土的工程性质_1章 土的物质组成
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第一章 土的物质组成
1.1 土的粒度成分
1.1.1 粒组及其划分
粒度(粒径): 土粒平均直径的大小.
粒组(粒级): 粒径大小相近, 工程地质性质相近.
•界限粒径 60
巨粒 粗粒
砾石
粗 中
20 5
0.075
细粒
砂粒
细 粗 中 细
d
(mm) 60
Biblioteka Baidu
粉粒
粘粒 0.005
胶粒 0.002
2
0.5 0.25
高岭石 蒙特石 伊利石
粘 土 矿 物
依硅片和铝片组叠 形式的不同，可分 成如下三种类型： • 是云母在碱性介质中风化的产物。 高岭石 蒙特石 伊利石 • 与蒙特石相似，由两层硅片夹一层 铝片所形成的三层结构，但晶层之 间有钾离子连结。 • 主要特征：连结强度弱于高岭石而 高于蒙特石，其特征也介于两者之 间。
蒙脱石：2Al2[Si4O10](OH)2nH2O，土状或显微鳞片 状集合体；白色或灰白色因含杂质染有黄、浅玫 瑰红、蓝或绿色；土状者光泽暗淡；硬度1~2；相 对密度2~3；具可塑性，遇水剧烈膨胀。
1.4土中的水
1.4.1 矿物中的结合水
结晶水
石膏
1.4土中的水
1.4.1 矿物中的结合水
1.2土的矿物成分
1.2.1 土的矿物成分类型
原生矿物 - 石英、长石、云母等
矿物质
无定形氧化物胶体
次生矿物 可溶盐 粘土矿物
具有和原生矿物很不相同的特性 对粘土性质的影响很大
固体成分
有机质
1.2.2 土的矿物成分与粒组的关系
卵砾石组一般是物理风化形成的岩石碎块。 砂粒组主要为原生矿物颗粒，其成分大多是 石英、长石、云母等。 粉粒组是原生矿物与次生矿物的混合体，以 抗风化能力较强的石英、长石为主。 粘粒组是次生矿物为主，也有腐殖质。
（二）粗粒土的分类
试样中粒径大于0.075mm的粗粒组质量多于总质量 50％的土称为粗粒土。
粗粒土又分为砾类土和砂类土两类。 试样中粒径大于2mm的砾粒组质量多于总质量的 50％的土称为砾类土；
试样中粒径大于2mm的砾粒组质量少于或等于总 质量50％的土称为砂类土。
（三）细粒土的分类
试样中粒径小于0.075mm的细粒组质量多于或等于 总质量的50％的土称为细粒土。细粒土应按下列规 定划分： 试样中粗粒组质量少于总质量的25％的土称为细 粒土； 试样中粗粒组质量为总质量的25％～50％的土称 含粗粒的细粒土；
1.4.4 固态水
冻土是指0摄氏度以下，并含有冰的各种岩石和土壤。 地球上多年冻土/季节冻土和短时冻土区的面积约占 陆地面积的50%，其中，多年冻土面积占陆地面积 的25%。
1.4.5 气态水
岩土工程中较少涉及
可划分为土中的气体
1.5土中的气体
自由气体：与大气连通连通的气体
对土的性质影响不大
累积曲线的主要用途
（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。
1.1.3 土按粒度成分的分类
一、《土的分类标准》 （一）巨粒土和含巨粒土的分类巨粒土和含巨粒土应按试样中 所含 粒径大于60mm的巨粒组含量来划分。 试样中含巨粒组质量多于总质量的75％的土称为巨粒土； 试样中巨粒组质量为总质量的50％～75％的土称为混合巨粒土 ； 试样中巨粒组质量为总质量的15％～50％的土称为含巨粒的混 合土； 试样中巨粒组质量少于总质量的15％的土，粗粒土或细粒土。
粘 土 矿 物
1.2.4 土的矿物成分研究方法
1.3土的化学成分
河砂 海砂
1.4 土 中 水
矿物中的结合水: 矿物内部的水
土粒表面结合水: 吸附在土颗粒表面 自由水 土中冰 电场引力作用范围之外的水 由自由水冻成，冻胀融沉
水蒸气
存在孔隙空气中
1.4土中的水
1.4.1 矿物中的结合水 结构水 粘土矿物 OH-
平台-相应粒组缺乏
特征粒径: d50 : 平均粒径 d60 : 控制粒径 d10 : 有效粒径 d30
d60 d50 d30
粒径(mm) 0.10 0.05 1.0 0.5
0.01 0.005
0.001
d10
土的粗细度：用d50 表示 土的不均匀程度：用不 均匀系数： Cu = d60 / d10 表示，Cu 5，称为不均 匀土，反之称为均匀土 连续程度: 用曲率系数 Cc = d302 / (d60 ×d10 ) 度量, Cc=1~3为连续级 配, >3或<1为不连续级配
沸石水
方沸石
方沸石是常见的似长石矿物，为含水的钠铝硅 酸盐。 在玄武岩、辉绿岩、花岗岩、片麻岩及 洞穴中和碱性湖底沉积中会有它们的存在。
1.4.2 结合水：受颗粒表面电场作用
力吸引而包围在颗粒四周，不传递静 水压力，不能任意流动的水
- 强结合水：
• 排列致密，密度>1g/cm3 • 冰点处于零下几十度 • 完全不能移动，具有固体的特性 • 温度略高于100°C时可蒸发
0.075
各粒组土的工程性质
P.7 1.漂石,卵石,砾粒 透水性 颗粒之间的连接 可塑性 胀缩性 压缩性 强度
2.砂粒
3.粉粒
4.粘粒
1.1.2 粒度成分的测定方法及结果分析
土的粒度成分:(颗粒级配)
土中各种大小土粒的相对含量。 用质量百分 数来表示。
分析方法：
筛分法：孔径大小不同的筛子 水分法：常采用比重计法 适用于粗粒土 适用于细粒土 界限?
封闭气体：被土颗粒和水封闭的气体
其体积与压力有关。会增加土的弹性； 阻塞渗流通道，降低渗透性
溶解在水中的气体 吸附于土颗粒表面的气体
细粒土可按塑性图进一步细分。
例题分析
【例】某砂土颗粒分析成果如下表所示，试确定该土样的名称。
土粒粒径范围（mm） >2
2～ 0.5
0.5～ 0.25
21.0
0.25～ 0.075
36.5
<0.0 75
14.5
粒组占干土全重的百分数 9.4 18.6 （%）
【解】 按题表颗粒分析成果分析数据。 (1)大于2mm粒径的土粒占全重9.4%，小于25%，故该土样不 是砾砂。 (2)大于0.5mm粒径的土粒占全重的(9.4+18.6)%=28%，未超 过全重50%，故该土样不是粗砂。 (3)大于0.25mm粒径的土粒占全重的(9.4+18.6+21)%=49%， 仍未超过全重50%，故该土样也不是中砂。 (4)大于0.075mm粒径的土粒占全重的 (9.4+18.6+21+36.5)=85.5%，已超过85%，故定名为细砂。
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。
列表法
表达方式:
累积曲线
三角图法
小于某粒径之土质量百分数（％）
斜率: 某粒径范围内颗 粒的含量 陡-相应粒组含量多 缓-相应粒组含量少
累积曲线
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 10 5.0
1.2.3 粘土矿物
粘 土 矿 物
粘土矿物是一种复合的铝-硅盐晶体，颗粒呈片状，是由硅 片和铝片构成的晶包所组叠而成，可分成高岭石、伊利石和 蒙特石三种类型。
依硅片和铝片组叠 形式的不同，可分 成如下三种类型： • 晶层间通过氢键联结，联结力强，晶 格不能自由活动，水难以进入晶格间 • 能组叠很多晶层，多达百个以上，成 为一个颗粒。颗粒长宽约0.3-3，厚 约0.03-1。 • 主要特征：颗粒较粗，不容易吸水膨 胀和失水收缩，或者说亲水能力差。
高岭石 蒙特石 伊利石
粘 土 矿 物
依硅片和铝片组叠 形式的不同，可分 成如下三种类型： • 晶层间是O2-对O2-的连结，联结力很 弱，水很容易进入晶层之间。 • 每一颗粒能组叠的晶层数较少。颗粒 大小约为0.1-1 ，厚约0.001-0.01。 • 主要特征：颗粒细微，具有显著的吸 水膨胀、失水收缩的特性，或者说亲 水能力强。
- 弱结合水：
• 受电场引力作用，为粘滞水膜 • 外力作用下可以移动 • 不因重力而流动，有粘滞性
1.4.3 自由水：不受颗粒电场 引力作用的孔隙水
- 毛细水：由于土体孔隙的毛细 作用升至自由水面以上的水。 毛细水承受表面张力和重力的 作用 - 重力水：自由水面以下的孔隙 自由水，在重力作用下可在土 中自由流动
1.1 土的粒度成分
1.1.1 粒组及其划分
粒度(粒径): 土粒平均直径的大小.
粒组(粒级): 粒径大小相近, 工程地质性质相近.
•界限粒径 60
巨粒 粗粒
砾石
粗 中
20 5
0.075
细粒
砂粒
细 粗 中 细
d
(mm) 60
Biblioteka Baidu
粉粒
粘粒 0.005
胶粒 0.002
2
0.5 0.25
高岭石 蒙特石 伊利石
粘 土 矿 物
依硅片和铝片组叠 形式的不同，可分 成如下三种类型： • 是云母在碱性介质中风化的产物。 高岭石 蒙特石 伊利石 • 与蒙特石相似，由两层硅片夹一层 铝片所形成的三层结构，但晶层之 间有钾离子连结。 • 主要特征：连结强度弱于高岭石而 高于蒙特石，其特征也介于两者之 间。
蒙脱石：2Al2[Si4O10](OH)2nH2O，土状或显微鳞片 状集合体；白色或灰白色因含杂质染有黄、浅玫 瑰红、蓝或绿色；土状者光泽暗淡；硬度1~2；相 对密度2~3；具可塑性，遇水剧烈膨胀。
1.4土中的水
1.4.1 矿物中的结合水
结晶水
石膏
1.4土中的水
1.4.1 矿物中的结合水
1.2土的矿物成分
1.2.1 土的矿物成分类型
原生矿物 - 石英、长石、云母等
矿物质
无定形氧化物胶体
次生矿物 可溶盐 粘土矿物
具有和原生矿物很不相同的特性 对粘土性质的影响很大
固体成分
有机质
1.2.2 土的矿物成分与粒组的关系
卵砾石组一般是物理风化形成的岩石碎块。 砂粒组主要为原生矿物颗粒，其成分大多是 石英、长石、云母等。 粉粒组是原生矿物与次生矿物的混合体，以 抗风化能力较强的石英、长石为主。 粘粒组是次生矿物为主，也有腐殖质。
（二）粗粒土的分类
试样中粒径大于0.075mm的粗粒组质量多于总质量 50％的土称为粗粒土。
粗粒土又分为砾类土和砂类土两类。 试样中粒径大于2mm的砾粒组质量多于总质量的 50％的土称为砾类土；
试样中粒径大于2mm的砾粒组质量少于或等于总 质量50％的土称为砂类土。
（三）细粒土的分类
试样中粒径小于0.075mm的细粒组质量多于或等于 总质量的50％的土称为细粒土。细粒土应按下列规 定划分： 试样中粗粒组质量少于总质量的25％的土称为细 粒土； 试样中粗粒组质量为总质量的25％～50％的土称 含粗粒的细粒土；
1.4.4 固态水
冻土是指0摄氏度以下，并含有冰的各种岩石和土壤。 地球上多年冻土/季节冻土和短时冻土区的面积约占 陆地面积的50%，其中，多年冻土面积占陆地面积 的25%。
1.4.5 气态水
岩土工程中较少涉及
可划分为土中的气体
1.5土中的气体
自由气体：与大气连通连通的气体
对土的性质影响不大
累积曲线的主要用途
（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。
1.1.3 土按粒度成分的分类
一、《土的分类标准》 （一）巨粒土和含巨粒土的分类巨粒土和含巨粒土应按试样中 所含 粒径大于60mm的巨粒组含量来划分。 试样中含巨粒组质量多于总质量的75％的土称为巨粒土； 试样中巨粒组质量为总质量的50％～75％的土称为混合巨粒土 ； 试样中巨粒组质量为总质量的15％～50％的土称为含巨粒的混 合土； 试样中巨粒组质量少于总质量的15％的土，粗粒土或细粒土。
粘 土 矿 物
1.2.4 土的矿物成分研究方法
1.3土的化学成分
河砂 海砂
1.4 土 中 水
矿物中的结合水: 矿物内部的水
土粒表面结合水: 吸附在土颗粒表面 自由水 土中冰 电场引力作用范围之外的水 由自由水冻成，冻胀融沉
水蒸气
存在孔隙空气中
1.4土中的水
1.4.1 矿物中的结合水 结构水 粘土矿物 OH-
平台-相应粒组缺乏
特征粒径: d50 : 平均粒径 d60 : 控制粒径 d10 : 有效粒径 d30
d60 d50 d30
粒径(mm) 0.10 0.05 1.0 0.5
0.01 0.005
0.001
d10
土的粗细度：用d50 表示 土的不均匀程度：用不 均匀系数： Cu = d60 / d10 表示，Cu 5，称为不均 匀土，反之称为均匀土 连续程度: 用曲率系数 Cc = d302 / (d60 ×d10 ) 度量, Cc=1~3为连续级 配, >3或<1为不连续级配
沸石水
方沸石
方沸石是常见的似长石矿物，为含水的钠铝硅 酸盐。 在玄武岩、辉绿岩、花岗岩、片麻岩及 洞穴中和碱性湖底沉积中会有它们的存在。
1.4.2 结合水：受颗粒表面电场作用
力吸引而包围在颗粒四周，不传递静 水压力，不能任意流动的水
- 强结合水：
• 排列致密，密度>1g/cm3 • 冰点处于零下几十度 • 完全不能移动，具有固体的特性 • 温度略高于100°C时可蒸发
0.075
各粒组土的工程性质
P.7 1.漂石,卵石,砾粒 透水性 颗粒之间的连接 可塑性 胀缩性 压缩性 强度
2.砂粒
3.粉粒
4.粘粒
1.1.2 粒度成分的测定方法及结果分析
土的粒度成分:(颗粒级配)
土中各种大小土粒的相对含量。 用质量百分 数来表示。
分析方法：
筛分法：孔径大小不同的筛子 水分法：常采用比重计法 适用于粗粒土 适用于细粒土 界限?
封闭气体：被土颗粒和水封闭的气体
其体积与压力有关。会增加土的弹性； 阻塞渗流通道，降低渗透性
溶解在水中的气体 吸附于土颗粒表面的气体
细粒土可按塑性图进一步细分。
例题分析
【例】某砂土颗粒分析成果如下表所示，试确定该土样的名称。
土粒粒径范围（mm） >2
2～ 0.5
0.5～ 0.25
21.0
0.25～ 0.075
36.5
<0.0 75
14.5
粒组占干土全重的百分数 9.4 18.6 （%）
【解】 按题表颗粒分析成果分析数据。 (1)大于2mm粒径的土粒占全重9.4%，小于25%，故该土样不 是砾砂。 (2)大于0.5mm粒径的土粒占全重的(9.4+18.6)%=28%，未超 过全重50%，故该土样不是粗砂。 (3)大于0.25mm粒径的土粒占全重的(9.4+18.6+21)%=49%， 仍未超过全重50%，故该土样也不是中砂。 (4)大于0.075mm粒径的土粒占全重的 (9.4+18.6+21+36.5)=85.5%，已超过85%，故定名为细砂。
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。
列表法
表达方式:
累积曲线
三角图法
小于某粒径之土质量百分数（％）
斜率: 某粒径范围内颗 粒的含量 陡-相应粒组含量多 缓-相应粒组含量少
累积曲线
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 10 5.0
1.2.3 粘土矿物
粘 土 矿 物
粘土矿物是一种复合的铝-硅盐晶体，颗粒呈片状，是由硅 片和铝片构成的晶包所组叠而成，可分成高岭石、伊利石和 蒙特石三种类型。
依硅片和铝片组叠 形式的不同，可分 成如下三种类型： • 晶层间通过氢键联结，联结力强，晶 格不能自由活动，水难以进入晶格间 • 能组叠很多晶层，多达百个以上，成 为一个颗粒。颗粒长宽约0.3-3，厚 约0.03-1。 • 主要特征：颗粒较粗，不容易吸水膨 胀和失水收缩，或者说亲水能力差。
高岭石 蒙特石 伊利石
粘 土 矿 物
依硅片和铝片组叠 形式的不同，可分 成如下三种类型： • 晶层间是O2-对O2-的连结，联结力很 弱，水很容易进入晶层之间。 • 每一颗粒能组叠的晶层数较少。颗粒 大小约为0.1-1 ，厚约0.001-0.01。 • 主要特征：颗粒细微，具有显著的吸 水膨胀、失水收缩的特性，或者说亲 水能力强。
- 弱结合水：
• 受电场引力作用，为粘滞水膜 • 外力作用下可以移动 • 不因重力而流动，有粘滞性
1.4.3 自由水：不受颗粒电场 引力作用的孔隙水
- 毛细水：由于土体孔隙的毛细 作用升至自由水面以上的水。 毛细水承受表面张力和重力的 作用 - 重力水：自由水面以下的孔隙 自由水，在重力作用下可在土 中自由流动