第二章 土的基本特性
2.1 概 述
土的形成 影 响 土的三相组成 土的物理状态 土的结构 决定
渗透特性 变形特性 强度特性
土的工程分类
土的压实性
• 土的定义：
地壳表层的岩石，在地质作用下不断破碎、分解， 经风化、搬运而沉积为大小、形状和成份都不相同的松
散颗粒集合体。
• 土的组成： 土由固体颗粒（固相）、土中水（液相）和土中
化学性质稳定，水稳性强。
次生矿物 主要是粘土矿物，包括三种类型
高岭石、伊里石、蒙脱石 颗粒细，比表面积大，活性大，亲水性强。
粘土矿物:
由硅片和铝片构成的晶包所组合而成
高 岭 石
伊 利 石
蒙脱石
水溶盐
有机质
3.土的矿物成分与粒组关系
4. 粘土矿物的晶体结构和分类
粘土矿物是次生矿物中数量最多的，颗粒极小，是粘粒组 中的主要矿物。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，
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
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 粗粒土 0.1 细粒土 粉粒 粘粒 胶粒 0.05 0.005 0.002
d
卵石 60
砾石
粗 中
20 5
砂粒
细 粗 中 细 极细
mm
2
0.5 0.25
粒径级配
——各粒组的相对含量，用质量百分数来表示
C c = 1 ~ 3, 级配连续土； Cc > 3 或 Cc < 1,级配不连续土 4）不均匀系数Cu和曲率系数Cc用于判定土的级配优劣： 如果 Cu ≥ 5且 C c = 1 ~ 3 ， 级配 良好的土； 如果 Cu < 5 或 Cc > 3 或 Cc < 1, 级配 不良的土
2. 矿物成分
原生矿物 石英、长石、云母等
基本单 元体
土体结 构
1. 土粒间的作用力
重 力
—土颗粒的自重形成的方向向下的力 — 砂性土
— 土中毛细作用形成的力 — 细砂、细粒土 — 粘性土
毛细力
胶结力
— 土粒间的胶体物质形成的作用力
颗粒表面力
— 粘性土
— 库 仑 力： 颗粒表面的静电引力或斥力
— 范德华力： 颗粒接触点处的分子间引力
2.粗粒土的结构
基本单元： 硅-氧四面体
硅片的结构
基本单元： 铝-氢氧八面体
铝片的结构
粘土矿物的 晶格构造
（氢键联结） 比表面积 ：单位质量 9克蒙脱土的总 土颗粒所拥有的总表面 表面积大约与一 高岭石积 伊利石 大 中 径个足球场一样大
蒙脱石
粒 比表面积 10-20m2/g 80-100m2/g 小 中 胀 缩 性 大 中 渗 透 性 大 中 强 度 小 中 压 缩 性
• 示意图 单粒结构
• 粒间作用力 • 排列形式 • 矿物成分
重力，毛细力
点与点、点与面
原生矿物
粉 土：蜂窝结构
3.细粒土的结构
• 示意图 片架结构 (凝聚结构) 海水中沉积 表面力、胶结力 （斥力减小引力增加） 边、角与面 边、角与边 次生矿物
片堆结构 (分散结构)
• 形成环境 • 粒间作用力 • 排列形式 • 矿物成分 淡水中沉积 表面力、胶结力 （粒间斥力占优势） 面与面 次生矿物
小 800m2/g 大 小 小 大
5.粘土矿物的带电性质
研究表明：
粘土颗粒的表面有电荷，净电荷通常为负电荷
粘土颗粒 水分子 阳离子
6. 颗粒形状
•原生矿物 圆状、浑圆状、棱角状 •次生矿物 针状、片状、扁平状
2.3.2 土中的水和气体
结晶水 矿物内部的水
结合水 吸附在土颗粒表面的水
自由水 电场引力作用范围之外的水 土中冰 由自由水冻成，冻胀融陷
粒径(mm)
粒径(mm) 百分数P(%)
0.05 26
0.01 13.5
0.01 0.005
0.005 10
0.001
0.10 0.05
1.0 0.5
10 5.0
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
土的粒径级配累积曲线
小于某粒径之土质量百分数（％）
特征粒径: d50 : 平均粒径 d60 : 控制粒径 d10 : 有效粒径
矿物成分不同，粘粒表面带电荷情况不同。 溶液中离子成分及浓度
浓度高或离子价高，则能有效地平衡粒面电荷，电位降低快， 扩散层变薄。
溶液的PH值
PH值升高一般会增高电动电位，从而加大扩散层的厚度。
• 改变扩散层厚度的方法： 电渗是导致扩散层厚度变化的途 径之一。 电动现象： 粘土中插入两电极，通以直流电时， 具有负电荷的粘粒带着固定层一起 向阳极移动，这种现象称为电泳。 电渗:在扩散层内的阳离子及其吸附 的水分子则向阴极移动。
1.0 0.5
10 5.0
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
土的粒径级配累积曲线
d60
d30
d10
粒径级配
粒径级配累积曲线及指标的用途： 1）粒组含量用于土的分类定名； 2）不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度： Cu ≥ 5, 不均匀土； Cu < 5, 均匀土
3）曲率系数Cc用于判定土的连续程度：
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力 学 特 性 有 何 差 异 ？
天然条件下，可能是多种组合，或者由一种结构过渡向另一种结构。
不均匀土的混合结构典型的：
粗粒构架
粘粒结合体
2.6 土的物理性质指标
2.6.1 土的 三相草图
ma=0 m mw ms
Air
Water Solid
Va Vv Vw Vs V
质量
体积
三相草图
ma=0 m mw ms Air Water Solid Va Vw Vs Vv V
土的性质影响不大
2.封闭气体：受外荷作用，不能逸出，被压缩或溶
解于水中，压力减小时能有所复原，对土的性质有 较大的影响，使土的渗透性减小，弹性增大和延长 土体受力后变形达到稳定的历时
2.4 土-水-电解质系统及其相互作用
水 液体 电解质 土-水-电解质
土
土颗粒
气体
水化离子
粒面的 电位离子层
反离子层
— 曲率系数
较大颗粒缺少 较小颗粒缺少
Cc 减小 Cc 增大
粒径(mm)
Cc = 1 ~ 3, 级配连续性好
曲线 d60 d10 d30 Cu Cc
L M R
0.081 3.98 0.33 0.005 0.063 66 2.41 0.030 0.545
0.01 0.005
0.001
0.10 0.05
结合水
强结合水 • • • • • 排列致密、定向性强 密度>1g/cm3 冰点处于零下几十度 具有固体的特性 温度高于100°C时可蒸发
弱结合水
• 位于强结合水之外，电场引 力作用范围之内 • 外力作用下可以移动 • 不因重力而移动，有粘滞性
重力水
在重力作用下可在土中自由流动
自由水
毛细水
• 存在于固气之间 • 在重力与表面张力作用下 可在土粒间空隙中自由移动
冲积土
湖泊沼泽沉积土 冰川: 冰积土 海相沉积物 风：风积土
颗粒均匀，层厚而不具层理
2.3 土的物质组成
固体矿物颗 粒 （固相） 土中气体 （气相） 土中水 （液相）
固相
+
液相
+
气相
构成土骨架，起决定作用
重要影响
次要作用
2.3.1 固体颗粒
粒径级配
矿物成分
颗粒形状
物理状态 力学特性
1. 粒径级配
d30
粗细程度： 用d50 表示 不均匀程度：
Cu = d60 / d10
— 不均匀系数
连续程度:
粒径(mm)
Cc = d302 / (d60×d10 )
— 曲率系数
d60 d10 d30 Cu Cc
0.33 0.005 0.063 66 2.41
0.01 0.005
0.001
Cu ≥5,级配不均匀
气体（气相）组成。
• 土的特性： 土是由许多单独矿物颗粒组成的松散集合体，不
是连续体，从而反映出其易压缩、易被水渗透、颗粒间 易发生相对剪切位移的力学性质。
2.2 土的生成
形成过程 形成条件
影响
物理力学 性质
土是岩石经过风化后在不同条件下形成的自然历史的产物
岩石 化 地球
风 搬运、沉积
土 地球
残积土：经风化作用 不经搬运作用所沉积下来的土 沉积土：风化---搬运－－＞沉积
如果粘粒不能移动，而只是水化阳 离子的移动，就称为电渗。
改变扩散层厚度的方法： 离子交换： 粘粒表面扩散层外水溶液中离子，同扩散 层内其他同符号离子交换的现象。
用高价阳离子交换粘性土中低价阳离子， 使扩散层变薄，因而粘粒靠拢，紧密，使地 基强度提高，压缩性降低。
离子交换能力： 同矿物成分、土粒大小、交换离子的成 分及浓度、 溶液的PH值等有关。 矿物亲水性越强、土粒越小，交换容量越大。 离子价越高、离子半径越大、摩尔质量越大交换 能力越大。
母岩表层经风化作用破碎成岩屑或细小 颗粒后，未经搬运残留在原地的堆积物
残积土
无搬运
残积土 强风化 弱风化 微风化 母岩体
颗粒表面粗糙 多棱角 粗细不均 无层理
土 质 较 好
运积土
有搬运
风化所形成的土颗粒，受自然力的作用 搬运到远近不同的地点所沉积的堆积物
运积土