《土力學》教案設計

授課題目緒論授課類型理論課

首次授課時間學時2

掌握土質學與土力學研究的內容；

教學目標

了解學習方法與學時安排

重點：土質學與土力學研究的內容

重點與難點

難點：學科體系的內容

教學手段與方法多媒體講授

教學過程：（包括授課思路、過程設計、講解要點及各部分具體內容、時間分配

等）

授課思路：

教學方式：共分為2個教學環(huán)節(jié)。講授和討論。

對于講授，主要利用課件對每章的重點內容進行講解，吃透所有的基本概念

和相關內容。

對于討論，針對課后部分思考題目，結合講課內容，大家一起討論，進一步

領會、掌握重點內容。

過程設計：復習土力學相關知識點，引出本次課程內容，結合課件圖片工程實例

講解，最后留出部分時間討論。

講解要點及各部分具體內容：

緒論

1土力學研究的對象：

土：土是地殼母巖經過風化、搬運和沉積過程后形成。包括巖石碎塊（如漂

石）、礦物顆粒（如石英砂）和粘土礦物（如高嶺石）。風化作用有物理風化、化

學風化和生物風化，它們經常是同時進行而且是互相加劇其發(fā)展的進程。

2土力學研究的內容：

土力學屬于工程力學的一個分支，它是從土的力學性能（或稱工程特性，包

括土的壓縮性、滲透性和抗剪強度）角度，研究土在外荷載作用下引起的力學方

面的變化規(guī)律，地基的承載力、基礎的沉降量和作用在建筑物上的土壓力等工程

實際問題。由于土的非均質性、各向異性和因地而異，帶來學科特點：綜合性強、

經驗性強和地區(qū)性強。

3研究土力學的意義：

土的作用：構筑材料、建筑物地基或建筑物周圍的賦存介質（建筑物環(huán)境）。

4學科體系介紹

土力學是巖土工程的理論基礎之一。

巖土工程——以土力學、巖石力學和工程地質學為理論基礎的土木工程中與

巖土體直接相關的工程。

巖土工程隸屬于土木工程學科，是由地基與基礎工程、邊坡工程、基坑工程、

路基工程、地下洞室工程、巖土爆破工程、灌漿工程和地質災害防治工程等分支

構成的，其涉及到的領域有：能源、交通、城市建設、礦山、江河海洋和環(huán)境工

程等等。

5土質學與土力學的發(fā)展簡介：

土力學：

TerzaghiComlomhRankine

1925年前約150年，前太沙基時期：1773年庫侖（法），1869年郎金（英）：

1925年-1960年，太沙基時期：1925年太沙基（美）《土力學》專著問世；

1960年至今，后太沙基時期：新理論，新方法。英（ROSCOE1958-1963）

Cam-Clay模型，美（Duncan-chang）雙曲線模型等。

6學習方法與學時安排：

結合介紹本課程的學習內容、栗求和教學安排，強調其實用性，從而引起學

生的學習興趣：土工試驗多（6個，篩分、密度與含水量、液塑限、固結、直

剪、擊實）與計算多（三大指標換算、土中應力、土壓力、沉降量、地基承載力、

土的強度等）。

學時：13周（78學時）其中：授課66學時，試驗課6次（12學時）。

作業(yè)：習題以課堂集體批改為主，抽查部分批改。

時間分配：

點名：2分鐘

講授：70分鐘；

小結：8分鐘。

思考題、討論題、作業(yè)

討論題：1.怎樣學好土力學？

教學后記

第一章土的物理性質第一節(jié)

授課題目土的三相組成第二節(jié)土的授課類型理論課

顆粒組成

首次授課時間學時2

了解土的結構；

教學目標

掌握土的三相組成和土的顆粒組成

重點：土的三相組成

重點與難點

難點：粒徑級配累計曲線

教學手段與方法多媒體講授

教學過程：（包括授課思路、過程設計、講解要點及各部分具體內容、時間分配

等）

授課思路：

教學方式：共分為3個教學環(huán)節(jié)。復習、講授和小結。

對于復習，目的是小結上次課內容。

對于講授，主要利用課件對每章的重點內容進行講解，吃透所有的基本概念

和相關內容。

最后小結本次課內容。

過程設計：復習土力學相關知識點，引出本次課程內容，結合課件圖片工程實例

講解，最后小結本次課內容。

講解要點及各部分具體內容：

第一章土的物理性質

第一節(jié)土的三相組成

土的三相組成是指土由固體土粒、液體水和氣體三部分組成。土中的固體礦

物構成土的骨架，骨架之間貫穿著大量孔隙，孔隙中充填著液體水和氣體。

一、土中固體顆粒

土中固體顆粒是土的三相組成中的主體，其粒度成分、礦物成分決定著土的

工程性質。

1土顆粒的大小與形狀

自然界中的土是由大小不同的顆粒組成的，土粒的大小稱為粒度。土顆粒大

小相差懸殊，有大于幾十厘米的漂石，也有小于幾微米的膠粒。天然土的粒徑一

般是連續(xù)變化的，為便于研究，工程上把大小相近的土粒合并為組，稱為粒組。

粒組間的分界線是人為劃定的，劃分時應使粒組界限與粒組性質的變化相適應，

并按一定的比例遞減關系劃分粒組的界限值。每個粒組的區(qū)間內，常以其粒徑的

上、下限給以粒組命名。如礫粒、砂粒、粉粒、粘粒等。各組內還可細分為若干

亞組。我國《土的工程分類標準》（GB145—90）和《公路土工試驗規(guī)程》

（JTJ051—93）中的粒組劃分方案如表1一1。

在描述土粒形狀時，常利用兩個指標：渾圓度及球度。

N

渾圓度為￡d/R)/N,ri為顆粒突出角的半徑，R為土粒內接圓的半徑，N

1=1

為顆粒尖角的數(shù)量。渾圓度可反映土粒尖角的尖銳程度。

球度為Dd/Dc,Dd為在扁平面上與土粒投影面積相等的圓的半徑，De為最小

外接圓的半徑。球度反映土粒接近圓球的程度。球度為1,即為圓球體。

在有些文獻資料中，還用體積系數(shù)和形狀系數(shù)描述土粒形狀。

體積系數(shù)VC:

6V

vc=(1—1)

兀d：

式中：V---土粒體積

dm——土粒的最大直徑

VC愈小，土粒離圓體愈遠。圓球VC=1;立方體VC=0.37：棱角狀土粒VC

更小。

形狀系數(shù)F:

F=^(1—2)

/\

式中:A、B、C分別為土粒的最大、中間、最小尺寸。

粒組劃分表表1一1

2粒度成分及粒度成分分析方法

土的粒度成分是指土中各種不同粒組的相對含量(以干土重量的百分比表

示)?；蛘哒f土是由不同粒組以不同數(shù)量的配合，故又稱為“顆粒級配例如某

砂粘土，經分析，其中含粘粒25%,粉粒35%,砂粒40%,即為該土中各粒組

干重占該土總干重的百分比含量。粒度成分可用來描述土的各種不同粒徑土粒的

分布特征。

為了準確地測定土的粒度成分所采用的各種手段，統(tǒng)稱為粒度成分分析或顆

粒分析。其目的在于確定土中各粒組顆粒的相對含量。

目前，我國常用的粒度成分分析方法有：對于粗粒土，即粒徑大于0.074mm

的土，用篩分法直接測定；對于粒徑小于0.074mm的土，用沉降分析法。當土

中粗細粒兼有時，可聯(lián)合使用上述兩種方法。

⑴篩分法將所稱取的一定質量風干土樣放在篩網孔逐級減小的一套標最準

篩上搖震，然后分層測定各篩中土粒的質量，即為不同粒徑粒組的土質量，并計

算出每一粒組占土樣總質量的百分數(shù)。并可計算小于某一篩孔直徑土粒的累計重

量及累計百分含量。

⑵沉降分析法沉降分析法就是根據土粒在液體中沉降的速度與粒徑大小的

關系由司篤克斯（Stokes）定理確定。

土粒越大，在靜水中沉降速度越快；反之，土粒越小，沉降速度越慢。設有

一個圓球形顆粒在無限大的不可壓縮的粘滯性液體中，它在重力作用下產生的穩(wěn)

定沉降速度v可以用司篤克斯公式計算。

2(1—3)

V=21ZZ]Ld

18〃

(D

式中：V——球形顆粒在液體中的穩(wěn)定沉降速度（m/s）

d——球形顆粒的直徑（m）

「、yw----分別為土粒及液體的容重（N/n?）

r|----液體的粘滯度（PaS）

若近似地取丫3=9.81xl（）3N/m3（水溶液），r|=0.00114Pas（15℃時水溶液的

33

粘滯度），ys=26xlON/m,則代入公式（1—4）得：

d=0.001126Vv(m)

若土粒直徑d以mm計，則上式成為:

d=1.126Vv(mm)(1—5)

式（1—5）表明：粒徑與沉降速度的平方根成正比。應當指出，實際土粒并

不是鋼性的圓球形顆粒，因此，用司篤克斯公式求得的顆粒直徑并不是實際土粒

的尺寸，而是與實際土粒有相同沉降速度的理想球體的直徑，稱為水力直徑。

在進行粒度成分分析時，取一定質量的干土ms（g）制成一定體積的懸液，

攪拌均勻后，在剛停止攪拌的瞬間，各種粒徑的土粒在懸液中是均勻分布的，即

各種粒徑的土粒在懸液中的濃度（單位體積懸液內含有的土粒重量）在不同深度

處都相等。靜置一段時間ti（S）后，懸液中粒徑為di的顆粒以相應的沉降速度Vi

在水中下沉。較粗的顆粒在懸液中沉降較快，較細的顆粒則沉降較慢。如圖1一1

所示，在深度Li(m)處，沉降速度為vi=Li/ti的顆粒，其直徑相當于

di=1.126^—(mm)o所有大于&的土粒，其沉降速度必然大于Vi,因此，在Li

深度范圍內，肯定已沒有大于&的土粒。如在Li深度處考慮一個小區(qū)段m—n,

則m—n段內的懸液中只有小于及等于&的土粒，而且小于及等于d的顆粒的濃

度與開始均勻懸液中小于及等于&的顆粒的濃度相等。

如果懸液體積為1OOOcn?,其中所含W&的土粒質量為mSi(g),則在m一n段

內的懸液的密度為：

C\

1

pi=------+1000-^2M(1—6)

1000kPsOy

式中：pi-----懸液密度(g/cnr5)

mSi-----懸液中Wdi的土粒質量(g)

pSo------土粒密度(g/cnf)

p<oo-----水的密度(g/cn?)

pPw0

則mSi=1000'^pso(1—7)

PM~Pwo

懸液中的土粒質量msi占土?？傎|量百分比Pi為

Pi=」xl00%(1—8)

ms

公式(1—7)中的懸液密度僅可用比重計測讀，也可用吸管吸取m—n段內

的懸液試樣測定。

3粒度成分的表示方法

常用的粒度成分的表示方法有：表格法、累計曲線法和三角坐標法。

(1)表格法是以列表形式直接表達各粒組的相對含量。表格法有兩種不同的

表示方法，一種是以累計含量百分比表示的；另一種是以粒組表示的。累計百

分含量是直接由試驗求得的結果，粒組是由相鄰兩個粒徑的累計百分含量之差求

得的。

⑵累計曲線法是一種圖示的方法。通常用半對數(shù)坐標紙繪制。橫坐標(按

對數(shù)比例尺）表示粒徑&；縱坐標表示小于某一粒徑的土粒的累計百分數(shù)Pi（注

意：不是某一粒徑的百分含量）。采用半對數(shù)坐標，可以把細粒的含量更好地表

達清楚。

累計曲線的用途主要有以下兩個方面：

第一：由累計曲線可以直觀地判斷土中各粒組的分布情況。曲線a表示該土

絕大部分是由比較均勻的砂粒組成的；曲線b表示該土是由各種粒組的土粒組

成，土粒極不均勻；曲線c表示該土中砂粒極少，主要是由細顆粒組成的粘性土。

第二：由累計曲線可確定土粒的級配指標。

不均勻系數(shù)cu：c產"（1—9）

“10

j2

曲率系數(shù)（或稱級配系數(shù)）Cc：Cc=/J（1—10）

40*60

式中：dio>cho、d6o——分別相當于累計百分含量為10%>30%和60%的粒徑；

dio稱為有效粒徑；d6o稱為限制粒徑。

⑶三角坐標法這也是一種圖示法。三角坐標法可用來表達粘粒、粉粒和

砂粒三種粒組的百分含量。它是利用幾何上等邊三角形中任意一點到三邊的垂直

距離之和恒等于三角形的高的原理，即hi+h2+h3=H來表達粒度成分。如取三角

形的高H=100%,hi為粘土顆粒的含量，h2砂土顆粒的含量，h3為粉土顆粒的含

量，則圖1一3中m點即表示土樣的粒度成分中粘粒、粉粒及砂粒的百分含量分

別為23%、47%和30%。

上述三種方法各有其特點和適用條件。表格法能很清楚地用數(shù)量說明土樣的

各粒組含量，但對于大量土樣之間的比較就顯得過于冗長，且無直觀概念，使用

比較困難。

二、土中的水

土中的水以不同形式和不同狀態(tài)存在著，其性質也不是單一的。它們對土的

工程性質的形成，起著不同的作用和影響。土中的水按其工程地質性質可分為

1結構水

粘土顆粒與水相互作用，在土粒表面通常是帶負電荷的，在土粒周圍就產生

一個電場。水溶液中的陽離子一方面受土粒表面的靜電引力作用，一方面又受到

布朗運動（熱運動）的擴散力作用。這兩個相反趨向作用的結果，使土粒周圍的

陽離子呈不均勻分布，其分布與地球周圍的大氣層分布相仿。在土粒表面所吸附

的陽離子是水化陽離子，土粒表面除水化陽離子外，還有一些水分子也為土粒所

吸附，吸附力極強。土粒表面被強烈吸附的水化陽離子和水分子構成了吸附水層

（也稱為強結合水或吸著水）。

土粒表面的負電荷為雙電層的內層，擴散層為雙電層的外層。擴散層是由水

分子、水化陽離子和陰離子所組成，形成土粒表面的弱結合水（也稱為薄膜水）。

2自由水

此種水離土粒較遠，在土粒表面的電場作用以外，水分子自由散亂地排列，

主要受重力作用的控制。自由水包括下列兩種：

⑴毛細水這種水位于地下水位以上土粒細小孔隙中，是介于結合水與重

力水之間的一種過渡型水，受毛細作用而上升。粉土中孔隙小，毛細水上升高。

在寒冷地區(qū)要注意由于毛細水而引起的路基凍脹問題，尤其要注意毛細水源源不

斷地將地下水上升產生的嚴重凍脹。

毛細水水分子排列的緊密程度介于結合水和普通液態(tài)水之間，其冰點也在普

通液態(tài)水之下。毛細水還具有極微弱的抗剪強度，在剪應力較小的情況下會立刻

發(fā)生流動。

（2）重力水這種水位于地下水位以下較粗顆粒的孔隙中，是只受重力控

制，水分子不受土粒表面吸引力影響的普通液態(tài)水。受重力作用由高處向低處流

動，具有浮力的作用。在重力水中能傳遞靜水壓力，并具有溶解土中可溶鹽的能

力。

3氣態(tài)水

此種水是以水汽狀態(tài)存在于土孔隙中。它能從氣壓高的空間向氣壓低的空間

運移，并可在土粒表面凝聚轉化為其它各種類型的水。氣態(tài)水的遷移和聚集使土

中水和氣體的分布狀態(tài)發(fā)生變化，可使土的性質改變。

4固態(tài)水

此種水是當氣溫降至0℃以下時，由液態(tài)的自由水凍結而成。由于水的密度

在4℃時為最大，低于0℃的冰，不是冷縮，反而膨脹，使基礎發(fā)生凍脹，寒冷

地區(qū)基礎的埋置深度要考慮凍脹問題。土質學與土力學中將含有固態(tài)水的土列為

四相體系的特殊土----凍土。

三、土中氣體

土中氣體指土的固體礦物之間的孔隙中，沒有被水充填的部分。土的含氣量

與含水量有密切關系。土孔隙中占優(yōu)勢的是氣體還是水，土的性質有很大的不同。

土中氣體可分為自由氣體和封閉氣泡兩類。自由氣體與大氣相連通，通常在

土層受力壓縮時即逸出，對土的工程性質影響不大；封閉氣泡與大氣隔絕，對土

的工程性質影響較大，在受外力作用時，隨著壓力的增大，這種氣泡可被壓縮或

溶解于水中，壓力減小時，氣泡會恢復原狀或重新游離出來。若土中封閉氣泡很

多時，將使土的壓縮性增高，滲透性降低。土質學與土力學中將這種含氣體的土

稱為非飽和土。非飽和土的工程性質研究已形成土力學的一個新分支。

第二節(jié)土的顆粒組成

1土的礦物類型

和巖石一樣，土是由礦物組成的。隨著土中礦物的特性不同，土的物理力學

性質也不同。組成土的礦物可分為以下幾個方面：

⑴原生礦物：是直接由巖石經物理風化作用而來的、性質未發(fā)生改變的礦物，

最主要的是石英，其次是長石、云母等。這類礦物的化學性質穩(wěn)定，具有較強的

抗水性和抗風化能力，親水性弱。由這類礦物組成的土粒一般較粗大，是砂類土

和粗碎屑土（礫石類土）的主要組成礦物。

⑵次生礦物：主要是在通常溫度和壓力條件下，礦物經受風化變異，或被分

解而形成的新礦物。這類礦物比較復雜，對土的物理力學性質的影響比較大。在

對土進行研究時，應著重于這類礦物的研究，雖然其含量有時并不很大。次生礦

物可分為可溶性次生礦物和不溶性次生礦物。

可溶性次生礦物是由原生礦物遭受化學風化，可溶性物質被水溶走，在別的

地方又重新沉淀而成的。根據其溶解的難易程度又可分為易溶的、中溶的和難溶

的三類。易溶次生礦物如巖鹽；中溶次生礦物如石膏；難溶次生礦物如方解石、

白云石等。

不溶性次生礦物多系風化殘余物及新生成的粘土礦物。一般顆粒非常細小，

成為粘性土的主要組成部分，而由于其性質特殊，使粘性土具有一系列特殊的物

理力學性質。

除上述礦物質外，土中還常含有生物形成的腐殖質、泥炭和生物殘骸，統(tǒng)稱

為有機質。其顆粒很細小，具有很大的比表面積，對土的工程地質性質影響也很

大。

2土的礦物成分和粒度成分的關系

土是地質作用的產物，在其形成的長期過程中，一定的地質作用過程和生成

條件生成一定類型的土，使它具有某種粒度成分的同時，也必然具有某種礦物成

分。這就使土的礦物成分和粒度成分之間存在著極其密切的內在聯(lián)系，特別明顯

地表現(xiàn)在粒組與礦物成分的關系方面。

⑴粒徑＞2mm的礫粒組，包括礫石、卵石等巖石碎屑，它們仍保持為原有

礦物的集合體，是多礦物的，有時是單礦物的。

⑵粒徑為2~0.074mm的砂粒組，其顆粒與巖石中原生礦物的顆粒大小差不

多。砂粒多是單礦物，以石英最為常見，有時為長石、云母及其它深色礦物。在

某些情況下，還有白云石組成的砂粒，如白云石砂。

⑶粒徑為0.074~0.002mm的粉粒組，由一些細小的原生礦物和次生礦物，如

粉粒狀的石英和難溶的方解石、白云石構成。

(4)粒徑＜0.002mm的粘粒組，主要是一些不溶性次生礦物，如粘土礦物類、

倍半氧化物、難溶鹽礦、次生二氧化硅及有機質等構成。

石英抗風化能力很強，盡管在風化、搬運過程中不斷破碎變小，但很少發(fā)生

化學分解。在砂粒、粉粒組中石英是最常見的礦物，并可形成粘粒。白云母也是

比較穩(wěn)定的礦物，在砂粒、粉粒組中常見，甚至在粘粒組中也可見。

長石具解理易破碎，化學穩(wěn)定性較差，很易發(fā)生變異，變?yōu)閯e的礦物。因而，

只能形成砂粒，有時可形成粉粒，不可能形成粘粒。黑云母也是如此，其它暗色

礦物在粉粒中也很少見。在黃土中，粉粒有時為方解石和白云石。

粘粒主要由不可溶的次生礦物組成。這類礦物一般都很細小，成為粘粒。不

可溶的次生礦物最常見的有三大類，即次生二氧化硅、倍半氧化物和粘土礦物。

粘土礦物是粘粒中最常見的礦物，這種礦物種類很多，主要由高嶺石、蒙脫

石和水云母，統(tǒng)稱為粘土礦物。

3礦物成分對土的工程性質的影響

土的礦物成分和粒度成分是土最重要的物質基礎，它們對土的工程地質性質

的影響很大。隨著組成土的礦物成分不同，其工程性質也有所差異。

⑴原生礦物石英、長石、云母

①塑性：黑云母最大，石英無。

②毛細上升高度：

顆粒>0.1mm時，云母》渾圓石英〉長石〉尖棱石英

顆粒<0.1mm時，云母>尖棱石英〉長石〉渾圓石英

③孔隙度的變化：云母〉長石〉尖棱石英〉渾圓石英

④滲透系數(shù)：云母〉長石〉尖棱石英

⑤內摩擦角：尖棱石英〉渾圓石英〉云母

顆粒<0.1mm時，各種礦物的內摩擦角十分近似。

⑵次生礦物不溶性粘土礦物

①親水性：蒙脫石>伊利石>高嶺石

②滲透性：伊利石>高嶺石>蒙脫石

③壓縮性：蒙脫石>高嶺石

④內摩擦角：蒙脫石的內摩擦角小，在石英中加入百分之幾的蒙脫石，則

石英的內摩擦角可降低到原來的1/3或更小。

第三節(jié)土的結構

一、概念

土的結構是指土顆粒之間的相互排列和聯(lián)結形式的綜合。

土粒的排列方式表現(xiàn)為土顆粒之間孔隙的疏密、大小、數(shù)量等的狀況，它影

響著土的透水性、壓縮性等物理力學性質。土粒間的聯(lián)結形式有以下幾種：

1水膠聯(lián)結（又稱結合水聯(lián)結）

是粘性士所特有的聯(lián)結形式，使之具有粘著性O但這種聯(lián)結力常要隨土的干、

濕狀態(tài)而發(fā)生變化。它是粘性土力學強度的主導因素。

2水聯(lián)結（也稱毛細水聯(lián)結）

是砂土和粉土常具有的一種聯(lián)結形式，是由毛細力所形成的微弱的暫時性聯(lián)

結力。一般認為砂土中含水量為4%~8%時，毛細水聯(lián)結力最強。但隨著砂土的

失水或飽和，這種聯(lián)結力即行消失為無聯(lián)結。

3無聯(lián)結

礫石等粗碎屑土，因顆粒的質量大，水膠聯(lián)結和水聯(lián)結力都無法使粒間形成

聯(lián)結關系，表現(xiàn)為松散無聯(lián)結狀態(tài)。

4膠結聯(lián)結

是含可溶鹽較多的土或老土層中常見的一種聯(lián)結形式，如鹽漬土和黃土即屬

此種聯(lián)結。這種聯(lián)結的干土強度較大，但遇水后土中的鹽類易被淋溶或流失，土

的聯(lián)結即行削弱，土的強度也隨之降低。

5凍結聯(lián)結

是凍土所特有的一種聯(lián)結形式。土的強度隨著凍結和融化發(fā)生很大變化，土

層極不穩(wěn)定，也使土的工程性質復雜化。工程上常利用“凍結法”來處理軟土、流

砂等特殊地質問題。

二、種類

1單粒結構：

是碎石類土和砂土的結構特征。

其特征是土粒間沒有聯(lián)結或只有極

微弱的水聯(lián)結，可以略去不計。按

土粒間的相互排列方式和緊密程度不同，可將單粒結構分為松散結構和緊密結

構。

單粒結構的緊密程度取決于礦物成分、顆粒形狀、均勻程度和沉積條件等。

片狀礦物組成的砂土最松散；渾圓的顆粒組成的砂土比帶棱角的顆粒組成的砂土

緊密；土粒愈不均勻，結構愈緊密；急速沉積的比緩慢沉積的土結構松散些。

2蜂窩結構：主要是顆粒細小的粘性土具有的結構形式。當土粒粒徑在

0.02~0.002mm時，單個土粒在水中下沉，碰到已沉積的土粒，因土粒之間的分

子引力大于土粒自重，則下沉的土粒被吸引不再下沉，逐漸由單個土粒串聯(lián)成小

鏈狀體，邊沉積邊合圍而成內包孔隙的似蜂窩狀的結構。這種結構的孔隙一般遠

大于土粒本身尺寸，若沉積后的土層沒有受過比較大的上覆壓力，在建筑物的荷

載作用下會產生較大沉降。

3宗狀結構（又稱二級蜂窩結構）：這是顆粒最細小的粘土特有的結構形式。如

圖1一6。當土粒粒徑＜0.002mm時，土粒能在水中長期懸浮，這種土粒在水中

運動，相互碰撞而吸引，逐漸形成小鏈環(huán)狀的土集粒，質量增大而下沉，當一個

小鏈環(huán)碰到另一小鏈環(huán)時，相互吸引，不斷擴大形成大鏈環(huán)狀，稱為絮狀結構。

因小鏈環(huán)中已有孔隙，大鏈環(huán)中又有更大的孔隙，形象地稱為二級蜂窩結構。絮

狀結構比蜂窩狀結構具有更大的孔隙率，在荷載作用下可能產生更大的沉降。

圖1-6絮凝結構

a）堂粒、邊-邊和邊一面繁凝，b）粘土聚粒.邊-面絮凝,c）聚垃.邊一邊紫凝

時間分配：

復習：5分鐘；

講授：70分鐘；

小結：5分鐘。

思考題、討論題、作業(yè)

思考題：1.土的三相組成和土的顆粒組成如何？

2.土的結構如何？

教學后記

授課題目第三節(jié)土的三相體比例指標授課類型理論課

首次授課時間學時2

了解土的物理性質指標概念

教學目標

掌握土的物理性質指標換算方法

重點：土的物理性質指標換算方法

重點與難點

難點：土的三相草圖應用

教學手段與方法多媒體講授

教學過程：（包括授課思路、過程設計、講解要點及各部分具體內容、時間分配

等）

授課思路：

教學方式：共分為4個教學環(huán)節(jié)。復習、講授、例題講解和課后練習。

對于復習，目的是小結上次課內容。

對于講授，主要利用課件對本章的內容進行講解，吃透所有的基本概念和相

關內容，并重點結合例題講解。

對于課后練習，學生通過課后作業(yè)練習，進一步理解和掌握課程內容。

過程設計：復習土力學相關知識點，引出本次課程內容，結合例題講解，最后留

出部分時間布置課后作業(yè)。

講解要點及各部分具體內容：

第四節(jié)土作為三相體的比例指標

一、土的物理性質指標

圖1-7土的三相圖

a）實際土體，b）土的三相圖$0各相的體積與重置（或重力）

土是由固相（土粒）、液相（水溶液）和氣相（空氣）組成的三相分散體系。

為了導得三相比例指標，把土體中實際上是分散的三個相（圖1—7a）抽象

地分別集合在一起：固相集中于下部，液相居中部，氣相集中于上部，構成理想

的三相圖（圖l—7b）。在三相圖的右邊注明各相的體積，左邊注明各相的質量

（圖l—7c）。

土樣的體積V可由式（1—12）表示：

V=Vs+Vw+Va（1—12）

式中：Vs、Vw、Va分別為土粒、水、空氣的體積。

土樣的質量m可由式（1—13）表示：

m=ms+m、v+ma

或m=ms+mw,ma~0（1—13）

式中：ms、mw、ma分別為土粒、水、空氣的質量。

（-）確定三相比例關系的基本物理性質指標

1土的密度（p）和土的容重（丫）

（1）物理意義

p為單位體積土的質量。

y為單位體積土的重量（或重力）。即尸pg^lOp（KN/m3）

土的密度與土的結構、所含水分多少以及礦物成分有關，在測定土的天然密

度時，必須用原狀土樣(即其結構未受擾動破壞，并且保持其天然結構狀態(tài)下的

天然含水量)。如果土的結構破壞了或水分變化了，則土的密度也就改變了，這

樣就不能正確測得真實的天然密度。用這種指標進行工程計算就會得出錯誤的結

果。

(2)表達式

—土的總質量=,(g/cm3)

P-土的總體積(1—14)

(3)常見值p=(1.6-2.2)g/cm3,y=(16-22)KN/n?。

(4)常用測定方法

①環(huán)刀法

②灌水法

2土粒比重Gs

(1)物理意義士在105~110℃下烘至恒重時的質量與同體積4℃蒸館水質量

的比值。

土粒比重只與組成土粒的礦物成分有關，而與土的孔隙大小及其中所含水分

多少無關。

(2)表達式

心固體顆粒的質量msms小小、

同體積4C純水質量VxpwVx了

p,稱為土粒密度，是干土粒的質量n與其體積Vs之比。

(3)常見值

砂土Gs=2.65~2.69

粉土Gs=2.70~2.71

粘性±Gs=2.72~2.75

(4)常用測定方法

①比重瓶法

②浮稱法

③虹吸筒法

④經驗法

3土的含水量w

(1)物理意義土的含水量表示土中含水的數(shù)量，為土體中水的質量與

固體礦物質量的比值，用百分數(shù)表示。

土的含水量只能表明土中固相與液相之間的數(shù)量關系，不能描述有關土中水

的性質；只能反映孔隙中水的絕對值，不能說明其充滿程度。

(2)表達式

(3)常見值

砂土3=(0~40)%

粘性±co=(20-60)%

當8=0時，砂土呈松散狀態(tài)，粘土呈堅硬狀態(tài)。粘性土的含水量很大時，其

壓縮性高，強度低。

(4)常用測定方法

①烘干法適用于粘質土、粉質土、砂類土和有機質土類

②酒精燃燒法適用于快速簡易測定細粒土(含有機質的除外)的含水量。

(二)確定三相比例關系的其它常用指標

1反映土的松密程度的指標

(1)土的孔隙比e

①物理意義土的孔隙比為土中孔隙體積與固體顆粒的體積之比值。

土的孔隙比可直接反映土的密實程度，孔隙比愈大，土愈疏松；孔隙比愈小，

土愈密實。它是確定地基承載力的指標。

②表達式

_孔隙體積一匕

e—固體顆粒體積一兀(1—17)

③常見值

砂土e=0.5~1.0o當砂土e<0.6時，呈密實狀態(tài)，為良好地基。

粘性土e=0.5~1.2o當粘性土e>1.0時，為軟弱地基。

④確定方法根據p、Gs和s實測值計算而得，公路工程應用很廣。

(2)土的孔隙度(孔隙率)n

①物理意義土的孔隙度表示土中孔隙大小的程度，為土中孔隙體積占總

體積的百分比。

②表達式

.孔隙體積苴

(1—18)

土體總體積V

③常見值n=(30-50)%

④確定方法根據p、Gs和3實測值計算而得。孔隙度n與孔隙比e相比,

工程應用很少。

2反映土中含水程度的指標

(1)土的含水量0)(略)

(2)土的飽和度Sr

①物理意義土的飽和度指土中水的體積與土的全部孔隙體積的比值。表

示孔隙被水充滿的程度。

②表達式

S_水的體積_Vw

(1—19)

L孔隙體積一4

③常見值Sr=0~l

④確定方法根據p、Gs和3實測值計算而得。

⑤工程應用飽和度對砂土和粉土有一定的實際意義，它們以飽和度作為

濕度劃分的標準，分為稍濕的、很濕的和飽和的三種濕度狀態(tài)。

顆粒較粗的砂土和粉土，對含水量的變化不敏感，當3發(fā)生某種改變時，它

的物理力學性質變化不大，所以對砂土和粉土的物理狀態(tài)可用Sr來表示。但對

粘性土而言，它對(0的變化十分敏感，隨著含水量增加，體積膨脹，結構也發(fā)

生改變。當處于飽和狀態(tài)時，其力學性質可能降低為0；同時，還因粘粒間多時

結合水，而不是普通液態(tài)水，這種水的密度大于1,則Sr值也偏大，故對粘性土

一般不用Sr這一指標。

3特定條件下土的密度(容重)

(1)土的干密度pd和土的干容重在

①物理意義士的干密度指干燥狀態(tài)下單位體積土的質量。土的干容重指

3

干燥狀態(tài)下單位體積土的重量(重力)，即yd=pdg=10pd(KN/m)0土的干密度

值的大小，主要取決于土的結構。因為它在這一狀態(tài)下與含水量無關，加之土粒

部分的礦物成分又是固定的，因此，土的結構，即孔隙度的大小，影響著干密度

值。一般規(guī)律是：土的孔隙度愈小，土愈密實，其干密度值愈大。

②表達式

p產=±(g/cn?)(-20)

了火土的總鬻體積vy

③常見值pa=(1.3-2.0)g/cm3;yd=(13-20)KN/m3

④確定方法根據p和co實測值計算而得。

⑤工程應用土的干密度通常用作人工填土壓實質量控制的標準。土的干

密度Pd(或干容重力越大，表明土體壓得越密實，亦即工程質量越好，但花費

的壓實費用也越高。一般認為pd=1.6g/cm3以上，土就比較密實了。

(2)土的飽和密度psat和土的飽和容重Ysat

①物理意義土的飽和密度為孔隙中全部充滿水時，單位體積土的質量。

土的飽和容重為孔隙中全部充滿水時，單位體積土的重量(重力)。即Ysat=psat

g~10pSatKN/m，

②表達式

飽和土的總質量〃7,++匕夕”

psat=(g/cm3)(1—21)

總體積V

33

③常見值psat=(1.8~2.3)g/cm;ySai=(18-23)KN/m0

(3)土的有效密度(浮密度)p.和有效容重(浮容重)y

①物理意義士的有效密度指地下水位以下，土體受水的浮力作用時，單

位體積土的質量。土的有效容重指地下水位以下，土體受水的浮力作用時，單位

體積土的重量(重力)。即y'=p'g=10p'(KN/rr?)

②表達式

p=psat-p?)(g/cmD(1—22)

33

③常見值p'=（0.8-1.3）g/cm;y'=（8~13）KN/m0

時間分配：

復習：5分鐘；

講授：70分鐘；

小結：5分鐘。

思考題、討論題、作業(yè)

思考題：1.土的物理性質指標有哪些？2.

土的物理性質指標換算方法如何？

作業(yè)題：

教學后記

授課題目第四節(jié)粘性土的界限含水量授課類型理論課

首次授課時間學時2

了解粘性土的物理狀態(tài)概念

教學目標

掌握粘性土的塑限、液限、塑性指數(shù)、液性指數(shù)

重點：粘性土的物理狀態(tài)指標

重點與難點

難點：指標計算

教學手段與方法多媒體講授

教學過程：（包括授課思路、過程設計、講解要點及各部分具體內容、時間分配

等）

授課思路：

教學方式：共分為4個教學環(huán)節(jié)。復習、講授、例題講解和課后練習。

對于復習，目的是小結上次課內容。

對于講授，主要利用課件對本章的內容進行講解，吃透所有的基本概念和相

關內容，并重點結合例題講解。

對于課后練習，學生通過課后作業(yè)練習，進一步理解和掌握課程內容。

過程設計：復習土力學相關知識點，引出本次課程內容，結合例題講解，最后留

出部分時間布置課后作業(yè)。

講解要點及各部分具體內容：

第四節(jié)粘性土的稠度

粘性土的稠度，反映土粒之間的聯(lián)結強度隨著含水量高低而變化的性質。其

中，各不同狀態(tài)之間的界限含水量具有重要的意義。

1液限（0L（%）

(1)定義粘性土呈液態(tài)與塑態(tài)之間的界限含水量

(2)測定方法：液塑限聯(lián)合測定，具體內容見(《地質與土質》實習實驗

指導)

2塑限(OP(%)

(1)定義粘性土呈塑態(tài)與半固態(tài)之間的界限含水量

(2)測定方法：液塑限聯(lián)合測定或滾搓法。具體內容見(《地質與土質》

實習實驗指導)

3縮限(os(%)

(1)定義粘性土呈半固態(tài)與固態(tài)之間的界限含水量。這是因為土樣含水

量減少至縮限后，土體體積發(fā)生收縮而得名。

(2)測定方法：用收縮皿法

4塑性指數(shù)IP

(1).定義粘性土與粉土的液限與塑限的差值，去掉百分數(shù)，稱塑性指數(shù)，

記為Ip

Ip=(o)L-a)p)xlOO(1-24)

應當指出：(0L與3P都是界限含水量，以百分數(shù)表示。而IP只取其數(shù)值，去

掉百分數(shù)。例如，某一土樣，COL=32.6%,COP=15.4%,則IP=17.2,非17.2%。

(2)物理意義細顆粒土體處于可塑狀態(tài)下，含水量變化的最大區(qū)間。一

種土的8L與COP之間的范圍大，即IP大，表明該土能吸附結合水多，但仍處于

可塑狀態(tài)，亦即該土粘粒含量高或礦物成分吸水能力強。

(3)工程應用用塑性指數(shù)IP對細粒土進行分類和命名(表1-9)

表1-9土按塑性指數(shù)Ip的分類

土的名稱粉土亞粘土粘土

(低塑性土)(中塑性土)(高塑性

土)

塑性指數(shù)IpIP<1010<IP<17IP>17

5液性指數(shù)IL

(1)定義粘性土的液性指數(shù)為天然含水量與塑限的差值和液限與塑限差值

之比，即

二叼L(1—25)

統(tǒng)一%

(2)物理意義液性指數(shù)又稱相對稠度，是將土的天然含水量3與3L及3P

相比較，以表明3是靠近(0L還是靠近(0P,反映土的軟硬不同。

(3)工程應用用液性指數(shù)II來劃分粘性土的稠度狀態(tài)，如表1-10

表1-8據液性指數(shù)II對粘性土的稠度狀態(tài)劃分

液性指數(shù)值IL<00<IL<0.50.5<IL<1.0IL>1.0

干硬狀硬塑狀態(tài)軟塑狀態(tài)流動狀態(tài)

稠度狀態(tài)態(tài)塑性狀態(tài)

另外，液性指數(shù)在公路工程中是確定粘性土承載力的重要指標。應當指出,

根據液性指數(shù)所判定的稠度狀態(tài)的標準值，是以室內擾動土樣測定的，未考慮其

土的結構影響，故只能作參考。

6活動度A

(1)定義粘性土的塑性指數(shù)與土中膠粒含量百分數(shù)的比值。即

A="(1—26)

m

式中m—土中膠粒(d<0.002mm)含量百分數(shù)

(2)物理意義活動度反映粘性土中所含礦物的活動性。根據活動度的

大小可分為:

A<0.75不活動粘土

0.75<A<1.25正常粘土

A>1.25活動粘土

A值越大，膠粒對土塑性的影響越大。

7靈敏度St

(1)定義粘性土的原狀土無側限抗壓強度與原土結構完全破壞的重塑土

的無側限抗壓強度的比值，其表達式為:

St=￡(1—27)

式中：St——土的靈敏度;

qu——無側限條件下，原狀土抗壓強度；

qu1——無側限條件下，擾動土抗壓強度；

對某一粘性土而言，qu為定值，由q；值的變化決定著靈敏度的大小。當qu=qu

時，St=l,

即結構破壞后的強度與天然結構的強度一樣時，表明該士為非靈敏或無觸變性粘

土。只有當qu'<qu的條件下才能體現(xiàn)其觸變性。

(2)物理意義靈敏度反映粘性土結構性的強弱。根據靈敏度的數(shù)值大小

可分為：

St>8特別靈敏性粘土

St=4-8靈敏性粘土

St=2-4一般粘土

(3)工程應用

①保護基槽遇靈敏度高的土，施工時應特別注意保護基槽，防止人來

車往踐踏基槽，破壞土的結構，降低地基強度。

②利用觸變性當粘性土結構受擾動時，土的強度降低。但靜置一段時

間，土的強度又逐漸增強，這種性質稱為土的觸變性。例如，在粘性土中打

預制樁，樁周圍土的結構受破壞，強度降低，使樁容易打入。

時間分配：

復習：10分鐘；

講授：65分鐘；

小結：5分鐘。

思考題、討論題、作業(yè)

思考題：1.粘性土的物理狀態(tài)如何反映？

2.粘性土的物理狀態(tài)指標計算方法？

教學后記

第五節(jié)砂土的密實度

授課題目授課類型理論課

第六節(jié)土的工程分類

首次授課時間學時2

理解相對密實度的概念；

教學目標

掌握土的工程分類方法

重點：相對密實度；

重點與難點

難點：土的工程分類方法

教學手段與方法多媒體講授

教學過程：（包括授課思路、過程設計、講解要點及各部分具體內容、時間分配

等）

授課思路：

教學方式：共分為2個教學環(huán)節(jié)。講授和討論。

對于講授，主要利用課件對每章的重點內容進行講解，吃透所有的基本概念

和相關內容。

對于討論，針對課后部分思考題目，結合講課內容，大家一起討論，進一步

領會、掌握重點內容。

過程設計：復習土力學相關知識點，引出本次課程內容，結合課件圖片工程實例

講解，最后留出部分時間討論。

講解要點及各部分具體內容：

第五節(jié)砂土的密實度

無粘性土如砂、卵石均為單粒結構，它們最主要的物理狀態(tài)指標為密實度。

工程上常用孔隙比e、相對密度Dr和標準貫入試驗N作為劃分其密實度的標準。

1用孔隙比e為標準

按孔隙比e劃分砂土密實度表

密實的中密的松散的

礫砂、粗砂、中

e<0.550.55<e<0.65e>0.65

砂

細砂e<0.600.60<e<0.70e>0.70

粉砂e<0.600.60<e<0.80e>0.80

用e來劃分砂土的密實度，無法反映土的顆粒級配的因素。例如：兩種級配不同

的砂，一種顆粒均勻的密砂，其孔隙比為ei,另一種級配良好的松砂，孔隙比為

e2,結果ei>e2,即密砂孔隙比反而大于松砂的孔隙比。工程上引用相對密度Dr

這一指標。

2以相對密度Dr為標準

用天然孔隙比e與同一種砂的最疏松狀態(tài)孔隙比emax和最密實狀態(tài)孔隙比

en1m進行對比，看e靠近emax還是靠近emin,以此來判別它的密實度，即相對密

度法。

相對密度D尸J（1—23）

Pmax—Pmin

當Dr=O,即e=emax時，表示砂土處于最疏松狀態(tài)；當Dr=l,即e=emin時，

表示砂土處于最緊密狀態(tài)?！豆窐蚝鼗c基礎設計規(guī)范（JTJ024—85）》中規(guī)

定用Dr來判定砂土的密實程度，將砂土分為四級。

3標準貫入試驗

標準貫入試驗是在現(xiàn)場進行的一種原位測試，這項試驗的方法：用卷揚機將

質量為63.5kg的鋼錘，提升76cm高度，讓鋼錘自由下落，打擊貫入器，使貫入

器貫入土中深為30cm所需的錘擊數(shù)，記為N63.5（簡化為N）來鑒定該土層的密實

程度。

第七節(jié)土的工程分類

國內外基本上通用的、表示土類名稱的文字代號。

①土類名稱可用一個基本代號表示。

漂石：B砂：S士的級配代號：

塊石：Ba粉土：M級配良好：W

卵石：Cb粘土：C級配不良：P

小塊石：細粒土（C和M合稱）：F土液限高低代號：

Cba（混合）土（粗、細粒土合稱）：高液限：H

礫:GSI低液限：L

角礫：Ga有機質土：0特殊土代號：黃土：Y

紅粘土：R膨脹土：E

鹽漬土：St

②當由兩個基本代號構成時，第一個代號表示土的主成分，第二個代號表示

副成分（土的液限或土的級配）。例如：

GM粉土質粒

GP不良級配礫石

ML低液限粉土

③當由三個基本代號構成時，第一個代號表示土的主成分，第二個代號表示

液限的高低(或級配的好壞)，第三個代號表示土中所含次要成分。例如：

GHC高液限含粘土礫

CLM粉質低液限粘土

一.《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范(JTJ024—85)》中的分類

在這個分類中，把土作為建筑物場地和建筑地基進行分類。

首先按顆粒級配或塑性指數(shù)劃分為碎石土、砂土和粘性土。各類土的劃分標

準如下：

1碎石土：粒徑大于2mm的顆粒含量超過全重50%的土。再根據顆粒級配及形

狀按細分為漂石、塊石、卵石、碎石、圓礫和角礫。

2砂土：粒徑大于2mm的顆粒含量不超過全重50%,且塑性指數(shù)Ip不大于1的

土。再根據顆粒級配分為礫砂、粗砂、中砂、細砂和粉砂。

3細粒土：塑性指數(shù)IP>1的土。

4人工填土：由于人類活動而形成的堆積物。

二《公路土工試驗規(guī)程(JTJ051—93)》的分類

本“規(guī)程”根據土分類的一般原則，吸收國內外分類體系的優(yōu)點，結合本系統(tǒng)

在工程實踐中所取得的試驗研究成果，提出了土質統(tǒng)一分類的體系。

三塑性圖分類法

土按塑性圖分類是卡薩格蘭德教授(A.Casagrande)對北美大量粘土作了試

驗，并對其資料進行了分析研究后，于1942年首先提出的土質分類法。后來被

世界各國工程界普遍采用，并在此基礎上經過多次修改和補充。雖然此種分類法

尚在完善中，但一般認為較以往國內外單純只按塑性指數(shù)IP值分類的方法要合

理得多。

塑性圖是在顆粒級配和塑性的基礎上，以塑性指數(shù)IP值為縱坐標，液限COL

值為橫坐標的直角坐標圖式，如