岩土力学 chpt1土的物理性质

第一章 土的物理性质指标与工程分类
1-1 土的形成
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。
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。
胀缩性
小
渗透性
大
强度
Hale Waihona Puke 大岩土工压程研缩究所 性
小
伊利石
中 80-100m2/g
中 中 中 中
蒙脱石
小 800m2/g
大 小 小 大
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一、土的固相
（三）土粒的大小和土的级配 粒组：把工程性质相近的土粒合并为一组；某粒组的土粒含量定 义为该粒组的土粒质量与干土总质量之比。
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三、土的气相 存在土中的气体分为两种基本类型： 一种是与大气连通的气体； 另一种是与大气不连通的以气泡形式存在的封闭气体。
❖自由气体：与大气连通，对土的性质影响不大 ❖封闭气体：增加土的弹性；阻塞渗流通道
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2.重力水 在重力或水位差作用下能在土中流动的自由水称微重力水。 具有溶解能力，能传递静水和动水压力，对土颗粒有浮力作用。 当它在土孔隙中流动时，对所流经的土体施加渗流力（亦称动水压 力、渗透力），计算中应考虑其影响。
土的含水量试验所测定的为土中的自由水和弱结合水。
毛管水压力。
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在潮湿的粉、细砂中孔隙水仅存在于土粒接触点周围，彼此是不连 续的。这时，由于空袭中的气与大气连通，因此，孔隙中的压力亦将 小于大气压力。
由毛管水压力引起的摩擦阻力犹如给予砂土以某些粘聚力，以致在 潮湿的砂土中能开挖一定高度的直立坑壁。但一旦砂土被水浸饱和， 则弯液面消失，毛管水压力变为零，这种粘聚力液就不再存在。把这 种粘聚力称为假粘聚力。
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一、土的固相
（二）粘土矿物的晶体结构 粘土矿物：由各种硅酸盐矿物分解形成的 水铝硅酸盐矿物，属次生矿物。 其结构可分为晶体和非晶体，以晶体矿物 为主。
硅片：基本单元是硅－氧四面体，由1个居 中的硅原子和4个在角点的氧原子组成，组 成底面具有六边形孔硅片； 铝片：铝（镁）－氢氧（氧）八面体，每 个氢氧离子为2个相邻单元的铝原子共有组 成铝片（一个居中的铝原子和6个角点的氢 氧离子）；
1-3 土的结构
一、土粒间的相互作用 当粘粒在溶液中沉淀时，粒间引力主要 是范得华力（分子键），还有吸着水层 中异性电荷引起的静电引力。 引力: 范得华力总是在极性颗粒之间产生引力 ，但它是一种短程力，约随粒间间距得 六次方递减，而与溶液的性质无关。
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吸着水形成原因:土粒表面的负电 荷,阳离子,氢键。
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二、土的液相
（一）吸着水 强吸着水性质接近于固体，冰点很低，沸点较高，且不能传递
压力。
弱吸着水也称为薄膜水，不能传递压力，也不能在孔隙水中自 由流动，但它可以因电场引力的作用从水膜厚的地方向水膜薄的地 方转移。由于它的存在，使土具有塑性、粘性、影响土的压缩性和 强度，并使土的透水性变小。
C c = 1 ~ 3, 级配连续土； Cc > 3 或 Cc < 1,级配不连续土 4）不均匀系数Cu和曲率系数Cc用于判定土的级配优劣：
如果 Cu ≥ 5且 C c = 1 ~ 3 ， 级配 良好的土； 如果 Cu < 5 或 Cc > 3 或 Cc < 1, 级配 不良的土
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当土骨架的孔隙全部被水占满时，这种土称为饱和土； 当土骨架的孔隙仅含空气时，就成为干土； 一般在地下水位以上地面以下一定深度内的土的孔隙中兼 含空气和水，此时的土体属三相系，称为湿土。
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一、土的固相
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一、土的固相
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二、土的结构
（二）蜂窝状结构
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(0.075-0.005mm)
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二、土的结构
（三）絮状结构 角、边与面接触时净引力最大，因此絮状结构的特征是土粒之
间以角、边与面的接触或边与边的搭接形式为主。这种结构的土粒呈 任意排列，具有较大的孔隙，其强度低，压缩性高，对扰动比较敏感 。
（一）成土矿物 原生矿物：由物理风化生成的土粒；颗粒较粗，一般为无粘性土； 石英、长石、云母等；圆形、板状、块状；吸水力弱、稳定、无塑 性；砂多为石英。 次生矿物：由原生矿物经化学风化作用而形成的矿物。颗粒较细， 一般为粘土矿物，形成粘性土。高岭石、伊利石、蒙脱石；片状、 极细；吸水力强、活泼、有塑性。
二、土的液相
（一）吸着水 由土颗粒表面电分子力吸 附在土粒表面的一层水。
吸着水可分为强吸着水和 弱吸着水。
土中水可以处于液态、固态或气态三种形态。
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二、土的液相
（一）吸着水 大多数粘粒表面带有净的负电荷: 1. 原子替代; 2. 断键; 3. 氢氧离子中的氢离子被离解;
土的级配的好坏可由土中的土粒均匀程度和粒径分布曲线的形状来 决定，而土粒的均匀程度和曲线的形状又可用不均匀系数和曲率系 数来衡量。 Cu小，曲线陡；Cu大，易压密； Cc过大，台阶在d10~d30间； Cc过小，台阶在d30~d60间；
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土的级配的连续性也可用粒组频率曲线来反映。双峰，谷点<3％ ，不连续； 规范：纯净砾、砂，Cu>=5，且Cc=1~3时，级配良好，否则，不 良。
吸着水厚度影响因素：成土矿物；阳离子浓度及化学性质(阳离子价 低,厚; 阳离子浓度高,薄)。
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(二）自由水 离开土颗粒表面较远，不受土颗粒电分子引力作用，且可 自由移动???的水称为自由水。 （分为毛细管水和重力水）
1.毛细管水 土中存在许多大小不同的相互连通 的弯曲孔道，由于水分子与土粒分 子之间的附着力和水气界面上的表 面张力，于是，将引起迫使相邻土 粒相互积紧的压力，这个压力称为
粒径分布曲线
（2）粒组频率曲线
粒组频率曲线
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(五)颗粒分析试验曲线的主要用途
按粒径分布曲线可求得：
（1）土中各粒组的土粒含量，用于粗粒土的分类和大致评估土的工程 性质；
（2）某些特性粒径，用于建筑材料的选择和评价土级配的好坏。
根据某些特征粒径，可得到两个有用的指标，即不均匀系数Cu和曲率系 数Cc，它们的定义为：
寒冷地带，岩块或砂，物理风化，稳定。
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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。又分为冲积土、 风积土、冰碛土和沼泽土等。
冲积土：由水流冲积而成；颗粒分选、浑圆光滑 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；没有层理、细砂或粉粒；黄土 冰碛土：由冰川剥落、搬运形成的堆积物；不成层、从漂石 到粘粒 沼泽土：在沼泽地的沉积物；含有机质、压缩性高、强度低
蒙脱石：伊利石进一步风化， 2：1型晶格，晶 层没有钾离子连接，而是有水分子进入；连接 弱。 岩土工程研究所
次生矿物
蒙脱石
高岭石
伊利石
伊利石
高岭石
蒙脱石
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比表面积 ：单位质量土颗粒所拥有的总表面积
粘土矿物的 晶格构造
（氢键联结）
9克蒙脱土的总表面积大约与一个足球场一样大
高岭石
粒径
大
比表面积 10-20m2/g
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一、土的固相
（二）粘土矿物的晶体结构 粘土矿物： 高岭石：长石风化产物，1：1型晶格，一个硅 片＋一个铝片＝一个晶层，晶层靠氢键连接， 一个颗粒多达近百个晶层。
伊利石：云母在碱性介质中风化产物， 2：1型 晶格，二个硅片＋一个铝片＝一个晶层，晶层 靠钾离子连接，比较稳定，但不如氢键；
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1-2 土的组成
土是固体颗粒、水和空气的混合物，常称土为三相系。 固相：土的颗粒、粒间胶结物； 液相：土体孔隙中的水； 气相：孔隙中的空气。
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1-2 土的组成
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（四）颗粒大小分析试验 1.筛分法 利用一套孔径由大到小的筛子，将按规定方法取得的 一定质量的干试样放入一次叠好的筛中，置振筛机上 充分振摇后，称出留在各级筛上的土粒的质量，按下 式计算出小于某土粒粒径的土粒含量百分数X（％）
X mi 100 m
式中：mi，m－分别为小于某粒径的土粒质量及试样 总质量。
60 岩土工程研究所 土的级配：土中各种大小的粒组中土粒的相对含量。
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（四）颗粒大小分析试验 测定土中各粒组颗粒质量所占该土总质量的百分数，确定粒径分 布范围的试验称为土的颗粒大小分析试验。
常用的方法： （1）筛分法：粒径>0.075mm；试验时将风干、分散的代表性土 样通过一套孔径不同的标准筛(例如20、2、0.5、0.25、0.1、 0.075mm)，称出留在各个筛子上的土重，即可求得各个粒组的相 对含量。 （2）密度计法：粒径<0.075mm ；一般可以根据土粒在水中匀速 下沉时的速度与粒径的理论关系测得颗粒级配。 （3）联合测定：既有粒径>0.075mm，又有粒径>0.075mm
Cu
d 60 d10
（1－2）
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Cc
d30 2 d10d60
(1－3)
式中：d10，d30和d60为粒径分布曲线上小于某粒径的土粒含量分别 为10％，30％和60％时所对应的粒径。d10称为有效粒径；d60称为 限制粒径。
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1-3 土的结构
一、土粒间的相互作用 斥力: 在两个土粒互相靠近，使颗粒表面吸着水层相搭接时，吸着水层中的 阳离子不足以平衡土粒上得净负电荷就发生粒间斥力。大小取决于溶 液的性质，并随粒间间距得指数函数递减。
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二、土的结构
（一）单粒结构
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（d>0.075mm）
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。
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土从其堆积或沉积的条件来看可分为：
残积土
河流冲积土
土运积土
风积土 冰碛土 沼泽土
残积土
土无机有土机运土积(沼土泽冰 风 冲土)碛 积 积土 土 土
残积土：岩石风化后仍留在原地的堆积物。 特点：湿热地带，粘土，深厚，松软，易变；
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实例
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粒径级配
粒径级配累积曲线及指标的用途：
1）粒组含量用于土的分类定名； 2）不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度：
Cu ≥ 5, 不均匀土； Cu < 5, 均匀土 3）曲率系数Cc用于判定土的连续程度：
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1-1 土的形成
土是松散颗粒的堆积物，是岩石风化的产物（人工破碎;堆石坝的坝 壳料；相当于物理风化）。 土是指覆盖在地表的没有胶结或弱胶结的颗粒堆积物
岩石风化分为物理风化和化学风化。 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。 岩土工程研究所
实例：教材P9。
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岩土工程研究所 筛分法（d>0.075mm的土）
第一章 土的物理性质指标与工程分类
2.密度计法 利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同来确定小于某粒径的 土粒含量的方法。 通过密度计测定土水悬浊液的密度来确定。
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第一章 土的物理性质指标与工程分类
3.土的级配曲线 （1）粒径分布曲线