浙江大学 高等土力学讲义1

第一章 土的结构与分类谢新宇 韩同春1.1 土的形成1．土由岩石经风化作用而成. 土的工程性质与土的形成环境, 过程, 成分, 结构, 构造密切相关.风化作用⎪⎩⎪⎨⎧坏作用植被，树木根系等的破生物作用－－微生物，还原作用，碳化作用等，离子交换作用，氧化化学风化－－水解作用等等破坏作用，热胀冷缩，加载卸载物理风化－－风吹雨打土⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧腐殖土泥炭土冰成沉积土水成沉积土风成沉积土沉积土残积土（1）残积土――岩石经风化残留在原处的土。

残积土特点：未经搬运，未被摩圆和分选，没层理，大孔隙，非均质。

（2）（风成）沉积土――经风力搬运堆积而成的土。

例如 ①黄土⎩⎨⎧蚀搬运重新沉积的黄土次生黄土－－经水流侵不层理的黄土原生黄土－－未经扰动黄土按年代分有老黄土、新黄土，按湿陷性分有湿陷性黄土、非湿陷性黄土②砂丘――在风力作用下可以在地面上移动，由于风的分选作用极不均匀。

(3)水成沉积土――经水流搬运后沉积的土。

水成沉积土⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧海相沉积土三角洲沉积土湖相沉积土冲积土洪积土坡积土 ①坡积土――岩石风化物经雨水雪水冲刷、侵蚀、携带、沉积在平缓的山坡上形成的沉（堆）积物。

坡积土特点：搬运距离短、土质不均匀、厚度变化大、压缩性高。

②洪积土――山洪急流冲刷地表土层，形成泥石流，在山谷冲沟出口或山前倾斜平原上形成的堆积物。

洪积土特点：有不规则交错的层理构造（如夹层、透镜体等），土质不均匀。

③冲积土――河流水力作用将坡积土和洪积土侵蚀、搬运、沉积在河流坡降变小的平缓地带形成的沉积物。

冲积土特点：沿河流可形成上游冲积土、下游冲积土，范围越来越大，颗粒越来越小、越来越圆。

④湖相沉积土――在湖泊沉积的土特点：在岸边沉积较粗大碎屑的物质，湖底的中部多沉积细小颗粒的物质。

⑤三角洲沉积土――河流流入海洋时，流速急剧减少，悬浮物质在河口形成的沉积土。

三角洲沉积土特点：结构复杂，层理明显或透镜体，颗粒细，分布一定规律。

土的层理结构⑥海相沉积土――由海岸岩石破坏后的碎屑物质组成。

海相沉积土100200km 200400km 400km ⎧⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎩滨海沉积物（主要有卵石，圆砾，砂等粗颗粒）浅海沉积物（离滨海～，主要有细颗粒砂土，粘性土，淤泥和生物化学沉积物）陆坡沉积物（离滨海～，主要有粘土，含钙（硅）的软泥）深海沉积物（离滨海以外，主要有粘土，含钙（硅）的软泥）海相沉积土特点：离海岸越远沉积物越细。

（4）冰川沉积土――冰川活动 搬运 溶化 沉积冰川沉积土⎪⎩⎪⎨⎧冰川－湖泊沉积物冰川－河流沉积物冰川沉积物2．沉积物沉积后的物理化学过程（1）风化作用――块体→大颗粒→小颗粒 （2）固化作用――P →e →τ（3）成岩作用――温度、压力、时间效应、物质转化（4）溶解作用――离子交换和可溶盐的淋溶（如土洞、溶洞）地质循环1.2 土的组成土的组成⎪⎩⎪⎨⎧土的气相土的液相土的固相1. 土的固相1）土的矿物成分――取决于母岩的成分及其所经受的风化作用。

土的矿物成分⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧盐类（沉淀析出）遗体分解有机质－－源于动植物物风化形成次生矿物－－由原生矿粒形成岩石结构的矿物颗原生矿物－－岩石碎屑①粗大颗粒（d>2mm ）――岩石碎屑，其矿物成分与母岩相同。

②砂粒（d=0.075～2mm ）――母岩中的单矿物颗粒，如石英，长石和云母等。

③粉粒（d=0.005～0.0075mm ）――主要是石英，MgCO 3,CaCO 3等难溶盐的颗粒。

④粘粒（d<0.005mm ）――主要有粘土矿物，氧化物，氢氧化物和各种难溶盐类，如碳酸钙。

粘土矿物⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-++++成八面体晶体交替迭合而绿泥石－－硅氧晶片与组成的晶胞氧晶片和一层硅氧晶片高岭石－－由一层铝氢因而晶胞间出现一价取代，可以被四面体中的似于蒙脱石，但伊利石－－结构单元类片片之间夹一层铝氢氧晶蒙脱石－－两层硅氧晶K Fe Al Si O Si 334,硅氧四面体示意图 铝氧八面体或镁氧八面体示意图高岭石结构示意图蒙脱石结构示意图 伊利石结构示意图绿泥石结构示意图2) 土的颗粒级配――土的颗粒大小、形状、级配对土的物理力学性质有重要的影响。

筛分法――用一套孔径递减的筛子将风干的土过筛分离，记录每个筛子上留下来得土体质量，可得到土的颗粒级配。

比重计法和移液管法的基础是Stokes 定律 。

Stockes 定律假定：① 颗粒是球形的。

② 颗粒周围的水流是线流。

③ 颗粒大小比分子大得多。

在静止液体中一个球形颗粒下沉速度为：)(922ηγγl s r v -=式中r ―颗粒半径； s γ―颗粒重度； l γ―液体重度； η―液体粘滞系数。

于是21)(18⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=t h D l s γγη式中D ―颗粒直径；h ―颗粒t 时间时下沉距离。

土的颗粒级配曲线――根据颗粒粒径分析结果绘制。

颗粒级配曲线不均匀系数 1060d d K u =。

u K 越大，级配越好，工程上10>u K 级配良好。

曲率系数 6010230d d dK c =。

反映曲线的整体形状。

单独用u K 评估土的级配不够全面，要同时考虑曲率系数c K 。

对⎩⎨⎧砂类土砾类土， 当⎩⎨⎧-=≥315cu K K 时级配良好。

对粗粒土：浑圆度——用于描述土颗粒各个突角的尖锐程度，∑=⎪⎭⎫⎝⎛ni i n Rr 1/。

近球度——用于描述土颗粒与球体接近的程度，edD D 。

d D －把土颗粒放置于其平的一面时，与土颗粒投影面积相等的直径。

e D ——该土颗粒最小外接圆直径。

2．土的液相1）土中水的存在形态 土工原理与计算⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧-⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎩⎨⎧--土中气的一部分气态水毛细上升水毛细悬挂水）毛细水（地下水位以上）重力水（地下水位以下自由水点－不能传递静水压力，冰～＝没有溶解盐类的能力，弱结合水强结合水结合水液态水水）内部或参与矿物构造的（存在于土粒矿物晶格结合水矿物中结晶水或称内部固态水土中水C cm g 0378/4.22.1ρ 土中细粒越多，土的分散度越大，水对土的性质影响也越大。

一般来说，水对土的工程特性总是产生不利影响，如冻涨现象，融陷现象。

2）双电层理论 粘土颗粒间作用力 电动现象 电泳 电渗2/1220)8(1ve n kTD K π= 3）离子交换粘土颗粒带负电荷，外层吸附有带正电荷的阳离子。

被粘土颗粒吸附的各种阳离子，对粘土的亲和性是不同的，其顺序为：++++++++>>>>>>>Na Li H K NH Mg Ca Al 4223前面的某一种离子可以置换后面的离子，这种现象称为离子交换。

NaCl Ca CaCl Na +→+粘土粘土2离子交换后产生交换能量，可交换的离子数量，通常以每克粘土的毫克当量来计。

粘土种类 离子交换能量mg 当量/100g 高岭石 3～15 伊利石 10～40 蒙脱石 80～1504）饱和土中的静孔隙水压力5）毛细作用毛细作用可以使地下水位以上的部分土体中孔隙充满水或部分充满水，形成饱和土或湿土。

毛细水上升高度c h 的计算以大气压作为基准面，则空气压力0=a P 。

根据弯液面上竖向力的平衡有：r T u u r r T αππαcos 20)2(cos 2-=⇒=+ 考虑毛细管中毛细水的平衡有：wc w c r T h r T h r γαπαγπcos 20)2(cos 2=⇒=-显然c h 的大小取决于液体、毛细管材料和直径，或者说水质、土质和密实度。

(c h )min 决定饱和区 (c h )max 决定湿土区。

1.3土的三相关系及土的结构土的三相关系及简化图1． 土的三相关系⎪⎩⎪⎨⎧气相（空气）液相（水、可溶盐类）固相（土颗粒）非饱和土土的质量：w s m m m += 土的体积：a w s V V V V ++= 孔隙体积：a w v V V V +=九个三相比例指标 ①土的孔隙比对非饱和土 s vV V e = 对于饱和土 swV V e =粘性土和粉土e=0.40～1.20 砂土 e=0.30～0.90 0.16.0><e e 高压缩性土低压缩性土②土体孔隙率对非饱和土 V V n v= 对于饱和土 VVn w =孔隙率与孔隙比的关系 eeV V V V V V V n s v s v v s v +=+=+=11粘性土和粉土：n=30%～60% 砂土： n=25%～45% ③饱和度 %100⨯=vwr V V S r S =0%～100% ④含水量(用试验测定)%100⨯=swm m w w =20%～60% ⑤土颗粒比重wls w s s s V m d ρρρ==式中-s ρ土颗粒密度，g/cm 3；-wl ρ纯水4o C 时的密度，g/cm 3。

一 般 值：s d =2.60～2.80 砂 土：s d =2.65 ～2.69 粉 土：s d =2.70 ～2.71 粉质粘土：s d =2.72 ～2.73 粘 土：s d =2.74 ～2.76⑥土的密度Vm=ρ 重度g ργ=粘性土：ρ=1.8 ～2.0 g/cm 3砂 土：ρ=1.6～2.0 g/cm 3干 密 度Vm sd =ρ ⇒ 干重度g d d ργ= 饱和密度V V m wv s sat ρρ+= ⇒ 饱和重度g sat sat ργ=浮 密 度VV m w s s ρρ-='⇒ 浮重度g ''ργ=式中 g ―重力加速度土的三相比例关系以上三相比例指标中，土颗粒比重s d 、含水量w 和密度ρ三个指标通过试验确定，其余指标可以通过换算求得。

2．土的结构与构造①土的结构是指由土粒单元的大小、形状、相互排列及其联结关系等因素形成的综合特性。

⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧<<>=>散结构。

呈面与面接触，形成分挥，定向平行排列，间的排斥力可以充分发类，粘粒或集合体在淡水沉积时，缺少盐）分散结构（状结构。

呈面与边接触，形成絮度大，排斥力减少，在海水中，盐类离子浓粒凝聚成絮状结合体。

）电解质浓度改变，粘絮凝结构（重力）（吸引力蜂窝结构（吸引力）（重力的或紧密的单粒结构（砂粒）疏松土的结构mm d mm d mm d 005.0005.0)005.0~05.0土的结构常用来研究土结构的仪器：电子显微镜 偏光显微镜 X 射线衍射 X 射线透射②土的构造——指在同一土层中的物质成分和颗粒大小等都相近的各部分之间的相互关系的特征。

构造最主要的特性就是成层性，即层理构造，还有土的裂隙性（如黄土）。

土的构造⎩⎨⎧交错层理构造水平层理构造1.4 无粘性土的密实度1． 孔隙比的测定e最小孔隙比m in e 的测定锤击法 振动法 最大孔隙比m ax e 的测定量筒倒转法漏斗法和松砂器法 天然孔隙比 e 的测定通过量测比重、含水量和重度计算得到()111-+=-=dWs dws W d d e ρρρρ2． 相对密度r Dminmax max e e e e D r --=r D 越大，强度越高，可压缩性越小密实状态 67.000.1≥≥r D 中密状态 33.067.0≥≥r D 松散状态 033.0≥≥r D1.5 粘性土的稠度 阿太堡界限土的状态及界限含水量1．缩限的测定缩限试验2． 塑限和液限的测定搓条法锥式或碟式液限仪锥式液限仪碟式液限仪或塑液限联合测定仪入土深度与含水量的关系3．塑性指数p I ——反映土体处于可塑状态的含水量变化范围。