大学校园内软土的物理性质指标与力学性质的关系分析

摘要：通过大量实验数据，分别分析了土的物理性质指标包括含水率、孔隙比、干密度与压缩系数、不排水强度的关系。给出了用物理性质指标预估压缩系数、不排水强度的公式。

关键词：含水率；孔隙比；干密度；压缩系数；不排水强度

中图分类号： G633 文献标识码： A

1 概述

校园内土的物理性质主要决定于组成土的固体颗粒、孔隙中的水和气体这三相所占的体积和质量的比例关系，反映这种关系的指标称为土的物理性质指标。土的物理性质指标不仅可以描述土的物理性质和它所处的状态，而且，在一定程度上反映土的力学性质。本文主要针对近年来苏南地区某些工程的数百个土样的试验结果，探讨了物理性质指标在预估土的力学性质方面的可行性。

2 土的物理性质指标与压缩系数及不排水强度的关系

2.1 土样选取

选取近年来苏南地区数百个土样的试验结果进行分析，土样的饱和度均达到95%以上，所选取孔隙比e均小于 1.35。根据规范[1]对各类土的定义，按土粒大小、粒组的土粒含量或土的塑性指数把地基土分为碎石土、砂土、粉土、粘性土四大类。本文主要研究粘性土，将粘性土按塑性指数Ip分为粘土及粉质粘土分别进行研究。

2.2 物理性质指标选取

选取反映土最基本性质的物理性质指标：含水率、孔隙比和干密度作为基本指标总结出其与压缩系数及不排水强度的关系。

2.3 各物理性质指标与压缩系数的关系

土是散粒体结构材料，其颗粒间的孔隙与它所受外力的大小有关，外力增加土颗粒将重新排列，导致土体体积缩小。在外力作用下，土体体积缩小即为压缩，对于饱和土体，其体积变化的原因只是由于水从孔隙中排出，本文所选取的土样均为饱和土，经过分析得出两种土样的压缩系数与其含水率等物理性质指标直接的关系。[ ]

图1~图3为粘土的各项物理性质指标和压缩系数α100-200的关系,

相关性 76%相关性 76%

相关性 75% 相关性 87%

相关性76%相关性87%

类似可以整理出粉质粘土各项物理性质指标与压缩系数的关系：

含水率 孔隙比 干密度

粉质粘土 y=0.018x-0.2423

(相关性79%) y=0.6687x-0.2591

(相关性77%) y=-0.7792x+1.4539

(相关性77%)

注：表中公式中x为各项物理性质指标，y为压缩系数。

己有研究表明[2]，各类土按粘粒含量区分,土的物理性质指标和压缩系数呈指数与幂函数关系，且相关性很好。本文研究用简单的分类按最简单的线性关系进行拟合，所得的相关性较其他类型曲线好。另外，通过对孔隙比大于1.35土样的研究分析，发现随着孔隙比的增加，即含水率增加，各项回归方程的斜率明显增大，且相关性较好。由于大孔隙比的淤泥质土及淤泥的样本数目还偏少，本文没有对其提出回归方程。对于各回归线与X轴的交点，并不是意味着当横坐标表示的某物理性质指标达到一定值时土的压缩系数为零或者为负。当含水率很小时，粘性土在外力作用下不产生较大的变形而容易破裂，土进入半固体状态，含水率突破缩限后就进入固体状态，此时土的压缩性就无从谈起了，在一般工程中极少能碰到这种情况。

2.4 各物理性质指标与不排水强度的关系

在无侧向压力的情况下施加垂直压力直到试样剪切破坏为止，剪切破坏时试样所能承受的最大轴向压力qu称为无侧限抗压强度。由三轴试验对饱和粘土进行不固结不排水剪试验结果表明，这种土φu=0，只有粘聚力Cu，可借助这一结论，绘出水平状的抗剪强度包线，根据无侧限抗压强度qu可推求饱和土的不排水强度。本次参与分析的试样均做了无侧限抗压强度试验，根据τf=Cu=qu/2，可求得不排水强度Cu。经过各种方程似合，发现指数方程似合时相关性较好。

图4~图6为粘土的各项物理性质指标与不排水强度的关系

类似可以整理出粉质粘土各项物理性质指标与不排水强度的关系：

含水率 孔隙比 干密度

粉质粘土 y=673.44e-0.0815x

(相关性78%) y=745.12e-3.0463x

(相关性75%) y=0.2262e3.7487x

(相关性76%)

注：表中公式中x为各项物理性质指标，y为不排水强度。

当土的含水率很大时，土接近于流动状态，其强度必然非常低甚至接近于零。研究孔隙比较大即含水率较高的土，发现各类物理性质指标与不排水强度的相关性很不好。在粗估压缩系数方面良好的相关性与粗估不排水强度的离散性可能是因为两种强度指标的测定方法不同，前者是排水的，后者要求不排水。含水率较高的土在不排水试验中水的参与有更为复杂的形式，导致结果缺乏规律性。

3 结语

含水率、孔隙比和干密度是表征土的物理性质的重要指标。其与土的压缩性质与强度有一定的函数联系并非偶然。本文研究了上述三个物理性质指标与土的压缩系数及不排水强度的关系。所取样本为河海大学近年来多次试验的成果，不同的试验存在人为及不可避免的其它误差会导致结果有所偏差，但是用土的物理性质指标粗略估算土的压缩系数与不排水强度，对于等级较低的工程及不具备试验条件的情况无疑具有良好的参考价值。

参考文献

[1]GBJ 7-89建筑地基基础设计规范[S].

[2]陈晓平等，用土的物理性指标确定土的压缩系数[J] .岩土工程学报，1991；3（4）：81～86.

Analysis of the relationship between soil parameters and mechanical properties in the university campus

Abstract: Based on a great deal of testing data, soil parameters including water content, void ratio, dry density and compression coefficient, undrained strength are analyzed in detail. The relationship between soil parameters and compression coefficient and undrained strength is obtained. At last, simplied method to evaluate compression coefficient and undrained strength is presented according to soil parameters.

Key words: water content; void ratio; dry density; compression coefficient; undrained strength