土力学 第1章 土的性质及工程分类

2.什么是土？
岩石经过风化作用而剥落、搬运、沉积形成的矿 物集合体。
3.风化的类型
○ 物理风化
定义：由于温度变化和岩石裂隙中水的冻结以及盐类的结 晶引起的岩石表面逐渐破碎崩解的过程。
结果：主要使岩石机械破碎。风化的产物（原生矿物）与 原母岩矿物成分、化学性质相同。
○ 化学风化
定义：岩石在水溶液、大气以及有机体的化学作用或生物 作用下所引起的破坏过程。
土的构造的最主要特征就是层理(状)结构或成层性。
◇分散构造：土层中土粒分布均匀，性质相近。 ◇裂隙构造：土体中有很多不连续的小裂隙。这种土的强度低、渗透性大。
分散构造
裂隙构造
1.5 土的物理性质(三相)指标
土的物理性质指标：表示土的三相之间比例关系的指标。
指标的分类：
1.基本试验指标：必须通过试验才能确定的指标。
计算公式： mw 100% Ww 100%
ms
Ws
（％） （1 - 16)
试验测定方法：烘干法。
先称一定质量的土m，放在100～1050C下烘干至恒重，则此时的质量即为土粒 的质量ms，土中水的质量mw=m-ms。代入上式即可。
二、反映土单位体积质量(重量)的指标
1.土的干密度ρd
+
+
+ + __
_ _
_
_
__
+ _
_
+ _
___
_ __
_
+_ __
_
_
粘土颗粒
强结合水
O2
105o
H+
H+
水分子 极性
粘粒
弱结合水
自由水
（2-1）强结合水：没有溶解盐类的能
力，不能传递静水压力，牢固地吸附于土 粒表面，其性质接近于固体，具有极大的 粘滞度、弹性和抗剪强度。
（2-2）弱结合水：厚度较强结合水大，
包括：土的天然密度ρ(重度γ)、土的含水量ω和土粒相对密度ds
2.换算指标：由基本试验指标及水的密度ρw(重度γw)和重力加速度g换算 出的指标。
计算方法：三相图法
虽然土粒、水和气三相在土中是混合的，但我们可以抽象地把这三部分分开，做 出下图1.22示的三相图。该图左边表示质量(重量)，右边表示体积。
特点：土粒之间是点与点接触。按其生成条件不同，形成紧密或疏松的状态， 前者较稳定，力学性能好；后者较稳定，力学性能差。
颗粒较粗的粉土、砂土和砾石土类均以该种结构为主。
蜂窝结构的土
形成方式：较细的土粒在自重作用下沉积，碰到已沉稳的颗粒时，由于颗粒较 细，重量轻，如果土粒接触点处的分子引力大于下沉土粒的重量 时，土粒便被吸住而不再下沉。这样逐渐形成链状单元。很多个这 样的链状单元联结起来，便形成孔隙较大疏松的蜂窝结构。
C

d
2 30
限定粒径d60:小于某粒径的土质量占总质量为60%的粒径
c
d 10 d 60
平均粒径d50:小于某粒径的土质量占总质量为50%的粒径 （表示土粒的粗细程度 ）
(表示级配曲线的连续程度)
判别：
(1)对级配曲线连续的土：Cu>5为级配良好； Cu<5为级配不良
(2)对级配曲线不连续的土：同时满足Cu>5和Cc<1~3时为级配良好 反之为级配不良
结果：不仅破坏了岩石的结构，而且使其化学成分发生了 变化，形成新的矿物（次生矿物）。
○ 生物风化
定义：生物活动过程中对岩石的破坏作用。 结果：可能生物原生矿物或次生矿物。
4.土性质复杂的原因
○ 成因复杂（自然的产物） ○ 组成复杂。通常由以下三部分组成：
土粒：构成土的骨架，称为固相。 孔隙中的水(及溶液物质)：称为液相。 孔隙中的气体：称为气相。
具有较高的粘滞度、抗剪强度，仍不能传 递静水压力。当含量较多时，使土具有一 定的可塑性。
(3)自由水
（3-1）重力水：在受重力作用在土中流动的水。
（3-2）毛细水：由于水和空气分界处弯液面上产生
的表面张力作用，土中自由水从地下水位通过土的细 小通道逐渐上升，形成毛细水。它不仅受重力作用而 且还受到表面张力的支配。
由此可见：土是一种复合材料
特殊情况下的两相土： 干土：土孔隙中无水的土。 饱和土：土孔隙中无气的土(如地下水位以下的土)。
5.土与岩石的区别：仅在于颗粒间胶结的强弱。
粒间无胶结：无黏性土（如砂、碎石等） 粒间弱胶结：黏性土、粉土等。 粒间强胶结：岩石。
1.3Байду номын сангаас土的三相组成
1.土的固体颗粒(固相)：通常由以下三部分组成：
强弱 结结 自 合合 由 水水 水
5.土中的气(气相)
（1）开敞气体：孔隙中与大气相通的那部分气体。该部分气体 对土的性质影响不大。
（2）封闭气体：密闭与孔隙中不与大气相通的那部分气体。该 部分气体使土的渗透性减小，弹性增大和拖延 了土的压缩和膨胀变形随时间的发展。
1.4 土的结构和构造
(1)土的结构：土粒的大小、形状、空间排列和粒间连接特征。
d
Ws V
d g
( N / cm 3 或 kN/m 3 )
2.土的饱和密度ρsat
定义：土中孔隙充满水时单位体积土的质量。
计算公式： sat

ms
Vv w V
( g / cm 3 或 t/m 3 )
式中：ρw=1g/cm3=1t/m3,为水的密度。
表1-3 土的粒组划分
3.土的颗粒级配(粒径级配)
土的颗粒级配：土中各个粒组的相对含量(各粒组占土粒总 量的百分数)。
颗粒级配的用途：作为确定土的名称和选用建筑材料的重 要依据。它是决定无粘性土工程性质的主 要因素。
颗粒级配的分析方法——颗分试验
筛分法：适用于粒径>0.075mm。 比重计法或移液管法(水分法)：适用于粒径<0.075mm。
(2)土的结构类型
(a) 疏松
(b) 密实
单粒结构
蜂窝结构
絮状结构
(粒径0.075~0.005mm) (粒径<0.005mm)
(3)各类型土的形成方式及其特点
单粒结构的土
形成方式：在沉积过程中，较粗的颗粒在其自重作用下沉落，每个颗粒都受到 周围已经沉稳的各个颗粒的支承，使各个颗粒相互依靠、交错重叠。
粗到细逐渐变化时,土的性质相应地发生变化。因此可将大小相近，性质 相似的颗粒划归为一组，称为粒组，划分粒组的分界尺寸称为 界限粒径。
常用200、60、2、0.075、0.005mm把土粒分为六大粒组: 漂石(块石)颗粒（粒径>200mm） 卵石(碎石)颗粒（粒径介于200~60mm） 圆砾(角砾)颗粒（粒径介于60~2mm） 砂粒（粒径介于2~0.075mm） 粉粒及粘粒（粒径介于0.075~0.005mm）
定义：单位体积的土在水分烘干后的质量，即干土的密度。
计算公式：
d

ms V
常见值：1.3~1.8t/m3
( g / cm 3 或 t/m 3 )
工程应用：常用做填方工程中土体压实质量控制的标准。
换算公式：
d

1
(1 - 23)
土的干重度γ d:单位体积的土在水分烘干后的重量，即干土的重度。
特点：孔隙大、疏松。当扰动而破坏其天然结构时强度低、压缩性大。 在海积粘土中常见。
注意：
在天然情况下，任何一种土都是由大小不同的颗粒所组成的，因而土的结构 就不会是单一的，常以某种结构为主而由上述几种结构混合而成。
(4)土的构造
定义：土层的层理、裂隙和大孔隙等宏观特征(结构)。 主要形式：
◇层理(状)结构：这种构造的土层通常由不同颜色、不同颗粒的土组成层理， 呈现成层性。
W V
( N / cm 3 或 kN/m 3 )
2. 土粒相对密度 (比重)ds
定义：土粒质量ms与同体积40C时纯水的质量mw1=ρw1Vs 之比。
计算公式：d s

ms w1Vs

(ms /Vs ) s
w1
w1
（1 - 14)
式中：ρs=ms/Vs为土粒的密度（单位体积土粒的质量），g/cm3 ρw1为40C时纯水的密度， 按1g/cm3计算
（1）原生矿物
物理风化产物，石英、长石、云母等。颗粒粗，为砂、砾组主要成分。 特点：化学性质稳定，水稳性强。
（2）次生矿物
化学风化产物，颗粒细，为粘粒组的主要成分。 特点：颗粒细，比表面积大，活性大，亲水性强。
a. 粘土矿物 复合的铝－硅酸盐晶体，片状。
高岭石： Al2O3 2SiO2 2H2O 伊利石：K2O 3Al2O3 6SiO2 2H2O
0 粒径(mm)
土的粒径级配累积曲线
级配曲线的制作
横坐标：土粒粒径(已换算为对数) 纵坐标：小于某粒径的土粒质量百分数（%）
小于某粒径的土粒质量(％）＝
小于该粒径的土的累计 质量
100
土的总质量
＝（1－
大于该粒径的土的累计 土的总质量
质量）
100
土粒级配状况的判别
定性判别
（1）曲线连续且分布范围广(平缓)，表示土粒粒径大小相差较大，为级 配不均匀或级配良好的土
土粒质量：ms （g或kg) 水的质量：mw （g或kg) 空气质量：ma≈0 土总质量m= ms + mw
土粒体积：Vs (cm3或m3) 水的体积：Vw (cm3或m3) 气的体积：Va (cm3或m3) 孔隙体积： Vv= Vw+Va 土的总体积：V=Vs+Vv
气 水
土粒
图1.22 土的三相关系示意图(第一类三相图)
筛分法
小于某粒径之土质量百分数P（％） 10 5.0 1.0 0.5 0.10 0.05 0.01 0.005 0.001