第1章 土的组成
粒组统称 巨粒 粗粒
细粒
表1-1 土粒粒组的划分【《土的工程分类标准》 （GB/T50145—2007）】
粒组名称
粒径范围(mm)
一般特征
漂石或块石颗粒
卵石或碎石颗粒
粗
圆砾或 角砾颗粒
中
细
粗
砂砾
中
细
粉粒
>200
200～60
60～20 20～5 5～2 2～0.5 0.5～0.25 0.25～0.075
2.土粒矿物成分与粒组的关系
土中矿物成分与粒度成分存在着一定的内在联系，如图1.7所示。
图1.7 土的矿物成分与粒组关系示意图
有机质:动植物分解后的残骸，分解彻底的称为腐殖质。腐
殖质的颗粒极细，粒径小于0.1m，呈凝胶状，带有电荷， 具有极强的吸附性。
1.3 土中水和土中气
1.3.1 土中水
1.4 黏土矿物与水的相互作用
1.4.1 黏土矿物的结晶结构与亲水性
黏土颗粒（黏粒）的矿物成分主要有黏土矿物和其他化学胶结物或 有机质，其中黏土矿物的结晶结构特征对黏性土的工程性质影响较大。 黏土矿物实际上是一种铝—硅酸盐晶体，是由两种晶片交互成层叠置构 成的。一种是Si-O四面体构成的硅氧晶片（简称硅片）；另一种是AlOH八面体构成的铝氢氧晶片（简称铝片） 。
0.075～0.005
透水性很大，无黏性，无毛细水
透水性大，无黏性，毛细水上升高度不超过粒径大小
易透水，当混入云母等杂质时透水性减小，而压缩性 增加；无黏性，遇水不膨胀，干燥时松散；毛细水上升 高度不大，随粒径变小而增大 透水性小，湿时稍有黏性，遇水膨胀小，干时稍有收 缩；毛细水上升高度较大较快，极易出现冻胀现象
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。次生矿物主要是黏土矿物，即高岭石、伊利石和蒙脱石。
۞ 颗粒极细，且多呈片状。 ۞ 性质活泼，有较强的吸附水能力（尤其是由蒙脱石组成的颗粒），具
塑性。
1.可溶性次生矿物。最常见的有岩盐、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 2.不可溶性的次生矿物 （1）黏土矿物：原生矿物长石、云母等硅酸盐矿物经化学风化形成。 （2）游离的氧化物
土具有三个基本特性： ①散体性 ②多相性 ③自然变异性
1.2 土中固体颗粒
1.2.1 土颗粒大小与级配
1.土粒大小与粒组
土粒大小称为粒度。 介于一定尺寸范围的土粒划分为一组，称为粒组。 划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。
土是由大小不同的土粒组成的。土粒的粒径由粗到细逐渐变化时， 土的性质相应地发生变化。例如土的性质随着粒径的变细可由无黏性 变化到有黏性。 土的颗粒级配:土中各个粒组的相对含量(各粒组占土粒总重的百分数)。
(3)固态水
固态水即冰，温度降到0℃以下时，孔隙中的水会凝结成冰。水结冰 后体积膨胀，同时由于水分迁移和补给，在土层中会形成冰层或透镜体。 固态水在土中起着暂时的胶结作用，提高土的力学强度，降低透水性。 但温度升高后，冰层解冻为液态水，使土的强度急剧降低，压缩性增大， 土的性质显著恶化，如处于地下水以上的某些公路路面在开春后的翻浆 现象就是一例。
晶胞间具有较强的氢键联结，水较难渗入其间，其颗粒一般较粗，亲水性弱 。因而主要由这类矿物组成的土，膨胀性和压缩性都较低。
蒙脱石：蒙脱石单位晶胞的上下面均为硅氧四面体晶片，中间夹一个铝氧八面体晶片。
相邻晶胞间由相同的氧原子相接，这种联结既弱也不稳固，水分子很容易楔入 其间，以致将其分散为极细小的鳞片状颗粒，并使晶格沿垂直方向膨胀。
硅氧四面体：一个硅原子和四个氧原子以相等距离堆成四面体形状，硅居其中央
，氧占据四个顶点，四面体中的三个氧被共用，横向联结成六角形的网格。 每个硅原子有四个正电荷，每个氧原子有两个负电荷，四面体排列成的六角网格片
状结构中，每个硅氧四面体都具有一个负电荷。
： 铝氢氧八面体 六个氢氧离子围绕一个铝离子构成的八面体晶片。八面体中每
当r =0.1 m时，hc=150mm，这与砂土(粒径为0.5~l mm)中的情况大致相当。黏土 的孔隙直径约为0.1m，按上式计算毛细上升高度将达150m？
hc
15 r
(2)重力水
重力水是存在于地下水位以下的适水土层中的地下水。它是在重力 或压力差作用下运动的自由水，对土粒有浮力作用。重力水只受重力控 制，不受土粒表面吸引力的影响。
土 “ ”一词在不同的学科领域有其不同的涵义。就土木工程领域而
言，土是指覆盖在地表的没有胶结和弱胶结的颗粒堆积物。土与岩石的 区分仅在于颗粒间胶结的强弱。
物理风化:指由于温度变化、水的冻胀、波浪冲击、地震等引起的物理
力使岩体崩解、碎裂成岩块、岩屑的过程。物理风化仅使岩 石产生量的变化。
化学风化:指岩体(或岩块、岩屑)与空气、水和各种水溶液相接触，经氧
一般可根据土粒在水中匀速下沉时的速度与粒径的 理论关系，用比重计法或移液管法测定。
3.土的颗粒级配累计曲线
颗粒级配累计曲线:颗粒大小分析试验成果，由其横坐标（对数坐标）
表示粒径。纵坐标则表示用小于(或大于)某粒径 的土重含量(或称累计百分含量) 。
土粒质量累计百分数为10%时，相应的粒径称为有效粒径d10。小于某 粒径的土粒质量累计百分数为30%时的粒径用d30表示，称为中值粒径。当 小于某粒径的土粒质量累计百分数为60%时，该粒径称为限制粒径d60。
含蒙脱石矿物较多的土对环境的干湿变化较敏感；土体湿度增高，体积膨胀并形成膨胀压力； 土体失水，体积收缩并产生收缩裂隙，而且这种胀缩变形可随环境变化往复发生，导致土的强度衰 减。
伊利石：含钾量高的原生矿物经化学风化的初期产物，其晶格构造与蒙脱石相似，也是
由两片硅氧四面体夹铝氧八面体构成，不同的是四面体中 Si4+被 Al3+ 所替代 ，由 K＋离子补偿晶层正电荷的不足。
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
土常见的成因类型有：
残积土：指岩石经风化后未被搬运而残留于原地的碎屑堆积物。 坡积土：残积土受重力和暂时性流水的作用，搬运到山坡或坡脚 处沉积起来的土。 洪积土：残积土和坡积土受洪水冲刷、搬运，在山沟出口处或山前 平原沉积下来的土。 冲积土：河流的流水作用搬运到河谷坡降平缓的地带沉积下来的土 湖积土：在湖泊及沼泽等极为缓慢水流或静水条件下沉积下来的土 海积土：在河流流水搬运到海洋环境下沉积下来的土。 风积土：由风力搬运形成的土 冰积土：由冰川或冰水狭带搬运形成的土。
2.2.2 土中气
土中的气体主要是空气和水气。土中气体按其所处的状态和结构特 点可分以下几种类型：吸附于土颗粒表面的气体、溶解于水中的气体、 四周为颗粒和水所封闭的气体以及自由气体。
通常认为自由气体与大气连通，对土的性质无大影响；密闭气体的 体积与压力有关，压力增加，则体积缩小，压力减小，则体积胀大。因 此，密闭气体的存在增加了土的弹性，同时还可阻塞土中的渗流通道， 减小土的渗透性。
2.自由水
在双电层影响以外的水为自由液态水，它主要受重力作用的控制， 土粒表面吸引力居次要地位，这部分水称为非结合水，它包括毛细水和 重力水。
(1)毛细水
毛细水是受到水与空气交界面处表面张力作用的自由水。毛管现象 是毛细管壁对水的吸力和水的表面张力共同作用的结果。
毛细水是受毛细管作用控制的水，可以把土的孔隙看作是连续变截 面的毛细管，毛细管放在水中，管中的水位会上升到自由水位以上的一 定高度，毛管直径愈细上升高度愈高。在常温下毛细上升高度hc与毛管半 径r有以下关系：
利用颗粒级配累积曲线可以确定土粒的级配指标，如不均匀系数Cu 和曲率系数Cc。
Cu
d60 d10
Cc
d320 d10d60
不均匀系数Cu反映大小不同粒组的分布情况。Cu越大表示土粒大小的分布 范围越大、其级配越良好，作为填方工程的土料时，则比较容易获得较大 的密实度。曲率系数Cc描写累积曲线的分布范围，反映曲线的整体形状。
重力
土孔隙中的水
结合水 自由水
强结合水(吸着水)
弱结合水(薄膜水)
液态水
毛细水(过渡型水) 重力水(自由水)
气态水(水蒸气)
固态水(冰)
1. 结合水
土颗粒表面带有一定的电荷，当土粒与水相接触时，由于静电作用 力，将吸引水化离子和水分子，形成双电层，在双电层影响下的水膜称 为表面结合水。双电层的厚薄也反映了结合水的厚薄，结合水具有与一 般自由水不同的性质，其密度较大、黏滞度高、流动性差、冰点低、比 热较大、介电常数较低，这种差异随距离增加而减弱。结合水又可分为 强结合水和弱结合水。
土中水处于不同位置和温度条件下，可具有不同的物理状态—固态、 液态、气态。
液态水是土中孔隙水的主要存在状态，因其受土粒表面双电层影响 程度的不同可分为结合水、毛细水、重力水。后两者也称为非结合水(自 由水)。
表1-3 土中水的分类
水的类型
结合水
自由水
毛细水 重力水
主要作用力 物理化学力 表面张力和重力
第1章 土的组成
§1.1 概述 §1.2 土中固体颗粒 §1.3 土中水和土中气 §1.4 黏性颗粒与水的相互作用 §1.5 土的结构和构造
1.1 概述
土 “ ” 是自然界中性质最为复杂多变的物质。土的物质成分起源于
岩石的风化（物理风化和化学风化）。地壳表层的坚硬岩石，在长期的 风化、剥蚀等外力作用下，破碎成大小不等的矿物颗粒，这些颗粒在各 种形式的外力作用下，被搬运到适当环境里沉积下来，就形成了土。
化、碳化和水化作用分解为极细颗粒的过程，生物的活动也 可 助长风化的进程。而化学风化却使岩石产生质的变化。
在自然界，物理风化和化学风化是同时或交替进行的， 所以任何一种天然土通常既是物理风化的产物，又是化学风 化的产物。
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土力学第一章
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；
2021/8/2
同时满足Cu≥5和Cc=1～3时， 定名为良好级配土
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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）
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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
m s
m s
测定方法：通常用烘干法，亦可近似用酒
精燃烧法
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m ms mw Vs Vw Va
VV
三、换算指标
质量m 气 水
土粒
体积V 1.孔隙比e和孔隙率n 孔隙比e ：土中孔隙体积与 土粒体积之比
e Vv Vs
孔隙率n ：土中孔隙体积与总体积之比，以百 分数表示
n Vv 100% V
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§1.2 土的物理性质指标
一、土的三相图
质量m
体积V
气
Vw Va Vv
mw
水
二、直接测定指标 1.土的密度ρ：单位体积土的质
量 m ms mw
V Vs VwVa
m
Vs V
ms
土粒
特殊情况下土的密度ρd, ρsat,
ρ’
实验方法：环刀法
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工程中常用重度来表示单位体积土的重力
质量极轻，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
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五、土的构造
土的构造是指土体中各结构单元之间的关 系。
1.层理构造：土粒在沉积过程中,由于不同阶段沉积的
物质成分、颗粒大小或颜色不同,而沿竖向呈现出成层 特征
工程岩土学- 第一章
对比1：定义，从粒度成分上分析
§1.3 土的矿物成分（
P9 P33 ）
P9）
原生矿物
简单盐类
一．土的矿物成分的基本类型（
土 的 矿 物 成 分
无机矿物
有机矿物
P 19
{ {
次生粘土矿物
生物残骸 腐殖质
原生矿物————岩浆中直接生成的矿物， 是岩石经物理风化破碎但成分没有发生变化 的矿物碎屑。如石英、长石、云母、方解石、 角闪石、辉石等； 次生粘土矿物————是原生矿物经过化学 风化作用，形成的一些颗粒更细小的新矿物。
一．粒径和粒组（P33）
单位一般采用毫米(mm)。
1.粒径——土颗粒的大小，通常以其直径(d)来表示，
注：土颗粒并非理想的球体，应理解为土粒的平均直径或等效直径。
当土的粒径在某一范围内变化时，土的工程地质性 质差别不大。为了便于研究粒径与土的工程地质性 质的关系，将自然界中土颗粒的粒径变化范围划分 为几个区段，每个区段中包括的土粒成分相近，性 质相似。
0.88 2.4
不良 良好
三．土按颗粒组成的分类（P37）
1.粗粒土与细粒土的划分：
粗粒土——d＞0.074mm的颗粒含量超过50％的土 细粒土——d＜0.074mm的颗粒含量超过50％的土
2.粗粒土与细粒土的进一步细分：按照各粒组颗粒的百分
含量细分（P37表2-2）
注：①粗粒土定名时，按粒径由大到小，以最先符合者确定；
土的三相组成不是绝对不变的，其中固相 部分随时间、自然环境的变化较小；而土中 的水和空气对客观环境的变化非常敏感。
§1.2
土的粒度成分
土的工程地质性质主要取决于固相，特别是土粒的 大小和矿物类型。自然界中的土颗粒大小相差极为 悬殊（几十厘米以上～小于1微米），由它们组成的 土的性质也必然存在很大的差异。因此，研究土的 工程地质性质首先应研究组成土的土颗粒的大小。
§1.3 土的矿物成分（
P9 P33 ）
P9）
原生矿物
简单盐类
一．土的矿物成分的基本类型（
土 的 矿 物 成 分
无机矿物
有机矿物
P 19
{ {
次生粘土矿物
生物残骸 腐殖质
原生矿物————岩浆中直接生成的矿物， 是岩石经物理风化破碎但成分没有发生变化 的矿物碎屑。如石英、长石、云母、方解石、 角闪石、辉石等； 次生粘土矿物————是原生矿物经过化学 风化作用，形成的一些颗粒更细小的新矿物。
一．粒径和粒组（P33）
单位一般采用毫米(mm)。
1.粒径——土颗粒的大小，通常以其直径(d)来表示，
注：土颗粒并非理想的球体，应理解为土粒的平均直径或等效直径。
当土的粒径在某一范围内变化时，土的工程地质性 质差别不大。为了便于研究粒径与土的工程地质性 质的关系，将自然界中土颗粒的粒径变化范围划分 为几个区段，每个区段中包括的土粒成分相近，性 质相似。
0.88 2.4
不良 良好
三．土按颗粒组成的分类（P37）
1.粗粒土与细粒土的划分：
粗粒土——d＞0.074mm的颗粒含量超过50％的土 细粒土——d＜0.074mm的颗粒含量超过50％的土
2.粗粒土与细粒土的进一步细分：按照各粒组颗粒的百分
含量细分（P37表2-2）
注：①粗粒土定名时，按粒径由大到小，以最先符合者确定；
土的三相组成不是绝对不变的，其中固相 部分随时间、自然环境的变化较小；而土中 的水和空气对客观环境的变化非常敏感。
§1.2
土的粒度成分
土的工程地质性质主要取决于固相，特别是土粒的 大小和矿物类型。自然界中的土颗粒大小相差极为 悬殊（几十厘米以上～小于1微米），由它们组成的 土的性质也必然存在很大的差异。因此，研究土的 工程地质性质首先应研究组成土的土颗粒的大小。
土力学-第一章-土的三相组成 张丙印
黏土矿物的带电特性
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§1.2 土的三相组成–固体颗粒
智者乐水 仁者乐山
原生矿物：一般颗粒较粗，呈粒状。 有圆状、浑圆状、棱角状等。
次生矿物：颗粒较细，多呈针状、片 状、扁平状。
比表面积：单位质量土颗粒所拥有的 总表面积。对于黏性土，其大小直接 反映土颗粒与四周介质,特别是水,相 互作用的强烈程度,是代表黏性土特 征的一个很重要的指标。 高岭石的比表面积为：10-20m2/g,伊 利石：80-l00m2/g,蒙特石：800m2/g
第一章：土的物理性质与工程分类
§1.1 §1.2 §1.3 §1.4 §1.5 §1.6
土的形成 ✓ 土的三相组成 土的物理状态 土的结构 土的工程分类 土的压实性
§1.2 土的三相组成
智者乐水 仁者乐山
固体颗粒 土中水
固相 液相
构成土体骨架 起决定作用
重要影响
土中气体 气相 次要作用
饱和土 ：土体孔隙完全被水充满 干 土 ：土体孔隙完全被气充满 非饱和土：孔隙中水和气均存在
8
§1.2 土的三相组成–固体颗粒
智者乐水 仁者乐山
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
土的粗细度：用d50 表示
土的不均匀程度：
不均匀系数 Cu = d60 / d10 Cu 5 为不均匀土，反之 称为均匀土
连续程度:
§1.2 土的三相组成–固体颗粒
100
曲线 d60 d10 d30 Cu Cc
90 80
L
0.081
3.98
70
M 0.33 0.005 0.063 66 2.41
60
第一章土的物理性质与工程分类-第一章土的物理性质及工程分
第一章土的物理性质及工程分类第一节土的组成与结构一、土的组成天然状态下的土的组成（一般分为三相）⑴固相：土颗粒--构成土的骨架,决定土的性质--大小、形状、成分、组成、排列⑵液相：水和溶解于水中物质⑶气相：空气及其他气体（1）干土=固体+气体（二相）（2）湿土=固体+液体+气体（三相）（3）饱和土=固体+液体（二相）二、土的固相——矿物颗粒土粒粒径大小及矿物成分不同，对土的物理力学性质有着较大影响。
如当土粒粒径由粗变细时，土的性质可从无粘性变化到有粘性。
（一）土的粒组划分工程上将物理力学性质较为接近的土粒划分为一个粒组，粒组与粒组之间的分界尺寸称为界限粒径。
土颗粒根据粒组范围划分不同的粒组名称：六大粒组：块石（漂石）、碎石（卵石）、角粒（圆粒）、砂粒、粉粒、粘粒界限粒径分别是：200mm、20mm、2mm、0.075mm、0.005mm,见下表。
表1-1 粒组划分标准（GB 50021—94）（二）土的颗粒级配自然界的土通常由大小不同的土粒组成，土中各个粒组重量（或质量）的相对含量百分比称为颗粒级配，土的颗粒级配曲线可通过土的颗粒分析试验测定。
1.颗粒大小分析试验方法（1）筛分法：适用60—0.075mm的粗粒土（2）密度计法：适用小于0.075mm的细粒土2.颗粒级配曲线——半对数坐标系3.级配良好与否的判别1)定性判别（1）坡度渐变——大小连续——连续级配（级配曲线）（2）水平段（台阶）——缺乏某些粒径——不连续级配（1）曲线形状平缓——粒径变化范围大——不均匀——良好（2） 曲线形状较陡——变化范围小——均匀——不良 2) 定量判别：不均匀系数 1060d d C u =103060d d d 分别表示级配曲线上纵坐标为60% 30% 10%时对应粒径 不均匀系数越大，土粒越不均匀，工程上把5<u C 的看作是均匀的，级配不好；把10>u C 大于的土看作是不均匀的，级配良好。
第一章：土的物质组成与结构、构造
• (2).细粒土的结构类型： • 细粒土具有胶体的性质，在水中往往以复杂的结 合体沉淀，形成团聚结构。蜂窝状结构 、架状结 构 、非均粒团聚结构 。 • 团聚结构不稳定，往往在外力或化学环境的影响 下使土的结构发生变化，引起土的性质发生变化。 • 二、土的构造 • 在一定土体中，结构相对均一的土层单元体的形 态和组合特征,称为土的构造。它包括土层单元体 的大小，形态，排列和相互关系等方面。
第一章 土的物质组成 与结构、构造
• 土是岩石圈表层在漫长的地质时期，经过复杂的 地质作用所形成的松散物质。 • 土：是由固体颗粒以及颗粒间孔隙中的水和气体 组成的一多相、分散多孔的系统。一般把土看成 是三相体系（固、液、气），其三相组成和性质 对土的工程地质性质有决定性的影响。 • 土层：一般的，土是地表外动力地质作用形成的， 一般具有成层特征, 同一层内土的物质组成和结构， 构造基本一致，工程地质性质亦大体相同。 • 土体：是由性质各异，厚薄不同的若干地层,以特 定的次序组合在一起的土层组合体。
• （二）、孔隙中的水 • 1. 液态水 • (1).结合水：分为吸着水（强结合水）和薄膜水（弱结合 水）。对细粒土的性质影响极大。当只有强结合水时，土 强度很大，处于坚硬、半坚硬状态，当存在较多弱结合水 时，颗粒之间有较厚的水膜，土可呈塑态。 • (2).毛细水：由于毛细作用保存在毛细孔隙（孔径为0.50.002mm)中的水。也受土粒表面静电力的影响，是重力水 和结合水的过渡类型。能传递静水压力。毛细水冰点低于 0℃。毛细水主要存在于砂类土和粉土中。 • (3).自由水 （重力水）。只受重力作用影响，是普通的 液态水。有溶解能力。
• 目的：进行土粒度成分分类，大致判断土的工程 地质性质 。 • 测定方法：筛分析法和静水沉降方法 。 • 对粒度实验获得的结果用某种方法表示出来，称 为粒度成分表示方法 ： • 1．表格法:列表方法 方便简单，但大量样土对 比有困难 • 2．图解法：比较直观。 • 1)累积曲线法 2)分布曲线法 3)三角图法 • 最常用累积曲线法。
环境土壤学第一章 (第1节)
4、蛭石（Vermiculinite）
• 2:1型矿物，属于半胀缩型矿物； • 三 八 面 体 （ Mg 八 面 体 ） X1.1(Al2.3Si5.7) (Al0.5Fe3+0.7Mg4.8)O20(OH)4； • 同晶替代：蛭石中四面体片和八面体片都 有同晶置换作用，但主要发生在四面体片 中，Si被Al置换的数量比蒙脱石高，所以电 荷密度比蒙皂石类高 • 补偿离子不确定。 • 晶层间距为140nm
橄榄石[(Mg,Fe)2SiO4]：
橄榄绿色，立方形晶粒，断口常为贝壳状，硬度6.5～7。 富含铁，易分解，为土壤提供铁、镁等养分。
孔雀石[Cu2(OH)2(CO3)]
一、原生矿物
2、辉石、角闪石类 属链状结构硅酸盐，其Si-O四面体沿一 维方向延伸，又可分为单链结构的辉石类 和双链结构的角闪石类。 其中的Si/O=1:3。 3、云母类 属层状结构硅酸盐，常见的有白云母和 黑云母，土壤中的次生粘土矿物也多为此 类型。
2:1型层状硅酸盐晶体结构
3、伊利石（Illite）
2:1型矿物，属于非胀缩型矿物； 分子式： (OH)4Al4Si8O20 ； 同晶替代：K1.33Al4(Si6.67Al1.33)O20(OH)4同晶 替代现象主要以Al3+代Si4+(发生在硅氧片中)； 存在补偿离子K+； 在我国分布最为广泛的次生矿物； c轴间距为100nm。
1、氧化铁
Fe3+
OH--
Fe (OH) 3 老 化
高温老化
α-Fe2O3
低pH、缓慢沉淀
α-FeOOH
〔
失
水
O〕
〔O〕 γ-Fe2O3
Fe2+
OH--
土力学 第一章 土的组成和土的性质
主要特征：连结强度弱于高岭石而 高于蒙特石，其特征也介于两者之 间。
WangXu
土的物理性质
§1.2 土的三相组成 – 固体颗粒
土力学
土是在各种地质作用过程和生成条件下形成的，其矿物成分 与粒组大小之间具有明显的内在联系，大致反应在下图中。
WangXu
土的物理性质
§1.2 土的三相组成 – 固体颗粒
硅片 铝片
氧离子O2硅离子Si4+
Si Si
硅-氧四面体 硅片的结构 硅片简图
WangXu
土的物理性质
§1.2 土的三相组成 – 固体颗粒
土力学
粘土矿物是一种复合的铝-硅盐晶体，颗粒呈片状，是由硅 片和铝片构成的晶包所组叠而成，可分成高岭石、伊利石和 蒙特石三种类型。
硅片
OH1铝离子Al3+
铝片
Al Al
粘土颗粒
玻璃皿
水分子 阳离子
WangXu
土的物理性质
§1.2 土的三相组成 – 土中水
土力学
结合水：受颗粒表面电场作用力 粘土
砾粒
砂粒
粗中 细 粗中 细
20 5 2 0.5 0.25
粉粒 黏粒
0.005
建筑、铁路部门 20
公路部门 0.002
WangXu
土的物理性质
§1.2 土的三相组成 – 固体颗粒
土力学
粒组划分方案
粒组的粒径范围 （mm）
d>200 200≥d＞60 60≥d＞20
20≥d＞2 2≥d＞0.5 0.5≥d＞0.25 0.25≥d＞0.075 0.075≥d＞0.005 0.005＞d
连续程度:
60
Cc = d302 / (d60 ×d10 )
WangXu
土的物理性质
§1.2 土的三相组成 – 固体颗粒
土力学
土是在各种地质作用过程和生成条件下形成的，其矿物成分 与粒组大小之间具有明显的内在联系，大致反应在下图中。
WangXu
土的物理性质
§1.2 土的三相组成 – 固体颗粒
硅片 铝片
氧离子O2硅离子Si4+
Si Si
硅-氧四面体 硅片的结构 硅片简图
WangXu
土的物理性质
§1.2 土的三相组成 – 固体颗粒
土力学
粘土矿物是一种复合的铝-硅盐晶体，颗粒呈片状，是由硅 片和铝片构成的晶包所组叠而成，可分成高岭石、伊利石和 蒙特石三种类型。
硅片
OH1铝离子Al3+
铝片
Al Al
粘土颗粒
玻璃皿
水分子 阳离子
WangXu
土的物理性质
§1.2 土的三相组成 – 土中水
土力学
结合水：受颗粒表面电场作用力 粘土
砾粒
砂粒
粗中 细 粗中 细
20 5 2 0.5 0.25
粉粒 黏粒
0.005
建筑、铁路部门 20
公路部门 0.002
WangXu
土的物理性质
§1.2 土的三相组成 – 固体颗粒
土力学
粒组划分方案
粒组的粒径范围 （mm）
d>200 200≥d＞60 60≥d＞20
20≥d＞2 2≥d＞0.5 0.5≥d＞0.25 0.25≥d＞0.075 0.075≥d＞0.005 0.005＞d
连续程度:
60
Cc = d302 / (d60 ×d10 )
土力学知识点及习题整理
第一章土的组成一、简答题1. 什么是土的颗粒级配？什么是土的颗粒级配曲线？土粒的大小及其组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量（各粒组占土粒总量的百分数）来表示，称为土的颗粒级配（粒度成分）。
根据颗分试验成果绘制的曲线（采用对数坐标表示，横坐标为粒径，纵坐标为小于（或大于）某粒径的土重（累计百分）含量）称为颗粒级配曲线，它的坡度可以大致判断土的均匀程度或级配是否良好。
2. 土中水按性质可以分为哪几类？3. 土是怎样生成的？有何工程特点？土是连续、坚固的岩石在风化作用下形成的大小悬殊的颗粒，经过不同的搬运方式，在各种自然环境中生成的沉积物。
与一般建筑材料相比，土具有三个重要特点：散粒性、多相性、自然变异性。
4. 什么是土的结构？其基本类型是什么？简述每种结构土体的特点。
土的结构是指由土粒单元大小、矿物成分、形状、相互排列及其关联关系，土中水的性质及孔隙特征等因素形成的综合特征。
基本类型一般分为单粒结构、蜂窝结（粒径0.075~0.005mm）、絮状结构（粒径<0.005mm）。
单粒结构：土的粒径较大，彼此之间无连结力或只有微弱的连结力，土粒呈棱角状、表面粗糙。
蜂窝结构：土的粒径较小、颗粒间的连接力强，吸引力大于其重力，土粒停留在最初的接触位置上不再下沉。
絮状结构：土粒较长时间在水中悬浮，单靠自身中重力不能下沉，而是由胶体颗粒结成棉絮状，以粒团的形式集体下沉。
5. 什么是土的构造？其主要特征是什么？土的宏观结构，常称之为土的构造。
是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。
其主要特征是层理性、裂隙性及大孔隙等宏观特征。
6. 试述强、弱结合水对土性的影响。
强结合水影响土的粘滞度、弹性和抗剪强度，弱结合水影响土的可塑性。
7. 试述毛细水的性质和对工程的影响。
在那些土中毛细现象最显著？毛细水是存在于地下水位以上，受到水与空气交界面处表面张力作用的自由水。
土中自由水从地下水位通过土的细小通道逐渐上升。
1土的组成
弱结合水在强结合水外侧，呈薄膜状，
也是由粘土表面的电分子力吸引的水分子，水
分子排列也较紧密，密度密度ρ w＝(1.2—
2.4)g／cm3，大于普通液态水。弱结合水也不 传递静水压力，呈粘滞体状态，也具有较高的 粘滞性和抗剪强度，冰点在-20—-30℃。其厚 度变化较大，水分子有从厚膜处向较薄处缓促
黏土颗粒与水的相互作用
土粒表面通常是 带负电荷的，在 土粒周围就产生 一个负电场。水 分子是极性分子, 在负电场内定向 排列,形成结合 水。离土粒表面 较近的水分子称 强结合水，较远 的水分子称为弱 结合水。
强结合水紧靠土粒表面，厚度只有几个
水分子厚，小于0.003μ m(1μ m＝0.001mm)，受 到约1Mpa(1万个大气压)的静电引力，使水分子 紧密而整齐地排列在土粒表面不能自由移动。 强结合水的性质与普通水不同，其性质接近固 体，不传递静水压力，气化点为100-105℃，冰 点为-78℃，密度ρ w＝(1.2—2.4)g／cm3，平 均为2.0 g／cm3，具有很大的粘滞性、弹性和 抗剪强度。当粘土只含强结合水时呈固体坚硬 状态,砂土含强结合水时呈散粒状态。
移功的能力，在其员外围有成为普通液态水的
趋势。此部分水对粘性土的影响最大。
土的结构
1、单粒结构： 紧密的：良好的天然地基 疏松的：未经处理一般不宜作为工程的地基或路基。 2、蜂窝结构：
粒径：0.075-0.005mm粉粒；水中下沉-接触-粒链-网状结构-大孔隙
蜂窝结构。 3、絮状结构 粒径：0.005-0.0001mm黏粒或0.0001-0.000001mm胶粒；水中长期悬 浮-絮凝成集合体下沉-形成孔隙更大的絮凝结构。
粉 粒
粘 粒
＜0.005
颗粒分析实验
土力学 第一章
土 风：风积土
颗粒均匀，层厚而不具层理
地质成因与土类
风积土（黄土高原风成学说）
雅丹地貌（风蚀作用形成）
残积土
坡积土 洪积土 基岩
冲积土
土具有特殊的物理力学性质，三个特点 （1） 散体性 （2）多相性：固体颗粒、水和气体。
（1）自然变异性
第二节 土中固体颗粒
（一）粒组的划分和颗粒级配曲线
Cu>10级配良好。
级配不连续的土，还需要考虑曲率系数: 曲率系数：
d30（中值粒径）—小于该粒径的含量占总量的30%
该指标考虑了中间粒径的
影响； Cc 过大或过小，均表明缺 少中间粒径，级配变差； 1<Cc<3曲率变化平缓；
（4）土级配优劣的标准
a、级配良好土：曲线光滑连续，不存在平台段，坡度平缓 满足Cu>5及Cc=1-3两个条件
土的气相
粗颗粒：对土性质影响不大， 细颗粒：影响较大， 成分：二氧化碳和氮气较多，氧气较少。
第四节 黏土颗粒与水的相互作用
分类：根据黏土矿物的晶体结构，黏土矿 物主要分为蒙脱石、伊利石和高岭石。 比表面：单位体积的颗粒的总表面积。 特点:扁平颗粒，与水作用能力强。 黏土矿物比表面积越大，亲水性、膨胀性 和收缩性越强，
而与土粒分离。可以把结晶水当作矿物颗粒的一部分。
（2）结合水
结合水是由土颗粒表面电分子吸附在土粒表面的 一层水，分为强结合水和弱结合水两种。
强结合水
强结合水存在于最靠近土颗粒表面处，水分子和 水化离子排列的非常紧密，其密度大于1，并有过冷现
象（-78°C）。这种水牢固的结合在土粒表面，其性 质接近于固体，所以具有极大的粘滞性、弹性及抗剪 强度。
表1 土的矿物成分与粒组的关系