土的工程性质

在设计和建造各种工程建筑物时所必须掌握的天然土体或填筑土料的工程特性

土的工程性质是在设计和建造各种工程建筑物时所必须掌握的天然土体或填筑土料的工程特性。

基本介绍

不同类别的工程，对土的物理和力学性质的研究重点和深度都各自不同。对沉降限制严格的建筑物，需要详细掌握土和土层的压缩固结特性；天然斜坡或人工边坡工程，需要有可靠的土抗剪强度指标；土作为填筑材料时，其粒径级配和压密击实性质是主要参数。土的形成年代和成因对土的工程性质有很大影响，不同成因类型的土，其力学性质会有很大差别（见土和土体）。各种特殊土（黄土、软土、膨胀土、多年冻土、盐渍土和红粘土等）又各有其独特的工程性质。

除土的粒径级配外，土中各个组成部分（固相、液相、气相）之间的比例，将影响到土的物理性质，如单位体积重，含水量，孔隙比，饱和度和孔隙度等。

粘性土中含水量的变化，还能使土的状态发生改变，阿太堡最早提出将土的状态分为坚硬、可塑和流动三种，并提出了测定区分三种状态的界限含水量的方法。从流动转到可塑状态的界限含水量称液性界限；从可塑转到坚硬状态时的界限含水量称塑性界限。两者之间的差值称土的塑性指数，它反映了土的可塑状态的范围。土的界限含水量和土中粘粒含量、粘土矿物的种类有密切关系。为反映天然粘性土的状态,常用液性指数,它等于天然含水量和塑性界限的差值（-）与其塑性指数的比值。≤0时，土处于坚硬状态；＞1时，为流动状态，0≤≤1时，为可塑状态。

砂土的密实状态是决定砂土力学性质的重要因素之一，用相对密度表示:=(－)/(－)。为天然状态时孔隙比,为砂土最松状态时的孔隙比，则为最密状态时的孔隙比。≈1时,最密实；≈0时，最松散。

土的压缩和固结性质　土在荷载作用下其体积将发生压缩，测定土的压缩特性可分析工程建筑物的地基沉降和土体变形。饱和粘土的压缩时间决定于土中孔隙水排出的快慢。逐渐完成土压缩的过程，即土中孔隙水受压而排出土体之外，同时导致孔隙压力消失的过程称土的固结或渗压。K.泰尔扎吉最早提出计算土固结过程的一维固结理论，并指出某些粘土中超静孔隙水压力完全消失后，土还可能继续压缩，称次固结。产生次固结的原因一般认为是土的结构变形。反映土固结快慢的指标是固结系数，土层的水平向固结系数和垂直向的不一定相同。土的压缩量还和它的应力历史有关。土层在其堆积历史上曾受过的最大有效固结压力称先期固结压力。它与现今作用的有效覆盖压力相同时，土层为正常固结土；若先期固结压力大于现今的覆盖压力，则为超固结土；反之则为欠固结土。对于超固结土，外加荷载小于其先期固结压力时，土层的压缩很微小，外加荷载一旦超过先期固结压力，土的变形将显著增大。

土的强度性质　通常指土体抵抗剪切破坏的能力，它是土基承载力、土压和边坡稳定计算中的重要指标之一。它和土的类型、密度、含水量和受力条件等因素有关。饱和或干砂或砂砾的强度表现为颗粒接触面上的摩阻力，它与作用在接触面的上法向有效应力 σ和砂的内摩擦角有关，即=σtg。纯粘性土的不排水抗剪强度仅表现为内聚力，而与法向应力无关，即=。一般土则既有内聚力又有摩阻力，即=+σtg。式中的和不是常量而是变量，不仅决定于土的基本状态，还和外加荷载速率、外加荷载条件、应力路线等有关。饱和土中的孔隙为水充满，受外加荷载作用时，控制土体强度的不是其所受的总应力σ，而是有效应力σ′(即总应力与孔隙压力μ之差)：σ′=σ－μ。因而强度试验的条件不同，所得的强度指标亦异。试验时，不允许土样排水所得到的是土的总强度指标；如允许完全排水则得到的是土的有效强度指标。理论上用有效应力和有效强度指标进行工程计算较为合适，但正确判别实际工程土体中的孔隙水压水较困难，因而目前生产上仍多用总强度原理和总强度指标。土体的强度还因其沉积条件的影响而存在各向异性。

土的流变性质

土工建筑物的变形和稳定是时间的函数。有些人工边坡在建成后数年甚至数十年才发生坍滑，挡土墙后的土压力也会随时间而增大等，都与土的流变性质有关。土的流变特性主要表现为：①常荷载下变形随时间而逐渐增长的蠕变特性；②应变一定时，应力随时间而逐渐减小的应力松弛现象；③强度随时间而逐渐降低的现象，即长期强度问题。三者是互相联系的。作用在土体上的荷载超过某一限值时，土体的变形速率将从等速转变至加速而导致蠕变破坏,作用应力愈大,变形速率愈大，达到破坏的时间愈短。通过试验可确定变形速率与达到破坏的时间的经验关系，并用以预估滑坡的破坏时间。产生蠕变破坏的限界荷载小于常规试验时土的破坏强度。从长期稳定性要求，采用的土体强度应小于室内试验值。土体强度随时间而降低的原因，当然不只限于蠕变的影响。土的蠕变变形因修建挡土墙或其他建筑物而被阻止时，作用在建筑物上的土压力就随时间逐渐增大。

土的压实性质

对土进行人工压实可提高强度、降低压缩性和渗透性。土的压实程度与压实功能、压实方法和含水量有关。当压实方法和功能不变时，土的干容重随含水量的增加而增加，达到最大值后，再增加含水量，其干容重将逐渐下降。对应于最大干容重时的含水量称最佳含水量。压实功能不增大而仅增加压实次数或碾压次数所能提高土的压实度有一定限度，超过该限度再增加压实或碾压次数则无效果。填筑土堤，在最佳含水量附近可用最小的功能达到最大的干容重，因而要在室内通过压实试验确定填料的最佳含水量和最大干容重(见路基填土压实)。但压实的方法也影响压实效果，对非粘性土,振动捣实的效果优于碾压;对粘土则反之。研究土的压实性能，可选择最合适的压实机具。为改善土的压实性能，可铺撒少量添加剂。中国古代已盛行掺加生石灰来改善土的压实性能。此外，人工控制填料的级配，也可达到改善压实性能的目的。

土的应力

应变关系　土的变形和强度是土的最重要的工程性质。60年代以前，在工程上通常分别确定土的变形和强度指标，不考虑强度与变形间的相互影响。因为土的应力-应变关系是非线性的并具有弹塑性、甚至粘弹塑性特征，而当时的计算技术，尚无法进行分析。随着计算机和数值分析法的普及,已可能把土的应力-应变关系纳入土工建筑物的分析计算中。正常固结粘土和松砂的剪应力和轴向应变的曲线呈双曲线型，在整个剪切过程中，土的体积发生收缩，这类土具有应变硬化的特性。超固结粘土和密实砂的应力-应变曲线则有峰值，其后应变再增大时,则土的强度下降,最后达稳定值。剪切过程中,土的体积先有轻微压缩,随后即不断膨胀，这类土具有应变软化的特征。为了使用数学方程描述各类土的应力-应变特性,现已有各种非线性弹性、弹塑性和粘弹塑性模型。利用这些模型和数值分析法，可以分析一些复杂边界条件和不均质土体的变形和稳定问题。但是这些模型中所对应的土的参数,目前尚难正确测定,土体的原始应力状态也难确定，因而还难于在工程中普遍应用。

土的动力性质

土在岩爆、动力基础或地震等动力作用下的变形和强度特性与静荷载下有明显不同。土的动力性质主要指模量、阻尼、振动压密、动强度等，它与应变幅度的大小有关。应变幅度增大(＜10)，土的动剪切模量减小，而阻尼比例则增大。土的动模量和阻尼是动力机器基础和抗震设计的重要参数，可在室内或现场测试。1964年日本新潟大地震，大面积砂土液化造成大量建筑物的破坏，推动了对饱和砂土液化特性的研究。液化的主要机理是土的有效强度在动荷载作用下瞬时消失，导致土体结构失稳。一般松的粉细砂最容易发生液化，但砂的结构和地层的应力历史也有一定的影响。具有内聚力的粘性土一般不发生液化现象。

工程性质

黄土的工程性质　一般分为新黄土和老黄土两大类，其性质也有显著差异（见黄土地区筑路、路基设计）。

软土的工程性质　软土一般指压缩性大和强度低的饱和粘性土，多分布在江、河、海洋沿岸、内陆湖、塘、盆地和多雨的山间洼地。软土的孔隙比一般大于1.0,天然含水量常高出其液限，不排水抗剪强度很低，压缩性很高，因而常需加固处理。最简单的方法是预压加固法（见预压法）。软土强度的增加有赖于孔隙压力的消失，因而在地基中设置砂井以加快软土中水的排出，这是最常用的加固方法之一。预压加固过程中通过观测地基中孔隙水压力的消失来控制加压，这是保证施工安全和效率的有效方法。此外，也可用碎石桩（见振冲法）和生石灰桩等加固软土地基。

膨胀土的工程性质　粘土中的粘土矿物（主要是蒙脱石），当遇水或失水时，将发生膨胀或收缩，引起整个土体的大量胀缩变形，给建筑物带来损害（见膨胀土地基）。

多年冻土的工程性质　高纬度或高海拔地区，气温寒冷，土中水分全年处于冻结状态且延续三年以上不融化冻土称多年冻土。冻土地带表层土随季节气温变化有冻融交替的变化，季节冻融层的下限即为多年冻土的上限，上限的变化对建筑物的变形和稳定有重大影响（见冻土地基、多年冻土地区筑路）。

盐渍土的工程性质　见盐渍土地区筑路。

红粘土的工程性质　热带和亚热带温湿气候条件下由石灰岩、白云石、玄武岩等类岩石风化形成的残积粘性土。粘土矿物主要是高岭石，其活动性低。中国红粘土的特点一般是天然含水量高、孔隙比大，液限和塑性指数高，但抗水性强,压缩性较低,抗剪强度也较高，可用作土坝填料。

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