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: d 50 : 平均粒径；d 60 : 控制粒径；d 10 : 有效粒径；d 30
粗细程度： 用d 50 表示。 曲线的陡、缓或不均匀程度：不均匀系数C u = d 60 / d 10 ，Cu ≤5，级配均匀，不好Cu ≥10,，级配良好，
连续程度：曲率系数C c = d 302 / (d 60 ×d 10 )。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 ；m s ——土颗粒质量，kg ；m w ——土中水质量，kg 。且m=m s +m w 。
V---土体总体积，m 3；Vs---土粒体积，m 3；V w ---土中水体积，m 3；Va---土中气体体积，m 3；V V ---土中孔隙体积，m 3。且V=V s +V V ；V V =V a + V w 。 土的三项基本物理指标
密度ρ：单位体积土的质量 常见值： 重力密度γ：单位体积土的重量 常见值：
土粒密度ρs ：土中固体颗粒单位体积的质量 土粒相对密度ds ：土颗粒重量与同体积4
°C 常见值：砂土——26.5～26.9粉土——27.0～27.1粘性土——土的含水量ω：土中水的质量与固体颗粒质量的比值 常见值：砂土——（0～4）％ ； 粘性土——（20～60）％
V m =ρ)
(V g m 3m N g ⋅=⋅=ργ3)22~16(m kN =γs
s s V m
=
ρ
3
)2200~1600(m k g =ρ(%)100⨯=s
w m m ω
土的六个导出指标
1、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
2、孔隙率n ：土中孔隙体积与土总体积之比
常见值：n=(30~50)% 第三章 饱和度s r ：水在空隙中充满的程度 v
w r V V
s = 常见值：0～1
第四章 干密度：土的固体颗粒质量与总体积之比V
m s
d =
ρ 5、饱和密度：土中孔隙完全被水充满时，单位体积质量
饱和容重： 6、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 '
'
ργ=
指标间的换算——导出指标与基本指标的关系
e V e V V m s s s s s d +=+==
1)1(ρρρ e V e V V V m w s s s w s w s s +-=+-=-=1)1()('ρρρρρρ e
e V V m w
s w v s ++=+=1sat ρρρρ 1)
1(101)1(1)1(1-+=-+=-+=
-⋅+=
-+=-==
γ
ωγωργρωρρ
ωρ
s s w s s
s
s s s
s
w
s s
s s v d V m V m V V m m V V V V V e 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I p ：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 = W L -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I L ——粘性土的天然含水量与塑限的差值和塑性指数之比，记为I L 。稠度指标，反映粘性土的软、硬程度
p
p
L I W I -=
ω即p
L p
L W W W I --=
ω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I L 小于或等
于零；当天然含水量ω大于等于液限W L 时，土体处于流塑状态，此时I L 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，I L 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。
s v V V e =
(%)
100⨯=V
V n v )(3m kg V V m m V V m w
a w s w v s sat ρρρ++=+=
g
sat sat ργ=V
V m w
s s ρρ-=
'w
sat w v w s w v s w v w s w v s V
V V V V m V V V V m ρρρρρρρρρ-=+-+=--+=)('
L
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W L 。
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。
'u
u
t q q S =
S t —粘性土的灵敏度。q u —原状土（粘性土）无侧限抗压强度。q u '—重塑土（粘性土）无侧限抗压强度； 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e max ，当振动、加压、捣实后可以获得最小孔隙比e min 。
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e max 、最小孔隙比e min 之间的相对位置来表示，即相对密度Dr ：min
max max e e e
e D r --=
当e =e max ，Dr =0时；表示土体
处于最疏松状态；当e = e min ，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。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。 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。
hAt
QL
k At L h k
kiAt vAt qt Q =
⇒==== 2.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 2
112ln )(h h
t t A aL k -=
3.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
4.水平渗流层状地基的等效渗透系数
条件：L
h
i i j ∆=
= ∑=jx x q q ∑=j H H 等效渗透系数：H i k H v q x x x ⋅⋅==，∑∑∑==j j j j j jx H k i H i k q 即得：j
j
x H
k H
k ∑=
1
L h
i =
常水头 变水头
现场抽水
竖直渗流 成层土渗透系数
四、竖直渗流层状地基的等效渗透系数
条件：v v j = ∑∆=
∆j
h h ∑=j
H
H
等效渗透系数k z ：v j = k j (Δh j /H j )j
j j k vH h =
∆⇒因为z
k vH
h =
∆，∑∆=∆j h h 推出∑
=j j z k vH k vH
∑∑=
⇒=⇒j
j
z j
j
z k
H H k k
H H
k 11
Q 截面面积a
A
h 1
h 2
地面
r 12抽水量Q
观测孔 H 1 H 2 H 3 H
Δh
k 1 k 2 k 3
x
z
q 1x q 3x q 2x L
1 1 2
2
不透水层
H 1
H 2 H 3 H
Δh k 1 k 2 k 3 x
z v 承压水 Q 3
Q 2Q 1k 1k 2k 3
F 1
F 2F 3
H 1
H 2H 3一个土一个于
k 1k 2k 3
Q
F 1
F 2F
3
h 1h 2h 3
H 1
H 2H 3
6.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k x
设各层土的渗透系数分别为k 1、 k 2 、k 3 ，层厚分别为H 1 、H 2 、H 3 ，面积分别为F 1 、F 2 、F 3 ，流量为Q 1 、 Q 2 、 Q 3 ，总流量为Q ，则Q 1 = k 1.i 1. F 1.t ，Q 2 = k 2.i 2. F 2.t ，Q 3 = k 3.i 3. F 3.t 水平向流动，各层土的水头梯度均相同，即i= i 1 = i 2 = i 3总截面面积F= F 1 + F 2 + F 3 ，总流量Q= Q 1 + Q 2 +Q 3即总流量 Q=k h .i.F.t = k 1.i 1. F 1.t + k 2.i 2. F 2.t + k 3.i 3. F 3.t 所以
有：∑∑===−−→−⋅+⋅+⋅=
n
i i
n
i i
i x x H
H
k k F
F k F k F k k 1
1332211相等时当宽度
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 = Q 1 = Q 2 = Q 3，总水头损失等于各土层水头损失之和；渗流面积相等：F = F 1 = F 2=F 3，Δh=Δh 1+Δh 2 +Δh 3，
，
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G D G D = J/V = γw Δh/L = γw i
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。
形成原因：cr D i i G W =⇒=-0'
，e
d V V W i s s s cr +-=
⋅⋅-==11
'ωωωγγγγ和土的密实度有关。 （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。
t i F Q k z ⋅⋅=t H H h F Q ⋅+∆⋅=(1t
h h h F H H H Q ⋅∆+∆+∆⋅++⋅=
)()
(321321
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