土力學(xué)、地基及基礎(chǔ).doc

緒論一、土力學(xué)、地基及基礎(chǔ) 1、土力學(xué)：土力學(xué)的研究對象是“工程土”。土是巖石風(fēng)化的產(chǎn)物，是巖石經(jīng)風(fēng)化、剝蝕、搬運、沉積而形成的松散堆積物，顆粒之間沒有膠結(jié)或弱膠結(jié)。土的形成經(jīng)歷了漫長的地質(zhì)歷史過程，其性質(zhì)隨著形成過程和自然環(huán)境的不同而有差異。因此，在建筑物設(shè)計前，必須對建筑場地土的成因、工程性質(zhì)、不良地質(zhì)現(xiàn)象、地下水狀況和場地的工程地質(zhì)等進行評判，密切結(jié)合土的工程性質(zhì)進行設(shè)計和施工。否則，會影響工程的經(jīng)濟效益和安全使用。 土力學(xué)是工程力學(xué)的一個分支，是利用力學(xué)原理研究土的應(yīng)力、應(yīng)變、強度和穩(wěn)定性等力學(xué)問題的一門應(yīng)用學(xué)科。由于土的物理、化學(xué)和力學(xué)性質(zhì)與一般剛體、彈性固體和流體有所不同，因此，土的工程性質(zhì)必須通過土工測試技術(shù)進行研究。 2、地基：建筑物都是建造在土層或巖層上的，通常把直接承受建筑物荷載的土層或巖層稱為地基。未經(jīng)人工處理就能滿足設(shè)計要求的地基稱為天然地基；需要對地基進行加固處理才能滿足設(shè)計要求的地基稱為人工地基。 3、基礎(chǔ)：建筑物上部結(jié)構(gòu)承受的各種荷載是通過基礎(chǔ)傳遞給地基的，所謂基礎(chǔ)是指承受建筑物各種荷載并傳遞給地基的下部結(jié)構(gòu)。通常情況下，建筑物基礎(chǔ)應(yīng)埋入地面以下一定深度進入持力層，即基礎(chǔ)的埋置深度。按照基礎(chǔ)的埋置深度的不同，基礎(chǔ)可分為淺基礎(chǔ)和深基礎(chǔ)。 在建筑物荷載作用下，地基、基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)三部分是彼此聯(lián)系、相互影響和共同作用的，如圖1所示。設(shè)計時應(yīng)根據(jù)場地的工程地質(zhì)條件，綜合考慮地基、基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)三部分的共同作用和施工條件，并通過經(jīng)濟、技術(shù)比較，選取安全可靠、經(jīng)濟合理、技術(shù)可行的地基基礎(chǔ)方案。二、土力學(xué)的發(fā)展簡史 生產(chǎn)的發(fā)展和生活的需要，使人類早就懂得了利用土進行建設(shè)。西安半坡村新石器時代的遺址就發(fā)現(xiàn)了土臺和石礎(chǔ)；公元前兩世紀修建的萬里長城及隨后修建的京杭大運河、黃河大堤等都有堅固的地基與基礎(chǔ)。這些都說明我國人民在長期的生產(chǎn)實踐中積累了許多土力學(xué)方面的知識。 十八世紀產(chǎn)業(yè)革命以后，隨著城市建設(shè)、水利工程及道路工程的興建，推動了土力學(xué)的發(fā)展。1773年，法國的Coulomb根據(jù)實驗提出了砂土的抗剪強度公式和土壓力理論；十九世紀中葉，大規(guī)模的橋梁、鐵路和公路的建設(shè)，促進了樁基礎(chǔ)理論和施工方法的發(fā)展；1957年，英國的Rankine根據(jù)不同假設(shè)提出了土壓力理論；1885年，法國的Boussinesq求出了半無限彈性體在垂直集中力作用下應(yīng)力和變形的理論解答；1922年，瑞典的Fellenius為解決鐵路塌方問題，研究并提出了土坡穩(wěn)定分析法；直到1925年，美國土力學(xué)專家Terzaghi發(fā)表了第一本土力學(xué)專著，從此，土力學(xué)成為一門獨立的學(xué)科。 此后，隨著大量引用彈性力學(xué)的研究成果，土體變形和破壞問題的研究得到了迅速發(fā)展。1927年1955年，F(xiàn)ellenius，Taylor和Bishop等建立與完善了滑弧穩(wěn)定分析方法；1936年，Mindlin公式的提出并在樁基沉降計算中得到應(yīng)用；1943年，Terzaghi關(guān)于極限土壓力的研究并提出了承載力公式；1941年1956年，Biot固結(jié)理論的提出和完善等。 1963年，Roscoe發(fā)表了著名的劍橋模型，標(biāo)志著現(xiàn)代土力學(xué)的開端。經(jīng)過30多年的努力，現(xiàn)代土力學(xué)已逐漸趨于成熟，并在下列幾方面取得了重要進展：(1)非線性模型和彈塑性模型的深入研究和大量應(yīng)用；(2)損傷力學(xué)模型的引入和結(jié)構(gòu)性模型的初步研究；(3)非飽和土固結(jié)理論的研究；(4)砂土液化理論的研究；(5)剪切帶理論及漸進破損問題的研究；(6)土的細觀力學(xué)的研究等。 我國學(xué)者對土力學(xué)的研究始于1945年黃文熙在中央水利實驗處創(chuàng)立的第一個土工實驗室，40多年來，各方面都得到了長足的進展，取得了許多重要研究成果，為土力學(xué)的發(fā)展和完善作出了積極的貢獻。 現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展，使土力學(xué)的研究領(lǐng)域得到了明顯的擴大，如土動力學(xué)、凍土力學(xué)、月球土力學(xué)、海洋土力學(xué)等都是新興的土力學(xué)分支。三、本課程的研究內(nèi)容及學(xué)習(xí)方法 土力學(xué)是固體力學(xué)的一個分支，主要側(cè)重于對土的力學(xué)分析，是研究土在力的作用下引起的應(yīng)力、應(yīng)變、強度和穩(wěn)定性的一門學(xué)科。由于土是自然歷史的產(chǎn)物，其性狀變化很大。因此，在土力學(xué)研究過程中，除運用一般連續(xù)體力學(xué)的基本原理，還應(yīng)密切結(jié)合土的實際情況進行研究。在處理工程中的土力學(xué)問題時，不能單憑數(shù)學(xué)和力學(xué)的方法，必須通過的土的現(xiàn)場勘察及室內(nèi)土工試驗測定土的計算參數(shù)。因此，土力學(xué)是一門實踐性很強的學(xué)科。 地基與基礎(chǔ)統(tǒng)稱為基礎(chǔ)工程，基礎(chǔ)工程是研究建筑物地基與基礎(chǔ)受到上部結(jié)構(gòu)荷載作用后的性狀的，主要包括是地基的受力性狀、地基處理方法、基礎(chǔ)型式等。由于基礎(chǔ)工程為建筑物的隱蔽工程，一旦失事，不僅損失巨大，且難以補救，如圖2所示。因此，基礎(chǔ)工程的研究十分重要。 土木工程中，會遇到各種有關(guān)土的工程地質(zhì)問題。包括土作為建筑物地基、用作填筑材料及作為建筑物的介質(zhì)等三個方面。特別是軟土地基，常會遇到土質(zhì)改良、沉降及不均勻沉降等問題。為保證建筑物的安全可靠、經(jīng)濟合理和技術(shù)可行，很好地解決這些問題，必須對地基土的物理力學(xué)性質(zhì)有較深入的了解，從而提出合理的地基基礎(chǔ)方案。如以土作為填筑材料的堤、壩，常用碾壓的方法將填土壓實，以提高填土的強度，增加填土的穩(wěn)定性，這就要求研究動力作用下土的壓實性狀。 根據(jù)土力學(xué)與基礎(chǔ)工程的研究內(nèi)容，學(xué)習(xí)中力求掌握以下幾點：(1)要有工程的觀點，不僅要掌握本課程的基本原理，還應(yīng)掌握基礎(chǔ)工程的實用工藝和設(shè)計施工方法；(2)要有遵守規(guī)范的觀點，規(guī)范是工程經(jīng)驗的總結(jié)，規(guī)范是技術(shù)應(yīng)用的依據(jù)，規(guī)范是法規(guī)，應(yīng)該遵守。由于本教材涉及的規(guī)范較多，且各部門的規(guī)范又不統(tǒng)一，應(yīng)用時應(yīng)加以區(qū)分；(3) 要培養(yǎng)學(xué)生分析問題解決問題的能力，理論是實踐的基礎(chǔ)，沒有正確的理論，就沒有正確的實踐。通過對基本概念、基本理論和基本技能的培養(yǎng)，結(jié)合工程實踐，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力。第一章 土的物理性質(zhì)與工程分類 土是由固體顆粒、水和氣體組成的三相體系。其三相之間的比例關(guān)系、土的顆粒組成、大小、土的結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)造等會直接影響到其工程性質(zhì)。第一節(jié) 土的形成一、第四紀沉積物（層） 土是巖石經(jīng)過風(fēng)化、剝蝕、搬運和沉積作用形成的松散堆積物，顆粒之間沒有膠結(jié)或弱膠結(jié)，絕大部分土形成于第四紀，故稱為第四紀沉積物。二、按成因分類根據(jù)搬運和沉積方式不同，第四紀沉積物主要分為以下幾種：名稱成因特征與分布工程特征殘積土巖石風(fēng)化所形成的碎屑，殘留在原地的堆積物。顆粒粗細不均，多棱角，無分選性，無層理，其礦物成分與下伏母巖相同。殘積土厚度變化大，作為建筑物地基時，應(yīng)注意不均勻沉降。坡積土風(fēng)化產(chǎn)物在重力、雨雪水流等作用下，沿斜坡移動，沉積在坡面和坡腳的堆積物。坡積土自坡面至坡腳，顆粒由粗到細，表現(xiàn)出輕微的分選性，其礦物成分與下伏母巖無關(guān)。厚度變化大，薄者僅數(shù)厘米，厚者可達數(shù)十米。常沿下伏巖層斜面滑動，顆粒粗細變化大、土質(zhì)不均，其強度及壓縮性差異也較大，為不良地基土。洪積土由山洪暴雨和大量融雪形成的暫時性洪水，把大量殘積土、坡積土剝蝕、搬運到山谷或山麓平原沿途堆積而成。洪積土呈扇形分布，土顆粒從近到遠由粗變細，表現(xiàn)出一定的分選性，因搬運距離不遠，顆粒磨圓度較差，土中常有不規(guī)則交替層理構(gòu)造，并具有夾層、尖滅或透鏡體等。山洪不規(guī)則周期性暴發(fā)所形成的堆積物各不相同。一般離山前較近的洪積土強度較高，是較好地基。離山前較遠地段，洪積物顆粒較細，成分均勻，厚度大，是較好地基。在過渡地段，常為寬廣的沼澤，是不良地基。沖積土河流流水的作用將兩岸巖石及上覆殘積、坡積、洪積土剝蝕后搬運、沉積在河流坡降平緩地帶形成的堆積物。具有明顯的層理構(gòu)造和分選性，加上水中長距離搬運時的碰撞和摩擦，沖積土中的粗顆粒有較好的磨圓度。河流上游土顆粒較粗，下游的顆粒較細。在河流上游修建水工建筑物時，應(yīng)考慮滲透和滲透變形問題。對于河流下游的建筑物，常要沉降和穩(wěn)定等問題。風(fēng)積土 由風(fēng)力搬運形成的堆積物。我國西北地區(qū)廣泛分布的黃土是一種典型的風(fēng)積土。其主要特征是組成黃土的顆粒十分均勻，以粉粒為主，沒有層理，有肉眼可以分辨的大孔隙，垂直裂隙發(fā)育，能形成直立的陡壁。黃土在干燥條件下有較高的承載力和較小的變形，但遇水后會產(chǎn)生濕陷，變形顯著增大。因此，黃土地區(qū)修建水工建筑物應(yīng)當(dāng)謹慎。第二節(jié) 土的組成 土與連續(xù)的固體物質(zhì)不同，是一種松散顆粒堆積物，固體顆粒（固相）構(gòu)成了土的骨架，水和氣體為粒間孔隙的充填物。各相屬性及三相關(guān)系對土的工程性質(zhì)有重要影響。一、土的固相(一)土的礦物成分：土是巖石風(fēng)化的產(chǎn)物，土顆粒的礦物成分取決于成土母巖的成分和風(fēng)化作用的類型。土中礦物顆粒的成分根據(jù)形成條件可分為原生礦物和次生礦物。名稱成因礦物成分特征原生礦物巖漿在冷凝過程中形成。石英、長石、云母、角閃石、輝石等是母巖物理風(fēng)化的產(chǎn)物，礦物成分與母巖相同，如漂石、卵石、圓礫等顆粒較粗，性質(zhì)穩(wěn)定，吸水能力很弱，無塑性。次生礦物原生礦物進一步因氧化、水化、水解及溶解等化學(xué)風(fēng)化作用后形成。高嶺石、綠泥石、方解石、石膏等顆粒極細，種類很多，以晶體礦物為主。如粘土礦物的基本構(gòu)成單元為硅氧晶片和鋁氫氧晶片。粘土礦物具有顆粒小，呈片狀，比表面積大，吸水能力強，具塑性，性質(zhì)活潑等特點。 四面體和八面體的不同組合堆疊重復(fù)，形成了具有不同性質(zhì)的各種粘土礦物，其代表礦物有高嶺石，伊利石，蒙脫石。原生礦物中，其吸水膨脹和失水收縮性，蒙脫石最顯著，伊利石次之，高嶺石最差。（二）土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造1.土的結(jié)構(gòu)：指土顆粒的大小、形狀、排列及聯(lián)結(jié)方式等所表現(xiàn)出的綜合特征。它對土的物理力學(xué)性質(zhì)有重要影響。土的主要結(jié)構(gòu)類型及其性質(zhì)如下表。名稱成因和特點分 布工程特性單粒結(jié)構(gòu)(見圖1-2a)粗顆粒在沉積過程中受重力控制，粒間以點接觸為主，土粒間的分子吸引力較小，顆粒間幾乎沒有聯(lián)結(jié)，偶爾可能具有微弱的毛細水聯(lián)結(jié)。單粒結(jié)構(gòu)主要存在于由礫、砂等所組成的粗粒土中。緊密結(jié)構(gòu)：在外載作用下壓縮性小，承載力較高，是良好的天然地基。疏松結(jié)構(gòu)：骨架不穩(wěn)定，當(dāng)受震動或其它外力時，會產(chǎn)生很大變形，未經(jīng)處理一般不宜作為建筑物地基。蜂窩結(jié)構(gòu)(見圖1-2b)粉粒在水中下沉?xí)r，基本上以單個土粒下沉，當(dāng)碰到已沉土粒時，由于粒間的相互引力大于重力，土粒就停留在最初的位置不再下沉，形成具有較大孔隙的蜂窩結(jié)構(gòu)。出現(xiàn)在由粉粒(0.050.005mm)為主的細粒土中?？紫洞?、壓縮性高、強度低，土粒之間的聯(lián)結(jié)強度(結(jié)構(gòu)強度)在長期壓密影響下有所提高。絮凝結(jié)構(gòu)(見圖1-2c)粘粒能在水中長期懸浮不下沉。當(dāng)懸浮粘粒被帶至濃度較大電解質(zhì)中(如海水)時，粘粒凝聚成絮狀集合體下沉，并和先期下沉的絮狀集合體接觸，形成如絨絮一樣的絮凝結(jié)構(gòu)。多見于由粘粒(粒徑d200透水性大，無粘性，無毛細水。卵石或碎石顆粒20060透水性大，無粘性，無毛細水。粗粒組圓礫或角礫顆粒602透水性大，無粘性，毛細上升高度很小。砂粒20.075易透水，當(dāng)混入云母等雜物時，透水性減小，壓縮性增加；無粘性，遇水不膨脹，干燥時松散；毛細上升高度小，隨粒徑變小而增大。細粒組粉粒0.0750.005透水性小；濕時稍有粘性，遇水不膨脹，干時稍有收縮；毛細上升高度較大且較快，極易出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象。粘粒0.005透水性很??；濕時有粘性，可塑性，遇水膨脹大，干時收縮顯著；毛細上升高度大，且速度較慢。2.土的級配：土的級配是指土中各粒組相對含量的組成 一、定義 土的級配是指土中各粒組相對含量的組成。粒組的相對含量是通過顆粒分析試驗測定的，土的顆粒分析試驗主要有篩分析法和比重計法。 篩分析法適用于粒徑大于0.075mm的粗粒土，試驗時取一定量的風(fēng)干、分散土樣放在一套標(biāo)準(zhǔn)篩(孔徑為2.0、1.0、0.5、0.25、0.15、0.075mm)上震蕩一定時間后，稱出留在各篩孔上土的質(zhì)量，即可算得各個粒組的相對含量。 比重計法是根據(jù)Stokes原理，測定粒徑小于0.075mm的細粒土中各個粒組的相對含量。通常兩種試驗方法需聯(lián)合使用。2）土的級配曲線 顆粒分析試驗的結(jié)果，可以繪制出如圖1-3所示的級配曲線。其橫坐標(biāo)表示粒徑，因為土粒粒徑相差甚大，用普通標(biāo)難以表示，常采用對數(shù)坐標(biāo)。縱坐標(biāo)表示小于某粒徑土粒的百分含量。 土的級配曲線有兩種用途：(1)評價土的級配好壞并藉此選擇土料；(2)利用級配曲線對粗粒土進行分類。 不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc兩個指標(biāo)反映了土顆粒分布的均勻程度，其定義式為：式中：d10、d30、d60分別為級配曲線上顆粒含量小于10%、30%和60%的粒徑（mm）。工程上，將d10稱為有效粒徑，d60稱為控制粒徑。 Cu值愈大，表示級配曲線愈平緩，土粒粒徑分布范圍愈廣，土粒愈不均勻，土愈易于壓實； Cu值愈小，級配曲線愈陡峻，土粒粒徑分布范圍愈狹窄，土粒愈均勻，土愈不易壓實。 通常情況下，不均勻系數(shù)可以反映土的級配好壞，但無法反映土粒粒徑的連續(xù)狀況，如土中缺乏中間粒徑，在級配曲線表現(xiàn)為臺階狀（圖1-3中c線），這時僅用不均勻系數(shù)來反映，就可能得出錯誤的結(jié)論，此時，曲率系數(shù)Cc能反映土中顆粒之間的搭配好壞。 Cu5土的級配好壞需用不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)共同加以判別，同時滿足Cc=13的土，級配是良好的，用作填土用料，可得到較高的密實度； 不能同時滿足上述條件的土，稱為級配不良的土。二、土的液相結(jié)合水 液態(tài)水：土中液態(tài)水指存在于土體孔隙中的水，可分為自由水 土中水的存在形式固態(tài)水：根據(jù)對土工程性質(zhì)的影響，固態(tài)水可作為土礦物顆粒的一部分。氣態(tài)水：氣態(tài)水作為土中氣體的一部分。（一）結(jié)合水 1 、定義：粘土顆粒表面通常帶負電荷，在土粒電場范圍內(nèi)，極性分子的水和水溶液中的陽離子，在靜電引力作用下，被牢牢吸附在土顆粒周圍，形成一層不能自由移動的水膜，這種水稱為結(jié)合水，如圖1-4所示。（見武工大編P9，圖2-8）2、分類在土粒形成的電場范圍內(nèi)，隨著距離土顆粒表面的遠近不同，水分子和水化離子的活動狀態(tài)及表現(xiàn)性質(zhì)也不相同。根據(jù)水分子受到靜電引力作用的大小，結(jié)合水分為強結(jié)合水定義： 指緊靠粘土顆粒表面的水，顆粒表面的靜電引力最強，把水化離子和極性水分子牢固地吸附在顆粒表面，形成固定層。性質(zhì)：近于固體，不能傳遞靜水壓力，具有極大的粘滯性、彈性和抗剪強度，熔點：105左右時。當(dāng)粘土中只含強結(jié)合水時，粘土呈固體狀態(tài)，磨碎后呈粉末狀態(tài)。2）.弱結(jié)合水定義：弱結(jié)合水位于強結(jié)合水的外圍，仍受到一定程度的靜電引力作用，占有結(jié)合水膜的大部分。性質(zhì)：呈粘滯體狀態(tài)。不能傳遞靜水壓力，但當(dāng)相鄰?fù)令w粒水膜厚度不等時，水能從水膜較厚的顆粒移向水膜較薄的顆粒。當(dāng)土中含有較多的弱結(jié)合水時，即表現(xiàn)為高塑性、易膨脹收縮性、低強度和高壓縮性。結(jié)合水在土中的含量主要取決于土的比表面的大小。要理解水的相互作用關(guān)系，才能掌握土的工程性質(zhì)。例1：粘土礦物的顆粒細，比表面大，能大量吸附結(jié)合水。結(jié)合水使粒間透水的孔隙大為縮小，甚至充滿，導(dǎo)致粘性土透水性差。另外，存在的結(jié)合水使顆?；ゲ唤佑|，便具有滑移的可能；同時相鄰?fù)亮ｉg的結(jié)合水因受顆粒引力的吸附，使粒間具有一定的聯(lián)結(jié)強度，所以粘性土又具有粘性和可塑性。例2：砂粒、礫石等，顆粒粗，比表面小，孔隙大，孔隙水中結(jié)合水的數(shù)量可忽略不計。故粗粒土的性質(zhì)主要取決于土粒的形狀、級配和排列方式（結(jié)構(gòu)）。(二)自由水：1定義：指存在于土粒形成的電場范圍以外能自由移動的水。2性質(zhì)：和普通水相同，有溶解能力，能傳遞靜水壓力。3分類：按自由水移動時所受作用力的不同，自由水可分為1）重力水定義：指在重力或壓力差作用下，能在土中自由流動。性質(zhì)：一般指地下水位以下的透水土層中的地下水，它對土粒有浮力作用。重力水直接影響土的應(yīng)力狀態(tài)，并應(yīng)注意建筑物的防滲要求和基坑（槽）開挖時采取降（排）水措施。2.毛細水定義：指受到水與空氣交界面處表面張力作用的自由水。性質(zhì)：存在于地下水位以上的透水層中，毛細水上升高度對建筑物底層的防潮有重要影響。當(dāng)土孔隙中局部存在毛細水時，使土粒之間由于毛細壓力互相靠近而壓緊（圖1-5），土因此會表現(xiàn)出微弱的凝聚力，稱為毛細凝聚力。如這種凝聚力的存在，使潮濕砂土能開挖成一定的高度，但干燥以后，就會松散坍塌。三、土的氣相土中的氣體存在于土孔隙中未被水占據(jù)的部分。第三節(jié) 土的物理性質(zhì)指標(biāo)土的三相組成比例關(guān)系，能直接反映土的狀態(tài)和物理力學(xué)性質(zhì)，間接反映土的工程性質(zhì)。土的物理性質(zhì)指標(biāo)中：一種是可以通過試驗直接測定，稱為實測指標(biāo)（試驗指標(biāo)），僅有一種是可通過實測指標(biāo)進行推算的，稱為換算指標(biāo)，包括孔隙比、孔隙率、飽和度、飽和密度、有效密度和干密度等。首先用土的三相圖來表示土的組成。一、試驗指標(biāo)1.土粒比重土粒比重定義為土粒質(zhì)量與同體積4時純水的質(zhì)量的比值，即:土粒比重數(shù)值一般為2.62.8，決定于土的礦物成分，變化較小，可參考表1-2取值。土粒比重常用比重瓶法測定，土粒質(zhì)量用天平測出，土粒的體積就是土粒排開水的體積。表1-2常見土粒比重土的名稱砂土粉土粘 性 土有機質(zhì)體泥 炭粉質(zhì)粘土粘土土粒比重2.652.692.702.712.722.732.742.762.42.51.51.82.含水率土中水的質(zhì)量與土粒質(zhì)量的比值，稱為土的含水率，以百分比計。天然土層的含水率變化范圍很大，含水率大小與土類、埋藏條件及所處的自然環(huán)境有關(guān)。含水率是標(biāo)志土的濕度的一個重要物理指標(biāo)。對于同一類土，土的含水率高，其力學(xué)性質(zhì)就差。土顆粒愈粗，含水率對土的性質(zhì)的影響就愈小。土的含水率一般采用烘干法測定，就是稱取一定質(zhì)量的試樣，放入烘箱內(nèi)，保持恒溫105110，直至恒重后，稱取干土質(zhì)量，從而求出水和干土的質(zhì)量，兩者的比值即為含水率。對有機質(zhì)含量超過5%的土，應(yīng)將溫度控制在6570的恒溫下烘至恒重。3.土的密度(土的重度) 土的密度定義為單位土體體積中土體的質(zhì)量，土的密度，也稱為天然密度。 工程中常用的重度與密度的關(guān)系為：=g(下同)。的單位是kN/m3，的單位是g/cm3；g是重力加速度，g=9.8m/s2，為簡便計算，工程中常取值10 m/s2。 土的密度試驗常用環(huán)刀法測定，將一質(zhì)量和體積都已知的環(huán)刀垂直切入土中，取出后，削平土樣兩端，測定土樣的質(zhì)量，即可求出土的密度。二、換算指標(biāo) 由于土所處的環(huán)境和狀態(tài)不同，表示土單位體積質(zhì)量的指標(biāo)除天然密度外，還有飽和密度sat和浮密度。1.干密度 土的干密度定義為單位土體體積中土粒的質(zhì)量 干密度的大小能反映土體的密實程度，工程中常以干密度作為填土夯實質(zhì)量的控制指標(biāo)，干密度常見數(shù)值為1.41.7g/cm3。2.飽和密度 飽和密度定義為土體孔隙中充滿水時單位土體體積中土體的質(zhì) 土的飽和密度常見數(shù)值為1.82.2g/cm3。3.浮密度 浮密度定義為單位土體體積中土粒質(zhì)量與同體積水的質(zhì)量之差 地下水位以下，土粒受到水的浮力作用，單位體積中土粒的有效重力即土的浮重度，亦稱土的有效重度。4.孔隙比 孔隙比定義為土體中孔隙體積與土顆粒體積的比值，常以小數(shù)表示孔隙比是反映土顆粒間緊密程度的指標(biāo)之一，其數(shù)值愈小，說明土粒之間連結(jié)愈緊密；反之，則愈疏松。一般情況下，e1.0的土是松散的，壓縮性大。5.孔隙率孔隙率土中孔隙的體積與土體總體積的比值，常以百分數(shù)表示，即:孔隙率也能反映土顆粒間的緊密程度。6.飽和度飽和度定義為土體孔隙中水的體積與孔隙體積之比，常以百分數(shù)表示Sr50%稍濕；50%80%飽和。上述劃分方法適用于中、粗砂，對于粉、細砂，只有當(dāng)Sr90%時，才認為是飽和的。三、指標(biāo)間的相互換算關(guān)系各物理性質(zhì)指標(biāo)都是量的相互比例關(guān)系。因此，就可以通過一些指標(biāo)間相互比例關(guān)系進行計算，得到另一些指標(biāo)。1.孔隙比與三個試驗指標(biāo)間的換算關(guān)系如圖1-7所示，令Vs=1，則Vv=e，V=1+e，ms=wGs，ms=wGs，m=(1+)wGs，由土的密度、含水率、土粒比重、孔隙比的定義可推得:2.干密度與土的密度、含水率間的換算關(guān)系如圖1-7所示，令V=1，則mw=d，ms=s，m=(1+)s，由干密度、土的密度、含水率的定義可推得:3.飽和密度與土粒比重、孔隙比間的換算關(guān)系同樣，令Vs=1，由飽和密度、土粒比重、孔隙比的定義可推得:4.浮密度與飽和密度間的換算關(guān)系由浮密度和飽和密度的定義可推得:=sat-w(1-15)5.孔隙率與孔隙比間的換算關(guān)系同樣，令Vs=1，則Vv=e，V=1+e，由孔隙率和孔隙比的定義可推得:6.飽和度與土粒比重、含水率、孔隙比間的換算關(guān)系由飽和度、土粒比重、含水率、孔隙比的定義可推得:無粘性土密實度一、定義：無粘性土主要指砂土和碎石類土。二、無粘性土性質(zhì)無粘性土的工程性質(zhì)主要與密實度有關(guān)，取決于顆粒粒徑及其級配。當(dāng)處在密實狀態(tài)時，壓縮性小，強度高，可作為天然地基；當(dāng)處在松散狀態(tài)時，壓縮性高，強度低，是一種軟弱地基。尤其是飽和粉細砂，穩(wěn)定性很差，容易產(chǎn)生流砂，在震動荷載作用下，會產(chǎn)生液化。三、密實度的評價指標(biāo)孔隙比根據(jù)天然狀態(tài)下孔隙比e的大小，將土劃分為稍松、中等密實和密實三種。相對密度但孔隙比相同也并不代表密實程度相同，在工程上一般采用相對密度Dr來評價無粘性土的密實度，它考慮了顆粒形狀、大小和級配等影響因素。其表達式為：當(dāng)Dr =0時，e=emax，說明土處于最松散狀態(tài)； ，可用漏斗法和量筒法測定。當(dāng)Dr =1時，e=emin，說明土處于最密實狀態(tài)；，可用振動錘擊法測定。根據(jù)Dr值可把土的密實度狀態(tài)分為下列三種：1Dr 0.67密實的；0.67Dr 0.33中密的；0.33Dr 0松散的。相對密度試驗適用于顆粒粒徑小于5mm且透水性好的土，標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)由于原狀試樣（尤其是地下水位以下的飽和砂樣）難以取得，土的天然干密度難以準(zhǔn)確確定。對此，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范（GBJ7-89）中規(guī)定，砂土的密實度應(yīng)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)來劃分，見表1-4。表1-4砂土密實度的劃分砂土密實度松散稍密中密密實N1010N151530標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗是用規(guī)定的錘重（63.5kg）和落距（76cm）把標(biāo)準(zhǔn)貫入器打入土層中，記錄每貫入30cm深度所用的錘擊數(shù)N的一種原位測試方法。粘性土的物理特性粘性土的性質(zhì)1土顆粒極細，比表面積很大，具有可塑性，其工程性質(zhì)與土的含水率關(guān)系密切。土的含水率小，則強度高，壓縮性低；含水率大，則強度低，壓縮性高。2含水率差異的一種外在表現(xiàn)是土的軟硬程度不同。隨著的不同，粘性土將分別處于：固體狀態(tài)、半固體狀態(tài)、可塑狀態(tài)、流動狀態(tài)隨含水率增加上述四種狀態(tài)及其特性如圖1-8所示。粘性土由一種狀態(tài)轉(zhuǎn)入另一狀態(tài)時的分界含水率，稱為土的界限含水率。常用的界限含水率有三個：1. 液性界限（液限）L土由流動狀態(tài)變成可塑狀態(tài)的界限含水率，又稱為塑性上限含水率；2. 塑性界限（塑限）p土由可塑狀態(tài)變成半固體狀態(tài)的界限含水率，又稱塑性下限含水率；3. 收縮界限（縮限）s土由半固體狀態(tài)變成固體狀態(tài)的界限含水率，即粘性土隨著含水率的減小體積開始不變的含水率。土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)（GB/T501231999）中界限含水率的試驗方法：1.碟式液限儀法測定粘性土的液限（見四校合編P29，圖1-23）2.搓滾法測定粘性土的塑限：是將接近塑限的試樣，先用手搓成橢圓形，然后用手掌在毛玻璃板上滾搓成細條，當(dāng)細條直徑達3mm時，產(chǎn)生裂縫并開始斷裂，這時土條的含水率定為塑限。以上兩種方法系手工操作，人為因素較大，對試驗精度有一定的影響。3.聯(lián)合試驗法用儀器測定粘性土的液限和塑限：測定不同含水率所對應(yīng)圓錐儀的下沉深度，圓錐下沉深度和含水率的關(guān)系繪在雙對數(shù)坐標(biāo)紙上成直線，將直線上圓錐下沉深度為17mm處的相應(yīng)含水率定為液限，下沉深度為2mm處相應(yīng)的含水率定為塑限。如圖1-9所示。4.收縮皿法測定土的縮限：把含水率調(diào)制到大于液限的土料填實到一定容積的容器，烘干后測出干試樣的體積，按下式求得土的縮限:二、塑性指數(shù)與液性指數(shù)（一）塑性指數(shù)塑性指數(shù)為液限與塑限的差，用Ip表示，即 1它表示粘性土處于可塑狀態(tài)時含水量的變化范圍，習(xí)慣上用不帶%號的數(shù)值表示。 2塑性指數(shù)愈大，土顆粒愈細，粘粒含量愈多，比表面和結(jié)合水含量愈高。 3塑性指數(shù)的大小還與土粒的礦物成分有關(guān)，當(dāng)粘粒中主要成分為蒙脫石時，塑性指數(shù)較高；當(dāng)粘粒中主要成分為高嶺石時，塑性指數(shù)相對較低。 4土的塑性指數(shù)是成分一定時土的固有屬性，當(dāng)土的組成確定以后，塑性指數(shù)值可視為常數(shù)，與土的天然含水率無關(guān)。因此，工程上常用塑性指數(shù)對粘性土進行分類。 （二）液性指數(shù) 液性指數(shù)粘性土的天然含水率和塑限的差值與塑性指數(shù)比值，即1液性指數(shù)是表征粘性土軟硬狀態(tài)的指標(biāo)，IL以小數(shù)表示。2從上式可知， 當(dāng)土的天然含水率p時，Il小于0，土處于堅硬狀態(tài)； 當(dāng)大于l時，Il1，土處于流動狀態(tài)； 當(dāng)介于p與l之間時，Il介于01之間，土處于可塑狀態(tài)。 3因此， IL值愈大，土質(zhì)愈軟，IL值愈小，土質(zhì)愈硬。建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范規(guī)定：根據(jù)液性指數(shù)Il的大小，粘性土的狀態(tài)可分為： Il0堅硬狀態(tài)； 0Il0.25硬塑狀態(tài)； 0.25Il0.75可塑狀態(tài)； 0.751.0流塑狀態(tài)。第六節(jié) 土的工程分類 本節(jié)將介紹我國現(xiàn)行的水利部土工試驗規(guī)程（SL237-1999）及國家建委建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范(GBJ7-89)中土的分類。 一、土工試驗規(guī)程分類法 按照該體系分類時，首先應(yīng)判別天然土屬有機土還是無機土。 有機質(zhì)含量大于10%（Ou10%）的土為有機土；有機土沒有固定粒徑，由分解的或部分分解的動植物殘骸和無定形物質(zhì)所組成，呈黑色、青黑色或暗色，有臭味；手觸有彈性和海綿感。典型的有機土如泥炭等。 有機質(zhì)含量5%Ou10%時，為有機質(zhì)土； 有機質(zhì)含量小于5%（Ou5%）就屬無機土。工程上遇到的土絕大部分屬無機土。 (一)土類代號及構(gòu)成 1.土類基本代號 漂石、塊石(B)；卵石、碎石(Cb)；礫、角礫(G)；砂(S)；粉土(M)；粘土(C)；細粒土(C、M合稱) (F)；混合土(粗、細土合稱)(SI)，；有機質(zhì)土(O)；黃土(Y)；膨脹土(E)；紅粘土(R)；鹽漬土(St)；級配良好(W)；級配不良(P)；高液限(H)；低液限(L)。 2.代號構(gòu)成 （1）1個代號表示土的名稱，如：C粘土；M粉土。 （2）2個代號構(gòu)成時，第1個代號表示土的主成分，第2個代號表示土的特性指標(biāo)(土的液限或級配)。如：ML低液限粉土；SW級配良好砂。 （3）由3個代號構(gòu)成時，第1個代號表示土的主成分，第2個代號表示土的特性指標(biāo)(土的液限或級配)，第3個代號表示土中所含次要成分。如：CLG含礫低液限粘土 (二)粗粒土的分類 1、定義：粗粒土是試樣中粗粒組含量大于的總質(zhì)量50%的土。 2、性質(zhì)：粗粒土沒有粘性，常稱為無粘性土，其性質(zhì)由土粒級配控制。粗粒土透水性強，易于壓實，基本不受含水狀態(tài)的影響。 3、分類：粗粒土的分類列于表1-5。表1-5粗粒土的分類土 類定名粒組含量土代號土名稱礫類土（礫粒組含量50%總質(zhì)量）礫細粒組含量小于5%級配：Cu，CcGW