大学《土质学与土力学》复习资料

第一章 土的物理性质及工程分类

土是岩石经过物理风化、化学风化、生物风化作用后的产物，是由各种大小不同的土粒按各种比例组成的集合体。

土粒之间的孔隙中包含着水和气体，是一种三相体系。

第一节 土的三相组成

无机矿物颗粒 固体颗粒 次生矿物：原生矿物风化作用的新矿物32O Al 、32O Fe 、次生2SiO 、 （固相） 粘土矿物以及碳酸盐等

有机质：由于微生物作用，土中产生的复杂的腐殖质矿物，还有动植物残体等有机物，

如泥炭等。

土

结合水 强结合水 水 弱结合水 （液相） 自由水 毛细水 重力水

气体 与大气联通： 与空气相似，受到外力作用时排出，对土的工程性质没多大影响。

（气相） 与大气不连通：密闭气体，压力大被压缩或溶解于水中，压力小时气泡恢复原状或重游

离，对土的工程性质有很大影响。

（含气体的土成为非饱和土，非饱和土的工程性质研究已成为土力学的一个新分支）

第二节 土的颗粒特征

1．描述土粒大小及各种颗粒的相对含量的常用方法：对粒径>0.075mm 的土粒，筛分法；粒径<0.075mm 的土粒，沉降分析法。

沉降分析法是根据土粒在悬液中沉降的速度与粒径的平方成正比的Stokes 公式来确定各粒组相对含量的方法。

2．土粒大小划分：块-碎-砾-砂-粉-粘

（粉：砂粉，粘粉；粘：粉粘，粘土）

粘土粒径<0.002mm ，为很细小的扁平颗粒，表面具有极强的和水相互作用的能力。

第三节 土的三相比例指标

土的三相五只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，是评价土的工程性质的最基本的物理性质指标，也是工程地质勘查报告中不可缺少的基本内容。

土样体积：a w s V V V V ++= （a w V V V V +=） 土样质量：w s m m m +=

三相比例指标分为两种：试验指标，换算指标

一、试验指标

包括土的密度、土粒密度、含水量

1．土的密度：单位体积土的质量，v

m =

ρ（3

/cm g ）。 土的密度常用环刀法测定，单位是3/cm g ，一般土的密度为1.60～2.203

/cm g 。

（重度γ：由土的质量产生的单位体积的重力，等于密度乘以重力加速度，

ρργ10==g )/(3m kN （物理风化） （生物风化）

2．土粒密度：干土粒的质量s m 与其体积s V 之比，s

s

s v m =ρ)/(3cm g 。 一般在2.65～2.76。由砂到粘越来越重。

3．土的含水量ω：水的质量w m 与固体（土粒）s m 质量之比，%100⨯=

s

w

m m ω 含水量常用烘干法测定，是描述土的干湿程度的重要指标，常以百分数表示。

二、换算指标

包括土的干密度（干重度）、饱和密度（饱和重度）、有效重度、孔隙比、孔隙率、饱和度 1．干密度d ρ：土的固相质量s m 与土的总体积V 之比，V

m s

d =

ρ)/(3cm g 。 土的干密度越大，土越密实，强度就越高，水稳定性也好。常用作填土密实度的施工控制指标。 2．饱和密度sat ρ：当土的孔隙中全部为水充满时的密度，V

m m w

s sat +=

ρ)/(3cm g 。 3．有效重度γ'：当涂浸没在水中时，土的固相收到水的浮力的作用，土体的重力也应扣除浮力。计算地下水位以下土层的自重应力时应当用有效重度，有效重度是扣除浮力以后的固相重力与土的总体积之比（又称浮重度），w sat γγγ-=' )/(3

m kN

水的重度w γ，纯水在4℃是的重度等于9.813

/m kN ，在工程上化整为103

/m kN 。 （ρ'为有效密度（浮密度））

4．土的孔隙比：孔隙的体积v V 与土的固相体积s V 之比，s v V V e /= 5．土的孔隙率：孔隙的体积v V 与土的总体积V 之比，V V n v /= 6．土的饱和度：孔隙中水的体积w V 与孔隙体积v V 之比，v w r V V S /=

第四节 粘性土的界限含水量

一、粘性土的状态与界限含水量

（从一种状态到另一种状态的含水量分界点成为界限含水量）

液限测定，用碟式液限仪和锥式液限仪。 塑限测定，撮条法。（把塑性状态的土在毛玻璃上用手搓条，搓到土条直径为3mm 左右时断裂）

二、塑性指数p I

可塑性是粘土区别于砂土的重要特征。从液限到塑限含水量的变化范围越大，土的可塑性越好。 P L p I ωω-= 塑性指数p I 习惯上用不带%的数值表示。

三、液性指数L I

P

L p

L I ωωωω--=

液性指数L I ：01时，土处于流动状态；L I <0时，处于半固体或固体状态。

第五节 砂土的密实度

砂土的密实度对其工程性质具有重要的影响。

密实的砂土具有较高的强度和较低的压缩性，是良好的建筑物地基；

流动状态 可塑状态 半固体状态 固体状态

液限L ω 塑限P ω 缩限s ω

一、相对密实度

土的孔隙比一般可以用来描述土的密实程度，但砂土还取决于土的级配情况。 为了同时考虑孔隙比和级配的影响，引入砂土相对密实度的概念。 最小孔隙比min e ：砂土处于最密实状态时的孔隙比； 最大孔隙比max e ：砂土处于最疏松状态时的孔隙比。 相对密实度r D ：min

max max e e e

e D r --=

r D 越接近1，越密实；越接近0，越松散。

二、标准贯入试验

从理论上讲，用相对密实度划分砂土的密实度比较合理。但实际不好操作。 在工程实践中，通常用标准贯入击数来划分砂土的密实度。

标准贯入试验：使用规定的锤重（63.5kg ）和落距（76cm ）把标准贯入器（带有刃口的对开管，外径50cm ，内径35cm ）打入土中，记录贯入一定深度（30cm ）所需的锤击数N 值的原位测试方法。 标准贯入试验的贯入锤击数反映了土层的松密和软硬程度，是一种简便的测试手段。

第六节 土的工程分类

第二章 粘性土的物理化学性质

粘性土根据界限含水量分为四个状态，砂土没有这种性质。粘性土的这种特质取决于粘粒粒组的含量与粘粒的矿物成分。

粘土的粒径<0.002mm ，因此它具有很大的表面积。颗粒越细，比表面积越大，表面能越大。 粘土可以分为蒙脱石、伊利石、高岭石三种类型。

粘土的塑性、压缩性、胀缩性、强度等工程性质受到原子、分子间键力的制约，这是粘土物理化学特性的本质。

第一节 键力的基本概念

键力：原子与原子之间或分子与分子之间的一种联结力。包括化学键、分子键、氢键三种。 一、化学键

化学键：原子与原子之间的联结。也称为主键或高能键。分为离子键、共价键、金属键三种。 简单的说，不同元素的原子通过化学反应构成一种新的物质分子。异性原子之间的联结力称为离子键；两个同性原子形成同一元素分子的联结力称为共价键；通过自由电子将原子或离子联结成结晶格架的力称为金属键。

化学键影响范围最小，约为0.1～0.2m μ，但联结力最大，相当于8.4～84kmol J /。

二、分子键

即范德华键，或称次键、低能键。分子与分子之间的联结力。

三、氢键

介于主键与次键之间的一种键力。

第二节 粘土矿物颗粒的结晶结构

粘土矿物大都属于硅酸盐，晶体的原子排列与矿物颗粒的物理性质、化学性质和光学性质有非常密切的关系。

粘土矿物的结晶结构主要是两个基本结构单元组成：硅氧四面体和氢氧化铝八面体。

第三节 粘土颗粒的胶体化学性质

粘土颗粒粒径非常微小，<0.002mm ，在介质中具有明显的胶体化学特性，因为粘土颗粒表面带负电。