土的物理性质及工程分类

本文格式为Word版，下载可任意编辑——土的物理性质及工程分类第一节土的物理性质及工程分类

一、土的生成与组成

由原岩风化产物，碎屑物质，经各种外力地质作用（剥蚀、搬运、沉积）形成尚未胶结硬化的沉积物（层），通称“第四纪沉积物（层）〞或“土〞。

土粒的大小及其组成状况，寻常以土中各个粒组的相对含量（各粒组占土粒总量的百分数）来表示，称为土的颗粒级配。用粒径级配曲线表示颗粒组成状况是一种比较完善的方法，它能表示土的粒径分布和级配，见图12-1-1，其中α、b分别表示两个试样颗粒组成状况，曲线平缓（试件α）表示粒径相差悬殊，土粒级配良好；反之，曲线较陡表示粒径相差不多，土粒较均匀。

d10；小于某粒径的土粒质量累积达60%时，该粒径称为限定粒径d60，d10与d60的比值称为不均匀系数KU：

KU=d60/d10

工程上把KU10的土，属级配良好的土。

小于某粒径的土粒质量累积达10%时，相应的粒径称为有效粒径二、土的物理性质（一）土的三相比例指标

土一般是由颗粒（固相）、水（液相）和气（气相）所组成的三相体系，图12-1-2表示土的三相组成：

ms——土粒的质量；mw——土中水的质量；ma——土中气的质量；

m——土的质量，m=ms+mwVs——土粒的体积；Vw——土中水的体积；Va——土中气的体积；

Vv——土中孔隙体积，Vv=Va+VwV——土的体积。1．土粒比重ds

土粒质量与同体积的4C时纯水的质量之比称为土粒比重：

ms1ρs

Vsρw1ρw1

式中，ρs为土粒密度，ρw1为纯水在4C时的密度，等于1g/cm3或1t/m3。2．土的含水量w

土中水的质量与土粒质量之比（用百分数表示），称为土的含水量：

ds=——2——=——

mw

W=——3100%

ms

3．土的密度ρ

单位体积土的质量称为土的密度：

m

ρ=——

V

4．土的干密度ρd和有效密度ρ′

单位体积土中固体颗粒部分的质量，称为土的干密度：

ms

ρd==——

V

土孔隙中充满水时的单位体积质量，称为土的饱和密度ρsat：

ms+Vvρw

ρsat=————

V

在地下水位以下，单位体积土中土粒的质量扣除浮力后，即为单位体积土中土粒的有效质量，称为土的有效密度P′：

ms－Vvρwρ′=————

V

土的湿重度γ=ρ2g土的干重度γ=ρd2g土的饱和重度γ

sat

=ρ

sat

2g

土的有效重度γ′=ρ′2g5．土地孔隙比e和孔隙率n

土中孔隙体积与土粒体积之比称为土的孔隙比e：

Vve=——

Vs

土中孔隙体积与总体积之比（用百分数表示），称为土的孔隙率n：

Vv

n=——3100%

V6．土的饱和度Sr

Vw

Sr=——3100%

Vv

（二）无粘性土的相对密实度Dr

无粘性土的相对密实度以最大孔隙比emax与自然孔隙比e之差和最大孔隙比与emax最小孔隙比emix之差的比值Dr来表示，即：emax-eDr=————emax-emix

其中：emax、emix分别为无粘性土的最大、最小孔隙比。根据Dr值可把砂土的密实度状态分为三种：1≥Dr>0.67密实的0.67≥Dr>0.33中密的0.33≥Dr>0松散的

（三）粘性土的塑性指数Ip和液性指数IL

粘性土由可塑状态转到滚动状态的界限含水量叫做液限ωL，由半固态转到可塑状态的界限含水量叫做塑限ωp，塑性指数Ip：Ip=ωL-ωp

粘性土按塑性指数Ip分为粘土（Ip>17）和粉质粘土（101.0(四)粘性土的灵敏度饱和粘性土的灵敏度St:

式中qu——原状试件的无侧限抗压强度，KPa；

q′u——重塑试件的无侧限抗压强度，KPa；根据灵敏度可将饱和粘性土分为三类：14高灵敏（五）土的渗透性

土的渗透性一般是指流通土中孔隙难易程度性质，或称透水性。在计算地基沉降的速率和地下水涌水量时都需要土的渗透性指标。

地下水在土的孔隙或微小裂隙中以不大的速度连续渗透时属于层流运动（流线基本平行的滚动）。它的渗透速度可按达西（Darcy）定律的表达式计算：

υ=ki

式中υ——水在土中的渗流速度，mm/s,它不是地下水在孔隙中滚动的实际速度，而是在单位时间（s）内流过一单位土截面（m㎡）的水量（m㎡）；H1-H2

i——水力梯度，i=——，即土中M1和M2两点的水头差(H1-H2)与两点间的流线长

η

度η之比；图中h1、h2为两点的压头，Z1、Z2为位头，则H1、H2为总水头；

k——土的渗透系数，mm/s，表示土的透水性质的常数。

在砂土中水的滚动符合达西律，而在粘性土中只有当水力梯度超过其实梯度时才开始渗流。当水力梯度i不大时，渗透速度υ为零，只有当i>i1(起始梯度)时，水才开始在粘性土中渗透（υ≠0）。为了简化计算，采用直线2-3在横坐标上的截距i′作为计算起始梯度，则用于粘性土的达西定律的公式如下：

υ=(i-i′1)

土的渗透系数可以通过室内渗透试验或现场抽水试验来测定。各种土的渗透系数变化范围参见表。

各种土的渗透系数参考值

土的名称致密粘土粉质粘土粉土、裂隙粘土粉砂、细砂中砂粗砂、砾石三、地基土的分类（一）岩石的分类

（1）按稳固性可分为硬质岩石和软质岩石两类。（2）按风化程度可分为微风化、中风化和强风化三类。（二）碎石土

碎石土是粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50%，根据粒组含量及颗粒形状分为漂石或块石、卵石或碎石、圆砾或角砾。（三）砂土

渗透系数（mm/s）

在σ-τ

f

坐标系中，上式寻常表示为一条向上略凸的曲线，称为莫尔包线（或称为抗剪

强度包线）。但一般状况下土的莫尔包线可近似取为直线，即用库伦公式的线性函数式来表示。由库伦公式表示莫尔包线的强度理论称为莫尔-库伦强度理论。（二）土的极限平衡条件

依照莫尔-库伦强度理论，当土体中任意一点在某一平面上的剪应力达到相应面上的抗剪强度时，就发生剪切破坏，该点即处于极限平衡状态。此时，表达该点应力状态的莫尔圆与土的抗剪强度线相切于一点，由此可建立以下极限平衡条件。

设土体某不单元微体上作用有大、小主应力σ1和σ3，在与大主应力σ1作用平面成αf角的平面mn上，其应力条件处于极限平衡状态，将抗剪强度包线延长与σ轴相交于R点。有几何条件可得粘性土的极限平衡条件为：

σ1-σ3

sinυ=——————

2ccotυ+σ1+σ3

经三角函数变换后，式写为：

υυ

σ1=σ3tan（45°+—）+2ctan（45°+—）

22

或υυ

σ3=σ1tan2（45°-—）-2ctan（45°-—）

22

2

对于无粘性土，由于粘聚力c=0，由以上式可得无粘性土的极限平衡条件为：

σ1-σ3sinυ=——

σ1+σ3

或υ

2

σ1=σ3tan(45°+—)

2

或υ

σ3=σ1tan2（45°-—）

2土中出现的破碎面与大主应力σ1作用面的夹角αf为：

υ

αf=45°+—

2

由于土的抗剪强度实际上取决于土的有效应力，因此式中的υ取有效内摩擦角υˊ时才代表实际的破碎面。

第五节土压力、地基承载力和边坡稳定

挡土墙是防止土体坍塌的构筑物，其结构型式可分为重力式、悬臂式和扶臂式等，可用砖、块石、素混凝土和钢筋混凝土等材料修建。挡土墙在土建、水利、道路和桥梁等工

程中都有广泛使用。

土压力是指挡土墙后的填土因自重或外荷载作用而对墙背产生的侧向压力。它是挡土墙设计时的主要荷载之一。

浅基础的地基承载力是指地基承受建筑物荷载的能力。在基础荷载作用下，如地基发生了整体剪切破坏而丧失其稳定性，则建筑物有倾斜甚至倒塌的危险。

土坡在外界不利因素影响下，可能发生局部土体滑动而失去稳定性。土坡的失稳常造成严重的工程事故。

一、土压力计算（一）土压力的分类

土压力的大小及其分布规律受到挡土墙可能的位移方向、墙后填土的物理力学性质、墙背和填土面的倾斜程度以及挡土墙的截面大小等因素的影响。根据七哪个的位移状况和墙后土体所处的应力状态，土压力可分为：

1．主动土压力

当挡土墙向离开土体方向移动或转动至墙后土体的应力达到极限平衡状态时，作用在墙上的土压力称为主动土压力。沿墙长方向单位长度上的主动土压力一般用Ea（kN/m）表示。

2．被动土压力

当挡土墙在外力作用（如拱桥的桥台受到拱桥的推力作用）下向土体方向转动或移动至墙后土体的应力达到极限平衡状态时，再哟用在墙上的土压力称为被动土压力。沿墙长方向单位长度的被动土压力用Ep表示。

3．静止土压力

假使挡土墙在土压力作用下不向任何方向移动或转动而保持原来的位置，则枪后土体处于平衡状态，此时，作用在墙背上的土压力称为静止土压力。房屋地下室的外墙，以及其他几乎不发生位移的地下墙体，其侧压力可按静止土压力计算。静止土压力等于土在自重作用下无侧向变形时的水平向应力σx，即：

σ0=σx=Koσz=Koγz

式中σ0——静止土压力强度，kPa；

Ko——静止土压力系数，可通过试验确定，或根据土的有效内摩擦角υˊ按经验公式

Ko=1-sinυˊ(对正常固结粘性土按Ko=0.95-sinυˊ)计算：γz——填土的重度，kN/m3；

z——土压力计算点的深度，从填土表面算起，m。

静止土压力沿墙高呈三角形分布。沿挡土墙纵向取单位长度来计算，则作用在距墙底为三分之一七哪个高处的静止土压力E0（kN/m）为：

12

E0=—γhKo

2

试验研究说明：在一致条件下，主动土压力小于静止土压力；而静止土压力小于被动土压力，且产生被动土压力所需的位移量比产生主动土压力所需的位移量要大得多。

产生主动或被动土压力时所需挡土墙的位移量

土类应力状态主动主动被动被动主动主动挡土墙位移方式平移绕墙趾转动平移绕墙趾转动平移绕墙趾转动所需的位移量0.001h0.001h0.05h>0.1h0.004h0.004h砂土粘土注：h为挡土墙高度。

土压力的计算理论主要有古典的郎金理论和库伦理论。目前工程上仍普遍应用这两种理论来计算挡土墙的土压力。（二）郎金土压力理论

郎金土压力理论是根据无限体的应力状态和土的极限平衡条件而导出的土压力计算方法，适用于计算墙背光滑、直立、填土面水平的挡土墙压力。

在自重应力状态下，半无限体中任一微体单元M的法向应力σz和σx都是主应力。由于该点处于弹性状态，因此，表达该点应力状态的莫尔圆没有和抗件大派强度线相切。

1．主动土压力

当挡土墙偏离主体时，墙后土体中任意一点在竖向应力σz=γz（即大主应力σ1）不变的条件下，水平应力σx（即小主应力σ3）逐渐减少至产生主动郎金状态时的σa（称为主动土压力强度）。由极限平衡条件式得：

υυ

2

粘性土：σa=γztan(45°-—)-2ctan（45°-—）

22

或σa=γzKa-2cKaυ

2

无粘性土：σa=γztan（45°-—）

2或σa=γzKa

υ

2

式中Ka=tan（45°-—）≤1，为主动土压力系数；

2γ——填土的重度，kN/m3，地下水位以下取有效重度；

z——计算点离填土表面的距离，m；c——填土的粘聚力，kPa；υ——填土的内摩擦角。

对无粘性土来说，土压力强度与深度成正比，沿墙高的压力分布图呈三角形，单位墙长的主动土压力Ea为：

1υ

22

Ea=—γhtan（45°-—）221

或Ea=—γh2Ka

2Ea的作用点通过三角形的形心，即在距墙底h/3处。

粘性土的主动土压力强度分布图。在临界深度Zo以上的ade部分是因粘聚力c的存在引起的负侧压力（拉应力），在计算土压力时，这部分应略去不计。因此粘性土的土压力分布仅是abc部分。在填土面无荷载的条件下，临界深度可令式为零，求得：Zo=

主动压力Ea为：

将Zo代入上式后得：2．被动土压力

当挡土墙受外力作用而推向土体时，填土中任意一点在竖向应力σz=γz不变的条件下，水平应力σx逐渐增大至出现被动郎金状态时的σq，称为被动土压力强度。此时σq是大主

应力，而σz是小主应力。

υυ

无粘性土：σq=γztan（45°+—）+2ctan(45°+—)

22