2.1土的三相组成及土的结构
土的组成及工程地质性质
土的组成及工程地质性质
一、土的组成
土是由颗粒（固相）、水溶液（液相）和气（气相）所组成的三相体系。
二、土的结构和构造
三、土的分类
四、土体的工程地质性质
1.土的物理力学性质
（1）土的主要性能参数
（2）土的力学性质
1）土的压缩性，是土在压力作用下体积缩小的特性。
2）土的抗剪强度。
在土的自重或外荷载作用下，土体中某一个曲面上产生的剪应力值
达到了土对剪切破坏的极限抗力时，土体就会沿着该曲面发生相对滑移而失稳。
土对剪切破坏的极限抗力称为土的抗剪强度。
2.特殊土的主要工程性质。
土力学与地基基础(1、绪论2、土的三相组成).
1.6 课堂讲授内容
绪论 土的三相组成及土的结构 土的物理性质、水理性质和地基土的工程分类 土中的应力 土的变形性质及地基沉降计算
（续）
土的抗剪强度和地基承载力 土压力和土坡稳定 岩土工程勘察概述 浅基础设计 桩基础 基坑工程 地基处理
1.7 实验教学内容
2.3 土的结构与构造
（1）土的结构－指土粒单元的大小、形状、相互排列及 其联结关系等因素形成的综合特征。土的结构和构造对土 的性质有很大影响。 土的结构分为单粒结构、蜂窝结构及絮凝结构三种基 本类型。
图2.8 土的结构
(a)、(b)单粒结构
(c)蜂窝结构
（续）
单粒结构－由粗大土粒在水或空气中下沉而形成的。全部 由砂粒及更粗土粒组成的土都具有单粒结构。 蜂窝结构－主要由粉粒(0.075～0.005mm)组成的土的结构 形式。蜂窝结构的土有很大孔隙。 絮凝结构-更为细小的粘粒(d<0.005mm)或胶粒 (d<0.002mm)，它们与水作用产生粒间作用力（既有排斥 力也有吸引力），在粒间作用力作用下，土粒或聚粒以边 -边、边-面方式互相联结在一起，形成絮凝状结构。
地基与基础 示意图（一）
地基与基础示意图（二）
1.2 土力学及基础工程学科发展概况
土力学与基础工程既是一门古老的工程技术， 又是一门新型的应用科学。随着社会的发展和生活 上的需要，人类很早就已创造了自己的地基基础工 艺。如都江堰水利工程、万里长城、杭州湾海塘木 桩护岸工程等。但没有系统的理论总结。 18世纪工业革命以后，大规模的城市建设和水 利、铁路的兴建面临着许多与土有关的问题，从而 促进了土力学理论的产生和发展。1773年，法国的 库仑(Coulomb)根据试验创立了著名的砂土抗剪强度 公式，提出了计算挡土墙土压力的滑楔理论。1857 年，英国的朗金(Rankine)又从另一途径提出了挡土 墙土压力理论，这对后来土体强度理论的发展起了 很大的促进作用。
土的组成与构造
土随着生成环境、物质成分、形成年代的不 同，工程特性也复杂多变。生成不同性质的土体， 如软土、黄土、填土等。因此在建筑物设计前， 必须充分了解、研究建筑场地土(岩)层的工程地 质条件并作出正确的评价。 由于土是以矿物颗粒组成骨架的松散颗粒集 合体（松散体介质），必须通过专门的土工试验 技术进行研究。
（1）土颗粒的矿物成分
固体颗粒构成土的骨架，其大小和形状、矿物成分及其 组成情况是决定土物理力学性质的重要因素。 土的矿物成分主要取决于母岩的成分及其所经受的风化作 用、搬运及沉积作用。 土的固体颗粒物质成分有两大类： ①原生矿物。指物理风化产生的粗颗粒矿物，具有原来岩 石的矿物成分。常见的有长石、石英、云母等。 ②次生矿物。系原生矿物经化学风化作用后而形成新的矿 物。它们颗粒细小，呈片状，是粘性土固相的主要成分。
基本概念
重力水－存在于地下水位以下、 土颗粒电分子引力范围以外的水， 因为在本身重力作用下运动，故 称为重力水。 毛细水－受到水与空气交界面处 表面张力的作用、存在于地下水 位以上的透水层中自由水（图 2.7所示）。 土的毛细现象是指土中水在 表面张力作用下，沿着细的孔隙 向上及向其他方向移动的现象。
细粒
巨大的漂石
卵石
碎 石
粗 砂
细 砂
粘 土
（3）土的颗粒级配
颗粒级配：土中各粒组的相对含量，以各粒组重量与土粒 总重量比值的百分数表示。 要了解天然土颗粒的组成情况，不仅要了解土颗粒的大 小，而且要了解各种颗粒所占的比例。因为在自然界很难遇 到单一粒组所组成的土，绝大多数都是由几种粒组混合组成。 颗粒级配的表示方法：土的颗粒级配曲线（图2.5）。 颗粒级配好坏的评定方法： ①颗粒级配曲线形态直观判断：曲线平缓表示粒径大小相 差悬殊，颗粒不均匀，级配良好（如图2.5曲线B）；反之， 则颗粒均匀，级配不良（图2.5曲线A、C）。
土力学与基础工程课后思考题答案
土力学与基础工程课后思考题答案第二章2.1土由哪几部分组成？土中水分为哪几类？其特征如何？对土的工程性质影响如何？土体一般由固相、液相和气相三部分组成（即土的三相）。
土中水按存在形态分为：液态水、固态水和气态水（液态水分为自由水和结合水，结合水分为强结合水和弱结合水，自由水又分为重力水和毛细水）。
特征：固态水是指存在于颗粒矿物的晶体格架内部或是参与矿物构造的水，液态水是人们日常生活中不可缺少的物质，气态水是土中气的一部分。
影响：土中水并非处于静止状态，而是运动着的。
工程实践中的流沙、管涌、冻胀、渗透固结、渗流时的边坡稳定问题都与土中水的运用有关。
2.2土的不均匀系数Cu及曲率系数Cc的定义是什么？如何从土的颗粒级配曲线形态上，Cu和Cc数值上评价土的工程性质。
不均匀系数Cu反映了大小不同粒组的分布情况。
曲率系数Cc描述了级配曲线分布的整体形态，表示是否有某粒组缺失的情况。
评价：（1）对于级配连续的土：Cu>5,级配良好；Cu<5，级配不良。
（2）对于级配不连续的土：同时满足Cu>5和Cc=1~3，级配良好，反之则级配不良。
2.3说明土的天然重度、饱和重度、浮重度和干重度的物理概念和相互联系，比较同一种土各重度数值的大小。
天然重度、饱和重度、浮重度和干重度分别表示单位体积的土分别在天然、饱和、湿润、干燥状态下的重量，它们反映了土在不同状态下质量的差异。
饱和重度>天然重度>干重度>浮重度2.4土的三相比例指标有哪些？哪些可以直接测定？哪些通过换算求得？为换算方便，什么情况下令V=1，什么情况下令Vs=1？三相比例指标有：天然密度、含水量、相对密度、干密度、饱和密度、有效密度、孔隙比、孔隙率、饱和度。
直测指标：密度、含水量、相对密度。
换算指标：孔隙比、孔隙率、饱和度。
当已知相对密度ds时令Vs=1，当已知天然密度时令V=1，如若两者都已知，设V=1或Vs=1都行2.5反映无黏性土密实度状态的指标有哪些？采用相对密实度判断砂土的密实度有何优点？而工程上为何应用得并不广泛？指标：孔隙比、最大孔隙比、最小孔隙比。
土壤学第四章土壤质地和结构
③ 根据砂粒(sand)含量，凡砂粒含量大于55%的，
在质地名称前冠“砂质(sandy)” 。
土壤 学
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（2）美国制(Soil Taxonomy)（连接） 等边三角形的三个边分别表示砂粒、 粉粒、
粘粒的含量。根据土壤中砂粒、粉粒、粘粒的含量 ，在图中查出相对应的区域，即得该土壤的质地。 （3）卡庆斯基制 (Kachinsky classification system of soil texture)
土壤密度一般取平均值2.65g/cm3。
2020/3/30
5
3. 土壤比重 (soil specific gravity) 土壤密度与4℃时纯水密度之比，一般取2.65。
（二）土壤容重(bulk density of soil) 1. 概念: 单位体积自然状态土壤体（原状土）（含粒 间孔隙）的重量（干重）。（g/cm3）
土壤固、液、气三相容积比，反映土壤水、气关系。 atmosphere water
organic matter
mineral
一、土壤的密度和容重
（一）土壤密度(soil density) 1. 概念 单位容积固体土粒(不包括粒间孔隙)的质
量。(g/cm3)
2. 影响土壤密度的因素 矿物组成、有机质含量、土壤质地。
2. 土壤质地概念 按土壤颗粒组成进行分类，将颗粒组成相近而土
壤性质相似的土壤划分为一类并给予一定名称，称为 土壤质地。
划分土壤质地的目的在于认识土壤的特性并合理利 用土壤和改良土壤。
3. 土壤质地分类(soil texture classification)制
（1）国际制(international system)
（三）各级土粒的物理性质
土力学--第1章 土的组成
土粒的级配－颗分曲线分析
• 土的粒径范围窄，分布曲线陡 ，d10和d60靠近， 土的不均匀系数小，表示土粒均匀 • Cu小 均匀 无细粒土填空 压密 度小 • 土的粒径范围宽，分布曲线缓， d10和d60相距 远，土的不均匀系数大，表示土粒不匀 • Cu大 不均匀 有细粒土填空 压密 度大
土粒的级配－颗分曲线分析
Cu 5
同时满足，级配良好
Cc 1 ~ 3
1.3 土中水和土中气 一、土中水
引力最大，离土粒最近，它是不 可移动的强结晶水，它的含量决定 了土的塑性
强结合水（吸着水）
结合水
指紧靠土粒表面的结合水膜
土 中 水
自由水
弱结合水（薄膜水） 毛细水
存在于地下水位以上，受到水与 空气交界面处表面引力作用的自由 水。 也称地下水，是存在地下水位以 下的透水层中的地下水，可以自由 运动，直接影响土的固结。
土是自然界的产物
土有哪些特点？
碎散性
三相体系
自然变异性
力学特性复杂
• 变形特性
• 强度特性 • 渗透特性
§1.1 土的形成
物理风化
• 岩石和土的粗颗粒受各种气 候等物理因素的影响产生胀
化学风化
缩而发生裂缝,或在运动过 程中因碰撞和摩擦而破碎
• 是颗粒大小发生量的变化 • 矿物成分与母岩相同，称原 生矿物
中砂
细砂 粉砂
粉土：粒径大于0.075mm的颗粒 含量小于总质量50% 而塑性指数Ip10的土
粘性土：塑性指数Ip>10的土
粉质粘土：10<Ip17的土 粘 土 ： Ip>17的土
《土的工程分类标准》
土粒粒组的划分
粒组统 称 粒组名称 漂石（块石）粒 巨 粒 卵石（碎石）粒 砾 粒 粗粒 砂 粒 60<d≤200 粒径d范围（mm） d>200 分析 方法 主 要 特 征
土力学第二章：土的物理性质及工程分类全解
第2章 土的物理性质及工程分类 2.2 土的三相组成
2.2.1土的固体颗粒
3.土的粒径级配 巨粒(>200mm)
土颗粒
粗粒(0.075-200mm)
卵石或碎石颗粒 (20200mm)
圆砾或角砾颗粒 (2-20mm) 砂 (0.075-2mm)
细粒(<0.075mm)
粉粒(0.005-0.075mm)
第2章 土的物理性质及工程分类
2.1.1土的生成
（1）物理风化 ①温差风化：由于温差 变化，岩石在热胀冷缩 过程中逐渐破碎的过程， 常发生在温差较大的干 旱气候地区。
2.1 土的生成与特性
第2章 土的物理性质及工程分类
2.1.1土的生成
（1）物理风化 ② 冰劈作用：充填于岩 石裂隙中的水结冰体积 膨胀而使岩石裂解的过 程。 水结成冰时其体积可增 大9.2％。冰体将对裂缝 壁产生2000kg／cm2的 巨大压力。
1.0 ,0.5, 0.25,
0.075
第2章 土的物理性质及工程分类
2.2.1土的固体颗粒
3.土的粒径级配 (1) 筛分法：适用于0.075mm≤d≤60mm
2.2 土的三相组成
筛析机
第2章 土的物理性质及工程分类
2.2.1土的固体颗粒
3.土的粒径级配 (2) 比重计法:适用于d＜0.075mm
粒径<0.25mm: 粒径<0.075mm:
1-155 0 0151 000 1% 0 500
1-15 5 0 015 100 3 0 04% 500
<2.0
<1.0
<0.5
<0.25
<0.075
90%
60%
土质学（第2章）
第二章土的成分及其分析§ 2.1 土的成分§2.1.1土体三相组成土是由固相物质、液相物质和气相物质组成的复杂介质。
对土的性质进行研究时，必须分析组成土的三相物质。
1．固相物质土的固相物质分无机矿物颗粒和有机质，成为土的骨架。
◆固体矿物土体中的固体矿物包括原生矿物和次生矿物。
原生矿物：原生是岩浆在冷凝过程中形成的矿物质，如石英、长石、云母等。
次生矿物：是原生矿物经化学风化作用后，发生化学变化而形成新的次生矿物，如三氧化二铁、三氧化二铝、次生二氧化硅、粘土矿物、碳酸盐等。
次生矿物溶解性：次生矿物按期于水的作用可分为可溶的或不可溶的。
可溶的按其溶解难易程度又可分为易溶的、中溶的和难溶的。
次生矿物的成分和性质均较复杂，对土的工程性质影响也较大。
◆有机物在土的风化形成过程中，往往有微生物的参与，在土中产生有机质成分，如多种复杂的腐殖质矿物、动植物残骸体等有机残余物（如泥炭）。
有机质对土的工程性质影响很大。
但目前对土的有机质组成的研究还很不够。
2．液相物质土的液相物质是指存在于土孔隙中的水。
一般把土中的水看成是中性的，无色、无味、无嗅，其密度为1g/cm3，重力密度为9.81kN/m3，冰点在0°C，沸点为100°C。
实质上，土中水是成分复杂的电解质水溶液，它与土粒间有着复杂的相互作用。
按水与土颗粒之间作用的强弱程度划分为结合水（强结合水、弱结合水）和自由水（毛细水和重力水）◆结合水1当土粒与水相互作用时，土颗粒会吸附一部分水分子，在土粒表面形成一定厚度的水膜，称为表面结合水。
它受土粒表面引力的控制而不服从静水力学规律。
结合水的密度、粘滞度均比一般正常水为高；冰点低于0°C，最低可达零下几十度。
结合水的以上这些特征随着离土粒表面距离而变化。
愈靠近土拉表面的水分子，受土粒的吸附力愈强，与正常水的性质的差别众大。
因此按吸附力的强弱，结合水可分为强结合水(也称为吸着水)和弱结合水(也称为薄膜水)。
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三、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
0
粒径(mm)
§2 土的物性与分类 §2.1土的三相组成 一. 固体颗粒
小于某粒径之土质量百分数（％） 10 5.0 1.0 0.5 0.10 0.05 0.01 0.005 0.001
特征粒径:
d60 : 控制粒径 d10 : 有效粒径 d30 :中值粒径
不均匀系数：
Cu = d60 / d10
自由水
气态
结合水
重力水 毛细水 强结合水 弱结合水 粘性土的性质
强结合水
弱结合水
自由水
粘粒
• 强结合水：紧靠于土颗粒的表面，受电场作用 很大，不能移动，表现出固态特性
它的特征是：1）.没有溶解盐类的能力，2）. 不能传递静水压力，3）.只有吸热变成蒸汽时 才能移动。
弱结合水：强结合水外，电场作用范围内的水， 是一种粘质水膜
Cu ≥5,级配不均匀
曲率系数:
Cc = d302 / (d60 ×d10 )
土的粒径级配累积曲线
100
908070源自605040
30
20
10 0
d60 d50 d30
d10
粒径(mm)
d60 d10 d30 Cu Cc
0.33 0.005 0.063 66 2.41
颗粒级配的描述
工程上常用不均匀系
（2）次生矿物 化学风化产物，颗粒细，呈片状，为粘粒组的主要成分。 颗粒细，比表面积大，与水的作用能力强，能发生一系 列复杂的物理、化学变化。活性大，亲水性强。
粘土矿物
复合的铝－硅酸盐晶体，片状。
蒙脱石
伊利石
高岭石
亲水性：
蒙脱石>伊利石>高岭石
二. 土中的水和气体
1. 土中的水 固态
土中的水
液态
小 于 某 粒 径 的 土 粒 质 量 /%
100
80
60
40
20
0 10
1
0 .1
0 .0 1
粒 径 /mm
曲线出现平直段反映什么情况？ 曲线出现竖直段反映什么情况？
1 E -3
讨论
2. 土的矿物成分
（1）原生矿物
物理风化产物，石英、长石、云母等。颗粒粗，为砂、砾组 主要成分。 颗粒大，比表面积小，与水的作用能力弱，其抗水性和抗 风化作用都强，工程性质稳定。若级配良好，则土的密度 大，强度高，压缩性低
密实状态
疏松状态
Thanks for your attention ！
数Cu描述颗粒级配的 不均匀程度Cu愈大，
表示土粒愈不均匀。
Cu
d 60 d 10
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
Cc
d
2 30
d10 d 60
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
同时满足：Cu≥5和Cc=1～3时， 为级配良好，否则级配不良
§2 土的物性与分类 §2.1土的三相组成 一. 固体颗粒 1. 粒径级配
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
§2 土的物性与分类 §2.1土的三相组成 一. 固体颗粒
颗粒大小
•粒组 按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类
•界限粒径
d
(mm)
0.1
粗粒
砾石
砂粒
在弯液面处最大,在的下水面处最小为0. 毛细水压力的存在使得毛细区的有效应力增大
重力水-------地下水面以下,土颗粒电分子引力范围以外 的水,仅受重力作用.传递静水压力产生浮托力. 毛细水的工程地质意义：
（1）产生毛细压力： 负的静水压力 （2）毛细水对土中气体的分布与流通起有一定作用， 常是导致产生密闭气体的原因。
细粒
粉粒 粘粒 胶粒
粗 中 细 粗 中 细 极细
20
60
5 2 0.5 0.25
0.05 0.005 0.002
§2 土的物性与分类 §2.1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)
比重计法：适用于细粒土 (<0.075 mm)
•表述方法 粒径级配累积曲线
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
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
§2 土的物性与分类 §2.1土的三相组成 一. 固体颗粒
它的特征是：1）受力时可以从水膜厚处向薄 处移动，也可因电场引力从一个土粒周围转移 到另一个土粒周围;2）不能传递静水压力，但 在重力作用下不会发生移动。是粘土具有塑性 的原因
毛细水------受到水与空气交界面处表面张力的作用,存在 于地下水位以上透水层中的自由水
毛细水上升高度由什么确定: 毛细水压力的大小:
小于某粒径之土质量百分数P（％） 10 5.0 1.0 0.5
0.10 0.05 0.01 0.005 0.001
200g
P
10 5.0 10 2.0 16 1.0 18 0.5 24 0.25 22 0.1 38
72
% 95 87 78 66 55 36
土的粒径级配累积曲线
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10