工程岩土学教学指导书(2011-10-10)

工程岩土学教学指导书吉林大学建设工程学院工科试验班2015年12月第一章土的物质组成掌握土和土体的基本概念，一般了解土和土体的形成和演变过程，了解各种不同成因类型土体的工程地质特征。

固相土粒是土的最主要的物质组成，液相部分的作用则通过固相而表现出土体性质的各异。

因而本章重点为粒度成分、矿物成分及土中的水。

要求了解土粒组划分方案，并能具体应用，初步了解组成土的主要矿物特点，重点掌握各主要类型粘土矿物的基本特性及其对土性质的作用；一般了解土中水的基本类型，重点掌握土粒表面结合水的形成和性质；一般了解土中化学成分和土中的气体。

复习思考题1.何谓土和土体？它们的区别是什么？土是具有一定成因的各种矿物的松散集合体，是土体的组成部分；是由固体颗粒、液体水和气体三相组分组成的物质材料。

土体是由一定的土体材料组成的、具有一定土体结构、赋存于一定地质环境中的地质体。

2.从成因类型上说明各类土体的工程地质特征。

因为土是由不同的土粒组成的，其工程地质性质在某种程度上可以认为是各粒组性质的综合表现：粗粒土的工程地质性质主要决定于含量占优势的那些粒组。

细粒土中粘粒的含量起主导作用。

因为粘粒比表面积大，表面活性强，与孔隙溶液的相互作用，表现的特别灵敏，决定着细粒土的工程地质性质。

3.土是由什么组成的？为什么？土通常由固体颗粒、液体水、气体组成。

固体土粒是最主要的物质成分，有许许多多大小不等、形状不同的矿物颗粒按照不同的排列方式组合在一起，构成图的骨架主体，称为“土粒”。

土颗粒间的孔隙中，通常由液体的水溶液和气体填充。

*土颗粒、水和气体不是孤立地、机械地混合在一起，而是相互联系、相互作用，共同形成土的工程地质性质。

三相物质自身特性、相对比例关系和相互作用，是决定土的工程地质的最本质的因素。

三相物质组成是构成土的工程地质性质的物质基础。

4.何谓粒组？粒组的划分应遵循什么原则？为了便于研究土中各种大小土粒的相对含量，及其与土的工程地质性质的关系，有必要将工程地质性质相似的土粒归并成组，按其粒径的大小分为若干组别，这种大小相近、性质相似的组别称为粒组，或称粒级。

工程岩土学划分粒组的原则：（1）在粒度变化范围内；（2）与目前粒度成分的测定技术相适应；（3）应服从一定的数学规律，便于记忆。

*粒组分类表：巨粒组（>60）;粗粒组[砾粒组(60~2mm)、砂砾组(2~0.075mm)];细粒组[粉粒(0.075~0.005mm)、粘粒(<0.005mm)].5.粒径、粒组、粒度成分和粒度分析有何区别？粒径：又称粒度，是土粒的大小，通常以其平均直径的大小来表示。

粒组：为了方便研究土中各种大小土粒的相对含量及其与土的工程地质性质的关系，而把性质相近的土粒归并成组，按其粒径的大小，人为划分的组别。

土的粒度成分：是指土中各种大小土粒的相对含量。

土的粒度分析：或称颗粒分析，分离出土中各个粒组并测定其相对含量。

6.怎样测定土的粒度成分？半对数累积曲线有什么用途？不同类型采用不同的方法分析：粗粒的土采用筛析法，细粒土采用静水沉降法（*细粒土粒度成分测定方法还有虹吸比重瓶法、移液管法、密度计法等，基本原理都是建立在斯托克斯定律的基础上）。

表示方法：列表法：将粒度分析成果用表格的形式表达。

（可以清楚地用数量说明土样各粒组的含量，但是对于大量土样进行对比时，比较困难，不能获得直观概念。

）对数累计法（自然数坐标系、半对数坐标系）：以粒径d为横坐标，以该粒径的累计百分含量X d为纵坐标，在此直角坐标系中表示两者的关系曲线称累计曲线。

7.何谓粘土、粘性土、粘土矿物和粘粒？粘土：粘粒含量>30%；粘性土：粘土矿物：原生矿物中的长石及云母等硅酸盐类矿物经化学风化而形成的具有片状或链状结晶格架的颗粒细小、亲水性强、具有胶体特性的铝硅酸盐矿物；主要类型有高岭石类矿物、伊利石类矿物、蒙脱石类矿物等。

粘粒：粒径小于0.005mm粒组。

包括粘土矿物、游离氧化物及少量石英、长石、云母等原生矿物细小颗粒，以及有机质等物质。

（颗粒细小，接近于胶体，吸附能力。

）粘粒构成的土：孔隙很小，透水性极弱，毛细上升高度较高；有可塑性、胀缩性；失水时连接力增强使土变硬；湿时具有较高压缩性，强度较低。

8.我国目前存在哪几种主要粒度成分的分类方法？地矿部土工试验规程怎样按粒度成分对土进行定名的？我国各建设部门按其工程建筑特点，各拟定了本部门的粒度分类，至今尚无完全统一的全国通用分类。

巨粒组>75% 巨粒土50%~75% 混合巨粒土15%~50% 巨粒混合土<15% 粗粒土或细粒土砾粒组>50% 砾类土（20mm含量超50%为粗砾，否则为细砾）<50% 粗粒组大于50% 砂类土细粒组≥50% 细粒土细粒土中：粗粒含量<25%, 土名前冠以“粉质”；25%~50%，“含砾”或“含沙”（前者砾多砂，后者砂多砾）。

9.组成土的矿物主要有哪几类？各类矿物有哪些主要特点？（1）原生矿物：母岩风化后残留的化学成分没有发生改变的矿物。

（2）次生矿物：母岩风化后及在风化搬运过程中，继续遭受化学风化作用，使原来的矿物因氧化、水化、水解、溶解等化学风化作用而进一步分解，形成的新矿物，颗粒更细，甚至形成胶体（包括“可溶性的次生矿物[可溶盐]”按其溶解度分为易溶盐/中溶盐/难溶盐、“不可溶性矿物”常见的不可溶性矿物是游离氧化物和粘土矿物）。

（3）有机质：土层中动植物残骸在微生物作用下分解形成的。

一种是分解不完全的植物残骸，形成泥炭，疏松多孔；另一种是完全分解的腐殖质。

（腐殖质与水泥形成络合物，降低水泥的强度。

）10.粘土矿物通常主要分哪几种类型？各类粘土矿物的基本特性是什么？它们怎对土的性质的影响：11.土的粒度成分与矿物成分有什么关系？土的粒度成分与矿物成分之间明显存在着内在的联系，总的情况是：较粗大的土粒一般都是由原生矿物构成，而细小的粘粒绝大多数为次生矿物。

卵砾石组，原生矿物，一般由物理风化形成的岩石碎块（棱角状块石、碎石、角砾等）组成。

砂粒组，主要是原生矿物，在较细粒中也有次生矿物。

粉粒组，主要由抗风化较强的矿物，如石英、长石组成；含一定量次生矿物。

粘粒组，几乎都是由次生矿物（特别是粘土矿物）和腐殖质组成。

12.土中水的划分原则是什么？通常分几种类型？各种类型水的主要特征是什么？根据土中水储存部位，将土中的水分为矿物中的结合水和土孔隙中的水。

矿物中的水,因存在形式、结合程度差异分为：结构水、结晶水、沸石水。

土空隙中的水，按其所呈现的状态和其对土的影响程度，分为结合水（土粒表面结合水，强&弱）、非结合水（气液固）。

*矿物中的水，工程影响小。

13.土粒表面结合水是怎样形成的？影响粘性土结合水厚度的因素有哪些？当土空隙中的水与土粒表面接触时，由于细小土粒表面的静电引力作用和水分子是一种极性分子，水分子被极化，并吸附于土粒周围，形成一层水膜。

这部分水通常称为土粒表面结合水，简称结合水。

可能由以下几种作用形成：1. 表面电荷对极性水分子的吸引作用；2. 氢键的连结作用；3. 交换阳离子的水化作用；4. 渗透吸附作用及范德华力作用。

14.论述土孔隙中的水基本类型及其对土的工程地质性质的影响。

结合水：毛细水对土工程地质性质影响，主要对砂类土，可产生微弱的毛细水连结。

当毛细水上升接近建筑物基础底面时，负毛细水压力将作为附加压力，可能加大建筑物的沉降量。

另外，毛细水上升接近地表时，不仅能引起沼泽化、盐渍化，而且也使地基、路基土浸湿，降低土的力学强度；在寒冷地区加剧冻胀。

第二章土粒与水的相互作用本章研究内容为工程岩土学的重要基础理论，引用胶体化学和土化学的理论阐述土粒与水作用后所表现的特性。

重点掌握粘粒的双电层和电性质的实质。

明确双电层和结合水的关系，充分了解扩散层厚薄对粘性土工程地质性所起作用和实际意义。

了解土粒表面结合水是怎样形成及影响扩散层结合水数量的因素，一般了解高子交换及影响因素。

复习思考题1.粘粒为什么具有电性质？粘粒表面电荷产生一般由于以下三种情况：（1）选择性吸附：粘粒选择性吸附溶液中与本身结晶格架相同或相似带离子而带电。

（2）表面分子解离：若粘粒有许多可解离的小分子缔合而成，则与水作用后生成离子发生基，而后分解，再选择性地吸附与矿物格架上性质相同的离子于其表面而带电。

（3）同晶替代：粘土矿物晶格中的同晶替代作用可以产生负电荷（如硅氧四面体片中四价硅被三价铝替代，或八面体中三价铝被二甲镁、铁替代，均可产生负电荷）。

2.什么是双电层和结合水？双电层结构：粘粒与溶液作用后，溶液中紧靠粘粒表面被牢固的吸附着反离子，电泳时随粘粒一起运动，与粘粒表面的离子形成的带电层称为固定层。

另一部分距颗粒表面较远的、具有扩散到溶液中的趋势的反离子，形成与固定层电荷符号相反的另一个带电层，厚度决定于反离子向介质中扩散伸入的程度，叫做扩散层。

由固定层和扩散层构成的电性相反的电层，称为双电层。

结合水：当土孔隙中的水与土粒表面接触时，由于细小土粒表面的静电引力作用和水分子是一种极性分子，分子被极化，并被吸附在土粒周围，形成一层水膜，这部分水被称为土粒表面结合水，简称结合水。

3.何谓热力学电位？电动电位？电动电位与扩散层和结合水有什么关系？热力学电位，粘粒表面及其周围正负离子间的总的电位差。

电动电位（zeta-potential)，固定层与扩散层间带有相反电荷，两者之间存在电位差，只有当粘粒与介质做相对运动时才表现出来，故称电动电位。

电动电位大小依扩散层的厚度而定，一般随扩散层的厚度增加而增大。

影响电动电位的因素有介质溶液的电解质浓度、反号离子价态、交换性阳离子半径等。

4.影响粘粒扩散层厚度的因素是什么？1.土粒矿物成分与分散程度：颗粒分散程度越高，比表面积越大，对一定土量来说，扩散层总体积也越大。

（蒙脱石>伊利石>高岭石）2.溶液的化学成分：对于由选择性吸附而形成双电层的矿物而言，介质中可被选择吸附的离子浓度越大，则热力学点位越大，扩散层越厚。

3.溶液浓度：当溶液中反号离子的浓度增加时，可对扩散层中的反号离子起排斥作用，结果使扩散层中的离子被迫进入固定层，扩散层变薄。

4.溶液pH值：溶液pH值通过影响热力学电位，影响扩散层厚度。

（pH值小，扩散层薄）。

5.何谓离子交换？离子交换出现的实际结果是什么？粘粒与水溶液互相作用后，吸附在其表面的阳离子（或者阴离子）可与溶液中离子进行交换，这种现象称离子交换（多发生在扩散层与溶液之间）。

离子交换的结果将引起双电层厚度变化，从而使土的工程地质性质发生改变。

若高价交换阳离子（Al3+）含量较高，土遇水后只能形成较薄的水化膜，粒间连结牢靠，强度较高；若低价交换阳离子（Na+）含量较高，则遇水后形成较厚扩散层，连结力几乎消失，易膨胀至分散。