土的组成和结构、构造课件

工程地质学昆明理工大学土木工程系张家明工程地质学昆明理工大学土木工程系讲课学时安排矿物与岩石：10地质构造：2岩石与岩体工程地质性质：4土的工程性质及分类：4地下水：3工程地质问题：3工程地质原位测试：3工程地质勘察：3总学时：32讲课学时安排矿物与岩石：10总学时：32第四章土的工程性质和分类4.4土的成因类型特征4.1土的组成与结构、构造4.2土的物理力学性质及其描述指标4.3土的工程分类4.5特殊土的主要工程性质第四章土的工程性质和分类4.4土的成因类型特征4.14.1土的组成与结构、构造土是岩石在风化作用下形成的不同粒径的颗粒在原地残留或经过不同搬运方式，在不同环境中形成的堆积物。4.1土的组成与结构、构造土是岩石在风化作用下形成的不同

由于原因及年代的差异，不同土的工程性质差异很大。4.1土的组成与结构、构造由于原因及年代的差异，不同土的工程性质差异很从物质组成来看，土由作为主骨架的矿物或岩石颗粒（土粒）、空隙中的水溶液及空隙内的气体组成，其中，土颗粒是土的主体，但空隙水及其含量对（细粒）土的性质影响重大。4.1土的组成与结构、构造从物质组成来看，土由作为主骨架的矿物或岩石颗粒（土粒）、空隙4.1.1土的粒度成分

（一）粒组划分土的主体是大小不同的颗粒，颗粒的大小以直径（mm）表示，简称粒径（或粒度）。介于一定粒径范围内的土粒为一个粒组；土中不同粒组的相对含量，称为土的粒度成分（颗粒级配）。目前，对于粒组划分还没有统一的标准，教材推荐的划分方案为：4.1.1土的粒度成分粒组名称粒径范围（mm）一般特征漂石或块石>200渗透性强，无粘性，无毛细作用卵石或碎石200~20圆砾或角砾粗20~10渗透性强，无粘性，无毛细作用中10~5细5~2砂粒粗2~0.5易透水，无粘性，无塑性，干燥时松散；毛细作用弱中0.5~0.25细0.25~0.1极细0.1~0.075粉粒粗0.075~0.01透水性较弱，湿时稍有粘性，无塑性和膨胀性；饱和时易流动；毛细上升高度大；湿土震动时有水析现象细0.01~0.005黏粒<0.005透水性差；湿时有粘性、可塑；遇水膨胀、干时收缩；毛细上升高度大粒组名称粒径范围（mm）一般特征漂石或块石>200渗透

自然界中的各类土一般都是两个以上粒组的混合，其性质则与优势粒组有关。与优势粒组对应，就有漂石或块石土、卵石或碎石土、圆砾土或角砾土、砂土、粉土及黏土等名称。自然界中的各类土一般都是两个以上粒组的混合，其性质则漂石土：粒径大于200mm的颗粒含量超过总重量的50%以上－康定Photo©XuZemin漂石土漂石土：粒径大于200mm的颗粒含量超过总重量的50%以上漂石土：粒径大于200mm的颗粒含量超过总重量的50%以上－康定Photo©XuZemin漂石土：粒径大于200mm的颗粒含量超过总重量的50%以上Photo©XuZemin块石土：粒径大于200mm的颗粒含量超过总重量的50%以上－康定块石土Photo©XuZemin块石土：粒径大于200mm卵石土：粒径大于20mm的颗粒含量超过总重量的50%以上－通化Photo©XuZemin卵石土卵石土：粒径大于20mm的颗粒含量超过总重量的50%以上－卵石土作路基-成都-2004/03/10Photo©XuZemin卵石土作路基-成都-2004/03/10Photo©Xu狭义碎石土-四川康定碎石土：粒径大于20mm的颗粒含量超过总重量的50%以上Photo©XuZemin碎石土狭义碎石土-四川康定碎石土：粒径大于20mm的颗粒含量超过狭义碎石土-四川康定碎石土：粒径大于20mm的颗粒含量超过总重量的50%以上Photo©XuZemin狭义碎石土-四川康定碎石土：粒径大于20mm的颗粒含量超过砂土-金沙江攀枝花段-2004/11/28Photo©XuZemin砂土砂土-金沙江攀枝花段-2004/11/28Photo©X砂土-金沙江攀枝花段-2004/11/28Photo©XuZemin砂土-金沙江攀枝花段-2004/11/28Photo©X粉土-四川松潘Photo©XuZemin粉土粉土-四川松潘Photo©XuZemin粉土EXAMPLE1滇池盆地淤泥质(有机质)粘土粘土EXAMPLE1滇池盆地粘土理工大学白龙区理工大学白龙区2005/11/04-白龙家属区基坑边坡风干后呈灰白色Photo©XuZemin2005/11/04-白龙家属区基坑边坡风干后呈灰白色Pho风干后呈灰白色颜色渐变2005/11/04-白龙家属区基坑边坡Photo©XuZemin风干后呈灰白色颜色渐变2005/11/04-白龙家属区基坑边云南电视大学云南电视大学滇池盆地湖相淤质粘土Photo©XuZemin滇池盆地湖相淤质粘土Photo©XuZemin滇池湖相淤质粉土Photo©XuZemin滇池湖相淤质粉土Photo©XuZemin2007/07/12－昆明大板桥新机场附近剖面（砖厂）人工填土Photo©XuZemin2007/07/12－昆明大板桥新机场附近剖面（砖厂）人工填2007/07/12－昆明大板桥新机场附近剖面（砖厂）Photo©XuZemin2007/07/12－昆明大板桥新机场附近剖面（砖厂）Pho2007/07/12－昆明大板桥新机场附近剖面（砖厂）Photo©XuZemin2007/07/12－昆明大板桥新机场附近剖面（砖厂）PhoEXAMPLE2云南红（粘）土EXAMPLE2云南红（粘）土我家房后我家房后云南红粘土-我家房后Photo©XuZemin云南红粘土-我家房后Photo©XuZemin云南红粘土Photo©XuZemin云南红粘土Photo©XuZemin云南红粘土Photo©XuZemin云南红粘土Photo©XuZemin云南红粘土Photo©XuZemin云南红粘土Photo©XuZeminBSEM2：55cm附近土体团粒；2400倍：4607颗粒表面放大-可见结构致密的粘土矿物Photo©XuZeminBSEM2：55cm附近土体团粒；2400倍：4607颗粒2005/4/15-昆明富民大营镇Photo©XuZemin2005/4/15-昆明富民大营镇Photo©XuZe2006/3/18-昆明富民Photo©XuZemin2006/3/18-昆明富民Photo©XuZemin云南红粘土的遇水崩解行为-2005/11/04Photo©XuZemin云南红粘土的遇水崩解行为-2005/11/04Photo©红土高原－云南红土－昆明新机场红土高原－云南红土－昆明新机场EXAMPLE3成都粘土EXAMPLE3成都粘土成都粘土-2004/03/10Photo©XuZemin成都粘土-2004/03/10Photo©XuZemi成都粘土-2004/03/10Photo©XuZemin成都粘土-2004/03/10Photo©XuZemi1.6cm成都粘土中的钙质结核-2004/03/10Photo©XuZemin1.6cm成都粘土中的钙质结核-2004/03/10Pho成都粘土-2004/03/10Photo©XuZemin成都粘土-2004/03/10Photo©XuZemi过渡类型-hybrid过渡类型-hybrid卵石土卵石土砂土卵石质砂土四川松潘川主寺Photo©XuZemin卵石土卵石土砂土卵石质砂土四川松潘川主寺Photo©2006-8-12-德国慕尼黑-列支敦士登高速公路-砂卵石作路基Photo©XuZemin2006-8-12-德国慕尼黑-列支敦士登高速公路-砂卵石作粒度成分对土工程性质影响的实质：1、土颗粒大小不同，土的比表面积不同，则土粒与水汽作用的表面能大小不同；2、不同大小颗粒的组成矿物成分不同；粒度成分对土工程性质影响的实质：

土的粒度成分是通过土的粒度分析试验测定的。对于直径在0.075mm以上的粒组（粗粒土），可以用筛分法测定；对于0.075mm以下的粉粒和粘粒（无法做筛子），可以用比重计法或移液管法测定。土的粒度成分是通过土的粒度分析试验测定的。筛子孔洞：2020.50.250.10.075mm筛子孔洞：2020.50.250.10.075mPhoto©XuZeminPhoto©XuZeminPhoto©XuZeminPhoto©XuZeminPhoto©XuZeminPhoto©XuZeminPhoto©XuZeminPhoto©XuZeminLS13320全自动激光粒度分析仪LS13320全自动激光粒度分析仪土的粒度分析成果-“颗粒级配累积曲线”

横坐标为粒径（mm），由于同一土样的颗粒粒径可能相差极大，因此，采用对数坐标；纵坐标表示小于某粒径的土的累积百分含量。曲线越陡，土的组成越均匀；曲线平缓，说明土粒大小悬殊，各个粒度的都有，分选差，级配良好。土的粒度分析成果-“颗粒级配累积曲线”颗粒级配累积曲线曲线平缓，表示粒径大小相差悬殊，各种粒组的相对含量几乎一致，土粒不均匀，即级配良好。曲线陡峭，表示粒径大小相差不大，优势粒组明显，土粒均匀，即级配不好。颗粒级配累积曲线曲线平缓，表示粒径大小相差悬殊，各种粒组的相有效粒径、限定粒径及不均匀系数、曲率系数

小于某粒径的土粒累积重量百分含量小于10%时，相应的粒径被称为有效粒径，以d10表示；小于某粒径的土粒累积重量百分含量小于60%时，相应的粒径被称为限定粒径，以d60表示。d10d60d30有效粒径、限定粒径及不均匀系数、曲率系数d10d60d30有效粒径、限定粒径及不均匀系数、曲率系数

d60与d10之比可以反映颗粒级配的不均匀程度，称为不均匀系数-Cu:Cu越大，土粒越不均匀，这样的土往往可以作为填方工程的理想填料（但要看d60）。工程上一般将Cu<5的土作为均匀的；Cu>10的称为不均匀的，级配良好。

曲率系数Cc=d30.d30/（d10.d60

）Cc值在1~3之间的土级配较好。d10d60d30有效粒径、限定粒径及不均匀系数、曲率系数d10d60d304.1.2

土的矿物成分

一般来说，只有细粒土（如粉土、粘土）等才进行矿物成分分析；对于粗粒土，只要说明砂、砾石成分就可以了。土体中的矿物可以分为以下几个大类：（一）原生矿物（二）不溶于水的次生矿物（三）可溶岩类及易分解的矿物（四）有机质4.1.2土的矿物成分

（一）原生矿物如石英、长石、角闪石、云母等。他们是组成卵石、砾石、砂粒及粉粒的主要成分。（一）原生矿物

（二）不溶于水的次生矿物

粘土矿物：高岭石、蒙脱石、伊利石及水云母等。次生SiO2及铁、铝的氧化物（倍半氧化物）等。（二）不溶于水的次生矿物（三）可溶盐类

易溶盐类：NaCl，CaCl2，Na2SO4及Na2CO3等（干旱地区土）中溶盐类：CaSO4等。难溶盐类：常以结核形式出现的CaCO3等（三）可溶盐类

易溶盐类极易被大气降水或地下水溶滤出来，所以分布范围较窄，但在干旱气候区和地下水排泄不良地区，它是地表上层土中的典型性产物，即形成盐碱土和盐渍土。可溶盐类对土的工程性质影响机制：含盐土浸水后盐类被溶解后，使土的粒间连结消弱，甚至消失，并同时增大土的孔隙性，从而降低土体的强度和稳定性，增大其压缩性。易溶盐类极易被大气降水或地下水溶滤出来，所以（四）有机质

有机质是指存在于土壤中的所有含碳的有机物，包括各种动植物残体，微生物体及其分解和合成的各类有机物质。

有机质对土的工程性质的影响实质在于：有机质有更强的胶体性质和更高的亲水性、疏水性或斥水性。

有机质对土的工程性质的影响程度取决于：有机质种类、有机质含量、含水率和分布格局。（四）有机质有机质是指存在于土壤中的所有含碳4.1.3土中的水&气土中水H2O是强极性分子4.1.3土中的水&气土中水H2O是强极性分子（土粒表面结合水）结合水强结合水弱结合水（吸着水）（薄膜水）非结合水液态水气态水固态水毛细水重力水（自由水）土中水存在于土粒矿物结构格架内部或参与矿物晶格构成的水-矿物内部结合水和结晶水，它只有在高温（140-700℃）下才能化为气态水而与土粒分离。（土粒表面结合水）结合水强结合水弱结合水（吸着水）（薄膜水）一、结合水受固体表面引力大于自身重力的那部分水为结合水。分为强结合水和弱结合水：

强结合水：紧靠土粒表面的结合水。厚度小，只有数千个水分子层。不能传递静水压力，没有溶解能力，具有抗剪强度，密度为1.2~2.4g/cm3，不能自由移动。

弱结合水：强结合水外围的结合水膜。厚度比强结合水大得多，是结合水的主体。不能传递静水压力，没有溶解能力，可以缓慢向外围移动。一、结合水双电层电位电动电位扩散层厚度越大，土的膨胀性、压缩性越高，强度越低。双电层电位电动电位扩散层厚度越大，土的膨胀性、压缩性越高，强毛细水：在地下水饱水带与包气带的界面附近，因毛细作用而形成的一部分地下水。毛细水：重力水：在重力作用下能够自由流动的水，即，通常所说的地下水。重力水流动时，具有机械潜蚀和对可溶盐的溶蚀作用。重力水是地下水资源的主要来源。重力水：4.1.4

土的结构和构造在黏性土中，土粒间除有结合水膜形成的联结（水胶联结）外，往往还有其他盐类结晶、凝胶薄膜等联结存在。（一）土的结构（二）土的构造4.1.4土的结构和构造

（一）土的结构1、定义：土颗粒本身的特点（颗粒大小、形状和磨圆度及表面粗糙度）和颗粒间相互关系（粒间排列及其联结性质）的综合特征。2、分类：单粒（散粒）结构+集合体（团聚）结构——取决于土的颗粒组成、矿物成分及所处环境条件。（一）土的结构单粒结构特征1、单粒结构（为散粒结构），是碎石（卵石）、砾石类土和砂土等无黏性土的基本结构形式。2、单粒结构对土的工程性质影响主要在于其松密程度。单粒结构特征集合体结构特征1、集合体结构（团聚结构、紊凝结构）是黏性土所特有的。2、分类：蜂窝状结构+紊状结构。3、蜂窝状结构（聚粒结构）：它是由较粗黏粒和粉粒的单个颗粒之间以面-点、边-点或边-边受异性电引力和分子引力连结组合而成的疏松多孔结构。集合体结构特征土的组成和结构、构造课件集合体结构特征4、紊状结构（聚粒紊凝结构、二级蜂窝状结构）：主要由更小黏粒连结形成，是上述蜂窝状的若干聚粒之间，以面-边或边-边连结组合而成的更疏松、孔隙体积更大的结构。5、集合体结构形成机制：a、由带不同电荷的颗粒间相互吸引而连结组合；b、由于同一种颗粒的面-边、面-点之间分布不同的电荷，而形成连结；c、由带相同电荷颗粒借助粒间反粒子层形成连结。集合体结构特征土的组成和结构、构造课件集合体结构特征6、集合体结构土体的特征：a、孔隙度很大，而各单独孔隙的直径很小，土体压缩性很大；b、水容度、含水量很大，水分以结合水为主，排水困难，故压缩过程缓慢；c、具有很大的易变性——不稳定性。外界条件对集合体结构的影响很大，故集合体结构又被称为易变结构。集合体结构特征7、软黏性土的触变性和灵敏度软黏性土的触变性：土体经过扰动（如振动、搅拌、搓揉等）致使结构破坏时，土体强度剧烈减小，但如将受过扰动的土体静置一定的时间，则该土体强度将又随静置时间的增大，而逐渐有所增长、恢复的特性。一般用灵敏度来评价软黏土的触变性：

——保持天然结构和含水量的软黏土的无侧限抗压强度和十字剪切强度；

——同上土体，结构破坏时的无侧限抗压强度和十字剪切强度；低灵敏度：1<St≤2；中灵敏度：2<St≤4；高灵敏度：St>47、软黏性土的触变性和灵敏度

（二）土的构造1、定义：整个土层构成的不均匀性特征的总和。2、研究土体构造特征的重要意义：a、土体构造特征反映土体在力学性质和其他工程性质的各向异性或土体各部位的不均匀性；b、土体的构造特征是决定勘探、取样或原位测试布置方案和数量的重要因素之一。（二）土的构造3、碎石土主要构造：a、粗石状构造：是由相互挤靠着的粗大碎屑形成骨架，外表很像“干砌石”；b、假斑状构造：在较细颗粒组成的土体中，混杂着一些较粗或粗大碎屑，而粗大碎屑互不接触，不能形成骨架。3、碎石土主要构造：土的组成和结构、构造课件

（二）土的构造4、砂土和砂质粉土主要构造：a、透镜体构造；b、粒度较均匀的交错层构造；（二）土的构造

（二）土的构造5、黏性土主要构造：层状构造、显微层状构造和各种裂隙、节理构造（二）土的构造4.2.1土的三相比例指标4.2.1土的三相比例指标（1）土的颗粒相对密度ds土粒重量与同体积的4℃时水的重量之比，称为颗粒相对密度ds，它在数值上为单位体积土粒的重量。颗粒相对密度决定于土的矿物成分、它的数值一般为2.6~2.7之间。有机质土为2.4~2.5；泥炭土为1.5~1.8之间；含铁质较高的黏性土可达2.8~3.0。颗粒相对密度可在实验室采用比重瓶法测定。（1）土的颗粒相对密度ds土粒重量与同体积的4℃时水的重量之（2）土的重度单位体积土的重量称为土的重度，土的重度取决于土粒的重量，孔隙体积的大小和孔隙中水的重量。天然状态下土的重度变化范围很大，一般黏性土重度在18~20KN/m³；砂土为16~20KN/m³；腐殖土为15~17KN/m³。一般用“环刀法”测定。（2）土的重度单位体积土的重量称为土的重度，土的重度取决于土（3）（天然）密度单位体积土的质量，单位或。[重度为单位体积土的重量，单位。]土的密度一般用“环刀法”测定。相应于天然密度，有干密度（）：单位体积土中固体颗粒的质量，干密度越大，土越密实－干容重。饱和密度（）：土体完全饱水时，单位体积的质量－饱和容重。（3）（天然）密度单位体积土的质量，单位式中，、、分别为土粒的质量、土的体积和水的密度。有效密度或称浮密度（）：地下水位以下，单位土体积中土粒的质量扣除浮力后的质量－浮容重（4）土的含水量（含水率）（）土中水的质（重）量与土粒质（重）量的比值：式中，、、分别为土粒的质量、土

含水量是土的重要指标，对于细粒土，含水量越高，强度越低。对于粉土，可以根据含水量对土的状态进行划分:

稍湿；湿；很湿（5）土的饱和度（）土中被水充满的孔隙体积与孔隙总体积的比，以百分数表示。对于砂土和砾石土，可以根据饱和度对土的状态进行划分：稍湿很湿饱和不易操作？含水量是土的重要指标，对于细粒土，含水量越高

孔隙比是土的重要物理性质指标，用来评价土层的密实程度。一般来说，e<0.6时，属于密实的低压缩性土；e>1时，属疏松的高压缩性土。（6）土的孔隙比（）和孔隙率（）土中孔隙体积与土粒体积之比为孔隙比土中孔隙体积与土的总体积之比为孔隙率或孔隙度在岩土工程中，e

比n

应用要广，但在地下水领域主要应用n

。孔隙比是土的重要物理性质指标，用来评价土层的密实程度4.2.2无粘性土的密实度指标无粘性土一般指粒径大于0.075mm的砂土和碎（卵石）石土，也称为粗粒土。（1）相对密度（Dr）式中，emax、e、emin分别为土的最大、天然及最小孔隙比。根据相对密度对粗粒土的划分方案为：0.330.671松散中密密实4.2.2无粘性土的密实度指标无粘性土一般指粒径大（2）用标准贯入击数划分的土的密实度用Dr来划分土的密实度，物理意义比较明确，但在实际操作过程中，emax是很难确定的，而且测定e要求原状土，这在许多情况下也比较困难。对于砂土（不能是细粒土或碎石土），可以用N63.5（两个半圆管合成的取土器，用63.5kg的锤，落距76cm，贯入30cm时的锤击数）来对其密实度进行划分：101530松散稍密中密密实（2）用标准贯入击数划分的土的密实度用Dr来划分土的密实4.2.3黏性土物理性质指标黏性土因含水量变化而表现出各种不同的物理状态，也称为稠度；黏性土在一定含水量范围内表现出可塑性，因此黏性土也可称为可塑土；可塑性：指土在外力作用下，可以揉塑成任意形状而不发生裂缝，并当外力解除后仍然保持既有的形状的一种性能。4.2.3黏性土物理性质指标黏性土因含水量变化而表现出各粘性土会随着含水量的加大，从固态，变为塑性状态以及流动状态。粘性土从某种状态进入另一种状态的分界含水量，被称为界限含水量。（1）界限含水量-稠度界限-Atterberg界限液限塑限缩限固态半固态可塑状态流动状态缩限（）：由半固态不断蒸发水分，则土体积不断缩小，直到体积不再缩小时的含水量。塑限（）：由半固态转到可塑状态的含水量-塑性下限。液限（）：由可塑状态转到流动状态的含水量-塑性上限、流限。粘性土会随着含水量的加大，从固态，变为塑性状态以及流动状液限测定方法76g圆锥，5s内下降10mm的含水率。技术指标：碟子抬高1cm；2次/s的速率，连续下落25次；土槽合拢长度为1.3cm液限测定方法76g圆锥，5s内下降10mm的含水率。技术塑限测定方法搓条法塑限测定方法搓条法缩限测定方法收缩皿法缩限测定方法收缩皿法液限、塑限测定方法液限、塑限测定方法（2）粘性土的塑性指数和液性指数

塑性指数（IP）：液限和塑限的差值，以不带百分号的数值表示IP主要与土中的粘土矿物含量有关，含量越多，越大，塑性就越强。

液性指数（IL

）：天然含水量和塑限的差值与塑性指数的比值可以利用IL可以确定土的软硬状态（2）粘性土的塑性指数和液性指数塑性指数（IP）：液:流塑:坚硬液限塑限缩限固态半固态可塑状态流动状态:硬塑:可塑:软塑利用IL可以确定土的软硬状态::流塑:坚硬液限塑限缩限固态半固态可塑状态（1）压缩系数（）

土的压缩曲线上，任意一点的切线的斜率，称为该压力下，土的压缩系数。单位为MPa-11.00.90.80.70.60.50.40.3e0e00.20.40.60.81.0软粘土密实砂土P（MPa）4.2.4土的力学性质指标（1）压缩系数（）土的压缩曲线上，任意一1.00.90.80.70.60.50.40.3e0e00.20.40.60.81.0软粘土密实砂土P（MPa）

由于土的压缩曲线并非直线，压缩系数变化很大，一般规定，取100KPa~200KPa之间的压缩系数来评定土的压缩性，分为低、中、高压缩性土：1.00.90.80.70.60.50.40.3e0e00.压缩系数压缩指数压缩系数压缩指数（2）压缩模量（Es）土在完全侧限条件下，应力与应变的比值

由于压缩模量依然是变化的，规定取100KPa~200KPa（0.1~0.2MPa）之间的压缩模量来评定土的压缩性。（2）压缩模量（Es）土在完全侧限条件下，应力与应变的比值（3）变形模量（E0）

无侧限条件下，土体在单向受压时，应力与应变的比值。更有实际意义。和压缩模量的关系：显然：（3）变形模量（E0）无侧限条件下，土体在单向（4）土的抗剪强度

土最常见的破坏形式是剪切破坏，因此，用抗剪强度来描述土的强度特征。无粘性土：粘性土：式中，、、、分别为抗剪强度、法向应力、内聚力和内摩擦角。无粘性土粘性土Mohrstrengthenvelope（4）土的抗剪强度土最常见的破坏形式是剪切破坏工程地质学昆明理工大学土木工程系张家明工程地质学昆明理工大学土木工程系讲课学时安排矿物与岩石：10地质构造：2岩石与岩体工程地质性质：4土的工程性质及分类：4地下水：3工程地质问题：3工程地质原位测试：3工程地质勘察：3总学时：32讲课学时安排矿物与岩石：10总学时：32第四章土的工程性质和分类4.4土的成因类型特征4.1土的组成与结构、构造4.2土的物理力学性质及其描述指标4.3土的工程分类4.5特殊土的主要工程性质第四章土的工程性质和分类4.4土的成因类型特征4.14.1土的组成与结构、构造土是岩石在风化作用下形成的不同粒径的颗粒在原地残留或经过不同搬运方式，在不同环境中形成的堆积物。4.1土的组成与结构、构造土是岩石在风化作用下形成的不同

由于原因及年代的差异，不同土的工程性质差异很大。4.1土的组成与结构、构造由于原因及年代的差异，不同土的工程性质差异很从物质组成来看，土由作为主骨架的矿物或岩石颗粒（土粒）、空隙中的水溶液及空隙内的气体组成，其中，土颗粒是土的主体，但空隙水及其含量对（细粒）土的性质影响重大。4.1土的组成与结构、构造从物质组成来看，土由作为主骨架的矿物或岩石颗粒（土粒）、空隙4.1.1土的粒度成分

（一）粒组划分土的主体是大小不同的颗粒，颗粒的大小以直径（mm）表示，简称粒径（或粒度）。介于一定粒径范围内的土粒为一个粒组；土中不同粒组的相对含量，称为土的粒度成分（颗粒级配）。目前，对于粒组划分还没有统一的标准，教材推荐的划分方案为：4.1.1土的粒度成分粒组名称粒径范围（mm）一般特征漂石或块石>200渗透性强，无粘性，无毛细作用卵石或碎石200~20圆砾或角砾粗20~10渗透性强，无粘性，无毛细作用中10~5细5~2砂粒粗2~0.5易透水，无粘性，无塑性，干燥时松散；毛细作用弱中0.5~0.25细0.25~0.1极细0.1~0.075粉粒粗0.075~0.01透水性较弱，湿时稍有粘性，无塑性和膨胀性；饱和时易流动；毛细上升高度大；湿土震动时有水析现象细0.01~0.005黏粒<0.005透水性差；湿时有粘性、可塑；遇水膨胀、干时收缩；毛细上升高度大粒组名称粒径范围（mm）一般特征漂石或块石>200渗透

自然界中的各类土一般都是两个以上粒组的混合，其性质则与优势粒组有关。与优势粒组对应，就有漂石或块石土、卵石或碎石土、圆砾土或角砾土、砂土、粉土及黏土等名称。自然界中的各类土一般都是两个以上粒组的混合，其性质则漂石土：粒径大于200mm的颗粒含量超过总重量的50%以上－康定Photo©XuZemin漂石土漂石土：粒径大于200mm的颗粒含量超过总重量的50%以上漂石土：粒径大于200mm的颗粒含量超过总重量的50%以上－康定Photo©XuZemin漂石土：粒径大于200mm的颗粒含量超过总重量的50%以上Photo©XuZemin块石土：粒径大于200mm的颗粒含量超过总重量的50%以上－康定块石土Photo©XuZemin块石土：粒径大于200mm卵石土：粒径大于20mm的颗粒含量超过总重量的50%以上－通化Photo©XuZemin卵石土卵石土：粒径大于20mm的颗粒含量超过总重量的50%以上－卵石土作路基-成都-2004/03/10Photo©XuZemin卵石土作路基-成都-2004/03/10Photo©Xu狭义碎石土-四川康定碎石土：粒径大于20mm的颗粒含量超过总重量的50%以上Photo©XuZemin碎石土狭义碎石土-四川康定碎石土：粒径大于20mm的颗粒含量超过狭义碎石土-四川康定碎石土：粒径大于20mm的颗粒含量超过总重量的50%以上Photo©XuZemin狭义碎石土-四川康定碎石土：粒径大于20mm的颗粒含量超过砂土-金沙江攀枝花段-2004/11/28Photo©XuZemin砂土砂土-金沙江攀枝花段-2004/11/28Photo©X砂土-金沙江攀枝花段-2004/11/28Photo©XuZemin砂土-金沙江攀枝花段-2004/11/28Photo©X粉土-四川松潘Photo©XuZemin粉土粉土-四川松潘Photo©XuZemin粉土EXAMPLE1滇池盆地淤泥质(有机质)粘土粘土EXAMPLE1滇池盆地粘土理工大学白龙区理工大学白龙区2005/11/04-白龙家属区基坑边坡风干后呈灰白色Photo©XuZemin2005/11/04-白龙家属区基坑边坡风干后呈灰白色Pho风干后呈灰白色颜色渐变2005/11/04-白龙家属区基坑边坡Photo©XuZemin风干后呈灰白色颜色渐变2005/11/04-白龙家属区基坑边云南电视大学云南电视大学滇池盆地湖相淤质粘土Photo©XuZemin滇池盆地湖相淤质粘土Photo©XuZemin滇池湖相淤质粉土Photo©XuZemin滇池湖相淤质粉土Photo©XuZemin2007/07/12－昆明大板桥新机场附近剖面（砖厂）人工填土Photo©XuZemin2007/07/12－昆明大板桥新机场附近剖面（砖厂）人工填2007/07/12－昆明大板桥新机场附近剖面（砖厂）Photo©XuZemin2007/07/12－昆明大板桥新机场附近剖面（砖厂）Pho2007/07/12－昆明大板桥新机场附近剖面（砖厂）Photo©XuZemin2007/07/12－昆明大板桥新机场附近剖面（砖厂）PhoEXAMPLE2云南红（粘）土EXAMPLE2云南红（粘）土我家房后我家房后云南红粘土-我家房后Photo©XuZemin云南红粘土-我家房后Photo©XuZemin云南红粘土Photo©XuZemin云南红粘土Photo©XuZemin云南红粘土Photo©XuZemin云南红粘土Photo©XuZemin云南红粘土Photo©XuZemin云南红粘土Photo©XuZeminBSEM2：55cm附近土体团粒；2400倍：4607颗粒表面放大-可见结构致密的粘土矿物Photo©XuZeminBSEM2：55cm附近土体团粒；2400倍：4607颗粒2005/4/15-昆明富民大营镇Photo©XuZemin2005/4/15-昆明富民大营镇Photo©XuZe2006/3/18-昆明富民Photo©XuZemin2006/3/18-昆明富民Photo©XuZemin云南红粘土的遇水崩解行为-2005/11/04Photo©XuZemin云南红粘土的遇水崩解行为-2005/11/04Photo©红土高原－云南红土－昆明新机场红土高原－云南红土－昆明新机场EXAMPLE3成都粘土EXAMPLE3成都粘土成都粘土-2004/03/10Photo©XuZemin成都粘土-2004/03/10Photo©XuZemi成都粘土-2004/03/10Photo©XuZemin成都粘土-2004/03/10Photo©XuZemi1.6cm成都粘土中的钙质结核-2004/03/10Photo©XuZemin1.6cm成都粘土中的钙质结核-2004/03/10Pho成都粘土-2004/03/10Photo©XuZemin成都粘土-2004/03/10Photo©XuZemi过渡类型-hybrid过渡类型-hybrid卵石土卵石土砂土卵石质砂土四川松潘川主寺Photo©XuZemin卵石土卵石土砂土卵石质砂土四川松潘川主寺Photo©2006-8-12-德国慕尼黑-列支敦士登高速公路-砂卵石作路基Photo©XuZemin2006-8-12-德国慕尼黑-列支敦士登高速公路-砂卵石作粒度成分对土工程性质影响的实质：1、土颗粒大小不同，土的比表面积不同，则土粒与水汽作用的表面能大小不同；2、不同大小颗粒的组成矿物成分不同；粒度成分对土工程性质影响的实质：

土的粒度成分是通过土的粒度分析试验测定的。对于直径在0.075mm以上的粒组（粗粒土），可以用筛分法测定；对于0.075mm以下的粉粒和粘粒（无法做筛子），可以用比重计法或移液管法测定。土的粒度成分是通过土的粒度分析试验测定的。筛子孔洞：2020.50.250.10.075mm筛子孔洞：2020.50.250.10.075mPhoto©XuZeminPhoto©XuZeminPhoto©XuZeminPhoto©XuZeminPhoto©XuZeminPhoto©XuZeminPhoto©XuZeminPhoto©XuZeminLS13320全自动激光粒度分析仪LS13320全自动激光粒度分析仪土的粒度分析成果-“颗粒级配累积曲线”

横坐标为粒径（mm），由于同一土样的颗粒粒径可能相差极大，因此，采用对数坐标；纵坐标表示小于某粒径的土的累积百分含量。曲线越陡，土的组成越均匀；曲线平缓，说明土粒大小悬殊，各个粒度的都有，分选差，级配良好。土的粒度分析成果-“颗粒级配累积曲线”颗粒级配累积曲线曲线平缓，表示粒径大小相差悬殊，各种粒组的相对含量几乎一致，土粒不均匀，即级配良好。曲线陡峭，表示粒径大小相差不大，优势粒组明显，土粒均匀，即级配不好。颗粒级配累积曲线曲线平缓，表示粒径大小相差悬殊，各种粒组的相有效粒径、限定粒径及不均匀系数、曲率系数

小于某粒径的土粒累积重量百分含量小于10%时，相应的粒径被称为有效粒径，以d10表示；小于某粒径的土粒累积重量百分含量小于60%时，相应的粒径被称为限定粒径，以d60表示。d10d60d30有效粒径、限定粒径及不均匀系数、曲率系数d10d60d30有效粒径、限定粒径及不均匀系数、曲率系数

d60与d10之比可以反映颗粒级配的不均匀程度，称为不均匀系数-Cu:Cu越大，土粒越不均匀，这样的土往往可以作为填方工程的理想填料（但要看d60）。工程上一般将Cu<5的土作为均匀的；Cu>10的称为不均匀的，级配良好。

曲率系数Cc=d30.d30/（d10.d60

）Cc值在1~3之间的土级配较好。d10d60d30有效粒径、限定粒径及不均匀系数、曲率系数d10d60d304.1.2

土的矿物成分

一般来说，只有细粒土（如粉土、粘土）等才进行矿物成分分析；对于粗粒土，只要说明砂、砾石成分就可以了。土体中的矿物可以分为以下几个大类：（一）原生矿物（二）不溶于水的次生矿物（三）可溶岩类及易分解的矿物（四）有机质4.1.2土的矿物成分

（一）原生矿物如石英、长石、角闪石、云母等。他们是组成卵石、砾石、砂粒及粉粒的主要成分。（一）原生矿物

（二）不溶于水的次生矿物

粘土矿物：高岭石、蒙脱石、伊利石及水云母等。次生SiO2及铁、铝的氧化物（倍半氧化物）等。（二）不溶于水的次生矿物（三）可溶盐类

易溶盐类：NaCl，CaCl2，Na2SO4及Na2CO3等（干旱地区土）中溶盐类：CaSO4等。难溶盐类：常以结核形式出现的CaCO3等（三）可溶盐类

易溶盐类极易被大气降水或地下水溶滤出来，所以分布范围较窄，但在干旱气候区和地下水排泄不良地区，它是地表上层土中的典型性产物，即形成盐碱土和盐渍土。可溶盐类对土的工程性质影响机制：含盐土浸水后盐类被溶解后，使土的粒间连结消弱，甚至消失，并同时增大土的孔隙性，从而降低土体的强度和稳定性，增大其压缩性。易溶盐类极易被大气降水或地下水溶滤出来，所以（四）有机质

有机质是指存在于土壤中的所有含碳的有机物，包括各种动植物残体，微生物体及其分解和合成的各类有机物质。

有机质对土的工程性质的影响实质在于：有机质有更强的胶体性质和更高的亲水性、疏水性或斥水性。

有机质对土的工程性质的影响程度取决于：有机质种类、有机质含量、含水率和分布格局。（四）有机质有机质是指存在于土壤中的所有含碳4.1.3土中的水&气土中水H2O是强极性分子4.1.3土中的水&气土中水H2O是强极性分子（土粒表面结合水）结合水强结合水弱结合水（吸着水）（薄膜水）非结合水液态水气态水固态水毛细水重力水（自由水）土中水存在于土粒矿物结构格架内部或参与矿物晶格构成的水-矿物内部结合水和结晶水，它只有在高温（140-700℃）下才能化为气态水而与土粒分离。（土粒表面结合水）结合水强结合水弱结合水（吸着水）（薄膜水）一、结合水受固体表面引力大于自身重力的那部分水为结合水。分为强结合水和弱结合水：

强结合水：紧靠土粒表面的结合水。厚度小，只有数千个水分子层。不能传递静水压力，没有溶解能力，具有抗剪强度，密度为1.2~2.4g/cm3，不能自由移动。

弱结合水：强结合水外围的结合水膜。厚度比强结合水大得多，是结合水的主体。不能传递静水压力，没有溶解能力，可以缓慢向外围移动。一、结合水双电层电位电动电位扩散层厚度越大，土的膨胀性、压缩性越高，强度越低。双电层电位电动电位扩散层厚度越大，土的膨胀性、压缩性越高，强毛细水：在地下水饱水带与包气带的界面附近，因毛细作用而形成的一部分地下水。毛细水：重力水：在重力作用下能够自由流动的水，即，通常所说的地下水。重力水流动时，具有机械潜蚀和对可溶盐的溶蚀作用。重力水是地下水资源的主要来源。重力水：4.1.4

土的结构和构造在黏性土中，土粒间除有结合水膜形成的联结（水胶联结）外，往往还有其他盐类结晶、凝胶薄膜等联结存在。（一）土的结构（二）土的构造4.1.4土的结构和构造

（一）土的结构1、定义：土颗粒本身的特点（颗粒大小、形状和磨圆度及表面粗糙度）和颗粒间相互关系（粒间排列及其联结性质）的综合特征。2、分类：单粒（散粒）结构+集合体（团聚）结构——取决于土的颗粒组成、矿物成分及所处环境条件。（一）土的结构单粒结构特征1、单粒结构（为散粒结构），是碎石（卵石）、砾石类土和砂土等无黏性土的基本结构形式。2、单粒结构对土的工程性质影响主要在于其松密程度。单粒结构特征集合体结构特征1、集合体结构（团聚结构、紊凝结构）是黏性土所特有的。2、分类：蜂窝状结构+紊状结构。3、蜂窝状结构（聚粒结构）：它是由较粗黏粒和粉粒的单个颗粒之间以面-点、边-点或边-边受异性电引力和分子引力连结组合而成的疏松多孔结构。集合体结构特征土的组成和结构、构造课件集合体结构特征4、紊状结构（聚粒紊凝结构、二级蜂窝状结构）：主要由更小黏粒连结形成，是上述蜂窝状的若干聚粒之间，以面-边或边-边连结组合而成的更疏松、孔隙体积更大的结构。5、集合体结构形成机制：a、由带不同电荷的颗粒间相互吸引而连结组合；b、由于同一种颗粒的面-边、面-点之间分布不同的电荷，而形成连结；c、由带相同电荷颗粒借助粒间反粒子层形成连结。集合体结构特征土的组成和结构、构造课件集合体结构特征6、集合体结构土体的特征：a、孔隙度很大，而各单独孔隙的直径很小，土体压缩性很大；b、水容度、含水量很大，水分以结合水为主，排水困难，故压缩过程缓慢；c、具有很大的易变性——不稳定性。外界条件对集合体结构的影响很大，故集合体结构又被称为易变结构。集合体结构特征7、软黏性土的触变性和灵敏度软黏性土的触变性：土体经过扰动（如振动、搅拌、搓揉等）致使结构破坏时，土体强度剧烈减小，但如将受过扰动的土体静置一定的时间，则该土体强度将又随静置时间的增大，而逐渐有所增长、恢复的特性。一般用灵敏度来评价软黏土的触变性：

——保持天然结构和含水量的软黏土的无侧限抗压强度和十字剪切强度；

——同上土体，结构破坏时的无侧限抗压强度和十字剪切强度；低灵敏度：1<St≤2；中灵敏度：2<St≤4；高灵敏度：St>47、软黏性土的触变性和灵敏度

（二）土的构造1、定义：整个土层构成的不均匀性特征的总和。2、研究土体构造特征的重要意义：a、土体构造特征反映土体在力学性质和其他工程性质的各向异性或土体各部位的不均匀性；b、土体的构造特征是决定勘探、取样或原位测试布置方案和数量的重要因素之一。（二）土的构造3、碎石土主要构造：a、粗石状构造：是由相互挤靠着的粗大碎屑形成骨架，外表很像“干砌石”；b、假斑状构造：在较细颗粒组成的土体中，混杂着一些较粗或粗大碎屑，而粗大碎屑互不接触，不能形成骨架。3、碎石土主要构造：土的组成和结构、构造课件

（二）土的构造4、砂土和砂质粉土主要构造：a、透镜体构造；b、粒度较均匀的交错层构造；（二）土的构造

（二）土的构造5、黏性土主要构造：层状构造、显微层状构造和各种裂隙、节理构造（二）土的构造4.2.1土的三相比例指标4.2.1土的三相比例指标（1）土的颗粒相对密度ds土粒重量与同体积的4℃时水的重量之比，称为颗粒相对密度ds，它在数值上为单位体积土粒的重量。颗粒相对密度决定于土的矿物成分、它的数值一般为2.6~2.7之间。有机质土为2.4~2.5；泥炭土为1.5~1.8之间；含铁质较高的黏性土可达2.8~3.0。颗粒相对密度可在实验室采用比重瓶法测定。（1）土的颗粒相对密度ds土粒重量与同体积的4℃时水的重量之（2）土的重度单位体积土的重量称为土的重度，土的重度取决于土粒的重量，孔隙体积的大小和孔隙中水的重量。天然状态下土的重度变化范围很大，一般黏性土重度在18~20KN/m³；砂土为16~20KN/m³；腐殖土为15~17KN/m³。一般用“环刀法”测定。（2）土的重度单位体积土的重量称为土的重度，土的重度取决于土（3）（天然）密度单位体积土的质量，单位或。[重度为单位体积土的重量，单位。]土的密度一般用“环刀法”测定。相应于天然密度，有干密度（）：单位体积土中固体颗粒的质量，干密度越大，土越密实－干容重。饱和密度（）：土体完全饱水时，单位体积的质量－饱和容重。（3）（天然）密度单位体积土的质量，单位式中，、、分别为土粒的质量、土的体积和水的密度。有效密度或称浮密度（）：地下水位以下，单位土体积中土粒的质量扣除浮力后的质量－浮容重（4）土的含水量（含水率）（）土中水的质（重）量与土粒质（重）量的比值：式中，、、分别为土粒的质量、土

含水量是土的重要指标，对于细粒土，含水量越高，强度越低。对于粉土，可以根据含水量对土的状态进行划分:

稍湿；湿；很湿（5）土的饱和度（）土中被水充满的孔隙体积与孔隙总体积的比，以百分数表示。对于砂土和砾石土，可以根据饱和度对土的状态进行划分：稍湿很湿饱和不易操作？含水量是土的重要指标，对于细粒土，含水量越高

孔隙比是土的重要物理性质指标，用来评价土层的密实程度。一般来说，e<0.6时，属于密实的低压缩性土；e>1时，属疏松的高压缩性土。（6）土的孔隙比（