第二章 土的物理性质、水理性质和力学性质

第二章 土的物理性质、水理性质和力学性质

第一节 土的物理性质

土是土粒（固体相），水（液体相）和空气（气体相）三者所组成的；土的物理性质就是研究三相的质量与体积间的相互比例关系以及固、液两相相互作用表现出来的性质。

土的物理性质指标，可分为两类：一类是必须通过试验测定的，如含水量，密度和土粒比重；另一类是可以根据试验测定的指标换算的；如孔隙比，孔隙率和饱和度等。

土的基本物理性质

土的三相图（见教材P62图） 一、土粒密度(particle density)

土粒密度是指固体颗粒的质量m s 与其体积Vs 之比；即土粒的单位体积质量：

s

s

s V m =

ρ g/cm 3 土粒密度仅与组成土粒的矿物密度有关，而与土的孔隙大小和含水多少无关。实际上是土中各种矿物密度的加权平均值。

砂土的土粒密度一般为：2.65 g/cm 3左右 粉质砂土的土粒密度一般为：2.68g/cm 3

粉质粘土的土粒密度一般为：2.68~2.72g/cm 3 粘土的土粒密度一般为：2.7-~2.75g/cm 3 土粒密度是实测指标。

二、土的密度(soil density)

土的密度是指土的总质量m 与总体积V 之比，也即为土的单位体积的质量。其中：

V=Vs+Vv; m=m s +m w

按孔隙中充水程度不同，有天然密度，干密度，饱和密度之分。 1．天然密度（湿密度）(density)

天然状态下土的密度称天然密度，以下式表示：

v

s w

s V V m m V m ++=

=

ρ g/cm 3 土的密度取决于土粒的密度，孔隙体积的大小和孔隙中水的质量多少，它综合反映了

土的物质组成和结构特征。

砂土一般是１.4 g/cm 3

粉质砂土及粉质粘土１.4 g/cm 3

粘土为１.4 g/cm3

泥炭沼泽土：１.4 g/cm 3

土的密度可在室内及野外现场直接测定。室内一般采用“环刀法”测定，称得环刀内土样质量，求得环刀容积；两者之比值。 2．干密度（dry density ）

土的孔隙中完全没有水时的密度，称干密度；是指土单位体积中土粒的重量，即：固体颗粒的质量与土的总体积之比值。

V

m s

d =

ρ g/cm 3 干密度反映了土的孔隙生，因而可用以计算土的孔隙率，它往往通过土的密度及含水率计算得来，但也可以实测。

土的干密度一般常在1.4~1.7 g/cm 3

在工程上常把干密度作为评定土体紧密程度的标准，以控制填土工程的施工质量。 3．饱和密度（saturatio density ）

土的孔隙完全被水充满时的密度称为饱和密度。即，土的孔隙中全部充满液态水时的单位体积质量，可用下式表示：

V

V m w

v s sat ρρ+=

g/cm 3

式中：w ρ ：水的密度（工程计算中可取1 g/cm 3）

土的饱和密度的常见值为1.8~2.30 g/cm 3

此外：

（1）浮密度

土的浮密度是土单位体积中土粒质量与同体积水的质量之差，即 ρ’=(m s -v s ρw )/V 或w sat ρρρ-='

由此可见：同一种土在体积不变的条件下，它的各种密度在数值上有如下关系：

'ρρρρρ>>>>d s a t s

（2）容重：单位体积的重量

三、土的含水性

土的含水性指土中含水情况，说明土的干湿程度。 1．含水率（含水量）

土的含水量定义为土中水的质量与土粒质量之比，以百分数表示，即

%100%100?-=?=

s

s

s w m m m m m w 土的含水率也可用土的密度与干密度计算得到：

%100?-=

s

w ρρρ

室内测定：一般用“洪干法”，先称小块原状土样的湿土质量，然后置于烘箱内维持100~105摄氏度烘至恒重，再称干土质量，湿、干土质量之差与干土质量的比值就是土的含水量。

天然状态下土的含水率称土的天然含水率。一般砂土天然含水率都不超过40%，以10~30%最为常见；一般粘土大多在10~80%之间，常见值20~50%。

土的孔隙全部被普通液态水充满时的含水率称饱和含水率

%100?=

s

w

v sat m V w ρ w ρ水的密度,又称饱和水容度。

饱和含水率又称饱和水密度，它既反映了水中孔隙充满普通液态水时的含水特性，又反映了孔隙的大小。

土的含水率又可分为体积含水率与引用体积含水率： 体积含水率n w ：为土中水的体积与体积之比。

%100?=

V

V n w

w 引用体积含水率e w ：为土中水的体积与土粒体积之比。

%100?=

V

V e w

w 2．饱和度（degree of saturation ）

定义为：土中孔隙水的体积与孔隙体积之比，以百分数表示，即：

%100?=

v

w

r v v s 或天然含水率与饱和含水率之比：

%100?=

sat

r w w

s 饱和度愈大，表明土中孔隙中充水愈多，它在0~100%；干燥时Sr=0。孔隙全部为水充填时，Sr=100%。

工程上Sr 作为砂土湿度划分的标准。

Sr < 50% 稍湿的 Sr = 50~80% 很湿的 Sr > 80% 饱和的

工程研究中，一般将Sr 大于95%的天然粘性土视为完全饱和土；而砂土Sr 大于80%时就认为已达到饱和了。

四、土的孔隙性

孔隙性指土中孔隙的大小，数量、形状、性质以及连通情况。 1．孔隙率（porosity ）与孔隙比(void ratio)

孔隙率（n ）：是土的孔隙体积与土体积之比，或单位体积土中孔隙的体积，以百分数表示，即：

%100?=

V

V n v

孔隙比：定义为土中孔隙体积与土粒体积之比，以小数表示，即：

s

v

V V e =

孔隙比和孔隙率（度）都是用以表示孔隙体积含量的概念。两者有如下关系：

e e n +=

1或n

n e -=1 土的孔隙比或孔隙度都可用来表示同一种土的松，密程度。它随土形成过程中所受的

压力、粒径级配和颗粒排列的状况而变化。一般说：粗粒土的孔隙度小，细粒土的孔隙度大。

孔隙比e 是个重要的物理性指标，可以用来评价天然土层的密实程度。一般e<0.6的土是密实的低压缩性土；e>1.0的土是疏松的无压缩性土。

饱和含水率是用质量比率来反映土的孔隙性结构指标的，它与孔隙率和孔隙比，有如下关系： w

d

s a t w n ρρ?

= w

s

sat w e ρρ?

= 2．砂土的相对密度

对于砂土，孔隙比有最大值与最小值，即最松散状态和最紧密状态的孔隙比。

min e ：一般采用“振击法”测定；

max e ：一般用“松砂器法”测定。

砂土的松密程度还可以用相对密度来评价：

nin

r e e e

e D --=

max max

式中：max e ：最大孔隙比。

min e ：最小孔隙比。

e ：天然孔隙比。 砂土按相对密度分类：

33.00≤

通常砂土的相对密度的实用表达式为：

()()d

d d d d d Dr ρρρρρρmin max max min --=

因为最大或最小干密度可直接求得。

Dr 在工程上常应用于：（1）评价砂土地基的允许承载力；（2）评价地震区砂体液化；（3）评价砂土的强度稳定性。

例题：某天然砂层，密度为1.47g/cm3，含水量13%，由试验求得该砂土的最小干密度为1.20g/cm3；最大干密度为1.66 g/cm3；问该砂层处于哪种状态？

解：已知：47.1=ρ %13=w g/c m 3

20.1min =d ρ g/cm366.1max =d ρ 由公式：w

+=

1ρ

ρ 得g/cm330.1=d ρ

()()()()28.030

.120.166.166

.120.130.1min max max min =?-?-=--=

d d d d d d Dr ρρρρρρ

33.028.0<=r D

该砂层处于疏松状态。

五、基本物理性质指标间的相互关系 1、孔隙比与孔隙率的关系

设土体内土粒体积s V =1，则孔隙体积e V v =，土体体积e V V V v s +=+=1，于是，由e

e V V n v +==

1或n n e -=1

2、干密度与湿密度和含水量的关系

设土体体积V=1，则土体内土粒质量d s m ρ=，水的质量：d w w m ρ=

于是由：()w V

m m V m d w

s +=+==

1ρρ w

d +=

1ρ

ρ

3、孔隙比与比重和干密度的关系

设土体内土粒体积1=Vs ，则孔隙体积e V v =，土粒质量s s m ρ=，于是：由V

m s

=ρ得：

e

s

d +=

1ρρ

1-=

d

s

e ρρ 1-=

d

w

s G e ρρ

4、饱和度与含水量，比重和孔隙比的关系

设土体内土粒体积Vs=1，则孔隙体积e V v =，土粒质量s s m ρ=，孔隙水质量

s w w m ρ=

孔隙水体积：w

s

w w V ρρ=

由：v w r V V S =

得e

wG e w e w S s

w s w s

r ===ρρρρ 当%100=r S 时，土饱和，则：

s m G w e =

式中：m w ——饱和含水量，s G ：土粒比重。 常见的物理性质指标及互相关系换算公式见教材P69 表5-5

例题：某原状土样，经试验测得天然密度3

/67.1cm g =ρ含水量w=12。9%，土粒比重Gs=2.67，求孔隙比e ，孔隙度n 和饱和度Sr 。

解：绘三相草图

（1）设土的体积V=1.0cm3

根据密度定义得：g V m 67.1167.1=?==ρ （2）根据含水量定义得：s s w m wm m 129.0== 从三相图可知：s w a m m m m ++= ∵0=a m

m m m s w =+，即67.1129.0=+s s m m

∴g m g

m s 19.048.167.118.1129

.167

.1=-===

（3）根据土粒比重定义：土粒的质量与同体积纯蒸馏水在4摄氏度时质量之比，即

(

)

w

s

w

s s

s V m G ρρρ=

=

度

4 ∵67.2=s G 1=w ρ

∴

3

554.067

.248

.13

/67.2167.2cm m V cm g s s

s s ====?=ρρ （4）3190.00

.1190

.0cm m V w

w

w ==

=

ρ （5）从三相可知

31cm V V V V S w a =++=

或3256.0190.0554.011cm V V V s w a =--=--= ∴446.0554.01=-=-=s v V V V （6）根据孔隙比定义：s

v

V V e =

得 805.0554

.019

.0256.0=+=+=

s w a V V V e （7）根据孔隙度定义：V

V n v

=

得 %6.44446.0119

.0256.0==+=-=

V V V n w a 或%6.44446.0805

.01805

.01==+=+=

e e n （8）根据饱和度定义：v

w

r V V S =

得 %6.42426.019

.0256.019

.0==+=+=

w a w r V V V S

例题．薄壁取样器采取的土样，测出其体积V 与重量分别为38.4cm3和67.21g ，把土样放入烘箱烘干，并在烘箱内冷却到室温后，测得重量为49.35g 。试求土样的ρ（天然密度），

ρ（干密度），w （含水量），e （孔隙比），n （孔隙率），饱和度。

（69.2=s G ）

解：①

3/750.140

.3821.67cm g V V m m V m v s w s ==++==

ρ ②3/285.140

.3835

.49cm g V m m V m v s d ==-==

ρ ③%19.36%10035.4935.4921.67%100=?-=-=?=

s s s w m m m m m w ④093.11285

.11

69.21=-?=

-=

d

w

s G e ρρ

⑤%22.52%100093

.11093.11=?+=+=

e e n ⑥%07.89093

.169

.219.36=?=?=

e G w S s r 第二节 土的水理性质

一、粘性土的稠度（consistency ）和塑性(plasticity) （一）稠度与液性指数

粘性土的物理状态常以稠度来表示。

稠度的涵义是指土体在各种不同的湿度条件下，受外力作用后所具有的活动程度。 粘性土的稠度，可以决定粘性土的力学性质及其在建筑物作用下的性状。

在土质学中，常采用下列稠度状态来区别粘性土在各种不同温度条件下所具备的物理状态。

粘性土的标准稠度及其特征

相邻两稠度状态，既相互区别又是逐渐过渡的，稠度状态之间的转变界限叫稠度界限，用含水量表示，称界限含水量。

在稠度的各界限值中，塑性上限（Wl ）和塑性下限（Wp ）的实际意义最大。它们是区别三大稠度状态的具体界限，简称液限和塑限。

土所处的稠度状态，一般用液性指数I L （即稠度指标B ）来表示

p

c p L W W W W I --=

式中：W —天然含水量

Wl —液限含水量 Wp —塑限含水量

按液性指数（I L ）粘性土的物理状态可分为： 坚硬：0≤L I 软塑：175.0≤≤L I 硬塑：25.00≤L I 可塑：75.0≤L I

在稠度变化中，土的体积随含水量的降低而逐渐收缩变小，到一定值时，尽管含水量再降低，而体积却不再缩小，其变化过程见教材图所示。

（二）塑性和塑性指数（plasticity index ）

塑性的基本特征：（1）物体在外力作用下，可被塑成任何形态，而整体性不破坏；即不产生裂隙。（2）外力除去后，物体能保持变形后的形态，而不恢复原状。

有的物体是在一定的温度条件下具有塑性；有的物体在一定的压力条件下具有塑性；而粘性土则是在一定的湿度条件下具有塑性

粘性土具有塑性，砂土没有塑性，故粘性土又称塑性土，砂土称非塑性土。

在岩土工程中常用二个界限含水量（又称Atterberg 界限，瑞典土壤学家，1911年）表示粘性土的塑性。

（1）、塑性下限或称塑限：是半固态和塑态的界限含水量，它是使土颗粒相对位移而土体整体性不破坏的最低含水量。

（2）、塑性上限或称液限：即塑态与流态的界限含水量，也即是强结合水加弱结合水的含量。

二个界限含水量的差值为塑性指数(plasticity index)，即：Ip=Wl －Wp

塑性指数表示粘性土具有可塑性的含水量变化范围，以百分数表示。塑性指数数值愈大，土的塑性愈强，土中粘粒含量越多。

例题：从某地基取原状土样，测的土的液限为37.4%，塑限为23.0%，天然含水量为26.0%，问地基土处于何种状态？

解： 已知：%4.37=c w %0.23=p w %0.16=w

21

.0144

.023

.026.0%

4.14144.023.0374.0=-=

-=

==-=-=p

p

L p L p I w w I w w I

∵25.00≤

（三）影响粘性土可塑性的因素

粘性土塑性大小决定于土的成分及孔隙水溶液的性质。土的成分包括粒度成分、矿物成分及交换阳离子成分；孔隙水溶液的性质是指化学成分及浓度。

1、矿物成分

（1）土的矿物成分不同，其晶格构造各异，对水的结合程度不一样；例如：蒙脱石具 有较大的可塑性。

（2）矿物成分决定着颗粒的形状与分散程度。只有片状结构的矿物破坏后才表现出可 塑性。例如：黑云母，绿泥石，高岭石等。

（3）矿物成分还影响着土的分散程度；

2、有机质含量对土的可塑性有明显的影响

表层土含有机质较多，因有机质的分散度较高，颗粒很细，比表面积大，当有机质含量高时，无论液限值或塑限值均较高。

3、土中的可溶盐类溶于水后，改变了水溶液的离子成分和浓度，从而影响扩散层厚度的变化，导致土的可塑性的增强或减弱。

4、粒度成分对粘性土可塑性的影响

主要取决于土中粘粒含量的多少；粘粒含量愈多，分散程度愈高，具有较大的可塑性。

5、孔隙溶液的化学成分，浓度和PH 值对可塑性的影响，是通过ζ电位、扩散层的厚度的影响表现出来的。一般来说：大→-PHie PH 或ζ→大，→d 大?粘性性的可塑性增强。当PH=PHie ，粘性土基本上不表现塑性。

（四）粘性土的活性指数

粘性土的粘性和可塑性被认为是由颗粒表面的吸着水引起的。因此，塑性指数的大小在一定程度上反映了颗粒吸附水能力的强弱。

Skempton （斯开普顿）通过试验发现：对给定的土，其塑性指数与小于0.002mm 颗粒的含量成正比，并建议用活性指标来衡量土内粘土矿物吸附水的能力。

其定义为：mm

I A p

002.0<=

颗粒的含量

其中： A ——活性指数或亲水性指数。 根据活性指标的大小，他把粘性土分为： 非活性粘土：75.0

正常粘土：25.1~75.0=A 活性粘土：25.1>A

活性粘土的矿物成分以吸水能力很强的蒙脱石等矿物为主，而非活性粘土中的矿物成分，则以高岭石等吸水能力较差的矿物为主。

（五）灵敏度（St ）

灵敏度反映粘性土结构性的强弱。

q q S u

t =

式中：t S ——粘性土的灵敏度

u q ——原状土的灵敏度

0q ——与原状土密度、含水量相同，结构完全破坏的重塑土的无侧限抗压强度。

灵敏度分下列几类：

中等灵敏

低灵敏不灵敏4~22~11==≤t t t S S S 流动

很灵敏灵敏

1616~88~4>==t t t S S S

灵敏度高的土，其结构性愈高，受扰动后土的强度降低就愈多，施工时应特别注意保护基槽，使结构不扰动，避免降低地基强度。

触变性：当粘性土结构受扰动时，土的强度降低。但静置一段时间，土的强度又逐渐增长，这种性质称为土的触变性。这是由于土粒、离子和水分子体系随时间而趋于新的平衡状态之故。

二、 粘性土的胀缩性及崩解性 （一）粘性土的胀缩性

粘性土由于含水量的增加而发生体积增大的性能称膨胀性；由于土中水分蒸发而引起体积减少的性能称收缩性；两者统称胀缩性。

粘性土的膨胀性和收缩性对基坑、边坡、坑道及地基土的稳定性有着很重要的意义。 1、膨胀性(expansibility)

一般认为引起土体膨胀的原因主要有以下几方面：粘粒的水化作用、粘性表面双电层的形成、扩散层增厚等因素。其膨胀大致分两个阶段：第一阶段：干粘粒表面吸附单层水分子；“晶层间膨胀”或“粒间膨胀”

第二阶段：由于双电层的形成，使粘粒或晶层进一步推开。“渗透膨胀” 粘性土的膨胀性常用下列指标表示：

① 膨胀率e p ：原状土样膨胀后体积的增量与原体积之比，以百分率表示。

%1000

0?-=?=

V V V V V e p 常用线膨胀率：%1000

?-=

h h h e p 式中：0h ——土样原来的高度，cm

h ——土样膨胀稳定后的高度，cm

若e p 直接以小数表示时，称膨胀系数。 ② 膨胀力p P ：土样膨胀时产生的最大压力值。

A

w

P p ?

=10 （KPa ） 式中：W ——施加在试样上的总平衡荷载，N

A ——试件面积，cm 2

③ 膨胀含水率W sl ：土样膨胀稳定后的含水率，此时扩散层已达到最大厚度，结合水 含量增至极限状态。

%100?=

s

sl

sl m m W 式中：sl m ——土样膨胀稳定后土中水的质量，g

ms ——干土样的质量，g

④自由膨胀率F s ：一定体积的扰动风干土样体积之增量与原体积之比，以百分率表示。

%1000

?-=

V V V F s 式中：V 0——烘干土的原始体积

V ——膨胀变形稳定后的体积

2、收缩性(shrinkage)

粘性土的收缩性是由于水分蒸发引起的。其收缩过程可分为两个阶段：第一阶段（AB ）表示了土体积的缩小与含水率的减小成正比，呈直线关系；土之减小的体积等于水分散失的体积；第二阶段（BC ）表示了土体积的缩小与含水率的减少呈曲线关系。土体积的减少量小于失水体积，随着含水率的减少，土体积收缩愈来愈慢。见教材图所示。

若将体积变化与失水体积呈直线部分外推延长至Y 轴，那么CE 为空气所占的孔隙容积；EO 为固体颗粒的体积，由C 点引水平线交AB 的延长线于D ，则D 点的含水率即为收缩限Ws 。

当土中含水率小于收缩限Ws 时，土体积收缩极小；随着含水率的增加，土体积增大，当含水率大于液限时，土体坍塌。

所以液限与缩限为土与水相互作用后，土体积随含水率变化之上、下限，以缩性指数Is 表示。

s L s w w I -=

表征粘性土的收缩性指标有：

1） 体缩率e s ：试样收缩减小的体积与收缩前体积的比值。以百分率表之。

%1000

0?-=

V V

V e s 式中：V 0——收缩前的体积，cm 3

V ——收缩后的体积，cm 3

2） 线缩率e sl ：试样收缩后的高度减小量与原高度之比，以百分率表之。

%1000

0?-=

l l

l e sl 式中：l ——试样原始高度，cm

l——试样经收缩后的高度，cm

3）缩限Ws：作图法求得

4）收缩系数：作图法求得

（二）粘性土的崩解性(slaking)

定义：粘性土由于浸水而发生崩解散体的特性称崩解性。

粘性土的崩解形式是多种多样的：有的是均匀的散粒状，有的呈鳞片状，碎块状或崩裂

状等。

崩解现象的产生是由于土水化，使颗粒间连接减弱及部分胶结物溶解而引起的崩解。

是

表征土的抗水性的指标。

评价粘性土的崩解性一般采用下列三个指标：

1、崩解时间：一定体积的土样完全崩解所需的时间；

2、崩解特征：土样在崩解过程的各种现象，即出现的崩解形式；

3、崩解速度：土样在崩解过程中质量的损失与原土样质量之比，和时间的关系。

土崩解性的影响因素

（1）物质成分：矿物成分，粒度成分及交换阳离子成分；

（2）土的结构特征（结构连接）；

（3）含水量；

（4）水溶解的成分及浓度。

一般来说：土的崩解性在很大程度上与原始含水量有关。干土或未饱和土比饱和土崩解

得要快得多。

三、粘性土透水性（自修）

四、粘性土毛细性（自修）

第三节 土的力学性质

定义：是指土在外力作用下所表现的性质，主要为变形和强度特性。

一、土的压缩性

（一）土的压缩变形的本质

土的压缩性是指在压力作用下体积压缩小的性能。从理论上，土的压缩变形可能是：（1）土粒本身的压缩变形；（2）孔隙中不同形态的水和气体的压缩变形；（3）孔隙中水和气体有一部分被挤出，土的颗粒相互靠拢使孔隙体积减小。

试验表明：土的压缩是气体压缩的结果。接近自然界的假设：土的压缩主要是由于孔隙中的水分和气体被挤出，土粒相互移动靠拢，致使土的孔隙体积减小而引起的。

研究土的压缩性，就是研究土的压缩变形量和压缩过程，既研究压力与孔隙体积的变化关系以及孔隙体积随时间变化的情况。

有侧限压缩（无侧胀压缩）：指受压土的周围受到限制，受压过程中基本上不能向侧面膨胀，只能发生垂直方向变形。

无侧限压缩（有侧胀压缩）：受压土的周围基本上没有限制，受压过程中除垂直方向

变形外，还将发生侧向的膨胀变形。

研究方法：室内压缩实验和现场载荷试验两种。 （二）压缩试验和压缩系数

1．压缩曲线：若以纵坐标表示在各级压力下试样压缩稳定后的孔隙比e ，以横坐标表示压力p ，根据压缩试验的成果，可以绘制出孔隙比与压力的关系曲线，称压缩曲线。

压缩曲线的形状与土样的成分，结构，状态以及受力历史等有关。若压缩曲线较陡，说明压力增加时孔隙比减小得多，则土的压缩性高；若曲线是平缓的，则土的压缩性低。 2．压缩系数：e-p 曲线中某一压力范围的割线斜率称为压缩系数。

1221p p e e tg a --=

=α 或pi

p e ei p e a i i --=

??-=++11

此式为土的力学性质的基本定律之一，称为压缩定律。其比例系数称为压缩系数，用

a 表示，单位是1/Mpa

压缩系数是表示土的压缩性大小的主要指标，压缩系数大，表明在某压力变化范围内孔隙比减少得越多，压缩性就越高。

在工程实际中，规范常以p 1=0.1Mpa ，p 2=0.2Mpa 的压缩系数即a 1-2作为判断土的压缩性高低的标准。但当压缩曲线较平缓时，也常用p 1=100Kpa 和p 3=300Kpa 之间的孔隙比减少量求得 a 1-3。

低压缩性土：a 1-2＜0.1Mpa -1

中压缩性土：0.1≤a 1-2＜0.5 Mpa -1 高压缩性土：a 1-2≥0.5 Mpa -1

3．压缩指数(Cc)：将压缩曲线的横坐标用对数坐标表示。Cc=(e1-e2)/(lgp 2－lgp 1)，因为e-lgp 曲线在很大压力范围内为一直线，故Cc 为一常数，故用e-lgp 曲线可以分析研究Cc ，Cc 越大，土的压缩性越高。

当Cc ＜0.2时，属于低压缩性土；当Cc ＞0.4时属于高压缩性土。

压缩系数和压缩指数关系：Cc ＝

1

lg 2lg )

12(p p p p a --

a=

)1/2lg(1

2p p p p Cc

-

4．压缩模量（Es ）：是指在侧限条件下受压时压应力δz 与相应应变q z 之比值；即

Es ＝ δz / q z 单位：Mpa

压缩模量与压缩系数之关系：Es 越大，表明在同一压力范围内土的压缩变形越小，土的压缩性越低。

Es ＝1+ε1/α

式中：e1 ：相应于压力p1时土的孔隙比。

a ：相应于压力从p 1 增至p 2时的压缩系数。

（三）载荷试验和变形模量

室内有侧限的压缩试验不能准确地反映土层的实际情况，因此，可在现场进行原位载荷试验，某条件近似无侧限压缩。载荷试验结果可以绘制压力P 与变形量s 的关系和变形量s 与时间T 的关系曲线。

从载荷试验结果可看出，一般土地基的变形可分为三个不同阶段：

1．压密变形阶段：相当于曲线oa 段，s-p 的关系近直线，此阶段变形主要是土的孔隙体积被压缩而引起土粒发生垂直方向为主的位移，称压密变形。地基土在各级荷载作用下变形，是随着时间的增长而趋于稳定。

2．剪切变形阶段：相当于曲线的ab 段，s-p 的关系不再保持直线关系，而是随着p 的增大，s 的增大逐渐加大。此阶段变形是在压密变形的同时，地基土中局部地区的剪应力超过土的抗剪强度，而引起土粒之间相互错动的位移，称剪切变形，也称塑性变形。

地基由压密变形阶段过渡到局部剪切变形阶段的临界荷载，称为地基土的临塑荷载或比例界限压力。

3．完全破坏阶段：塑性变形区的不断发展，导致地基稳定性的逐渐降低，而且趋向完全破坏阶段。即b 点以下的一段。地基达到完全破坏时的临界荷载，称为地基的极限荷载。相当b 的压力。因此，在实际设计工作中，若作用在基础底面每单位面积的压力不超过地基土的临塑荷载，则一般能保证地基的稳定和不致产生过大的变形，确保建筑物的安全和正常使用。故常选用临塑荷载作为地基土的允许承载力。

载荷试验的结果，除了用以确定地基土的允许承载力外，还可以提供地基计算中所需要的另一个压缩性指标——变形模量E 0。

变形模量E 0：是指在无侧限条件下受压时，压应力与相应应变之比值，即

E 0＝δz/εz

土的变形模量，一般是用载荷试验成果绘制的s-p 关系曲线，以曲线中的直线变形段，按弹性理论公式求得，即

E 0＝（1－μ2）P/Sd

式中：μ：土的泊松比；

P ：载荷板上的总荷重；

S ：与载荷P 相应的压缩量； d ：相应于园形荷载板的直径cm,

即π

A

d =

（式中A 为载荷板面积）

（四）土的变形模量与压缩模量的关系

土的变形模量和压缩模量，是判断土的压缩性和计算地基压缩变形量的重要指标。 为了建立变形模量和压缩模量的关系，在地基设计中，常需测量土的侧压力系数ξ和侧膨胀系数μ。

侧压力系数ξ：是指侧向压力δx 与竖向压力δz 之比值，即：

ξ＝δx/δz

土的侧膨胀系数μ（泊松比）：是指在侧向自由膨胀条件下受压时，侧向膨胀的应变εx 与竖向压缩的应变εz 之比值，即

μ＝εx/εz

根据材料力学广义胡克定律推导求得ξ和μ的相互关系，

ξ＝μ/(1－μ)或μ＝ε/（1＋ε）

土的侧压力系数可由专门仪器测得，但侧膨胀系数不易直接测定，可根据土的側压力系数，按上式求得。

在土的压密变形阶段，假定土为弹性材料，则可根据材料力学理论，推导出变形模量E 0和压缩模量Es 之间的关系。

Es u

E u

)121(02

--

=，令β＝u

u

--

1212

则Eo＝βEs

当μ＝0～0.5时，β＝1～0，即Eo/Es的比值在0～1之间变化，即一般Eo小于Es。

但很多情况下Eo/Es 都大于1。其原因为：一方面是土不是真正的弹性体，并具有结构

性；另一方面就是土的结构影响；三是两种试验的要求不同；

（五）土的受力历史和前期固结压力

膨胀曲线：在作压缩试验得到压缩曲线后，然后逐渐御去荷重，算出每级御荷后膨胀变形稳定时的孔隙比，则可绘出御荷后的孔隙比与压力的关系曲线，称膨胀系数。

弹性变形：在御荷后可以恢复的那部分变形，称土的弹性变形，主要是结合水膜的变形封闭气体的压缩和土粒本身的弹性变形等。

残余变形：御荷后，仍不能恢复的那部分变形，称土的残余变形。因为土粒和结构单元产生相对位移，改变了原有接触点位置；孔隙水和气体被挤出。

试验结果表明：土的残余变形常比弹性变形大得多。

1．扰动饱和粘性土的压缩曲线：

由图（见教材P97图6-7）可见，再压缩曲线和膨胀曲线只能在压缩曲线的左方，并以压缩主支曲线为界线。若以半对数坐标，即用lgp为横坐标，则试验证明压缩主支曲线是一条直线。

2．重负荷载作用下的压缩曲线：

条件：用不太大的同一压力重复加荷和御荷，弹性变形和残余变形将随着重复次数的增加而减小，压缩曲线越来平缓，其中残余变形减小的更快，荷载重复次数足够多时，新的残余变形将会更小，直至完全消失，土就具有弹性变形的性质。见教材P97图6-8。3．扰动土和原状土的压缩曲线

由于原状土具有较强的结构联接力，当外加荷重较小，没有克服这种阻力时，土不会发生压缩；只有当外荷大于土的结构阻力，土才开始压缩。因此原状土的压缩曲线一般比扰动土的压缩曲线要平缓。一般来说重复加荷、御荷以及土的结构、成分、状态对土的压缩性的影响很大，特别是土体的受力历史应引起足够的重视。历史上的荷载作用，使土层保留一定的结构性，对土的压缩性有一定影响。

土的前期固结压力：是指土层在过去历史上曾经受过的最大固结压力，通常用P c来表示。前期固结压力也是反映土体压密程度及判别其固结状态的一个指标。

固结比：OCR＝Pc/Po

目前土层所承受的上覆土的自重压力Po进行比较，可把天然土层分三种不同的固结状态。

（1）Pc＝Po，称正常固结土，是指目前土层的自重压力就是该地层在历史上所受过的最大固结压力。

（2）Pc＞Po，称超前固结土，是指土层历史上曾受过的固结力，大于现有土的自重压力。使土层原有的密度超过现有的自重压力相对的密度，而形成超压状态。

（3）Pc＜Po，称欠固结土，即土层在自重压力下尚未完成固结。

新近沉积的土层如淤泥、充填土等处于欠压密状态。一般当施加土层的荷重小于或等于土的前期固结压力时，土层的压缩变形量将极小甚至可以不计；当荷重超过土的前期固结压力时，土层的压缩变形量将会有很大的变化。

在其它条件相同时，超固结土的压缩变形量<正常固结土的压缩量<欠固结土的压缩量。

（六）土的压缩过程

土是松软多孔，它在荷重作用下的压缩变形不是瞬时就能达到稳定，而是需要有个时间过程，所需时间的长短随土层性质，排水条件和地基情况而不同。

在压缩过程中，由外力荷重使土中一点引起的压应力δ，是由两种不同的压力来分担：

1．有效压力δ，，由土颗粒接触点所承担的压力（又粒间压力）；

2．孔隙水压力μ，即由孔隙中水所承担的压力（指超静水压力）。

土的压缩过程，实质是这两种压力的分担转移过程。

当压力刚加上，孔隙中水来不及排出，δ完全由水来承担；即δ＝μ，δ，＝0；

水在孔隙水压力μ的作用下，逐渐向外排出，土粒逐渐承担孔隙水减小的那部分压力，压应力由μ和δ，两部分承担，当有效压力逐渐增大到全部承担压应力时，水便停止流出，这时δ，＝δ，μ＝0，压缩过程也就停止。

可见：（1）只有有效压力才能压缩土的孔隙体积，引起土的压缩，这种由孔隙水的渗透而引起的压缩过程，称为渗透固结。

（2）渗透固结过程，实质上是孔隙水压力向有效压力转移的过程；这一过程所需的时间，就是地基压缩变形达到最终稳定的时间。压缩稳定所需的时间的长短，常取决于孔隙水的向外渗流的速度。

（七）影响土的压缩性的主要因素

土的压缩性实质上说明土的孔隙和连结在外力作用下可能产生的变化。影响土的压缩性的主要因素包括土的粒度成分和矿物成分、含水率、密实度、结构和构造特征。土的受力条件（受力性质、大小、速度等）也影响着土的压缩特点。

1．粒度成分和矿物成分的影响

（1）在常见的可塑状态下，随着粘粒含量的增多，结合水膜愈厚，土的透水性减弱，压缩量增大而固结速度缓慢。

（2）亲水性强的矿物形成的结合水膜较厚，尤其在饱和软塑状态下，则土的压缩量较大，固结较慢。

（3）腐殖质含量愈多，土的压缩性越大，固结越慢。

土的塑性指数或液限能综合说明粒度和矿物成分的影响。一般饱和粘性土，塑性指数或液限愈大，则土的压缩系数或压缩指数愈大。

国外根据试验成果总结出饱和粘性土压缩指数C C和液限W L具有大致的关系：

C C=0.009（W L-10）

2．含水率的影响

天然含水率或塑性指数I L决定着土的连结强度，随着含水率的增大，土的压缩性增强。

3．密实度的影响

粘性土的密实度与连结有关，随着密实度的增大（孔隙比较小），土的接触点有所增多，连结增强，则土的压缩性减弱。

4．结构状态的影响

土的结构状态也影响着土的连结强度，原状土和扰动土是不一样的，扰动土的压缩性比原状土增强。

5．构造特征的影响

土的构造特征不同，其所受的固结压力也不同，故压缩性也不同。

6．受力历史的影响

经卸荷后再加荷的再压缩曲线比较平缓，重复次数愈多，则曲线愈缓，可见受力历史的影响。

在研究土的压缩性，必须结合土的受荷历史，考虑前期固结压力影响，才能得出更符合实际的结果。

7．增荷率和加荷速度的影响

增荷率愈大，则土的压缩性愈高。 加荷速度越快，土的压缩性愈快。 8．动荷载的影响

在动荷载的作用下，土将产生附加的压缩性。

试验表明：土的振动压缩曲线与静荷载压缩曲线是及其相似的，但压缩量较大，一般随着动荷载作用强度的增大而增大，这与土的特性和所受的静荷载大小有关。

在动荷载作用下，土地的压密量大小除取决于振动加速度（振动频率和振幅）外，还与作用的时间有关，动荷载的时间愈长，压缩量愈大，最终趋于稳定。

动荷载作用下土的变形同样包括弹性变形和塑性变形两部分：动荷载较小时，主要为弹性变形，动荷增大时，塑性变形逐渐增大。

二、土的抗剪性

（一）土的剪切破坏的本质

土体的破坏通常都是剪切破坏。例如：土坡丧失稳定引起的路堤毁坏、路堑边坡的崩塌和滑坡等。

土是由固体颗粒组成的，土粒间的连结强度远远小于土粒本身的强度，故在外力作用下，土粒之间发生相对错动，引起土中的一部分相对于另一部分产生移动。

研究土的强度特征，就是研究土的抗剪强度特性，简称抗剪性。

土的抗剪强度ηf ：是指土体抵抗剪切破坏的极限能力，其数值等于剪切破坏时滑动面上的剪应力。

剪切面（剪切带）：土体剪切破坏是沿某一面发生与剪切方向一致的相对位移，这个面通常称为剪切面。

土体在外力和自重压力作用下，土中各点在任意方向平面上都会产生法向应力ζ和剪应力η。当通过该点某一方向上的剪应力等于该点上所具有的抗剪强度ηf 时，则该点不会破坏，处于稳定状态。

土的极限平衡条件：η＝ηf 。

无粘性土一般无连结，抗剪力主要是由颗粒间的摩擦力组成，这与粒度、密实度和含水情况有关。

粘性土颗粒间的连结比较复杂，连结强度起主要作用，粘性土的抗剪力主要与连结有关。

土的抗剪强度主要依靠室内试验和原位测试确定。试验中，仪器的种类和试验方法以及模拟土剪切破坏时的应力和工作条件好坏，对确定强度值有很大的影响。 （二） 土的抗剪强度和剪切定律

研究土的抗剪强度，最常借用直剪切试验方法。

将土样放在上、下部分可以错动的金属盒内，法向应力：A

P =

σ 在下盒从小到大逐渐施加水平力，当水平剪力增至T 时，土样发生剪切破坏，此时

的剪切应力A

P

=

τ，即为土样在该法向应力作用下时的抗剪强度ηf 。 抗剪强度是随着法向应力而改变，同一种土制备三个相同的土样，在ζ1、ζ2、ζ3

作用下，得不同ηf 。以抗剪强度ηf 为纵坐标，以法向压力为横坐标，可绘制该土样的ηf ～ζ关系曲线。

试验结果表明：（库仑定律，法国学者，1773或剪切定律）

无粘性土：φστtg f ?= 粘性土：φστtg f ?=+c

式中：f τ：土的抗剪强度，Mpa ；

σ：剪切面的法向压力，Mpa ；

φtg ：土的内摩擦系数；

θ：土的内摩擦角，度； c ：土的内聚力，Mpa 。

库仑定律说明：⑴土的抗剪强度由土的内摩擦力ζφtg 和内聚力c 两部分组成。 ⑵内摩擦力与剪切面上的法向压力成正比，其比值为土的内摩擦系数φtg 。

无粘性土的剪抗强度决定于与法向压力成正比的内摩擦力φσtg ，而土的内摩擦系数主要取决于土粒表面的粗糙程度和土粒交错排列的情况，土粒表面越粗糙，棱角越多和密实度愈大，则土的内摩擦系数越大。

粘性土的抗剪强度由内摩擦力和内聚力组成。土的内聚力主要由土粒间结合水形成的水胶连结或毛细水连结组成。粘性土的内摩擦力较小。

土的抗剪强度指标：土的内摩擦角φ和内聚力c 。

土的抗剪强度指标，还可使用三轴剪切试验测定。

三轴剪切试验是使试样在三向受力的情况下进行剪切破坏，测得图样破坏时的最大主应力σ和最小主应力3σ，再把据莫尔强度理论求出土的抗剪强度指标c ，φ值。

从弹性力学中可知作用于单元体内的最大主应力σ和最小主应力3σ与单元体内在一斜面上的法向应力σ，剪应力τ之间存在下列关系：

ασσσσσ2cos )(

2

1)(213131-++=

ασστ2)(2

131Sin -=

其中α：为斜面与最大主平面之交角。

这个关系可很方便地用莫尔应力圆来表示。当该单元体达到极限平衡状态时，则滑动面上的剪应力等于土的抗剪强度τ，c tg +==φσττ。此时应力圆称极限应力圆。极

限应力圆必然与土的抗剪强度曲线相切，切点微面上的剪应力恰等于土的抗剪强度f τ。这样有三个极限应力圆就可得到抗剪强度曲线（三圆公切线），从而求得φ,c 。

据上述原理，试样用橡皮膜包着，置于密封容器中，通过液体加压，使土样三个轴受相同围压3σ，然后通过活塞杆加轴向应力r σ，直至试样剪切破坏。

r σσσ+=31；用31,σσ可作莫尔应力圆。取 13

33123211

1σσσσσσ→→→ 线

直接剪切试验与三轴剪切试样的比较： 优点：构造简单，操作方便 直剪

缺点：①剪切面仅限于上下盒之间，未能反映最薄弱的面；②剪切面上剪应

力分布不均匀；③在剪切过程中，土样剪切面逐渐缩小，而计算f

τ则用图样的原载面积计算；④试验时不能严格控制排水条件，不能另测孔隙水压力。

优点：①能严格的控制排水条件角可量测试件中的u 的变化；②剪切破裂

面三轴 是在最弱处；③结果比较可靠；④此外还可测定土的其它力学性质 缺点：试件的32σσ=，不符实际

目前新问世的真三轴议中试件3在不同的321σσσ≠≠作用下进行试验。 （三）抗抗剪强度指标的确定

在固结过程中，剪切面上的法向压力σ，是由孔隙水压力u 和有效压力-

σ分担，即

-

+=σσu

有效压力-

σ使土固结压密，从而加大土的摩擦力，孔隙水压力逐渐消散，土的抗剪强度逐渐增大。

测定抗剪强度指标时，必须考虑土的固结程度对抗剪强度的影响。 1．总应力法

总应力法是用剪切面上的总应力来表示土的抗剪强度，即c tg f +=φστ，将孔隙水压力的影响，通过试验时控制孔隙水的排出程度的不同来体现。分为快剪、慢剪、固结快剪。

（1）排水剪（慢剪）

土样的上、下两面均为透水石，以利排水。土样在垂直压力下，待充分排水固结达稳定后，再缓慢施加水平剪力，使剪力作用也充分排水固结，直至土样破坏。

排水剪的实质是使土样再应力变化过程中的孔隙水压力完全消失。慢剪强度指标分别

土的物理性质指标

第一章 土的物理性质及工程分类 第一节 土的组成与结构 一、 土的组成 天然状态下的土的组成（一般分为三相） ⑴ 固相：土颗粒—构成土的骨架决定 土的性质—大小 、形状、 成分、组成、排列 ⑵ 液相：水和溶解于水中物质 ⑶ 气相：空气及其他气体 （1）干土=固体+气体（二相） （2）湿土=固体+液体+气体（三相） （3）饱和土=固体+液体（二相） 二、土的固相 （一）、土的矿物成分和土中的有机质。 土粒的矿物成分不同、粗细不同、形状不同、土的性质也不同 矿物成分取决于（1）成土母岩的成分 （2）所经受的风化作用①物理风化——原生矿物（化学成分无变化） ②化学风化——次生胯矿物（化学成分变化） 次生矿物（1）三大黏土矿物①高岭石（土） ②伊利石（土） ③蒙脱石（土） （2）水溶盐①难溶：CaCO 3 ②中溶：石膏 CaSO4.2H2O ③易溶：NaCl kcl CaCl2 K Na 的 SoO42- CO 3 2- 2.各粒组中所含的主要矿物成分 土颗粒据粒组范围划分不同的粒组名称 石英、长石——砾石、砂的主要矿物成分——性质稳定、强度高 云母——薄片状——强度低、压缩性大、易变形 粘土矿物——亲水性、粘聚性、可塑性、膨胀性、收缩性 （1） 蒙脱石——透水性小多个晶体层——结构不稳定、颗粒最小、亲水性 （2） 伊利石——介于两者之间，较接近蒙脱石 （3） 高岭石——颗粒相对较大——亲水性较弱晶体结构较稳定 ρd 粘土中的水溶盐 3.土中的有机质——亲水性强，压缩性大，强度低 （二）土的粒组划分 （三）土的颗粒级配 1． 颗粒大小分析试验——颗分试验 方法（1）筛分法：适用60—0.075mm 的粗粒土 （2）密度计法：适用小于0.075mm 的细粒土 2． 颗粒级配曲线——半对数坐标系 3． 级配良好与否的判别 （一） 定性判别（1）坡度渐变——大小连续——连续级配 （级配曲线）（2）水平段（台阶）——缺乏某些粒径——不连续级配 （4） 曲线形状平缓——粒径变化范围大——不均匀——良好 （5） 曲线形状较陡——变化范围小——均匀——不良 （二） 定量判别 （1）不均匀系数 10 60d d C u

土的力学性质

土的力学性质 土的力学性质 土的力学性质是指土在外力作用下所表现的性质，主要包括压应力作用下体积缩小的压缩性和在剪应力作用下抵抗剪切破坏的抗剪性，.其次是在动荷作用下所表现的一些性质。第一节土的压缩性. 一、土压缩变形的特点与机理 土的压缩性指土在压力作用下体积压缩变小的性能。土受压后体积缩小是土中固、液、气三相组成部分中的各部分体积减小的结果(主要是气体、水分挤出、土粒相互移动靠拢的结果)。 二、压缩试验压缩定律试验方法 : 室内现场据压缩条件: 无侧向膨胀(有侧限)试验有侧向膨胀(无侧限)试验主要是室内无侧向膨胀压缩试验 土的无侧向膨胀压缩试验是先用金属环刀切取土样,然后将土样连同环刀一起放入压缩仪内,由于土样受环刀和护环等刚性护壁约束,在压缩过程中只能发生竖向压缩,不可能发生侧向膨胀.。 试验时,通过加荷装臵将压力均匀地施加到土样上,压力由小到大逐级增加,每级压力待压缩稳定后,再施加下一级压力,土的压缩量可通过微表观测，并据每级压力下的稳定变形量,计算出与各级压力相应的稳定孔隙比。 若试验前试样的截面积为A,土样原始高度为h0，原始孔隙比e0, 当加压P1后土样压缩量为△h1,土样高度由h0减小到h1=h0-△h ,相应孔隙比由e0变为e1. 由于土样压缩时不可能产生侧向膨胀,故压缩前后横截面积不变,加压过程中土的体积是不变的.即: A h0/(1+e0)=A(h0-△h1)(1+ e1) e1=e0-△h1/h0(H e0) 通过试验,求的各级压力Pi作用下,土样压缩性稳定后相应的孔隙比ei，以纵坐标表示孔隙比e, 横坐标表示压力ρ。据压缩试验数据,可绘制出孔隙比与压力的关系曲线------压缩曲线。

01第一章土的物理性质与工程分类

课题: 第一章土的物理性质及工程分类 一、教学目的：1.了解土的生成和工程力学性质及其变化规律； 2.掌握土的物理性质指标的测定方法和指标间的相互转换； 3.熟悉土的抗渗性与工程分类。 二、教学重点：土的组成、土的物理性质指标、物理状态指标。 三、教学难点：指标间的相互转换及应用。 四、教学时数： 6 学时。 五、习题：

第一章土的物理性质及工程分类 一、土的生成与特性 1.土的生成 工程领域土的概念：土是指覆盖在地表的没有胶结和弱胶结的颗粒堆积物，土与岩石的区分仅在于颗粒胶结的强弱，土和石没有明显区分。 土的生成:岩石在各种风化作用下形成的固体矿物、流体水、气体混合物。 不同风化形成不同性质的土，有下列三种： （1）物理风化：只改变颗粒大小，不改变矿物成分。由物理风化生成土为粗粒土（如块碎石、砾石、砂土），为无粘性土。 （2）化学风化：矿物发生改变，生成新成分—次生矿物。由化学风化生成土为细粒土，具有粘结力（粘土和粘质粉土），为粘性土。 （3）生物风化：动植物与人类活动对岩体的破坏。矿物成分没有变化。 2.土的结构和构造 （1）土的结构 定义：土颗粒间的相互排列和联结形式称为土的结构。 1)种类： ●单粒结构：每一个颗粒在自重作用下单独下沉并达到稳态。 ●蜂窝结构：单个下沉，碰到已下沉的土颗粒，因土粒间分子引力大于重力不再下沉，形成大孔隙蜂窝状结构。 ●絮状结构：微粒极细的粘土颗粒在水中长期悬浮，相互碰撞吸引形成小链环状土集粒。小链之间相互吸引，形成大链环，称絮状结构。 图1.1 土的结构 3）工程性质： 密实的单粒结构工程性质最好，蜂窝结构与絮状结构如被扰动破坏天然结构，则强度低、压缩性高，不可用做天然地基。

水的基本物理化学性质(冰水汽)解答

水的基本物理化学性质 一. 水的物理性质（形态、冰点、沸点）： 常温下（0~100℃），水可以出现固、液、气三相变化，利用水的相热转换能量是很方便的。 纯净的水是无色、无味、无臭的透明液体。水在1个大气压时（105Pa），温度 1)在0℃以下为固体，0℃为水的冰点。 2)从0℃-100℃之间为液体（通常情况下水呈液态）。 3)100℃以上为气体（气态水），100℃为水的沸点。 4)水是无色、无臭、无味液体，在浅薄时是清澈透明，深厚时呈蓝绿色。 5)在1atm时，水的凝固点(f.p.)为0℃，沸点(b.p.)为100℃。 6)水在0℃的凝固热为5.99 kJ/mole(或80 cal/g)。 7)水在100℃的汽化热为40.6 kJ/mole(或540 cal/g)。 8)由於水分子间具有氢键，故沸点高、莫耳汽化热大，蒸气压小。 9)沸点： (1)沸点：液体的饱和蒸气压等於液面上大气压之温度，此时液体各点均呈剧烈汽 化现象，且液气相可共存若液面上为1 atm(76 mmHg)时，则该沸点称为「正常沸点」，水的正常沸点为100℃。 (2)若液面的气压加大，则液体需更高的蒸气压才可沸腾；而更高的温度使得更高 的蒸气压，故液体的沸点会上升。液面上蒸气压愈大，液体的沸点会愈高。 (3)反之，若液面上气压变小，则液面的沸点将会下降。 10)水在4℃(精确值为3.98℃)时的体积最小、密度最大，D = 1g/mL。 11)三相点：指在热力学里，可使一种物质三相（气相，液相，固相）共存的一个温度 和压力的数值。举例来说，水的三相点在0.01℃（273.16K）及611.73Pa 出现。 12)临界点（critical point）：物理学中因为能量的不同而会有相的改变(例如：冰 →水→水蒸气),相的改变代表界的不同,故当一事物到达相变前一刻时我们称它临 界了,而临界时的值则称为临界点。之温度为临界温度，压力为临界压力。 13)临界温度：加压力使气体液化之最高温度称为临界温度。如水之临界温度为374℃， 若温度高於374℃，则不可能加压使水蒸气液化。 14)临界压力：在临界温度时，加压力使气体液化的最小压力称之。临界压力等於该液 体在临界温度之饱和蒸气压。 二. 水的比热： 把单位质量的水升高1℃所吸收的热量，叫做水的比热容，简称比热，水的比热为4.18xKJ/Kg.K。 在所有的液体中，水的比热容最大。因此水可作为优质的热交换介质，用于冷却、储热、传热等方面。 三. 水的汽化热： 在一定温度下单位质量的水完全变成同温度的气态水（水蒸气）所需的热量，叫做水的汽化热。 水从液态转变为气态的过程叫做汽化，水表面的汽化现象叫做蒸发，蒸发在任何温度下都能进行。 水的汽化热为2257KJ/Kg。一般地：使水在其沸点蒸发所需要的热量五倍于把等量水从1℃加热到100℃所需要的热量。

第一章土的物理性质及工程分类及答案

第一章土的物理性质及工程分类 一、思考题 1、土是由哪几部分组成的？ 2、建筑地基土分哪几类？各类土的工程性质如何？ 3、土的颗粒级配是通过土的颗粒分析试验测定的，常用的方法有哪些？如何判断土的级配情况？ 4、土的试验指标有几个？它们是如何测定的？其他指标如何换算？ 5、粘性土的含水率对土的工程性质影响很大，为什么？如何确定粘性土的状态？ 6、无粘性土的密实度对其工程性质有重要影响，反映无粘性土密实度的指标有哪些？ 二、选择题 1、土的三项基本物理性质指标是（） A、孔隙比、天然含水率和饱和度 B、孔隙比、相对密度和密度 C、天然重度、天然含水率和相对密度 D、相对密度、饱和度和密度 2、砂土和碎石土的主要结构形式是（） A、单粒结构 B、蜂窝结构 C、絮状结构 D、层状结构 3、对粘性土性质影响最大的是土中的( ) A、强结合水 B、弱结合水 C、自由水 D、毛细水 4、无粘性土的相对密实度愈小，土愈（） A、密实 B、松散 C、居中 D、难确定 5、土的不均匀系数C u 越大，表示土的级配（） A、土粒大小不均匀，级配不良 B、土粒大小均匀，级配良好 C、土粒大小不均匀，级配良好 6、若某砂土的天然孔隙比与其能达到的最大孔隙比相等，则该土（） A、处于最疏松状态 B、处于中等密实状态 C、处于最密实状态 D、无法确定其状态 7、无粘性土的分类是按（） A、颗粒级配 B、矿物成分 C、液性指数 D、塑性指数 8、下列哪个物理性质指标可直接通过土工试验测定（） A、孔隙比 e B、孔隙率 n C、饱和度S r D、土粒比重 d s 9、在击实试验中，下面说法正确的是（） A、土的干密度随着含水率的增加而增加 B、土的干密度随着含水率的增加而减少 C、土的干密度在某一含水率下达到最大值，其它含水率对应干密度都较小 10、土粒级配曲线越平缓，说明（）

第一章 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 ?选择题 1、土颗粒的大小及其级配，通常是用粒径级配曲线来表示的。级配曲线越陡表示。 （A）土粒大小较均匀，级配不好 （B）土粒大小不均匀，级配不良 （C）土粒大小不均匀，级配良好 2、土的九个三相比例指标中为实测指标。 （A）含水量、孔隙比、饱和度（B）密度、含水量、孔隙比 （C）土粒比重、含水量、密度 3、计算自重应力时，对地下水位以下的土层一般采用。 （A）天然重度（B）饱和重度（C）有效重度 4、矩形基础，短边b=2m，长边l=4m ，在长边方向作用一偏心荷载F+G=1000kN 。试问当pmin=0时，最大压应力为。 （A）120 kN/m2 （B）150 kN/m2 （C）200 kN/m2 5、地下水位突然从基础底面处上升1m时，土中的应力有何变化？ (A) 没有影响(B) 应力减小(C) 应力增加 6、土的强度是特指土的。 （A）抗剪强度（B）抗压强度（C）抗拉强度 7、某土的抗剪强度指标为c、?，该土受剪时将首先沿与小主应力作用面成的面被剪破。 （A）450（B）450 +?/2 （C）450－?/2 （D）450 +? ?问答题： 1、塑性指数的定义和物理意义是什么？Ip大小与土颗粒粗细有何关系？ 2、土的压实性与哪些因素有关？何谓土的最大干密度和最优含水率？ 3、土的抗剪强度是怎么产生的？简述土的密度和含水量对土的内摩擦角有何影 响？ 4、简述极限平衡状态的概念，并说明什么是土的极限平衡条件？

计算题： 1.一个饱和原状土样，体积为140cm3，质量为238g，土粒比重为 2.70， 求解土样的孔隙比、含水率和干密度。 2.某饱和土的天然重度为18.44kN/m3，天然含水量为36.5%，液限34%， 塑限16%。确定该土的名称。 3、某基础底面尺寸为20m×10m，其上作用有24000kN竖向荷载，计算：（1） 若为轴心荷载，求基底压力；（2）若合力偏心距ey＝0，ex=0.5m，求基底压力；（3）若偏心距ex≥1.8m 时，基底压力又为多少。 4、某方形基础受中心垂直荷载作用，b=1.5m，d=2.0m，地基为坚硬粘土， γ=18.2kN/m3，c=30kPa,φ=22°，试分别按p1/4，太沙基公式确定地基的承载力(安全系数取3)。

第一章 土的物理性质及分类

第一章土的物理性质及分类 1—1 概述 土的定义： 土是连续，坚固的岩石在风化作用下形成的大小悬殊的颗粒，经过不同的搬运方式，在各种自然环境中生成的沉积物。 土的三相组成： 土的物质成分包括有作为土骨架的固态矿物颗粒、孔隙中的水及其溶解物质以及气体。因此，土是由颗粒(固相)、水(液相)和气(气相)所组成的三相体系。 第二节土的生成 一、地质作用的概念 地质作用--导致地壳成分变化和构造变化的作用。 根据地质作用的能量来源的不同，可分为内力地质作用和外力地质作用 内力地质作用: 由于地球自转产生的旋转能和放射性元素蜕变产生的热能等，引起地壳物质成分、内部构造以及地表形态发生变化的地质作用。如岩浆作用、地壳运动(构造运动)和变质作用。 外力地质作用： 由于太阳辐射能和地球重力位能所引起的地质作用。它包括气温变化、雨雪、山洪、河流、湖泊、海洋、冰川、风、生物等的作用。 风化作用--外力(包括大气、水、生物)对原岩发生机械破碎和化学变化的作用。 沉积岩和土的生成--原岩风化产物（碎屑物质），在雨雪水流、山洪急流、河流、湖浪、海浪、冰川或风等 外力作用下，被剥蚀，搬运到大陆低洼处或海洋底部沉积下来，在漫长的地质年代里，沉积的物质逐渐加厚，在覆盖压力和含有碳酸钙、二氧化硅、氧化铁等胶结物的作用下，使起初沉积的松软碎屑物质逐渐压密、脱水、胶结、硬化生成新的岩石，称为沉积岩。未经成岩作用所生成的所谓沉积物，也就是通常所说的“土”。 风化、剥蚀、搬运及沉积--外力地质作用过程中的风化、剥蚀、搬运及沉积，是彼此密切联系的。 二、矿物与岩石的概念 岩石--一种或多种矿物的集合体。

矿物--地壳中天然生成的自然元素或化合物，它具有一定的物理性质、化学成份和形态． (一) 造岩矿物 组成岩石的矿物称为造岩矿物。 矿物按生成条件可分为原生矿物和次生矿物两大类。 区分矿物可以矿物的形状、颜色、光泽、硬度、解理、比重等特征为依据。 （二）岩石 岩石的主要特征包括矿物成分、结构和构造三方面。 岩石的结构—岩石中矿物颗粒的结晶程度、大小和形状、及其彼此之间的组合方式。 岩石的构造--岩石中矿物的排列方式及填充方式。 岩浆岩、沉积岩、变质岩是按成因划分的三大岩类 三地质年代的概念 地质年代--地壳发展历史与地壳运动，沉积环境及生物演化相对应的时代段落。 相对地质年代--根据古生物的演化和岩层形成的顺序，所划分的地质年代。 四第四纪沉积物(层) 不同成因类型的第四纪沉积物，各具有一定的分布规律和工程地质特征，以下分别介绍其中主要的几种成因类型。 (一)残积物、坡积物和洪积物 1．残积物 残积物是残留在原地未被搬运的那 一部分原岩风化剥蚀后的产物，而 另一部分则被风和降水所带走。 2．坡积物 坡积物是雨雪水流的地质作用将高处岩石风化产物缓慢地洗刷剥蚀、顺着斜坡向下逐渐移动、沉积在较平缓的山坡上而形成的沉积物。 3．洪积物(Q”) · 由暴雨或大量融雪骤然集聚而成的暂时性山洪急流，具有很大的剥蚀和搬运能力。

水的特性

水的基本特性 在自然界中，几乎水的全部物理性质，要么是独特的，要么是处于这种性质范围的极端状态。由此，导致了它在化学上的特殊性。这些在物理及化学上的特点，又使得它在生物学上具有不可代替的作用。这就可以清楚的看出，水在自然地理研究中的价值。 让我们首先来熟悉一下水分子的结构。由两个氢原子和一个氧原子所组成的水分子，呈非对称分布，共形状略作V字形，这是依据水分子的电子云分布决定的。现已清楚的是，氧原子居于中心，两个氢原子位于类似正方体之一个面的两个对角。H—O—H之间的角度（也就是V字形结构之角度）为104°31′，而不是真正的正方体所应有的109°30′。氧原子的8个电子分布是：两个靠近原子核，两个包含在与氢原子结合的键中。另外两对孤对电子则形成两个臂，伸向与包含氢原子那个面相对的另一个面中，分别位于该面的两个对角（见图7.1）。这两个臂的电子云，特别引起人们的关注，因为它们显示出了一个带负电区，能吸引邻近水分子中氢原子的局部正电区，借此力量把水分子互相连接起来，这就是水分子所表现出来的“极性”。 正因极性作用的缘故，水聚结在一起而不轻易地汽化，就是说在通常气压下，水不致在较低的温度时就沸腾。由于水分子中电荷的分布，它产生了1.84×10-18静电单位的偶极矩。如果水分子没有带负电的电子云臂及偶极矩，水分子之间的结合就不会如现在这样，海洋中所有液态水势必完全汽化，生命的形成必然是不可能的。借助于极性，水分子能连接起来一直升高到近百米高的树顶，光靠毛管力及大气压力是无法解释的。 我们已经提到，液态水几乎在其所有的物理化学性质方面都是异乎寻常的。例如仅从它发生相变时的温度来说，就十分独特。元素周期表中第ⅥA族各元素的氢化物，随着分子量由H2S、H2Se，到H2Te的增大，其熔点也按照这样的序列

土的物理性质

第一章土的物理性质 第一节土的成因和工程特性 第二节土的组成及结构构造 一、名词解释 1粒径：土粒的直径大小。 2粒组：实际工程中常按粒径大小将土粒分组，粒径在某一范围之内的分为一组。 3粒径级配：各粒组的质量占土粒总质量的百分数。 4筛分法：适用粒径大于0.075mm的土。利用一套孔径大小不同的标准筛子，将称过质量的干土过筛，充分筛选，将留在各级筛上的土粒分别称重，然后计算小于某粒径的土粒含量。 5土的结构：指土中颗粒之间的联系和相互排列形式。 6土的构造：指同一土层中成分和大小都相近的颗粒或颗粒集合体相互关系的特征。 7土的有效粒径（d10）：小于某粒径的土粒质量累计百分数为10％时，相应的粒径。 二、填空题 1.平缓大好良好 2．压缩性高承载力低渗透性强 3.单粒结构蜂窝结构絮状结构4.Cu≥5且Cc＝1～3 5.固液 6固，液，气 7.缺乏某些粒径——不连续级配 8.不均匀系数Cu。 9. 小 10. B，A 11.二相土三相土二相土 三、选择题 1．C 2．C 3．B 4．B 5．A 6．C 7．A 第三节土的物理性质指标 一、名词解释 1.土的含水量ω：是指土中水的质量和土粒质量之比或重力之比。 2.土的密度ρ：指单位体积土的质量。 ρ：土中孔隙完全被水充满时单位体积土的质量。 3.饱和密度 sat 4.干密度ρd：单位体积土中土粒的质量。 5.土粒相对密度 Gs: 是土粒的质量与同体积纯蒸馏水在4℃时的质量之比。 6.孔隙比e:是指土中孔隙的体积与土粒体积之比。 7.孔隙率n:是指土中孔隙的体积与土的总体积之比。 8.土的饱和度Sr：是指土中水的体积与孔隙体积之比。

第一章土的物理性质与工程分类-第一章土的物理性质及工程分

第一章土的物理性质及工程分类 第一节土的组成与结构 一、土的组成 天然状态下的土的组成（一般分为三相） ⑴固相：土颗粒--构成土的骨架,决定土的性质--大小、形状、成分、组成、排列 ⑵液相：水和溶解于水中物质 ⑶气相：空气及其他气体 （1）干土=固体+气体（二相） （2）湿土=固体+液体+气体（三相） （3）饱和土=固体+液体（二相） 二、土的固相——矿物颗粒 土粒粒径大小及矿物成分不同，对土的物理力学性质有着较大影响。如当土粒粒径由粗变细时，土的性质可从无粘性变化到有粘性。 （一）土的粒组划分 工程上将物理力学性质较为接近的土粒划分为一个粒组，粒组与粒组之间的分界尺寸称为界限粒径。土颗粒根据粒组范围划分不同的粒组名称： 六大粒组：块石（漂石）、碎石（卵石）、角粒（圆粒）、砂粒、粉粒、粘粒 界限粒径分别是：200mm、20mm、2mm、0.075mm、0.005mm,见下表。 表1-1 粒组划分标准（GB 50021—94） （二）土的颗粒级配 自然界的土通常由大小不同的土粒组成，土中各个粒组重量（或质量）的相对含量百分比称为颗粒级配，土的颗粒级配曲线可通过土的颗粒分析试验测定。 1.颗粒大小分析试验 方法（1）筛分法：适用60—0.075mm的粗粒土 （2）密度计法：适用小于0.075mm的细粒土 2.颗粒级配曲线——半对数坐标系 3.级配良好与否的判别 1)定性判别（1）坡度渐变——大小连续——连续级配 （级配曲线）（2）水平段（台阶）——缺乏某些粒径——不连续级配 （1）曲线形状平缓——粒径变化范围大——不均匀——良好

（2） 曲线形状较陡——变化范围小——均匀——不良 2) 定量判别：不均匀系数 10 60 d d C u = 103060d d d 分别表示级配曲线上纵坐标为60% 30% 10%时对应粒径 不均匀系数越大，土粒越不均匀，工程上把5u C 大于的土看作是不均匀的，级配良好。 （三）土的矿物成分和土中的有机质 土中矿物成分可分为原生矿物和次生矿物两大类。 1.原生矿物——岩石经物理风化作用而成的颗粒（化学成分无变化），成分与母岩相同。原生矿物性质稳定。块石、碎石、角粒矿物成分与原生矿物相同，砂粒是原生矿物的单矿物颗粒，如：石英、长石——砾石、砂的主要矿物成分——性质稳定、强度高 云母——薄片状——强度低、压缩性大、易变形 粉粒的矿物成分是多样的主要有原生矿物的石英，次生矿物的难溶盐类 2.次生矿物——原生矿物经化学风化作用而成的新矿物（化学成分变化）。如三氧化二铝、三氧化二铁、次生二氧化硅及各种粘土矿物。粘粒几乎都是次生矿物的粘土矿物、氧化物、难溶盐及腐植质。 粘土矿物——亲水性、粘聚性、可塑性、膨胀性、收缩性。粘土矿物分为： ①高岭石（土）：遇水后膨胀性与可塑性较小，颗粒相对较大——亲水性较弱，晶体结构较稳定。 ②伊利石（土）：性质介于高岭土与蒙脱土之间，接近蒙脱土。 ③蒙脱石（土）：遇水后膨胀性与可塑性极大，透水性小，多个晶体层——结构不稳定、颗粒最小、亲水性。 水溶盐①难溶：CaCO 3 ②中溶：石膏 CaSO 4.2H 2O ③易溶：NaCl kCl CaCl 2 K Na 的 SO 42- CO 32- 3.土中的有机质——亲水性强，压缩性大，强度低 三、土中水 土中水分为结合水和自由水两大类。 1.结合水：是吸附在土粒表面的结合水膜。土粒表面带负电荷，吸附电场范围内的水分子及水分子中的阳离子，越靠近土粒表面吸附作用越强，结合水从内向外可分为固定层和扩散层。 强结合水：处于固定层中，性质接近于固体，不能传递水压，具有极大的粘滞性、弹

常用土层和岩石物理力学性质

(E, ν) 与(K, G)的转换关系如下： ) 1(2ν+= E G （7.2） 当ν值接近0.5的时候不能盲目的使用公式3.5，因为计算的K 值将会非常的高，偏离实际值很多。最好是确定好K 值(利用压缩试验或者P 波速度试验估计)，然后再用K 和ν来计算G 值。 表7.1和7.2分别给出了岩土体的一些典型弹性特性值。 岩石的弹性（实验室值）（Goodman,1980） 表7.1 土的弹性特性值（实验室值）（Das,1980） 表7.2 各向异性弹性特性——作为各向异性弹性体的特殊情况，横切各向同性弹性模型需要5 中弹性常量：E 1, E 3, ν12,ν13和G 13；正交各向异性弹性模型有9个弹性模量E 1,E 2,E 3, ν12,ν13,ν23,G 12,G 13和G 23。这些常量的定义见理论篇。 均质的节理或是层状的岩石一般表现出横切各向同性弹性特性。一些学者已经给出了用各向同性弹性特性参数、节理刚度和空间参数来表示的弹性常数的公式。表3.7给出了各向异性岩石的一些典型的特性值。 横切各向同性弹性岩石的弹性常数（实验室） 表7.3 流体弹性特性——用于地下水分析的模型涉及到不可压缩的土粒时用到水的体积模量

K f ，如果土粒是可压缩的，则要用到比奥模量M 。纯净水在室温情况下的K f 值是2 Gpa 。其取值依赖于分析的目的。分析稳态流动或是求初始孔隙压力的分布状态（见理论篇第三章流体-固体相互作用分析），则尽量要用比较低的K f ，不用折减。这是由于对于大的K f 流动时间步长很小，并且，力学收敛性也较差。在FLAC 3D 中用到的流动时间步长,? tf 与孔隙度n ，渗透系数k 以及K f 有如下关系： ' f f k K n t ∝ ? （7.3） 对于可变形流体（多数课本中都是将流体设定为不可压缩的）我们可以通过获得的固结系数νC 来决定改变K f 的结果。 f 'K n m k C + = νν （7.4） 其中 其中，' k ——FLAC 3D 使用的渗透系数 k ——渗透系数，单位和速度单位一样（如米/秒） f γ——水的单位重量 考虑到固结时间常量与νC 成比例，我么可以将K f 的值从其实际值（Pa 9 102?）减少，利用上面得表达式看看其产生的误差。 流动体积模量还会影响无流动但是有空隙压力产生的模型的收敛速率（见1.7节流动与力学的相互作用）。如果K f 是一个通过比较机械模型得到的值，则由于机械变形将会产生孔隙压力。如果K f 远比k 大，则压缩过程就慢，但是一般有可能K f 对其影响很小。例如在土体中，孔隙水中还会包含一些尚未溶解的空气，从而明显的使体积模量减小。 在无流动情况下，饱和体积模量为： n K K K f u + = （7.5） 不排水的泊松比为： ） G 3K (22G 3K u u u +-= ν （7.6） 这些值应该和排水常量k 和ν作比较，来估计压缩的效果。重要的是，在FLAC 3D 中，排水特性是用在机械连接的流变计算中的。对于可压缩颗粒，比奥模量对压缩模型的影响比例与流动。 7.3 固有的强度特性 在FLAC 3D 中，描述材料破坏的基本准则是摩尔-库仑准则，这一准则把剪切破坏面看作直线破坏面： s 13N f φσσ=-+ （7.7）

初中趣味物理知识：趣谈水的几个物理特性

初中趣味物理知识：趣谈水的几个物理特性 在我们人类生活的地球表面上，有70%的地方由液态水覆盖着，可以说地球是个名副其实的水球。几乎所有的生命形式的主要构成成分都是水，没有水就没有生命的存在，也不会有今天有滋有味的生活。水有很多我们熟知的特性，如无色、无味、能溶解许多物质、在0℃时结冰、100℃时汽化、能吸收大量的热能、能形成晶莹的水珠等等。虽然一般人对水都比较了解，但仍有很多值得研究的地方，即使是它那些熟知的特性也显得是如此地巧妙，因而让人类居住的这个神秘的星球有了无比丰富的生命与多姿多彩的生活。 水比其他任何液体都能溶解更多的物质，这要得力于它独特的分子结构，特别是水分子的有极性。我们都知道水的分子式是H2O.水的分子结构非常简单，由两个氢原子和一个氧原子呈一定对称性组成V字型分子。这种结构导致水分子在氧的一边出现微弱的负电，而在氢的一边形成微弱正电，所以水分子很容易相互形成立体的连接，也使它很容易与其他物质的原子因电荷的吸引而相互接合，因而使水有很强的溶解其他物质的能力。比如当我们将盐加到水中时，水分子的有极性使它与盐分子间形成微弱结合，使得晶体盐粒均匀分散到水中。正是这一特性才使得我们的生活中有那么多的美味，我们每一天都在不知不觉中喝下了各种水溶液，酸甜

苦辣样样都有。水的这种强溶解性，使得动物体内的水溶液携带着各种所需要的物质在体内循环，从而也为生命的代谢起了重要的作用。 在地球环境条件下，水是已知惟一三态共存的自然物质。水的不同状态对应分子的不同排列形式，在固体状态下分子呈高度有序态存在。大多数物质在一定压力下，随着温度的下降，其密度会上升；而水却比较特殊，在温度大于4℃时，水是遵循这一规律的，包括从气态水到液态的过程。但在低于4℃后，水的密度反而开始减小，即水在4℃时的密度最大。水的这种固态密度大于液态密度的特性在自然界中几乎是独一无二的。在地球的大部分能结冰的地方，冬天来临时，水开始结冰，然后浮在水面上，这样将冰下方的液态水与冰上方的冷空气隔离开，从而阻止或是减缓了冰下液态水的固化，也保证了水中以液态水为生活条件的生命形式比如鱼类、水草等的存活。当第二年春天到来时，上升的气温会熔化掉浮在水面上的冰，水又重新回到流动的液态。试想一下，如果水没有这一特殊的物理性质会是什么样的结果？上面的水结冰后往下沉，涌上来的水又结成冰，如此反复，最终是一条河或整个湖都变成硕大的冰疙瘩，水中的生命也就无法生存下去了。果真如此，生命形式是否还这样丰富多彩也就很难说了。 对液态的水来说，它的水分子由于有极性会处于一种半

土石坝中土石料的物理力学性质

土石坝中土石料的物理力学性质 摘要 随着筑坝技术的发展,近代的高土石坝大量地使用了当地的粗颗粒土石料(以下简称土石料)。铁路、公路以及一些高层、重型建筑物,目前也遇到了此类材料的问题。“土石料”一词,一般泛指诸如砂卵石、石料、石碴料、风化料、砾质土、冰磺土以至人工掺合土等粗颗粒的土石材料。其最大粒径一般都超过75(60)毫米而达到600甚至800毫米以上。近年来，由于筑坝技术的发展，对筑坝材料的要求已逐渐放宽。土石料中的物理力学性质对土石坝的设计，施工有很大的影响，所以我们要修好土石坝，必须研究清楚土石坝的各种物理力学性质。 关键字 土石料砂卵石石碴料风化料物理力学性质

类型 土石坝常按坝高、施工方法或筑坝材料分类。 土石坝按照坝高分类，土石坝按坝高可分为：低坝、中坝和高坝。我国《碾压式土石坝设计规范》（SL 274-2001）规定：高度在30米以下的为低坝；高度在30米～70米之间的为中坝；高度超过70米的为高坝。 土石坝按其施工方法可分为：碾压式土石坝；冲填式土石坝；水中填土坝和定向爆破堆石坝等。应用最为广泛的是碾压式土石坝。 按照土料在坝身内的配置和防渗体所用的材料种类，碾压式土石坝可分为以下几种主要类型： 1）、均质坝。坝体断面不分防渗体和坝壳，基本上是由均一的黏性土料（壤土、砂壤土）筑成。 2）、土质防渗体分区坝。即用透水性较大的土料作坝的主体，用透水性极小的黏土作防渗体的坝。包括黏土心墙坝和黏土斜墙坝。防渗体设在坝体中央的或稍向上游且略为倾斜的称为黏土心墙坝。防渗体设在坝体上游部位且倾斜的称为黏土斜墙坝，是高、中坝中最常用的坝型。 3）、非土料防渗体坝。防渗体由沥青混凝土、钢筋混凝土

常用土层和岩石物理力学性质

(E, ν) 与(K, G)的转换关系如下： ) 21(3ν-= E K ) 1(2ν+= E G （7.2） 当ν值接近0.5的时候不能盲目的使用公式3.5，因为计算的K 值将会非常的高，偏离实际值很多。最好是确定好K 值(利用压缩试验或者P 波速度试验估计)，然后再用K 和ν来计算G 值。 表7.1和7.2分别给出了岩土体的一些典型弹性特性值。 岩石的弹性（实验室值）（Goodman,1980） 表7.1 土的弹性特性值（实验室值）（Das,1980） 表7.2 各向异性弹性特性——作为各向异性弹性体的特殊情况，横切各向同性弹性模型需要5 中弹性常量：E 1, E 3, ν12,ν13和G 13；正交各向异性弹性模型有9个弹性模量E 1,E 2,E 3, ν12,ν13,ν23,G 12,G 13和G 23。这些常量的定义见理论篇。 均质的节理或是层状的岩石一般表现出横切各向同性弹性特性。一些学者已经给出了用

各向同性弹性特性参数、节理刚度和空间参数来表示的弹性常数的公式。表3.7给出了各向异性岩石的一些典型的特性值。 横切各向同性弹性岩石的弹性常数（实验室） 表7.3 流体弹性特性——用于地下水分析的模型涉及到不可压缩的土粒时用到水的体积模量K f ，如果土粒是可压缩的，则要用到比奥模量M 。纯净水在室温情况下的K f 值是2 Gpa 。其取值依赖于分析的目的。分析稳态流动或是求初始孔隙压力的分布状态（见理论篇第三章流体-固体相互作用分析），则尽量要用比较低的K f ，不用折减。这是由于对于大的K f 流动时间步长很小，并且，力学收敛性也较差。在FLAC 3D 中用到的流动时间步长,? tf 与孔隙度n ，渗透系数k 以及K f 有如下关系： ' f f k K n t ∝ ? （7.3） 对于可变形流体（多数课本中都是将流体设定为不可压缩的）我们可以通过获得的固结系数νC 来决定改变K f 的结果。 f 'K n m k C + = νν （7.4） 其中 3 /4G K 1 m += ν f 'k k γ= 其中，' k ——FLAC 3D 使用的渗透系数 k ——渗透系数，单位和速度单位一样（如米/秒） f γ——水的单位重量 考虑到固结时间常量与νC 成比例，我么可以将K f 的值从其实际值（Pa 9 102?）减少，利用上面得表达式看看其产生的误差。 流动体积模量还会影响无流动但是有空隙压力产生的模型的收敛速率（见1.7节流动与力学的相互作用）。如果K f 是一个通过比较机械模型得到的值，则由于机械变形将会产生孔隙压力。如果K f 远比k 大，则压缩过程就慢，但是一般有可能K f 对其影响很小。例如在土体中，孔隙水中还会包含一些尚未溶解的空气，从而明显的使体积模量减小。

水的物理性质之一

水的物理性质之一 纯净的水是没有颜色、没有味道、没有气味 的透明的液体。 随着温度的变化，水会发生状态变化。在 101.3kPa的压强下，液态的水冷却到0℃时凝固 成固态的冰。因此，水的凝固点是0℃(或称冰的 熔点是0℃)。在同样的压强下，液态的水到100℃ 时沸腾，因此水的沸点是100℃。 水沸腾后变成水蒸气时，体积迅速膨胀。据 科学实验测定，1cm3的水变成101.3kPa压强、 100℃时的水蒸气，体积约为1700cm3，扩大约1700 倍。 水在4℃时的密度(ρ)是1g／cm3。当水结冰时，体积比液态水约增大9%。因此，冰的密度比水小，能浮在水面上，起隔热保温作用，冰下的水仍在流动，鱼儿照样能生存。 水的物理性质之二 纯净的水是无色、无味的透明液体。在1.0×105Pa下，水的凝固点(熔点)为0.00℃，沸点为100.00℃。水的密度比较特殊。在0℃～4℃之间随着温度的升高密度不是减小而是增大，0℃时为0.999841g／cm3，到4℃时达到最大值为1.000000g／cm3，4℃以后和一般物质一样随温度升高而逐渐减小(20℃为0.998203g／cm3，100℃时为0.958354g／cm3。水的这一性质使其广泛用于住宅的采暖，散热后的冷水密度大，可对热源处的热水

形成压力，形成自动循环。0℃冰的密度为0.91671g／cm3，比同温度水的密度还小，因而水结冰时体积膨胀，这种膨胀力很大，可以冻裂水管和汽车发动机水箱，这就是冬天的夜晚汽车要放掉冷却水的原因。在河水或湖水中，结成的冰浮在水面上，可使冰下的水温处于比较稳定状态，保证了水中生物的生存。水的这种密度特性是水分子的排列结构造成的。冰的结构中，每个水分子皆以四面体顶角的方向被另外四个水分子所包围，形成一种很不紧凑的架状结构，因此冰的密度较小。冰熔化时，这种结构被拆散，水分子趋于密集，使水的密度增大。4℃后，随温度的升高，水分子振动加剧，水分子间距离增大，水的密度变小。水的这些性质是使用高纯水测定的，天然水中或多或少地含有某些杂质，其性质和高纯水比较会略有差异。

初中化学《水的性质》教学设计

3.1 水 第2课时水的性质 教学目标： 1.知识与技能 （1）知道水是一种重要的分散剂 （2）初步认识悬浊液、乳浊液、溶液的概念，辨析它们的区别 (3) 掌握二氧化碳、生石灰、硫酸铜和水的反应以及水合现象，懂得结晶水合物 2.过程与方法 （1）观察、收集生活中的实例，交流各种分散体系。 （2）通过实验，记录、观察二氧化碳、生石灰、硫酸铜反应，学习水的化学性质。 3.情感态度与价值观 （1）体验各种分散体系对人类生活生命的重要意义 （2）培养仔细观察的科学实验态度 重点和难点： 教学重点：二氧化碳、生石灰、硫酸铜和水的反应 教学难点：区别溶液、悬浊液、乳浊液 教学用品： 药品：植物油、汽水、食盐、蒸馏水、泥土、生石灰、石蕊、硫酸铜 仪器：烧杯、试管、玻璃棒、药匙、镊子、吸管 教学过程： [展示]烧杯中有浮动的冰，鱼照样能自由的生存。这是为什么？ 今天我们就来学习“水”，解释这一现象。 [提问]物质的物理性质包括哪几方面？ [提问]水是我们最熟悉的物质，就你知道的，观察到的水具有哪些物理性质？ [板书] 3.1水 三、水的性质 1．水的物理性质：无色、无味、液体。在标准状态下，沸点100℃，凝固点0℃。 [提问]看书p70表，比较一下水的密度，说说水在什么温度时密度最大？ [板书]4℃时，水的密度最大。 [讲述]由于，4℃时，水的密度最大，0℃时密度却变小，这种现象称为反膨胀，这种性质跟分子的缔合有关。 正由于水具有的这种反常膨胀的奇特性质，使冰能浮在水面上，在寒冷的冬天，水生生物在河流和湖泊中的以生存。 （解释课开始时的现象） 2．水的特性： 1）缔合性 [设问]为什么在工厂里、我们生活中，通常我们用冷水来降低物质的温度，又用温水去预热物质，起到节约能源的作用呢？ [讲述]由于水就有吸收大量热量的功能 [讲述]水还有极高的溶解和分散其他物质的能力。 [演示]饮料、注射用药水 [板书] 2）分散性

黄土的物理力学性质

黄土的物理力学性质 §2-1 黄土的物理性质 试验用黄土采用甘肃兰（州）海（石湾）高速公路工程现场扰动土，其物理性质主要由它的物理性质指标来体现，其物理性质指标主要有：孔隙率、天然含水量、容重和液塑限等。 由于黄土的生成与存在条件比较特殊，它的孔隙率比普通土的孔隙率要大。一般黄土中存在肉眼易见的孔隙，这些孔隙多为铅直圆孔，这类孔隙通称为大孔隙。大孔隙比例的多少在一定程度上决定了黄土湿陷性的大小，大孔隙多的黄土湿陷程度大；反之则小。 试验所用黄土的天然含水量很低，一般在10％以下。含水量在剖面上的变化与黄土层的厚度和埋藏深度没有直接关系。黄土的容重、比重取决于黄土的矿物成分、结构和含水量，而黄土的颗粒分散度、矿物成分、形状和弹性在一定程度上决定了黄土的液塑性。 黄土的物理性质随成岩时代、成岩地区的不同而表现出一定的差异。为了得到该黄土的物理性质，我们根据《公路土工试验规程》（JTJ 051-93）的要求，分别采用联合液塑限仪、烘箱和重型击实等方法进行了有关指标的测定，测定结果如表2-1所示。 黄土的物理性质表2-1 一．主要成分分析 组成黄土的矿物约有60种，其中轻矿物（d﹤）含量占粗矿物（d﹥）总量的90%以上。黄土中粘土矿物（d﹤）以不同的方式同水和孔隙中的水溶液相互作用，显示出不同的亲水性，故粘土矿物的成分和比例，在某种程度上体现了黄土的湿陷性。 水溶盐的种类和含量与黄土的湿化、收缩和透水性关系密切，直接影响着黄土的工程性质。 水溶盐包括易溶盐、中溶盐和难溶盐三种。易溶盐（氧化物，硫酸镁和碳酸钠）极易溶于水或与水发生作用。它的含量直接影响到黄土的湿陷性。 中溶盐（石膏为主）的存在状态决定其与水的作用情况。以固体结晶形态存在时，

第一章 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.对工程会产生不利影响的土的构造为（）： （A）层理构造 （B）结核构造 （C）层面构造 （D）裂隙构造 2.下列土中，最容易发生冻胀融陷现象的季节性冻土是（）： （A）碎石土（B）砂土（C）粉土（D）粘土 3.吸水膨胀、失水收缩性最弱的粘土矿物是（）： （A）蒙脱石 （B）伊利石 （C）高岭石 （D）方解石 4.土的三相比例指标中需通过实验直接测定的指标为（）： （A）含水量、孔隙比、饱和度 （B）密度、含水量、孔隙率 （C）土粒比重、含水量、密度 （D）密度、含水量、孔隙比 5. 不能传递静水压力的土中水是（）： （A）毛细水 （B）自由水 （C）重力水 （D）结合水 6. 若土的粒径级配曲线很陡，则表示（）。 （A）粒径分布较均匀（B）不均匀系数较大 （C）级配良好（D）填土易于夯实 7. 不均匀系数的表达式为（） (A) C u=d60/ d10(B) C u=d50/ d15 (C) C u=d60/ d15(D) C u=d50/ d10 8.当粘性土含水量减小，土体积不再减小，土样所处的状态是（）： （A）固体状态 （B）可塑状态 （C）流动状态 （D）半固体状态 9. 同一土样的饱和重度γsat、干重度γd、天然重度γ、有效重度γ′大小存在的关系是（）：（A）γsat > γd > γ> γ′ （B）γsat > γ> γd > γ′ （C）γsat > γ> γ′> γd （D）γsat > γ′>γ> γd

10.判别粘性土软硬状态的指标是（）： （A）液限 （B）塑限 （C）塑性指数 （D）液性指数 11.土的含水量w 是指（）： （A）土中水的质量与土的质量之比 （B）土中水的质量与土粒质量之比 （C）土中水的体积与土粒体积之比 （D）土中水的体积与土的体积之比 12.土的饱和度Sr是指：土中水的体积与孔隙体积之比( ) （A）土中水的体积与土粒体积之比 （B）土中水的体积与土的体积之比 （C）土中水的体积与气体体积之比 （D）土中水的体积与孔隙体积之比 13.粘性土由半固态转入可塑状态的界限含水量被称为（）： （A）缩限（B）塑限（C）液限（D）塑性指数

土的物理力学性质的形成

土的物理力学性质的形成 土是连续、坚固的岩石在风化作用下形成的大小悬殊的颗粒，在原地残留或经过不同的搬运方式，在各种自然环境中形成的堆积物。由于土的形成年代和自然条件的不同，是各种土的工程物理力学性质有很大差异。 一、土的物理性质的形成 土的物理性质包括土粒密度、土的密度、含水性及孔隙性等，以及由此延伸出的细粒土的稠度和可塑性，一般土的胀缩性、崩解性、毛细性级透水性。 就像一开始提到的，土的物理性质直接受到其矿物成分的影响，包括原生矿物及次生矿物，原生矿物成分中含有石英、长石、角闪石、云母等，因此其物理力学性质较为稳定，但颗粒粗大，为卵石、砂砾、粉粒的主要组成成分，性质坚硬。而次生矿物又分为可溶矿物和不可溶矿物，可溶矿物含有卤化物、硫酸盐、碳酸盐等，经结晶沉淀，填充于土粒空隙中，构成不稳定胶结物；不可溶矿物常见的有游离氧化物和粘土矿物，这些成分组成的土颗粒，大都细小，并且有一定的亲水性，胶结能力十分强。 矿物成分影响土颗粒成分及大小，进而影响土的透水性、胶结性并对土的结构和构造起相当的影响作用。比如土的膨胀性，对于土吸水膨胀、失水收缩的性质，最普遍的看法是粘粒与土中水作用后，由于双电层的形成使扩散层或若结合水的厚度发生变化；或由于某些亲水性较强的粘土矿物层间结合水的吸入或析出有关。而土的毛细性，则同时受内外因的作用而形成，主要受以土的粒度成分、矿物成分、水溶液的化学成分、土的结构为主的内因和以气温、蒸发等因素为主的外因有关。 至于土粒密度、土的密度、含水性及孔隙性等物理性质，主要受矿物成分矿物密度级配土颗粒排列的疏密程度决定。 二、土的力学性质的形成 土的力学性质主要包括：土的压缩性、抗剪性和击实性。 土是三相介质，多孔、松散，土粒间仅有微弱的连结或无连结，因此，土在外力作用下易变形，强度低，但土的力学性质说明了土有一定的抵抗外力变形的能力。 土的压缩性，是在外力作用下，土的体积缩小的性质。因为是三相介质，所以土的压缩，有三种可能：○1土粒本身的压缩变形；○2孔隙中水和气体的压缩变形；○3孔隙中部分水和气体的排出，土颗粒相互靠拢使空隙减小。因此影响土的压缩性的因素中，密实度最为主要。还有土的矿物成分是否坚硬、土体的结构是否松散、土本身受到的外力的大小，土颗粒的连结和摩擦是否紧密等。土的压缩变形，体现了结构、孔隙比和含水率的变化。而且，由于物质组成的关系，不同粒径的土的压缩性也不尽相同。粗粒土颗粒大，矿物亲水性弱，单粒结构，无连