土力学第1章
土力学第一章
Cu愈大，表示土粒愈不均 匀。工程上把Cu＜5的土视 为级配不良的土；
2021/8/2
同时满足Cu≥5和Cc=1～3时， 定名为良好级配土
6
颗粒粒径级配曲线
纵坐标表示小于某粒径的土粒含量百分比,横坐 标表示土粒的粒径(对数坐标）
2021/8/2
7
2.土粒的矿物成分
矿物成分取决于母岩的矿物成分和风化作用
m s
m s
测定方法：通常用烘干法，亦可近似用酒
精燃烧法
2021/8/2
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m ms mw Vs Vw Va
VV
三、换算指标
质量m 气 水
土粒
体积V 1.孔隙比e和孔隙率n 孔隙比e ：土中孔隙体积与 土粒体积之比
e Vv Vs
孔隙率n ：土中孔隙体积与总体积之比，以百 分数表示
n Vv 100% V
2021/8/2
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§1.2 土的物理性质指标
一、土的三相图
质量m
体积V
气
Vw Va Vv
mw
水
二、直接测定指标 1.土的密度ρ：单位体积土的质
量 m ms mw
V Vs VwVa
m
Vs V
ms
土粒
特殊情况下土的密度ρd, ρsat,
ρ’
实验方法：环刀法
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工程中常用重度来表示单位体积土的重力
质量极轻，粘粒互相接近，凝聚成絮状物下沉，形成孔
隙较大的絮状结构
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五、土的构造
土的构造是指土体中各结构单元之间的关 系。
1.层理构造：土粒在沉积过程中,由于不同阶段沉积的
物质成分、颗粒大小或颜色不同,而沿竖向呈现出成层 特征
土力学_第1章(序论)
目的是为工程设计、施工和科学研究提供 基础知识。
6
如何学好《土力学》？
一、掌握土力学的特点及研究方法
1. 土是天然介质：种类多 ，变化大，分布形态复杂。 2. 三相体散体介质：颗粒、水、空气，性质复杂。 3. 研究方法：理论＋试验＋经验。
非常重要
如何学好《土力学》？
二、课前、课堂和课后
（1）课前：预习，提前预习上课的内容，有哪些难的，自己没有看懂的？
为什么要学习《土力学》？
③地下（开挖）工程（采矿、交通、人防、水利等）
Foundation
Soil/ rock slope Borehole /shaft Underground excavation
为什么要学习《土力学》？
④钻探与竖井工程（石油（气）、地质、采矿等）
Foundation
Soil/ rock slope Borehole /shaft Underground excavation
（2）课中：听讲，思考。看看是否有什么不同的想法和看法？
（3）课后：复习，做习题。查找相关文献资料，进行更深层次的探讨。
到实验室，做好相应的土工实验！
结合导师的课题，多参加现场项目，增加实际工程方面的感性认识！！
附1：土力学理论的形成和发展中的著名人物
Charles- Auguste de Coulomb (1736~1806) 法国科学家
（2010年5月5日于中科院力学所）
为什么要学习《土力学》？
前国家主席胡锦涛与《土力学》
来源：清华大学土木水利学院岩土工程研究所 于玉贞教授的《土力学》PPT
5
什么是《土力学》？
定义
土力学：是利用力学的知识和土工试验技术来研究土的强度、变 形和渗透性规律的一门科学。（《土力学》—冯国栋）
土力学与地基基础第一章
1.5 粘性土的稠度
1.5.1 界限含水量
粘性土的土粒很细，单位体积的颗粒总表面积较大， 土粒表面与水相互作用的能力较强，土粒间存在粘结力。 稠度就是指土的软硬程度，是粘性土最主要的物理状态 特征。当含水量较大时，土粒被自由水所隔开，表现为 浆液状；随着含水量的减少，土浆变稠，逐渐变为可塑 状态，这时土中水主要表现为弱结合水；含水率再减少， 土就变为半固态；当土中主要含强结合水时，土处于固 体状态，如图1.4所示。
图1.5 土的结构
2、土的颗粒级配 对于土粒的大小及其组成情况，通常以土中各个粒组的 相对含量（各粒组占土粒总量的百分数）来表示，称为土 的颗粒级配。 (1)土的颗粒级配测定方法 ①筛分法----适用于粒径小于等于60mm而大于0.075mm ②比重瓶法-----适用于粒径小于0.075mm (2)颗粒级配表达方式
(1.11) (1.12) (1.12)
同样条件下，上述几种重度在数值上有如下关系，即
(1.13)
(4)土的孔隙比和孔隙率 土中孔隙体积与土粒体积之比称为孔隙比，用符 号e（小数）表示，用以评价天然土层的密实程度。
(1.14)
土中孔隙体积与土的总体积的比值称为孔隙率，用 符号n表示。
(1.15)
(5)饱和度 土中水的体积与孔隙体积之比称为饱和度，用符 号Sr表示。反映土体的潮湿程度。
图1.10 含水量与干密度关系曲线
1、可以总结出如下的特性： (1)、峰值(ωop＝ ωp +2)； (2)、击实曲线位于理论饱和曲线左侧
(3)、击实曲线的形态 2、 影响击实效果的因素 (1)、含水量的影响 (2)、击实功能的影响 (3)、不同土类和级配的影响 3、压实特性在现场填土中的应用 为了便于工地压实质量的控制，可采用压实系数λ来表示,即
土力学：第1章 土的物理性质和工程分类
d320 d60d10
(1 1b)
式中：d 、d 、d 分别相当于累计百分含量为
10
30
60
10％、30％和60％的粒径；
d10 称为有效粒径；
d60 称为限制粒径；
d 、d 10
30、称d为6平0 均粒径。
3．粒度成分及其表示方法（5）
不均匀系数 Cu 、Cc 反映大小不同粒组的分布情况：
Cu >= 5、Cc =1-3的土级配良好，其余情况为级配不良。
１）横坐标（按对数比例尺）表示某一粒径， ２）纵坐标表示小于某一粒径的土粒的百分
含量。
3．粒度成分及其表示方法（3）
表1-3中的三种土的累计曲线如图1-1所示。
3．粒度成分及其表示方法（4）
在累计曲线上，可确定两个描述土的级配的指标：
• 不均匀系数
Cu
d60 d10
(1 1a)
• 曲率系数
Cs
粒组名称
粒组范围(mm)
粒组名称
粒组范转(mm)
漂石(块石)粒组
>200
砂粒粒组
0.075~2
卵石(碎石粒组)
20~200
粉粒粒组
0.005~0.075
砾石粒粗
2~20
粘粒粒组
<0.005
我国上述规范采用的粒组划分标准见表1-1。《土的
工程分类标准》1．（G土B的J14粒5-9组0）划在分砂粒（粒4组）与粉粒粒组
高等土力学教材 第一章 土工试验及测试
第一章土工试验及测试由于土的力学性质的复杂多变，土工试验是土力学中的基本内容，试验土力学成为土力学的一个重要分支。
另一方面，由于现场原状土的结构性，土工问题的诸多影响因素使现场原位测试和工程原型监测成为工程实践中不可缺少的一部分。
广义的土工试验包括室内试验、原位测试、模型试验和原位监测等；从内容上又可分为物理性质试验、力学性质试验和水力学性质试验；也可以从宏观和微观不同尺度进行试验和测试。
本章侧重于土的力学性质试验。
土工试验的不可替代的作用表现在：1.只有通过试验才能揭示土作为一种碎散多相的地质材料的一般的和特有的力学性质。
2.只有对具体土样的试验，才能揭示不同类型、不同产地、不同状态土的不同力学性质，如：非饱和土、区域性土、人工复合土等。
3.试验是确定各种理论参数的基本手段。
4.试验是验证各种理论的正确性及实用性的主要手段。
5.足尺试验、模型试验可以验证土力学理论与数值计算结果的合理性；也是认识和解决实际工程问题的重要手段。
6.原位测试、原位监测直接为土木工程服务。
同时是数值计算的反算和实现信息化施工的依据。
所以，土力学的研究和土工实践从来不能脱离土工实验工作，它是人们深入认识土的性状和发展完善理论和计算方法的正确途径。
1.1室内试验1.1.1直剪试验、单剪试验和环剪试验早期的土力学研究及解决与土有关的工程问题是将土的强度问题和变形问题分开考虑的。
相应的试验仪器是直剪仪和侧限压缩仪。
直剪仪是土力学中最古老的仪器之一，200多年前，库仑（Coulomb）就用它进行土的强度试验，建立了土强度的库仑公式。
其示意图见图1.1.1（a）。
其试验设备和原理十分简单：试样放在剪切盒中，它在一水平面上被分为上、下盒，一半固定，另一半或推或拉以产生水平位移。
上部通过刚性加载帽施加正的竖向荷载P。
试验过程中竖向荷载一般不变，可量测水平向剪切荷载、水平位（a）仪器简图（b）剪切面处土应力状态变化图1.1.1 直剪试验移和试样垂直变形。
土质学与土力学第1章土的物理性质及工程分类
第一章 土的物理性质及工程分类§1.1 §1.2 §1.3 §1.4 §1.5 §1.6 §1.7 土的形成 土的三相组成 土的结构和构造 土的三相比例指标 土的物理状态指标 土的工程分类 土的击实特性§1.1 土的形成土的形成示意图 岩石 地球风化搬运、 搬运、沉积土 地球31 风化物理风化 化学风化 生物风化地表或接近地表条件下，岩石、 在地表或接近地表条件下，岩石、矿 物发生机械破碎的过程。
物发生机械破碎的过程。
主要因素是 岩石的失重和温度变化， 岩石的失重和温度变化，岩石裂隙中 水的结冰等。
水的结冰等。
原生矿物 次生矿物在地表或接近地表条件下， 在地表或接近地表条件下， 岩石、 岩石、矿物发生化学变化并 生成新矿物的过程。
生成新矿物的过程。
主因是 水和氧，前者引起溶解、 水和氧，前者引起溶解、水 化，后者引起氧化等化学反 应。
动植物及微生物 引起的岩石风化。
动植物活动有 机 质物理风化5石灰岩里面 含有二氧化碳的水，渗入石灰岩隙缝中， 里面， 二氧化碳的水 在石灰岩里面，含有二氧化碳的水，渗入石灰岩隙缝中， 会溶解其中的碳酸钙。
这溶解了碳酸钙的水，从洞顶上滴下来时， 会溶解其中的碳酸钙。
这溶解了碳酸钙的水，从洞顶上滴下来时， 由於水分蒸发、二氧化碳逸出，使被溶解的钙质又变成固体(称为固化 称为固化)。
由於水分蒸发、二氧化碳逸出，使被溶解的钙质又变成固体 称为固化 。
由上而下逐渐增长而成的，称为“钟乳石 钟乳石”。
由上而下逐渐增长而成的，称为 钟乳石 。
化学风化62 搬运 由风力、水流、重力等完成 搬运—由风力 水流、 由风力、 沉积—残积 坡积、 残积、 3 沉积 残积、坡积、冲积等根据形成过程，可将土分为两大类： 根据形成过程，可将土分为两大类：残积土 无搬运母岩表层经风化作用破碎 成岩屑或细小颗粒后， 成岩屑或细小颗粒后， 未经搬运残留在原地的 堆积物运积土 有搬运风化所形成的土颗粒， 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 的堆积物坡积土洪积物（层）断面 洪积物河流形成冲击土河床、河漫滩、 河床、河漫滩、阶地（平原河谷）冲击物 平原河谷）风积土风积土： 风积土：由风力带动土粒经过一段搬运距离后沉积下来 的堆积物。
土力学第一章名词解释
1.土的粒度：天然土是由大小不同的颗粒组成的，土粒的大小成为粒度。
2.粒度成分：土中各种不同粒组的相对含量（以干土质量的百分比表示），它可用来描述
图中不同粒径土里的分布特征。
3.土的含水率：土中水的质量与土粒质量之比称为土的含水率。
4.土的密度：在天然状态下，单位体积土的质量称为土的天然密度。
5.土的重度：天然状态下，单位体积土所受的重力。
6.土的空隙比：指土中空隙体积与土粒体积之比。
7.土的孔隙率：指土中空隙体积与土的总体积之比。
8.土的饱和度：土的饱和度是土中水的体积与空隙体积之比。
9.界限含水率：粘性土从一种状态变到另一种状态的含水率分界点成为界限含水率。
10.液限：涂油咳速状态转为半固体状态时的界限含水率，称为塑限。
11.塑限：土由可塑状态转半固体状态时的界限含水率，称为塑限。
12.塑性指数：从液限到塑限含水率的变化范围，即液限与塑限之差。
13.液性指数：从天然含水率与界限含水率相对关系的指标。
14.最优（佳）含水率：最大干密度对应的特征含水率。
土力学-第一章土的物理性质2
土耳其 1999.8.17, 7.4级
1964年6月16日日本新瀉7.5级地震
振冲法加固地基 vibroflotation ,vibro-compaction
21
砂土的液化及其原因
砂土的液化：
饱和细砂在突然振动而排水不畅的情况下，土粒受到 孔隙水的反作用力而处于悬浮状态，这时砂土突然转
质量 单元土三相图 体积
Vv (1 w)Gs w e 1 Vs
(1 w)Gs w
气体
wGs w
水
e
e n 1 e
2. 饱和度
n e 1 n
Gs w
土颗粒
1
Vw wGs w / w wGs Sr 100% Vv e e
35
质量
单元土三相图
16
3. 粘性土的结构及其联结
粘性土的结构比粗粒土复杂得多，这主要是由于粘性土结构的 联结十分复杂，并决定着粘性土的结构。
粘性土结构的联结和粘聚力
粘性土结构的联结主要表现在粘粒的黏着和聚合作用。
粘性土结构的联结力 是土粒中存在的内力
内力的总和称为粘聚力
粘聚力
粘性土和粗粒土之间重要的区别标志 确定土体抗剪强度的重要指标
重力，毛细力
点与点、点与面
15
2. 粉土的蜂窝结构 蜂窝结构：
粉土颗粒质量小，当单颗粒下沉时 碰到已沉积的土粒，就可能因粒间 引力而停留在接触点上不再下沉， 从而形成孔隙很大的蜂窝结构。
特点： 土体骨架不稳定，易沉降变形，强 度低，高压缩性，水作用敏感，蠕 变等等。
粉 土：蜂窝结构 honeycomb structure
Va Vv Vw
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200g 10 5.0 10 2.0 16 1.0 18 0.5 24 0.25 22 0.1 38
72 水分法
100 土的颗粒级配累积曲线
P
90 80
% 95
70 60 50
87 78
40 30 20
66
10 0
55
36
粒径(mm)
粒径(mm) 0.05 0.01 0.005 百分数P(%) 26 13.5 10
•界限粒径 划分粒组的分界尺寸
土粒粒组的划分（GBJ145-90)
巨粒土
粗粒土
细粒土
块石 卵石 砾石 砂粒 粉粒 粘粒
d
粗 中 细粗 中 细
mm
200
60 20
5
2
0.5
0.25
0.075
0.005
（0.002）
11
12
小于某粒径之土粒质量百分数P（％） 10 5.0 1.0 0.5
0.10 0.05 0.01 0.005 0.001
其它指标
实验室测定
三相草图法
是一种简单而实用的方法
剩下三个独立变量 对于饱和土, Va=0 剩下两个独立变量
1.室内测定的三个物理性质指标（基本试验指标）
----土的天然密度、土粒比重（土粒相对密度）、土的含水量
1）土的天然密度
定义: 土单位体积的质量
表达式:
ρ= m = V
ms + mw Vs + Vw + Va
片架结构 (凝聚结构)
淡水中沉积
海水中沉积
表面力、胶结力 （粒间斥力占优势）
面与面
次生矿物
表面力、胶结力 （斥力减小引力增加）
边、角与面 边、角与边
次生矿物
天然条件下，可能是多种组合，或者由一种结构过渡向另一种结构。
29
30
1.2.3 土的结构和构造
2.土的构造
1）概念
土的构造是指土层不同部分之间相对位置的特征，即在同一土层中的物质成 分和颗粒大小等都相近的各部分之间的相互关系。不同成因与不同年代 形成的土体其构造也不相同。
分析对象: 水柱
πr2hcγw=2πrTcosα
• 上升高度:
毛细水上升的高度和速度 取决于土的孔隙、有效粒 径、土孔隙中吸附的空气 和水的性质等
土中毛细现象
hc
=
2T cosα rγ ω
粘土 粉土
毛细升高与孔径成反比
砂土 砾石
毛细压力
2πrTcosα+ucπr2 = 0 • 假定α= 0, 毛细压力 uc = −γωhc
小 大 大 小
伊利石
中 80-100m2/g
中 中 中 中
蒙脱石
小 800m2/g
大 小 小 大
粘土矿物的带电性质
研究表明：
粘土颗粒的表面电荷，净电荷通常为负电荷
9
10
2. 土粒粒组和颗粒级配
颗粒大小
影响土性 的主因
各粒径成分 在土中占的 比例
狭义的颗粒级配
•粒度 土粒的大小
•粒组 按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类
• 非饱和土中毛细张力影响
分析对象: 水膜
对砂土强度的影响:毛细边角 水, 假凝聚力
23
24
干的砂土与饱和砂土是没有粘聚力的。而潮的 砂土中砂粒间有水将它们连接起来,水气表面毛 细力将砂粒“粘接”在一起。形成“假粘聚力”。
将湿手插入干砂,拔出手后,手上会“粘”许 多砂粒;在河(海)砂滩的干燥部分和水下部分, 们无法竖直挖洞;而在潮湿部分,我们可以垂直 挖个小竖井而不垮,这就源于“假粘聚力”。
1.土中水的存在形态
天然土体中常含有一定数量呈液态、固态或气态的水。一般土 需研究液态水，冻土还需研究固态水的含量。土中气态水，对土的性 质影响不大，通常不作重点研究。
结晶水 矿物内部的水 结合水 吸附在土颗粒表面的水 自由水 电场引力作用范围之外的水 土中冰 由自由水冻成，冻胀融陷
2.土中水的分类
粒径(mm)
曲线 d60 d10 d30 Cu Cc
L
0.081
3.98
M 0.33 0.005 0.063 66 2.41
R
0.030
0.545
15
16
颗粒级配
颗粒级配累积曲线及指标的用途：
1）粒组含量用于土的分类定名；P23
2）不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度： Cu ≥ 5，不均匀土； Cu < 5, 均匀土。
2）分类
a)成层性：即层理构造。 b)裂隙性: 裂隙破坏土的整体性。沿裂隙面的抗剪强度很低，渗透性很高，浸水以 后裂隙张开，严重破坏土的结构，使土的强度降低，这对工程建设是不 利的。
1.3 土的物理性质指标
土的物理性质指标
(三相间的比例关系)
表 示
土的物理状态
粗粒土的松密程度 影响 粘性土的软硬状态
3）曲率系数Cc用于判定土的连续程度： C c = 1 ~ 3，级配连续土； Cc > 3 或 Cc < 1，级配不连续土。
4）不均匀系数Cu和曲率系数Cc用于判定土的级配优劣： 如果 Cu ≥ 5且 C c = 1 ~ 3 ， 级配 良好的土； 如果 Cu < 5 或 Cc > 3 或 Cc < 1，级配 不良的土。
3.土中气
自由气体：与大气连通，对土的性质影响不大
在粗粒土中常可见与大气相连通的空气，在受力时，气体能很快 从孔隙中逸出，一般不影响土的性质。
封闭气体：增加土的弹性；阻塞渗流通道
在细粒土中，常存在与大气不相连通的封闭气泡，在土体受压 时，气体体积缩小，卸荷后体积又恢复，这使土的弹性变形增大而透 水性减小。
25
26
1.2.3 土的结构构造
1.土的结构 1）概念
土的结构是指土粒相互排列的特征和粒间的联结能力。它与土的 矿物成分、颗粒形态和沉积条件有关。
2）分类
一般土的结构可归纳为三种基本类型。
（a）单粒结构
a)单粒结构
（b）蜂窝结构
（c）絮状结构
单粒结构是砂、砾等粗粒土常呈现的结构特征。
b)蜂窝结构
蜂窝结构是粉土常呈现的结构特征。
c)絮状结构
絮状结构是细小的粘粒（粒径小于0.005mm）或胶粒常呈现的结构特征。
27
28
※粗粒土的结构
• 示意图
单粒结构
• 粒间作用力 重力，毛细力 • 排列形式 点与点、点与面 • 矿物成分 原生矿物
※细粒土的结构
• 示意图
• 形成环境 • 粒间作用力 • 排列形式 • 矿物成分
片堆结构 (分散结构)
强结合水(强束缚水或吸着水)
表面结合水
紧附于矿物颗粒表面。
弱结合水
是在强结合水外围形成的一层结合水膜。 重力水
重力水可以在土孔隙中自由流动
自由水
毛细水
受到水和空气交界面处表面压力的作用， 存在于地下水位以上的透水层中自由水
19
20
结合水
强结合水
• 排列致密、定向性强 • 密度>1g/cm3 • 冰点处于零下几十度 • 具有固体的的特性 • 温度高于100°C时可蒸发
相比例关系的物理量称为土的三相比例指标。
为了研究土粒、水和空气这三相在数量上的相互关系，我们设想把土
体的各相分别集中在一起，用三相图来直观地表示三相物质在体积和质量
(重量)上的相对关系 。
三相草图
ma=0
质量 m
mw
Air Water
Va
Vv
Vw
V 体积
ms
Soil
Vs
33
34
三相草图
ma=0
mw m
不均匀程度：
Cu = d60 / d10
— 不均匀系数
Cu ≥5,级配不均匀
连续程度:
Cc = d302 / (d60 ×d10 )
— 曲率系数
土的颗粒级配累积曲线
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10 0
d60 d50 d30
d10
粒径(mm)
d60 d10 d30 Cu Cc
0.33 0.005 0.063 66 2.41
斜率: 某粒径范围内颗粒的含量 陡—相应粒组质量集中 缓--相应粒组含量少 平台--相应粒组缺乏
连续程度:
Cc = d302 / (d60 ×d10 )
— 曲率系数
较大颗粒缺少 Cc 减小 较小颗粒缺少 Cc 增大
土的颗粒级配累积曲线
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10 0
d60
d30
d10
C c = 1 ~ 3, 级配连续性好
土原岩相同的矿物成分。 如：长石、石英、云母颗粒
次生矿物 在化学风化作用下，由于改变了
成土原岩原来的矿物成分，形成 了新矿物。主要是粘土矿物。 如：蒙脱石、伊利石、高岭石
粘土矿物:
由硅片和铝片构成的晶胞所组合而成
7
8
粘土矿物的 晶格构造
粒径 比表面积 胀缩性 渗透性 强度 压缩性
高岭石
大 10-20m2/g
弱结合水
• 位于强结合水之外，电场引 力作用范围之内
• 外力作用下可以移动 • 不因重力而移动，有粘滞性
自由水
重力水 毛细水
在重力作用下可在土中自由流动
• 存在于固气之间 • 在重力与表面张力作用下
可在土粒间空隙中自由移动
21
22
毛细水
分布在土粒内部相互贯通 的孔隙可以看成许多形状 不一、直径互异、彼此连 通的毛细管