1.1 土的特性

土是岩石在风化作用下形成的大小悬殊的颗粒，经过不同方式的搬运，在各种自然环境中生成的沉积物。它是由作为土骨架的固态矿物颗粒、孔隙中的水及其溶解物质以及气体组成。因此，土是由颗粒（固相）、水（液相）和气体（气相）所组成的三相体系。不同土的颗粒大小和矿物成分差异很大，三相间的数量比例也各不相同。土的结构与构造也有多种类型。

土的物理性质，如轻重、松密、干湿、软硬等在一定程度上决定了土的力学性质，它是土的最基本的工程特性。土的物理性质则是由三相组成物质的性质、相对含量以及土的结构构造等因素决定。在处理地基基础问题时，不但要知道土的物理性质及其变化规律，了解土的工程特性，而且还应当熟悉表示土的物理性质的各种指标的测定方法，能够按土的有关特征和指标对地基土进行工程分类，初步判定土的工程性质。

1.1.1 土的组成

1.土中固体颗粒

（1）土粒的矿物组成

土中颗粒的形状、大小、矿物成分及组成情况是决定土的物理性质的主要因素。

岩石按其成因可分为岩浆岩、变质岩和沉积岩三大类。

岩浆岩：地面以下存在高温高压的复杂硅酸盐熔融体即为岩浆，岩浆喷发出地面冷凝形成岩浆岩。

变质岩：岩浆岩经高温高压变质形成的另一种岩石。

沉积岩：岩石碎屑重新压实形成的新岩石。

土中的矿物质按其成因可分为原生矿物和次生矿物两大类。

原生矿物：母岩经物理风化（包括昼夜温差、风化、雨水侵蚀）而成。主要包括石英（砂粒）、云母、长石等，其成分与母岩相同。

次生矿物：母岩经化学风化而成。主要包括高岭石、伊里石、蒙脱石等，其成分与母岩不同，为一种新矿物颗粒，主要是黏土矿物。

（2）土的固体颗粒

粒组：土的粒径由粗到细逐渐变化时，土的性质相应地发生变化。因此可将大小相近、性质相似的颗粒划归为一组，称为粒组。

界限粒径：划分粒组的分界尺寸。常用（mm）200、20、2、0.075、0.005把土粒分为六大粒组：漂石（块石）颗粒（＞200mm）、卵石（碎石）颗粒（20~200mm）、圆砾（角砾）颗粒（2~20mm）、砂粒（0.075~2mm）、粉粒（0.005~0.075mm）及黏粒（＜0.005mm），其特征见表1-1。

注：① 漂石、卵石和圆砾颗粒均呈一定的磨圆形状（圆形或亚圆形）；块石、碎石和角砾颗粒都带有棱角。

② 黏粒或称黏土粒，粉粒或称粉土粒。

③ 黏粒的粒径上限也有采用0.002mm的。

（3）土的颗粒级配

土中各个粒组的相对含量（各粒组占土粒总重的百分比），称为土的颗粒级配。这是决定无黏性土工程性质的主要因素，是确定土的名称和选用建筑材料的重要依据。

土的颗粒级配是通过土的颗粒分析试验测定的。对于粒径大于0.075mm的土采用筛分法，粒径小于0.075mm的土采用比重计法。

筛分法（图1-1）就是将风干、分散的代表性土样放进一套按孔径大小排列的标准筛（例如孔径为20mm、2mm、0.5mm、0.25mm、0.1mm、0.075mm，另外还有顶盖和底盘各一个）顶部，经振摇后，分别称出留在各筛子及底盘上的土量，即可求得各粒组的相对含量的百分数。

（4）级配良好与否的判别

① 定性判别。常用的颗粒级配的表示方法是累计曲线法。根据颗粒分析试验成果，通常用半对数纸绘制。横坐标（按对数比例尺）表示粒径，纵坐标表示小于某粒径的土粒占土总重的百分比，如图1-2所示。由曲线的陡缓大致可以判断土的均匀程度。如曲线较陡，则表示粒径大小相差不多，土粒均匀，即级配不良；如曲线平缓，则表示粒径大小相差悬殊，土粒不均匀，即级配良好。

② 定量判别。

式中，d₆₀、d₃₀、d₁₀——分别表示级配曲线上纵坐标为60%、30%、10%时对应粒径。

不均匀系数反映不同粒组的分布情况，C_u越大，表示颗粒大小分布范围越广，越不均匀，土的级配越良好。但如果缺失中间粒径，土粒大小不连续，则形成不连续级配，此时需同时考虑曲率系数。故曲率系数C_c是描述累计曲线整体形状的指标。一般工程中将C_u＜5的土称为匀粒土，属级配不良；C_u＞10的土称为级配良好土。考虑累计曲线整体形状，则一般认为，砾类土或砂类土同时满足C_u＞5及C_c=1~3两个条件时，称为级配良好。

颗粒级配可以在一定程度上反映土的某些性质。级配良好的土，较粗颗粒间的孔隙被较细的颗粒所填充，易被压实，因而土的密实度较好，相应地基土的强度和稳定性也较好，透水性和压缩性也较小，适于做地基填方的土料。

2.土中水

土中水是指存在于土孔隙中的水。土中细粒越多，水对土的性质影响越大。按照水与土相互作用程度的强弱，可将土中水分为结晶水、结合水和自由水三大类，如图1-3所示。

（1）结晶水

存在于矿物结晶中的水，只有在高温（＞105℃）下，才能从矿物中吸出，故可把它视作矿物本身的一部分。

（2）结合水

结合水是在电场引力下吸附于土粒表面的水。土粒表面带负电荷，吸附电场范围内的水分子及水分子中的阳离子，越靠近土粒表面吸附作用越强，结合水从内向外可分为固定层和扩散层。

强结合水是指紧靠土粒表面的结合水。特征：没有溶解盐的能力，不能传递水压力，只有吸热变成蒸汽时才能移动。强结合水处于固定层中，性质接近于固体，具有极大的黏滞性、弹性和抗剪强度。

弱结合水是指紧靠于强结合水的外围形成的一层结合水膜。特征：仍不能传递水压力，但水膜较厚的弱结合水能向邻近较薄的水膜缓慢移动。弱结合水处于扩散层中，性质呈黏滞体状态，在压力作用下可以挤压变形。弱结合水对黏性土的物理力学性质影响极大，而砂土因表面较小，可认为不含弱结合水。

（3）自由水

自由水是指土粒结合水膜之外的水，包括重力水和毛细水。

① 重力水：只受重力作用而自由流动的水，能传递水压力和产生浮力作用，一般存在于地下水位以下的透水土层中。

② 毛细水：土孔隙中受到表面张力作用而存在的自由水，一般存在于地下水位以上的透水土层中。由于表面张力作用，毛细水在土粒之间形成环状弯液面，弯液面与土粒接触处的表面张力反作用于土粒，形成毛细压力，使土粒挤紧，如图1-4所示。土粒间的孔隙是连通的，形成无数不规则的毛细管，在表面张力作用下，地下水沿着毛细管上升，因此工程中要注意地基土的湿润和冻胀，同时应注意建筑物的防潮。

3.土中气体

土中气体是指充填在土的孔隙中的气体，包括与大气连通的和不连通的两类。

与大气连通的气体对土的工程性质没有多大的影响，当土受到外力作用时，这种气体很快从孔隙中挤出；但是密闭的气体对土的工程性质有很大的影响，密闭气体的成分可能是空气、水汽或天然气等。在压力作用下，这种气体可被压缩或溶解于水中，而当压力减小时，气泡会恢复原状或重新游离出来。封闭气体的存在，增大了土的弹性和压缩性，降低了土的透水性。

1.1.2 土的结构与构造

1.土的结构

土的结构是指土颗粒的大小、形状、表面特征、相互排列与连接关系综合特征。一般分为单粒结构、蜂窝结构和絮状结构三种基本类型，如图1-5所示。

（1）单粒结构

单粒结构是无黏性土的结构特征，是由粗大土粒在水或空气中下沉而形成的。其特点是土粒间没有连接存在，或连接非常微弱，可以忽略不计。疏松状态的单粒结构在荷载作用下，特别在振动荷载作用下会趋向密实，土粒移向更稳定的位置，同时产生较大的变形，这种土不宜作为天然地基；密实状态的单粒结构，其土粒排列紧密，强度较大，压缩性小，是较为良好的天然地基。单粒结构的紧密程度取决于矿物成分、颗粒形状、颗粒级配。片状矿物颗粒组成的砂土最为疏松；浑圆的颗粒组成的土比带棱角的容易趋向密实；土粒的级配越不均匀，结构越紧密。

（2）蜂窝结构

蜂窝状结构是以粉粒为主的土的结构特征。粒径为0.075~0.005mm的土粒在水中沉积时，基本上是单个颗粒下沉，当碰上已沉积的土粒时，由于土粒间的引力大于其重力，因此颗粒就停留在最初的接触点上不再下沉，形成大孔隙的蜂窝状结构。

（3）絮状结构

絮状结构是黏土颗粒特有的结构特征。悬浮在水中的黏粒（＜0.005mm）被带到电解质浓度较大的环境中（如海水），黏粒间的排斥力因电荷中和而破坏，土粒互相聚合，形成絮状物下沉，沉积为大孔隙的絮状结构。

具有蜂窝结构和絮状结构的土，存在大量的细微孔隙，渗透性小，压缩性大，强度低，土粒间连接较弱，受扰动时土粒接触点可能脱离，导致结构强度损失，强度迅速下降；而后随着时间增长，强度还会逐渐恢复。其土粒之间的连接强度往往由于长期的压密作用和胶结作用而得到加强。

2.土的构造

土的构造是指同一土层中土颗粒之间的相互关系特征。通常分为层状构造、分散构造和裂隙构造。

（1）层状构造

层状构造是土粒在沉积过程中，由于不同阶段沉积的物质成分、粒径大小或颜色不同，沿竖向呈现层状特征，如图1-6所示。层状构造反映不同年代不同搬运条件形成的土层，是细粒土的一个重要特征。

（2）分散构造

分散构造是土层中的土粒分布均匀，性质相近，常见于厚度较大的粗粒土。通常其工程性质较好。

（3）裂隙构造

裂隙构造是土体被许多不连续的小裂隙所分割，如图1-7所示。某些硬塑或坚硬状态的黏性土具有此种构造。裂隙的存在大大降低了土体的强度和稳定性，增大了透水性，对工程不利。

1.1.3 土的物理性质指标

表示土的三相组成比例关系的指标，称为土的物理性质指标。土的物理性质直接反映土的松密、软硬等物理状态，也间接反映土的工程性质。土的松密和软硬程度主要取决于土的三相各自在数量上所占的比例。

土的三相物质是混杂在一起的，为了便于计算和说明，工程中常将三相分别集中起来，称为土的三相图，如图1-8所示。图的左边标出各相的质量，图的右边标出各相的体积。图中符号意义如下。

m_s——土粒质量；

m_w——土中水质量；

m——土的总质量；

V_s——土粒体积；

V_w——土中水体积；

V_a——土中气体体积；

V_v——土中孔隙体积；

V——土的总体积。

1.基本指标

（1）天然密度ρ

① 物理意义：单位体积天然土的质量，称为质量密度，简称密度ρ（g/cm³或t/m³）；

单位体积天然土的重力，称为重力密度，简称重度γ（kN/m³）。

② 表达式：

③ 取值：工程中g=10m/s²，土的重度一般在16~22kN/m³。工程中用重度，试验室中用密度，钢混重度为25 kN/m³，素混重度为22~24kN/m³，机制砖重度为19kN/m³，水泥砂浆重度为20kN/m³，混合砂浆重度为17kN/m³，填充墙重度为6~8kN/m³。

④ 测定方法：环刀法和灌水法。环刀法适用于黏性土、粉土与砂土；灌水法适用于卵石、砾石与原状砂。

（2）土粒相对密度d_s

① 物理意义：单位土粒的密度ρ_s与同体积4℃水的密度ρ_w之比。

② 表达式：

式中，ρ_w——水的密度，一般取1t/m³。

③ 取值：在有经验的地区可按经验值选用。一般砂土为2.65~2.69，粉土为2.70~2.71，黏性土为2.72~2.75，颗粒越小，d_s越大。

说明：d_s无量纲，d_s值大小取决于土粒矿物成分和有机质含量。

④ 测定方法：用比重瓶和经验法。

（3）土的含水量ω

① 物理意义：土中水的质量与土颗粒质量之比，以百分数表示，表示土的湿度。

② 表达式：

③ 取值：土的含水量与土的种类、埋藏条件及其所处的自然地理环境等有关，一般砂土为0%~40%，黏性土为20%~60%。一般来说，同一类土含水量越大，则其强度就越低，黏性土的黏粒比较多，那么含水就多。

④ 测定方法：烘干法。适用于黏性土、粉土和砂土的常规试验。

2.换算指标

（1）干密度ρ_d和干重度γ_d

① 物理意义：单位土体积内颗粒的质量为土的干密度，单位土体积土颗粒受到的重力为土的干重度。

② 表达式：

③ 取值：土的干密度一般为1.3~2.0 g/cm³。

④ 工程应用：干密度和干重度是填方工程土体压实质量控制的标准。土的干密度越大，土体压的越密实，土的工程质量就越好。

（2）土的饱和密度ρ_sat和饱和重度γ_sat

① 物理意义：单位体积内饱和土质量为土的饱和密度，单位体积内饱和土所受到的重力为土的饱和重度。

② 表达式：

③ 取值：土的饱和密度一般为1.8~2.3 g/cm³。

（3）土的有效密度ρ′和有效重度γ′

① 物理意义：处于水面以下的土，其土粒受浮力作用时，单位体积内土粒的质量为土的有效密度；处于水面以下的土，其土粒受浮力作用时，单位体积内土粒所受到的重力扣除浮力后的重度为土的有效重度。

② 表达式：

式中，γ_w——水的重度，一般为10 kN/m³。

阿基米德原理：浮力等于排开水所受重力。

③ 取值：土的有效密度一般为0.8~1.3 g/cm³。

讨论：同种类土 γ_sat、γ_d、γ′、γ四个指标的大小排序。结论：同种类土 γ_sat＞ γ ＞ γ_d＞γ′。

（4）土的孔隙比e

① 物理意义：土体中的孔隙体积与土粒体积之比。

② 表达式：

③ 取值：一般砂土的孔隙比为0.5~1.0，黏性土的孔隙比为0.5~1.2。

④ 工程应用：用来评价天然土层的密实程度。当砂土e＜0.6时，呈密实状态，为良好地基；当黏性土e＞1.0时，为软弱地基。

（5）土的孔隙率n

① 物理意义：土体中的孔隙体积与总体积之比，用百分数表示。

② 表达式：

③ 取值：孔隙率反映土中孔隙大小的程度，一般为30%~50%。

（6）饱和度S_r

① 物理意义：土中水的体积与孔隙体积之比，用百分数表示。

② 表达式：

③ 取值：0＜S_r≤1。

④ 工程应用：砂土与粉土以饱和度作为湿度划分的标准。当S_r≤50%时，土为稍湿的；当50%＜S_r≤80%时，土为很湿的；当S_r＞80%时，土为饱和的，当S_r=1时，土处于完全饱和状态。

3.三相比例指标的换算关系

利用试验指标替换三相图中的各符号，所有三相比例指标之间可以建立相互换算的关系。具体换算时，可假设V_s=1（V=1），解出各相物质的质量和体积，利用定义式即可导出所求的物理性质指标。土的三相比例指标换算公式见表1-2。

【例1-1】某工程地基勘查中，一个钻孔原状土试样试验结果为：土的密度ρ=1.95g/cm³，含水量ω=26.1%，土粒相对密度d_s=2.72。求其余6个物理性质指标。

【例1-2】某一施工现场需要填土，基坑的体积为2 000m³，土方来源于附近土丘，土丘的土粒相对密度为2.70，含水量为15%，孔隙比为0.6，要求填土的含水量为17%，干重度为17.6kN/ m³，问：

（1）取土现场土丘的重度、干重度、饱和度分别是多少？

（2）填土的孔隙比是多少？应从取土现场开采多少方土？

（3）碾压时应洒多少水？

解：（1）根据表1-2得土丘的干重度、重度和饱和度分别为

（2）根据题意，设土丘孔隙比e₁=0.6，填土的孔隙比为e₂，填土体积V₂=2000m³，需开采的土丘体积为V₁，则

（3）设开采土丘体积为V₁的土的总重量为W₁kN，则由天然重度公式得

设碾压时应洒水重量为xkN，碾压前后土粒重量保持不变，由题意填土的含水量为17%，则有

1.1.4 土的物理状态指标

1.1.4.1 黏性土的物理状态指标

稠度是指土的软硬状态或土对受外力作用所引起变形或破坏的抵抗能力。黏性土最主要的性质是土粒与水相互作用产生的稠度，它反映土粒之间连接强度随含水量高低而变化的性质。

随着含水量的改变，黏性土将经历不同的物理状态。当含水量很大时，土是一种黏滞流动的液体即泥浆，称为流动状态；随着含水量逐渐减少，黏滞流动的特点渐渐消失而显示出塑性，称为可塑状态；当含水量继续减少时，则发现土的可塑性逐渐消失，从可塑状态变为半固体状态。如果同时测定含水量减少过程中的体积变化，则可发现土的体积随着含水量的减少而减小，但当含水量很小的时候，土的体积却不再随含水量的减少而减小了，这种状态称为固体状态。

1.黏性土的界限含水量

同一种黏性土随其含水量的不同，而分别处于固态、半固态、可塑状态及流动状态。由一种状态转变到另一种状态的分界含水量，叫界限含水量。流动状态与可塑状态间的分界含水量称为液限ω_L；可塑状态与半固体状态间的分界含水量称为塑限ω_p；半固体状态与固体状态间的分界含水量称为缩限ω_s，如图1-9所示。界限含水量均以百分数表示，它对黏性土的分类及工程性质的评价有重要意义。

（1）塑限测定方法

塑限ω_p是用搓条法测定的。将土样过0.5mm的筛，取略高于塑限含水量的试样8~10g，先用手搓成椭圆形，然后放在干燥清洁的毛玻璃板上用手掌滚搓。手掌的压力要均匀地施加在土条上，不得使土条在毛玻璃板上无力滚动。当土条搓至3mm直径时，表面开始出现裂纹并断裂成数段，此时土条的含水量就是塑限。若土条搓至3mm直径时，仍未出现裂纹和断裂，则表示此时试样的含水量高于塑限；若土条直径大于3mm时，已出现裂纹和断裂，则表示试样的含水量低于塑限。遇此两种情况，均应重取试样进行试验。

（2）液限测定方法

液限ω_L是用锥式液限仪（图1-10）测定的。其工作过程是：将调成均匀的浓糊状试样装满盛土杯内（盛土杯置于底座上），刮平杯口表面，用质量为76g的圆锥式液限仪测定。提住锥体上端手柄，使锥尖正好接触试样表面中部，松手，使锥体在其自重作用下沉入土中。若圆锥体经5s恰好沉入17mm深度，这时杯内土样的含水量就是液限ω_L值。如果沉入土中的深度超过或低于17mm，则表示试样的含水量高于或低于液限，均应重新试验至满足要求。

美国、日本等国家使用碟式液限仪（图1-11）来测定黏性土的液限。其工作过程是：将调成浓糊状的试样装在碟内，刮平表面，用切槽器在土中成V形槽，槽底宽度为2mm，然后将碟子抬高10mm，使碟下落，连续下落25次后，如土槽合拢长度为13mm，这时试样的含水量就是液限。

（3）液限、塑限联合测定法

该方法是根据圆锥仪的圆锥入土深度与其相应的含水量在双对数坐标上具有线性关系的特性来进行的。利用圆锥质量为76g的液、塑限联合测定仪（图1-12）测得3个土试样在不同含水量时的圆锥入土深度，并绘制其关系直线图（图1-13），在图上查得圆锥下沉深度为17mm所对应的含水量即为液限，查得圆锥下沉深度为2mm所对应的含水量为塑限，取值以百分数表示，准确至0.1%。

3.塑性指数

可塑性是黏性土区别于砂土的重要特征。可塑性的大小用土处在塑性状态的含水量变化范围来衡量，从液限到塑限含水量的变化范围越大，土的可塑性越好。这个范围称为塑性指数，即液限与塑限的差值I_p。

塑性指数越大，则土处在可塑状态的含水量范围越大，土的可塑性越好。也就是说，塑性指数的大小与土可能吸附的结合水的多少有关，一般土中黏粒含量越高或矿物成分吸水能力越强，则塑性指数越大。

《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）用I_p作为黏性土与粉土的定名标准：10＜I_p≤17为粉质黏土，I_p＞17为黏土。

4.液性指数

液性指数I_L是指黏性土的天然含水量与塑限的差值和塑性指数之比。它是表示天然含水量与界限含水量相对关系的指标，反映黏性土天然状态的软硬程度，其表达式为

可塑状态的土的液性指数在0到l之间，液性指数越大，表示土越软；液性指数大于1的土处于流动状态；液性指数小于0的土则处于固体状态或半固体状态。建筑工程中将液性指数I_L用作确定黏性土承载力的重要指标。《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）按液性指数的大小将黏性土划分为5种软硬状态，见表1-3。

5.黏性土灵敏度

天然状态的黏性土通常都具有一定的结构性，当受到外来因素的扰动时，其结构破坏，强度降低，压缩性增大。土体的这种受扰动而降低强度的性质，通常用灵敏度S_t来衡量。

式中，q_u——原状土的无侧限抗压强度，kPa；

q′_u——重塑土（含水量与密度不变）的无侧限抗压强度，kPa。

根据灵敏度的大小，可将黏性土分为低灵敏（1＜S_t≤2）、中灵敏（2＜S_t≤4）和高灵敏（S_t＞4）三类。土体灵敏度越高，其结构性越强，受扰动后强度降低越多，所以在施工时应特别注意保护基槽，尽量减少对土体的扰动。

1.1.4.2 无黏性土的物理状态指标

无黏性土为单粒结构，与水的关系不大，所以工程中评价软硬、松密时用到的指标就是密实度。关于无黏性土的密实度，可以分为砂土和碎石土两类。

1.砂土的密实度

（1）孔隙比判别

孔隙比越小，表明土越密实。e＜0.6：密实，是良好的天然地基。

孔隙比越大，表明土越疏松。e＞1.0：松散，不宜作天然地基。

砂土的密实程度不完全取决于孔隙比，而在很大程度上还取决于土的级配情况。粒径级配不同的砂土即使具有相同的孔隙比，但由于颗粒大小不同，颗粒排列不同，所处的密实状态也会不同。

（2）相对密实度判别

为了考虑颗粒级配的影响，引入砂土相对密实度的概念。即用天然孔隙比e与该砂土的最松状态孔隙比e_max和最密实状态孔隙比e_min进行对比，比较e靠近e_max或靠近e_min，以此来判别砂土的密实度。相对密实度D_r的表达式为

从式（1-20）可以看出，当砂土的天然孔隙比接近于最小孔隙比时，相对密实度D_r接近于1，表明砂土接近于最密实的状态；而当天然孔隙比接近于最大孔隙比时，则表明砂土处于最松散的状态，其相对密实度接近于0。

根据D_r值将砂土密实度划分为三种状态：0.67＜D_r≤1，密实；0.33＜D_r≤0.67，中密；0＜D_r≤0.33，松散。

由于砂土的原状土样很难取得，天然孔隙比难以准确测定，故相对密实度的精度也就无法保证。目前，它主要用于填方质量的控制。

（3）标准贯入试验判别

《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）采用未经修正的标准贯入试验锤击数N来划分砂土的密实度，见表1-4。N是用质量63.5kg的重锤自由下落76cm，使贯入器竖直击入土中30cm所需的锤击数，它综合反映了土的贯入阻力的大小，即密实度的大小。

2.碎石土的密实度

（1）重型圆锥动力触探锤击数N_63.5

碎石土既不易获得原状土样，也难以将贯入器击入土中。对于平均粒径小于等于50mm且最大粒径不超过100mm的卵石、碎石、圆砾、角砾，《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2001）采用重型圆锥动力触探锤击数N_63.5来划分其密实度，见表1-5。

注：N_63.5为经综合修正后的平均值。

（2）野外鉴别方法

对于平均粒径大于50mm或最大粒径大于100mm的碎石土，通过观察，根据骨架颗粒含量和排列、可挖性、可钻性将其密实度划分为密实、中密、稍密、松散，见表1-6。

续表注：① 骨架颗粒系指与表1-13碎石土分类名称相对应粒径的颗粒；

② 碎石土的密实度应按表列各项要求综合确定。

1.1.5 土的力学性质指标

1.土的压缩性指标

土的压缩性是指地基土在压力作用下体积减小的特性。土体积缩小包括两个方面：一是土中水、气从孔隙中排出，使孔隙体积减小；二是土颗粒本身、土中水及封闭在土中的气体被压缩，这部分很小，可以忽略不计。土的压缩随时间增长的过程称为固结。对于透水性大的无黏性土，其压缩过程在很短时间内就可以完成。而透水性小的黏性土，其压缩稳定所需的时间要比砂土长得多。

（1）室内压缩试验

土的室内压缩试验也称作固结试验，它是研究土压缩性的常用方法。

室内压缩试验采用的试验装置为压缩仪，也称固结仪，如图1-14所示。试验时将切有土样的环刀置于刚性护环中，由于金属环刀及刚性护环的限制，使得土样在竖向压力作用下只能发生竖向变形，而无侧向变形。在土样上下放置的透水石是土样受压后排出孔隙水的两个界面。压缩过程中竖向压力通过刚性板施加给土样，土样产生的压缩量可通过百分表量测。常规压缩试验通过逐级加荷进行，常用的分级加荷量p为50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa。

根据压缩过程中土样变形与土的三相指标的关系，可以导出试验过程孔隙比e与压缩量Δs的关系，即

式中，e₀——土样受压前的初始孔隙比；

H₀——土样初始高度；

Δs——土样压缩量。

这样，根据式（1-21）即可得到各级荷载下对应的孔隙比，从而可绘制出土样压缩试验的e-p曲线及e−lg p曲线，如图1-15所示。

（2）压缩系数a

通常可将常规压缩试验所得的e-p数据采用普通直角坐标绘制成e-p曲线，如图1-15（a）所示。曲线越陡，则土的压缩性越高。设压力由p₁增至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M₁M₂一小段曲线用割线来代替，用割线M₁M₂的斜率来表示土在这一段压力范围的压缩性，即

式中，a——压缩系数，MPa⁻¹。

由图1-15（a）可见，压缩系数越大，则在一定压力范围内孔隙比变化越大，土的压缩性越高。但压缩系数为变量，它与所取的起始压力p₁以及最终压力p₂有关。而对应实际工程中地基土所受压力由土的自重应力p₁增加到土的自重应力与建筑物附加应力之和p₂，为便于应用和比较，《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）规定，采用压力间隔由p₁=100kPa增加至p₂=200kPa所对应的压缩系数a₁₋₂来评价土的压缩性。

a₁₋₂＜0.1 MPa⁻¹，属低压缩性土；

0.1MPa⁻¹≤a₁₋₂＜0.5 MPa⁻¹，属中压缩性土；

a₁₋₂≥0.5 MPa⁻¹，属高压缩性土。

（3）压缩指数C_c

如采用e-lg p曲线，如图1-15（b）所示，可以看到，当压力较大时，e-lg p曲线接近直线。

将e-lg p曲线直线段的斜率用C_c来表示，称为压缩指数。

压缩指数C_c与压缩系数a不同，它在压力较大时为常数，不随压力变化而变化。C_c值越大，土的压缩性越高。一般认为，C_c＜0.2时，为低压缩性土；C_c=0.2~0.4时，为中压缩性土；C_c＞0.4时，为高压缩性土。

（4）压缩模量E_s

根据e-p曲线，可以得到另一个重要的侧限压缩指标——侧限压缩模量，简称压缩模量，用E_s来表示。其定义为土在完全侧限条件下竖向应力增量Δp与相应的应变增量 Δε的比值。

当竖向压力由p₁增至p₂时，土样高度由H₁减小至H₂，则Δp= p₂−p₁，土样压缩量Δs=H₁−H₂。

式中，E_s——侧限压缩模量，MPa。

在完全侧限条件下，试样截面积A以及土颗粒体积V_s不变，则试样体积

则在各级荷载下：

从而得出

由此可导出压缩系数a与压缩模量E_s之间的关系，即

同压缩系数a一样，压缩模量E_s也不是常数，而是随着压力大小而变化。因此，在运用到沉降计算中时，比较合理的做法是根据实际竖向应力的大小，在压缩曲线上取相应的孔隙比计算这些指标。一般认为，E_s＜4MPa时，为高压缩性土；E_s=4~15MPa时，为中压缩性土；E_s＞15MPa时，为低压缩性土。

（5）变形模量E₀

土的变形模量是指土体在无侧限条件下的应力与应变的比值，用E₀表示。其大小可由载荷试验结果求得。在p-s曲线的直线段或接近于直线段任选一压力p和它所对应的沉降s，根据弹性理论计算沉降的公式反求地基的变形模量E₀（MPa）：

式中，p——直线段的荷载（一般取临塑荷载p_cr），kPa；

s——相应于p的承压板下沉量；

d——承压板直径或边长；

μ——土的泊松比（碎石土取0.27，砂土取0.30，粉土取0.35，粉质黏土取0.38，黏土取0.42）；

I₀——刚性承压板的形状系数，圆形承压板取0.785，方形承压板取0.886。

如果p-s曲线不出现直线段时，当承压板面积为0.25~0.50m²，可取s=（0.01~0.015）d所对应的荷载代入式（1-30）计算，但该荷载不应大于最大加载量的一半。

（6）变形模量E₀与压缩模量E_s的关系

压缩模量E_s是土在完全侧限的条件下得到的，为竖向正应力与相应的正应变的比值。而变形模量E₀是根据现场载荷试验得到的，它是指土在侧向自由膨胀条件下正应力与相应的正应变的比值。

根据三向应力条件下的广义胡克定律，从理论上可以得到压缩模量与变形模量之间的换算关系：

由于0≤μ≤0.5，所以0≤β≤1。

由于土体不是完全弹性体，加之上述两种试验的影响因素较多，使得理论关系与实测关系有一定差距。实测资料表明，E₀与E_s的比值并不像理论得到的在0~1变化，而可能出现E₀/E_s超过1的情况，且土的结构性越强或压缩性越小，其比值越大。

2.土的抗剪强度指标

后来又根据黏性土的试验结果，提出更为普遍的抗剪强度表达公式：

式中，τ_f——土的抗剪强度，kPa；

σ——剪切滑动面上的法向总应力，kPa；

c——土的黏聚力，kPa；对无黏性土，c=0；

φ——土的内摩擦角，（°）。

以σ为横坐标轴，τ_f为纵坐标轴，抗剪强度线如图1-16所示。直线在纵坐标轴上的截距为黏聚力c,与横坐标轴的夹角为φ，c、φ称为土的抗剪强度指标。

1.1.6 地基承载力

地基承载力的确定是地基基础设计中一个非常重要而又复杂的问题，它不仅与土的物理力学性质有关，而且还与基础的类型、底面尺寸与形状、埋深、建筑类型、结构特点以及施工速度等有关。

《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）规定，地基承载力特征值可由载荷试验或其他原位测试、公式计算并结合工程实践经验等方法综合确定。

1.载荷试验

载荷试验装置如图1-17所示，一般由加荷稳压装置、反力装置和观测装置三部分组成。加荷稳压装置包括承压板、千斤顶和稳压器等；反力装置常用平台堆载或地锚；观测装置包括百分表及固定支架等。

现场载荷试验是在工程现场通过千斤顶逐级对置于地基土上的承压板施加荷载，观测记录沉降随时间的发展以及稳定时的沉降量s，将上述试验得到的各级荷载与相应的稳定沉降量绘制成p-s曲线，即获得了地基土载荷试验的结果。

（1）试验要求

试验通常在试坑中进行，试坑宽度或直径不应小于承压板宽度或直径的3倍。承压板面积不应小于0.25m²，对软土和粒径较大的填土不应小于0.50m²。试验时必须注意保持试验土层的原状结构和天然湿度，宜在拟试压表面用粗砂层中或中砂层中找平，其厚度不超过20mm。另外，同一土层参加统计的试验点不应少于3个。

（2）加荷方法与标准

① 第一级荷载（包括设备重量）接近开挖试坑所卸除的土重，相应沉降量不计。

② 第一级荷载后，每级荷载增量，对较松软的土采用10~25kPa，对较硬密的土采用50 kPa。

③ 加荷等级不应少于8级。最大加载量不应小于设计要求的2倍。

④ 每级加载后，按间隔5min、5min、10min、10min、15min、15min，以后间隔30min测读一次沉降量，当连续两小时每小时沉降量小于等于0.1mm时，可认为沉降已达相对稳定标准，施加下一级荷载。

（3）加载终止标准

当出现下列情况之一时，即认为土已达到极限状态，可终止加载。

① 承压板周围的土出现明显侧向挤出，周边岩土出现明显隆起或径向裂缝持续发展。

② 本级荷载的沉降量大于前级荷载沉降量的5倍，荷载与沉降曲线出现明显陡降。

③ 在某级荷载下24h沉降速率不能达到相对稳定标准。

④ 总沉降量与承压板直径（或宽度）之比超过0.06。

当满足前三种情况之一时，其对应的前一级荷载定为极限荷载。终止加载后，可按规定逐级卸载，并进行回弹观测，以做参考。

（4）p−s曲线

根据试验结果可绘制p−s曲线，图1-18所示为有明显陡降段的曲线。通常可分为三个阶段，即直线变形阶段、局部剪切阶段和完全破坏阶段。其中直线变形阶段与局部剪切阶段的界限点1处荷载称为比例界限荷载（或称临塑荷载），局部剪切阶段与完全破坏阶段的界限点2处荷载即为极限荷载。

《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）对根据p-s曲线确定承载力特征值做了如下规定。

① 当p−s曲线上有比例界限时，取该比例界限所对应的荷载值。

② 当极限荷载小于对应比例界限的荷载值的2倍时，取极限荷载值的一半。

③ 不能按上述二款要求确定时，当压板面积为0.25~0.5m²，可取s/b=0.01~0.015所对应的荷载，但其值不应大于最大加载量的一半。

另外，同一土层参加统计的试验点不应少于3点。当试验实测值的极差不超过其平均值的30%时，取此平均值作为该土层的地基承载力特征值f_ak。由于承压板尺寸较小，其在地基土中的影响范围有限，约为承压板宽度或直径的2倍；加之成层土的影响，不能充分反映实际基础下地基土的性状，应考虑承压板与实际基础的尺寸效应。

2.根据理论公式确定

式中，f_a——由土的抗剪强度指标确定的地基承载力特征值；

M_b、M_d、M_c——承载力系数，按表1-7确定；

b——基础底面宽度，大于6m时按6m取值，对于砂土小于3m时按3m取值；

d——基础埋置深度，宜自室外地面标高算起；

c_k——基底下一倍短边宽深度内土的黏聚力标准值；

γ——基础底面以下土的重度，地下水位以下取有效重度；

γ_m——基础底面以上土的加权平均重度，地下水位以下取有效重度。

式（1-35）适用于偏心距e≤0.033倍基础底面宽度的情况。由于按土的抗剪强度确定地基承载力时没有考虑建筑物对地基变形的要求，因此按式（1-35）所得承载力确定基础底面尺寸后，还应进行地基特征变形验算。

注：φ_k为基底下一倍短边宽度的深度范围内土的内摩擦角标准值（°）。

3.按照《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）确定地基承载力特征值

当地基宽度大于3m或埋置深度大于0.5m时，从载荷试验或其他原位测试、经验值等方法确定的地基承载力特征值，尚应按下式修正。

式中，f_a——修正后的地基承载力特征值；

f_ak——地基承载力特征值；

η_b、η_d——基础宽度和埋深的地基承载力修正系数，按基底下土的类别查表1-8取值；

γ——基础底面以下土的重度，地下水位以下取有效重度；

b——基础底面宽度（m），当基宽小于3m按3m取值，大于6m按6m取值；

γ_m——基础底面以上土的加权平均重度，地下水位以下取有效重度；

d——基础埋置深度（m），一般自室外地面标高算起。在填方整平地区，可自填土地面标高算起，但填土在上部结构施工后完成时，应从天然地面标高算起。对于地下室，如采用箱形基础或筏基时，基础埋置深度自室外地面标高算起；当采用独立基础或条形基础时，应从室内地面标高算起。

注：① 强风化和全风化的岩石，可参照所风化成的相应土类取值，其他状态下的岩石不修正；

② 地基承载力特征值按《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）附录D深层平板载荷试验确定时η_d取0；

③ 含水比是指土的天然含水量与液限的比值；

④ 大面积压实填土是指填土范围大于两倍基础宽度的填土。

【例1-3】某土层资料如图1-19所示，建筑物为柱下独立基础，基础宽度b=2.5m，求持力层修正后的地基承载力特征值。

解：b＜3m，仅进行深度修正。由粉质黏土e=0.723，I_L=0.44，查表1-8得η_d=1.6。

【例1-4】已知某条基底面面宽b=3m，埋深d=1.5m，荷载合力的偏心e=0.05m，地基为粉质黏土，黏聚力c_k=10kPa，内摩擦角φ_k=30°，地下水位距地表为1.0m，地下水位以上的重度γ=18kN/m³，试确定该地基土的承载力特征值。

解：因为e=0.05m＜0.033b=0.099m，所以按照抗剪强度理论确定地基土承载力。由φ_k=30°，查表1-7得M_b=1.90，M_d=5.59，M_c=7.95。

因为地基土位于地下水位以下，则

1.1.7 土的工程分类

土的工程分类是把不同的土分别安排到各个具有相近性质的组合中去，其目的是为了人们有可能根据同类土已知的性质去评价其工程特性，或为工程师提供一个可供采用的描述与评价土的方法。按照《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011），可将士分成岩石、碎石土、砂土、粉土、黏性土和人工填土等。

1.岩石的工程分类

（1）定义

岩石（基岩）是指颗粒间牢固连接，呈整体或具有节理裂隙的岩体。

（2）分类

① 按成因分为岩浆岩、沉积岩和变质岩。

② 根据坚固性即未风化岩石的饱和单轴抗压强度标准值f_rk分为坚硬岩、较硬岩、较软岩、软岩和极软岩，见表1-9。

当缺乏饱和单轴抗压强度资料或不能进行该项试验时，可在现场通过观察定性划分，见表1-10。

③ 根据风化程度分为未风化、微风化、中等风化、强风化和全风化，见表1-11。

④ 根据岩体完整程度可划分为完整、较完整、较破碎、破碎和极破碎，见表1-12。

（3）工程性质

微风化的硬质岩石为最优良的地基；强风化的软质岩石工程性质差，这类地基的承载力不如一般卵石地基承载力高。

2.碎石土的工程分类

（1）定义

碎石土是指粒径大于2 mm的颗粒含量超过全重50%的土。

（2）分类

根据土的粒径级配中各粒组含量和颗粒形状分为漂石、块石、卵石、碎石、圆砾和角砾，见表1-13。

注：分类时应根据粒组含量栏从上到下以最先符合者确定。

（3）工程性质

常见的碎石土强度大，压缩性小，渗透性大，为优良地基。其中，密实碎石土为优等地基；中密碎石土为优良地基；稍密碎石土为良好地基。

3.砂土的工程分类

（1）定义

砂土是指粒径大于2 mm的颗粒含量不超过全重50%、粒径大于0.075 mm的颗粒含量超过全重50%的土。

（2）分类

砂土根据粒组含量可分为砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂，见表1-14。密实度：密实、中密、稍密、松散四状态。

注：分类时应根据粒组含量栏从上到下以最先符合者确定。

（3）工程性质

① 密实与中密状态的砾砂、粗砂、中砂为优良地基；稍密状态的砾砂、粗砂、中砂为良好地基。

② 粉砂与细砂要具体分析：密实状态时为良好地基；饱和疏松状态时为不良地基。

4.粉土的工程分类

（1）定义

粉土是指粒径大于0.075 mm的颗粒含量不超过全重50%，且塑性指数I_p≤10的土。一般为砂粒、粉粒、黏粒的混合体。

（2）分类

粉土的性质介于砂土和黏性土之间，它具有砂土和黏性土的某些特征，不同地区的粉土中砂粒、粉粒、黏粒含量所占比例相差较大，因此工程特性也有所差别，但目前，由于经验积累的不同和认识上的差别，尚难确定一个能被普遍接受的划分亚类标准。

（3）工程性质

密实的粉土为良好地基；饱和稍密的粉土，地震时易产生液化，为不良地基。

5.黏性土的工程分类

（1）定义

黏性土是指塑性指数I_p＞10的土。

（2）分类

根据塑性指数大小，黏性土分为黏土和粉质黏土，当10＜I_p≤17时为粉质黏土，当I_p＞17时为黏土。黏性土的工程性质受土的成因、生成年代的影响很大，不同成因和年代的黏性土，即使某些物理性质指标很接近，但其工程性质可能相差很悬殊。勘察部门分类：老黏土（第四纪晚更新世（Q₃））、一般黏性土（第四纪晚更新世（Q₄））、新近沉积黏性土（文化期）。

（3）工程性质

黏性土的工程性质与其含水量的大小密切相关。密实硬塑的黏性土为优良地基；疏松流塑状态的黏性土为软弱地基。

6.人工填土的工程分类

（1）定义

人工填土是指由于人类活动而堆积的土。其成分复杂，均质性差。

（2）分类

根据人工填土的组成与成因分为素填土、压实填土、杂填土、冲填土四类，见表1-15。

根据人工填土的堆积年代分为老填土和新填土。通常黏性土堆填时间超过10年、粉土堆填时间超过5年的称为老填土；黏性土堆填时间少于10年、粉土堆填时间少于5年的称为新填土。

（3）工程性质

通常人工填土的工程性质不良，强度低，压缩性大且不均匀。其中，压实填土相对较好。杂填土因成分复杂，平面与立面分布很不均匀、无规律，工程性质较差。

1.1.8 土的压实原理

在工程建设中经常要进行填土压实，例如路基、堤坝、挡土墙、平整场地以及埋设管道、建筑物基坑回填等。为了增加填土的密实度，提高其强度，减少沉降量，降低透水性，通常采用分层碾压、夯实和振动的方法来处理地基。

土体能够通过碾压、夯实和振动等方法调整土粒排列，进而增加密实度的性质称为土的压实性。

工程实践表明，对于过湿的黏性土进行碾压或夯实会出现软弹现象（俗称橡皮土），土体不易被压实，对于很干的土进行碾压或夯实也不能充分夯实。因此，对应最佳的夯实效果，存在一个适宜的含水量大小。在一定的压实功能作用下，使土最容易被压实，并能达到最大密实度时的含水量，称为土的最优含水量ω_op，相应的干密度则称为最大干密度ρ_dmax。

1.击实试验

土的压实性可通过在实验室或现场进行击实试验来研究。室内击实试验方法如下：将同一种土配制成5份以上不同含水量的试样，用同样的压实功能分别对每一份试样分三层进行击实，然后测定各试样击实后的含水量ω和湿密度ρ，计算出干密度ρ_d，从而绘出一条ω−ρ_d关系曲线，即击实曲线。由图1-20可知，在一定击实功能下，只有当含水量达到某一特定值时，土才被击实至最大干密度。含水量大于或小于此特定值，其对应的干密度都小于最大干密度。这一特定含水量即为最优含水量ω_op。

2.影响压实效果的因素

（1）土的含水量

含水量较小时，土中水主要是强结合水，土粒间摩擦力、黏结力都很大，土粒的相对移动有困难，因而不易被压实；当含水量适当增大时，土中结合水膜变厚，土粒之间的连接力减弱而使土粒易于移动，压实效果变好；但当含水量继续增大，以致出现自由水，击实时孔隙中过多的水分不易立即排出，势必阻止土粒的靠拢，则压实效果反而下降。

试验统计证明：黏性土的最优含水量ω_op与土的塑限ω_p有关，大致为ω_op=ω_p+2（%）。土中黏土矿物含量越大，则最优含水量越大。

（2）击实功的大小

夯击的压实功能与夯锤的重量、落高、夯击次数以及被夯击土的厚度等有关；碾压的压实功能则与碾压机具的重量、接触面积、碾压遍数以及土层的厚度等有关。

对于同类土，压实功能越大，则最大干密度越大，而最优含水量越小。因此，在压实工程中要注意以下事项。

① 若土的含水量较小，则需选用夯实能量较大的机具，才能将土压实至最大干密度。

② 在碾压过程中，如未能将土压至最密实程度，则需增大压实功能（选用功能较大的机具或增加碾压遍数等）。

③ 若土的含水量较大，则应选用压实功能较小的机具，否则会出现“橡皮土”现象。

（3）土的性质

土的颗粒粗细、级配、矿物成分和添加的材料等因素对压实效果有影响。颗粒越粗的土，其最大干密度越大，而最优含水量越小；颗粒级配越均匀，压实曲线的峰值范围就越宽广而平缓；对于黏性土，压实效果与其中的黏土矿物成分含量有关；添加木质素和铁基材料可改善土的压实效果。

砂性土也可用类似黏性土的方法进行试验。干砂在压力和振动作用下，容易密实；稍湿的砂土，因有毛细压力作用使砂土互相靠紧，阻止颗粒移动，击实效果不好；饱和砂土，毛细压力消失，击实效果良好。

3.压实填土的质量指标

压实填土的质量以压实系数λ_c控制。压实系数为压实填土的控制干密度ρ_d与最大干密度ρ_dmax的比值，即

压实填土的最大干密度ρ_dmax宜采用击实试验或由现场试验来测定。当无试验资料时，最大干密度可按下式计算：

式中，ρ_dmax——分层压实填土的最大干密度；

η——经验系数，粉质黏土取0.96，粉土取0.97；

ρ_w——水的密度；

d_s——土粒相对密度；

ω_op——填料的最优含水量。

当填料为碎石或卵石时，其最大干密度可取2.0~2.2t/m³。

压实填土的质量应根据结构类型和压实填土所在部位按表1-16的数值确定。

注：地坪垫层以下及基础底面标高以上的压实填土，压实系数不应小于0.94。