土力学教材(重点)

目录

第一节土的形成

-、土和土体的概念

1.i(soil)

地球表面30—80km厚的范围是地壳。地壳中原来整体坚硬的岩石，经风化、剥蚀搬运、

沉积，形成固体矿物、水和气体的集合体称为土。

土是由固体相、液相、气体三相物质组成；或土是由固体相、液体相、气体相和有机质

(腐殖质)相四相物质组成。

不同的风化作用，形成不同性质的上。风化作用有下列三种：物理风化、化学风化、生

物风化。

2."土体"(soilmass)

土体不是一般土层的组合体，而是与工程建筑的稳定、变形有关的土层的组合体。

土体是由厚薄不等，性质各异的若干土层，以特定的上、下次序组合在一起的。

二、土和土体的形成和演变

地壳表面广泛分布着的土体是完整坚硬的岩石经过风化、剥蚀等外力作用而瓦解的碎

块或矿物颗粒，再经水流、风力或重力作用、冰川作用搬运在适当的条件下沉积成各种类型

的土体。

再搬运过程中，由于形成土的母岩成分的差异、颗粒大小、形态，矿物成分又进一步

发生变化，并在搬运及沉积过程中由于分选作用形成在成分、结构、构造和性质上有规律的

变化。

土体沉积后：

/a.将经过生物化学及物理化学变化，即成壤作用，形成土壤

(1)靠近地表的土体、

Xb.未形成土壤的土，继续受到风化、剥蚀、侵蚀而再破碎、

再搬运、再沉积等地质作用。

(2)时代较老的土，在上覆沉积物的自重压力及地下水的作用下，经受成岩作用，逐渐固

结成岩，强度增高，成为“母岩”。

总之，土体的形成和演化过程，就是土的性质和变化过程，由于不同的作用处于不同

的作用阶段，土体就表现出不同的特点。

三、土的基本特征及主要成因类型

(-)土的基本特征

从工程地质观点分析，土有以下共同的基本特征：

1.土是自然历史的产物

土是由许多矿物自然结合而成的。它在一定的地质历史时期内，经过各种复杂的自然

因素作用后形成各类土的形成时间、地点、环境以及方式不同，各种矿物在质量、数量和空

间排列上都有一定的差异，其工程地质性质也就有所不同。

2.土是相系组合体

土是由三相(固、液、气)或四相(固、液、气、有机质)所组成的体系。相系组成之

间的变化，将导致土的性质的改变。土的相系之间的质和量的变化是鉴别其工程地质性质的

一个重要依据。它们存在着复杂的物理〜化学作用。

3.土是分散体系

由二相或更多的相所构成的体系，其一相或一些相分散在另一相中，谓之分散体系。

根据固相土粒的大小程度（分散程度），土可分为①粗分散体系（大于2N）,②细分散体系，

（2〜0.1U）,③胶体体系（0.1~0.01I*）,④分子体系（小于0.01口）。分散体系的性质随

着分散程度的变化而改变。

粗分散与细分散和胶体体系的差别很大。细分散体系与胶体具有许多共性，可将它们

合在一起看成是土的细分散部分。土的细分散部分具有特殊的矿物成分，具有很高的分散性

和比表面积，因而具有较大的表面能。

任何土类均储备有一定的能量，在砂土和粘土类土中其总能量系由内部储量与表面能

量之和构成，即:

内+表

Ee=EE

4.土是多矿物组合体

在一般情况下，土将含有5〜10种或更多的矿物，其中除原生矿物外，次生粘土矿物是

主要成分。粘土矿物的粒径很小（小于0.002mm）,遇水呈现出胶体化学特性。

（-）土体的主要成因类型

按形成土体的地质营力和沉积条件（沉积环境），可将土体划分为若干成因类型：如残

积、坡积、洪积……

现就介绍几种主要的成因类型、土体的性质成分及其工程地质特征。

I.残积土体的工程地质特征

残积土体是由基岩风化而成，未经搬运留于原地的土体。它处于岩石风化壳的上部，是

风化壳中剧风化带。

残积土一般形成剥蚀平原

影响残积土工程地质特征因素主要是气候条件和母岩的岩性：

1）气候因素

气候影响着风化作用类型=>从而使得不同气候条件不同地区的残积土具有特定的粒

度成分、矿物成分、化学成分。

①干旱地区：以物理风化为主，只能使岩石破碎成粗碎屑物和砂砾，缺乏粘土矿物，

具有砾石类土和工程地质特征。

②半干旱地区：在物理风化的基础上发生化学变化，使原生的硅酸盐矿物变成粘土矿

物；但由于雨量稀少，蒸汽量大，故土中常含有较多的可溶盐类；如碳酸钙、硫酸钙等。

③潮湿地区：a、在潮湿而温暖，排水条件良好的地区，由于有机质迅速腐烂，分解出

有利于高岭石的形成。、在潮湿温暖而排水条件差的地区，则往往形成蒙脱石。

CO2,b

可见：从干旱、半干旱地区至潮湿地区，土的颗粒组成由粗变细；土的类型从砾石类

土过渡到砂类土、粘土。

2）.母岩因素

母岩的岩性影响着残积土的粒度成分和矿物成分；

酸性火成岩U>含较多的粘土矿物，其岩性为粉质粘土或粘土；

中性或基性火成岩=>易风化成粉质粘土；

沉积岩大多是松软土经成岩作用后形成的，风化后往往恢复原有松软土的特点，如：粘

土岩=>粘土；细砂岩=细砂土等。

残积物的厚度在垂直方向和水平方向变化较大；这主要与沉积环境、残积条件有关（山

丘顶部因侵蚀而厚度较小；山谷低洼处则厚度较大。）

残积物一般透水性强，以致残积土中一般无地下水。

2.坡积土体的工程地质特征

坡积土体是残积物经雨水或融化了的雪水的片流搬运作用，顺坡移动堆积而成的，所以

其物质成分与斜坡上.的残积物一致。坡积土体与残积土体往往呈过渡状态，其工程地质特征

也很相似。①岩性成分多种多样；

②一般见不到层理；

③地下水一般属于潜水，有时形成上层滞水

④坡积土体的厚度变化大，由几厘米至一二十米，在斜坡较陡处薄，在坡脚地

段厚。一般当斜坡的坡角越陡时，坡脚坡积物的范围越大。

3.洪积土体的工程地质特征

洪积土体是暂时性、周期性地面水流——山洪带来的碎屑物质，在山沟的出口地方堆积

而成。

洪积土体多发育在干旱半干旱地区，如我国的华北、西北地区。

其特征为：距山口越近颗粒越粗，多为块石、碎石、砾石和粗砂，分选差，磨圆度低、

强度高，压缩性小；（但孔隙大，透水性强）

距山口越远颗粒越细，分选好，磨圆度高，强度低，压缩性高。

此外：洪积土体具有比较明显的层理（交替层理、夹层、透镜体等）；洪积土体中地下

水一般属于潜水。

4.湖积土体的工程地质特征

湖积土体在内陆分布广泛，一般分为淡水湖积土和咸水湖积土。

淡水湖积土：分为湖岸土和湖心土两种。

湖岸多为砾石土、砂土或粉质砂土；

湖心土主要为静水沉积物，成分复杂，以淤泥、粘性土为主，可见水平层理。

咸水湖积物以石膏、岩盐、芒硝及RCCh岩类为主，有时以淤泥为主。

「①分布面积有限，且厚度不大

总之，湖积土体具有以下工程地质特征②具独特的产状条件

《③粘土类湖积物常含有机质、各种盐类及其

它混合物

I④具层理性，具各向异性

5.冲积土体的工程地质特征

冲积土体是由于河流的流水作用，将碎屑物质搬运堆积在它侵蚀成的河谷内而形成的。

冲积土体主要发育在河谷内以及山区外的冲积平原中，一般可分为三个相：即河床相，

河漫滩相、牛轨湖相。

1）河床相：主要分布在河床地带，冲积土一般为砂土及砾石类土，有时也夹有粘土透

镜体，在垂直剖面上土粒由下到上，由粗到细，成分较复杂，但磨圆度较好。

山区河床冲积土厚度不大，一般为10米左右；而平原地区河床冲积土则厚度很大，一

般超过几十米，其沉积物也较细。

河床相物质是良好的天然地基。

2）河漫滩相冲积土是由洪水期河水将细粒悬浮物质带到河漫滩上沉积而成的。一般为

细砂土或粘土，覆盖于河床相冲积土之上。常为上下两层结构，下层为粗颗粒土，上层为泛

滥的细颗粒土。

3）牛烧湖相冲积土是在废河道形成的牛翅湖中沉积下来的松软土。由含有大量有机质

的粉质粘土、粉质砂土、细砂土组成，没有层理。

河口冲积土：由河流携带的悬浮物质，如粉砂、粘粒和胶体物质在河口沉积的一套淤

泥质粘土、粉质粘土或淤泥，形成河口三角洲。往往作为港口建筑物的地基。

另外，还有很多类型：冰川、崩积、风积、海洋沉积、火山等等。

第二节土的三相组成

土是由固体颗粒，液体水和气体三部分组成，称为土的三相组成。土中的固体矿物构

成骨架，骨架之间贯穿着孔隙，孔隙中充填着水和空气，三相比例不同，土的状态和工程

性质也不相同。

固体+气体（液体=0）为干土，干粘土较硬，干砂松散；

固体+液体+气体为湿土，湿的粘土多为可塑状态；

固体+液体（气体=0）为饱和土，饱和粉细砂受震动可能产生液化：饱和粘土地基沉

降需很长时间才能稳定。

由此可见，研究土的工程性质，首先从最基本的、组成土的三相，即固体相、水和气体

本身开始研究。

一、土的固体颗粒

研究固体颗粒就要分析粒径的大小及其在土中所占的百分比，称为土的粒径级配（粒度

成分）。

此外，还要研究固体颗粒的矿物成分以及颗粒的形状。

（-）粒径级配（粒度成分）

随着颗粒大小不同，土可以具有很不相同的性质。颗粒的大小通常以粒径表示。工程上

按粒径大小分组，称为粒组，即某一级粒径的变化范围。

划分粒组的两个原则：

（1）首先考虑到在一定的粒径变化范围内，其工程地质性质是相似的，若超越了这个

变化幅度就要引起质的变化。

（2）要考虑与目前粒度成分的测定技术相适应。

此外，要便于记忆。

目前，我国广泛应用的粒组划分方案见教材P11表2-1所示。将粒径由大至小划分为六

个粒组（1）漂石或块石组；（2）卵石（碎石）组；（3）砾石；（4）砂粒组；（5）粉粒组；

（6）粘粒组

实际上，土常是各种大小不太颗粒的混合体，较笼统的说，以砾石和砂砾为主要组成

的土为粗粒土，也称无粘性土。其特征为：孔隙大、透水性强，毛细上升，高度很小，既无

可塑造性，也无胀缩性，压缩性极弱，强度较高。以粉粒、粘粒（或胶粒。〈0.002mm）为

主的土称为细粒土，也称为粘性土。其特征为：主要由原生矿物、次生矿物组成，孔隙很小，

透水性极弱，毛细上升高度较高，有可塑性、胀缩性，强度较低。

1、粒径级配分析方法

工程上，使用的粒径级配的分析方法有筛分法和水分法两种。

筛分法适用于颗粒大于0.1mm（或0.074mm,按筛的规格而言）的土。它是利用一套

孔径大小不同的筛子，将事先称过重量的烘干土样过筛，称留在各筛上的重量，然后计算相

应的百分数。

砾石类土与砂类土采用筛分法。

水分法（静水沉降法）：用于分析粒级小于0.1mm的土，根据斯托克斯（stokes）定理,

球状的细颗粒在水中的下沉速度与颗粒直径的平方成正比。V=Kd2。因此可以利用粗颗粒

下沉速度快，细颗粒下沉速度慢的原理，把颗粒按下沉速度进行进行粗细分组。实验室常用

比重计进行颗粒分析，称为比重计法。此外还有移液管等。

例1.从干砂样中取质量1000g的试样，放入0.1〜0.2mm的标准筛中，经充分振荡，

称各级筛上留下来的土粒质量见表第二行，试求土粒中各粒组的土粒含量。

筛分析试验结果

筛孔径（mm）2.01.00.50.250.150.1底盘

各级筛上的土粒质量10010025030010050100

(g)

小于各级筛孔径的土粒908055251510

含量（％）

各粒组的土粒含量（％）102510105

解（1）留在孔径2.0mm筛上的土粒质量为100g,则小于2.0mm的土粒质量为

1000-100=900g,于是小于该孔径（2.0.mm）的土粒含量为900/1（X）0=90%

同理可称得小于其它孔径的土粒含量，见第三行。

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

粒组的土粒含量0.90-0.80=10%。

同理可算得其它粒组的土粒含量见第四行。

2、粒径级配曲线

将筛分析和比重计试验的结果绘制在以土的粒径为横坐标,小于某粒径之土质量百分数

p（%）为纵坐标，得到的曲线称土的粒径级配累积曲线（见教材P14图2—1,和P179图I—

12）。

此外，粒径的级配的表示方法还有列表法，三角图法等。

3、粒径级配累积曲线的应用

土的粒径级配累积曲线是土工上最常用的曲线，从这曲线上可以直接了解土的粗细、粒

径分布的均匀程度和级配的优劣。

土的平均粒径（d50）：系指土中大于此粒径和小于此粒径的土的含量均占50%

土的有效粒径（diO）：小于某粒径的土粒质量累计百分数为10%时，相应的粒径称为

有效粒径（diO）.

d30：小于某粒径的土粒质量累计百分数为30%时的粒径用d30表示。

土的控制粒径（d60）或称限定粒径（d60）：当小于某粒径的土粒质量累计百分数为60%

时，该粒径称为控制粒径。

定义士的不均匀系数为：C”=凹也

九

定义士的粒径级配累积曲线的曲率系数Cc为：Cc=%

“oxd}0

不均匀系数反映大小不同粒组的分布情况。越大表示土粒大小的分布范围越大,

颗粒大小越不均匀，其级配越良好，作为填方工程的土料时，则比较容易获得较大的密实度。

曲线系数Cc描写的是累积曲线的分布范围，反映曲线的整体形状；或称反映累积曲线

的斜率是否连续。

在一般情况下：1）.工程上把CMW5的土看作是均粒土，属级配不良；。〃>5时，称为

不均粒土；C">10的土属级配良好。2）.经验证明，当级配连续时，Cc的范围约为1〜3；

因此当Cc<l或Cc>3时，均表示级配线不连续。

从工程上看：C”25且Cc=l〜3的土，称为级配良好的土；不能同时满足上述两个

要求的土，称为级配不良的土。

（-）土粒成分

土中固体部分的成分，绝大部分是矿物质，另外或多或少有一些有机质，而土粒的矿物

成分主要决定于母岩的成分及其所经受的风化作用。不同的矿物成分对土的性质有着不同的

影响，其中以细粒组的矿物成分尤为重要。

土中的矿物成分由下图所示：

,原生矿物「粘土矿物

不可溶的1倍半氧化物

次生矿物L次生氧化物

「难溶盐

I可溶的中溶盐

I易溶盐

r腐植质

'有机质一

L泥炭

1、原生矿物

由岩石经物理风化而成，其成分与母岩相同。包括：

（1）单矿物颗粒：如常见的石英、长石、云母、角闪石与辉石等，砂土为单矿物颗粒。

（2）多矿物颗粒：母岩碎屑，如漂石、卵石与砾石等颗粒为多矿物颗粒。

但总的来说，土中原生矿物主要有：（1）硅酸盐类矿物；（2）氧化物类矿物；（3）硫

化物矿物；（4）磷酸盐类矿物

2、次生矿物

岩屑经化学风化而成，其成分与母岩不同，为一种新矿物，颗粒细。包括1）.可溶性的

次生矿物；2）.不可溶的次生矿物。

（1）可溶性的次生矿物主要指各种矿物中化学性质活泼的K、Na、Ca、Mg及Cl、S

等元素，这些元素呈阳离子及酸根离子，溶于水后，在迁移过程中，因蒸发浓缩作用形成可

溶的卤化物，硫酸盐和碳酸盐。

（2）不可溶性的次生矿物有次生二氧化硅，倍半氧化物，粘土矿物。

1）.次生二氧化硅硅酸盐，由二氧化硅组成，例如：燧石、玛瑙、蛋白石等都属

这类矿物。

2）.倍半氧化物是由三价的Fe、Al和0、OH,等组成的矿物，可用R2O3表示

例如：针铁矿FeaOj*H2O呈红色

褐铁矿Fe2O3-3H2O呈黄色

三水铝石A12O3-H2O呈白色

3）.粘土矿物

粘土矿物的微观结构由两种原子层（晶面）构成：一种是由Si-O四面体构成的硅氧晶

片；另一种是由A1-OH八面体构成的铝氢氧晶片，因这两种晶片结合的情况不同，形成三

种粘土矿物，蒙脱石，伊利石（水云母）、高岭石。

「X衍射分析，晶格距离

J电子显微镜法（儿万〜几十万倍）口外貌特征（摄像机）

粘土矿物的鉴定方国差热分析：加热后的物理〜化学变化过程

薄片鉴定

3、有机质：泥炭、腐植质动植物残骸

二、土中水

组成土的第二种主要成分是土中水。在自然条件下，土中总是含水的。土中水可以处

于液态、固态或气态。土中细粒越多，即土的分散度越大，水对土的性质的影响也越大。

研究土中水，必须考虑到水的存在状态及其与土粒的相互作用。

存在于土粒矿物的晶体格架内部或是参与矿物构造中的水称为矿物内部结合水，它只

有在比较高的温度（80〜68（）℃,随土粒的矿物成分不同而异）下才能化为气态水而与土粒

分离，从土的工程性质上分析，可以把矿物内部结合水当作矿物颗粒的一部分。

存在于土中的液态水可分为结合水和自由水两大类。

（―）结合水：

系指受电分子吸引力吸附于土粒表面的土中水，这种电分子吸引力高达儿千到几万个

大气压，使水分子和土粒表面牢固的粘结在一起。

结合水因离颗粒表面远近不同，受电场作用力的大小也不同，所以分为强结合水和弱结

合水。

1、强结合水（吸着水）

系指紧靠土粒表面的结合水，它的特征是：1）.没有溶解盐类的能力，2）.不能传递静

水压力，3）.只有吸热变成蒸汽时才能移动。

这种水极其牢固的结合在土粒表面上，其性质接近于固体，密度约为1.2〜2.4g/cm3,

冰点为-78℃,具有极大的粘滞度、弹性和抗剪强度。

如果将干燥的土移在天然湿度的空气中，则土的质量将增加，直到土中吸着的强结合水

达到最大吸着度为止。

土粒越细，土的比表面积越大，则最大吸着度就越大。砂土为1%,粘土为17%

2、弱结合水（薄膜水）

弱结合水紧靠于强结合水的外围形成一层结合水膜。它仍然不能传递静水压力，但水膜

较厚的弱结合水能向临近的较薄的水膜缓慢移动。

当土中含有较多的弱结合水时，土则具有一定的可塑性。砂土比表面积较小，几乎不具

可塑性，而粘土的比表面积较大，其可塑性范围较大。

弱结合水离土粒表面积愈远，其受到的电分子吸引力愈弱小，并逐渐过渡到自由水。

（二）自由水

自由水是存在于土粒表面电场影响范围以外的水。它的性质和普通水•样，能传递静水

压力，冰点为0℃,有溶解能力。

自由水按其移动所受到作用力的不同，可以分为重力水和毛细水。

1、重力水

重力水是存在于地下水位一下的透水土层中的地下水，它是在重力或压力差作用下运动

的自由水，对土粒有浮力作用，重力水对土中的应力状态和开挖基槽、基坑以及修筑地下构

筑物时所应采取的排水、防水措施有重要的影响。

2、毛细水

毛细水是受到水与空气交界面处表面张力作用的自由水。其形成过程通常用物理学中毛

细管现象解释。分布在土粒内部相互贯通的孔隙，可以看成是许多形状不一，直径各异，彼

此连通的毛细管。

按物理学概念：在毛细管周壁，水膜与空气的分界处存在着表面张力T。水膜表面张力

的作用方向与毛细管壁成夹角a，由于表面张力的作用，毛细管内的水被提升到自由水面

以上高力,处。

分析高度为人的水柱静力平衡条件，因为毛细管内水面处即为大气压；若以大气压力

为基准，则该处压力Pa=O

故：7t•hc•yw-2兀丫•Tcosa

.2Tcosa

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

Y*YW

式中，水膜的张力T（与温度有关），当10℃时，T=0.0756g/cm

20℃时,T=0.0742g/cm

a——方向角，其大小与土颗粒和水的性质有关。

/——毛细管半径

儿——水的容重

若令a=0,则可求得毛细水上升的最大高度（"max）

=0-

上式表明，毛细升高儿与毛细管半径y成反比：显然土颗粒的直径越小，孔隙的直径

（毛细管直径）越细，则从愈大。

毛细水的工程地质意义:

（1）产生毛细压力（p,）：Pc=-2-7--c-o-sjci=八.•儿与一般静水压力的概念相同，它

/

与水头高度4成正比。但自由水位以上，毛细区域内，颗粒间所受的毛细压力Pc是倒三角

(2)毛细水对土中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。

(3)当地下水埋深浅，由于毛细管水上升，可助长地基土的冰冻现象；地下室潮湿;

危害房屋基础及公路路面；促使土的沼泽化。

r结构水

矿物成分水j结晶水r强结合水

I佛石水

综上:土中的水r结合水v

弱结合水

-液态水I

孔隙中的水＜固态水I非结合水r毛细水

t重力水

-气态水

三、土中气体

土的孔隙中没有被水占据的部分都是气体。

1、土中气体的来源

土中气体的成因，除来自空气外，也可由生物化学作用和化学反应所生成。

2、土中气体的特点

(1)土中气体除含有空气中的主要成分。2外，含量最多的是水汽，CO2,N2,CH4,H2S等气

体，并含有一定放射性元素。

/空气中为：20.9%

(2)土中气体含量比空气中少〈

、土中。2为：10.3%

土中气体CO2含量比空气中高很多；空气含量为0.03%,土中气体为10%；

土中气体中放射性元素的含量比在空气中的含量大2000倍。

3、土中气体按其所处状态和结构特点，可分为以下几大类：吸附气体、溶解气体、密闭气

体及自由气体。

(1)吸附气体：

由于分子引力作用，土粒不但能吸附水分子，而且能吸附气体，土粒吸附气体的厚度不

超过2〜3个分子层。

土中吸附气体的含量决定于矿物成分、分散程度、孔隙度、湿度及气体成分等。

在自然条件下，在沙漠地区的表层中可能遇到比较大的气体吸附量。

(2)溶解气体

在土的液相中主要溶解有：CO2＞。2水汽(H2。)；其次为H?、。2、CH4；其溶解数值

取决于温度、压力、气体的物理化学及溶液的化学成分。

溶解气体的作用主要为：

a.改变水的结构及溶液的性质，对土粒施加力学作用；

b.当T、P增高时，在土中可形成密闭气体。

c.可加速化学潜蚀过程。

(3)自由气体

自由气体与大气连通，对土的性质影响不大。

(4)密闭气体

封闭气体的体积与压力有关，压力增大，则体积缩小；压力减少，则体积增大。因此

密闭气体的存在增加了土的弹性。

密闭气体可降低地基的沉降量，但当其突然排除时,可导致基础与建筑物的变形。

密闭气体在不可排水的条件下，由于密闭气体可压缩性会造成土的压密。密闭气体的

存在能降低土层透水性，阻塞土中的渗透通道，减少土的渗透性。

三、土的结构

土的结构是指土粒（或团粒）的大小、形状、互相排列及联结的特征。

土的结构是在成土的过程中逐渐形成的，它反映了土的成分、成因和年代对土的工程性质

的影响。土的结构按其颗粒的排列和联结可分为图1-3所示的三种基本类型。

土的单粒结构土的蜂窝结构土的象状结构

图1-3土的结构的基本类型

1.单粒结构

单粒结构是碎石土和砂土的结构特征。其特点是土粒间没有联结存在，或联结非常微弱，可

以忽略不计。疏松状态的单粒结构在荷载作用下，特别在振动荷载作用下会趋向密实，土粒移向

更稳定的位置，同时产生较大的变形；密实状态的单粒结构在剪应力作用下会发生剪胀，即体积

膨胀，密度变松。单粒结构的紧密程度取决于矿物成分、颗粒形状、粒度成分及级配的均匀程度。

片状矿物颗粒组成的砂土最为疏松；浑圆的颗粒组成的土比带棱角的容易趋向密实；土粒的级配

愈不均匀，结构愈紧密。

2.蜂窝状结构

蜂窝状结构是以粉粒为主的土的结构特征。粒径在0.02~0.002mm左右的土粒在水中沉积

时，基本上是单个颗粒下沉，在下沉过程中、碰上已沉积的土粒时，如土粒间的引力相对自重而

言已经足够地大，则此颗粒就停留在最初的接触位置上不再下沉，形成大孔隙的蜂窝状结构。

3.絮状结构

絮状结构是粘土颗粒特有的结构特征。悬浮在水中的粘土颗粒当介质发生变化时，土粒互相

聚合，以边-边、面-边的接触方式形成絮状物下沉，沉积为大孔隙的絮状结构。

土的结构形成以后，当外界条件变化时，土的结构会发生变化。例如，土层在上覆土层作用

下压密固结时，结构会趋于更紧密的排列；卸载时土体的膨胀（如钻探取土时土样的膨胀或基坑

开挖时基底的隆起）会松动土的结构；当土层失水干缩或介质变化时，盐类结晶胶结能增强土粒

间的联结；在外力作用下（如施工时对土的扰动或切应力的长期作用）会弱化土的结构，破坏土

粒原来的排列方式和土粒间的联结，使絮状结构变为平行的重塑结构，降低土的强度，增大压缩

性。因此，在取土试验或施工过程中都必须尽量减少对土的扰动，避免破坏土的原状结构。

四、粘性土的状态与界限含水量

1.粘性土的状态

随着含水量的改变，粘性土将经历不同的物理状态。当含水量很大时，土是一种粘滞流动的

液体即泥浆，称为流动状态；随着含水量逐渐减少，粘滞流动的特点渐渐消失而显示出塑性（所

谓塑性就是指可以塑成任何形状而不发生裂缝，并在外力解除以后能保持已有的形状而不恢复原

状的性质），称为可塑状态；当含水量继续减少时，则发现土的可塑性逐渐消失，从可塑状态变

为半固体状态。如果同时测定含水量减少过程中的体积变化，则可发现土的体积随着含水量的减

少而减小，但当含水量很小的时候，土的体积却不再随含水量的减少而减小了，这种状态称为固

体状态。

2.界限含水量

粘性土从一种状态变到另一种状态的含水量分界点称为界限含水量。流动状态与可塑状态问

的分界含水量称为液限2一；可塑状态与半固体状态间的分界含水量称为塑限Wp；半固体状态与

固体状态间的分界含水量称为缩限Wso

塑限，Vp是用搓条法测定的。把塑性状态的土在毛玻璃板上用手搓条，在缓慢的、单方向的

搓动过程中土膏内的水分渐渐蒸发，如搓到土条的直径为3mm左右时断裂为若干段，则此时的

含水量即为塑限vvpo详细的试验操作步骤请查阅滚搓法塑限试验的内容

液限队可采用平衡锥式液限仪测定。平衡锥重为76g,锥角为30。。试验时使平衡锥在自

重作用下沉入土膏，当15s内正好沉入深度10mm时的含水量即为液限僧一。

采用平衡锥式液限仪单独测定液限的试验过程可观看试验过程演示。

目前在液限与塑限的测定中还有根据平衡圆锥沉入深度与液限、塑限的对应关系而采取的液限塑

限联合测定法，其试验操作步骤请查阅液限塑限联合测定法的内容。

3.塑性指数与液性指数

(1)塑性指数

可塑性是粘性土区别于砂土的重要特征。可塑性的大小用土处在塑性状态的含水量变化范围

来衡量，从液限到塑限含水量的变化范围愈大，土的可塑性愈好。这个范围称为塑性指数,：

,P

Zp=wL-wp(1-12)

塑性指数习惯上用不带％的数值表示。塑性指数是粘土的最基本、最重要的物理指标之一,

它综合地反映了粘土的物质组成，广泛应用于土的分类和评价。

(2)液性指数

液性指数,是表示天然含水量与界限含水量相对关系的指标，其表达式为：

IL

W一叫

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

可塑状态的上的液性指数在0到1之间，液性指数越大，表示土越软；液性指数大于1的土

处于流动状态；小于0的土则处于固体状态或半固体状态。

粘性土的状态可根据液性指数分为坚硬、硬塑、可塑、软塑和流塑，见表1所示。

表1-3按塑性指数值确定粘性土状态

九值

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

状态坚硬硬塑可塑软塑流塑

【例题1-2】已知粘性土的密度父=27.5g/cn?,液限为的％,塑限为22%,饱和度为0.98,

孔隙比为1.15,试计算塑性指数、液性指数及确定粘性土的状态。

【解】根据液限和塑限可以求得塑性指数为18,土的含水量及液性指数可由下式求得

1.15x10x0.98，皿

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

rs27.5

w-w0.41-0.22…

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

wL-wp0.40-0.22

/>1,故此粘性土为流塑状态。

/L

五、砂土的密实度

1.砂土密实度的工程意义

砂土的密实度对其工程性质具有重要的影响。密实的砂土具有较高的强度和较低的压缩性,

是良好的建筑物地基；但松散的砂土，尤其是饱和的松散砂土，不仅强度低，且水稳定性很差,

容易产生流砂、液化等工程事故。对砂土评价的主要问题是正确地划分其密实度。

2.砂土的相对密实度

砂土的密实程度并不完全取决于孔隙比，而在很大程度上还取决于土的级配情况。粒径级配

不同的砂土即使具有相同的孔隙比，但由于颗粒大小不同，颗粒排列不同，所处的密实状态也会

不同。为了同时考虑孔隙比和级配的影响，引入砂土相对密实度的概念。

当砂土处于最密实状态时，其孔隙比称为最小孔隙比；而砂土处于最疏松状态时的孔隙比则

称为最大孔隙比。有关试验标准中规定了一定的方法测定砂土的最小孔隙比和最大孔隙比，然后

可按下式计算砂土的相对密实度：

4=-g(1-14)

从上式可以看出，当砂土的天然孔隙比接近于最小孔隙比时，相对密实度2接近于1,表

明砂土接近于最密实的状态；而当天然孔隙比接近于最大孔隙比时则表明砂土处于最松散的状

态，其相对密实度接近于0。根据砂土的相对密实度可以按表1-4将砂土划分为密实、中密、和

松散三种密实度。

表1-4砂土密实度划分标准

密实度密实中密松散

相对密度1.0-0.670.67-0.330.33-0

六、土的压实原理

土体能够通过振动、夯实和碾压等方法调整土粒排列，进而增加密实度的性质称为土的压实

性。

1.土的压实与含水量的关系

土的含水量是影响填土压实性的主要因素之一。在低含水量时，水被上颗粒吸附在土粒表面,

土颗粒因无毛细管作用而互相联结很弱,土粒在受到夯击等冲击作用下容易分散而难于获得较高

的密实度。在高含水量时，土中多余的水分在夯击时很难快速排出而在土孔隙中形成水团，削弱

了土颗粒间的联结，使土粒润滑而变得易于移动，夯击或碾压时容易出现类似弹性变形的“橡皮

土”现象，失去夯击效果。

土的干密度“是反映土的密实度的重要指标，它与土的含水量、压实能量和填土的性质等有

P

关。将同一种土配置成不同含水量的土样后进行室内击实试验，可以获得如图卜4所示的含水量

w与干密度“之间的关系曲线，称作击实曲线。

含水量w/%

图1-4土的击实曲线

2.最优含水量和最大干密度

图1-4的击实曲线表明，存在一个含水量可使填土的干密度达到最大值，产生最好的击实

效果。将这种在一定夯击能量下填土最易压实并获得最大密实度的含水量称作土的最优含水量

（或最佳含水量），用w表示。在最优含水量下得到的干密度称作填土的最大干密度，用

0PYdmax

表示。土的最优含水量卬用通常采用室内标准击实试验确定，若采用土的塑限值含水量Wp间接

确定，一般可取w（＞p=Wp+2。

七、土的工程分类

1.土的工程分类原则

土的工程分类是把不同的士分别安排到各个具有相近性质的组合中去，其目的是为了人们有

可能根据同类土已知的性质去评价其工程特性,或为工程师提供一个可供采用的描述与评价土的

方法。通常对建筑地基可分成岩石、碎石土、砂土、粉土、粘性土五大类。

2.土的工程分类方法

（1）岩石的分类

岩石（基岩）是指颗粒间牢固联结，形成整体或具有节理、裂隙的岩体。它作为建筑场地

和建筑地基可按下列原则分类:

1)按成因分为岩浆岩、沉积岩和变质岩。

2)根据坚固性即未风化岩石的饱和单轴极限抗压强度q分为硬质岩石(qN30MPa)和

软质岩石(q<30MPa)。

3)根据风化程度分为微风化、中等风化和强风化。

4)按软化系数KR分为软化岩石和不软化岩石。除为饱和状态与风干状态的岩石单轴极限

抗压强度之比，KR<0.75为软化岩石，KR>0.75为不软化岩石。

(2)碎石土

碎石土是指粒径大于2mm的颗粒含量超过总质量的50%的土，按粒径和颗粒形状可进一

步划分为漂石、块石、卵石、碎石、圆砾和角砾，具体划分见表

表1-5碎石土的分类(GBJ7-89)

土的名称颗粒形状粒组含量

漂石圆形及亚圆形为主

粒径大于200mm的颗粒超过全重50%

块石棱角形为主

卵石圆形及亚圆形为主

粒径大于20mm的颗粒超过全重50%

碎石棱角形为主

圆砾圆形及亚圆形为主

粒径大于2mm的颗粒超过全重50%

角砾棱角形为主

碎石土的密实度一般用定性的方法由野外描述确定，卵石的密实度可按超重型动力触探的锤

击数划分。

(3)砂土

砂土是指粒径大于2mm的颗粒含量不超过总质量的50%且粒径大于0.075mm的颗粒含

量超过总质量的50%的土。砂土可再划分为5个亚类，即砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂，具

体划分见表1-6。

表1-6砂土的分类(GBJ7-89)

土的名称粒组含量

砾砂粒径大于2mm的颗粒超过全重25%~50%

粗砂粒径大于0.5mm的颗粒超过全重50%

中砂粒径大于0.25mm的颗粒超过全重50%

细砂粒径大于0.075mm的颗粒超过全重85%

粉砂粒径大于0.075mm的颗粒超过全重50%

（4）粉土

粉土是指粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过总质量的50%,且塑性指数小于或等于

10的土。粉土是介于砂土和粘性土之间的过渡性土类，它具有砂土和粘性土的某些特征，根据

粘粒含量可以将粉土再划分为砂质粉土和粘质粉土。

（5）粘性土

粘性土是指塑性指数大于10的土。根据塑性指数大小，粘性土可再划分为粉质粘土和粘土

两个亚类，当10</pW17时为粉质粘土，当/p>17时为粘土。

具体的分类方法可参阅例题13。

【例题1-3]

完全饱和的土样含水量为30%,液限为29%,塑限为17%,试按塑性指数分类法定名，并

确定其状态。

【解】求塑性指数/p：Zp=wL-Wp=29-17=12

30-17

求液性指数/:=1.08

L29-17

根据定名标准该土样应为粉质粘土，其状态为流塑状态。

案量淤缰

本章主要讨论了土的物质组成以及定性、定量描述其物质组成的方法，包括土的三相组

成、土的三相指标、土的结构构造、粘性土的界限含水量、砂土的密实度和土的工程分类等。

这些内容是学习土力学原理和基础工程设计与施工技术所必需的基本知识，也是评价土的工

程性质、分析与解决土的工程技术问题时讨论的最基本的内容。

欧JH国疆高

参考解

问题答

何谓土粒粒组？土粒六大粒组划分标准是什么？各规范规定为何有差异？

在土的三相比例指标中，哪些指标是直接测定的？其余指标的导出思路主要是

什么？

塑性指数的定义和物理意义是什么？中大小与土颗粒的粗细有何关

系？ip大的土具有哪些特点？

砂士.的密实度如何判别？不同指标如何使用？

在土类定名时，无粘性土与粘性土各主要依据什么指标?

您想测试一下自己对本章基本概念的掌握程度吗？请进入在线练习

曲

您还可以进一步完成指导教师布置的习题作业，或选择习题库中的习题

进行练习汨＞

第二章主痢求的送醐觐簪

学习指导

学习目标

掌握土的渗透定律与渗透力计算方法，具备对地基渗透变形进行正确分析的

能力。

学习基本要求

1.掌握土的渗透定律

2.掌握二维渗流及流网绘制

2.掌握土中渗流量计算

4.掌握土中水的渗透力与地基渗透变形分析

参考学习进度

内容学时A(36学时制)学时B(54学时制)

渗透基本理论2.03.0

流网及其工程应用1.01.5

土中渗透作用力与渗透变形1.01.5

合计4.06.0

主要基础知识

士的三相比例指标计算、流体力学初步⑥’

一、工程背景

在许多实际工程中都会遇到渗流问题。如水利工程中的土坝和闸基、建筑物基础施工中开挖

的基坑等。图2-l(a)是水利工程中常见的闸基，在上游水位压力差的作用下，水将从上游河底进

入闸基的地基，沿地基土中的孔隙渗向下游，再从下游河床逸出。图2-1(b)为软土地基深基

坑施工时常用的防渗、护壁围护结构，在开挖基坑的过程中，通常是基坑外土层中的地下水位高

于基坑内水位而形成水头差，地下水将通过坑外土层绕过板桩渗入坑内。在这些渗流问题中，通

常都要求计算其渗流量并评判其渗透稳定性。

当渗流的流速较大时，水流拖曳土体的渗透力将增大。渗透力的增大将导致土体发生渗透变

形，并可能危及建筑物或周围设施的安全。因此，在工程设计与施工中，应正确分析可能出现的

渗流情况，必要时采取合理的防渗技术措施。

J-V

-

V

图21(a)闸基渗流模拟图24(b)基坑渗流模拟

二、渗透理论

1.渗透的定义

存在于地基中的地下水，在一定的压力差作用下，将透过土中孔隙发生流动，这种现象称为

渗流或渗透。

2.渗透模型

实际土体中的渗流仅是流经土粒间的孔隙，由于土体孔隙的形状、大小及分布极为复杂，导致

渗流水质点的运动轨迹很不规则，如图2-2(a)所示。考虑到实际工程中并不需要了解具体孔隙中的

渗流情况，可以对渗流作出如下二方面的简化：一是不考虑渗流路径的迂回曲折，只分析它的主

要流向；二是不考虑土体中颗粒的影响，认为孔隙和上粒所占的空间之总和均为渗流所充满。作

了这种简化后的渗流其实只是一种假想的土体渗流，称之为渗流模型，如图2-2(b)所示。为了使

渗流模型在渗流特性上与真实的渗流相一致，它还应该符合以下要求：

(1)在同一过水断面，渗流模型的流量等于真实渗流的流量；

(2)在任意截面上，渗流模型的压力与真实渗流的压力相等；

(3)在相同体积内，渗流模型所受到的阻力与真实渗流所受到的阻力相等。

图2-2(a)水在土孔隙中的运动图2-2(b)渗流模型

3.达西(Dracy)渗透定律

(1)达西渗透实验与达西定律

地下水在土体孔隙中渗透时，由于渗透阻力的作用，沿程必然伴随着能量的损失。为了揭示

水在土体中的渗透规律，法国工程师达西(H.darcy)经过大量的试验研究，1856年总结得出渗透

能量损失与渗流速度之间的相互关系即为达西定律。

达西(HenriPhilibertGaspardDarcy,1803~1858)，法国著名工程师,1855年提出了达西定

律，1857年提出了紊流沿程水头损失计算的著名经验公式。

图2-3达西渗透实验装置图

达西实验的装置如图2-3所示。装置中的①是横截面积为4的直立圆筒，其上端开口，在圆

筒侧壁装有两支相距为/的侧压管。筒底以上一定距离处装一滤板②，滤板上填放颗粒均匀的

砂土。水由上端注入圆筒，多余的水从溢水管③溢出，使筒内的水位维持一个恒定值。渗透过砂

层的水从短水管④流入量杯⑤中，并以此来计算渗流量公设△，时间内流入量杯的水体体积为

△匕则渗流量为行△//△「o同时读取断面1-1和段面2-2处的侧压管水头值心，h2,△〃为

两断面之间的水头损失。

达西分析了大量实验资料，发现土中渗透的渗流量q与圆筒断面积A及水头损失△〃成正

比，与断面间距/成反比，即

=好1(2-1)

或

v=—=ki(2-2)

A

式中，=△〃〃，称为水力梯度，也称水力坡降；k为渗透系数，其值等于水力梯度为1时水的渗透

速度，cm/s。

式(三.渗透系数的确定

渗透系数k是综合反映土体渗透能力的一个指标，其数值的正确确定对渗透计算有着#常

重要的意义。影响渗透系数大小的因素很多，主要取决于土体颗粒的形状、大小、不均匀系数和

水的粘滞性等，要建立计算渗透系数k的精确理论公式比较困难，通常可通过试验方法或经验估

算法来确定k值。

1.实验室测定法

实验室测定渗透系数上值的方法称为室内渗透试验，根据所用试验装置的差异又分为常水头试

验和变水头试验。

（1）常水头试验

—图2-5常水头渗透试验过程演示

常水头试验的过程可参见其动画演示。试验时将高度为/,横截面积为A的试样装入垂直

放置的圆筒中，从土样的上端注入与现场温度完全相同的水，并用溢水口使水头保持不变。土样

在不变的水头差△/?作用下产生渗流，当渗流达到稳定后，量得时间，内流经试样的水量为。，

而土样渗流流量g=0〃，根据式（2-1）可求得

,qIQI

k=——=—-----（2-3）

AhhA-hht

常水头试验适用于透水性较大（k>l（r'cm/s）的土，应用粒组范围大致为细砂到中等卵石。

2-1）和（2-2）所表示的关系称为达西定律，它是渗透的基本定律。

四、流网及其工程应用