土力学 东南大学 1.土的组成

细
极细 粗 细
0.25~0.1
0.1~0.075 0.075~0.01 0.01~0.005 <0.005
易透水，当混入云母等杂质时透水性能 减小，而压缩性增加；无黏性，遇水不 膨胀，干燥时松散；毛细水上升高度不 大，随粒径变小而增大
粉粒 细粒（沉 降分析法） 黏粒
透水性小，湿时稍有黏性，遇水膨胀小， 干时稍有收缩，毛细水上升高度较大较 快，极易出现冻胀现象 透水性小，湿时有黏性、可塑性，遇水 膨胀大，干时收缩显著，毛细水上升高 度大，但速度较慢
蒙脱石构造单元示意
伊利石（illite）

云母在碱性介质中风化产物， 2:1型晶 格，二个硅片＋一个铝片＝一个晶层， 晶层靠钾离子连接，比较稳定，但不如 氢键；
稳定性优于蒙 脱石。

高岭石（kaolinite）
长石风化产物，1:1型晶格，一个硅片＋ 一个铝片＝一个晶层，晶层靠氢键连接， 一个颗粒多达近百个晶层。

其亲水性、膨胀性和收缩性均小于伊利 石，更小于蒙脱石。
1.4.2 黏土颗粒与水的相互作用

自学
双电层概念 颗粒表面的负电荷 构成电场的内层 被吸引在颗粒表面 的阳离子和定向排 列的水分子构成电 场的外层
§1.5土的结构和构造
土的结构包含微观结构和宏观结构两层概念 土的微观结构常简称土的结构，或称为土的 组构（fabric），在成土过程中所形成的土粒 的空间排列及其联结形式，与组成土的颗粒大 小、颗粒形状、矿物成分和沉积条件有关 土的宏观结构，常称为土的构造（structure） 是同一土层中的物质成分和颗粒大小等都相近 的各部分之间的相互关系的特征
强结合水：紧靠于颗粒表面、所受电场的作用力很大、 几乎完全固定排列、丧失液体的特性而接近于固体
弱结合水：紧靠强结合水的外围形成的结合水膜，所 受的电场作用力随着与颗粒距离增大而减弱
2.自由水（free water）
存在于土粒电场影响范围以外，性质和普通水无异，能 传递水压力，冰点为0℃，有溶解能力
以两种形式存在：毛细水、重力水
沉降分析法
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
3、粒度成分分布曲线

根据粒度成分分析试验结果，常采用粒 径累计曲线（grain size accumulation curve）表示土的颗粒级配
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）
2、粒度成分分析试验

筛分法（sieve analysis method）：粒径 >0.075mm
沉降分析法（ settlement analysis method ,又称密度计法）;粒径 <0.075mm

筛分法
用一套孔径不同的筛子， 按从上至下筛孔逐 渐减小放置。将事 先称过质量的烘干 土样过筛，称出留 在各筛上的土质量， 然后计算其占总土 粒质量的百分数
2 2 d30 0.025 d30 0.5 0.06 CC 10 CC d10 d60 2 0.005 d10 d60 2.5 0.01
(
%
)
D60=2.5 1 D30=0.5 0.1
粒径分布曲线
D10 =0.01 0.01
0.001
土粒粒径(mm)
颗粒分析试验曲线的主要用途 土的级配的好坏可由土中的土粒均匀程度和粒径分布 曲线的形状来决定，而土粒的均匀程度和曲线的形状又可 分别用不均匀系数和曲率系数来衡量。 Cu小，曲线陡；Cu大，曲线缓。
1.3.2 土中气体 土中气体存在于土孔隙中未被水占据的部分， 分为与大气连通的非封闭气体和与大气不连 通的封闭气体
1.非封闭气体：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
硅－氧四面体、铝氢氧八面体
蒙脱石（montmorillonite）


由伊利石进一步风化或火山灰风化而成 的产物。 2:1型晶格，二个硅片＋一个 铝片＝一个晶层，晶层没有钾离子连接， 连接弱。水分子和水化阳离子极易进入 层间。 当土中蒙脱石含量较高时，土具有较大 的吸水膨胀和失水收缩的特性。
水分子 水分子
§1.4黏土颗粒与水的相互作用
1、黏土矿物的结晶结构和亲水性 黏土矿物实际上一种铝-硅酸盐晶体，硅 片（实为硅氧四面体）和铝片（实为铝 氧八面体）构成晶胞，不同晶胞的不同 叠至形成不同的黏土矿物：蒙脱石 （montmorillonite）、伊利石（illite）、 高岭石（kaolinite）
蜂窝结构
絮状结构
3.絮状结构：细微粘粒大都呈针状或片状，质量极轻，
在水中处于悬浮状态。当悬液介质发生变化时，土粒表 面的弱结合水厚度减薄，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
1.5.2 土的构造
土的构造是指土体中各结构单元之间的关系。主要 特征是土的成层性和裂隙性,即层理构造和裂隙构造， 二者都造成了土的不均匀性
残积土（residual soils） 坡积土（slope debris） 洪积土（diluvial soils） 冲积土（alluvial soils） 湖积土（marsh deposits） 海积土（marine deposits） 风积土（aeolian deposits） 冰积土 （glacial deposits）
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
2.裂隙构造：土体被许多不连续的小裂隙所分割,在
裂隙中常充填有各种盐类的沉淀物
作业

课后1-2、1-10
d60 1 CU 100 d10 0.01
(
%
)
D60 1=1
0.1
D10 =0.01 0.001 0.01
土粒粒径(mm)
D 60=2 D10=0.25 粒径分布曲线
d60 2 CU 8 d10 0.25
台阶
100
小 于 某 粒 径 的 土 粒 含 量
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 100 10
其成分与母岩不相同
例：粘土矿物有高岭石、伊利石、蒙脱石等 特征：性质较不稳定，具有较强的亲水性，遇水
易膨胀的特点
§1.3土中水和土中气


1.3.1土中水
1.3.2土中气
1.3.1土中的水
土中水的含量明显地影响土的性质(尤其是粘性 土)。土中水除了一部分以结晶水的形式吸附于固 体颗粒的晶格内部外，还存在结合水和自由水 1.结合水（adsorbed water）
1.5.1土的结构
1.单粒结构（single grain fabrics）：
粗矿物颗粒在水或空气中在自重作用下沉落形成的单粒结 构，其特点是土粒间存在点与点的接触。根据形成条件不 同，可分为疏松状态和密实状态
密实状态
疏松状态
2.蜂窝结构：颗粒间点与点接触，由于彼此之间引力大
于重力，接触后，不再继续下沉，形成链环单位,很多链 环联结起来，形成孔隙较大的蜂窝状结构
第一章
土的组成
主要内容





§1.1概述 §1.2土中固体颗粒 §1.3土中水和土中气 §1.4黏土颗粒与水的相互作用 §1.5土的结构和构造
§1.1
土是岩石风化的产物
风化（物理、 化学）作用
概述
搬运 沉积
岩石
岩石破碎 化学成分改变
大小、形状和 成分都不相同 的松散颗粒集 合体（土）
根据土的形成条件，常见的成因类型有：
曲线越陡，表示粒 径大小差不多，土 粒越均匀，级配不 良
颗粒级配的描述 工程上常用不均匀系 数Cu描述颗粒级配的 不均匀程度
Cu d 60 d10
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
2 d 30 Cc d10 d 60
d10、d30、d60小于某粒径的土粒含 量为10%、 30%和60%时所对应 的粒径，分别称为有效粒径、中 值粒径和限制粒径 Cu愈大，表示土粒愈不均 对于砾类土或砂类土，同时满 匀。工程上把Cu＜5的土视 足Cu≥5和Cc=1～3时，定名为 为级配不良的土； Cu＞10 良好级配砂或良好级配砾 的土视为级配良好的土
力变为零，这种粘聚
力液就不再存在。把 这种粘聚力称为假粘
聚力。
毛管水压力
2)重力水 重力水：在重力或水位差作用下能在土中流动的自 由水。 特点：具有溶解能力，能传递静水和动水压力，对 土颗粒有浮力作用。能溶蚀或析出土中的水溶盐，
改变土的工程性质。当它在土孔隙中流动时，对所
流经的土体施加渗流力（亦称动水压力、渗透力） ，计算中应考虑其影响。
土的形成过程决定了它具有特殊的物理力学性质 散体性：颗粒之间无黏结或一定的黏结，存在大 量孔隙，可以透水透气
多相性：土由固体颗粒、水和气体组成的三相体 系
自然变异性：性质复杂，不均匀
下一节
§1.2土中固体颗粒


1.2.1土粒的粒度成分
1.2.2土粒的矿物成分
1、基本概念


粒度（granularity）：土粒的大小 粒组（fraction）：介于一定粒度范围内 的土粒 界限粒径：划分粒组的分界尺寸，见下表 粒度成分（granularity ingredient）或颗 粒级配（grain grading）：土中各个粒组 的相对含量，即土样各粒组的质量占土粒 总质量的百分数
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自由水 1)毛细管水 土中存在许多大小不同的相互连通的弯曲孔道，由于 水分子与土粒分子之间的附着力和水气界面上的表面张力 ，地下水将沿着毛细管被吸上来，在地下水位以上形成一 定高度的毛管水带。 在毛管水带内，由于水气界面上弯液面和表面张力的 存在，使水内的压力小于大气压力，即水压力为负值。
由毛管水压力引 起的摩擦阻力犹如给 予砂土以某些粘聚力 ，以致在潮湿的砂土 中能开挖一定高度的 直立坑壁。但一旦砂 土被水浸饱和，则弯 液面消失，毛管水压
粒组统称
粒组名称
粒径范围 （mm）
一般特征
透水性很大，无黏性，无毛细水
巨粒(分析 法直接测 定)
漂石或块石颗粒
卵石或碎石颗粒 圆砾或角砾 颗粒 粗 中 细 粗 中 砂粒
>200
200~60 60~20 20~5 5~2 2~0.5 0.5~0.25
透水性大，无黏性，毛细水上升高度不 超过粒径大小
粗粒（筛 分法）
Cc过大，台阶在d10~d30间； Cc过小，台阶在d30~d60间。
1.2.2 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
原生矿物：由岩石经过物理风化形成，其矿物成分
与母岩相同
例：石英、云母、长石等 特征：矿物成分的性质较稳定，由其组成的土具
有无粘性、透水性较大、压缩性较低的特点
次生矿物：岩石经化学风化后所形成的新的矿物，
特征粒径
100
小 于 某 粒 径 的 土 粒 含 量
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 1000 100 10 0.1 0.01 0.001 d160 d d 30 土粒粒径 10 (mm)
(
%
)
粒径分布曲线
曲线陡缓
100
小 于 某 粒 径 的 土 粒 含 量
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 1000 100 10