土力学第一章土的组成

土力学第一章土的组成1第1页，共34页，2023年，2月20日，星期四1概述土是由颗粒(固相)、水(液相)和气(气相)组成的三相体系。固相指土的颗粒，简称土粒。它构成土的骨架，称为土骨架。土粒大小是影响土的性质最主要的因素。土粒大小含量的相对数量关系是土的分类依据。2第2页，共34页，2023年，2月20日，星期四土是由固相、液相、气相组成的三相分散系。固相——包括多种矿物成分组成土的骨架，骨架间的空隙为液相和气相填满，这些空隙是相互连通的，形成多孔介质；液相——主要是水(溶解有少量的可溶盐类)；气相——主要是空气、水蒸气，有时还有沼气等。3第3页，共34页，2023年，2月20日，星期四土体三相比例不同，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，此时粘土呈坚硬状态，砂土呈松散状态；固体+液体+气体为湿土，此时粘土多为可塑状态；固体+液体（气体=0）为饱和土，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；粘土地基受建筑物荷载作用发生沉降需几十年才能稳定。4第4页，共34页，2023年，2月20日，星期四§2土中固体颗粒土粒1土粒的粒度成分氧化物胶体(Al2O3、Fe2O3）和盐类（CaCO3、CaSO4、NaCl等）5第5页，共34页，2023年，2月20日，星期四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。6第6页，共34页，2023年，2月20日，星期四§1.1土的组成一、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的物理力学性质有明显影响

粒组的划分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。粒组间的分界粒径称为界限粒径。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或粒度成分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。7第7页，共34页，2023年，2月20日，星期四粒组统称粒组名称粒径范围（mm）主要特征分析方法巨粒漂石（块石）粒>200透水性很大，压缩性极小，颗粒间无粘结，无毛细性。直接测定卵石（碎石）粒200～60粗粒圆（角）砾粗60～20透水性大，压缩性小，无粘性，毛细性上升高度不超过粒径筛

分

法中20～5细5～2砂粒粗2～0.5易透水,压缩性增加,无粘性,遇水不膨胀,干时松散,毛细性上升高度不大中0.5～0.25细0.25～0.075细粒粉粒粗0.075～0.01透水性小，压缩性中等，毛细上升高度较大，微粘性,易冻胀沉降分析法细0.01～0.005粘粒＜0.005透水性极弱，压缩性变化大，具粘性和可塑性,遇水膨胀大

土粒粒组的划分表1-1

8第8页，共34页，2023年，2月20日，星期四总结粒组界于一定粒度范围内的土粒粒度土粒的大小以粒径表示界限粒径划分粒组的分界尺寸粘粒粉粒砂粒园粒角粒卵石碎石漂石块石0.0050.075260200dmm9第9页，共34页，2023年，2月20日，星期四规律dmm卵石砾石砂粒粉粒粘粒胶粒6020.050.0050.0020.250.5520粗中细粗中细极细0.075粗粒土细粒土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。10第10页，共34页，2023年，2月20日，星期四3.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（即各粒组占土粒总量的百分数）来表示，称为土的颗粒级配

试验方法筛分法：适用于0.075mm≤d≤60mm比重计法:适用于d＜0.075mm11第11页，共34页，2023年，2月20日，星期四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。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，然后计算其占总土粒质量的百分数

12第12页，共34页，2023年，2月20日，星期四比重计法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13第13页，共34页，2023年，2月20日，星期四颗粒粒径级配曲线

纵坐标表示小于某粒径的土粒含量百分比,横坐标表示土粒的粒径(对数坐标）14第14页，共34页，2023年，2月20日，星期四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

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

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

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15第15页，共34页，2023年，2月20日，星期四16第16页，共34页，2023年，2月20日，星期四同时满足为级配良好Cu≥5

Cu＞10在工程中

Cc=1～3砾类土或砂类土同时满足为良好级配砂（砾）

Cc=1～3

Cu<5匀粒土为级配不良

17第17页，共34页，2023年，2月20日，星期四2.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，其矿物成分与母岩相同次生矿物：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

例：石英、云母、长石等特征：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、压缩性较低的特点

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，遇水易膨胀的特点18第18页，共34页，2023年，2月20日，星期四二、土中的水

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，还存在结合水和自由水1.结合水强结合水：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

2.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19第19页，共34页，2023年，2月20日，星期四二、土中水和土中气

土中水含量变化明显影响土的性质(尤其是粘性土)结合水强结合水(吸着水)

弱结合水(薄膜水)

自由水毛细水重力水土中水液态水气态水固态水（冻结）1、土中水

20第20页，共34页，2023年，2月20日，星期四薄膜水吸着水

吸离土粒距离电分子引力土粒

正电荷H+负电荷OH-

颗粒表面的负电荷

极化水分子

结合水

自由水

水化阳离子

21第21页，共34页，2023年，2月20日，星期四（1）强结合水强结合水：紧靠于颗粒表面、受电场强大作用力、几乎完全固定排列、丧失液体的特性而接近于固体

吸引力高达几千至几万个大气压1个大气压=1kg/cm2=100kpa=100kN/m2相当于10m的水柱高

22第22页，共34页，2023年，2月20日，星期四特征不传递静水压力不受重力的影响没有溶解盐类的能力水分子定向排列冰点-78度(过冷现象)密度1.2-2.4g/cm3具有极大粘滞性、弹性、抗剪强度阳离子浓度最大温度>105度吸热变蒸汽23第23页，共34页，2023年，2月20日，星期四（2）弱结合水弱结合水：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

不传递静水压力密度1.0-1.7g/cm3

具有较大粘滞性、弹性、抗剪强度特征较厚的水膜向较薄的水膜迁移24第24页，共34页，2023年，2月20日，星期四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特征冰点为0℃有溶解能力

重力作用重力水毛细水毛细水上升高度饱和带重力水毛细水25第25页，共34页，2023年，2月20日，星期四薄膜水吸着水

吸离土粒距离电分子引力土粒

正电荷H+负电荷OH-

颗粒表面的负电荷

极化水分子

结合水

自由水

水化阳离子

26第26页，共34页，2023年，2月20日，星期四（3）毛细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水与空气界面的表面张力作用

重力作用砂土、粉土、粉质粘土中毛细水含量较大毛细水主要存在于直径为：0.002-0.5

mm孔隙中27第27页，共34页，2023年，2月20日，星期四土的毛细现象对工程的影响◆建筑物地基冻害地基冻结地基冻融◆建筑物地下结构侧壁过分潮湿冻胀力融陷◆建筑物地下钢筋混凝土结构侵蚀◆引起沼泽化◆引起盐渍化耐久性降低28第28页，共34页，2023年，2月20日，星期四（4）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能传递水压力对土体产生浮力作用在压力差作用下产生渗流

流土重力水动水压力渗透破坏溶解土中盐类管涌孔隙率增大压缩性增大抗剪强度降低29第29页，共34页，2023年，2月20日，星期四三、土中气体

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

30第30页，共34页，2023年，2月20日，星期四四、粘土颗粒与水的相互作用

强度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约与矿物颗粒本身的结晶格架特征有关与组成矿物的原子和分子的排列有关粘性塑性压缩性胀缩性土的31第31页，共34页，2023年，2月20日，星期四四、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，与组成土的颗粒大小、颗粒形状、矿物成分和沉积条件有关

1.单粒结构：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。根据形成条件不同，可分为疏松状态和密实状态

密实状态疏松状态32第32页，共34页，2023年，2月20日，星期四2.蜂窝结构：颗粒间点与点接触，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,很多链环联结起来，形成孔隙较大的蜂窝状结构

3.絮状结构：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