土的物理力学性质及其指标共33页共35页

(E, ν) 与(K, G)的转换关系‎如下：)21(3ν-=EK)1(2ν+=EG （7.2）当ν值接近‎0.5的时候不‎能盲目的使‎用公式3.5，因为计算的‎K 值将会非‎常的高，偏离实际值‎很多。

最好是确定‎好K 值(利用压缩试‎验或者P 波‎速度试验估‎计)，然后再用K ‎和ν来计算‎G 值。

表7.1和7.2分别给出‎了岩土体的‎一些典型弹‎性特性值。

岩石的弹性‎（实验室值）（Goodm a n,1980） 表7.1土的弹性特‎性值（实验室值）（Das,1980） 表7.2各向异性弹‎性特性——作为各向异‎性弹性体的‎特殊情况，横切各向同‎性弹性模型‎需要5中弹‎性常量：E 1, E 3, ν12,ν13和G 13；正交各向异‎性弹性模型‎有9个弹性‎模量E 1,E 2,E 3, ν12,ν13,ν23,G 12,G13和G 23。

这些常量的‎定义见理论‎篇。

均质的节理‎或是层状的‎岩石一般表‎现出横切各‎向同性弹性‎特性。

一些学者已‎经给出了用‎各向同性弹‎性特性参数‎、节理刚度和‎空间参数来‎表示的弹性‎常数的公式‎。

表3.7给出了各‎向异性岩石‎的一些典型‎的特性值。

流体弹性特‎性——用于地下水‎分析的模型‎涉及到不可‎压缩的土粒‎时用到水的‎体积模量K ‎f ，如果土粒是‎可压缩的，则要用到比‎奥模量M 。

纯净水在室‎温情况下的‎K f 值是2‎ Gpa 。

其取值依赖‎于分析的目‎的。

分析稳态流‎动或是求初‎始孔隙压力‎的分布状态‎（见理论篇第‎三章流体-固体相互作‎用分析），则尽量要用‎比较低的K ‎f ，不用折减。

这是由于对‎于大的Kf ‎流动时间步‎长很小，并且，力学收敛性‎也较差。

在FLAC ‎3D 中用到‎的流动时间‎步长,∆ tf 与孔隙 度n ，渗透系数k ‎以及Kf 有‎如下关系：'f f kK nt ∝∆ （7.3） 对于可变形‎流体（多数课本中‎都是将流体‎设定为不可‎压缩的）我们可以通‎过获得的固‎结系数来决‎νC 定改变Kf ‎的结果。

(E, ν与) (K, G) 的转换关系如下：KE3(1 2 )GE（7.2）2(1 )当 ν值接近0.5 的时候不能盲目的使用公式 3.5，因为计算的 K 值将会非常的高，偏离实际值很多。

最好是确定好K 值 (利用压缩试验或者P 波速度试验估计 )，然后再用 K 和 ν来计算 G 值。

表 7.1 和 7.2 分别给出了岩土体的一些典型弹性特性值。

岩石的弹性（实验室值） （Goodman,1980） 表 7.1干密度 (kg/m 3)E(GPa) ν K(GPa)G(GPa)砂岩 19.3 0.38 26.8 7.0 粉质砂岩26.30.22 15.6 10.8石灰石 2090 28.5 0.29 22.6 11.1页岩 2210-25711.10.298.84.3大理石 270055.8 0.25 37.2 22.3花岗岩73.80.2243.930.2土的弹性特性值（实验室值） （Das,1980）表 7.2松散均质砂土 密质均质砂土松散含角砾淤泥质砂土 密实含角砾淤泥质砂土硬质粘土 软质粘土 黄土软质有机土冻土3弹性模量 E(MPa)泊松比 ν 干密度 (kg/m ) 1470 10-260.2-0.41840 34-690.3-0.45163019400.2-0.41730 6-14 0.2-0.5 1170-1490 2-30.15-0.251380610-820 2150各向异性弹性特性——作为各向异性弹性体的特殊情况，横切各向同性弹性模型需要5 中弹性常量： E E 3 , ν12 , ν 和 G 13 ；正交各向异性弹性模型有9 个弹性模量 E1, 131,E 2,E 3,ν12 , ν , ν 和 G 23。

这些常量的定义见理论篇。

1323 ,G 12,G 13均质的节理或是层状的岩石一般表现出横切各向同性弹性特性。

一些学者已经给出了用各向同性弹性特性参数、节理刚度和空间参数来表示的弹性常数的公式。

(E, ν) 与(K, G)的转换关系如下：)21(3ν-=EK)1(2ν+=EG （7.2）当ν值接近0.5的时候不能盲目的使用公式3.5，因为计算的K 值将会非常的高，偏离实际值很多。

最好是确定好K 值(利用压缩试验或者P 波速度试验估计)，然后再用K 和ν来计算G 值。

表7.1和7.2分别给出了岩土体的一些典型弹性特性值。

岩石的弹性（实验室值）（Goodman,1980） 表7.1土的弹性特性值（实验室值）（Das,1980） 表7.2各向异性弹性特性——作为各向异性弹性体的特殊情况，横切各向同性弹性模型需要5中弹性常量：E 1, E 3, ν12,ν13和G 13；正交各向异性弹性模型有9个弹性模量E 1,E 2,E 3, ν12,ν13,ν23,G 12,G 13和G 23。

这些常量的定义见理论篇。

均质的节理或是层状的岩石一般表现出横切各向同性弹性特性。

一些学者已经给出了用各向同性弹性特性参数、节理刚度和空间参数来表示的弹性常数的公式。

表3.7给出了各向异性岩石的一些典型的特性值。

横切各向同性弹性岩石的弹性常数（实验室） 表7.3流体弹性特性——用于地下水分析的模型涉及到不可压缩的土粒时用到水的体积模量K f ，如果土粒是可压缩的，则要用到比奥模量M 。

纯净水在室温情况下的K f 值是2 Gpa 。

其取值依赖于分析的目的。

分析稳态流动或是求初始孔隙压力的分布状态（见理论篇第三章流体-固体相互作用分析），则尽量要用比较低的K f ，不用折减。

这是由于对于大的K f 流动时间步长很小，并且，力学收敛性也较差。

在FLAC 3D 中用到的流动时间步长,∆ tf 与孔隙度n ，渗透系数k 以及K f 有如下关系：'f f k K nt ∝∆ （7.3） 对于可变形流体（多数课本中都是将流体设定为不可压缩的）我们可以通过获得的固结系数νC 来决定改变K f 的结果。

f'K nm k C +=νν （7.4）其中3/4G K 1m +=νf 'k k γ=其中，'k ——FLAC 3D 使用的渗透系数k ——渗透系数，单位和速度单位一样（如米/秒） f γ——水的单位重量考虑到固结时间常量与νC 成比例，我么可以将K f 的值从其实际值（Pa 9102⨯）减少，利用上面得表达式看看其产生的误差。

土力学{教育管理}土的物理性质指标与工程分类土力学土是松散颗粒的堆积物，是岩石风化的产物。

根据来源分：有机土和无机土岩石风化分为物理风化和化学风化。

土是指覆盖在地表的没有胶结或弱胶结的颗粒堆积物。

土力学物理风化：岩石经受风、霜、雨、雪的侵蚀，或受波浪的冲击、地震等引起各种力的作用，温度的变化、冻胀等因素使整体岩石产生裂隙、崩解碎裂成岩块、岩屑的过程。

物理风化只改变颗粒的大小和形状，不改变岩石的矿物成分。

化学风化：岩体（或岩块、岩屑）与氧气、二氧化碳等各种气体、水和各种水溶液等物质相接触，经氧化、碳化和水化作用，使这些岩石或岩屑逐渐产生化学变化，分解为极细颗粒的过程。

化学风化不但改变了颗粒的大小和形状，也改变了岩石的矿物成分。

土力学特征：☞物理风化：量变过程，形成的土颗粒较粗；☞化学风化：质变过程，形成的土颗粒很细。

对一般的土而言，通常既经历过物理风化，又有化学风化，只不过哪种占优而已。

土力学土从其堆积或沉积的条件来看可分为：⎧⎪⎧⎪⎪⎪⎨⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎩残积土冲积土土风积土运积土冰碛土沼泽土残积土：岩石风化后仍留在原地未经搬运的堆积物。

特点：湿热地带，粘土，深厚，松软，易变；寒冷地带，岩块或砂，物理风化，稳定；颗粒多为角粒。

土力学运积土：岩石风化后经流水、风和冰川以及人类活动等搬运离开生成地点后再沉积下来的堆积物。

由于搬运动力的不同，又分为冲积土、风积土、冰碛土和沼泽土等。

冲积土：降雨形成的地表径流流经地表时，冲刷、带动或搬运土粒，经过一定距离后在较平缓地带沉积下来的土层。

风积土：由风力带动土粒经过一段搬运距离后沉积下来的堆积物。

冲积土的特点：有一定程度的颗粒分选和不均匀性。

风积土的特点：颗粒沿风向有一定程度的颗粒分选，没有明显的层理，颗粒以带角的细砂粒和粉粒为主，同一地区颗粒较均匀。

土力学冰川沉积土：由冰川剥落、搬运形成的堆积物。

冰碛土：几乎未经流水搬运直接从冰层中搁置下来的土。

冰碛土的特点：不成层；颗粒粒径的变化范围很大，从漂石到粘粒；粗颗粒的形状是次圆或次棱角的，有时还有磨光面。

表2 部分岩石的孔隙率与吸水率花岗岩0.04 7 2.80 0.95 0.10〜-1.70流纹斑岩 1.10 7.40 2.00 0.14〜-1.65闪长岩0.25 7.00 1.25 0.18〜-1.00 正长岩— 2.54 0.48安山岩0.29 〜1.13 0.70 —玄武岩 1.10 4.30 2.30 0.20〜-1.00辉绿岩 1.00 7 2.20 1.70 0.30〜-0.80霏细岩0.29 T.10 2.20 0.20〜-1.00凝灰岩 1.59 7 2.23 1.80 0.18〜-0.35 火山角砾岩0.90 7 7.54 3.20 0.34 〜2.12安山凝灰集块岩0.40 〜4.10 2.10 0.14〜-4.00砾岩 2.00 T.10 3.20 0.40〜-1.00 砂岩 1.04 7 9.30 5.04 0.14 〜4.10砂岩（第三纪） 5.00〜20.00 13.00 1.00〜-9.00砂岩（白垩纪） 2.20〜42.00 15.30 —砂岩（侏罗纪）7.20〜-37.70 17.10 —砂岩（三迭纪） 4.20〜-24.60 13.20 —砂岩新鲜的0.60〜27.70 19.30 —风化的—21.11 —石英砂岩— 2.26 —石英砂岩新鲜的— 1.71 —风化的— 4.91 —页岩0.70 7.00 一 2.30〜-6.00 砂质页岩0.80 〜4.15 一—泥质页岩— 1.35 —煤质页岩— 1.03 —泥灰岩 1.00〜-52.00 18.00 1.00〜-5.00石灰石0.53〜27.00 12.00 0.20〜-6.40石灰岩（第三纪）—20.00 —石灰岩（中生代） 1.20〜26.50 11.65 —石灰岩（古生代）0.80〜27.00 12.00 —白垩 5.00〜-58.00 26.40 —石膏0.10 7 4.00 1.70 —硬石膏0.63 7 6.26 1.65 —片麻岩0.30 7 2.40 1.35 0.14〜-0.30 大理岩0.10 7 6.00 1.00 —白云岩0.30〜25.00 7.70 —石英岩0.00 7 8.70 2.40 0.02〜-0.28注：1.平均比重取：砂为 2.65 ;轻亚粘土为 2.70 ;亚粘土为2.71 ;粘土 2.74。

岩土的物理力学性质指标
岩土的物理力学性质指标应根据工程地质划分的扇形区及各区的边坡变形破坏特点.选取与之有关的试样进行力学试验.测定岩石及软弱夹层物理力学性质指标。

岩石及软弱夹层的物理性质指标详见表1至表7。

表1 部分岩石的容重
表2 部分岩石的孔隙率与吸水率
表3 不同成因粘土的有关物理力学性质指标（一）
表4 不同成因粘土的有关物理力学性质指标（二）
表5 几种土的渗透系数表
表6 土的平均物理、力学性质指标（一）
表7 土的平均物理、力学性质指标（二）
注：1.平均比重取：砂为2.65；轻亚粘土为2.70；亚粘土为2.71；粘土2.74。

2.粗砂与中砂的Eo值适用于不均系数Cu=3时.当Cu＞5时应按表中所列值减少2/3。

Cu为中间值时. Eo 值按内插法确定。

3.对于地基稳定计算.采用内摩擦角φ的计算值低于标准值2°。

岩石及软弱夹层的力学性质指标见表8至表25。

表8 岩石力学性质指标的经验数据（一）。

(E, ν) 与(K, G)的转换关系如下：)21(3ν-=EK)1(2ν+=EG （） 当ν值接近的时候不能盲目的使用公式，因为计算的K 值将会非常的高，偏离实际值很多。

最好是确定好K 值(利用压缩试验或者P 波速度试验估计)，然后再用K 和ν来计算G 值。

表和分别给出了岩土体的一些典型弹性特性值。

岩石的弹性（实验室值）（Goodman,1980） 表,土的弹性特性值（实验室值）（Das,1980）表各向异性弹性特性——作为各向异性弹性体的特殊情况，横切各向同性弹性模型需要5中弹性常量：E1, E3,ν12,ν13和G13；正交各向异性弹性模型有9个弹性模量E1,E2,E3,ν12,ν13,ν23,G12,G13和G23。

这些常量的定义见理论篇。

均质的节理或是层状的岩石一般表现出横切各向同性弹性特性。

一些学者已经给出了用各向同性弹性特性参数、节理刚度和空间参数来表示的弹性常数的公式。

表给出了各向异性岩石的一些典型的特性值。

横切各向同性弹性岩石的弹性常数（实验室）表} 花岗岩流体弹性特性——用于地下水分析的模型涉及到不可压缩的土粒时用到水的体积模量K f ，如果土粒是可压缩的，则要用到比奥模量M 。

纯净水在室温情况下的K f 值是2 Gpa 。

其取值依赖于分析的目的。

分析稳态流动或是求初始孔隙压力的分布状态（见理论篇第三章流体-固体相互作用分析），则尽量要用比较低的K f ，不用折减。

这是由于对于大的K f 流动时间步长很小，并且，力学收敛性也较差。

在FLAC 3D 中用到的流动时间步长, tf与孔隙度n ，渗透系数k 以及K f 有如下关系：'f f k K nt ∝∆ （） 对于可变形流体（多数课本中都是将流体设定为不可压缩的）我们可以通过获得的固结系数νC 来决定改变K f 的结果。

|f'K nm k C +=νν （）其中3/4G K 1m +=νf 'k k γ=其中，'k ——FLAC 3D 使用的渗透系数k ——渗透系数，单位和速度单位一样（如米/秒） f γ——水的单位重量考虑到固结时间常量与νC 成比例，我么可以将K f 的值从其实际值（Pa 9102⨯）减少，利用上面得表达式看看其产生的误差。

土的物理性质、水理性质和力学性质第二章土的物理性质、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、土的基本物理性质土的三相图（见教材P62图）（一）土粒密度(particle density)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：ss s V m =ρ g/cm 3 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/cm 3左右粉质砂土的土粒密度一般为：2.68g/cm 3粉质粘土的土粒密度一般为：2.68~2.72g/cm 3粘土的土粒密度一般为：2.7-~2.75g/cm 3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=m s +m w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：vs w s V V m m V m ++==ρ 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。

岩土的物理力学性质指标
岩土的物理力学性质指标应根据工程地质划分的扇形区及各区的边坡变形破坏特点，选取与之有关的试样进行力学试验，测定岩石及软弱夹层物理力学性质指标。

岩石及软弱夹层的物理性质指标详见表1至表7。

表1 部分岩石的容重
表2 部分岩石的孔隙率与吸水率
表3 不同成因粘土的有关物理力学性质指标（一）
表4 不同成因粘土的有关物理力学性质指标（二）
表5 几种土的渗透系数表
表6 土的平均物理、力学性质指标（一）
表7 土的平均物理、力学性质指标（二）
注：1.平均比重取：砂为2.65；轻亚粘土为2.70；亚粘土为2.71；粘土2.74。

2.粗砂与中砂的Eo值适用于不均系数Cu=3时，当Cu＞5时应按表中所列值减少2/3。

Cu为中间值时， Eo 值按内插法确定。

3.对于地基稳定计算，采用内摩擦角φ的计算值低于标准值2°。

岩石及软弱夹层的力学性质指标见表8至表25。

表8 岩石力学性质指标的经验数据（一）。

土的物理力学性质土的物理力学性质，通常在土力学中加以研究。

土力学是利用力学知识和土工试验技术来研究土的强度、变形及其规律的一门学科。

要了解土的物理力学性质，首先得了解和掌握土的特点，然后才能应用土力学的基本知识去正确地解决水土保持工程建筑中的土工问题。

土的特性表现在下述两方面：1．土的复杂性2．土的易变性在土体中，土的固相构成土的骨架。

骨架土粒的矿物成分、含水量、颗粒大小和结构，影响着土的性质。

上述土的三个组成部分的性质，它们之间量的比例关系，以及它们之间的相互作用，决定了土的物理力学性质。

工程上就是用某些物理量来说明土的物理性质和物理状态。

这些定量的数值，就叫土的物理性质指标。

物理性质指标与土的复杂的工程特性，如渗透性、压缩性和强度等，有着紧密联系，所以研究土的物理性质指标，是解决土工问题的最基本的课题。

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧砂土的密实度湿化膨胀与收缩湿化粘性土的膨胀、收缩与液性指数塑性指数度关系粘性土的稠度界限与强缩限塑限液限粘性土的稠度界限粘性土的稠度土的物理状态指标土的饱和度土的孔隙率和孔隙比计算推导指标土的含水量土粒比重浮容重饱和土容重湿土容重干土容重土的容重实验测定指标土的物理性质指标土的物理力学性质指标用试验方法测得的土的容重、土粒比重和含水量后，即可计算其他基本指标。

为了方便，常用下三相图（图1-1）来简化三相在数量上的关系。

该图是假想将土体内的固相、液相和气相分别集中在一起，然后计算各相间的体积与重量关系。

图中符号意义是：V s －土粒体积；V w －土中水体积；V a －土中空气体积；V v －土中孔隙体积，V v ＝V w + V a V －土的总体积，V ＝V v +V w + V a ；G s －土粒重量；G w －土中水重量；G a －土中空气重量，G a ≈0；G v －土中水、空气重量，G v ＝G w + G a ≈ G w ；G －土的总重量，G ＝G v +G w + G a 。