1、第一章 土壤的物理机械性质n 土壤是工程机械的作业对象或支撑基础，大部分工程机械都要与土壤和地面发生联系，在现代机器与地面的相互作用已经发展成为工程力学的一个新的分支，即地面力学。n 地面力学主要研究机器与其工作地面或土壤之间的相互作用过程，故又叫土壤系统力学，它应用力学原理和土壤工程实验技术研究土的专门性技术学科，它以力学和工程地质学为基础，对土的物理力学性质进行研究，为各项工程服务，如铁道工程、路桥工程等。工程机械只有和地面相互作用，才能完成其功能，车辆在地面行驶要靠土体支撑，要借助土的反力来发挥推进力。举例：牵引力的产生。1 土壤的物理机械性质 n1.1 土的形成与结构 n一、土的形成一
2、、土的形成n 土是经岩石风化作用后，以不同的搬运方式，在不同的地点堆积下来的自然历史产物，同时在搬运和堆积过程中风化仍在继续，而且是经过多次的搬运和堆积的，由于风化、剥蚀、搬运和沉积等成土过程各环节的交错反复，成土的自然地理环境的复杂多样性，使土的类型和性质千差万别。但是凡在大致相同的地质年代及相似的沉积条件下形成的堆积物，其成分及性质相近。二、土的结构二、土的结构 n自然界的土是以颗粒或颗粒的集合形式存在的。n1、土的结构：土粒或土粒集合体的大小、形状、相互排列与连接等综合特征，称为土的结构。2、分类：n分为：单粒结构、蜂窝结构、絮状结构。（1）单粒结构：为砂土和碎石的结构，是由土粒在水或空
3、气中，在其自身重力作用下沉落堆积而成。由于土粒尺寸较大，颗粒间的分子引力远小于土粒自重，故土粒间几乎没有相互连接作用，是典型的散粒状结构。（2）蜂窝结构：多为颗粒细小的粘土所具有的结构形式，粒径在0.02mm0.002mm左右的土粒在水中沉积，下沉途中碰上已堆积的土粒时，由于土粒间分子引力与自重相比已足够大，土粒便停留在最初接触点上不再下降，形成孔隙很大的蜂窝状结构，其中的孔隙远大于土粒本身的尺寸。（3）絮状结构：是颗粒最细小的粘土所具有的结构形式，直径小于0.002mm的土粒能够在水中长期漂浮，不会因自重而下沉，当水中加入某些电解质后，颗粒间的排斥力消弱，运动着的土粒凝聚成絮状物下沉，形成类
4、似蜂窝状但孔隙更大的结构。1.2 土的组成 n 工程中所研究的土并不是土的颗粒，而是松散堆积物的整体。n 土是由不同的相所构成的多相体系，矿物颗粒组成土的骨架，其间有孔隙，若孔隙中同时存在着水和气体，则土是三相的，土粒、水和气体分别称为土的固相、液相和气相。有时土粒间的孔隙完全被水充满，则形成饱和土，则土是两相的，即只有固相和液相。当土粒中的孔隙只存在着空气时，即形成无水的干土，也是两相的。一、土的固体颗粒n 土的骨架是由各种不同尺寸的土粒组成，自然界的土粒大小很不均匀，碎石颗粒的直径可达10cm以上，而在平静水中缓慢沉积的细微粘土颗粒的直径只有万分之一mm，不同大小的土粒在土中的相对含量是决
5、定土的工程性质的重要指标之一，因此，首先按土粒的直径大小进行归并与分类，将土粒分成若干粒组，每一粒组具有一定的土粒直径变化范围，按此范围将土进行分类。表11 土的粒组划分颗粒名称粒径（mm）砾石（浑圆或圆棱）或角砾（尖棱）（土中不具有毛细力，土粒间不存在相互的连接）大2010中104小42砂粒（土中存在毛细力，但不具备粘聚性，遇水不膨胀）大20.5中0.50.25小0.250.05粉粒（土粒具有粘聚性，但随着水分的减少，连接力减弱）0.050.005粘土粒（具有很大的粘聚性，并遇水膨胀且干燥收缩显著，土会随着水分的减少而更坚硬）小于0.005二、土的级配 n实际的土多是不同粒度土粒的混合物，这
6、种混合土的性质取决于不同粒度颗粒的相对含量。确定土粒组相对含量的方法，叫颗粒分析实验。n工程中实用的颗粒分析方法有筛分法和比重计法两种。n筛分法适用于粒径大于0.1mm以上的土壤；比重计法适用于粒径小于0.1mm的土。如果土中同时含有大于和小于0.1mm的土粒时，则两种方法并用。筛分法：实验时，采用一套标准筛，各筛的筛孔自上而下分别为10、5、2、1、0.5、0.25、0.1mm，上加顶盖，下加底盘，叠在一起，将干土样放入第一层筛中，用摇筛机振荡，使细土粒通过筛孔漏下，称出存留在每层筛子和底盘上的土粒重量，就可以计算出某一直径的土颗粒占总重量的百分比。对于颗粒细微的粘土，由于无法制作相应的细筛
7、，同时也不能使彼此连接很紧的土粒全部分散开来，故不能采用筛分法。对此，可用水将土粒彼此分散，制成悬液，然后根据不同粒径的土粒在静止水中下沉的速度不同的原理，来测定各粒组的百分含量。1、概念：土的级配：土的各级土粒组合情况，用其含量的百分数表示，称为土的颗粒级配。2、表示方法：土的级配常以颗粒级配曲线表示。如图所示，纵坐标表示小于（大于）某一粒径的土粒占土样总量的百分数；横坐标表示颗粒直径。级配曲线可反映以下内容：（1）粒组范围及土的级配；（2）颗粒分布情况；当曲线平缓时，说明土中大的及小的颗粒都有，颗粒不均匀，即各级粒组搭配良好，称为级配良好的土；当曲线较陡时，表示土中颗粒直径范围较小，颗粒均
8、匀，属于级配不好的土。3、土的不均匀系数：n颗粒分布均匀程度通常用不均匀系数CU来表示，即：CUd60/d10n式中：nd60限定粒径，对应于级配曲线上60数值的颗粒直径；d10有效粒径，对应于级配曲线上10数值的颗粒直径；nCU值越大，说明粒径级配曲线愈平缓，土的级配越好。nCU10，为级配良好的土，此种土大颗粒之间的空间被小颗粒所填充，土壤易被压实，能形成一种更稳定的铺层。三、土的物理性质指标n 土是由土粒、水分和气体组成的多相体系，土的体积和重量包含着这三相的体积和重量，为便于分析，通常将土中的土粒、水分和气体的体积和重量按相集中成三部分，构成分析模型，即三相图。MMaMWMSVVaVW
9、VS1、土壤的含水量：土中水的重量与土粒重量（干重量）之比，用百分数表示。土壤的含水量通常用烘干法测定，将重量为M的土样在105下烘干，至恒重，即得土粒的干重量。%100swMM2、土的天然密度0和干密度d：土的天然密度0：土在天然状态（自然含水量）下的重量与体积之比。VM0土的干密度d：土粒的重量与土的总体积之比。VMsd3、土固体颗粒的相对密度ws和密度s：土固体颗粒的相对密度ws：土的干重量与同体积4的水重量之比。注：在公路、铁路、建筑等的设计计算中，对于水面以下的土体应考虑浮力的作用，此时采用相对密度。土固体颗粒的密度s：土的干重量与其固体颗粒体积之比。4、土的孔隙率n和孔隙比e：土的
10、孔隙率n：土壤的孔隙体积与土的总体积之比。孔隙比e：土的孔隙体积与土中固体颗粒体积之比。土的孔隙度n和孔隙比e都反映了土的密实程度。nnVVeeeVVnsVV11四、土的物理状态指标 n1、土的塑性：、土的塑性：n 土在外力作用下可以改变形状，但不改变体积，不发生断裂，并且在外力解除后，仍能保持已有的变形而不恢复原状的性质。塑性是粘性土的一种特殊性能，即粘性土属于可塑性的土，而砂土和砾石土则为非塑性土。含水量对粘土塑性的影响：n 含水量对粘性土的可塑性有重要影响，只有含水量在一定范围内时其塑性才能表现出来。根据含水量的不同，可将粘性土分为四种状态：固态、半固态、可塑状态和流动状态。（1）液限W
11、L：当含水量大于一定界限时，土粒中的孔隙全部被水充满，土颗粒处于悬浮状态，相邻颗粒的水化膜彼此脱离，土处于悬浮状态而不具有可塑性。如逐渐蒸发土中水分，随着水分的减少，必然会伴随土的密度的增大和体积的收缩，在土粒彼此逐渐接近的过程中，土开始具有粘聚性，土粒在外力作用下可相互滑动而不产生颗粒间连接的破坏，并开始呈塑性状态，这一分界含水量为土的液限WL。WL也称为流动界限。（2）塑限WP：随着水分的继续蒸发，自由水进一步减少，体积进一步收缩，而土仍呈塑性状态，当孔隙中的自由水大致蒸发完时，土的强度开始迅速提高，并开始失去可塑性而呈半固体状态，这一分界含水量为土的塑限WP。WP也称为压延界限。（3）缩
12、限WC：继续蒸发土中的水分，土的体积仍将随之收缩，但收缩的量不断减少，直到停止收缩，相应的含水量为收缩界限，即缩限WC。WC也称为收缩界限。（4）液限和塑限的测定：n液限：采用锥式液限仪。n根据粘性土的贯入强度，利用锥角为30度，重为76g的平衡锥，在其自重下5s内沉入土中10mm的含水量。n 塑限：采用搓条法。n 将可塑性状态的粘性土搓成粗细均匀的土条，当搓成3mm直径的土条时，开始断裂的含水量。（5）塑性指数IP：n塑性指数IP：工程上将液限与塑限之差称为塑性指数。112334%23%34PPLPPLPIWWIWWI例如：值表示。以含水量百分数的绝对 当土中粘粒的含量增加时，液限和塑限都将
13、提高，因为土中粘粒的含量越多，比表面积越大，当其从半固态转入塑态，及由塑态转入流动状态时需要吸附更多的结合水水膜，同时随着粘粒含量的增多，液限的增加速度要比塑限快的多，即塑性指数加大。塑性指数反映了土的可塑性范围，其影响因素很多，如土中粘粒含量、土的矿物成分等。土的塑性指数越高，其粘性与可塑性越高。塑性土壤按其塑性指数的大小又可分为高塑性土壤(粘土）、塑性土壤（亚粘土）和低塑性土壤(亚砂土)。见下表土的种类粘土（高塑性土）亚粘土（塑性土）亚砂土（低塑性土）砂土（非塑性土）塑性指数177171712、土的粘着性：、土的粘着性：n土的粘着性是指土壤粘附在其他物体上的能力。n粘性土的颗粒有粘在一起的
14、性质，也可以粘在其他物体的表面上，土的粘性来源于土粒之间的内聚力，当粘性土的含水量增加到一定程度后，土开始具有粘附在不同物体上的能力。土的粘着性指标是粘着界限和比粘着力。粘着界限：当粘性土的含水量增加到一定程度后，土开始具有粘附在不同物体上的能力，这一含水量即为粘着界限。比粘着力：使单位面积的金属片与土脱离所需要的力。对于粘土，比粘着力约等于78MPa；对于亚粘土，约为57MPa。土的粘着性是大部分塑性土有适当的含水量时所共有的特性。粘着性对土方铲掘机械的实际意义是土壤粘附在工作机构上会增大铲掘阻力和减少工作机构的实际容量。五、土的密实度n 土的密实度是表示土质密实程度的一项指标。n 土的密实
15、程度可以用土的密度、孔隙比等物理特性来表示。但是，由于在取出土样时要正确无误地保持土的原始状态往往是比较困难的，同时在施工现场常常希望有一种快速的方法来测定土的相对密实程度。就出现了以静载和动载方法来测定土的相对密实度的方法。这些方法不仅与土的密实程度有关，而且还综合地反映了土的机械特性。1、圆锥指数 圆锥指数是将一顶角为30度、投影面积约为3.2cm2的圆锥压头,以大约0.5cms的速度压入土内至一定深度时，单位圆锥投影面积上所需的力即为圆锥指数。圆锥指数通常是随着压入深度而变化的，所以也可以用圆锥指数随压深而变化的关系曲线来表示土的机械特性。2、冲击指数 冲击指数是将一面积为1cm2的圆形
16、平压头，在每次10J冲击功之作用下，将压头压入土中达10cm深度时所需的冲击次数即为冲击指数。表12 按冲击指数确定土的等级土的等级土 质冲击指数砂土、亚砂土、无夹杂物的轻质亚粘土、粉质土07中等含水量无夹杂物及较高含水量的亚粘土815低含水量密实亚粘土、含砾石和卵石的重质亚粘土、中等含水量的亚粘土1623密实的粘土、干燥的黄土、轻质的泥岩、未胶结的磷钙土和砾岩24302 土的强度n 土的强度是土的重要力学性质，对于车辆的行走和牵引性能有重大影响。行走时车辆的行走装置承受来自土壤的反作用力而产生推进力（即牵引力），其大小取决于土壤的强度，同时机械在作业时土的切削阻力也和土的强度有关。大量实验和
17、破坏的实例表明，土的破坏多是剪切破坏，即因土的强度不足以抵抗某一剪切面上的剪应力作用，会沿着该剪应力方向的剪切变形急剧发展造成的破坏。土壤在受到剪应力作用时，土具有抵抗剪切的能力，即土的抗剪强度。抗剪强度土所具有的抵抗剪切破坏的能力。土壤在剪切力作用下开始破坏时的抗剪反作用力，称为土壤的最大抗剪强度。因此可用剪切面上的临界剪应力数值来确定土壤的最大抗剪强度。土壤的抗剪强度是决定机械作业时能否发挥最大牵引力的主要因素。一、抗剪强度的确定：对于土和混凝土混合料而言，当材料内部某一平面上的法向力和剪应力的组合达到某种限度时，材料即可破坏，土的抗剪强度是剪切面上法向应力的函数。可用以下的直接剪切试验测
18、定。实验证明，土的抗剪强度与法向应力呈线性关系，可用直线方程表示库仑定律土壤内聚力土的内摩擦角应力作用在剪切面上的法向土的抗剪强度式中：CCtgmm土的剪切强度由两部分组成：（1）土颗粒之间在单位滑动面积上的内摩擦力；（2）土颗粒之间的粘聚力 某些土在一定的状态下，能够承受不大的拉力并能承受剪力，能保持一定高度的竖直边坡，称之为粘聚性。松散的砂土在干燥状态下不具备粘聚性，而粘性土的粘聚性十分明显。土的性质不同，其强度公式也不同（1）纯砂性土：C=0（2）粘性土：当法向应力为零时，仍具有抗剪强度。土在剪切力的作用下，有使土粒与土粒间、这部分土壤与另一部分土壤之间产生相对位移的趋势，这种相对位移受
19、土壤抗剪强度的制约。当土壤受剪切力作用时就会在剪切表面出现抗剪切应力，当土壤因受剪切而失效时，此时的抗剪应力达到最大值m，称为土壤的抗剪强度。抗剪强度决定了地面所能提供的最大牵引力，而大多数情况下土壤并未破坏，此时要研究车辆的牵引力必须先清楚剪切应力与位移的关系。二、剪切应力与位移的关系：土壤的剪切应力位移曲线如下图：1、脆性土壤：在脆性土壤上(未经搅动的紧密土壤，如坚实的砂、粉土和冻结的雪等)抗剪应力出现“驼峰”后，再降低到恒定的值，即为剩余剪切应力，曲线出现驼峰的原因是由于土粒间的咬合作用引起的，当这种咬合作用被克服后，就只剩下表面摩擦力了，因此抗剪强度降低。这种土被移位后，原来的结构发生
20、变化，新的结构不具有原始结构的抗剪强度，只有摩擦力而无粘性力，故重塑土比原始土的抗剪强度低。2、塑性土壤：在塑性土壤上(松散的土壤，饱和粘土或大多数搅动过的土壤等)，则剪应力达到一定值后，基本上不变。即相当于被压实后，剪应力为恒值。对于这类土建议用下式表示剪切应力与变形的关系：KjKjmectge11 式中：j土壤的剪切变形；K土壤的水平剪切模量。K值的含义：对上式取微分，并令 j=0，求出原点处的斜率为：KtgKeKdjdmmjKjmj或：00 由上图K就是曲线在原点处的切线与m所作水平线的交点A的横坐标值。K值相当于剪应力为0.632m 的土的剪应变值。3土壤的垂直载荷与沉陷的关系 n工程
21、机械在作业或行驶过程中，土受到压缩而变形，产生了沉陷，增加了运动阻力，此时应力与应变的关系对施工影响很大，如行驶阻力。n由于土是一种固、液、气三相复合的材料，很难用纯理论去解决这一问题。通常用实验的方法来建立某些经验公式以表达两者之间的关系。土壤的抗压强度直接影响到机械的下陷及其行驶阻力，为了确定土的抗压强度，必须知道土壤的垂直变形规律，即知道法向应力p与土的垂直变形z的关系。实验时将一块代表充气轮胎或履带接地面积的平板，用均布的负荷压入土内，则静止下陷量z和法向应力p之间的关系将如下图所示。建议这些曲线可用如下方程式来表示：p=kzn式中：k土壤变形模数；p试验压板的接地比压；n土壤变形指数
22、；z 试验压板的沉陷深度。上图画出了相同的平板在不同的均匀土壤中所测得的一组典型的负荷沉陷曲线，这些曲线可以依据n值分为两组，分界线为n=1的直线：1、n1时，这类土壤为硬实土壤，随着载荷的增加，车轮下陷的增加量减慢，在车辆反复载荷作用下通常变得硬而结实。2、当n1时，随着载荷的增加，车轮下陷的增加量加大，为软弱土壤，这种土壤在重复载荷作用下，可能碎裂而失去强度。美国著名学者M.G.Bekker用带状载荷板又进行了一系列土的压缩试验，土壤变形指数n与土壤类别有关，但与载荷面积的大小和形状无关，即对某一种确定的土壤而言，n是常数。但变形模量K值既与土壤的类别有关，又和载荷板的宽度有关，他建议，载
23、荷板下单位面积上的压力（垂直载荷）与载荷板静止沉陷量（土壤变形）之间的关系可用下式表示：nCZKbKP)(式中：p单位面积压力，法向应力；Kc土壤变形的内聚模量；与内聚力有关。K土壤变形的内摩擦模量，与内摩擦力有关。b载荷板的短边长度；试验表明，在均匀的土壤中，平板尺寸实际上对Kc、K及n值没有影响。但由于存在着土壤的不均匀性，在野外试验时压板的宽度或半径不能小于5cm，尽可能不小于10cm，且L/b大于5，这样可以减小土体不均匀的影响。压入的速度一般为2.55cm/s。注意：上述负荷沉陷曲线是在均匀压力下且无水平力作用时测得的，严格讲只适用于静止车辆在土壤上的沉陷量，实际上，车辆在行驶时驱动轮或履带必定对地面施加水平力，土壤会发生剪切变形，这会增加土的沉陷，但虽与车辆实际行驶时有些差距，但仍是较实用的衡量的指标。
