土的物理性质水理性质和力学性质-安徽理工大学(3)

精品课程《土质学与土力学》 第二章

St?1不灵敏St?1~2低灵敏St?2~4中等灵敏St?4~8灵敏 St?8~16很灵敏

St?16流动灵敏度高的土，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ep：原状土样膨胀后体积的增量与原体积之比，以百分率表示。

ep??VV?V0??100% V0V0h?h0?100% h0常用线膨胀率：ep?式中：h0——土样原来的高度，cm

h——土样膨胀稳定后的高度，cm

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

Pp?10?w （KPa） A式中：W——施加在试样上的总平衡荷载，N

A——试件面积，cm2

③ 膨胀含水率Wsl：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。

Wsl?msl?100% ms式中：msl——土样膨胀稳定后土中水的质量，g

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ms——干土样的质量，g

④自由膨胀率Fs：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。

Fs?V?V0?100% V0式中：V0——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。

Is?wL?ws

表征粘性土的收缩性指标有：

1） 体缩率es：试样收缩减小的体积与收缩前体积的比值。以百分率表之。

es?V0?V?100% V0式中：V0——收缩前的体积，cm3

V——收缩后的体积，cm3

2） 线缩率esl：试样收缩后的高度减小量与原高度之比，以百分率表之。

esl?l0?l?100% l0式中：l0——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

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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。

a?tg??安徽理工大学

e1?e2?eei?ei?1 或a?? ?p2?p1?ppi?1?pi13

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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p1=0.1Mpa，p2=0.2Mpa的压缩系数即a1-2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p1=100Kpa和p3=300Kpa之间的孔隙比减少量求得 a1-3。

低压缩性土：a1-2＜0.1Mpa-1

中压缩性土：0.1≤a1-2＜0.5 Mpa-1 高压缩性土：a1-2≥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)/(lgp2－lgp1)，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＝

a(p2?p1)

lgp2?lgp1a=

Cclg(p2/p1)

p2?p14．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qz之比值；即

Es＝ δz/ qz 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+e1/a

式中：e1 ：相应于压力p1时土的孔隙比。

a ：相应于压力从p1 增至p2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

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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E0。

变形模量E0：是指在无侧限条件下受压时，压应力与相应应变之比值，即

E0＝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

E0＝（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d?A?（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E0和压缩模量Es之间的关系。

E0?(1?2u21?u)Es，令β＝1?2u21?u

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。

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