第三节 土的力学性质
土的力学性质是指在外力作用下所表现出的一系列性质，主要包括土在压应力作用下体积缩小的压缩性，在剪应力作用下抵抗剪切破坏的抗剪性，以及在动荷载作用下表现的一些性质。
一、土的压缩性
（一）土的压缩变形的特点和机理
土的压缩性是指土在压力作用下体积缩小的性能。在一般压力作用下，土粒与水的压缩性很小，可忽略不计，故土的压缩可视为土中孔隙体积的减小。饱和土在压缩时，随着孔隙体积减小，土中孔隙水被排出，其压缩过程实际上就是孔隙水压力的消散过程。饱和土在一定的荷载作用下的渗透压密过程称为渗透固结。饱和土的孔隙大、透水性强，在一定的荷载作用下其孔隙中的水会很快排出，压缩速度也就很快，但由于其孔隙度值较小，所以其压缩量也较小。饱含水的细粒土孔隙很小、透水性极弱，在一定的压力作用下，其孔隙中的水很难尽快排出，故其压缩速度也就很慢，其压缩常常需要很长的时间，但由于其孔隙度值很大，所以其压缩量也大。
非饱和土在一定的压力作用下，先是游离气体被挤出，然后是密闭气体被压缩。随着土被压缩，其饱和度不断增高，当其达到饱和后，压缩过程则与饱和土一样。
（二）土的压缩性指标
土的压缩性高低通常采用其压缩性指标进行描述。常用的土压缩性指标有压缩系数（a）、压缩模量（Es）和变形模量（Eo），其中a、Es是通过土样的室内压缩试验确定，Eo是通过是通过现场原位测试（如载荷试验、旁压试验等）取得的。
1．压缩系数
通过土的室内压缩试验，可作出土的孔隙比（e）与所受压力（P）的关系曲线，即压缩曲线，如图2-5所示。压缩性不同的土，其e-P曲线上任一点的切线斜率（a）就表示在该相应压力（P）作用下土的压缩性，称a为压缩系数。实际上，通常取e-P曲线上某段的割线斜率表示，设压力增量ΔP＝P2-P1，对应的孔隙比变化Δe＝e1-e2，则：
图2-5 土的压缩曲线
式中：a——土的压缩系数，MPa-1；
P 1、P 2——试验压应力值，MPa；
e1、e2——P 1、P 2作用下，土压缩稳定后的孔隙比。
压缩系数愈大，土的压缩性愈大。为了便于应用和比较，并考虑到一般建筑地基受到的压力变化范围，一般采用P 1＝0．1MPa，P 2＝0．2MPa所得的压缩系数a（0．1～0．2）来评定土的压缩性：当a（0．1～0．2）＜0．1MPa-1时，属低压缩性土；当0．1MPa-1≤a（0．1～0．2）＜0．5MPa-1时，属中压缩性土；当a（0．1～0．2）≥0．5MPa-1时，属高压缩性土。
2．压缩模量（Es）
根据e-P曲线，可以来算另一个常用的压缩性指标——压缩模量（E s）。它是指土在完全侧限条件下受压时，相应的压力增量（ΔP）与应变增量（Δξ）的比值：
E s越小，土的压缩性越大。为了便于比较和应用，工程上常采用P 1＝0．1MPa，P 2＝0．2MPa所得的压缩量E s（0．1～0．2）来评价土的压缩性，即：
一般认为，E s（0．1～0．2）＜4MPa时，为高压缩性土；E s（0．1～0．2）＞15MPa时，为低压缩性土；E s（0．1～0．2）为4～15MPa时，为中等压缩性土。
3．变形模量（Eo）
土的变形模量是土体在无侧限条件下，轴向压应力与应变之比值。它是通过现场原位测试得到的土的压缩性指标，能较真实地反映天然土体的变形特征。其计算公式为：
式中：E o——土的变形模量，MPa；
wτ——刚性承压板的沉降影响系数，对于方形板，wτ＝0．88，对于圆形板，wτ＝0．79；
μ——土的泊松比；
B——承压板的边长或直径，m；
P 1——土的比例极限压力，kN；
s1——与P1对应的沉降，m。
4．变形模量与压缩模量的关系
变形模量（E o）与压缩模量（E s）是采用不同的试验方法确定的，但两者在理论上可以互相换算，即：
实际统计资料所得的Eo与E s的关系见表2-8。
表2-8 Eo与E a的经验关系
二、土的抗剪强度
大量研究表明，土的抗剪能力很小，一般可忽略不计。土体在通常应力状态下的破坏主要表现为剪切破坏，因此，土的强度问题实质上是土的抗剪强度问题。根据库仑定律，土的抗剪强度可表示如下：
τ＝σtanφ＋c（2-22）
式中：τ——土的抗剪强度，MPa；
φ——土的内摩擦角，°；
σ——应力，MPa；
c——土的内聚力，MPa，对于砂土c＝0。
对于无黏性土，其抗剪强度与土的密实度、土颗粒大小、形状、粗糙度和矿物成分以及粒径级配的好坏程度等因素有关。土的密实度愈大，土颗粒愈大，形状愈不规则，表面愈粗糙，级配愈好，则其内摩擦角愈大，相应抗剪强度愈高。对于黏性土，其抗剪强度除与土的内摩擦角和所受正压力有关外，还与土颗粒之间的黏聚力有关，黏聚力越大，土的抗剪强度越高。
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