第四講土的組成和物理性質(zhì)一、內(nèi)容提要：本講主要講述土的三相組成和三相指標(biāo)、土的礦物組成和顆粒級(jí)配、土的結(jié)構(gòu)、粘性土的界限含水量、塑性指數(shù)、液性指數(shù)、砂土的相對(duì)密實(shí)度、土的最佳含水量和最大干密度、土的工程分類二、重點(diǎn)、難點(diǎn)：土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的計(jì)算一、土的三相組成土是由固體顆粒、水和氣體三部分組成的，通常稱為土的三相組成。隨著三相物質(zhì)的質(zhì)量和體積的比例不同，土的性質(zhì)也將不同。【例題1】土的三相組成中不包括的部分是（）。水B.氣體C.固體顆粒D.礦物成分答案：D（一）土的固相土的固相物質(zhì)包括無機(jī)礦物顆粒和有機(jī)質(zhì)，是構(gòu)成土的骨架最基本的物質(zhì)，稱為土粒。對(duì)土粒應(yīng)從其礦物成分、顆粒的大小和形狀來描述。土的礦物成分土中的礦物成分可以分為原生礦物和次生礦物兩大類。原生礦物是指巖漿在冷凝過程中形成的礦物，如石英、長(zhǎng)石、云母等。次生礦物是由原生礦物經(jīng)過風(fēng)化作用后形成的新礦物，如三氧化二鋁、三氧化二鐵、次生二氧化硅、粘土礦物以及碳酸鹽等?！纠}2】在下列各類礦物中，屬于次生礦物的是（）。石英B.長(zhǎng)石C.云母D.蒙脫石答案：D土的粒度成分（顆粒級(jí)配）天然土是由大小不同的顆粒組成的，土粒的大小稱為粒度。工程上常用不同粒徑顆粒的相對(duì)含量來描述土的顆粒組成情況，這種指標(biāo)稱為粒度成分。(1)土的粒組劃分工程上常把大小相近的土粒合并為組，稱為粒組。粒組間的分界線是人為劃定的，劃分時(shí)應(yīng)使粒組界限與粒組性質(zhì)的變化相適應(yīng)，并按一定的比例遞減關(guān)系劃分粒組的界限值。對(duì)粒組的劃分，我國(guó)有關(guān)規(guī)范均將砂粒粒組與粉粒粒組的界限為0.075mm。其余粒組劃分標(biāo)準(zhǔn)可參見《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021-2001)和《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》(GBJl45-90)等。(2)粒度成分及其表示方法土的粒度成分是指土中各種不同粒組的相對(duì)含量(以干土質(zhì)量的百分比表示)，它可用以描述土中不同粒徑土粒的分布特征。S15-4U土的3R計(jì)曲建常用的粒度成分的表示方法是累計(jì)曲線法，也稱顆分曲線法，它是一種圖示的方法，通常用半對(duì)數(shù)紙繪制，橫坐標(biāo)(按對(duì)數(shù)比例尺)表示某一粒徑，縱坐標(biāo)表示小于某一粒徑的土粒的百分含量，如圖15-4-1所示。在累計(jì)曲線上，可確定兩個(gè)描述土的級(jí)配的指標(biāo)：不均勻系數(shù)Cl，(1341)曲率系數(shù)(15-42)

式中山曰山口-dm分別相當(dāng)于累計(jì)百分含量為10^、30z和仞x的粒徑，d頂稱為有效粒徑，羸稱為限定粒徑口不均勻系數(shù)匕反映太小不同粒蛆的分■布情況，的土禰為勻粒土，皤配不良；越大，表示粒貌分布范圍比較廣』CKD的土郵配良虬但如6過大，表示可能缺失中間粒徑，屈不連續(xù)綴配』故需同時(shí)用曲率系數(shù)C來評(píng)價(jià)口曲率系數(shù)則是描述累計(jì)曲批整體形狀的指標(biāo)口（3）粒度成分測(cè)定方法對(duì)于粗粒土可以采用篩分法，而對(duì)于細(xì)粒土（粒徑小于0.075mm）則必須用沉降分析法測(cè)定其粒度成分。篩分法是用一套不同孔徑的標(biāo)準(zhǔn)篩把各種粒組分離出來的方法。沉降分析法是根據(jù)土粒在懸液中沉降的速度與粒徑的平方成正比的司篤克斯公式來確定各粒組相對(duì)含量的方法?！纠}3】粗粒土與細(xì)粒土的粒徑界限是（）。A.2mmB.0.25mmC.0.075mm【例題3】粗粒土與細(xì)粒土的粒徑界限是（）。A.2mmB.0.25mmC.0.075mmD.0.05mm答案：C【例題4】在土體粒度成分的表示方法當(dāng)中稱為有效粒徑的是(①)稱為限定粒徑的【例題4】在土體粒度成分的表示方法當(dāng)中稱為有效粒徑的是(①)稱為限定粒徑的是（②）。A.d10d30d50A.d10d30d50D.d60答案：①A；③D【例題5】對(duì)于砂土，當(dāng)確定其粒度成分時(shí)采用的測(cè)定方法為）。A.篩分法B.沉降分析法C.三軸試驗(yàn)D.直剪試驗(yàn)答案：A【例題6】某土的Cu=1~3,下列判斷正確的是（）?！纠}5】對(duì)于砂土，當(dāng)確定其粒度成分時(shí)采用的測(cè)定方法為）。A.篩分法B.沉降分析法C.三軸試驗(yàn)D.直剪試驗(yàn)答案：A【例題6】某土的Cu=1~3,下列判斷正確的是（）。A.可以認(rèn)為該土的粒徑變化連續(xù)性好，填料中不缺失某種粒徑含量;B.可以認(rèn)為該土的粒徑變化連續(xù)性不好，填料中缺失某種粒徑含量;C.可以認(rèn)為該土的粒徑變化連續(xù)性好，該土的級(jí)配良好;D.可以認(rèn)為該土的粒徑變化連續(xù)性不好，級(jí)配不良;答案：A土的液相是指存在于土孔隙中的水。按照水與土相互作用程度的強(qiáng)弱，可將土中水分為結(jié)合水和自由水兩大類。結(jié)合水是指處于土顆粒表面水膜中的水，它因受到表面引力的控制而不服從靜水力學(xué)規(guī)律，其冰點(diǎn)低于零度。結(jié)合水又可分為強(qiáng)結(jié)合水和弱結(jié)合水。強(qiáng)結(jié)合水在最靠近土顆粒表面處，水分子和水化離子排列得非常緊密，以致其密度大于1，并有過冷現(xiàn)象，即溫度降到零度以下不發(fā)生凍結(jié)的現(xiàn)象。在距離土粒表面較遠(yuǎn)地方的結(jié)合水稱為弱結(jié)合水，由于引力降低，弱結(jié)合水的水分子的排列不如強(qiáng)結(jié)合水緊密，弱結(jié)合水可能從較厚水膜或濃度較低處緩慢地遷移到較薄的水膜或濃度較高處，亦即可從一個(gè)土粒遷移到另一個(gè)土粒，這種運(yùn)動(dòng)與重力無關(guān)，這層不能傳遞靜水壓力的水定義為弱結(jié)合水。自由水包括毛細(xì)水和重力水。毛細(xì)水不僅受到重力的作用，還受到表面張力的支配，能沿著土的細(xì)孔隙從潛水面上升到一定的高度。這種毛細(xì)上升對(duì)于公路路基土的干濕狀態(tài)及建筑物的防潮有重要影響。重力水在重力或壓力差作用下能在土中滲流，對(duì)于土顆粒和結(jié)構(gòu)物都有浮力作用，在土力學(xué)計(jì)算中應(yīng)當(dāng)考慮這種滲流及浮力的作用力。【例題7】在土的液相中，冰點(diǎn)最低的是（）。強(qiáng)結(jié)合水B.弱結(jié)合水C.毛細(xì)水D.重力水答案：A（三）土的氣相土的氣相是指充填在土的孔隙中的氣體，包括與大氣連通的和不連通的兩類。與大氣連通的氣體對(duì)土的工程性質(zhì)沒有多大的影響，它的成分與空氣相似，當(dāng)土受到外力作用時(shí)，這種氣體很快從孔隙中擠出；但是密閉的氣體對(duì)土的工程性質(zhì)有很大的影響，密閉氣體的成分可能是空氣、水汽或天然氣。在壓力作用下這種氣體可被壓縮或溶解于水中，而當(dāng)壓力減小時(shí)，氣泡會(huì)恢復(fù)原狀或重新游離出來。含氣體的土稱為非飽和土，非飽和土的工程性質(zhì)研究已成為土力學(xué)的一個(gè)新分支?！纠}8】下列關(guān)于土的氣相的敘述，正確的選項(xiàng)為（）。當(dāng)土受到外力作用時(shí)，土中的氣體會(huì)被很快從孔隙中排出；當(dāng)土受到外力作用時(shí)，與大氣連通的氣體會(huì)被從孔隙中排出，密閉的氣體可被壓縮;當(dāng)土受到外力作用時(shí)，對(duì)于密閉的氣體不能被壓縮;對(duì)于飽和土而言，土內(nèi)的氣體僅存在密閉的氣體;答案：B急二、土的三相比例指標(biāo)土的三相物質(zhì)在體積和質(zhì)量上的比例關(guān)系稱為三相比例指標(biāo)。三相比例指標(biāo)反映了土的干燥與潮濕、疏松與緊密，是評(píng)價(jià)土的工程性質(zhì)的最基本的物理性質(zhì)指標(biāo)，也是工程地質(zhì)勘察報(bào)告中不可缺少的基本內(nèi)容。134-2土的三相圖3狹際土悻iW土的三相05,h)《相的疏■與體程推導(dǎo)土的三相比例指標(biāo)時(shí)可采用圖15-4-2所示的三相圖。圖15-4-2(c)中土樣的體積V為土中空氣的體積Va、水的體積Vw和土粒的體積Vs之和；土樣的質(zhì)量g為土中空氣的質(zhì)量ga水的質(zhì)量gw和土粒的質(zhì)量gs之和；由于空氣的質(zhì)量可以忽略，故土樣的質(zhì)量g可用水和土粒質(zhì)量之和(gw+gs)表示。三相比例指標(biāo)可分為兩種，一種是試驗(yàn)指標(biāo)；另一種是換算指標(biāo)。(一)試驗(yàn)指標(biāo)通過試驗(yàn)測(cè)定的指標(biāo)有土的密度、土粒密度和含水量。土的密度P土的密度是單位體?積土的質(zhì)重，設(shè)土的體?積為磯質(zhì)重為g,則土的密度尸可由下式表示/）=—（15-4-3a）土的密度常用環(huán)刀法測(cè)定，其單位是g/cm3,一殷土的密度為1.句?■nClg/當(dāng)采用國(guó)際單位制計(jì)算重力W時(shí)，由土的質(zhì)重產(chǎn)生的單位體積的重力稱為重力密度7,簡(jiǎn)稱為重度（kN/m）,即/=pg=10/J（154外）對(duì)天然土求得的密度稱為天然密度，相應(yīng)的重度稱為天然重度。土粒降度巳土粒密度是干土檢的質(zhì)重與其體秋之比，即刈=亨（15-4-4）土粒密度的單位是g/cm^其值可由比重試驗(yàn)求得。土粒密度主要取決于土礦物成分，不同土美的土粒密度斐優(yōu)幅度不大，在有經(jīng)驗(yàn)的地區(qū)可按經(jīng)驗(yàn)值選用。土粒相對(duì)密度（比重）曲是指土的放童與4E時(shí)同體積水的質(zhì)量之比，其值與土粒密度相同，但沒有單位，在用作土的三相指標(biāo)計(jì)算時(shí)必須乘以水的密度值才能平衡量颯。土的含水重w土的含水重是土中水的質(zhì)量剖與固體■（土粒）質(zhì)童器之比，由下式表示Mw-—>=100^（15-4-5）含水量通常以百分?jǐn)?shù)表示。含水量常用烘干法測(cè)定，它是描述土的干濕程度的重要指標(biāo)。土的天然含水量變化范圍很大，從干砂的含水量接近于零到蒙脫土的含水量可達(dá)百分之幾百?！纠}9】在對(duì)土樣進(jìn)行土工試驗(yàn)時(shí)，不屬于試驗(yàn)指標(biāo)的是（）。密度土粒密度孔隙比含水量答案：C除了上述三個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)之外，還有六個(gè)可以計(jì)算求得的指標(biāo)，稱為換算指標(biāo)，包括土的干密度（干重度）、飽和密度（飽和重度）、有效重度、孔隙比、孔隙率和飽和度。千密度尸干密度是土的固相質(zhì)量務(wù)與土的總體積V之比，可由下式表示：千密度的單位是VcmsD土的干密度越大，土越密實(shí)，強(qiáng)度就越高，水穩(wěn)定性也好-干密度常用作埴土霓箕度的施工控制指標(biāo)-土的飽和密度&土的飽和密度是當(dāng)土的孔隙中全部為水所充滿時(shí)的密度，即全部充滿孔膜的水的眉量如與因相質(zhì)量備之和與土的總體積V之比，由下式表示：N=耳里⑴新）土的飽和密度的單位是/皿己當(dāng)用千密度或飽和密度計(jì)算重力時(shí)，也應(yīng)乘以10庾換為干重度或飽和重度目有效重度聲有效重度是扣除浮力以后的固相重力與土的總體積之比（又禰為浮重度），由下式表示：式中F為水的重度，純水在4筆時(shí)的重度等于技Iki"就，在工程上常取為kN/在計(jì)算地下水位以下土層的自重應(yīng)力時(shí)應(yīng)當(dāng)用有效重度-土的孔隙比E土的孔隙比是孔隙的體積Vv與固相體積V5之比』以小數(shù)計(jì)』由下式表示：8=岑（1*）孔膜比常用來評(píng)價(jià)土的緊密程度」或從孔隙比的變化推算土的壓密程度-3土的孔隙率比土的孔隙率是孔隙的體積VW與土的總體積V之比,即ii=?（15-410）6.土的飽和度St土的詢和度是指孔隙中水的體積V呼與孔院體積Vv之比』常用百分?jǐn)?shù)表示，即：$片（15411）在實(shí)拜工程計(jì)聳中一股是先導(dǎo)出相應(yīng)的換聳公式，然后直接用換聳公式計(jì)聳-［例題1U】已知土的試驗(yàn)指標(biāo)為nv1』x*-=2.72g^cmJ和w=12x，求自5i■和『Dcm設(shè)土的體粉等于1,則土的重方W=r?=lgkNo已知土鞍的重力Ws與水的重方Ww±和等于土的重力W,即胃二Ws+Ww.水的重力W種與土的重方Ws之比等于含水量w,則Ww=i￥XWsHZl.l2Wsj由■此求得土粒的重方Ws=15kNo土粒體積Vs4由土粒的密度和土粒的重方求餌，其值為0,孔隙體■積Wj則為水的體■積Vw由水的重度;^和水的重力饑頃求得，其值為。，彩nA根據(jù)三相指標(biāo)定義可計(jì)算孔隙比s飽和度St■和干重度"的數(shù)值：Vv0.45V0.18W15e=0.82§=—xl00%=40%15.0kN/m3七0.55丹0.45F1.0【例題11】在土的下列咎頊指標(biāo)中】數(shù)值最大的是（①L教值最小的是（②孔A./B礦CD兀政答案；①D；②玦三、土的結(jié)構(gòu)土的結(jié)構(gòu)是指土粒（或團(tuán)粒）的大小、形狀、互相排列及聯(lián)結(jié)的特征。土的結(jié)構(gòu)是在成土的過程中逐漸形成的，它反映了土的成分、成因和年代對(duì)土的工程性質(zhì)的影響。土的結(jié)構(gòu)按其顆粒的排列和聯(lián)結(jié)可分為圖15-4-3所示的三種基本類型。單粒結(jié)構(gòu)單粒結(jié)構(gòu)是碎石土和砂土的結(jié)構(gòu)特征。其特點(diǎn)是土粒間沒有聯(lián)結(jié)存在，或聯(lián)結(jié)非常微弱，可以忽略不計(jì)。疏松狀態(tài)的單粒結(jié)構(gòu)在荷載作用下，特別在振動(dòng)荷載作用下會(huì)趨向密實(shí)，土粒移向更穩(wěn)定的位置，同時(shí)產(chǎn)生較大的變形；密實(shí)狀態(tài)的單粒結(jié)構(gòu)在剪應(yīng)力作用下會(huì)發(fā)生剪脹，即體積膨脹，密度變松。單粒結(jié)構(gòu)的緊密程度取決于礦物成分、顆粒形狀、粒度成分及級(jí)配的均勻程度。片狀礦物顆粒組成的砂土最為疏松；渾圓的顆粒組成的土比帶棱角的容易趨向密實(shí)；土粒的級(jí)配愈不均勻，結(jié)構(gòu)愈緊密。I;的電辨蔬構(gòu)L的蜂胃站構(gòu)土的茉狀姑樣圖15-農(nóng)3十的結(jié)構(gòu)的基本類型蜂窩狀結(jié)構(gòu)蜂窩狀結(jié)構(gòu)是以粉粒為主的土的結(jié)構(gòu)特征。粒徑在0.075?0.005mm左右的土粒在水中沉積時(shí)，基本上是單個(gè)顆粒下沉，在下沉過程中、碰上已沉積的土粒時(shí)，如土粒間的引力相對(duì)自重而言已經(jīng)足夠地大，則此顆粒就停留在最初的接觸位置上不再下沉，形成大孔隙的蜂窩狀結(jié)構(gòu)。絮狀結(jié)構(gòu)絮狀結(jié)構(gòu)是粘土顆粒特有的結(jié)構(gòu)特征。懸浮在水中的粘土顆粒當(dāng)介質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，土?；ハ嗑酆希赃呉贿?、面一邊的接觸方式形成絮狀物下沉，沉積為大孔隙的絮狀結(jié)構(gòu)。土的結(jié)構(gòu)形成以后，當(dāng)外界條件變化時(shí)，土的結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化。例如，土層在上覆土層作用下壓密固結(jié)時(shí)，結(jié)構(gòu)會(huì)趨于更緊密的排列；卸載時(shí)土體的膨脹（如鉆探取土?xí)r土樣的膨脹或基坑開挖時(shí)基底的隆起）會(huì)松動(dòng)土的結(jié)構(gòu)；當(dāng)土層失水干縮或介質(zhì)變化時(shí)，鹽類結(jié)晶膠結(jié)能增強(qiáng)土粒間的聯(lián)結(jié)；在外力作用下（如施工時(shí)對(duì)土的擾動(dòng)或剪應(yīng)力的長(zhǎng)期作用）會(huì)弱化土的結(jié)構(gòu)，破壞土粒原來的排列方式和土粒間的聯(lián)結(jié)，使絮狀結(jié)構(gòu)變?yōu)槠叫械闹厮芙Y(jié)構(gòu)，降低土的強(qiáng)度，增大壓縮性。因此，在取土試驗(yàn)或施工過程中都必須盡量減少對(duì)土的擾動(dòng)，避免破壞土的原狀結(jié)構(gòu)?！纠}12】在下列各類土中，其結(jié)構(gòu)屬于單粒結(jié)構(gòu)的是（）。A.粗砂B.粉土C.粉質(zhì)粘土D.粘土答案：A四、粘性土的界限含水量粘性土的狀態(tài)隨著含水量的改變，粘性土將經(jīng)歷不同的物理狀態(tài)。當(dāng)含水量很大時(shí)，土是一種粘滯流動(dòng)的液體即泥漿，稱為流動(dòng)狀態(tài)；隨著含水量逐漸減少，粘滯流動(dòng)的特點(diǎn)漸漸消失而顯示出塑性（所謂塑性就是指可以塑成任何形狀而不發(fā)生裂縫，并在外力解除以后能保持已有的形狀而不恢復(fù)原狀的性質(zhì)），稱為可塑狀態(tài)；當(dāng)含水量繼續(xù)減少時(shí)，則發(fā)現(xiàn)土的可塑性逐漸消失，從可塑狀態(tài)變?yōu)榘牍腆w狀態(tài)。如果同時(shí)測(cè)定含水量減少過程中的體積變化，則可發(fā)現(xiàn)土的體積隨著含水量的減少而減小，但當(dāng)含水量很小的時(shí)候，土的體積卻不再隨含水量的減少而減小了，這種狀態(tài)稱為固體狀態(tài)。界限含水量粘性土從一種狀態(tài)變到另一種狀態(tài)的含水量分界點(diǎn)稱為界限含水量。流動(dòng)狀態(tài)與可塑狀態(tài)間的分界含水量稱為液限wL；可塑狀態(tài)與半固體狀態(tài)間的分界含水量稱為塑限wp；半固體狀態(tài)與固體狀態(tài)間的分界含水量稱為縮限ws。塑限wp，是用搓條法測(cè)定的。把塑性狀態(tài)的土在毛玻璃板上用手搓條，在緩慢的、單方向的搓動(dòng)過程中土膏內(nèi)的水分漸漸蒸發(fā)，如搓到土條的直徑為3mm左右時(shí)斷裂為若干段，則此時(shí)的含水量即為塑限wp。液限WL可采用平衡錐式液限儀測(cè)定。平衡錐重為76g，錐角為30。試驗(yàn)時(shí)使平衡錐在自重作用下沉入土膏，當(dāng)沉入深度l0mm時(shí)的含水量即為液限WL。【例題13】對(duì)于粘性土而言，流動(dòng)狀態(tài)與可塑狀態(tài)間的分界含水量稱為（）。A.液限wL；B.塑限wpC.縮限ws答案：A【例題14】當(dāng)利用平衡錐式液限儀進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，使平衡錐在自重作用下沉入土膏，當(dāng)沉入深度l0mm時(shí)的含水量即為（）。A.液限wL；B.塑限wpC.縮限ws答案：A塑性指數(shù)可塑性是粘性土區(qū)別于砂土的重要特征?？伤苄缘拇笮∮猛撂幵谒苄誀顟B(tài)的含水量變化范圍來衡量，從液限到塑限含水量的變化范圍愈大，土的可塑性愈好。這個(gè)范圍稱為塑性指數(shù)Ip=WL-Wp(15-4-12)塑性指數(shù)習(xí)慣上用不帶％的數(shù)值表示啜塑性指數(shù)是粘土的最基本、最重要的物理指標(biāo)之一，它綜合地反映了粘土的物質(zhì)鮑成，廣泛應(yīng)用于土的分類和評(píng)價(jià).液性指數(shù)液性指數(shù)II是表示天然含水量與界限含水量相對(duì)關(guān)系的指標(biāo)，其表達(dá)式為；(15-4-13)I_W-WpLWL-Wp可塑狀態(tài)的土的液性指數(shù)在Cl到1之間，濯性指數(shù)越大，表示土越軟；液性指數(shù)大于1的土處于流動(dòng)狀態(tài)；小于0的土則處于固體狀態(tài)或半固悻狀態(tài)。(15-4-13)粘性土的狀態(tài)可根據(jù)股性指數(shù)丘分為堅(jiān)硬■硬塑、可塑■軟塑和流塑，見表15-4-1所示。蜒炳剽saas粘性土費(fèi)表Il值站。MIlWQ.250.25<Irf0.751.0<lL狀態(tài)典曜可塑軟塑流塑【例題15】己知粘性土的密度A=2.75g液限為40%,塑限為22%,tfi和度為H花,孔隙比為L(zhǎng)15,試計(jì)算塑性指數(shù)、嘏性指數(shù)及確定粘性土的狀態(tài)?！窘狻扛鶕?jù)液限和塑限可以求得塑性指數(shù)為L(zhǎng)&土的含水量及液性指數(shù)可由下式求得eSr1.15x0.98rtl0/

w===41%松2.75tW-Wp0.41-0.22H睥I丁=—==1.0^WL-Wp0.40-0.22此＞1，故此粘性土為流塑狀態(tài).砂土的密實(shí)度對(duì)其工程性質(zhì)具有重要的影響。密實(shí)的砂■土具有較高的強(qiáng)度和較低的壓縮性，是良好的建筑物地基；恒松散的砂土，尤其是飽和的松散砂土，不僅強(qiáng)度低，且水稽定性很差，容易產(chǎn)生流砂、液化等工程事故.對(duì)砂土評(píng)價(jià)的主要問題是正確地劃分其密實(shí)度，砂土的密實(shí)程度并不完全取決于孔隙比，而在很大程度上還取決于土的現(xiàn)配情況。粒徑級(jí)配不同的砂土即使具有相同的孔隙比，但由于顆粒大小不同，顆粒排列不同，所處的密實(shí)狀態(tài)也會(huì)不同。為了同時(shí)考慮孔隙比和級(jí)配的影響，引入砂土相對(duì)密實(shí)度的概念。當(dāng)砂土處于最密實(shí)狀態(tài)時(shí)，其孔隙比稱為最小孔隙比；而砂土處于最疏松狀態(tài)時(shí)的孔隙比則稱為最大孔隙比，有關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了一定的方法測(cè)定砂土的最小孔隙比和最大孔隙比，懋后可按下式計(jì)算砂土的相對(duì)密實(shí)度：口,=5*(15-4-14)從上式可以看出，當(dāng)砂土的天然孔隙比接近于最小孔隙比時(shí)，相對(duì)密實(shí)度Dr接近于1,表明砂土接近于最密實(shí)的狀態(tài)；而當(dāng)天然孔隙比接近于最大孔隙比時(shí)則表明砂土處于最松散的狀態(tài)，其相對(duì)密實(shí)度接近于口。根據(jù)砂土的相對(duì)密實(shí)度可以按表15-4-2#砂七劃分為密實(shí)、中密、和松散三種密實(shí)度，寸土米逸卻油庶表1M-2密實(shí)度密實(shí)中校散1.a—0.&F0.6F--0.330.33--0【例題V】已知某砂土的天然孔隙比為2.蹌撮小孔原比為？2位點(diǎn)大孔原比為！二0.90,則該砂土的密實(shí)度為(、A.密實(shí)B.中密C.松散答案：C【解析】6=-*二密-?修二0.2因此屈于松散狀，答案為Coe-e090-O.oj【例題1丘】己知某砂土的標(biāo)貫試驗(yàn)實(shí)遍值聽■于16-22擊；經(jīng)桿長(zhǎng)密正后的修正值介于口~的擊，則該砂土的密實(shí)度為〔焉A,密實(shí)B.中宅C,稍密D.稍密~中密答案：8六、土的壓實(shí)原理土體能夠通過振動(dòng)、夯實(shí)和碾壓等方法調(diào)整土粒排列，進(jìn)而增加密實(shí)度的性質(zhì)稱為土的壓實(shí)性。土的壓實(shí)與含水量的關(guān)系土的含水量是影響填土壓實(shí)性的主要因素之一。在低含水量時(shí)，水被土顆粒吸附在土粒表面，土顆粒因無毛細(xì)管作用而互相聯(lián)結(jié)很弱，土粒在受到夯擊等沖擊作用下容易分散而難于獲得較高的密實(shí)度。在高含水量時(shí)，土中多余的水分在夯擊時(shí)很難快速排出而在土孔隙中形成水團(tuán)，削弱了土顆粒間的聯(lián)結(jié)，使土粒潤(rùn)滑而變得易于移動(dòng)，夯擊或碾壓時(shí)容易出現(xiàn)類似彈性變形的“橡皮土”現(xiàn)象，失去夯擊效果。土的干密度鷹，是反映土的密實(shí)度的重要指標(biāo)，它與土的含水量、壓實(shí)能量和填土的性質(zhì)等有關(guān)。將同一種土配置成不同含水量的土樣后進(jìn)行室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)，可以獲得如圖15-4-4所示的含水量w與干密度之間的關(guān)系曲線，稱作擊實(shí)曲線。1416182022圖1544土的擊賣曲款最憂含水量和最大干密度圖15-4-4的擊實(shí)曲找表明，存在一個(gè)含水量可使填土的干密度達(dá)到最大值，產(chǎn)生最好的擊實(shí)效果，將這種在一定夯擊能量下填土最易壓實(shí)并獲得最大密實(shí)度的含水量稱作土的最優(yōu)含水量域最佳含水量），用w叩表示。在最優(yōu)含水量下得到的干密度稱作填土的最大干密度,用了弁m職表示。土的最憂含水Mwop通常采用室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)確定，若采用土的塑限值含水量wp間接確定，一般可取wop=wp±2o【例逝17】填料的最優(yōu)含水量和最大干密度是通過哪種試驗(yàn)進(jìn)行確定（乂A.標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)B.室內(nèi)壓縮試驗(yàn)C室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)D.動(dòng)力觸探試驗(yàn)答案：C七、土的工程分類土的工程分類是把不同的土分別安排到各個(gè)具有相近性質(zhì)的組合中去，其目的是為了人們有可能根據(jù)同類土已知的性質(zhì)去評(píng)價(jià)其工程特性，或?yàn)楣こ處熖峁┮粋€(gè)可供采用的描述與評(píng)價(jià)土的方法。通常對(duì)建筑地基可分成巖石、碎石土、砂土、粉土、粘性土和特殊性土六大類。巖石巖石(基巖)是指顆粒間牢固聯(lián)結(jié)，形成整體或具有節(jié)理、裂隙的巖體。它作為建筑場(chǎng)地和建筑地基可按下列原則分類：(1)按成因分為巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖。⑵根據(jù)堅(jiān)固性即未風(fēng)化巖石的飽和單軸極限抗壓強(qiáng)度q分為硬質(zhì)巖石(qN30MPa)和軟質(zhì)巖石(q<30MPa)。根據(jù)風(fēng)化程度分為微風(fēng)化、中等風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化。按軟化系數(shù)KR分為軟化巖石和不軟化巖石。KR為飽和狀態(tài)與風(fēng)干狀態(tài)的巖石單軸極限抗壓強(qiáng)度之比，KR<0.75為軟化巖石，KR>0.75為不軟化巖石。碎石土碎石土是指粒徑大于2mm的顆粒含量超過總質(zhì)量的50%的土，按粒徑和顆粒形狀可進(jìn)一步劃分為漂石、塊石、卵石、碎石、圓礫和角礫。碎石土的密實(shí)度一般用定性的方法由野外描述確定，卵石的密實(shí)度可按超重型動(dòng)力觸探的錘擊數(shù)劃分。砂土砂土是指粒徑大于2mm的顆粒含量不超過總質(zhì)量的50%且粒徑大于0.075mm的顆粒含量超過總質(zhì)量的50%的土。砂土可再劃分為5個(gè)亞類，即礫砂、粗砂、中砂、細(xì)砂和粉砂。粉土粉土是指粒徑大于0.075mm的顆粒含量不超過總質(zhì)量的50%，且塑性指數(shù)小于或等于10的土。粉土是介于砂土和粘性土之間的過渡性土類，它具有砂土和粘性土的某些特征，根據(jù)粘粒含量可以將粉土再劃分為砂質(zhì)粉土和粘質(zhì)粉土。粘性土粘性土是指塑性指數(shù)大于10的土。根據(jù)塑性指數(shù)大小，粘性土可再劃分為粉質(zhì)粘土和粘土兩個(gè)亞類，當(dāng)1017時(shí)為粘土。

特殊性土特殊性土包括填土、軟土和濕陷性土等，其特性與分類將在第四節(jié)中介紹。［例題1S］完全飽和的土樣含水量為30Z■馥限為23Z,塑限為17Z」試按塑性指數(shù)分類技定名』并晡定其狀態(tài)-［?］求塑性指數(shù)辱：Ip=Wl-W］H9-U=12w-w30-175求波性指數(shù)II：I==1.08W-W29-17根據(jù)定名標(biāo)準(zhǔn)該土祥應(yīng)為粉質(zhì)粘土，耳狀態(tài)為琉塑狀態(tài)"［例題19】已知某巖石的飽和單軸抗壓強(qiáng)度為韻Mpa汗蚣態(tài)下的單軸抗壓強(qiáng)度為也Mpa,貝I」該巖石的軟化系數(shù)為（L屋于］）巖石目求波性指數(shù)II：根據(jù)定名標(biāo)準(zhǔn)該土祥應(yīng)為粉質(zhì)粘土，耳狀態(tài)為琉塑狀態(tài)"［例題19】已知某巖石的飽和單軸抗壓強(qiáng)度為韻Mpa汗蚣態(tài)下的單軸抗壓強(qiáng)度為也Mpa,貝I」該巖石的軟化系數(shù)為（L屋于］）巖石目&.0.7；5i+t；B.1.4；不軟化：C.軟化；D%；不軟化：答案：A［例題20］己知某巖石的飽和單軸抗壓強(qiáng)度為如Mpa,根據(jù)CGB50021-2001）的規(guī)定，該巖石屈于tA.堅(jiān)幌巖B.較硬巖C.軟巖D.較軟巖E.極軟巖答案:B本講主要講述土壓力靜止土壓力、主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力Rankine土壓力理論Coulounlb土壓力理論；二、重點(diǎn)、難點(diǎn)：主動(dòng)土、被動(dòng)土壓力計(jì)算三、內(nèi)容講解：題一、土壓力的分類及其相互關(guān)系土建工程中許多構(gòu)筑物如擋土墻、隧道和基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)等擋土結(jié)構(gòu)起著支撐土體，保持土體穩(wěn)定，使之不致坍塌的作用，而另一些構(gòu)筑物如橋臺(tái)等則受到土體的支撐，土體起著提供反力的作用。在這些構(gòu)筑物與土體的接觸面處均存在側(cè)向壓力的作用，這種側(cè)向壓力就是土壓力。（一）土壓力的分類作用在擋土結(jié)構(gòu)上的土壓力，按擋土結(jié)構(gòu)的位移方向、大小及土體所處的三種極限平衡狀態(tài)，可分為三種土壓力，即靜止土壓力、主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力。1.靜止土壓力如果擋土結(jié)構(gòu)在土壓力的作用下，其本身不發(fā)生變形和任何位移(移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng))，土體處于彈性平衡狀態(tài)，則這時(shí)作用在擋土結(jié)構(gòu)上的土壓力稱為靜止土壓力，如圖15-9-1(a)所示。圖15^9-1土壓力分類2.主動(dòng)土壓力擋土結(jié)構(gòu)在土壓力作用下向離開土體的方向位移，隨著這種位移的增大，作用在擋土結(jié)構(gòu)上的土壓力將從靜止土壓力逐漸減小。當(dāng)土體達(dá)到主動(dòng)極限平衡狀態(tài)時(shí)，作用在擋土結(jié)構(gòu)上的土壓力稱為主動(dòng)土壓力，如圖15-9-1(b)所示。被動(dòng)土壓力擋土結(jié)構(gòu)在荷載作用下向土體方向位移，使土體達(dá)到被動(dòng)極限平衡狀態(tài)時(shí)的土壓力稱為被動(dòng)土壓力，如圖15-9-1(c)所示。(二)三種土壓力的相互關(guān)系在實(shí)際工程中，大部分情況下的土壓力值均介于上述三種極限狀態(tài)下的土壓力值之間。土壓力的大小及分布與作用在擋土結(jié)構(gòu)上的土體性質(zhì)、擋土結(jié)構(gòu)本身的材料及擋土結(jié)構(gòu)的位移情況等有關(guān)，其中擋土結(jié)構(gòu)的位移情況是影響土壓力性質(zhì)的關(guān)鍵因素。圖15-9-2表示了土壓力與擋土結(jié)構(gòu)位移之間的關(guān)系，由此可見產(chǎn)生被動(dòng)土壓力所需要的位移量大大超過產(chǎn)生主動(dòng)土壓力所需要的位移量。H15-9-2土壓力與擋土珀梅

位著之聞的美嘉二、靜止土壓力計(jì)算靜止土壓力可根據(jù)半無限彈性體的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算。在土體表面下任意深度z處取一微小單元體，其上作用著豎向自重應(yīng)力和側(cè)壓力(如圖15-9-3)這個(gè)側(cè)壓力的反作用力就是靜止土壓力。根據(jù)半無限彈性體在無側(cè)移的條件下側(cè)壓力與豎向應(yīng)力之間的關(guān)系，該處的靜止土壓力強(qiáng)度P?？砂聪率接?jì)算：Po=KoZz(15-9-1)式中K。一靜止土壓力系數(shù)，其值可用室內(nèi)或原位試驗(yàn)確定；7—土體重度，kN/m3。由式(15-9-1)可知，靜止土壓力沿?fù)跬两Y(jié)構(gòu)豎向?yàn)槿切畏植?，如圖15-9-3所示。圖1593靜止土壓力計(jì)算如果取單位擋土結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度，則作用在擋土結(jié)構(gòu)上的靜止土壓力E為：0Eo=|yh2Ka(15-9-2)式中h為擋土結(jié)構(gòu)高度，m。E。的作用點(diǎn)在距墻底h/3處。三、朗肯土壓力理論基本假設(shè)與適用條件朗肯土壓力理論是朗肯(W.J.M.Rankine)于1857年提出的。它假定擋土墻背垂直、光滑，其后土體表面水平并無限延伸，這時(shí)土體內(nèi)的任意水平面和墻的背面均為主平面(在這兩個(gè)平面上的剪應(yīng)力為零)，作用在該平面上的法向應(yīng)力即為主應(yīng)力。朗肯根據(jù)墻后土體處于極限平衡狀態(tài)，應(yīng)用極限平衡條件，推導(dǎo)出了主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力計(jì)算公式。朗肯主動(dòng)土壓力計(jì)算根據(jù)擋土墻后地表面下深度z處的應(yīng)力狀態(tài)和土的極限平衡理論，可推導(dǎo)出主動(dòng)土壓力強(qiáng)度Pa的計(jì)算公式如下：無粘性土P=^tan2(45°-—)(15-9-3)(15-9-3)粘性土P廣斧tan氣45或E=^此-如Jk^(15-94)或E=^此-如Jk^(15-94)式中K日為主動(dòng)土壓力系數(shù)，Ka=tan205°）2由主動(dòng)土壓力計(jì)算公式可知，無粘性土中主動(dòng)土壓力強(qiáng)度P與深度z成正比，沿墻高的土壓力強(qiáng)度呈三角形分布（如圖15-9-4）。作用在單位長(zhǎng)度擋墻上的土壓力為三角形分布面積，即：(15-9-5)粘性土中的主動(dòng)土壓力強(qiáng)度由兩部分組成：TP分是由土體自重引起的土壓力了承務(wù)另一部分是粘聚力匚引起的負(fù)俐壓力2cJa7,兩部分的疊加結(jié)果如圖15-9-5所示，其中：湖部分是負(fù)側(cè)壓力，對(duì)墻背是拉應(yīng)九但實(shí)際上土與墻背在很小的拉應(yīng)力作用下即會(huì)分離，故在計(jì)算主動(dòng)土壓力時(shí)，這部分的壓力應(yīng)設(shè)為零，因此粘性土的主動(dòng)土壓力分布僅是abc部分.令式（15-9-4）W即可求得臨界深度么單位長(zhǎng)度擋墻上的主動(dòng)土壓力可由土壓力實(shí)際分布面積計(jì)算（圖15-9-5中北c部分的面積）。}f_/主動(dòng)土壓力Ea的作用點(diǎn)通過三角形的形心，即作用在離墻底一n上高度處‘

2cjKt2cjKt圖15刀?4無粘性土的入分布圈15-9-5粘性土的x分布【例題1】有一擋土墻高6m,墻背豎直、光滑，墻后填土面水平，填土的物理力學(xué)指標(biāo)為：c=15kPa,中二15°,V=18kN/m3。求主動(dòng)土壓力及其作用點(diǎn)并繪出主動(dòng)土壓力分布圖?！窘馕觥坑商钔恋奈锢砹W(xué)性質(zhì)可知該填土可按粘性土考慮⑴確定主動(dòng)土壓力系數(shù)=Ka=tan2(45°-y>tana37.5°=0.589⑵計(jì)算臨界深度2c2x15Zq={—,=2.17m尹MT18x^0389計(jì)算墻底處的主動(dòng)土壓力強(qiáng)度P心P戒=；*tan3(45‘-y)-2ctan(45°-y)=18X6tan237.5s-2X15tan37.5"^40.6kPa繪出主動(dòng)土壓力的分布圖如圖15-9-6所示計(jì)算主動(dòng)土壓力值主動(dòng)土壓力值按分布面積計(jì)算如下：Ea=：(0+40.6)X(6-2.17)=77.81^/mEa的作用點(diǎn)位置主動(dòng)土壓力Ea的作用點(diǎn)離墻底的距離為:d=6—2.17=1.28m【例題2】某擋土墻，高5m,墻背直立、光滑，填土面水平；填土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)為：c=10kPa,巾=20°,y=18kN/m3。則作用在擋土墻上的主動(dòng)土壓力及其作用點(diǎn)位d=6—2.17=1.28mA、51.3kN/m、1.14m；B、58.5kN/m、1.14m；C、51.3kN/m、1.34m；D、58.5kN/m、1.34m；答案：A【解析】(1)求墻底處的主動(dòng)土壓力強(qiáng)度。Pa=^Htan2(45o--^)-2ctan(45°--^)=13x5xtan2(45°-10c)-2xWXtaiiC45o-10>30.11<pa%x10⑵臨界深度為:z.=5——=f廠=1.59m了而18M450-10°)(3)主動(dòng)土壓力為：Ea=^y(H-Zo)2tan2(45°-|X18X(5-1.59)2xtan235°=51.3kN/m,M-因此答⑴主動(dòng)土壓力Ea的作用點(diǎn)離墻底的距離為：d=g~Zo=J；%=1.1斗趴.因此答案為Ac.朗肯被動(dòng)土壓力擋土墻在外荷載作用下向著土體方向位移時(shí)，墻后土體將形成被動(dòng)土壓力狀態(tài)。朗肯土壓力理論計(jì)算被動(dòng)土壓力強(qiáng)度Pp的公式如下：無粘性土PkgEp(15-9-7)粘性土環(huán)二；?Z、+況亦;C15-9-8)式中、為被動(dòng)土壓力系數(shù)，湖(45。+*)由式(15-9-7)和式(15-9-8)可知，無粘性土的被動(dòng)土壓力強(qiáng)度呈三角形分布，粘性土中的被動(dòng)土壓力強(qiáng)度呈梯形分布。作用在單位長(zhǎng)度擋土墻上的被動(dòng)土壓力Ep，同樣可由土壓力實(shí)際分布面積計(jì)算，Ep的作用線通過土壓力強(qiáng)度分布圖的形心。四、幾種情況朗肯土壓力的計(jì)算土體表面有均布荷載q作用當(dāng)墻后土體表面有連續(xù)均布荷載q作用時(shí)，均布荷載q在土中產(chǎn)生的上覆壓力沿墻體方向矩形分布，分布強(qiáng)度為q。土壓力的計(jì)算方法是將上覆壓力項(xiàng)z換以z+q計(jì)算即可，如粘土的主動(dòng)土壓力強(qiáng)度Pp為：Pp=(泓+q)I&+次亦；(15-9-9)成層土體中的土壓力計(jì)算一般情況下墻后土體均由幾層不同性質(zhì)的水平土層組成。在計(jì)算各點(diǎn)的土壓力時(shí)，可先計(jì)算其相應(yīng)的自重應(yīng)力，在土壓力公式中Vz項(xiàng)換以相應(yīng)的自重應(yīng)力即可，需注意的是土壓力系數(shù)應(yīng)采用各點(diǎn)對(duì)應(yīng)土層的土壓力系數(shù)值。墻后土體有地下水的土壓力計(jì)算當(dāng)墻后土體中有地下水存在時(shí)，墻體除受到土壓力的作用外，還將受到水壓力的作用。通常所說的土壓力是指土粒有效應(yīng)力形成的壓力，其計(jì)算方法是地下水位以下部分采用土的有效重度7'計(jì)算，水壓力按靜水壓力計(jì)算。但在實(shí)際工程中計(jì)算墻體上的側(cè)壓力時(shí)，考慮到土質(zhì)條件的影響，可分別采用“水土分算”或“水土合算”的計(jì)算方法。所謂“水土分算”法是將土壓力和水壓力分別計(jì)算后再疊加