《土力学与地基基础》课程教学资源（教案讲义）第一章 土的物理性质和工程分类

第一章 土的物理性质和工程分类第一节 土的形成在土木工程中，土是指覆盖在地表上碎散的、没有胶结或胶结很弱的颗粒堆积物。地球表面的整体岩石在大气中经受长期的风化作用而破碎后，形成形状不同、大小不一的颗粒。在自然界中，岩石不断风化破碎形成土，而土又不断压密、岩化而变成岩石。工程上遇到的大多数土都是在第四纪地质历史时期内所形成的。一、土的搬运和沉积根据其搬运和堆积方式的不同，第四纪土可分为残积土和运积土两大类。残积土是指母岩表层经风化作用破碎成为岩屑或细小颗粒后，未经搬运，残留在原地的堆积物。它的特征是颗粒表面粗糙、多棱角、粗细不均、无层理。运积土是指风化所形成的土颗粒，受自然力的作用，搬运到远近不同的地点所沉积的堆积物。其特点是颗粒经过滚动和相互摩擦，具有一定的浑圆度，颗粒因摩擦作用而变圆滑根据搬运的动力不同，运积土又可分为如下几类：1．坡积土一残积土受重力和短期性水流（如雨水和雪水）的作用，被挟带到山坡或坡脚处聚积起来的堆积物。堆积体内土粒粗细不同，性质很不均匀。2．洪积土一残积土和坡积土受洪水冲刷，挟带到山麓处沉积的堆积物。洪积土具有一定的分选性。搬运距离近的沉积颗粒较粗，力学性质较好：远的则颗粒较细，力学性质较差。：冲积土一由于江、河水流搬运所形成的沉积物。分布在山谷、河谷和冲积平原上的土都属于冲积土。这类土由于经过较长距离的搬运，浑圆度和分选性都更为明显，常形成砂层和粘性土层交迭的地层。4.湖泊沼泽沉积土一在极为缓慢水流或静水条件下沉积形成的堆积物。这种土的特征，除了含有细微的颗粒外，常伴有由生物化学作用所形成的有机物的存在，成为具有特殊性质质一般都较差。的淤泥或淤泥质其工提批5．海相沉积±一由水流带到大海沉积起来的堆积物，其颗粒细，表层土质松软，工程性质较差6冰积土由冰川或冰水换带搬运所形成的沉积物，颗粒粗细变化也较大，土质也不均匀。。风积土一由风力搬运形成的堆积物，颗粒均匀，往往堆积层很厚而不具层理。我国西北的黄土就是典型的风积二、风化作用和土的主要特点岩石和土在其存在、搬运和沉积的各个过程中都在不断风化。风化过程包括物理风化和化学风化。它们经常是同时进行而且是互相加剧发展的进程。物理风化是指岩石和土的粗颗粒受各种气候因素的影响，如温度的昼夜和季节变化，降水、风、冬季水的冻结等原因，导致体积胀缩而发生裂缝，或者在运动过程中因碰撞和摩擦而破碎。它们的矿物成分仍与原来的母岩相同，称为原生矿物。物理风化后的土只是颗粒大小上量的变化。颗粒之间存在着大量的孔隙，可以透水和透气，这就是土的第一个主要的特征一碎散性。化学风化是指母岩表面和碎散的颗粒受环境因素的作用而改变其矿物的化学成分，形成新的矿物，也称次生矿物。环境因素如水、空气以及溶解在水中的氧气和碳酸等。化学风化常见的反应有。水解作用一指矿物成分被分解、并与水进行化学成分的交换，形成新的矿物。例如正长石经过水解作用后，形成高岭石。2．水化作用一指土中有些矿物与水接触后，发生化学反应。水按一定的比例加入矿物的组成中，改变矿物原有的分子结构，形成新的矿物。例如硬石膏（CaSO4）水化后形成含

1 第一章 土的物理性质和工程分类 第一节 土的形成 在土木工程中，土是指覆盖在地表上碎散的、没有胶结或胶结很弱的颗粒堆积物。地球 表面的整体岩石在大气中经受长期的风化作用而破碎后，形成形状不同、大小不一的颗粒。 在自然界中，岩石不断风化破碎形成土，而土又不断压密、岩化而变成岩石。工程上遇到的 大多数土都是在第四纪地质历史时期内所形成的。 一、土的搬运和沉积 根据其搬运和堆积方式的不同，第四纪土可分为残积土和运积土两大类。残积土是指母 岩表层经风化作用破碎成为岩屑或细小颗粒后，未经搬运，残留在原地的堆积物。它的特征 是颗粒表面粗糙、多棱角、粗细不均、无层理。运积土是指风化所形成的土颗粒，受自然力 的作用，搬运到远近不同的地点所沉积的堆积物。其特点是颗粒经过滚动和相互摩擦，具有 一定的浑圆度，颗粒因摩擦作用而变圆滑。 根据搬运的动力不同，运积土又可分为如下几类： １．坡积土—残积土受重力和短期性水流（如雨水和雪水）的作用，被挟带到山坡或坡 脚处聚积起来的堆积物。堆积体内土粒粗细不同，性质很不均匀。 ２．洪积土—残积土和坡积土受洪水冲刷，挟带到山麓处沉积的堆积物。洪积土具有一 定的分选性。搬运距离近的沉积颗粒较粗，力学性质较好；远的则颗粒较细，力学性质较差。 ３．冲积土—由于江、河水流搬运所形成的沉积物。分布在山谷、河谷和冲积平原上的 土都属于冲积土。这类土由于经过较长距离的搬运，浑圆度和分选性都更为明显，常形成砂 层和粘性土层交迭的地层。 ４．湖泊沼泽沉积土—在极为缓慢水流或静水条件下沉积形成的堆积物。这种土的特征， 除了含有细微的颗粒外，常伴有由生物化学作用所形成的有机物的存在，成为具有特殊性质 的淤泥或淤泥质土，其工程性质一般都较差。 ５．海相沉积土—由水流挟带到大海沉积起来的堆积物，其颗粒细，表层土质松软，工 程性质较差。 ６．冰积土—由冰川或冰水挟带搬运所形成的沉积物，颗粒粗细变化也较大，土质也不 均匀。 ７．风积土—由风力搬运形成的堆积物，颗粒均匀，往往堆积层很厚而不具层理。我国 西北的黄土就是典型的风积土。 二、风化作用和土的主要特点 岩石和土在其存在、搬运和沉积的各个过程中都在不断风化。风化过程包括物理风化和 化学风化。它们经常是同时进行而且是互相加剧发展的进程。 物理风化是指岩石和土的粗颗粒受各种气候因素的影响，如温度的昼夜和季节变化，降 水、风、冬季水的冻结等原因，导致体积胀缩而发生裂缝，或者在运动过程中因碰撞和摩擦 而破碎。它们的矿物成分仍与原来的母岩相同，称为原生矿物。物理风化后的土只是颗粒大 小上量的变化。颗粒之间存在着大量的孔隙，可以透水和透气，这就是土的第一个主要的特 征—碎散性。 化学风化是指母岩表面和碎散的颗粒受环境因素的作用而改变其矿物的化学成分，形成 新的矿物，也称次生矿物。环境因素如水、空气以及溶解在水中的氧气和碳酸等。化学风化 常见的反应有： １．水解作用—指矿物成分被分解、并与水进行化学成分的交换，形成新的矿物。例如 正长石经过水解作用后，形成高岭石。 ２．水化作用—指土中有些矿物与水接触后，发生化学反应。水按一定的比例加入矿物 的组成中，改变矿物原有的分子结构，形成新的矿物。例如硬石膏（CaSO4）水化后形成含

水石膏（CaSO42H2O）。：氧化作用一指土中的矿物与氧结合形成新的矿物，例如黄铁矿（FeS2）氧化后变成铁矾（FeSO4)。其它还有溶解作用，碳酸化作用等等。化学风化的结果形成了细小的土颗粒，最主要的为粘土颗粒以及大量的可溶性盐类。微细颗粒的表面积很大，具有极强的吸附水分子的能力。因此，自然界的土一般都是由固体颗粒、水和气体三种成分所构成。这是土的第二个主要特征一三相体系。在自然界中，土的物理风化和化学风化时刻都在进行，而且相互加强。由于形成过程中的自然条件不同，自然界的土也就多种多样。同一场地，不同深度处土的性质也不一样：甚至同一位置的土，其性质还往往随方向而异。因此，土是自然界漫长的地质年代内所形成的性质复杂、不均匀、各向异性且随时间而在不断变化的材料。这是土的第三个主要的特征一自然变异性，第二节 土的三相组成土是由固体颗粒、水和气体三部分所组成的三相体系。固体部分一般由矿物质所组成，它们构成土的骨架即土骨架。土骨架间布满相互贯通的孔隙。水和溶解于水的物质构成土的液体部分。空气及其它一些气体构成土的气体部分。这三种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力学性质。一、固体颗粒固体颗粒构成土骨架，它对土的物理力学性质起着决定性的作用。研究固体颗粒就要分析土的粒径级配、固体颗粒的矿物成分以及颗粒的形状。一）粒径级配由于土颗粒的大小不同，土具有不同的性质。例如粗颗粒的土透水性大，粘性和可塑性较低；而细颗粒的土则透水性很小且粘性和可塑性较大。颗粒的大小通常以粒径表示。工程上按粒径大小分组，称为粒组。粒组是指某一级粒径的变化范围。表1-2表示国内常用的粒组划分及各粒组的主要特征土是各种大小不同颗粒的混合物。以砾石和砂粒为主要组成的土称为粗粒土（或无粘性土）。以粉粒、粘粒和胶粒为主的土称为细粒土（或粘性土）。土的性质取决于土中不同粒组中各粒组的相对含量就称为土的粒径级配。为了了解各粒组的相对含量，必的相对含量。须先将各粒组分离开，再分别称重，这就是粒径级配的分析方法。1.粒径级配的分析方法工程中，实用的粒径级配分析方法有筛分法和水分法两种。筛分法适用于颗粒大于0.1mm的土。它是利用一套孔径大小不同的筛子，将事先称过重量的烘于土样过筛称留在各筛上的土重，然后计算相应的百分数。0.1mm的土。根据斯托克斯（stoks）定理，粗颗粒下沉速度用于分析粒径小于快、细颗粒下沉速度慢，因此可以把颗粒按下沉速度进行粗细分组。实验室常用比重计进行颗粒分析，称为比重计法。2．粒径级配曲线根据筛分试验和比重计试验所得到的全部试验结果，可以计算出小于某粒径土的累积含量以及占总土量的百分数。将测试结果绘制成土的粒径级配累积曲线如图1-1所示。粒径级配累积曲线的横坐标为土颗粒的直径（mm）。级配曲线的纵坐标为小于某粒径土的累积含量，用百分比表示。3粒径级配累积曲线的应用土的粒径级配累积曲线是土工上最常用的曲线，从这条曲线上可以直接了解土的粗细、粒径分布的均匀程度和级配的优劣。土的粗细常用平均粒径dso表示，它指土中大于此粒径

2 水石膏（CaSO4·2H2O）。 ３．氧化作用—指土中的矿物与氧结合形成新的矿物，例如黄铁矿（FeS2）氧化后变成 铁矾（FeSO4）。 其它还有溶解作用，碳酸化作用等等。 化学风化的结果形成了细小的土颗粒，最主要的为粘土颗粒以及大量的可溶性盐类。微 细颗粒的表面积很大，具有极强的吸附水分子的能力。因此，自然界的土一般都是由固体颗 粒、水和气体三种成分所构成。这是土的第二个主要特征—三相体系。在自然界中，土的物 理风化和化学风化时刻都在进行，而且相互加强。由于形成过程中的自然条件不同，自然界 的土也就多种多样。同一场地，不同深度处土的性质也不一样；甚至同一位置的土，其性质 还往往随方向而异。因此，土是自然界漫长的地质年代内所形成的性质复杂、不均匀、各向 异性且随时间而在不断变化的材料。这是土的第三个主要的特征—自然变异性。 第二节 土的三相组成 土是由固体颗粒、水和气体三部分所组成的三相体系。固体部分一般由矿物质所组成， 它们构成土的骨架即土骨架。土骨架间布满相互贯通的孔隙。水和溶解于水的物质构成土的 液体部分。空气及其它一些气体构成土的气体部分。这三种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力学性质。 一、固体颗粒 固体颗粒构成土骨架，它对土的物理力学性质起着决定性的作用。研究固体颗粒就要分 析土的粒径级配、固体颗粒的矿物成分以及颗粒的形状。 （－）粒径级配 由于土颗粒的大小不同，土具有不同的性质。例如粗颗粒的土透水性大，粘性和可塑性 较低；而细颗粒的土则透水性很小且粘性和可塑性较大。颗粒的大小通常以粒径表示。工程 上按粒径大小分组，称为粒组。粒组是指某一级粒径的变化范围。表 1-2 表示国内常用的粒 组划分及各粒组的主要特征。 土是各种大小不同颗粒的混合物。以砾石和砂粒为主要组成的土称为粗粒土（或无粘性 土）。以粉粒、粘粒和胶粒为主的土称为细粒土（或粘性土）。土的性质取决于土中不同粒组 的相对含量。土中各粒组的相对含量就称为土的粒径级配。为了了解各粒组的相对含量，必 须先将各粒组分离开，再分别称重，这就是粒径级配的分析方法。 １．粒径级配的分析方法 工程中，实用的粒径级配分析方法有筛分法和水分法两种。 筛分法适用于颗粒大于 0.1mm 的土。它是利用一套孔径大小不同的筛子，将事先称过 重量的烘干土样过筛，称留在各筛上的土重，然后计算相应的百分数。 水分法用于分析粒径小于 0.1 mm 的土。根据斯托克斯（stoks）定理，粗颗粒下沉速度 快、细颗粒下沉速度慢，因此可以把颗粒按下沉速度进行粗细分组。实验室常用比重计进行 颗粒分析，称为比重计法。 ２．粒径级配曲线 根据筛分试验和比重计试验所得到的全部试验结果，可以计算出小于某粒径土的累积含 量以及占总土量的百分数。将测试结果绘制成土的粒径级配累积曲线如图 1-1 所示。粒径级 配累积曲线的横坐标为土颗粒的直径（mm）。级配曲线的纵坐标为小于某粒径土的累积含 量，用百分比表示。 ３．粒径级配累积曲线的应用 土的粒径级配累积曲线是土工上最常用的曲线，从这条曲线上可以直接了解土的粗细、 粒径分布的均匀程度和级配的优劣。土的粗细常用平均粒径 d50 表示，它指土中大于此粒径

和小于此粒径的土的含量均占50%。为了表示土颗粒的均匀程度和级配的优劣，取如下三种粒径作为特征粒径dio一小于此粒径的土的质量占总土质量的10%。d30一小于此粒径的土的质量占总土质量的30%。一小于此粒径的土的质量占总土质量的60%。0定义士的不均匀系数C为C, = deo / dio(1-1)Cu愈大，表示土愈不均匀，即粗颗粒和细颗粒的大小相差愈悬殊。如果粒径级配曲线是连续的，C愈大，则曲线愈平缓，表示土中含有许多粗细不同的粒组，也就是说粒组的变化范围较宽。C>5的土称为不均匀土，反之称为均匀土。不均匀土经压实后，细颗粒充填于粗颗粒所形成的孔隙中，从而导致较高的密度和较好的力学特性如果粒径级配累积曲线斜率不连续，在该曲线上的某一位置则会出现水平段，水平段范围所包含的粒组含量为零。这种土称为缺少某种中间粒组的土。这种土在同样的压密条件下，得到的密度不如级配连续的土高，其工程性质较差。土的粒径级配累积曲线的斜率是否连续可用曲率系数C.表示，其定义为(d.0)?(1-2)C,=doxdio经验表明，当级配连续时，C。的范围约为1~3。因此，当C3时，均表示级配曲线不连续。从工程观点看，土的级配不均勺（C≥5）且级配曲线连续（C=1~3）的土，称为级配良好的土。不能同时满足上述两个要求的土，称为级配不良的土。）十粒成土中固体颗粒的成分绝大部分是矿物质以及少量有机质。颗粒的矿物成分分两大类。类是原生矿物，常见的如石英、长石和云母等。它是由岩石经过物理风化生成的。另一类是次生矿物，它是由原生矿物经过化学风化后所形成的新矿物，其成分与母岩完全不相同。土中的次生矿物主要是粘土矿物，1，此外还有一些无定形的氧化物胶体（Al2O3、Fe203）和可溶性盐类（CaSO4、CaCO:、NaCl.等）。【原生矿物→石英、长石、云母等粘土矿物矿物质次生矿物无定型氧化物胶体固体成分可溶岩有机质图1-3土中固体部分的成分1.粘土矿物粘土矿物是一种复合的铝一硅酸盐晶体，颗粒成片状，是由硅片和铝片构成的晶包所组叠而成。粘土矿物依硅片和铝片组叠形式的不同，可以分成高岭石、伊利石和蒙特石三种类型。三种粘土矿物的主要特征见表1－3。2.粘土矿物的特性粘土矿物由于同晶替换等原因一般带负电。由于表面带电荷，粘土颗粒四周形成一个电场。在电场的作用下，水中的阳离子被吸引分布在颗粒四周。3

3 和小于此粒径的土的含量均占 50％。为了表示土颗粒的均匀程度和级配的优劣，取如下三 种粒径作为特征粒径： d10—小于此粒径的土的质量占总土质量的 10％。 d30—小于此粒径的土的质量占总土质量的 30％。 d60—小于此粒径的土的质量占总土质量的 60％。 定义士的不均匀系数 Cu 为 / (1-1) Cu = d60 d10 Cu 愈大，表示土愈不均匀，即粗颗粒和细颗粒的大小相差愈悬殊。如果粒径级配曲线 是连续的，Cu 愈大，则曲线愈平缓，表示土中含有许多粗细不同的粒组，也就是说粒组的 变化范围较宽。Cu＞5 的土称为不均匀土，反之称为均匀土。不均匀土经压实后，细颗粒充 填于粗颗粒所形成的孔隙中，从而导致较高的密度和较好的力学特性。 如果粒径级配累积曲线斜率不连续，在该曲线上的某一位置则会出现水平段，水平段范 围所包含的粒组含量为零。这种土称为缺少某种中间粒组的土。这种土在同样的压密条件下， 得到的密度不如级配连续的土高，其工程性质较差。土的粒径级配累积曲线的斜率是否连续 可用曲率系数 Cc表示，其定义为 (1- 2) ( ) 60 10 2 30 d d d Cc  = 经验表明，当级配连续时，Cc的范围约为 1~3。因此，当 Cc3 时，均表示级配 曲线不连续。从工程观点看，土的级配不均匀（Cu5）且级配曲线连续（Cc=1~3）的土， 称为级配良好的土。不能同时满足上述两个要求的土，称为级配不良的土。 （二）土粒成分 土中固体颗粒的成分绝大部分是矿物质以及少量有机质。颗粒的矿物成分分两大类。一 类是原生矿物，常见的如石英、长石和云母等。它是由岩石经过物理风化生成的。另一类是 次生矿物，它是由原生矿物经过化学风化后所形成的新矿物，其成分与母岩完全不相同。土 中的次生矿物主要是粘土矿物，此外还有一些无定形的氧化物胶体（Al2O3、Fe2O3）和可溶 性盐类（CaSO4、CaCO3、NaCl.等）。                      → 有机质 可溶岩 无定型氧化物胶体 粘土矿物 次生矿物 原生矿物 石英、长石、云母等 矿物质 固体成分 图 1-3 土中固体部分的成分 １．粘土矿物 粘土矿物是一种复合的铝一硅酸盐晶体，颗粒成片状，是由硅片和铝片构成的晶包所组 叠而成。粘土矿物依硅片和铝片组叠形式的不同，可以分成高岭石、伊利石和蒙特石三种类 型。三种粘土矿物的主要特征见表１－３。 2．粘土矿物的特性 粘土矿物由于同晶替换等原因一般带负电。由于表面带电荷，粘土颗粒四周形成一个电 场。在电场的作用下，水中的阳离子被吸引分布在颗粒四周

粘土矿颗粒微细，有较大的比表面积。例如蒙特石高达800m2/g。对于粘性土，比表面积的大小直接反应土颗粒与四周介质，特别是与水相互作用的强烈程度。二、土中水组成土的第二种主要成分是水。土中水可以分成结合水和自由水两大类。一）结合水粘土颗粒在水介质中表现出带电的特性，在其四周形成电场。水分子是极性分子。在电场范围内，水中的阳离子和极性水分子被吸引在颗粒的四周、定向排列。最靠近颗粒表面的水分子所受电场的作用力很大。随着远离颗粒表面，作用力很快衰减，直至电场以外不再受电场力作用。受颗粒表面电场作用力吸引而包围在颗粒四周、不传递静水压力、不能任意流动的水，称为结合水。结合水因离颗粒表面远近的不同，受电场作用力的大小也不一样，因此结合水可以分成强结合水和弱结合水两类。强结合大紧靠于颗粒表面的水分子，所受电场的作用力很大，几乎完全固定排列，丧失液体的特性而接近于固体，完全不能移动，这层水称为强结合水。2.弱结合水指强结合水以外、电场作用范围以内的水。弱结合水也受颗粒表面电荷所吸引而定向排列于颗粒四周，但电场作用力随距颗粒距离的增加而减弱。这层水是一种粘滞水膜。弱结合水膜能发生变形，但不会流动。弱结合水的存在使得粘性土在某一含水量范围内表现出可塑二）自由水不受颗粒电场引力作用的水称为自由水。自由水又可分为毛细水和重力水两类。手细分布在土粒内部间相互贯通的孔隙，可以看成是许多形状不一、直径互异、彼此连通的毛细管（如图1-12所示）。在毛细管周壁、水膜与空气的分界处存在着表面张力T。水膜表面张力T的作用方向与毛细管壁成夹角α。由于表面张力的作用，毛细管内的水被提升到自由水面以上高度he处。若以大气压为基准，分析高度为he水柱的静力平衡条件可以得出：m*h.w=2mTcosα整理后可得：2Tcosαh.=(1-4)rYw式中r是毛细管的半径，w为水的容重细水上升高度h与毛细管半径r成反比。显然土颗粒的直径愈式（4）表明小，孔隙的直径（也就是毛细管的直径）愈细，则毛细水的上升高度愈大。若弯液面处毛细水的压力为u，分析该处水膜受力的平衡条件，取竖直方向力的总和为零，可以得到2Tmrcosα +ur2 = 0设α=-0，由式 1-4可导出T=产，代入上式可得：u.=-h.yw(1-6)

4 粘土矿颗粒微细，具有较大的比表面积。例如蒙特石高达 800ｍ2 /g。对于粘性土，比表 面积的大小直接反应土颗粒与四周介质，特别是与水相互作用的强烈程度。 二、土中水 组成土的第二种主要成分是水。土中水可以分成结合水和自由水两大类。 （一）结合水 粘土颗粒在水介质中表现出带电的特性，在其四周形成电场。水分子是极性分子。在电 场范围内，水中的阳离子和极性水分子被吸引在颗粒的四周、定向排列。最靠近颗粒表面的 水分子所受电场的作用力很大。随着远离颗粒表面，作用力很快衰减，直至电场以外不再受 电场力作用。受颗粒表面电场作用力吸引而包围在颗粒四周、不传递静水压力、不能任意流 动的水，称为结合水。结合水因离颗粒表面远近的不同，受电场作用力的大小也不一样，因 此结合水可以分成强结合水和弱结合水两类。 １．强结合水 紧靠于颗粒表面的水分子，所受电场的作用力很大，几乎完全固定排列，丧失液体的特 性而接近于固体，完全不能移动，这层水称为强结合水。 ２．弱结合水 指强结合水以外、电场作用范围以内的水。弱结合水也受颗粒表面电荷所吸引而定向排 列于颗粒四周，但电场作用力随距颗粒距离的增加而减弱。这层水是一种粘滞水膜。弱结合 水膜能发生变形，但不会流动。弱结合水的存在使得粘性土在某一含水量范围内表现出可塑 性。 （二）自由水 不受颗粒电场引力作用的水称为自由水。自由水又可分为毛细水和重力水两类。 1．毛细水 分布在土粒内部间相互贯通的孔隙，可以看成是许多形状不一、直径互异、彼此连通的 毛细管（如图１－12 所示）。在毛细管周壁、水膜与空气的分界处存在着表面张力Ｔ。水膜 表面张力Ｔ的作用方向与毛细管壁成夹角。由于表面张力的作用，毛细管内的水被提升到 自由水面以上高度 hc处。若以大气压为基准，分析高度为 hc水柱的静力平衡条件可以得出：   2 cos 2 r hc w = rT 整理后可得： (1- 4) 2 cos w c r T h   = 式中ｒ是毛细管的半径，w 为水的容重。 式（ｌ－４）表明，毛细水上升高度 hc与毛细管半径ｒ成反比。显然土颗粒的直径愈 小，孔隙的直径（也就是毛细管的直径）愈细，则毛细水的上升高度愈大。 若弯液面处毛细水的压力为 uc，分析该处水膜受力的平衡条件，取竖直方向力的总和为 零，可以得到 2 cos 0 2 Tr  + uc r = 设=0，由式 1-4 可导出 2 c w h r T  = ，代入上式可得： (1- 6) uc hc w = − 

式（1一6）表明毛细区域内的水压力与一般静水压力的概念相同，它与水头高度h。成正比，负号表示拉力。这样，自由水位上下的水压力分布如图1-13所示。自由水位以下为压力，自由水位以上、毛细区域内为拉力。颗粒骨架承受水的反作用力，因此自由水位以下的土骨架受浮托力，这样就减小了颗粒间的压力。而自由水位以上的毛细区域内，颗粒间受压力，称为毛细压力pe。毛细压力呈倒三角形分布。弯液面处最大，自由水面处为零。，重力水自由水面以下、土颗粒电场引力范围以外、在本身重力作用下自由运动的水称为重力水。土中重力水传递水压力。土中气体土中气体按其所处的状态和结构特点可分以下几种类型：吸附于土颗粒表面的气体、溶解于水中的气体、四周为颗粒和水所封闭的气体以及自由气体。通常认为自由气体与大气连通，对土的力学性质影响较小。密闭气体的体积与压力有关：压力增加，则体积缩小：压力减小，则体积胀大。因此，密闭气体的存在增加了土体的弹性，同时还可阻塞土中的渗流通道，从而减小土的渗透性。其它两种气体对土力学性质的影响尚不完全清楚。第三节土的物理状态三相组成的性质，特别是固体颗粒的性质，直接影响土的工程特性。但是，同样一种土，含水量多时则软。这说明土密实时强度高，松散时强度低。对于细粒土，含水量少时则硬的性质不仅决定于三相组成的性质，而且三相之间量的比例关系也是一个很重要的影响因一、三相组成在量上的比例特征因为土是三相体系，不能用一一个单一的指标来说明三相间量的比例。要全面标明土的三相量的比例关系，就需要有若干个指标。）土的三相草图在土力学中通常用三相草图来表示土的三相组成，如图1-16所示。在三相图的右侧，表示三相组成的体积：在三相图的左侧，表示三相组成的质量。三相草图共有5个独立变量即Vs、Vw、Va、mw、ms。由于水的比重为1g/cm2，故只有4个未知数。如果取V=lcm，或m=1g，或V,=lcm2等等，则又可以消去一个未知量因此，对于一定数量的三相土体，只要知道其中的三个变量，其它诸量就可以从图中直接算出（二）确定三相量比例关系的基本试验指标为了确定三相草图诸量中的三个变量，就必须通过实验室的试验测定。通常所做的三个基本物理性质试验分别是土的密度试验、土粒比重试验和土的含水量试验1.土的密度土的密度p定义为单位体积土的质量，以Mg/m2或g/cm2计：m,+m.(1-7)p=m/V:V, +V,+V.工程中还常用容重来表示类似的概念。土的容重定义为单位体积土的重量，以kN/m3计。它与土的密度有如下的关系(1-8)= pg式中g为重力加速度（g=9.8m/s2)。2.土粒比重

5 式（1 一 6）表明毛细区域内的水压力与一般静水压力的概念相同，它与水头高度 hc成 正比，负号表示拉力。这样，自由水位上下的水压力分布如图 1-13 所示。自由水位以下为 压力，自由水位以上、毛细区域内为拉力。颗粒骨架承受水的反作用力，因此自由水位以下 的土骨架受浮托力，这样就减小了颗粒间的压力。而自由水位以上的毛细区域内，颗粒间受 压力，称为毛细压力 pc。毛细压力呈倒三角形分布。弯液面处最大，自由水面处为零。 ２．重力水 自由水面以下、土颗粒电场引力范围以外、在本身重力作用下自由运动的水称为重力水。 土中重力水传递水压力。 三、土中气体 土中气体按其所处的状态和结构特点可分以下几种类型：吸附于土颗粒表面的气体、溶 解于水中的气体、四周为颗粒和水所封闭的气体以及自由气体。通常认为自由气体与大气连 通，对土的力学性质影响较小。密闭气体的体积与压力有关：压力增加，则体积缩小；压力 减小，则体积胀大。因此，密闭气体的存在增加了土体的弹性，同时还可阻塞土中的渗流通 道，从而减小土的渗透性。其它两种气体对土力学性质的影响尚不完全清楚。 第三节 土的物理状态 三相组成的性质，特别是固体颗粒的性质，直接影响土的工程特性。但是，同样一种土， 密实时强度高，松散时强度低。对于细粒土，含水量少时则硬，含水量多时则软。这说明土 的性质不仅决定于三相组成的性质，而且三相之间量的比例关系也是一个很重要的影响因 素。 一、三相组成在量上的比例特征 因为土是三相体系，不能用一个单一的指标来说明三相间量的比例。要全面标明土的三 相量的比例关系，就需要有若干个指标。 （一）土的三相草图 在土力学中通常用三相草图来表示土的三相组成，如图 1－16 所示。在三相图的右侧， 表示三相组成的体积；在三相图的左侧，表示三相组成的质量。 三相草图共有 5 个独立变量即 Vs、Vw、Va、mw、ms。由于水的比重为 1 g/cm3，故只 有 4 个未知数。如果取Ｖ=1cm3，或ｍ=1g，或 Vs=1cm3 等等，则又可以消去一个未知量。 因此，对于一定数量的三相土体，只要知道其中的三个变量，其它诸量就可以从图中直接算 出。 （二）确定三相量比例关系的基本试验指标 为了确定三相草图诸量中的三个变量，就必须通过实验室的试验测定。通常所做的三 个基本物理性质试验分别是土的密度试验、土粒比重试验和土的含水量试验。 1.土的密度 土的密度定义为单位体积土的质量，以 Mg/m3 或 g/cm3 计： / (1- 7) s w a s w V V V m m ρ m V + + + = = 工程中还常用容重来表示类似的概念。土的容重定义为单位体积土的重量，以 kN/m3 计。它与土的密度有如下的关系  = g (1- 8) 式中ｇ为重力加速度（ｇ=9.8 m/s2）。 ２．土粒比重

土粒比重Gs定义为土粒的质量与同体积纯蒸馏水在4°℃时的质量之比，即-Ps(1-9)G,=V.(pt)p式中，p，一土粒的密度，即单位土粒体积的质量：pw4c—4℃时纯蒸馏水的密度。因为p4c=1.0g/cm，故实用上，土粒比重在数值上即等于土粒的密度，是无量纲数天然土颗粒是由不同的矿物所组成，这些矿物的比重各不相同。土粒的比重变化范围不大，一般可取2.65左右。3．土的含水量土的含水量w定义为土中水的质量与土粒质量之比，以百分数表示。m-m,x100w(%) = mx100 = "(1-10)mms三）确定三相量比例关系的其它常用指标测出土的密度p、土粒的比重G,和土的含水量w后，就可以根据图1-16所示的三相草图，计算出三相组成各自在体积上和重量上的含量。工程上为了便于表示三相含量的某些特征，定义如下几种指标。1.表示土中孔隙含量的指标工程上常用孔隙比e或孔隙度n表示土中孔隙的含量。其定义为：孔隙比e是指孔隙体积与固体颗粒实体体积之比，表示为e=v,/V,(1-11)孔隙度几是指孔隙体积与土的总体积之比，用百分数表示，亦即n(%) =V, /V×100(1-12)孔隙比和孔隙度都是用以表示孔隙体积含量的概念。不难证明两者之间可以用下式互换：=1x100(1-13)n(%)(1-14)Xe100-n(%)1-n土的孔隙比或孔隙度都可用来表示同一种土的松、密程度。一一般情况下，粗粒土的孔隙度较小，细粒土的孔隙度较大2.表示土中含水程度的指标除了含水量w以外，工程上往往需要知道孔隙中充满水的程度，即土的饱和度Sr。饱和度定义为(1-15)S, =V, /V,0，而饱和土的饱和度Sr=1显然，干土的饱和度Sr-3．表示土的密度和容重的几种指标上面定义的土的密度p一般称为天然密度或湿密度。土的密度除了用p表示以外，工程上还常用饱和密度和干密度。饱和密度是指孔隙完全被水充满时土的密度，表示为

6 土粒比重 Gs 定义为土粒的质量与同体积纯蒸馏水在 4 0 c 时的质量之比，即 (1- 9) ( ) 0 4 w s c s w s s V m G    = = 式中，s—土粒的密度，即单位土粒体积的质量；w 4c—4 0 c 时纯蒸馏水的密度。 因为w 4c=1.0g/cm3，故实用上，土粒比重在数值上即等于土粒的密度，是无量纲数。 天然土颗粒是由不同的矿物所组成，这些矿物的比重各不相同。土粒的比重变化范围不 大，一般可取 2.65 左右。 ３．土的含水量 土的含水量 w 定义为土中水的质量与土粒质量之比，以百分数表示。 (%) 100 100 (1-10) − =  = s s s w m m m m m w （三）确定三相量比例关系的其它常用指标 测出土的密度、土粒的比重 Gs 和土的含水量 w 后，就可以根据图 1－16 所示的三相 草图，计算出三相组成各自在体积上和重量上的含量。 工程上为了便于表示三相含量的某些特征，定义如下几种指标。 １．表示土中孔隙含量的指标 工程上常用孔隙比ｅ或孔隙度ｎ表示土中孔隙的含量。其定义为： 孔隙比ｅ是指孔隙体积与固体颗粒实体体积之比，表示为 / (1-11) Vv Vs e = 孔隙度ｎ是指孔隙体积与土的总体积之比，用百分数表示，亦即 n(%) =V /V 100 (1-12) v 孔隙比和孔隙度都是用以表示孔隙体积含量的概念。不难证明两者之间可以用下式互 换： (1-14) 100 (%) 1 (%) 100 (1-13) 1 (%) n n e n n e e e n − = − =  + = 或 土的孔隙比或孔隙度都可用来表示同一种土的松、密程度。一般情况下，粗粒土的孔隙 度较小，细粒土的孔隙度较大。 ２．表示土中含水程度的指标 除了含水量 w 以外，工程上往往需要知道孔隙中充满水的程度，即土的饱和度 Sr。饱 和度定义为 / (1-15) Sr =Vw Vv 显然，干土的饱和度 Sr=0，而饱和土的饱和度 Sr=1。 ３．表示土的密度和容重的几种指标 上面定义的土的密度一般称为天然密度或湿密度。土的密度除了用表示以外，工程 上还常用饱和密度和干密度。 饱和密度是指孔隙完全被水充满时土的密度，表示为

m,+V,Pw(1-16)0王密度是指土被完全烘干时的密度。在忽略气体的质量时，它在数值上等于单位体积中土粒的质量，表示为(1-17)Pa=m,/V这几种密度在数值上有如下的关系Psamr≥p≥Pd相应于这几种密度，工程上还常用天然容重、饱和容重和王容重来表示土在不同含水状态下单位体积的重量。在数值上，它们等于相应的密度乘以重力加速度g。另外，静水下的土体受水的浮力作用，其容重等于土的饱和容重减去水的容重，称为浮容重，表示为：(1-18)y=Ysa-y同样地，这几种容重在数值上有如下关系Ys≥zYa>对于三相土，只要通过试验确定三个独立的指标，就可以应用三相草图计算出其它指标。应当注意，因为三相量的指标都是相对的比例关系，不是量的绝对值，因此取三相图中任个量等于任何数值进行计算都应得到相同的结果。但如果假定的已知量选取合适，可以减少计算的工作量表1-5是根据测定的三个基本指标，即密度p、土粒比重G,和含水量w计算其它指标的换算公式，这些公式很容易从三相草图推算得到。二、 土的物理状态指标所谓土的物理状态，对于粗粒土是指土的密实程度，对于细粒土则是指土的软硬程度或称为粘性土的稠度（一）粗粒土（无粘性上）的密实度土的密实度通常指单位体积中固体颗粒的含量。土颗粒含量多，土就密实；土颗粒含量少，土就疏松。用干容重a和孔隙比e（或孔隙度n）表示土的密实度没有考虑到粒径级配这一因素的影响假设有两种不同级配的砂土。第一种砂是理想的均匀圆球，不均匀系数C=1.0。这种砂最密实排列时的孔隙比e=0.35（如图1一19a）。第二种砂同样是理想的圆球，但其级配中除大的圆球外，还有小的圆球可以充填于孔隙中，即不均匀系数Cu>1.0（如图1－19b)。显然，这种砂最密时的孔隙比e<0.35。就是说这两种砂若都具有同样的孔隙比e=0.35，对于第一种砂，已处于最密实的状态，而对于第二种砂则不是最密实工程上为了更好地表明粗粒土（无粘性土）所处的密实状态，采用将土的实际孔隙比e与该种土所能达到最密时的孔隙比emin 和最松时的孔隙比emax 相对比的办法，来表示孔隙比为e时土的密实度。这种度量密实度的指标称为相对密度D，表示为e.-e(1-19)D.emx-emin

7 (1-16) V ms Vv w sat   + = 干密度是指土被完全烘干时的密度。在忽略气体的质量时，它在数值上等于单位体积 中土粒的质量，表示为 m /V (1-17)  d = s 这几种密度在数值上有如下的关系  sat     d 相应于这几种密度，工程上还常用天然容重、饱和容重sat 和干容重d 来表示土在不同 含水状态下单位体积的重量。在数值上，它们等于相应的密度乘以重力加速度ｇ。另外，静 水下的土体受水的浮力作用，其容重等于土的饱和容重减去水的容重，称为浮容重 ’，表示 为： (1-18) ' sat w  =  −  同样地，这几种容重在数值上有如下关系 '        sat d 对于三相土，只要通过试验确定三个独立的指标，就可以应用三相草图计算出其它指标。 应当注意，因为三相量的指标都是相对的比例关系，不是量的绝对值，因此取三相图中任一 个量等于任何数值进行计算都应得到相同的结果。但如果假定的已知量选取合适，可以减少 计算的工作量 表 1－5 是根据测定的三个基本指标，即密度、土粒比重 Gs 和含水量 w 计算其它指标 的换算公式，这些公式很容易从三相草图推算得到。 二、土的物理状态指标 所谓土的物理状态，对于粗粒土是指土的密实程度，对于细粒土则是指土的软硬程度或 称为粘性土的稠度。 （一）粗粒土（无粘性上）的密实度 土的密实度通常指单位体积中固体颗粒的含量。土颗粒含量多，土就密实；土颗粒含量 少，土就疏松。用干容重d 和孔隙比ｅ（或孔隙度ｎ）表示土的密实度没有考虑到粒径级配 这一因素的影响。 假设有两种不同级配的砂土。第一种砂是理想的均匀圆球，不均匀系数 Cu=1.0。这种 砂最密实排列时的孔隙比ｅ=0.35（如图１－19a）。第二种砂同样是理想的圆球，但其级配 中除大的圆球外，还有小的圆球可以充填于孔隙中，即不均匀系数 Cu＞1.0（如图１－19b）。 显然，这种砂最密时的孔隙比ｅ<0.35。就是说这两种砂若都具有同样的孔隙比ｅ=0.35，对 于第一种砂，已处于最密实的状态，而对于第二种砂则不是最密实。 工程上为了更好地表明粗粒土（无粘性土）所处的密实状态，采用将土的实际孔隙比ｅ 与该种土所能达到最密时的孔隙比 emin 和最松时的孔隙比 emax 相对比的办法，来表示孔隙比 为ｅ时土的密实度。这种度量密实度的指标称为相对密度 Dr，表示为 (1-19) max min max e e e e Dr − − =

式中，e一现场粗粒土的孔隙比；emnax一土的最大孔隙比；emin一土的最小孔隙比，当D-=0 时，=em，表示土处于最松状态。当D-=1 时，e=emm，表示土处于最密状态。相对密度D:判定粗粒土的密实度标准是D, ≤1/3疏松中密1/32/3密实将表1-5中孔隙比与干容重的关系式-1代入式1-19整理后，可以得到用干密Pd度表示的相对密度的表达式为(Pa-Pamin)Pam(1-20)D, :(Pamx -Pdmin )Pd式中，pd一相当于孔隙比为e时土的干密度：一相当于孔隙比为emax时土的干密度，即最松干密度；o一相当于孔隙比为emin时土的干密度，即最密干密度由于在实验室条件下测定土的emax和 emin十分困难，相对密度通常多用于填方的质量控制中，对于天然土尚难以应用。因为e、em emn都难以准确测定，天然砂土的密实度只能在现场进行原位标准贯入试验，根据锤击数 N63.5，按表1-6的标准进行判定。田粒土（粘性土）不存在最大和最小孔隙比，因此只能根据其孔隙比e或于密度p来判断其密实度。（二）粘性土（细粒土）的稠度1．粘性士的稠度状态粘性土最主要的物理状态特征是它的稠度，稠度是指土的软硬程度或土对外力引起变形或破坏的抵抗能力。土中含水量很低时，水都被颗粒表面的电荷紧紧吸着于颗粒表面，成为强结合水。强结合水的性质接近于固态。因此，当土粒之间只有强结合水时（图1-20a)，按水膜厚薄不同，土表现为固态或半固态。当含水量增加，被吸附在颗粒周围的水膜加厚，土粒周围除强结合水外还有弱结合水（图1一20b），弱结合水呈粘滞状态，不能传递静水压力，不能自由流动，但受力时可以变形，能从水膜较厚处向邻近较薄处移动。在这种含水量情况下，土体受外力作用可以被捏成任意形状而不破裂，外力取消后仍然保持改变后的形状。这种状态称为塑态。弱结合水的存在是土具有可塑状态的原因。土处在可塑状态时的含水量变化范围大体上相当于土粒所能够吸附的弱结合水的含量。粘性大的土必定是比表面积大、矿物亲水能力强（例如蒙特石）、能吸附较多结合水的土，因此它的塑态含水量也必定大当含水量继续增加，土中除结合水外，已有相当数量的水处于电场引力影响范围以外成为自由水。这时寸土粒之间被自由水所隔开（图1一20c），土体不能承受任何剪应力，而呈流动状态。可见，从物理概念分析，土的稠度实际上是反应土中水的形态2.稠度界限土从某种状态进入另外一种状态的分界含水量称为土的特征含水量，或称为稠度界限。工程上常用的稠度界限有液性界限wL和塑性界限wp液性界限WL简称液限，相当于土从塑性状态转变为液性状态时的含水量。这时土中水

8 式中，ｅ—现场粗粒土的孔隙比；emax—土的最大孔隙比；emin—土的最小孔隙比。 当 Dr=0 时，e=emax，表示土处于最松状态。当 Dr=1 时，e=emin，表示土处于最密状态。 相对密度 Dr判定粗粒土的密实度标准是 密实 中密 疏松 2 / 3 1/ 3 2 / 3 1/ 3     r r r D D D 将表１-5 中孔隙比与干容重的关系式 = −1 d s e   代入式 1-19 整理后，可以得到用干密 度表示的相对密度的表达式为 (1- 20) ( ) ( ) max min min max d d d d d d Dr       − − = 式中，d—相当于孔隙比为ｅ时土的干密度； dmin—相当于孔隙比为 emax 时土的干密度，即最松干密度； dmax—相当于孔隙比为 emin 时土的干密度，即最密干密度。 由于在实验室条件下测定土的 emax 和 emin 十分困难，相对密度通常多用于填方的质量控 制中，对于天然土尚难以应用。 因为ｅ、emax 和 emin 都难以准确测定，天然砂土的密实度只能在现场进行原位标准贯入 试验，根据锤击数 N63.5，按表１－6 的标准进行判定。 细粒土（粘性土）不存在最大和最小孔隙比，因此只能根据其孔隙比ｅ或干密度来判 断其密实度。 （二）粘性土（细粒土）的稠度 １．粘性士的稠度状态 粘性土最主要的物理状态特征是它的稠度，稠度是指土的软硬程度或土对外力引起变形 或破坏的抵抗能力。土中含水量很低时，水都被颗粒表面的电荷紧紧吸着于颗粒表面，成为 强结合水。强结合水的性质接近于固态。因此，当土粒之间只有强结合水时（图ｌ－20a）， 按水膜厚薄不同，土表现为固态或半固态。 当含水量增加，被吸附在颗粒周围的水膜加厚，土粒周围除强结合水外还有弱结合水（图 1－20b），弱结合水呈粘滞状态，不能传递静水压力，不能自由流动，但受力时可以变形， 能从水膜较厚处向邻近较薄处移动。在这种含水量情况下，土体受外力作用可以被捏成任意 形状而不破裂，外力取消后仍然保持改变后的形状。这种状态称为塑态。弱结合水的存在是 土具有可塑状态的原因。土处在可塑状态时的含水量变化范围大体上相当于土粒所能够吸附 的弱结合水的含量。粘性大的土必定是比表面积大、矿物亲水能力强（例如蒙特石）、能吸 附较多结合水的土，因此它的塑态含水量也必定大。 当含水量继续增加，土中除结合水外，已有相当数量的水处于电场引力影响范围以外， 成为自由水。这时土粒之间被自由水所隔开（图１－20c），土体不能承受任何剪应力，而呈 流动状态。可见，从物理概念分析，土的稠度实际上是反应土中水的形态。 ２．稠度界限 土从某种状态进入另外一种状态的分界含水量称为土的特征含水量，或称为稠度界限。 工程上常用的稠度界限有液性界限 wL 和塑性界限 wp。 液性界限 wL 简称液限，相当于土从塑性状态转变为液性状态时的含水量。这时土中水

的形态除结合水外，已有相当数量的自由水。塑性界限w，简称塑限，相当于土从半固体状态转变为塑性状态时的含水量。这时土中水的形态大约是强结合水含量达到最大时。在实验室中，液限WL用液限仪测定，塑限wp则用搓条法测定。所有这些测定方法仍然是根据表观观察土在某种含水量下是否“流动”或者是否“可塑”，而不是真正根据土中水的形态来划分的。目前尚不能够定量地以结合水膜的厚度来确定液限或塑限。细粒土随着含水量的增加可以从固态或半固态变为塑态再变为液态，而塑限和液限则是一种近似的定量分界含水量3．液性指数和塑性指数土的比表面积和矿物成分不同，吸附结合水的能力不一样。因此，同样的含水量对于粘性高的土，水的形态可能全是结合水，而对于粘性低的土，则可能相当部分已经是自由水。仅仅知道含水量的绝对值，并不能说明土处于什么状态。要说明细粒士的稠度状态，需要有个表征土的天然含水量与分界含水量之间相对关系的指标，这就是液性指数IL。以直线坐标表示含水量的变化，并把某种土的天然含水量w、液限wL和塑限wp标在含水量的坐标上（图1-21)。显然，当w接近于wp时，土则坚硬；而w接近wL时，土则软弱。定义液性指数 I为:w-.wp(1-21)LWL-Wp当I=O时，W=Wp，土从半固态进入可塑状态。而当IL=1时，W=WL，土从可塑状态进入液态。因此，根据IL值可以直接判定土的软硬程度（表1一7)。液性指数的分母WL-Wp常以指标I,代替，即(1-22)Wr-wpIp称为塑性指数，习惯上用百分数的绝对值表示。塑性指数表示土所能吸着的弱结合水质量与土粒质量之比。第四节土的结构同一种土，原状土样和重塑土样（将原状土样破碎，在实验室内重新制备的土样，称为重塑土样）的力学性质有很大的区别土的结构指土粒或团粒（几个或许多个土颗粒联结成的集合体）在空间的排列和它们之间的相互联结（结合力)。土的结构对土性质有很大的影一、粗粒土（无粘性土）的结构粗粒土的比表面积小，在粒间作用力中重力起决定性的作用。粗颗粒在重力作用下下沉时，一旦与已经稳定的颗粒相接触，找到自己的平衡位置，稳定下来，就形成单粒结构。这种结构的特点是颗粒之间点与点的接触。当颗粒缓慢沉积时，没有经受很高的压力作用，特别是没有受过动力作用时，所形成的结构为松散的单粒结构（如图1-23a)。松散结构受较大的压力作用，特别是受动力作用后变密，则成为密实单粒结构（图1一23b）二、 细粒土的结构土中的细颗粒，尤其是粘土颗粒，比表面积很大，颗粒很薄，重量很轻，重力不起重要的作用。在结构形成中，其它的粒间力起主导作用。这些粒间力包括：1.范德华力范德华力是分子间的引力。它属于短程力，力的作用范围很小。范德华力与距离的7次方成反比。距离很近时，范德华力很大；但它随距离的增加而迅速衰减。范德华力是细粒土9

9 的形态除结合水外，已有相当数量的自由水。 塑性界限 wp，简称塑限，相当于土从半固体状态转变为塑性状态时的含水量。这时土 中水的形态大约是强结合水含量达到最大时。 在实验室中，液限 wL 用液限仪测定，塑限 wp 则用搓条法测定。所有这些测定方法仍然 是根据表观观察土在某种含水量下是否“流动”或者是否“可塑”，而不是真正根据土中水 的形态来划分的。目前尚不能够定量地以结合水膜的厚度来确定液限或塑限。细粒土随着含 水量的增加可以从固态或半固态变为塑态再变为液态，而塑限和液限则是一种近似的定量分 界含水量。 ３．液性指数和塑性指数 土的比表面积和矿物成分不同，吸附结合水的能力不一样。因此，同样的含水量对于粘 性高的土，水的形态可能全是结合水，而对于粘性低的土，则可能相当部分已经是自由水。 仅仅知道含水量的绝对值，并不能说明土处于什么状态。要说明细粒士的稠度状态，需要有 一个表征土的天然含水量与分界含水量之间相对关系的指标，这就是液性指数 IL。以直线坐 标表示含水量的变化，并把某种土的天然含水量 w、液限 wL 和塑限 wp 标在含水量的坐标上 （图 1－21）。显然，当 w 接近于 wp 时，土则坚硬；而 w 接近 wL 时，土则软弱。定义液性 指数 IL 为： (1- 21) L p p L w w w w I − − = 当 IL=0 时，w=wp，土从半固态进入可塑状态。而当 IL=1 时，w=wL，土从可塑状态进 入液态。因此，根据 IL 值可以直接判定土的软硬程度（表 1 一 7）。 液性指数的分母 wL-wp 常以指标 Ip 代替，即 (1- 22) p wL wp I = − Ip 称为塑性指数，习惯上用百分数的绝对值表示。塑性指数表示土所能吸着的弱结合水 质量与土粒质量之比。 第四节 土的结构 同一种土，原状土样和重塑土样（将原状土样破碎，在实验室内重新制备的土样，称为 重塑土样）的力学性质有很大的区别。土的结构指土粒或团粒（几个或许多个土颗粒联结成 的集合体）在空间的排列和它们之间的相互联结（结合力）。土的结构对土性质有很大的影 响。 一、粗粒土（无粘性土）的结构 粗粒土的比表面积小，在粒间作用力中重力起决定性的作用。粗颗粒在重力作用下下沉 时，一旦与已经稳定的颗粒相接触，找到自己的平衡位置，稳定下来，就形成单粒结构。这 种结构的特点是颗粒之间点与点的接触。当颗粒缓慢沉积时，没有经受很高的压力作用，特 别是没有受过动力作用时，所形成的结构为松散的单粒结构（如图１－23a）。松散结构受较 大的压力作用，特别是受动力作用后变密，则成为密实单粒结构（图ｌ－23b）。 二、细粒土的结构 土中的细颗粒，尤其是粘土颗粒，比表面积很大，颗粒很薄，重量很轻，重力不起重要 的作用。在结构形成中，其它的粒间力起主导作用。这些粒间力包括： ｌ.范德华力 范德华力是分子间的引力。它属于短程力，力的作用范围很小。范德华力与距离的７次 方成反比。距离很近时，范德华力很大；但它随距离的增加而迅速衰减。范德华力是细粒土

粘结在一起的主要原因。2.库伦力库伦力即静电作用力。粘土颗粒表面带电荷，上下平面带负电荷而边角处带正电荷。所以，当颗粒按平衡位置面对面叠合排列时（图1-24a），颗粒之间因同号电荷而存在静电斥力。静电作用力随距离而衰减的速度比范德华力慢。当颗粒间的排列是边对面（图1一24b）或角对面（图1-24c）时，接触点处或接触线处因异号电荷而产生静电引力。因此静电力可以是斥力或引力，视颗粒的排列情况而异。3.胶结作用力土粒间通过游离氧化物、碳酸盐和有机质等胶体而连结在一起。一般认为这种胶结作用力是化合键，因而具有较高的强度。4.毛细压力（不再详细叙述）细粒土的天然结构就是在其沉积的过程中受这些力的共同作用而形成的。当微细的颗粒在淡水中沉积时，因为淡水中离子的浓度小，颗粒表面吸附的阳离子较少，存在着较高的未被平衡的负电位，因此颗粒间的结合水膜比较厚，粒间作用力以斥力占优势，这种情况下沉积的颗粒常形成面对面的片状堆积（1一25a）。这种结构称为分散结构或称片堆结构。分散结构的特点是密度较大，土在垂直于定向排列的方向和平行于定向排列的方向上的性质不同，即具有各向异性当细颗粒在海水中沉积时，海水中含有大量的阳离子，浓密的阳离子被吸附于颗粒表面平衡了相当数量的表面负电位，使颗粒得以相互靠近，因此斥力减少而引力增加。这种情况下容易形成以角、边与面或边与边搭接的排列形式（1一25b），称为凝聚结构，也称片架结构。凝聚结构具有较大的孔隙，对扰动比较敏感，性质比较均匀，且各向同性三、反映细粒土结构特性的两种性质）粘性土的灵敏度土的结构形成后就获得某种强度，且结构强度随时间而增长。在含水量不变化的条件下，将原状土捏碎，重新按原来的密度制备成重塑土样。由于原状结构彻底破坏，重塑土样的强度较之原状土样将有明显的降低。定义原状土样的单轴抗压强度（或称无侧限抗压强度）与重塑土样的单轴抗压强度之比为土的灵敏度St，(1-23)S,=q,/qu式中，qu一原状土的单轴抗压强度；一重塑土的单轴抗压强度9元-显然，结构性愈强的土，其灵敏度S:愈大。表1一8表示粘性土根据灵敏度的分类。二）粘性土的触变性与灵敏度密切相关的另一种特性是触变性。结构受破坏、强度降低以后的土，若静置不动，则土颗粒和水分子以及离子会重新组合排列，形成新的结构，强度又得到一定程度的恢复。这种在含水量和密度不变的条件下，土因重塑而软化，又因静置而逐渐硬化、强度有所恢复的性质，称为土的触变性。第五节土的工程分类自然界中土的种类很多，工程性质各异，需要按其主要特征进行分类。一、 土的工程分类依据自然界的各种土，从直观上显然可以分成两大类：一一类是粗粒土（或无粘性土），另10

10 粘结在一起的主要原因。 ２.库伦力 库伦力即静电作用力。粘土颗粒表面带电荷，上下平面带负电荷而边角处带正电荷。所 以，当颗粒按平衡位置面对面叠合排列时（图１－24a），颗粒之间因同号电荷而存在静电斥 力。静电作用力随距离而衰减的速度比范德华力慢。当颗粒间的排列是边对面（图ｌ－24b） 或角对面（图ｌ－24c）时，接触点处或接触线处因异号电荷而产生静电引力。因此静电力 可以是斥力或引力，视颗粒的排列情况而异。 ３.胶结作用力 土粒间通过游离氧化物、碳酸盐和有机质等胶体而连结在一起。一般认为这种胶结作用 力是化合键，因而具有较高的强度。 ４.毛细压力（不再详细叙述） 细粒土的天然结构就是在其沉积的过程中受这些力的共同作用而形成的。当微细的颗粒 在淡水中沉积时，因为淡水中离子的浓度小，颗粒表面吸附的阳离子较少，存在着较高的未 被平衡的负电位，因此颗粒间的结合水膜比较厚，粒间作用力以斥力占优势，这种情况下沉 积的颗粒常形成面对面的片状堆积（１－25a）。这种结构称为分散结构或称片堆结构。分散 结构的特点是密度较大，土在垂直于定向排列的方向和平行于定向排列的方向上的性质不 同，即具有各向异性。 当细颗粒在海水中沉积时，海水中含有大量的阳离子，浓密的阳离子被吸附于颗粒表面， 平衡了相当数量的表面负电位，使颗粒得以相互靠近，因此斥力减少而引力增加。这种情况 下容易形成以角、边与面或边与边搭接的排列形式（1 一 25b），称为凝聚结构，也称片架结 构。凝聚结构具有较大的孔隙，对扰动比较敏感，性质比较均匀，且各向同性。 三、反映细粒土结构特性的两种性质 （一）粘性土的灵敏度 土的结构形成后就获得某种强度，且结构强度随时间而增长。在含水量不变化的条件 下，将原状土捏碎，重新按原来的密度制备成重塑土样。由于原状结构彻底破坏，重塑土样 的强度较之原状土样将有明显的降低。定义原状土样的单轴抗压强度（或称无侧限抗压强度） 与重塑土样的单轴抗压强度之比为土的灵敏度 St，即 / (1- 23) St = qu qu 式中，qu—原状土的单轴抗压强度； u q —重塑土的单轴抗压强度 显然，结构性愈强的土，其灵敏度 St 愈大。表１－8 表示粘性土根据灵敏度的分类。 （二）粘性土的触变性 与灵敏度密切相关的另一种特性是触变性。结构受破坏、强度降低以后的土，若静置不 动，则土颗粒和水分子以及离子会重新组合排列，形成新的结构，强度又得到一定程度的恢 复。这种在含水量和密度不变的条件下，土因重塑而软化，又因静置而逐渐硬化、强度有所 恢复的性质，称为土的触变性。 第五节 土的工程分类 自然界中土的种类很多，工程性质各异，需要按其主要特征进行分类。 一、土的工程分类依据 自然界的各种土，从直观上显然可以分成两大类：一类是粗粒土（或无粘性土），另一