清华大学土力学课件第一章

1.2.1 土的固体颗粒－土粒成分
原生矿物
矿物质
- 石英、长石、云母等 无定形氧化物胶体
固体成分
有机质
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 固体颗粒 - 矿物成分
1.2.1 土的固体颗粒－土粒成分
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。
水蜘蛛
仰泳的 水蜘蛛
生活在水面收缩膜 顶面和地面的昆虫
表面张力
1.2.2 土中水
r2hcw=2rTcos 毛 细 管

上升高度
T
2T cos hc r
毛细升高与孔径成反比
hc
2r
粘土 粉土 砂土 砾石
1.2.2 土中水
毛细管中的 负静水压力
T
T
张力T
T
uc= -hcw hc 2r
氧离子O2硅离子Si4+ Si Si
硅片
铝片
硅-氧四面体 硅片的结构 硅片简图
1.2.1 土的固体颗粒－土粒成分
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。
OH1铝离子Al3+
Al Al
硅片
铝片
铝-氢氧八面体 硅片的结构 硅片简图
缺少小颗粒，Cc 缺少大颗粒，Cc
粒径(mm)
曲线 d60
L M R
d10 d30 Cu
66
0.081 0.33 0.005 0.063 0.030
0.01 0.005
Cc
3.98 2.41 0.545
0.001
0.10 0.05
1.0 0.5
10 5.0
Cc=13, 级配连续
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
1.2.1 土的固体颗粒－土粒成分
1:1的两 层结构
Al Al Si Si
依硅片和铝片组叠 形式的不同，可分 成如下三种类型：
高岭 石微粒
Al Al Si Si Al Al Si Si
• 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 高岭石 蒙特石 伊利石
• 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。

uc
水压
2πrTcosα+ucπr2 = 0
水
则毛细压力：
+
uc hc
1.2.2 土中水
在非饱和土中，孔隙中含
r 弯液面
有水和气，此时水多集中 于颗粒间的缝隙处，称毛 细角边水。
由于毛细张力的作用，会
形成如图所示的弯液面， 使毛细角边水产生负压力， 颗粒则受正压力。
空气
水
固体颗粒
粘土的电泳和电渗现象
(列依斯, 1809)
粘土粒 + 玻璃筒
水位 升高
粘土膏
粘土矿物的带电性质
研究表明，片状粘土颗粒表 面常带有电荷，净电荷通常 为负电荷
粘土颗粒
玻璃皿
水分子 阳离子
粘土矿物的带电特性
1.2.1 土的固体颗粒－土粒形状、比表面积
原生矿物：一般颗粒较粗，呈粒状。 有圆状、浑圆状、棱角状等。 次生矿物：颗粒较细，多呈针状、片 状、扁平状。 比表面积：单位质量土颗粒所拥有的 总表面积。对于粘性土，其大小直接 反映土颗粒与四周介质,特别是水,相 互作用的强烈程度,是代表粘性土特 征的一个很重要的指标。 高岭石的比表面积为：10-20m2/g,伊 利石：80-l00m2/g,蒙特石：800m2/g
1.2.1 土的固体颗粒－颗粒级配
100
小于某粒径的土含 小于某粒径的图含量/% 量/%
80
60
40
20
0 100
10
1
0.1
0.01
粒径/mm 粒径 /mm
土的粒径级配累积曲线
土的粒径级配累积曲线
200g
0.01 0.005
粒径(mm)
水分法
0.001
10 5.0 2.0 1.0 0.5 0.25 0.1
Si Si
Si Si
Al Al
Al Al
• 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。
1.2.1 土的固体颗粒－土粒成分
引力
自由水
d
土中水 – 结合水
1.2.2 土中水
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
重力水 毛细水
hc
土中水 – 自由水
1.2.2 土中水
土的粒径级 配累积曲线
d60
d30
d10
1.2.1 土的固体颗粒－颗粒级配
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： 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
粗颗粒的形状
粘土颗粒的形状
1.2.2 土中水
结晶水：土粒矿物 内部的水。
结晶水
强结合水
土中水
结合水：受电分子吸 引力作用吸附于土粒 表面的土中水。
结合水 弱结合水 重力水 自由水 气态水 固态水
自由水：存在于土粒 毛细水 表面电场影响范围以 外的土中水。
1.2.2 土中水
结合水：受颗粒表面电场作用力
• 主要特征：颗粒较粗，不容易吸水膨 胀和失水收缩，亲水能力差。
1.2.1 土的固体颗粒－土粒成分
依硅片和铝片组叠 形式的不同，可分 成如下三种类型：
2:1的三 层结构
Si Si Si Si
Al Al
数层 水分子
Si Si
Si Si
Al Al
高岭石 蒙特石 伊利石
• 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。
不均匀系数可以反映大小不同粒组的分布情况，Cu越大表示土 粒大小分布范围广。
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
小于某粒径之土质量百分数（％）
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
1.2 土的三相组成
土体
固相 + 液相 + 气相
构成土骨架，起决定作用
重要影响
次要作用
三相比例的变化性
1.2 土的三相组成及结构
1.2.1 固体颗粒
粒径级配
矿物成分
颗粒形状、 大小
物理状态 力学特性
1.2.1 土的固体颗粒－粒径级配
粒径：颗粒的大小通常以直径表示。称为粒径
（mm）或粒度。
1.2.1 土的固体颗粒形状、大小
第一章 土的性质及工程分类
§1.1 土的生成与特性
§1.2 土的三相组成及土的结构 §1.3 土的物理性质指标 §1.4 土的物理状态指标 §1.5 地基土的工程分类 §1.6 地基土的压实性
1.1 土的生成
岩石 地球
风化、剥蚀
颗粒堆积物 地球
搬运、沉积
• 风化作用：物理风化 化学风化 生物风化 • 搬运与沉积：（分选作用、浑圆度） • 残积土，运积土 • 运积土：坡积土；洪积土；冲积土；湖泊沼泽沉积土 海相沉积物；冰蹟土；风积土
土的粒径级配累积曲线
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 10 5.0
d60 d50 d30
粒径(mm) 0.10 0.05 1.0 0.5
0.01 0.005
土的粒径级配曲线
0.001
d10
100
小于某粒径的土粒质量/%
80
60
40
20
0
10
1
0.1
粒径/mm
0.01

土的重度：天然状态下，单位体积土的重量，单位为 KN/m3，即： =g g为重力加速度
1.3.1 土的三相组成的比例关系
1.3.1 土的三相组成的比例关系
2、基本试验指标
土粒比重（土粒相对密度）：土粒密度与4℃时纯水的密度之 比，一般用ds或Gs表示，无量纲。即：
ms 1 s Gs vs w4C w4C
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
粘土 颗粒
阳离子
水分子
- 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
强结合水
弱结合水
- 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
巨粒(>200mm)