土力学教材

例不同，土的状态和工程性质也随之各异，例如：
固体＋气体（液体＝0）为干土。此时粘土呈坚硬状态，砂土呈松散状态。
固体+ 气体＋液体为湿土，是一种非饱和土，此时粘土多为可塑状态。
固体＋液体（气体＝0）为饱和土。此时粉细砂或粉土遇强烈地震，可能产生液
化，而使工程遭受破坏；粘土地基受建筑荷载作用发生沉降需十几年才能稳定。
土中水即为土的液相，其含量及其性质
明显地影响土的性质。水分子 H2O 为极性分 子,由带正电荷的氢原子 H＋与带负电荷的氧
原子 O2－组成。固体颗粒本身带负电荷，在其
周围形成电场。在电场范围内，水中的阳离
子和极性水分子被吸引在颗粒四周，定向排
列，如图 1.10 所示。根据水分子受到引力的
大小，土中水主要可以分成结合水和自由水
粒组含量（g）
10 16 18 24 22 38 20 25 7 20
小于某粒径土累积含量 （g）
190 174 156 132 110 72 52 27 20
小于某粒径土占总土质量 的百分比（％）
95.0 87.0 78.0 66.0 55.0 36.0 26.0 13.5 10.0
(二)土中水
-6-
4）粒度成分分析方法 对于粗粒土可以采用筛分法，而对于细粒土则必须采用沉降分析法分析粒度成 分。 筛分法适用于粒径>0.075mm 的粒组。主要设备是一套标准筛，筛子的孔径分别 为 20，10，5，2，1，0.5，0.25，0.1，0.075mm。将这套孔径不同的筛子，按从上 至下筛孔逐渐减小放置。将事先称过重量的烘干土样过筛，称出留在各筛上的土重， 然后计算占总颗粒的百分数。 比重法适用于粒径<0.075mm 的土。主要仪器是土壤比重计和容积为 1000mL 量 筒。此法根据斯托克斯(Stokes)定理，球状的细颗粒在水中的下沉速度与颗粒直径 的平方成正比的原理，把粒径按其在水中的下沉速度进行粗细分组。在实验室内具 体操作时，是利用比重计测定不同时间土粒和水混合物悬液的密度，据此计算出某 一粒径土粒占总颗粒的百分数。
两大类。
1. 结合水：结合水可以分为强结合水
和弱结合水两类。不受颗粒电场引力作用的
水称为自由水。自由水又可分为重力水和毛
细水。
（1）强结合水
图 1.10 矿物颗粒对水分子的静电引力作用
受颗粒电场作用力吸引紧紧包围在颗粒
表面的水分子称为强结合水，它的性质接近
固体，不传递静水压力，密度约为 1.2～2.4g/cm2，100℃时不蒸发，冰点为-78℃，
1.1 土的形成及颗粒特征
一 土的形成
地球表面的整体岩石，在大气中经受长期的风化、剥蚀后形成形状不同、大小 不一的颗粒，这些颗粒在不同的自然环境下的堆积，或经搬运和沉积而形成的沉积 物，当沉积年代不长，即沉积颗粒在压紧硬结成岩石之前的一种松散物质，即形成 了土。土的是一种集合体。土粒之间的孔隙中包含着水和气体，因此，土是一种三 相体。
粘粒(<0.005mm)含量(％)
C F
OE AD B
砂粒(>0.075mm)含量(％)
粉粒(0.005~0.075mm)含量(％)
粘粒含量 37.7%；粉粒含量 28.1%；砂粒含量 34.2%。
上述三种方法各有其特点和适用条件。表格法能很清楚地用数量说明土样的各 粒组含量，但对于大量土样之间的比较就显得过于冗长，且无直观概念，使用比较 困难。
岩石和土在不同的风化作用下形成不同性质的土。风化作用主要有物理风化、 化学风化和生物风化。
(1)物理风化：岩石经受风、霜、雨、雪的侵蚀，温度、湿度的变化，不均匀的 膨胀与收缩破碎，或者运动过程中因碰撞和摩擦破碎。只改变颗粒的大小和形状， 不改变矿物颗粒的成分称为物理风化。只经过物理风化形成的土是无粘性土，一般 也称为原生矿物。
易透水，当混有云母等杂质时透水性 减小，而压缩性增大；无粘性，遇水 不膨胀，干燥时松散；毛细水上升高 度不大，随粒径变小而增大
0.1～0.075
0.075～0.01 0.01～0.005
透水性小，湿时稍有粘性，遇水膨胀 小，干时稍有收缩；毛细水上升高度 较大较快，极易出现冻胀现象
<0.005
透水性很小，湿时有粘性和可塑性， 遇水膨胀大，干时收缩显著；毛细水 上升高度较大，但速度较慢
硅氧四面
铝氢氧八面体
硅氧晶
铝氢氧晶片
片图 1.2 粘土矿物晶片及结 构
(a)
(b)
(e)
(c)
(d)
图 1.3 粘土矿物构造
(a)高岭石的基本构造单元 (b)蒙脱石和伊利石的基
本构造单元 (c)高岭石的晶体构造 (d)蒙脱石的晶体
构造 (e)伊利石的晶体构造
-3-
2）级配曲线法：是一种图示方法，通常用半对数纸绘制，横坐标表示某一粒径， 纵坐标表示小于某一粒径的土粒的百分含量。如图 1.5 所示。级配曲线上：d60 与 d10 的比值称为不均匀系数 Cu ，即：
表 1.8 细粒部分粒组含量
粒组（mm）
0.1～0.05
0.05～0.01
0.01～0.005
<0.005
含量（g）
20
25
7
20
（3）两种分析方法结合，就可以将一个混合土样分成若干各粒组，并求得
各粒组的含量，如表 1.9。
表 1.9 某土样粒径级配分析的结果
粒径（mm）
10 5 2 1.0 0.5 0.25 0.10 0.05 0.01 0.005
第一章 土的物理性质和压实机理
土的物理性质是土的最基本的性质，随着土的组成的不同和三项比例指标的不 同，土表现出不同的物理性质，比如：土的干湿、轻重、松密和软硬等。而土的这 些物理性质某种程度上又确定了土的工程性质。比如：松散、湿软地层，土的强度 低、压缩性大；反之，强度大、地基承载力高、压缩性小；土颗粒大（无粘性土）， 地层的渗透性大，地基稳定性好、承载力大；土颗粒细（粘性土），则地层的渗透性 小，地基稳定性差；土颗粒大小不均匀（级配好）则土在动荷载作用下，易于压实。
蒙脱石
薄片状
0.1～1
30A°
800
150～700 100～650
伊利石
板状
0.1～2 200～300A°
80
100～120 50～65
高岭石 六角形板状 0.3～4 0.05～2μm
15
50
20
图 1.2、1.3 分别表示粘土矿物晶片结构及常见粘土的基本构造单元（晶胞）和 晶体构造。由图可知，蒙脱石结构单元连接较弱，亲水性最大，具有较强的吸水膨 胀和失水收缩的特性。伊利石亲水性低于蒙脱石。高岭石结构单元的相互联结力较 强，水分子不能进入。因此高岭石的亲水性最小
粒径。 d10 称为有效粒径； d60 称为限定粒径。 不均匀系数反映大小不同粒组的分布情况， Cu <5 的土，级配曲线陡，土均匀， 级配不好。Cu >10 的土，级配曲线平缓，土不均匀，级配良好。Cc ＝1～3 的土级配 曲线连续； Cc <1， Cc >3 的土级配曲线不连续； Cu >10，且 Cc ＝1～3 的不均匀级配 良好的土，经压实后，细颗粒充填于粗颗粒形成的孔隙中，容易获得较大的密实度
和较好的力学特性。
3）三角坐标法：这是一种图示法，它利用等边三角形内任意一点至三个边的平
行距离的总和等于三角形边长 a 的原理，即 OE（%）+OF（%）+OD（%）=100%。三角
坐标法只适用于划分为三个粒组的情况。例如当把粘性土划分为砂土、粉土和粘土
-4-
粒组时，就可以用图 1.6 所示的三角坐标图来表示。例如图中 m 点的坐标分别为：
表 1.4 土粒粒组划分
粒组名称
粒径范围／mm
一般特征
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漂石、块石颗粒
wenku.baidu.com
卵石、碎石颗粒
粗
圆砾、角砾颗
粒
中
细
粗
中 砂粒
细
极细
粗 粉粒
细
粘粒
>200 200～20 20～10
10～5 5～2 2～0.5 0.5～0.25 0.25～0.1
透水性很大，无粘性，无毛细水
透水性大，无粘性，毛细水上升高度 不超过粒径大小
量）
量）
（％）
分数
（g）
（g）
（％）
5
10
190
5
95
2.0
16
174
8
87
1.0
18
156
9
78
0.5
24
132
12
66
0.25
22
110
11
55
0.10
38
72
19
36
（2）将表 1.7 中筛分试验的筛余量，即颗粒小于 0.1mm 的土颗粒 72g，用
比重计法进行分析，得到细粒土的粒组含量，如表 1.8。
水性较大、压缩性较低，常见的如石英、长石和云母等。次生矿物主要是粘土矿物，
其成分与母岩完全不同。其性质较不稳定，具有较强的亲水性，遇水易膨胀。常见
的粘土矿物有高岭石、伊利石、蒙脱石。其物理性质见表 1.1。
表 1.1 主要粘土矿物的物理性质
粘土矿物
形状
直径 μm
厚度
比表面积 m2/g
液限 Wl
塑性指数 Ip
二 土的三相组成
土是由固体、液体、气体三部分组成的三相体系。固体部分为土粒，由矿物颗 粒或有机质组成，构成土的骨架。骨架间有许多孔隙，可为水和气所填充。这三个
-1-
组成部分本身的性质以及它们之间的比例关系和相互作用决定土的物理性质。
土的三相组成比例并不是恒定的，它随着环境的变化而变化。土的三相组成比
Cu
=
d 60 d10
（1.1）
不均匀系数 Cu 为表示土颗粒组成的重要特征。当 Cu 很小时曲线很陡，表示土 均匀；当 Cu 很大时，曲线平缓，表示土的级配良好。
曲率系数 Cc 为表示土颗粒组成的又一特征， Cc 按下式计算：
Cc
=
(d30 )2 d10 × d60
（1.2） 式中： d10 、 d30 、 d60 ——分别相当于累计百分量为 10％、30％和 60％的粒径有效
100
(%)
90
特征粒径（mm）
80
70
d 60 d10 曲线 d 30
60
1 23
0.33 0.005 0.063 0.03 0.081
50
40
1
2
3
30
小于某粒径土的质量
20
10
10
5
1 d 60 0.1 d 0.05 0.01
d 10 0.001
土的粒径 lgd(mm)
图 1.5 颗粒级配曲线
因此，本章详细介绍了构成土的形成和组成，定性、定量地描述土的物质组成 以及密实性对工程性质的影响。其中主要包括土的三相组成分析、土的三相比例指 标的定义、粘性土的界限含水量、砂土的密实度、常规土工实验标准及方法、地基 土的工程分类方法和土的压实特性等。这些内容是学习土力学所必需的基本知识， 是评价土的工程性质、分析与解决土的工程技术问题的基础。
累计曲线法能用一条曲线表示一种土的粒度成分，而且可以在一张图上同时表 示多种土的粒度成分，能直观地比较其级配状况。
三角坐标法能用一点表示一种土的粒度成分，在一张图上能同时表示许多种土 的粒度成分，便于进行土料的级配设计。三角坐标图中不同的区域表示土的不同组 成，因而还可以用来确定按粒度成分分类的土名。
2.颗粒级配 颗粒的大小通常用粒径来表示。土粒的粒径变化时，土的性质也相应地发生变 化。工程上将各种不同的土粒，按粒径范围的大小分组，即某一级粒径的变化范围， 称为粒组。土的各粒组的相对含量就称为土的颗粒级配。 常用的土的颗粒级配的表示方法有表格法、级配曲线法和三角坐标法。 1）表格法：是以列表形式直接表达各粒组情况。详见表 1.4
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【例题 1-1】取烘干土 200g（全部通过 10mm 筛），用筛分法求各粒组含量和小
于某种粒径（以筛眼直径表示）土量占总土量的百分数。
解：（1）将筛分结果列于表 1.7
表 1.7 某种土的筛分结果
筛孔直径 筛上土的质量 筛下土的质量（即 筛上土的质量占总 小于该筛孔土的质
（mm） （即粒组含 小于某粒径土的含 土质量的百分数 量占总土质量的百
(一)固体矿物颗粒
土的固体矿物颗粒是土的三相组成中的主体是决定土的工程性质的主要成分。
固体矿物颗粒的矿物成分、大小、形状和组成情况是决定土的物理力学性质的主要
因素。
1.土粒的成分
土粒的矿物成分可分为原生矿物和次生矿物。一般粗颗粒的砾石、砂等都是由
原生矿物构成。成分与母岩相同，性质比较稳定，由其工程性质表现为无粘性、透
具有极大的粘滞性。
（2)弱结合水(也称薄膜水)
弱结合水指紧靠于强结合水外围形成的一层水膜，其厚度＜0.5μm 这层水膜里
的水分子和水化离子仍在土颗粒电场作用范围以内，弱结合水也不传递静水压力，
但水膜较厚的弱结合水能向邻近的较薄的水膜处缓慢转移。弱结合水的存在是粘性
(2)化学风化：母岩表面破碎的颗粒受环境因素的作用而产生一系列的化学变 化，改变了原来矿物的化学成分，形成新的矿物——次生矿物。经化学风化生成的 土为细粒土，具有粘结力，成分最主要是粘土颗粒以及大量的可溶性盐类。
(3)生物风化：由植物、动物和人类活动对岩体的破坏称生物风化。其矿物成分 没有发生变化。