第1章：土的组成和物理性质
土力学第一章
Cu愈大，表示土粒愈不均 匀。工程上把Cu＜5的土视 为级配不良的土；
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同时满足Cu≥5和Cc=1～3时， 定名为良好级配土
6
颗粒粒径级配曲线
纵坐标表示小于某粒径的土粒含量百分比,横坐 标表示土粒的粒径(对数坐标）
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2.土粒的矿物成分
矿物成分取决于母岩的矿物成分和风化作用
m s
m s
测定方法：通常用烘干法，亦可近似用酒
精燃烧法
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m ms mw Vs Vw Va
VV
三、换算指标
质量m 气 水
土粒
体积V 1.孔隙比e和孔隙率n 孔隙比e ：土中孔隙体积与 土粒体积之比
e Vv Vs
孔隙率n ：土中孔隙体积与总体积之比，以百 分数表示
n Vv 100% V
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§1.2 土的物理性质指标
一、土的三相图
质量m
体积V
气
Vw Va Vv
mw
水
二、直接测定指标 1.土的密度ρ：单位体积土的质
量 m ms mw
V Vs VwVa
m
Vs V
ms
土粒
特殊情况下土的密度ρd, ρsat,
ρ’
实验方法：环刀法
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工程中常用重度来表示单位体积土的重力
质量极轻，粘粒互相接近，凝聚成絮状物下沉，形成孔
隙较大的絮状结构
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五、土的构造
土的构造是指土体中各结构单元之间的关 系。
1.层理构造：土粒在沉积过程中,由于不同阶段沉积的
物质成分、颗粒大小或颜色不同,而沿竖向呈现出成层 特征
第一章土的物理性质及分类
第⼀章⼟的物理性质及分类第⼀章⼟的物理性质及分类1—1 概述⼟的定义：⼟是连续，坚固的岩⽯在风化作⽤下形成的⼤⼩悬殊的颗粒，经过不同的搬运⽅式，在各种⾃然环境中⽣成的沉积物。
⼟的三相组成：⼟的物质成分包括有作为⼟⾻架的固态矿物颗粒、孔隙中的⽔及其溶解物质以及⽓体。
因此，⼟是由颗粒(固相)、⽔(液相)和⽓(⽓相)所组成的三相体系。
第⼆节⼟的⽣成⼀、地质作⽤的概念地质作⽤--导致地壳成分变化和构造变化的作⽤。
根据地质作⽤的能量来源的不同，可分为内⼒地质作⽤和外⼒地质作⽤内⼒地质作⽤: 由于地球⾃转产⽣的旋转能和放射性元素蜕变产⽣的热能等，引起地壳物质成分、内部构造以及地表形态发⽣变化的地质作⽤。
如岩浆作⽤、地壳运动(构造运动)和变质作⽤。
外⼒地质作⽤：由于太阳辐射能和地球重⼒位能所引起的地质作⽤。
它包括⽓温变化、⾬雪、⼭洪、河流、湖泊、海洋、冰川、风、⽣物等的作⽤。
风化作⽤--外⼒(包括⼤⽓、⽔、⽣物)对原岩发⽣机械破碎和化学变化的作⽤。
沉积岩和⼟的⽣成--原岩风化产物（碎屑物质），在⾬雪⽔流、⼭洪急流、河流、湖浪、海浪、冰川或风等外⼒作⽤下，被剥蚀，搬运到⼤陆低洼处或海洋底部沉积下来，在漫长的地质年代⾥，沉积的物质逐渐加厚，在覆盖压⼒和含有碳酸钙、⼆氧化硅、氧化铁等胶结物的作⽤下，使起初沉积的松软碎屑物质逐渐压密、脱⽔、胶结、硬化⽣成新的岩⽯，称为沉积岩。
未经成岩作⽤所⽣成的所谓沉积物，也就是通常所说的“⼟”。
风化、剥蚀、搬运及沉积--外⼒地质作⽤过程中的风化、剥蚀、搬运及沉积，是彼此密切联系的。
⼆、矿物与岩⽯的概念岩⽯--⼀种或多种矿物的集合体。
矿物--地壳中天然⽣成的⾃然元素或化合物，它具有⼀定的物理性质、化学成份和形态．(⼀) 造岩矿物组成岩⽯的矿物称为造岩矿物。
矿物按⽣成条件可分为原⽣矿物和次⽣矿物两⼤类。
区分矿物可以矿物的形状、颜⾊、光泽、硬度、解理、⽐重等特征为依据。
（⼆）岩⽯岩⽯的主要特征包括矿物成分、结构和构造三⽅⾯。
土力学与地基基础第一章
1.5 粘性土的稠度
1.5.1 界限含水量
粘性土的土粒很细，单位体积的颗粒总表面积较大， 土粒表面与水相互作用的能力较强，土粒间存在粘结力。 稠度就是指土的软硬程度，是粘性土最主要的物理状态 特征。当含水量较大时，土粒被自由水所隔开，表现为 浆液状；随着含水量的减少，土浆变稠，逐渐变为可塑 状态，这时土中水主要表现为弱结合水；含水率再减少， 土就变为半固态；当土中主要含强结合水时，土处于固 体状态，如图1.4所示。
图1.5 土的结构
2、土的颗粒级配 对于土粒的大小及其组成情况，通常以土中各个粒组的 相对含量（各粒组占土粒总量的百分数）来表示，称为土 的颗粒级配。 (1)土的颗粒级配测定方法 ①筛分法----适用于粒径小于等于60mm而大于0.075mm ②比重瓶法-----适用于粒径小于0.075mm (2)颗粒级配表达方式
(1.11) (1.12) (1.12)
同样条件下，上述几种重度在数值上有如下关系，即
(1.13)
(4)土的孔隙比和孔隙率 土中孔隙体积与土粒体积之比称为孔隙比，用符 号e（小数）表示，用以评价天然土层的密实程度。
(1.14)
土中孔隙体积与土的总体积的比值称为孔隙率，用 符号n表示。
(1.15)
(5)饱和度 土中水的体积与孔隙体积之比称为饱和度，用符 号Sr表示。反映土体的潮湿程度。
图1.10 含水量与干密度关系曲线
1、可以总结出如下的特性： (1)、峰值(ωop＝ ωp +2)； (2)、击实曲线位于理论饱和曲线左侧
(3)、击实曲线的形态 2、 影响击实效果的因素 (1)、含水量的影响 (2)、击实功能的影响 (3)、不同土类和级配的影响 3、压实特性在现场填土中的应用 为了便于工地压实质量的控制，可采用压实系数λ来表示,即
土力学
第一章土的组成1土的定义：土是岩石风化的产物。
常见的化学风化作用：水解作用，水化作用，氧化作用。
2土是由固体颗粒，水，和气体组成的三相体系。
3固体颗粒:岩石风化后的碎屑物质简称土粒，土粒集合构成土的骨架4土具有三个重要特点：散体性；多相性；自然变异性5粒组：介于一定粒度范围内的土粒。
土粒的大小叫做粒度。
6采用粒径累计曲线表示土的颗粒级配；不均匀系数Cu：反映大小不同粒组分布的均匀程度，Cu越大，越不均匀。
曲率系数Cc:反映了d10、d60之间各粒组含量的分布连续情况。
Cc过大或过小，均表明缺少中间粒组。
7土粒大小：也称为粒度，以粒径表示；8土体：9粘土矿物10液相11强结合水是指紧靠土粒表面的结合水膜，亦称吸着水弱结合水紧靠强结合水的外围而形成的结合水膜，也称薄膜水。
12自由水指土粒表面引力作用范围之外的水.自由水分为：重力水，毛细水。
重力水是存在于地下水位以下的透水土层中的自由水。
毛细水存在于地下水位以上，受水与空气交界面处表面张力作用的自由水。
13土的构造：指同一土层中的物质成分和颗粒大小都相近的各部分之间的相互关系的特征。
有层理构造，裂隙构造，分散构造14土的结构：指土粒大小、形状、相互排列及其联结关系、土中水性质及孔隙特征等因素的综合特征。
有单粒结构，蜂窝结构，絮状结构15承压水16潜水：17排水距离18双面排水19电泳：在电场作用下向阳极移动；电渗：水分子在电场作用下向负极移动，因水中含有一定量的阳离子（K+，Na+等），水的移动实际上是水分子随这些水化了的阳离子一起移动。
20双电层：反离子层与土粒表面负电荷层组成双电层。
第二章土的物理性质及分类1重度：单位体积土的重量，用γ表示密度：单位体积土的质量，用ρ表示2干密度ρd干容重γd：单位体积内土粒的质量或重量饱和密度ρsat与饱和容重γsat ：土中孔隙完全被水充满，土处于饱和状态时单位体积土的质量或重量浮密度与浮容重：单位体积内土粒质量与同体积水质量之差3土粒相对密度:土的质量与同体积4℃时纯水的质量之比4土的含水率w :土中水的质量与土粒质量之比.测定方法：烘干法。
土力学复习要点#
第一章 土的组成土是岩石风化的产物。
风化作用主要包括物理风化和化学风化。
1. 土具有三个主要特点：散体性、多相性（多样性）、自然变异性。
2. 土是由固体颗粒、水和气体组成的三相体系。
3. 粗大的土粒其形状呈块状或粒状；细小的土粒主要呈片状。
4. 土粒的大小称为粒度，通常以粒径表示；介于一定粒度范围内的土粒，称为粒组；划分粒组的分界尺寸称为界限粒径，据界限粒径200、60、2、0.075、0.005mm 把土粒分成六大粒组：漂石或块石颗粒、卵石或碎石颗粒、圆砾或角砾颗粒、砂粒、粉粒、黏粒。
5. 土中各个粒组的相对含量（土样各粒组的质量占土粒总质量的百分数）称为粒度成分或者颗粒级配。
6. 粒度成分分析常用筛分法（>0.075）和沉降分析法(<0.075).7. 粒度成分分布曲线：曲线较陡，说明粒径大小相差不多，颗粒较均匀，级配不良；曲线平缓，说明粒径大小相差悬殊，土粒不均匀，级配良好。
8. 不均匀系数,曲率系数，不均匀系数越大，表示粒度的分布范围越大，颗粒越不均匀，其级配越良好。
9. 把的土看作是均粒土，级配不良；把的土，级配良好。
10. 砾类土或砂类土同时满足和两个条件时，则为良好级配砾或良好级配砂。
11. 土中固体颗粒的矿物成分绝大部分是矿物质，或多或少含有有机质。
矿物质分为原生矿物和次生矿物，其中原生矿物主要是石英、长石和云母等，次生矿物主要是黏土矿物、可溶盐和无定形氧化物胶体。
黏土矿物主要是蒙脱石、伊利石和高岭石。
12. 一般液态土中水可视为中性、无色、无味、无臭的液体，其质量密度在4℃时为1g/cm ³ ,重力密度9.81kN/m ³。
存在于土粒矿物的晶体格架内部或是参与矿物构造中的水称为矿物内部结合水，可以把矿物内部的结合水当作矿物颗粒的一部分。
13. 存在土中的液态水可以分为结合水和自由水两大类。
土中水是成分复杂的电解质水溶液。
14. 结合水进一步可分为强结合水和弱结合水。
土壤的组成和性质
土壤的组成和性质一、土壤的组成土壤是环境中特有的组成部分，是位于陆地表面呈连续分布，具有肥力并能生长植物的疏松层，它是一个复杂的体系。
它的组成包括固相（矿物质、有机质）、液相（土壤水分或溶液）和气相（土壤空气）等三相物质四种成分有机地组合在一起构成的一种特殊物质。
按容积计，在较理想的土壤中，矿物质约占38—45%,有机质约占5—12%, 土壤孔隙约占50%, 土壤水分和空气存在于土壤孔隙内，三相之间亦经常变动而相互消长。
按重量计，矿物质可占固相部分的90—95%以上，有机质约占1 —10%左右。
（一）土壤矿物质土壤矿物质来源于地壳岩石（母岩）和母质，它对土壤的性质、结构和功能影响很大。
土壤中的矿物质由岩石风化和成土过程中形成的不同大小的矿物颗粒（或土粒）组成的。
自然界的土壤都是由很多大小不同的土粒，按不同的比例组合而成，各粒级在土壤中所占的相对比例或重量百分数称为土壤的机械组成，也叫土壤质地。
（二）土壤有机质进入土壤中的有机物质包括植物、动物及微生物等死亡残体，经分解转化逐渐形成有机质，即腐殖质，土壤腐殖质是土壤有机质的主要部分，约占有机质总量的50—65%。
腐殖质不是单一分子的有机质，而是在组成、结构和性质上具有共同特征，又有差异的一系列高分子有机化合物，腐殖质在土壤中可以呈腐殖酸或腐殖酸盐类存在，亦可以铁、铝的凝胶状态存在，也可与粘粒紧密结合，以有机-无机复合体等形态存在。
这些存在形态对土壤一系列的物理化学性质有很大影响，对土壤肥力有重大作用。
土壤有机质的化学组成包括：糖类（碳水化合物）、木质素、有机氮、脂肪、蜡质、单宁、木栓质、角质、有机磷及灰分等。
土壤中的有机质组成二、土壤的物理化学性质一）土壤的物理性质土壤结构：一般把土壤颗粒（包括单独颗粒、复粒和团聚体）的空间排列方式及其稳定程度，孔隙的分布和结合的状况称为土壤的结构。
土壤中的ca\卩6!3+等多价阳离子及有机质，腐殖质都有胶结剂的作用，参与土壤颗粒的团聚。
第一章土的物理性质与工程分类-第一章土的物理性质及工程分
第一章土的物理性质及工程分类第一节土的组成与结构一、土的组成天然状态下的土的组成（一般分为三相）⑴固相：土颗粒--构成土的骨架,决定土的性质--大小、形状、成分、组成、排列⑵液相：水和溶解于水中物质⑶气相：空气及其他气体（1）干土=固体+气体（二相）（2）湿土=固体+液体+气体（三相）（3）饱和土=固体+液体（二相）二、土的固相——矿物颗粒土粒粒径大小及矿物成分不同，对土的物理力学性质有着较大影响。
如当土粒粒径由粗变细时，土的性质可从无粘性变化到有粘性。
（一）土的粒组划分工程上将物理力学性质较为接近的土粒划分为一个粒组，粒组与粒组之间的分界尺寸称为界限粒径。
土颗粒根据粒组范围划分不同的粒组名称：六大粒组：块石（漂石）、碎石（卵石）、角粒（圆粒）、砂粒、粉粒、粘粒界限粒径分别是：200mm、20mm、2mm、0.075mm、0.005mm,见下表。
表1-1 粒组划分标准（GB 50021—94）（二）土的颗粒级配自然界的土通常由大小不同的土粒组成，土中各个粒组重量（或质量）的相对含量百分比称为颗粒级配，土的颗粒级配曲线可通过土的颗粒分析试验测定。
1.颗粒大小分析试验方法（1）筛分法：适用60—0.075mm的粗粒土（2）密度计法：适用小于0.075mm的细粒土2.颗粒级配曲线——半对数坐标系3.级配良好与否的判别1)定性判别（1）坡度渐变——大小连续——连续级配（级配曲线）（2）水平段（台阶）——缺乏某些粒径——不连续级配（1）曲线形状平缓——粒径变化范围大——不均匀——良好（2） 曲线形状较陡——变化范围小——均匀——不良 2) 定量判别：不均匀系数 1060d d C u =103060d d d 分别表示级配曲线上纵坐标为60% 30% 10%时对应粒径 不均匀系数越大，土粒越不均匀，工程上把5<u C 的看作是均匀的，级配不好；把10>u C 大于的土看作是不均匀的，级配良好。
土质学与土力学第1章土的物理性质及工程分类
第一章 土的物理性质及工程分类§1.1 §1.2 §1.3 §1.4 §1.5 §1.6 §1.7 土的形成 土的三相组成 土的结构和构造 土的三相比例指标 土的物理状态指标 土的工程分类 土的击实特性§1.1 土的形成土的形成示意图 岩石 地球风化搬运、 搬运、沉积土 地球31 风化物理风化 化学风化 生物风化地表或接近地表条件下，岩石、 在地表或接近地表条件下，岩石、矿 物发生机械破碎的过程。
物发生机械破碎的过程。
主要因素是 岩石的失重和温度变化， 岩石的失重和温度变化，岩石裂隙中 水的结冰等。
水的结冰等。
原生矿物 次生矿物在地表或接近地表条件下， 在地表或接近地表条件下， 岩石、 岩石、矿物发生化学变化并 生成新矿物的过程。
生成新矿物的过程。
主因是 水和氧，前者引起溶解、 水和氧，前者引起溶解、水 化，后者引起氧化等化学反 应。
动植物及微生物 引起的岩石风化。
动植物活动有 机 质物理风化5石灰岩里面 含有二氧化碳的水，渗入石灰岩隙缝中， 里面， 二氧化碳的水 在石灰岩里面，含有二氧化碳的水，渗入石灰岩隙缝中， 会溶解其中的碳酸钙。
这溶解了碳酸钙的水，从洞顶上滴下来时， 会溶解其中的碳酸钙。
这溶解了碳酸钙的水，从洞顶上滴下来时， 由於水分蒸发、二氧化碳逸出，使被溶解的钙质又变成固体(称为固化 称为固化)。
由於水分蒸发、二氧化碳逸出，使被溶解的钙质又变成固体 称为固化 。
由上而下逐渐增长而成的，称为“钟乳石 钟乳石”。
由上而下逐渐增长而成的，称为 钟乳石 。
化学风化62 搬运 由风力、水流、重力等完成 搬运—由风力 水流、 由风力、 沉积—残积 坡积、 残积、 3 沉积 残积、坡积、冲积等根据形成过程，可将土分为两大类： 根据形成过程，可将土分为两大类：残积土 无搬运母岩表层经风化作用破碎 成岩屑或细小颗粒后， 成岩屑或细小颗粒后， 未经搬运残留在原地的 堆积物运积土 有搬运风化所形成的土颗粒， 风化所形成的土颗粒， 受自然力的作用搬运到 远近不同的地点所沉积 的堆积物坡积土洪积物（层）断面 洪积物河流形成冲击土河床、河漫滩、 河床、河漫滩、阶地（平原河谷）冲击物 平原河谷）风积土风积土： 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。
土力学 第一章 土的组成和土的性质
WangXu
土的物理性质
§1.2 土的三相组成 – 固体颗粒
土力学
土是在各种地质作用过程和生成条件下形成的，其矿物成分 与粒组大小之间具有明显的内在联系，大致反应在下图中。
WangXu
土的物理性质
§1.2 土的三相组成 – 固体颗粒
硅片 铝片
氧离子O2硅离子Si4+
Si Si
硅-氧四面体 硅片的结构 硅片简图
WangXu
土的物理性质
§1.2 土的三相组成 – 固体颗粒
土力学
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。
硅片
OH1铝离子Al3+
铝片
Al Al
粘土颗粒
玻璃皿
水分子 阳离子
WangXu
土的物理性质
§1.2 土的三相组成 – 土中水
土力学
结合水：受颗粒表面电场作用力 粘土
砾粒
砂粒
粗中 细 粗中 细
20 5 2 0.5 0.25
粉粒 黏粒
0.005
建筑、铁路部门 20
公路部门 0.002
WangXu
土的物理性质
§1.2 土的三相组成 – 固体颗粒
土力学
粒组划分方案
粒组的粒径范围 （mm）
d>200 200≥d＞60 60≥d＞20
20≥d＞2 2≥d＞0.5 0.5≥d＞0.25 0.25≥d＞0.075 0.075≥d＞0.005 0.005＞d
连续程度:
60
Cc = d302 / (d60 ×d10 )
土力学-第一章土的物理性质2
土耳其 1999.8.17, 7.4级
1964年6月16日日本新瀉7.5级地震
振冲法加固地基 vibroflotation ,vibro-compaction
21
砂土的液化及其原因
砂土的液化：
饱和细砂在突然振动而排水不畅的情况下，土粒受到 孔隙水的反作用力而处于悬浮状态，这时砂土突然转
质量 单元土三相图 体积
Vv (1 w)Gs w e 1 Vs
(1 w)Gs w
气体
wGs w
水
e
e n 1 e
2. 饱和度
n e 1 n
Gs w
土颗粒
1
Vw wGs w / w wGs Sr 100% Vv e e
35
质量
单元土三相图
16
3. 粘性土的结构及其联结
粘性土的结构比粗粒土复杂得多，这主要是由于粘性土结构的 联结十分复杂，并决定着粘性土的结构。
粘性土结构的联结和粘聚力
粘性土结构的联结主要表现在粘粒的黏着和聚合作用。
粘性土结构的联结力 是土粒中存在的内力
内力的总和称为粘聚力
粘聚力
粘性土和粗粒土之间重要的区别标志 确定土体抗剪强度的重要指标
重力，毛细力
点与点、点与面
15
2. 粉土的蜂窝结构 蜂窝结构：
粉土颗粒质量小，当单颗粒下沉时 碰到已沉积的土粒，就可能因粒间 引力而停留在接触点上不再下沉， 从而形成孔隙很大的蜂窝结构。
特点： 土体骨架不稳定，易沉降变形，强 度低，高压缩性，水作用敏感，蠕 变等等。
粉 土：蜂窝结构 honeycomb structure
Va Vv Vw
土力学 第一章
土 风：风积土
颗粒均匀，层厚而不具层理
地质成因与土类
风积土（黄土高原风成学说）
雅丹地貌（风蚀作用形成）
残积土
坡积土 洪积土 基岩
冲积土
土具有特殊的物理力学性质，三个特点 （1） 散体性 （2）多相性：固体颗粒、水和气体。
（1）自然变异性
第二节 土中固体颗粒
（一）粒组的划分和颗粒级配曲线
Cu>10级配良好。
级配不连续的土，还需要考虑曲率系数: 曲率系数：
d30（中值粒径）—小于该粒径的含量占总量的30%
该指标考虑了中间粒径的
影响； Cc 过大或过小，均表明缺 少中间粒径，级配变差； 1<Cc<3曲率变化平缓；
（4）土级配优劣的标准
a、级配良好土：曲线光滑连续，不存在平台段，坡度平缓 满足Cu>5及Cc=1-3两个条件
土的气相
粗颗粒：对土性质影响不大， 细颗粒：影响较大， 成分：二氧化碳和氮气较多，氧气较少。
第四节 黏土颗粒与水的相互作用
分类：根据黏土矿物的晶体结构，黏土矿 物主要分为蒙脱石、伊利石和高岭石。 比表面：单位体积的颗粒的总表面积。 特点:扁平颗粒，与水作用能力强。 黏土矿物比表面积越大，亲水性、膨胀性 和收缩性越强，
而与土粒分离。可以把结晶水当作矿物颗粒的一部分。
（2）结合水
结合水是由土颗粒表面电分子吸附在土粒表面的 一层水，分为强结合水和弱结合水两种。
强结合水
强结合水存在于最靠近土颗粒表面处，水分子和 水化离子排列的非常紧密，其密度大于1，并有过冷现
象（-78°C）。这种水牢固的结合在土粒表面，其性 质接近于固体，所以具有极大的粘滞性、弹性及抗剪 强度。
表1 土的矿物成分与粒组的关系
土壤的组成和性质
土壤的组成和性质一、土壤的组成土壤是环境中特有的组成部分，是位于陆地表面呈连续分布，具有肥力并能生长植物的疏松层，它是一个复杂的体系。
它的组成包括固相（矿物质、有机质）、液相（土壤水分或溶液）和气相（土壤空气）等三相物质四种成分有机地组合在一起构成的一种特殊物质。
按容积计，在较理想的土壤中，矿物质约占38—45%，有机质约占5—12%，土壤孔隙约占50%，土壤水分和空气存在于土壤孔隙内，三相之间亦经常变动而相互消长。
按重量计，矿物质可占固相部分的90—95%以上，有机质约占1—10%左右。
（一）土壤矿物质土壤矿物质来源于地壳岩石（母岩）和母质，它对土壤的性质、结构和功能影响很大。
土壤中的矿物质由岩石风化和成土过程中形成的不同大小的矿物颗粒（或土粒）组成的。
自然界的土壤都是由很多大小不同的土粒，按不同的比例组合而成，各粒级在土壤中所占的相对比例或重量百分数称为土壤的机械组成，也叫土壤质地。
（二）土壤有机质进入土壤中的有机物质包括植物、动物及微生物等死亡残体，经分解转化逐渐形成有机质，即腐殖质，土壤腐殖质是土壤有机质的主要部分，约占有机质总量的50—65%。
腐殖质不是单一分子的有机质，而是在组成、结构和性质上具有共同特征，又有差异的一系列高分子有机化合物，腐殖质在土壤中可以呈腐殖酸或腐殖酸盐类存在，亦可以铁、铝的凝胶状态存在，也可与粘粒紧密结合，以有机-无机复合体等形态存在。
这些存在形态对土壤一系列的物理化学性质有很大影响，对土壤肥力有重大作用。
土壤有机质的化学组成包括：糖类（碳水化合物）、木质素、有机氮、脂肪、蜡质、单宁、木栓质、角质、有机磷及灰分等。
土壤中的有机质组成二、土壤的物理化学性质一）土壤的物理性质土壤结构：一般把土壤颗粒（包括单独颗粒、复粒和团聚体）的空间排列方式及其稳定程度，孔隙的分布和结合的状况称为土壤的结构。
土壤中的Ca2+、Fe3+等多价阳离子及有机质，腐殖质都有胶结剂的作用，参与土壤颗粒的团聚。
土力学-第一章
土的结构类型
• 示意图
单粒结构—松
• 排列形式 • 矿物成分
点与点、点与面 原生矿物
单粒结构—密
粗 粒 土
30 岩土工程研究所
郭莹主讲
土力学
§1 土的物性及分类 §1.1土的三相组成和结构 1.1.4土的结构
土的结构类型
• 示意图
细 粒 土 • 形成环境
颗粒级配 颗粒级配曲线及指标的用途：
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。
重力水
地下水位（浸润线）以下饱和土中； 在重力作用下可在土中自由流动。
（gravitation water）
自由水
（free water）
• 存在于固气之间
毛细水
• 在重力与表面张力作用下
可在土粒间孔隙中自由移动 （capillary water）
26 岩土工程研究所
郭莹主讲
土力学
§1 土的物性及分类 §1.1土的三相组成和结构 1.1.3土的液相
粒径(mm)
∵d60A = d60B= 0.28，d10A=0.15 d10B =0.02 ∴CuA=1.87 <CuB=14
16 岩土工程研究所
郭莹主讲
工程岩土学-第1章土的物质组成
1.3
土的矿物成分
一、土的矿物成分类型
原生 矿物 矿 次生 矿物
不可溶的
可溶的 腐植质 泥炭
粘土矿物 倍半氧化物 次生氧化物 难溶盐 中溶盐 易溶盐
物 有机质
原生矿物
石英、长石、云母等
矿
物
次生矿物
主要是粘土矿物， 包括三种类型: 高岭石、伊里石、蒙脱石
高 岭 石
伊 利 石
蒙 脱 石
高岭石
伊利石
粒径级配
组 (3)砾石 (4)砂粒组 (5)粉粒组 (6)粘粒组
筛分法
粗颗粒
水分法
细颗粒
筛分法
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。
水分法常用比重计法: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。
斯托克斯公式
蒙脱石
二、土的矿物成分与粒组的关系
• • • •
卵砾石组一般是由物理风化形成的岩石碎块(呈棱角状的 块石、碎石、角砾等)组成。 砂粒组的矿物成分主要是原生矿物，在较细粒中也有次 生矿物。 粉粒组往往是由抗风化能力较强的矿物，如石英组成。 粘粒组的矿物成分几乎都是由次生矿物与腐殖质组成的。
粘土矿物:
毛细水
分布在土粒内部相互贯通 的孔隙可以看成许多形状 不一、直径互异、彼此连 通的毛细管
分析对象: 水柱
πr2hcγw=2πrTcosα
•上升高度:
hc
2 T cos r
毛细升高与孔径成反比
土中毛细现象
粘土 粉土 砂土 砾石
毛细压力
2πrTcosα+ucπr2 = 0 • 假定α= 0, 毛细压力
土的物理性质指标与分类
土的物理性质指标与分类
1-2 土的组成
一、土的固相 土的固相物质包括无机矿物பைடு நூலகம்粒和有机质，是构成土
的骨架最基本的物质，称为土粒。对土粒应从其矿物成 分、颗粒的大小和形状来描述。 （一）成土矿物：原生矿物，次生矿物
原生矿物是指岩浆在冷凝过程中形成的矿物，如石英 、长石、云母等。
次生矿物是由原生矿物经过风化作用后形成的新矿物 ，如三氧化二铝、三氧化二铁、次生二氧化硅、粘土矿 物以及碳酸盐等。
土的物理性质指标与分类
1-2 土的组成
3.土的级配曲线
土1的-物1理颗性粒质指分标析与试分验类 曲线
1-2 土的组成
(四)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；
土的物理性质指标与分类
1-2 土的组成
一、土的固相 （二）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
土的级配：土中各种大小的粒组中土粒的相对含量。
我国GB 50021-94《岩土工程勘察规范》的粒组划分标准可参见
表1-1。 粒 组 名 称
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。
土的物理性质指标与分类
1-2 土的组成
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。 根据土的粘性分： 粘性土：颗粒很细； 无粘性土：颗粒较粗，甚至很大。砂、碎石、甚 至堆石（直径几十cm甚至1m）
1.土力学基础-土的组成
表1 粒组的划分
1.1.2土中水(water in soil)
土中水可有不同的形态，如固态的冰、气态的水蒸汽、液态的 水，还有矿物颗粒晶格中的结晶水，这些都属于土中水。对 土的性质影响最大的是液态水，尤其是粘性土，它所含的液 态水对其性质影响最大。 液态水主要有结合水和自由水二种形式 1.结合水:解释结合水膜的概念 包括强结合水和弱结合水： 强结合水(strong bound water) (吸着水：absorbed water): 紧靠土粒表面，受到吸引力最大，约1000个大气压，厚度＜ 0.003μ m (1μ m=10-3mm)大约几个水分子层厚， 特性：显示固体的性质，极大的粘滞性、弹性和抗剪强度，不 传递静水压力。冰点很低，00C不冻结，1000C不蒸发，不能 溶解盐类； 粘土只含有强结合水时显示固体坚硬状态；砂土的强结合水含 量极少,仅含强结合水的砂土呈散粒状态；
2.天然含水量w (natural moisture content式： 常见值：砂土：0～40%；粘性土：(20～60)% 土体含水量愈大，则压缩性愈高，强度愈低。 测定方法： 烘箱烘干法（适合于粘性土、粉土、砂土） 取代表性试样15～20g放入铅盒，并用天平称重，然后放入烘箱内，控 制105℃-110℃，加温至恒重（使结合水蒸发），再称干土重。 （湿土＋盒重）－（干土＋盒重）＝水重（mw） （干土＋盒重）－ 盒重 ＝干土重（ms） .酒精燃烧法（工地上没有烘箱，而又急于了解土的含水量时，用此 法） 试样入盒称重，而后倒入酒精，点燃，几分钟后熄灭，用针 将试样调拌均匀，重复3次，可认为土中水全部挥发，求 解mw , ms 及w .铁锅炒干法，适用于卵石或砂夹卵石，取代表发试样3～5kg，称重 后倒入铁锅中干炒，直到不冒气为止，再称重，计算mW , ms 及 w，原理直观。
土壤的组成和性质
土壤的组成和性质1 土壤的组成土壤是由固、液、气三相物质构成的复杂的多相体系。
土壤固相包括矿物质、有机质和土壤生物；在固相物质之间为形状和大小不同的孔隙，孔隙中存在水分和空气。
土壤是以固相为主，三相共存。
三相物质的相对含量因土壤种类和环境条件而异。
土壤组分的比例（体积分数）为：矿物质约45％，有机质约5％，水20％～30％，空气20％～30％。
1.1土壤矿物质矿物质是土壤中最基本的组分，重量占土壤固体物质总重量的90％以上。
矿物质通常是指天然元素或经无机过程形成并具结晶结构的化合物。
地球上大多数土壤矿物质都来自各种岩石，这些矿物经物理和化学风化作用从母岩中释放出来时，就成为土壤矿物质和植物养分的主要来源。
土壤矿物质按其成因可分为原生矿物和次生矿物两类。
⑴原生矿物：指在物理风化过程中产生的未改变化学成分和结晶构造的造岩矿物，如石英、云母、长石等，属于土壤矿物质的粗质部分，形成砂粒（直径在2.00～0.05mm之间）和粉砂（直径在0.05～0.002mm之间）。
原生矿物主要有四类：①硅酸盐类矿物；②氧化物类矿物；③硫化物类矿物；④磷酸盐类矿物。
⑵次生矿物：指原生矿物晶化学风化后形成的新矿物，其化学成分和晶体结构均有所改变。
次生矿物包括：①简单盐类；②三氧化物；③次生铝硅酸盐。
其中，三氧化物和次生铝硅酸盐是土壤矿物质中最细小的部分，常称为粘土矿物，如高岭石、蒙脱石、伊利石、绿泥石、褐铁矿和三水铝土等，它们形成的粘粒（直径小于0.002mm）具有吸附、保存呈离子态养分的能力，使土壤具有一定的保肥性。
1.2土壤有机质土壤有机质指土壤中含碳有机化合物的总称。
有机质按重量计算只占土壤固体总重量的5％左右。
土壤有机部分主要可以分为两类：原始组织及其部分分解的有机质和腐殖质。
原始组织包括高等植物未分解的根、茎、叶；动物分解原始植物组织，向土壤提供的排泄物和死亡之后的尸体等。
这些物质被各种类型的土壤微生物分解转化，形成土壤物质的一部分。
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为w2=25%，问1m3土需增加多少水？
1.4 土的物理状态指标
无粘性土——密实度
粘性土的物理特征——含水量(软硬程 度)
1.4.1 无粘性土的密实度划分标准
（1）孔隙比e
孔隙比e可以用来表示砂土的密实度。对于同一种土， 当孔隙比小于某一限度时，处于密实状态。孔隙比愈大， 土愈松散。 优点：简单方便 缺点：无法反映土的级配因素
例1-2 用体积为72cm3的环刀取得某原状土 样重129.5g，烘干后土重101.5g，土粒比重为2.7，
试计算该土样的含水量ω、孔隙比e、饱和度Sr、
重度γ、饱和重度γsat、浮重度γ’以及干重度γd。
例1-3 已知某土含水率w1=18%，重度 γ=17.5kN/m3，若孔隙比保持不变，含水率增加
Vv e Vs
(2) 孔隙率n (Porosity) 土中孔隙体积与土的总体积之比，以百分数表示。
Vv n 100% V
3. 土的饱和度Sr
Vw Sr 100 % Vv
饱和度描述土中孔隙被水充满的程度,它在0~100%。 干土Sr=0, 孔隙全部为水充填时，Sr=100%。
土中孔隙水的体积Vw与孔隙总体积Vv之比，以百分数表示。
•
•
筛分法 （d>0.075mm的土） 密度计法（d<0.075mm的土）
筛分法（d>0.075mm的土）
沉降分析法（密度计法） （d<0.075mm的土）
（3）颗粒级配的表示方法
表示方法：表格法、颗粒累计级配曲线法等
粒径di(mm) 10 粒径小于等于di的累计百分含量pi（％） 土样a － 土样b 100.0 土样c －
《岩土工程勘察规范》
0.005 0.075 2 20 200mm
粘粒
粉粒
砂粒
砾石
碎石
块石
细粒
粗粒
巨粒
粒 组 统 称 巨 粒
《土的工程分类标准》 粒组名称 粒组范围 （mm） 200 200～60 60～20 20～2 2～0.075
《公路土工试验规程》 粒组名称 粒组范围（mm） 200 200～60 60～20 20～5 5～2 2～0.5 0.5～0.25 0.25～0.075 0.075～0.002 0.002
第1章： 土的组成和物理性质
土的三相组成 土的三相比例指标 土的结构 粘性土的界限含水率 砂土的密实度 土的压实原理 土的工程分类
1.1 土的三相组成
固体矿物颗粒 （固相）
土中气体 （气相） 土中水
（液相）
1.1.1 土的固体颗粒
土的固体颗粒是土的固体颗粒、水和气体三相组 成中的主体，是决定土的工程性质的主要成分。
工程应用：当Dr=0时， e=emin，表示土处于最疏松状态; 当Dr=1.0时， e=emax，表示土体处于最密实状态。
(1 e)V s 1 e
1 e
e s 1 d
Vw w s
s (1 w) e 1
4. 饱和度与含水量，比重和孔隙比的关系
w
Vs
Vv=e Vs＝1 1+e
质量 m
（1＋w）ρs ρs wρs
体积V 气 水 土粒
V Sr w Vv
w s
Sr
w
颗粒累计级配曲线法
工程上常用不均匀系 数Cu描述颗粒级配的不 均匀程度。 曲率系数Cc描述颗粒级配曲 线整体形态，表明某粒组是 否缺失情况。
d 60 不均匀系数 Cu d10
Cu愈大，表示土粒愈不均 匀。工程上把Cu＜5的土视 为级配不良的土； Cu＞10 的土视为级配良好的土。
曲率系数 Cs
土的含水率
测定方法： 烘干法。先称出天然湿土的质量，然后放在 烘箱里，在100～105℃（有机质含量低）下 烘干，称干土的质量。
1.3.3 换算指标(6个)
1. 不同状态下土的密度或重度 (1) 干密度ρd (Dry Density) 固相质量ms与土的总体积V 之比.
ms d V
(2) 饱和密度ρsat (Saturated Density) 土体中孔隙完全被水充满时的土的密度.
5
2 1
100.0
98.9 92.9
75.0
55.0 42.7
－
－ －
0.50
0.25 0.10 0.075 0.010 0.005 0.001
76.5
35.0 9.0 － － － －
34.7
28.5 23.6 19.0 10.9 6.7 1.5
－
100.0 92.0 77.6 40.0 28.9 10.0
受外荷作用时被挤出土体外，对土的性质影响不大。
（2）封闭气体
受外荷作用，不能逸出，被压缩或溶解于水中，压力 减小时能有所复原，对土的性质有较大的影响，使土的渗 透性减小，弹性增大和延长土体受力后变形达到稳定的历 时。
1.2 土的结构构造
1.2.1 土的结构
单粒结构
蜂窝结构
絮状结构
1.2.2 土的构造
密实 e＜0.6 e＜0.7 中密 0.6≤e≤0.75 0.7≤e≤0.85 稍密 0.75＜e≤0.85 0.85＜e≤0.95 松散 e＞0.85 e＞0.95
密实度 土的名称
砾砂、粗砂、 中砂 细砂、粉砂
（2）相对密度Dr
定义：
emax e Dr emax emin
优点：计入土的级配因素，理论上比较完善。 缺点：天然孔隙比难以获取，且emax,emin的测定受人 为的影响较大。
一类是根据直接指标换算的，如孔隙比、
孔隙率、饱和度等，称为间接指标。
1.3.2 试验直接测定的物理性质指标
试验测定指标:土的密度、土粒密度（比重）和含水量。
1. 土的密度(Bulk density)ρ：单位体积土的质量.
ms mw m V Vs Vw Va
土的密度常用环刀法测定，其单位通常为g/cm3. 一般土的密度为1.60～2.20g/cm3。
3.土的含水率w (Water content)：
土中水的质量与土粒质量之比，以百分数表示.
mw m ms w 100 % 100 % ms ms
数值：天然土层含水量变化范围较大，与土的 种类、埋藏条件及其所处的自然地理环境等有关。
天然状态下土的含水率称土的天然含水率。一般 砂土天然含水率都不超过40%，以10~30%最为常见； 一般粘土大多在10~80%之间，常见值20~50%。但 近代沉积的松软粘性土的天然含水率可到到100%以 上。
土粒密度ρs ,土的密度ρ,饱和密度ρsat,干密度ρd ,浮密度ρ 。 相应的重度指标(kN/m3)也有5个： 土粒重度s，土的重度，饱和重度sat，干重度d，浮重度 。
s sat d '
2.孔隙比e和孔隙率n
(1)孔隙比e (Void ration) 土中孔隙体积Vv与固体体 积Vs之比。
应用：工程上将砂土根据饱和度分为三种状态:
Sr≤50% 50％＜Sr≤80% Sr＞80% 稍湿； 很湿； 饱和.
而对于天然粘性土，一般将Sr大于95%才视为完全饱和土。
1.3.4 指标间的换算
Vv=e
质量 m
（1＋w）ρs ρs wρs
体积V 气 水 土粒
Vs＝1
土的三相指标中，土粒 密度ρs ，含水量w和密度ρ 是通过试验测定的，可以根 据三个基本指标换算出其余 各指标. 推算时，首先令土体内 固相（土粒）体积=1。
e
w s w s e w e w
五、例题分析
【例题1-1】已知土的试验指标为γ=18kN/m3，ρs= 2.72g/cm3和 w=20％，求e， Sr，γd。 【解】
一种解法是直接利用表1-6 (P20)的换算公式;
另一种是；
也可设土粒质量ms等于1。
漂石（块石） 卵石（碎石 ） 粗砾 细砾 砂粒
漂石（块石） 卵石（小块石 ） 粗砾 中砾 细砾 粗砂 中砂 细砂 粉粒 粘粒
粗 粒
细 粒
粉粒 粘粒
0.075 ~0.005 0.005
3.土的粒径级配
（1）定义
工程中常用土中各粒组的相对含量，占总质量的 百分数来表示，称为土的粒径级配。
（2）粒径分析方法
1.土粒的矿物成分
原生矿物：石英、长石、云母等 固 体 颗 粒 矿物质 次生矿物
粘土矿物：蒙脱石、伊利 石、高岭石等 可溶盐：NaCl、CaCO3等 无定形氧化物胶体
有机质
次生矿物
硅片 铝片 硅片
蒙脱石
伊利石
高岭石
高 岭 石
蒙 脱 石
伊 利 石
2.土颗粒的大小与形状
基本概念 粒度：土粒的大小（粒径） 粒组：大小相近的土粒合并为一组
事先将比重瓶注满纯水，称瓶加水的质量m1 。 然后把烘干土若干克(ms)装入空比重瓶内，再加 纯水至满，称瓶加水加土的质量m2，按下式计算 土粒比重。
ms Gs m1 ms m2
土的名称
砂土
粉土 2.70~2.71
粘性土 粉质粘土 粘土 2.72~2.73 2.74~2.76
土粒相对密度 2.65~2.69
（2）自由水
重力水、毛细水
双电层
结合水概念
强结合水：性质接近于固体， 冰点很低（-78℃），沸点 很高（150 ℃ ），且不能 传递压力。 弱结合水：呈粘滞状态，不 能传递压力，不能自由流 动，但可以发生转移。
双电层概念
1.1.3
土中气体（气相）
土中的气体存在于土孔隙中未被水所占据的部位。
（1）自由气体
80