土的物理性质及分类

小于某粒径之土质量百分数（％） 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
土的粒径级配累积曲线
Cc = d302 / (d60 ×d10 )
— 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)
C c = 1 ~ 3, 级配连续性好
曲线 d60 d10 d30 Cu Cc
§1 土的物性
§1.1 土的形成
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
风化 搬运、沉积
土
地球
地球
§1 土的物性 一. 风化
物理风化
§1.1土的形成
岩石和土的粗颗粒受各种气候因素的 影响产生胀缩而发生裂缝,或在运动 母岩表面和碎散的颗粒受环境因素的 过程中因碰撞和摩擦而破碎 作用而改变其矿物的化学成分，形成 新的矿物 量变 无粘性土 原生矿物 质变
重力，毛细力 点与点、点与面 原生矿物
§1 土的物性
三.细粒土的结构
§1.3 土的结构
• 示意图 片堆结构 (分散结构) • 形成环境 • 粒间作用力 • 排列形式 片架结构 (凝聚结构) 海水中沉积
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
• 矿物成分
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
§1 土的物性 小结
§1.3 土的结构
土的结构
土粒间的作用力
粗粒土的结构
土颗粒或粒团的 空间排列和相互联结
细粒土的结构
粘性土的结构性指标
§1 土的物理性质
§1.4 土的物理指标
§1.4 土的物理指标
土的物理性质指标
2πrTcosα+ucπr2 = 0 • 假定α= 0, 毛细压力
uc hc
• 非饱和土中毛细张力影响
分析对象: 水膜
对砂土强度的影响:毛细边 角水, 假凝聚力
§1 土的物性
§1.2土的三相组成
三. 土中气体
自由气体：与大气连通，对土的性质影响不大 封闭气体：增加土的弹性；阻塞渗流通道
§1 土的物性
§1.3 土的结构
重塑土的强度
<
原状土的强度
土粒间的作用力 粗粒土的结构
土的结构
影 响
力学特性
细粒土的结构
粘性土的结构性指标
土颗粒或粒团的 空间排列和相互联结
§1 土的物性
§1.3 土的结构
一. 土粒间的作用力
重 力 ——土颗粒的自重形成的方向向下的力 —— 砂土 —— 细砂、粉土

qu qu
相同含水量、密度


St 1 1-2 2-4 4-8 816 >16
粘性土 不灵敏 低灵敏 中等灵敏 灵敏 很灵敏 流动
§1 土的物性
§1.3 土的结构
2. 粘性土的触变性
•含水量不变，密度不变，因重塑而强度 降低，又因静置而逐渐强化，强度逐渐 恢复的现象，称为触变性。 •土的触变性是土结构中联结形态发生变 化引起的，是土结构随时间变化的宏观 表现。 •目前尚没有合理的描述土触变性的方法 和指标。
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
§1 土的物性
§1.1土的形成 2. 搬运与沉积
运积土
有搬运
重力: 坡积土 土粒粗细不同，性质不均匀 洪积土 有分选性，近粗远细 冲积土 浑圆度分选性明显，土层交迭 流水: 湖泊沼泽沉积土 含有机物淤泥，土性差 海相沉积物 颗粒细，表层松软，土性差 冰川: 冰积土 土粒粗细变化较大，性质不均匀 风：风积土
§1 土的物性
§1.1土的形成
• 现今常见的土绝大多数生成的地质年代为 第四纪（符号为Q），约百年万年历史，见 表1-1所示。 • 通常把Q3及其以前时期堆积的土层称为老 堆积土； • 把Q4时期内文化期（有人类文化的时期） 以前堆积的称为一般堆积土； • 把文化期以后堆积的称为新近堆积土。
§1 土的物性
卵石 d
60
砾石
粗 中
20 5
砂粒
细 粗 中 细
粉粒 粘粒 胶粒
mm 0.005 0.002
2
0.5 0.25
§1 土的物性
§1.2土的三相组成 一. 固体颗粒
粒径级配
——各粒组的相对含量，用质量百分数来表示 •确定方法 筛分法：适用于粗粒土 (>0.075 mm) 水分法：适用于细粒土 (<0.075 mm) •表述方法
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
d60 d50 d30
d10
§1 土的物性
斜率: 某粒径范围内颗粒的含量 陡—相应粒组质量集中 缓--相应粒组含量少 平台--相应粒组缺乏
连续程度:
§1.2土的三相组成 一. 固体颗粒
§1.1土的形成
表1-1 第四纪地质年代
纪（系） 世（统） 距今年代
全新世（统）Qh或Q4
2.5万年
晚更新世（上更新统）Q3 第四纪（系）Q 更新世（统）QP 中更新世（中更新统）Q2
15万年
50万年
早更新世（中更新统）Q1
100万年
§1 土的物性 二. 搬运与沉积
§1.1土的形成
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
矿物成分
颗粒形状
物理状态 力学特性
§1 土的物性
1. 粒径级配
§1.2土的三相组成 一. 固体颗粒
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
§1 土的物性 颗粒大小
•粒组
§1.2土的三相组成 一. 固体颗粒
按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类
•界限粒径
0.075 粗粒土 细粒土
化学风化
生物风化
次生矿物 有 机 质
粘性土
动植物的活动
§1 土的物性
§1.1土的形成
• 岩石和土的性质与其生成的地质年代有 关， • 一般生成年代越久，则上覆土层越厚， 土被压得越密实，土粒间联结越强，土 的强度越高，土的压缩性越小，土质好。 • 新近堆积的土，土层薄，土质松软，土 的强度低，土的压缩性大，土质差。
第一章 土的物理性质
对土的特点进行详细解释和定量描述
本章特点: 看起来零散 学习要点: 理清 各节间联系 各节内层次
§1 土的物理性质
土的形成 影 响 土的三相组成 土的物理状态 土的结构 土的工程分类 决定
渗透特性 变形特性 强度特性
土的压实性
§1 土的物理性质
§1.1 土的形成 ? §1.2土的三相组成 ? § 1.3土的土的结构 ? §1.4土的物理性质指标 和物理状态指标
蒙脱石
小 800m2/g 大 小 小 大
§1 土的物性
§1.2土的三相组成 一. 固体颗粒
粘土矿物的带电性质
研究表明：
粘土颗粒的表面电荷，净电荷通常为负电荷
§1 土的物性
3. 颗粒形状
§1.2土的三相组成 一. 固体颗粒
•原生矿物 圆状、浑圆状、棱角状
•次生矿物 针状、片状、扁平状
§1 土的物性
硅片的结构
§1 土的物性
§1.2土的三相组成 一. 固体颗粒
铝片的结构
§1 土的物性
§1.2土的三相组成 一. 固体颗粒
粘土矿物的 晶格构造
大 中 粒 径 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
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 积 高岭石 伊利石 个足球场一样大
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
§1 土的物性
小于某粒径之土质量百分数（％）
§1.2土的三相组成 一. 固体颗粒
特征粒径: d50 : 平均粒径 d60 : 控制粒径 d10 : 有效粒径
如果 Cu < 5 或 Cc > 3 或 Cc < 1, 级配 不良的土
§1 土的物性
2. 矿物成分
§1.2土的三相组成 一. 固体颗粒
原生矿物 石英、长石、云母等 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
粘土矿物:
由硅片和铝片构成的晶包所组合而成
§1 土的物性
§1.2土的三相组成 一. 固体颗粒
颗粒均匀，层厚而不具层理
§1 土的物理性质
? ?
§1.1 土的形成 §1.2土的三相组成 §1.3土的物理状态 §1.4土的工程分类
§1 土的物性
§1.2 土的三相组成
土体
固相 + 液相 + 气相
构成土骨架，起决定作用
重要影响
次要作用
§1 土的物性
§1.2土的三相组成
一. 固体颗粒
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
Cu ≥5,级配不均匀
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
§1.2土的三相组成 二. 土中水
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
§1 土的物性
§1.2土的三相组成 二. 土中水
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
§1 土的物性
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。
§1 土的物性
§1.3 土的结构
四. 反映粘性土结构性的指标 1. 粘性土的灵敏度— St
原状土 粉碎 重塑 重塑土 结构 性 相同含水量 密度 强度降低
qu St qu

3 0
原状土的无侧限抗压强度 = 重塑土的无侧限抗压强度
§1.2土的三相组成
二. 土中水（液相）
结晶水 矿物内部的水
结合水
自由水 土中冰
吸附在土颗粒表面的水
电场引力作用范围之外的水 由自由水冻成，冻胀融陷
§1 土的物性 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 具有固体的的特性 温度高于100°C时可蒸发 弱结合水 • • •
粒径级配累积曲线
§1 土的物性
小于某粒径之土质量百分数P（％）
§1.2土的三相组成 一. 固体颗粒
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
土的粒径级配累积曲线
200g
10 5.0 2.0 1.0 0.5 0.25 0.1
10 16 18 24 22 38 72 水分法
P % 95 87 78 66 55 36
毛细水
§1.2土的三相组成 二. 土中水
分布在土粒内部相互贯通 的孔隙可以看成许多形状 不一、直径互异、彼此连 通的毛细管
分析对象: 水柱
πr2hcγw=2πrTcosα
• 上升高度:
2T cos hc r
毛细升高与孔径成反比
土中毛细现象
粘土 粉土 砂土 砾石
§1 土的物性
毛细压力
§1.2土的三相组成 二. 土中水
§1土有三个组成部分：固相、液相和气相
1. 固体颗粒
粒径级配 矿物成分 颗粒形状 结合水 (强结合水、弱结合水) 自由水 (重力水、毛细水) 自由气体 封闭气体
2. 土中水
3. 土中气体
§1 土的物理性质
? ?
§1.1 土的形成 §1.2土的三相组成 §1.3土的结构 §1.4土的物理性质指标 和物理状态指标
毛细力 —— 土中毛细作用形成的力 —— 粘土
胶结力 —— 土粒间的胶体物质产成的作用力 —— 粘土
颗粒表面力
—— 库 仑 力： —— 范德华力：
颗粒表面的静电引力或斥力 颗粒接触点处的分子间引力
§1 土的物性
二.粗粒土的结构
§1.3 土的结构
• 示意图
单粒结构
• 粒间作用 力 • 排列形式 • 矿物成分
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
1.0 0.5
d60
10 5.0
d30
d10
§1 土的物性
§1.2土的三相组成 一. 固体颗粒
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： 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；