第一章 土的物理性质和工程分类第一节 土的形成在土木工程中，土是指覆盖在地表上碎散的、没有胶结或胶结很弱的颗粒堆积物。地球表面的整体岩石在大气中经受长期的风化作用而破碎后，形成形状不同、大小不一的颗粒。在自然界中，岩石不断风化破碎形成土，而土又不断压密、岩化而变成岩石。工程上遇到的大多数土都是在第四纪地质历史时期内所形成的。一、土的搬运和沉积根据其搬运和堆积方式的不同，第四纪土可分为残积土和运积土两大类。残积土是指母岩表层经风化作用破碎成为岩屑或细小颗粒后，未经搬运，残留在原地的堆积物。它的特征是颗粒表面粗糙、多棱角、粗细不均、无层理。运积土是指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。其特点是颗粒经过滚动和相互摩擦，具有一定的浑圆度，颗粒因摩擦作用而变圆滑根据搬运的动力不同，运积土又可分为如下几类：1．坡积土一残积土受重力和短期性水流（如雨水和雪水）的作用，被挟带到山坡或坡脚处聚积起来的堆积物。堆积体内土粒粗细不同，性质很不均匀。2．洪积土一残积土和坡积土受洪水冲刷，挟带到山麓处沉积的堆积物。洪积土具有一定的分选性。搬运距离近的沉积颗粒较粗，力学性质较好：远的则颗粒较细，力学性质较差。：冲积土一由于江、河水流搬运所形成的沉积物。分布在山谷、河谷和冲积平原上的土都属于冲积土。这类土由于经过较长距离的搬运，浑圆度和分选性都更为明显，常形成砂层和粘性土层交迭的地层。4.湖泊沼泽沉积土一在极为缓慢水流或静水条件下沉积形成的堆积物。这种土的特征，除了含有细微的颗粒外，常伴有由生物化学作用所形成的有机物的存在，成为具有特殊性质质一般都较差。的淤泥或淤泥质其工提批5．海相沉积±一由水流带到大海沉积起来的堆积物，其颗粒细，表层土质松软，工程性质较差6冰积土由冰川或冰水换带搬运所形成的沉积物，颗粒粗细变化也较大，土质也不均匀。。风积土一由风力搬运形成的堆积物，颗粒均匀，往往堆积层很厚而不具层理。我国西北的黄土就是典型的风积二、风化作用和土的主要特点岩石和土在其存在、搬运和沉积的各个过程中都在不断风化。风化过程包括物理风化和化学风化。它们经常是同时进行而且是互相加剧发展的进程。物理风化是指岩石和土的粗颗粒受各种气候因素的影响，如温度的昼夜和季节变化，降水、风、冬季水的冻结等原因，导致体积胀缩而发生裂缝，或者在运动过程中因碰撞和摩擦而破碎。它们的矿物成分仍与原来的母岩相同，称为原生矿物。物理风化后的土只是颗粒大小上量的变化。颗粒之间存在着大量的孔隙，可以透水和透气，这就是土的第一个主要的特征一碎散性。化学风化是指母岩表面和碎散的颗粒受环境因素的作用而改变其矿物的化学成分，形成新的矿物，也称次生矿物。环境因素如水、空气以及溶解在水中的氧气和碳酸等。化学风化常见的反应有。水解作用一指矿物成分被分解、并与水进行化学成分的交换，形成新的矿物。例如正长石经过水解作用后，形成高岭石。2．水化作用一指土中有些矿物与水接触后，发生化学反应。水按一定的比例加入矿物的组成中，改变矿物原有的分子结构，形成新的矿物。例如硬石膏（CaSO4）水化后形成含
1 第一章 土的物理性质和工程分类 第一节 土的形成 在土木工程中，土是指覆盖在地表上碎散的、没有胶结或胶结很弱的颗粒堆积物。地球 表面的整体岩石在大气中经受长期的风化作用而破碎后，形成形状不同、大小不一的颗粒。 在自然界中，岩石不断风化破碎形成土，而土又不断压密、岩化而变成岩石。工程上遇到的 大多数土都是在第四纪地质历史时期内所形成的。 一、土的搬运和沉积 根据其搬运和堆积方式的不同，第四纪土可分为残积土和运积土两大类。残积土是指母 岩表层经风化作用破碎成为岩屑或细小颗粒后，未经搬运，残留在原地的堆积物。它的特征 是颗粒表面粗糙、多棱角、粗细不均、无层理。运积土是指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。其特点是颗粒经过滚动和相互摩擦，具有 一定的浑圆度，颗粒因摩擦作用而变圆滑。 根据搬运的动力不同，运积土又可分为如下几类： １．坡积土—残积土受重力和短期性水流（如雨水和雪水）的作用，被挟带到山坡或坡 脚处聚积起来的堆积物。堆积体内土粒粗细不同，性质很不均匀。 ２．洪积土—残积土和坡积土受洪水冲刷，挟带到山麓处沉积的堆积物。洪积土具有一 定的分选性。搬运距离近的沉积颗粒较粗，力学性质较好；远的则颗粒较细，力学性质较差。 ３．冲积土—由于江、河水流搬运所形成的沉积物。分布在山谷、河谷和冲积平原上的 土都属于冲积土。这类土由于经过较长距离的搬运，浑圆度和分选性都更为明显，常形成砂 层和粘性土层交迭的地层。 ４．湖泊沼泽沉积土—在极为缓慢水流或静水条件下沉积形成的堆积物。这种土的特征， 除了含有细微的颗粒外，常伴有由生物化学作用所形成的有机物的存在，成为具有特殊性质 的淤泥或淤泥质土，其工程性质一般都较差。 ５．海相沉积土—由水流挟带到大海沉积起来的堆积物，其颗粒细，表层土质松软，工 程性质较差。 ６．冰积土—由冰川或冰水挟带搬运所形成的沉积物，颗粒粗细变化也较大，土质也不 均匀。 ７．风积土—由风力搬运形成的堆积物，颗粒均匀，往往堆积层很厚而不具层理。我国 西北的黄土就是典型的风积土。 二、风化作用和土的主要特点 岩石和土在其存在、搬运和沉积的各个过程中都在不断风化。风化过程包括物理风化和 化学风化。它们经常是同时进行而且是互相加剧发展的进程。 物理风化是指岩石和土的粗颗粒受各种气候因素的影响，如温度的昼夜和季节变化，降 水、风、冬季水的冻结等原因，导致体积胀缩而发生裂缝，或者在运动过程中因碰撞和摩擦 而破碎。它们的矿物成分仍与原来的母岩相同，称为原生矿物。物理风化后的土只是颗粒大 小上量的变化。颗粒之间存在着大量的孔隙，可以透水和透气，这就是土的第一个主要的特 征—碎散性。 化学风化是指母岩表面和碎散的颗粒受环境因素的作用而改变其矿物的化学成分，形成 新的矿物，也称次生矿物。环境因素如水、空气以及溶解在水中的氧气和碳酸等。化学风化 常见的反应有： １．水解作用—指矿物成分被分解、并与水进行化学成分的交换，形成新的矿物。例如 正长石经过水解作用后，形成高岭石。 ２．水化作用—指土中有些矿物与水接触后，发生化学反应。水按一定的比例加入矿物 的组成中，改变矿物原有的分子结构，形成新的矿物。例如硬石膏（CaSO4）水化后形成含
水石膏（CaSO42H2O）。：氧化作用一指土中的矿物与氧结合形成新的矿物，例如黄铁矿（FeS2）氧化后变成铁矾（FeSO4)。其它还有溶解作用，碳酸化作用等等。化学风化的结果形成了细小的土颗粒，最主要的为粘土颗粒以及大量的可溶性盐类。微细颗粒的表面积很大，具有极强的吸附水分子的能力。因此，自然界的土一般都是由固体颗粒、水和气体三种成分所构成。这是土的第二个主要特征一三相体系。在自然界中，土的物理风化和化学风化时刻都在进行，而且相互加强。由于形成过程中的自然条件不同，自然界的土也就多种多样。同一场地，不同深度处土的性质也不一样：甚至同一位置的土，其性质还往往随方向而异。因此，土是自然界漫长的地质年代内所形成的性质复杂、不均匀、各向异性且随时间而在不断变化的材料。这是土的第三个主要的特征一自然变异性，第二节 土的三相组成土是由固体颗粒、水和气体三部分所组成的三相体系。固体部分一般由矿物质所组成，它们构成土的骨架即土骨架。土骨架间布满相互贯通的孔隙。水和溶解于水的物质构成土的液体部分。空气及其它一些气体构成土的气体部分。这三种组成部分本身的性质以及它们之间的比例关系和相互作用决定土的物理力学性质。一、固体颗粒固体颗粒构成土骨架，它对土的物理力学性质起着决定性的作用。研究固体颗粒就要分析土的粒径级配、固体颗粒的矿物成分以及颗粒的形状。一）粒径级配由于土颗粒的大小不同，土具有不同的性质。例如粗颗粒的土透水性大，粘性和可塑性较低；而细颗粒的土则透水性很小且粘性和可塑性较大。颗粒的大小通常以粒径表示。工程上按粒径大小分组，称为粒组。粒组是指某一级粒径的变化范围。表1-2表示国内常用的粒组划分及各粒组的主要特征土是各种大小不同颗粒的混合物。以砾石和砂粒为主要组成的土称为粗粒土（或无粘性土）。以粉粒、粘粒和胶粒为主的土称为细粒土（或粘性土）。土的性质取决于土中不同粒组中各粒组的相对含量就称为土的粒径级配。为了了解各粒组的相对含量，必的相对含量。须先将各粒组分离开，再分别称重，这就是粒径级配的分析方法。1.粒径级配的分析方法工程中，实用的粒径级配分析方法有筛分法和水分法两种。筛分法适用于颗粒大于0.1mm的土。它是利用一套孔径大小不同的筛子，将事先称过重量的烘于土样过筛称留在各筛上的土重，然后计算相应的百分数。0.1mm的土。根据斯托克斯（stoks）定理，粗颗粒下沉速度用于分析粒径小于快、细颗粒下沉速度慢，因此可以把颗粒按下沉速度进行粗细分组。实验室常用比重计进行颗粒分析，称为比重计法。2．粒径级配曲线根据筛分试验和比重计试验所得到的全部试验结果，可以计算出小于某粒径土的累积含量以及占总土量的百分数。将测试结果绘制成土的粒径级配累积曲线如图1-1所示。粒径级配累积曲线的横坐标为土颗粒的直径（mm）。级配曲线的纵坐标为小于某粒径土的累积含量，用百分比表示。3粒径级配累积曲线的应用土的粒径级配累积曲线是土工上最常用的曲线，从这条曲线上可以直接了解土的粗细、粒径分布的均匀程度和级配的优劣。土的粗细常用平均粒径dso表示，它指土中大于此粒径
2 水石膏（CaSO4·2H2O）。 ３．氧化作用—指土中的矿物与氧结合形成新的矿物，例如黄铁矿（FeS2）氧化后变成 铁矾（FeSO4）。 其它还有溶解作用，碳酸化作用等等。 化学风化的结果形成了细小的土颗粒，最主要的为粘土颗粒以及大量的可溶性盐类。微 细颗粒的表面积很大，具有极强的吸附水分子的能力。因此，自然界的土一般都是由固体颗 粒、水和气体三种成分所构成。这是土的第二个主要特征—三相体系。在自然界中，土的物 理风化和化学风化时刻都在进行，而且相互加强。由于形成过程中的自然条件不同，自然界 的土也就多种多样。同一场地，不同深度处土的性质也不一样；甚至同一位置的土，其性质 还往往随方向而异。因此，土是自然界漫长的地质年代内所形成的性质复杂、不均匀、各向 异性且随时间而在不断变化的材料。这是土的第三个主要的特征—自然变异性。 第二节 土的三相组成 土是由固体颗粒、水和气体三部分所组成的三相体系。固体部分一般由矿物质所组成， 它们构成土的骨架即土骨架。土骨架间布满相互贯通的孔隙。水和溶解于水的物质构成土的 液体部分。空气及其它一些气体构成土的气体部分。这三种组成部分本身的性质以及它们之 间的比例关系和相互作用决定土的物理力学性质。 一、固体颗粒 固体颗粒构成土骨架，它对土的物理力学性质起着决定性的作用。研究固体颗粒就要分 析土的粒径级配、固体颗粒的矿物成分以及颗粒的形状。 （－）粒径级配 由于土颗粒的大小不同，土具有不同的性质。例如粗颗粒的土透水性大，粘性和可塑性 较低；而细颗粒的土则透水性很小且粘性和可塑性较大。颗粒的大小通常以粒径表示。工程 上按粒径大小分组，称为粒组。粒组是指某一级粒径的变化范围。表 1-2 表示国内常用的粒 组划分及各粒组的主要特征。 土是各种大小不同颗粒的混合物。以砾石和砂粒为主要组成的土称为粗粒土（或无粘性 土）。以粉粒、粘粒和胶粒为主的土称为细粒土（或粘性土）。土的性质取决于土中不同粒组 的相对含量。土中各粒组的相对含量就称为土的粒径级配。为了了解各粒组的相对含量，必 须先将各粒组分离开，再分别称重，这就是粒径级配的分析方法。 １．粒径级配的分析方法 工程中，实用的粒径级配分析方法有筛分法和水分法两种。 筛分法适用于颗粒大于 0.1mm 的土。它是利用一套孔径大小不同的筛子，将事先称过 重量的烘干土样过筛，称留在各筛上的土重，然后计算相应的百分数。 水分法用于分析粒径小于 0.1 mm 的土。根据斯托克斯（stoks）定理，粗颗粒下沉速度 快、细颗粒下沉速度慢，因此可以把颗粒按下沉速度进行粗细分组。实验室常用比重计进行 颗粒分析，称为比重计法。 ２．粒径级配曲线 根据筛分试验和比重计试验所得到的全部试验结果，可以计算出小于某粒径土的累积含 量以及占总土量的百分数。将测试结果绘制成土的粒径级配累积曲线如图 1-1 所示。粒径级 配累积曲线的横坐标为土颗粒的直径（mm）。级配曲线的纵坐标为小于某粒径土的累积含 量，用百分比表示。 ３．粒径级配累积曲线的应用 土的粒径级配累积曲线是土工上最常用的曲线，从这条曲线上可以直接了解土的粗细、 粒径分布的均匀程度和级配的优劣。土的粗细常用平均粒径 d50 表示，它指土中大于此粒径
和小于此粒径的土的含量均占50%。为了表示土颗粒的均匀程度和级配的优劣，取如下三种粒径作为特征粒径dio一小于此粒径的土的质量占总土质量的10%。d30一小于此粒径的土的质量占总土质量的30%。一小于此粒径的土的质量占总土质量的60%。0定义士的不均匀系数C为C, = deo / dio(1-1)Cu愈大，表示土愈不均匀，即粗颗粒和细颗粒的大小相差愈悬殊。如果粒径级配曲线是连续的，C愈大，则曲线愈平缓，表示土中含有许多粗细不同的粒组，也就是说粒组的变化范围较宽。C>5的土称为不均匀土，反之称为均匀土。不均匀土经压实后，细颗粒充填于粗颗粒所形成的孔隙中，从而导致较高的密度和较好的力学特性如果粒径级配累积曲线斜率不连续，在该曲线上的某一位置则会出现水平段，水平段范围所包含的粒组含量为零。这种土称为缺少某种中间粒组的土。这种土在同样的压密条件下，得到的密度不如级配连续的土高，其工程性质较差。土的粒径级配累积曲线的斜率是否连续可用曲率系数C.表示，其定义为(d.0)?(1-2)C,=doxdio经验表明，当级配连续时，C。的范围约为1~3。因此，当C<1或C>3时，均表示级配曲线不连续。从工程观点看，土的级配不均勺（C≥5）且级配曲线连续（C=1~3）的土，称为级配良好的土。不能同时满足上述两个要求的土，称为级配不良的土。）十粒成土中固体颗粒的成分绝大部分是矿物质以及少量有机质。颗粒的矿物成分分两大类。类是原生矿物，常见的如石英、长石和云母等。它是由岩石经过物理风化生成的。另一类是次生矿物，它是由原生矿物经过化学风化后所形成的新矿物，其成分与母岩完全不相同。土中的次生矿物主要是粘土矿物，1，此外还有一些无定形的氧化物胶体（Al2O3、Fe203）和可溶性盐类（CaSO4、CaCO:、NaCl.等）。【原生矿物→石英、长石、云母等粘土矿物矿物质次生矿物无定型氧化物胶体固体成分可溶岩有机质图1-3土中固体部分的成分1.粘土矿物粘土矿物是一种复合的铝一硅酸盐晶体，颗粒成片状，是由硅片和铝片构成的晶包所组叠而成。粘土矿物依硅片和铝片组叠形式的不同，可以分成高岭石、伊利石和蒙特石三种类型。三种粘土矿物的主要特征见表1－3。2.粘土矿物的特性粘土矿物由于同晶替换等原因一般带负电。由于表面带电荷，粘土颗粒四周形成一个电场。在电场的作用下，水中的阳离子被吸引分布在颗粒四周。3
3 和小于此粒径的土的含量均占 50％。为了表示土颗粒的均匀程度和级配的优劣，取如下三 种粒径作为特征粒径： d10—小于此粒径的土的质量占总土质量的 10％。 d30—小于此粒径的土的质量占总土质量的 30％。 d60—小于此粒径的土的质量占总土质量的 60％。 定义士的不均匀系数 Cu 为 / (1-1) Cu = d60 d10 Cu 愈大，表示土愈不均匀，即粗颗粒和细颗粒的大小相差愈悬殊。如果粒径级配曲线 是连续的，Cu 愈大，则曲线愈平缓，表示土中含有许多粗细不同的粒组，也就是说粒组的 变化范围较宽。Cu＞5 的土称为不均匀土，反之称为均匀土。不均匀土经压实后，细颗粒充 填于粗颗粒所形成的孔隙中，从而导致较高的密度和较好的力学特性。 如果粒径级配累积曲线斜率不连续，在该曲线上的某一位置则会出现水平段，水平段范 围所包含的粒组含量为零。这种土称为缺少某种中间粒组的土。这种土在同样的压密条件下， 得到的密度不如级配连续的土高，其工程性质较差。土的粒径级配累积曲线的斜率是否连续 可用曲率系数 Cc表示，其定义为 (1- 2) ( ) 60 10 2 30 d d d Cc = 经验表明，当级配连续时，Cc的范围约为 1~3。因此，当 Cc<1 或 Cc>3 时，均表示级配 曲线不连续。从工程观点看，土的级配不均匀（Cu5）且级配曲线连续（Cc=1~3）的土， 称为级配良好的土。不能同时满足上述两个要求的土，称为级配不良的土。 （二）土粒成分 土中固体颗粒的成分绝大部分是矿物质以及少量有机质。颗粒的矿物成分分两大类。一 类是原生矿物，常见的如石英、长石和云母等。它是由岩石经过物理风化生成的。另一类是 次生矿物，它是由原生矿物经过化学风化后所形成的新矿物，其成分与母岩完全不相同。土 中的次生矿物主要是粘土矿物，此外还有一些无定形的氧化物胶体（Al2O3、Fe2O3）和可溶 性盐类（CaSO4、CaCO3、NaCl.等）。 → 有机质 可溶岩 无定型氧化物胶体 粘土矿物 次生矿物 原生矿物 石英、长石、云母等 矿物质 固体成分 图 1-3 土中固体部分的成分 １．粘土矿物 粘土矿物是一种复合的铝一硅酸盐晶体，颗粒成片状，是由硅片和铝片构成的晶包所组 叠而成。粘土矿物依硅片和铝片组叠形式的不同，可以分成高岭石、伊利石和蒙特石三种类 型。三种粘土矿物的主要特征见表１－３。 2．粘土矿物的特性 粘土矿物由于同晶替换等原因一般带负电。由于表面带电荷，粘土颗粒四周形成一个电 场。在电场的作用下，水中的阳离子被吸引分布在颗粒四周
粘土矿颗粒微细，有较大的比表面积。例如蒙特石高达800m2/g。对于粘性土，比表面积的大小直接反应土颗粒与四周介质，特别是与水相互作用的强烈程度。二、土中水组成土的第二种主要成分是水。土中水可以分成结合水和自由水两大类。一）结合水粘土颗粒在水介质中表现出带电的特性，在其四周形成电场。水分子是极性分子。在电场范围内，水中的阳离子和极性水分子被吸引在颗粒的四周、定向排列。最靠近颗粒表面的水分子所受电场的作用力很大。随着远离颗粒表面，作用力很快衰减，直至电场以外不再受电场力作用。受颗粒表面电场作用力吸引而包围在颗粒四周、不传递静水压力、不能任意流动的水，称为结合水。结合水因离颗粒表面远近的不同，受电场作用力的大小也不一样，因此结合水可以分成强结合水和弱结合水两类。强结合大紧靠于颗粒表面的水分子，所受电场的作用力很大，几乎完全固定排列，丧失液体的特性而接近于固体，完全不能移动，这层水称为强结合水。2.弱结合水指强结合水以外、电场作用范围以内的水。弱结合水也受颗粒表面电荷所吸引而定向排列于颗粒四周，但电场作用力随距颗粒距离的增加而减弱。这层水是一种粘滞水膜。弱结合水膜能发生变形，但不会流动。弱结合水的存在使得粘性土在某一含水量范围内表现出可塑二）自由水不受颗粒电场引力作用的水称为自由水。自由水又可分为毛细水和重力水两类。手细分布在土粒内部间相互贯通的孔隙，可以看成是许多形状不一、直径互异、彼此连通的毛细管（如图1-12所示）。在毛细管周壁、水膜与空气的分界处存在着表面张力T。水膜表面张力T的作用方向与毛细管壁成夹角α。由于表面张力的作用，毛细管内的水被提升到自由水面以上高度he处。若以大气压为基准，分析高度为he水柱的静力平衡条件可以得出：m*h.w=2mTcosα整理后可得：2Tcosαh.=(1-4)rYw式中r是毛细管的半径，w为水的容重细水上升高度h与毛细管半径r成反比。显然土颗粒的直径愈式（4）表明小，孔隙的直径（也就是毛细管的直径）愈细，则毛细水的上升高度愈大。若弯液面处毛细水的压力为u，分析该处水膜受力的平衡条件，取竖直方向力的总和为零，可以得到2Tmrcosα +ur2 = 0设α=-0，由式 1-4可导出T=产，代入上式可得：u.=-h.yw(1-6)
4 粘土矿颗粒微细，具有较大的比表面积。例如蒙特石高达 800ｍ2 /g。对于粘性土，比表 面积的大小直接反应土颗粒与四周介质，特别是与水相互作用的强烈程度。 二、土中水 组成土的第二种主要成分是水。土中水可以分成结合水和自由水两大类。 （一）结合水 粘土颗粒在水介质中表现出带电的特性，在其四周形成电场。水分子是极性分子。在电 场范围内，水中的阳离子和极性水分子被吸引在颗粒的四周、定向排列。最靠近颗粒表面的 水分子所受电场的作用力很大。随着远离颗粒表面，作用力很快衰减，直至电场以外不再受 电场力作用。受颗粒表面电场作用力吸引而包围在颗粒四周、不传递静水压力、不能任意流 动的水，称为结合水。结合水因离颗粒表面远近的不同，受电场作用力的大小也不一样，因 此结合水可以分成强结合水和弱结合水两类。 １．强结合水 紧靠于颗粒表面的水分子，所受电场的作用力很大，几乎完全固定排列，丧失液体的特 性而接近于固体，完全不能移动，这层水称为强结合水。 ２．弱结合水 指强结合水以外、电场作用范围以内的水。弱结合水也受颗粒表面电荷所吸引而定向排 列于颗粒四周，但电场作用力随距颗粒距离的增加而减弱。这层水是一种粘滞水膜。弱结合 水膜能发生变形，但不会流动。弱结合水的存在使得粘性土在某一含水量范围内表现出可塑 性。 （二）自由水 不受颗粒电场引力作用的水称为自由水。自由水又可分为毛细水和重力水两类。 1．毛细水 分布在土粒内部间相互贯通的孔隙，可以看成是许多形状不一、直径互异、彼此连通的 毛细管（如图１－12 所示）。在毛细管周壁、水膜与空气的分界处存在着表面张力Ｔ。水膜 表面张力Ｔ的作用方向与毛细管壁成夹角。由于表面张力的作用，毛细管内的水被提升到 自由水面以上高度 hc处。若以大气压为基准，分析高度为 hc水柱的静力平衡条件可以得出： 2 cos 2 r hc w = rT 整理后可得： (1- 4) 2 cos w c r T h = 式中ｒ是毛细管的半径，w 为水的容重。 式（ｌ－４）表明，毛细水上升高度 hc与毛细管半径ｒ成反比。显然土颗粒的直径愈 小，孔隙的直径（也就是毛细管的直径）愈细，则毛细水的上升高度愈大。 若弯液面处毛细水的压力为 uc，分析该处水膜受力的平衡条件，取竖直方向力的总和为 零，可以得到 2 cos 0 2 Tr + uc r = 设=0，由式 1-4 可导出 2 c w h r T = ，代入上式可得： (1- 6) uc hc w = −
式（1一6）表明毛细区域内的水压力与一般静水压力的概念相同，它与水头高度h。成正比，负号表示拉力。这样，自由水位上下的水压力分布如图1-13所示。自由水位以下为压力，自由水位以上、毛细区域内为拉力。颗粒骨架承受水的反作用力，因此自由水位以下的土骨架受浮托力，这样就减小了颗粒间的压力。而自由水位以上的毛细区域内，颗粒间受压力，称为毛细压力pe。毛细压力呈倒三角形分布。弯液面处最大，自由水面处为零。，重力水自由水面以下、土颗粒电场引力范围以外、在本身重力作用下自由运动的水称为重力水。土中重力水传递水压力。土中气体土中气体按其所处的状态和结构特点可分以下几种类型：吸附于土颗粒表面的气体、溶解于水中的气体、四周为颗粒和水所封闭的气体以及自由气体。通常认为自由气体与大气连通，对土的力学性质影响较小。密闭气体的体积与压力有关：压力增加，则体积缩小：压力减小，则体积胀大。因此，密闭气体的存在增加了土体的弹性，同时还可阻塞土中的渗流通道，从而减小土的渗透性。其它两种气体对土力学性质的影响尚不完全清楚。第三节土的物理状态三相组成的性质，特别是固体颗粒的性质，直接影响土的工程特性。但是，同样一种土，含水量多时则软。这说明土密实时强度高，松散时强度低。对于细粒土，含水量少时则硬的性质不仅决定于三相组成的性质，而且三相之间量的比例关系也是一个很重要的影响因一、三相组成在量上的比例特征因为土是三相体系，不能用一一个单一的指标来说明三相间量的比例。要全面标明土的三相量的比例关系，就需要有若干个指标。）土的三相草图在土力学中通常用三相草图来表示土的三相组成，如图1-16所示。在三相图的右侧，表示三相组成的体积：在三相图的左侧，表示三相组成的质量。三相草图共有5个独立变量即Vs、Vw、Va、mw、ms。由于水的比重为1g/cm2，故只有4个未知数。如果取V=lcm，或m=1g，或V,=lcm2等等，则又可以消去一个未知量因此，对于一定数量的三相土体，只要知道其中的三个变量，其它诸量就可以从图中直接算出（二）确定三相量比例关系的基本试验指标为了确定三相草图诸量中的三个变量，就必须通过实验室的试验测定。通常所做的三个基本物理性质试验分别是土的密度试验、土粒比重试验和土的含水量试验1.土的密度土的密度p定义为单位体积土的质量，以Mg/m2或g/cm2计：m,+m.(1-7)p=m/V:V, +V,+V.工程中还常用容重来表示类似的概念。土的容重定义为单位体积土的重量，以kN/m3计。它与土的密度有如下的关系(1-8)= pg式中g为重力加速度（g=9.8m/s2)。2.土粒比重
5 式（1 一 6）表明毛细区域内的水压力与一般静水压力的概念相同，它与水头高度 hc成 正比，负号表示拉力。这样，自由水位上下的水压力分布如图 1-13 所示。自由水位以下为 压力，自由水位以上、毛细区域内为拉力。颗粒骨架承受水的反作用力，因此自由水位以下 的土骨架受浮托力，这样就减小了颗粒间的压力。而自由水位以上的毛细区域内，颗粒间受 压力，称为毛细压力 pc。毛细压力呈倒三角形分布。弯液面处最大，自由水面处为零。 ２．重力水 自由水面以下、土颗粒电场引力范围以外、在本身重力作用下自由运动的水称为重力水。 土中重力水传递水压力。 三、土中气体 土中气体按其所处的状态和结构特点可分以下几种类型：吸附于土颗粒表面的气体、溶 解于水中的气体、四周为颗粒和水所封闭的气体以及自由气体。通常认为自由气体与大气连 通，对土的力学性质影响较小。密闭气体的体积与压力有关：压力增加，则体积缩小；压力 减小，则体积胀大。因此，密闭气体的存在增加了土体的弹性，同时还可阻塞土中的渗流通 道，从而减小土的渗透性。其它两种气体对土力学性质的影响尚不完全清楚。 第三节 土的物理状态 三相组成的性质，特别是固体颗粒的性质，直接影响土的工程特性。但是，同样一种土， 密实时强度高，松散时强度低。对于细粒土，含水量少时则硬，含水量多时则软。这说明土 的性质不仅决定于三相组成的性质，而且三相之间量的比例关系也是一个很重要的影响因 素。 一、三相组成在量上的比例特征 因为土是三相体系，不能用一个单一的指标来说明三相间量的比例。要全面标明土的三 相量的比例关系，就需要有若干个指标。 （一）土的三相草图 在土力学中通常用三相草图来表示土的三相组成，如图 1－16 所示。在三相图的右侧， 表示三相组成的体积；在三相图的左侧，表示三相组成的质量。 三相草图共有 5 个独立变量即 Vs、Vw、Va、mw、ms。由于水的比重为 1 g/cm3，故只 有 4 个未知数。如果取Ｖ=1cm3，或ｍ=1g，或 Vs=1cm3 等等，则又可以消去一个未知量。 因此，对于一定数量的三相土体，只要知道其中的三个变量，其它诸量就可以从图中直接算 出。 （二）确定三相量比例关系的基本试验指标 为了确定三相草图诸量中的三个变量，就必须通过实验室的试验测定。通常所做的三 个基本物理性质试验分别是土的密度试验、土粒比重试验和土的含水量试验。 1.土的密度 土的密度定义为单位体积土的质量，以 Mg/m3 或 g/cm3 计： / (1- 7) s w a s w V V V m m ρ m V + + + = = 工程中还常用容重来表示类似的概念。土的容重定义为单位体积土的重量，以 kN/m3 计。它与土的密度有如下的关系 = g (1- 8) 式中ｇ为重力加速度（ｇ=9.8 m/s2）。 ２．土粒比重