土力学教案第一章 土的物理性质及分类1.1 概述土是由固体颗粒、水、气体三部分组成的三相体系。

土＝土粒（固相）＋水（液相）＋空气（气相）1．固相——包括多种矿物成分组成的土的骨架。

2．液相——主要是水(溶解有少量的可溶盐类)。

3．气相——主要是空气、水蒸气，有时还有沼气等。

各相的性质及相对含量的大小直接影响土体的性质，土粒大小和形状、矿物成分及排列和联结特征是决定土的物理力学性质的重要因素。

土粒矿物成分与土粒大小有关：粗大土粒：往往保留原生矿物，多呈块状或柱状。

细小土粒：主要是次生矿物，多呈片状。

无粘性土——当土样中巨粒（土粒粒径大于60mm ）和粗粒（60～0.075mm ）的含量超过全重50%时属无粘性土。

土中水影响粉性土和粘性土的可塑性、胀缩性、湿陷性、冻胀性等物理特征。

1.2 土的组成一、 固体颗粒（土粒）⎩⎨⎧ :有机质组成由原生矿物和次生矿物无机矿物颗粒土粒 原生矿物：由岩石经物理风化生成的颗粒，它的成分与母岩的相同，如：石英、长石、辉石、角闪岩、云母等。

特性：颗粒一般较粗，多呈浑圆形、块状或板状；吸附水的能力弱，性质比较稳，无塑性。

次生矿物：由原生矿物经化学风化生成的新矿物，它的成分与母岩的完全不同。

如：由长石风化成的高岭石、由辉石或角闪石风化成的绿泥石等。

特性：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。

遇水膨胀。

粗大土粒一般是化学性质较稳定的原生矿物颗粒，有单矿物颗粒和多矿物颗粒两种形态。

细小土粒主要是次生矿物颗粒和生成过程中介入的有机物质。

二、土粒粒度分析方法土是由大小不同的土粒组成的。

土粒的大小、形状、矿物成分和级配对土的物理性质有明显影响。

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粘性变化到有粘性。

（一）几个概念粒度——土粒的大小称为粒度，常以粒径表示。

粒组——界于一定粒度范围内的土粒，称为粒组。

界限粒径——划分粒组的分界尺寸。

常用粒组的界限粒径：（根据国标《土的分类标准》（GBJ145-90））200mm，60mm，2mm，0.075mm，0.005mm200、 60、2、0.075 0.005 mm20、50.5、0.25、0.10.01漂石或块石、卵石或碎石、圆砾或角砾、砂砾、粉粒、粘粒。

（二）土的颗粒级配1．土的颗粒级配（粒度成分）——土中各个粒组的相对含量(各粒组占土粒总重的百分数)。

土粒的组合情况——大大小小土粒含量的相对数量关系2．确定各粒组相对含量的方法（1）颗粒分析试验①筛分法， 0.075mm ≤粒径≤60mm的粗粒组将风干、分散的代表性土样通过一套自上而下孔径由大到小的标准筛，称出留在各个筛子上的干土重，经计算可得小于某一筛孔直径土粒的累积重量及累计百分含量。

②沉降分析法，比重计法和移液管法,粒径<0.075mm的细粒组（下沉速度）土粒下沉速度与粒径的理论关系，用比重计法或移液管法测得颗粒级配。

上式可变换为：沉降法假定土粒为球体颗粒，实际上土粒并不是球体颗粒，因此计算得的粒径并不是实际土粒尺寸，而是与实际土粒在液体中的相同沉降速度的理想球体的直径（称为水力当量直径）。

（2）试验成果——颗粒级配累积曲线级配累积曲线采用半对数坐标：土粒粒径相差常在百倍、千倍以上，宜采用半对数坐标表示。

半对数坐标{)(或称累计百分含量土质量含量（％）纵坐标－小于某粒径的）粒粒径（横坐标－对数坐标－土mm 曲线分析：曲线较陡，则表示粒径大小相差不多，土粒较均匀；曲线平缓，则表示粒径大小相差悬殊，土粒不均匀，即级配良好。

判别土体级配好坏的指标⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧10602301060d d d C d d C c u ＝曲率系数＝不均匀系数 10d （有效粒径）——小于某粒径的土粒质量累计百分数为10％时相应的粒径；30d （中值粒径）——小于某粒径的土粒质量累计百分数为30％时相应的粒径；60d （限制粒径）——小于某粒径的土粒质量累计百分数为60％时相应的粒径。

不均匀系数u C 反映大小不同粒组的分布情况。

u C 越大表示土粒大小的分布范围越大、其级配越好，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c C 描写累积曲线的分布范围，反映曲线的整体形状。

一般工程上5<u C 为均粒土，属级配不良；10>u C 的土，属级配良好。

级配连续土：曲线平滑，没有台阶；采用指标u C 即可判断级配好坏；级配不连续：曲线呈台阶状；采用单一指标u C 难以判断级配好坏。

砾类土和砂类土当同时满足u C ≥5, c C =1~3时则为良好级配砾或良好级配砂。

否则，级配不良。

级配良好：曲线平缓，粒径大小相差悬殊，土粒不均匀。

颗粒级配可以在一定程度上反映土的某些性质。

对于级配良好的土，较粗颗粒间的孔隙被较细的颗粒所填充，因而土的密实度较好，相应的地基土的强度和稳定性也较好．透水性和压缩性也较小，可用作堤坝或其它土建工程的填方土料。

三、土中的水和气1．土中水{{{ ,强结合水—对土性质影响大—弱结合水用—受重力和表面张力作—毛细水对土粒有浮力作用—受重力作用自由流动—重力水结合水自由水 结合水——是受电分子吸引力吸附于土粒表面的土中水。

强结合水（吸着水）——紧靠土粒表面的结合水膜，牢固地结合在土粒表面，其性质相当于固体。

没有溶解盐类的能力，不能传递静水压力，只有吸热变成蒸汽时才能移动。

弱结合水（薄膜水）——紧靠强结合水外围的结合水膜，不能传递静水压力，但较厚的弱结合水膜能向邻近较薄的水膜缓慢转移。

当土中有较多弱结合水时具有一定的强塑性。

弱结合水离土粒表面愈远，受到的电分子吸引力愈弱，并逐渐过渡到自由水。

弱结合水的厚度，对粘性土的粘性特征及工程性质影响很大。

自由水——不受土粒表面电场影响，能传递静水压力。

重力水——存在于地下水位以下，重力水的渗流特征，是地下工程排水和防水工程的主要控制因素，对土中的应力状态和开挖基槽、基坑以及修筑地下构筑物有重要影响。

毛细水——存在于地下水位以上，毛细水的上升高度与土粒粒度成分有关；上升高度和速度对于建筑物地下部分的防潮措施和地基土的浸湿、冻胀等有影响。

2．土中气体⎩⎨⎧非封闭气体—对土的性质影响大—封闭气体封闭气体为与大气隔绝的气体，它使土在外力作用下的弹性变形增加，透水性减小。

非封闭气体在外力作用下，连通气体排出，对土的性质影响不太。

四、粘土颗粒与水的相互作用P14五、土的结构和构造1．土的结构——指土粒的原位集合体特征，是由土粒单元的大小、形状、相互排列及其联结关系等因素形成的综合特征。

土的结构⎪⎩⎪⎨⎧形式—是粘性土的主要结构—絮状结构—以粉粒为主的土—蜂窝结构—常见于砂土、碎石土—单粒结构（1）单粒结构——由粗大土粒在水中或空气中下沉形成的。

为碎石类土和砂类土的结构特征。

紧密的单粒结构的土在荷载作用下沉降小、强度较大、压缩性较小，是良好的天然地基。

疏松的单粒结构土，在外力作用下易移动，孔隙减少，变形大，需处理做为人工地基。

（2）蜂窝结构粒径0.075～0.005mm 的土粒在水中沉积时以单个土粒下沉，当碰上已沉积土粒时（它们之间的相互引力大于其重力）就停在最初接触点不再下沉，逐渐形成土粒链，组成弓架结构，最后形成孔隙大的蜂窝结构；当承受较高荷载时，结构破坏，产生严重沉降。

（3）絮状结构细小的粘粒（粒径小于0.005mm ）或胶粒（粒径小于0.002mm ）重力小，在水中不因自重而下沉，主要受粘土颗粒与水作用产生的粒间作用力。

粒间作用力有排斥力和吸引力，且均随粒间距离减小而增加，但增长速率不相同。

总的吸引力大于排斥力时为净吸力，反之为净斥力。

2．土的构造⎩⎨⎧层理构造裂隙构造土的构造——指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。

层理构造——土在生成过程中，由于不同阶段沉积的物质成分、颗粒大小或颜色不同，而沿竖向呈现的成层特征，有水平层理构造和交错层理构造。

裂隙构造——如，柱状裂隙。

强度和稳定性降低，透水性大，对工程不利。

【本次课总结】1．土是由固体（土粒）、液体（水）和气体（空气）三相所组成；2．粒径级配曲线的特点及用途；3．常见土的结构及构造形式。

【复习思考】1．粘土颗粒表面哪一层水膜对土的工程性质影响最大，为什么？2．为什么土的级配曲线用半对数坐标？1.3 土的三相比例指标反映着土的物理状态,如干湿软硬松密等。

表示土的三相组成比例关系的指标,统称为土的三相比例指标。

1．土的三相图【注意】土的三相图只是理想化地把土体中的三相分开，并不表示实际土体三相所占的比例。

一、指标的定义1．三项基本物理性质指标土的物理性质指标中有三个基本指标可直接通过土工试验测定,亦称直接测定指标。

① 土的密度ρ——土单位体积的质量（单位为3/cm g 或3/m t ）Vm＝ρ g ργ= 试验测定方法：环刀法一般粘性土ρ=1.8～2.03/cm g ；砂土ρ=1.6～2.03/cm g ；腐殖土ρ=1.5～1.73/cm g ；② 土粒比重（土粒相对密度）s G ——土粒的质量与同体积4o C 纯水的质量之比。

111w s w s s s V m G ρρρ=⨯=，无量纲。

s ρ——土粒密度（3/cm g ）1w ρ——纯水在C 04时的密度（单位体积的重量），等于3/1cm g 或3/1m t 。

试验测定方法：比重瓶法实际上：土粒比重在数值上等于土粒密度，前者无因次。

同一类土，其比重变化幅度很小，通常可按经验数值选用。

见下表。

【课堂讨论】相对密度（比重）与天然密度（重度）的区别注意：从公式可以看出，对于同一种土，在不同的状态（重度、含水量）下，其比重不变；③ 土的含水量ω——土中水的质量与土粒质量之比，以百分数表示：%100⨯=sm m ωω 一般：同一类土，当其含水量增大时，其强度就降低。

试验测定方法：烘干法（湿，干土质量之差与干土质量的比值）【讨论】含水量能否超过100％？——从公式可以看出，含水量可以超出100％。

2．特殊条件下土的密度① 饱和密度和饱和重度饱和密度sat ρ——（土孔隙中充满水时的单位体积质量）土体中孔隙完全被水充满时的土的密度：V V m v s sat ωρρ+=。

（31/1cm g w w ==ρρ）饱和重度：γsat =sat ρg （kN/m 3）。

② 和干重度干密度——单位体积中土粒的质量：Vm s d =ρ，（kg/m 3，g/cm 3）。

干重度——单位体积中土粒的重量：d γ=ρd g ，（kN/m 3）。

在工程上常把干密度作为评定土体密实程度的指标，以控制填土工程的施工质量。

③ 有效重度（浮重度）——单位土体积中土粒的质量扣除同体积水的质量即为单位土体 积中土粒的有效质量，称为土的有效密度ρ'V V m w s s ρρ-'＝ VV g m s s ωγγ-='，（kN/m 3）。