土力学第二章资料
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土力学课件第2章_土的物理性质及分类
• 一类是根据直接指标换算的，称为间接指标（换 算指标），有 孔隙比（void rate） 孔隙率（porosity） 饱和度（degree of saturation）
2.2.1 土的三相比例关系图
质量
m mw ms
气 水 土粒
体积
Va
Vv
Vw
V
Vs
ms：土粒质量 mw：土中水质量 m：土的总质量
100 %
（7）干密度ρd干容重γd • 定义：单位体积内土粒的质量或重量
• 表达式：
d
ms V
d
ms g V
d
g
• 土烘干，体积要减小，因而土的干密度不 等于烘干土的密度。
• 土的干密度或干容重是评价土密实程度的 指标，干密度或干容重越大表明土越密实， 反之越疏松。常用它来控制填土工程的施 工质量。
干密度与湿密度和含水率的关系
m
V
d
wd
1
d 1 w
d
1 w
孔隙比与比重和干密度的关系
d
ms V
s
1 e
e dsw 1 d
饱和度与含水率、比重和孔隙比的关系
Sr
Vw Vv
ws w
e
wd s e
当土饱和时，即为Sr=100％
则
e wsat ds
w
sat
Gs e 1 e
w
Gs 1 1 e
e Gs (1 w)w 1
n 1 d Gs w
St
w d nw
kN/m3 kN/m3 kN/m3 kN/m3
2.2.1 土的三相比例关系图
质量
m mw ms
气 水 土粒
体积
Va
Vv
Vw
V
Vs
ms：土粒质量 mw：土中水质量 m：土的总质量
100 %
（7）干密度ρd干容重γd • 定义：单位体积内土粒的质量或重量
• 表达式：
d
ms V
d
ms g V
d
g
• 土烘干，体积要减小，因而土的干密度不 等于烘干土的密度。
• 土的干密度或干容重是评价土密实程度的 指标，干密度或干容重越大表明土越密实， 反之越疏松。常用它来控制填土工程的施 工质量。
干密度与湿密度和含水率的关系
m
V
d
wd
1
d 1 w
d
1 w
孔隙比与比重和干密度的关系
d
ms V
s
1 e
e dsw 1 d
饱和度与含水率、比重和孔隙比的关系
Sr
Vw Vv
ws w
e
wd s e
当土饱和时，即为Sr=100％
则
e wsat ds
w
sat
Gs e 1 e
w
Gs 1 1 e
e Gs (1 w)w 1
n 1 d Gs w
St
w d nw
kN/m3 kN/m3 kN/m3 kN/m3
土力学第二章
Vv
Vw
V
s Gs 4C 4C Vs ( w ) w
ms
固体
Vs
体积
质量 • 单 位: 无量纲 • 一般范围：粘性土 2.70~2.75， 砂土 2.65
C =1.0 g/cm3 4 w
土粒的相对密度在数 值上等于土粒的密度
基本试验指标-土粒比重
土粒相对密度Gs测定
土粒相对密度常用比重瓶法测定。事先将比重瓶注满 纯水，称瓶加水的质量m1 。然后把质量为ms的烘干土装 入该空比重瓶内，再加纯水至满，称瓶加土加水的质量m2 。由前后质量差异，来计算土粒的体积，从而进一步计算 出土粒比重。
ma=0
空气 水
Va Vv Vw V
Байду номын сангаас
m mw ms
质量
物性指标是比 例关系: 可假设 任一参数为1
固体
Vs
体积
三个独立变量， 干土或饱和土二 个独立变量
实验室 测定
其它指标： 三相草图法计算
三相草图
2.1
土的物理性质指标
为了确定三相草图诸量中的三个直接测量
指标，通常进行三个基本的物理性质试验：
土的密度试验 土粒比重试验 土的含水量试验
或
d
1 w
（三）孔隙比与相对密度和干密度的关系 设土体内土粒的体积为1，则按e=Vv/Vs，孔隙的体积vv为e；由Gs ＝ ms / Vs/ρw得土粒的质量ms为Gs。于是，按ρd的定义可得：
ms Gs w d V 1 e
整理得：
e
Gs w
d
1
（四）饱和度与含水率、比重和孔隙比得关系 设土体内土粒的体积为1，则按e=Vv/Vs得体积vv=e；由Gs ＝ ms / Vs得土粒的质量ms=Gs。按w= mw / ms ，水的质量mw=wGs，则水 的体积vw= mw / ρw =wGs/ρw。于是，Sr定义可得：
土力学_第2章(土的物理性质和工程分类)
固 态 结晶水
强结合水
固体 状态
结合水
土中的水
液 态
不任意流动
弱结合水 毛细水
自由水
重力水
气 态
四种—书中P13
+ + + +_ + _ _ _ _ + _ _ _ __ + _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _
粘土颗粒
强结合水
弱结合水
自由水
O 2
粘粒
H+
105o
H+
水分子 极 性
（c）土中的气体（空气）
判断标准：
N63.5 ≤5 松散
稍密 中密 密实 N ≤ 10 松散 稍密 中密
碎石土
5＜ N63.5 ≤10 10＜ N63.5 ≤20 N63.5 ＞20
砂 土
密实状态
10＜ N ≤15 15＜ N ≤30
密实状态
N ＞30
标准贯入 击数
密实
重Ⅰ型 动力触探击数
（3） 粘性土的物理状态（软－硬状态）
Va 气体 ma=0 mw=w ρs Vw
水
mw
Vv=e V =e+1
ms= ρs
Vs 土粒 ms
Vs=1
干容重计算公式：
ms g s g Gs w g Gs w d d g V e 1 e 1 e 1
浮容重：静水下的土体受到水的浮力作用，其容重等于土的饱和容重减去水的容重。
隙比e与该种土达到最密时的孔隙比emin和最松时的孔隙比emax相对 比的办法，来表示孔隙比e时土的密实度。
emax e Dr emax emin
0.67＜Dr≤1.0 密实 中密 松散 （《地基与基础》－p27）
强结合水
固体 状态
结合水
土中的水
液 态
不任意流动
弱结合水 毛细水
自由水
重力水
气 态
四种—书中P13
+ + + +_ + _ _ _ _ + _ _ _ __ + _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _
粘土颗粒
强结合水
弱结合水
自由水
O 2
粘粒
H+
105o
H+
水分子 极 性
（c）土中的气体（空气）
判断标准：
N63.5 ≤5 松散
稍密 中密 密实 N ≤ 10 松散 稍密 中密
碎石土
5＜ N63.5 ≤10 10＜ N63.5 ≤20 N63.5 ＞20
砂 土
密实状态
10＜ N ≤15 15＜ N ≤30
密实状态
N ＞30
标准贯入 击数
密实
重Ⅰ型 动力触探击数
（3） 粘性土的物理状态（软－硬状态）
Va 气体 ma=0 mw=w ρs Vw
水
mw
Vv=e V =e+1
ms= ρs
Vs 土粒 ms
Vs=1
干容重计算公式：
ms g s g Gs w g Gs w d d g V e 1 e 1 e 1
浮容重：静水下的土体受到水的浮力作用，其容重等于土的饱和容重减去水的容重。
隙比e与该种土达到最密时的孔隙比emin和最松时的孔隙比emax相对 比的办法，来表示孔隙比e时土的密实度。
emax e Dr emax emin
0.67＜Dr≤1.0 密实 中密 松散 （《地基与基础》－p27）
2 土力学 第二章 土的渗透性及水的渗流
作用方向与渗流方向一致！
二、临界水力梯度及渗透破坏 当土中水向上渗流时，渗透力垂直向上而与土样重力方向相反，若渗透力 等于土样浮度，即
j = iγ w = γ , 得临界水力梯度： i cr =
γ' γw
土木工程学院 岩土系 冷伍明
第二章 土的渗透性及水的渗流
因此，若土中水向上渗流： ⑴若i>icr，会发生流土破坏，即“管涌”； ⑵若i=icr，流土处于临界状态，即“悬浮”； ⑶若i<icr，不会发生流土破坏。
h = z + hW + hV
由于水在土中渗流的速度一般很小，hv≈0，因此
h = z + hW = z +
u
γw
式中 u为该点的静水压力
土木工程学院 岩土系 冷伍明
第二章 土的渗透性及水的渗流
A、B两点的总水头可分别表示为：
hA = z A +
γω
uA
; hB = z B +
γω
uB
A、B两点间的总水头差：
作业题：P54： 2-7，2-9 补题1：什么是渗透力、临界水力梯度？
土木工程学院 岩土系 冷伍明
第二章 土的渗透性及水的渗流 §2.1 土的渗透定律
土的渗透性：由于土中孔隙是相互连同 的，土体孔隙中的自由水会由于总水头 差而产生流动，这种土体被水透过的性 质，称为土的渗透性(permeability)。 一、土中渗流的总水头与水力梯度 土中一点的总水头由三项组成：势水头 z、静水头hw和动水头hv，即：
土木工程学院 岩土系 冷伍明
第二章 土的渗透性及水的渗流
二、成层土的平均渗透系数 成层土渗透系数的计算方法见P43 三、渗透系数的室内测定方法 渗透系数k不能用理论方法求得，只能通过试验确定。 测定k值室内方法：定水头法、变水头法。 （1）定水头法 保持总水头差Δh不变，在t时间内，量得透过土样的水量为Q，求k： 根据达西定律
二、临界水力梯度及渗透破坏 当土中水向上渗流时，渗透力垂直向上而与土样重力方向相反，若渗透力 等于土样浮度，即
j = iγ w = γ , 得临界水力梯度： i cr =
γ' γw
土木工程学院 岩土系 冷伍明
第二章 土的渗透性及水的渗流
因此，若土中水向上渗流： ⑴若i>icr，会发生流土破坏，即“管涌”； ⑵若i=icr，流土处于临界状态，即“悬浮”； ⑶若i<icr，不会发生流土破坏。
h = z + hW + hV
由于水在土中渗流的速度一般很小，hv≈0，因此
h = z + hW = z +
u
γw
式中 u为该点的静水压力
土木工程学院 岩土系 冷伍明
第二章 土的渗透性及水的渗流
A、B两点的总水头可分别表示为：
hA = z A +
γω
uA
; hB = z B +
γω
uB
A、B两点间的总水头差：
作业题：P54： 2-7，2-9 补题1：什么是渗透力、临界水力梯度？
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第二章 土的渗透性及水的渗流 §2.1 土的渗透定律
土的渗透性：由于土中孔隙是相互连同 的，土体孔隙中的自由水会由于总水头 差而产生流动，这种土体被水透过的性 质，称为土的渗透性(permeability)。 一、土中渗流的总水头与水力梯度 土中一点的总水头由三项组成：势水头 z、静水头hw和动水头hv，即：
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第二章 土的渗透性及水的渗流
二、成层土的平均渗透系数 成层土渗透系数的计算方法见P43 三、渗透系数的室内测定方法 渗透系数k不能用理论方法求得，只能通过试验确定。 测定k值室内方法：定水头法、变水头法。 （1）定水头法 保持总水头差Δh不变，在t时间内，量得透过土样的水量为Q，求k： 根据达西定律
土力学第二章(渗透性)
第二章：土的渗透性名词解释1、渗透系数：是表征土的渗透性大小的指标，等于单位水力坡度下的渗透流速iv K =。
2、渗透压力：由于渗流作用在建筑物基底产生的单位面积压力。
3、渗透力：由渗透水流施加在单位土体上的拖曳力。
4、流土：在渗流作用下，局部土体表面隆起，或某一范围内土粒群体同时发生移动的现象。
5、管涌：在渗流作用下，无粘性土中的细小颗粒通过较大颗粒的孔隙，发生移动并被带出的现象。
6、接触流失：当渗透水流垂直于渗透系数相差较大的两种土体接触面时,把细粒土带出并透过粗粒土而流失的现象。
7、接触冲刷：当渗透水流平行于不同介质的接触面流动时,把颗粒带走的现象。
8、临界水力坡度：使土体开始发生渗透变形的水力坡度。
简答1、何为渗透力，其大小和方向如何确定？答：渗透力是指由渗透水流施加在单位土体上的拖曳力。
渗透力的大小与渗透水流水力坡度成正比，其方向为渗透水流方向。
2、土的渗透性指标是什么？其物理意义是什么？ 答：描述土的渗透性大小的指标是渗透系数。
其物理意义是单位水力坡度下的渗透流速。
iv K =3、达西定律计算出的渗透流速是否是土的真实渗透流速？二者有何区别答：不是。
用达西定律计算出的渗透流速是渗透水流在整个土体横断面上的平均流速。
土的真实渗透流速是渗透水流在土体孔隙面积上的平均流速，其值要比用达西定律计算出的渗透流速大。
4、影响土的渗透性的主要因素有哪些？答：影响土的渗透性的主要因素有土的颗粒大小和级配、土的密实度、水的动力粘滞系数和土中封闭气体的含量。
5、防止渗透变形的措施有哪些？答：防止土体产生渗透变形的工程措施是“上挡下排”或“上堵下疏”的原则。
上挡主要是在上游做好防渗措施（如水平防渗或垂直防渗等），下排是指在下游要做好排水措施（如设排水体，挖排水沟和排水井等）。
第1题解：根据题意从板桩外水位至板桩内水位将有渗流产生，采用最短的一根渗径计算，研究在向上渗流时桩尖土A 点的有效应力。
L=10m ΔH=4m H=3m4.001 4==∆=L H i m H i h 2.14.03=⨯=⨯=∆kPa h H h H w w sat w 152.1103)1019()(''=⨯-⨯-=∆⨯-⨯-=∆⨯-⨯=γγγγγσ ∵0'>σ ∴A 点不会产生变形，满足稳定要求，所以3m 板桩长度满足要求。
土力学 第2版 第二章 土的物理性质及分类
环刀法
环刀的容积V=60cm3； 环刀的质量m1； 环刀和土的质量m2；
土的密度: m2 m1
V
2.2.2 指标的定义
土力学
2.特殊条件下土的密度
质量m
体积V
Vw Va Vv
气
mw
水
m
ms
土粒
Vs V
（1）干密度ρd ：单位体积中固
体颗粒部分的质量 （紧密程度）
d
ms V
（2）饱和密度ρsat ：土体中孔 （3）浮密度ρ ：在地下水位
出合适的名称，可以概略评价土的工程性质。
第2章 土的物理性质及分类
2.1 概述 2.2 土的三相比例指标 2.3 粘性土的物理特征 2.4 无粘性土的密实度 2.5 粉土的密实度和湿度 2.6 土的胀缩性、湿陷性和冻胀性 2.7 土的分类
土力学
2.2 土的三相比例指标
2.2.1 土的三相比例关系图 2.2.2 指标的定义 2.2.3 指标的换算
土力学
2.2.1 土的三相比例关系图
土力学
质量m
气
mw —土中水质量
mw
水
m
ms —土粒质量
ms
土粒
Vs V
Vw Va Vv
体积V
Va —土中气体积 Vw —土中水体积
Vs —土粒体积
m ms mw
Vv Vw Va
（土的总质量）
（土中孔隙体积）
V Vs Vw Va
（土的总体积）
2.2 土的三相比例指标
ds
ms
Vs 1
s 1
测定方法：比重瓶法
ρs—土粒密度，单位体积土粒质量 ρw1 —纯水在40C时的密度，1g/cm3
土粒相对密度变化范围不大：一般，砂类土2.65～2.69；粉性土
环刀的容积V=60cm3； 环刀的质量m1； 环刀和土的质量m2；
土的密度: m2 m1
V
2.2.2 指标的定义
土力学
2.特殊条件下土的密度
质量m
体积V
Vw Va Vv
气
mw
水
m
ms
土粒
Vs V
（1）干密度ρd ：单位体积中固
体颗粒部分的质量 （紧密程度）
d
ms V
（2）饱和密度ρsat ：土体中孔 （3）浮密度ρ ：在地下水位
出合适的名称，可以概略评价土的工程性质。
第2章 土的物理性质及分类
2.1 概述 2.2 土的三相比例指标 2.3 粘性土的物理特征 2.4 无粘性土的密实度 2.5 粉土的密实度和湿度 2.6 土的胀缩性、湿陷性和冻胀性 2.7 土的分类
土力学
2.2 土的三相比例指标
2.2.1 土的三相比例关系图 2.2.2 指标的定义 2.2.3 指标的换算
土力学
2.2.1 土的三相比例关系图
土力学
质量m
气
mw —土中水质量
mw
水
m
ms —土粒质量
ms
土粒
Vs V
Vw Va Vv
体积V
Va —土中气体积 Vw —土中水体积
Vs —土粒体积
m ms mw
Vv Vw Va
（土的总质量）
（土中孔隙体积）
V Vs Vw Va
（土的总体积）
2.2 土的三相比例指标
ds
ms
Vs 1
s 1
测定方法：比重瓶法
ρs—土粒密度，单位体积土粒质量 ρw1 —纯水在40C时的密度，1g/cm3
土粒相对密度变化范围不大：一般，砂类土2.65～2.69；粉性土
土力学第2章
常用的土的物理指标共有九个 土的密度 土粒相对密度 土的含水量 干密度 饱和密度 浮密度 孔隙比
孔隙率
饱和度
2.2 物理性质指标间的换算
常用的土的物理指标共有九个。已知其中任意三个，通过 换算可以求出其余的六个。
（一）孔隙比与孔隙率的关系
设土体内土粒的体积为1，则e=Vv/Vs可知，孔隙的体积Vv 为e，土体的体积V为（1＋e），于是有：
I w w
p L
p
塑性指数越高，吸着水含量可能高，土的粘粒含量 越高。
2.液性指数
粘性土的状态可用液性指数来判别。
定义为：
IL
w wp wL wp
w wp Ip
式中：IL—液性指数，以小数表示； w—土的天然含水率。
液性指数表征了土的天然含水率与界限含水率之间的相对关系 ，表达了天然土所处的状态。
【例题】某一块试样在天然状态下的体积为60cm3 ，称得其质量为108g，将其烘干后称得质量为 96.43g，根据试验得到的土粒相对密度ds为2.7， 试求试样的湿密度、干密度、饱和密度、含水率 、孔隙比、孔隙率和饱和度。
【解】（1）已知V＝60cm3，m=108g，
得 ρ=m ／ v=180 ／ 60=1.8g/cm3
塑限测定方法
搓滚法：调制均匀的湿图样，在毛玻璃 上搓滚成3毫米直径的土条，若这个时刻 恰好出现裂缝，就把土条的含水率定为 塑限 液塑限联合测定法：取代表性试样，加 入不同数量的纯水，调制成三种不同稠 度的试样，用电磁落锥测定圆锥在自重 作用下经5秒后沉入试样的深度。以含水 率为横坐标，圆锥入土深度为纵坐标， 在双对数纸上绘制关系曲线。入土深度2 毫米所对应的含水率为塑限。
粘性土
含水量
孔隙率
饱和度
2.2 物理性质指标间的换算
常用的土的物理指标共有九个。已知其中任意三个，通过 换算可以求出其余的六个。
（一）孔隙比与孔隙率的关系
设土体内土粒的体积为1，则e=Vv/Vs可知，孔隙的体积Vv 为e，土体的体积V为（1＋e），于是有：
I w w
p L
p
塑性指数越高，吸着水含量可能高，土的粘粒含量 越高。
2.液性指数
粘性土的状态可用液性指数来判别。
定义为：
IL
w wp wL wp
w wp Ip
式中：IL—液性指数，以小数表示； w—土的天然含水率。
液性指数表征了土的天然含水率与界限含水率之间的相对关系 ，表达了天然土所处的状态。
【例题】某一块试样在天然状态下的体积为60cm3 ，称得其质量为108g，将其烘干后称得质量为 96.43g，根据试验得到的土粒相对密度ds为2.7， 试求试样的湿密度、干密度、饱和密度、含水率 、孔隙比、孔隙率和饱和度。
【解】（1）已知V＝60cm3，m=108g，
得 ρ=m ／ v=180 ／ 60=1.8g/cm3
塑限测定方法
搓滚法：调制均匀的湿图样，在毛玻璃 上搓滚成3毫米直径的土条，若这个时刻 恰好出现裂缝，就把土条的含水率定为 塑限 液塑限联合测定法：取代表性试样，加 入不同数量的纯水，调制成三种不同稠 度的试样，用电磁落锥测定圆锥在自重 作用下经5秒后沉入试样的深度。以含水 率为横坐标，圆锥入土深度为纵坐标， 在双对数纸上绘制关系曲线。入土深度2 毫米所对应的含水率为塑限。
粘性土
含水量
土力学第二章
第三节 粘土颗粒与水的相互作用
1、粘土颗粒表面的带电现象
电渗电泳现象
2、粘土颗粒表面带电的原因
边缘破键造成电荷的不平衡； 同晶置换作用； 水粒 表 面
离 子 浓 度
阳离子
阴离子 距离 双电层示意图
第四节 粘性土工程性质的利用和改良
• 电渗排水和电化学加固； • 离子交换
第二章 粘性土的物理化学性质
第一节 键力的基本概念
1、化学键：原子间的联结 主键（高能键） 2、分子键：分子间的联结
次键（低能键）
3、氢 键：介于主键与次键之间的一种键力 土的强度： 土粒本身强度 土体强度 主键 次键和氢键
第二节 粘土矿物的结晶结构
1、粘土矿物的基本结构
硅氧四面体
氢氧八面体
氧原子 硅离子 铝离子或 镁离子 氧原子或 氢氧基
硅氧四面体
氢氧八面体
2、主要的粘土矿物
• 高岭石：1:1型结构单位层
• 蒙脱石
• 伊利石
2:1型结构单位层
硅氧晶片
铝氢氧晶片
nH2O
钾离子
nH2O
高岭石结构示意图
蒙脱石结构示意图
伊利石结构示意图
粘土矿物的主要特性：
• 高岭石：水稳性好，可塑性低，压缩性低，亲水性差； • 蒙脱石：水稳性差，可塑性高，压缩性高，亲水性强； • 伊利石：介于高岭石和蒙脱石之间。
土力学-第二章-粘性土的物理化学性质.
或次键、低能键。
所谓分子键就是指分子与分子之间的联
结力。
分子间键力的影响范围比离子键力大得
多，约为0.3～10μm，但其键能则比离子 键能小得多，约为2.1～21J/kmol。
分子键的形成与影响因素
由于分子的正电荷与负
电荷的分布不对称形成 极性分子，在极性分子 间相反电荷的偶极端相 互接近时相互吸引就产 生分子键。 分子键的产生是与分子 的定向作用、诱导作用 和分散作用有关。
氧联结，其键力很弱，易为具有氢键的强极化 水分子楔入所分开。
高 岭 石
（氢键联结）
高岭石
蒙脱石
由两个四面体晶片中间夹一个八面体晶片堆叠而成。 称为2:1型结构单位层，亦称为三层结构型。
蒙 脱 石
蒙脱石
伊利石
伊利石的晶格构造与蒙脱石相似，同属 2:1 型结构
单位层，但在四面体片之间六角形网格眼中央嵌 有一个钾离子。
伊 利 石
伊利石
三种粘土矿物物理性质的比较
氧八面体） 4个铝—氢氧八面体组成一个铝片，每个氢氧离子都被相邻两个 铝离子所共有。
粘土矿物的结晶结构
粘土矿物根据四面体片（硅片）与八面 体片（铝片）的不同组合堆叠形式，形 成了三种主要的粘土矿物片与一个八面体片重复堆叠而成。 称为1:1型结构单位层，也称为二层结构型。
以及它们之间的联结力。 键 力
粘性土的各种工程性质（可塑性、压缩性、强度
等）主要受组成粘性土的粘土矿物的结晶结构特 征以及矿物颗粒与周围介质的相互作用所制约。
第一节 键力的基本概念
所谓键力是指组成粘土矿物的原子与原子
之间或分子与分子之间的一种联结力。
键力的类型：
化学键 分子键 氢键
《土力学与地基基础》第二章
达西定律只适用于层流 层流： 层流 适用于中砂、细砂、粉砂等 粗砂、砾石、卵石等粗颗粒土不适合。 因为在这些土的孔隙中水的渗流速度较大，已不是层流而是紊流。当水力 梯度较小时，渗流可认为是层流，这时达西定律仍然适用。
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第二章 土的渗透性
对土渗透性的研究，主要讨论五个问题 对土渗透性的研究，主要讨论五个问题： 渗流模型； 土中水渗透的基本规律（层流渗透定律） ；影响土渗透性的因素 影响土渗透性的因素；渗透系数及其测定； 渗流力及渗流 影响土渗透性的因素 稳定分析。
土力学与地基基础
康晓惠
第二章 土的渗透性
主要内容： 主要内容： 2.1 概述 2.2 达西渗透定律 2.3 渗透系数的测定 2.4 流网及其工程应用
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第二章 土的渗透性
2.1 概 述
土是具有连续孔隙通道的物质体系，因而水能在其中流动。 渗透： 渗透：在水位差作用下，水穿过土中相互连通的孔隙发生流动的现象，称为 土中水的渗透（渗流）。 渗透性： 渗透性：土能够让水等流体通过的性质叫土的渗透性。
图3-7 常水头渗透试验
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第二章 土的渗透性
常水头渗透试验装置
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第二章 土的渗透性
2.变水头渗透试验
– 土样的截面积A，高度为L – 储水管截面积为a – 试验开始储水管水头为h0 – 经过时间t后降为h1 – 时间dt内水头降低dh，水量为：
dQ=-adh
图3-8 变水头渗透试验
第二章 土的渗透性
对土渗透性的研究，主要讨论五个问题 对土渗透性的研究，主要讨论五个问题： 渗流模型； 土中水渗透的基本 规律（层流渗透定律）；影响土渗透性的因素；渗透系数及其测定； 渗流 力及渗流稳定分析。
土力学第二章.
§2 土的渗透性和渗流问题 概述 土石坝坝基坝身渗流
防渗斜墙及铺盖 不透水层
土石坝
浸润线
透水层
渗流量 渗透变形
§2 土的渗透性和渗流问题 概述 板桩围护下的基坑渗流
板桩墙
基坑
透水层 不透水层
渗水压力 渗流量 渗透变形 扬压力
§2 土的渗透性和渗流问题 概述 水井渗流
Q
天然水面
不透水层
透水层 渗流量
二.渗透变形（渗透破坏）
1. 基本类型
流砂 在向上的渗透作用下，表层局部土体颗粒同时发生悬浮移动的现象
渗流
坝体 粘性土k1<<k2
砂性土k2
原因： W J 0 i icr
i
icr
Gs 1 — —和土的密实程度有关 1 e
§2 土的渗透性和渗流问题 §2.3 渗透力与渗透变形
后果 导致下游坡面产生局部滑动等 导致结构发生塌陷或溃口
§2 土的渗透性和渗流问题 §2.3 渗透力与渗透变形
二.渗透变形
2.形成条件 流砂
i < icr : 土体处于稳定状态
i > icr : 土体发生流砂破坏
i = icr : 土体处于临界状态
经验判断：
i i icr
qz
k yiy dx
ky
h z
dx
qx,qz表达式暗含dy=1
2h 2h kx x2 kz z2 0
若
kx kz 则
2h x 2
2h z 2
0
上式就是著名的拉普拉斯（Laplace） 方程，它是描述稳定渗流的基本方 程式。
土力学第二章
土的干重度
土的密度与重度的关系：
1.3.3 几种常用指标之间的换算关系
土的三相比例指标之间可以互相换算： 方法1： 由三相图及其定义计算，见教材例1-1、1-2。 假定V=1, 或者假定Vs=1 方法2： 由三相图导出的计算公式（见表1-2）。
第四节 土的物理状态指标
1.4.1 粘性土的稠度（界限含水率）
▪ 问题：如何判断级 配的好坏？
▪ 两个指标表示大小、均匀程度及其级配情况 不均匀系数：
d60（限定粒径）—小于该粒径的含量占总量的60% d10（有效粒径）—小于该粒径的含量占总量的10%
该指标考虑了大颗粒和小 颗粒含量的差异；
Cu愈大，颗粒愈不均匀；
曲率系数：
d30 （ 连 续 粒 径 ） — 小 于 该 粒 径 的 含 量 占 总 量 的 30%
第二节 土的结构
土的结构性：
粒间的 结合力
指土的物质组成(主要指土粒或团粒，也包括孔隙)
的空间相互排列，以及土粒间的联结特征的综合。
土结构的影响： 对土的物理力学性质有重要的影响。
土结构的变化和意义： 土的结构在形成过程中及形成之后，当外界条 件变化时都会使土的结构发生变化。
（一）粗粒土（无粘性土）的结构
土的三相图
a—air w—water
三相草图的意义：
土的三相物质在体积和质量上的比例关系称为三相比 例指标； 三相比例指标反映了土的干燥与潮湿、疏松与紧密； 评价土的工程性质的最基本的物理性质指标； 工程地质勘察报告中不可缺少的基本内容。
1.3.1 三个实测物理性质指标
直接测定指标（可在实验室内直接测定）： 土的密度、土粒比重Gs（土粒密度s）、含水量
换算指标：其它指标均为换算指标（孔隙比、饱和 度等）。
土的密度与重度的关系：
1.3.3 几种常用指标之间的换算关系
土的三相比例指标之间可以互相换算： 方法1： 由三相图及其定义计算，见教材例1-1、1-2。 假定V=1, 或者假定Vs=1 方法2： 由三相图导出的计算公式（见表1-2）。
第四节 土的物理状态指标
1.4.1 粘性土的稠度（界限含水率）
▪ 问题：如何判断级 配的好坏？
▪ 两个指标表示大小、均匀程度及其级配情况 不均匀系数：
d60（限定粒径）—小于该粒径的含量占总量的60% d10（有效粒径）—小于该粒径的含量占总量的10%
该指标考虑了大颗粒和小 颗粒含量的差异；
Cu愈大，颗粒愈不均匀；
曲率系数：
d30 （ 连 续 粒 径 ） — 小 于 该 粒 径 的 含 量 占 总 量 的 30%
第二节 土的结构
土的结构性：
粒间的 结合力
指土的物质组成(主要指土粒或团粒，也包括孔隙)
的空间相互排列，以及土粒间的联结特征的综合。
土结构的影响： 对土的物理力学性质有重要的影响。
土结构的变化和意义： 土的结构在形成过程中及形成之后，当外界条 件变化时都会使土的结构发生变化。
（一）粗粒土（无粘性土）的结构
土的三相图
a—air w—water
三相草图的意义：
土的三相物质在体积和质量上的比例关系称为三相比 例指标； 三相比例指标反映了土的干燥与潮湿、疏松与紧密； 评价土的工程性质的最基本的物理性质指标； 工程地质勘察报告中不可缺少的基本内容。
1.3.1 三个实测物理性质指标
直接测定指标（可在实验室内直接测定）： 土的密度、土粒比重Gs（土粒密度s）、含水量
换算指标：其它指标均为换算指标（孔隙比、饱和 度等）。
土力学第二章：土的物理性质及工程分类全解
第2章 土的物理性质及工程分类 2.2 土的三相组成
2.2.1土的固体颗粒
3.土的粒径级配 巨粒(>200mm)
土颗粒
粗粒(0.075-200mm)
卵石或碎石颗粒 (20200mm)
圆砾或角砾颗粒 (2-20mm) 砂 (0.075-2mm)
细粒(<0.075mm)
粉粒(0.005-0.075mm)
第2章 土的物理性质及工程分类
2.1.1土的生成
（1）物理风化 ①温差风化：由于温差 变化，岩石在热胀冷缩 过程中逐渐破碎的过程， 常发生在温差较大的干 旱气候地区。
2.1 土的生成与特性
第2章 土的物理性质及工程分类
2.1.1土的生成
（1）物理风化 ② 冰劈作用：充填于岩 石裂隙中的水结冰体积 膨胀而使岩石裂解的过 程。 水结成冰时其体积可增 大9.2％。冰体将对裂缝 壁产生2000kg／cm2的 巨大压力。
1.0 ,0.5, 0.25,
0.075
第2章 土的物理性质及工程分类
2.2.1土的固体颗粒
3.土的粒径级配 (1) 筛分法：适用于0.075mm≤d≤60mm
2.2 土的三相组成
筛析机
第2章 土的物理性质及工程分类
2.2.1土的固体颗粒
3.土的粒径级配 (2) 比重计法:适用于d＜0.075mm
粒径<0.25mm: 粒径<0.075mm:
1-155 0 0151 000 1% 0 500
1-15 5 0 015 100 3 0 04% 500
<2.0
<1.0
<0.5
<0.25
<0.075
90%
60%
土力学第二章土的渗透性及渗流
基坑开挖降水
井点降水
管井降水
2、渗流量的计算问题
水井渗流 Q
天然水面
不透水层
透水层 渗流量
2、渗流量的计算问题
渠道渗流
原地下水位
渗流量
渗流时地下水位
3、渗流变形的控制问题
土石坝渗流的变形控制 基坑渗流的变形控制 滑坡的渗流稳定问题
降雨入渗、库水位升降等引起的坡体稳定问题
3、渗流变形的控制问题
100
饱和度 sr(%)
温度
粘滞性低
高
渗透系数的换算
k20
kT
T
渗透系数大
二、 渗透系数的测定方法
常水头试验法
室内试验测定方法
变水头试验法
野外试验测定方法 井孔抽水试验
井孔注水试验
（1）常水头渗透试验constant head permeability test
由Darcy定律 v kTi
P2 = γwh1
R + P2 = W + P1
R + γwh1 = L(γ + γw) + γwhw
R = ? R = γL－ γwΔh
静水中的土体
R = γ L
渗流中的土体 R = γ L－ γwΔh
向上渗流存在时， 滤网支持力减少
总渗透力 J = γwΔh
减少的部分由谁承担？
单位体积的渗透力 j = J/V = γwΔh/L = γwi
可用雷诺数Re进行判断：
雷诺数Re ：是流体力学中用来判别流体流动状态的重要参数
Re＜10时层流 Re ＞100时紊流 100＞ Re ＞10时为过渡区
两种特例：
（1）粗粒土：
v
土力学第二章
饱和度定义为土中所含水分的体积与孔隙体积之比，表明孔 隙被水充满的程度，用Sr表示，以百分数计。
水的体积 Vw Sr 100 % 孔隙体积 Vv
(2-8)
砂土的湿度（Moisture content）按饱和度划分为三种状态
Sr≤50% 50%＜Sr≤80% Sr＞80% （1）三相图（图2-10） （2）基本质量、体积关系与三相图（图2-10（a）） 稍湿 很湿 饱和
细 粒 组
粉 粘
粒 粒
2. 土粒大小分析方法 Analysis methods of grain size
（1）筛分（Sieving）法 —— ＞0.075 mm 的粗粒土（Coarse-grained soil） （2）比重计（Sedimentation）法 —— ＜ 0.075 mm 的细粒土（Fine-grained soil）
3. 土粒的级配（Grading）
（1）土粒的级配: 土中各种粒组含量占该土总重量的百分数 （2）粒径分布曲线（Particle size distribution curve）—级配 曲线（如图2-2） ① 粒组范围及各粒组含量 ② 粒径分布情况
不同孔径的筛
比重计
（3）不均匀系数Cu和曲率系数Cc Coefficient of uniformity Cu and coefficient of curvature Cc
1. 土粒粒组（Particle size group）（表2-2）
粒组就是将性质相近的土粒归并成组。 巨粒组（Huge grain group） ： 漂石（Boulder）、块石（Block stone） 卵石（Cobble，Pebble）、碎石（ Rubble ） 粗粒组（Coarse grain group ） ： 砾（Gravel） ；砂（Sand） 细粒组（Fine grain group ） ： 粉粒（Silt）; 粘粒（Clay）
水的体积 Vw Sr 100 % 孔隙体积 Vv
(2-8)
砂土的湿度（Moisture content）按饱和度划分为三种状态
Sr≤50% 50%＜Sr≤80% Sr＞80% （1）三相图（图2-10） （2）基本质量、体积关系与三相图（图2-10（a）） 稍湿 很湿 饱和
细 粒 组
粉 粘
粒 粒
2. 土粒大小分析方法 Analysis methods of grain size
（1）筛分（Sieving）法 —— ＞0.075 mm 的粗粒土（Coarse-grained soil） （2）比重计（Sedimentation）法 —— ＜ 0.075 mm 的细粒土（Fine-grained soil）
3. 土粒的级配（Grading）
（1）土粒的级配: 土中各种粒组含量占该土总重量的百分数 （2）粒径分布曲线（Particle size distribution curve）—级配 曲线（如图2-2） ① 粒组范围及各粒组含量 ② 粒径分布情况
不同孔径的筛
比重计
（3）不均匀系数Cu和曲率系数Cc Coefficient of uniformity Cu and coefficient of curvature Cc
1. 土粒粒组（Particle size group）（表2-2）
粒组就是将性质相近的土粒归并成组。 巨粒组（Huge grain group） ： 漂石（Boulder）、块石（Block stone） 卵石（Cobble，Pebble）、碎石（ Rubble ） 粗粒组（Coarse grain group ） ： 砾（Gravel） ；砂（Sand） 细粒组（Fine grain group ） ： 粉粒（Silt）; 粘粒（Clay）
高等土力学02土的本构关系
3 oct
主应力空间与平面
第二章 土的本构关系
2.2 应力和应变 – 应力
仁者乐山 智者乐水
1 R
A
RQ：和之间 与2垂直
： PQ和RQ之间的夹角， 以PQ起逆时针为正
tg 2 2 1 3 3 ( 1 3 ) 3 2b 1 3
x2 x2
x1
x1 x 3
x3
i k ， jl 与为新和原坐标系轴夹角的余弦
其中，a11=cos ，a12=cos ， a13=cos
主应力：1，2，3在三个剪应力为零方向上的正应力
应力张量的坐标转换与主应力
第二章 土的本构关系
2.2 应力和应变 – 应力
• 剪应力q：平面上到Q距离PQ
• 洛德角：平面上的角度
三个独立的应力参数P、q和可以确 定应力点P在应力空间的位置
常用的三个应力不变量
第二章 土的本构关系
2.2 应力和应变 – 应力
仁者乐山 智者乐水
三轴应力状态： 3
• 平均主应力 • 广义剪应力
1 1 p (1 2 3 ) (1 23 ) 3 3
第二章 土的本构关系
2.2 应力和应变 – 应力
仁者乐山 智者乐水
6个独立变量用 矩阵表示，常用 于数值计算
x y z ＝ xy yz zx
应力分量与应力张量
第二章 土的本构关系
2.2 应力和应变 – 应力
球应力张量与偏应力张量
第二章 土的本构关系
2.2 应力和应变 – 应力
仁者乐山 智者乐水
z
C 等倾面
3 2
z
土力学第2章
第2章土的渗透性与渗流2.1概述由于土体本身具有连续的孔隙，如果存在水位差的作用时，水就会透过土体孔隙而产生孔隙内的流动，这一现象称为渗透。
土具有被水透过的性能称为土的渗透性。
这里所论及的水是指重力水。
水是在土的孔隙中流动的，本章假定土颗粒骨架形成的孔隙是固定不变的，并且认为，在孔隙中流动的水是具有粘滞性的流体。
也就是说，把土中水的流动，简单地看成是粘滞性的流体在土烧制成的素陶磁管似的刚体的孔隙中流动。
这种思考方法，在被称为达西定律的试验中反映出来。
达西定律是土中水的运动规律的最重要的公式。
这个公式采用了“水是从水头(总水头)高的地方流向低处”这一水流的基本原理。
根据达西定律和连续方程，再考虑边界条件，一般的透水问题都可以得到解决，即可以求出土中水的流量(透水量)及土中水压力的分布。
如图2-1 所示为土木、水利工程中典型渗流问题。
此外，土的渗透性的强弱，对土体的固结、强度以及工程施工都有非常重要的影响。
为此，我们必须对土的渗透性质、水在土中的渗透规律及其与工程的关系进行很好的研究，从而给土工建筑物或地基的设计、施工提供必要的资料。
图2-1土木、水利工程中的渗流问题2.2土的渗透性土是由固体相的颗粒、孔隙中的液体和气体三相组成的，而土中的孔隙具有连续的性质，当土作为水土建筑物的地基或直接把它用作水土建筑物的材料时，水就会在水头差作用下从水位较高的一侧透过土体的孔隙流向水位较低的一侧。
渗透：在水头差作用下，水透过土体孔隙的现象。
渗透性：土允许水透过的性能称为土的渗透性。
水在土体中渗透，一方面会造成水量损失，影响工程效益；另一方面将引起土体内部应力状态的变化，从而改变水土建筑物或地基的稳定条件，甚者还会酿成破坏事故。
此外，土的渗透性的强弱，对土体的固结、强度以及工程施工都有非常重要的影响。
2.2.1土的渗透定律地下水在土体孔隙中渗透时，由于渗透阻力的作用，沿程必然伴随着能量的损失。
为了揭示水在土体中的渗透规律，法国工程师达西(H.darcy)经过大量的试验研究，1856年总结得出渗透能量损失与渗流速度之间的相互关系即为达西定律。
土力学第二章
第二章 土的渗透性和渗流问题
2.1 概述 2.2 土的渗透性 2.3 二维渗流与流网
2.4 渗透力与渗透变形
2.1 概述
2.1 概述
碎散性
多孔介质 能量差
土颗粒 土中水 渗流
三相体系
孔隙流体流动
水、气等在土体孔隙中流动的现象 土具有被水、气等流体透过的性质
渗流 渗透性
2.1 概述
土石坝坝基坝身渗流 防渗斜墙及铺 盖
1 kx H
kz
1 k j H j （0.0011 0.2 1 101 ） 3.4m/d 3 j 1
3 1 1 1 0.001 0.2 10 0.003m/d
n
k
j 1
H n H j
j
水平渗流kx：渗透系数大的土层起主导作用 竖直渗流kz：渗透系数小的土层起主导作用 kx恒大于kz，实际工程中，一定要注意渗流水流的流向
Q lg(r2 / r1 ) k 2.3 h22 h12
优点：可获得现场较为可 靠的平均渗透系数 缺点：费用较高，耗时较长
2.2 土体的渗透性
4、影响渗透系数的因素
k f (土粒特性、流体特性）
粒径大小及级配 孔隙比 矿物成分 结构 饱和度（含气量） 水的动力粘滞系数
2.2 土体的渗透性
2.2 土体的渗透性
2.2.2
渗透系数的测定和影响因素
常水头试验法
室内试验测定方法
变水头试验法
野外试验测定方法
井孔抽水试验 井孔注水试验
2.2 土体的渗透性
1、常水头试验法
试验条件: Δh，A，L已知 量测变量: V，t 结果整理
V=Qt=vAt v=ki
i=Δh/L
2.1 概述 2.2 土的渗透性 2.3 二维渗流与流网
2.4 渗透力与渗透变形
2.1 概述
2.1 概述
碎散性
多孔介质 能量差
土颗粒 土中水 渗流
三相体系
孔隙流体流动
水、气等在土体孔隙中流动的现象 土具有被水、气等流体透过的性质
渗流 渗透性
2.1 概述
土石坝坝基坝身渗流 防渗斜墙及铺 盖
1 kx H
kz
1 k j H j （0.0011 0.2 1 101 ） 3.4m/d 3 j 1
3 1 1 1 0.001 0.2 10 0.003m/d
n
k
j 1
H n H j
j
水平渗流kx：渗透系数大的土层起主导作用 竖直渗流kz：渗透系数小的土层起主导作用 kx恒大于kz，实际工程中，一定要注意渗流水流的流向
Q lg(r2 / r1 ) k 2.3 h22 h12
优点：可获得现场较为可 靠的平均渗透系数 缺点：费用较高，耗时较长
2.2 土体的渗透性
4、影响渗透系数的因素
k f (土粒特性、流体特性）
粒径大小及级配 孔隙比 矿物成分 结构 饱和度（含气量） 水的动力粘滞系数
2.2 土体的渗透性
2.2 土体的渗透性
2.2.2
渗透系数的测定和影响因素
常水头试验法
室内试验测定方法
变水头试验法
野外试验测定方法
井孔抽水试验 井孔注水试验
2.2 土体的渗透性
1、常水头试验法
试验条件: Δh，A，L已知 量测变量: V，t 结果整理
V=Qt=vAt v=ki
i=Δh/L
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及土的压实性 1-6 土的工程分类
1-1 土的形成
土是松散颗粒的堆积物，是岩石风化的产物。 土是指覆盖在地表的没有胶结或弱胶结的颗粒堆积物。 根据来源分：有机土和无机土
岩石风化分为物理风化和化学风化。
1-1 土的形成
物理风化：岩石经受风、霜、雨、雪的侵蚀，或 受波浪的冲击、地震等引起各种力的作用，温度 的变化、冻胀等因素使整体岩石产生裂隙、崩解 碎裂成岩块、岩屑的过程。
特点：湿热地带，粘土，深厚，松软，易变； 寒冷地带，岩块或砂，物理风化，稳定； 颗粒多为角粒且母岩的种类对其性质有显著影响。
1-1 土的形成
运积土：岩石风化后经流水、风和冰川以及人类活动等搬运离开 生成地点后再沉积下来的堆积物。
由于搬运动力的不同，又分为冲积土、风积土、冰碛土和沼 泽土等。
1-1 土的形成
1-2 土的组成
一、土的固相
（一）成土矿物
原生矿物：常见的有石英、长石、云母等；由物理风化生 成的土粒通常由一种或几种原生矿物组成，颗粒较粗，一 般为无粘性土；圆形、板状、块状；吸附水的能力弱，性 质比较稳定，无塑性。
次生矿物：由原生矿物经化学风化作用而形成的矿物。次 生矿物主要是粘土矿物，常见的粘土矿物有高岭石、伊利 石和蒙脱石；由次生矿物构成的土粒极细，多呈片状或针 状；性质不稳定，有较强的吸附水的能力，含水率的变化 易引起体积胀缩，有塑性。
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）
1-2 土的组成
一、土的固相
（二）粘土矿物的晶体结构 粘土矿物：由各种硅酸盐矿物分解形成的水铝硅酸盐矿物。 其结构可分为晶体和非晶体，以晶体矿物为主。
晶体：指原子、离子在空间有规律的排列，不同的几何排 列形式称为晶体结构，组成晶体的最小单元称为晶胞。 粘土矿物的基本结构单元：硅－氧四面体、铝氢氧八面体。
1-1 土的形成
冰川沉积土：由冰川剥流水搬运直接从冰层中搁置下来的土。 冰碛土的特点：不成层；颗粒粒径的变化范围很大，从漂石到 粘粒；粗颗粒的形状是次圆或次棱角的，有时还有磨光面。
冰水冲积土：由冰川融化水搬运、堆积在冰层外围的冲积土。 冰水冲积土的特点：与河流冲积土具有类似的性质，常由砾石、 砂和粉砂组成。
土的级配：土中各种大小的粒组中土粒的相对含量。
1-2 土的组成
一、土的固相
（四）颗粒大小分析试验
测定土中各粒组颗粒质量所占该土总质量的百分数， 确定粒径分布范围的试验称为土的颗粒大小分析试验。
冲积土：降雨形成的地表径流流经地表时，冲刷、带动或搬 运土粒，经过一定距离后在较平缓地带沉积下来的土层。 冲积土的特点：有一定程度的颗粒分选和不均匀性。
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。 风积土的特点：颗粒沿风向有一定程度的颗粒分选，没有明 显的层理，颗粒以带角的细砂粒和粉粒为主，同一地区颗粒 较均匀。
1-1 土的形成
特征：
物理风化：量变过程，形成的土颗粒较粗； 化学风化：质变过程，形成的土颗粒很细。
对一般的土而言，通常既经历过物理风化，又经历 化学风化，只不过哪种占优而已。
1-1 土的形成
土从其堆积或沉积的条件来看可分为：
残积土
土
运积土
冲积土 风积土 冰川沉积土
沼泽土
残积土：岩石风化后仍留在原地未经搬运的堆积物。
1-2 土的组成
一、土的固相
（二）粘土矿物的晶体结构
高岭石：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。
1-2 土的组成
一、土的固相
（二）粘土矿物的晶体结构
伊利石：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；
1-2 土的组成
一、土的固相
（二）粘土矿物的晶体结构 蒙脱石：伊利石进一步风化， 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。
水水分分子子
1-2 土的组成
一、土的固相
（三）土粒的大小和土的级配 粒组：把工程性质相近的一定尺寸范围的土粒合并为一组。 某粒组的土粒含量：该粒组的土粒质量与干土总质量之比。
第一章 土的物理性质 指标与工程分类
河海大学 岩土工程研究所 Research Institute of Geotechnical Engineering,
Hohai University
本章内容
1-1 土的形成 1-2 土的组成 1-3 土的结构 1-4 土的物理性质指标 1-5 无粘性土的相对密实度、粘性土的稠度
1-2 土的组成
一、土的固相
（二）粘土矿物的晶体结构
硅片：基本单元是硅－氧四面体，底面每个氧离子为2个 相邻单元的硅原子共有组成六边形孔硅片。 铝片：铝（镁）－氢氧（氧）八面体，每个氢氧离子为2 个相邻单元的铝原子共有组成铝片。
同像置换（同型替代）：矿物形成过程中，硅氧四面体 或铝氢氧八面体中心的硅、铝原子被其它原子如铁、镁 等置换，其结构形式不变，但其物理化学性质将发生变 化，形成不同的矿物。
1-1 土的形成
沼泽土：在沼泽地的沉积物。 腐植土：植物充分腐化的土。 泥炭土：未完全腐化还保留有植物残余物的土。 泥炭土的特点：通常呈海绵状，干密度很小，含水率极高，土 质十分疏松，压缩性高、强度低、灵敏度高。
1-2 土的组成
土是固体颗粒、水和空气的混合物，常称土为三相系。 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。
物理风化只改变颗粒的大小和形状，不改变 岩石的矿物成分。
1-1 土的形成
化学风化：岩体（或岩块、岩屑）与氧气、二氧 化碳等各种气体、水和各种水溶液等物质相接触 ，经氧化、碳化和水化作用，使这些岩石或岩屑 逐渐产生化学变化，分解为极细颗粒的过程。
化学风化不但改变了颗粒的大小和形状，也 改变了岩石的矿物成分。
1-1 土的形成
土是松散颗粒的堆积物，是岩石风化的产物。 土是指覆盖在地表的没有胶结或弱胶结的颗粒堆积物。 根据来源分：有机土和无机土
岩石风化分为物理风化和化学风化。
1-1 土的形成
物理风化：岩石经受风、霜、雨、雪的侵蚀，或 受波浪的冲击、地震等引起各种力的作用，温度 的变化、冻胀等因素使整体岩石产生裂隙、崩解 碎裂成岩块、岩屑的过程。
特点：湿热地带，粘土，深厚，松软，易变； 寒冷地带，岩块或砂，物理风化，稳定； 颗粒多为角粒且母岩的种类对其性质有显著影响。
1-1 土的形成
运积土：岩石风化后经流水、风和冰川以及人类活动等搬运离开 生成地点后再沉积下来的堆积物。
由于搬运动力的不同，又分为冲积土、风积土、冰碛土和沼 泽土等。
1-1 土的形成
1-2 土的组成
一、土的固相
（一）成土矿物
原生矿物：常见的有石英、长石、云母等；由物理风化生 成的土粒通常由一种或几种原生矿物组成，颗粒较粗，一 般为无粘性土；圆形、板状、块状；吸附水的能力弱，性 质比较稳定，无塑性。
次生矿物：由原生矿物经化学风化作用而形成的矿物。次 生矿物主要是粘土矿物，常见的粘土矿物有高岭石、伊利 石和蒙脱石；由次生矿物构成的土粒极细，多呈片状或针 状；性质不稳定，有较强的吸附水的能力，含水率的变化 易引起体积胀缩，有塑性。
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）
1-2 土的组成
一、土的固相
（二）粘土矿物的晶体结构 粘土矿物：由各种硅酸盐矿物分解形成的水铝硅酸盐矿物。 其结构可分为晶体和非晶体，以晶体矿物为主。
晶体：指原子、离子在空间有规律的排列，不同的几何排 列形式称为晶体结构，组成晶体的最小单元称为晶胞。 粘土矿物的基本结构单元：硅－氧四面体、铝氢氧八面体。
1-1 土的形成
冰川沉积土：由冰川剥流水搬运直接从冰层中搁置下来的土。 冰碛土的特点：不成层；颗粒粒径的变化范围很大，从漂石到 粘粒；粗颗粒的形状是次圆或次棱角的，有时还有磨光面。
冰水冲积土：由冰川融化水搬运、堆积在冰层外围的冲积土。 冰水冲积土的特点：与河流冲积土具有类似的性质，常由砾石、 砂和粉砂组成。
土的级配：土中各种大小的粒组中土粒的相对含量。
1-2 土的组成
一、土的固相
（四）颗粒大小分析试验
测定土中各粒组颗粒质量所占该土总质量的百分数， 确定粒径分布范围的试验称为土的颗粒大小分析试验。
冲积土：降雨形成的地表径流流经地表时，冲刷、带动或搬 运土粒，经过一定距离后在较平缓地带沉积下来的土层。 冲积土的特点：有一定程度的颗粒分选和不均匀性。
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。 风积土的特点：颗粒沿风向有一定程度的颗粒分选，没有明 显的层理，颗粒以带角的细砂粒和粉粒为主，同一地区颗粒 较均匀。
1-1 土的形成
特征：
物理风化：量变过程，形成的土颗粒较粗； 化学风化：质变过程，形成的土颗粒很细。
对一般的土而言，通常既经历过物理风化，又经历 化学风化，只不过哪种占优而已。
1-1 土的形成
土从其堆积或沉积的条件来看可分为：
残积土
土
运积土
冲积土 风积土 冰川沉积土
沼泽土
残积土：岩石风化后仍留在原地未经搬运的堆积物。
1-2 土的组成
一、土的固相
（二）粘土矿物的晶体结构
高岭石：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。
1-2 土的组成
一、土的固相
（二）粘土矿物的晶体结构
伊利石：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；
1-2 土的组成
一、土的固相
（二）粘土矿物的晶体结构 蒙脱石：伊利石进一步风化， 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。
水水分分子子
1-2 土的组成
一、土的固相
（三）土粒的大小和土的级配 粒组：把工程性质相近的一定尺寸范围的土粒合并为一组。 某粒组的土粒含量：该粒组的土粒质量与干土总质量之比。
第一章 土的物理性质 指标与工程分类
河海大学 岩土工程研究所 Research Institute of Geotechnical Engineering,
Hohai University
本章内容
1-1 土的形成 1-2 土的组成 1-3 土的结构 1-4 土的物理性质指标 1-5 无粘性土的相对密实度、粘性土的稠度
1-2 土的组成
一、土的固相
（二）粘土矿物的晶体结构
硅片：基本单元是硅－氧四面体，底面每个氧离子为2个 相邻单元的硅原子共有组成六边形孔硅片。 铝片：铝（镁）－氢氧（氧）八面体，每个氢氧离子为2 个相邻单元的铝原子共有组成铝片。
同像置换（同型替代）：矿物形成过程中，硅氧四面体 或铝氢氧八面体中心的硅、铝原子被其它原子如铁、镁 等置换，其结构形式不变，但其物理化学性质将发生变 化，形成不同的矿物。
1-1 土的形成
沼泽土：在沼泽地的沉积物。 腐植土：植物充分腐化的土。 泥炭土：未完全腐化还保留有植物残余物的土。 泥炭土的特点：通常呈海绵状，干密度很小，含水率极高，土 质十分疏松，压缩性高、强度低、灵敏度高。
1-2 土的组成
土是固体颗粒、水和空气的混合物，常称土为三相系。 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。
物理风化只改变颗粒的大小和形状，不改变 岩石的矿物成分。
1-1 土的形成
化学风化：岩体（或岩块、岩屑）与氧气、二氧 化碳等各种气体、水和各种水溶液等物质相接触 ，经氧化、碳化和水化作用，使这些岩石或岩屑 逐渐产生化学变化，分解为极细颗粒的过程。
化学风化不但改变了颗粒的大小和形状，也 改变了岩石的矿物成分。