土力學教材(重點)

目錄

第一節(jié)土的形成

-、土和土體的概念

1.i(soil)

地球表面30—80km厚的范圍是地殼。地殼中原來整體堅硬的巖石，經風化、剝蝕搬運、

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、氣體三相物質組成；或土是由固體相、液體相、氣體相和有機質

(腐殖質)相四相物質組成。

不同的風化作用，形成不同性質的上。風化作用有下列三種：物理風化、化學風化、生

物風化。

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、變形有關的土層的組合體。

土體是由厚薄不等，性質各異的若干土層，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硬的巖石經過風化、剝蝕等外力作用而瓦解的碎

塊或礦物顆粒，再經水流、風力或重力作用、冰川作用搬運在適當的條件下沉積成各種類型

的土體。

再搬運過程中，由于形成土的母巖成分的差異、顆粒大小、形態(tài)，礦物成分又進一步

發(fā)生變化，并在搬運及沉積過程中由于分選作用形成在成分、結構、構造和性質上有規(guī)律的

變化。

土體沉積后：

/a.將經過生物化學及物理化學變化，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)受到風化、剝蝕、侵蝕而再破碎、

再搬運、再沉積等地質作用。

(2)時代較老的土，在上覆沉積物的自重壓力及地下水的作用下，經受成巖作用，逐漸固

結成巖，強度增高，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，土體就表現出不同的特點。

三、土的基本特征及主要成因類型

(-)土的基本特征

從工程地質觀點分析，土有以下共同的基本特征：

1.土是自然歷史的產物

土是由許多礦物自然結合而成的。它在一定的地質歷史時期內，經過各種復雜的自然

因素作用后形成各類土的形成時間、地點、環(huán)境以及方式不同，各種礦物在質量、數量和空

間排列上都有一定的差異，其工程地質性質也就有所不同。

2.土是相系組合體

土是由三相(固、液、氣)或四相(固、液、氣、有機質)所組成的體系。相系組成之

間的變化，將導致土的性質的改變。土的相系之間的質和量的變化是鑒別其工程地質性質的

一個重要依據。它們存在著復雜的物理?化學作用。

3.土是分散體系

由二相或更多的相所構成的體系，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2N）,②細分散體系，

（2?0.1U）,③膠體體系（0.1~0.01I*）,④分子體系（小于0.01口）。分散體系的性質隨

著分散程度的變化而改變。

粗分散與細分散和膠體體系的差別很大。細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分散部分。土的細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。

任何土類均儲備有一定的能量，在砂土和粘土類土中其總能量系由內部儲量與表面能

量之和構成，即:

內+表

Ee=EE

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?。ㄐ∮?.002mm）,遇水呈現出膠體化學特性。

（-）土體的主要成因類型

按形成土體的地質營力和沉積條件（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……

現就介紹幾種主要的成因類型、土體的性質成分及其工程地質特征。

I.殘積土體的工程地質特征

殘積土體是由基巖風化而成，未經搬運留于原地的土體。它處于巖石風化殼的上部，是

風化殼中劇風化帶。

殘積土一般形成剝蝕平原

影響殘積土工程地質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、化學成分。

①干旱地區(qū)：以物理風化為主，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特征。

②半干旱地區(qū)：在物理風化的基礎上發(fā)生化學變化，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。

③潮濕地區(qū)：a、在潮濕而溫暖，排水條件良好的地區(qū)，由于有機質迅速腐爛，分解出

有利于高嶺石的形成。、在潮濕溫暖而排水條件差的地區(qū)，則往往形成蒙脫石。

CO2,b

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；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U>含較多的粘土礦物，其巖性為粉質粘土或粘土；

中性或基性火成巖=>易風化成粉質粘土；

沉積巖大多是松軟土經成巖作用后形成的，風化后往往恢復原有松軟土的特點，如：粘

土巖=>粘土；細砂巖=細砂土等。

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（山

丘頂部因侵蝕而厚度較??；山谷低洼處則厚度較大。）

殘積物一般透水性強，以致殘積土中一般無地下水。

2.坡積土體的工程地質特征

坡積土體是殘積物經雨水或融化了的雪水的片流搬運作用，順坡移動堆積而成的，所以

其物質成分與斜坡上.的殘積物一致。坡積土體與殘積土體往往呈過渡狀態(tài)，其工程地質特征

也很相似。①巖性成分多種多樣；

②一般見不到層理；

③地下水一般屬于潛水，有時形成上層滯水

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。一般當斜坡的坡角越陡時，坡腳坡積物的范圍越大。

3.洪積土體的工程地質特征

洪積土體是暫時性、周期性地面水流——山洪帶來的碎屑物質，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、

強度高，壓縮性??；（但孔隙大，透水性強）

距山口越遠顆粒越細，分選好，磨圓度高，強度低，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特征

湖積土體在內陸分布廣泛，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、砂土或粉質砂土；

湖心土主要為靜水沉積物，成分復雜，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RCCh巖類為主，有時以淤泥為主。

「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特征②具獨特的產狀條件

《③粘土類湖積物常含有機質、各種鹽類及其

它混合物

I④具層理性，具各向異性

5.沖積土體的工程地質特征

沖積土體是由于河流的流水作用，將碎屑物質搬運堆積在它侵蝕成的河谷內而形成的。

沖積土體主要發(fā)育在河谷內以及山區(qū)外的沖積平原中，一般可分為三個相：即河床相，

河漫灘相、牛軌湖相。

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，有時也夾有粘土透

鏡體，在垂直剖面上土粒由下到上，由粗到細，成分較復雜，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。

河床相物質是良好的天然地基。

2）河漫灘相沖積土是由洪水期河水將細粒懸浮物質帶到河漫灘上沉積而成的。一般為

細砂土或粘土，覆蓋于河床相沖積土之上。常為上下兩層結構，下層為粗顆粒土，上層為泛

濫的細顆粒土。

3）牛燒湖相沖積土是在廢河道形成的牛翅湖中沉積下來的松軟土。由含有大量有機質

的粉質粘土、粉質砂土、細砂土組成，沒有層理。

河口沖積土：由河流攜帶的懸浮物質，如粉砂、粘粒和膠體物質在河口沉積的一套淤

泥質粘土、粉質粘土或淤泥，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

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，飽和粉細砂受震動可能產生液化：飽和粘土地基沉

降需很長時間才能穩(wěn)定。

由此可見，研究土的工程性質，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。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，即某一級粒徑的變化范圍。

劃分粒組的兩個原則：

（1）首先考慮到在一定的粒徑變化范圍內，其工程地質性質是相似的，若超越了這個

變化幅度就要引起質的變化。

（2）要考慮與目前粒度成分的測定技術相適應。

此外，要便于記憶。

目前，我國廣泛應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

實際上，土常是各種大小不太顆粒的混合體，較籠統的說，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，毛細上升，高度很小，既無

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

主的土稱為細粒土，也稱為粘性土。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，毛細上升高度較高，有可塑性、脹縮性，強度較低。

1、粒徑級配分析方法

工程上，使用的粒徑級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，將事先稱過重量的烘干土樣過篩，稱留在各篩上的重量，然后計算相

應的百分數。

礫石類土與砂類土采用篩分法。

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

球狀的細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，細顆粒下沉速度慢的原理，把顆粒按下沉速度進行進行粗細分組。實驗室常用

比重計進行顆粒分析，稱為比重計法。此外還有移液管等。

例1.從干砂樣中取質量1000g的試樣，放入0.1?0.2mm的標準篩中，經充分振蕩，

稱各級篩上留下來的土粒質量見表第二行，試求土粒中各粒組的土粒含量。

篩分析試驗結果

篩孔徑（mm）2.01.00.50.250.150.1底盤

各級篩上的土粒質量10010025030010050100

(g)

小于各級篩孔徑的土粒908055251510

含量（％）

各粒組的土粒含量（％）102510105

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

1000-100=900g,于是小于該孔徑（2.0.mm）的土粒含量為900/1（X）0=90%

同理可稱得小于其它孔徑的土粒含量，見第三行。

（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%。

同理可算得其它粒組的土粒含量見第四行。

2、粒徑級配曲線

將篩分析和比重計試驗的結果繪制在以土的粒徑為橫坐標,小于某粒徑之土質量百分數

p（%）為縱坐標，得到的曲線稱土的粒徑級配累積曲線（見教材P14圖2—1,和P179圖I—

12）。

此外，粒徑的級配的表示方法還有列表法，三角圖法等。

3、粒徑級配累積曲線的應用

土的粒徑級配累積曲線是土工上最常用的曲線，從這曲線上可以直接了解土的粗細、粒

徑分布的均勻程度和級配的優(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量累計百分數為10%時，相應的粒徑稱為

有效粒徑（diO）.

d30：小于某粒徑的土粒質量累計百分數為30%時的粒徑用d30表示。

土的控制粒徑（d60）或稱限定粒徑（d60）：當小于某粒徑的土粒質量累計百分數為60%

時，該粒徑稱為控制粒徑。

定義士的不均勻系數為：C”=凹也

九

定義士的粒徑級配累積曲線的曲率系數Cc為：Cc=%

“oxd}0

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,

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

曲線系數Cc描寫的是累積曲線的分布范圍，反映曲線的整體形狀；或稱反映累積曲線

的斜率是否連續(xù)。

在一般情況下：1）.工程上把CMW5的土看作是均粒土，屬級配不良；?！?gt;5時，稱為

不均粒土；C">10的土屬級配良好。2）.經驗證明，當級配連續(xù)時，Cc的范圍約為1?3；

因此當Cc<l或Cc>3時，均表示級配線不連續(xù)。

從工程上看：C”25且Cc=l?3的土，稱為級配良好的土；不能同時滿足上述兩個

要求的土，稱為級配不良的土。

（-）土粒成分

土中固體部分的成分，絕大部分是礦物質，另外或多或少有一些有機質，而土粒的礦物

成分主要決定于母巖的成分及其所經受的風化作用。不同的礦物成分對土的性質有著不同的

影響，其中以細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1倍半氧化物

次生礦物L次生氧化物

「難溶鹽

I可溶的中溶鹽

I易溶鹽

r腐植質

'有機質一

L泥炭

1、原生礦物

由巖石經物理風化而成，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

巖屑經化學風化而成，其成分與母巖不同，為一種新礦物，顆粒細。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性質活潑的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的Fe、Al和0、OH,等組成的礦物，可用R2O3表示

例如：針鐵礦FeaOj*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

粘土礦物的微觀結構由兩種原子層（晶面）構成：一種是由Si-O四面體構成的硅氧晶

片；另一種是由A1-OH八面體構成的鋁氫氧晶片，因這兩種晶片結合的情況不同，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（兒萬?幾十萬倍）口外貌特征（攝像機）

粘土礦物的鑒定方國差熱分析：加熱后的物理?化學變化過程

薄片鑒定

3、有機質：泥炭、腐植質動植物殘骸

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)。土中細粒越多，即土的分散度越大，水對土的性質的影響也越大。

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部或是參與礦物構造中的水稱為礦物內部結合水，它只

有在比較高的溫度（80?68（）℃,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，從土的工程性質上分析，可以把礦物內部結合水當作礦物顆粒的一部分。

存在于土中的液態(tài)水可分為結合水和自由水兩大類。

（―）結合水：

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兒千到幾萬個

大氣壓，使水分子和土粒表面牢固的粘結在一起。

結合水因離顆粒表面遠近不同，受電場作用力的大小也不同，所以分為強結合水和弱結

合水。

1、強結合水（吸著水）

系指緊靠土粒表面的結合水，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才能移動。

這種水極其牢固的結合在土粒表面上，其性質接近于固體，密度約為1.2?2.4g/cm3,

冰點為-78℃,具有極大的粘滯度、彈性和抗剪強度。

如果將干燥的土移在天然濕度的空氣中，則土的質量將增加，直到土中吸著的強結合水

達到最大吸著度為止。

土粒越細，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、弱結合水（薄膜水）

弱結合水緊靠于強結合水的外圍形成一層結合水膜。它仍然不能傳遞靜水壓力，但水膜

較厚的弱結合水能向臨近的較薄的水膜緩慢移動。

當土中含有較多的弱結合水時，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。

弱結合水離土粒表面積愈遠，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。它的性質和普通水?樣，能傳遞靜水

壓力，冰點為0℃,有溶解能力。

自由水按其移動所受到作用力的不同，可以分為重力水和毛細水。

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動

的自由水，對土粒有浮力作用，重力水對土中的應力狀態(tài)和開挖基槽、基坑以及修筑地下構

筑物時所應采取的排水、防水措施有重要的影響。

2、毛細水

毛細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中毛

細管現象解釋。分布在土粒內部相互貫通的孔隙，可以看成是許多形狀不一，直徑各異，彼

此連通的毛細管。

按物理學概念：在毛細管周壁，水膜與空氣的分界處存在著表面張力T。水膜表面張力

的作用方向與毛細管壁成夾角a，由于表面張力的作用，毛細管內的水被提升到自由水面

以上高力,處。

分析高度為人的水柱靜力平衡條件，因為毛細管內水面處即為大氣壓；若以大氣壓力

為基準，則該處壓力Pa=O

故：7t?hc?yw-2兀丫?Tcosa

.2Tcosa

.?/?.=.................................（1）

Y*YW

式中，水膜的張力T（與溫度有關），當10℃時，T=0.0756g/cm

20℃時,T=0.0742g/cm

a——方向角，其大小與土顆粒和水的性質有關。

/——毛細管半徑

兒——水的容重

若令a=0,則可求得毛細水上升的最大高度（"max）

=0-

上式表明，毛細升高兒與毛細管半徑y成反比：顯然土顆粒的直徑越小，孔隙的直徑

（毛細管直徑）越細，則從愈大。

毛細水的工程地質意義:

（1）產生毛細壓力（p,）：Pc=-2-7--c-o-sjci=八.?兒與一般靜水壓力的概念相同，它

/

與水頭高度4成正比。但自由水位以上，毛細區(qū)域內，顆粒間所受的毛細壓力Pc是倒三角

(2)毛細水對土中氣體的分布與流通起有一定作用，常是導致產生密閉氣體的原因。

(3)當地下水埋深淺，由于毛細管水上升，可助長地基土的冰凍現象；地下室潮濕;

危害房屋基礎及公路路面；促使土的沼澤化。

r結構水

礦物成分水j結晶水r強結合水

I佛石水

綜上:土中的水r結合水v

弱結合水

-液態(tài)水I

孔隙中的水＜固態(tài)水I非結合水r毛細水

t重力水

-氣態(tài)水

三、土中氣體

土的孔隙中沒有被水占據的部分都是氣體。

1、土中氣體的來源

土中氣體的成因，除來自空氣外，也可由生物化學作用和化學反應所生成。

2、土中氣體的特點

(1)土中氣體除含有空氣中的主要成分。2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。

/空氣中為：20.9%

(2)土中氣體含量比空氣中少〈

、土中。2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)和結構特點，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2?3個分子層。

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H?、。2、CH4；其溶解數值

取決于溫度、壓力、氣體的物理化學及溶液的化學成分。

溶解氣體的作用主要為：

a.改變水的結構及溶液的性質，對土粒施加力學作用；

b.當T、P增高時，在土中可形成密閉氣體。

c.可加速化學潛蝕過程。

(3)自由氣體

自由氣體與大氣連通，對土的性質影響不大。

(4)密閉氣體

封閉氣體的體積與壓力有關，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，但當其突然排除時,可導致基礎與建筑物的變形。

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。

三、土的結構

土的結構是指土粒（或團粒）的大小、形狀、互相排列及聯結的特征。

土的結構是在成土的過程中逐漸形成的，它反映了土的成分、成因和年代對土的工程性質

的影響。土的結構按其顆粒的排列和聯結可分為圖1-3所示的三種基本類型。

土的單粒結構土的蜂窩結構土的象狀結構

圖1-3土的結構的基本類型

1.單粒結構

單粒結構是碎石土和砂土的結構特征。其特點是土粒間沒有聯結存在，或聯結非常微弱，可

以忽略不計。疏松狀態(tài)的單粒結構在荷載作用下，特別在振動荷載作用下會趨向密實，土粒移向

更穩(wěn)定的位置，同時產生較大的變形；密實狀態(tài)的單粒結構在剪應力作用下會發(fā)生剪脹，即體積

膨脹，密度變松。單粒結構的緊密程度取決于礦物成分、顆粒形狀、粒度成分及級配的均勻程度。

片狀礦物顆粒組成的砂土最為疏松；渾圓的顆粒組成的土比帶棱角的容易趨向密實；土粒的級配

愈不均勻，結構愈緊密。

2.蜂窩狀結構

蜂窩狀結構是以粉粒為主的土的結構特征。粒徑在0.02~0.002mm左右的土粒在水中沉積

時，基本上是單個顆粒下沉，在下沉過程中、碰上已沉積的土粒時，如土粒間的引力相對自重而

言已經足夠地大，則此顆粒就停留在最初的接觸位置上不再下沉，形成大孔隙的蜂窩狀結構。

3.絮狀結構

絮狀結構是粘土顆粒特有的結構特征。懸浮在水中的粘土顆粒當介質發(fā)生變化時，土?；ハ?/p>

聚合，以邊-邊、面-邊的接觸方式形成絮狀物下沉，沉積為大孔隙的絮狀結構。

土的結構形成以后，當外界條件變化時，土的結構會發(fā)生變化。例如，土層在上覆土層作用

下壓密固結時，結構會趨于更緊密的排列；卸載時土體的膨脹（如鉆探取土時土樣的膨脹或基坑

開挖時基底的隆起）會松動土的結構；當土層失水干縮或介質變化時，鹽類結晶膠結能增強土粒

間的聯結；在外力作用下（如施工時對土的擾動或切應力的長期作用）會弱化土的結構，破壞土

粒原來的排列方式和土粒間的聯結，使絮狀結構變?yōu)槠叫械闹厮芙Y構，降低土的強度，增大壓縮

性。因此，在取土試驗或施工過程中都必須盡量減少對土的擾動，避免破壞土的原狀結構。

四、粘性土的狀態(tài)與界限含水量

1.粘性土的狀態(tài)

隨著含水量的改變，粘性土將經歷不同的物理狀態(tài)。當含水量很大時，土是一種粘滯流動的

液體即泥漿，稱為流動狀態(tài)；隨著含水量逐漸減少，粘滯流動的特點漸漸消失而顯示出塑性（所

謂塑性就是指可以塑成任何形狀而不發(fā)生裂縫，并在外力解除以后能保持已有的形狀而不恢復原

狀的性質），稱為可塑狀態(tài)；當含水量繼續(xù)減少時，則發(fā)現土的可塑性逐漸消失，從可塑狀態(tài)變

為半固體狀態(tài)。如果同時測定含水量減少過程中的體積變化，則可發(fā)現土的體積隨著含水量的減

少而減小，但當含水量很小的時候，土的體積卻不再隨含水量的減少而減小了，這種狀態(tài)稱為固

體狀態(tài)。

2.界限含水量

粘性土從一種狀態(tài)變到另一種狀態(tài)的含水量分界點稱為界限含水量。流動狀態(tài)與可塑狀態(tài)問

的分界含水量稱為液限2一；可塑狀態(tài)與半固體狀態(tài)間的分界含水量稱為塑限Wp；半固體狀態(tài)與

固體狀態(tài)間的分界含水量稱為縮限Wso

塑限，Vp是用搓條法測定的。把塑性狀態(tài)的土在毛玻璃板上用手搓條，在緩慢的、單方向的

搓動過程中土膏內的水分漸漸蒸發(fā)，如搓到土條的直徑為3mm左右時斷裂為若干段，則此時的

含水量即為塑限vvpo詳細的試驗操作步驟請查閱滾搓法塑限試驗的內容

液限隊可采用平衡錐式液限儀測定。平衡錐重為76g,錐角為30。。試驗時使平衡錐在自

重作用下沉入土膏，當15s內正好沉入深度10mm時的含水量即為液限僧一。

采用平衡錐式液限儀單獨測定液限的試驗過程可觀看試驗過程演示。

目前在液限與塑限的測定中還有根據平衡圓錐沉入深度與液限、塑限的對應關系而采取的液限塑

限聯合測定法，其試驗操作步驟請查閱液限塑限聯合測定法的內容。

3.塑性指數與液性指數

(1)塑性指數

可塑性是粘性土區(qū)別于砂土的重要特征?？伤苄缘拇笮∮猛撂幵谒苄誀顟B(tài)的含水量變化范圍

來衡量，從液限到塑限含水量的變化范圍愈大，土的可塑性愈好。這個范圍稱為塑性指數,：

,P

Zp=wL-wp(1-12)

塑性指數習慣上用不帶％的數值表示。塑性指數是粘土的最基本、最重要的物理指標之一,

它綜合地反映了粘土的物質組成，廣泛應用于土的分類和評價。

(2)液性指數

液性指數,是表示天然含水量與界限含水量相對關系的指標，其表達式為：

IL

W一叫

IL=-------(1-13)

可塑狀態(tài)的上的液性指數在0到1之間，液性指數越大，表示土越軟；液性指數大于1的土

處于流動狀態(tài)；小于0的土則處于固體狀態(tài)或半固體狀態(tài)。

粘性土的狀態(tài)可根據液性指數分為堅硬、硬塑、可塑、軟塑和流塑，見表1所示。

表1-3按塑性指數值確定粘性土狀態(tài)

九值

go0</LW0.250.25</LW0.750.75</L?1.01.0<ZL

狀態(tài)堅硬硬塑可塑軟塑流塑

【例題1-2】已知粘性土的密度父=27.5g/cn?,液限為的％,塑限為22%,飽和度為0.98,

孔隙比為1.15,試計算塑性指數、液性指數及確定粘性土的狀態(tài)。

【解】根據液限和塑限可以求得塑性指數為18,土的含水量及液性指數可由下式求得

1.15x10x0.98，皿

w=wr=------------------=41%

rs27.5

w-w0.41-0.22…

=----------=-------------=1.06

wL-wp0.40-0.22

/>1,故此粘性土為流塑狀態(tài)。

/L

五、砂土的密實度

1.砂土密實度的工程意義

砂土的密實度對其工程性質具有重要的影響。密實的砂土具有較高的強度和較低的壓縮性,

是良好的建筑物地基；但松散的砂土，尤其是飽和的松散砂土，不僅強度低，且水穩(wěn)定性很差,

容易產生流砂、液化等工程事故。對砂土評價的主要問題是正確地劃分其密實度。

2.砂土的相對密實度

砂土的密實程度并不完全取決于孔隙比，而在很大程度上還取決于土的級配情況。粒徑級配

不同的砂土即使具有相同的孔隙比，但由于顆粒大小不同，顆粒排列不同，所處的密實狀態(tài)也會

不同。為了同時考慮孔隙比和級配的影響，引入砂土相對密實度的概念。

當砂土處于最密實狀態(tài)時，其孔隙比稱為最小孔隙比；而砂土處于最疏松狀態(tài)時的孔隙比則

稱為最大孔隙比。有關試驗標準中規(guī)定了一定的方法測定砂土的最小孔隙比和最大孔隙比，然后

可按下式計算砂土的相對密實度：

4=-g(1-14)

從上式可以看出，當砂土的天然孔隙比接近于最小孔隙比時，相對密實度2接近于1,表

明砂土接近于最密實的狀態(tài)；而當天然孔隙比接近于最大孔隙比時則表明砂土處于最松散的狀

態(tài)，其相對密實度接近于0。根據砂土的相對密實度可以按表1-4將砂土劃分為密實、中密、和

松散三種密實度。

表1-4砂土密實度劃分標準

密實度密實中密松散

相對密度1.0-0.670.67-0.330.33-0

六、土的壓實原理

土體能夠通過振動、夯實和碾壓等方法調整土粒排列，進而增加密實度的性質稱為土的壓實

性。

1.土的壓實與含水量的關系

土的含水量是影響填土壓實性的主要因素之一。在低含水量時，水被上顆粒吸附在土粒表面,

土顆粒因無毛細管作用而互相聯結很弱,土粒在受到夯擊等沖擊作用下容易分散而難于獲得較高

的密實度。在高含水量時，土中多余的水分在夯擊時很難快速排出而在土孔隙中形成水團，削弱

了土顆粒間的聯結，使土粒潤滑而變得易于移動，夯擊或碾壓時容易出現類似彈性變形的“橡皮

土”現象，失去夯擊效果。

土的干密度“是反映土的密實度的重要指標，它與土的含水量、壓實能量和填土的性質等有

P

關。將同一種土配置成不同含水量的土樣后進行室內擊實試驗，可以獲得如圖卜4所示的含水量

w與干密度“之間的關系曲線，稱作擊實曲線。

含水量w/%

圖1-4土的擊實曲線

2.最優(yōu)含水量和最大干密度

圖1-4的擊實曲線表明，存在一個含水量可使填土的干密度達到最大值，產生最好的擊實

效果。將這種在一定夯擊能量下填土最易壓實并獲得最大密實度的含水量稱作土的最優(yōu)含水量

（或最佳含水量），用w表示。在最優(yōu)含水量下得到的干密度稱作填土的最大干密度，用

0PYdmax

表示。土的最優(yōu)含水量卬用通常采用室內標準擊實試驗確定，若采用土的塑限值含水量Wp間接

確定，一般可取w（＞p=Wp+2。

七、土的工程分類

1.土的工程分類原則

土的工程分類是把不同的士分別安排到各個具有相近性質的組合中去，其目的是為了人們有

可能根據同類土已知的性質去評價其工程特性,或為工程師提供一個可供采用的描述與評價土的

方法。通常對建筑地基可分成巖石、碎石土、砂土、粉土、粘性土五大類。

2.土的工程分類方法

（1）巖石的分類

巖石（基巖）是指顆粒間牢固聯結，形成整體或具有節(jié)理、裂隙的巖體。它作為建筑場地

和建筑地基可按下列原則分類:

1)按成因分為巖漿巖、沉積巖和變質巖。

2)根據堅固性即未風化巖石的飽和單軸極限抗壓強度q分為硬質巖石(qN30MPa)和

軟質巖石(q<30MPa)。

3)根據風化程度分為微風化、中等風化和強風化。

4)按軟化系數KR分為軟化巖石和不軟化巖石。除為飽和狀態(tài)與風干狀態(tài)的巖石單軸極限

抗壓強度之比，KR<0.75為軟化巖石，KR>0.75為不軟化巖石。

(2)碎石土

碎石土是指粒徑大于2mm的顆粒含量超過總質量的50%的土，按粒徑和顆粒形狀可進一

步劃分為漂石、塊石、卵石、碎石、圓礫和角礫，具體劃分見表

表1-5碎石土的分類(GBJ7-89)

土的名稱顆粒形狀粒組含量

漂石圓形及亞圓形為主

粒徑大于200mm的顆粒超過全重50%

塊石棱角形為主

卵石圓形及亞圓形為主

粒徑大于20mm的顆粒超過全重50%

碎石棱角形為主

圓礫圓形及亞圓形為主

粒徑大于2mm的顆粒超過全重50%

角礫棱角形為主

碎石土的密實度一般用定性的方法由野外描述確定，卵石的密實度可按超重型動力觸探的錘

擊數劃分。

(3)砂土

砂土是指粒徑大于2mm的顆粒含量不超過總質量的50%且粒徑大于0.075mm的顆粒含

量超過總質量的50%的土。砂土可再劃分為5個亞類，即礫砂、粗砂、中砂、細砂和粉砂，具

體劃分見表1-6。

表1-6砂土的分類(GBJ7-89)

土的名稱粒組含量

礫砂粒徑大于2mm的顆粒超過全重25%~50%

粗砂粒徑大于0.5mm的顆粒超過全重50%

中砂粒徑大于0.25mm的顆粒超過全重50%

細砂粒徑大于0.075mm的顆粒超過全重85%

粉砂粒徑大于0.075mm的顆粒超過全重50%

（4）粉土

粉土是指粒徑大于0.075mm的顆粒含量不超過總質量的50%,且塑性指數小于或等于

10的土。粉土是介于砂土和粘性土之間的過渡性土類，它具有砂土和粘性土的某些特征，根據

粘粒含量可以將粉土再劃分為砂質粉土和粘質粉土。

（5）粘性土

粘性土是指塑性指數大于10的土。根據塑性指數大小，粘性土可再劃分為粉質粘土和粘土

兩個亞類，當10</pW17時為粉質粘土，當/p>17時為粘土。

具體的分類方法可參閱例題13。

【例題1-3]

完全飽和的土樣含水量為30%,液限為29%,塑限為17%,試按塑性指數分類法定名，并

確定其狀態(tài)。

【解】求塑性指數/p：Zp=wL-Wp=29-17=12

30-17

求液性指數/:=1.08

L29-17

根據定名標準該土樣應為粉質粘土，其狀態(tài)為流塑狀態(tài)。

案量淤韁

本章主要討論了土的物質組成以及定性、定量描述其物質組成的方法，包括土的三相組

成、土的三相指標、土的結構構造、粘性土的界限含水量、砂土的密實度和土的工程分類等。

這些內容是學習土力學原理和基礎工程設計與施工技術所必需的基本知識，也是評價土的工

程性質、分析與解決土的工程技術問題時討論的最基本的內容。

歐JH國疆高

參考解

問題答

何謂土粒粒組？土粒六大粒組劃分標準是什么？各規(guī)范規(guī)定為何有差異？

在土的三相比例指標中，哪些指標是直接測定的？其余指標的導出思路主要是

什么？

塑性指數的定義和物理意義是什么？中大小與土顆粒的粗細有何關

系？ip大的土具有哪些特點？

砂士.的密實度如何判別？不同指標如何使用？

在土類定名時，無粘性土與粘性土各主要依據什么指標?

您想測試一下自己對本章基本概念的掌握程度嗎？請進入在線練習

曲

您還可以進一步完成指導教師布置的習題作業(yè)，或選擇習題庫中的習題

進行練習汨＞

第二章主痢求的送醐覲簪

學習指導

學習目標

掌握土的滲透定律與滲透力計算方法，具備對地基滲透變形進行正確分析的

能力。

學習基本要求

1.掌握土的滲透定律

2.掌握二維滲流及流網繪制

2.掌握土中滲流量計算

4.掌握土中水的滲透力與地基滲透變形分析

參考學習進度

內容學時A(36學時制)學時B(54學時制)

滲透基本理論2.03.0

流網及其工程應用1.01.5

土中滲透作用力與滲透變形1.01.5

合計4.06.0

主要基礎知識

士的三相比例指標計算、流體力學初步⑥’

一、工程背景

在許多實際工程中都會遇到滲流問題。如水利工程中的土壩和閘基、建筑物基礎施工中開挖

的基坑等。圖2-l(a)是水利工程中常見的閘基，在上游水位壓力差的作用下，水將從上游河底進

入閘基的地基，沿地基土中的孔隙滲向下游，再從下游河床逸出。圖2-1(b)為軟土地基深基

坑施工時常用的防滲、護壁圍護結構，在開挖基坑的過程中，通常是基坑外土層中的地下水位高

于基坑內水位而形成水頭差，地下水將通過坑外土層繞過板樁滲入坑內。在這些滲流問題中，通

常都要求計算其滲流量并評判其滲透穩(wěn)定性。

當滲流的流速較大時，水流拖曳土體的滲透力將增大。滲透力的增大將導致土體發(fā)生滲透變

形，并可能危及建筑物或周圍設施的安全。因此，在工程設計與施工中，應正確分析可能出現的

滲流情況，必要時采取合理的防滲技術措施。

J-V

-

V

圖21(a)閘基滲流模擬圖24(b)基坑滲流模擬

二、滲透理論

1.滲透的定義

存在于地基中的地下水，在一定的壓力差作用下，將透過土中孔隙發(fā)生流動，這種現象稱為

滲流或滲透。

2.滲透模型

實際土體中的滲流僅是流經土粒間的孔隙，由于土體孔隙的形狀、大小及分布極為復雜，導致

滲流水質點的運動軌跡很不規(guī)則，如圖2-2(a)所示?？紤]到實際工程中并不需要了解具體孔隙中的

滲流情況，可以對滲流作出如下二方面的簡化：一是不考慮滲流路徑的迂回曲折，只分析它的主

要流向；二是不考慮土體中顆粒的影響，認為孔隙和上粒所占的空間之總和均為滲流所充滿。作

了這種簡化后的滲流其實只是一種假想的土體滲流，稱之為滲流模型，如圖2-2(b)所示。為了使

滲流模型在滲流特性上與真實的滲流相一致，它還應該符合以下要求：

(1)在同一過水斷面，滲流模型的流量等于真實滲流的流量；

(2)在任意截面上，滲流模型的壓力與真實滲流的壓力相等；

(3)在相同體積內，滲流模型所受到的阻力與真實滲流所受到的阻力相等。

圖2-2(a)水在土孔隙中的運動圖2-2(b)滲流模型

3.達西(Dracy)滲透定律

(1)達西滲透實驗與達西定律

地下水在土體孔隙中滲透時，由于滲透阻力的作用，沿程必然伴隨著能量的損失。為了揭示

水在土體中的滲透規(guī)律，法國工程師達西(H.darcy)經過大量的試驗研究，1856年總結得出滲透

能量損失與滲流速度之間的相互關系即為達西定律。

達西(HenriPhilibertGaspardDarcy,1803~1858)，法國著名工程師,1855年提出了達西定

律，1857年提出了紊流沿程水頭損失計算的著名經驗公式。

圖2-3達西滲透實驗裝置圖

達西實驗的裝置如圖2-3所示。裝置中的①是橫截面積為4的直立圓筒，其上端開口，在圓

筒側壁裝有兩支相距為/的側壓管。筒底以上一定距離處裝一濾板②，濾板上填放顆粒均勻的

砂土。水由上端注入圓筒，多余的水從溢水管③溢出，使筒內的水位維持一個恒定值。滲透過砂

層的水從短水管④流入量杯⑤中，并以此來計算滲流量公設△，時間內流入量杯的水體體積為

△匕則滲流量為行△//△「o同時讀取斷面1-1和段面2-2處的側壓管水頭值心，h2,△〃為

兩斷面之間的水頭損失。

達西分析了大量實驗資料，發(fā)現土中滲透的滲流量q與圓筒斷面積A及水頭損失△〃成正

比，與斷面間距/成反比，即

=好1(2-1)

或

v=—=ki(2-2)

A

式中，=△〃〃，稱為水力梯度，也稱水力坡降；k為滲透系數，其值等于水力梯度為1時水的滲透

速度，cm/s。

式(三.滲透系數的確定

滲透系數k是綜合反映土體滲透能力的一個指標，其數值的正確確定對滲透計算有著#常

重要的意義。影響滲透系數大小的因素很多，主要取決于土體顆粒的形狀、大小、不均勻系數和

水的粘滯性等，要建立計算滲透系數k的精確理論公式比較困難，通?？赏ㄟ^試驗方法或經驗估

算法來確定k值。

1.實驗室測定法

實驗室測定滲透系數上值的方法稱為室內滲透試驗，根據所用試驗裝置的差異又分為常水頭試

驗和變水頭試驗。

（1）常水頭試驗

—圖2-5常水頭滲透試驗過程演示

常水頭試驗的過程可參見其動畫演示。試驗時將高度為/,橫截面積為A的試樣裝入垂直

放置的圓筒中，從土樣的上端注入與現場溫度完全相同的水，并用溢水口使水頭保持不變。土樣

在不變的水頭差△/?作用下產生滲流，當滲流達到穩(wěn)定后，量得時間，內流經試樣的水量為。，

而土樣滲流流量g=0〃，根據式（2-1）可求得

,qIQI

k=——=—-----（2-3）

AhhA-hht

常水頭試驗適用于透水性較大（k>l（r'cm/s）的土，應用粒組范圍大致為細砂到中等卵石。

2-1）和（2-2）所表示的關系稱為達西定律，它是滲透的基本定律。

四、流網及其工程應用