渗透变形与地面沉降
第六章渗透变形
原地下水
降水后 水位线
§2
渗透变形产生的条件
1. 渗透变形的动力----动水压力 当动水压力>岩土抗渗强度（岩土抵抗 渗透水流作用的能力），产生渗透变形。 一、渗流的动水压力及临界水力梯度 渗透压力：dP=dw· w· dh · g 动水压力（D）：单位体积土层所受的渗透 压力
dP dh D＝ ρ g ρ g I dw dl dl 饱水土体重量：dW ρ sat g dl dw 水的重量：dF ρ g dl dw
多薄层型:多位于河流下游 ，由细砂土、粉土和粘性土互相叠置组 成，主要取决于表层是否存在粘性土，其性质、厚度和完整程度如 何。如含粘性土夹层和透镜体，对土层渗透性和动水压力有一定影 响，可使局部地段水利梯度较大，而引起渗透变形。
• 2.地形地貌条件 • 沟谷切割等改变了渗流的补给、渗流的 长度、出口条件等 四、工程因素 • 渗流出口的保护 • 施工等破坏了表层具有防渗作用的弱透 水层
水下土体重量：dQ=dW-dF=(sat- )· g· dl· dw =’ ·g·dl· dw
当dP=dQ时，土颗粒处于平衡状态
当dp=dQ时，单元土体处于悬浮状态，发生流土。
此时渗流的水力梯度为临界水力梯度Icr 。 即有：w· g· dw · dh = ’ ·g·dl· dw Icr = dh/dl = ’ / Icr= ’ =(s-1)(1-n)…… 太沙基公式 dh/dl= ’ /
四、确定临界水力梯度与允许水力梯度 I cr I 允＝ m 1 允许水力梯度： m m与地质条件和工程重要性有关：
一般砂土：m＝1.5~3.0
粘性土：m＝2.5~4.0 五、渗透变形可能性判定 I实>I允 发生渗透变形 I实<I允 不发生渗透变形
浅谈土体渗透变形对地基沉降的影响
浅谈土体渗透变形对地基沉降的影响作者：刘通灵李勇杰来源：《科学与财富》2019年第08期摘要：在日常的生活中以及工程的建设过程中，土是密不可分的一部分，是重要的实体对象。
土是岩石风化的产物，在自然的环境之中，岩石经历不断风化的作用以及不断的剥蚀，将会分解成大小不一样的颗粒物质，这些经历风化的颗粒物在经过大自然的搬运之后，就会不断的进行沉降，最终成为了沉降物。
这个沉降物就是土，它具有很多的特点，对人们的生活有着十分重要的影响，在人们的工程活动过程中，土体的特性也会对整个工程造成严重的影响。
本文在土地力学的基础上，结合实际的情况以及显示生活中的实例，对土的强度，渗漏，变形以及稳定性做出了简要的研究，讲述了这些因素对施工工程的影响，以及和整个工程的关系。
关键词：土地;强度;渗透;变形;影响引言：渗透水流是作用在岩土上的一种力，一般情况下被称为渗透压力或者动水压力，当这种力达到一定的数值的时候，岩土中的某些颗粒就会发生移动甚至会被渗流带走，这样就容易引起岩土的结构变松，强度会变低，严重的时候会发生破坏，这种工程动力地质作用或者现象就会被称为渗透变形或者渗透破坏。
在自然工程中，渗透变形一般不被不发生在无粘性土或者粉土之中。
土的渗透变形会对工程以及地面沉降造成影响。
1土体的渗透变形土体的渗透变形会对地基的沉降造成影响。
在工程施工的过程中，因为土体的颗粒级配和土体结构的不同，土的渗透变形通常会被分成流土，管涌，接触冲刷，接触流失这四种方式。
流土一般是指在渗流的作用之下，有些土体的表面会出现隆起的现象，会出现土粒群动面流失的现象，通常会发生在地基之上或者是在土坝下面。
管涌一般是在渗流的作用之下，出现土体被冲走的现象，一般会发生在砂砾石地基或者是粗细颗粒混杂不均匀的地基之中。
接触冲刷是当渗流沿着两种渗透系数不同的土层接触面，或者是当建筑物和地基的接触面发生流动的时候，沿着接触面会带走细的颗粒就会被称为接触冲刷。
接触流失是指在层次分明，渗透系数相差较远的土层之中，当渗流垂直于层面将渗透系数小的一层中的细颗粒带到渗透系数大的一层中，这种现象就被称为接触流失。
渗透变形预测与防治
水泥土搅拌桩可适用于一般基坑支护和止水，施 工教方便，成本较低，缺点是强度不是特别大。 混凝土桩优点强度大，可支护深度大，承载力强， 支护效果好。缺点是成本高，施工复杂。 图钉墙施工快捷，成本较低。缺点是需要先开挖 再施工，且需要放坡。
三、渗透防治方法
1.流沙的防治
1.3盾构法
（1）概念
示踪法精品资料防治方法施工时流沙的防治汲水井防治管涌的措施土石坝防治渗透变形人工降低潜水位板桩防护墙盾构法沉井式支护掘进管涌图解反滤层反滤层分类反滤层要求反滤层设计反滤层构造基本介绍土石坝分类土石坝构造土石坝的渗流分析防治措施防治工艺精品资料人工降低地下水位的方法有轻型井点喷射井点电渗井点管井井点及深井泵井点等
盾构法
土石坝防治 渗透变形
基本介绍
土石坝构造
土石坝分类
土石坝的渗流 分析
防治措施
防治工艺
三、渗透防治方法
1.流沙的防治
1.1人工降低潜水位 人工降低地下水位的方法有轻型井点、喷射井点、电 渗井点、管井井点及深井泵井点等。 ⑴ 轻型井点 就是沿基坑四周将许多直径较小的井点管买入蓄水层内， 井点管上部与总管连接，通过总管利用抽水设备将地下水从 井点管内不断抽出，使原有的地下水位降至坑底以下。此种 方法适用于土壤的渗透系数K=0.1~50m/d的土层中 ⑵ 喷射井点 当基坑开挖较深，采用多级轻型井点不经济时，宜采用 喷射井点，其降水深度可达8~20m。喷射井点设备由喷射井 管、高压水泵及进水、排水管路组成。喷射井管由内管和外 管组成，在内管下端装有喷射扬水器与滤管相连，当高压水 经内外管之间的环形空间由喷嘴喷出时，地下水即被吸入而 压出地面。
盾构法(Shield Method)是暗挖法施工中的一 种全机械化施工方法，它是将盾构机械在地中推进， 通过盾构外壳和管片支承四周围岩防止发生往隧道 内的坍塌，同时在开挖面前方用切削装置进行土体 开挖，通过出土机械运出洞外，靠千斤顶在后部加 压顶进，并拼装预制混凝土管片，形成隧道结构的 一种机械化施工方法。
水
潜水的补给与排泄
大气降水 河流补给潜水
泉
潜水补给河流
承压水（自流水）的循环
• 承压水的形成：向斜构造和单斜构造 • 承压水的补给区和分布区不一致 • 补给区远小于分布区 径流条件的好坏与地形条件、含水层的透水性、补给区 与排泄区的水位差、承压含水层的挠曲程度等有关 最适宜形成承压水的地质构造有：
纯水的密度为0.981t/m3 密度 地下淡水的密度认为与纯水密度相同 溶解盐分愈多，密度愈大，有的可达1.2～1.3 t/m3
导电性
地下水的导电性取决于所含电解质的数量和质量，即各种离子 的含量与其离子价：离子含量愈多，离子价愈高，则水的导电 性愈强。水温对导电性也有影响。
放射性
地下水在特殊储藏环境下，受到放射性矿物的影响，具有一定 的放射性，如：堆放废弃的核燃料，会引起周围岩土体及其中 的水体带有放射性。
1. 地表塌陷 2. 地面沉降 地下水位下降 3. 海(咸)水入侵 引起的工程地质 4. 地裂缝的产生与复活 问题 5. 地下水源枯竭、水质恶化 海水入侵
莱州湾渤海沿岸的某些地区海水入侵到大陆内纵深10余公里， 海水入侵面积已达到八百多平方公里，每年减产粮食2-3亿公 斤，工业损失2-3亿元，累计工农业损失计50亿元之多。上海、 天津、美国、日本、以色列、荷兰 、澳大利亚等滨海城市都 存在海水入侵问题。
西 藏 热 水 井 喷 发
承压水：埋藏并充满在两个隔水层之间的含水
层中的地下水，是一种有压重力水 承 压 水 埋 藏 示 意 图
1.2 地下水的分类： 泉：地下水在地表的天然出露
按水头性质分为上升泉和下降泉，按出露原因分为侵 蚀泉、接触泉和断层泉。 河谷切割到潜水含水层时，潜水出露成侵蚀下降泉。河 谷切穿承压含水层的隔水顶板时，承压水喷涌成泉，称 为侵蚀上升泉。透水性不同的岩层接触，地下水沿接触 面出露称为接触泉。断层使承压含水层被隔水层阻挡， 当断层导水时沿地面出露的承压水称为断层泉。
工程地质学基础(完整版)
绪论蒲博文工程地质学：是地质学的分支学科，它研究与工程建设有关的地质问题、为工程建设服务，属于应用地质学的范畴。
工程地质学的主要任务：❶阐明建筑地区的工程地质条件，并指出对建筑物有利和不利的因素。
❷论证建筑物所存在的工程地质问题，进行定性和定量的评价，做出确切的结论。
❸选择地质条件优良的建筑场址，并根据场址的地质条件合理配置各个建筑物。
❹研究工程建筑物兴建后对地质环境的影响，预测其发展演化趋势，并提出对地质环境合理利用和保护的建议。
❺根据建筑场址的具体地质条件，提出有关建筑物类型、规模、结构和施工方法的合理建议以及保证建筑物正常使用所应注意的地质要求。
❻为拟定防治和改善不良和地质作用的措施方案提供地质依据。
工程地质学的基本研究方法：自然历史分析法、数学力学分析法、模型模拟试验法、工程地质类比法。
工程地质条件：是指与工程建筑有关的地质因素的综合。
地质因素包括岩土类型及其工程性质、地质结构、地貌、水文地质、工程动力地质作用和天然建筑材料等方面，它是一个综合的概念。
工程地质问题：是指工程地质条件与建筑物之间所存在矛盾。
第四章活断层与地震活断层：一般是是指近期曾有过活动或正在活动或将来有可能重新活动的层。
活断层的基本特征：❶活断层的继承性与反复性。
❷活断层是深大断裂复活运动的产物。
❸活断层的活动方式。
（一种是以地震方式产生间歇性的突然滑动称之为地震断层或者粘滑性断层。
一种是沿断层面两侧岩层连续缓慢的滑动称之为蠕变断层或者蠕滑型断层）活断层的鉴别：❶地质、地貌和水文地质特征①地质特征：最新沉积物的地层错开，是鉴别活断层最可靠的依据。
②地貌特征：活断层往往是两种截然不同的地貌单元的分界线，并加强各地貌单元的差异性。
活断层往往构成同一地貌单元或地貌系统的分解和异常。
走滑型的活断层可使穿过它的河流、沟谷方向发生明显的变化。
在活动断裂带上，滑坡、崩塌和泥石流等工程动力地质现象常呈线性密集分布。
③水文地质方面：活动断裂带的透水性和导水性较强，因此当地型、地貌条件合适时，岩断裂带泉水常呈线性分布，且植被发育。
地基处理中的地面沉降问题
地基处理中的地面沉降问题地基处理是建筑工程中至关重要的一步，它对整个建筑的稳定性和安全性起着决定性的作用。
然而，地基处理中常常会遇到一个棘手的问题，那就是地面沉降。
地面沉降不仅会给建筑物带来危害，还可能对周边环境和民生造成严重影响。
本文将探讨地基处理中的地面沉降问题，并提出一些解决方案。
一、地面沉降的原因地面沉降是指土地表面由于各种原因而产生的下沉现象。
主要原因包括以下几点：1. 自然沉降：土壤本身存在固有的自然沉降现象，这是由于土壤颗粒间排列结构的调整和重力作用所导致的。
2. 湿陷沉降：在湿润地区，土壤中的饱和含水层经受荷载作用后，水分排出，土壤发生不均匀沉降。
3. 工程施工引起的沉降：施工过程中，土壤受到震动、挤压等力的作用，导致土壤颗粒重新排列，从而引起地面沉降。
二、对地面沉降的影响地面沉降对建筑物和环境都会带来严重的影响，具体表现为以下几个方面：1. 建筑物损坏：地面沉降使建筑物的基础承受不均匀的荷载，导致建筑物的结构受损甚至倒塌。
2. 土地沉降导致市政设施破损：地面沉降会使地下管道、道路和桥梁等市政设施发生位移和破损，给城市的正常运转带来严重威胁。
3. 水体泛滥：地面沉降导致水体在原本排水顺畅的区域堵塞，进而引发水体泛滥，造成洪涝灾害。
三、解决地面沉降问题的方案针对地面沉降问题，科学有效的解决方案是十分必要的。
下面将介绍几种常用的处理方法：1. 加固基础：对于已经存在地面沉降问题的建筑物，可以通过增加地基的支撑力或补充土壤来加固基础，以增强其承载能力。
2. 植物修复：通过植物修复技术，引入特定的植物来提高土壤的稳定性和保水性，从而减少地面沉降。
3. 沉降监测与预测：定期进行地面沉降监测，及时了解沉降情况，并进行预测，可以帮助及早发现并解决地面沉降问题。
4. 合理规划与管理：在规划和管理建筑项目时，要合理选择建筑地点，避免在易受地面沉降影响的地区建设，有条件的话可以选择进行地基处理，以降低地面沉降的风险。
地面沉降的研究
地面沉降的研究牛正军【摘要】The paper introduces the reason and mechanism of the ground subsidence, the calculating forecasting model, the inspection technical measures and the prevention measures, has the factual summary of the inspection forecasting and prevention measures, so as to direct the correct forecasting of the ground subsidence and adopt reasonable prevention measures.%系统介绍了地面沉降产生的原因机理、计算预测模型,监测技术手段以及防治措施,并对监测预报以及防治措施进行了较具体的总结,以指导正确预测地面沉降,从而采取合理的预防措施。
【期刊名称】《山西建筑》【年(卷),期】2012(038)023【总页数】3页(P76-78)【关键词】地面沉降;机理;计算预测模型;防治措施【作者】牛正军【作者单位】安徽省化工设计院,安徽合肥230009【正文语种】中文【中图分类】TU4330 引言地面沉降是人为的或自然的因素作用下，由于地壳表层土体受力压缩导致的区域性地面标高整体下降的一种环境和地质现象，是一种无法补偿的永久性环境破坏和资源损失［1］。
地面下沉将引起一系列的危害，如道路、房屋开裂，基础设施遭到破坏及地下水资源恶化等。
根据长江三角洲、华北地区等的研究，据统计，建国以后，仅地面沉降及地裂两项造成的经济损失就达4 500亿元～5 000亿元人民币。
包括直接经济损失350亿元～400亿元人民币，年均损失90亿元～100亿元人民币，年均直接经济损失8亿元～10亿元人民币［2］。
地下水
地下水定义：地下水是赋存于地表以下岩土空隙中的水，主要来源于大气降水，经土壤渗入地下形成的。
地下水是地质环境的组成部分之一，能影响环境的稳定性。
主要表现在：地基土中的水能降低土的承载力；基坑涌水不利于工程施工；地下水常常是滑坡、地面沉降和地面塌陷发生的主要原因；一些地下水还腐蚀建筑材料。
第一节地下水概述1．地下水：气态水、结合水、毛细水、重力水、固态水以及结晶水和结构水。
重力水（自由水）：不受静电引力影响，在重力作用下运动，可传递静水压力，能产生浮托力、孔隙水压力，在运动过程中产生动水压力，具有溶解能力。
2．含水层：在正常的水力梯度下，饱水、透水并能给出一定水量的岩土层。
含水层的形成必须具备的条件：岩土层中有较大（指能透水）的空隙；含水层要为隔水层所限，以便地下水汇集不至流失；含水层要有充分的补给来源。
3．隔水层：在正常的水力梯度下，不透水或透水相对微弱的岩土层。
它可以是含水甚至饱水（如粘土），也可以是不含水的（如致密的岩石）。
4．滞水层：弱透水层。
5．岩土的水理性质：指岩土与水接触时，控制水分储存和运移的性质。
（1）容水度：岩土孔隙完全被水充满时的最大的水体积与土体积之比。
（2）持水度：饱和岩土在重力作用后，保持在土中水的体积与土体积之比。
这部分滞留土中的水为结合水和毛细水。
（3）给水度：在重力作用下排出的水的体积与岩土体积之比。
（4）透水性：岩土允许重力水渗透的能力。
用渗透系数表示。
（5）达西定律：地下水线性渗透的基本规律。
Q=kiA; v=ki第二节地下水类型地下水按埋藏条件可分为：包气带水、潜水、承压水。
按含水介质类型分为：孔隙水、裂隙水、岩溶水。
地面以下、稳定地下水面以上为包气带。
稳定地下水面以下为饱水带。
1．包气带水：处于地表面以下、潜水位以上的包气带岩土层中，包括土壤水、沼泽水、上层滞水以及基岩风化壳（粘土裂隙）中季节性存在的水。
2．潜水：埋藏在地表以下第一层较稳定的隔水层以上具有自由面的重力水。
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排水孔反滤层结构 EXIT13
地面沉降
思考题4
地面沉降指在自然因素和人为因素影响下形成的地表 垂直下降现象。导致地面沉降的自然因素主要是构造 升降运动以及地震、火山活动等，人为因素主要是开 采地下水和油气资源以及局部性增加荷载。
中国地面沉降情况（1993）
省 （区、市）
面积 （km2 ）
预测步骤： （1）根据土体的性质和类型，判别渗透变形可能性与 类型 （2）确定坝基各点，尤其是下游坝脚处的实际水力梯 度。 （3）确定临界水力梯度和允许水力梯度。 （4）根据比较，圈定出可能发生渗透变形的范围。
1. 渗透变形的可能性及类型
首先分析坝基的地层结构和地形地貌条件，初步确定
渗透变形的地段。
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2
渗透变形
渗透水流作用于岩土上的力，称渗透压力或动水压力。当此力达 到一定值时，岩土中的一些颗粒甚至整体就会发生移动而被渗流
携走，从而引起岩土的结构变松、强度降低，甚至整体发生破坏。 这种工程动力地质作用或现象称之为渗透变形或渗透破坏。 在自然界中，渗透变形一般不发生在无粘性土或粉土中。
1. 筑物基坑及地下施工时的流沙的防治措施。
建筑物基坑主要采取人工降低潜水位的办法。使潜水位低于基
坑底板。也可采用板桩防护墙。
2. 汲水井防治管涌的措施。 主要措施是在过滤管与井壁间隙内充填反滤料。
思考题3
3. 士石坝防治渗透变形的措施
（1）垂直截渗 （2）水平铺盖 （3） 排水减压 （ 4）反滤盖重
可以划分为潜蚀和流土两种类型。 1. 潜蚀
思考题1
在渗流作用下，单个土颗粒发生独立移动的现象，称潜蚀或管涌。 潜蚀较普遍的发生在不均匀的砂层或砂卵（砾）石层中，潜蚀 包括机械潜蚀和化学潜蚀两种。 潜蚀在自然条件下和工程活动中均会发生，人们习惯地把工程活 动中发生的潜蚀称为管涌。根据渗透方向与重力方向的关系，可 将管涌分为垂直管涌和水平管涌两种。
上下界面 水头差
土的抗渗强度时,就会发生渗透变 形。所以说,渗透变形主要取决于
长度
渗流的动水压力和岩土抗渗强度
这一对矛盾相互作用的发展演化
过程，这是渗透变形的基本条件，
此外还有宏观地质因素和工程因
素。
1. 渗流的动水压力及临界水力梯
度。地下水在松软土体中渗流时， 由于水质点之间以及水流与土粒 dl
之间磨擦阻力的作用，产生水头
上海 850
天津 江苏 浙江 山东 10000 379.5 262.7 526
心墙坝
斜墙坝
粘土截水可编墙辑p示pt 意图
12
（2）水平铺盖
（3） 排水减压
防渗铺盖示意图
在坝后的坝脚处设置排水沟和减压井，它们的作用是吸收渗流和 减少溢出段的实际水力梯度。
（4）反滤盖重:分三层铺设，层界 面与渗流方向正交，粒径由粗到细
d=5-10mm d=1-5mm d=0.25-1mm
各分层间粒径关系
工程等级较低或初级堪察阶段可采用图表法，工程等 级较高或后期勘察阶段则采用试验法。理论计算仅适 用于流土类型，可根据土的类型及密实程度，选用不 同的计算公式。
允许水力梯度(Iy)： 临界水力梯度(Icr)除以安全系数m，m=1.5-3
可编形的防治，通常采用三方面的防护措施。即改变渗流的 动力条件、保护渗流出口和改善土石性质。可根据工程性质和 地质条件选择使用。
确定坝基实际水力梯度的方法有：理论计算法、绘制流 网的图解法、水电比拟法及观测法等。
绘制流网的图解法比较简单且可靠，是常用方法。流网 图是由一系列流线和等水头线所组成的网格。
△S
△S △h
坝基任一点的水力梯度： I h
可编辑ppt s
10
3. 确定临界水力梯度和允许水力梯度
包括理论计算法、图表法和试验测定法。
土的级配特征可用土的不均粒系数（Cu） 表示，为土粒重百分数60%与10%的比值。 值越大表示土粒越不均匀。 当Cu<10时，主要形式是流土。 当Cu>20时，主要形式是潜蚀。
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6
3. 宏观地质因素和工程因素。
宏观地质因素包括地层结构和地表地形条件两个方面。
地层结构对渗透变形的影响，在坝基下表现最为明显。
土木工程地质讲义
第一编 动力地质作用与不良地质现象
第一章 地壳与地质作用 第二章 活断层与地震防灾规划 第三章 滑坡与泥石流 第四章 岩溶 第五章 渗透变形与地面沉降 第六章 河流侵蚀与淤积 第七章 地裂缝与采空区塌陷
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1
地下水的渗流作用 －－渗透变形与地面沉降
1. 渗透水流作用类型 2. 渗透变形产生的条件 3. 渗透变形的预测 4. 渗透变形的防治 5. 地面沉降的分布与危害 6. 地面沉降的成因与防治
地形地貌条件对渗透变形的影响，主要表现在沟谷切割 影响渗流的补给、渗径长度和渗流出口条件等方面。
工程因素主要指的是渗流出口的保护问题。土石坝和汲 水井的渗流出口段水力梯度较整个流径上的平均水力梯 度为高。水流方向也有利于土的松动和悬浮。若不加保 护，最易产生渗透变形。
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EXIT7
渗透变形的预测：
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3
土石坝坝基渗流示意图
2. 流土 在渗流作用下一定体积的土体同时发生移动的现象， 称流土或流沙。流土一般发生在均质砂土层或粉土中。 潜蚀和流土是可以转化的，潜蚀的发展、演化，往往 可以转化为流土。
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EXIT4
渗透变形产生的条件
思考题2
引起渗透变形的动力因素是动水 压力,一旦渗流的动水压力达到岩
随后，根据累积曲线和分布曲线，计算出不均粒系数
和细颗粒的百分含量，来确定渗透变形的类型。
也可根据累积曲线和分布曲线的形状来判断：瀑布式
产生管涌，直线式不产生管涌。
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8
累 积 百 分 曲 线
管 涌
流 土
管涌或流土
粒径
颗粒累积曲线形式与渗透变形类型
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9
2. 确定坝基各点的实际水力梯度
损失。此时，每一个土粒在水头
d
差作用下承受了来自水流的渗透
p
力，即动水压力。习惯上用单位 水体承受的水压力D表示。
dw
dp w•g•dh•dw
D dp 可编辑pptdw•dl
w•g•I
dh
水压力
面积 水力梯度
5
2. 土的抗渗强度—-结构特性
土体抗渗强度取决于其本身的结构。制约渗透变形 发生的土体结构特性，包括土中粗细颗粒直径比例、 细粒物质的含量和土的级配特征、颗粒形状及排列 方式等因素。