土的物质组成及物理力学指标

土的物质组成及物理力学指标_土木工程地质

2.3　土的物质组成及物理力学指标

土是地壳表层广泛分布的物质，是最新地质时期的堆积物。土的组成一般是由作为土骨架的固体矿物颗粒、孔隙中的水及充满孔隙的空气组成的三相体系（见图2－8）。

图2－8　土的三相组成示意图

m—土的总重量；m_a—土中空气重量；m_w—土中水重量；m_d—土粒重量；V—土的总体积；V_v—土孔隙体积；V_a—土中空气的体积；V_w—土中水体积；V_d—土粒体积

土的三相组成物质的性质、相对含量以及土的结构、构造等与其形成年代和成因有关的各种因素，必然在土的轻重、疏密、干湿、软硬等一系列物理性质和状态上有不同的反映。土的物理性质和状态又在很大程度上决定了它的力学性质。

2.3.1　土的物质组成

在土的三相组成物质中，固体颗粒（土粒）是土的最主要的物质成分。土粒构成土的骨架主体，也是最稳定、变化最小的成分。三相之间相互作用中，土粒一般也居于主导地位。从本质而言，土的工程性质主要取决于组成土的土粒的大小和矿物类型，即土的粒度成分和矿物成分。

1）土的粒度成分

土的粒度成分是决定土的工程性质的主要内在因素之一，因而也是土的类别划分的主要依据。

土是由各种大小不同的颗粒组成的。颗粒大小以直径（单位为mm）计，称为粒径（或粒度）。介于一定粒径范围的土粒，称为粒组；而土中不同粒组颗粒的相对含量，称为土的粒度成分（或称颗粒级配），它以各粒组颗粒的质量占该土颗粒的总质量的百分数来表示。土的粒径由大到小逐渐变化时，土的工程性质也相应地发生变化。因此，在工程上粒组的划分在于使同一粒组土粒的工程性质相近，而与相邻粒组土粒的性质有明显差别。

土的粒度成分是通过土的粒度分析（亦称颗粒分析）试验测定的。对于粒径大于0.075mm的粗粒土，可用筛分法测定。试验时将风干、分散的代表性土试样通过一套孔径不同的标准筛（例如：20mm、2mm、0.5mm、0.25mm、0.1mm、0.075mm），称出留在各个筛子上的土的重量，即可求得各个粒组的相对含量。粒径小于0.075mm的粉粒和黏粒难以筛分，一般可以根据土粒在水中匀速下沉时的速度与粒径的理论关系，用比重计法或移液管法测得颗粒级配。

根据颗粒分析试验成果，可以绘制如图2－9所示的颗粒级配累积曲线。其横坐标表示粒径。因为土粒粒径相差常在百倍、千倍以上，所以宜采用对数坐标表示。纵坐标则表示小于（或大于）某粒径的土的含量（或称累计百分含量）。由曲线的坡度可以大致判断土的均匀程度。如曲线较陡，则表示粒径大小相差不多，土粒较均匀；反之，曲线平缓，则表示粒径大小相差悬殊，土粒不均匀，即级配良好。

小于某粒径的土粒的质量分数为10%时，相应的粒径称为有效粒径d₁₀。当小于某粒径的土粒的质量分数为60%时，该粒径称为限制粒径d₆₀。d₆₀与d₁₀之比值反映颗粒级配的不均匀程度，称为不均匀系数C_u。

C_u愈大，土粒愈不均匀（颗粒级配累积曲线愈平缓），作为填方工程的土料时，比较容易获得较小的孔隙比（较大的密实度）。工程上把C_u＜5的土看作是均匀的；

图2－9　颗粒大小分布曲线

C_u＞1.0的土则是不均匀的，即级配良好的。

d₁₀之所以被称为有效粒径，是因为它是土中有代表性的粒径，对分析评定土的某些工程性质有一定意义，例如，碎石土、砂土等粗粒土的透水性与由有效粒径土粒构成的均匀土的透水性大致相同，因而可由d₁₀估算土的渗透系数及预测机械潜蚀的可能性等。

除不均匀系数C_u外，还可用曲率系数C_c来说明累积曲线的弯曲情况，从而可分析评述土粒度成分的组合特征

C_c值在1～3之间的土级配较好。C_c值小于1或大于3的土，累积曲线都明显弯曲而呈阶梯状，粒度成分不连续，主要由大颗粒和小颗粒组成，缺少中间颗粒。

2）土的矿物成分

土是由矿物组成的，不同的矿物具有不同的特性，影响土的物理力学性质。对土进行工程地质研究时，必须注意土的矿物成分、矿物的特性及其对土的物理力学性质的影响。组成土的矿物可分为原生矿物、次生矿物、有机质。

（1）原生矿物

组成土的固体相部分的物质，主要来自岩石风化的产物。岩石经物理风化作用后形成碎块，一般是棱角状的，以后经流水和风的搬运作用，由于搬运过程中相互磨蚀而变细，并成浑圆状，但仍保留着受风化作用前存在于母岩中的矿物成分，这种矿物称为原生矿物。土中原生矿物主要有硅酸盐类矿物、氧化物类矿物、硫化物类矿物及磷酸盐类矿物等。

组成土的原生矿物主要有石英、长石、角闪石、云母等，这些矿物是直接由岩石而来的，性质未发生改变。它们的特点是颗粒粗大，物理、化学性质一般比较稳定，是组成卵石、砾石、砂粒和粉粒的主要成分。

（2）次生矿物

原生矿物在一定的条件下，经化学风化作用进一步分解，形成一种新的矿物，颗粒变得更细，甚至变成胶体颗粒，这种矿物称为次生矿物。次生矿物有两种类型：一种是原生矿物的一部分，可溶的物质被溶滤到别的地方沉淀下来，形成“可溶性的次生矿物”；另一种是原生矿物中可溶的部分被溶滤走以后，残存的部分性质已改变，形成了新的“不可溶的次生矿物”。

可溶性的次生矿物主要为常见的可溶盐类，按其被水溶解的难易程度可分为

易溶盐——主要有NaCl，CaCl₂，Na₂SO₄·10H₂O，Na₂CO₃·10H₂O等；

中溶盐——主要为CaSO₄·2H2O（石膏）和MgSO₄等；

难溶盐——主要为CaCO₃和MgCO₃等。

这些盐类常以夹层、透镜体、网脉、结核或呈分散的颗粒、薄膜或粒间胶结物含于土层中。其中易溶盐类极易被大气降水或地下水溶滤出去，所以分布范围较窄，但在干旱气候区和地下水排泄不良地区，它是地表上层土中的典型产物，即形成所谓盐碱土和盐渍土。

可溶盐类对土的工程性质影响的实质，在于含盐土浸水后，盐类被溶解，土的粒间连结削弱，甚至消失，同时土的孔隙性增大，从而降低土体的强度和稳定性，增大其压缩性。其影响程度，取决于三个方面：盐类的成分和溶解度、盐类的含量、盐类分布的均匀性和分布方式。均匀、分散分布者，盐分溶解对土的工程性质及结构的影响较小，且土的抗溶蚀能力较强；不均匀、集中分布（例如呈厚的透镜状）者，盐分溶解对土的工程性质及结构的影响则剧烈。

土中的易分解矿物常见的主要有黄铁矿（FeS₂）及其他硫化物和硫酸盐类。处于还原环境的土（如深水海淤）中，常含有黄铁矿，呈大小不同的结核状或与土颗粒紧密结合的薄膜状和充填物。土中含黄铁矿、硫酸盐等遇水分解后会削弱或破坏土的粒间联结及增大土的孔隙性（与一般可溶盐影响相同）；同时，分离出的硫酸根离子，对建筑基础及各种管道设施起腐蚀作用。

不可溶的次生矿物有次生二氧化硅、倍半氧化物、黏土矿物。次生二氧化硅是由原生矿物硅酸盐、长石等经化学风化后，原有的矿物结构被破坏，游离出结晶格架的细小碎片，由SiO₂组成。因为次生二氧化硅很细小，在水中可呈胶体状态。倍半氧化物主要由Al₂O₃和Fe₂O₃等组成，倍半氧化物在土中的分布比较广泛，特别在湿热的热带和亚热带地区的土层中含量较多。倍半氧化物常呈细小的黏粒，以鳞片状、胶膜状存在土粒的表面，或呈盘状、结核状、管状等集合体存在于土体中。黏土矿物是原生矿物长石及云母等硅酸盐类矿物经化学风化而成的，主要有高岭石、水云母及蒙脱石等。这类矿物的最主要特点是呈高度分散状态——胶态或准胶态。因此，它们具有很高的表面能、亲水性及其他特殊的性质。只要这类矿物在土中有少量存在，往往就可能引起土的工程性质的显著改变，如产生大的塑性、强度剧烈降低等。但是，这类矿物的不同矿物种类之间，对土的工程性质影响也有差异。仅以黏土矿物而言，各类别的影响也明显不同。其本质上的原因在于它们具有不同的化学成分和结晶格架构造。用X射线衍射法、电子显微镜法、差热分析及电子探针法等对黏土矿物进行的研究已查明，黏土矿物的晶格结构主要由两种基本结构单元组成，即由硅氧四面体和铝氢氧八面体组成，它们各自联结排列成硅氧四面体层和铝氢氧八面体层的层状结构，如图2－10所示。而上述四面体层与八面体层之间的不同组合结果，即形成不同性质的黏土矿物。

图2－10　1∶1型、2∶1型四面体片与八面体片的组合

①高岭石类：高岭石类结晶格架的每个晶胞分别由一个铝氢氧八面体层和硅氧四面体组成，即为1∶1型结构单位层。其两个相邻晶胞之间以O－和（OH）^－不同的原子层相接，除范德华键外，均具有很强的氢键联结作用，使各晶胞间紧密连接；因而岭石类黏土矿物具有较稳固的结晶格架，水较难进入其结晶格架内，所以水与这种矿物之间的作用比较弱。当然，在其晶格的断口，或由于离子同型置换，会有游离价的原子吸引部分水分子而形成较薄水化膜，故主要由这类矿物组成的黏性土的膨胀性和压缩性等均较小。

②蒙脱石类：蒙脱石类矿物的结晶格架与高岭石类不同，它的晶胞是由两个硅氧四面体层夹一个铝氢氧八面体层组成的，为2∶1型结构单位层。其相邻晶胞之间只有分子键联结，且具有电性相斥作用。因此，其各晶胞之间的联结不仅极弱，且不稳固，晶胞间易于移动。水分子很容易在晶胞之间浸入，吸水时晶胞间距变宽，晶格膨胀；失水时晶格收缩。所以蒙脱石类黏土矿物与水作用很强烈，在土粒外围形成很厚的水化膜，当土中蒙脱石含量较多时，土的膨胀性和压缩性等都很大，强度则剧烈变小。

③伊利石、水云母类：伊利石、水云母类的晶胞与蒙脱石同属于2∶1型结构单位层，不同的是其硅氧四面体中的部分硅离子常被Al、Fe等所置换，因而在相邻晶胞间将出现若干一价正离子以补偿晶胞中正电荷的不足，并将相邻晶胞连接。所以伊利石、水云母类的结晶格架没有蒙脱石类那样活动，其亲水性及对土的工程性质影响介于蒙脱石和高岭石之间。

（3）有机质

在自然界一般土，特别是淤泥质土中，通常都含有一定数量的有机质，当其在黏性土中的质量分数达到或超过5%（在砂土中的质量分数达到或超过3%）时，就开始会对土的工程性质产生显著的影响。例如，在天然状态下这种黏性土的含水率显著增大，呈现高压缩性和低强度等性质。

有机质在土中一般呈混合物与组成土粒的其他成分稳固地结合一起，有时也以整层或透镜体形式存在。

有机质对土的工程性质的影响实质，在于它比黏土矿物有更强的胶体特性和更高的亲水性。所以，有机质比黏土矿物对土性质的影响更剧烈。有机质对土的工程性质的影响程度，主要取决于下列因素。

有机质含量愈高，对土的性质影响愈大；有机质的分解程度愈高，影响愈剧烈，例如，完全分解或分解良好的腐殖质的影响最坏；土被水浸程度或饱和度不同，有机质对土有截然不同的影响。当含有机质的土体较干燥时，有机质可起到较强的粒间连接作用；而当土的含水率增大后，有机质将使土粒的结合水膜剧烈增厚，削弱土的粒间连接，使土的强度显著降低。

3）土中的水

土中水是土的液体相的组成部分，它以不同的形态存在着，呈固态、液态、气态。有的存在于矿物的内部，有的存在于孔隙之中。它们对土的工程性质起着不同的作用。

根据土中水的储存部位不同，土中水分为矿物成分水及孔隙中的水两种。矿物成分水是矿物结晶格架的组成部分，因存在的形式与结合程度的差异，可分成结构水、结晶水、沸石水三种不同的类型；孔隙中的水按水分子的活动能力分为固态水、液态水、气态水。液态水属于土的液体相部分。它与土的固体部分一样，在土的组成结构中占有重要的地位，因此不能简单地将土中水的作用看成是与土粒的机械的混合作用。自然界土中的液态水实质上是溶液，并非纯水。它与土粒的相互作用是一种复杂的物理—化学过程。它处于孔隙中，在土粒的外围。外界条件的变化，往往会改变溶液的性质而导致土的工程性质的变化。若将孔隙溶液看作纯水，则可根据固体土粒对其吸引的牢固程度而分为“结合水”与“非结合水”两大类。“结合水”又可分为强结合水与弱结合水两种。没有被土粒吸引住的非结合水，有的紧挨弱结合水，颗粒的引力仍有某些影响，但重力也有显著的作用，这层水称为“毛细水”；距土粒较远时，则不受土粒引力的影响，主要受重力控制，称为“重力水”。

（1）矿物成分中的水

①结构水。它以H＋、OH－离子形式存在于矿物晶架的固定位置上，如铝氢氧八面体中的OH—。严格地讲，结构水不是真正的水，它是土中固体的一部分，通常很难析出。但在450～500℃时，则上述离子水可以H₂O的形式自晶架中析出，这时才是真正的水，不过，此时原有的晶架也被破坏，变成另一种矿物。

②结晶水。它以H₂O的形式存在于矿物晶格的固定位置上，如CaSO₄·2H₂O，Na₂SO₄·10H2O，Na₂CO₃·10H₂O等。这种晶格中既有OH—，又有H2O，这类结晶水由于结合力较弱，所以在低于400℃时，就会自晶格中析出，随即晶格破坏，原有矿物变为新矿物。

③沸石水。以H₂O的形式存在于矿物中相邻晶胞之间，没有固定的数量，或多或少，不影响晶架的形成，析出时也不影响矿物种类和变化。这种水与矿物晶架结合力弱，所以加热至80～120℃时即析出。在测试土中含水率时，加热至105～110℃，这种水就会析出，这样使得测出的含水率w偏高。由此影响土的其他许多指标的值。

（2）土粒表面的水

这部分水称为结合水，也叫吸附水、薄膜水，存在于土粒表面，依距土粒表面的远近及吸附作用的大小又分为强结合水和弱结合水。水是极性分子，原子间的电子分布不均匀，呈现出明显的阴阳极，氧原子带负电，氢原子带正电。

①强结合水。强结合水是指紧紧吸附在土颗粒表面，极薄的一层水膜。形成强结合水的主要作用力有氢键力和库仑力，还有其他微观力，其吸引力可达1000～2000MPa，显然它和普通水不一样，它是固体的一部分，是含水固定层，不是液态，只有在105～110℃时才能排出。土粒吸附强结合水后体积会变小，既有物理作用，又有化学作用。强结合水的冰点温度为－78℃甚至更低。强结合水具有很大的弹性、黏滞性、抗剪强度。多数学者认为强结合水水膜厚就是几层至几十层水分子厚（每个水分子厚约2.76×10^－7mm），有一点可以肯定，强结合水膜厚度不是一个常数。强结合水没有溶解能力，不具有静水压力性质，因此，也不能传递静水压力。强结合水在土的含水率中占的比例很小，在砂土中约占1.0%，在粉土中约占5%～7%，在黏土中约占10%～20%。

②弱结合水。在土粒表面吸附能力范围之内，强结合水膜外圈为弱结合水，吸附作用弱，静电引力起主导作用，也有范德华力和渗透吸附力。弱结合水膜是土粒外围的扩散层，其厚度远大于强结合水。水分子排列得也较紧密，愈靠近强结合水，排列愈紧密，愈远就相对分散些。这样弱结合水处于固体与液体之间，在一定条件（如压力和振动）下可能发生缓慢流动。弱结合水的冰点仍低于0℃，具有一定的弹性、黏滞性和抗剪强度。弱结合水在105～110℃时能全部排出，成为土中含水率，弱结合水仍然没有溶解能力，一般情况下也不具有静水压力特性，不能传递静水压力。具有弱结合水较多的土具有可塑性、触变性。弱结合水的运动一般说是非达西流，在水头压力克服了抗剪强度之后的流动，可以近似适用于达西定律，但此时的渗透系数k不是常数，需要通过试验测定。

（3）土颗粒间孔隙中的水

①气态水。这种水气在土中可以由高压向低压移动，在一定条件（降温）下，这种水气可以凝结成液态水，如夏天的凝结水，又如结露水，这种水存在于包气带中。

②固态水。前已指出，有人主张冰可作为一个特殊相，在温度低于0℃时，土颗粒孔隙中的水开始结冰，以冰夹层、冰透镜体、冰晶体存在，这就是冻土，结冰后体积膨胀，温度升高时又融化，冰又还原为液态水。土的冻融变化对土的性质影响很大。

③毛细水。它是液态水，属自由水。这种水已摆脱了土粒表面的吸附作用范围，但自由是相对的，毛细水存在于土颗粒间的孔隙中，自地下水位向上沿着土颗粒间的孔隙上升到一定高度，这称为上升毛细水。夏天凝结水下渗或地表水下渗，可以形成悬挂毛细水。毛细水的存在要求孔隙大小约为0.002～0.5mm，孔径太小，孔中被结合水充满，孔径太大，物理学告诉我们，毛细现象（浸润）不能存在。毛细水和普通水一样，冰点是0℃，具有溶解能力，具有静水压力特点，可以传递静水压力。毛细水既然和普通水一样，则抗剪强度等于零。毛细水充分发达可使土体饱和，但对土没有浮力作用。毛细水在粉土、黏性土中可以上升很大的高度，如8～10m，甚至更大。在砂土中毛细水上升高度很小，在干砂和饱和土（各种土）中，毛细水不存在。在湿砂中的毛细水工程意义很大，可以维持垂直开挖，有毛细水存在就有毛细压力，可使土粒挤紧，是凝聚力的一部分。在湿砂中称为假凝聚力，因为不稳定，是暂时的，不是固有的。毛细压力是一种负孔隙压力。毛细水的存在工程上有许多利弊，应予以特别重视。

④重力水。存在于地下水位以下的液态水称为重力水，也称自由水，受重力规律支配，重力规律简言之就是水往低处流。这种水可以自由流动，可以传递静水压力，对土粒产生浮力作用。重力水在工程中具有极大的意义，水利、水害都是指这种水，如地下水的开发利用、渗流、潜蚀、流砂、基坑排水，降低地下水位等。

4）土中的气体

土中的气体如O₂、CO₂、N₂、CH₄（甲烷、沼气）、H₂S，还有一些具有放射性的气体，如氡气，这些气体存在于包气带中并与大气相通，常发生交换。一部分气体被土粒吸附，原溶于水中的气体因温度、压力的变化而进人土中或由土中进入水中。淤泥土、有机质土中的气体特别多，一部分气体处于土的密闭孔隙内成为密闭气包，这类气体多了，会增加土体的弹性，这种情况常常使建筑物沉陷很大，沉降延续时间很长，地基土具有流变性。这种气体在压力作用（如强夯）下有气垫作用，消耗能量，产生孔隙气压力。但在地震作用下，气垫作用可以适当减轻震害。土中若有放射性气体，可燃、有毒等有害气体，则要特别注意安全。

2.3.2　土的物理性质

自然界中多相体系的土的性质是千变万化的。在工程实践中具有意义的往往是固体相、液体相、气体相三相的比例关系，相互作用以及在外力作用下所表现出来的一系列的性质。土的物理性质是研究三相质量与体积之间的相互比例关系及固、液两相相互作用表现出来的性质。各种外部因素，例如气温的变化、湿度的变化、降雨、植物根系的吸收、地下水的变动等，都是首先通过对液体相的数量和质量上的影响，来改变着土的工程性质的。土的物理性质是重要的工程性质，它影响着土的力学性质，其指标在工程计算中直接被运用。

1）土粒密度

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，表示如下

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。土粒密度仅说明土的固体相部分的质量与体积的比例关系。实质上是土中各种矿物密度的加权平均值。大多数造岩矿物的密度相差不大，因此土粒密度值一般在2.65～2.80g／cm³之间。土粒密度是实测指标，可在实验室内直接测定。该指标除间接说明矿物成分特征外，主要用来计算其他指标，它的测量精度将影响到导出指标值的准确性。

2）土的密度

土的密度是指土的总质量与总体积之比，也即为土的单位体积的质量。总体积包括土粒的体积Vs和土粒间孔隙的体积V_v，土的总质量包括土粒的质量m_s和水的质量m_w，空气的质量往往忽略不计。按孔隙中充水程度的不同，可分为天然密度、干密度、饱和密度三类。

（1）天然密度

天然状态下土的密度称为天然密度，以下式表示

所谓天然状态有两个方面的含义：其一是保持土的原始结构，也就是颗粒排列的相对位置未经扰动；其二是保持原有的水分。它综合反映了土的物质组成和结构特征，一定粒度成分的土，当结构较密实时，单位体积土中固体相质量较多，土的密度就较大；当土的结构较疏松时，其值较小。在结构相同的情况下，土的天然密度值随孔隙中水分含量的增减而增减。

土的密度表征了三相间的体积和质量的比例关系，因此其数值小于土粒密度。常见值在1.6～2.2g／cm³之间。砂土一般是1.4g／cm³左右，粉土及粉质黏土为1.6～1.8g／cm³，黏土为1.8～2.0g／cm³。土的密度可在室内及现场直接测定，用来计算其他指标，是土力学中不可缺少的计算参数。

（2）干密度

土的孔隙中完全没有水时的密度称为土的干密度，是指单位体积干土的质量，即固体颗粒的质量与土的总体积之比值，以下式表示

必须注意土粒密度与土的干密度的区别：前者是土粒的单位体积质量，后者是单位体积干土（包括孔隙体积）的质量。故土的干密度取决于单位体积土中土粒所占的比值及矿物成分的密度，它表征土粒排列的密实程度，土愈密实，土粒愈多，孔隙体积就愈小，干密度则愈大；土愈疏松，土粒愈少，孔隙体积愈大，干密度将愈小。故干密度反映了土的孔隙性，因而可用于计算土的孔隙率。土的干密度往往通过土的密度及含水率计算得来，但也可以实测。土的干密度一般在1.4～1.7g／cm³范围内。在填土工程中（如堤、坝、路基）常用干密度作为填土压密程度的质量要求指标。

（3）饱和密度

土的孔隙完全被水充满时的密度称为饱和密度，亦即土的孔隙中全部充满液态水时的单位体积的质量，可用下式表示

3）土的含水性

土的含水性是指土中含水情况，说明土的干湿程度。可用土中含水质量来表示，也可用水充填孔隙的程度来表示。

（1）含水率

土中所含的水分的质量与固体颗粒质量之比，一般用百分率表示，即

由式（2－7）可见，含水率仅是土中固体相与液体相之间在质量上的比例关系，而不能提供有关土中水的性质的概念。土的含水率也可用土的密度与土的干密度计算得到，即

天然状态下土的含水率称为土的天然含水率，对结构相同的土而言，天然含水率越大，表明土中水分越多。土的含水率是土的物理状态重要的指标，它决定着土（尤其是黏性土）的力学性质。天然含水率是实测指标，是计算干密度、孔隙率、饱和度的主要数据，又是工程设计直接应用的一个重要参数。

土的天然含水率由于土层所处自然条件（如水的补给条件，气候条件、离地下水面的距离等）及土层孔隙发育的程度不同，其数值差别很大。近代沉积的三角洲软黏土或湖相黏土结构疏松，天然含水率可达50%～200%；全新世前的黏土，由于经过较长时间的压密，其孔隙体积小，即使全部被水充满，天然含水率也可能小于20%。干旱气候地区，土的含水率更小，可能小于10%。一般砂土天然含水率都不超过40%，以10%～30%最为常见；一般黏性土大多在10%～80%之间，常见值为20%～50%。

土的孔隙全部被普通液态水充满时的含水率称为饱和含水率。

（2）饱和度

含水率仅表明土的孔隙中含水的绝对数量，而饱和含水率则可说明土中孔隙全部为水充填时的含水数量。它们均不能表示土中水的相对含量，也就是土中孔隙被水充满的程度。土的饱和度S_r说明孔隙中水的充填程度，即土中水的体积与孔隙体积的百分比值

或天然含水率与饱和含水率之比

饱和度愈大，表明土孔隙中充水愈多，它在0%～100%之间：当土处于干燥状态时，饱和度等于零；当土的孔隙全部为水充填时，饱和度等于100%。

在工程实践中常用此项指标说明孔隙的充水程度。可按饱和度的大小划分其饱水程度

4）土的孔隙性

（1）土的孔隙比e

土的孔隙比是土中孔隙体积与土粒体积之比，即

孔隙比用小数表示。它是一个重要的物理性指标，可以用来评价粉土层的密实程度。

（2）土的孔隙率n

土的孔隙率是土中孔隙所占体积与总体积之比，以百分数表示，即

孔隙率和孔隙比都说明土中孔隙体积的相对数值。孔隙率直接说明土中孔隙体积占土体积的百分比值，概念非常清楚。因地基土层在荷载作用下产生压缩变形时，孔隙体积和土体总体积都将变小，显然，孔隙率不能反映孔隙体积在荷载作用前后的变化情况。一般情况下，土粒体积可看作不变值，故孔隙比就能反映土体积变化前后孔隙体积的变化情况。因此，工程计算中常用孔隙比这一指标。

自然界土的孔隙率与孔隙比的数值取决于土的结构状态，故它是表征土结构特征的重要指标。数值愈大，土中孔隙体积愈大，土结构愈疏松；反之，结构愈密实。土的松密程度差别越大，土的孔隙比变化范围也越大，可由0.25～4.0，相应孔隙率由20%～80%，无黏性土虽孔隙较大，但因数量少，孔隙比相对较低，一般为0.5～0.8，孔隙率相应为33%～45%；黏性土则因孔隙数量多和大孔隙的存在，孔隙比常相对较高，一般为0.67～1.2，相应孔隙率为40%～55%，少数近代沉积的未经压实的黏性土，孔隙比甚至在4.0以上，孔隙率可大于80%。

5）无黏性土的紧密状态

无黏性土一般指碎石土和砂土，粉土属于砂土和黏性土的过渡类型，但是其物质组成、结构及物理力学性质主要接近砂土（特别是砂质粉土），故列入无黏性土的工程特征问题一并讨论。

无黏性土的紧密状态是判定其工程性质的重要指标，它综合地反映了无黏性土颗粒的岩石和矿物组成、粒度组成（级配）、颗粒形状和排列等对其工程性质的影响。一般说来，无论在静荷载或动荷载作用下，密实状态的无黏性土与其疏松状态的表现都很不一样。密实者具有较高的强度，结构稳定，压缩性小；疏松者则强度较低，稳定性差，压缩性较大。因此在岩土工程勘察与评价时，首先要对无黏性土的紧密程度作出判断。

无黏性土的紧密状态首先取决于无黏性土的受荷历史和形成环境。例如，形成年代较老或有超压密历史的，密实度较大；洪积、坡积的比冲积、冰积和海积的无黏性土密实度小。另外还与无黏性土的颗粒组成、矿物成分及颗粒形状等因素有关。组成颗粒愈粗，粒间孔隙愈大，但孔隙比愈小，愈密实。而组成颗粒愈细的，则孔隙比愈大，愈疏松，而且在天然状态下含水相应增多，排水慢，在外荷作用下有效应力减小，稳定性差。组成颗粒愈均匀，粒间不易相互填充，密实度相对较小；组成颗粒不均匀、系数愈大，则密实度愈大。

无黏性土的紧密状态，不仅是从定量方面判定其工程性质的重要标志，而且在实质上综合反映了无黏性土的矿物组成、粒度组成（颗粒粗细及其均匀性）及颗粒形状等内在因素对其工程性质的影响。

（1）天然孔隙比e

我国原《建筑地基基础设计规范》（GBJ　7—1989）根据北京、江苏、黑龙江、山东等地砂土的实际资料统计，认为砂土的承载力不论其颗粒组成的粗细，均随着天然孔隙比e的减小而显著地增大。因此，曾采用天然孔隙比作为砂土紧密状态的分类指标。但是，采用天然孔隙比判定砂土的紧密状态，必须采取原状砂试样，这在岩土工程勘察中是比较困难的问题，特别是，要在位于地下水位以下的砂层采取原状砂试样更加困难。因此，在新版《建筑地基基础设计规范》（GB　50007—2011）版本中没有列出这个标准。

但直接采用天然孔隙比作为粉土紧密状态的分类指标，还是可行的。在2002年3月开始实施的《岩土工程勘察规范》（GB50021—2001）中，给出了具体划分标准（见表2－6）。

表2－6　按天然孔隙比e值确定粉土的密实度

（2）相对密度Dr

如上所述，直接采用天然孔隙比作为砂土紧密状态的分类指标，目前看来是不可行的。国内有些勘察单位，认为用天然孔隙比e的某些界限作为砂土紧密状态的分类指标缺乏概括性。因为砂土的密实度还与砂粒的形状、粒径级配等有关，有时疏松的级配良好的砂土的孔隙比，比紧密的颗粒均匀的砂土的孔隙比小。因此参照国内外现有资料分析，认为采用相对密度Dr，较有代表性。相对密度为

对于不同的砂土，其e_max与e_min的测定值是不同的，e_max与e_min之差（即孔隙比可能变化的范围）也是不一样的。一般粒径较均匀的砂土，其e_max与e_min之差较小；对不均匀的砂土，则较大。

从上式可知，若无黏性土的天然孔隙比e接近于e_min，即相对密度D_r接近于1，则土呈密实状态；若e接近于e_max，即相对密度D_r接近于0，则呈松散状态。

从理论上说，相对密度Dr是一个比较完善的紧密状态的指标，它综合地反映了砂土的各个有关特征（如颗粒形状、颗粒级配等），但在实际应用中仍有不少困难，因此，在工程实践中，相对密度指标的使用并不广泛。

由于无论是按天然孔隙比e还是按相对密度Dr，来评定砂土的紧密状态，都要采取原状砂试样，经过土工试验测定砂土的天然孔隙比。鉴于砂土的天然孔隙比测定所面临的实际困难，目前国内外广泛使用标准贯入或静力触探试验用于现场评定砂土的紧密状态。表2－7所示的为国家标准《岩土工程勘察规范》（GB　50021—2001）规定的按标准贯入锤击数N值划分砂土紧密状态的标准。

表2－7　按标准贯入锤击数N值确定砂土的密实度

6）黏性土的物理特征

（1）黏性土的界限含水率

黏性土随着本身含水率的变化，可以处于各种不同的物理状态，其工程性质也相应地发生很大的变化。当含水率很小时，黏性土比较坚硬，处于固体状态，具有较大的力学强度；随着土中含水率的增大，土逐渐变软，并在外力作用下可任意改变形状，即土处于可塑状态；若再继续增大土的含水率，土变得愈来愈软弱，甚至不能保持一定的形状，呈现流塑流动状态。黏性土这种因含水率变化而表现出的各种不同物理状态，称为土的稠度。黏性土能在一定的含水率范围内呈现出可塑性，这是黏性土区别于砂土和碎石土的一大特性，黏性土也因此可称为塑性土。所谓可塑性，就是指土在外力作用下，可以揉塑成任意形状而不发生裂缝，并当外力解除后仍能保持既得的形状的一种性能。

随着含水率的变化，黏性土由一种稠度状态转变为另一种状态，相应于转变点的含水率称为界限含水率，也称为稠度界限。

界限含水率是黏性土的重要特性指标，它们对于黏性土工程性质的评价及分类等有重要意义，而且各种黏性土有着各自不相同的界限含水率。

如图2－11所示，土由可塑状态转到流塑、流动状态的界限含水率称为液限wL。（也称塑性上限或流限）；土由半固态转到可塑状态的界限含水率称为塑限wP（也称塑性下限）；土由半固体状态不断蒸发水分，体积逐渐缩小，直到体积不再缩小时土的界限含水率称为缩限ws，它们都以百分数表示。

图2－11　黏性土的物理状态与含水率的关系

我国目前一般采用锥式液限仪来测定黏性土的液限，采用搓条法测定黏性土的塑限，也可以采用液塑限联合测定仪测定黏性土的液、塑限指标。具体测试方法见有关试验规程。

（2）塑性指数

塑性指数I_P是指液限和塑限的差值，用不带百分数符号的数值表示，即I_P＝w_L－w_P，它表示土处在可塑状态的含水率变化范围。显然塑性指数愈大，土处于可塑状态的含水率范围也愈大，可塑性就愈强。塑性指数的大小与土中结合水的发育程度以及含量有关，亦即与土的颗粒组成（黏粒含量）、矿物成分及土中水的离子成分和浓度等因素有关。土中黏土颗粒含量越高，则土的比表面和相应的结合水含量愈高，因而I_P愈大。当土中不含或极少（例如小于3%）含黏粒时，I_P近于零；当黏粒含量增大，但小于15%时，I_P值一般不超过10，此时土表现出粉土特征；当黏粒含量再大时，则土表现为黏性土的特征。按土粒的矿物成分，黏土矿物（其中尤以蒙脱石类）具有的结合水量最大，因而I_P值也最大。总之，土的塑性指数I_P是组成土粒的胶体活动性强弱的特征指标。

由于塑性指数在一定程度上综合反映了影响黏性土特征的各种重要因素，因此，当土的生成条件相似时，塑性指数相近的黏性土，一般表现出相似的物理力学性质。所以常用塑性指数作为黏性土分类的标准。

（3）液性指数

液性指数I_L是指黏性土的天然含水率和塑限的差值与塑性指数之比，用小数表示，即

从式（2－15）可见，当土的天然含水率w小于w_P时，I_L小于0，天然土处于坚硬状态，当w大于w_L时，I_L大于1，天然土处于流动状态；当w在w_P与w_L之间时，I_L在0～1之间，则天然土处于可塑状态。因此可以利用液性指数I_L来表征黏性土所处的软硬状态。I_L值愈大，土质愈软；反之，土质愈硬。黏性土的状态，可根据液性指数值划分为坚硬、硬塑、可塑、软塑及流塑五种，其划分标准如表2－8所示。

表2－8　黏性土的状态

7）土的崩解性

黏性土在静水作用下，发生崩散解体的现象称为崩解性。这是土水化使颗粒间连接减弱及部分胶结物溶解引起的崩解，是表征土的抗水性的指标。评价黏性土崩解性的指标和方法如下。

①崩解时间。土试样在静水中完全崩解所需时间。

②崩解特征。由于土的成分、结构不同，其崩解的特征也不一样，如有的土试样遇水立即分散成无定形状；有的逐渐剥离出薄片状或鳞片状土屑；有的分离成锥形微结构聚集体等。

土崩解性的主要影响因素是物质成分（矿物成分、粒度成分及交换阳离子成分）、结构特征（主要是结构联结）、含水率及与之作用的水溶液的成分及浓度。具体来说，从成分到结构方面，如果土具有大孔隙、透水性好、结构联结弱，崩解速度必然大，抗水性弱；相反孔隙小、透水性差、结构联结强，致密的土抗水性就强，崩解速度小。

土在膨胀过程中，如土粒间的距离超过了引力的作用范围，土就会由整体状态发生崩解，变成小块、碎块。黏土岩、黏性土在水环境中或含水率显著变化时，起胶结作用的物质易产生溶解，固化内聚力受到破坏，结构受到破坏，也会产生崩解。土的崩解与土中的矿物成分、土粒粒度及分散性，黏粒含量，水—土系统的胶体特性，土的微观结构及胶结状况，土的孔隙比、透水性，土的天然含水率等都有关系。试验表明：每种黏性土都有一个极限含水率，土的天然含水率小于该极限含水率时，遇水容易崩解，否则，不出现崩解现象。黄土在水中具有较快的崩解速度，因其黏粒含量少，结构联结作用差，固化内聚力所占比例大。如果黄土经过处理，加强固化内聚力，则遇水后就不再崩解。

2.3.3　土的力学性质

建筑物的建造使地基土中原有的应力状态发生变化，从而引起地基变形，出现基础沉降；当建筑荷载过大时，地基会发生大的塑性变形，甚至失稳。而决定地基变形以至失稳危险性的主要因素除上部荷载的性质、大小、分布面积与形状及时间因素等条件外，还在于地基土的力学性质，它主要包括土的变形和强度特性。

由于建筑物荷载差异和地基不均匀等，基础各部分的沉降或多或少是不均匀的，上部结构之中相应地也会产生额外的应力和变形。基础不均匀沉降超过了一定的限度，将导致建筑物的开裂、歪斜甚至破坏，例如，砖墙出现裂缝、吊车出现卡轨或滑轨、高耸构筑物的倾斜、机器转轴的偏斜以及与建筑物连接管道的断裂等。因此，研究地基变形和强度问题，对于保证建筑物的正常使用具有很大的实际意义。

对于土的变形和强度性质，必须从土的应力与应变的基本关系出发来研究。根据土试样的单轴压缩试验资料，土的变形具有明显的非线性特征。然而，考虑到一般建筑物在荷载作用下其地基应力的变化范围不很大，如果用一条割线来近似地代替相应的曲线段，其误差可能不超过实用的允许范围。这样，就可以把土看成是一种线性变形体。而土的强度峰值则是按其应变不超过某个界限的相应应力值确定的。

天然地基一般由成层土组成，还可能具有尖灭和透镜体等交错层理的构造，即使是同一厚层土，其变形和强度性质也随深度增加而变化。因此，地基土的非均质性是很显著的。但目前在一般工程中计算地基变形和强度的方法，都还是先把地基土看成是均质体，再利用某些假设条件，最后结合建筑经验加以修正的。

1）土的压缩性

土在压力作用下体积缩小的特性称为土的压缩性。试验研究表明，在一般压力100～600kPa作用下，土粒和水的压缩与土的总压缩量之比是很微小的，以致完全可以忽略不计，所以可把土的压缩看作土中孔隙体积的减小。此时，土粒调整位置，重新排列，互相挤紧。饱和土压缩时，随着孔隙体积的减小，其土中的孔隙水则被排出。

在荷载作用下，透水性大的饱和无黏性土，其压缩过程在短时间内就可以结束。然而，黏性土的透水性低，饱和黏性土中的水分只能慢慢排出，因此其压缩稳定所需的时间要比砂土的长得多。土的压缩随时间的增加而增长的过程，称为土的固结。饱和软黏性土的固结变形往往需要几年甚至几十年时间才能完成，因此必须考虑变形与时间的关系，以便控制施工加荷速率，确定建筑物的使用安全措施。有时地基各点由于土质不同或荷载差异，还需考虑地基沉降过程中某一时间的沉降差异。所以，对于饱和软黏性土而言，土的固结问题是十分重要的。

计算地基沉降量时，必须取得土的压缩性指标，无论用室内试验还是用原位试验来测定它，都应该力求试验条件与土的天然状态及其在外荷作用下的实际应力条件相适应。在一般工程中，常用不允许土试样产生侧向变形（完全侧限条件）的室内压缩试验来测定土的压缩性指标，其试验条件虽未能完全符合土的实际工作情况，但有其实用价值。

（1）室内压缩试验

图2－12　固结试验容器与试样受力状态

（a）固结试验容器；（b）试样单元体的受力状态

1—加压盖；2—透水板；3—护环；4—试样

室内压缩试验用金属环刀切取保持天然结构的原状土试样，并置于圆筒形压缩容器（见图2－12）的刚性护环内，土试样上下各垫有一块透水石，土试样受压后土中水可以自由排出。由于金属环刀和刚性护环的限制，土试样在压力作用下只可能发生竖向压缩，而无侧向变形。土试样在天然状态或经人工饱和后，进行逐级加压固结，即可测定各级压力P作用下土试样压缩稳定后的孔隙比变化。这样得出的土的孔隙比e与相应压力P的关系曲线，即土的压缩曲线。

压缩曲线按工程需要及试验条件，可用两种方式绘制，一种是采用普通直角坐标绘制的e～P曲线，如图2－13（a）所示。在常规试验中，一般按P＝0.05、0.1、0.2、0.3、0.4MPa五级加荷；另一种是横坐标取P的常用对数值，即采用半对数直角坐标绘制成e～lgP曲线，如图2－13（b）所示，试验时以较小压力开始，采取小增量多级加荷，一直加到较大的荷载为止。

图2－13　土的压缩曲线

（a）e～P曲线；（b）e～lgP曲线

（2）土的压缩性指标

①压缩系数：压缩性不同的土，其e～P曲线的形状是不一样的。曲线愈陡，说明随着压力的增加，土孔隙比的减小愈显著，因而土的压缩性愈高。设压力由P₁增加至P₂，相应的孔隙比由e₁减小到e₂，当压力变化范围不大时，可将该压力范围的曲线用直线来代替，并用直线的斜率a表示土在这一段压力范围内的压缩性，称a为压缩系数〔见图2－14（a）〕。

因为压缩系数与所受的荷载大小有关，为了方便起见，工程上一般采用压力间隔P₁＝100kPa至P₂＝200kPa时对应的压缩系数a_1－2评价土的压缩性。

a_1－2＜0.1　　　　低压缩性

0.1≤a_1－2＜0.5　 中压缩性

a_1－2≥0.5　　　　高压缩性

②压缩指数：土的e～P曲线改绘成半对数压缩曲线e～lgP曲线时，它的后段接近直线〔见图2－14（b）〕，其斜率C_c为

同压缩系数a一样，压缩指数C_c值越大，土的压缩性越高。C_c值小于0.2一般为低压缩性土；C_c值大于0.4一般属于高压缩性土。采用e～lgP曲线可分析研究应力历史对土的压缩性的影响，这对重要建筑物的沉降计算具有现实意义。

图2－14　由压缩曲线确定压缩指标

③压缩模量：根据e～P曲线，可以求得另一个压缩性指标——压缩模量E_s。它的定义是土在完全侧限条件下竖向附加压应力与相应的应变增量之比值。土的压缩模量E_s为

土的压缩模量E_s是以另一种方式表示土的压缩性指标，它与压缩系数a成反比，即E_s越小土的压缩性越高。为了便于比较和应用，通常采用压力间隔P₁＝100kPa和P₂＝200kPa所得的压缩模量E_s1－2。

2）土的抗剪强度

（1）土的抗剪强度指标

土的强度问题是土的力学性质的基本问题之一。在工程实践中，土的强度问题涉及地基承载力、路堤、土坝的边坡和天然土坡的稳定性以及土作为工程结构物的环境时，作用于结构物上的土压力等问题。土体在通常应力状态下的破坏，表现为塑性破坏，或称剪切破坏。即在土的自重或外荷载作用下，在土体中某一个曲面上产生的剪应力值达到了土对剪切破坏的极限抗力，这个极限抗力称为土的抗剪强度。于是土体沿着该曲面发生相对滑移，土体失稳。所以，土的强度问题实质上是土的抗剪强度问题。

测定土抗剪强度最简单的方法是直接剪切试验。图2－15为直接剪切仪示意图，该仪器的主要部分由固定的上盒和活动的下盒组成，试样放在盒内上下两块透水石之间。试验时，先通过压板加法向力P，然后在下盒施加水平力T，使它发生水平位移而使试样沿上下盒之间的水平面上受剪切直至破坏。

图2－15　应变控制式直剪仪

1—剪切传动机构；2—推动器；3—下盒；4—垂直加压框架；5—垂直位移计；6—传压板；7—透水板；8—上盒；9—储水盒；10—测力计；11—水平位移计；12—滚珠；13—试样

设在一定法向力P作用下，土试样到达剪切破坏的水平作用力为T，若试样的水平截面积为F，则

试验时，通常用四个相同的试样，使它们分别在不同的正压应力P作用下剪切破坏，得出相应的抗剪强度τ₁、τ₂、τ₃、τ₄将试验结果绘成如图2－16所示的抗剪强度与正压应力关系曲线。无黏性土的试验结果表明，它是一条与横坐标成φ角的直线，因此，抗剪强度与正压应力之间的关系可用直线方程表示，即

上式表明，土的抗剪强度由两部分组成，即摩擦强度σtanφ和黏聚强度c。通常认为，无黏性土颗粒间黏聚强度c＝0。

摩擦强度决定于剪切面上的垂直应力P和土的内摩擦角φ。无黏性土的内摩擦由两个部分组成：一是颗粒之间滑动时产生的滑动摩擦；二是颗粒之间镶嵌而产生的咬合摩擦。滑动摩擦是由于颗粒之间接触面粗糙不平所引起的，与颗粒形状、矿物组成、级配等因素有关；咬合摩擦是指相邻颗粒对于相对移动的阻碍作用。当土体内沿某一剪切面产生剪切破坏时，相互咬合着的颗粒必须从原来的位置被抬起或者在尖角处被剪断，然后才能移动。总之，要破坏原来的咬合状态，一般表现为体积胀大，即所谓“剪胀”现象，才能达到剪切破坏。剪胀需要消耗部分能量，这部分能量需要由剪切力做功来补偿，即表现内摩擦角φ的增大。土越密实、磨圆度越差，咬合作用越强，则内摩擦角越大。

图2－16　土的抗剪强度与垂直压力的关系

黏性土的颗粒细小，颗粒表面存在着结合水膜，颗粒间可以通过结合水膜而间接接触，所以它的摩擦强度要比无黏性土复杂，实质上是结合水的黏滞阻力。黏性土的抗剪强度主要与黏聚强度有关。

黏性土的黏聚强度c取决于颗粒间的各种物理化学作用力，包括库仑力（静电力）、范德华力、胶结作用力（如土中的游离氯化物、铁盐、碳酸盐和有机质等）等。

在一定条件下得出的黏聚力c和内摩擦角φ一般能反映土的抗剪强度大小，故称c和φ为土的抗剪强度指标。

（2）土的抗剪强度影响因素

土的抗剪强度影响因素，主要由摩擦强度、黏聚强度（土体本身颗粒大小、颗粒矿物成分、形状、级配）的特性和受力条件（受力性质、大小、加荷速度）等决定。简要论述如下。

①矿物成分和粒度成分：对于黏性土，随着黏粒含量增加，黏聚强度增大，但内摩擦角则较小。某些饱和软黏土的内摩擦角接近于零。亲水性矿物形成较厚的结合水膜，内摩擦角较小。有机质含量越多，土的内摩擦角越小。盐分的胶结对土的强度影响很大，但被破坏或溶解后，土的强度急剧降低。土的塑性指数可综合说明粒度成分和矿物成分的影响，I_P值越大，c值越大，而φ值越小。

无黏性土的颗粒越粗，表面越粗糙，则摩擦强度越大，φ值越大。不同的矿物颗粒形状对摩擦强度也有影响，如片状云母的φ值小于棱角状石英的φ值。级配良好砂土比颗粒均匀砂土的φ值要大些。

②天然含水率：随着天然含水率或液性指数的增大，黏性土的连接减弱，黏聚强度降低。含水率对无黏性土也有一定影响，纯净的干砂土比饱和状态的砂土内摩擦角大1°～2°。少量毛细水使砂土具有微弱的毛细水连接，而具有一定的黏聚强度，但其值很小，饱水和干燥时这种强度消失。

③土的密实度：随着密实度增大，即孔隙比减小，土颗粒的接触点增加，这时土的强度较高。无黏性土的密实度增大，则φ值增大。在剪切过程中，密砂土变松，松砂土变密。密实度越大，峰值强度越高。松砂土的残余强度和峰值强度一致，其φ值相当于密砂土残余强度的内摩擦角φr。

④土的结构特征：土的各向异性主要表现在沉积过程中颗粒的水平定向排列和固结过程中各方向所受的固结压力不同而引起的综合影响。

均质土的各向异性对低塑性土的不排水剪强度影响很大，故在取土试样进行室内试验时，应尽量使施加给试样的固结压力与实际地基的受力情况相符。对于高塑性黏土，各向异性的影响很小，可不予考虑。

非均质黏性土，如水平层状的黏性土，沿水平向的强度小于沿垂直向的强度。具有裂隙的硬黏土或黏性土中含有软弱夹层时都有明显的各向异性。特别是裂隙硬黏土的裂隙方向与剪切面的交角、裂隙面的粗糙程度和连续性等因素都对抗剪强度有很大影响。

⑤受力条件的影响：土的抗剪强度与受力条件的关系很密切。直接剪切试验或三轴压缩试验所得的结果有很大差异，所以必须根据工程实际和土的条件，具体决定抗剪强度指标的测定方法。

天然超固结土，因历史上经受过比目前更大的固结压力作用，使土的密实度增大，故比正常固结土的抗剪强度要高。干砂土的抗剪强度与剪切速率无关。对于饱水粉砂土，当剪切速率很高时，松砂土变密，体积变小，孔隙水压力骤增，孔隙水从剪切区排出，有效压力减小，抗剪强度降低，常导致砂土液化，地基失稳。当剪切速率很低时，孔隙水压力缓慢消失，对饱水粉砂土的强度无显著影响。

⑥动荷载的影响：土在不同垂直压力作用下和受相同振动情况的动荷载条件下进行剪切时，抗剪强度τ，与垂直应力P具有直线关系，仍然符合库仑定律。但是，相同的土在动荷载作用下的抗剪强度比在静荷载作用下要低，其中φ值减小明显。砂土抗剪强度受震动影响最大，尤其是饱和粉细砂土。一般黏性土的抗剪强度受震动的影响较砂土要小些，但对灵敏度较高的软黏土或淤泥，影响较显著。

一般情况下，振动强度较大时，土的抗剪强度降低明显；振动强度较小时，反应并不明显，只有超过一定振动强度后，土的抗剪强度的降低才逐渐明显。这是因为土具有一定的黏聚强度和摩擦强度，只有当振动强度超过此强度值时，土的某些结构遭到破坏，土的强度才会明显降低。

对于饱水的某些砂土或黏性土，在一定的条件下，受动荷载作用会使土的抗剪强度剧烈降低而出现振动液化或触变现象。

当饱水砂土受到强烈振动时，土有振密的趋势，这时孔隙水压力上升而来不及消散，土中有效压力减小或完全消失，土的抗剪强度剧烈降低或接近于零。土粒在失重的状态下悬浮在水中，成为流动状态，这种现象称为振动液化。随后，孔隙水压力逐渐消失，土粒移动到较稳定的位置，土变得较紧密。振动液化破坏了地基和边坡的稳定，使建筑物遭到突然损坏。

某些饱水的黏性土，在搅拌或振动等强烈扰动下，土的强度也会剧烈降低，甚至液化变成悬液而流动，但当外力停止后，随着时间的增长，土的强度逐渐得以恢复。这种由外力的触动而使黏性土突然液化变为悬液的现象称为触变。与振动液化一样，触变的产生可能使建于其上的建筑物突然下陷，边坡流动滑塌。

黏性土触变与砂土振动液化，都是振动作用下抗剪强度降低的结果。但两者本质却不同，砂土振动液化是由于孔隙水压力的升高使有效压力减小的结果；而黏性土触变是土中胶溶作用形成的。砂土液化后往往伴随密实度增大，强度较液化前更高；而黏性土触变后强度最多恢复到原来的状况，土的密度没有变化。

总之，动荷载使土的抗剪强度降低，产生附加的变形，甚至导致液化和触变现象的发生。

3）土的击实性

（1）研究土的压实性的实际意义

土工建筑物，如土坝、土堤及道路填方是用土作为建筑材料而建成的。为了保证填料有足够的强度，较小的压缩性和透水性，在施工时常常需要压实，以提高填土的密实度和均匀性。

研究土的填筑特性常用现场填筑试验和室内击实试验两种方法。前者是在现场选一处试验地段，按设计要求和施工方法进行碾压，同时进行有关测试工作，以查明填筑条件和填筑效果的关系。

室内击实试验是近似地模拟现场填筑情况，是一种半经验性的试验。用锤击方法将土击实，以研究土在不同击实功能下土的击实特性，以便取得有参考价值的设计数值。

（2）土的击实性及其本质

土的击实是指用重复性的冲击动荷载将土压密。研究土击实性的目的在于揭示击实作用下土的干密度、含水率和击实功三者之间的关系和基本规律，从而选定工程适宜的击实功。

击实试验是把某一含水率的土料填入击实筒内，用击锤按规定落距对土打击一定的次数，即用一定的击实功击实土，测其含水率和干密度的关系曲线，即为击实曲线（见图2－17）。

在击实曲线上可找到某一峰值，称为最大干密度ρmax，与之相对应的含水率，称为最优含水率wop。它表示在一定击实功作用下，达到最大干密度的含水率。即：当击实土料为最优含水率时，压实效果最好。

图2－17　土的击实曲线

黏性土的最优含水率一般在塑限附近，约为液限的0.55～0.65倍。在最优含水率时，土粒周围的结合水膜厚度适中，土粒连结较弱，又不存在多余的水分，故易于击实，使土粒靠拢而排列的最密实。

无黏性土情况有些不同。无黏性土的压实性也与含水量有关，不过不存在着一个最优含水率。一般在完全干燥或者充分洒水饱和的情况下容易压实到较大的干密度。潮湿状态，由于具有微弱的毛细水连接，土粒间移动所受阻力较大，不易被挤紧压实，干密度不大。

无黏性土的压实标准，一般用相对密度Dr。一般要求砂土压实至Dr＞0.67，即达到密实状态。

（3）影响土的击实性的主要因素

影响土压实性的因素除含水量的影响外，还与击实功能、土质情况、所处状态、击实条件以及土的种类和级配等有关。

①压实功能的影响。压实功能是指压实每单位体积土所消耗的能量，击实试验中的压实功能用式（2－21）表示

土的最大干密度和最优含水率不是常量。ρ_max随击数的增加而逐渐增大，而w_op则随击数的增加而逐渐减小。当含水量较低时，击数的影响较明显；当含水量较高时，含水量与干密度关系曲线趋近于饱和线，也就是说，这时提高击实功能是无效的。

②试验证明，最优含水量w_op约与w_p相近，大约为w_op＝w_p＋2。填土中所含的细粒越多，则最优含水率越大，最大干密度越小。

③有机质对土的击实效果有不利的影响。因为有机质亲水性强，不易将土击实到较大的干密度，且能使土质恶化。

④在同类土中，土的颗粒级配对土的压实效果影响很大，颗粒级配不均匀的容易压实，均匀的不易压实。这是因为级配均匀的土中较粗颗粒形成的孔隙很少有细颗粒去充填。