1 土的性质与工程分类

2、强度低
土的强度——抗剪强度，而非抗压或抗拉强度 无粘性土——表面摩擦力 强度来源 粘性土——表面摩擦力＋粘聚力 强度低的原因——其来源远小于建材本身的强度
3、透水性大
将一杯水倒于： 钢板 厚木板 混凝土地板 室外土地 会发生什么不同的现象？
？
透水性大的原因——土矿物颗粒之间的透水孔隙造成 ——特别是卵石、砂土
小于该粒径质量（％） 100
小于某粒径土的质量（％）
100
60
10 10 5 2 1.0 0.5 0.25 0.1 0.075
土的粒径lgd (mm)
土的粒径级配曲线
小于某粒径土的质量（％）
100
60
该曲线的陡缓说明什 么问题？如何表示陡 缓？ 如何区别这4条线？
10 10 5 2 d60 1.0 0.5 0.25 d10 0.1 0.075
di = 1800 L Gs Gwt w4oC ti
粒径级配表示方法——累计曲线法（级配曲线）
横坐标——土粒直径，因粒径差异大，一般用对数尺度 纵坐标——小于某粒径的土占总质量的百分数 例：土样总质量1000g
筛孔径 各筛上土样质量 10mm 5mm 2mm 0 50g 95 150g 80 …… …… ……
无机质 固相
有机质 次生矿物
三、土的矿物成分鉴定 无黏性土：肉眼观测或使用岩石的鉴定方法 黏性土：需专门的鉴定方法 1.差热分析法 2.X射线衍射分析法 3.化学分析法 4.其他方法 染色法、红外光谱分析和电子显微镜法等
四、土颗粒大小与级配 1、土颗粒大小与粒组 颗粒大小
工程性质 划分粒组
1、自由气体
与大气连通，土层受压即溢出，对建筑工程无影响 2、封闭气泡 与大气隔绝，存在于粘土中，受荷封闭气泡缩小 封闭气泡过多
压缩性增高；橡皮土
渗透性降低
三相组成小结
固相——矿物颗粒
矿物成分 粒组划分 颗粒级配
三相组成 液相——水
气相——气体
强结合水 结合水 弱结合水 重力水 自由水 毛细水 气态水 固态水 自由气体 封闭气泡
1. 5 土的结构类型
一、土的结构与构造
1、土的结构－土颗粒之间的相互排列和连接形式 （1）土结构的分类
0.075~0.005mm <0.005mm
单粒结构
蜂窝结构
（2）工程性质
单粒结构>蜂窝、絮状结构
絮状结构 （二级蜂窝结构）
强度低，压缩性高 不可作为天然地基
2、土的构造－整个土层（土体）构成上不均匀特征
特点
电 分 子 力强 弱 结合水 自由水
弱结合水的迁移与土的冻胀：
弱结合水外层冻结
下层土弱结合 水迁移补充
结合水膜变薄
剩余分子引力Байду номын сангаас
渗透压力
条件：1）水源补给；2）弱结合水及毛细通道
2、自由水
自由水—离土粒较远，在土粒表面的电场作用以外自由散乱排列 重力水：位于地下水位以下，受重力作用可流动，具有浮力 毛细水：位于地下水位以上，受毛细作用而上升
强结合水、弱结合水
粘 粒 水 砂
H+
O2105o
H+
粘土
粘土
粘土颗粒表面的带电现象
O2-
1、结合水
结合水使土具有粘性及可塑性
105o H+ H+
阳离子
水分子
Why?
阳离子的原子价越高,水膜厚度 越薄;价数越低,水膜越厚。
矿物 颗粒
电 分 子 力强 弱 结合水 自由水
1、结合水
强结合水：粘土颗粒表面2～3 个分子层范围，被粘土表面的 电分子力牢固地吸引
粒组划分——依据性质相近的原则《土工试验规程》（SL237--1999）水利部
0.005 0.075 2 60 200 粒径d（mm）
黏粒
粉粒
砂粒
漂石 圆砾 卵石 （角砾） （碎石） （块石）
细粒
粗粒
巨粒
2、土的颗粒级配试验 天然土的粒径是否均匀？ 粒径级配——土中各粒组的相对含量占总质量的百分数
三、 土的生成与工程特性的关系
搬运、沉积条件 水搬运沉积优于风搬运沉积？
北京八宝山
沉积年代 沉积年代长短
陕北榆林、靖边
？土密度、强度、压缩性
沿海地区——淤泥与淤泥质粘土
沉积的自然地理环境 环境——地形高低、气候冷热、雨量多少 西北地区及山西——湿陷性黄土 西南地区——红粘土 湖北、广西、云南、贵州、四川——膨胀土 寒区——多年冻土
1. 3 土的固相
三相组成的主体——固相——固体颗粒
一、土粒的矿物成分 原生矿物：经物理风化而成，成分与母岩相同
单矿物颗粒——一个颗粒仅含单一矿物。 ——石英、长石、云母、角闪石、辉石等 多矿物颗粒——一个颗粒中包含多种矿物。 ——漂石、卵石、砾石
次生矿物：母岩岩屑化学变化，改变成分，颗粒很细的新矿物
1. 1 土的基本概念
土是以岩石颗粒为主体骨架没有胶结或弱胶结的松散堆积物。 一般由固相（固体颗粒）、液相（土中水）和气相（气体）三部 分组成，简称为三相体系。
土中颗粒的大小、成分及三相之间的相互作用和比例关系，反映 出土的不同性质。
固相＋气相——硬黏土、松散砂 固相＋液相＋气相——可塑黏土 固相＋液相——饱和土——饱和粉细砂――砂土液化
——决定无粘性土工程性质的主要因素，土分类定名的标准
粒径分析方法
筛分法——适用于土粒直径d>0.075mm的土
标准筛孔径：20，10，5，2，1.0，0.5，0.25，0.1，0.075mm 沉降分析法（密度计法、移液管法）——适用于土粒直径 d<0.075mm的土 原理：土粒直径在水中沉降的速度不同
r 2 hc w 2 rT cos
hc 2T cos 4T cos r w d w
带来的工程问题：有补充水源情况下的冻胀 解决的方法：隔离，换土
气态水：水汽，对土的性质影响不大 固态水：自由水结冰；结晶水
二、土中气体
土体矿物颗粒之间的孔隙中，没有被水充填的部分
包括粘土矿物、氧化物、氢氧化物和各种难溶盐类
腐殖质——其含量增大使土的压缩性增大
——有机质含量>3~5%的土不宜作为填筑材料
蒙脱石 二、粘土矿物 伊利石 高岭石
粘土矿物呈鳞片状，由晶胞按不同方式排列组成。 晶片 晶胞 硅氧晶片 晶片 铝氢氧晶片
O H O H
粘土矿物
可以构成两种晶胞
Si4＋ O O n H2O H O K＋ K＋ Fe3＋（Al3＋）
（1）土构造的分类
层状构造——不同颜色、颗粒，成层 分散构造——土粒分布均匀、性质相近(砂) 结核状构造——细粒中混有粗粒或结核 裂隙状构造——土体中含有大量小裂隙
（2）工程性质 层状构造>分散构造>结核状构造>裂隙状构造
二、 土的工程特性
1、压缩性高
材料 钢筋 C20混凝土 卵石 饱和细砂 弹性模量符号 E1 E2 E3 E4 弹性模量/Mpa 21万 2.6万 40～50 8～16 对比关系 E1>＝4200E3 E2>1600E4
橡皮土渗透性降低三相组成小结三相组成小结矿物成分粒组划分颗粒级配固相矿物颗粒气相气体三相组成三相组成自由气体封闭气泡结合水自由水气态水固态水强结合水弱结合水重力水毛细水11土的结构土颗粒之间的相互排列和连接形式土的结构土颗粒之间的相互排列和连接形式一土的结构与构造一土的结构与构造11土结构的分类土结构的分类22工程性质工程性质单粒结构单粒结构蜂窝絮状结构蜂窝絮状结构单粒结构单粒结构强度低压缩性高不可作为天然地基蜂窝结构蜂窝结构00750005mm絮状结构絮状结构二级蜂窝结构二级蜂窝结构0005mm土的结构类型土的结构类型11土构造的分类土构造的分类22工程性质工程性质层状构造分散构造结核状构造裂隙状构造2土的构造整个土层土体构成上不均匀特征土的构造整个土层土体构成上不均匀特征层状构造不同颜色颗粒成层分散构造土粒分布均匀性质相近砂结核状构造细粒中混有粗粒或结核裂隙状构造土体中含有大量小裂隙二土的工程特性土的工程特性11压缩性高压缩性高材料弹性模量符号弹性模量mpa对比关系钢筋4050饱和细砂81622强度低强度低土的强度土的强度抗剪强度而非抗压或抗拉强度无粘性土无粘性土表面摩擦力表面摩擦力粘性土粘性土表面摩擦力粘聚力表面摩擦力粘聚力强度来源强度来源强度低的原因强度低的原因其来源远小于建材本身的强度其来源远小于建材本身的强度33透水性大透水性大钢板厚木板混凝土地板室外土地会发生什么不同的现象
蒙脱石 亲水性大， 胀缩剧烈
高岭石 亲水性极小
伊利石 亲水性介于 前二者间
高岭石 粒径 比表面积 胀缩性 渗透性 大 10～20m2/g 小 大
伊利石 中 80～100m2/g 中 中
蒙脱石 小 800m2/g 大 小
强度
压缩性 亲水性
大
小 亲水性极小
中
中 亲水性居中
小
大 亲水性大，胀缩剧烈
单矿物颗粒 原生矿物 多矿物颗粒 黏土矿物 氧化物 氢氧化物 各种难溶盐类
造就的土类
小结：
固相——矿物颗粒 三相组成 液相——水 气相——气体
为什么研究三相组成
影响土的状态
固相＋气相——硬粘土、松散砂 固相＋液相＋气相——可塑粘土 固相＋液相——饱和土——砂土液化
土的状态决定土的工程性质
三、 土的成因类型
根据土形成后堆积位置的关系－残积土和运积土 残积土一般是良好的建筑材料，但作为建筑物地基时要 注意其土性和厚度常呈现较大的不均匀性和各向异性。 运积土因搬运的动力不同，可分为冲积土、风积土、冰 碛土 •冲积土－指在降水形成的地表径流作用下，冲刷、带 动或搬运土粒，经过一段搬运距离后在较平缓的地带 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 来的堆积物称为风积土 •冰碛土－由冰川剥落、搬运形成的堆积物称为冰川沉 积土，其中，几乎未经流水搬运直接留存于冰层中的 土称为冰碛土 有机土：有机质含量较高的土称为有机土或有机质土 有机质含量与土固体质量之比为5-10%——有机土 有机质含量与土固体质量之比为10-60%——泥炭质土 有机质含量与土固体质量之比大于60%——泥炭土
1. 2 土的成因
一、 地质作用
内力地质作用－地内热能、重力能、地球的旋转能、 化学能、结晶能等 外力地质作用－太阳辐射能、潮汐能和生物能、位能等
二、 风化作用
岩石在太阳辐射、大气、水和生物作用下出现破碎、疏 松、剥蚀、搬运沉积及矿物成分次生变化的现象，称为 风化作用。 物理风化－无黏性土 化学风化－黏性土 生物风化－不改变原岩的矿物成分 不同的风化作用形成不同性质的土
土的粒径lgd (mm)
土的粒径级配曲线 限定粒径——纵坐标为60％所对应的粒径 d60 有效粒径——纵坐标为10％所对应的粒径 d10 平均粒径——纵坐标为50％所对应的粒径 d50 中值粒径——纵坐标为30％所对应的粒径 d30 不均匀系数Cu=d60 /d10 ( d 30)2 曲率系数 Cc d10 d 60
冰点：－78oC 沸点：680oC 密度：1.2～2.4g/cm3 不传递静水压力 具抗剪强度和粘滞阻力
H+ O2105o H+
阳离子
水分子
特点
弱结合水：位于强结合水外侧，也
是粘土表面电分子力吸引的水分子
冰点：-0.5～－78oC 沸点：100～680oC 矿物 密度：1～1.7g/cm3 颗粒 不传递静水压力 具一定的抗剪强度和粘滞阻力
工程上对土的级配是否良好可按如下规定判断： ①对于级配连续的土，工程上把Cu＜5的土视为级配不良的土； Cu＞5 的土视为级配良好的土 砾石和砂土级配良好的双控标准： Cu 5 .AND. Cc [1,3]
1. 4 土的液相与气相
一、土中水的类型 自由水—毛细水、重力水 结合水—受电分子引力作用而吸附在土粒表面
第1章 土的性质与工程分类
Chapter 1 The properties and engineering classification of soil
东北林业大学 土木工程学院
School of Civil Engineering, NEFU
基本要求： 1、了解土的概念、成因和三相组成； 2、掌握土的颗粒级配、黏土矿物、结合水的概念