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。

在压力曲线上，P较小时，曲线较陡。随P增大，曲线变缓,。这表明在压力增量不变情况下对土进行压缩时,其压缩变形的增量是递减的。 1、压缩系数

a=tga=(e1-e2)/ρ2-ρ1) 压密定律压密定律表明：在压力变化范围不大时,孔隙比的变化(减小值)与压力的变化(增加值)成正比。

a为压缩系数(Mpa-1)它是表征土压缩性大小的重要指标。a愈大,说明土的压缩变形量越大。

评价不同种类和状态土的压缩性大小时，必须以同一压力范围来比较,在GBJ7—89，<<建筑地基基土设计规范>>中规定以P1=0.1Mpa，P2=0.2Mpa时相对应的压缩系数a1—2作为判断土的压缩性标准。

低压缩性土 a1—2<0.1Mpa-1

中压缩性土 0.1 Mpa-1≤a1—2<0.5 Mpa-1 高压缩性土 a1—2≥0.5 Mpa-1 二、压缩模量(Es)

压缩模量(Es)：它是指土在有侧限条件受压时,在受压方向上的应力ζz与相应的应变εZ之间的比值。 Es=ζz/εZ

式中δz=P2-P1 εZ=△h/h=(e1-e2)/(1+e1) Es=(P2-P1) (1+e1)/ (e1-e2)=

(1+e1)/a a----为压力从P1到P2时的压缩系数 e1 –为压力P1时的孔隙比.

工程中:P1=0.1Mpa ,P2=-0.2Mpa 相应的Es评价土的压缩性低压缩性土: Es>15 Mpa

中压缩性土: 4 Mpa

土的变形模量(E0)：指土在无侧限压缩条件下,压应力与相应的压缩应变的比值(Mpa.)它是通过现场载荷试验求的压缩性指标。

E0= ES[1-2u2/(1-u)] E0= ES [1-2ξ2/(1+ξ)]

u 和ξ分别为土的侧膨胀系数和侧压力系数. 土侧膨胀系数指土在无侧限条件受压时侧向应变εx与竖向应变εz的比值。u=-εx/εz

侧压力系数在有侧限条件下,竖向间压力增加,引起侧向压力增加,此时的侧压力系数。ξ=ζx/ζz. 据广义的虎克定律: u 和ξ关系有: u=ξ/(1+ξ) ξ=u/(1-u) 四、土的前期固体压力

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PC表示。如果目前土层所爱的上覆土层的自重压力为PO，将PC与PO进行比较，可把天然土层分为三种不同的固结状态；

（1）PC＝PO，称正常固结土：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，一般正常沉积且在自重压力下固结的土层，均处于正常压密状态。

（2）PC＞PO，称超常固结土是指土层在过去历史上曾受

过的固结压力大于现有土层的自重压力。如土层的过去历史上曾有过相当厚的沉积物，而后来由于侵蚀、冲刷、冰川等卸荷作用，或者由于古老建筑物的拆毁、地下水位的长期变化以及土的干缩等作用，使土层原有的密度超过现有土的自重压力相对应的密度，而形成超压密状态。

(3) PC＜PO，称欠固结土即土层在自重压力下尚未完成固结。如新近沉积的淤泥、冲填土等均处于欠压密状态。目前确定土的前期固结压力的方法很多，但应用较普遍的是卡萨格兰德图解法。在此曲线上找出Pc。

实际工程中,用超固结比R来表征土的天然压密状态. R= Pc/ P0, R=1 正常压密状态 R>1 超压密状态 R<1 欠压密状态第二节土的抗剪性

土的抗剪性(抗剪强度)指土抵抗剪切破坏的极限强度。它是研究土体稳定性的一个极为重要的工程地质性质。

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，故在剪应力作用下，多数土体(如砂类土、细粒土)发生的剪切破坏，并不是土粒本身的破坏，而是土粒间发生相对错动，引起土的一部分相对另一部分沿着某个面发生与剪切方向一致的滑动。

目前，研究土的抗剪强度的途径，主要是模拟土剪切破坏时的应力和工作条件，利用室内或现场进行土的剪切试验。一、土的直剪试验与库克定律. 1、直剪试验

土的室内剪切试验分为直接剪切和三轴剪切试验两类。最常用的直剪试验方法，是将土样放在上、下两部分可以错动的金属盒内，将上盒固定，下盒可沿水平方向滑动(图3-5)。试验时，先通过传压板在土样上施加法向压力P，使土样受法向应力ζ=P/F (F为土样的横截面积)作用。然后在下盒上逐级施加水平剪力，使土样沿上、下盒之间的水平面受到剪应力，当水平剪力增加强度至T时，土样发生剪切破坏，此时的剪应力为η=T/F。即为土样在该法向压应力作用下的抗剪强度η?. 据此试验数据,可知η?---ζ关系曲线。

大量试验结果证明：在一般建筑物的荷载(0.1—0.6Mpa)作用下,土的抗剪强度与法向压应力关系近似为直线一库仑定律. 巨粒土和粗粒土:曲线为η?=ζtgθ (过坐标原点) 细粒土:抗剪曲线, η?=ζtgθ+c

η?为土的抗剪强度（MPa）；ζ剪切面上的法压力（MPa）；θ为土的内摩擦（o）；C为土的内聚力（MPa）。

库仑定律表明：巨粒土的抗剪强度决定于法向压力成正比的内摩擦力；而细粒土的抗剪强由两部分组成，一部分是与法向压力成正比的内摩擦力，另一部分与法向压力无关的内聚力。

库仑定律表明，巨粒土的抗剪强度与其内摩擦角和正切成正比，而内摩擦角与组成土的矿物性质和土的密度有关。组成巨粒土和粗粒土的矿物越坚硬，颗粒越粗大，表面越粗糙，棱角越多，内摩擦角越大。这两类土的密度越高，内摩擦角也越大（见表3-2）。松散状态砂土的内摩擦与其自然堆积时所形成的最大坡角—天然休止角近似相等。所以工程实际中，常用砂土天然休止角代替松散状态砂土的内摩擦角。

表3-2 砂土的内摩擦角θ（o）

细粒土的抗剪强度由内摩擦力和内聚力组成，而且以内聚力为主。细粒土中粘粒含量越多，土粒间的连结越强，内聚力越大，内摩擦角越小，担抗剪强度仍可增大。

细粒土的液性指数越大，即天然含水率越高，则土的连结强度越低，抗剪强度越小。尤其是液限状态的扰动,几乎是没有抗剪强度的。细粒土的密度越

大，抗剪强度越大。这类土内摩擦和内聚力一般值可参见表（3-3）

内磨擦角θ取决于细粒中的粘粒含量,土粒间的连接强度.C与上述两者成正比。

3-3细粒土的内摩擦角θ和内聚力C参考值

二、三轴剪切试验

三轴剪切试验是测定土的抗剪强度的另一种常用的方法。该方法首先将用橡皮膜包裹着的圆柱形臵于密闭容器中（图

3-7），通过液体加压，使试样在三个轴向受到相同的围压ζ3，这时试样中没有剪应力。然后通过活塞杆在试样顶面上加压，试样中产生剪应力，随着垂直压应力ζr的加大，剪应力随之增大，直至土样被剪坏。这时，作用于土样上的最大主应力ζ1=ζ3+ζr，最小主应力即ζ3。用ζ1和ζ3可画出一个极限应圆的公切线，就是土的抗剪强度曲线，从图上可获取土的C、θ值（见图3-8）。三轴剪切仪能近代制排水条件，可以测量孔隙压力的变化，没有规定的剪切面，受力条件比较符合实际，试验结果准确。尽管该试验仪器与设备操作较复杂，费用较高，还是会逐渐受到重视产推广的。

三、土的抗剪指标计划指标的确定。

无论是粗粒土，还是细粒土，其抗剪强度随剪切面上法向压力的增加而加大，饱和土中剪切面上的法向压力，在固结过程中是由孔隙水压力u和有效压力ζ分担，即ζ=ζ+u 。当孔隙中的水不断向外渗流时，孔隙水压力逐渐消失，有效压力逐渐增加，摩擦阻力增大。因此。当孔隙水压力逐渐消散的过程，也就是土的抗剪强度逐渐增加的过程。在测定土的抗剪强度指标时，必须考虑孔隙水压力消散程度的影响。目前常用总应力法和有效应力法来考虑孔隙水压力对抗剪强度指标的影响。

总应力法是用剪切面上的总应力来表示土的抗剪强度，即：

η?=ζtgθ+C

将孔隙水压力的影响，通过试验时控制孔隙水的排出程度

来体现。根据试验时排水程度不同，分为排水剪、不排水剪和固结不排水剪3种。在相同的法向压力ζ的作用下，上述3种试验方法所测得抗剪强度指标是不同的。一般情况下，排水剪的抗剪强度最大，固结不排水剪的抗剪强度居中，不排水剪的抗剪强度最小。总应力法较简单，一般用直剪仪测定。

在工程实际中，应根据具体工程中的实际排水情况，选取相近似的方法测定土的抗剪强度。例如，研究细粒土的地基的稳定性时，若饱和粘土层很厚，排水条件不好，建筑物施工期又很短，粘土层在施工期来不及固结，就应采用不排水剪切法测定；若饱和粘土层很薄，排水条件较好，但在使用过程中可能施加豁然荷载，则可考虑采用固结不排水剪法测定。

有效应力法是用剪切面上的有效应力来表达土的抗剪强度，即：

η?=ζ’tgθ’+C’=(ζ-u)tgθ’+C’ （3-14）这种方法需直接测得剪切面上的孔隙水压力u，总压力ζ减去孔隙水压力u为有效压力ζ’。用有效压力法求得的θ’、C’分别称有效内摩擦角和有效内聚力。有效应力强度指标一般用三轴剪切仪测定。第三节土的击实性

通过击实试验研究土的击实性，找出最隹土的干密度(ρa)，含水率（W）。

由击实曲线，Pa---W确定ρa max Wop值。

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。

常用岩土材料参数和岩石物理力学性质一览表

(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。 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：

土的物理力学性质

光泽反应 光泽反应是指用小刀切开稍湿的土，并用小刀抹土面，看土面是否呈现光泽。可分为：有光泽和无光泽两种。高液限的粘性土通常有光泽，而低液限粘性土（或粉质土）通常无光泽反应。 土的结构描述： 粒状结构，野外表现很密实状，显微镜下呈粒状紧密连接； 蜂窝状结构，野外表现很松散，显微镜下显蜂窝状； 环状结构，显微镜下显环状结构。 关键是在野外怎么判别？而且土的结构与哪些土有较密切关联性。 另外分别说出各类土的结构对工程力学性质有什么影响，就是说通过土的结构可以推断出土的大概力学物理性质吗？大家畅言 常见的土结构有以下三种： 1、单粒结构(particle structure)或(single-grained structure) 粗颗粒土，如卵石、砂等。 2、蜂窝结构(boneycomb structure) 当土颗粒较细（粒级在0.02~0.002mm范围），在水中单个下沉，碰到已沉积的土粒，由于土粒之间的分子吸力大于颗粒自重，则正常土粒被吸引不再下沉，形成很大孔隙的蜂窝状结构。 3、絮状结构（flocculent structure） 粒径小于0.005mm的粘土颗粒，在水中长期悬浮并在水中运动时，形成小链环状的土集粒而下沉。这种小链环碰到另一小链环被吸引，形成大链环状的絮状结构，此种结构在海积粘土中常见。

上述三种结构中，以密实的单粒结构土的工程性质最好，蜂窝状其次，絮状结构最差。后两种结构土，如因振动破坏天然结构，则强度低，压缩性大，不可用作天然地基。 二、土的构造 同一土层中，土颗粒之间相互关系的特征称为土的构造。觉见的有下列几种： 1．层状构造 土层由不同颜色，不同粒径的土组成层理，平原地区的层理通常为水平层理。 层状构造是细粒土的一个重要特征。 2．分散构造： 土层中土粒分布均匀，性质相近，如砂，卵石层为分散构造。 3．结核状构造 在细粒土中掺有粗颗粒或各种结核，如含礓石的粉质粘土，含砾石的冰碛土等。其工程性质取决于细粒土部分。 4．裂隙状构造 土体中有很多不连续的小裂隙，有的硬塑与坚硬状态的粘土为此种构造。裂隙强度低，渗透性高，工程性质差。

土的力学性质指标

土的力学性质指标 1．压缩系数 土的压缩性通常用压缩系数（或压缩模量）来表示，其值由原状土的压缩试验确定。 压缩系数按下式计算： 2 1211000p p e e a --?= （1-1） 式中 1000——单位换算系数； a ——土的压缩系数（MPa -1）； p 1、p 2——固结压力（kPa ）： e 1、e 2——相对应于p 1、p 2时的孔隙比。 评价地基压缩性时，按p 1为100kPa ，p 2为200kPa ，相应的压缩系数值以a 1-2划分为低、中、高压缩性，并应按以下规定进行评价： （1）当a 1-2＜0.1MPa -1时，为低压缩性土； （2）当0.1≤a 1-2＜0.5MPa -1时，为中压缩性土； （3）当a 1-2≥0.5MPa -1时，为高压缩性土。 2．压缩模量 工程上也常用室内试验求压缩模量E s 作为土的压缩性指标。压缩模量按下式计算： a e E s 01+= （1-2） 式中 Es ——土的压缩模量（MPa ）； e 0——土的天然（自重压力下）孔隙比； a ——从土的自重应力至土的自重加附加应力段的压缩系数（MPa -1）。 用压缩模量划分压缩性等级和评价土的压缩性可按表1-1规定。 地基土按E s 值划分压缩性等级的规定 表1-1

3．抗剪强度 土在外力作用下抵抗剪切滑动的极限强度，一般用室内直剪、原位直剪、三轴剪切试验、十字板剪切试验、野外标准贯入、动力触探、静力触探等试验方法进行测定。它是评价地基承载力、边坡稳定性、计算土压力的重要指标。 （1）抗剪强度计算 土的抗剪强度一般按下式计算： τf＝σ·tgφ＋c（1-3） 式中τf——土的抗剪强度（kPa ）； σ——作用于剪切面上的法向应力（kPa）； φ——土的内摩擦角（°），剪切试验法向应力与剪应力曲线的切线倾斜角； c——土的粘聚力（kPa），剪切试验中土的法向应力为零时的抗剪强度，砂类土c＝0。 （2）土的内摩擦角φ和粘聚力c的求法 同一土样切取不少于4个环刀进行不同垂直压力作用下的剪力试验后，用相同的比例尺在坐标纸上绘制抗剪强度τ与法向应力σ的相关直线，直线交τ值的截距却为土的粘聚力c，砂土的c=0，直线的倾斜角即为土的内摩擦角切，见图6-1。 图1-1 抗剪强度与法向应力的关系曲线 （a）粘性土；（b）砂土

附表2岩土工程物理力学指标表

表11-1 岩土参数建议值表 岩土分层岩 土 名 称 时 代 与 成 因 岩石地基 承载力特 征值 土承载 力特征 值 桩侧摩阻力 特征值(钻孔 灌注桩) 桩端阻力特 征值(钻孔灌 注桩) 桩极限侧阻力 标准值(钻孔 灌注桩) 桩极限端阻力 标准值(钻孔 灌注桩) 土体与锚固体极 限摩阻力标准值 岩石与锚 固体极限 摩阻力标 准值 地基系数 的比例系 数(灌注 桩) 岩层或土 层水平基 床系数 岩层或土 层垂直基 床系数 静止侧压 力系数 岩土泊桑 比 岩石质量 指标 基底摩擦 系数 边坡坡度高 宽比允许值 (1:n) 土石可挖性 分级 f a f ak q sa q pa q sik q sik q s q s m K s Kc K0μRQD f (kPa) (kPa) (kPa) (kPa) (kPa) (kPa) (kPa) (MPa) (MPa/m2) (MPa/m) (MPa/m) (%) (1-1) 填土Q4ml60 18 18 12 0.40 0.29 0.28 支护Ⅰ～Ⅱ(3-4) 粗砂Q2al190 30 40 50 18.0 20 18 0.40 0.29 0.28 1.25 Ⅱ(4-2) 粉质粘土Q2el210 30 43 50 22.0 35 30 0.39 0.28 0.30 1 Ⅱ(11)-1 全风化板岩P t220 35 50 55 40.0 35 30 0.38 0.28 0.30 1 Ⅲ(11)-2 强风化板岩P t350 70 700 75 750 0.12 150 120 0.38 0.28 0.33 0.75 Ⅲ～Ⅳ(11)-3 中风化板岩P t800 130 1300 170 1600 0.30 170 135 0.28 0.22 10~150.38 0.5 Ⅳ(11)-4 微风化板岩P t1200 135 1500 180 1800 0.50 200 175 0.26 0.21 10~20 0.45 0.5 Ⅴ说明： 1、本表的岩土参数值，是根据勘察结果，按工程类比（工程经验）的方法经过查阅有关规程、规范、手册或通过计算而提供的可用于设计的岩土参数。 2、根据场地的岩土层物理力学性质和室内试验成果，结合相关规范规程以及工程经验，给出岩土地基承载力特征值、桩侧摩阻力特征值、桩的端阻力特征值、边坡坡度高宽比允许值等参数建议值。 3、根据场地的岩土层物理力学性质和室内试验成果，结合国家行业标准《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008），给出桩的极限侧阻力标准值、桩的极限端阻力标准值等的参数建议值。 4、根据场地的岩土层物理力学性质和室内试验成果，结合相关工程经验，给出土体与锚固体极限摩阻力标准值、岩石与锚固体极限摩阻力标准值、土的泊松比等的参数建议值。 5、根据勘察结果，按国家标准《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002），给出基底摩擦系数、边坡坡度高宽比允许值等的参数建议值。 表11-2 岩土参数建议值表 岩土分层岩 土 名 称 时 代 与 成 因 天然 密度 天然含 水量 孔隙比 岩（土）体剪切试验 压 缩 系 数 压 缩 模 量 变 形 模 量 渗 透 系 数 单轴极限抗压强 度标准值 导温系数导热系数 比热容 C 水上坡角 (°) 直接快剪固结快剪 粘聚力内摩擦角粘聚力内摩擦角 干燥天然饱和 ρw е c φ c φa0.1-0.2Es1-2E0K fd fc fr (g/cm3) (%) (kPa) (°) (kPa) (°) (MPa) (MPa) （m/d）(MPa) (m2/h) (W/m·K) (kJ/kg.k) (1-1) 填土Q4ml 1.96 28.0 0.822 17100.27 7.30 1.0 0.00179 1.44 1.25 (3-4) 粗砂Q2al 1.97 23.3 25 5.0 0.00179 1.13 0.89 (4-2) 粉质粘土Q2el 1.96 26.46 0.783 26 120.24 7.70 29 0.04 0.00189 1.31 1.34 (11-1) 全风化板岩P t 1.99 26.7 0.770 28 14 0.19 9.30 32 0.10 0.00189 1.37 1.12 (11-2) 强风化板岩P t 2.70 85 30 100 0.50 7.0 1.0 1.0 0.00193 1.45 1.21 (11-3) 中风化板岩P t 2.79 90 33 0.40 10.0 5.0 3.00.00199 1.51 1.27 (11)-4 微风化板岩P t 2.76 100 35 0.20 15.0 10.0 8.0 0.00203 1.55 1.39 说明： 1.本表所称的岩土参数建议值，是根据室内试验或原位测试结果的统计值，按工程类比（工程经验）的方法而提供的岩土参数。 2.表中岩土层热物理指标建议值系根据相关工程经验的室内热物理力学性质试验成果综合提出。

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 . 、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。 固、液、气三相组成部分中的各部分体积减小的结果 粒相互移动靠拢的结果 ) 。 、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hO ，原始孔隙比eO,当加压P1后土 样压缩量为△ hi, 土样高度E 减小到h1=hO- △ h ,相应孔隙比由0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 hO/(1+eO)=A(hO- △ h1)(1+ e1) e1=eO -△ h1/hO(H eO) 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p 。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。 在压力曲线上，P 较小时，曲线较陡。随P 增大，曲线变缓，。这表明在压力增量 不变情况下对土进行压缩时 ,其压缩变形的增量是递减的。 1 、压缩系数 土的力学性质 土受压后体积缩小是土中 (主要是气体、水分挤出、土

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

地基土物理力学指标建议值表 表15

地基土物理力学指标建议值表 土名 容重 γ （kN/m3） 地基土 承载力 基本容许值 fao （kPa） 内聚 力 C k （kPa） 内摩 擦角 φk （0） 压缩 模量 Es （MPa） 岩石天然单轴 极限抗压 强度frc (Kpa) 岩石饱和单轴 极限抗压 强度fr (Kpa) 素填土18.5 90 15 10 5.0 含卵石粉质粘土19.5 160 25 15 6.0 粉质粘土19.0 140 20 12 5.5 细砂19.5 80 22 7.0 稍密卵石21.0 320 30 25 中密卵石22.0 550 35 30 密实卵石23.0 850 40 45 强风化粉砂质泥岩22.0 300 1500 中风化粉砂质泥岩23.0 850 350 30 4500 3000 强风化粉砂岩23.0 500 2000 中风化粉砂岩24.0 1200 600 40 7000 5000 地基土物理力学指标建议值表表16 土名 基床 系数 K MPa/m3 地基土的水 平抗力系数 的比例系数 m 底摩擦 系数 μ 土体与 锚固体 粘结强度特 征值f rb kPa 钻孔灌注嵌岩桩桩基础 钻孔灌注桩 桩摩阻力 标准值qsik （kPa） 竖直水平 杂填土 4 素填土 6 0.20 15 20 含卵石粉质粘土25 18 12 0.30 45 40 粉质粘土20 16 10 0.30 40 35 细砂16 11 14 0.25 50 30 稍密卵石22 18 50 0.40 80 140 中密卵石36 27 75 0.45 100 180 密实卵石65 55 90 0.50 120 300 强风化粉砂质泥岩100 80 0.45 100 140 中风化粉砂质泥岩220 200 0.50 150 200 强风化粉砂岩120 90 0.45 120 160 中风化粉砂岩240 220 0.55 200 240

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。

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，

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

土的物理力学性质

第一章 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。 一、土的基本物理性质 （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/cm3 粉质砂土及粉质粘土１.4 g/cm3 粘土为１.4 g/cm3 泥炭沼泽土：１.4 g/cm3 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/cm3

土层物理力学指标

工程编号:2006-G-177 工程编号 颗粒 土层 0.50.25 层号 土层名称 ㎜ % ①1 ①2 ② ③1 ③2 ③3 ④ ⑤1 ⑤3 填土 浜填土
土 层 物 理 力 学 性 质 参 数 表
0.250.075 ㎜ % 0.0750.05 ㎜ % 0.050.01 ㎜ % 0.010.005 ㎜ % <0.005 ㎜ % 含水量 W % 重度 Y KN/m3 / 比重 G 饱和度 Sr % 孔隙比 e 液限 WL % 塑限 WP %
32.8
22 3.18 0.10 8 3.01 0.08 14 3.50 0.12 15 3.47 0.08 50 2.49 0.05 24 1.74 0.05 3
18.4 18.9 17.6 17.7 18.0 17.1 18.7 19.7 17.9 17.3 17.8 17.0 16.7 17.1 16.3 17.7 18.0 17.1 18.0 18.1 17.7
22 0.04 0.02 8 0.03 0.02 14 0.05 0.03 15 0.03 0.02 50 0.02 0.01 24 0.02 0.01 3
2.73 2.74 2.73 2.72 2.73 2.72 2.70 2.71 2.69 2.73 2.73 2.72 2.75 2.76 2.73 2.73 2.75 2.72 2.72 2.73 2.71
22 0.00 0.00 8 0.00 0.00 14 0.01 0.00 15 0.00 0.00 50 0.01 0.00 24 0.01 0.00 3
96 99 92 97 99 95 95 99 90 97 99 94 97 100 94 96 99 92 96 97 96
22 1.49 0.02 8 1.69 0.02 14 2.27 0.02 15 1.70 0.02 50 1.58 0.02 24 1.75 0.02 3
0.932 1.113 0.811 1.119 1.297 1.033 0.834 1.024 0.666 1.200 1.348 1.055 1.428 1.579 1.277 1.098 1.262 1.009 1.010 1.078 0.973
22 0.08 0.09 8 0.08 0.08 14 0.10 0.12 15 0.09 0.07 50 0.06 0.05 24 0.05 0.05 3
37.3 40.3 35.4 34.3 39.9 31.0
22 1.07 0.03 8 2.74 0.09
21.0 21.9 19.2 20.3 23.1 19.4
22 0.78 0.04 8 1.19 0.06
粉质粘土 淤泥质粉 质粘土
32.4
38.8 27.4 40.0 46.4 36.7 29.3 37.4 23.6 42.6 48.8 36.8 50.7 56.6 44.3 38.5
砂质粉土 淤泥质粉 质粘土 淤泥质粘 土 粉质粘土 粉质粘土
78.4 3.4
20 24.3 9 0.77
12.6 23.4 4.3
20 5.11 0.42
46.0 77.2 6.9
20 22.60 0.50
2.9 7.0 0.5
20 1.89 0.67
6.1 11. 3 0.6
20 3.55 0.60
35.3 37.9 30.7 43.5 49.6 37.6 37.8 40.9 34.9 36.8 39.0 34.5
15 2.03 0.06 50 2.60 0.06 20 1.73 0.05 2
20.6 22.7 17.9 23.2 27.1 20.5 21.2 22.9 19.6 21.4 22.1 20.7
15 1.31 0.07 50 1.51 0.07 20 0.79 0.04 2
43.1 35.4 35.7 37.8 21.7 23.9
26 1.25 0.05 20 2.45 0.08 28 2.99 0.12 6 0.51 0.03 8 3.20 0.13
19.4 19.9 19.0 18.7 19.2 18.4 19.0 20.0 18.0 20.1 20.5 19.8 19.4 20.8 18.8
26 0.02 0.01 20 0.02 0.01 28 0.04 0.02 6 0.02 0.01 8 0.06 0.03
2.73 2.73 2.72 2.70 2.71 2.68 2.69 2.70 2.68 2.72 2.73 2.72 2.69 2.69 2.69
26 0.00 0.00 20 0.01 0.00 29 0.01 0.00 6 0.01 0.00 8 0.00 0.00
92 94 90 96 99 91 9.4 99 89 94 99 90 97 98 95
26 1.17 0.01 20 2.48 0.03 29 2.59 0.03 6 3.55 0.04 8 1.08 0.01
0.710 0.776 0.637 0.829 0.904 0.711 0.755 0.925 0.591 0.605 0.623 0.581 0.716 0.794 0.496
26 0.03 0.05 20 0.05 0.06 29 0.08 0.11 6 0.02 0.03 8 0.09 0.13
32.8 35.9 30.4
26 1.42 0.04
18.1 19.9 16.0
26 0.95 0.05
⑥
粉质粘土
39.7 42 25.7 9 0.66 78 14.8 5 0.20 13.7 24.4 1.9 9.1 22.2 1.4 42 5.19 0.38 78 4.84 0.53 37.6 81.7 2.9 12.2 60.4 1.1 42 23.62 0.64 78 10.28 0.85 2.7 7.7 0.5 1.7 5.1 0.1 42 1.53 0.58 78 1.03 0.60 6.3 14. 3 0.0 3.1 9.7 0.0 42 4.14 0.67 78 2.15 0.69
26.7 21.7 29.6 33.3 25.0 26.4 33.1 21.1 20.9 21.8 20.3 71.4 15 12.5 2 0.18 7.9 15.1 3.6 15 3.48 0.45 10.7 25.3 3.7 15 5.69 0.55 2.8 5.0 1.1 15 1.27 0.47 7.2 18. 2 3.4 15 4.74 0.68 25.8 28.7 17.9
⑦1
砂质粉土
0. 0 1. 0 0. 0
86.0 1.2 78 0.16 4.56 73.8 95.4 23.6
⑦2
粉细砂
30.3 33.0 28.0
6 1.56 0.06
16.7 20.2 14.5
6 1.97 0.13
⑧
粉质粘土
⑨
粉细砂
87.8 46.2