土的物理力学性质.doc

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ms与其体积Vs之比；即土粒的单位体积质量：
g/cm3
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/cm3左右
粉质砂土的土粒密度一般为：2.68g/cm3
粉质粘土的土粒密度一般为：2.68~2.72g/cm3
粘土的土粒密度一般为：2.7-~2.75g/cm3
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=ms+mw
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：
g/cm3
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。
g/cm3
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
在工程上常把干密度作为评定土体紧密程度的标准，以控制填土工程的施工质量。
3．饱和密度（saturatio density）
土的孔隙完全被水充满时的密度称为饱和密度。即，土的孔隙中全部充满液态水时的单位体积质量，可用下式表示：
g/cm3
式中： ：水的密度（工程计算中可取1 g/cm3）
土的饱和密度的常见值为1.8~2.30 g/cm3
此外：
（1）浮密度
土的浮密度是土单位体积中土粒质量与同体积水的质量之差，即
ρ’=(ms-vsρw)/V或
由此可见：同一种土在体积不变的条件下，它的各种密度在数值上有如下关系：

（2）容重：单位体积的重量
（三）土的含水性
土的含水性指土中含水情况，说明土的干湿程度。
1．含水率（含水量）
土的含水量定义为土中水的质量与土粒质量之比，以百分数表示，即
土的含水率也可用土的密度与干密度计算得到：

室内测定：一般用“洪干法”，先称小块原状土样的湿土质量，然后置于烘箱内维持100~105摄氏度烘至恒重，再称干土质量，湿、干土质量之差与干土质量的比值就是土的含水量。
天然状态下土的含水率称土的天然含水率。一般砂土天然含水率都不超过40%，以10~30%最为常见；一般粘土大多在10~80%之间，常见值20~50%。
土的孔隙全部被普通液态水充满时的含水率称饱和含水率

水的密度,又称饱和水容度。
饱和含水率又称饱和水密度，它既反映了水中孔隙充满普通液态水时的含水特性，又反映了孔隙的大小。
2．饱和度（degree of saturation）
定义为：土中孔隙水的体积与孔隙体积之比，以百分数表示，即：

或天然含水率与饱和含水率之比：

饱和度愈大，表明土中孔隙中充水愈多，它在0~100%；干燥时Sr=0。孔隙全部为水充填时，Sr=100%。
工程上Sr作为砂土湿度划分的标准。
Sr < 50% 稍湿的
Sr = 50~80% 很湿的
Sr > 80% 饱和的
工程研究中，一般将Sr大于95%的天然粘性土视为完全饱和土；而砂土Sr大于80%时就认为已达到饱和了。
（四）土的孔隙性
孔隙性指土中孔隙的大小，数量、形状、性质以及连通情况。
1．孔隙率（porosity）与孔隙比(void ratio)
孔隙率（n）：是土的孔隙体积与土体积之比，或单位体积土中孔隙的体积，以百分数表示，即：

孔隙比：定义为土中孔隙体积与土粒体积之比，以小数表示，即：

孔隙比和孔隙率（度）都是用以表示孔隙体积含量的概念。两者有如下关系：
或
土的孔隙比或孔隙度都可用来表示同一种土的松、密程度。它随土形成过程中所受的压力、粒径级配和颗粒排列的状况而变化。一般说：粗粒土的孔隙度小，细粒土的孔隙度大。
孔隙比e是个重要的物理性指标，可以用来评价天然土层的密实程度。一般e<0.6的土是密实的低压缩性土；e>1.0的土是疏松的无压缩性土
饱和含水率是用质量比率来反映土的孔隙性结构指标的，它与孔隙率和孔隙比，有如下关系：

2．砂土的相对密度
对于砂土，孔隙比有最大值与最小值，即最松散状态和最紧密状态的孔隙比。
：一般采用“振击法”测定；
：一般用“松砂器法”测定。
砂土的松密程度还可以用相对密度来评价：

式中：：最大孔隙比。
：最小孔隙比。
e：天然孔隙比。
砂土按相对密度分类：
疏松的
中密的
密实的
通常砂土的相对密度的实用表达式为：

因为最大或最小干密度可直接求得。
Dr在工程上常应用于：（1）评价砂土地基的允许承载力；（2）评价地震区砂土液化；（3）评价砂土的强度及稳定性。
（五）基本物理性质指标间的相互关系
1、孔隙比与孔隙率的关系
设土体内土粒体积=1，则孔隙体积，土体体积，于是，由或
2、干密度与湿密度和含水量的关系
设土体体积V=1，则土体内土粒质量，水的质量：
于是由：；
3、孔隙比与比重和干密度的关系
设土体内土粒体积，则孔隙体积，土粒质量，于是：由得：；；
4、饱和度与含水量，比重和孔隙比的关系
设土体内土粒体积Vs=1，则孔隙体积，土粒质量，孔隙水质量
孔隙水体积：
由：得
当时，土饱和，则：

式中：——饱和含水量，：土粒比重。
（六）土的颗粒组成
土的颗粒组成试验，在试验室为土的颗粒分析试验，其主要成果为土颗粒按粒径大小分组所占的质量百分数，即颗分曲线。
土的颗粒级配试验方法：
筛分法：适用于0.075mm≤d≤60mm的土；
比重计法：适用于d＜0.075mm的土土的颗粒级配的评价。
根据颗分曲线可计算出下列粒径特征值：
界线粒径d60：为小于该粒径的颗粒占总质量的60%）；
平均粒径d50：为小于该粒径的颗粒占总质量的50%；
中间粒径d30：为小于该粒径的颗粒占总质量的30%；
有效粒径d10：为小于该粒径的颗粒占总质量的10%；
不均匀系数Cu（Cu= d60/ d10）,Cu越大，表示土的粒度组成越分散；
曲率系数Cc（Cc= d30/ d10× d60），表示某种中间粒径的粒组是否缺失的情况。
Cu愈大，表示土粒愈不均匀。工程上把Cu＜5的土视为级配不良的土； Cu＞10的土视为级配良好的土对于砾类土或砂类土，
同时满足Cu≥5和Cc=1～3时，定名为良好级配砂良好级配砾。

第二节 土的水理性质
一、粘性土的稠度（consistency）和塑性(plasticity)
（一）稠度与液性指数
粘性土的物理状态常以稠度来表示。
稠度的涵义是指土体在各种不同的湿度条件下，受外力作用后所具有的活动程度。
粘性土的稠度，可以决定粘性土的力学性质及其在建筑物作用下的性状。常采用下列稠度状态来区别粘性土在各种不同温度条件下所具备的物理状态。
表1 粘性土的标准稠度及其特征
稠度状态
稠度的特征
标准温度或稠度界线
液体状
液流状
呈薄层流动
触变界限
液限WL
粘着性界限
塑限Wp
收缩界限Ws
粘流状（触变状）
呈厚层流动
塑体状
粘塑状
具有塑体的性质，并粘着其他物体
稠塑状
具有塑体的性质，但不粘着其他物体
固体状
半固体状
失掉塑体性质，具有半固体性质
固体状
具有固体性质

相邻两稠度状态，既相互区别又是逐渐过渡的，稠度状态之间的转变界限叫稠度界限，用含水量表示，称界限含水量。
在稠度的各界限值中，塑性上限（WL）和塑性下限（Wp）的实际意义最大。它们是区别三大稠度状态的具体界限，简称液限和塑限。
土所处的稠度状态，一般用液性指数IL（即稠度指标B）来表示

式中：W—天然含水量
WL—液限含水量
Wp—塑限含水量
按液性指数（IL）粘性土的物理状态可分为：
坚硬： 软塑：
硬塑： 流塑：
可塑：
在稠度变化中，土的体积随含水量的降低而逐渐收缩变小，到一定值时，尽管含水量再降低，而体积却不再缩小，其变化过程见教材图所示。
（二）塑性和塑性指数（plasticity index）
塑性的基本特征：（1）物体在外力作用下，可被塑成任何形态，而整体性不破坏；即不产生裂隙。（2）外力除去后，物体能保持变形后的形态，而不恢复原状。
粘性土具有塑性，砂土没有塑性，故粘性土又称塑性土，砂土称非塑性土。
在岩土工程中常用二个界限含水量表示粘性土的塑性。
（1）、塑性下限或称塑限：是半固态和塑态的界限含水量，它是使土颗粒相对位移而土体整体性不破坏的最低含水量。
（2）、塑性上限或称液限：即塑态与流态的界限含水量，也即是强结合水加弱结合水的含量。
二个界限含水量的差值为塑性指数(plasticity index)，即：Ip=Wl－Wp
塑性指数表示粘性土具有可塑性的含水量变化范围，以百分数表示。塑性指数数值愈大，土的塑性愈强，土中粘粒含量越多。
（三）影响粘性土可塑性的因素
粘性土塑性大小决定于土的成分及孔隙水溶液的性质。土的成分包括粒度成分、矿物成分及交换阳离子成分；孔隙水溶液的性质是指化学成分及浓度。
二、土透水性 （渗透性）
（一）土的渗透性：土的渗透性指标以土的渗透系数K表示，其物理意义为当水力梯度等于1时的渗透速度。渗透系数k是土体本身所固有的参数，它反映了土体透水性的强弱，计算地下水的渗透速度或计算基坑涌水量时，必须事先知道土体的k值。 k值一般可通过下述几种方法获得：
试验室室内测试方法有：
常水头法：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，例如砂土类。
变水头法：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 。
对于粘性土采用南55型渗透仪法或负压式渗透仪法。取样要求：Ⅰ—Ⅱ级试样，环刀面积30cm2或32.2cm2；对于粗粒土采用70型渗透仪或土样管法。试样要求：风干试样不少于400-4000kg。
（二）土的渗透变形：水工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏称为渗透变形或渗透破坏。渗透变形是水工建筑物发生破坏的常见类型
1. 渗透变形的基本类型：
流土：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。当j≥γ'时，土粒间的接触压力便会消失，土粒悬浮在水面，随水一起流动，工程上称为流土现象。
产生流砂时的水头梯度——临界水头梯度Icr
j = γ w . Icr= γ' Icr= γ'/γ w
一般情况下：粉、细砂土中，如果I值在１附近，施工时就极有可能产生流砂现象。而粘土中，由于粘聚力，颗粘之间呈整体、团聚状态，不容易产生流砂现象。
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
流土与管涌的比较

流土
管涌
现象
土体局部范围的颗粒同时发生移动

土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动

位置
只发生在水流渗出的表层
可发生于土体内部和渗流溢出处

土类
只要渗透力足够大，可发生在任何土中

一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土
历时
破坏过程短
破坏过程相对较长
后果
导致下游坡面产生局部滑动等
导致结构发生塌陷或溃口

三、土的毛细性
土的毛细性是指：土中的毛细孔隙能使水产生毛细现象的性质。
土的毛细现象是指土中水在表面张力作用下，沿着细的孔隙向上及向其它方向移动的现象。这种细微孔隙的水被称为毛细水。
试验室对土的毛细性测试成果主要为，土的毛细上升高度。
毛细性对工程的影响主要有：
1．毛细水的上升是引起地基湿化、软化地基强度降低；
2．对于渠道建筑物，毛细水的上升会是引起渠道冻涨破坏的原因之一；
3．毛细水的上升可能引起土壤的沼泽化和盐渍化。
第三节 土的力学性质
定义：是指土在外力作用下所表现的性质，主要为变形和强度特性。
一、土的压缩性
（一）土的压缩变形的本质
土的压缩性是指在压力作用下体积压缩小的性能。从理论上，土的压缩变形可能是：（1）土粒本身的压缩变形；（2）孔隙中不同形态的水和气体的压缩变形；（3）孔隙中水和气体有一部分被挤出，土的颗粒相互靠拢使孔隙体积减小。
试验表明：土的压缩是气体压缩的结果。接近自然界的假设：土的压缩主要是由于孔隙中的水分和气体被挤出，土粒相互移动靠拢，致使土的孔隙体积减小而引起的。
研究土的压缩性，就是研究土的压缩变形量和压缩过程，既研究压力与孔隙体积的变化关系以及孔隙体积随时间变化的情况。
有侧限压缩（无侧胀压缩）：指受压土的周围受到限制，受压过程中基本上不能向侧面膨胀，只能发生垂直方向变形。
无侧限压缩（有侧胀压缩）：受压土的周围基本上没有限制，受压过程中除垂直方向变形外，还将发生侧向的膨胀变形。
研究方法：室内压缩实验和现场载荷试验两种。
（二）压缩试验和压缩系数
1．压缩曲线：若以纵坐标表示在各级压力下试样压缩稳定后的孔隙比e ，以横坐标表示压力p，根据压缩试验的成果，可以绘制出孔隙比与压力的关系曲线，称压缩曲线。
压缩曲线的形状与土样的成分，结构，状态以及受力历史等有关。若压缩曲线较陡，说明压力增加时孔隙比减小得多，则土的压缩性高；若曲线是平缓的，则土的压缩性低。
2．压缩系数：e-p曲线中某一压力范围的割线斜率称为压缩系数。
或
此式为土的力学性质的基本定律之一，称为压缩定律。其比例系数称为压缩系数，用a表示，单位是1/Mpa
压缩系数是表示土的压缩性大小的主要指标，压缩系数大，表明在某压力变化范围内孔隙比减少得越多，压缩性就越高。
在工程实际中，规范常以p1=0.1Mpa，p2=0.2Mpa的压缩系数即a1-2作为判断土的压缩性高低的标准。但当压缩曲线较平缓时，也常用p1=100Kpa和p3=300Kpa之间的孔隙比减少量求得 a1-3。
低压缩性土：a1-2＜0.1Mpa-1
中压缩性土：0.1≤a1-2＜0.5 Mpa-1
高压缩性土：a1-2≥0.5 Mpa-1
3．压缩指数(Cc)：将压缩曲线的横坐标用对数坐标表示。Cc=(e1-e2)/(lgp2－lgp1)，因为e-lgp曲线在很大压力范围内为一直线，故Cc为一常数，故用e-lgp曲线可以分析研究Cc，Cc越大，土的压缩性越高。
当Cc＜0.2时，属于低压缩性土；当Cc＞0.4时属于高压缩性土。
压缩系数和压缩指数关系：Cc＝
a=
4．压缩模量（Es）：是指在侧限条件下受压时压应力δz与相应应变qz之比值；即
Es＝ δz/ qz 单位：Mpa
压缩模量与压缩系数之关系：Es越大，表明在同一压力范围内土的压缩变形越小，土的压缩性越低。
Es＝1+e1/a
式中：e1 ：相应于压力p1时土的孔隙比。
a ：相应于压力从p1 增至p2时的压缩系数。

（三）载荷试验和变形模量
室内有側限的压缩试验不能准确地反映土层的实际情况，因此，可在现场进行原位载荷试验，某条件近似无側限压缩。载荷试验结果可以绘制压力P与变形量s的关系和变形量s与时间T的关系曲线。
从载荷试验结果可看出，一般土地基的变形可分为三个不同阶段：
1．压密变形阶段：相当于曲线oa段，s-p的关系近直线，此阶段变形主要是土的孔隙体积被压缩而引起土粒发生垂直方向为主的位移，称压密变形。地基土在各级荷载作用下变形，是随着时间的增长而趋于稳定。
2．剪切变形阶段：相当于曲线的ab段，s-p的关系不再保持直线关系，而是随着p的增大，s的增大逐渐加大。此阶段变形是在压密变形的同时，地基土中局部地区的剪应力超过土的抗剪强度，而引起土粒之间相互错动的位移，称剪切变形，也称塑性变形。
地基由压密变形阶段过渡到局部剪切变形阶段的临界荷载，称为地基土的临塑荷载或比例界限压力。
3．完全破坏阶段：塑性变形区的不断发展，导致地基稳定性的逐渐降低，而且趋向完全破坏阶段。即b点以下的一段。地基达到完全破坏时的临界荷载，称为地基的极限荷载。相当b的压力。因此，在实际设计工作中，若作用在基础底面每单位面积的压力不超过地基土的临塑荷载，则一般能保证地基的稳定和不致产生过大的变形，确保建筑物的安全和正常使用。故常选用临塑荷载作为地基土的允许承载力。
载荷试验的结果，除了用以确定地基土的允许承载力外，还可以提供地基计算中所需要的另一个压缩性指标——变形模量E0。
变形模量E0：是指在无側限条件下受压时，压应力与相应应变之比值，即
E0＝δz/εz
土的变形模量，一般是用载荷试验成果绘制的s-p关系曲线，以曲线中的直线变形段，按弹性理论公式求得，即
E0＝（1－U2）P/Sd
式中：U：土的泊松比；
P：载荷板上的总荷重；
S：与载荷P相应的压缩量；
d：相应于园形荷载板的直径cm,
即（式中A为载荷板面积）
（四）土的变形模量与压缩模量的关系
土的变形模量和压缩模量，是判断土的压缩性和计算地基压缩变形量的重要指标。
为了建立变形模量和压缩模量的关系，在地基设计中，常需测量土的側压力系数ξ和側膨胀系数μ。
側压力系数ξ：是指側向压力δx与竖向压力δz之比值，即：
ξ＝δx/δz
土的側膨胀系数μ（泊松比）：是指在側向自由膨胀条件下受压时，测向膨胀的应变εx与竖向压缩的应变εz之比值，即
μ＝εx/εz
根据材料力学广义胡克定律推导求得ξ和μ的相互关系，
ξ＝μ/(1－μ)或μ＝ε/（1＋ε）
土的側压力系数可由专门仪器测得，但側膨胀系数不易直接测定，可根据土的側压力系数，按上式求得。
在土的压密变形阶段，假定土为弹性材料，则可根据材料力学理论，推导出变形模量E0和压缩模量Es之间的关系。
，令β＝
则Eo＝βEs
当μ＝0～0.5时，β＝1～0，即Eo/Es的比值在0～1之间变化，即一般Eo小于Es。但很多情况下Eo/Es 都大于1。其原因为：一方面是土不是真正的弹性体，并具有结构
性；另一方面就是土的结构影响；三是两种试验的要求不同；

（五）土的受力历史和前期固结压力
膨胀曲线：在作压缩试验得到压缩曲线后，然后逐渐御去荷重，算出每级御荷后膨胀变形稳定时的孔隙比，则可绘出御荷后的孔隙比与压力的关系曲线，称膨胀系数。
弹性变形：在御荷后可以恢复的那部分变形，称土的弹性变形，主要是结合水膜的变形封闭气体的压缩荷土粒本身的弹性变形等。
残余变形：御荷后，仍不能恢复的那部分变形，称土的残余变形。因为土粒和结构单元产生相对位移，改变了原有接触点位置；孔隙水和气体被挤出。
试验结果表明：土的残余变形常比弹性变形大得多。
1．扰动饱和粘性土的压缩曲线：
由图（见教材P97图6-7）可见，再压缩曲线和膨胀曲线只能在压缩曲线的左方，并以压缩主支曲线为界线。若以半对数坐标，即用lgp为横坐标，则试验证明压缩主支曲线是一条直线。
2．重负荷载作用下的压缩曲线：
条件：用不太大的同一压力重复加荷和御荷，弹性变形和残余变形将随着重复次数的增加而减小，压缩曲线越来平缓，其中残余变形减小的更快，荷载重复次数足够多时，新的残余变形将会更小，直至完全消失，土就具有弹性变形的性质。见教材P97图6-8。
3．扰动土和原状土的压缩曲线
由于原状土具有较强的结构联接力，当外加荷重较小，没有克服这种阻力时，土不会发生压缩；只有当外荷大于土的结构阻力，土才开始压缩。因此原状土的压缩曲线一般比扰动土的压缩曲线要平缓。一般来说重复加荷、御荷以及土的结构、成分、状态对土的压缩性的影响很大，特别是土体的受力历史应引起足够的重视。历史上的荷载作用，使土层保留一定的结构性，对土的压缩性有一定影响。
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来表示。前期固结压力也是反映土体压密程度及判别其固结状态的一个指标。
固结比：Ocr＝Pc/Po
目前土层所承受的上覆土的自重压力Po进行比较，可把天然土层分三种不同的固结状态。
（1）Pc＝Po，称正常固结土，是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。
（2）Pc＞Po，称超前固结土，是指土层历史上曾受过的固结力，大于现有土的自重压力。使土层原有的密度超过现有的自重压力相对的密度，而形成超压状态。
（3）Pc＜Po，称欠固结土，即土层在自重压力下尚未完成固结。
新近沉积的土层如淤泥、充填土等处于欠压密状态。一般当施加土层的荷重小于或等于土的前期固结压力时，土层的压缩变形量将极小甚至可以不计；当荷重超过土的前期固结压力时，土层的压缩变形量将会有很大的变化。
在其它条件相同时，超固结土的压缩变形量<正常固结土的压缩量<欠固结土的压缩量。

（六）土的压缩过程
土是松软多孔，它在荷重作用下的压缩变形不是瞬时时就能达到稳定，而是需要有个时间过程，所需时间的长断随土层性质，排水条件和地基情况而不同。
在压缩过程中，由外力荷重使土中一点引起的压应力δ，是由两种不同的压力来分担：
1．有效压力δ，，由土颗粒接触点所承担的压力（又粒间压力）；
2．孔隙水压力μ，即由孔隙中水所承担的压力（指超静水压力）。
土的压缩过程，实质是这两种压力的分担转移过程。
当压力刚加上，孔隙中水来不及排出，δ完全由水来承担；即δ＝μ，δ，＝0；
水在孔隙水压力μ的作用下，逐渐向外排出，土粒逐渐承担孔隙水减小的那部分压力，压应力由μ和δ，两部分承担，当有效压力逐渐增大到全部承担压应力时，水便停止流出，这时δ，＝δ，μ＝0，压缩过程也就停止。
可见：（1）只有有效压力才能压缩土的孔隙体积，引起土的压缩，这种由孔隙水的渗透而引起的压缩过程，称为渗透固结。
（2）渗透固结过程，实质上是孔隙水压力向有效压力转移的过程；这一过程所需的时间，就是地基压缩变形达到最终稳定的时间。压缩稳定所需的时间的长短，常取决于孔隙水的向外渗流的速度。

（七）影响土的压缩性的主要因素
土的压缩性实质上说明土的孔隙和连结在外力作用下可能产生的变化。影响土的压缩性的主要因素包括土的粒度成分和矿物成分、含水率、密实度、结构和构造特征。土的受力条件（受力性质、大小、速度等）也影响着土的压缩特点。
1．粒度成分和矿物成分的影响
（1）在常见的可塑状态下，随着粘粒含量的增多，结合水膜愈厚，土的透水性减弱， 压缩量增大而固结速度缓慢。
（2）亲水性强的矿物形成的结合水膜较厚，尤其在饱和软塑状态下，则土的压缩量较大，固结较慢。
（3）腐殖质含量愈多，土的压缩性越大，固结越慢。
土的塑性指数或液限能综合说明粒度和矿物成分的影响。一般饱和粘性土，塑性指数或液限愈大，则土的压缩系数或压缩指数愈大。
国外根据试验成果总结出饱和粘性土压缩指数CC和液限WL具有大致的关系：
CC=0.009（WL-10）
2．含水率的影响
天然含水率或塑性指数IL决定着土的连结强度，随着含水率的增大，土的压缩性增强。
3．密实度的影响
粘性土的密实度与连结有关，随着密实度的增大（孔隙比较小），土的接触点有所增多，连结增强，则土的压缩性减弱。
4．结构状态的影响
土的结构状态也影响着土的连结强度，原状土和扰动土是不一样的，扰动土的压缩性比原状土增强。
4．构造特征的影响
土的构造特征不同，其所受的固结压力也不同，故压缩性也不同。
5．受力历史的影响
经卸荷后再加荷的再压缩曲线比较平缓，重复次数愈多，则曲线愈缓，可见受力历史的影响。
在研究土的压缩性，必须结合土的受荷历史，考虑前期固结压力影响，才能得出更符合实际的结果。
6．增荷率和加荷速度的影响
增荷率愈大，则土的压缩性愈高。
加荷速度越快，土的压缩性愈快。
7．动荷载的影响
在动荷载的作用下，土将产生附加的压缩性。
试验表明：土的振动压缩曲线与静荷载压缩曲线是及其相似的，但压缩量较大，一般随着动荷载作用强度的增大而增大，这与土的特性和所受的静荷载大小有关。
在动荷载作用下，土地饿压密量大小除取决于振动加速度（振动频率和振幅）外，还与作用的时间有关，动荷载的时间愈长，压缩量愈大，最终趋于稳定。
动荷载作用下土的变形同样包括弹性变形和塑性变形两部分：动荷载较小时，主要为弹性变形，动荷增大时，塑性变形逐渐增大。

二、土的抗剪性
（一）土的剪切破坏的本质
土体的破坏通常都是剪切破坏。例如：土坡丧失稳定引起的路堤毁坏、路堑边坡的崩塌和滑坡等。
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，故在外力作用下，土粒之间发生相对错动，引起土中的一部分相对于另一部分产生移动。
研究土的强度特征，就是研究土的抗剪强度特性，简称抗剪性。
土的抗剪强度τf：是指土体抵抗剪切破坏的极限能力，其数值等于剪切破坏时滑动面上的剪应力。
剪切面（剪切带）：土体剪切破坏是沿某一面发生与剪切方向一致的相对位移，这个面通常称为剪切面。
土体在外力和自重压力作用下，土中各点在任意方向平面上都会产生法向应力σ和剪应力τ。当通过该点某一方向上的剪应力等于该点上所具有的抗剪强度τf时，则该点不会破坏，处于稳定状态。
土的极限平衡条件：τ＝τf。
无粘性土一般无连结，抗剪力主要是由颗粒间的摩擦力组成，这与粒度、密实度和含水情况有关。
粘性土颗粒间的连结比较复杂，连结强度起主要作用，粘性土的抗剪力主要与连结有关。
土的抗剪强度主要依靠室内试验和原位测试确定。试验中，仪器的种类和试验方法以及模拟土剪切破坏时的应力和工作条件好坏，对确定强度值有很大的影响。
（二） 土的抗剪强度和剪切定律
研究土的抗剪强度，最常借用直剪切试验方法。
将土样放在上、下部分可以错动的金属盒内，法向应力：
在下盒从小到大逐渐施加水平力，当水平剪力增至T时，土样发生剪切破坏，此时的剪切应力，即为土样在该法向应力作用下时的抗剪强度τf。
抗剪强度是随着法向应力而改变，同一种土制备三个相同的土样，在σ1、σ2、σ3作用下，得不同τf。以抗剪强度τf为纵坐标，以法向压力为横坐标，可绘制该土样的τf～σ关系曲线。
试验结果表明：（库仑定律，法国学者，1773或剪切定律）
无粘性土：
粘性土：+c
式中：：土的抗剪强度，Mpa；
：剪切面的法向压力，Mpa；
：土的内摩擦系数；
φ：土的内摩擦角，度；
c：土的内聚力，Mpa。
库仑定律说明：⑴土的抗剪强度由土的内摩擦力σ和内聚力c两部分组成。
⑵内摩擦力与剪切面上的法向压力成正比，其比值为土的内摩擦系数。
无粘性土的剪抗强度决定于与法向压力成正比的内摩擦力，而土的内摩擦系数主要取决于土粒表面的粗糙程度和土粒交错排列的情况，土粒表面越粗糙，棱角越多和密实度愈大，则土的内摩擦系数越大。
粘性土的抗剪强度由内摩擦力和内聚力组成。土的内聚力主要由土粒间结合水形成的水胶连结或毛细水连结组成。粘性土的内摩擦力较小。
土的抗剪强度指标：土的内摩擦角和内聚力。
土的抗剪强度指标，还可使用三轴剪切试验测定。
三轴剪切试验是使试样在三向受力的情况下进行剪切破坏，测得图样破坏时的最大主应力和最小主应力，再把据莫尔强度理论求出土的抗剪强度指标，值。
从弹性力学中可知作用于单元体内的最大主应力和最小主应力与单元体内在一斜面上的法向应力，剪应力之间存在下列关系：

其中：为斜面与最大主平面之交角。

这个关系可很方便地用莫尔应力园来表示。当该单元体达到极限平衡状态时，则滑动面上的剪应力等于土的抗剪强度，。此时应力园称极限应力园。极限应力园必然与土的抗剪强度曲线相切，切点微面上的剪应力恰等于土的抗剪强度。这样有三个极限应力园就可得到抗剪强度曲线（三园公切线），从而求得。
据上述原理，试样用橡皮膜包着，置于密封容器中，通过液体加压，使土样三个轴受相同围压，然后通过活塞杆加轴向应力，直至试样剪切破坏。
；用可作莫尔应力园。取 三个极限园 公切线
直接剪切试验与三轴剪切试样的比较：
优点：构造简单，操作方便
直剪
缺点：①剪切面仅限于上下盒之间，未能反映最薄弱的面；②剪切面上剪应力分布不均匀；③在剪切过程中，土样剪切面逐渐缩小，而计算则用图样的原载面积计算；④试验时不能严格控制排水条件，不能另测孔隙水压力。
优点：①能严格的控制排水条件角可量测试件中的的变化；②剪切破裂面三轴 是在最弱处；③结果比较可靠；④此外还可测定土的其它力学性质
缺点：试件的，不符实际
目前新问世的真三轴议中试件3在不同的作用下进行试验。
（三）抗抗剪强度指标的确定
在固结过程中，剪切面上的法向压力，是由孔隙水压力和有效压力分担，即
有效压力使土固结压密，从而加大土的摩擦力，孔隙水压力逐渐消散，土的抗剪强度逐渐增大。
测定抗剪强度指标时，必须考虑土的固结程度对抗剪强度的影响。
1．总应力法
总应力法是用剪切面上的总应力来表示土的抗剪强度，即，将孔隙水压力的影响，通过试验时控制孔隙水的排出程度的不同来体现。分为快剪、慢剪、固结快剪。
（1）排水剪（慢剪）
土样的上、下两面均为透水石，以利排水。土样在垂直压力下，待充分排水固结达稳定后，再缓慢施加水平剪力，使剪力作用也充分排水固结，直至土样破坏。
排水剪的实质是使土样再应力变化过程中的孔隙水压力完全消失。慢剪强度指标分别用表示。
抗剪强度公式为：
（2）不排水剪（快剪）
这种实验方法要求再剪切过程中土的含水量不变。因此，无论加垂直压力或水平剪力，都必须迅速进行，不让孔隙水排出，
快剪强度指标分别用表示。即：
（3）固结不排水剪（固结快剪）
试样在垂直压力下排水固结稳定后，迅速施加水平剪力，以保持土样的含水量在剪切前后基本不变。
固结快剪强度指标分别用表示。即：
上述三种试验方法测得的抗剪强度指标，虽在同一法向压力作用下进行，但因排水程度不同，实际上作用于剪切面上的有效压力不一样大，故得出三种不同大小的强度指标。
一般：
2．有效应力法
有效应力法是用剪切面上的有效应力来表示土的抗剪强度，即：
式中：分别为有效那摩擦角和有效内聚力。
比较：①总应力法较简单，一般用直剪仪测定，有效应力法较完善，能较好的模拟实际固结情况，一般用三轴剪切仪测定。
②总应力法的慢剪强度指标实际上与有效应力强度指标相等，在没有三轴仪时，可用慢剪试验测定。
（四）土的流变特性与动力特性
1．土的流变特性
土的变形及强度不仅决定于外力的大小，而且受到时间的影响，对粘性土来说尤其明显。
蠕变：在长期不变的剪应力作用下，剪切变形随时间而缓慢增长的现象。
应力松弛：当变形一定时会引起应力随时间而逐渐降低的现象，又称强度的衰减。
蠕变、应力松弛，长期强度为粘性土的主要流变特性。
（1）粘性土的蠕变
蠕变可分为体积蠕变和剪切蠕变。体积蠕变的结果，增大土的压缩量，并使土体进一步压密，例如：欠固结。
剪切蠕变一般就指土的蠕变，即在一定剪切应力作用下土的剪切变形随时间缓慢的增长。土的蠕变特性决定于剪应力大小，一般可分为两种变形。
1）衰减型
当剪应力小于某一值时，即时，剪应变随时间逐渐减弱，最后趋向于稳定，应变速率也随之逐渐减小，最后趋向于零，即。
2）非衰减型
当剪应力大于某一值时，即时，剪应变随时间不停滞的发展，最后达到破坏。非衰减型蠕变曲线可分为四个阶段。
瞬时变形阶段：剪应力作用后立即产生变形，其值很小；
不稳定蠕变阶段：剪应变速率逐渐减小；
稳定流动阶段：剪应变速率为常数；
破坏阶段：剪切变形速率不断加快，最终导致破坏。
极限值即土的极限长期强度，当时，土的蠕变不会引起土体破坏；而当时，则土的蠕变结果会引起土体的破坏。
蠕变破坏所需的时间决定于剪应力大小，剪应力值越大，则破坏时间越早。
粘性土的蠕变具有粘塑性和粘滞性流变特性，其实质是由于粘粒周围的水化膜之粘滞性引起。蠕变的性质除与外荷大小有关外，主要决定于土的类型，即：成分、结构和所处的物理状态。粘粒越多，蠕变越大，蠕变速率也越大。含蒙脱石的粘土蠕变速率最大，伊利石次之，高岭土最小。
（2）粘性土的长期强度
实验室所测的强度，只是短时间的强度，因此必须研究其长期强度，以取得强度与时间关系曲线（长期强度曲线）
按长期强度曲线，可把强度分为：
瞬时强度：当t=0时的抗剪强度，
长期强度：当剪切时间为t时的抗剪强度，
极限长期强度：当时的抗剪强度，即：长期强度随时间不断减弱到某一极限时，
标准强度：按室内常规试验方法所测得的强度
由此可见，剪切历时愈长，土的愈小，只有当土体中剪应力小于土的极限长期强度时，土体才处于长期稳定状态。
2．土的动力特性
当土体受到如地震、爆破、机械震动、车辆运行等动力作用时，土内必须产生新的压力而引起土的变形。
土在动力作用下的变形可分为弹性变形与残余变形。当动荷载强度较小不超过土的弹性极限时，它所引起的变形主要为弹性变形，弹性模量，泊松比，振动阻尼系数等为其主要动力参数。
当动力强度较大时，它所引起的变形为残余变形，动力越大，变形越大，结果使土的结构破坏，土体压缩沉降，强度减弱，严重者可使土体失去强度而威胁建筑物及边坡等稳定性。
（1）振动力作用下土的密度
在动力作用下，颗粒活动能力增大，致使土的颗粒间连接力削弱，土的压缩性增大，特别对砂土来说尤为显著。砂土在静荷载作用下压缩性小，在一般建筑物荷载下可不予考虑；但在振动荷载作用下，具有较大的压缩性。
在振动荷载作用下，砂土的压缩、饱和砂的液化及软粘土的触变为它们的主要动力特性。
（2）振动力作用下的抗剪强度
振动力作用下土的抗剪强度降低，对砂土来说尤为显著。因为在振动力作用下，砂土颗粒间摩擦力降低，当振动加速度达到某一起始加速度时，砂土的强度随着加速度增大而不断降低。
动荷载对一般粘性土的强度影响不大，而对饱水软粘土如淤泥及淤泥质亚粘土、粘土等则影响显。在振动作用下饱和软粘土的结构会遭到破坏，而使其强度及粘滞性剧烈降低。
（五）影响土的抗剪性的主要因素
土的抗剪强度与钢材、混凝土等材料不同，不是一个定值，而受很多因素的影响，不同地区，不同成因、不同类型土的抗剪强度，往往有很大差别，即使同一种土，在不同的密度、含水量、剪切速率、仪器型式的不同条件下，抗剪强度数值也不相等。
由公式可知，影响土的抗剪强度因素就是影响的因素，可归纳为两类：
1．土