土力学-第二章-粘性土的物理化学性质.
《土力学》第二章习题集及详细解答
《土力学》第二章习题集及详细解答第2章土的物理性质及分类一填空题1.粘性土中含水量不同，可分别处于、、、、四种不同的状态。
其界限含水量依次是、、。
2.对砂土密实度的判别一般采用以下三种方法、、。
3.土的天然密度、土粒相对密度、含水量由室内试验直接测定，其测定方法分别是、、。
4. 粘性土的不同状态的分界含水量液限、塑限、缩限分别用、、测定。
5. 土的触变性是指。
6.土的灵敏度越高，其结构性越强，受扰动后土的强度降低越。
7. 作为建筑地基的土，可分为岩石、碎石土砂土、、粘性土和人工填土。
8.碎石土是指粒径大于 mm的颗粒超过总重量50%的土。
9.土的饱和度为土中被水充满的孔隙与孔隙之比。
10. 液性指数是用来衡量粘性土的状态。
二、选择题1．作为填土工程的土料，压实效果与不均匀系数C u的关系：( )（A）C u大比C u小好(B) C u小比C u大好(C) C u与压实效果无关2.有三个同一种类土样，它们的含水率都相同，但是饱和度S r不同，饱和度S r越大的土，其压缩性有何变化？( )(A)压缩性越大(B) 压缩性越小(C) 压缩性不变3.有一非饱和土样，在荷载作用下，饱和度由80%增加至95%。
试问土样的重度γ和含水率怎样改变？( )(A)γ增加，减小(B) γ不变，不变(C)γ增加，增加4.土的液限是指土进入流动状态时的含水率，下述说法哪种是对的？( )(A)天然土的含水率最大不超过液限(B) 液限一定是天然土的饱和含水率(C)天然土的含水率可以超过液限，所以液限不一定是天然土的饱和含水率5. 已知砂土的天然孔隙比为e＝0.303，最大孔隙比e max＝0.762，最小孔隙比e min＝0.114，则该砂土处于( )状态。
（A）密实（B）中密 (C)松散（D）稍密6．已知某种土的密度ρ＝1.8g/cm3，土粒相对密度ds＝2.70，土的含水量w＝18.0％，则每立方土体中气相体积为( )(A)0.486m3 (B)0.77m3(C)0.16m3(D)0.284m37.在土的三相比例指标中，直接通过室内试验测定的是（）。
第二章粘性土的物理化学性质
金属元素中的自由电子将金属原子或离子联结而成金属晶格，这种联结 力即为金属键。
2.1.2 分子键
粘性土的物理化学性质
分子键又称范德华（Van der Waals）键或次键、低能键。所谓分子 键就是指分子与分子之间的联结力。
粘性土的物理化学性质
黏粒本身所带的电荷层称决定电位离子层，向外首先是固 定层，其次为扩散层，固定层与扩散层统称为反离子层。决定 电位离子层与反离子层电性相反，共同构成双电层，如图2.5所 示。
2.3.3 影响扩散层厚度的因素
➢ 1）土粒的矿物成分与分散程度 ➢ 2）溶液的化学成分，浓度及PH值 ➢ 3）离子交换
粘性土的物理化学性质
表2-3给出了蒙脱石、伊利石和高岭石三种主要黏土矿物以 及吸附不同阳离子时所反应出来可塑性变化的情况。
2.5 本章小结
粘性土的物理化学性质
通过本章的学习了解土的矿物成分和化学成分，进而 了解粘土矿物颗粒的结晶结构，通过结晶结构的学习，了 解不同粘土矿物遇水以后工程性质表现差异的原因。理解 粘土颗粒表面带电的成因，重点掌握双电层与扩散层的概 念、影响扩散层厚度的因素、粘性土工程性质的利用和改 良及利用离子交换改良粘土的工程性质。
粘性土的物理化学性质
粘性土的物理化学性质
2.4 黏性土工程性质的利用和改良
2.4.1 电渗排水和电化学加固
在电场作用下，带有负电荷的黏土颗粒向阳极移动，这种 电动现象称为电泳；而水分子及水化阳离子向阴极移动，这种 电动现象称为电渗。
粘性土的物理化学性质
➢ 1）电渗排水 在渗透系数小于10-6cm/s的饱和软粘土地层中开挖基坑或
《土力学》第二章习题集及详细解答
《土力学》第二章习题集及详细解答第2章土的物理性质及分类一填空题1.粘性土中含水量不同，可分别处于、、、、四种不同的状态。
其界限含水量依次是、、。
2.对砂土密实度的判别一般采用以下三种方法、、。
3.土的天然密度、土粒相对密度、含水量由室内试验直接测定，其测定方法分别是、、。
4. 粘性土的不同状态的分界含水量液限、塑限、缩限分别用、、测定。
5. 土的触变性是指。
6.土的灵敏度越高，其结构性越强，受扰动后土的强度降低越。
7. 作为建筑地基的土，可分为岩石、碎石土砂土、、粘性土和人工填土。
8.碎石土是指粒径大于 mm的颗粒超过总重量50%的土。
9.土的饱和度为土中被水充满的孔隙与孔隙之比。
10. 液性指数是用来衡量粘性土的状态。
二、选择题1．作为填土工程的土料，压实效果与不均匀系数C u的关系：( )（A）C u大比C u小好(B) C u小比C u大好(C) C u与压实效果无关2.有三个同一种类土样，它们的含水率都相同，但是饱和度S r不同，饱和度S r越大的土，其压缩性有何变化？( )(A)压缩性越大(B) 压缩性越小(C) 压缩性不变3.有一非饱和土样，在荷载作用下，饱和度由80%增加至95%。
试问土样的重度γ和含水率怎样改变？( )(A)γ增加，减小(B) γ不变，不变(C)γ增加，增加4.土的液限是指土进入流动状态时的含水率，下述说法哪种是对的？( )(A)天然土的含水率最大不超过液限(B) 液限一定是天然土的饱和含水率(C)天然土的含水率可以超过液限，所以液限不一定是天然土的饱和含水率5. 已知砂土的天然孔隙比为e＝0.303，最大孔隙比e max＝0.762，最小孔隙比e min＝0.114，则该砂土处于( )状态。
（A）密实（B）中密 (C)松散（D）稍密6．已知某种土的密度ρ＝1.8g/cm3，土粒相对密度ds＝2.70，土的含水量w＝18.0％，则每立方土体中气相体积为( )(A)0.486m3 (B)0.77m3(C)0.16m3(D)0.284m37.在土的三相比例指标中，直接通过室内试验测定的是（）。
《粘性土的物理特性》课件
水利工程中的应用
水利枢纽
河道治理
粘性土可以作为水利枢纽的主要填筑 材料，具有良好的防渗性能和稳定性 。
粘性土可以用于河道治理，提供良好 的河床支撑和防洪能力。
水库大坝
利用粘性土制作水库大坝，能够提供 较好的承载能力和稳定性，保证水库 的正常运行。
环境工程中的应用
土壤改良
粘性土可以用于土壤改良，通过 添加有机物质和微生物等措施，
改善土壤结构和肥ห้องสมุดไป่ตู้。
污染治理
利用粘性土的吸附性能，可以用于 污染治理，如重金属离子和有机污 染物的吸附去除。
生态恢复
粘性土可以用于生态恢复工程，如 湿地修复、植被恢复等，提供良好 的土壤基础和生态环境。
05
CATALOGUE
粘性土的改良与处理
粘性土的改良方法
物理改良
通过掺入砂、砾石等骨料，改善 粘性土的粒径组成和级配，提高
泥炭土
含有大量未分解的有机物，具 有特殊的物理和化学性质。
特殊类型的粘性土
如黄土、红土等，具有特殊的 成分和性质。
02
CATALOGUE
粘性土的物理性质
颗粒组成与结构
颗粒组成
粘性土由固体颗粒、水和空气 组成。固体颗粒包括无机矿物 （如粘土矿物、粉粒、砂粒等
）和有机质。
结构特征
粘性土的颗粒排列紧密，形成 复杂的结构，影响土的物理和 力学性质。
其渗透性和压缩性能。
化学改良
通过添加化学试剂，如水泥、石 灰等，改善粘性土的物理和化学
性质，提高其强度和稳定性。
生物改良
通过微生物或酶的作用，改善粘 性土的生物活性，提高其工程性
能。
粘性土的处理技术
压实法
第二章黏性土物理化学性质资料
三种主要 黏土矿物的 结晶构造：
2:1的三 层晶格结 构
Si Si Al Al Si Si
钾离子
Si Si Al Al Si Si
高岭石 蒙脱石 伊利石
• 是云母在碱性介质中风化的产物。 • 与蒙脱石相似，由两层硅片夹一层铝
片所形成的三层结构，但晶层之间有 钾离子连结。
• 主要特征：连结强度弱于高岭石而高 于蒙脱石，其特征也介于两者之间。
强结合水 弱结合水 自由水
• 排列致密，密度在1.2~2.4g/cm3
• 冰点处于零下几十度
• 完全不能移动，具有固体的特性，
不能传递静水压力
• 具有很大的黏滞性、弹性和抗剪强度
• 温度略高于100°C时可蒸发
- 弱结合水：（扩散层）
• 受电场引力作用，为黏滞水膜
• 密度在1.0~1.7g/cm3
d
小 800m2/g
大 小 小 大
第三节 黏土颗粒的胶体化学性质
原因：黏土矿物的带电特性
黏土的电泳和电渗现象 (列依斯, 1807)
研究表明： 黏土颗粒的表面有电荷，
净电荷通常为负电荷。
电泳：在电场作用下，带有负 电荷的黏土颗粒向阳极移动 的电动现象
电渗：在电场作用下，水分子 及水化阳离子向阴极移动的 电动现象
价离子；同价离子中，半径小的交换能力小于半径 大的。常见离子交换能力顺序如下：
F e 3 A l 3 H 3 B a 2 C a 2 M g 2 K L i N a
扩散层水膜厚度对黏性土的工程性质有直接的影响，所以 在工程实践中可利用这一机理来改良土质，增加土的稳定性。
+
-
黏土粒
玻璃筒
水位 升高
黏土膏 黏土颗粒
土力学全知识点
第一章：土的物理性质及工程分类第二节、粒度成分的表示方法土的粒度成分是指土中各种不同粒组的相对含量(以干土质量的百分比表示)，它用以描述土中不同粒径土粒的分布特征。
常用的粒度成分的表示方法有表格法、累计曲线法和二角坐标法。
2)累计曲线法：是——种图示的方法，通常用半对数纸绘制，横坐标(核对数比例尺)表示某—粒径，纵坐标表示小于某一粒径的土粒的百分含量。
级配的指标：不均匀系数 C u=d60÷d10曲率系数C s=d302／﹙d60×d10﹚式中：d10、d20、d60—分别相当于累计百分含量为10％、30％和60％的粒径，d10称为有效粒径；d60称为限制粒径。
不均匀系数Cu反映大小不同粒织的分布情况，Cu<5的土称为匀粒土，级配不良；Cu越大，表示粒组分布范围比较广，Cu>=5,Cs=1~3的土级配良好。
但如cu过大，表示可能缺失中间粒径，属不连续级配，故需同时用曲率系数来评价。
曲率系数则是报述累计曲线整体形状的指标。
土粒的形状土粒形状对丁土的密实度和十的强度有显著的影响，棱角状的颗粒互相嵌挤咬合形成比较稳定的结构．强度较高；磨圆度好的颗粒之间容易滑动，土体的稳定性比较差用体积系数和形状系数描述土粒形状体积系数Vc=6V/﹙πd m3﹚式中：V———土粒体积(mm3)；dm——土粒的最大粒径(mm)。
V愈小，土粒愈接近于圆形。
圆球状的Vc＝1,立方体的Vc＝o．37：棱角状的土粒Vc更小形状系数FF=AC/B2式中：A、B、C分别为土粒的最大、中间和最小粒径第三节土的三相比例指标一、试验指标1．土的密度是单位体积土的质量，ρ=m／V由土的质量产生的单位体积的重力称为重力密度γ，简称为重度γ=ρg=W／V2.土粒比重Gs 土粒质量m s同体积4℃时纯水的质量之比Gs=m s／﹙Vsρw1﹚=ρs／ρw13．土的含水量ω是土中水的质量m w与团体(土粒)质量m s之比，ω=m w／m s×100％二、换算指标1．干密度ρd是土的颗粒质量m s与土的总体积V之比，ρd=m s／V土的干密度越大，土越密实，强度就越高，水稳定性也好。
土力学_第2章(土的物理性质和工程分类)
V
阿特堡界限 (Atterberg limit)
固态
半固态
可塑态
液态
水
Vs+Vw Vs
颗 粒 ws
缩限
O
wP
塑限
wL
液限
w
• 液限和塑限的测定方法
液限（wL）的测定： 锥式液限仪（中国）； 碟式液限仪（欧美，详见 ASTM 试验 规程）。
粉土
含水量w(%)
w＜20
20 ≤w≤30
w＞30
（2） 砂土的松－密状态 指标和状态（《地基与基础》－p27）
相对密实度 （Relative Density ）
0.67＜Dr≤1.0 0.33＜Dr≤0.67 0＜Dr≤0.33
emax e Dr emax emin
密实 中密 松散
工程上原位测试判断物理状态：
粒径分布曲线（级配曲线）
100
小于某粒径的土粒质量/%
80
60
40
20
0
10
1
0.1
0.01
1E-3
粒径/mm
• 不均匀系数
Cu
d 60
d10
Cu越大，曲线越平缓，粒径分布越不均匀。
• 曲率系数
Cc
2 d 30
(d 60 d10 )
Cc<1，中间颗粒偏少，小粒径颗粒偏多。 Cc>3，中间颗粒偏多，小粒径颗粒偏少。
水
mw
Vv=e
V =e+1
Vw Sr Vv
ms=s
Vs 土粒 ms
Vs=1
w s / w wGs e e
土力学 第2版 第二章 土的物理性质及分类
环刀的容积V=60cm3； 环刀的质量m1； 环刀和土的质量m2；
土的密度: m2 m1
V
2.2.2 指标的定义
土力学
2.特殊条件下土的密度
质量m
体积V
Vw Va Vv
气
mw
水
m
ms
土粒
Vs V
（1）干密度ρd ：单位体积中固
体颗粒部分的质量 （紧密程度）
d
ms V
（2）饱和密度ρsat ：土体中孔 （3）浮密度ρ ：在地下水位
出合适的名称，可以概略评价土的工程性质。
第2章 土的物理性质及分类
2.1 概述 2.2 土的三相比例指标 2.3 粘性土的物理特征 2.4 无粘性土的密实度 2.5 粉土的密实度和湿度 2.6 土的胀缩性、湿陷性和冻胀性 2.7 土的分类
土力学
2.2 土的三相比例指标
2.2.1 土的三相比例关系图 2.2.2 指标的定义 2.2.3 指标的换算
土力学
2.2.1 土的三相比例关系图
土力学
质量m
气
mw —土中水质量
mw
水
m
ms —土粒质量
ms
土粒
Vs V
Vw Va Vv
体积V
Va —土中气体积 Vw —土中水体积
Vs —土粒体积
m ms mw
Vv Vw Va
（土的总质量）
（土中孔隙体积）
V Vs Vw Va
（土的总体积）
2.2 土的三相比例指标
ds
ms
Vs 1
s 1
测定方法：比重瓶法
ρs—土粒密度，单位体积土粒质量 ρw1 —纯水在40C时的密度，1g/cm3
土粒相对密度变化范围不大：一般，砂类土2.65～2.69；粉性土
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或次键、低能键。
所谓分子键就是指分子与分子之间的联
结力。
分子间键力的影响范围比离子键力大得
多，约为0.3～10μm，但其键能则比离子 键能小得多，约为2.1～21J/kmol。
分子键的形成与影响因素
由于分子的正电荷与负
电荷的分布不对称形成 极性分子，在极性分子 间相反电荷的偶极端相 互接近时相互吸引就产 生分子键。 分子键的产生是与分子 的定向作用、诱导作用 和分散作用有关。
氧联结，其键力很弱，易为具有氢键的强极化 水分子楔入所分开。
高 岭 石
（氢键联结）
高岭石
蒙脱石
由两个四面体晶片中间夹一个八面体晶片堆叠而成。 称为2:1型结构单位层，亦称为三层结构型。
蒙 脱 石
蒙脱石
伊利石
伊利石的晶格构造与蒙脱石相似，同属 2:1 型结构
单位层，但在四面体片之间六角形网格眼中央嵌 有一个钾离子。
伊 利 石
伊利石
三种粘土矿物物理性质的比较
氧八面体） 4个铝—氢氧八面体组成一个铝片，每个氢氧离子都被相邻两个 铝离子所共有。
粘土矿物的结晶结构
粘土矿物根据四面体片（硅片）与八面 体片（铝片）的不同组合堆叠形式，形 成了三种主要的粘土矿物片与一个八面体片重复堆叠而成。 称为1:1型结构单位层，也称为二层结构型。
以及它们之间的联结力。 键 力
粘性土的各种工程性质（可塑性、压缩性、强度
等）主要受组成粘性土的粘土矿物的结晶结构特 征以及矿物颗粒与周围介质的相互作用所制约。
第一节 键力的基本概念
所谓键力是指组成粘土矿物的原子与原子
之间或分子与分子之间的一种联结力。
键力的类型：
化学键 分子键 氢键
第二章 粘性土的物理化学性质
内容提要
本章主要讨论决定粘性土的宏观物理化学性 质的微观结构特征。主要包括：
键力的基本概念
粘土矿物颗粒的结晶结构
粘土颗粒的胶体化学性质
粘性土工程性质的利用和改良
粘性土特有的性质及成因
粘性土随着含水量的不同会呈现不同的 物理状态。
这种性质主要取决于粘粒粒组的含量与 粘粒的矿物成分。
两个同性原子形成同一元素分子的联结
力称为共价键。
通过自由电子将原子或离子联结成金属
晶格的联结力为金属键。
总
结
离子键、共价键和金属键都属于主键。 主键的影响范围最小，约为 0.1~0.2μm ，
而其联结能最大，相当于 8.4 ～ 84J/kmol 。
分子键
分子键又称范德华（Van Der Waals）键
硅氧四面体晶体单元
基本单元： 硅-氧四面体
四个氧离子构成一个等边的四面体，四面体四个面均为等边
三角形，在四面体的中心位置有一个硅离子。(硅-氧四面体) 六个硅-氧四面体组成一个硅片，每个四面体底面上有一个氧 离子与相邻四面体共用。
氢氧化铝八面体结晶单元
基本单元： 铝-氢氧八面体
由6个氧或氢氧离子以相等的距离排列，铝原子居中。（铝—氢
化学键
原子与原子之间的联结称为化学键，也称
为主键或高能键。
根据联结的形式又可分为离子键、共价键
和金属键三种。
离子键
离子键是一种化学联结。 不同元素的原子通过化学反应，一种元
素的原子失去其最外电子层中的一个或 多个电子成为阳离子，而另一种元素的 原子获得一个或多个电子成为阴离子。
阳离子与阴离子之间的静电引力所形成
分子键的能量大小与温度有关，当温度升高时，其
能量就减小。
氢 键
氢键是介于主键和次键之间的一种键力。
氢原子失去一个电子成为一个裸露的原子核，
当它与带负电荷的原子相互吸引时，即构成 特殊的氢键。
由于氢离子尺寸小，只允许与两个相邻原子
靠拢，故氢键只能连接两个原子。 氢键的影响范围很小，约为 0.2～ 0.3μm， 键能达21～42J/kmol。
高岭石类粘土矿物中，结构单位层之间为氧与
氢氧或氢氧与氢氧离子相联结，单位层与单位 层之间除范德华键外，还有氢键，能提供较强 的联结力。
高岭石在水中，结构单位层之间不会分散，晶
格活动性小，浸水后结构单位层间的距离变化 很小，所以高岭石的膨胀性和压缩性都很小。
蒙脱石的物理性质
蒙脱石类粘土矿物中，结构单位层之间为氧与
9克蒙脱土的总 表面积大约与一 高岭石 伊利石 个足球场一样大
中 80-100m2/g 中 中 中
蒙脱石 小 800m2/g 大 小 大
粒 径 比表面积 胀 缩 性 强 度 压 缩 性
大 10-20m2/g 小 大 小
三类粘土矿物工程性质的比较
矿物颗粒的直径：高岭石>伊利石>蒙脱石。 蒙脱石的比表面积为高岭石的 80倍，为伊利
键力与强度
土粒本身的强度是由主键形成的；
土粒与土粒之间、土粒与水分子之间的吸引
力由次键和氢键形成；
土粒之间的联结力远小于土粒本身的强度，
土体的强度主要取决于土粒之间的联结。
第二节 粘土矿物颗粒的结晶结构
粘土矿物结晶结构组成
粘土矿物结晶结构的基本结构单元：
硅氧四面体 氢氧化铝八面体（三水铝石八面体）
比表面积
所谓比表面积就是单位体积内颗粒表面积
的总和。
颗粒越细，比表面积越大，表面能越大。
粘土矿物的粒径小于 0.005mm，具有很大
的比表面积。
粘性土物理化学特性的本质
粘土矿物可分为蒙脱石、伊利石和高岭石三种类
型。它们各自具有不同的结晶结构特征。
结晶结构特征：即组成矿物的原子和分子的排列
的键力即为离子键。
离子键是无方向性的。
共价键
共价键是同一种元素的两个原子以共有的外
层电子联结而成同种元素的分子。
共价键是有方向性的，方向角称为键角。
金属键
金属元素中的自由电子将金属原子或离
子联结而成金属晶格，这种联结力即为 金属键。
总
结
不同元素的原子通过化学反应构成一种
新的物质分子，异性原子之间的联结力 称为离子键。
石的10倍。
蒙脱石塑性指数可达100～650；压缩性为高
岭石的5～15倍；有效内摩擦角也最小。
分析
四面体片和八面体片之间都是共用一个原子，
所以四面体片与八面体片间的键力为主键联结， 但结构单位层间的联结则比较薄弱。
当具有不同晶体结构的粘土矿物与周围介质接
触时，就会显示出不同的工程性质。
高岭石的物理性质