第一章:土的物理性质及工程分类
土是三相体——固相（土颗粒）、液相（土中水）和气相（土中空气）。 固相：是由难溶于水或不溶于水的各种矿物颗粒和部分有机质所组成。 2.土粒颗粒级配（粒度） 2. 土粒大小及其粒组划分
b.土粒颗粒级配（粒度成分）土中各粒组相对含量百分数称为土的粒度或颗粒级配。 粒径大于等于0.075mm的颗粒可采用筛分法来区分。 粒径小于等于0.075mm的颗粒需采用水分法来区分。 颗粒级配曲线
斜率: 某粒径范围内颗粒的含量。陡—相应粒组质量集中；缓--相应粒组含量少；平台--相应粒组缺乏。 特征粒径: d50 : 平均粒径；d60 : 控制粒径；d10 : 有效粒径；d30
粗细程度： 用d50 表示。 曲线的陡、缓或不均匀程度：不均匀系数Cu = d60 / d10 ，Cu ≤5,级配均匀，不好Cu≥10,，级配良好，
连续程度:曲率系数Cc = d302 / (d60 ×d10 )。较大颗粒缺少，Cc 减小；较小颗粒缺少，Cc 增大。Cc = 1~ 3, 级配连续性好。
粒径级配累积曲线及指标的用途：
1.粒组含量用于土的分类定名；2）不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度：Cu≥ 5, 不均匀土； Cu < 5, 均匀土；3）曲率系数Cc用于判定土的连续程度：C c = 1 ~ 3，级配连续土；Cc > 3或Cc < 1,级配不连续土。4）不均匀系数Cu和曲率系数Cc用于判定土的级配优劣：如果 Cu≥ 5且C c = 1 ~ 3，级配良好的土；如果 Cu < 5 或 Cc > 3或Cc < 1, 级配不良的土。
土粒的矿物成份——矿物分为原生矿物和次生矿物。
原生矿物：岩浆在冷凝过程中形成的矿物（圆状、浑圆状、棱角状） 次生矿物：原生矿物经化学风化后发生变化而形成。（针状、片状、扁平状） 粗粒土：原岩直接破碎，基本上是原生矿物，其成份同生成它们的母岩。 粘性土（细粒土）是由次生矿物组成，主要是粘土矿物。（粘土颗粒本身带负电） <二>、土中水
土中水存在于土体的孔隙中或土粒表面，分为自由水和结合水。自由水就是我们通常所说的地下水，结合水是指受到电分子引力作用而吸附在土粒表面的水。 结晶水——矿物内部的水
结合水——吸附在土颗粒表面的水（强结合水和弱结合水）
自由水——电场引力作用范围之外的水（重力水和毛细水）重力水：在重力作用下可在土中自由流动。毛细水：存在于固气之间，在重力与表面张力作用下可在土粒间空隙中自由移动 <三>. 土中气体
自由气体：与大气连通，对土的性质影响不大
封闭气体：增加土的弹性；阻塞渗流通道，可能会形成“橡皮土”。
土的三相比例指标——反映三相组成间数量关系的指标称为三相比例指标。它是评价土体工程性质的基本参数。 m——水、土总质重，kg；ms——土颗粒质量，kg；mw——土中水质量，kg。且m=ms+mw。
V---土体总体积，m3；Vs---土粒体积，m3；Vw---土中水体积，m3；Va---土中气体体积，m3；VV---土中孔隙体积，m3。且V=Vs+VV；VV=Va+ Vw。 土的三项基本物理指标
m??密度ρ：单位体积土的质量 常见值： ??(1600~2200)kgm3V
3m? g3 常见值： ??(16~22)kNm重力密度γ：单位体积土的重量 ?????g(Nm)V
m土粒密度ρs：土中固体颗粒单位体积的质量 s? s ?Vs Wsds?土粒相对密度ds：土颗粒重量与同体积4°C时纯水的重量比。 即： ???Vs常见值：砂土——26.5～26.9粉土——27.0～27.1粘性土——27.2～27.4 m土的含水量ω：土中水的质量与固体颗粒质量的比值 ??w?100(%)ms常见值：砂土——（0～4）％ ； 粘性土——（20～60）％
Vv土的六个导出指标
e?Vs1、孔隙比e：土中孔隙体积与土颗粒体积之比
常见值：砂土——0.5～1.0，e < 0.6时呈密实状态，为良好地基；粘性土——0.5～1.2，e > 1.0时，为软弱地基
V2、孔隙率n：土中孔隙体积与土总体积之比
n?v?100(%)常见值：n=(30~50)% VV第三章 饱和度sr：水在空隙中充满的程度 sr?w 常见值：0～1
Vv第四章 干密度：土的固体颗粒质量与总体积之比?d?ms?Vv?wms?mw?Va?w?(kgm3)5、饱和密度：土中孔隙完全被水充满时，单位体积质量 ? sat ?VV
饱和容重：? sat??satg6、有效密度：地下水位以下，土体受浮力作用时，单位体积的质量 有效重度（浮容重）：???g
''ms V?'?ms?Vs?wV(ms?Vv?w)?Vs?w?Vv?wms?Vv?w '??? VV指标间的换算——导出指标与基本指标的关系
?d?Vs?w?Vv?w???sat??wVms?sVs?m?Vs?w(?s??w)Vs?s??wm?Vv?w?s?e?w??s ?'?s?? ?sat?s ?V(1?e)Vs1?eV(1?e)Vs1?eV1?ems?mwe?VvV?Vs??VsVs?Vs?Vs?ms??ms?VsVs??1??s(1??)??(1??)10ds(1??)?1?ws?1??1 ???粘性土的物理特性指标
粘性土的界限含水量及其测定——粘性土所处的物理状态（软硬状态）与土的含水量密切相关。
当含水量很小时，感觉较硬，外力作用下，将其压碎成粉沫状；我们称其处于固体状态，少加一点水，充分湿润加压后，感觉稍软，加力压碎后成边缘破裂的饼状，称其为半固态；再加水充分湿润，它就具有一定的可塑性；水加的过多，就成了流塑状态的泥浆状。粘性土从一种状态转变到另一种状态，含水量应有一个分界值，我们称其为界限含水量，分别称为液限、塑限和缩限。
1.液限WL——粘性土从可塑状态转变到流塑状态时含水量的分界值，称为粘性土的液限，记为WL。 2.塑限Wp——粘性土从可塑状态转变到半固体状态时含水量的分界值，称为粘性土的塑限，记为Wp 3.缩限Ws——从半固体状态转变到固体状态时含水量的分界值，称为粘性土的缩限，记为Ws。
塑性指数Ip：粘性土液、塑限差值（去掉百分号）称为粘性土的塑性指数，记为Ip 。Ip = WL -Wp 塑性指数反映的是粘性土处于可塑状态时含水量的变化范围；而粘性土与水作用能力的大小与粒径密切相关，这段范围越大，说明土体中细粒土含量越多；土体中蒙脱土矿物含量越多；说明土体中弱结合水含量就越多，土粒表面吸附的阳离子层厚度就越厚，由此推断：土中低价离子含量就越多，土的渗透性就越差、阻水性就越好。因此，塑性指数Ip是粘性土各种影响因子作用后的一个综合反映，从一定程度上，反映了粘性土的工程性质。它是粘性土命名的依据。工程上，用塑性指数Ip对粘性土进行工程分类。Ip ?17 粘土10?Ip <17粉质粘土
液性指数IL——粘性土的天然含水量与塑限的差值和塑性指数之比，记为IL 。稠度指标，反映粘性土的软、硬程度
IL???WpIp即IL???WpWL?Wp当天然含水量ω小于等于塑限Wp时，土体处于固态或者是半固态，此时IL小于或等
于零；当天然含水量ω大于等于液限WL时，土体处于流塑状态，此时IL大于或等于1.0；当天然含水量在液限WL和塑限Wp之间变化时，IL值处于0～1.0之间，此时粘性土处于可塑状态。各类规范根据IL值的大小，将粘性土的软硬状态分为土坚硬、硬塑、可塑、软塑、流塑等几种状态。 IL0 0.25 0.75 1.0
可塑 坚硬 硬塑 软塑 流塑 液、塑限的测定
1.液限测定：国家标准：锥式液限仪。凭经验调好土样（调成土湖状），分层放入盛土碗内，用刀抹平盛土碗表面将锥顶角30°、重76g的圆锥体锥尖对准土样表面，松手后让其在自重作用下下沉，5s沉入土中深度恰好为10mm时，土样含水量即为液限WL。
2.塑限Wp：搓条法。手工搓泥条，直径3mm，恰好在土条表面开始产生均匀裂纹时的含水量即为塑限。
灵敏度 ——粘性土原状土强度与结构完全破坏的重塑土的相应强度的比值。灵敏度反映粘性土结构性的强弱。
St?qu St—粘性土的灵敏度。qu—原状土（粘性土）无侧限抗压强度。qu'—重塑土（粘性土）无侧限抗压强度； 'qu砂土的密实度——粘土颗粒间有粘聚力，呈团聚状态；砂土则不然，颗粒间基本上无联结，其颗粒排列的紧密程度直接决定了它的承载能力；砂土的密实程度决定了砂土的承载能力。孔隙比是反映土体密实程度的一个指标，但土体孔隙比的值与土的粒径组成有关。在某一固定粒度条件下，以最疏松状态制样可以达到其最大孔隙比emax，当振动、加压、捣实后可以获得最小孔隙比emin 。
砂土的相对密度Dr——天然状态下，其孔隙比设为e，则该砂土在天然状态下的密实程度可以用天然孔隙比在最大emax 、最小孔隙比emin之间的相对位置来表示，即相对密度Dr ：Dr?emax?e当e =emax ，Dr =0时；表示土体
emax?emin处于最疏松状态；当e = emin ，Dr = 1.0；表示土样处于最紧密状态。一般情况下，可以用相对密度Dr的值对砂土的密实程度进行划分：0< Dr <1/3 松散；1/3< Dr <2/3 中密；2/3< Dr <1.0 密实。
第二章：土的渗透特性
土中水运动规律——土的渗透性。渗透：水透过土体孔隙的现象。渗透性：土允许水透过的性质称为土的渗透性。hi?土石坝坝基坝身渗流、板桩围护下的基坑渗流、水井渗流、渠道渗流。 L达西定律——水在土中的渗透速度与土的水力梯度成正比v=k·i（水力梯度i，即沿渗流方向单位距离的水头损失） 密实的粘土，需要克服结合水的粘滞阻力后才能发生渗透;同时渗透系数与水力坡降的规律还偏离达西定律而呈非线性关系 。达西定律适用于层流，不适用于紊流。
1.常水头试验——整个试验过程中水头保持不变。适用于透水性大（k>10-3cm/s）的土，例如砂土。
Q?qt?vAt?kiAt?khQL At?k?LhAt2.变水头试验——整个试验过程水头随时间变化。适用于透水性差，渗透系数小的粘性土。
任一时刻t 的水头差为h，经时段dt后，细玻璃管中水位降落dh，在时段dt内流经试样的水量dQ=－a·dh在时段dt内流经试样的水量dQ=k.I.A.dt=k.A.h/L.dt管内减少水量＝流经试样水量 －a.dh=k.A.h/L.dt 分离变量，积分 k?aLhln1
A(t2?t1)h23.现场抽水试验——单一土层可以取样在室内测定，实际上土体都是成层的，有时室内测定结果很难代表现场实际，这时亦可采用现场测试方法确定k 值。根据井底土层的情况此井可分为完整井（井底位于不透水层）和非完整井（井底位于透水土层）两种类型；假设抽水孔钻至不透水层层面，属于完整井。钻孔——1个抽水孔，1～2个观测孔，开始抽水！
在△t时间内，抽水量为Q，并在土中形成一个降落漏斗，假定在任一半径处，水头梯度为常数，即i=dh/dr， 任一点的过水断面为2.π.r.h。Q=k.i.A. △ t=k.(dh/dr).A. △ t=k.(dh/dr).(2.π.r.h). △ t Qr2r2r2drh222k??lnQ?ln?k????t?(h?h)21?k?2????t?h?dh 22 Q?rr???t?(h?hr1h121)11r 4.水平渗流层状地基的等效渗透系数
??条件：ij?i??h qx??qjx H??Hj L等效渗透系数：qx?vxH?kx?i?H，
?qjx??kjijHj?i?kjHj即得：kx?1H?kHjj
常水头 变水头
Q
2抽水量Q1 r1地面现场抽水 水平渗流
q1x A q2x
q3x
观测
孔 1
竖直渗流 成层土渗透系数 Δh
x
z k1 H1 H H k2 2v
截面面积a 2 Δh x z k1 k2 k3 2 H1 H2 H3 不透水层 H h1h2L
H1Q1Q2Q3F1k1k2k3QH2H3F2F3h1h2h3H1F1k1k2k3F2F3H2H3
k3 承压水
四、竖直渗流层状地基的等效渗透系数 条件：vj?v ?h?H3 ??h H??Hjj
因为?h?等效渗透系数kz：vj = kj (Δhj/Hj)??hj?vHjkjvH，?h???hj推出kz11vHjvH????kzkjkzH?kHjj?kz??kH
Hjj6.成层土的渗透系数——实际工程中均是成层土，其渗透分为竖向渗透和水平向渗透两种。 a.水平向渗流的平均渗透系数kx
设各层土的渗透系数分别为k1、 k2 、k3 ，层厚分别为H1 、H2 、H3 ，面积分别为F1 、F2 、F3 ，流量为Q1 、 Q2 、 Q3 ，总流量为Q，则Q1 = k1.i1. F1.t，Q2 = k2.i2. F2.t，Q3 = k3.i3. F3.t水平向流动，各层土的水头梯度均相同，即i= i1 = i2 = i3总截面面积F= F1 + F2 + F3 ，总流量Q= Q1 + Q2 +Q3即总流量 Q=kh.i.F.t = k1.i1. F1.t + k2.i2. F2.t + k3.i3. F3.t 所以
k1?F1?k2?F2?k3?F3当宽度?相等时???kx?有：kx?F?kHii?1nni
i?Hi?1k ? z ??hF?i?tF??t
(H?H?H)b.竖向渗流的平均渗透系数kz 此时，总流量等于各层流量，即Q = Q1 = Q2 = Q3，总水头损失等于各土层水头损失之和；渗流面积相等：F = F1 = F2=F3，Δh=Δh1+Δh2 +Δh3，
Q?(H1?H2?H3) Qk?Q123zQ?(H?H?H)?F?(?h1??h2??h3)?t，
F?(123 n Hi123 i?1z?n 312Hi kii?1123 影响渗透性的因素 1.土粒大小与级配——细粒含量愈多，土的渗透性愈小，例如砂土中粉粒及粘粒含量愈多时，砂土的渗透系数就会大大减小。
2.土的密实度——同种土在不同的密实状态下具有不同的渗透系数，土的密实度增大，孔隙比降低，土的渗透性也减小。
3.水的动力粘滞系数——动力粘滞系数随水温发生明显的变化。水温愈高，水的动力粘滞系数愈小，土的渗透系数则愈大。
4.土中封闭气体含量——土中封闭气体阻塞渗流通道，使土的渗透系数降低。封闭气体含量愈多，土的渗透性愈小。 动水力－渗透力、渗流力——水流作用在单位体积土体中土颗粒上的力GD GD= J/V = γwΔh/L = γwi
渗透变形——土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏。基本类型：流砂与管涌。 六、流砂：在向上的渗透作用下，表层局部土体颗粒同时发生悬浮移动的现象。
Q1?H1Q2?H2Q3?H3??)?tk1?F1?tk2?F2?tk3?F3?tH?H?Hk?HHH??kkk???'Ws?Vs???ds?1 形成原因：W?GD?0?i?icr，icr?和土的密实度有关。 ???????V1?e'（2）管涌：在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的细小颗粒，通过较大颗粒所形成的孔隙发生移动，最终在土中
形成与地表贯通的管道。
形成原因：内因——有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙；外因——渗透力足够大。 流砂与管涌比较：
现象：流砂土体局部范围的颗粒同时发生移动；管涌土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动。 位置：流砂只发生在水流渗出的表层；管涌可发生于土体内部和渗流溢出处。
土类：流砂只要渗透力足够大，可发生在任何土中；管涌一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土。 历时：流砂破坏过程短；管涌破坏过程相对较长。
后果：流砂导致下游坡面产生局部滑动等；管涌导致结构发生塌陷或溃口。
防治措施：1)水工建筑物渗流处理措施——水工建筑物的防渗工程措施一般以“上堵下疏”为原则，上游截渗、延长渗径，减小渗透压力，防止渗透变形。①垂直截渗 ；②设置水平铺盖；③设置反滤层；④排水减压。2)基坑开挖防渗措施①工程降水②设置板桩 ③水下挖掘。
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