土力学-第一章土的组成
土力学与地基基础第一章
1.5 粘性土的稠度
1.5.1 界限含水量
粘性土的土粒很细，单位体积的颗粒总表面积较大， 土粒表面与水相互作用的能力较强，土粒间存在粘结力。 稠度就是指土的软硬程度，是粘性土最主要的物理状态 特征。当含水量较大时，土粒被自由水所隔开，表现为 浆液状；随着含水量的减少，土浆变稠，逐渐变为可塑 状态，这时土中水主要表现为弱结合水；含水率再减少， 土就变为半固态；当土中主要含强结合水时，土处于固 体状态，如图1.4所示。
图1.5 土的结构
2、土的颗粒级配 对于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（各粒组占土粒总量的百分数）来表示，称为土 的颗粒级配。 (1)土的颗粒级配测定方法 ①筛分法----适用于粒径小于等于60mm而大于0.075mm ②比重瓶法-----适用于粒径小于0.075mm (2)颗粒级配表达方式
(1.11) (1.12) (1.12)
同样条件下，上述几种重度在数值上有如下关系，即
(1.13)
(4)土的孔隙比和孔隙率 土中孔隙体积与土粒体积之比称为孔隙比，用符 号e（小数）表示，用以评价天然土层的密实程度。
(1.14)
土中孔隙体积与土的总体积的比值称为孔隙率，用 符号n表示。
(1.15)
(5)饱和度 土中水的体积与孔隙体积之比称为饱和度，用符 号Sr表示。反映土体的潮湿程度。
图1.10 含水量与干密度关系曲线
1、可以总结出如下的特性： (1)、峰值(ωop＝ ωp +2)； (2)、击实曲线位于理论饱和曲线左侧
(3)、击实曲线的形态 2、 影响击实效果的因素 (1)、含水量的影响 (2)、击实功能的影响 (3)、不同土类和级配的影响 3、压实特性在现场填土中的应用 为了便于工地压实质量的控制，可采用压实系数λ来表示,即
土力学
第一章土的组成1土的定义：土是岩石风化的产物。
常见的化学风化作用：水解作用，水化作用，氧化作用。
2土是由固体颗粒，水，和气体组成的三相体系。
3固体颗粒:岩石风化后的碎屑物质简称土粒，土粒集合构成土的骨架4土具有三个重要特点：散体性；多相性；自然变异性5粒组：介于一定粒度范围内的土粒。
土粒的大小叫做粒度。
6采用粒径累计曲线表示土的颗粒级配；不均匀系数Cu：反映大小不同粒组分布的均匀程度，Cu越大，越不均匀。
曲率系数Cc:反映了d10、d60之间各粒组含量的分布连续情况。
Cc过大或过小，均表明缺少中间粒组。
7土粒大小：也称为粒度，以粒径表示；8土体：9粘土矿物10液相11强结合水是指紧靠土粒表面的结合水膜，亦称吸着水弱结合水紧靠强结合水的外围而形成的结合水膜，也称薄膜水。
12自由水指土粒表面引力作用范围之外的水.自由水分为：重力水，毛细水。
重力水是存在于地下水位以下的透水土层中的自由水。
毛细水存在于地下水位以上，受水与空气交界面处表面张力作用的自由水。
13土的构造：指同一土层中的物质成分和颗粒大小都相近的各部分之间的相互关系的特征。
有层理构造，裂隙构造，分散构造14土的结构：指土粒大小、形状、相互排列及其联结关系、土中水性质及孔隙特征等因素的综合特征。
有单粒结构，蜂窝结构，絮状结构15承压水16潜水：17排水距离18双面排水19电泳：在电场作用下向阳极移动；电渗：水分子在电场作用下向负极移动，因水中含有一定量的阳离子（K+，Na+等），水的移动实际上是水分子随这些水化了的阳离子一起移动。
20双电层：反离子层与土粒表面负电荷层组成双电层。
第二章土的物理性质及分类1重度：单位体积土的重量，用γ表示密度：单位体积土的质量，用ρ表示2干密度ρd干容重γd：单位体积内土粒的质量或重量饱和密度ρsat与饱和容重γsat ：土中孔隙完全被水充满，土处于饱和状态时单位体积土的质量或重量浮密度与浮容重：单位体积内土粒质量与同体积水质量之差3土粒相对密度:土的质量与同体积4℃时纯水的质量之比4土的含水率w :土中水的质量与土粒质量之比.测定方法：烘干法。
土力学-第一章-土的三相组成 张丙印
黏土矿物的带电特性
18
§1.2 土的三相组成–固体颗粒
智者乐水 仁者乐山
原生矿物：一般颗粒较粗，呈粒状。 有圆状、浑圆状、棱角状等。
次生矿物：颗粒较细，多呈针状、片 状、扁平状。
比表面积：单位质量土颗粒所拥有的 总表面积。对于黏性土，其大小直接 反映土颗粒与四周介质,特别是水,相 互作用的强烈程度,是代表黏性土特 征的一个很重要的指标。 高岭石的比表面积为：10-20m2/g,伊 利石：80-l00m2/g,蒙特石：800m2/g
第一章：土的物理性质与工程分类
§1.1 §1.2 §1.3 §1.4 §1.5 §1.6
土的形成 ✓ 土的三相组成 土的物理状态 土的结构 土的工程分类 土的压实性
§1.2 土的三相组成
智者乐水 仁者乐山
固体颗粒 土中水
固相 液相
构成土体骨架 起决定作用
重要影响
土中气体 气相 次要作用
饱和土 ：土体孔隙完全被水充满 干 土 ：土体孔隙完全被气充满 非饱和土：孔隙中水和气均存在
8
§1.2 土的三相组成–固体颗粒
智者乐水 仁者乐山
小于某粒径之土质量百分数（％） 10 5.0 1.0 0.5 0.10 0.05 0.01 0.005 0.001
土的粗细度：用d50 表示
土的不均匀程度：
不均匀系数 Cu = d60 / d10 Cu 5 为不均匀土，反之 称为均匀土
连续程度:
§1.2 土的三相组成–固体颗粒
100
曲线 d60 d10 d30 Cu Cc
90 80
L
0.081
3.98
70
M 0.33 0.005 0.063 66 2.41
60
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。
土力学复习要点#
第一章 土的组成土是岩石风化的产物。
风化作用主要包括物理风化和化学风化。
1. 土具有三个主要特点：散体性、多相性（多样性）、自然变异性。
2. 土是由固体颗粒、水和气体组成的三相体系。
3. 粗大的土粒其形状呈块状或粒状；细小的土粒主要呈片状。
4. 土粒的大小称为粒度，通常以粒径表示；介于一定粒度范围内的土粒，称为粒组；划分粒组的分界尺寸称为界限粒径，据界限粒径200、60、2、0.075、0.005mm 把土粒分成六大粒组：漂石或块石颗粒、卵石或碎石颗粒、圆砾或角砾颗粒、砂粒、粉粒、黏粒。
5. 土中各个粒组的相对含量（土样各粒组的质量占土粒总质量的百分数）称为粒度成分或者颗粒级配。
6. 粒度成分分析常用筛分法（>0.075）和沉降分析法(<0.075).7. 粒度成分分布曲线：曲线较陡，说明粒径大小相差不多，颗粒较均匀，级配不良；曲线平缓，说明粒径大小相差悬殊，土粒不均匀，级配良好。
8. 不均匀系数,曲率系数，不均匀系数越大，表示粒度的分布范围越大，颗粒越不均匀，其级配越良好。
9. 把的土看作是均粒土，级配不良；把的土，级配良好。
10. 砾类土或砂类土同时满足和两个条件时，则为良好级配砾或良好级配砂。
11. 土中固体颗粒的矿物成分绝大部分是矿物质，或多或少含有有机质。
矿物质分为原生矿物和次生矿物，其中原生矿物主要是石英、长石和云母等，次生矿物主要是黏土矿物、可溶盐和无定形氧化物胶体。
黏土矿物主要是蒙脱石、伊利石和高岭石。
12. 一般液态土中水可视为中性、无色、无味、无臭的液体，其质量密度在4℃时为1g/cm ³ ,重力密度9.81kN/m ³。
存在于土粒矿物的晶体格架内部或是参与矿物构造中的水称为矿物内部结合水，可以把矿物内部的结合水当作矿物颗粒的一部分。
13. 存在土中的液态水可以分为结合水和自由水两大类。
土中水是成分复杂的电解质水溶液。
14. 结合水进一步可分为强结合水和弱结合水。
土力学习题集及答案
第1章土的组成第1章土的组成一、简答题1.什么是土的颗粒级配？什么是土的颗粒级配曲线？2.土中水按性质可以分为哪几类？3.土是怎样生成的？有何工程特点？4.什么是土的结构？其基本类型是什么？简述每种结构土体的特点。
5.什么是土的构造？其主要特征是什么？6.试述强、弱结合水对土性的影响。
7.试述毛细水的性质和对工程的影响。
在那些土中毛细现象最显著？8.土颗粒的矿物质按其成分分为哪两类？9.简述土中粒度成分与矿物成分的关系。
10.粘土的活动性为什么有很大差异？11.粘土颗粒为什么会带电？二、填空题1.根据土的颗粒级配曲线，当颗粒级配曲线较时表示土的级配良好。
2.工程中常把的土称为级配良好的土，把的土称为级配均匀的土，其中评价指标叫。
3.不同风化作用产生不同的土，风化作用有、、。
4. 粘土矿物基本上是由两种原子层(称为晶片)构成的，一种是，它的基本单元是Si—0四面体，另一种是，它的基本单元是A1—OH八面体。
5. 不均匀系数Cu、曲率系数Cc 的表达式为Cu＝、Cc＝。
6. 砂类土样级配曲线能同时满足及的土才能称为级配良好的土。
7. 土是的产物，是各种矿物颗粒的集合体。
土与其它连续固体介质相区别的最主要特征就是它的和。
8. 土力学是利用一般原理和技术来研究土的物理性质以及在所受外力发生变化时的应力、变形、强度、稳定性和渗透性及其规律一门科学。
9.最常用的颗粒分析方法有法和法。
10. 著名土力学家的《土力学》专著问世，标志着现代土力学的开始。
三、选择题1．在毛细带范围内，土颗粒会受到一个附加应力。
这种附加应力性质主要表现为( )(A)浮力； (B)张力； (C)压力。
2．对粘性土性质影响最大的是土中的( )。
(A)强结合水； (B)弱结合水； (C)自由水； (D)毛细水。
3．土中所含“不能传递静水压力，但水膜可缓慢转移从而使土具有一定的可塑性的水，称为( )。
(A)结合水； (B)自由水； (C)强结合水； (D)弱结合水。
土力学课件
§ 1.4 土的结构和构造
1.4.1 土的结构
1.单粒结构 单粒结构 • 粗大土粒在水或空气中下沉 • 颗粒间位置稳定 • 碎石土和砂土的结构特征 • 密实的单粒结构土是良好的天然地基 2.蜂窝结构 蜂窝结构 • 粉粒（0.075～0.005mm）的结构形式 粉粒（ ～ ） • 孔隙大 • 受动力荷载，结构破坏 受动力荷载，
蜂窝结构 单粒结构
3.絮状结构 絮状结构 • 黏粒（0.005～0.0001mm）的结构形式 黏粒（ ～ ） • 结构不稳定
絮状结构
在取土试验或施工过程中都必须尽量减少对土的扰动， 在取土试验或施工过程中都必须尽量减少对土的扰动， 避免破坏土的原状结构。 避免破坏土的原状结构。
1.4.2 土的构造
物理风化 化学风化 生物风化
原生矿物 次生矿物 有 机 质
无粘性土 粘性土
动植物活动引起的岩石和土体 粗颗粒的粒度或成分的变化
2. 土的三相组成
土体
固相 + 液相 + 气相
构成土骨架，起决定作用 构成土骨架，
重要影响
次要作用
§1-2 土中固体颗粒
1.2.1 土粒的粒度成分
1. 基本概念
• 粒度 —— 土粒的大小，以粒径表示。 土粒的大小，以粒径表示。
1. 土的特点 2. 土粒粒组的划分 3. 级配的判别
1.2.2 土粒的矿物成分
1. 矿物成分分类 原生矿物 （物理风化） 物理风化） 石英 长石 云母 高岭石 次生矿物 化学风化） （化学风化）
高 岭 石
9克蒙脱土的总表 面积大约与一个足 粗粒土 性质稳定 球场一样大
伊利石 蒙脱石
伊 利 石
细粒土
3.自由水 自由水
重力水: 重力水 •在重力或水头压力作用下运动的自由水 在重力或水头压力作用下运动的自由水 •对土粒有浮力作用 对土粒有浮力作用 •渗流对土体稳定有重大影响 渗流对土体稳定有重大影响 毛细水: 毛细水 • 存在于水与空气交界面 • 在重力和表面张力作用下自由移动 • 上升高度与颗粒粒径有关
土力学与地基基础第一章解析
气相——空气。 ，统
1.2.1 土的固体颗粒
土的固体颗粒即为土的固相。矿物颗粒是岩石经风化 作用后形成的碎粒，粗大的土粒呈块状或粒状，细小的土 粒呈片状或粉状。土粒的大小、形状、矿物成分以及大小 搭配情况对土的物理力学情况有明显影响。 1、粒组的划分
土颗粒的大小通常用粒径表示，工程上将各种不同的 土粒按其粒径范围划分为若干粒组。 表1.1根据界限粒径200mm、20mm、2mm、0.075mm、 0.005mm把土粒分为六大粒组：漂石（块石）、卵石（碎 石）、圆粒（角粒）、砂粒、粉粒和粘粒。
(2)弱结合水 弱结合水是指强结合水以外，电场作用范围以内 的的水。也受到颗粒表面电荷所吸引成定向排列于颗 粒四周，但是电场作用力随着与颗粒距离增大而减弱。 特性： 弱结合水可以从一个土粒的周围转移到另一个 土粒的周围，弱结合水可以发生变形，但不因为重力 作用而流动。弱结合水的存在是粘性土在某一含水量 范围内表现出可塑性的根本原因。 2 、自由水 自由水是指结合水膜之外的水，其性质和普通水 相同。可以分为毛细水和重力水两类。 水冻结
图1.10 含水量与干密度关系曲线
1、可以总结出如下的特性： (1)、峰值(ωop＝ ωp +2)； (2)、击实曲线位于理论饱和曲线左侧
(3)、击实曲线的形态 2、 影响击实效果的因素 (1)、含水量的影响 (2)、击实功能的影响 (3)、不同土类和级配的影响 3、压实特性在现场填土中的应用 为了便于工地压实质量的控制，可采用压实系数λ来表示,即
(1.11) (1.12) (1.12)
同样条件下，上述几种重度在数值上有如下关系，即
(1.13)
(4)土的孔隙比和孔隙率 土中孔隙体积与土粒体积之比称为孔隙比，用符 号e（小数）表示，用以评价天然土层的密实程度。
土力学 第一章
土 风：风积土
颗粒均匀，层厚而不具层理
地质成因与土类
风积土（黄土高原风成学说）
雅丹地貌（风蚀作用形成）
残积土
坡积土 洪积土 基岩
冲积土
土具有特殊的物理力学性质，三个特点 （1） 散体性 （2）多相性：固体颗粒、水和气体。
（1）自然变异性
第二节 土中固体颗粒
（一）粒组的划分和颗粒级配曲线
Cu>10级配良好。
级配不连续的土，还需要考虑曲率系数: 曲率系数：
d30（中值粒径）—小于该粒径的含量占总量的30%
该指标考虑了中间粒径的
影响； Cc 过大或过小，均表明缺 少中间粒径，级配变差； 1<Cc<3曲率变化平缓；
（4）土级配优劣的标准
a、级配良好土：曲线光滑连续，不存在平台段，坡度平缓 满足Cu>5及Cc=1-3两个条件
土的气相
粗颗粒：对土性质影响不大， 细颗粒：影响较大， 成分：二氧化碳和氮气较多，氧气较少。
第四节 黏土颗粒与水的相互作用
分类：根据黏土矿物的晶体结构，黏土矿 物主要分为蒙脱石、伊利石和高岭石。 比表面：单位体积的颗粒的总表面积。 特点:扁平颗粒，与水作用能力强。 黏土矿物比表面积越大，亲水性、膨胀性 和收缩性越强，
而与土粒分离。可以把结晶水当作矿物颗粒的一部分。
（2）结合水
结合水是由土颗粒表面电分子吸附在土粒表面的 一层水，分为强结合水和弱结合水两种。
强结合水
强结合水存在于最靠近土颗粒表面处，水分子和 水化离子排列的非常紧密，其密度大于1，并有过冷现
象（-78°C）。这种水牢固的结合在土粒表面，其性 质接近于固体，所以具有极大的粘滞性、弹性及抗剪 强度。
表1 土的矿物成分与粒组的关系
土力学
砂 粒
粗砂
中砂 细砂 粉粒 粘粒
0.5<d≤2
0.25<d≤0.5 0.075<d≤0.25 0.005<d≤0.075 d≤0.005
细粒
二、颗粒级配的测定
土 力 学
• 土的颗粒级配是指土中各粒组的相对百分含量，通常 用各粒组占土粒总质量（干土质量）的百分数表示， 也称为土的粒度成分。
• 粗粒土指以砾石和砂粒为主的土，又称为无粘性土。 • 细粒土指以粉粒、粘粒和胶粒为主的土，又称为粘性 土。 • 筛分法（适用于砾石类和砂类土，d>0.1mm） • 静水沉降分析法（适用于粉土和粘性土，d<0.1mm） （虹吸比重瓶法、移液管法、比重计法）
3
5
10
20
15
20
30
颗粒级配累积曲线（图解法）
土 力 学
• 横坐标采用对数坐标，表示土颗粒直径，单位mm；纵 坐标为小于某粒径土的累积含量，用百分比表示。 • 土的粗细常用平均粒径（mm）d50表示，d50指土中大 于或小于此粒径的土粒含量均占50。
•颗粒级配累积曲线
土 力 学
特征粒径
• D10——有效粒径（de）；d50—平均粒径； • d30 ——中值粒径； d60——限制粒径；。
土粒的大小通常以粒径表示，以mm为单位。 • 土粒按粒径大小分为若干组别，称为粒组。粒组就是 一定的粒径区段，以毫米表示。 粒组的划分的原则 1. 符合粒径变化所引起的质的变化规律，即每个粒组的 成分与性质无质的变化，具相同或相似的成分与性质； 2. 与粒组的分析技术条件相适应，即不同大小的土粒可 采用不同的适用方法进行分析； 3. 粒组界限值力求服从简单的数学规律。
土的结构－土粒间的相互作用
土力学--第1章 土的组成
土粒的级配－颗分曲线分析
• 土的粒径范围窄，分布曲线陡 ，d10和d60靠近， 土的不均匀系数小，表示土粒均匀 • Cu小 均匀 无细粒土填空 压密 度小 • 土的粒径范围宽，分布曲线缓， d10和d60相距 远，土的不均匀系数大，表示土粒不匀 • Cu大 不均匀 有细粒土填空 压密 度大
土粒的级配－颗分曲线分析
Cu 5
同时满足，级配良好
Cc 1 ~ 3
1.3 土中水和土中气 一、土中水
引力最大，离土粒最近，它是不 可移动的强结晶水，它的含量决定 了土的塑性
强结合水（吸着水）
结合水
指紧靠土粒表面的结合水膜
土 中 水
自由水
弱结合水（薄膜水） 毛细水
存在于地下水位以上，受到水与 空气交界面处表面引力作用的自由 水。 也称地下水，是存在地下水位以 下的透水层中的地下水，可以自由 运动，直接影响土的固结。
土是自然界的产物
土有哪些特点？
碎散性
三相体系
自然变异性
力学特性复杂
• 变形特性
• 强度特性 • 渗透特性
§1.1 土的形成
物理风化
• 岩石和土的粗颗粒受各种气 候等物理因素的影响产生胀
化学风化
缩而发生裂缝,或在运动过 程中因碰撞和摩擦而破碎
• 是颗粒大小发生量的变化 • 矿物成分与母岩相同，称原 生矿物
中砂
细砂 粉砂
粉土：粒径大于0.075mm的颗粒 含量小于总质量50% 而塑性指数Ip10的土
粘性土：塑性指数Ip>10的土
粉质粘土：10<Ip17的土 粘 土 ： Ip>17的土
《土的工程分类标准》
土粒粒组的划分
粒组统 称 粒组名称 漂石（块石）粒 巨 粒 卵石（碎石）粒 砾 粒 粗粒 砂 粒 60<d≤200 粒径d范围（mm） d>200 分析 方法 主 要 特 征
土力学第一章 土的组成
2.土粒的矿物成分 土粒的矿物成分
矿物成分取决于母岩的矿物成分和风化作用 原生矿物：由岩石经过物理风化形成， 原生矿物：由岩石经过物理风化形成，其矿物成分
与母岩相同 石英、云母、 例：石英、云母、长石等 特征：矿物成分的性质较稳定， 特征：矿物成分的性质较稳定，由其组成的土具 有无粘性、透水性较大、 有无粘性、透水性较大、压缩性较低的特点
土 力 学
华南农业大学水利与土木学院 黄金林
1
§1.1
• 一、土的固相
土的组成
土粒的大小、 土粒的大小、相关矿物成分以及大小搭配情况 对土的物理力学性质有明显影响 1.土的颗粒级配 土的颗粒级配 工程上将各种不同的土粒按其粒径范围，划分为 工程上将各种不同的土粒按其粒径范围， 若干粒组，为了表示土粒的大小及组成情况， 若干粒组，为了表示土粒的大小及组成情况，通 常以土中各个粒组的相对含量（ 常以土中各个粒组的相对含量（即各粒组占土粒 总量的百分数）来表示，称为土的颗粒级配 总量的百分数）来表示，
次生矿物：岩石经化学风化后所形成的新的矿物， 次生矿物：岩石经化学风化后所形成的新的矿物，
其成分与母岩不相同 粘土矿物有高岭石、伊利石、 例：粘土矿物有高岭石、伊利石、蒙脱石等
特征：性质较不稳定，具有较强的亲水性， 特征：性质较不稳定，具有较强的亲水性，遇水
易膨胀的特点
7
• 二、土中的水
土中水的含量明显地影响土的性质( 土中水的含量明显地影响土的性质(尤其是粘性 土)。土中水除了一部分以结晶水的形式吸附于固 体颗粒的晶格内部外， 体颗粒的晶格内部外，还存在结合水和自由水 1.结合水 结合水
C
u
曲率系数Cc描述颗粒级 配曲线整体形态，表明 配曲线整体形态， 某粒组是否缺失情况
土力学-第一章-土的三相组成2 土的物理状态 张丙印
三相草图 16
§1.3 土的物理状态–物理性质指标
智者乐水 仁者乐山
为了确定三相草图诸量中的三个量，通 常进行三个基本的物理性质试验：
土的密度试验 土粒比重试验 土的含水量试验
基本物理性质试验
17
§1.3 土的物理状态–物理性质指标
土的密度
• 定义：土单位体积的质量 • 表达式： m ms 山
结晶水 结合水 自由水
矿物内部的水 吸附在土颗粒表面的水 电场引力作用范围之外的水
土中冰 由自由水冻成，冻胀融沉 水蒸气 存在孔隙空气中
土中水
1
§1.2 土的三相组成–土中水
水分子的结构：
水分子的正负电荷总体是平衡的， 但在空间分布上却是不平衡的。 因此，水分子是极性分子
§1.3 土的物理状态–物理性质指标
智者乐水 仁者乐山
土粒比重Gs
• 定义：土粒的密度与4˚C时
纯蒸馏水密度的比值
ma=0 m mw
空气 水
Va
Vv Vw V
• 表达式：Gs
ms
Vs
(
4C w
)
s w4C
ms
固体
Vs
• 单 位: 无量纲
质量
体积
• 一般范围：黏性土 2.70~2.75， 砂土 2.65
智者乐水 仁者乐山 毛细水
hc
重力水
土中水 – 自由水
4
§1.2 土的三相组成–土中水
水黾
智者乐水 仁者乐山
收缩膜 内压 > 外压
生活在水面收缩膜 顶面和地面的昆虫
界面张力
界面张力
液体1
液体2
5
§1.2 土的三相组成–土中水
空气
土力学-第一章
土的结构类型
• 示意图
单粒结构—松
• 排列形式 • 矿物成分
点与点、点与面 原生矿物
单粒结构—密
粗 粒 土
30 岩土工程研究所
郭莹主讲
土力学
§1 土的物性及分类 §1.1土的三相组成和结构 1.1.4土的结构
土的结构类型
• 示意图
细 粒 土 • 形成环境
颗粒级配 颗粒级配曲线及指标的用途：
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： 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。
重力水
地下水位（浸润线）以下饱和土中； 在重力作用下可在土中自由流动。
（gravitation water）
自由水
（free water）
• 存在于固气之间
毛细水
• 在重力与表面张力作用下
可在土粒间孔隙中自由移动 （capillary water）
26 岩土工程研究所
郭莹主讲
土力学
§1 土的物性及分类 §1.1土的三相组成和结构 1.1.3土的液相
粒径(mm)
∵d60A = d60B= 0.28，d10A=0.15 d10B =0.02 ∴CuA=1.87 <CuB=14
16 岩土工程研究所
郭莹主讲
土力学》知识点总结
土力学》知识点总结第一章土的物理性质思考题1.土是如何形成的？与其他材料最大的区别是什么？答：土是地壳岩石经过强烈风化后形成的一种集合体，由各种矿物颗粒组成。
与其他材料不同的是，建筑材料的品种或型号可以由设计人员指定，而土则是以天然土层作为地基，因此设计人员必须以当地土壤作为设计对象。
由于土是自然历史的产物，其性质不均匀且复杂多变，应力-应变关系非线性且不唯一，变形在卸荷后一般不能完全恢复，强度也是变化的，对扰动特别敏感。
2.土由哪几部分组成？答：自然界的土体由固相（固体颗粒）、液相（土中水）和气相（土中气体）组成，通常称为三相分散体系。
3.什么是土粒的颗粒级配？如何从级配曲线的陡缓判断土的工程性质？答：土粒的颗粒级配是指天然土体中包含大小不同的颗粒，通常用土中各个粒组的相对含量来表示。
根据级配曲线的坡度和曲率，可以判断土的级配情况。
如果曲线平缓，表示土粒大小差异较大，即级配良好；如果曲线较陡，则表示颗粒粒径相差不大，粒径较均匀，即级配不良。
级配良好的土，较粗颗粒间的孔隙被较细的颗粒所填充，因此土的密实度较好。
4.什么是土的结构？土的结构有哪些类型？答：土的结构是指土在成土过程中形成的土粒的空间排列和联结形式，与土的颗粒大小、形状、矿物成分和沉积条件有关。
一般可归纳为单粒结构、蜂窝结构和絮状结构三种基本类型。
5.土的物理性质指标有哪些？哪些是直接测定的？如何测定？答：土的物理性质指标包括土的密度、土粒相对密度、土的含水量、土的干密度、土的饱和密度、土的有效密度、土的孔隙比和孔隙率等。
土的密度（通过环刀法测定）、土粒相对密度（通过比重瓶法测定）和土的含水量（通过烘干法测定）是直接测定的物理性质指标。
6.土的物理状态指标有哪些？答：对于无粘性土，土的物理状态指的是土的密实程度，对于粘性土则是指土的软硬程度，也称为粘性土的稠度。
描述砂土密实状态的指标有孔隙比和相对密度，描述粘性土的稠度状态的指标有液限、塑限、塑性指数和液性指数等。
土力学复习要点
第一章：土的物理性质指标与工程分类1-1土的形成：物理风化、化学风化。
1-2土的组成：原生矿物，次生矿物，粘土矿物；粒组，级配，颗分试验，级配曲线，不均匀系数，曲率系数，级配良好（或不良）；吸着水，自由水。
1-3土的结构：单粒结构，分散结构，絮状结构。
1-4 物理性质指标：3个直接指标，6个间接指标，定义，单位，相互换算（利用三相图法推导）。
注意：含水率的定义是水的质量与土粒质量之比（不是土总质量！！！）1-5 无粘性土的相对密实度，粘性土稠度，压实性：相对密实度D r概念和分类；三个界限含水率定义，测定方法；塑性指数、液性指数，根据液性指数对土状态进行划分；土的压实性概念，击实曲线（最大干密度，最优含水率），击实功，土类和级配影响，粗粒含量影响1-6 土的工程分类：粗粒土按照颗粒组成分类，粘性土按照塑性图分类。
第二章：土体应力计算土体应力划分：自重和附加应力，有效应力和孔隙水应力。
各自计算方法。
第三章：土的渗透性达西渗透定律公式，渗透系数单位，适用条件；渗透系数的测定（室内和现场），成层土的渗透系数，流网(水头满足Laplace方程)特征；渗流力概念；渗透变形形式（流土，管涌）；临界水力梯度概念，流土的临界水力梯度公式以及其和不均匀系数、细料含量、渗透系数的关系；有效应力原理；流网确定孔隙水压力。
第四章：土的压缩和固结压缩和固结概念，单向固结模型（应用了有效应力原理），单向固结试验（得到e-p或e-lgp 压缩曲线），压缩性指标（压缩系数，压缩指数，回弹再压缩指数，体积压缩系数，压缩模量，变形模量）及相互关系；前期固结应力，OCR概念；正常固结土，超固结土和欠固结土压缩性大小关系（图4-8）；单向压缩量计算公式；分层总和法的概念，计算步骤；e-p曲线和e-lgp曲线法计算地基最终沉降量的方法，及两种方法异同点；太沙基单向固结理论（注意要理解，固结系数和时间因数的公式，固结度的定义，平均固结度的定义）；总沉降的组成。
1.土力学基础-土的组成
表1 粒组的划分
1.1.2土中水(water in soil)
土中水可有不同的形态，如固态的冰、气态的水蒸汽、液态的 水，还有矿物颗粒晶格中的结晶水，这些都属于土中水。对 土的性质影响最大的是液态水，尤其是粘性土，它所含的液 态水对其性质影响最大。 液态水主要有结合水和自由水二种形式 1.结合水:解释结合水膜的概念 包括强结合水和弱结合水： 强结合水(strong bound water) (吸着水：absorbed water): 紧靠土粒表面，受到吸引力最大，约1000个大气压，厚度＜ 0.003μ m (1μ m=10-3mm)大约几个水分子层厚， 特性：显示固体的性质，极大的粘滞性、弹性和抗剪强度，不 传递静水压力。冰点很低，00C不冻结，1000C不蒸发，不能 溶解盐类； 粘土只含有强结合水时显示固体坚硬状态；砂土的强结合水含 量极少,仅含强结合水的砂土呈散粒状态；
2.天然含水量w (natural moisture content式： 常见值：砂土：0～40%；粘性土：(20～60)% 土体含水量愈大，则压缩性愈高，强度愈低。 测定方法： 烘箱烘干法（适合于粘性土、粉土、砂土） 取代表性试样15～20g放入铅盒，并用天平称重，然后放入烘箱内，控 制105℃-110℃，加温至恒重（使结合水蒸发），再称干土重。 （湿土＋盒重）－（干土＋盒重）＝水重（mw） （干土＋盒重）－ 盒重 ＝干土重（ms） .酒精燃烧法（工地上没有烘箱，而又急于了解土的含水量时，用此 法） 试样入盒称重，而后倒入酒精，点燃，几分钟后熄灭，用针 将试样调拌均匀，重复3次，可认为土中水全部挥发，求 解mw , ms 及w .铁锅炒干法，适用于卵石或砂夹卵石，取代表发试样3～5kg，称重 后倒入铁锅中干炒，直到不冒气为止，再称重，计算mW , ms 及 w，原理直观。
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冰积土
由冰川或冰水挟带搬运 形成的沉积物，颗粒粗 细变化大，土质不均匀 由风力搬 运形成的 风积土 土，颗粒 磨圆度好、 分选性好。 由河流流水搬运到海洋 西北黄土 环境下沉积下来的土
成因 类型
冲积土
湖积土
5/37
海积土
在湖泊及沼泽等极为缓慢水流或静水条 件下沉积下来的土，或称淤积土，含大 量细微颗粒、有机物，成为具有特殊性 质的淤泥或淤泥质土
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1.2.2
土粒的矿物成分
土力学
2.土粒矿物成分与粒组的关系
粒径大于0.075mm的各粒组，均由原生矿物所构成，其中漂石粒、 卵石粒、砾粒，其粒径往往大于矿物颗粒，多数是由母岩碎屑构成， 一般具有的多矿物结构。 砂粒与原生矿物颗粒大小近似，往往是由单矿物组成，以石英最为 常见。 粉粒组由原生矿物与次生矿物混合组成，其中以石英为主，其次为 高岭石及难溶盐。 粘粒组主要由不可溶性次生矿物与腐植质组成，有时也含难溶盐， 其中粘土矿物是最常见的矿物。
划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。 粒组界限值力求服从简单的数学规律。 200、60、2、0.075、0.005
0.005 0.075 2 60
(mm)
200
粘粒
粉粒
砂粒
砾粒
碎石
块石
细粒
粗粒
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巨粒
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1.2.1
土粒的粒度成分
土力学
1.土粒粒度与粒组
表1-1 土粒粒组的划分
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1.3
土中水和土中气
土力学
1.3.1土中水 矿物成分水 矿物颗粒的一部分
强结合水
土中的水 孔隙水 毛细水 自由水 结合水 弱结合水
重力水
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1.3
土中水和土中气
土力学
1.3.2土中气
土中气体存在于土孔隙中未被水占据的部分，分为 与大气连通的非封闭气体和与大气不连通的封闭气 体 1.非封闭气体：受外荷作用时被挤出土体外，对土的
1.2
1.3
1.4
1.5
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1.4
粘土颗粒与水的相互作用
土力学
1.4.1粘土矿物的结晶结构和亲水性
粘土矿物是主要的次生矿物，是组成粘粒的主要矿物成分。
粘土矿物的结晶格架由铝氧八面体和硅氧四面体两个基本单位组成。
硅氧四面体是硅片的基本单元，其化学式为[SiO4] 铝—氧八面体是铝片的基本单元，其化学式为[Al2(OH)6 ]
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1.4
粘土颗粒与水的相互作用
土力学
1.4.1粘土矿物的结晶结构和亲水性
粘土矿物中分布较广且对土性质影响较大的是蒙脱石、高岭石和伊利石(或水 云母)三种。
高岭石晶层之间连结牢固，水不能自由渗入，故其亲水性差，可塑性低，胀缩性弱； 蒙脱石则反之，晶胞之间连结微弱，活动自由，亲水性强，胀缩性亦强； 伊利石（水云母）的性质介于二者之间。
强结合水：紧靠于颗粒表面、所受电场的作用力很大、几 乎完全固定排列、丧失液体的特性而接近于固体 弱结合水：紧靠强结合水的外围形成的结合水膜，所受的 电场作用力随着与颗粒距离增大而减弱
自由水
存在于土粒电场影响范围以外，性质和普通水无异，能传 递水压力，冰点为0℃，有溶解能力
以两种形式存在：毛细水、重力水
2.粒度成分分析试验
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（是指土样各 粒组的质量占土粒总质量的百分数）表示，称为土的粒度成分或颗粒级配
筛分法 试验方法
适用于0.075mm≤d≤60mm
沉降分析法 适用于d＜0.075mm
（虹吸比重瓶法、移液管法、比重计法）
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粗粒 砂 粒
筛 分 法
透水性大，压缩性小，无粘性；毛细 水上升高度不超过粒径大小
细粒 粘粒
静水 沉降 原理
透水性小，压缩性中等，微粘性；毛 细水上升高度较大较快，易冻胀
透水性极弱，压缩性变化大，具粘性 和可塑性；毛细水上升高度大，但慢
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1.2.1
土粒的粒度成分
土力学
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1.1
概述
残积土
土力学
指岩石经风化后未被搬运而残留于 原地的碎屑堆积物。颗粒表面粗糙、 多棱角、无分选、无层理
残积土受重力和暂时性流水的作用， 搬运到山坡或坡脚处沉积起来的土， 坡积颗粒随斜坡自上而下呈现由粗到 细的分选性和局部层理
坡积土
残积土和 坡积土受 洪水冲刷、 搬运，在 山沟出口 洪积土 处或山前 平原沉积 的土。分 选性、磨 圆度。
1.2.1
土粒的粒度成分
土力学
3.粒度成分分布曲线
粒径累计曲线 纵坐标表示小于某粒径的土粒含量百分比,
横坐标表示土粒的粒径(对数坐标）
d10 0.14, d 30 0.39 d 60 0.84 Cu d 60 0.84 6. 0 d10 0.14
2
d 30 Cc 1.29 d10 d 60
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河流的流水作用搬运到河谷坡降平缓 的地带沉积下来的土，这类土经过长 距离的搬运，颗粒有较好的分选性和 磨圆度，常有层理
1.1
概述
土力学
土的三个特点及三相体系
特点：
散体性 多相性 自然变异性
颗粒之间无粘粒或一定的粘结，存在大量孔 隙，可以透水透气
土
土是由固体颗粒、水和气体组成的三相体系， 相系之间质和量的变化直接影响工程性质
1.3
1.4
1.5
3/37
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1.1
概述
土力学
大小、 形状和 成分都 不相同 的松散 颗粒集 合体 土
由于温度变化、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
量 物理风化
岩石
搬运沉积
化学风化 量质
水解、水化、氧化、 溶解、碳酸化等
岩体与空气、水和各种水溶液相互作用使岩 石成分发生变化，形成粘粒和可溶盐的过程
Cu愈大，表示土粒愈不均 匀。工程上把Cu＜5的土视 为级配不良的土； Cu＞10 的土视为级配良好的土
16/37
对于砾类土或砂类土，同时满 足Cu≥5和Cc=1～3时，定名为 良好级配砂或良好级配砾
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1.2.1
土粒的粒度成分
粒度分析成果表
粒组（mm）百分含量
2-0.5 10 <2 100 0.5-0.25 30 <0.5 90 0.25-0.075 30 <0.25 60 0.075-0.005 20 <0.075 30
1.2.1
土粒的粒度成分
土力学
2.粒度成分分析试验 筛分法
用一套孔径不同的筛子， 按从上至下筛孔逐渐减 小放置（如20、2、 0.5、0.25、0.1、 0.075mm）。将事
先称过质量的烘干土样
过筛，称出留在各筛上 的土质量，即可求得各 个粒组的相对含量。通
过计算可得到小于某一
筛孔直径土粒的累积重 量及累计百分含量。
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1.2.2
土粒的矿物成分
土力学
1.土粒矿物组成 有机质（了解）
由微生物分解动植物残骸形成，分为未分解的动植物残体、有机残余 物（泥炭）和腐殖质。 腐殖质含量在1.5%～2%以上称为淤泥类土，压缩性极高，强度很低。 有机质含量〉5%的土称为有机质土。
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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
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第1章 土的组成
1.1
土力学
概述 土中固体颗粒 土中水和土中气 粘土颗粒与水的相互作用 土的结构和构造
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1.2.1
土粒的粒度成分
土力学
颗粒级配的描述
工程上常用不均匀系 数Cu描述颗粒级配的 不均匀程度
Cu d 60 d10
曲率系数Cc描述颗粒级 配曲线整体形态，表明 某粒组是否缺失情况
2 d 30 Cc d10 d 60
d10、d30、d60小于某粒径的 土粒含量为10%、 30%和 60%时所对应的粒径
原生矿物
化学 风化
可溶性 次生矿物 成分改变 不可溶性 次生矿物
次生矿物是原生矿物在一定气候条件下经化学风化作用，使其进一步分 解而形成一些颗粒更细小的新矿物。 可溶性次生矿物又叫水溶盐，常见的有石盐、石膏等。 不可溶性次生矿物又有次生二氧化硅、倍伴氧化物和粘土矿物（高岭石、 蒙脱石、伊利石（水云母））。
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1.2.1
土粒的粒度成分
土力学
2.粒度成分分析试验 静水沉降分析原理：斯托克斯（Stokes）定律
s w 2 v gd 18
式中： v—土粒的沉降速度，cm/s； ρs—土粒密度，g/cm3； η—水的动力粘滞系数，10-3Pa∙s；
（1-1）
d—土粒直径，mm；（等效直径） ρw—水的比重，g/cm3 ； g—重力加速度，981cm/s2
“等效直径”是指土粒沉降速度与某一粒径的球形颗粒的沉降速度相等，那么这 球形颗粒的直径即为该土粒的直径。
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1.2.1