土质学与土力学 第一章土的物理性质及工程分类

三角形坐标法是由等边三角形组成，几何上已知三角形内一 点，到三个边的距离之和为一常数，即h1+h2+h3=H,其中， h1——粘土颗粒的含量 h2——砂土颗粒的含量 h3——粉土颗粒的含量 根据该点在三角形的位置，确定土的名称、性质。
三、粒度成分分析方法 土的颗粒级配由颗粒级配实验求出。在颗粒级配实验中, 粗粒(75µm以上)土，用筛分法分析，细粒(75µm以下)土， 因为土颗粒过小，用筛分法分不出来，采用水中沉降法(比 重计法)分析。筛分法如图1-3(a)所示，把筛孔不同的筛， 按筛孔的大小从大到小依次摞起来，最上层的筛中放入干燥 的土试料，加盖后振动，最后称量留在各个筛里的试料的质 量，从而得出各种粒径所占的质量百分比。把这个结果绘在 对数坐标纸上，得到图1-3(b)所示的颗粒大小与通过质量 百分比的关系图。该曲线叫做颗粒级配曲线。另外，水中沉 降法是一种聪明的方法，该方法利用了粒径大的颗粒沉降快 (沉降速率与粒径的平方成比例)这一特性，分出粒径的大小。 其方法是，把通过2mm筛的试料放入水中，充分搅拌，震 动后静置，然后，隔一定的时间用比重浮标(比重计)量测悬 浊液的比重，根据悬浊液比重随时间的变化，并考虑到粒径 大的颗粒沉降快，从而求出粒径分布。 当粗细兼有时，两 种办法联合使用。
η =0.00114Pa·s γw=9.81×103N/m3 γ s=26×103N/m3
18η d= v γ s −γ w
d = 0.001126 v ( m) =
Li d i = 1.126 (mm) ti
悬液体积为1000cm3，其中所含≤di的土粒重量为Wsi(g)
W si 1 γi = [W si + (1000 − )γ wo ] γ so 1000
2．聚粒结构：若干土粒以面-面方式聚合在一起，形成比较 大的叠片状的集合体。 3．絮凝结构：土粒或聚粒以边-边、边-面方式相互联结在一 起，形成絮凝结构，它使土具有：细胞孔隙性、粘聚性和弹 性。 土的结构在形成过程中，以及形成之后，当外界条件变化时， 都会使土的结构发生变化。 土体越干，土粒的联结强度越大，土体在外力作用下，絮 状结构会趋于定向排列，土的强度及压缩性都随之发生变化。 对土的结构的研究，近年来不仅研究土粒的排列及分布，并 已开始研究土的孔隙率（孔隙大小、形状及分布）以及颗粒 间联结性（接触数量，接触力的分布及）。
筛孔孔径
干土质量
850μｍ 425μｍ 250μｍ 106μｍ 75μｍ 底盘
7
通 过 质 量 的 百 分 数 (%)
×
ｍｍ μｍ μｍ μｍ μｍ
合计
ｍ
μｍ
粒径(
图1-4
筛分法试验和颗粒级配曲线
通 过 质 量 百 分 数 (%)
粒径(
图1-5
的定义
根据粒径级配曲线可以得到以下指标 • 平均粒径d50：通过率是50%时的粒径。它表示了试料中粒 径大小的中间值,所以,称为平均粒径。 • 有效粒径d10：通过率是10%时的粒径，是试料中所含细粒 土大小程度的指标。通过该指标可知固结至某种程度的土 的孔隙中，比土粒平均粒径d50小的细粒土的大小程度，所 以d10可用于推定含砂量较多的土的渗透系数[表示土中水流 过的难易程度的系数]。 同理，可得d30和d60见图1-5。 • 不均匀系数Cu： Cu=d60/d10
第四节 土作为三相体的比例指标
土是三相分散体系，可从体积和重量上反映干湿程度及紧密 程度，其实际组成的三相图和经抽象后的理想三相图如图1-6 所示。
气 气 土 粒 水 水
ω
土 粒
(a)实际土体
(b)土三相图 (c)各相的重量和体积 图1-6 土的三相组成
从图1-6可以得到以下式子： V=Vs+Vw+Va W=Ws+Ww+Wa Wa=0 W=Ws+Ww 1.土的容重γ：土体单位体积的重力。 W γ = ( KN / m 3 ) V 它通常用环刀法在试验室测定，一般土的容重 16~22KN/m3
结合水 土中的水 自由水 强结合水 弱结合水 毛细水 重力水
当土粒与水相互作用时，土粒会吸附一部分水分子，在土 粒表面形成一定厚度的水膜，由于受表面引力作用，而不服 从静水力学规律，结合水的密度，粘滞度均比一般正常水为 高，冰点比O℃低。 在结合水膜以外的水，为正常的液态水溶液，它受重力 的控制而流动，能传递静水压力，为自由水。自由水又分为 毛细水和重力水。 毛细水除受重力作用外，还受毛细表面张力引起的毛细 作用支配，毛细水上升的高度取决于毛细管的直径，毛细水 对公路路基的干湿状态及冻害有重要影响。 重力水为只受重力控制的自由水，它不受表面张力的影 响，它在重力或压力差作用下会在土中渗透。 除了以上介绍的水的状态外，还可能有气态水，即呈蒸汽态 水，以及固态水，即冰态的水。
W si
γ i − rwo = 1000 ⋅ γ so γ so − γ wo
悬液中≤di土粒重量Wsi占土粒总重Ws的百分比P1为
W si Pi = × 100 % W
第三节 土的结构
土的结构是指土的物质组成（主要指土粒、孔隙）的空间 相互排列，以及土粒间的联结特征的综合。 用肉眼或一般放大镜可以看到的土的结构称为宏观结构，如 层理、裂隙、大孔隙等。用光学显微镜，电子显微镜才能观 察到的土的结构称为微观结构。 土的结构，按其颗粒的排列及联结有： 1．单粒结构：这是碎石类土和砂土的结构特征：土粒间无联 结存在，或联结微弱，可以略去不计，分为疏松和紧密的。 在静荷载作用下，尤其是在振动荷载作用下，疏松的单粒结 构会趋于紧密，单粒结构的紧密程度取决于矿物成份，颗粒 形状均匀程度，沉积条件，片状矿物组成的砂土最为疏松； 浑圆的颗粒组成的砂比常有棱角的颗粒组成的砂土紧密，土 粒愈不均匀，结构愈紧密，急速沉积的比缓慢沉积的土结构 疏松些。
第二节 土的颗粒特征
一、土粒大小及粒组划分 土粒大小是描述土的最直观和最简单的标准。对于立方体和 浑圆球体的土粒，可直接量测，立方体的边长或圆柱体的直 径，来描述土粒的大小。常用的分析方法有两种，对于大于 0.075mm的土粒常采用筛分析方法，而对于小于0.075mm 的土粒则用沉降分析方法。 沉降分析的方法：土粒大小即相当与实际土粒有相同沉降速 度的理想圆球体的直径。 天然土体土粒大小变化很大，1×10-6mm~几米大小。 土料的大小称为粒度，把大小相近的土粒合并成一组，称粒 组，分界线是人为确定的。 我国采用粗粒组划分办法，分为六大粒组，其分界粒径为 200，20，2，1/20，1/200mm，根据需要再划分为若干 亚组。划分粒组有两种方式：
图1-8
7．孔隙比e：是指土中孔隙的体积与固体颗粒的体积之比， 即
VV e = VS
用来评价土的紧密程度。 8．孔隙率n，土中孔隙体积与总体积之比
VV n= V
e 一般以百分率表示，e与n之间关系为： n = 1+ e
9．饱和度Sr：是孔隙中水的体积与孔隙体积之比 VW S r = VV 它用来描述土中水充满空隙的程度，Sr=0为完全干燥的土， Sr=1为完全饱的土。 把按饱和度将砂土分成三种状态, 0＜Sr≤0.5 稍湿 0.5＜Sr≤0.8 潮湿的（很湿的） 0.8＜Sr≤1.0 饱和的 在以上指标中， γ s ω 、 、 其余指标均为导出指标。
该指标表示了颗粒累积曲线的倾斜度， Cu值大，叫做级配 良好， Cu值小叫做级配不良。级配良好的土，土颗粒大小 相间，在压实的时候容易压实，所以叫做极配良好。乒乓 球的不均匀系数Cu=1，是级配最差的例子。 • 曲率系数Cc: Cc=(d30*d30)/(d10*d60) 该值表示了累积曲线的平滑程度， Cc值接近于1，曲线平 滑，表示土中含有大小不同的土颗粒。通常Cu≥10， Cc=1—3的土是级配良好的土。
土颗粒
1-吸附水; 2-可烘干的水; 3-可风干的水; 4-重力可排除的水; 5-结晶水; 固体颗粒周围水的状态
•气相 气相: 气相 土的气相是孔隙中存在空气，主要有CO2 、 O2 、N2，其 存在形式分为连通和不连通，不连通的对工程的影响比较大， 属非饱和土力学的研究范围，是目前正在研究的热点内容。
土粒越大，在静水中沉降速度越大，反之亦然。设有一个圆 球形颗粒在无限大的不可压缩的松滞性液体中，它在重力作用 下产生的稳定沉降速度V，可由stokes公式。
2 2 γs −γw V = γ 9 η
V——球形颗粒在液中的稳定沉降速度 γ ——球形颗粒的半径 γ s、 w γ ——颗粒及液体容重N/m3 η ——液体的松滞系数
土的粒度成分 表1-1
粒组（mm） 10～5 5～2 2～1 1～0.5 0.5～0.25 0.25～0.10 0.10～0.05 0.05～0.01 0.01～0.005 0.005～0.002 ＜0.002 3.1 6.0 14.4 41.5 26.0 9.0 粒度成分（以百分计） 土样a 土样b 25.0 20.0 12.3 8.0 6.2 4.9 4.6 8.1 4.2 5.2 1.5 8.0 14.4 37.6 11.1 18.9 10.0 土样c
石英 长石 原生矿物 云母 ∶ 粘土矿物 Fe2O3 有机质 次生矿物 Al2O3 SiO2 碳酸盐
矿物质 固体成份
有机质主要是腐殖质矿物，其次是动植物残骸体及有机残余 物。 •液相 液相: 液相 土的液相是土孔隙中存在的水，一般看成中性，无色、无 味、无臭，实质上土中水溶液是成分复杂的电解质水溶液。 在土中水以H2O分子形式存在如下图所示。
•任意划分的方式，即按一定比例递减关系划分粒组的界限值。 •考虑土粒性质变化的方式，使划分的粒组界限值与粒组性质 的变化相适应。 二、粒度成分及其表示方法 土的粒度成分是指土中各种不同粒组的相对含量（%），它 可用来描述土的各种不同粒径土粒的分布特征。 常用的粒度成分的表示方法有表格法（如表1-1）、累计曲线 （图1-4）及三角形坐标法。
2．土粒容量γs：土固体颗粒单位体积的重力（或重量）。