬運(yùn)過程中隨之產(chǎn)生沉積過程，使土體具有不同的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造。上述風(fēng)化、搬運(yùn)和沉積的過程是交錯進(jìn)行的，經(jīng)歷了很長的地質(zhì)歷史年代，每一過程都對土的性質(zhì)產(chǎn)生影響。因此，土是自然歷史的產(chǎn)物，土的性質(zhì)與成因有關(guān)。土力學(xué)（Soil mechanics）是研究土（分散土）的學(xué)科，即利用力學(xué)的一般原理研究地表土的物理、力學(xué)特性及其受力后強(qiáng)度和體積變化規(guī)律的學(xué)科，包括土體的應(yīng)力、變形、強(qiáng)度、滲流及長期穩(wěn)定性。而研究巖石力學(xué)性質(zhì)的是巖石力學(xué)（Rock mechanics），土力學(xué)和巖石力學(xué)合稱為巖土力學(xué)（Geo mechanics）。隨著現(xiàn)代生產(chǎn)發(fā)展的需要，土

3、力學(xué)的研究領(lǐng)域正在不斷擴(kuò)大，現(xiàn)已形成許多分支，如軟土力學(xué)、海洋土力學(xué)、非飽和土力學(xué)、凍土力學(xué)、環(huán)境巖土力學(xué)、土動力學(xué)、土塑性力學(xué)等。而沈珠江院士將其概括為四個分支，即理論土力學(xué)、計(jì)算土力學(xué)、實(shí)驗(yàn)土力學(xué)、應(yīng)用土力學(xué)。土木工程建筑和構(gòu)筑物或修建在地表，或埋置于巖土之中，此外，絕大部分建筑材料是利用地球表層的巖土。在工程建設(shè)中，土可用來支承建筑物傳來的荷載，如在土層上修建房屋、橋梁、道路、堤壩時，土是被用作為地基，而路堤、土壩等土工構(gòu)筑物，土即被用作為建筑材料，此外，如隧道，涵洞及地下建筑等，土是作為建筑物周圍的介質(zhì)或環(huán)境。可見土與建筑物和構(gòu)筑物有密切聯(lián)系。實(shí)際證明，許多建筑物和構(gòu)筑物的事故與土有關(guān)

4、，且一旦發(fā)生補(bǔ)救非常困難，如蘇州名勝虎丘塔，共七層47.5m，磚砌，已建一千多年，因塔位于傾斜基巖上，復(fù)蓋層一邊為3.8m，另一邊為5.8m，造成不均勻沉降，引起塔頂偏離中心線達(dá)2.31m（1978年），危及安全，20世紀(jì)80年代初采用樁排式地下墻及注漿法進(jìn)行了托換；又如著名的意大利比薩斜塔高54.5m，因地基壓縮層不均、排水緩慢，北側(cè)下沉1m多，南側(cè)下沉近3m，鐘樓塔頂偏離中心線5m。再如我國1954年興建的上海工業(yè)展覽館中央大廳，因地基約有14m厚的淤泥質(zhì)軟粘土，盡管采用了727m的箱形基礎(chǔ)，建成后當(dāng)年就下沉06m，目前大廳平均沉降達(dá)16m。大量事故充分表明對土力學(xué)理論和地基基礎(chǔ)缺乏研究，

5、處理不當(dāng)，損失很大，近年來我國道路、地鐵、城市建設(shè)等基本建設(shè)大興土木，將會遇到許多新的土力學(xué)問題，所以研究與建筑物和構(gòu)筑物有密切聯(lián)系的土具有非常重要的意義。02 土力學(xué)的發(fā)展簡史與展望土力學(xué)是人類在長期生產(chǎn)實(shí)踐中不斷發(fā)展形成的,其發(fā)展過程大概可分為四個階段。021經(jīng)驗(yàn)積累階段（遠(yuǎn)古18世紀(jì)中葉）人類自遠(yuǎn)古以來就廣泛利用土作為建筑物地基和建筑材料。“水來土擋”就是我國古代勞動人民用土防御洪水的寫照。古代許多宏偉的土木工程，如我國的長城、大運(yùn)河、灌溉渠道、橋梁，宮殿、廟宇和世界上知名的建筑物，如比薩斜塔，金字塔等的修建，體現(xiàn)了古代勞動人民豐富的土木工程經(jīng)驗(yàn)。但由于社會生產(chǎn)力和技術(shù)條件的限制，使這一

6、階段經(jīng)過了很長時間。和其他學(xué)科一樣，直到十八世紀(jì)中葉，還停留在經(jīng)驗(yàn)積累的感性認(rèn)識階段。022 理論提高階段（18世紀(jì)產(chǎn)業(yè)革命后1925年）十八世紀(jì)歐美國家在產(chǎn)業(yè)革命后，大量大型建筑、橋梁、鐵路、公路的建筑物的興建，促使人們對土的物理力學(xué)等一系列技術(shù)問題進(jìn)行研究，對已積累的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行理論解釋。如1773年法國科學(xué)家?guī)靵?CACoulomb)發(fā)表了土壓力滑動楔體理論及土的抗剪強(qiáng)度公式；1856年法國學(xué)者達(dá)西(HDarcy)研究砂土的透水性，創(chuàng)立了層流滲透定律（達(dá)西公式），1857年英國學(xué)者朗肯(WJMRankine)發(fā)表了土壓力塑性平衡理論，與庫侖理論共同形成古典土壓力理論，1885年法國學(xué)者布辛內(nèi)

7、斯克(J.Boussinesq)提出了半無限彈性體中應(yīng)力分布計(jì)算公式，成為計(jì)算地基中應(yīng)力的主要方法。這一階段中人們在以前實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，從不同角度作了探索，在理論上有了突破，這些古典理論對土力學(xué)的發(fā)展起了很大的推進(jìn)作用，一直沿用至今。但大多是局部理論的單獨(dú)突破，還不能形成統(tǒng)一理論，未形成獨(dú)立的學(xué)科。023形成獨(dú)立學(xué)科階段（1925年20世紀(jì)60年代）自20世紀(jì)20年代開始，對土的研究有了迅速發(fā)展，發(fā)表了許多有關(guān)理論著作。如1916年由瑞典彼得森(KEPetterson)提出，以后由費(fèi)侖紐斯(WFeilenius)及美國泰勒(DWTaylor)進(jìn)一步發(fā)展的土坡穩(wěn)定分析的整體圓弧滑動法。1920

8、年法國普朗特(LPrandtl)發(fā)表了地基滑動面的數(shù)學(xué)公式；1925年美籍奧地利人K太沙基(KTerzaghi) 發(fā)表了土力學(xué)專著一書，提出了著名的飽和土有效應(yīng)力原理，它系統(tǒng)地論述了土力學(xué)的若干重要問題，如應(yīng)力變形強(qiáng)度時間各因素相互聯(lián)系起來，并有效地用于解決一系列的土工問題，從此土力學(xué)成為一門獨(dú)立的學(xué)科。其后一直到60代，基本上是對土力學(xué)原有理論與試驗(yàn)的充實(shí)和完善。例如，計(jì)算邊坡穩(wěn)定的簡單圓弧滑動法是不考慮條間力的簡化方法，1955年畢肖普(AWBishop)提出了考慮分條間豎向力，應(yīng)用有效強(qiáng)度指標(biāo)的計(jì)算方法；而五十年代后期詹布(NJanbu)與摩金斯坦(NRMorgenstern)相繼提出了

9、不僅考慮條間力，而且滑動面可取任意形狀的計(jì)算方法。在強(qiáng)度理論與強(qiáng)度試驗(yàn)方法方面發(fā)展了庫侖一摩爾理論。對土的破壞準(zhǔn)則、應(yīng)力路線，尤其對抗剪強(qiáng)度的有效應(yīng)力原理作了深入細(xì)致的研究，并用三軸儀作了全面的驗(yàn)證。土的基本特性、有效應(yīng)力原理、固結(jié)理論，變形理論、土體穩(wěn)定問題、動力特性，流變學(xué)等在土力學(xué)中應(yīng)用的進(jìn)一步完善，是這一階段研究的中心問題。太沙基、泰勒、崔托維奇（H.A.、斯開普頓(AWSkempton)、貝倫(LBjerrum)、畢肖普等人在這方面都做出了有效成績，我國陳宗基、黃文熙在土力學(xué)方面也有很好的研究成果。上述工作基本上是對以古典彈、塑性理論為基礎(chǔ)的“古典土力學(xué)”的發(fā)展和完善，也就是還沒有離

10、開土符合理想彈性體和理想塑性體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的假設(shè)。024土力學(xué)的新發(fā)展階段（20世紀(jì)60年代）早在1936年倫杜利克(LRendulic)就發(fā)現(xiàn)了土的剪脹性(這一性質(zhì)是一般固體材料所沒有的)，并發(fā)現(xiàn)土的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系是非線性的，而且具有加工硬化或加工軟化的性質(zhì)。但由于沒有現(xiàn)代化計(jì)算手段，非線性理論的發(fā)展受到了限制。隨著電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和新計(jì)算技術(shù)的高速度發(fā)展，使土力學(xué)的研究也進(jìn)入了一個全新階段，即不是將土作為理想彈塑性體，而是作為非線性應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系來研究的新階段。研究著重于新的非線性應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系和應(yīng)力一應(yīng)變模型的建立，并以此為基礎(chǔ)建立新的理論。提出各種應(yīng)力應(yīng)變模型，如鄧肯一張(JMDun

11、canCYChang)模型、劍橋模型以及我國南京水利科學(xué)研究院提出的模型。這些模型都是對土的非線性應(yīng)力一應(yīng)變規(guī)律的數(shù)學(xué)描述。黃文熙院士在1983年主編了一本理論性較強(qiáng)的土力學(xué)專著土的工程性質(zhì)，書中系統(tǒng)地介紹了國內(nèi)外有關(guān)各種土的應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)模型的理論和研究成果。沈珠江院士在土體本構(gòu)模型、土體靜動力數(shù)值分析、非飽和土理論等方面取得了令人矚目的成就，并于2000年出版了理論土力學(xué)專著，較全面總結(jié)了近70年來國內(nèi)外學(xué)者的研究成果。錢家歡、殷宗澤教授主編的土工原理與計(jì)算，較全面地總結(jié)土力學(xué)的新發(fā)展。從實(shí)驗(yàn)手段來說，在六十年代以前，加載時量測力用的是標(biāo)準(zhǔn)壓力計(jì)，儀器由人工操縱；數(shù)據(jù)眼看手記。而現(xiàn)在試驗(yàn)量測

12、可用傳感器，數(shù)據(jù)由電子儀器自動記錄、顯示，并可由計(jì)算機(jī)集中采集處理。1936年第一屆國際土力學(xué)及基礎(chǔ)工程學(xué)術(shù)會議在美國麻州坎布里奇召開以來，二至十四屆會議分別在鹿特丹、瑞士、倫敦、巴黎、加拿大、墨西哥、莫斯科、東京、斯德哥爾摩十屆)、舊金山、里約熱內(nèi)盧、新德里、漢堡召開。從第三界開始以后每四年召開一次，第十四屆改名為土力學(xué)及巖土工程學(xué)術(shù)會議。各大洲區(qū)域性的土力學(xué)會議二、四年召開一次，其他有關(guān)土力學(xué)的專門會議更多。中國土木工程學(xué)會1957年起設(shè)立了土力學(xué)及基礎(chǔ)工程委員會，由茅以升主持開展工作，并于1978年成立了土力學(xué)及基礎(chǔ)工程學(xué)會。1962年在天津召開第一屆土力學(xué)及基礎(chǔ)工程學(xué)術(shù)會議以來，第二至

13、第九屆會議分別在武漢、杭州、武漢、廈門、上海、西安、南京，北京召開，第八屆改名為土力學(xué)及巖土工程學(xué)術(shù)會議。第九屆土力學(xué)及巖土工程學(xué)術(shù)會議于2003年10月25-28日在北京隆重召開，來自全國各系統(tǒng)從事巖土工程科研、教學(xué)、設(shè)計(jì)、管理及施工等工作的專家學(xué)者和代表共500多人出席了大會。這些學(xué)術(shù)會議大大促進(jìn)了土力學(xué)學(xué)科的發(fā)展。預(yù)計(jì)21世紀(jì)土力學(xué)理論與實(shí)踐在非飽和土力學(xué)、環(huán)境土力學(xué)、土破壞理論等方面將取得長足的發(fā)展。國際性的土工刊物巖土工程(Geoteehnique)已創(chuàng)刊多年。出版歷史較長的美國土木工程學(xué)會(AE)編的土力學(xué)與基礎(chǔ)工程已改名為巖土技術(shù)(Geotechnical)雜志。各國也都出版了土

14、工學(xué)科的刊物。我國已有“巖土工程學(xué)報(bào)”、“巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)”、“巖土力學(xué)”、“巖土工程技術(shù)”、“巖土工程界”、“巖土工程師”等專業(yè)性刊物。這些都有助于本學(xué)科的交流，促進(jìn)學(xué)術(shù)發(fā)展。03 本課程的內(nèi)容、要求及與專業(yè)課的關(guān)系本書是根據(jù)土木工程專業(yè)建筑工程和交通土建方向的教學(xué)要求，并兼顧其他專業(yè)方向要求編寫的，內(nèi)容包括土的物理性質(zhì)及工程分類、土中水的運(yùn)動規(guī)律、土中應(yīng)力計(jì)算、土的壓縮性與地基沉降計(jì)算、土的抗剪強(qiáng)度、土壓力和擋土墻、地基承載力、土坡穩(wěn)定分析、土在動荷載作用下的力學(xué)性質(zhì)、地基勘察及勘察報(bào)告的應(yīng)用等十章，全書可分為兩類內(nèi)容。第一類是關(guān)于土的基本性質(zhì)的試驗(yàn)、分析以及基本規(guī)律的介紹；第二類是土的

15、應(yīng)力、變形和強(qiáng)度的分析計(jì)算。每一章中均有關(guān)于工程應(yīng)用的內(nèi)容，具體為：第1章土的物理性質(zhì)及工程分類主要介紹描述土的三相組成及土的結(jié)構(gòu)，粘土顆粒與水的相互作用，土的三相比例指標(biāo)試驗(yàn)與計(jì)算，無粘性土的密實(shí)度，粘性土的物理特性，土的壓實(shí)試驗(yàn)與土的壓實(shí)性以及利用土工指標(biāo)對土進(jìn)行分類的方法。第2章土中水的運(yùn)動規(guī)律主要介紹了土的層流滲透定理，土的滲透系數(shù)，滲流力與流砂及管涌現(xiàn)象，二維滲流與流網(wǎng)的特征及應(yīng)用，土的毛細(xì)性及土的凍脹。土中水的存在是土區(qū)別于其他材料的重要因家。土中水的滲流、土的滲透破壞、水的浮力以及土的凍脹是工程設(shè)計(jì)與施工必須考慮的問題。第3章土中應(yīng)力計(jì)算介紹了土中自重應(yīng)力、基底壓力、基底附加壓力

16、和土體附加應(yīng)力的概念及計(jì)算方法，土體應(yīng)力狀態(tài)的變化通常是造成土體變形或強(qiáng)度破壞的內(nèi)在原因，在沉降計(jì)算時則需要計(jì)算土中附加應(yīng)力沿深度的變化。這一章為后面幾章的學(xué)習(xí)提供關(guān)于應(yīng)力分布的基礎(chǔ)知識和計(jì)算附加應(yīng)力的方法。第4章土的壓縮性與地基沉降計(jì)算，從討論荷載作用下土體的變形特性出發(fā)，以解決工程實(shí)際中地基的沉降計(jì)算問題為目的，依次介紹荷載作用下土的壓縮性，地基最終沉降量計(jì)算，應(yīng)力歷史對地基沉降的影響，固結(jié)理論及沉降與時間關(guān)系等內(nèi)容。第5章土的抗剪強(qiáng)度主要討論土的強(qiáng)度理論、抗剪強(qiáng)度的主要測定方法、土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)及其應(yīng)項(xiàng)因素，并對孔隙壓力系數(shù)和應(yīng)力路徑的概念和應(yīng)用作簡要介紹。第6章地基承載力主要對各種地基

17、的破壞型式進(jìn)行了分析，重點(diǎn)討論了地基臨塑荷載、臨界荷載、地基極限承載力的確定，詳細(xì)介紹了按規(guī)范方法確定地基承載力的方法。第7章土壓力計(jì)算主要介紹了土壓力的類型及及產(chǎn)生的條件和適用范圍，靜止土壓力的計(jì)算，兩種土壓力理論的假設(shè)條件，主動土壓力、被動土壓力的計(jì)算方法及幾種情況下的主動土壓力的計(jì)算，車輛荷載引起的土壓力的計(jì)算，擋土墻的型式，重力式擋土墻的計(jì)算及構(gòu)造措施。第8章土坡穩(wěn)定分析主要介紹粘性土土坡穩(wěn)定性分析的整體圓弧滑動法、畢肖普條分法、非圓弧滑動面的楊布法等幾種實(shí)用方法和無粘性土坡的穩(wěn)定性分析，討論了在各種工程條件下土坡穩(wěn)定計(jì)算需要考慮的一些特殊問題和地基的穩(wěn)定性問題。第9章土在動荷載作用下

18、的力學(xué)性質(zhì)主要介紹動力荷載的類型及特點(diǎn)、砂土液化的機(jī)理及其判別、砂土液化的防治、動力荷載作用下的土的強(qiáng)度及變形特性、常用動力特征參數(shù)及其測定方法。第10章地基勘察及勘察報(bào)告的應(yīng)用主要介紹一般建筑場地和地基的勘察原則和任務(wù)、常用的勘察手段和方法以及勘察資料的整理和閱讀，還介紹了勘察成果的常用分析方法與運(yùn)用。土力學(xué)是一門理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程，理論是應(yīng)用一般連續(xù)體力學(xué)（材料力學(xué)、彈性力學(xué)）基本原理結(jié)合土的特性，提出一些力學(xué)計(jì)算模型；實(shí)踐是通過土的現(xiàn)場勘察及室內(nèi)土工試驗(yàn)測定土的計(jì)算參數(shù)。土力學(xué)是土木工程專業(yè)的必修課，屬于專業(yè)基礎(chǔ)課，它所包含的知識是本專業(yè)學(xué)生必須掌握的專業(yè)基礎(chǔ)知識，又是為“路基工

19、程”、“基礎(chǔ)工程”、“地基處理”、“巖土工程”等后續(xù)課程學(xué)習(xí)所必備的基礎(chǔ)知識。學(xué)習(xí)時必須緊緊抓住變形、強(qiáng)度、滲流及穩(wěn)定這一線索利用有效應(yīng)力原理、將土的本構(gòu)模型即土的應(yīng)力、變形、強(qiáng)度、滲流關(guān)系，貫穿起來，重視室內(nèi)土工試驗(yàn)，要理論聯(lián)系實(shí)際的學(xué)習(xí)。第1章 土的物理性質(zhì)及工程分類本章提要主要介紹描述土的三相組成及土的結(jié)構(gòu)，粘土顆粒與水的相互作用，土的三相比例指標(biāo)試驗(yàn)與計(jì)算，無粘性土的密實(shí)度，粘性土的物理特性，土的壓實(shí)試驗(yàn)與土的壓實(shí)性以及利用土工指標(biāo)對土進(jìn)行分類的方法。本章要求掌握土的各種物理性質(zhì)指標(biāo)的定義及其測定方法以及三相比例指標(biāo)之間的換算關(guān)系，熟悉土的壓實(shí)性和分類方法，了解土的物理性質(zhì)的變化規(guī)律，

20、土顆粒表面與水的相互作用和粘土顆粒間的相互作用力。11 概述自然界的巖石都在經(jīng)受風(fēng)化作用，其風(fēng)化包括物理風(fēng)化、化學(xué)風(fēng)化和生物風(fēng)化作用。土是由巖石經(jīng)過風(fēng)化作用后形成的礦物顆粒堆積在一起，中間貫穿著孔隙，孔隙間存在水和空氣，它是由各種大小不同的土粒、水和氣體按各種比例組成的集合體。當(dāng)土是由土粒，空氣和水組成時，土為固相、氣相和液相組成的三相體系。當(dāng)土是由土粒和空氣，或土粒和水組成時，土為二相體系。這些土粒間的聯(lián)結(jié)比較微弱，在外荷載作用下，土體并不顯示出一般固體的特性，土粒間的聯(lián)結(jié)也并不象膠體那樣易于相對地滑移，也不表現(xiàn)出一般液體的特性。因此，在研究土的工程性質(zhì)時，既有別于固體力學(xué)，也有別于流體力學(xué)

21、。由于空氣易被壓縮，水能從土體流出和流進(jìn)，土的三相相對比例會隨時間和荷載條件的變化而改變，土的一系列性質(zhì)也隨之而改變。各種土的顆粒大小和礦物成分差別可以很大，土的三相比例也不盡相同，而且土粒與其周圍的土中水又發(fā)生了復(fù)雜的物理化學(xué)作用。土粒形成土體的骨架、土粒大小和形狀、礦物成分及其排列和聯(lián)結(jié)特征是決定土的物理力學(xué)性質(zhì)的重要因素。土粒的礦物成分與土粒大小有密切關(guān)系，土粒的形狀與土粒大小也有很大關(guān)系，粗大土粒其形狀都是塊狀或柱狀，而細(xì)小土粒主要呈片狀。粗大土粒具有松密的結(jié)構(gòu)特征，細(xì)小土粒則與土中水相互作用呈現(xiàn)軟硬的結(jié)構(gòu)特征。因此，土粒大小是影響土的性質(zhì)最主要的因素。所以，要研究土的性質(zhì)就必須了解土

22、的三相組成以及在天然狀態(tài)下土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造等特征。 土的三相組成物質(zhì)的性質(zhì)、相對含量以及土的結(jié)構(gòu)構(gòu)造等各種因素，必然在土的輕重、松密、干濕、軟硬等一系列物理性質(zhì)上有不同的反映。土的物理性質(zhì)又在一定程度上決定了它的力學(xué)性質(zhì)，所以物理性質(zhì)是土的最基本的工程特性。 定量地描述土粒的物理特性，土的物理狀態(tài)，以及三相比例關(guān)系，即構(gòu)成土的各種物理指標(biāo)特性。利用這些物理指標(biāo)特性，可對土進(jìn)行鑒別和分類，間接地推測土的其他工程性質(zhì)。12土的三相組成及土的結(jié)構(gòu) 單位體積中土的三相份量不是固定不變的，而是隨環(huán)境（壓力、溫度、地下水）而變化，如下雨時土含水率增加，粘土?xí)冘?。因此要研究土的性質(zhì)首先要研究構(gòu)成土三相本身的

23、性質(zhì)，以及它們的含量和相互作用對土性的影響。土性取決于顆粒的形狀、大小和礦物成分。121土中固體顆粒（固相）土顆粒是土的主要組成部分，是決定土性的主要因素。土性取決于顆粒的形狀、大小和礦物成分。1土粒的礦物成分和形狀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。土的固相物質(zhì)包括無機(jī)礦物顆粒和有機(jī)質(zhì)，是構(gòu)成土的骨架最基本的物質(zhì)。土中的無機(jī)礦物成分可以分為原生礦物和次生礦物兩大類。原生礦物是巖漿在冷凝過程中形成的礦物，如石英、長石、云母等。次生礦物是由原生礦物經(jīng)過風(fēng)化作用后形成的新礦物，如粘土礦物及碳酸鹽礦物等。次生

24、礦物按其與水的作用可分為易溶的、難溶的和不溶的，次生礦物的水溶性對土的性質(zhì)有重要的影響。漂石、卵石、圓礫等粗大土粒都是巖石的碎屑，它們的礦物成分與母巖相同，砂粒大部分是母巖中的單礦物顆粒，如石英、長石和云母等，為渾圓或棱角狀。粉粒的礦物成分是多樣性的，主要是石英和MgCO3、CaCO3等難溶鹽的顆粒，粉粒也為渾圓或棱角狀。粘粒的礦物成分主要有粘土礦物、氧化物、氫氧化物和各種難溶鹽類(如碳酸鈣等)它們都是次生礦物。粘土礦物是很細(xì)小的扁平顆粒，表面具有極強(qiáng)的和水相互作用的能力。顆粒愈細(xì)，表面積愈大，親水的能力就愈強(qiáng)，對土的工程性質(zhì)的影響也就愈大。粘土礦物基本上是由兩種原子層(稱為晶片)構(gòu)成的。一種

25、是硅氧晶片，它的基本單元是Si-O四面體；另一種是鋁氫氧晶片、它的基本單元是A1-OH八面體(見圖1-1)，由于晶片結(jié)合情況的不同，便形成了具有不同性質(zhì)的各種粘土礦物。其中主要有蒙脫石、伊利石和高嶺石三類，由于其親水性不同，當(dāng)其含量不同時土的工程性質(zhì)也就不同。 蒙脫石是化學(xué)風(fēng)化的初期產(chǎn)物，其結(jié)構(gòu)單元（晶胞）是兩層硅氧晶片之間夾層鋁氫氧晶片所組成的。由于晶胞的兩個面部是氧原子，其間沒有氫鍵，因此聯(lián)結(jié)很弱(見圖1-2a)，水分子可以進(jìn)入晶胞之間，從而改變晶胞間的距離，甚至達(dá)到完全分散到單晶胞為止。因此當(dāng)土中蒙脫石含量較大時，則具有較大的吸水膨脹和脫水收縮的特性伊利石的結(jié)構(gòu)單元類似于蒙脫石，所不同的

26、是Si-O四面體中Si4+的可以被Fe3+、A13+所取代，因而在相鄰晶胞間將出現(xiàn)若干一價(jià)正離子(K+)以補(bǔ)償晶胞中正電荷的不足（見圖1-2b）,所以伊利石的結(jié)晶構(gòu)造沒有蒙脫石那樣活躍，其親水性不如蒙脫石，其吸水膨脹性和脫水收縮性也較蒙脫石小。 高嶺石的結(jié)構(gòu)單元（見圖1-2c）是由一層硅氧晶片和一層鋁氫氧晶片組成的晶胞。高嶺石的礦物就是由若干重要的晶胞構(gòu)成的，這種晶胞一面露出氧原子，另一面露出氫氧基。晶胞之間的聯(lián)結(jié)是氧原子與氫氧基之間的氫鍵，它具有較強(qiáng)的聯(lián)結(jié)力，晶胞之間的距離不易改變，水分子不能進(jìn)入，因此它的親水性、膨脹性、收縮性比伊利石還小。由于粘土礦物是很細(xì)小的扁平顆粒，顆粒表面具有很強(qiáng)的

27、與水相互作用的能力表面積愈大，這種能力就愈強(qiáng)。粘土礦物表面積的相對大小可以用單位體積(或質(zhì)量)的顆?？偙砻娣e(稱為比表面)來表示。例如一個棱邊為1cm的立方體顆粒，其體積為lcm3總表面積只有6cm2，比表面為6cm2/cm36cm-1若將lcm3立方體顆粒分割為棱邊0.01mm的許多立方體顆粒。則其總表面積可達(dá)6×10 3cm2，比表面可達(dá)6×103cm-1。由此可見，由于土粒大小不同而造成比表面數(shù)值上的巨大變化，必然導(dǎo)致土的性質(zhì)的突變，所以，土粒大小對土的性質(zhì)所起的重要作用是非常的大。a) b) c)圖1-1 粘土礦物的晶片示意圖 圖1-2 粘土礦物構(gòu)造單元示意圖a）蒙

28、股石 b）伊利石 c) 高嶺石2土粒粒度分析方法及粒組劃分（1）土粒大小及粒組劃分 天然土是由大小不同的顆粒組成的，土粒的大小稱為粒度。天然土的粒徑一般是連續(xù)變化的，為了描述方便，工程上常把大小相近的土粒合并為組，稱為粒組。對粒組的劃分，各個國家，甚至一個國家的各個部門有不同的規(guī)定。表1-1給出了國標(biāo)土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)(GBJ1451990)和公路土工試驗(yàn)規(guī)程(JTJ0511993)中土粒粒組的劃分方法?？梢?，土顆粒的大小相差懸殊，有大于200mm的漂石也有小于0.005mm的粘粒同時由于土粒的形狀往往是不規(guī)則的，很難直接測量土粒的大小，故只能用間接的方法來定量地描述土粒的大小及各種顆粒的相對含

29、量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。常用的方法有兩種，對粒徑大于0075mm的土粒常用篩分析的方法，而對小于0075mm的土粒則用沉降分析的方法。（2）粒度成分及其表示方法 工程上常用土中各種不同粒組的相對含量(以干土質(zhì)量的百分比表示)來描述土的顆粒組成情況，這種指標(biāo)稱為土的顆粒級配或粒度成分，它可用以描述土中不同粒徑土粒的分布特征。常用的粒度成分的表示方法有表格法、累計(jì)曲線法和三角坐標(biāo)法。1）表格法。表格法是以列表形式直接表達(dá)各粒組的百分含量。它用于粒度成分的分類是十分方便的。如表1-2所示。表1-1 土粒粒組的劃分 粒組統(tǒng)稱土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)(GBJ1451990)公路土工試驗(yàn)規(guī)程(JTJ0511993)粒組名

30、稱粒徑范圍/mm一 般 特 征粒組名稱粒徑范圍/mm巨粒漂石或塊石>200透水性很大，無粘性，無毛細(xì)水漂石或塊石>200卵石或碎石20060卵石或小塊石20060粗粒圓礫或角礫粗6020透水性大，無粘性，毛細(xì)水上升高度不超過粒徑大小粗礫6020中205中礫205細(xì)52細(xì)礫52砂 粒粗20.5易透水，當(dāng)混入云母等雜質(zhì)時遭水性減小，而壓縮性增加：無粘性，遇水不膨脹，于燥時松散，毛細(xì)水上升高度不大，隨粒徑變小而增大粗砂20.5中0.50.25中砂0.50.25細(xì)0.250.075細(xì)砂0.250.074細(xì)粒粉粒0.0750.005透水性小，濕時稍有粘性，遇水膨脹小，干時稍有收縮，毛細(xì)水上升

31、高度較大較快，極易出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象粉粒0.0740.002粘粒<0.005透水性很小，濕時有粘性、可塑性，遇水膨脹大，于時收縮顯著；毛細(xì)水上升高度大，但速度較慢粘粒<0.0022）累計(jì)曲線法。累計(jì)曲線法是用半對數(shù)紙繪 表1-2 土的粒度成分粒組/mm粒度成分(以質(zhì)量%計(jì))土樣A土樣B10529.1523.224.025.913.90.500.2513.614.10.250.1042.35.20.100.07524.44.50.0750.00510.65.0<0.0054.2制，橫坐標(biāo)表示粒徑，縱坐標(biāo)為小于某一粒徑（不是某一粒徑）土粒的累計(jì)百分含量，該法是比較全面和通用的一種圖解法

32、，適用于各種土級配好壞的相對比較。如圖1-3所示。由累計(jì)曲線的坡度可以大致判斷土粒的均勻程度或級配是否良好。如曲線較陡（曲線a），表示粒徑大小相差不多，土粒較均勻，級配不良；反之，曲線平緩（曲線b），則表示粒徑大小相差懸殊，土粒不均勻，即級配良好；曲線c表示該土中砂粒極少，主要是由細(xì)顆粒組成的粘性土。根據(jù)描述級配的累計(jì)曲線，可以簡單地確定土粒級配的兩個定量指標(biāo):不均勻系數(shù) (1-1)曲率系數(shù) (1-2)式中 d10,d30,d60分別相當(dāng)于小于該粒徑的累計(jì)百分含量為10、30和60對應(yīng)的粒徑，分別稱為有效粒徑、中值粒徑、限制粒徑。不均勻系數(shù)反映大小不同粒組的分布情況。Cu越大，表示土粒大小分布

33、范圍大，土的級配良好。曲率系數(shù)Cc則是描述累計(jì)曲線的分布范圍，反映累計(jì)曲線的整體形狀,表示某粒組是否缺損的情況。一般工程上認(rèn)為不均勻系數(shù)Cu5時，稱為均粒土，其級配不好，Cu10時，稱為級配良好的土。對于級配連續(xù)的土，采用指標(biāo)Cu，即可達(dá)到比較滿意的判別結(jié)果。但缺乏中間d10與d60之間粒徑某粒組的土，即級配不連續(xù)，此時，則僅用單獨(dú)一指標(biāo)Cu難以確定土的級配情況，還必須同時考察累計(jì)曲線的整體形狀，故需兼顧曲率系數(shù)Cc值。當(dāng)?shù)[類土或砂類土同時滿足不均勻系數(shù)Cu5和Cc率系數(shù)13兩個條件時，則為良好級配礫或良好級配砂；如不能同時滿足，則為級配不良。如圖1-3中曲線a的d10=0.10mm,d30=

34、0.22mm,d60=0.39mm，則Cu=3.9, Cc=1.24,土樣a為級配不良的土。圖1-3 土的顆粒級配曲線3）三角坐標(biāo)法。它是利用等邊三角形內(nèi)任意一點(diǎn)至三個邊的垂直距離（h1、h2、h3）的總和恒等于三角形之高H的原理，即h1+h2+h3=H，三角坐標(biāo)法只適用于劃分為三個粒組的情況。例如當(dāng)把粘性土劃分為砂土、粉土和粘土粒組時，就可以用圖1-4所示的三角坐標(biāo)圖表示。圖中M點(diǎn)的坐標(biāo)分別為：粘粒含量30，粉粒含量50；砂粒含量20。3粒度成分分析方法 （1）篩分法 篩分法是將風(fēng)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(biāo)準(zhǔn)篩(如60mm、40mm、20mm、10mm、5mm、2m

35、m、1mm、05mm、025mm、01mm、0075mm)，然后分別稱出留在各個篩子上的干土質(zhì)量，并計(jì)算出各粒組相對含量。通過計(jì)算可得到小于某一篩孔直徑土粒的累積重量及其累計(jì)百分含量，即得土的顆粒級配。圖1-5 土粒在溶液中的沉降圖1-4 三角坐標(biāo)法表示粒度成分（2）沉降分析法 沉降分析法有密度計(jì)法（比重計(jì)法）和移液管法，其理論基礎(chǔ)是土粒在水中的沉降原理，如圖l-5所示，將定量的土樣與水混合傾注量筒中，懸液經(jīng)過攪拌，在剛停止攪拌的瞬時，各種粒徑的土粒在懸液中是均勻分布的，此時單位體積懸液內(nèi)含有的土粒重量即懸液濃度在上下不同深度處是相等的。但靜置一段時間后，土粒在懸液中下沉，較粗的顆粒沉降較快，

36、圖中在深度Li處只含有di粒徑的土粒，懸液濃度降低了。如在Li深度處考慮一小區(qū)段mn，則mn段懸液的濃度與開始濃度之比，即可求得di的累計(jì)百分含量。關(guān)于di的計(jì)算原理,土粒下沉?xí)r的速度與土粒形狀、粒徑、質(zhì)量密度以及水的粘滯度有關(guān)。當(dāng)土粒簡化為理想球體時，土粒的沉降速度可以用司托克斯(Stokes，1845)定律計(jì)算： （1-3）式中 v球形顆粒在液體中的穩(wěn)定沉降速度(ms)； r球形顆粒的半徑(m)；s，分別為顆粒及液體的重度(Nm3)；液體的粘滯度(Pa·s)。若將球體顆粒改為直徑表示，且近似地取98l×103Nm3，(水溶液) 000l14Pa·s(對于15的

37、水溶液)，s26×103Nm3，則： (1-4)任一時刻在任一Li處懸浮液中剩下來的顆粒的濃度可用比重計(jì)或移液管法測定。比重計(jì)的讀數(shù)既表示浮泡中心處的懸浮液密度i，又表示從懸浮液表面到浮泡中心處的沉降距離Li；速度viLiti；,因此，只要把懸浮液攬拌均勻后，隔不同的時間ti測讀比重計(jì)讀數(shù)i，就能求出相應(yīng)于不同時刻ti的一系列di和值Pi(Pi為懸浮液中di土粒重量占土?？傊氐陌俜直?。122土中水和氣1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)粒愈多，即土的分散度愈大，水對土的性質(zhì)的影響也愈大。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

38、。存在于土中的液態(tài)水可分為結(jié)合水和自由水兩大類。圖1-6 結(jié)合水定向排列圖結(jié)合水是指受電分子吸引力吸附在土粒表面的土中水。這種電分子吸引力高達(dá)幾千到幾萬個大氣壓，使水分子和土粒表面牢固地粘結(jié)在一起。由于土粒(礦物顆粒)表面一般帶有負(fù)電荷，圍繞土粒形成電場，在土粒電場范圍內(nèi)的水分子和水溶液中的陽離子(如Ka+、Ca2+、Al3+)一起吸附在土粒表面。因?yàn)樗肿邮菢O性分子(氫原子端顯正電荷，氧原子端顯負(fù)電荷)，它被土粒表面電荷或水溶液中離子電荷的吸引而定向排列(見圖1-6)。它又可分為強(qiáng)結(jié)合水和弱結(jié)合水兩種，強(qiáng)結(jié)合水緊靠土粒表面，其性質(zhì)接近于固體，密度約為1.22.4g/cm3，冰點(diǎn)為-78，不能

39、傳遞靜水壓力，具有極大的粘滯度、彈性和抗剪強(qiáng)度。粘土只含強(qiáng)結(jié)合水時，呈固體狀態(tài)，磨碎后成粉末狀態(tài)；砂土的強(qiáng)結(jié)合水很少，僅含強(qiáng)結(jié)合水時呈散粒狀。在強(qiáng)結(jié)合水外圍的結(jié)合水膜稱為弱結(jié)合水，它仍然不能傳遞靜水壓力，其性質(zhì)隨離開顆粒表面的距離而變化，由近固態(tài)到近自由態(tài)，不能自由流動，但水膜較厚的弱結(jié)合水會向鄰近較薄的水膜緩慢移動，因而弱結(jié)合水使粘性土具有可塑性，凍結(jié)溫度-0.5-30。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)與普通水一樣能夠傳遞靜水壓力，可在土的孔隙中流動，使土具有流動性，冰點(diǎn)為0，有溶解鹽類的能力。自由水按所受作用力的不同，又可分為重力水和毛細(xì)水兩種。重力水是存在于地下水位以

40、下的透水土層中的地下水。當(dāng)存在水頭差時，它將產(chǎn)生流動，對土顆粒有浮力作用, 重力水對土中的應(yīng)力狀態(tài)和開挖基槽、基坑以及修筑地下構(gòu)筑物時所應(yīng)采取的排水、防水措施有重要的影響。毛細(xì)水是受到水與空氣交界面處表面張力的作用、存在于地下水位以上透水層中的自由水。在工程中，毛細(xì)水的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、凍脹等有重要影響。此外，在干旱地區(qū)，地下水中的可溶鹽隨毛細(xì)水上升后不斷蒸發(fā)，鹽分便積聚于靠近地表處而形成鹽漬土?？梢娡林兴⒎翘幱陟o止不變的狀態(tài)，而是運(yùn)動的。土中水的運(yùn)動原因很多，同時給工程帶來很多問題，工程實(shí)踐中的流砂、管涌、凍脹、滲透固結(jié)、滲流時的邊坡穩(wěn)定等問題，都與

41、土中水的運(yùn)動有關(guān)，具體將在本書有關(guān)章節(jié)講述。 2土中氣土中的氣體存在于土孔隙中末被水所占據(jù)的部位。在粗粒的沉積物中常見到與大氣相聯(lián)通的空氣，它對土的力學(xué)性質(zhì)影響不大。在細(xì)粒土中則常存在與大氣隔絕的封閉氣泡，使土在外力作用下的彈性變形增加，透水性減小。對于淤泥和泥炭等有機(jī)質(zhì)土，由于微生物(厭氧細(xì)菌)的分解作用，在土中蓄積了某種可燃?xì)怏w(如硫化氫、甲烷等)，使土層在自重作用下長期得不到壓密，而形成高壓縮性土層。含氣體的土稱為非飽和土，非飽和土的工程性質(zhì)研究已形成土力學(xué)的一個熱點(diǎn)。123 粘土顆粒與水的相互作用 圖1-7 粘土顆粒表面帶電現(xiàn)象粘土顆粒與水的相互作用對粘性土的性質(zhì)有很大的影響。因此了解

42、粘土顆粒與水的相互作用是很有必要。1 粘土顆粒表面帶電現(xiàn)象早在1807年列依斯(Reuss)就通過實(shí)驗(yàn)證明粘土顆粒是帶電的。圖1-7，把兩根帶有電極的玻璃管插入一塊潮濕的粘土塊內(nèi)（見圖1-7）。在玻璃管中撒是一些洗凈的砂，再加水至相同的高度，接通直流電源后發(fā)現(xiàn)：在陽極管中，水自下而上地渾濁起來。說明粘土顆粒在向陽極周圍移動，與此同時，管中水位卻逐漸下降；在陰極管中，水仍是極其清澈的，但水體在逐漸升高。如在一塊潮濕粘土塊上直接插入兩個直流電極，通電后發(fā)現(xiàn)陽極周圍的土逐漸變干，而陰極周圍的土則逐漸變濕。說明粘土顆粒帶有負(fù)電荷，我們把粘土顆粒在直流電作用下向陽極移動的現(xiàn)象稱為電泳；而水分子向陰極移動

43、的現(xiàn)象稱為電滲。利用這一性質(zhì)，人們發(fā)明了電滲固結(jié)法處理軟弱地基的方法。如上海寶鋼煉鐵車間鐵水包基坑，深1535m，分二級開挖，第一級挖深45m，采用輕型井點(diǎn)降水，第二級采用鋼板樁支撐圍護(hù)，在鋼板樁外用電滲噴射井點(diǎn)降水，用噴射井點(diǎn)管作陰極，用鋼筋作陽極，開挖后坑底干燥，保證了深基坑工程順利施工。2 雙電層的概念帶有負(fù)電荷的粘土顆粒與水相互作用時，在它的周圍產(chǎn)生了一個電場，在土粒電場范圍內(nèi)的水分子和水溶液中的陽離子(如Na+、Ca2+、A13+等)一起吸附在土粒表面。土粒周圍水溶液中的陽離子，一方面受到土粒所形成電場的靜電引力作用，另一方面又受到布朗運(yùn)動(熱運(yùn)動)的擴(kuò)散力作用。在最靠近土粒表面處，

44、靜電引力最強(qiáng)，把水化離子和極性水分子牢固地吸附在顆粒表面上形成吸附水層(也叫固定層)。在固定層外圍，靜電引力比較小，因此水化離子和極性水分子的活動性比在固定層中大些，在土粒表面形成弱結(jié)合水層(也叫擴(kuò)散層)。當(dāng)然，在擴(kuò)散層內(nèi)陰離子則為土粒表面的負(fù)電荷所排斥，隨著離土粒表面距離的加大，陰離子濃度逐漸增高，最后陰離子也達(dá)水溶液中的正常濃度。固定層和擴(kuò)散層中所含的陽離子與土粒表面的負(fù)電荷的電位相反，稱為反離子，固定層和擴(kuò)散層又合稱為反離子層。該反離子層與土粒表面負(fù)電荷一起構(gòu)成雙電層（見圖1-6）。 3 影響雙電層厚度的因素顆粒表面電荷的多少決定著吸附異號離子和極性水分子的數(shù)量。研究表明：土的礦物成分是

45、影響顆粒表面電荷數(shù)量的基本因素。蒙脫石具有很多的不平衡電荷，伊利石次之，高嶺石最少。蒙脫石較高嶺石的吸附能力高數(shù)十倍，其雙電層要厚得多。水溶液的PH值也是影響顆粒帶電性的重要因素，一般PH值愈高，土帶負(fù)電荷的能力愈大，雙電層就越厚。雙電層的厚度既取決于顆粒表面的帶電性，又取決于溶液中陽離子的價(jià)數(shù)。顆粒表面帶電性相同時，數(shù)量較少的高價(jià)離子即可與之平衡，而低價(jià)的則需較多數(shù)量才能與之平衡。前者雙電層較薄，而后者則較厚。所以，在含低價(jià)Na+海水中的土顆粒，具有較厚的雙電層。溶液中的離子與顆粒表面吸附的離子具有交換的能力，一般是溶液中的高價(jià)離子置換土粒表面外層中的低價(jià)離子，此現(xiàn)象稱為離子交換。一般高價(jià)離

46、子的交換能力大于低價(jià)離子，同價(jià)離子中離子半徑大的交換能力大于離子半徑小的,下面是擴(kuò)散層中陽離子與水溶液中的其他陽離子發(fā)生離子交換的順序：Fe3+Al3+H+Ba2+Ca2+Mg2+K+Li+Na+利用離子交換可以改善土的工程性質(zhì)。如用三價(jià)及二價(jià)離子(如Fe3+、Al3+、Ca2+、Mg2+)處理粘土，使它的雙電層變薄，從而增加土的水穩(wěn)性，減少膨脹性，提高土的強(qiáng)度，如將石灰摻入土中，Ca2+置換了Na+，土的性質(zhì)即可改善。有時也可用一價(jià)離子的鹽溶液處理粘土，使擴(kuò)散層增厚，而大大降低土的透水性等。4 粘土顆粒間的相互作用力土水懸浮液中當(dāng)兩粘土顆粒由于布朗運(yùn)動而相互趨近時，在土粒間既有吸引力也有排斥

47、力。（1）粒間吸引力 土粒間吸引力主要來源于分子間的范德華力。對于一個原子對之間的范德華吸引力一般是不大的，而且隨著原子對距離的增加而迅速衰減。原子對之間的范德華吸引力與原子間距離的7次方成反比，土粒間的吸引力，應(yīng)等于一個土粒中各個原子與另一土粒中各個原子間所有吸引力的總和VA, 吸引能VA大致與土粒表面的間距的2次方成反比(如圖1-8)，土粒間許多原子間吸引力的總和，不僅能產(chǎn)生較大的吸引力，可見也使隨距離增加的衰減慢些。圖1-8 排斥勢能曲線（2）土粒間的排斥力 可以按土粒間中央處結(jié)合水的離子濃度與離土粒表面很遠(yuǎn)處正常水溶液的離子濃度之差計(jì)算而得。由于粒間中央處離子濃度高于水溶液正常離子濃度

48、，出現(xiàn)滲透壓力，即水分子向粒間滲透，使土?；ハ嗯懦?。這種排斥力的存在，使得要把分離很遠(yuǎn)的土?；ハ嘹吔街付ǖ拈g距，需要作一定的功，這個功即排斥能(或排斥電勢)VR。作VR隨離土粒表面距離d的變化曲線，可得“排斥勢能曲線”。VR大致隨著d的增加而呈指數(shù)下降(如圖1-9)。當(dāng)電解質(zhì)濃度由低變高時，由于雙電層擴(kuò)散層厚度被壓縮，排斥作用的范圍也大大縮減。圖1-9 粒間相互作用的凈勢能曲線a)低電解質(zhì)濃度b)中等電解質(zhì)濃度c)高電解質(zhì)濃度a) b) c) 排斥力和吸引力是同時并存的，吸引能VA為負(fù)號，排斥能VR為正號，把土粗間的VA和VR相加，即可繪制粒間相互作用的凈勢能曲線如圖1-8所示。圖中水溶液濃

49、度不同時，亦影響粒間相互作用的凈勢能曲線。圖1-8a、圖1-8b為低和中等電解質(zhì)濃度時，在極短間距時排斥能占優(yōu)勢，而在短距離時吸引能占優(yōu)勢，在距離較大時，排斥能占優(yōu)勢；圖1-8c為高濃度時，在極短距離時，排斥能占優(yōu)勢，在短距離時吸引能占優(yōu)勢，但在距離較大時，并不出現(xiàn)排斥能。 在水溶液電解質(zhì)濃度高時，除極短距離出現(xiàn)排斥能外，在其他距離內(nèi)都不出現(xiàn)排斥能，則土粒在懸浮液中以很快的速度發(fā)生凝聚(或膠凝)。能障的大小，主要受雙電層擴(kuò)散層的厚度支配，也即主要受水溶液中與土粒表面電荷符號相反的反離子的離子價(jià)和濃度支配。而雙電層擴(kuò)散層中的反離子是可交換的離子。離交子換會改變雙電層擴(kuò)散層的厚度，從而改變土粒間的

50、相互作用力。土粒間的排列及聯(lián)結(jié)，對土的工程性質(zhì)有極大影響。而物理化學(xué)環(huán)境的變化，會引起土粒間相互作用發(fā)生變化，從而使土的工程性質(zhì)發(fā)生變化，實(shí)際工程中應(yīng)注意這些變化。124 土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造1土的結(jié)構(gòu)土的結(jié)構(gòu)是指由土粒單元的大小、形狀、相互排列及其聯(lián)結(jié)關(guān)系等因素形成的綜合特征。土擾動前后，力學(xué)性質(zhì)差異很大，可見土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造對土的物理力學(xué)性質(zhì)有重要的影響。土的結(jié)構(gòu)一般分為單粒結(jié)構(gòu)、蜂窩結(jié)構(gòu)和絮狀結(jié)構(gòu)三種基本類型。單粒結(jié)構(gòu)是由粗大土粒在水或空氣中下沉而形成的、全部由砂粒及更粗土粒組成的土都具有單粒結(jié)構(gòu)。因其顆粒較大、土粒間的分子吸引力相對很小，所以顆粒間幾乎沒有聯(lián)結(jié)單粒結(jié)構(gòu)的土分為疏松和緊密的(見圖

51、1-10a、b)。緊密狀單粒結(jié)構(gòu)的土，強(qiáng)度較大，壓縮性較小，是良好的天然地基。疏松單粘結(jié)構(gòu)的土，其骨架是不穩(wěn)定的，強(qiáng)度小，壓縮性大，當(dāng)受到震動及其他外力作用時，土粒易發(fā)生移動，土中孔隙劇烈減少，引起土的很大變形，因此，這種土層如未經(jīng)處理一般不宜作為建筑物的地基。圖1-10 土的結(jié)構(gòu)a) 單粒結(jié)構(gòu)(疏松) b) 單粒結(jié)構(gòu)(緊密) c) 蜂窩結(jié)構(gòu) d) 絮狀結(jié)構(gòu)a) b) c) d)蜂窩結(jié)構(gòu)是主要由粉粒(0.0750.005mm)組成的土的結(jié)構(gòu)形式,粒徑在0.0750.005mm左右的土粒在水中沉積時，基本上是以單個土粒下沉當(dāng)碰上已沉積的土粒時，由于它們之間的相互引力大于其重力，因此土粒就停留在最

52、初的接觸點(diǎn)上不再下沉，形成具有很大孔隙的蜂窩狀結(jié)構(gòu)(見圖1-10c)。由于蜂窩結(jié)構(gòu)的土具有一定程度的粒間連接，使其可承擔(dān)一定的水平靜荷載，但當(dāng)承受較高水平荷載和動力荷載時，其結(jié)構(gòu)將破壞，引起土的很大變形，地基發(fā)生破壞。絮狀結(jié)構(gòu)是由粘粒（<0.005mm）集合體組成的結(jié)構(gòu)形式。粘粒能夠在水中長期懸浮，不因自重而下沉。當(dāng)這些懸浮在水中的粘粒被帶到電解質(zhì)濃度較大的環(huán)境中(如海水)粘粒凝聚成絮狀的集粒(粘粒集合體)而下沉，并相繼和已沉積的絮狀集粒接觸，而形成類似蜂窩而孔隙很大的絮狀結(jié)構(gòu)(見圖1-10d)。粘土的性質(zhì)主要取決于集粒間的相互聯(lián)系與排列,當(dāng)粘粒在淡水中沉積時，因水中缺少鹽類，所以粘?；?/p>

53、集粒間的排斥力可以充分發(fā)揮，沉積物的結(jié)構(gòu)是定向(或至少半定向)排列的，即顆粒在一定程度上平行排列，形成所謂分散型結(jié)構(gòu)。當(dāng)粘粒在海水中沉積時、由于水中鹽類的離子濃度很大，減少了顆粒間的排斥力，所以土的結(jié)構(gòu)是面邊接觸的絮狀結(jié)構(gòu)。土的結(jié)構(gòu)在形成過程中，以及形成之后，當(dāng)外界條件變化時(如荷載、濕度、溫度或介質(zhì)條件)，都會使土的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。土體失水干縮，會使土粒間的聯(lián)結(jié)增強(qiáng)；土體在外力作用下(壓力或剪力)，絮狀結(jié)構(gòu)會趨于平行排列的定向結(jié)構(gòu)，使土的強(qiáng)度及壓縮性都隨之發(fā)生變化。具有蜂窩結(jié)構(gòu)和絮狀結(jié)構(gòu)的粘性土，其土粒間的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度(結(jié)構(gòu)強(qiáng)度)，往往由于長期的壓密作用和膠結(jié)作用而得到加強(qiáng)。土的結(jié)構(gòu)受擾動后強(qiáng)度降

54、低，工程中通常以保持天然結(jié)構(gòu)的原狀土強(qiáng)度（無側(cè)限抗壓強(qiáng)度）與保持原含水率但天然結(jié)構(gòu)被破壞的重塑土強(qiáng)度（無側(cè)限抗壓強(qiáng)度）的比值來作為土的結(jié)構(gòu)性指標(biāo)，稱之為靈敏度t。即： （1-5）式中分別為原狀土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度,重塑土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，t的值越大，土的靈敏度越高，根據(jù)靈敏度可將飽和粘性土分為：低靈敏(1.0t2.0)、中等靈敏(2.0<t4)和高靈敏(t4.0)三類。土的靈敏度愈高，其結(jié)構(gòu)性愈強(qiáng)，受擾動后土的強(qiáng)度降低就越嚴(yán)重。因此，工程中挖基槽或基坑和道路土方時，不能用機(jī)械一次性挖到設(shè)計(jì)標(biāo)高，而應(yīng)留2030cm的土由人工修平，以防土的結(jié)構(gòu)受擾動后強(qiáng)度降低，壓縮性增大。粘性土與靈敏度密切相關(guān)的另一種特性是觸變性。結(jié)構(gòu)受破壞，強(qiáng)度降