第1章1节土体工程地质研究

2、粒径级配的分析方法
工程上，使用的粒径级配的分析方法有筛分法和水分法两种。 筛分法
适用于颗粒大于0.075mm。它是利用一套孔径大小不同的筛子， 将事先称过重量的烘干土样过筛，称留在各筛上的重量，然后 计算相应的百分数。砾石类土与砂类土采用筛分法。
水分法（静水沉降法） 用于分析粒级小于0.075mm的土，根据斯托克斯（stokes）定理，球状 的细颗粒在水中的下沉速度与颗粒直径的平方成正比。V＝Kd2。因此可 以利用粗颗粒下沉速度快，细颗粒下沉速度慢的原理，把颗粒按下沉速 度进行进行粗细分组。实验室常用比重计进行颗粒分析，称为比重计法。 此外还有移液管等。 粒度成分表示方法：1、表格法（tabulation）；2、图解法（scheme）： 累积曲线法(grain size accumulation curve)；分布曲线法 (distributing curve)；三角图法(triangular chart)。
一
土的粒度成分
• 一、 土的粒组 土粒的大小通常以直径的大小来表示，简称 粒径，又称粒度，以“mm“为单位。介于一定范 围的土粒，称为粒组，或称粒级。 • 二、 土的粒度成分 土的粒度成分：是指土中不同粒组颗粒的相对含 量，用不同粒组颗粒的重量占该土颗粒的总重量 的百分比来表示，是决定土的工程性质的主要内 在因素之一，是土的类型划分依据。 这部分讲三个问题：
1、土的粒组划分 2、粒径级配的分析方法 3、土按粒度成分的分类
1、土的粒组划分
划分粒组的两个原则：
（1）首先考虑到在一定的粒径变化范围内，其工程地质性 质是相似的，若超越了这个变化幅度就要引起质的变化。
（2）要考虑与目前粒度成分的测定技术相适应。
目前广泛应用的粒组划分方案是将粒径由大至小划分为 六个粒组（1）漂石或块石组；（2）卵石（碎石）组； （3）砾石；（4）砂粒组；（5）粉粒组；（6）粘粒组
漂、卵、 砾粒组
砂粒组
粉粒组
是原生矿物与次生矿物的混合体。由该粒级的土因 孔隙小而透水性弱，毛细上升高度很高，湿润时略 具有粘性，因其比表面积较小，所以失去水分时连 结力减弱，导致尘土飞扬，有一定的压缩性，强度 较低。
粘粒组
主要由次生矿物组成。由该粒级的土其孔隙很小， 透水性极弱，毛细上升高度较高，有可塑性、胀缩 性，失水时连结力增强使土变硬，湿时具有较高的 压缩性，强度较低。
三 土中的胶体
• 1土的胶体颗粒 • 土中胶体状态存在的主要矿物有：粘土矿物、倍半氧化 物、次生二氧化硅、腐殖质及难溶岩。蒙脱石及倍半氧 化物呈胶体，其它为准胶体状态。 • 胶体特征：表面能大、表面带电、溶液中布朗运动、在 一定条件下发生吸附、电动、离子交换、胶溶、触变、 凝聚和陈化等物理化学现象。 • 土中胶体可分为酸性体（表面带负电）、碱性体及两性 体。 • 酸性体：表面带负电，如二氧化硅、腐殖质。 • 碱性体：表面带正电，非常罕见。 • 两性体：有时带正电，有时带负电，依据溶液中的PH 值而改变。 • 在PH值近于7的天然水中，粘土矿物总带负电荷，倍半 氧化物可能带正电荷，也可能带负电荷。 • 离子交换：粘粒与水溶液作用时，表面（扩散层）和内 部（晶格）的某些离子与溶液中电荷符号相同的其它离 粘土Ca2+ + 2Na 子，可互相交换位置。 + = 粘土2na+ + Ca2+
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。
矿物成分与粒组之间的关系
• 粒径大于0.075mm的各粒组，均由原生矿物所构成， 其中漂石粒、卵石粒、砾粒，其粒径往往大于矿 物颗粒，多数是由母岩碎屑构成，一般具有的多 矿物结构， • 砂粒与原生矿物颗粒大小近似，往往是由单矿物 组成，以石英最为常见。 • 粉粒组由原生矿物与次生矿物混合组成，其中以 石英为主，其次为高岭石及难溶盐。 • 粘粒组主要由不可溶性次生矿物与腐植质组成， 有时也含难溶盐，其中粘土矿物是最常见的矿物。
第一章
土体工程地质研究
主要内容
• 第一节 土的物质组成及结构、构造
• • • • • 一 二 三 四 五 土的粒度成分 土的矿物成分 土中的胶体 土中的水和气体 土的结构、构造
第一节
土的物质组成及结构、构造
• 地壳中原来整体坚硬的岩石，经风化、剥蚀搬运、 沉积，形成固体矿物、水和气体的集合体称为土。 • 几个概念(several concept) • 土(soil)：是由固体颗粒以及颗粒间孔隙中的水 和气体组成的一多相、分散多孔的系统。 • 土层(soil layer)：土具有成层特征, 同一层内 土的物质组成和结构、构造基本一致，工程地质 性质亦大体相同。 • 土体(soil body) ：由性质各异，厚薄不同的若 干土层，以特定的上、下次序组合在一起的土层 组合体。
Cu反映大小不同粒组的分布情况， Cu＜5的土称为 匀粒土，级配不良；Cu越大，表示粒组分布范围比 较广， Cu＞10时级配良好。但 Cu过大，可能缺失
中间粒径，属不连续级配，故同时用曲率系数Cs来
评价。Cs是描述累计曲线整体形状的指标。经验证 明，当级配连续时， Cs=1～3；当Cs <1或>3时， 表示级配线不连续。从工程上看：Cu≥5且CC＝1～ 3的土，称为级配良好的土；不能同时满足上述两个
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。
没有溶解力， 不能传递静水压力
有溶解力， 能传递静水压力
强结合水（吸着水） 指紧靠土粒表面的结合水， 它的特征是：1）.没有溶解 盐类的能力，2）.不能传递 静水压力，3）.只有吸热变 成蒸汽时才能移动。 强结合水（吸着水）极其牢固的结合在土粒表面上，其性质 接近于固体，密度约为1.2～2.4g/cm3，冰点为－78℃，具 有极大的粘滞度、弹性和抗剪强度。如果将干燥的土移在天 然湿度的空气中，则土的质量将增加，直到土中吸着的强结 合水达到最大吸着度为止。土粒越细，土的比表面积越大， 则最大吸着度就越大（砂土为1％，粘土为17％）

次生矿物是原生矿物在一定气候条件下经化学风化作 用，使其进一步分解而形成一些颗粒更细小的新矿物。 a. 粘土矿物：复合的铝－硅酸盐晶体，片状。 b. 倍半氧化物及次生二氧化硅 c. 可溶性次生矿物（水溶盐）

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。
• 土是由固体相、液相、气体三相物质组成；或土是由固 体相、液体相、气体相和有机质（腐殖质）相四相物质 组成。 • 土的三相组成---土由固体颗粒、液体水和气体三部分 组成。土中的固体矿物构成土的骨架,骨架之间贯穿着 大量的孔隙,孔隙中充满着液体水和气体。土体三相比 例不同，土的状态和工程性质也随之各异。例如： • 固体+气体（液体=0）为干土，此时粘土呈坚硬状态； 砂土呈松散状态； • 固体+液体+气体为湿土，此时粘土多为可塑状态； • 固体+液体（气体=0）为饱和土，此时粉细砂或粉土遇 强烈地震，可能产生液化，而使工程遭受破坏； • 粘土地基受建筑物荷载作用发生沉降需几十年才能稳定。
• 土的粒组划分方案
粒组统称 粒组名称
漂石（块石）粒 巨粒 卵石（碎石）粒 砾 粒 粗粒 砂 粒 粗砾 细砾 粗砂 中砂 细砂 粉粒 细粒 粘粒 d≤0.005 60<d≤200 20<d≤60 2<d≤20 0.5<d≤2 0.25<d≤0.5 0.075<d≤0.25 0.005<d≤0.075 静水 沉降 原理 透水性极弱，压缩性变化大， 具粘性和可塑性。 筛 分 法 透水性大，压缩性小，无 粘性，有一定的毛细性。

粒度成分对土的工程性质影响的实质：

1.土的比表面不同 ； 2.颗粒的组成矿物类型不同。
实际上，土常是各种大小不太颗粒的混合体，以砾石和砂砾 为主要组成的土为粗粒土，也称无粘性土。其特征为：孔隙 大、透水性强，毛细上升高度很小，既无可塑造性，也无胀 缩性，压缩性极弱，强度较高。以粉粒、粘粒（或胶粒 <0.002mm）为主的土称为细粒土，也称为粘性土。其特征 为：主要由原生矿物、次生矿物组成，孔隙很小，透水性极 弱，毛细上升高度较高，有可塑性、胀缩性，强度较低。
粉土
粘性土
二
土的矿物成分
土中固体部分的成分，绝大部分是矿物质，另外或多或 少有一些有机质，而土粒的矿物成分主要决定于母岩的 成分及其所经受的风化作用。不同的矿物成分对土的性 质有着不同的影响，其中以细粒组的矿物成分尤为重要。 分为：原生矿物、次生矿物、有机质 原生矿物是岩石经物理风化破碎但成分没有发生变化 的矿物碎屑。原生矿物主要有石英、长石等，主要存在 于卵、砾、砂、粉各粒组中。
将筛分析和比重计试验的结果绘制在以土的粒径为横坐标，小于某粒径 之土质量百分数p(％)为纵坐标，得到的曲线称土的粒径级配累积曲线。
Hale Waihona Puke 土的累计曲线在累计曲线上，可确定两个描述土的级 配指标：
不均匀 系数 曲率 系数
式中 d10，d30，d60分别相当于累计百分含 量为10％，30％和60％的粒径， d10 称为 有效粒径，d60 称为限制粒径。
按照土颗粒的大小、粒组的土颗粒含量把地基土分成碎石土、 砂土、粉土、粘性土和人工填土。按我国“土的分类标准”， 碎石土和砂土属于粗粒土，粉土和粘性土属于细粒土。粗粒 土按粒径级配分类，细粒土则按塑性指数分类。
碎石土 砂土 粒径大于2mm的颗粒含量大于50%的土属碎石土。 粒径大于2mm的颗粒含量在50%以内，同时粒径大于0.075mm的 颗粒含量超过50%的土属砂土。 粒径大于0.075mm的颗粒含量小于50%且塑性指数小于等于10的土 属粉土。该类土的工程性质较差，如抗剪强度低，防水性差，粘 聚力小等。 粒径大于0.075mm的颗粒含量在50%以内，塑性指数大于10的土属 粘性土。根据塑性指数的大小可细分为粘土和粉质粘土。