土力学与基础工程讲稿(中山大学).doc

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1、中山大学地球与环境科学学院地球科学系98级地质学专业岩土工程专业方向 讲 稿 （72学时）2001年2月7月2001年2月7月0 前 言0.1 学时分配学时分配参考表章 节内 容学 时其 中理论教学实践教学0绪论221土的物理性质及其工程分类16(14)412(10)2土中水的运动规律113土中应力分布及计算664土的压缩性与地基沉降计算10645土的抗剪强度8626土压力计算447土坡稳定分析338地基承载力339天然地基基础设计101010地基上梁和板的分析3311桩基础8812特殊性土地基4413地基处理6614支挡结构3（0）3（0）15动力机器基础0016地基基础抗震设计2（0）2（

2、0）复 习11合 计90（83）72（67）18（16）“土力学”与“基础工程”是土木工程专业的主干课程，因此有必要了解一下土木工程和土木工程专业及其培养目标。0.2 土木工程和土木工程专业土木工程是建造各类工程设施的科学技术的总称。它既指与人类生活、生产活动有关的各类工程设施如建筑工程、公路与城市道路工程、铁路工程、桥梁工程、隧道工程等，也指应用材料、设备在土地上所进行的勘测、设计、施工等工程技术活动。土木工程是社会和科技发展所需要的“衣、食、住、行”的先行官之一；它在任何一个国家的国民经济中都占有举足轻重的地位。土木工程需要解决的问题：首先表现为 形成人类活动所需要的，功能良好和舒道美观的

3、空间和通道；它既有物质方面的需要，又有精神方面的需要。这是土木工程的根本目的和出发点。其次表现为 能够抵御自然或人为的作用力。前者如地球引力、风力、气温和地震作用等；后者如振动、爆炸等。这是土木工程之所以存在的根本原因。第三表现为 充分发挥所采用材料的作用。土木工程都是应用石、砖、混凝土、钢材、术材乃至合金材料、塑料等在地球表面的土层或岩层上建造的。材料所需的资金占土木工程投资的大部分。材料是建造土木工程的根本条件。第四表现为 怎样通过有效的技术途径和组织手段，利用各个时期社会能够提供的物质设备条件，“好、快、省”，地组织人力、财力和物力，把社会所需要的工程设施建造成功，付诸使用。这是土木工程

4、的最终归宿。土木工程具有以下四个基本属性：(l) 社会性 土木工程随社会不同历史时期的科学技术和管理水平而发展。(2) 综合性 土木工程是运用多种工程技术，进行勘测、设计、施工工作的成果。(3) 实践性 由于各种影响土木工程的因素既众多又错综复杂，使得土木工程对实践的依赖性很强。(4) 技术、经济和艺术统一性 土木工程是为人类需要服务的，它必然是每个历史时期技术、经济、艺术统一的见证。发展土木工程的根本因素是培养大批掌握土木工程科学技术，懂得土木工程基本属性，具有能解决上述四方面问题的人才。土木工程专业就是为培养这类人才所设置的学业门类。土木工程专业在两类学校里设置：一是高等学校（包括普通高等

5、学校，高等专科学校和高等职业技术学校），培养的是未来的土木工程师；二是中等专科学校，培养的是未来的土木工程技术员。0.3 我国高等学校土木工程专业的培养目标我国高等学校土木工程专业的 培养目标 是：培养适应社会主义现代化建设需要，德智体全面发展，掌握土木工程学科的基本理论和基本知识，获得土木工程师基本训练（大专提获得土木工程师初步训练）的，具有创新精神的高级工程科学技术人才（大专提高级工程技术应用人才）。毕业生能从事土木工程的设计、施工与管理工作，具有初步的工程项目规划和研究开发能力。作为刚跨进高等学校大门的学生，理解本专业的培养目标，就是懂得“为什么学习”，这个根本问题。这是区别于中等教育的

6、特点所决定的。高等教育，就广义上说，是指一切建立在普通教青（中学进行的就是普通教育）基础上的专业教育。高等个专业的培养目标，就是这个专业教育活动的基本出发点和归宿，也是高等学校所培养人才在。大学生在学习过程中要按照这个目标接受教育，进行学习，在思想、知识、技能、能方面严格要求自己。毕业时，用人单位将根据这个目标评价和选择每一个毕业生；学生自己则要按照这个目标进行自我评价，选择造合自己发展的工作岗位。为了认清土木工程专业的培养目标，需要讨论关于科学、技术、工程和工程师的概念。(l) 科学科学 指关于事物的基本原理和事实的有组织有系统的知识。科学的 任务 是研究关于事物和事实（自然界和社会）的本质

7、和机理，以及探索它们发展的客观规律。其中，基础科学（Basic science）如数学、物理、化学、天文、地学、生物等，其任务是研究自然界最基本的客观规律。近百余年来发展了技术科学（Technological Science），如固体力学、流体力学、机械学、电工学、电子学等，其任务是研究相邻几门工程方面共同性的自然规律。科学家（Scientist）则是从事科学研究的专门家，包括自然科学家和社会科学家。(2) 技术技术 指根据生产实践经验和自然科学原理而发展成的各种生产工艺、作业方法、操作技能、设备装置的总和。技术的英文名词有两个：Technology和Technique。前者全名为科学和技术的

8、区别技术学，是一种学术，有它的理论基础，也有实用技术；后者是单纯经验性的技术。技术的任务 是利用和改造自然，以其生产的产品为人类服务。其中工程技术有土木、机械、电机、电讯、化工、计算机等；农业技术有种植、畜牧、造林、园艺等。技术家（Technologist）则是从事技术工作的专门家、工程师、农艺师、医师等都称为技术家。(3) 科学和技术的区别和联系科学和技术是两个不同的概念。它们的区别可以用表1.1加以概括（也见图1.1）。但是，科学与技术又有联系。远古时期，生产力低下，人类凭借在生存中获得的经验形成各种技术，如种植技术、畜牧技术等。逐渐，人类开始有目的地观察自然现象，有意识地认识物质运动状态

9、，从而产生了科学。到了中古时期，随着封建社会的兴盛，科学和技术都得到发展：如哲学、天文学、物理学、医学等有较大发展，我国的火药、指南针、印刷术的技术发明对世界作出贡献，各国的建筑技术、航海技术等相继兴起。但是封建制度较长时期的存在总的还是抑制了科学技术发展。例如在中国，古代教青中多讲儒学，很少涉及科学和生产技术知识；在欧洲，学校教青内容主要讲修辞、神学、算术、天文学，而技术指匠人传授技艺，不能进人学校。从18世纪中到19世纪末，是近代科学技术发展时期。这时，科学促进技术进步，逐渐发展了技术学；技术又推动新的科学理论不断涌现。例如人们对热现象的科学研究促进了蒸汽机的发明和改进，也为热力学的产生准

10、备了条件，而热力学的研究又指导了内燃机的研制。19世纪未，很多大学开设了科学和技术的课程，技术学进入了大学。到了20世纪，科学和技术紧密相连，如现代物理学推动了原子能利用，电子技术产生了电子计算机带动着一切学科的发展等等。与此同时，技术科学得到迅猛发展，它们愈来愈成为大学中的重要学科，与各种工程相应的工程技术课程也得到应有发展。从上述科学技术发展简史看，科学是基础，应用科学原理可以开发技术；技术的发展，会出现新的现象和问题，人们对它们进行研究，就能进一步发展科学。所以，科学与技术相互促进，相辅相成，而且互相渗透，两者之间没有明确的界限。但是，科学与技术毕竟是两个不同的概念。(4) 工程工程是将

11、自然科学的原理应用到工农业生产部门中去而形成的各学科的总称H.H.，其目的在于利用和改造自然来为人类服务（辞海）；但工程并不等于科学。工程是应用科学知识使自然资源最佳地为人类服务的一种专门技术（简明大英百科全书）；但工程并不等于技术，它还受到政治、经济、法律、美学等非技术内容的影响。工程是利用和改造自然的实践过程；技术存在于工程之中。工程中含有丰富的艺术内涵，包括工程形象的创造、工程管理的艺术以及工程师的想象力和创造力，但工程不等于艺术。工程的完整概念是运用科学原理、技术手段、实践经验，利用和改造自然，生产开发对社会有用的产品和实践活动的总称；任何工程都是工程师(含建筑师、工艺师等)的艺术作品

12、和全体工程人员的劳动成果。工程和各方面的关系见图1.2(a)，以房屋建造为例如图1.2(b)。(5) 与工程有关的科学技术概貌以土木工程为例，如图1.3所示。(6) 工程师工程师 是从事工程活动的技术家。工程师具有的特征可以从其英文名词Engineer = Engine+er上看出来。Engine指发动机，是实现一个目标的原动力；它的同义词ingenuity指创造性。可见，工程师必须具有创新精神，是工程的原动力、启动人；工程师的核心职能是革新和创造。工程师有三种类型： 技术实施型他们是在工业生产第一线从事工程设计、制造、施工、运行等技术工作的人才。他们应该善于解决工程实施中出现的各种复杂的技术

13、问题。这类人才约占工程师总数的65%75%。 研究开发型他们是从事工程技术开发研究、工程基础研究（或称技术科学研究）的人才。他们应该具有开发新材料、新工艺、新产品，使工业生产具有竞争力的能力。这类人才约占工程师总数的15%。 工程管理型他们是以技术背景为主的从事规划、管理、经营、销售等工作的人才。他们的知识面要宽、组织能力要强，对工业生产的发展有洞察力和识别力。他们约占工程师总数的10%20%。在工程实践中，这三类工程师往往因工作需要而互换。每一个成为工程师的人都应该胜任这三类工程师的工作。因而，对工程师的素质要求应该是： 有较强的基础科学和技术科学的理论基础(包括数学、物理、化学以及与工程有

14、关的技术科学、工程技术)和较宽的知识面(包括政治、经济、社会学、伦理学、环境学、法律、美学、方法论等)。 具备以下几方面的能力：a. 设计能力 进行工程的设计和技术标准、法规的制订。b. 实施能力 掌握生产工艺、技术设施，主持生产运行，能解决实践中遇到的复杂问题。c. 开发能力 具有新概念，对工程发展有预见，具备开发新技术的能力。d. 管理能力 能够系统地进行规划、管理、经营，使工业生产在尽可能少的投人下获得尽可能多的社会效益和经济效益。e. 评价能力 对现有工程进行政治、经济、技术、质量、效益等方面的评价。显然，具有本科学历的工程师和具有大专学历的工程师（可称技术工程师）所从事的工作和对人才

15、的素质要求是不一样的。后者主要从事工业第一线的制造、施工、运行、维修、测试等方面的工艺、技术、管理工作，能解决工程实施中遇到的一般性问题；他们在理论基础方面的要求可以较低一些，但知识结构带有很强的实用性；他们在基本技能方面（如制图、测试、工艺操作等）应有较高的要求。绪 论 一、土力学与基础工程的研究对象任何建筑物都是建造在地球上的，建筑物的全部荷载都由地球的表面地层来承担，这里所说的 建筑物 不仅指一般的住宅、办公楼和厂房等，而且泛指桥梁、码头、水电站、高速公路等工程结构物，还包括穿越土层的隧道或地下铁道等地下结构物，以及用土作为材料建造的大坝或路堤等土工构筑物，承受这些建筑物荷载的地层称为地

16、基，与地基接触并传递荷载给地基的结构物称为基础。广义地说， 基础工程这一学科领域 不仅将土作为地基来研究，还包括了将土作为工程结构物的环境介质以及作为土工构筑物材料在内的工程问题，亦即几乎包括了人类所有的工程活动赖以存在的全部与土有关的工程技术问题。地基与基础的勘察、设计与施工 是工程建设的关键性阶段，整个工程的成败在很大程度上取决于基础工程的质量与水平；地基基础又是隐蔽工程，施工条件极为复杂，影响工程质量的因素很多，稍有不慎轻则留下隐患，重则造成事故；基础工程的造价占工程造价的很大比例，在地质条件复杂地区，可高达20%30%，节约建设资金的潜力很大，如果盲目提高安全度，有时多花费建设资金却仍

17、不能收到良好的效果。因此，具有丰富工程经验的工程技术人员都十分重视地基与基础的勘察、设计与施工阶段的工作；要求从事土木、水利工程技术工作的人员必须掌握土力学基础工程的理论知识和实际技能，才能正确地解决工程中的地基基础技术问题。正确解决工程中的地基基础问题，其根本目的在于保证工程的质量，使工程结构物能安全、正常地使用。基础的质量是整个建筑物安全的根本所在。基础工程的质量包括：在建筑物荷载作用下地基应当是足够稳定的；地基的沉降对于结构物的变形和建筑物的正常使用是可以允许的；在各种不利因素的影响下基础的耐久性是可靠的；所使用的施工工艺和施工方法适合场地的工程地质条件、符合工程特点的要求，并且有利于实

18、现上述有关地基稳定、沉降和耐久性要求。这是地基基础设计与施工的目标，也是这门学科研究的主要内容。 二、土力学与基础工程课程学习的内容土力学与基础工程是土木、水利专业的一门重要的技术基础课。它由两个重要的部分组成，一部分是关于地基基础设计与施工的知识，即基础工程学的内容；另一部分是有关土的物理力学性质以及土的强度理论、渗透理论和变形理论的知识，即解决土力学各种课题的基本理论和试验研究方法。前者具有极强的技术性与应用性，后者则为前者提供解决工程问题的试验方法和理论基础。因此，本课程是实践性和理论性都比较强的一门课程，在整个教学计划中，从基础课过渡到专业课，具有承上启下的作用，是专业教学前的一个重要

19、环节。土力学是一门研究与土的工程问题有关的学科，它既是工程力学的一个分支学科，又是土木工程学科的一部分。 土 是由不同成因的岩石在风化作用（物理风化、化学风化和生物风化）后经重力、流水、冰川和风力等营力搬运、沉积而成的自然历史产物。土的工程性质与母岩的成分、风化的性质以及搬运沉积的环境条件有着密切的关系，研究土的工程问题不能不以工程地质学为基础，从宏观的、历史的角度分析土的各种特殊工程性质的形成机理及其变化的规律。土是一种特殊的变形体材料，它既服从连续介质力学的一般规律，又有其特殊的应力-应变关系和特殊的强度、变形规律，形成了土力学不同于一般固体力学的分析方法和计算方法。所以在学习本课程以前必

20、须具备工程地质学、材料力学的知识，在此基础上进一步学习土的工程性质指标的试验研究方法，地基变形的计算方法、地基强度稳定性分析的方法和土体渗流计算方法，这些理论与方法是地基基础设计与施工技术的基本原理，也是学习基础工程学的必备知识。基础工程是土木工程学科的一门重要分支，由于基础和上部结构是建筑物不可分割的组成部分，它们互为条件、相互依存，在设计和施工时必须统一考虑，地基基础的设计要求是由整个建筑物的结构特点和使用要求所决定的，各种类型上部结构的地基基础问题具有很大的专业特点。例如，在建筑工程中的桩基础承台埋于土中，称为低桩承台；而在码头、桥梁工程中的桩基承台可能在地面以上，称为高桩承台，这两种承

21、台的设计方法不同。但是，地基基础又有它不同于上部结构的许多特点，学习基础工程课程主要学习其特殊的R设计理论和方法，特别是涉及地基的设计写计算、结构物与土的相互作用分析、地基处理设计与施工。各个行业的地基基础问题又有许多共性，都必须重视土的工程性质的特殊性、重视地质条件的影响、重视设计参数的试验与确定、重视工程经验与地方经验、重视工程实录和观测资料的积累与利用。掌握了地基基础设计和施工的基本方法就可以结合各个专业的要求，因地制宜地具体应用，解决各个特殊的基础工程问题。土力学是基础工程设计和施工技术的理论基础，而基础工程则是土力学与结构工程密切结合的结果。它们二者构成本课程的完整体系，包括：土的工

22、程性质指标的试验与设计参数确定方法；土的渗透、变形和强度稳定性的计算原理；地基基础的设计与施工方法三个主要部分。土的工程性质指标包括物理性质指标和力学性质指标两类。物理指标是指用于定量描述土的组成、土的干湿、疏密与软硬程度的指标；力学性质指标主要是用于定量描述土的变形规律、强度规律和渗透规律的指标。测定这些指标的试验方法包括室内试验和原位测试两类，它们各有其特点和适用条件。学习土力学的理论知识的同时必须重视学习与掌握这些指标的试验测定方法，了解这些指标的适用条件。因此对主要的试验指标，在理论教学的过程中还要安排实验教学，学习土工试验的操作与数据整理方法。土力学的内容包括土中地下水的流网分析、土

23、中应力计算、沉降计算、固结理论、地基承载力计算、土压力计算和主坡稳定分析等，这些都是运用流体力学、弹性理论和塑性理论的基本原理研究土这种特殊性质材料的宏观力学行为所得到的结果，为地基基础设计提供了各种分析计算方法。基础工程的设计与施工包括：天然地基上浅基础的地基承载力计算和地基变形计算、基础底面反力分布与基础结构内力计算、基础的构造与配筋等；深基础和桩基础的设计原理与施工要点；支挡结构设计；动力机器基础设计；液化判别与地基抗震设计p特殊性土地基(湿陷性黄土、红粘土、膨胀土、盐渍土和冻土的判别与设计计算以及各种地基处理方法(换填法、强劳法、振冲法、预压法、高压喷射注浆、水泥土搅拌等)的设计原理与

24、施工要点。工程设计与施工都必须执行法定的规范标准。规范根据土力学和基础工程的基本原理、总结了工程实践的成功经验与失败教训，对设计内容、施工方法和质量检验标准作出了各种规定，作为设计和施工必须遵循的准则。在本课程中将要学习如何根据工程实际情况使用规范条文的方法；但各种不同行业的地基基础问题都有不同的专门规范，例如建筑地基基础设计规范(GBJ789)、公路桥涵地基与基础设计规范(JTJ02485)、港口工程地基规范(JTJ21987)、港口工程桩基规范(JTJ22287)；或者在有关结构工程的规范中包含了地基基础的内容，例如铁路桥涵设计规范(TBJ2-85)、公路路基设计规范(JTJ01386)等

25、规范。同时，随着工程技术的进步，规范也在不断修编完善，各种具体的规定也随之而变化。因此在学习本课程的过程中不可能也不必要掌握所有助规范内容，只要掌握了土力学和基础工程的基本原理，了解主要规范的基本精神，懂得了使用规范的方法，就能在今后的工程实践中正确地使用规范，适应规范标准的发展。 三、本书编写的特点我国过去学校的专业设置分工过细，使学生知识面太窄，不利于学生以后的发展，更不适应市场经济发展的要求，因此近几年来，调整专业目录的工作正在逐步实施。合并专业以后，学生的专业面拓宽了，土木工程专业的学生毕业以后应当比过去更能适应各个行业技术工作的需要，这就要求教学内容和教材作相应的调整，作为技术基础课

26、的土力学与基础工程课程也应兼顾土木工程专业中各个行业领域的技术要求选择教学的内容。由于历史的原因，过去对技术基础课过多地强调结合专业的要求，而原来设置的专业面又很窄，将一些行业特殊性很强的专业课内容放在技术基础课里，这就必然削弱了公共性、基础性的内容，使学生的知识面过窄。例如学了土力学与基础工程这门课程以后，建筑工程专业的学生不知流网，桥梁专业的学生不懂弹性地基梁板计算，这就很难适应设计施工单位不断拓宽业务领域的形势，不能满足生产单位对技术人员专业面拓宽的要求。在编写这本教材时，为了适应专业调整的需要，尽可能地考虑了合并到土木工程专业中的各个不同行业的共同需要，选择最基本的、必需的内容，按技术

27、基础课的教学要求来安排，以适应不同类型专业课后续教学的需要。为达到这个目的，注意了处理下列几个方面的关系：1. 加强了基本原理的教学，因为只有掌握了基本原理才能从根本上具备了适应各个不同行业要求的能力，才会使用不同行业的专门化规范。2. 鉴于各个行业的规范之间差别比较大，不仅方法不同，而且有时还有基本原则的区别，但是在教材中却不可能介绍所有的规范。因此本书将规范作为基本原理的实用性方法来处理，而不以规范体系作为教材体系的依据，这样不仅有利于学生掌握实际技能并且也有利于学生理解基本原理，有利于学生适应以后工作中可能用到的不同行业规范的特殊要求。3. 基本的术语符号和计量单位本书均按我国法定的有关

28、标准执行。但由于在不同行业的规范中，专业性术语符号的交叉重复现象比较多，如将这些术语符号作为教材的基本用语对初学者非常不利。因此本书的专业名词主要采用由中国土木工程学会土力学及基础工程学会编写的土力学基础工程名词的术语符号，这本名词是与国际土力学会的统一术语名词是一致的，这有利于学生建立与国际接轨的符号系统，便于阅读国内外的土力学基础工程文献资料；但在引用有关规范时则尽可能沿用其原来的符号，并加必要的注释以使学生能够了解与区别有关规范的一些专业术语。第一章 土的物理性质及其工程分类本章主要讨论土的物质组成以及定性、定量描述其物质组成的方法，包括土的三相组成、土的三相指标、土的结构构造、粘性土的

29、界限含水量、砂土的密实度和土的工程分类等。这些内容是学习土力学原理和基础工程设计与施工技术所必需的基本知识，也是评价土的工程性质、分析与解决土的工程技术问题时讨论的最基本的内容。第一节 土的三相组成自然界的土是由岩石经风化、搬运、堆积而形成的。因此，母岩成分、风化性质、搬运过程和堆积的环境是影响土的组成的主要因素，而土的组成又是决定地基土工程性质的基础。土是由固体颗粒、水和气体三部分组成的，通常称为土的三相组成，随着三相物质的质量和体积的比例不同，土的性质也就不同。因此，首要的问题是耍了解土是由什么物质组成的。 一、土的固相土的固相物质包括无机矿物颗粒和有机质，是构成土的骨架最基本的物质，称为

30、土粒。对土粒应从其矿物成分、颗粒的大小和形状来描述。 （一）土的矿物成分土中的矿物成分可以分为原生矿物和次生矿物两大类。原生矿物 是指岩浆在冷凝过程中形成的矿物，如石英、长石、云母等。次生矿物 是由原生矿物经过风化作用后形成的新矿物，如三氧化二铝、三氧化二铁、次生二氧化硅、粘土矿物以及碳酸盐等。次生矿物按其与水的作用可分为易溶的、难溶的和不溶的，次生矿物的水溶性对土的性质有重要的影响。粘土矿物 的主要代表性矿物为高岭石、伊利石和蒙脱石，由于其亲水性不同，当其含量不同时土的工程性质就各异。在以物理风化为主的过程中，岩石破碎而并不改变其成分，岩石中的原生矿物得以保存下来；但在化学风化的过程中，有些

31、矿物分解成为次生的粘土矿物。粘土矿物是很细小的扁平颗粒，表面具有极强的和水相互作用的能力。颗粒愈细，表面积愈大，这种亲水的能力就愈强，对土的工程性质的影响也就愈大。在风化过程中，在微生物作用下，土中产生复杂的腐殖质，此外还会有动植物残体等有机物，如泥炭等。有机颗粒紧紧地吸附在无机矿物颗粒的表面形成了颗粒间的连接，但是这种连接的稳定性较差。从外表上看到的 土的颜色，在很大程度上反映了土的固相的不同成分和不同含量。红色、黄色和棕色 一般表示土中含有较多的三氧化二铁，并说明氧化程度较高。黑色 表示土中含有较多的有机质或锺的化合物；灰蓝色和灰绿色 的土一般含有亚铁化合物，是在缺氧条件下形成的；白色或灰

32、白色 则表示士中有机质较少，主要含石英或含高岭石等粘土矿物。当然，湿度会影响颜色的深浅，一般描述的是土处在潮湿状态的颜色。 （二）土的粒度成分天然土是由大小不同的颗粒组成的，土粒的大小称为 粒度。土颗粒的大小相差悬殊，从大于几十厘米的漂石到小于几微米的胶粒。同时由于土粒的形状往往是不规则的，很难直接测量土粒的大小，只能用间接的方法来定量地描述土粒的大小及各种颗粒的相对含量。常用的方法有两种，对粒径大，于0.075mm的土粒常用筛分析的方法，而对小于0.075mm的土粒则用沉降分析的方法。工程上常用不同粒径颗粒的相对含量来描述土的颗粒组成情况，这种指标称为 粒度成分。1. 土的粒组划分天然土的粒

33、径一般是连续变化的，为了描述方便，工程上常把大小相近的土粒合并为组，称为 粒组。粒组间的分界线是人为划定的，划分时应使粒组界限与粒组性质的变化相适应，并按一定的比例递减关系划分粒组的界限值。对粒组的划分，各个国家，甚至一个国家的各个部门有不同的规定。从70年代末到80年代未这十年中，我国的粒组划分标准出现了一些变化。建筑地基基础设计规范GBJ7一89)和岩土工程勘察规范(GB50021一90在修订和编制过程中经过充分论证，将砂粒粒组与粉粒粒组的界限从0.05mm改为0.075mm。我国上述规范采用的粒组划分标准见表1一1。土的工程分类标准(GBJ145一90)在砂粒粒组与粉粒粒组的界限上取与上

34、述规范相同的标准，但将卵石粒组与砾石粒组界限改为60mm，其粒组划分标准见表1-2。2.粒度成分及其表示方法土的 粒度成分 是指土中各种不同粒组的相对含量(以干土质量的百分比表示)，它可用以描述土中不同粒径土粒的分布特征。常用的粒度成分的表示方法有表格法、累计曲线法和三角坐标法。（1） 表格法：是以列表形式直接表达各粒组的相对含量。它用于粒度成分的分类是十分方便的，例如表1-3给出了3种土样的粒度成分分析结果。 （2）累计曲线法：是一种图示的方法，通常用半对数纸绘制，横坐标(按对数比例尺)表示某一粒径，纵坐标表示小于某一粒径的土粒的百分含量。表1-3中的三种土的累计曲线如图1-1所示。不均匀系

35、数Cu 反映大小不同粒组的分布情况，Cu10的士级配良好。但如Cu过大，表示可能缺失中间粒径，属不连续级配，故需同时用曲率系数来评价。曲率系数 则是描述累计曲线整体形状的指标。 （3）三角坐标法：这也是一种图示法，它利用等边三角形内任意一点至三个边(h1、h2、h3)的垂直距离的总和恒等于三角形之高H的原理，用表示组成土的三个粒组的相对含量，即图中的三个垂直距离可以确定一点的位置。三角坐标法只适用于划分为三个粒组的情况。例如当把粘性土划分为砂土、粉土和粘土粒组时，就可以用图1-2所示的三角坐标图来表示。上述三种方法各有其特点和适用条件。表格法能很清楚地用数量说明土样的各粒组含量，但对于大量土样

36、之间的比较就显得过于冗长，且元直观概念，使用比较困难。累计曲线法能用一条曲线表示一种土的粒度成分，而且可以在一张图上同时表示多种土的粒度成分，能直观地比较其级配状况。三角坐标法能用一点表示一种土的粒度成分，在一张图上能同时表示许多种土的粒度成分，便于进行土料的级配设计。三角坐标图中不同的区域表示土的不同组成，因而还可以用来确定按粒度成分分类的土名。在工程上可根据使用的要求选用适合的表示方法，也可以在不同的场合选用不同的方法。 3.粒度成分分析方法对于粗粒土可以采用 筛分法，而对于细粒土则必须用 沉降分析法 分析粒度成分。筛分法 是用一套不同孔径的标准筛把各种粒组分离出来，这和建筑材料的粒径级配

37、筛分试验是一样的。但很细的粒组却无法用筛分法分离出来，这是因为工艺上无法生产很细的筛布。按我国原有的标准，最小孔径的筛是0.1mm，但是新的筛孔标准已改为0.075mm，这相当于美国ASTM标准的200号筛(即在1平方英寸面积上共有200个筛孔)。这是在国际上比较通用的标准，因此我国已经采用了这一标准，按新的标准生产了孔径为0.075mm的筛。在采用最小孔径的筛作筛分试验时应当采用水筛的方法，才能把连结在一起的细颗粒分开。通过0.075mm筛的土粒用筛分法无法再加以细分，这就需要用沉降分析法。沉降分析法 是根据土粒在悬液中沉降的速度与粒径的平方成正比的司笃克斯公式来确定各粒组相对含量的方法。但

38、实际上，土粒并不是球形颗粒，因此用上述公式计算的并不是实际土粒的尺寸，而是与实际土粒有相同沉降速度的理想球体的直径，称为 水力直径。用沉降分析法测定土的粒度成分可用两种方法，即比重计法和移液管法。比重计是用测定液体密度的一种仪器，对于不均匀的液体，从比重计读出的密度只表示浮泡形心处的液体密度。移液管法 是用一种特定的装置在一定深度处吸出一定量的悬液，用烘干的方法求出其密度。用上述二种方法都可以求出土粒的粒径和累计百分含量。 （三）土粒的形状土粒的形状是多种多样的，卵石接近于圆形而碎石颇多棱角，云母是薄片状而石英砂却是颗粒状的。土粒形状对于土的密实度和土的强度有显著的影响，棱角状的颗粒互相嵌挤咬

39、合形成比较稳定的结构，强度较高；磨圆度好的颗粒之间容易滑动，土体的稳定性比较差。土粒的形状与土的矿物成分有关，也与土的形成条件及地质历史有关。描述土粒的形状一般用肉眼观察鉴别的方法，在一些文献中报道了用体积系数和形状系数描述土粒形状的方法。当然，这些指标也只能用于定性的评价。体积系数VC Vc = 6V / pdm3 (1-3)式中Vc一一土粒体积，mm3；dm一一土粒的最大粒径，mm。Vc愈小，土粒愈接近于圆形。圆球状的Vc=1；立方体的Vc=0.37；棱角状的土粒Vc更小。形状系数F F = AC / B2 (1-4)式中A、B、C分别为土粒的最大、中间和最小粒径。 二、土的液相土的 液相

40、 是指存在于土孔隙中的水。通常认为水是中性的，在零度时冻结；但实际上土中的水是一种成分非常复杂的电解质水溶液，它和亲水性的矿物颗粒表面有着复杂的物理化学作用。按照水与土相互作用程度的强弱，可将土中水分为结合水和自由水两大类。结合水 是指处于土颗粒表面水膜中的水，受到表面引力的控制而不服从静水力学规律，其冰点低于零度。结合水又可分为强结合水和弱结合水。强结合水在最靠近土颗粒表面处，水分子和水化离子排列得非常紧密，以致其密度大于1，并有过冷现象，即温度降到零度以下不发生冻结的现象。在距土粒表面较远地方的结合水称为弱结合水，由于引力降低，弱结合水的水分子的排列不如强结合水紧密，弱结合水可能从较厚水膜

41、或浓度较低处缓慢地迁移到较薄的水膜或浓度较高处，亦即可从一个土粒迁移到另一个土粒，这种运动与重力元关，这层不能传递静水压力的水定义为弱结合水。自由水包括毛细水和自由水。毛细水不仅受到重力的作用，还受到表面张力的支配，能沿着土的细孔隙从潜水面上升到一定的高度。这种毛细上升对于公路路基土的干湿状态及建筑物的防潮有重要影响。重力水在重力或压力差作用下能在土中渗流，对于土颗粒和结构物都有浮力作用，在土力学计算中应当考虑这种渗流及浮力的作用力。在以后的章节中将进一步讨论重力水的渗流及浮力的作用与计算问题。 三、土的气相土的 气相 是指充填在土的孔隙中的气体，包括与大气连通的和不连通的两类。与大气连通的气

42、体对土的工程性质没有多大的影响，它的成分与空气相似，当土受到外力作用时，这种气体很快从孔隙中挤出；但是密闭的气体对土的工程性质有很大的影响，密闭气体的成分可能是空气、水汽或天然气。在压力作用下这种气体可被压缩或溶解于水!中，而当压力减小时，气泡会恢复原状或重新游离出来。含气体的土称为 非饱和土，非饱和土的工程性质研究已成为土力学的一个新分支。第二节 土的三相比例指标土的三相物质在体积和质量上的比例关系称为 三相比例指标。三相比例指标反映了土的干燥与潮湿、疏松与紧密，是评价土的工程性质的最基本的物理性质指标，也是工程地质勘察报告中不可缺少的基本内容。为了推导土的三相比例指标，通常把在土体中实际上

43、是处于分散状态的三相物质理想化地分别集中在一起，构成如图1-3所示的三相图。在图1-3（c）中，右边注明各相的体积，左边注明各相的质量。土样的体积V为土中空气的体积Va、水的体积Vw和土粒的体积Vs之和；土样的质量g为土中空气的质量ga、水的质量品和土粒的质量gs之和；通常认为空气的质量可以忽略，则土样的质量就仅为水和土粒质量之和。三相比例指标可分为两种，一种是试验指标；另一种是换算指标。一、试验指标通过试验测定的指标有土的密度、土粒密度和含水量。 （1）土的 密度 是单位体积土的质量，如令土的体积为V，质量为g，则土的密度r可由下式表示： r = g / v (g/cm3) （1-5a）土的

44、密度常用环刀法测定，其单位是（g/cm3），一般土的密度为（1.602.20g/cm3）。当用国际单位制计算重力W时，由土的质量产生的单位体积的重力称为 重力密度g，简称为重度；重力等于质量乘以重力加速度，则重度由密度乘以重力加速度求得，其单位是（kN/m3），但在工程上为简化计常用其密度乘以10。 g= rg =10r （kN/m3） （1-5b）对天然土求得的密度称为 天然密度，相应的重度称为 天然重度，以区别于其他条件下的指标，如下面将要讲到的干密度和干重度、饱和密度和饱和重度等。 （2）士粒密度rs是干土粒的质量gs与其体积Vs之比，由下式表示： rs = gs / Vs （g/cm3

45、） （l-6）其值可由试验求得。土粒密度过去称为比重，土粒密度主要取决于土矿物成分，不同土类的土粒密度变化幅度不大，在有经验的地区可按经验值选用。一般土的土粒密度值见表14。土粒相对密度是指土的质量与4时同体积水的质量之比，其值与土粒密度相同，但没有单位，在作土的三相指标计算时必须乘以水的密度值才能平衡量纲。土粒重度gs为土粒密度与重力加速度的乘积，单位为kN/m3。 （3）土的含水量w是土中水的质量gw与固体(土粒)质量gs之比，由下式表示： w = gw / gs100% （1-7）含水量通常以百分数表示。含水量常用烘干法测定，是描述土的干湿程度的重要指标，土的天然含水量变化范围很大，从干砂的含水量接近于零到蒙脱土的含水量可达百分之几百。 二、换算指标除了上述三个试验指标之外，还有六个可以计算求得的指标，称为换算指标，包括土的干密度（干重度）、饱和密度（饱和重度）、有效重度、孔隙比、孔隙率和饱和度。 （1）干密度rd是土的固相质量gs与土的总体积V之比，可由下式表示： rd = gs /V （g/cm3） （1-8）土的干密度越大，土越密实，强度就越高，水稳定性也好。干密度常用作填土密实度的施工控制指标。 （2）土的饱和密度是当土的孔隙中全部为水所充满时的密度，即全部