1、土力学土力学 本课程教学目标本课程教学目标1.掌握与掌握与土力学三大基土力学三大基本问题本问题(渗透、变形、强度渗透、变形、强度)相相 关的基本理论关的基本理论2.利用利用土力学基本理论，掌握三个常见岩土工程问土力学基本理论，掌握三个常见岩土工程问 题题(土压力、土坡稳定性、地基承载力土压力、土坡稳定性、地基承载力)的计算方法的计算方法3.掌握掌握5个基本土力学实验的原理及方法个基本土力学实验的原理及方法本课程考核方法本课程考核方法1.考核方式：闭卷考试考核方式：闭卷考试2.最终成绩组成最终成绩组成(1)考勤考勤：5%(2)作业作业：10%15%(3)期终考试：期终考试：85%80%3.缺勤缺
2、勤1/3者，不能参加考试者，不能参加考试1.1.绪论绪论 1.1 1.1 土力学、地基与基础的概念土力学、地基与基础的概念 1.2 1.2 本课程的主要内容和特点本课程的主要内容和特点 1.3 1.3 本学科的发展概况本学科的发展概况(自修)复习：结构传力途径：复习：结构传力途径：本栋房屋（框架结构）本栋房屋（框架结构）梁梁柱柱 楼板楼板人、物等重量人、物等重量地基地基基础基础建筑物组成：建筑物组成：上部结构上部结构+基础基础+地基地基结构荷载结构荷载基底压力基底压力d1.1.基础的概念基础的概念定义定义：埋入土层一定深度并将各种荷载传给地基埋入土层一定深度并将各种荷载传给地基 的建筑物下部结
3、构。的建筑物下部结构。作用：将建筑物的全部荷载安全、可靠地传作用：将建筑物的全部荷载安全、可靠地传 给地基。给地基。材料：材料：灰土、砖石砌体、混凝土或钢筋混凝土等。灰土、砖石砌体、混凝土或钢筋混凝土等。埋深埋深(埋置深度埋置深度)d：基础底面至地面的竖直距离。：基础底面至地面的竖直距离。第一部分第一部分 土力学、地基与基础的概念土力学、地基与基础的概念类型：按埋深可分为两类：类型：按埋深可分为两类：浅基础：浅基础：埋深埋深d基础宽度基础宽度b设计要求：设计要求：与上部结构和地基相联系，综合考虑其与上部结构和地基相联系，综合考虑其 形式、材料、尺寸等。形式、材料、尺寸等。要求：具有足够的强度、
4、刚度和耐久性。要求：具有足够的强度、刚度和耐久性。1)1)单独基础单独基础常见的基础形式有如下类型：常见的基础形式有如下类型：1)1)单独基础单独基础Individual footing,pad foundation2)2)条型基础条型基础2)2)条型基础条型基础3)3)片筏基础片筏基础4)4)桩基础桩基础软土层4)4)桩基础桩基础2.2.地基的概念地基的概念定义：定义：受到基础荷载影响的受到基础荷载影响的那部分土体那部分土体。作用：作用：承受基础传来的荷载。承受基础传来的荷载。材料：岩石、土层或部分岩石部分土。材料：岩石、土层或部分岩石部分土。它们均是自它们均是自 然的产物。然的产物。要求：
5、要求：强度强度(稳定性稳定性)要求：要求：具有一定的承载能力，不能发生具有一定的承载能力，不能发生 整体破坏。即整体破坏。即p f 变形要求：变形要求：不能超过建筑物的允许变形值。即不能超过建筑物的允许变形值。即S S 类型：类型：天然地基：天然地基：不加处理就可以直接在其上修建基础的不加处理就可以直接在其上修建基础的 地基。地基。人工地基：人工地基：不能满足强度、变形和渗透要求，需要不能满足强度、变形和渗透要求，需要 事先进行人工处理后再在事先进行人工处理后再在其上修建基础其上修建基础 的地基。的地基。设计时：设计时：尽量选择天然地基（造价低、施工方便）。尽量选择天然地基（造价低、施工方便）
6、。人工地基人工地基重锤夯实加固振动压实加固重锤夯实加固振动压实加固3.3.土力学土力学定义：定义：利用力学原理，研究土的强度、变形及渗利用力学原理，研究土的强度、变形及渗 透特性的学科。透特性的学科。主要内容：主要内容：变形问题变形问题 强度问题强度问题 渗透问题渗透问题第二部分第二部分 本课程的主要内容和特点本课程的主要内容和特点 1.1.主要内容：主要内容：土力学土力学+实验实验土力学部分：土力学部分：土的性质及工程分类土的性质及工程分类 地基中的应力地基中的应力 土的变形性质及地基沉降计算土的变形性质及地基沉降计算 土的抗剪强度土的抗剪强度 工程应用（挡土结构上的土压力计算、地基承载力工
7、程应用（挡土结构上的土压力计算、地基承载力 确定、土坡稳定性分析）确定、土坡稳定性分析）实验部分：实验部分：土的基本物理性质指标实验土的基本物理性质指标实验（必做）（必做）黏性土的液塑限实验黏性土的液塑限实验（必做）（必做）土的侧限压缩实验土的侧限压缩实验（必做）（必做）土的直接剪切实验土的直接剪切实验（必做）（必做）土的渗透实验土的渗透实验（必做）（必做）土的击实实验土的击实实验（选做）（选做）2.2.本课程的特点本课程的特点 涉及到的相关课程多涉及到的相关课程多 如：理论力学、材料力学、结构力学、水力学、工程地如：理论力学、材料力学、结构力学、水力学、工程地质与水文地质等质与水文地质等 概
8、念、术语多且较难理解概念、术语多且较难理解 各章节之间连贯性差各章节之间连贯性差徒步行走的土力学原理徒步行走的土力学原理脚后跟着地脚后跟着地脚掌着地脚掌着地以脚趾行走以脚趾行走1360年：再复工，至年：再复工，至1370年竣工，全塔共年竣工，全塔共8 层，高度为层，高度为55m1272年：复工，经年：复工，经6年，至年，至7层，高层，高48m，再，再 停工停工1178年：至年：至4 4层中，高约层中，高约29m，因倾斜停工，因倾斜停工1173年：动工年：动工目前：塔向南倾斜，南北两端沉降差目前：塔向南倾斜，南北两端沉降差1.80m，塔顶离中心线已达塔顶离中心线已达5.27m，倾斜，倾斜5.51
9、590:伽利略在此伽利略在此塔做落体实验塔做落体实验 意大利比萨斜塔意大利比萨斜塔基岩基岩不均匀不均匀软土层软土层地质剖面图地质剖面图原因：地基持力层为粉砂，下面为粉土原因：地基持力层为粉砂，下面为粉土和粘土层，强度较低，变形较大。和粘土层，强度较低，变形较大。1838-18391838-1839：挖环形基坑卸载：挖环形基坑卸载1933-19351933-1935：基坑防水处理：基坑防水处理 基础环灌浆加固基础环灌浆加固19901990年年1 1月月:封闭封闭19921992年年7 7月：加固塔身，用压重月：加固塔身，用压重 法和取土法进行地法和取土法进行地 基处理基处理目目 前前:正常向游人
10、开放。正常向游人开放。处理措施加拿大特朗斯康谷仓加拿大特朗斯康谷仓 事故：事故：1913年年9 9月装谷物，月装谷物，10月月当装了当装了3万万m3谷物时，谷物时，1小时竖向沉降达小时竖向沉降达30cm24小时倾斜小时倾斜27西端下沉西端下沉7.3m 东端上抬东端上抬1.5m上部钢混筒仓完好无损上部钢混筒仓完好无损原因：地基严重超载，加荷速率太快。原因：地基严重超载，加荷速率太快。不满足强度条件不满足强度条件pf加拿大特朗斯康谷仓加拿大特朗斯康谷仓 处理：处理：事后在下事后在下面做了七十多面做了七十多个支撑于基岩个支撑于基岩上的混凝土墩，上的混凝土墩，使用使用388个个50t千斤顶以及支千斤顶
11、以及支撑系统，才把撑系统，才把仓体逐渐纠正仓体逐渐纠正过来，但其位过来，但其位置比原来降低置比原来降低了了5 5米。米。2009年6月27日5时30分（上海）第第1 1章章 土的性质及工程分类土的性质及工程分类主要内容：主要内容：土的三相组成及土的结构土的三相组成及土的结构 土的物理性质指标土的物理性质指标 无黏无黏(粘粘)性土的密实度性土的密实度 黏性土的物理特性黏性土的物理特性 土的击实性土的击实性 地基土的工程分类地基土的工程分类1.1-1.2 1.1-1.2 概述及土的形成概述及土的形成2.2.什么是土？什么是土？岩石经过风化作用而剥落、搬运、沉积形成的矿岩石经过风化作用而剥落、搬运、
12、沉积形成的矿物集合体。物集合体。1.1.风化作用风化作用由于昼夜和季节的气温变化由于昼夜和季节的气温变化(使地表各种原岩不断使地表各种原岩不断发生热胀脱离、冷缩开裂等机械破碎发生热胀脱离、冷缩开裂等机械破碎)、水和水溶水和水溶液的存在液的存在(使原岩不断发生水化、氧化、碳酸盐化、使原岩不断发生水化、氧化、碳酸盐化、溶解以及缝隙水冻胀引起崩裂等化学和机械破碎溶解以及缝隙水冻胀引起崩裂等化学和机械破碎)、动植物和微生物的活动动植物和微生物的活动(使原岩不断发生机械破碎使原岩不断发生机械破碎和化学变化和化学变化)，对原岩发生机械破碎和化学变化的对原岩发生机械破碎和化学变化的作用，称为风化作用。作用，
13、称为风化作用。3.3.风化的类型风化的类型 物理风化物理风化定义：定义：由于温度变化和岩石裂隙中水的冻结以及盐类的结由于温度变化和岩石裂隙中水的冻结以及盐类的结 晶引起的晶引起的岩石表面逐渐破碎崩解的过程岩石表面逐渐破碎崩解的过程。结果：结果：主要使岩石机械破碎。风化的产物主要使岩石机械破碎。风化的产物（原生矿物）（原生矿物）与与 原母岩矿物成分、化学性质相同。原母岩矿物成分、化学性质相同。化学风化化学风化定义：定义：岩石在水溶液、大气以及有机体的化学作用或生物岩石在水溶液、大气以及有机体的化学作用或生物 作用下所引起的破坏过程。作用下所引起的破坏过程。结果：结果：不仅破坏了岩石的结构，而且使
14、其化学成分发生了不仅破坏了岩石的结构，而且使其化学成分发生了 变化，形成新的矿物变化，形成新的矿物（次生矿物）（次生矿物）。生物风化生物风化定义：定义：生物活动过程中对岩石的破坏作用。生物活动过程中对岩石的破坏作用。结果：结果：可能生物原生矿物或次生矿物。可能生物原生矿物或次生矿物。4.4.土性质复杂的原因土性质复杂的原因 成因复杂（自然的产物）成因复杂（自然的产物）组成复杂。通常由以下三部分组成：组成复杂。通常由以下三部分组成：土粒：土粒：构成土的骨架，称为构成土的骨架，称为固相固相。孔隙中的水孔隙中的水(及溶液物质及溶液物质)：称为称为液相液相。孔隙中的气体：孔隙中的气体：称为称为气相气相
15、。由此可见：土是一种复合材料由此可见：土是一种复合材料5.5.土与岩石的区别：土与岩石的区别：仅在于颗粒间胶结的强弱。仅在于颗粒间胶结的强弱。粒间无胶结：粒间无胶结：无黏性土（如砂、碎石等）无黏性土（如砂、碎石等）粒间弱胶结：粒间弱胶结：黏性土、粉土等。黏性土、粉土等。粒间强胶结：粒间强胶结：岩石。岩石。特殊情况下的两相土：特殊情况下的两相土：干土干土：土孔隙中无水的土。：土孔隙中无水的土。饱和土饱和土：土孔隙中无气的土：土孔隙中无气的土(如地下水位以下的土如地下水位以下的土)。物理风化产物，石英、长石、云母等。颗粒粗，为砂、砾组主要成分。（1 1）原生矿物）原生矿物化学风化产物，颗粒细，为粘
16、粒组的主要成分。（2 2）次生矿物）次生矿物特点：化学性质稳定，水稳性强。特点：颗粒细，比表面积大，活性大，亲水性强。1.3 1.3 土的三相组成土的三相组成a.粘土矿物粘土矿物复合的铝硅酸盐晶体，片状。高岭石：2322Al O2SiO2H O伊利石：22322K O 3Al O6SiO2H O蒙脱石：2322Al O4SiOnH O亲水性：蒙脱石伊利石高岭石b.倍半氧化物及次生二氧化硅倍半氧化物及次生二氧化硅c.可溶性次生矿物可溶性次生矿物（3 3）有机质）有机质蒙 脱 石2.2.土颗粒的大小和形状土颗粒的大小和形状 自然界中存在的土，都是由粒径大小不同的土粒组成的，土的粒径由自然界中存在的
17、土，都是由粒径大小不同的土粒组成的，土的粒径由粗到细逐渐变化时粗到细逐渐变化时,土的性质相应地发生变化。因此可土的性质相应地发生变化。因此可将大小相近，性质将大小相近，性质相似的颗粒划归为一组，称为粒组相似的颗粒划归为一组，称为粒组，划分粒组的分界尺寸称为划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。界限粒径。常用常用200、60、2、0.075、0.005mm把土粒分为把土粒分为六大粒组六大粒组:漂漂石石(块石块石)颗颗粒粒（粒径（粒径200mm）卵石卵石(碎石碎石)颗粒颗粒（粒径介于（粒径介于20060mm）圆砾圆砾(角砾角砾)颗粒颗粒（粒径介于（粒径介于602mm）砂粒砂粒（粒径介于（粒径介于20.0
18、75mm）粉粒及粘粒粉粒及粘粒（粒径介于（粒径介于0.0750.005mm）粘土的矿物成分粘土的矿物成分主要有粘土矿物、氧化物、氢氧化物和各主要有粘土矿物、氧化物、氢氧化物和各 种难溶盐类，它们都是种难溶盐类，它们都是次生矿物次生矿物。表表1-3 土的粒组划分土的粒组划分3.3.土的颗粒级配土的颗粒级配(粒径级配粒径级配)土的颗粒级配：土的颗粒级配：土中各个粒组的相对含量土中各个粒组的相对含量(各粒组占土粒总各粒组占土粒总 量的百分数量的百分数)。颗粒级配的用途：颗粒级配的用途：作为确定土的名称和选用建筑材料的重作为确定土的名称和选用建筑材料的重 要依据。它是决定无粘性土工程性质的主要依据。它
19、是决定无粘性土工程性质的主 要因素。要因素。颗粒级配的分析方法颗粒级配的分析方法颗分试验颗分试验筛分法：筛分法：适用于适用于粒径粒径0.075mm。比重计法或移液管法比重计法或移液管法(水分法水分法)：适用于适用于粒径粒径5为级配良好；为级配良好；Cu5和和Cc105 0C)下，才能从下，才能从矿物中吸出，故可把它矿物中吸出，故可把它视作矿物本身的一部分视作矿物本身的一部分。（2）结合水）结合水 受电分子吸引力吸附于土粒表面的土中水。受电分子吸引力吸附于土粒表面的土中水。0-毛细水毛细水重力水重力水自由水自由水弱结合水弱结合水强结合水强结合水与土粒表面结合的水与土粒表面结合的水结合水结合水土粒
20、矿物内部的水土粒矿物内部的水-结晶水结晶水土中水土中水粘粒弱结合水自由水强结合水105oO-2粘土颗粒水分子强结合水强结合水弱结合水弱结合水自由水自由水（2-1）强结合水：）强结合水：没有溶解盐类的能力，没有溶解盐类的能力，不能传递静水压力，牢固地吸附于土粒表不能传递静水压力，牢固地吸附于土粒表面，其性质接近于固体，具有极大的粘滞面，其性质接近于固体，具有极大的粘滞度、弹性和抗剪强度。度、弹性和抗剪强度。（2-2）弱结合水：）弱结合水：厚度较强结合水大，具厚度较强结合水大，具有较高的粘滞度、抗剪强度，仍不能传递有较高的粘滞度、抗剪强度，仍不能传递静水压力。静水压力。(3)(3)自自由水由水（3
21、-1）重力水：重力水：在受重力作用在土中流动的水。在受重力作用在土中流动的水。（3-2）毛细水：毛细水：由于水和空气分界处弯液面上产生由于水和空气分界处弯液面上产生的表面张力作用，土中自由水从地下水位通过土的细的表面张力作用，土中自由水从地下水位通过土的细小通道逐渐上升，形成毛细水。它不仅受重力作用而小通道逐渐上升，形成毛细水。它不仅受重力作用而且还受到表面张力的支配。且还受到表面张力的支配。（1）开敞气体：孔隙中与大气相通的那部分气体。开敞气体：孔隙中与大气相通的那部分气体。该部分气体该部分气体 对土的性质影响不大。对土的性质影响不大。（2）封闭气体：密闭与孔隙中不与封闭气体：密闭与孔隙中不
22、与大气相通的那部分气体。大气相通的那部分气体。该该 部分气体部分气体使土的渗透性减小，弹性增大和拖延使土的渗透性减小，弹性增大和拖延 了土的压缩和膨胀变形随时间的发展。了土的压缩和膨胀变形随时间的发展。(2)(2)土的结构类型土的结构类型(1)(1)土的结构：土的结构：土粒的大小、形状、空间排列和粒间连接特征。土粒的大小、形状、空间排列和粒间连接特征。单粒结构单粒结构 蜂窝结构蜂窝结构(粒径粒径0.0750.005mm)絮状结构絮状结构(粒径粒径0.005mm)(a)疏松疏松(b)密实密实(3)(3)各类型土的形成方式及其特点各类型土的形成方式及其特点单粒结构的土单粒结构的土形成方式：形成方式
23、：在沉积过程中，较粗的颗粒在其自重作用下沉落，每个颗粒都受到在沉积过程中，较粗的颗粒在其自重作用下沉落，每个颗粒都受到 周围已经沉稳的各个颗粒的支承，使各个颗粒相互依靠、交错重叠。周围已经沉稳的各个颗粒的支承，使各个颗粒相互依靠、交错重叠。特点：特点：土粒之间是点与点接触。按其生成条件不同，形成紧密或疏松的状态，土粒之间是点与点接触。按其生成条件不同，形成紧密或疏松的状态，前者较稳定，力学性能好；前者较稳定，力学性能好；后者较稳定，力学性能差。后者较稳定，力学性能差。颗粒较粗的颗粒较粗的粉土、砂土和砾石土类均以该种结构为主。粉土、砂土和砾石土类均以该种结构为主。蜂窝结构的土蜂窝结构的土形成方式
24、：形成方式：较细的土粒在自重作用下沉积，碰到已沉稳的颗粒时，由于颗粒较较细的土粒在自重作用下沉积，碰到已沉稳的颗粒时，由于颗粒较 细，重量轻，如果土粒细，重量轻，如果土粒接触点处的分子引力大于下沉土粒的重量接触点处的分子引力大于下沉土粒的重量 时，土粒便被吸住而不再下沉。时，土粒便被吸住而不再下沉。这样逐渐形成这样逐渐形成链状单元链状单元。很多个这。很多个这 样的链状单元联结起来，便形成孔隙较大疏松的蜂窝结构。样的链状单元联结起来，便形成孔隙较大疏松的蜂窝结构。特点：特点：孔隙大、疏松。当扰动而破坏其天然结构时强度低、压缩性大。孔隙大、疏松。当扰动而破坏其天然结构时强度低、压缩性大。颗粒较细的
25、颗粒较细的粉土、黏性土均以该种结构为主。粉土、黏性土均以该种结构为主。絮状结构的土絮状结构的土形成方式：形成方式：极细小的黏土颗粒大都呈针状或片状。它们受水分子作用，其表面极细小的黏土颗粒大都呈针状或片状。它们受水分子作用，其表面 都有一层极薄的水膜。这种带有水膜的土粒在水中运动时，由于土都有一层极薄的水膜。这种带有水膜的土粒在水中运动时，由于土 粒之间相互吸引，因而之间以点、线、面的各种薄片结合，然后再粒之间相互吸引，因而之间以点、线、面的各种薄片结合，然后再 沉积，形成所谓的絮状结构。沉积，形成所谓的絮状结构。特点：特点：孔隙大、疏松。当扰动而破坏其天然结构时强度低、压缩性大。孔隙大、疏松
26、。当扰动而破坏其天然结构时强度低、压缩性大。在海积粘土中常见。在海积粘土中常见。注意：注意：在天然情况下，任何一种土都是由大小不同的颗粒所组成的，因而在天然情况下，任何一种土都是由大小不同的颗粒所组成的，因而土的结构土的结构就不会是单一的，常以某种结构为主而由上述几种结构混合而成。就不会是单一的，常以某种结构为主而由上述几种结构混合而成。(4)(4)土的构造土的构造定义：定义：土层的层理、裂隙和大孔隙等宏观土层的层理、裂隙和大孔隙等宏观特征特征(结构结构)。主要形式：主要形式：层理层理(状状)结构：结构：这种构造的土层通常由不同颜色、不同颗粒的土组成层理，这种构造的土层通常由不同颜色、不同颗粒
27、的土组成层理，呈现呈现成层性成层性。土的构造的最主要特征土的构造的最主要特征就是层理就是层理(状状)结构或成层性。结构或成层性。分散构造分散构造裂隙构造裂隙构造分散构造：分散构造：土层中土粒分布均匀，性质相近。土层中土粒分布均匀，性质相近。裂隙构造：土体中有很多不连续的小裂隙。这种土的强度低、渗透性大。裂隙构造：土体中有很多不连续的小裂隙。这种土的强度低、渗透性大。土的物理性质指标：土的物理性质指标：表示土的三相之间比例关系的指标。表示土的三相之间比例关系的指标。1.5 1.5 土的物理性质土的物理性质(三相三相)指标指标指标的分类：指标的分类：1.1.基本试验指标：基本试验指标：必须通过试验
28、才能确定的指标。必须通过试验才能确定的指标。包括：包括：土的天然密度土的天然密度(重重度度)、土的含水量土的含水量和土粒相对密度和土粒相对密度ds2.2.换算指标：换算指标：由基本试验指标及水的密度由基本试验指标及水的密度w(重度重度w)和和重力加速度重力加速度g换算换算 出的指标。出的指标。虽然土粒、水和气三相在土中是混合的，但我们可以抽象地把这三部分分开，做虽然土粒、水和气三相在土中是混合的，但我们可以抽象地把这三部分分开，做出下图出下图1.22示的三相图。该图示的三相图。该图左边表示左边表示质量质量(重量重量)，右边右边表示体积表示体积。计算方法：三相图法计算方法：三相图法土粒质量：土粒
29、质量：ms （g或或kg)水的质量：水的质量：mw （g或或kg)空气质量：空气质量：ma0土总质量土总质量m=ms+mw土粒体积：土粒体积：Vs (cm3或或m3)水的体积：水的体积：Vw (cm3或或m3)气的体积：气的体积：Va (cm3或或m3)孔隙体积：孔隙体积：Vv=Vw+Va土的总体积：土的总体积：V=Vs+Vv图图1.22 1.22 土的三相关系示意图土的三相关系示意图(第一类三相图第一类三相图)1.1.定义：定义：单位体积土的质量。单位体积土的质量。计算公式：计算公式：Vm )/(33t/mcmg或试验测定方法：试验测定方法：环刀法。环刀法。用已知内腔体积用已知内腔体积V的环
30、刀取样，用天平的环刀取样，用天平称出土的质量（环刀与土的质量减去环称出土的质量（环刀与土的质量减去环刀质量），代入上式即可。刀质量），代入上式即可。)121-（土的天然重度土的天然重度(重力密度重力密度)：单位体积土的重量。即单位体积土的重量。即VW )/(33/mkNcmN或由于由于W=mg，故，故 g定义：定义：土粒质量土粒质量ms与同体积与同体积40C时纯水的质量时纯水的质量mw1=w1Vs 之比。之比。计算公式：计算公式：1ws1wsss1wssVmVmd )/()114-（式中：式中：s=ms/Vs为土粒的密度（单位体积土粒的质量），为土粒的密度（单位体积土粒的质量），g/cm3 w
31、1为为40C时纯水的密度，时纯水的密度，按按1g/cm3计算计算试验测定方法：试验测定方法：比重瓶法。比重瓶法。由于由于ds变化幅度不大（通常在变化幅度不大（通常在2.62.62.82.8之间之间),),通常可按经验数值选用，如通常可按经验数值选用，如下表。下表。土粒比重参考值土粒比重参考值粘性土粘性土土的名称土的名称砂土砂土粉土粉土粉质粘土粉质粘土粘土粘土土粒比重土粒比重2.652.692.702.712.722.732.742.763.3.定义：定义：土中水的质量土中水的质量mw(或重量或重量Ww)与土粒质量与土粒质量ms(或重量或重量Ws)之比的百分数之比的百分数计算公式：计算公式：%1
32、00WW100mmswsw （）（）试验测定方法：试验测定方法：烘干法。烘干法。先称一定质量的土先称一定质量的土m，放在，放在1001050C下烘干至恒重，则此时的质量即为土粒下烘干至恒重，则此时的质量即为土粒的质量的质量ms，土中水的质量，土中水的质量mw=m-ms。代入上式即可。代入上式即可。)116-（计算公式：计算公式：定义：定义：单位体积的土在水分烘干后的质量，即干土的密度。单位体积的土在水分烘干后的质量，即干土的密度。常见值：常见值：1.31.8t/m3工程应用：工程应用：常用做填方工程中土体压实质量控制的标准。常用做填方工程中土体压实质量控制的标准。换算公式：换算公式：)1(23
33、-1dVmsd 土的干重度土的干重度d d:单位体积的土在水分烘干后的重量，即干土的重度。单位体积的土在水分烘干后的重量，即干土的重度。gVWdsd )/(33/mkNcmN或1.1.土土的干密度的干密度d)/(33t/mcmg或2.2.土的饱和密度土的饱和密度sat定义：定义：土中孔隙充满水时单位体积土的质量。土中孔隙充满水时单位体积土的质量。计算公式：计算公式：VVmwvssat )/(33t/mcmg或)1(22-式中：w=1g/cm3=1t/m3,为水的密度。土的饱和重度土的饱和重度sat:土中孔隙充满水时单位体积土的重量。土中孔隙充满水时单位体积土的重量。gsatsat )/(33/
34、mkNcmN或3.3.土的有效密度土的有效密度(浮密度浮密度)定义：定义：土体淹没在自由水以下时，单位体积土粒的质量减去同体积水的质量土体淹没在自由水以下时，单位体积土粒的质量减去同体积水的质量 后，即单位体积土粒的有效质量。后，即单位体积土粒的有效质量。（注意：有浮力）（注意：有浮力）计算公式：计算公式：VVmwss-)(241-土的有效重度土的有效重度:土体淹没在自由水下时单位体积土的重量。土体淹没在自由水下时单位体积土的重量。wsatg -1.孔隙比孔隙比e定义：定义：土中孔隙体积土中孔隙体积Vv与土粒体积与土粒体积Vs之比。之比。计算公式：计算公式：sVVVe 注意：注意：由于由于Vv
35、可以大于可以大于Vs，因此孔隙比，因此孔隙比e可以大于可以大于1。如淤泥或淤泥质土的。如淤泥或淤泥质土的e一般一般 都大于都大于1。2.孔隙率孔隙率n定义：定义：土中孔隙体积土中孔隙体积Vv与土的总体积与土的总体积V之比。之比。计算公式：计算公式：%100VVnV 3.孔隙比与孔隙率之间的关系孔隙比与孔隙率之间的关系1e1e1VVVVVVVVVnsVsVsVVV )/()/(孔隙比孔隙比e和孔隙率和孔隙率n是是反映土密实程度的重要物理性质指标，反映土密实程度的重要物理性质指标，e或或n越大，土越疏松，反越大，土越疏松，反之土越密实。一般之土越密实。一般e1.0的土是疏松的的土是疏松的高压缩性土
36、高压缩性土。4.土的饱和度土的饱和度Sr定义：定义：土中水的体积土中水的体积Vw与孔隙体积与孔隙体积Vv之比。之比。计算公式：计算公式：%100VVSvwr 作用：作用：砂土根据饱和度的指标值分为稍湿、很湿与饱和三种湿度状态砂土根据饱和度的指标值分为稍湿、很湿与饱和三种湿度状态：Sr 50为稍湿；为稍湿；5080饱和饱和因因Vs=1，由，由e=Vv/Vs知：知：Vv=e 及及 V=Vs+Vv=(1+e)四、换算指标的计算方法四、换算指标的计算方法1.1.物理指标的特点物理指标的特点 都是比值都是比值(比例比例)关系，不需各量的绝对值，只需相对值。因此可假定某些量关系，不需各量的绝对值，只需相对
37、值。因此可假定某些量为单位值为单位值(1)(1)。常。常假定土粒假定土粒体积体积Vs=1m3（cm3）或或土的总体积土的总体积V=1m3（cm3）。假定土粒体积假定土粒体积Vs=1(以及以及w1=w=1g/cm3=1t/m3)因因ds=ms/(wVs)，故，故 ms=ds w 及及Ws=dsw因因mw/ms，故，故 mw=dsw Ww=dsw m=ms+mw=dsw(1+)W=ws+ww=dsw(1+)图1.23 土的三相指标换算图(第二类三相图)利用以上关系，即可将图利用以上关系，即可将图1.221.22的三相图转换为图的三相图转换为图1.231.23。2.2.图图1.231.23的应用的应
38、用e11dVmws )(e11dgVmgVWws )(e1ede1edVVmwswwswvssat )(e1edgVVWwssatwvssat )(ededemVVSswwswwvwr )/()/(其它指标换算公式见表其它指标换算公式见表1.81.8。图1.23 土的三相指标换算图(第二类三相图)例题：某工地需填方例题：某工地需填方2000m3，土方来自于临近山丘的开挖。，土方来自于临近山丘的开挖。经勘查，现场土粒的相对密度为经勘查，现场土粒的相对密度为2.7，含水量为，含水量为15%，孔隙比，孔隙比为为0.6。要求填方土的含水量为。要求填方土的含水量为17%，干重度为，干重度为17.6kN/
39、m3.（1 1）取土现场土的重度、干重度和饱和度是多少？取土现场土的重度、干重度和饱和度是多少？（2 2）应从现场开采多少方土？应从现场开采多少方土？（3 3）碾压时应洒水多少？填土的孔隙比是多少？碾压时应洒水多少？填土的孔隙比是多少？解解:(1):(1)设设现场测试时土样中土粒的体积现场测试时土样中土粒的体积Vs=1m3，则，则:土样中土粒质量土样中土粒质量ms=ds w Vs=2.71t/m31m3=2.7t土样中土样中水的质量水的质量mw=ms=0.152.7=0.405t土样的总质量土样的总质量m=ms+mw=2.7+0.405=3.105t土样中孔隙体积土样中孔隙体积Vv=eVs=0
40、.61=0.6m3土样中水的体积土样中水的体积Vw=mw/w=0.405/1=0.405m3土样总体积土样总体积V=Vs+Vv=1+0.6=1.6m3由此可见，现场土的：由此可见，现场土的：重度重度=W/V=mg/V=3.105t10m/s2/1.6m3=19.41kN/m3干重度干重度d=Ws/V=msg/V=2.710/1.6=16.88kN/m3饱和度饱和度Sr=Vw/Vv=0.405/0.6=0.675=67.5%（2 2）注意填方过程中土粒的质量不变。注意填方过程中土粒的质量不变。填方填方2000m3需要的土粒质量需要的土粒质量ms填填=d填填V填填=(d填填/g)V填填=(17.6
41、/10)2000=3520t又因又因d填填=ms填填/V，故需开挖的土方体积，故需开挖的土方体积V=ms填填/d填填=3520/(17.6/10)=2085.3m3(3)(3)根据根据填填=mw填填/ms填填及填方过程中土粒质量不变，可得及填方过程中土粒质量不变，可得 ms填填=mw填填/填填。即。即 mw填填=ms填填=(0.17-0.15)3520=70.4t填土的重度填土的重度填土的孔隙比填土的孔隙比3/592.20)17.01(1076.1)1(mkNd 534.01592.20)17.01(107.21)1(-wsde4.4.密实度指标密实度指标(1)(1)孔隙比孔隙比e 建筑地基基
42、础规范建筑地基基础规范以孔隙比以孔隙比e作为作为砂土砂土密实度的划分标准，分为：密密实度的划分标准，分为：密实、中密、稍密、松散四状态。实、中密、稍密、松散四状态。1.6.1 1.6.1 无粘性土的密实度无粘性土的密实度2.2.密实度：密实度：单位体积土中固体颗粒的含量。单位体积土中固体颗粒的含量。3.3.密实度对无粘性土工程性质的影响密实度对无粘性土工程性质的影响 若土粒排列若土粒排列紧密紧密(即密实度大即密实度大)，其结，其结构就稳定，压缩变形小，强度高，是良好的构就稳定，压缩变形小，强度高，是良好的天然地基。反之，若密实度小，则呈疏松状态，结构不稳定，变形大、强度低。天然地基。反之，若密
43、实度小，则呈疏松状态，结构不稳定，变形大、强度低。无粘性土的工程性质主要取决于其密实度。无粘性土的工程性质主要取决于其密实度。1.1.无粘性土：无粘性土：具有单粒结构的碎石土和具有单粒结构的碎石土和砂土砂土(颗粒间无粘结能力的土颗粒间无粘结能力的土)。1.6 土的物理状态特征土的物理状态特征（2 2）相对密度）相对密度Dr用孔隙比用孔隙比e判别无粘性土的密实度的缺点：判别无粘性土的密实度的缺点：不能考虑颗粒级配的影响。不能考虑颗粒级配的影响。minmaxmaxeeeeDr-相对密度相对密度式中：式中：emax和和emin分别为无粘性土处于最疏松和最密实时的孔隙比。分别为无粘性土处于最疏松和最密
44、实时的孔隙比。由于由于emaxeemin，故，故1Dr0利用利用相对密度相对密度Dr，可判别无粘性土的密实度：，可判别无粘性土的密实度：1Dr0.67 密实密实 0.67Dr0.33 中密中密 0.33Dr0 松散松散(3)(3)标准贯入试验标准贯入试验（Standard Penetration Test，SPT）虽然相对密实度从理论上能反映颗粒级配、颗粒形状等因素。但由于对虽然相对密实度从理论上能反映颗粒级配、颗粒形状等因素。但由于对砂土很砂土很难采取原状土样，故天然孔隙比不宜测准。难采取原状土样，故天然孔隙比不宜测准。规范规范用标准贯入试验的用标准贯入试验的锤击数锤击数来划来划分砂土的密实
45、度。分砂土的密实度。见表见表1.10。标准贯入数 N63.5 锤 重：63.5kg 落 距：760mm 打入深度：300mm(4)(4)碎石土密实度野外鉴别方法碎石土密实度野外鉴别方法 碎石土更不宜取得原状土样，也难于将贯入器击入其中。对这类土可碎石土更不宜取得原状土样，也难于将贯入器击入其中。对这类土可在现场进行观察在现场进行观察,根据其骨架颗粒含量、排列、可挖性及可钻性鉴别。将碎根据其骨架颗粒含量、排列、可挖性及可钻性鉴别。将碎石土分为密实、中密和稍密和松散四种。详见规范。石土分为密实、中密和稍密和松散四种。详见规范。3.(.(粘性土的粘性土的)稠度：稠度：指粘性土的软硬状态或对受外力作用
46、所引起变形指粘性土的软硬状态或对受外力作用所引起变形或破坏的抵抗能力。或破坏的抵抗能力。4.4.界限含水量界限含水量同一种粘性土随其含水量的不同，而分别处于固态、半固态、可塑状态及同一种粘性土随其含水量的不同，而分别处于固态、半固态、可塑状态及流动状态。流动状态。由一种状态转变到另一种状态的分界含水量，叫界限含水量。由一种状态转变到另一种状态的分界含水量，叫界限含水量。1.1.粘性土：粘性土：具有可塑状态性质的土具有可塑状态性质的土(颗粒间具有粘结能力的土颗粒间具有粘结能力的土)。2.2.影响粘性土工程性质的最主要因素：影响粘性土工程性质的最主要因素：含水量。含水量。即即土粒与水的相土粒与水的
47、相互作用。当含水量较低时，土就较硬，变形小、强度高。反之，当含水量互作用。当含水量较低时，土就较硬，变形小、强度高。反之，当含水量较大时，土就较软，甚至为较大时，土就较软，甚至为流态流态(如泥浆如泥浆)。s p l 粘 粒强结合水弱结合水自由水液 态可塑态固态或半固态5.5.界限含水量的测定方法界限含水量的测定方法(1)(1)液限液限L ：锥式液限仪锥式液限仪(如下图示如下图示)或或液塑限联合测定仪液塑限联合测定仪锥式液限仪：锥式液限仪：将调成浓糊状的试样装满盛土杯，刮平杯口面，使将调成浓糊状的试样装满盛土杯，刮平杯口面，使76g圆圆锥体锥体(含平衡球，锥角含平衡球，锥角300)在在自重作用下
48、徐徐沉入土样，经过自重作用下徐徐沉入土样，经过15s圆锥进圆锥进入土中深度恰好为入土中深度恰好为10mm时，此时该试样的含水量即为液限时，此时该试样的含水量即为液限L L。锥式液限仪(2)(2)塑限塑限p：搓搓条法条法(滚搓法滚搓法)或或液塑限联合测定仪液塑限联合测定仪 将测定完液限后的土样重塑均匀后，用手掌在毛玻璃板上搓成小土条。搓滚将测定完液限后的土样重塑均匀后，用手掌在毛玻璃板上搓成小土条。搓滚过程中，水分逐渐蒸发。若土条刚好搓至直径过程中，水分逐渐蒸发。若土条刚好搓至直径3mm时产生裂缝并开始断裂，则此时产生裂缝并开始断裂，则此时土条的含水量即为塑限。时土条的含水量即为塑限。搓条法示意
49、图搓条法示意图(3)(3)液塑限联合测定仪液塑限联合测定仪锥式液限仪和搓条法的缺点：锥式液限仪和搓条法的缺点：人为因素影响较大，测定结果不稳定。人为因素影响较大，测定结果不稳定。液塑限联合测定仪：液塑限联合测定仪：采用电磁放锥，光电方式测读圆锥入土深度。试验时，采用电磁放锥，光电方式测读圆锥入土深度。试验时，对同种土的对同种土的3个不同含水量的试样分别测出其入土深度，然后在双对数纸上做出个不同含水量的试样分别测出其入土深度，然后在双对数纸上做出各次入土深度及相应含水量的关系（大致为直线），则对应入土深度为各次入土深度及相应含水量的关系（大致为直线），则对应入土深度为10mm及及2mm时土样的含
50、水量，即分别为该土的液限和塑限。时土样的含水量，即分别为该土的液限和塑限。测试结果整理测试结果整理o IP与颗粒粗细、矿物成分和水中离子成分的浓度有关。与颗粒粗细、矿物成分和水中离子成分的浓度有关。o 土粒土粒越细且含量越多越细且含量越多，则比表面越大，则比表面越大,土的土的结合水含量结合水含量越高，越高，IP越大越大。当水中。当水中高价阳离子浓度增加高价阳离子浓度增加时时,土粒土粒表表面吸附的离子层厚度变薄结合水含量相应减少面吸附的离子层厚度变薄结合水含量相应减少,IP也小也小；反之，反之，IP变大。变大。IP作用：作用：用于对粘性土进行定名。用于对粘性土进行定名。（1 1）塑性指数塑性指数
