第四章 土的力学性质
土力学第四章、土的最终沉降量
一维固结力学模型
一维固结又称单向固结。土体在荷载作用 下土中水的渗流和土体的变形仅发生在一个方 向的固结问题。严格的一维固结问题只发生在 室内有侧限的固结试验中，实际工程中并不存 在。然而，当土层厚度比较均匀，其压缩土层 厚度相对于均布外荷作用面较小时，可近似为 一维固结问题。
使得上式与实测值之间的关系差 距较大。根据统计资料，E0值可 能是βEs值的几倍，一般说来， 土愈坚硬则倍数愈大，而软土的
E0值和βEs值比较接近。
4.2 地基最终沉降量计算
地基最终沉降量的计算方法主要有以 下几种方法：
1、 分层总和法 2、 规范法 3、 理论公式计算法
4.2.1 分层总和法
地基的最终沉 降量，通常采用 分层总和法进行 计算，即在地基 沉降计算深度范 围内划分为若干 层，计算各分层 的压缩量，然后 求其总和。
平均附加应力系数的物理
意义：分层总和法中地基附
加应力按均质地基计算，即 地基土的压缩模量Es不随深 度而变化。从基底至地基任 意深度Z范围内的压缩量为：
z
s'
dz
1
0
Es
0zzdzEAs
4.2.2 规范法分层总和法
附加应力面积：
z
z
Azdz p0dz
0
0
深度 z 范围内 的竖向平均附 加应力系数
土体变形机理非常复杂，土体不是 理想的弹塑性体，而是具有弹性、粘性 、塑性的自然历史的产物。
4.1.3 土的载荷试验及变形模量
通过载荷试验可测定地基变形模量，地 基承载力以及研究土的湿陷性等。
4.3 土的物理力学性质及其指标
E0 = βEs
其中
β＝1－12－μμ2
土的泊松比， 一般0~0.5之 间
四、土的力学性质
2. 土的抗剪强度
⑴ 土的强度破坏类型
基础
滑动面
滑动面
挡 土 墙
滑动面
四、土的力学性质
2. 土的抗剪强度 ⑵ 直接剪切试验
试验仪器：直剪仪（应力控制式，应变控制式）
四、土的力学性质
2. 土的抗剪强度 ⑶ 粘性土、无粘性土的抗剪强度
修正后
密实度
松散
稍密
中密
密实
按N评定砂石密实度 N≤10 10＜N≤15 15＜N≤30 N＞30
按N63.5评定碎石土密实度 N63.5≤5 5＜N63.5≤10 10＜N63.5≤20 N63.5＞20
三、粘性土的物理特征
1. 粘性土的稠度状态
土的软硬程度或土受外力作用所引起变形或破坏的抵抗能力,是粘性土 最主要的物理状态特征
0 缩限ωs
塑限ωP
液限ωL
ω
固态
半固态
可塑状态
流动状态
粘性土由某一种状态过渡到另一状态的界限含水量称为土的稠度界限
液、塑限的测定 测定液限的方法：锥式液限仪、碟式液限仪和液塑限联合测定仪。 测定塑限的方法：搓条法和液塑限联合测定仪。 测定缩限的方法：碟式仪法和液、塑限联合测定法。
三、粘性土的物理特征
= ms Vs ρω
=
ρs ρω
土粒相对密度变化范围不大：细 粒土（粘性土）一般2.70～2.75； 砂土一般为2.65左右。土中有机 质含量增加，土粒相对密度减小
一、土的三相及三相比例指标
2. 直接指标
质量m 气 水
Vw Va
体积V
土的工程性质_4章_土的物理性质
评价：（1）优点：理论上完善； ：（1 优点：理论上完善； 评价：（ 缺点：实际上难以操作。 （2）缺点：实际上难以操作。
3．影响孔隙性的因素 ． 不同类型的土，由于其粒度成分、矿物成分、结构排列、土层埋 藏条件及沉积历史的不同，孔隙性有显著差异。 粗粒土颗粒较粗大，颗粒间孔隙较大，孔隙的体积受颗粒的组 成(颗粒的大小和均一程度)、颗粒的形状及排列待征的影响。 不均较土，由于部分孔隙被细小颗粒充填，所以孔隙比均粒土 小，孔隙体积也小于均粒土；土的矿物成分决定土的形状和光 滑程度，从而影响土的孔隙性。 应该指出，土中颗粒间不仅存在孔隙，而且还发育着各种不同 的裂隙，土中的裂隙大部分是次生的，最常见的裂隙，如胀缩 裂隙、卸荷裂隙、土体变形(如滑坡)裂隙、黄土中的垂直裂隙 以及致密粘土中的网纹裂隙等。实际上，裂隙和孔隙往往是同 时存在的，可以将裂隙看作是线性孔隙。裂隙的存在使土产生 各向异性，裂隙往往是控制土体工程性质(如渗透性、热学性、 抗剪性等)的决定因素。
4.0 概述
土的物理性质实际是研究土中三相物质在质量 与体积间的相互比例关系，以及固、 与体积间的相互比例关系，以及固、液两相相 互作用所表现出来的性质. 互作用所表现出来的性质. 前者称为土的基本物理性质 前者称为土的基本物理性质，主要研究土 土的基本物理性质， 的密实程度及土的干湿状况； 的密实程度及土的干湿状况； 后者反映固、液两相的相互作用， 后者反映固、液两相的相互作用，亦称为 土的水理性质，主要研究土的稠度与塑性、 土的水理性质，主要研究土的稠度与塑性、 土的膨胀性与收缩性、 土的膨胀性与收缩性、土的透水性和毛细 性等。 性等。
土的力学性质指标
土的力学性质指标1．压缩系数土的压缩性通常用压缩系数（或压缩模量）来表示，其值由原状土的压缩试验确定。
压缩系数按下式计算：21211000p p e e a --⨯= （1-1） 式中 1000——单位换算系数；a ——土的压缩系数（MPa -1）；p 1、p 2——固结压力（kPa ）：e 1、e 2——相对应于p 1、p 2时的孔隙比。
评价地基压缩性时，按p 1为100kPa ，p 2为200kPa ，相应的压缩系数值以a 1-2划分为低、中、高压缩性，并应按以下规定进行评价：（1）当a 1-2＜0.1MPa -1时，为低压缩性土；（2）当0.1≤a 1-2＜0.5MPa -1时，为中压缩性土；（3）当a 1-2≥0.5MPa -1时，为高压缩性土。
2．压缩模量工程上也常用室内试验求压缩模量E s 作为土的压缩性指标。
压缩模量按下式计算：ae E s 01+= （1-2） 式中 Es ——土的压缩模量（MPa ）；e 0——土的天然（自重压力下）孔隙比；a ——从土的自重应力至土的自重加附加应力段的压缩系数（MPa -1）。
用压缩模量划分压缩性等级和评价土的压缩性可按表1-1规定。
地基土按E s 值划分压缩性等级的规定 表1-13．抗剪强度土在外力作用下抵抗剪切滑动的极限强度，一般用室内直剪、原位直剪、三轴剪切试验、十字板剪切试验、野外标准贯入、动力触探、静力触探等试验方法进行测定。
它是评价地基承载力、边坡稳定性、计算土压力的重要指标。
（1）抗剪强度计算土的抗剪强度一般按下式计算：τf＝σ·tgφ＋c（1-3）式中τf——土的抗剪强度（kPa ）；σ——作用于剪切面上的法向应力（kPa）；φ——土的内摩擦角（°），剪切试验法向应力与剪应力曲线的切线倾斜角；c——土的粘聚力（kPa），剪切试验中土的法向应力为零时的抗剪强度，砂类土c＝0。
（2）土的内摩擦角φ和粘聚力c的求法同一土样切取不少于4个环刀进行不同垂直压力作用下的剪力试验后，用相同的比例尺在坐标纸上绘制抗剪强度τ与法向应力σ的相关直线，直线交τ值的截距却为土的粘聚力c，砂土的c=0，直线的倾斜角即为土的内摩擦角切，见图6-1。
土的力学性质试验方法
土的力学性质试验方法1.击实试验：①研究土的压实性常用的方法包括现场填筑试验（试验段）和室内击实试验两种。
②室内击实试验适用于细粒土。
分为轻型击实和重型击实。
轻型击实(内径100mm试筒)适用于粒径不大于20mm的土;重型击实(内径152mm试筒)适用于粒径不大于40mm的土。
大于或等于40mm颗粒粒径的质量含量大于5%时，则应使用大尺寸试筒进行击实试验，或按规定进行最大干密度校正。
③当细粒土中的粗粒土总含量大于40%或粒径大于0.005mm颗粒的含量大于土总质量的70%(即d30≤0.005mm）时，还应做粗粒土最大干密度试验，其结果与重型击实试验结果比较，最大干密度取两种试验结果的最大值。
④试验步骤看规程JTGE40-2007的T0131-2007。
⑤粉粒和黏粒含量多，土的塑性指数越大，土的最佳含水率也越大，同时其最大干密度越小。
因此，一般砂性土的最佳含水率小于黏性土，而砂性土的最大干密度大于黏性土。
击实功越大，土的最大干密度也越大，而土的最佳含水率则越小，但是这种增大是有一定限度的，超过这一限度，即使增加击实功，土的干密度的增加也很不明显。
2.压缩试验：①土体的压缩变形主要是由于孔隙的减小所引起的；饱和土的压缩需要一定时间才能完成。
②压缩性试验也可分为室内压缩试验和野外承载板试验。
试验室用压缩仪(亦称固结仪)进行压缩试验是研究土压缩性的基本方法。
③天然土层分三种固结状态：超固结状态、正常固结状态、欠固结状态。
④粗粒土的三轴压缩试验3.抗剪强度试验①与强度有关的工程问题主要有下列三方面:第一是土作为材料构成的土工构筑物的稳定问题，如土坝、路堤等填方边坡以及天然土坡(包括挖方边坡)等的稳定性问题;第二是土作为工程构筑物的环境的问题，即土压力问题，如挡土墙、地下结构等的周围土体，它的强度破坏将对墙体造成过大的侧向土压力，以致导致这些工程建筑物发生滑动、倾覆等破坏事故;第三则是土作为建筑物地基的承载力问题。
第4章(1) 土的工程性质与分类
二、无粘性土的密实状态
无粘性土与粘性土区别：
1、 矿物成分：无粘性土一般由原生矿物组成，颗粒 较粗；粘性土一般由次生矿物组成，颗粒较细； 2、 土的结构：无粘性土颗粒较粗，土粒之间的粘结 力很弱或无粘结，往往形成单粒结构；粘性土颗粒较 细，呈现具有很大孔隙的蜂窝状结构或絮状结构，天 然状态下具有一定的结构性、灵敏度和触变性。 3、 物理状态：无粘性土的工程性质取决于其密实度； 而粘性土的工程性质取决于其软硬状态及土性稳定性。
§4.2 土的物理力学 性质及其指标
一、土的三相比例指标
所谓土的物理性质就是表示土中三相比 例关系的一些物理量。
土的物理性质指标不仅可以描述土的物 理性质和它所处的状态，而且在一定程 度上反映了土的力学性质。
土的物理性质指标的分类
一类是必须通过试验测定的，如含水 量、密度和土粒比重，称为直接指标 一类是根据直接指标换算的，如孔隙 比、孔隙率、饱和度等，称为间接指 标
ρdmax无粘性土的最大干密度
ρdmin无粘性土的最小干密度
ms g Gs Vs ( w ) 4c
土粒比重变化范围不大：粘性土一般2.70～2.75；砂土一般为 2.65左右。土中有机质含量增加，土粒比重减小
土的比重Gs
测定方法： 比重瓶法，事先将比重瓶注满蒸馏水， 称瓶加水的质量 m1 。然后把烘干土若干克 (ms)装入空比重瓶内，再加纯水至满，称瓶 加水加土的质量m2，按下式计算土粒比重
次生矿物：岩石经化学风化后所形成的
新的矿物，其成分与母岩不相同
例：粘土矿物有高岭石、伊利石、蒙脱
石等
特征：性质较不稳定，具有较强的亲水
地质学 4土的工程性质与分类
（a）高岭石
2020/5/27
nH2O
（b）蒙脱石
K
（c）伊利石
29
2020/5/27304.2.3 土中 Nhomakorabea水和气体
固相
水 液相
气相
一般分为结合水、自由水。
强结合水 结合水 弱结合水
自由水
重力水 毛细水
毛细悬挂水 毛细上升水
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4.2.4 土的结构与构造
➢土的结构：指土粒或土粒集合体的大小、形状、 表面特征、相互排列及粒间连接关系。 分为单粒结构、蜂窝状结构、絮状结构。
26
粒度成分与粒度分析
以各粒组干土粒的质量占该土总质量的百分数来表 示土的粒度成分。颗粒分析的方法（筛析法、比重计 法、移液管法、比重瓶法）。
颗粒分析成果的表示
由颗粒级配曲线可求得各粒组的含量百分比。工程 上常用不均匀系数Cu及曲率系数Cq来衡量土的不 均匀程度及其级配良好与否。
d60
C ,C u
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24
4.2 土的工程地质性质
4.2.1 土的颗粒组成 影响自然土的工程性质还与大小颗粒之间的比例 有关。
粒组及其划分（同一粒组的土具有相近的性质，但与其 他相邻粒组的性质又有明显区别）。
漂石（块石）组、卵石（碎石）组、圆砾（角砾） 组、砂粒组、粉粒组、粘粒组等6个粒组。
2020/5/27
2020/5/27
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➢工程特性：
① 塑性较弱，液限一般23～33之间，塑性指数在8～12之间；
②含水较少，天然含水量在10～25%之间，处于坚硬或硬塑 状态；
③压实程度差，孔隙比较高（e为0.8～1.1），孔隙大；
④抗水性弱，湿陷明显； ⑤透水性较强，呈各向异性； ⑥强度较高，压缩性中等。
土壤力学基础知识
土壤力学基础知识土壤力学是研究土壤在不同载荷下的力学性质和相应行为的学科。
它是土木工程和地质工程等领域中重要的基础学科，也是建筑和地下工程设计中必备的知识。
本文将介绍土壤力学的基础知识，包括土壤颗粒、土壤分类、土壤物理力学性质和土壤强度。
一、土壤颗粒土壤是由不同颗粒组成的，这些颗粒的大小和形状决定了土壤的物理性质和工程行为。
根据颗粒大小的不同，土壤颗粒可以分为粘粒、细粒和砂粒三种。
粘粒是直径小于0.002毫米的颗粒，细粒是直径在0.002毫米到0.05毫米之间的颗粒，而砂粒则是直径大于0.05毫米的颗粒。
二、土壤分类土壤可以根据其成因、颗粒组成、工程性质等因素进行分类。
根据成因，土壤可以分为残积土、沉积土和背景土。
残积土是指在原地形上形成的土壤，沉积土是指由水或风搬运而来的土壤，背景土则是指在地下和地表中广泛分布的天然土壤。
三、土壤物理力学性质土壤的物理力学性质包括容重、孔隙比、含水量等。
容重是指单位体积土壤的质量，通常以克/立方厘米或千克/立方米表示。
孔隙比是指土壤中的孔隙空间与总体积之间的比值，通常以百分比表示。
含水量是指土壤中含有的水分的质量与干土质量之间的比值。
四、土壤强度土壤的强度是指土壤抵抗外部应力作用下发生变形和破坏的能力。
常见的土壤强度指标包括黏聚力和内摩擦角。
黏聚力是指土壤颗粒之间由于吸附力而产生的抗剪强度，它与土壤颗粒的粘粒含量有关。
内摩擦角是指土壤颗粒之间相对于主应力方向发生滑动所能够承受的最大角度，它与土壤颗粒的粗粒含量和颗粒排列方式有关。
总结：土壤力学是土木工程和地质工程中必备的基础学科，掌握土壤力学的基础知识对于工程设计和施工至关重要。
本文介绍了土壤颗粒、土壤分类、土壤物理力学性质和土壤强度等基础知识。
希望读者通过学习本文，能对土壤力学有一个初步的了解，并在工程实践中运用这些知识，更好地进行土木工程和地质工程的设计和施工。
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环境科学与工程学院 刘红军
2013年3月
绪论
提纲 υ 一、工程岩土学的研究意义 υ 二、工程岩土学研究的对象、特征及内容 υ 三、工程岩土学的发展概况 υ 四、学习方法
一、 工程岩土学的研究意义
（一）人类工程活动与地质环境的关系
人类工程活动包括：(1)各种工程建设活动：工民建、地下工程、道桥、海港
(3) 预测自然环境或人类活动影响下，岩土体性质可能发生的变化及对 建(构)物的危害；
(4) 研究岩土体的工程地质分类 (5)研究岩土体工程地质性质指标的分析测试方法、技术； (6) 研究岩土体不良性质的改良原则和方法
研究内容
测
•组成
试
•结构
组成与结构对工程性质影响
方
法
•物理性质
与
•水理性质
技
术
•力学性质
(1)大量抽取地下水导致地面沉降，如上海、天津、苏锡常地区 (2)露天开挖引起边坡失稳，如抚顺西露天矿 (3)修建水库引起的浸没、水库诱发地震
（二）工程地质学的研究内容
1、工程地质学的研究内容
定义：工程地质学是研究工程建设规划、选址、施工、运营这一系列过程 的地质问题，要保证建筑物的安全稳定、正常使用、并考虑到合理经济，同时 又要保护自然环境的一门科学，是地质学的重要分科。
现在兴起的: (5)环境工程地质 (6)城市工程地质 (7)海洋工程地质 (8)地震工程地质
1高Leabharlann 桥隧道山区桥梁山区桥梁
隧道外景
高速公路
2
山区隧道
填海造陆
工程地质问题——斜坡滑动
地基失稳
金阳新区某隧道塌方现场（2007.7）
3
二、 工程岩土学的研究内容和对象
1、工程岩土定义
工程岩土学是研究岩土体的物理力学性质及其形成变化规律，并探讨改良 途径的一门学科，是工程地质学的基础部分。
研究内容：及人来工程活动的地质环境，也称工程地质条件，包括：岩石 和土的性质、地质构造、地形地貌、水文地质条件、自然地质现象、天然建材。
不同的建筑要求不同的工程地质条件，不同的工程地质条件又决定了建筑物 的特点。
2、工程地质学的分科
一般分为：(1)工程岩土学 (2)土力学和岩体力学（岩土力学） (3)工程地质分析原理（工程动力地质学） (4)工程地质勘察
一、土和土体的概念
土：是具有一定的成因的各种矿物的松散集合体，有母岩风化而来。 土体：是由一定的土体材料组成，具有一定的土体结构，赋存于一定地
质环境中的地质体。
二、土的相系组成
土：是多相体系的物质：固相的土颗粒——骨架
液相的水溶液 气相的气体
孔隙中
表现为：三相——湿土，二相——干土、饱和土，单相——冻土
(2)开发矿产活动：地下开采、露天开采 (3) 农业生产活动：农田水利灌溉
1、地质环境对人类工程活动的制约作用
(1)影响工程建筑物的稳定性和正常使用，如水库、滑坡 (2)影响工程活动的安全，如井下开采、地铁隧道施工 (3)由于地质条件不具备而提高工程造价，如软基处理、边坡支护
2、人类工程活动对地质环境的影响作用
2、粒组的划分 划分原则：(1)符合粒径大小量变到质变的规律。2mm毛细力，0.05mm粘 着力，0.005mm胶体特性 (2)分组与测试条件技术适应。>0.1mm,筛分，>2mm肉眼鉴别 (3)便于记忆，符合一定的数学规律。200，20，2，1/2， 1/20，1/200
第一章 土的物质组成及结构构造
§ 1.1 § 1.2 § 1.3 § 1.4 § 1.5
土的粒度成分 土的矿物成分 土中的胶体 土中的水和气体 土的结构和土体结构
§1.1 土的粒度成分
一、粒组的概念及其划分
1、粒组的概念 粒径：土粒的大小通常以其平均粒径的大小来表示，称粒径，又称粒 度。(单位：mm) 范围：10-4mm~103mm 粒组：为了便于分析、归纳各种土粒的特性，根据土粒特性与其粒径的 变化关系，将组成土的土粒按粒径大小还分为若干个组别，这种 大小相近、性质相似的组别称为粒组，也称粒级。每个粒组都以 土粒的两个粒径的数值作为上下限。
四、学习方法
1.基本理论：土体的形成、土的物质组成与结构、土粒与水的相 互作用、土体结构的基本特征；
2.基本知识：土的工程地质性质和指标，特殊土的工程地质特 征，土的物理力学性质及指标，土的工程地质分类，土的性质及 人工改良的基本原理； 3.基本技能：土的工程地质性质指标的室内常规试验方法及试验 资料的整理与分析。
发展动向： 力学性质
测试技术
特殊土研究 数学分析
运用力学、数学、物理方法，地质学与力学结合 大力发展和引进现代测试研究
某些特殊岩土体研究，特殊环境的土 试验数据的统计分析
今后还需加强的研究方面： 1）土的微观结构和宏观结构 2）动力性质的研究 3）新测试技术，室内外试验的结合 4）与其它基础学科的联系。
2、工程岩土研究对象
岩土体：由一定的岩土材料组成，具有一定岩土结构的，赋存于一定地 质环境（地下水和应力状态）中地质体。
黄土地貌
多年冻土
土样照片
3、工程岩土研究内容
(1)岩土体的工程地质性质：物理性质(密度、干湿、孔隙)，水理性质 （塑性、膨胀、渗透、软化），力学性质(外力作用下的变形、强度)； (2)岩土体的工程地质性质的形成和分布规律；
工程地质性质
•分类
工程地质分类
•人工改良
工程地质性质变化规律
原则与方法
4
研究方法
•定性
地质学方法
•定量
室内实验 现场原位测试
三、 工程岩土学的发展概况
国际上：20年代末期形成，苏联《土质学》 欧美等国，纳入20年代的《土力学》， 50年代的《岩体力学》
岩土工程
我国：1、50年代前，松软土，以粒度方面为主； 2、 50~60年代，着重土，以化学成分与性质关系为主 注意到土质改良及岩体岩石研究； 3、60年代后，发展较大，以土的结构及土体结构为主 岩石岩体的研究也有较大发展； 最近20年，岩土体的本构模型 研究、非饱和土研究
5
第一篇 土和土体的工程地质研究
环境科学与工程学院 刘红军
第一篇 土和土体的工程地质研究
自然界中土分布广泛，约占地球的2/5，各种各样，性质差异巨大。
土体与人类关系密切:(1)地下水储存空间,(2)工程建筑地基,(3)天然建材(砂、 粘土)
土的性质差异巨大，影响工程的规划、设计、施工、运营，研究土的工程性质 为工程设计、施工提供指标参数是工程岩土学的首要任务。