土力学第二章概要

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1、河海大学 岩土工程研究所 Research Institute of Geotechnical Engineering, Hohai University 第一章 土的物理性质 指标与工程分类 本章内容 1-1 土的形成 1-3 土的结构 1-4 土的物理性质指标 1-2 土的组成 1-5 无粘性土的相对密实度、粘性土的稠度 及土的压实性 1-6 土的工程分类 1-1 土的形成 土是松散颗粒的堆积物，是岩石风化的产物。 根据来源分：有机土和无机土 岩石风化分为物理风化和化学风化。 土是指覆盖在地表的没有胶结或弱胶结的颗粒堆积物。 物理风化：岩石经受风、霜、雨、雪的侵蚀，或 受波浪的冲击、地震等

2、引起各种力的作用，温度 的变化、冻胀等因素使整体岩石产生裂隙、崩解 碎裂成岩块、岩屑的过程。 物理风化只改变颗粒的大小和形状，不改变 岩石的矿物成分。 1-1 土的形成 化学风化：岩体（或岩块、岩屑）与氧气、二氧 化碳等各种气体、水和各种水溶液等物质相接触 ，经氧化、碳化和水化作用，使这些岩石或岩屑 逐渐产生化学变化，分解为极细颗粒的过程。 1-1 土的形成 化学风化不但改变了颗粒的大小和形状，也 改变了岩石的矿物成分。 特征： F物理风化：量变过程，形成的土颗粒较粗； F化学风化：质变过程，形成的土颗粒很细。 对一般的土而言，通常既经历过物理风化，又经历 化学风化，只不过哪种占优而已。 1-

3、1 土的形成 土从其堆积或沉积的条件来看可分为： 残积土：岩石风化后仍留在原地未经搬运的堆积物。 特点：湿热地带，粘土，深厚，松软，易变； 寒冷地带，岩块或砂，物理风化，稳定； 颗粒多为角粒且母岩的种类对其性质有显著影响。 1-1 土的形成 运积土：岩石风化后经流水、风和冰川以及人类活动等搬运离开 生成地点后再沉积下来的堆积物。 由于搬运动力的不同，又分为冲积土、风积土、冰碛土和沼 泽土等。 1-1 土的形成 冲积土：降雨形成的地表径流流经地表时，冲刷、带动或搬 运土粒，经过一定距离后在较平缓地带沉积下来的土层。 风积土：由风力带动土粒经过一段搬运距离后沉积下来的堆 积物。 冲积土的特点：有一

4、定程度的颗粒分选和不均匀性。 风积土的特点：颗粒沿风向有一定程度的颗粒分选，没有明 显的层理，颗粒以带角的细砂粒和粉粒为主，同一地区颗粒 较均匀。 1-1 土的形成 冰川沉积土：由冰川剥落、搬运形成的堆积物。 冰碛土：几乎未经流水搬运直接从冰层中搁置下来的土。 冰碛土的特点：不成层；颗粒粒径的变化范围很大，从漂石到 粘粒；粗颗粒的形状是次圆或次棱角的，有时还有磨光面。 冰水冲积土：由冰川融化水搬运、堆积在冰层外围的冲积土。 冰水冲积土的特点：与河流冲积土具有类似的性质，常由砾石 、砂和粉砂组成。 1-1 土的形成 沼泽土：在沼泽地的沉积物。 腐植土：植物充分腐化的土。 泥炭土：未完全腐化还保留

5、有植物残余物的土。 泥炭土的特点：通常呈海绵状，干密度很小，含水率极高，土 质十分疏松，压缩性高、强度低、灵敏度高。 1-1 土的形成 1-2 土的组成 土是固体颗粒、水和空气的混合物，常称土为三相系。 固相：土的颗粒、粒间胶结物； 液相：土体孔隙中的水； 气相：孔隙中的空气。 当土骨架的孔隙全部被水占满时，这种土称为饱和土； 当土骨架的孔隙仅含空气时，就成为干土； 一般在地下水位以上地面以下一定深度内的土的孔隙中兼 含空气和水，此时的土体属三相系，称为湿土。 根据土的粘性分：粘性土：颗粒很细； 无粘性土：颗粒较粗，甚至很大。砂、 碎石、甚至堆石（直径几十 cm甚至1m） 1-2 土的组成 一

6、、土的固相 （一）成土矿物 原生矿物：常见的有石英、长石、云母等；由物理风化生 成的土粒通常由一种或几种原生矿物组成，颗粒较粗，一 般为无粘性土；圆形、板状、块状；吸附水的能力弱，性 质比较稳定，无塑性。 次生矿物：由原生矿物经化学风化作用而形成的矿物。次 生矿物主要是粘土矿物，常见的粘土矿物有高岭石、伊利 石和蒙脱石；由次生矿物构成的土粒极细，多呈片状或针 状；性质不稳定，有较强的吸附水的能力，含水率的变化 易引起体积胀缩，有塑性。 1-2 土的组成 粘土矿物的基本结构单元：硅氧四面体、铝氢氧八面体。 （二）粘土矿物的晶体结构 粘土矿物：由各种硅酸盐矿物分解形成的水铝硅酸盐矿物 。 其结构可

7、分为晶体和非晶体，以晶体矿物为主。 晶体：指原子、离子在空间有规律的排列，不同的几何排 列形式称为晶体结构，组成晶体的最小单元称为晶胞。 一、土的固相 1-2 土的组成 同像置换（同型替代）：矿物形成过程中，硅氧四面体 或铝氢氧八面体中心的硅、铝原子被其它原子如铁、镁 等置换，其结构形式不变，但其物理化学性质将发生变 化，形成不同的矿物。 （二）粘土矿物的晶体结构 硅片：基本单元是硅氧四面体，底面每个氧离子为2个 相邻单元的硅原子共有组成六边形孔硅片。 铝片：铝（镁）氢氧（氧）八面体，每个氢氧离子为2 个相邻单元的铝原子共有组成铝片。 一、土的固相 1-2 土的组成 高岭石：长石风化产物，1:

8、1型晶格，一个硅片一个铝 片一个晶层，晶层靠氢键连接，一个颗粒多达近百个晶 层。 （二）粘土矿物的晶体结构 一、土的固相 1-2 土的组成 伊利石：云母在碱性介质中风化产物， 2:1型晶格，二个硅片 一个铝片一个晶层，晶层靠钾离子连接，比较稳定，但不如氢 键； （二）粘土矿物的晶体结构 一、土的固相 1-2 土的组成 蒙脱石：伊利石进一步风化， 2:1型晶格，二个硅片一个 铝片一个晶层，晶层没有钾离子连接，连接弱。水分子和 水化阳离子极易进入层间。 （二）粘土矿物的晶体结构 一、土的固相 1-2 土的组成 土的级配：土中各种大小的粒组中土粒的相对含量。 （三）土粒的大小和土的级配 某粒组的土粒

9、含量：该粒组的土粒质量与干土总质量之比。 粒组：把工程性质相近的一定尺寸范围的土粒合并为一组。 一、土的固相 1-2 土的组成 测定土中各粒组颗粒质量所占该土总质量的百分数， 确定粒径分布范围的试验称为土的颗粒大小分析试验。 （四）颗粒大小分析试验 常用的方法：筛分法：粒径0.075mm 密度计法：粒径0.075mm，又有粒径 0.075mm 一、土的固相 1-2 土的组成 1.筛分法 利用一套孔径由大到小的筛子，将按规定方法取得的 一定质量的干试样放入一次叠好的筛中，置振筛机上充分 振摇后，称出留在各级筛上的土粒的质量，按下式计算出 小于某土粒粒径的土粒含量百分数X（）。 （四）颗粒大小分析

10、试验 式中：mi，m分别为小于某粒径的土粒质量及试样总质 量。 一、土的固相 1-2 土的组成 2.密度计法 通过密度计测定土水悬浊液的密度来确定。 利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同来确 定小于某粒径的土粒含量的方法。 （四）颗粒大小分析试验 名义粒径：筛分法中以筛孔径代表；密度计法中以与 实际土颗粒在水中沉降速率相同的同样物质的球的直 径代表。 一、土的固相 1-2 土的组成 3.土的级配曲线 （四）颗粒大小分析试验 （1）粒径分布曲线 （2）粒组频率曲线 一、土的固相 1-2 土的组成 （四）颗粒分析试验曲线的主要用途 （2）某些特征粒径，用于建筑材料的选择和评价土级配的 好坏。 按

11、粒径分布曲线可求得： （1）土中各粒组的土粒含量，用于粗粒土的分类和大致评 估土的工程性质； 一、土的固相 1-2 土的组成 根据某些特征粒径，可得到两个有用的指标，即不均匀 系数Cu和曲率系数Cc，它们的定义为： （四）颗粒分析试验曲线的主要用途 式中：d10，d30和d60为粒径分布曲线上小于某粒径的土粒含 量分别为10，30和60时所对应的粒径。d10称为有效 粒径；d60称为限制粒径。 一、土的固相 1-2 土的组成 土的级配的好坏可由土中的土粒均匀程度和粒径分布 曲线的形状来决定，而土粒的均匀程度和曲线的形状又可 分别用不均匀系数和曲率系数来衡量。 （四）颗粒分析试验曲线的主要用途

12、Cu小，曲线陡；Cu大，曲线缓。 Cc过大，台阶在d10d30间； Cc过小，台阶在d30d60间。 一、土的固相 1-2 土的组成 土的分类标准（GBJ14590）：纯净砾、砂， Cu5，且Cc=13时，级配良好，否则，不良。 （四）颗粒分析试验曲线的主要用途 土的级配的连续性也可用粒组频率曲线来反映。 若粒组频率曲线呈单峰则土的级配连续的；若粒组频 率曲线呈双峰，且谷点对应的粒组含量3时，是 连续的，否则是不连续的。 一、土的固相 1-2 土的组成 （四）颗粒分析试验曲线的主要用途 一、土的固相 1-2 土的组成 大多数粘粒表面带有净的负电荷，是因为： 二、土的液相 1.低价原子替代了四面

13、体中小的硅原子和八面体中的铝原 子； 2.颗粒结构连续性的破坏，在颗粒边缘引起断键，通常这 些断键产生净负电荷，但在PH7的酸性介质中，边缘上 也常有正电荷的局部集中； 3.在颗粒表面或边缘上暴露的氢氧离子中氢离子被离解。 1-2 土的组成 二、土的液相 1-2 土的组成 吸着水：由土颗粒表面电分子力吸附在土粒表面的一层水。 （一）吸着水 吸着水可分为强吸着水和弱吸着水。 二、土的液相 1-2 土的组成 强吸着水性质接近于固体，冰点很低（78），沸点 较高（150），且不能传递压力。 （一）吸着水 弱吸着水也称为薄膜水，不能传递压力，也不能在孔隙 水中自由流动，但它可以因电场引力的作用从水膜厚

14、的 地方向水膜薄的地方转移。由于它的存在，使土具有塑 性、粘性、影响土的压缩性和强度，并使土的透水性变 小。 二、土的液相 1-2 土的组成 吸着水厚度影响因素： （一）吸着水 1.成土矿物； 在三种粘土矿物中，由蒙脱石组成的颗粒尽管它单位 质量的负电荷最多。但它的比表面(颗粒的表面积与其质 量或体积之比)比其他矿物颗粒大得多。因而，单位表面 积上的负电荷反而少，以致吸着水层厚度最薄。高岭石正 相反，吸着水层最厚。伊利石则介于两者之间。但这并不 意味着蒙脱石吸附水的能力最弱。正出于它有很大的比表 面，在其他条件都相同的情况下，它的吸着水的体积却是 最大的。 二、土的液相 1-2 土的组成 吸着

15、水厚度影响因素： （一）吸着水 2.水中阳离子的浓度和化学性质； 水中阳离子的离子价愈低，为平衡土粒表面负电荷所 需的阳离子就愈多(如所需的阳离子Na就要比Ca2多两倍 )，而且低价阳离子的水化程度一般也较强，因此吸着水 层的厚度就愈厚。阳离子浓度愈高，则靠近土粒表面的阳 离子也愈多，吸着水层厚度也愈薄，因为较薄吸着水层中 的阳离子就足以平衡上粒表面的负电荷。 二、土的液相 1-2 土的组成 吸着水对土的工程性质的影响： （一）吸着水 对于细粒土，当粘粒含量很高，特别是当粘粒由粘土 矿物组成时，由于它们多呈片状，比表面很大，吸着水往 往占有很大的孔隙体积，故细粒土的性质将受吸着水的重 大影响。 对于粗粒土，由于颗粒在三个方向的尺寸属同一数量 级，比表面较小，因此，在孔隙水的体积中吸着水的体积 可忽略不计。故粗粒土的性质主要取决于土粒的形状、级 配和排列。 二、土的液相 1-2 土的组成 自由水：离开土颗粒表面较远，不受土颗粒电分子引力作 用，且可自由移动的水。 （二）自由水 自由水的特点：性质和普通水一样，能传递静水压力，冰 点为0，有溶解能力。 自由水的分类：毛细管水（毛管水）和重力水。 二、土的液相 1-2 土的组成 1.毛细管水 （二）自由水