楚留香新传下载种子:土的力学性质与试验

2.4 土的力学性质
2.4.1土的压缩特性与变形指标
1.    室内压缩试验
土的室内压缩试验亦称固结试验，是研究土压缩性的最基本的方法。
室内压缩试验采用的试验装置为压缩仪。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试验，常用的分级加荷量p为：50kPa,100kPa,200kPa,300kPa,400kPa。
首先，用环刀切取扁圆柱体，一般高2㎝，直径应于高度2.5倍，面积为30㎝2或50㎝2，试样连同环刀一起装入护环内，上下有透水石以便试样在压力作用下排水。
其次，在进水石顶部放一加压上盖，同时安装一只百分表用来量测试样的压缩。
由于试样不可能产生侧向变形而只有竖向压缩。于是，我们把这种条件下的压缩试验称为单向压缩试验或侧限压缩试验。
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DH 的关系，即：
（2-4-1）
这样，根据式（2-4-1）即可得到各级荷载p下对应的孔隙比e，从而可绘制出土样压缩试验的e-p曲线及e-lg p曲线等。
2. 压缩性指标
（1）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4-1所示。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：
(2-4-2)
式中a为压缩系数，MPa-1；压缩系数愈大，土的压缩性愈高。
从图2-4-1还可以看出，压缩系数a值与土所受的荷载大小有关。工程中一般采用100～200 kPa压力区间内对应的压缩系数a1-2来评价土的压缩性。即
a1-2<0.1 MPa-1      属低压缩性土；
0.1 MPa-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。
（2）压缩模量Es
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Es来表示。其定义为土在完全侧限的条件下竖向应力增量D p（如从 p1 增至p2 ）与相应的应变增量 De的比值：
(2-4-3)
式中 Es 为侧限压缩模量，MPa。
在无侧向变形，即横截面面积不变的情况下，同样根据土粒所占高度不变的条件，土样变形量△H可用相应的孔隙比的变化△e=e1-e2来表示：
（2-4-4）
由此还可导出压缩系数a与压缩模量Es之间的关系：
(2-4-5)
同压缩系数 一样，压缩模量Es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。
（3）压缩指数Cc
当采用半对数的直角坐标来绘制室内侧限压缩试验e-p关系时，就得到了e-lg p曲线（见图2-4-2）。在e-lg p曲线中可以看到，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Cc来表示，称为压缩指数，它是无量纲量：
（2-4-6）
压缩指数Cc与压缩系数 不同，它在压力较大时为常数，不随压力变化而变化。Cc值越大，土的压缩性越高，低压缩性土的Cc一般小于0.2，高压缩性土的Cc值一般大于0.4。
（4） 回弹指数Ce
常规的压缩曲线是在试验中连续递增加压获得的，如果加压到某一值pi；（相应于图2-4-3中曲线上的b点）后不再加压，而是逐级进行卸载直至零，并且测得各卸载等级下土样回弹稳定后土样高度，进而换算得到相应的孔隙比，即可绘制出卸载阶段的关系曲线，如图中bc曲线所示，称为回弹曲线（或膨胀曲线）。可以看到不同于一般的弹性材料的是，回弹曲线不和初始加载的曲线ab重合，卸载至零时，土样的孔隙比没有恢复到初始压力为零时的孔隙比e0。这就显示了土残留了一部分压缩变形，称之为残余变形，但也恢复了一部分压缩变形，称之为弹性变形。若接着重新逐级加压，则可测得土样在各级荷载作用下再压缩稳定后的孔隙比，相应地可绘制出再压缩曲线，如图2-4-3中cdf曲线所示。可以发现其中df段像是ab段的延续，犹如其间没有经过卸载和再压的过程一样。
卸载段和再压缩段的平均斜率称为回弹指数或再压缩指数Ce。通常Ce＜＜Cc，一般粘性土的Ce≈（0.l～0.2）Cc。
（5）弹性模量
弹性模量是指正应力s与弹性正应变（即可恢复应变）ed的比值。一般采用三轴仪进行三轴重复压缩试验，得到的应力-应变曲线上的初始切线模量Ei或再加荷模量Er作为弹性模量。在计算饱和粘性土地基上瞬时加荷所产生的瞬时沉降时，一般应采用弹性模量。
3. 现场载荷试验及变形模量
（1）现场载荷试验方法
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载荷板施加荷载，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。
现场载荷试验
图2-4-4 地基土现场载荷试验
1－载荷板  2－千斤顶  3－百分表  4－平台  5－枕木  6－堆重
（2）地基变形模量
在p-s曲线中，当荷载p小于某数值时，荷载p与载荷板沉降之间基本呈直线关系。在这段直线关系内，可根据弹性理论计算沉降的公式反求地基的变形模量E0：
(2-4-7)
式中p为直线段的荷载强度，kPa；s为相应于p的载荷板下沉量；b为载荷板的宽度或直径；m为土的泊松比，砂土可取0.2～0.25，粘性土可取0.25～0.45； 为沉降影响系数，对刚性载荷板取 =0.88 (方形板)； =0.79（圆形板）。
（3）关于三种模量的讨论
压缩模量Es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。该参数将用于地基最终沉降量计算的分层总和法、应力面积法等方法中。
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。该参数将用于弹性理论法最终沉降估算中，但载荷试验中所规定的沉降稳定标准带有很大的近似性。
弹性模量Ei可通过静力法或动力法测定，它是指正应力s与弹性（即可恢复）正应变e的比值。该参数常用于用弹性理论公式估算建筑物的初始瞬时沉降。
根据上述三种模量的定义可看出：压缩模量和变形模量的应变为总的应变，既包括可恢复的弹性应变，又包括不可恢复的塑性应变。而弹性模量的应变只包含弹性应变。
从理论上可以得到压缩模量与变形模量之间的换算关系：
（2-4-8）
由于土体不是完全弹性体，加上二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Es的比值并不象理论得到的在0～l之间变化，而可能出现E0/Es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。
土的弹性模量要比变形模量、压缩模量大得多，可能是它们的十几倍或者更大。
2.4.2土的强度理论
1.抗剪强度的库仑定律
土体发生剪切破坏时，将沿着其内部某一曲面（滑动面）产生相对滑动，而该滑动面上的切应力就等于土的抗剪强度。1776年，法国学者库仑(C.A.Coulomb)根据砂土的试验结果（图2-4-6（a）），将土的抗剪强度表达为滑动面上法向应力的函数，即
（2-4-9）
以后库仑又根据粘性土的试验结果（图2-4-6（b）），提出更为普遍的抗剪强度表达形式：
（2-4-10）
式中 tf为土的抗剪强度，kPa； 为剪切滑动面上的法向应力，kPa； c为土的粘聚力，kPa； 为土的内摩擦角，°。
上述土的抗剪强度数学表达式，也称为库仑定律，它表明在一般应力水平下，土的抗剪强度与滑动面上的法向应力之间呈直线关系，其中 c, 称为土的抗剪强度指标。这一基本关系式能满足一般工程的精度要求，是目前研究土的抗剪强度的基本定律。
上述土的抗剪强度表达式中采用的法向应力为总应力 ，称为总应力表达式。根据有效应力原理，土中某点的总应力 等于有效应力σ' 和孔隙水压力u之和，即σ=σ'+u。
若法向应力采用有效应力σ'，则可以得到如下抗剪强度的有效应力表达                 （2-4-11）
或                     （2-4-12）
式中 c´, 分别为有效粘聚力和有效内摩擦角，统称为有效应力抗剪强度指标。
2. 土的抗剪强度的构成
由土的抗剪强度表达式可以看出，砂土的抗剪强度是由内摩阻力构成，而粘性土的抗剪强度则由内摩阻力和粘聚力两个部分所构成。
内摩阻力包括土粒之间的表面摩擦力和由于土粒之间的连锁作用而产生的咬合力。咬合力是指当土体相对滑动时，将嵌在其它颗粒之间的土粒拔出所需的力，土越密实。连锁作用则越强。
粘聚力包括原始粘聚力、固化粘聚力和毛细粘聚力。
原始粘聚力主要是由于土粒间水膜受到相邻土粒之间的电分子引力而形成的，当土被压密时，土粒间的距离减小，原始粘聚力随之增大，当土的天然结构被破坏时，原始粘聚力将丧失一些，但会随着时间而恢复其中的一部分或全部。
固化粘聚力是由于土中化合物的胶结作用而形成的，当土的天然结构被破坏时，则固化粘聚力随之丧失，而且不能恢复。毛细粘聚力是由于毛细压力所引起的，一般可忽略不计。
土的抗剪强度指标的工程数值：
砂土的内摩擦角 变化范围不是很大，中砂、粗砂、砾砂一般为 =32°～40°；粉砂、细砂一般为 =28°～36°。孔隙比愈小， 愈大，但含水饱和的粉砂、细砂很容易失去稳定，因此对其内摩擦角的取值宜慎重，有时规定取  =20°左右。砂土有时也有很小的粘聚力（约10 kPa以内），这可能是由于砂土中夹有一些粘土颗粒，也可能是由于毛细粘聚力的缘故。
粘性土的抗剪强度指标的变化范围很大，它与土的种类有关，并且与土的天然结构是否破坏、试样在法向压力下的排水固结程度及试验方法等因素有关。内摩擦角的变化范围大致为 ＝0°～30°；粘聚力则可从小于10 kPa变化到200 kPa以上。
3. 土的强度理论与极限平衡条件
（1）土中一点的应力状态
设某一土体单元上作用着的大、小主应力分别为s1 和s3 , 根据材料力学理论，此土体单元内与大主应力 s1 作用平面成 角的平面上的正应力s和切应力t可分别表示如下：
（2-4-13）
上述关系也可用 t-s坐标系中直径为 、圆心坐标为 的摩尔应力图上一点的坐标大小来表示，如图2-4-7中之 A 点。
图2-4-7 土中应力状态
（2）土中应力与土的平衡状态
将抗剪强度包线与摩尔应力图画在同一张坐标图上，观察应力圆与抗剪强度包线之间的位置变化，如图2-4-8所示。随着土中应力状态的改变，应力圆与强度包线之间的位置关系将发生三种变化情况，土中也将出现相应的三种平衡状态：
1）当整个摩尔应力圆位于抗剪强度包线的下方时，表明通过该点的任意平面上的切应力都小于土的抗剪强度，此时该点处于稳定平衡状态，不会发生剪切破坏；
2）当摩尔应力圆与抗剪强度包线相切时（切点如图2-4-8中的A点），表明在相切点所代表的平面上，切应力正好等于土的抗剪强度，此时该点处于极限平衡状态，相应的应力圆称为极限应力圆。
3）当摩尔应力圆与抗剪强度包线相割时，表明该点某些平面上的切应力已超过了土的抗剪强度，此时该点已发生剪切破坏（由于此时地基应力将发生重分布，事实上该应力圆所代表的应力状态并不存在）；
（3）摩尔-库仑强度理论
在一定的压力范围内，土的抗剪强度可用库仑公式表示，当土体中某点的任一平面上的剪应力达到土的抗剪强度时，就认为该点已发生剪切破坏，该点也即处于极限平衡状态。土的这种强度理论称为摩尔-库仑强度理论。
1910年摩尔(Mohr)提出了材料破坏的第三强度理论即最大剪应力理论，并指出在破坏面上的切应力 tf是为该面上法向应力 s 的函数，即这个函数在 tf-s座标中是一条曲线，称为摩尔包线。当摩尔包线采用库仑定律表示的直线关系时，即形成了土的摩尔-库仑强度理论。
（4）土的极限平衡理论
根据极限应力圆与抗剪强度包线之间的几何关系，可建立以土中主应力表示的土的极限平衡条件如下：
（2-4-14）
或                  （2-4-15）
或               （2-4-16）
土的极限平衡条件同时表明，土体剪切破坏时的破裂面不是发生在最大切应力 tmax的作用面 上，而是发生在与大主应力的作用面成 的平面上。
（5）土的极限平衡条件的应用
土的极限平衡条件常用来评判土中某点的平衡状态，具体方法是根据实际最小主应力 s3 及土的极限平衡条件式（2-4-15） ,可推求土体处于极限平衡状态时所能承受的最大主应力 s1f,或根据实际最小主应力 s1 及土的极限平衡条件式（2-4-16） 推求出土体处于极限平衡状态时所能承受的最小主应力 s3f ，再通过比较计算值与实际值即可评判该点的平衡状态：
1）当 s1< s1f 或s3> s3f 时，土体中该点处于稳定平衡状态；
2）当 s1=s1f 或s3= s3f 时，土体中该点处于极限平衡状态；
3）当 s1> s1f 或s3< s3f 时，土体中该点处于破坏状态。
例　土样内摩擦角为 ＝23°，粘聚力为c=18 kPa，土中大主应力和小主应力分别为 s1=300 kPa， s3=120 kPa，试判断该土样是否达到极限平衡状态？
解：　应用土的极限平衡条件，可得土体处于极限平衡状态而大主应力 s1＝300 kPa时所对应的小主应力计算值 s3f 为：
计算结果表明 s3> s3f ，可判定该土样处于稳定平衡状态。上述计算也可以根据实际最小主应力 s3 计算 s1f 的方法进行。采用应力圆与抗剪强度包络线相互位置关系来评判的图解法也可以得到相同的结果。
2.4.3土体抗剪强度试验及强度指标
测定土的抗剪强度指标的试验方法主要有室内剪切试验和现场剪切试验二大类，室内剪切试验常用的方法有直接剪切试验、三轴压缩试验和无侧限抗压强度试验等，现场剪切试验常用的方法主要有十字板剪切试验。
1. 直接剪切试验
（1）直剪试验原理
直接剪切试验是测定土的抗剪强度的最简单的方法，它所测定的是土样预定剪切面上的抗剪强度。直剪试验所使用的仪器称为直剪仪，按加荷方式的不同，直剪仪可分为应变控制式和应力控制式两种。前者是以等速水平推动试样产生位移并测定相应的剪应力；后者则是对试样分级施加水平剪应力，同时测定相应的位移。我国目前普遍采用的是应变控制式直剪仪，该仪器的主要部件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，由杠杆系统通过加压活塞和透水石对试样施加某一法向应力 ，然后等速推动下盒，使试样在沿上下盒之间的水平面上受剪直至破坏，剪应力 的大小可借助与上盒接触的量力环测定。
试验中通常对同一种土取3～4个试样，分别在不同的法向应力下剪切破坏，可将试验结果绘制成抗剪强度 与法向应力 之间的关系，如图2-4-6所示。试验结果表明，对于砂性土，抗剪强度与法向应力之间的关系是一条通过原点的直线，直线方程可用库仑公式（2-4-9）表示；对于粘性土，抗剪强度与法向应力之间也基本成直线关系，该直线与横轴的夹角为内摩擦角 ，在纵轴上的截距为粘聚力 ，直线方程可用库仑公式（2-4-10）表示。
（2）直剪试验强度取值
试验结果表明，不同土性的土样在剪切试验时的剪应力t 与剪切位移d 关系曲线形态时有较大差异的。土样的抗剪强度应根据其t-Dl 曲线形态分别确定：对密实砂土、坚硬粘土等，其t-Dl 曲线将出现峰值(图2-4-9中3,4曲线)，可取峰值切应力作为该级法向应力s下的抗剪强度tf ；对松砂、软土等，t～Dl 曲线一般无峰值出现（图2-4-9中1,2曲线），可取剪切位移Dl＝4 mm时所对应的切应力作为该级法向应力s下的抗剪强度tf 。
（3）直剪试验方法分类
大量的试验和工程实践都表明，土的抗剪强度是与土受力后的排水固结状况有关，故测定强度指标的试验方法应与现场的施工加荷条件一致。直剪试验由于其仪器构造的局限无法做到任意控制试样的排水条件，为了在直剪试验中能尽量考虑实际工程中存在的不同固结排水条件，通常采用不同加荷速率的试验方法来近似模拟土体在受剪时的不同排水条件，由此产生了三种不同的直剪试验方法，即快剪、固结快剪和慢剪。
1）快剪。快剪试验是在对试样施加竖向压力后，立即以0.8 mm/min的剪切速率快速施加水剪应力使试样剪切破坏。一般从加荷到土样剪坏只用3～5min。由于剪切速率较快，可认为对于渗透系数小于10－6 cm/s的粘性土在剪切过程中试样没有排水固结，近似模拟了“不排水剪切”过程，得到的抗剪强度指标用 ， 表示。
2）固结快剪。固结快剪是在对试样施加竖向压力后，让试样充分排水固结，待沉降稳定后，再0.8 mm/min的剪切速率快速施加水平剪应力使试样剪切破坏。固结快剪试验近似模拟了“固结不排水剪切”过程，它也只适用于渗透系数小于10－6 cm/s的粘性土，得到的抗剪强度指标用 ， 表示。
3）慢剪。慢剪试样是在对试样施加竖向压力后，让试样充分排水固结，待沉降稳定后，以小于0.02 mm/min的剪切速率施加水平剪应力直至试样剪切破坏，使试样在受剪过程中一直充分排水和产生体积变形，模拟了“固结排水剪切”过程，得到的抗剪强度指标用 ， 表示。
（4）直剪试验的优缺点
直剪试验具有设备简单，土样制备及试验操作方便等优点，因而至今仍为国内一般工程所广泛使用。但也存在不少缺点，主要有：
l）剪切面限定在上下盒之间的平面，而不是沿土样最薄弱的面剪切破坏；
2）剪切面上剪应力分布不均匀，且竖向荷载会发生偏转（上下盒的中轴线不重合），主应力的大小及方向都是变化的；
3）在剪切过程中，土样剪切面逐渐缩小，而在计算抗剪强度时仍按土样的原截面面积计算；
4）试验时不能严格控制排水条件，并且不能量测孔隙水压力；
5）试验时上下盒之间的缝隙中易嵌入砂粒，使试验结果偏大。
2. 三轴压缩试验
（1）三轴压缩试验仪器
三轴压缩试验所使用的仪器是三轴压缩仪（也称三轴剪切仪），其构造示意图所示，主要由三个部分所组成：主机、稳压调压系统以及量测系统。
主机部分包括压力室、轴向加荷系统等。压力室是三轴仪的主要组成部分，它是一个由金属上盖、底座以及透明有机玻璃圆筒组成的密闭容器，压力室底座通常有3个小孔分别与稳压系统以及体积变形和孔隙水压力量测系统相连。
稳压调压系统由压力泵、调压阀和压力表等组成。试验时通过压力室对试样施加周围压力，并在试验过程中根据不同的试验要求对压力予以控制或调节，如保持恒压或变化压力等。
量测系统由排水管、体变管和孔隙水压力量测装置等组成。试验时分别测出试样受力后土中排出的水量变化以及土中孔隙水压力的变化。对于试样的竖向变形，则利用置于压力室上方的测微表或位移传感器测读。
（2）三轴试验的基本原理
常规三轴试验一般按如下步骤进行：
1）将土样切制成圆柱体套在橡胶膜内，放在密闭的压力室中，根据试验排水要求启闭有关的阀门开关。
2）向压力室内注入气压或液压，使试样承受周围压力 作用，并使该周围压力在整个试验过程中保持不变。
3）通过活塞杆对试样加竖向压力，随着竖向压力逐渐增大，试样最终将因受剪而破坏。
上述试验过程将依据试验要求不同而有所变化，可分别参见不固结不排水剪、固结不排水剪和固结排水剪的试验演示。
设剪切破坏时轴向加荷系统加在试样上的竖向压应力（称为偏应力）为 ，则试样上的大主应力为 ，而小主应力为 ，据此可作出一个极限应力圆。用同一种土样的若干个试件（一般3～4个）分别在不同的周围压力 下进行试验，可得一组极限应力圆，如图2-4-10(c)中的圆Ⅰ、圆Ⅱ和圆Ⅲ。作出这些极限应力圆的公切线，即为该土样的抗剪强度包络线，由此便可求得土样的抗剪强度指标c, 值。
2-图4-10 三轴试验基本原理
（3）三轴试验方法
通过控制土样在周围压力作用下固结条件和剪切时的排水条件，可形成如下三种三轴试验方法：
1）不固结不排水剪（UU试验）
试样在施加周围压力和随后施加偏应力直至剪坏的整个试验过程中都不允许排水，即从开始加压直至试样剪坏，土中的含水量始终保持不变，孔隙水压力也不会消散。UU试验得到的抗剪强度指标用cu、 表示，这种试验方法所对应的实际工程条件相当于饱和软粘土中快速加荷时的应力状况。
2）固结不排水剪（CU试验）
在施加周围压力 时，将排水阀门打开，允许试样充分排水，待固结稳定后关闭排水阀门，然后再施加偏应力，使试样在不排水的条件下剪切破坏。在剪切过程中, 试样没有任何体积变形。若要在受剪过程中量测孔隙水压力，则要打开试样与孔隙水压力量测系统间的管路阀门。CU试验得到的抗剪强度指标用ccu、 表示，其适用的实际工程条件为一般正常固结土层在工程竣工或在使用阶段受到大量、快速的活荷载或新增荷载的作用下所对应的受力情况，在实际工程中经常采用这种试验方法。
3）固结排水剪（CD试验）
在施加周围压力及随后施加偏应力直至剪坏的整个试验过程中都将排水阀门打开，并给予充分的时间让试样中的孔隙水压力能够完全消散。CD试验得到的抗剪强度指标用cd、 表示。
（4）三轴试验结果的整理
下面通过一个实例数据来说明如何用总应力法和有效应力法整理三轴试验的成果。
例　设有一组饱和粘土试样作固结不排水试验，3个试样分别施加的周围压力 、剪破时的偏应力 f和孔隙水压力uf等有关数据及部分计算结果见表。
表  三轴固结不排水试验成果 kPa   2
土样编号
1
2
3
土样编号
1
2
3
s3
50
100
150
uf
23
40
67
(s1－s3)f
92
120
164
27
60
83
s1
142
220
314
119
180
247
上述三轴试验数据的整理过程主要包括以下步骤：
在 坐标系中分别作出三个总应力摩尔圆，再作出其公切线即为总应力强度包线Kf ，量出强度包线的 轴上的截距和水平倾角即为总应力抗剪强度指标，其值分别为c=10 kPa, 。用相同的步骤作出有效应力摩尔圆和有效应力强度包线，量出相应的有效应力抗剪强度指标为 =6 kPa, 。如图所示。
三轴试验数据整理
实际上，由于土的强度特性会受某些因素如应力历史、应力水平等的影响，加上土样的不均匀性以及试验误差等原因，使得土的强度包线并非一条直线，因此极限应力圆上的破坏点不一定落在其公切线上。考虑到目前采用非线性强度包线的方法仍未成熟到实用的程度，故工程实际中一般仍将强度包线简化为直线。因此，在三轴试验数据的整理中其极限应力圆的公切线的绘制是比较困难的，往往需通过经验判断后才能作出。
（5）三轴试验的优缺点
三轴试验的突出优点是能够控制排水条件以及可以量测土样中孔隙水压力的变化。此外，三轴试验中试样的应力状态也比较明确，剪切破坏时的破裂面在试样的最弱处，而不像直剪试验那样限定在上下盒之间。一般来说，三轴试验的结果还是比较可靠的，因此，三轴压缩仪是土工试验不可缺少的仪器设备。三轴压缩试验的主要缺点是试验操作比较复杂，对试验人员的操作技术要求比较高。另外，常规三轴试验中的试样所受的力是轴对称的，与工程实际中土体的受力情况不太相符，要满足土样在三向应力条件下进行剪切试验，就必须采用更为复杂的真三轴仪进行试验。
从不同试验方法的试验结果可以看到，同一种土施加的总应力 虽然相同而试验方法或者说控制的排水条件不同时，则所得的强度指标就不相同，故土的抗剪强度与总应力之间没有唯一的对应关系。因此，若采用总应力方法表达土的抗剪强度时，其强度指标应与相应的试验方法（主要是排水条件）相对应。理论上说，土的抗剪强度与有效应力之间具有很好的对应关系，若在试验时量测土样的孔隙水压力，据此算出土中的有效应力，则可以采用与试验方法无关的有效应力指标来表达土的抗剪强度。
3.无侧限抗压强度试验
（1）试验原理
无侧限抗压强度试验是三轴压缩试验中周围压力s3=0的一种特殊情况，所以又称单轴试验。无侧限抗压强度试验所使用的无侧限压力仪,其结构构造可查阅其示意图，但现在也常利用三轴仪作该种试验，试验时，在不加任何侧向压力的情况下，对圆柱体试样施加轴向压力，直至试样剪切破坏为止。试样破坏时的轴向压力以qu表示，称为无侧限抗压强度。
由于不能施加周围压力，因而根据试验结果，只能作一个极限应力圆，难以得到破坏包线，如图2-4-11。饱和粘性土的三轴不固结不排水试验结果表明，其破坏包线为一水平线，即ju=0。因此，对于饱和粘性土的不排水抗剪强度，就可利用无侧限抗压强度 来得到，即
（2-4-17）
式中tf为土的不排水抗剪强度，kPa；cu为土的不排水粘聚力，kPa；qu为无侧限抗压强度，kPa。
（2）抗压强度试验指标其他工程的应用
无侧限抗压强度试验除了可以测定饱和粘性土的抗剪强度指标外，还可以测定饱和粘性土的灵敏度St。土的灵敏度是以原状土的强度与同一土经重塑后（完全扰动但含水量不变）的强度之比来表示的，即
（2-4-18）
式中qu为原状土的无侧限抗压强度，kPa； 为重塑土的无侧限抗压强度，kPa。
根据灵敏度的大小，可将饱和粘性土分为三类：
1＜St《2      低灵敏土
2＜St《4      中灵敏土
St＞4      高灵敏土
无侧限抗压强度试验适用于测定饱和软粘土的抗剪强度指标。土的灵敏度愈高，其结构性愈强，受扰动后土的强度降低就愈多。粘性土受扰动而强度降低的性质，一般说来对工程建设是不利的，如在基坑开挖过程中，因施工可能造成土的扰动而会使地基强度降低。
4.十字板剪切试验
十字板剪切仪及其试验示意图
圆柱形破坏面上强度的分布
（1）十字板剪切试验适用条件
十字板剪切试验是一种土的抗剪强度的原位测试方法，这种试验方法适合于在现场测定饱和粘性土的原位不排水抗剪强度，特别适用于均匀饱和软粘土。
（2）十字板剪切试验的基本操作
十字板剪切试验采用的试验设备主要是十字板剪力仪，十字板剪力仪通常由十字板头、扭力装置和量测装置三部分组成，其构造情况可查阅其构造示意图。试验时，先把套管打到要求测试深度以下75 cm，将套管内的土清除，再通过套管将安装在钻杆下的十字板压入土中至测试的深度。加荷是由地面上的扭力装置对钻杆施加扭矩，使埋在土中的十字板扭转，直至土体剪切破坏（破坏面为十字板旋转所形成的圆柱面）。
（3）十字板抗剪强度计算
设土体剪切破坏时所施加的扭矩为M，则它应该与剪切破坏圆柱面（包括侧面和上下面）上土的抗剪强度所产生的抵抗力矩相等，即
（2-4-19）
式中 M为剪切破坏时的扭矩，kN·m；tV，tH分别为剪切破坏时圆柱体侧面和上下面土的抗剪强度，kPa；H为十字板的高度，m；D为十字板的直径，m。
天然状态的土体是各向异性的，但实用上为了简化计算，假定土体为各向同性体，即tV＝tH，并记作t＋，则式（5-11）可写成：
（2-4-20）
式中 为十字板测定的土的抗剪强度，kPa。
室内试验都要求事先取得原状土样，由于试样在采取、运送、保存和制备等过程中不可避免地会受到扰动，土的含水量也难以保持天然状态，特别是对于高灵敏度的粘性土扰动更大，故试验结果对土的实际情况的反映将会受到不同程度的影响。十字板剪切试验由于是直接在原位进行试验，不必取土样，故土体所受的扰动较小，被认为是比较能反映土体原位强度的测试方法，但如果在软土层中夹有薄层粉砂，则十字板试验结果就可能会偏大。
5. 抗剪强度试验方法与指标的选用
在实际工程中，地基条件与加荷情况不一定非常明确，如加荷速度的快慢、土层的厚薄、荷载大小以及加荷过程等都没有定量的界限值，而常规的直剪试验与三轴试验是在理想化的室内试验条件下进行，与实际工程之间存在一定的差异。因此，在选用强度指标前需要认真分析实际工程的地基条件与加荷条件，并结合类似工程的经验加以判断，选用合适的试验方法与强度指标。
（1）试验方法
相对于三轴试验而言，直剪试验的设备简单，操作方便，故目前在实际工程中使用比较普遍。然而，直剪试验中只是用剪切速率的“快”与“慢”来模拟试验中的“不排水”和“排水”，对试验排水条件的控制是很不严格的，因此在有条件的情况下应尽量采用三轴试验方法。另外，GBJ 123-88《土工试验方法标准》规定直剪试验的固结快剪和快剪试验只适用于渗透系数小于 cm/s的粘土，对于其它的土类，则不宜采用直剪试验方法。
（2）有效应力强度指标
用有效应力法及相应指标进行计算，概念明确，指标稳定，是一种比较合理的分析方法，只要能比较准确地确定孔隙水压力，则应该推荐采用有效应力强度指标。当土中的孔隙水压力能通过实验、计算或其它方法加以确定时，宜采用有效应力法。有效应力强度指标可用三轴排水剪成三轴固结不排水剪（测孔隙水压力）测定。
（3）不固结不排水剪指标
土样进行不固结不排水剪切时，所施加的外力将全部由孔隙水压力承担，土样完全保持初始的有效应力状况，所测得的强度即为土的天然强度。在对可能发生快速加荷的正常固结粘性土上的路堤进行短期稳定分析时，可采用不固结不排水的强度指标；对于土层较厚、渗透性较小、施工速度较快工程的施工期或竣工时，分析也可采用不固结不排水剪的强度指标。
（4）固结不排水剪指标
土样进行固结不排水剪试验时，周围固结压力s3将全部转化为有效应力,而施加的偏应力将产生孔隙水压力。在对土层较薄、渗透性较大、施工速度较慢的工程进行分析时，可采用固结不排水剪的强度指标。
2.4.4软土在荷载作用下的强度增长规律
饱和软粘土地基在外荷载作用下，随着孔隙水压力的消散以及土层的固结，土的抗剪强度也将会随之而增长。
图2-4-12表示饱和软土强度增长的概念。当地面瞬时加荷时，地基中某一点总应力状态可用A 圆表示，若孔隙水压力为u ，则有效应力状态可用 圆表示，如果有效应力圆与强度包线粗切，该点就处于极限平衡状态。随着孔隙水压力u 逐渐消散，有效应力圆慢慢向右移动，即离开土强度包线的距离越来越大，也就是说该点由极限状态转人弹性状态。当孔隙水压力u 消散到零时， 圆向右移到A圆位置，两者重合为一，抗剪强度则由 增加至 。
对于正常固结土，通常有效粘聚力c’=0,则由图中关系可得：
(2-4-21)
若总应力增量为 ，某一时刻达到的固结度为U，则 产生的强度增量为：
(2-4-22)
式中： —有效内摩擦角。
土体的实际受力情况和排水条件是十分复杂的，不可能在实验室内完全得到模拟。为了简化，工程中有时采用只模拟在压力作用下的排水固结过程，而不模拟剪力作用下的附加压缩的方法。对于荷载面积相对于土层厚度比较大的预压工程，正常固结的饱和粘性土，由于土层固结而增长的强度可按下式计算：
（2-4-23）  式中： ―固结不排水剪强度指标。
式（2-4-23）所表示的强度增长方法，由于用的是总应力指标，所以是近似的估算方法，但试验和计算都比较简单，在工程上已得到广泛的应用。
左图表示的是某油罐地基强度增长的现场实测资料。油罐的储量为10000cm3，直径34.29m ,高11.91m,使用了40多年，拟拆除重建。在油罐底面积范围内和范围外分别进行了现场静力触探试验，实测结果可以看出，油罐底面积范围内地基土的强度明显高于油罐底面积范围外的强度。特别是在15m深度范围内，土的强度增长尤为显著，这是因为在这一深度范围内的土层夹有较多薄层粉细砂，排水效果比较好，因此易于固结。15m以下为含水量很高的淤泥质粘土层，虽本身的强度较低，但在油罐底面积范围内，其强度也将近增长了一倍。
饱和软土地基在外荷作用下的强度增长是值得重视的研究课题。在工程实践中，例如建筑物加层时的地基承载力问题、材料堆场和油罐地基分级加荷的稳定分析等，都涉及到地基的强度增长问题。
2.4.5土的压实特性与压实土的力学特性
1. 土体压实性的工程意义
在工程建设中，经常遇到填土或松软地基，为了改善这些土的工程性质，常采用压实的方法使土变得密实，这往往是一种经济合理的改善土的工程性质的方法。这里所说的使土变密实是指采用人工或机械的手段对土体施加机械能量，使土颗粒重新排列变密实，使土在短时间内得到新的结构强度，包括增强粗粒土之间的摩擦和咬合，以及增加细粒土之间的分子。
实践表明，由于土的基本性质复杂多变，同一压实功能对于不同种类、不同状态的土的压实效果可以完全不同。因此，为了技术上可靠和经济上合理，需要了解土的压实特性与变化规律，以利工程实践。
在工程建设中经常会遇到需要将土按一定要求进行堆填和密实的情况，例如路堤、土坝、桥台、挡土墙、管道埋设、基础垫层以及基坑回填等。填土不同于天然土层，因为经过挖掘、搬运之后，原状结构已被破坏，含水量亦已发生变化，堆填时必然在土团之间留下许多孔隙。未经压实的填土强度低，压缩性大而且不均匀，遇到水易发生塌陷、崩解等。为使其满足稳定性和变形方面的工程要求，必须按一定标准加以压实。特别是像道路路堤这样的构筑物，在车辆频繁运行引起的反复荷载作用下，可能出现不均匀的或过大的沉陷、塌落甚至失稳滑动，从而恶化运营条件并增加维修工作量。所以，路堤填土必须具有足够的密实度以确保行车平顺和安全。
土的压实也用在地基处理方面，如用重锤夯实处理松软土地基使之提高承载力。早先的重锤夯实多用于地基表层松软或地基的设计荷载较小时，目前对于松软土层较厚或设计荷载较大的情况，也可以用高功能的夯压法即所谓强夯法进行处理。
在这一节里着重从土质学和土力学的角度介绍土体压实的机理及压实土的力学特性与指标。至于其他有关土体压实的问题，如土料选择、堆填要求、路堤施工现场压实效果控制以及施工方法等等属专业课程内容，在此均不涉及。
2. 土的击实试验与压实原理
（1）土的击实试验
击实试验是研究土的压实性能的室内试验方法，所用的主要设备是击实仪。目前我国通用的击实仪有两类，即轻型击实仪和重型击实仪，并根据击实土的最大粒径，分别采用两种不同规格的击实筒。击实仪的规格见后表，不同规格的击实筒示意图见图2-4-13，图中大击实筒适用于最大粒径为38 mm的土，小击实筒适用于最大粒径为25mm的土。击实仪的基本部分都是击实筒和击实锤，前者是用来盛装制备土样，后者对土样施以夯实功能。击实试验时，将含水量为一定值的土样分层装人击实筒内，每铺一层后都用击实锤按规定的落距锤击一定的次数；然后由击实筒的体积和筒内被击实土的总重力算出被击实土的湿重度 ，从已被击实的土中取样测定其含水量 ，由式（2-4-24）算出击实土样的干重度 （它可以反映出被击实土的密度）:
=    （2-4-24）
这样通过对一个土样的击实试验就得到一对数据，即击实土的含水量 与干重度 。对一组不同含水量的同一种土样按上述方法作击实试验，便可得到一组成对的含水量和干重度，将这些数据绘制成击实曲线如图2-4-14所示，它表明在一定击实功作用下土的含水量与干重度的关系。
击实仪的规格
击实仪型号
锤质
量
（㎏）
锤底
直径（㎝）
落
高
（㎝）
击实
功
（kJ/m3）
每
层
击
数
层
数
击实筒
直
径
（㎝）
高
度
（㎝）
容
积
（cm3）
轻型
I
2.5
5
30
598
27
3
10
12.7
997
轻型
II
2.5
5
30
598
59
3
15.2
12
2177
重型
I
4.5
5
45
2687
27
3
10
12.7
997
重型
II
4.5
5
45
2687
98
3
15.2
12
2177
（2）土的压实特性
l）压实曲线性状
击实试验所得到的击实曲线（图2-4-14）是研究土的压实特性的基本关系图。从图中可见，击实曲线（ ）上有一峰值，此处的干重度为最大，称为最大干重度 ；与之对应的制备土样含水量则称为最佳含水量 （或称最优含水量）。峰点表明，在一定的击实功作用下，只有当压实土粒为最佳含水量时，土才能被击实至最大干重度，才能达到最大压实效果。
最佳含水量 和最大干重度 这两个指标十分重要，对于路基设计和施工都很有用处。最佳含水量与塑限含水量 相接近，在击实试验时可取 = 或 = +2以及 = （ 是液限含水量）等作为选择合适的制备土样含水量范围的参考。后表给出了塑性指数小于22的土的最佳含水量和最大干重度的经验数值。
图2-4-13 击实筒示意图
a)       小击实筒；b)大击实筒
1-套筒；2-击实筒；3-底板；4-垫块
图2-4-14击实曲线
最佳含水量和最大干重度的经验数值
塑性指数IP
最大干重度
最佳含水量 （％）
<10
>18.5
<13
10～14
17.5～18.5
13～15
14～17
17.0～17.5
15～17
17～20
16.5～17.0
17～19
20～22
16.0～16.5
19～21
从图2-4-14的曲线形态还可看到，曲线左段比右段的坡度陡。这表明含水量变化对于干重度影响在偏干（指含水量低于最佳含水量）时比偏湿（指含水量高于最佳含水量）时更为明显。
在 曲线中还给出了饱和曲线，它表示当土处于饱和状态时的 关系。饱和曲线与击实曲线的位置说明，土是不可能被击实到完全饱和状态的。试验表明，粘性土在最佳击实情况下（即击实曲线峰点），其饱和度通常为80 ％左右，整个击实曲线始终在饱和曲线左下侧。这一点可以这样理解：当土的含水量接近和大于最佳值时，土孔隙中的气体将处于与大气不连通的状态，击实作用已不能将其排出土外。
2）不同土类与不同击实功能对压实特性的影响
在同一击实功能条件下，不同土类的击实特性是不一样的。图2-4-15是五种不同土料的击实试验结果，图a）是其不同的粒径曲线，图b）是五种土料在同一标准击实试验中所得到的五条击实曲线。从图可见，含粗粒越多的土样最大重度越大，而最佳含水量越小，即随着粗颗粒增多，曲线形态不变而峰点向左上方移动。另外，土的颗粒级配对压实效果也影响颇大，颗粒级配良好的土容易被压实，颗粒级配均匀则最大干重度偏小。
图2-4-16表示同一种土样在不同击实功能作用下所得到的压实曲线。随着压实功能的增大，击实曲线形态不变，但位置发生了向左上方的移动，即 增大而 减小。图中的曲线形态还表明，当土为偏干时，增加击实功对提高干重度的影响较大，偏湿时则收效不大，故对偏湿的土企图用增大击实功的办法提高它的击实效果是不经济的。
图2-4-15 不同土料击实曲线的比较        图2-4-16 压实功能对击实曲线的影响
3）土的压实特性的机理解释
一般认为土的压实特性同土的组成与结构、土粒的表面现象、毛细管压力、孔隙水和孔隙气压力等均有关系，所以因素是复杂的。但可以这样简要地理解：压实的作用是使土块变形和结构调整以致密实，在松散湿土的含水量处于偏干状态时，由于粒间引力使土保持比较疏松的凝聚结构，土中孔隙大都相互连通，水少而气多，在一定的外部压实功能作用下，虽然土孔隙中气体易被排出，密度可以增大，但由于较薄的强结合水水膜润滑作用不明显以及外部功能不足以克服粒间引力，土粒相对移动便不显著，因此压实效果比较差；含水量逐渐加大时，水膜变厚、土块变软，粒间引力减弱，施以外部压实功能则土粒移动，加之水膜的润滑作用，压实效果渐佳；在最佳含水量附近时，土中所含的水量最有利于土粒受击时发生相对移动，以致能达到最大干重度；当含水量再增加到偏湿状态时，孔隙中出现了自由水，击实时不可能使土中多余的水和气体排出，从而孔隙压力升高更为显著，抵消了部分击实功，击实功效反而下降，这便出现了如图2-4-14中击实段曲线右段所示的干重度下降的趋势。在排水不畅的情况下，过多次数的反复击实，甚至会导致土体密度不加大而土体结构被破坏的后果，出现工程上所谓的“橡皮土”现象，应注意加以避免。
（3）压实土的压缩性和强度
1）压缩性
压实土的压缩性取决于它的密度和加荷时的含水量，以击实土作压缩试验时可以发现，在某一荷载作用下，有些土样压缩稳定后，如加水使之饱和，土样就会在同一荷载作用下出现明显的附加压缩。而这一现象的出现与否和击实试样时的含水量很有关系。下表中的数据表明，尽管土的干重度相同，但偏湿土样附加压缩的增加比偏干时附加压缩的增长来得大。这一现象在路堤填筑工程的设计与施工控制中必须引起注意，特别是为水浸润的路堤构筑物可能因此造成损坏和行车不安全。为了消除这一不利影响，就有必要确定填土受水饱和时不会产生附加压缩所需的最小含水量。
一般说来，填土在压实到一定密度以后，其压缩性就大为减小。当填土的干重度 >16.5kN/m3时，变形模量E0显著提高。这对于作为建筑物地基的填土显得尤为重要。
不同填筑含水量试样的附加压缩量（压缩试验中的体积应变值）
有效轴向荷载（kPa）
填筑条件
低于最佳值1％
（ ＝17.76kN/cm3）
最佳含水量时
（ ＝17.6kN/cm3）
高于最佳值1％
（ ＝17.76kN/cm3）
175
1.9
1.9
2.3
700
2.9
3.7
4.5
1225
5.2
5.9
7.6
1750
6.8
7.8
9.0
2）强度
压实土的抗剪强度性状也主要取决于受剪时的密度和含水量。图2-4-17表示两个含水量不同（偏干和偏湿）的压实土试样无侧限抗压强度试验曲线。由图可见，偏干试样的强度大，但试样具有明显的脆性破坏特点。图2-4-18则是对同样条件的击实土试样，进行三轴不固结不排水（UU）试验和固结不排水（CU）试验的对比曲线，试验时所施加的侧压力同为 =175kPa。图中可见，当试样受到一定大小的侧压力时，偏干试样强度也大，但不呈现明显的脆性破坏特性。所以就强度而言，用偏干的土样去填筑是大有好处的。这一室内试验得出的论点已为相当多的现场资料所证实。
从图2-4-19所示曲线可见，当压实土的含水量低于最佳含水时（偏干状态），虽然干重度比较小，强度却比最大干重度时大得多。这是因为此时的击实虽未使土达到最密实状态，但它克服了土粒引力等的联结，形成了新的结构，能量转化为土强度的提高。这就是说，压实土的强度在一定条件下可以通过增加压实功能予以提高。
图2-4-17 不同含水量压实土的          图2-4-18 不同含水量压实土的三轴试验
无侧限抗压强度试验
图2-4-19 压实土强度与
干重度、含水量的关系
上述关于土的强度试验结果说明，一般情况下，只要满足某些给定的条件，压实土的强度还是比较高的。但正如关于它的压缩性特征的研究所发现的压实土遇水饱和会发生附加压缩问题一样，在强度方面它也有潜在危险的一面，即浸水软化会使强度降低（实际上附加压缩可以看做是强度软化的外观表现形态），这就是所谓的水稳定性问题。公路、铁路的路堤和堤坝等土工构筑物都无法避免浸水润湿，尤其是那些修筑于河滩地带的过水路堤，水稳定性的研究于控制更是重要。
2.4.6土的工程特性
1. 土的成因类型特征
根据土的地质成因，土可分为残积土、坡积土、洪积土、冲积土、湖积土、海积土、冰积及冰水沉积土和风积土等类型。一定成因类型的土具有一定的沉积环境、具有一定的土层空间分布规律和一定的土类组合、物质组成及结构特征。但同一成因类型的土，在沉积形成后，可能遭到不同的自然地质条件和人为因素的变化，而具有不同的工程特性。
（1） 残积土
形成原因：岩石经风化后未被搬运的原岩风化剥蚀后的产物，其分布主要受地形的控制，如在宽广的分水岭地带及平缓的山坡，残积土较厚。
工程特征：一般呈棱角状，无层理构造，孔隙度大；存在基岩风化层（带），土的成分和结构呈过渡变化。
工程地质问题：1）建筑物地基不均匀沉降，原因土层厚度、组成成分、结构及物理力学性质变化大，均匀性差，孔隙度较大；2）建筑物沿基岩面或某软弱面的滑动等不稳定问题，原因原始地形变化大，岩层风化程度不一。
（2） 坡积土
形成原因：经雨雪水洗刷、剥蚀、搬运，及土粒在重力作用下顺着山坡逐渐移动形成的堆积物，一般分布在坡腰上或坡脚下，上部与残积土相接。
工程特征：具分选现象；下部多为碎石、角砾土；上部多为粘性土；土质（成分、结构）上下不均一，结构疏松，压缩性高，土层厚度变化大。
工程地质问题：建筑物不均匀沉降；沿下卧残积层或基岩面滑动等不稳定问题。
（3）洪积土
形成原因：碎屑物质经暴雨或大量融雪骤然集聚而成的暂时性山洪急流挟带在山沟的出口处或山前倾斜平原堆积形成的洪积土体。山洪携带的大量碎屑物质流出沟谷口后，因水流流速骤减而呈扇形沉积体，称洪积扇。
工程特征：具分选性；常具不规划的交替层理构造，并具有夹层、尖灭或透镜体等构造；近山前洪积土具有较高的承载力，压缩性低；远山地带，洪积物颗粒较细、成分较均匀、厚度较大。
工程地质问题：洪积土一般可作为良好的建筑地基，但应注意中间过渡地带可能地质较差，因为粗碎屑土与细粒粘性土的透水性不同而使地下水溢出地表形成沼泽地带，且存在尖灭或透镜体。
（4） 冲积土
形成原因：碎屑物质经河流的流水作用搬运到河谷中坡降平缓的地段堆积而形成，发育于河谷内及山区外的冲积平原中。根据河流冲积物的形成条件，可分为河床相、河漫滩相、牛轭湖相及河口三角洲相。
工程特征：古河床相土压缩性低，强度较高，而现代河床堆积物的密实度较差，透水性强；河漫滩相冲积物具有双层结构，强度较好，但应注意其中的软弱土层夹层；牛轭湖相冲积土压缩性很高、承载力很低，不宜作为建筑物的天然地基；三角洲沉积物常常是饱和的软粘土，承载力低，压缩性高，但三角洲冲积物的最上层常形成硬壳层，可作低层或多层建筑物的地基。
（5） 湖泊沉积物
形成原因：分湖边沉积物和湖心沉积物两类，湖边沉积物由湖浪冲蚀湖岸形成的碎屑物质在湖边沉积而形成的，近岸带多为粗颗粒的卵石、圆砾和砂土，远岸带为细颗粒的砂土和粘性土；湖心沉积物由河流和湖流挟带的细小悬浮颗粒到达湖心后沉积形成的，主要是粘土和淤泥，常夹有细砂、粉砂薄层。
工程特征：湖边沉积物具有明显的斜层理构造，近岸带土的承载力高，远岸带则差些；湖心沉积物压缩性高，强度很低；若湖泊逐渐淤塞，则可演变为沼泽，形成沼泽土，主要由半腐烂的植物残体和泥炭组成的，含水量极高，承载力极低，一般不宜作天然地基。
（6） 海洋沉积物
海洋沉积物可分为如下四类：
滨海沉积物：主要由卵石、圆砾和砂等组成，具有基本水平或缓倾的层理构造，其承载力较高，但透水性较大。
浅海沉积物：主要由细粒砂土、粘性土、淤泥和生物化学沉积物（硅质和石灰质）组成，有层理构造，较滨海沉积物疏松、含水量高、压缩性大而强度低。
陆坡和深海沉积物：主要是有机质软泥，成分均一。
海洋沉积物：在海底表层沉积的砂砾层很不稳定，随着海浪不断移动变化，选择海洋平台等构筑物地基时，应慎重对待。
（7） 冰积土和冰水沉积土
冰积土和冰水沉积土是分别由冰川和冰川融化的冰下水进行搬运堆积而成，其颗粒以巨大块石、碎石、砂、粉土及粘性土混合组成。一般分迭性极差，无层理，但冰水沉积常具斜层理。颗粒呈棱角状，巨大块石上常有冰川擦痕。
（8） 风积土
风积土是指在干旱的气候条件下，岩石的风化碎屑物被风吹扬，搬运一段距离后，在有利的条件下堆积起来的一类土。颗粒主要由粉粒或砂粒组成，土质均匀，质纯，孔隙大，结构松散。最常见的是风成砂及风成黄土，风成黄土具有强湿陷性。
2.  特殊土的主要工程性质
特殊土是指具有一定分布区域或工程意义上具有特殊成分、状态或结构特征的土。我国的特殊土不仅类型多，而且分布广，如各种静水环境沉积的软土，西北、华北等干旱、半干旱气候区的湿陷性黄土，西南亚热带湿热气候区的红粘土，南方和中南地区的膨胀土，高纬度、高海拔地区的多年冻土及盐渍土、人工填土和污染土等。
（1） 软土：
软土指天然孔隙比大于或等于1.0，且天然含水量大于液限的细粒土，包括淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土等。
软土的分布
软土在我国沿海地区分布广泛，内陆平原和山区亦有分布。我国东海、黄海、渤海、南海等沿海地区，例如滨海相沉积的天津塘沽，浙江温州、宁波等地，以及溺谷相沉积的闽江口平原河滩相沉积的长江中下游、珠江下游、淮河平原、松辽平原等地区。内陆(山区)软土主要位于湖相沉积的洞庭湖、洪泽湖、太湖、鄱阳湖四周和古云梦泽地区边缘地带，以及昆明的滇池地区，贵州六盘水地区的洪积扇等。
（2） 湿陷性黄土
湿陷性黄土：在上覆土的自重压力作用下，或在上覆土的自重压力与附加压力共同作用下，受水浸湿后土的结构迅速破坏而发生显著附加下沉的黄土。
湿陷性黄土的特征和分布
黄土是第四纪干旱和半干旱气候条件下形成的一种特殊沉积物。颜色多呈黄色、淡灰黄色或褐黄色；颗粒组成以粉土粒为主，粒度大小较均匀，粘粒含量较少；含碳酸盐、硫酸盐及少量易溶盐；含水量小，；孔隙比大，且具有肉眼可见的大孔隙；具有垂直节理，常呈现直立的天然边坡。黄土按其成因可分为原生黄土和次生黄土。一般认为不具层理的风成黄土为原生黄土。原生黄土经过流水冲刷、搬运和重新沉积而形成的为次生黄土。次生黄土一般具有层理，并含有砂砾和细砾。
我国黄土分布面积约64万km2，其中具有湿陷性的约27万km2，分布在北纬33°～47°之间。一般湿陷性黄土大多指新黄土，即晚更新世 马兰黄土和全新世 次生黄土，它广泛覆盖在老黄土之上的河岸阶地，颗粒均匀或较为均匀，结构疏松，大孔发育。
黄土湿陷性的形成及影响因素
1）黄土湿陷性的形成原因
内在因素：黄土的结构特征及其物质组成。
外部条件：水的浸润和压力作用。
2）黄土湿陷性的影响因素：黄土湿陷性强弱与其微结构特征、颗粒组成、化学成分等因素有关，在同一地区，土的湿陷性又与其天然孔隙比和天然含水量有关，并取决于浸水程度和压力大小。
我国湿陷性黄土的固有特征有：
1）黄色、褐黄色、灰黄色；2）粒度成分以粉土颗粒（0.05～0.005mm）为主，约占60％；3）孔隙比e一般在1.0左右，或更大；4）含有较多的可溶性盐类，例如：重碳酸盐、硫酸盐、氯化物；5）具垂直节理；6）一般具肉眼可见的大孔。
湿陷性黄土工程特征：
1）塑性较弱；2）含水较少；3）压实程度很差，孔隙较大；4）抗水性弱，遇水强烈崩解，膨胀量较小，但失水收缩交明显；5）透水性较强；6）强度较高，因为压缩中等，抗剪强度较高。
（3） 红粘土
红粘土的定义与形成条件
红粘土指碳酸盐岩系出露区的岩石，经红土化作用形成的棕红、褐黄等色的高塑性粘土，液限一般大于50%，上硬下软，具明显的收缩性，裂隙发育。经再搬运后仍保留红粘土基本特征，液限大于45%小于50%的土称为次生红粘土。
形成条件：1）气候特点：气候变化大，年降水量大于蒸发量，潮湿的气候有利于岩石的机械风化和化学风化；2）岩 性：主要为碳酸盐类岩石，当岩层褶皱发育、岩石破碎时，更易形成红粘土。
红粘土的分布规律
红粘土主要为残积、坡积类型，也有洪积类型，其分布多在山区或丘陵地带。这种受形成条件所控制的土，为一种区域性的特殊性土。在我国以贵州、云南、广西分布最为广泛和典型，其次在安徽、川东；粤北、鄂西和湘西也有分布。一般分布在山坡、山麓、盆地或洼地中，其厚度的变化与原始地形和下伏基岩面的起伏变化密切相关。
红粘土的成分特点
红粘土的粒度成分中，小于0．005mm的粘粒含量为60％～80％，其中小于0．002 mm的胶粒占40％～70％，使红粘土具有高分散性。红粘土的矿物成分主要为高岭石、伊利石和绿泥石。红粘土的化学成分以SiO2、A12O3和Fe2O3为主，其次为CaO、MgO、K2O和Na2O。粘土矿物具有稳定的结晶格架，细粒组结成稳固的团粒结构，土体近于两相系且土中水多为结合水。
1）红粘土的物理力学性质：一是天然含水量、孔隙比、饱和度以及塑性界限（液限和塑限）都很高，但却具有较高的力学强度和较低的压缩性，二是各种指标的变化幅度很大。
2）红粘土的裂隙性与胀缩性
A.裂隙性： 处于坚硬和硬塑状态的红粘土层，由于胀缩作用形成了大量裂隙，且裂隙的发生和发展速度极快，在干旱气候条件下，新挖坡面数日内便可被收缩裂隙切割得支离破碎，使地面水易侵入，土的抗剪强度降低，常造成边坡变形和失稳。
B.胀缩性：红粘土的胀缩性能表现为以缩为主。即在天然状态下膨胀量微小，收缩量较大，经收缩后的土试样浸水时，可产生较大的膨胀量。
3）红粘土中的地下水特征
红粘土的透水性微弱，其中的地下水多为裂隙性潜水和上层滞水，它的补给来源主要是大气降水，基岩岩溶裂隙水和地表水体，水量一般均很小。在地势低洼地段的土层裂隙中或软塑、流塑状态土层中可见土中水，水量不大，且不具统一水位。红粘土层中的地下水水质属重碳酸钙型水，对混凝土一般不具腐蚀性。
（4） 膨胀土
膨胀土的分布
膨胀土是指含有大量的强亲水性粘土矿物成分，具有显著的吸水膨胀和失水收缩、且胀缩变形往复可逆的高塑性粘土。膨胀土的胀缩性会导致建筑物开裂和损坏，并造成坡地建筑场地崩塌、滑坡、地裂等严重的不稳定因素。
膨胀土的特征
土体的现场工程地质特征
1）地形、地貌特征：膨胀土多分布于Ⅱ级以上的河谷阶地或山前丘陵地区，个别处于I级阶地。
2）土质特征：颜色呈黄、黄褐、灰白、花斑（杂色）和棕红等色；多为高分散的粘土颗粒组成，常有铁锰质及钙质结核等零星包含物；近地表部位常有不规则的网状裂隙。
膨胀土的物理、力学及胀缩性指标
1）粘粒含量多达35％～85％。    2）天然含水量接近或略小于塑限，故一般呈坚硬或硬塑状态。     3）天然孔隙比小，便其天然孔隙比随土体湿度的增减而变化，即土体增湿膨胀，孔隙比变大；土体失水收缩，孔隙比变小。    4）自由膨胀量一般超过40％，而各地膨胀土的膨胀率、膨胀力和收缩率等指标的试验结果的差异很大。    5）关于膨胀土的强度和压缩性。
膨胀土在天然条件下一般处于硬塑或坚硬状态，强度较高，压缩性较低。但会因干缩、裂隙发育及不规则网状与条带状结构等原因，破坏了土体的整体性，降低承载力，并可能使土体丧失稳定性。注意不能单纯从“平衡膨胀力”的角度，或小块试样的强度考虑膨胀土地基的整体强度问题。同时，当膨胀土的含水量剧烈增大或土的原状结构被扰动时，土体强度会骤然降低，压缩性增高。
影响膨胀土胀缩变形的主要因素及其评价
主要内在因素：土的粘粒含量和蒙脱石含量、土的天然含水量和密实度及结构强度等。
主要外部因素：引起地基土含水量剧烈或反复变化的各种因素，如气候条件、地形地貌及建筑物地基不同部位的日照、通风及局部渗水影响等。
膨胀土建筑场地与地基的评价，应根据场地的地形地貌条件、膨胀土的分布及其胀缩性能、等级地表水和地下水的分布、集聚和排泄条件，并按建筑物的特点、级别和荷载情况，分析计算膨胀土建筑场地和地基的胀缩变形量、强度和稳定性问题，为地基基础、上部结构及其他工程设施的设计与施工提供依据。
（5） 填土
填土是一定的地质、地貌和社会历史条件下，由于人类活动而堆填的土。填土在堆填方式、组成成分、分布特征及其工程性质等方面，表现出一定的复杂性。在一般的岩土工程勘察与设计工作中，如何正确评价、利用和处理填土层，将直接影响到基本建设的经济效益和环境效益。根据《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002），填土可划分为素填土、杂填土、冲填土及压实填土四类。
1）素填土
由碎石、砂土、粉土或粘性土等一种或几种材料组成的填土。
素填土作为地基应注意的工程地质问题如下：
A.素填土的密实度和均匀性；
B.素填土地基的不均匀性。
2）杂填土
杂填土为含有大量杂物的填土，如建筑垃圾土、工业废料土、生活垃圾土等。以生活垃圾和腐蚀性及易变性工业废料为主要成份的杂填土，一般不宜作为建筑物地基；对以建筑垃圾或一般工业废料主要组成的杂填土，采用适当措施处理后可作为一般建筑物地基。
利用杂填土作为地基时应注意的工程地质问题如下：
A.不均匀性：颗粒成分、密实度和平面分布及厚度的不均匀性；
B.工程性质随堆填时间而变化；
C.结构松散、干或稍湿的杂填土一般具有浸水湿陷性；
D.含腐殖质及水化物问题。
3）冲填土（吹填土）
冲填土由水力冲填泥砂形成的沉积土，即在整理和疏浚江河航道时，有计划地用挖泥船，通过泥浆泵将泥砂夹大量水分，吹送至江河两岸而形成的一种填土。在我国长江、上海黄浦江、广州珠江两岸，都分布有不同性质的冲填土。
冲填土的工程特性如下：
A.冲填土的颗粒组成和分布规律与所冲填泥砂的来源及冲填时的水力条件有关系。
B.冲填土的含水量大，透水性较弱，排水固结差，一般呈软塑或流塑状态。
C.冲填土一般比同类自然沉积饱和土的强度低，压缩性高。
3.  影响土的工程性质的其他因素
（1）矿物成分对土的工程性质影响
1）可溶盐,对土的工程性质影响的实质是：溶解后使土的粒间连接减弱，增大土的孔隙性，降低土的强度和稳定性，增大其压缩性。
2）粘土矿物,是主要的次生矿物，是组成粘粒的主要矿物成分。大多具有由硅氧四面体与铝氧八面体两个基本单位所组成的层状结晶格架。根据不同结晶格架，可形成很多种类的粘土矿物，其中分布较广且对土性质影响较大的是蒙脱石、高岭石和伊利石(或水云母)三种。高岭石晶层之间连结牢固，水不能自由渗入，故其亲水性差，可塑性低，胀缩性弱；蒙脱石则反之，晶胞之间连结微弱，活动自由，亲水性强，胀缩性亦强；伊利石的性质介于二者之间。
3）有机质,有机质对土的工程性质影响的实质是它比粘土矿物有更强的胶体特性和更高的亲水性。
（2）毛细水的工程地质意义
1）毛细压力促使土的强度增高 ；
2）毛细水上升接近基础底面时，增大基底附加应力，增大建筑物的沉降；
3）当地下水埋深浅，由于毛细管水上升，可助长地基土的冰冻现象；地下室潮湿；危害房屋基础及公路路面；促使土的沼泽化；
4）腐蚀管道和混凝土。