第二章 土的基本特性
土的特性基本概念-精选文档
2.1.2影响土的工程性质的两个重要物 理现象
粘性土的可塑性——与水相互作用的性质 土的毛细现象——土的毛细性质及冻胀 粘性土：指具有可塑状态性质的土，IP>10， IP可分为粘土（IP>17）和粉质粘土 （10<IP≤17），粉土是指粒径大于 0.075mm的颗粒含量不超过总重50%，且塑 性指数≤10的土，其性质介于粘性土与砂 土这间。
2. 土的几个关键指标的工程意义
是土的什么决定了土的工程性质？为什么粒径与可塑性
成为路基土分类的基本依据？
2.1.1 土的基本定性指标：级配、可塑性、密度、含水量
土的组成与结构决定了土的工程性质。粒径与粒级的含量可明显 显现土的工程性质，也是划分土类别的关键参数。 对于粘性土，所含粘土矿物的类别与含量的差异从本质上决定了 它的工程性质； 对于砂性土，级配决定了它的工程性质； 对于粉性土，粉粒含量与其结构决定了它不良的工程性质。
hc=0.2~0.3m，粉性土0.9~1.5m，粘性土hc <粉性 土，粉砂、粉土和粉质粘土等毛细现象较显著，毛 细上升高度大，上升速度快。
图6 土层中的毛细水带
毛细上升高度：液体总是力图缩小自己的表面积，
以使表面自由能变为最小（这是一滴水球完成球状 的原因）。毛细管壁的分子与水分子之间有引力作 用，使管壁接触部分的水面呈向上的弯曲状，这种 现象称为湿润现象。 c 毛细上升高度： h
c
ed 1 0
经验认为：碎石类土，无毛细作用，砂土
1 土的特性
土：母岩风化而来的各种矿物颗粒（土粒）的 集合体 土的特征→多孔性、散粒体 土的特点→多样性、易变性（受温度、湿度影 响） 土的工程现象→受力变性、渗透失稳（湿陷、 膨胀、溶解、变性等）、固结沉降、动荷效应 土的工程性质→在自然环境与外力作用下的稳 定性即抗水、抗冻、抗变形与强度稳定性。 土的物理状态→粗粒土指密实程度；细粒土指 软硬程度（粘性土的稠度）
土力学与基础工程-第二章
1
2
无粘性土的密实度
无粘性土的密实度指的是碎石土和砂土的疏密程度。 密实的无粘性土由于压缩性小，抗剪强度高，承载力大，可作为建筑物的良好地基。但如处于疏松状态，尤其是细砂和粉砂，其承载力就有可能很低，因为疏松的单粒结构是不稳定的，在外力作用下很容易产生变形，且强度也低，很难作天然地基。 密实度的评价方法有三种： 室内测试孔隙比确定相对密实度的方法 利用标准贯入试验等原位测试方法 野外观测方法 （用于碎石土）
1.2 土的物理性质指标－天然密度
土的含水量：土中水的质量与土粒质量之比，一般用w表示，以百分数计，即：
01
含水量反映土中水的含量多少，其变化范围很大。土的含水量对粘性土、粉土的影响较大，对砂土稍有影响，对碎石土没有影响。一般说来，同一类土，当其含水量增大时，强度就降低。试验室内一般用“烘干法”确定。
土中水
自由水
结合水
强结合水
弱结合水
重力水
毛细水
结合水：受电分子吸引力作用吸附于土粒表面的土中水。
自由水：存在于土粒表面电场影响范围以外的土中水。
结晶水
结晶水：土粒矿物内部的水。
土中水和气
弱结合水
2.2.2 土中水和气
强结合水-具有极大的粘滞度、弹性和抗剪强度、不能传递静水压力。性质跟固体相似。 自由水-可以传递静水压力 、能溶解盐类。
颗粒堆积物
土： 狭义：土是指岩石风化后的产物，即指覆盖在地表上碎散的、没有胶结或胶结很弱的颗粒堆积物。 广义：土则是将整体岩石也视为土
岩石
地球
地球
搬运、沉积
1 土的形成
1.1 土的形成与组成
构成土骨架，起决定作用1.1 土的形成与组成 Nhomakorabea气相
土力学-第二章土的物理性质及分类
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mw m ms 100% 100% ms ms
m Vv w s V
气
e
假设：ρw1=ρw ,Vs=1,则
ms Vs d s w d s w
Vv Vs
V n v 100% V
Sr
Vw 100% Vv
VV e
V 1 e
将粒径>2mm的质量超过50%的称为碎石土；
将粒径＞2mm的质量小于50％，而大于0.075mm的质量超过50%的称为砂土； 将大于0.075mm的质量小于50%的定为粉土或粘性土。
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2.1
概述
土力学
土的物理性质是指三相的质量与体积之间的相互比例关系及固、液 二相相互作用表现出来的性质。
【例】某土样经试验测得体积为100cm3，湿土质量为187g，
烘干后，干土质量为167g。若土粒的相对密度ds为2.66， 求该土样的含水量w、密度ρ、重度 、干重度d 、孔隙 比e、饱和重度sat和浮重度
【解】
mw 187 167 w 100% 11.98% ms 167
粘性土的物理特征
无粘性土的密实度 粉土的密实度和湿度 土的胀缩性、湿陷性和冻胀性 土的分类
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2.3
粘性土的物理特征
土力学
2.3.1 粘性土的可塑性及界限含水量
2.3.2 粘性土的物理状态指标
2.3.3 粘性土的活动度、灵敏度和触变性
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2.3.1
粘性土的可塑性及界限含水量
腐殖土ρ＝1.5～1.7g/cm3
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2.2.2
第二章土的工程性质及分类
For personal use only in study and research; not for commercial use第二章土的性质及工程分类土的性质包括：物理性质、力学性质、水理性质、工程性质。
土是由固体颗粒、水和空气组成的三相体系。
由于三相比例的不同，决定了土的物理性质（轻重、疏密、干湿、软硬）。
土的物理性质又决定了土的力学性质，因此土的物理性质是我们研究的主要特性之一。
本章主要介绍土的组成及土的结构土的物理性质指标无粘性土的密实度粘性土的物理特性土的渗透性及渗流土的动力特性地基(岩)土的工程分类2.1概述土是风化的产物，是由固体颗粒、水和空气组成的三相体系，下面看三相组成示意图。
在外力作用下，土体并不显示为一般固体的特性，也不表现为一般液体的特性，因此，在研究土的工程性质时，既有别于固体力学，也有别于液体力学。
2.2土的三相组成及土的结构2.2.1 土的组成一、土的固体颗粒土的固体颗粒的大小和形状，矿物成分及其组成情况，是决定土的物理力学性质的重要因素。
2.2.1.1土的矿物成分矿物成分分为原生矿物、次生矿物2.2.1.2土粒粒组自然界中存在的土，都是由大小不同的土粒组成的。
土粒的粒径由粗到细逐渐变化时，土的性质也相应地发生变化。
例如，土的性质随着粒径的变细，可由无粘性变化到有粘性。
因此可以将土中各种不同粒径的土粒，按适当的粒径范围，分为若干组，各个粒组，随着分界尺寸的不同而呈现一定质的变化，划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。
目前我国常用的土粒粒组划分方法，按照界限粒径的大小，将土粒分为六个组：漂石（块石）（＞200）、卵石（碎石）（200～60）、圆砾（角砾）（60～2）砂粒（2～0.075）、粉粒（0.075～0.005）和粘粒＜0.005（注漂石、卵石、圆砾是一定磨圆形状、圆形或亚圆形）土中土粒的大小及其组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量来表示，称为土的颗粒级配。
如何来分析土中的颗粒级配情况，通常用筛分法与水分法两种。
第二章粘性土的物理化学性质
2.2粘土矿物颗粒的结晶结构 ZH2.粘性土的物理化学性质 ZH2.粘性土的物理化学性质 §2.2粘土矿物颗粒的结晶结构 三种主要 三种主要 粘土矿物的 结晶构造： 结晶构造：
1:1的两 的两 层晶格 结构 高岭 石微粒
Al Al Si Si
• 晶层间通过氢键联结，联结力强，晶 晶层间通过氢键联结，联结力强， 格不能自由活动， 格不能自由活动，水难以进入晶格间 高岭石 蒙脱石 伊利石 • 能组叠很多晶层，多达百个以上，成 能组叠很多晶层，多达百个以上， 为一个颗粒。颗粒长宽约0.3-4µm， 为一个颗粒。颗粒长宽约 µ ， 厚约0.05-5µm。 厚约 µ 。 • 主要特征：颗粒较粗，亲水能力差, 主要特征：颗粒较粗，亲水能力差 不容易吸水膨胀和失水收缩。 不容易吸水膨胀和失水收缩。
2.2粘土矿物颗粒的结晶结构 ZH2.粘性土的物理化学性质 ZH2.粘性土的物理化学性质 §2.2粘土矿物颗粒的结晶结构 三种主要 三种主要 粘土矿物的 结晶构造： 结晶构造：
2:1的三 的三 层晶格 结构SiSi来自Al Al Si Si
高岭石 蒙脱石 伊利石
• 晶层间是 2-对O2-的连结，联结力很 晶层间是O 的连结， 水很容易进入晶层之间。 弱，水很容易进入晶层之间。 • 每一颗粒能组叠的晶层数较少。颗粒 每一颗粒能组叠的晶层数较少。 大小约为0.1-1µm ，厚约 厚约0.001-0.01µm。 大小约为 µ µ 。 • 主要特征：颗粒细微，亲水能力强,具 主要特征：颗粒细微，亲水能力强 具 有显著的吸水膨胀、 有显著的吸水膨胀、失水收缩的特性。
ZH2.粘性土的物理化学性质 ZH2.粘性土的物理化学性质 §2.2粘土矿物颗粒的结晶结构 2.2粘土矿物颗粒的结晶结构
粘土矿物结构单元
土力学复习资料总结
第一章土的组成1、土力学：是以力学和工程地质为基础研究与土木工程有关的土的应力、应变、强度稳定性等的应用力学的分支。
2、地基：承受建筑物、构筑物全部荷载的那一部分天然的或部分人工改造的地层。
3、地基设计时应满足的基本条件：①强度，②稳定性，③安全度，④变形。
4、土的定义：①岩石在风化作用下形成的大小悬殊颗粒，通过不同的搬运方式，在各种自然环境中形成的沉积物。
②由土粒（固相）、土中水（液相）和土中气（气相）所组成的三相物质。
5、土的工程特性：①压缩性大，②强度低，③透水性大。
6、土的形成过程：地壳表层的岩石在阳光、大气、水和生物等因素影响下，发生风化作用，使岩石崩解、破碎，经流水、风、冰川等动力搬运作用，在各种自然环境下沉积。
7、风化作用：外力对原岩发生的机械破碎和化学风化作用。
风化作用有两种：物理风化、化学风化。
物理风化：用于温度变化、水的冻胀、波浪冲击、地震等引起的物理力使岩体崩解，碎裂的过程。
化学风化：岩体与空气，水和各种水溶液相互作用的过程。
化学风化的类型有三种：水解作用、水化作用、氧化作用。
水解作用：指原生矿物成分被分解，并与水进行化学成分的交换。
水化作用：批量水和某种矿物发生化学反映，形成新的矿物。
氧化作用：指某种矿物与氧气结合形成新的矿物。
8、土的特点：①散体性：颗粒之间无黏结或一定的黏结，存在大量孔隙，可以透水透气。
②多相性：土是由固体颗粒、水和气体组成的三相体系。
③自然变异性：土是在自然界漫长的地质历史时期深化形成的多矿物组合体，性质复杂，不均匀，且随时间还在不断变化的材料。
9、决定土的物理学性质的重要因素：①土粒的大小和形状，②矿物组成，③组成。
10、土粒的个体特征：土粒的大小、土粒的形状。
11、粒度：土粒的大小。
12、粒组：介于一定粒度范围内的土粒。
13、界限粒经：划分粒组的分界尺寸。
14、土的粒度成分（颗粒级配）：土粒的大小及其组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量来表示。
土力学第四版习题答案
土力学第四版习题答案第一章：土的物理性质和分类1. 土的颗粒大小分布曲线如何绘制？- 通过筛分法或沉降法，测量不同粒径的土颗粒所占的比例，然后绘制颗粒大小分布曲线。
2. 如何确定土的密实度？- 通过土的干密度和最大干密度以及最小干密度，计算土的相对密实度。
3. 土的分类标准是什么？- 根据颗粒大小、塑性指数和液限等指标，按照统一土壤分类系统（USCS）进行分类。
第二章：土的力学性质1. 土的应力-应变关系是怎样的？- 土的应力-应变关系是非线性的，通常通过三轴试验或直剪试验获得。
2. 土的强度参数如何确定？- 通过土的三轴压缩试验，确定土的内摩擦角和凝聚力。
3. 土的压缩性如何影响地基沉降？- 土的压缩性越大，地基沉降量越大，反之亦然。
第三章：土的渗透性1. 什么是达西定律？- 达西定律描述了土中水流的速度与水力梯度成正比的关系。
2. 如何计算土的渗透系数？- 通过渗透试验，测量土样在一定水力梯度下的流速，计算渗透系数。
3. 土的渗透性对边坡稳定性有何影响？- 土的渗透性增加可能导致边坡内部水压力增加，降低边坡的稳定性。
第四章：土的剪切强度1. 什么是摩尔圆？- 摩尔圆是一种图解方法，用于表示土的应力状态和剪切强度。
2. 土的剪切强度如何影响基础设计？- 土的剪切强度决定了基础的承载能力，是基础设计的重要参数。
3. 土的剪切强度与哪些因素有关？- 土的剪切强度与土的类型、密实度、含水量等因素有关。
第五章：土的压缩性与固结1. 固结理论的基本原理是什么？- 固结理论描述了土在荷载作用下，孔隙水逐渐排出，土体体积减小的过程。
2. 如何计算土的固结沉降？- 通过固结理论，结合土的压缩性指标和排水条件，计算土的固结沉降量。
3. 固结过程对土工结构有何影响？- 固结过程可能导致土工结构产生不均匀沉降，影响结构的稳定性和使用寿命。
第六章：土的应力路径和强度准则1. 什么是应力路径？- 应力路径是土体在加载过程中应力状态的变化轨迹。
陈希哲《土力学地基基础》笔记和课后习题(含真题)详解(土的物理性质及工程分类)
土的密度 ρ 和土的重度 γ
土的三项基本物理性质指标 土粒相对密度 Gs（ds）
土
反映土的松密程度的指标 土的含水率 w
的 土的物理性质指标 反映土中含水程度的指标
物 理
特定条件下土的密度（重度）
性
用孔隙比 e 为标准
质 及
无黏性土的密实度 以相对密度 Dr 为标准
工
以标准贯入试验 N 为标准
程 分
吸引，形成具有很大孔隙癿蜂窝状结构
那些粒徂极细癿黏土颗粒（粒徂小于
絮状结 0.005mm）在水丨长期悬浮，这种土粒在
构（二 水丨运动，相互碰撞而吸引逐渐形成小链
级蜂窝 环状癿土集粒，质量增大而下沉，弼一丧
结构） 小链环碰到另一小链环时相互吸引，丌断
扩大形成大链环状，称为絮状结构
（2）土癿构造
土癿构造是指同一土层丨，土颗粒乊间相互关系癿特征。土癿构造常见癿有下列几种，
二、土癿三相组成 土癿三相组成是指土由固体矿物、水和气体三部分组成。土丨癿固体矿物构成土癿骨架， 骨架乊间存在大量孔隙，孔隙丨充填着水和空气。 土体三相比例丌同，土癿状态和工程性质也随乊各异，例如：固体+气体（液体=0） 为干土。此时黏土呈坒硬状态。固体+液体+气体为湿土，此时黏土多为可塑状态。固体+ 液体（气体=0）为饱和土。 1．土癿固体颗粒 土癿固体颗粒是土癿三相组成丨癿主体，是决定土癿工程性质癿主要成分。 （1）土粒癿矿物成分（见表 2-1-4）
状构造丨，因裂隙强 度低、渗透性大，工
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裂隙状构造
土体丨有很多丌连续癿小裂隙，某些硬塑戒坒硬状 态癿黏土为此种构造
第二章土的物理性质指标
液限wl
强结合水膜最大
出现相当数量自由水
§2.3 黏性土的物理特性
测定塑限的方法： 搓滚法和液、塑限联合测定法
。 测定液限的方法：
碟式仪法和液、塑限联合测定法
液、塑限联合测定法： 塑限－5秒入土2mm时的含水率 17mm液限－ 5秒入土17mm时的含水率
圆锥体入土深度与含水量的关系
§2.3 黏性土的物理特性
§2.3 黏性土的物理特性
密实度 稠度
土的物理性质指标
(三相间的比例关系)
表 示
土的物理状态
粗粒土的松密程度
影响
粘性土的软硬状态
力学特性
土的物理状态指标
§2.3 黏性土的物理特性 粘性土最主要的物理状态特征与含水量有关
粘性土 含水量
较硬 变软 流动
§2.3 黏性土的物理特性
粘性土的状态转变过程
粘性16土~2：0k2N.7/2m~32.76 粉 土：2.70~2.71 砂类13土~1：8k2N.6/5m~32.69
1280~%23~k6N0/%m3
d
e
sdd11(sd1s(1ewew1)w1w)
w
e
dds
(1
d (1w)ww)
1
V Vs Vw Va
天然容重 g
干密度：土被烘干时的密度，
d ms / V
干容重： d dg
饱和密度：土被饱和时的密度，
sat
ms
wVv V
饱和容重：sat satg
浮容重： sat w
表示土体密度和容重的指标
土的三相比例指标
Vs= ms ／ ρs=96.43 ／2.7＝35.7cm3 Vv=V－Vs=60－35.7＝24.3cm3 按式（1－10），于是 e= Vv ／ Vs＝24.3 ／35.7=0.68 （4）按式（1－11） n= Vv ／ V＝24.3 ／60=40.5％ （5）根据ρw的定义 Vw = mw ／ρw=11.57 ／1＝11.57cm3 于是按式（1－12） St= Vw ／ Vv=11.57 ／24.3＝48％
第二章土的工程性质与分类
• （五）土的饱和度Sr:土中被水充满的孔隙体 积与孔隙总体积之比，称为饱和度。 湿度 ω（%） 稍湿 ω ＜20 湿 20≤ ω ≤30 很湿 ＞30
（六）土的孔隙比e和孔隙率n 土的孔隙比是土中孔隙体积与土粒体积之比， 用小数表示 土的孔隙率比是土中孔隙所占体积与总体积之比， 用百分数表示
Dr=
emax-e emax-emin
相对密度Dr划分砂土紧密状态
紧密状态 实密 中密 稍密 松散 Dr 0.67＜Dr≤1 0.33＜Dr≤0.67 0.2＜Dr≤0.33 0≤Dr≤0.2
• 按标准贯入锤击数N值决定砂土密实度
密实度 实密 中密 稍密 松散 N值 N ＞30 15＜ N ≤30 10＜ N ≤15 N ≤10 按天然孔隙比e划分粉土密实度 密实度 实密 中密 稍密
粘性土对应状态示意图
固态
半固态
缩限 （ ws）
可塑状态
液态
液限 （ wL ）
塑限 （ wp ）
二、粘性土的塑性指数和液性指数 塑性指数Ip：指液限和塑限的差值， Ip= wL- wp 土的塑性指数Ip表示土处于可塑状态时的含水量变化范围， 塑性指数Ip大小与土中结合水的发育程度与含量有关。 液性指数IL：指粘性土天然含水量和塑限之差与塑性指数 之比，用小数表示。 I L= W- wp W- wp = Wl- wp Ip
土粒粒组划分
粒组名称 漂石或块石颗粒 卵石或碎石颗粒 圆砾或 角砾颗 粒 粗 中 细 粗 中 细 极细 粗 细 粒径范围（mm) ＞200 200～20 20～10 10～5 5 ～2 2 ～0.5 0.5 ～0.25 0.25 ～0. 1 0.1 ～0.075 0.075 ～0.01 0.01 ～0.005 ＜0.005 一般特征 透水性很大,无粘性,无毛细作用 透水性大,无粘性,毛细水上升高度不超过粒径大 小
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%
第二章 土的物理性质及工程分类
土粒质量 ms d 总体积 V
三、其他常用指标
1. 特殊条件下土的密度和重度
土的干重度 d
干重度—土单位体积土粒重量（kN/m3)
Ws ms g d d g m V V m w
ms
气
水 土粒
Va Vw Vs
Vv
三、其他常用指标
1. 特殊条件下土的密度和重度
（2）饱和密度和饱和重度 饱和密度 sat 饱和密度—孔隙充满水时土单位体积质量 （g/cm3或t/m3)
土粒质量 ms s 土粒体积 Vs
气
m mw ms 水 土粒 Va Vw Vs Vv
二、基本试验指标
1. 土粒相对密度 ds 土粒相对密度—土颗粒质量与同体积的4oC时的 纯水的质量之比。
Gs
Vs w1
ms
s w1
气
m mw 水 土粒
Va Vw Vs
Vv
纯水在4oC时的密度， 等于1g/cm3或1t/m3。
矿 物 质
固 体 颗 粒
次生矿物
固体颗粒矿物成分
原生矿物：原岩经物理风化生成的土粒，成分与母岩 完全相同，如石英、长石、云母等 ；颗粒较粗，一般 为无粘性土；圆形、板状、块状；吸水力弱、稳定、 无塑性；
云母
石英 长石 角闪石
石英 晶体
云母 晶体
次生矿物：由原生矿物经化学风化作用而形成的矿物。 颗粒较细，一般为粘土矿物，如高岭石、伊利石、蒙 脱石，形成粘性土。片状、极细；吸水力强、活泼、 有塑性。
粘粒
粉粒
细粒
砂粒
粗粒
角砾/ 圆砾
卵石/ 碎石
巨粒
块石/ 漂石
二）、粒度成分的分析方法
02土的物理性质、水理性质和力学性质
第二章 土的物理性质、水理性质和力学性质第一节 土的物理性质土是土粒（固体相），水（液体相）和空气（气体相）三者所组成的；土的物理性质就是研究三相的质量与体积间的相互比例关系以及固、液两相相互作用表现出来的性质。
土的物理性质指标，可分为两类：一类是必须通过试验测定的，如含水量，密度和土粒比重；另一类是可以根据试验测定的指标换算的；如孔隙比，孔隙率和饱和度等。
一、土的基本物理性质土的三相图（见教材P62图）（一）土粒密度(particle density)土粒密度是指固体颗粒的质量m s 与其体积Vs 之比；即土粒的单位体积质量：ss s V m =ρ g/cm 3 土粒密度仅与组成土粒的矿物密度有关，而与土的孔隙大小和含水多少无关。
实际上是土中各种矿物密度的加权平均值。
砂土的土粒密度一般为：2.65 g/cm 3左右粉质砂土的土粒密度一般为：2.68g/cm 3粉质粘土的土粒密度一般为：2.68~2.72g/cm 3粘土的土粒密度一般为：2.7-~2.75g/cm 3土粒密度是实测指标。
（二）土的密度(soil density)土的密度是指土的总质量m 与总体积V 之比，也即为土的单位体积的质量。
其中：V=Vs+Vv; m=m s +m w按孔隙中充水程度不同，有天然密度，干密度，饱和密度之分。
1．天然密度（湿密度）(density)天然状态下土的密度称天然密度，以下式表示：vs w s V V m m V m ++==ρ g/cm3 土的密度取决于土粒的密度，孔隙体积的大小和孔隙中水的质量多少，它综合反映了土的物质组成和结构特征。
砂土一般是１.4 g/cm3粉质砂土及粉质粘土１.4 g/cm3粘土为１.4 g/cm3泥炭沼泽土：１.4 g/cm3土的密度可在室内及野外现场直接测定。
室内一般采用“环刀法”测定，称得环刀内土样质量，求得环刀容积；两者之比值。
2．干密度（dry density ）土的孔隙中完全没有水时的密度，称干密度；是指土单位体积中土粒的重量，即：固体颗粒的质量与土的总体积之比值。
第二章土的物理性质及工程分类
②次生矿物
固相 构成
风化 程度
颗粒 大小
特点及对工程性质、力学性质 的可能影响
高度的分散性,呈细粒状,它的
次生 矿物（蒙 脱石、伊 利石、高
岭石）
化学 风化
细小，呈片 状 ,是粘性 土固相的主 要成分。
含量的变化对粘性土性质十分 敏感,巨大的比表面使其具有 很强的与水相互作用的能力, 它的结晶结构的不同,会带来 其工程性质的显著差异。
1 、粒度：指土粒的大小，通常用粒径d表示，单位mm。 注：当d越小时，粘性越好；反之，当d越大时，粘性越差。 2 、粒组：界于一定粒度范围内的土粒。 3、界限粒径：划分粒组的分界尺寸。 注：工程上根据界限粒径200、60、2、0.075和0.005mm把土粒
分为：漂石（块石）颗粒、卵石（碎石）颗粒、园砾（角砾） 颗粒、砂粒、粉粒及粘粘六大类。
Teacher Yang Ping
第二节 土的三相组成
①在天然状态下，土呈三相系，即由固体颗粒、水和 空气三相所组成。
②饱和土和干土都是二相土。 注：当孔隙全部为水填充时，称为饱和土。反之，当
孔隙中没有水，全部为气体填充时，称为干土。
Teacher Yang Ping
一、土中固体颗粒（简称土粒） ㈠、基本概念
四、孔隙比e
1.概念：土中孔隙体积与土粒体积之比。
2.计算公式：
e Vv Vs
注：孔隙比反映了土的密实度，e<0.6时，土是密实的
低压缩性土；e>1时，土是疏松的高压缩性土。同一类
土的孔隙比越大，土的压缩性和透水性越大，而其强
度就越小。
Teacher Yang Ping
五、孔隙率n 1.概念：土中孔隙体积与土体体积之比，用百分数表示。 2.计算公式：
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
第二章-土壤孔性、结构性与耕性
过于潮湿时，粘质土泥泞粘糊，粘着性 强，耕作阻力大，耕后易产生大块。应 该选在粘结性、粘着性和塑性均较弱或 没有时进行耕作。此时耕作省力，不破 坏土壤结构，耕作后任其风干或收缩， 就会崩散为适当的土块和土团。
二、土壤压板问题
机械在田面上行走对土壤有压实作用。 过度的压实会影响耕作质量，对作物生 长不利。这种过度的压实又称为土壤压 板问题。
3、各粒级的主要性质
---砂粒本身没有粘结性、涨缩性和可塑性； 砂粒之间的间隙大；持水能力低；对养 分的吸持能力低；通透性强。
---粘粒有较强的粘结性、涨缩性和可塑性； 粘粒之间的间隙细；持水能力强；对养 分的吸持能力强；通透性弱。
---粉砂粒的性质介于砂粒和粘粒之间。
二、土壤质地及其肥力特征
（一）土壤质地分类
土壤总孔度一般以50-60%为宜。
2、土壤孔隙比
土壤孔隙容积与土粒容积之比，称为土 壤孔隙比。
例如：某土壤孔度为55%，土粒占45%， 则其孔隙比=0.55/0.45=1.12
(二) 土壤孔隙分级
1、当量孔径 与一定的土壤水吸力相当的孔径，也称 有效孔径。计算公式如下： d=3/h
D：当量孔径（mm） H：土壤水吸力（毫巴）
比较干燥的土壤承受荷载时，主要是垂 直方向上的正应力使孔隙变少、小，容 重增大。
在含水量较高时（如在塑性范围）承受 荷载，除正应力外，还要产生剪力。在 正应力和剪力的共同作用下，土壤颗粒 趋向与极紧密的排列，通气孔隙大大减 少，细孔隙急剧增多。土壤的通气-透水 性强烈减弱甚至消失。这种现象称为粘 闭。
结构体分为如下几种类型：
1、块状或核状结构体
块状： 纵轴和横轴大体相等，边面一般不明显， 但不呈球性。
土的基本特性及本构关系与强度理论
土的基本特性及本构关系与强度理论一、本文概述本文旨在深入探讨土的基本特性、本构关系以及强度理论，以增进对土壤力学行为的理解，并为土木工程、地质工程、环境工程等领域提供理论基础和实践指导。
土作为自然界中广泛存在的介质，其力学特性对于工程结构的稳定性和安全性至关重要。
因此，研究土的基本特性、建立合理的本构关系以及探索强度理论，对于预防地质灾害、优化工程设计、提高施工效率等方面都具有重要的意义。
本文首先对土的基本特性进行概述，包括土的分类、物理性质、化学性质以及力学性质等方面。
在此基础上，进一步探讨土的本构关系，即土的应力-应变关系，包括弹性、弹塑性和塑性等方面。
通过对土的本构关系的深入研究，可以更准确地描述土的力学行为，为工程实践提供理论支持。
本文还将重点介绍土的强度理论，包括土的抗剪强度、抗压强度等方面。
土的强度理论是土力学中的核心内容之一，它对于评估土的承载能力、预测土的变形和破坏等方面具有重要的指导作用。
通过对土的强度理论的深入研究，可以为工程实践提供更加准确、可靠的理论依据。
本文将系统介绍土的基本特性、本构关系以及强度理论，以期为提高土木工程、地质工程、环境工程等领域的理论水平和实践能力做出贡献。
二、土的基本特性土是一种由固体颗粒、液体水和气体组成的三相体，其特性受到这些组成部分的性质、相对含量以及它们之间的相互作用的影响。
土的基本特性主要包括其物质组成、物理性质、力学性质和环境特性。
物质组成：土主要由固体颗粒（如砂粒、粘土粒等）、水和气体组成。
固体颗粒的大小、形状和分布决定了土的粒度特征和结构特性。
物理性质：土的物理性质包括密度、含水率、孔隙率、饱和度等。
这些性质对于理解土的力学行为和环境响应至关重要。
例如，密度反映了土体的紧实程度，含水率则影响了土的塑性和流动性。
力学性质：土的力学性质是指在外部荷载作用下土的应力-应变关系和强度特性。
土的力学性质受到其物质组成、物理状态和环境条件的影响。
《土壤基本性质》PPT课件
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25
（一）粘结团聚过程
1.胶体的凝聚作用 是指土壤胶体相互凝聚在一起的作用。土壤胶体在一些
阳离子，特别是有机胶体的钙离子的作用下，产生不可逆的凝 聚作用，可以把土壤中分散的单粒胶体胶结成土团。这些土粒 凝结在一起，可形成水稳性团粒。 2.无机物质的胶结作用
（一）阴离子交换吸收作用 阴离子交换吸收作用是指土壤中带正电荷胶体所吸收的
阴离子相互交换的作用。 （二）土壤对阴离子的交换吸收能力
土壤中的阴离子依其被土壤吸收的难易可分为三类： ⒈易被土壤吸收的阴离子 ⒉很少被吸收，甚至不能被吸收的阴离子 ⒊介于上述两者之间的阴离子。
影响土壤对阴离子交换吸收力的因素主要有： ⒈离子价数 ； ⒉土壤胶体种类及其组成 。
a
13
三、土壤碱性的产生及土壤碱度
（一）土壤碱性的产生 ⒈土壤中碱性盐的水解 ⒉在有机质高，含硫酸盐和嫌气条件下Na2SO4被还原成Na2S
，Na2S再与CaCO3作用形成Na2CO3，水解后产生大量的 OH-。 (二)土壤碱度
土壤碱性强弱的程度称为碱度。土壤溶液的碱性反应也 用PH值表示。含有碳酸钠、碳酸氢钠的土壤，PH值常在8.5 以上。土壤的碱性还决定于土壤胶体上交换性钠离子的数量 。通常把交换性钠离子的数量占交换性阳离子数量的百分比 ，称为土壤碱化度。一般碱化度为5—10%时，称为弱碱性 土，＞20%的称为碱性土。
土壤胶体按其成分不同，可以分以下三类： （一）无机胶体 （二）有机胶体 （三）有机无机复合胶体
a
2
三、土壤胶体的构造
（一）微粒核（胶核） 微粒核是胶体微粒的核心部分，它是
由组成胶体微粒的基本物质（黏土矿物、腐 殖质、蛋白质等）的分子群所组成。 （二）决定电位离子层（双电层内层） （三）补偿离子层（双电层外层） 1．非活性层 2．扩散层
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2.1 概 述
土的形成 影 响 土的三相组成 土的物理状态 土的结构 决定
渗透特性 变形特性 强度特性
土的工程分类
土的压实性
• 土的定义：
地壳表层的岩石，在地质作用下不断破碎、分解， 经风化、搬运而沉积为大小、形状和成份都不相同的松
散颗粒集合体。
• 土的组成： 土由固体颗粒（固相）、土中水（液相）和土中
化学性质稳定，水稳性强。
次生矿物 主要是粘土矿物，包括三种类型
高岭石、伊里石、蒙脱石 颗粒细，比表面积大，活性大，亲水性强。
粘土矿物:
由硅片和铝片构成的晶包所组合而成
高 岭 石
伊 利 石
蒙脱石
水溶盐
有机质
3.土的矿物成分与粒组关系
4. 粘土矿物的晶体结构和分类
粘土矿物是次生矿物中数量最多的，颗粒极小，是粘粒组 中的主要矿物。粘土矿物是一种复合的铝-硅盐晶体，颗粒 呈片状，是由硅片和铝片构成的晶包所组叠而成，
颗粒大小 影响土性 的主因
各粒径成分 在土中占的 比例 狭义的粒径级配
颗粒大小
•粒组
按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类
•界限粒径 粗粒土 0.1 细粒土 粉粒 粘粒 胶粒 0.05 0.005 0.002
d
卵石 60
砾石
粗 中
20 5
砂粒
细 粗 中 细 极细
mm
2
0.5 0.25
粒径级配
——各粒组的相对含量，用质量百分数来表示
C c = 1 ~ 3, 级配连续土； Cc > 3 或 Cc < 1,级配不连续土 4）不均匀系数Cu和曲率系数Cc用于判定土的级配优劣： 如果 Cu ≥ 5且 C c = 1 ~ 3 ， 级配 良好的土； 如果 Cu < 5 或 Cc > 3 或 Cc < 1, 级配 不良的土
2. 矿物成分
原生矿物 石英、长石、云母等
基本单 元体
土体结 构
1. 土粒间的作用力
重 力
—土颗粒的自重形成的方向向下的力 — 砂性土
— 土中毛细作用形成的力 — 细砂、细粒土 — 粘性土
毛细力
胶结力
— 土粒间的胶体物质形成的作用力
颗粒表面力
— 粘性土
— 库 仑 力： 颗粒表面的静电引力或斥力
— 范德华力： 颗粒接触点处的分子间引力
2.粗粒土的结构
基本单元： 硅-氧四面体
硅片的结构
基本单元： 铝-氢氧八面体
铝片的结构
粘土矿物的 晶格构造
（氢键联结） 比表面积 ：单位质量 9克蒙脱土的总 土颗粒所拥有的总表面 表面积大约与一 高岭石积 伊利石 大 中 径个足球场一样大
蒙脱石
粒 比表面积 10-20m2/g 80-100m2/g 小 中 胀 缩 性 大 中 渗 透 性 大 中 强 度 小 中 压 缩 性
• 示意图 单粒结构
• 粒间作用力 • 排列形式 • 矿物成分
重力，毛细力
点与点、点与面
原生矿物
粉 土：蜂窝结构
3.细粒土的结构
• 示意图 片架结构 (凝聚结构) 海水中沉积 表面力、胶结力 （斥力减小引力增加） 边、角与面 边、角与边 次生矿物
片堆结构 (分散结构)
• 形成环境 • 粒间作用力 • 排列形式 • 矿物成分 淡水中沉积 表面力、胶结力 （粒间斥力占优势） 面与面 次生矿物
小 800m2/g 大 小 小 大
5.粘土矿物的带电性质
研究表明：
粘土颗粒的表面有电荷，净电荷通常为负电荷
粘土颗粒 水分子 阳离子
6. 颗粒形状
•原生矿物 圆状、浑圆状、棱角状 •次生矿物 针状、片状、扁平状
2.3.2 土中的水和气体
结晶水 矿物内部的水
结合水 吸附在土颗粒表面的水
自由水 电场引力作用范围之外的水 土中冰 由自由水冻成，冻胀融陷
粒径(mm)
粒径(mm) 百分数P(%)
0.05 26
0.01 13.5
0.01 0.005
0.005 10
0.001
0.10 0.05
1.0 0.5
10 5.0
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
土的粒径级配累积曲线
小于某粒径之土质量百分数（％）
特征粒径: d50 : 平均粒径 d60 : 控制粒径 d10 : 有效粒径
矿物成分不同，粘粒表面带电荷情况不同。 溶液中离子成分及浓度
浓度高或离子价高，则能有效地平衡粒面电荷，电位降低快， 扩散层变薄。
溶液的PH值
PH值升高一般会增高电动电位，从而加大扩散层的厚度。
• 改变扩散层厚度的方法： 电渗是导致扩散层厚度变化的途 径之一。 电动现象： 粘土中插入两电极，通以直流电时， 具有负电荷的粘粒带着固定层一起 向阳极移动，这种现象称为电泳。 电渗:在扩散层内的阳离子及其吸附 的水分子则向阴极移动。
1.0 0.5
10 5.0
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
土的粒径级配累积曲线
d60
d30
d10
粒径级配
粒径级配累积曲线及指标的用途： 1）粒组含量用于土的分类定名； 2）不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度： Cu ≥ 5, 不均匀土； Cu < 5, 均匀土
3）曲率系数Cc用于判定土的连续程度：
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
力 学 特 性 有 何 差 异 ？
天然条件下，可能是多种组合，或者由一种结构过渡向另一种结构。
不均匀土的混合结构典型的：
粗粒构架
粘粒结合体
2.6 土的物理性质指标
2.6.1 土的 三相草图
ma=0 m mw ms
Air
Water Solid
Va Vv Vw Vs V
质量
体积
三相草图
ma=0 m mw ms Air Water Solid Va Vw Vs Vv V
土的性质影响不大
2.封闭气体：受外荷作用，不能逸出，被压缩或溶
解于水中，压力减小时能有所复原，对土的性质有 较大的影响，使土的渗透性减小，弹性增大和延长 土体受力后变形达到稳定的历时
2.4 土-水-电解质系统及其相互作用
水 液体 电解质 土-水-电解质
土
土颗粒
气体
水化离子
粒面的 电位离子层
反离子层
— 曲率系数
较大颗粒缺少 较小颗粒缺少
Cc 减小 Cc 增大
粒径(mm)
Cc = 1 ~ 3, 级配连续性好
曲线 d60 d10 d30 Cu Cc
L M R
0.081 3.98 0.33 0.005 0.063 66 2.41 0.030 0.545
0.01 0.005
0.001
0.10 0.05
结合水
强结合水 • • • • • 排列致密、定向性强 密度>1g/cm3 冰点处于零下几十度 具有固体的特性 温度高于100°C时可蒸发
弱结合水
• 位于强结合水之外，电场引 力作用范围之内 • 外力作用下可以移动 • 不因重力而移动，有粘滞性
重力水
在重力作用下可在土中自由流动
自由水
毛细水
• 存在于固气之间 • 在重力与表面张力作用下 可在土粒间空隙中自由移动
冲积土
湖泊沼泽沉积土 冰川: 冰积土 海相沉积物 风：风积土
颗粒均匀，层厚而不具层理
2.3 土的物质组成
固体矿物颗 粒 （固相） 土中气体 （气相） 土中水 （液相）
固相
+
液相
+
气相
构成土骨架，起决定作用
重要影响
次要作用
2.3.1 固体颗粒
粒径级配
矿物成分
颗粒形状
物理状态 力学特性
1. 粒径级配
d30
粗细程度： 用d50 表示 不均匀程度：
Cu = d60 / d10
— 不均匀系数
连续程度:
粒径(mm)
Cc = d302 / (d60×d10 )
— 曲率系数
d60 d10 d30 Cu Cc
0.33 0.005 0.063 66 2.41
0.01 0.005
0.001
Cu ≥5,级配不均匀
气体（气相）组成。
• 土的特性： 土是由许多单独矿物颗粒组成的松散集合体，不
是连续体，从而反映出其易压缩、易被水渗透、颗粒间 易发生相对剪切位移的力学性质。
2.2 土的生成
形成过程 形成条件
影响
物理力学 性质
土是岩石经过风化后在不同条件下形成的自然历史的产物
岩石 化 地球
风 搬运、沉积
土 地球
残积土：经风化作用 不经搬运作用所沉积下来的土 沉积土：风化---搬运－－＞沉积
如果粘粒不能移动，而只是水化阳 离子的移动，就称为电渗。
改变扩散层厚度的方法： 离子交换： 粘粒表面扩散层外水溶液中离子，同扩散 层内其他同符号离子交换的现象。
用高价阳离子交换粘性土中低价阳离子， 使扩散层变薄，因而粘粒靠拢，紧密，使地 基强度提高，压缩性降低。
离子交换能力： 同矿物成分、土粒大小、交换离子的成 分及浓度、 溶液的PH值等有关。 矿物亲水性越强、土粒越小，交换容量越大。 离子价越高、离子半径越大、摩尔质量越大交换 能力越大。
母岩表层经风化作用破碎成岩屑或细小 颗粒后，未经搬运残留在原地的堆积物
残积土
无搬运
残积土 强风化 弱风化 微风化 母岩体
颗粒表面粗糙 多棱角 粗细不均 无层理
土 质 较 好
运积土
有搬运
风化所形成的土颗粒，受自然力的作用 搬运到远近不同的地点所沉积的堆积物
运积土