土力学第一章土的组成

1、1土 力 学华南农业大学水利与土木学院黄金林21 1 概述概述 土是由颗粒土是由颗粒(固相固相) 、水、水(液相液相) 和气和气(气相气相) 组成的三相体系。组成的三相体系。 固相指土的颗粒，简称土粒。它构成土固相指土的颗粒，简称土粒。它构成土的骨架，称为土骨架。的骨架，称为土骨架。 土粒大小是影响土的性质最主要的因素。土粒大小是影响土的性质最主要的因素。土粒大小含量的相对数量关系是土的分土粒大小含量的相对数量关系是土的分类依据。类依据。3土是由固相土是由固相、液相液相、气相组成的气相组成的三相分散系。三相分散系。 固相固相包括多种矿物成分组成包括多种矿物成分组成土的骨架，骨架间的空隙为液相土

2、的骨架，骨架间的空隙为液相和气相填满，这些空隙是相互连和气相填满，这些空隙是相互连通的，形成多孔介质；通的，形成多孔介质； 液相液相主要是水主要是水(溶解有少量的溶解有少量的可溶盐类可溶盐类)； 气相气相主要是空气、水蒸气，主要是空气、水蒸气，有时还有沼气等。有时还有沼气等。4土体三相比例不同，土的状态和工程性质也随之各异，例如： 固体+气体（液体=0）为干土干土，此时粘土粘土呈坚硬状态， 砂土呈松散状态； 固体+液体+气体为湿土湿土，此时粘土粘土多为可塑状态； 固体+液体（气体=0）为饱和土饱和土，此时粉细砂或粉土遇强烈地震，可能产生液化，而使工程遭受破坏；粘土粘土地基受建筑物荷载作用发生沉

3、降需几十年才能稳定。52 2 土中固体颗粒土中固体颗粒 土粒土粒1 土粒的粒度成分土粒的粒度成分淤泥质土，腐质土）物参与的风化。淤泥、有机矿物颗粒（由微生高岭石伊利石蒙脱石粘土矿物土矿物）化后的产物，主要有粘次生矿物（原生矿物风）如石英、长石、云母等原生矿物（造岩矿物，无机矿物颗粒氧化物胶体(Al2O3、Fe2O3）和盐类（CaCO3、CaSO4、NaCl等）6原生矿物原生矿物由岩石经物理风化生成的，颗粒成分与母岩的相同，常见的有石英、长石和云母 颗粒较粗，多呈浑圆形状，吸附水的能力弱，无塑性。次生矿物次生矿物 由原生矿物经化学风化生成的新矿物它的成分成分与母岩的完全不同，有高岭石、伊利石和蒙

4、脱石粘土矿物颗粒极细，且多呈片状， 性质活泼，吸附水能力强，具塑性 水溶盐水溶盐可溶性次生矿物。常见的有岩盐、钾盐、石膏、方解石，硫酸盐类还对金属和混凝土有一定的腐蚀作用有机质有机质动植物分解后的残骸，称为腐殖质。其颗粒极细，粒径小于0.1m，呈凝胶状，带有电荷，具极强的吸附性。71.1 土的组成 一、土的固相一、土的固相 土粒的大小、相关矿物成分以及大小搭配情况对土土粒的大小、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的物理力学性质有明显影响 粒组的划分粒组的划分 土粒的大小通常以粒径粒径表示，以mm为单位。 土粒按粒径大小分为若干组别，称为粒组粒组。 粒组间的分界粒径称为界限

5、粒径界限粒径。 以土中各个粒组的相对含量来表示土体中土粒的大小及组成称为土的颗粒级配颗粒级配或粒度成分粒度成分粒组的划分的原则粒组的划分的原则 每个粒组的成分与性质相同或相似； 不同大小的土粒可采用不同的方法进行分析； 粒组界限值力求服从简单的数学规律。8粒组粒组统称统称粒组名称粒组名称粒径范围（粒径范围（mmmm） 主主 要要 特特 征征分析方法分析方法 巨巨 粒粒漂石（块石）粒漂石（块石）粒 200 200 透水性很大，压缩性极透水性很大，压缩性极小，颗粒间无粘结，无小，颗粒间无粘结，无毛细性。毛细性。直接测定直接测定 卵石（碎石）粒卵石（碎石）粒 2002006060粗粒粗粒圆（角）圆（

6、角）砾砾粗粗 60602020透水性大，压缩性小，透水性大，压缩性小，无粘性，毛细性上升高无粘性，毛细性上升高度不超过粒径度不超过粒径筛筛分分法法 中中20205 5细细5 52 2砂粒砂粒 粗粗2 20.50.5易透水易透水, ,压缩性增加压缩性增加, ,无无粘性粘性, ,遇水不膨胀遇水不膨胀, ,干时干时松散松散, ,毛细性上升高度毛细性上升高度不大不大中中 0.50.50.250.25细细0.250.250.0750.075细粒细粒粉粒粉粒 粗粗0.0750.0750.010.01透水性小，压缩性中等，透水性小，压缩性中等，毛细上升高度较大，微毛细上升高度较大，微粘性粘性, ,易冻胀易冻

7、胀沉降分析沉降分析法法细细0.010.010.0050.005粘粒粘粒 0.005 0.005 透水性极弱，压缩性变透水性极弱，压缩性变化大，具粘性和可塑性化大，具粘性和可塑性, ,遇水膨胀大遇水膨胀大 土粒粒组的划分土粒粒组的划分 表表1-1 9总结总结粒组粒组 界于一定粒度范围内的土粒界于一定粒度范围内的土粒粒度粒度 土粒的大小以粒径表示土粒的大小以粒径表示界限粒径界限粒径 划分粒组的分界尺寸划分粒组的分界尺寸粘粒粘粒粉粒粉粒砂粒砂粒 园粒角粒园粒角粒 卵石碎石卵石碎石 漂石块石漂石块石0.0050.0050.0750.0752 26060200200d mmd mm10规律规律dmm卵石

8、卵石砾石砾石砂粒砂粒粉粒粉粒 粘粒粘粒 胶粒胶粒60602 20.050.05 0.0050.005 0.0020.0020.250.5520粗 中 细 粗 中 细 极细0.0750.075粗粒土粗粒土细粒土细粒土1 土的透水性与土的粒径成反比。2 土的粘性与土的粒径成正比。113.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，划分为若干粒组，为了表示土粒的大小及组成情况，通若干粒组，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（即各粒组占土粒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

9、量的百分数）来表示，称为土的颗粒级配 试验方法试验方法筛分法：筛分法：适用于适用于0.075mmd60mm比重计法比重计法: :适用于适用于d0.075mm12筛分法筛分法用一套孔径不同的筛子，按用一套孔径不同的筛子，按从上至下筛孔逐渐减小放置。从上至下筛孔逐渐减小放置。将事先称过质量的烘干土样将事先称过质量的烘干土样过筛，称出留在各筛上的土过筛，称出留在各筛上的土质量，然后计算其占总土粒质量，然后计算其占总土粒质量的百分数质量的百分数 13比重计法比重计法利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同来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确定小于某粒径的土粒含量14颗粒粒

10、径级配曲线颗粒粒径级配曲线 纵坐标表示小于某粒径的土粒含量百分比纵坐标表示小于某粒径的土粒含量百分比, ,横坐横坐标表示土粒的粒径标表示土粒的粒径( (对数坐标）对数坐标）15颗粒级配的描述颗粒级配的描述 工程上常用不均匀系工程上常用不均匀系数数Cu描述颗粒级配的描述颗粒级配的不均匀程度不均匀程度 1060ddCud10、d30、d60小于某粒径的小于某粒径的土粒含量为土粒含量为10%、 30%和和60%时所对应的粒径时所对应的粒径Cu愈大，表示土粒愈不均愈大，表示土粒愈不均匀。工程上把匀。工程上把Cu5的土视的土视为级配不良的土；为级配不良的土； Cu10的土视为级配良好的土的土视为级配良好

11、的土 曲率系数曲率系数Cc描述颗粒级描述颗粒级配曲线整体形态，表明配曲线整体形态，表明某粒组是否缺失情况某粒组是否缺失情况 6010230dddCc对于砾类土或砂类土，同时满对于砾类土或砂类土，同时满足足Cu5和和Cc= =13时，定名为时，定名为良好级配砂或良好级配砾良好级配砂或良好级配砾 1610.10.011E-302040608010010小于某粒径的土粒质量/%粒径/mm17同时满足为级配良好同时满足为级配良好 Cu5 Cu10在工程中在工程中 Cc= =13砾类土或砂类土砾类土或砂类土同时满足为良好级配砂（砾）同时满足为良好级配砂（砾） Cc= =13 Cu 105105度吸热变蒸

12、汽度吸热变蒸汽24（2）弱）弱结合水结合水弱结合水弱结合水：紧靠强结合水的外围形成的结合水膜，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所受的电场作用力随着与颗粒距离增大而减弱 不传递静水压力不传递静水压力密度密度1.0-1.71.0-1.7g/cmg/cm3 3 具有较大粘滞性、弹性、抗剪强度具有较大粘滞性、弹性、抗剪强度特征特征较厚的水膜向较薄的水膜迁移较厚的水膜向较薄的水膜迁移25自由水自由水存在于土粒电场影响范围以外，性质和普通水无异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能传递水压力特征特征冰点为冰点为0有溶解能力有溶解能力 重力作用重

13、力作用重力水重力水毛细水毛细水毛细水上毛细水上升高度升高度饱和饱和带带重力水重力水毛细水毛细水26薄膜水薄膜水吸着水吸着水 吸离土粒距离吸离土粒距离电电分分子子引引力力土粒土粒 正电荷正电荷H H+ +负电荷负电荷OHOH- - 颗粒表面颗粒表面的负电荷的负电荷 极化水分子极化水分子 结合水结合水 自由水自由水 水化阳离子水化阳离子 27（3）毛细水毛细水是存在于地下水位以上的透水层中孔隙的自由水是存在于地下水位以上的透水层中孔隙的自由水毛细水受到毛细水受到水与空气界面的表面张力作用水与空气界面的表面张力作用 重力作用重力作用砂土、粉土、粉质粘土中毛细水含量较大砂土、粉土、粉质粘土中毛细水含量

14、较大毛细水主要存在于直径为：毛细水主要存在于直径为：0.002-0.50.002-0.5 mmmm孔隙中孔隙中28土的毛细现象对工程的影响土的毛细现象对工程的影响建筑物地基冻害建筑物地基冻害地基冻结地基冻结地基冻融地基冻融建筑物地下结构侧壁过分潮湿建筑物地下结构侧壁过分潮湿冻胀力冻胀力融陷融陷建筑物地下钢筋混凝土结构侵蚀建筑物地下钢筋混凝土结构侵蚀引起沼泽化引起沼泽化引起盐渍化引起盐渍化耐久性降低耐久性降低29（4）重力水重力水是存在于地下水位以下透水层孔隙中自由流动的水是存在于地下水位以下透水层孔隙中自由流动的水能传递水压力能传递水压力对土体产生浮力作用对土体产生浮力作用在压力差作用下产生渗

15、流在压力差作用下产生渗流 流土流土重力水重力水动水压力动水压力渗透破坏渗透破坏溶解土中盐类溶解土中盐类管涌管涌孔隙率增大孔隙率增大压缩性增大压缩性增大抗剪强度降低抗剪强度降低30 三、土中气体三、土中气体 土中气体土中气体存在于土孔隙中未被水占据的部分，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通的封闭气体1.非封闭气体：非封闭气体：受外荷作用时被挤出土体外，对受外荷作用时被挤出土体外，对土的性质影响不大土的性质影响不大 2.封闭气体：封闭气体：受外荷作用，不能逸出，被压缩或受外荷作用，不能逸出，被压缩或溶解于水中，

16、压力减小时能有所复原，对土的性溶解于水中，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和延长土体受力后变形达到稳定的历时 31四、粘土颗粒与水的相互作用四、粘土颗粒与水的相互作用 强度强度与原子分子间的键力有关与原子分子间的键力有关 受土颗粒间的各种相互作用力所制受土颗粒间的各种相互作用力所制约约与矿物颗粒本身的结晶与矿物颗粒本身的结晶格架特征有格架特征有关关与组成矿物的原子和分子的排列有关与组成矿物的原子和分子的排列有关粘性粘性塑性塑性压缩性压缩性胀缩性胀缩性土的土的32 四、土的结构四、

17、土的结构 在成土过程中所形成的土粒的空间排列及其联结形式，在成土过程中所形成的土粒的空间排列及其联结形式，与组成土的颗粒大小、颗粒形状、矿物成分和沉积条件有与组成土的颗粒大小、颗粒形状、矿物成分和沉积条件有关关 1.单粒结构：单粒结构：粗矿物颗粒在水或空气中在自重作用下沉落粗矿物颗粒在水或空气中在自重作用下沉落形成的单粒结构，其特点是土粒间存在点与点的接触。根形成的单粒结构，其特点是土粒间存在点与点的接触。根据形成条件不同，可分为疏松状态和密实状态据形成条件不同，可分为疏松状态和密实状态 密实状态密实状态疏松状态疏松状态332.蜂窝结构：蜂窝结构：颗粒间点与点接触，由于彼此之间引力大颗粒间点与

18、点接触，由于彼此之间引力大于重力，接触后，不再继续下沉，形成链环单位于重力，接触后，不再继续下沉，形成链环单位, ,很多链很多链环联结起来，形成孔隙较大的蜂窝状结构环联结起来，形成孔隙较大的蜂窝状结构 3.絮状结构絮状结构：细微粘粒大都呈针状或片状，质量极轻，细微粘粒大都呈针状或片状，质量极轻，在水中处于悬浮状态。当悬液介质发生变化时，土粒表在水中处于悬浮状态。当悬液介质发生变化时，土粒表面的弱结合水厚度减薄，粘粒互相接近，凝聚成絮状物面的弱结合水厚度减薄，粘粒互相接近，凝聚成絮状物下沉，形成孔隙较大的絮状结构下沉，形成孔隙较大的絮状结构 蜂窝结构蜂窝结构絮状结构絮状结构34 五、土的构造五、土的构造 土的构造是指土体中各结构单