吉林大学：《土质学与土力学》课程教学资源（讲义，共十一章，负责人：郑孝玉）.docx_大学文库

第1章绪言土质学、土力学都是研究土的学科，目的是解决工程建筑中有关土的工程技术问题。土的形成经历了漫长的地质历史过程，它是地质作用的产物，是一种矿物集合体，为多相分散系统。其主要特征是分散性、复杂性和易变性，极易受到外界环境（温度、湿度等）的影响而发生变化。由于土的形成过程不同，加上自然环境的不同，使土的性质有着很大的差异，而人类工程活动又促使土的性质发生变异。因此在进行工程建设时，必须密切结合土的实际性质进行设计和施工，预测因土性质的变异带来的危害，并加以改良，否则会影响工程的经济合理性和安全使用。土质学是一门属于地质学范畴的科学，是从工程地质观点研究土的工程地质性质，包括物理性质、水理性质和力学性质；土的工程地质性质的形成和分布规律；土的物质组成、结构构造对土的工程地质性质的影响；土的工程地质性质指标的测试方法和测试技术；土的工程地质分类以及土的工程地质性质在自然或人为因素作用下的变化趋势和变化规律等。土力学则属于工程力学范畴的科学，是运用力学原理，同时考虑到土作为分散系特征来求得有关量的关系，其主要研究内容包括：土的应力与应变的关系；土的强度及土的变形和时间的关系：土在外荷作用下的稳定性计算。土质学与土力学虽各属不同学科范畴，但彼此间关系十分密切。随着科学的不断发展，这两门学科的相互结合已成为必然的发展趋势。土质学需吸取土力学中运用的数学、力学等最新理论去研究土的工程地质性质的本质；土力学将吸取土质学从成因及微观结构等认识士的性质本质的研究成果去研究与工程建筑有关的土的应力、应变、强度和稳定性等力学问题。本课程把土质学与土力学结合在一起就是顺应了科学发展的这种趋势，显示了完整性和系统性，也有利于更好地解决实际工程中有关土的问题。第2章土的物质组成及土水相互作用 2.1概述土是由固体相、液相、气体三相物质组成；或是由固体相、液体相、气体相和有机质（腐殖质）相四相物质组成。不同的风化作用，形成不同性质的土。风化作用有下列三种：物理风化、化学风化、生物风化。地壳表面广泛分布着的土体是完整坚硬的岩石经过风化、剥蚀等外力作用而瓦解的碎块或矿物颗粒，再经水流、风力或重力作用、冰川作用搬运在适当的条件下沉积成各种类型的土体。再搬运过程中，由于形成土的母岩成分的差异，颗粒大小、形态、矿物成分又进一步发生变化，并在搬运及沉积过程中由于分选作用造成在成分、结构、构造和性质上有规律的变化。 2.2土的粒度成分一、粒组及其划分粒度：土固体颗粒的大小粒径：与颗粒对应的当量小球体的直径粒组：土颗粒按粒径大小、性质形似而划分的组别粒度成分：土中各粒组的相对百分含量，称为土的粒度成分

第 1 章绪言土质学、土力学都是研究土的学科，目的是解决工程建筑中有关土的工程技术问题。土的形成经历了漫长的地质历史过程，它是地质作用的产物，是一种矿物集合体，为多相分散系统。其主要特征是分散性、复杂性和易变性，极易受到外界环境（温度、湿度等）的影响而发生变化。由于土的形成过程不同，加上自然环境的不同，使土的性质有着很大的差异，而人类工程活动又促使土的性质发生变异。因此在进行工程建设时，必须密切结合土的实际性质进行设计和施工，预测因土性质的变异带来的危害，并加以改良，否则会影响工程的经济合理性和安全使用。土质学是一门属于地质学范畴的科学，是从工程地质观点研究土的工程地质性质，包括物理性质、水理性质和力学性质；土的工程地质性质的形成和分布规律；土的物质组成、结构构造对土的工程地质性质的影响；土的工程地质性质指标的测试方法和测试技术；土的工程地质分类以及土的工程地质性质在自然或人为因素作用下的变化趋势和变化规律等。土力学则属于工程力学范畴的科学，是运用力学原理，同时考虑到土作为分散系特征来求得有关量的关系，其主要研究内容包括：土的应力与应变的关系；土的强度及土的变形和时间的关系；土在外荷作用下的稳定性计算。土质学与土力学虽各属不同学科范畴，但彼此间关系十分密切。随着科学的不断发展，这两门学科的相互结合已成为必然的发展趋势。土质学需吸取土力学中运用的数学、力学等最新理论去研究土的工程地质性质的本质；土力学将吸取土质学从成因及微观结构等认识土的性质本质的研究成果去研究与工程建筑有关的土的应力、应变、强度和稳定性等力学问题。本课程把土质学与土力学结合在一起就是顺应了科学发展的这种趋势，显示了完整性和系统性，也有利于更好地解决实际工程中有关土的问题。第 2 章土的物质组成及土水相互作用 2.1 概述土是由固体相、液相、气体三相物质组成；或是由固体相、液体相、气体相和有机质（腐殖质）相四相物质组成。不同的风化作用，形成不同性质的土。风化作用有下列三种：物理风化、化学风化、生物风化。地壳表面广泛分布着的土体是完整坚硬的岩石经过风化、剥蚀等外力作用而瓦解的碎块或矿物颗粒，再经水流、风力或重力作用、冰川作用搬运在适当的条件下沉积成各种类型的土体。再搬运过程中，由于形成土的母岩成分的差异，颗粒大小、形态、矿物成分又进一步发生变化，并在搬运及沉积过程中由于分选作用造成在成分、结构、构造和性质上有规律的变化。 2.2 土的粒度成分一、粒组及其划分粒度：土固体颗粒的大小粒径：与颗粒对应的当量小球体的直径粒组：土颗粒按粒径大小、性质形似而划分的组别粒度成分：土中各粒组的相对百分含量，称为土的粒度成分

我国的拉组划分方案粒组的粒径范围粒组的名称 (mm) 方案一方案二 d>200 原石粒（块石粒）原石粒（块石粒） 200≥d>60 巨粒卵石拉（碎石拉）雅石拉（辞石拉） 60≥d>20 陈拉粗陈拉 20≥d>2 圆陈粒（角乐粒）组陈拉 2≥d>05 粗粗粒粗 05≥d>0.25 砂粒中砂粒中 025≥d>0.075 细组 0.075≥d>0.005 松粒松拉细拉 0.005>d 粘粒粘粒二、粒度成分的测定方法土的粒度成分，通常以土中各粒组的质量百分率来表示，通过对土进行粒度分析，分离出土中各个粒组，分别称取质量，然后计算出各粒组的质量占该土总质量的百分数。不同类型的士，采用不同的分析方法。粗粒土采用筛析法，细粒土采用静水沉降分析法。筛析法：对于粒径大于0.075mm的粗粒土，可用筛析法测定粒度成分。试验时将风干、分散的代表性土样通过一套孔径不等的标准筛(20、2、0.5、0.25、0.1、0.075mm),称出留在各个筛子上的土的质量，即可求出各个粗粒组在土样中的相对含量。静水沉降分析法：对粒径小于0.075mm的粉粒或粘粒，现有技术难以筛分，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。三、粒度分析成果表示方法列表法累计曲线法概念：界限粒径：划分粒组的分界尺寸。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）。颗粒级配累积曲线：颗粒大小分析试验成果，由横坐标（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）。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C山和曲率系数Cc 2 C.- 60 C= 30 10 2.3土的矿物成分和化学成分 -、土的矿物成分 1 原生矿物岩石经物理风化生成颗粒，通常是由一种或几种原生矿物所组成，它的成分成分与母岩相同，常见的有石英、长石和云母。颗粒一股较粗，多呈浑圆形、块状或板状。吸附水的能力弱，性质比较稳定，无塑性。 2,次生矿物原岩经化学风化生成的新矿物，它的成分与母岩的完全不同。次生矿物主要是粘土矿物，即高龄石、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。水溶盐：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

二、粒度成分的测定方法土的粒度成分，通常以土中各粒组的质量百分率来表示，通过对土进行粒度分析，分离出土中各个粒组，分别称取质量，然后计算出各粒组的质量占该土总质量的百分数。不同类型的土，采用不同的分析方法。粗粒土采用筛析法，细粒土采用静水沉降分析法。筛析法：对于粒径大于 0.075mm的粗粒土，可用筛析法测定粒度成分。试验时将风干、分散的代表性土样通过一套孔径不等的标准筛（20、2、0.5、0.25、0.1、0.075mm），称出留在各个筛子上的土的质量，即可求出各个粗粒组在土样中的相对含量。静水沉降分析法：对粒径小于 0.075mm的粉粒或粘粒,现有技术难以筛分，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。三、粒度分析成果表示方法列表法累计曲线法概念：界限粒径：划分粒组的分界尺寸。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)。颗粒级配累积曲线：颗粒大小分析试验成果，由横坐标（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) 。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 2.3 土的矿物成分和化学成分一、土的矿物成分 1．原生矿物岩石经物理风化生成颗粒,通常是由一种或几种原生矿物所组成，它的成分成分与母岩相同，常见的有石英、长石和云母。颗粒一般较粗，多呈浑圆形、块状或板状。吸附水的能力弱，性质比较稳定，无塑性。 2．次生矿物原岩经化学风化生成的新矿物，它的成分与母岩的完全不同。次生矿物主要是粘土矿物，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。水溶盐：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

蚀作用粘土矿物：原生矿物长石、云母等硅酸盐矿物经化学风化形成。一般由硅氧四面体和铝氢氧八面体构成。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。八面体中每个氢氧离子均为三个八面体共有，形成八面体单位的片状结构仁。铝为正三价，氢氧为负一价，每个八面体只能以两个负电荷抵消铝离子的一个正电荷，故每个八面体都是正一价。硅氧四面体和铝氢氧八面体这两种基本单元以不同的比例组合，形成不同类型的粘土矿物。土中常见的粘土矿物有高龄石、伊利石和蒙脱石三大类。高龄石：一层硅氧四面体晶片和一层铝氧八面体晶片结合，形成一个单位晶胞。高龄石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，并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。伊利石：是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S4+被AB+所替代，由K+离子补偿晶层正电荷的不足。 3,土中的有机质：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0.1mm,呈凝胶状，带有电荷，具有极强的吸附性。二、土的化学成分土中的化学成分指组成土的固相、液相和气相中的化学元素、化合物的种类及其相对含量。 2.4土中的水和气体一、土中的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一固态、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）。 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、粘滞度高、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。 2.非结合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。 (2)重力水重力水也称自由水，是存在于地下水位以下含水土层中的地下水。它是在重力或压力差作用下自由运动，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。 (3)气态水和固态水气态水以水气状态存在，从气压高的地方向气压低的地方移动。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，使土的强度急刷降低，压缩性增大，土的性质显著恶化。二、土中的气体

蚀作用粘土矿物：原生矿物长石、云母等硅酸盐矿物经化学风化形成。一般由硅氧四面体和铝氢氧八面体构成。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。八面体中每个氢氧离子均为三个八面体共有，形成八面体单位的片状结构仁。铝为正三价，氢氧为负一价，每个八面体只能以两个负电荷抵消铝离子的一个正电荷，故每个八面体都是正一价。硅氧四面体和铝氢氧八面体这两种基本单元以不同的比例组合，形成不同类型的粘土矿物。土中常见的粘土矿物有高岭石、伊利石和蒙脱石三大类。高岭石：一层硅氧四面体晶片和一层铝氧八面体晶片结合，形成一个单位晶胞。高岭石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，并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。伊利石：是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。 3．土中的有机质：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 0.1mm，呈凝胶状，带有电荷，具有极强的吸附性。二、土的化学成分土中的化学成分指组成土的固相、液相和气相中的化学元素、化合物的种类及其相对含量。 2.4 土中的水和气体一、土中的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)。 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、粘滞度高、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。 2.非结合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。 (2)重力水重力水也称自由水，是存在于地下水位以下含水土层中的地下水。它是在重力或压力差作用下自由运动，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。 (3)气态水和固态水气态水以水气状态存在，从气压高的地方向气压低的地方移动。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。二、土中的气体

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。 2.5土水相互作用一、土粒的表面积和比表面积假设土粒成球形，单个土粒的直径为d,则 S= 以2 S为比表面积，单位m2/g。粒度越细，比表面积越大。因此粘土颗粒的比表面积大，表面能也大，故而与水的作用强烈，表现为不稳定二、粘粒表面的扩散双电层一双电层理论粘粒表面带有一定量负电荷，并紧密地吸附在固相表面上，形成固定层（吸附层）。由于静电引力的作用，在水溶液中将吸引水中的阳离子到土粒表面来。另一方面，阳离子又受到热运动的扩散作用，要离开土粒表面。因而阳离子的分布是不均匀的，愈靠近表面，静电作用力愈大、吸引力愈强，阳离子浓度也愈大：随着离土粒表面距离的增加，静电引力也降低，阳离子浓度也逐渐下降，直至孔隙中水溶液的浓度正常为止，这个层称为反离子层。而阴离子浓度与之相反。土粒表面带负电荷的固定层（吸附层）与受土粒表面影响的阳离子层（反离子层）合称为双电层。影响双电层的因素：土粒表面的电位、大小，土粒大小，矿物成分类型等。表面电荷形成的原因：选择性吸附：被吸附的离子具有规律性，总是有选择地吸附与它自身结晶格架中相同或相似的离子。表面分子解离：若粘粒由许多可解离的小分子缔合而成，则其与水作用后生成离子发生基，而后分解，再选择性地吸附与矿物格架上性质相同的离子于其表面而带电。同晶替代现象：结晶学中，一个四面体或八面体中阳离子的位置不是由常见的阳离子所充填，而是由其它的阳离子所占据，而晶体结构没有改变，这种现象叫“同晶替代”。三、离子交换粘粒与水溶液相互作用后，吸附在其表面的阳离子或阴离子可与溶液中的阴离子或阳离子进行交换，这种现象称为离子交换。 2.6土的结构与构造一、土的结构土的结构：指土颗粒或集合体的大小和形状、表面特征、排列形式以及它们之间的连接特征（微观结构）。土的结构对土的工程性质影响很大，特别是粘性土，如某些灵敏性钻土在原状结构时具有一定的强度，当结构扰动或重塑时，强度就降低很多，甚至不能再成型。 L.土结构的构成要素研究内容包括：能够独立发挥作用的基本单元体，基本单元体的排列方式及由此形成的孔隙，以及基本单元体间的相互作用和相互联结。粗粒土的结构要素分析单粒结构，如粗颗粒土，如卵石、砂等。细粒土的结构要素分析蜂窝结构，粒级在0.02~0.002mm范围，形成很大孔隙的蜂窝状结构：絮状结构，粒径小于0.005m的粘土颗粒，形成小链环状的土集粒，此种结构在海积粘土中常见。细粒土的孔隙类型：架空孔隙。单元体间孔隙，单元体内孔隙，溶蚀孔隙，大孔隙细粒土的结构联结类型：结合水膜接触联结，胶结联结，同相接触联结，链条联结

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。 2.5 土水相互作用一、土粒的表面积和比表面积假设土粒成球形，单个土粒的直径为 d，则 S 为比表面积，单位 m2/g。粒度越细，比表面积越大。因此粘土颗粒的比表面积大，表面能也大，故而与水的作用强烈，表现为不稳定二、粘粒表面的扩散双电层—双电层理论粘粒表面带有一定量负电荷，并紧密地吸附在固相表面上，形成固定层(吸附层)。由于静电引力的作用，在水溶液中将吸引水中的阳离子到土粒表面来。另一方面，阳离子又受到热运动的扩散作用，要离开土粒表面。因而阳离子的分布是不均匀的，愈靠近表面，静电作用力愈大、吸引力愈强，阳离子浓度也愈大；随着离土粒表面距离的增加，静电引力也降低，阳离子浓度也逐渐下降，直至孔隙中水溶液的浓度正常为止,这个层称为反离子层。而阴离子浓度与之相反。土粒表面带负电荷的固定层(吸附层)与受土粒表面影响的阳离子层(反离子层)合称为双电层。影响双电层的因素: 土粒表面的电位、大小,土粒大小,矿物成分类型等。表面电荷形成的原因：选择性吸附：被吸附的离子具有规律性，总是有选择地吸附与它自身结晶格架中相同或相似的离子。表面分子解离：若粘粒由许多可解离的小分子缔合而成，则其与水作用后生成离子发生基，而后分解，再选择性地吸附与矿物格架上性质相同的离子于其表面而带电。同晶替代现象：结晶学中，一个四面体或八面体中阳离子的位置不是由常见的阳离子所充填，而是由其它的阳离子所占据，而晶体结构没有改变，这种现象叫“同晶替代”。三、离子交换粘粒与水溶液相互作用后，吸附在其表面的阳离子或阴离子可与溶液中的阴离子或阳离子进行交换，这种现象称为离子交换。 2.6 土的结构与构造一、土的结构土的结构：指土颗粒或集合体的大小和形状、表面特征、排列形式以及它们之间的连接特征(微观结构)。土的结构对土的工程性质影响很大，特别是粘性土，如某些灵敏性钻土在原状结构时具有一定的强度，当结构扰动或重塑时，强度就降低很多，甚至不能再成型。 1. 土结构的构成要素研究内容包括：能够独立发挥作用的基本单元体，基本单元体的排列方式及由此形成的孔隙，以及基本单元体间的相互作用和相互联结。粗粒土的结构要素分析单粒结构，如粗颗粒土，如卵石、砂等。细粒土的结构要素分析蜂窝结构，粒级在 0.02~0.002mm范围，形成很大孔隙的蜂窝状结构；絮状结构，粒径小于 0.005mm的粘土颗粒，形成小链环状的土集粒，此种结构在海积粘土中常见。细粒土的孔隙类型：架空孔隙，单元体间孔隙，单元体内孔隙，溶蚀孔隙，大孔隙细粒土的结构联结类型：结合水膜接触联结，胶结联结，同相接触联结，链条联结

2.土的常见结构类型单粒结构：组成砂、砾等粗粒土的基本结构类型，颗粒较粗大，比表面积小，颗粒之间为点接触，几乎没有连结，粒间相互作用的影响较之重力作用的影响可忽略不计，是重力场作用下堆积而成的。片架结构：粘粒在絮凝状态下形成的，亦称絮凝结构。其特点是粘土片以边一面或边-边连结为主，颗粒呈随机排列，性质较均匀，但孔隙较大，对扰动比较敏感。具有触变性的土多后于此类结构。片堆结构：粘粒是在分散状态下沉积而形成的，亦称分散结构。其特点是以面一面连结为主，粘土片呈定向排列，密度较大，具有明显的各向异性的力学性质。二、土的构造粘性土片状块状结构，凝聚力，胶结无粘性土单粒结构，无凝聚力，无胶结第3章土的物理性质及工程分类 3.1概述土中的士粒、水和气三部分的质量（或重力）与体积之间的比例关系，随着各种条件的变化而改变。土粒一般由矿物质组成，即土的固体部分，它构成土的骨架。土骨架间布满孔隙。这些孔隙有时完全被水充满，称为饱和土；有时一部分孔隙被水占据，另一部分被气体占据，称为非饱和土；孔隙完全充满气体时，则称为干土。水和溶解于水的物质构成土的液体部分。空气和其他一些气体构成土的气体部分。这三种组成部分本身的性质以及它们之间的比例关系和相互作用，决定土的物理力学性质。因此，研究土的性质，必须研究土的固体、液体和气体的三相组成。 3.2土的三相比例指标土的三相草图 Solids Air m。=0 Void Idealization Water 加机 Solids (a)Soil (b)Idealized soil 在上述变量中ma=0,独立的量有Vs、Vw、、mw和ms五个。lcm3水的质量通常等于lg,故在数值上 Vw=mw。当研究这些量的相对比例关系时，总是取某一定数量的土体来分析，例如，取V=lcm3,或m=lg,或 Vs=1cm3等，因此又可以消去一个未知量。这样，对于一定数量的三相土体，只要知道其中三个独立的量，其他各个量就可从图中直接换算得到。三相草图是土力学中用来计算三相量比例关系的一种简单而又很实用的工具。二、确定三相量比例关系的基本试验指标土的（天然）密度：土样总质量与其体积之比，即单位体积土的质量。单位：Mgm3,gcm3

2. 土的常见结构类型单粒结构：组成砂、砾等粗粒土的基本结构类型，颗粒较粗大，比表面积小，颗粒之间为点接触，几乎没有连结，粒间相互作用的影响较之重力作用的影响可忽略不计，是重力场作用下堆积而成的。片架结构：粘粒在絮凝状态下形成的，亦称絮凝结构。其特点是粘土片以边－面或边－边连结为主，颗粒呈随机排列，性质较均匀，但孔隙较大．对扰动比较敏感。具有触变性的土多后于此类结构。片堆结构：粘粒是在分散状态下沉积而形成的，亦称分散结构。其特点是以面－面连结为主，粘土片呈定向排列，密度较大，具有明显的各向异性的力学性质。二、土的构造粘性土片状,块状结构，凝聚力，胶结无粘性土单粒结构，无凝聚力，无胶结第 3 章土的物理性质及工程分类 3.1 概述土中的土粒、水和气三部分的质量(或重力)与体积之间的比例关系，随着各种条件的变化而改变。土粒一般由矿物质组成，即土的固体部分,它构成土的骨架。土骨架间布满孔隙。这些孔隙有时完全被水充满，称为饱和土；有时一部分孔隙被水占据，另一部分被气体占据，称为非饱和土；孔隙完全充满气体时，则称为干土。水和溶解于水的物质构成土的液体部分。空气和其他一些气体构成土的气体部分。这三种组成部分本身的性质以及它们之间的比例关系和相互作用，决定土的物理力学性质。因此，研究土的性质，必须研究土的固体、液体和气体的三相组成。 3.2 土的三相比例指标一、土的三相草图在上述变量中 ma=0，独立的量有 Vs、Vw、Va、mw 和 ms 五个。1cm3 水的质量通常等于 1g，故在数值上 Vw=mw。当研究这些量的相对比例关系时，总是取某一定数量的土体来分析，例如，取 V=1cm3，或 m=1g，或 Vs=1cm3 等，因此又可以消去一个未知量。这样，对于一定数量的三相土体，只要知道其中三个独立的量，其他各个量就可从图中直接换算得到。三相草图是土力学中用来计算三相量比例关系的一种简单而又很实用的工具。二、确定三相量比例关系的基本试验指标土的（天然）密度：土样总质量与其体积之比,即单位体积土的质量。单位:Mg/m3, g/cm3

0= 测定方法：一般用“环刀法”，用一个圆环刀（刀刃向下）放在削平的原状土样面上，慢慢削去环刀外围的土，边削边压，使保持天然状态的士样压满环刀内，称得环刀内土样的质量，求得它与环刀容积之比值即为其密度土的重度：定义为单位体积土的重量，与密度有对应关系 G mg 表达式为：y= 二g 土粒相对密度（比重）：土粒密度（单位体积土粒的质量）与4℃时纯水密度之比。 3 d,= =0,1Pm Pu pwl为4℃时纯水的密度，pwl=1gcm3,ps为土粒的密度，即单位体积土粒的质量。故实用上，土粒相对密度在数值上等于土粒的密度。三、确定三相量比例关系的其它常用指标孔隙率：土的孔隙体积与土体积之比，或单位体积土中孔隙的体积，以百分数表示。 2= 立×100% 孔隙比：土中孔隙体积与士粒体积之比。 a= 两者关系 e 2= 1+e 土的（天然）含水量：土中水的质量与土粒质量之比，用w表示，以百分数计。 W=- 型×100%= m-m×100% 汽 2 3,3无粘性土的密实度砂土、碎石土统称为无粘性土，而粉土则视情况定为无或少粘性土。无粘性土的密度对其工程性质有重要的影响。土的密实度通常指单位体积中固体颗粒的含量。土颗粒含量多，土就密实；土颗粒含量少，土就疏松。反映这类土工程性质的主要指标是密实度。干密度rd和孔隙比e(或孔隙度n)都是表示土的密实度的指标。工程上为了更好地表明砂土所处的密实状态，采用将现场土的孔隙比©与该种土所能达到最密实时的孔隙比 emin和最松散时的孔隙比emax相比较的办法，来表示孔隙比e时土的密实度。这种度量密实度的指标称为相对密度Dr,定义为土的最大孔隙比©max的测定方法是将松散的风干土样，通过长颈漏斗轻轻地倒入容器，求得土的最小干密度再经换算确定；土的最小孔隙比emin的测定方法是将松散的风干土样分批装入金属容器内，按规定的方法进行振动或锤击夯实，直至密实度不再提高，求得最大干密度再经换算确定。密实度判别标准：Drs13疏松1BsD≤2/3中密Dr>23密实 3.4粘性土的物理特征、粘性土的稠度稠度是指土的软硬程度或土对外力引起变形或破坏的抵抗能力。土中含水量很低时，水都被颗粒表面的电荷紧紧吸着于颗粒表面，成为强结合水。强结合水的性质接近于固态。因此，当土粒之间只有强结合水时，按水膜厚薄不同，土表现为固态或半固态。当含水量增加，被吸附在颗粒周围的水膜加厚，土粒周围除强结合水外还有弱结合水，弱结合水呈粘滞状

测定方法：一般用“环刀法” ，用一个圆环刀（刀刃向下）放在削平的原状土样面上，慢慢削去环刀外围的土，边削边压，使保持天然状态的土样压满环刀内，称得环刀内土样的质量，求得它与环刀容积之比值即为其密度。土的重度：定义为单位体积土的重量，与密度有对应关系土粒相对密度（比重）：土粒密度（单位体积土粒的质量）与 4℃时纯水密度之比。 ρw1 为 4℃时纯水的密度，ρw1=1g/cm3;ρs 为土粒的密度，即单位体积土粒的质量。故实用上，土粒相对密度在数值上等于土粒的密度。三、确定三相量比例关系的其它常用指标孔隙率：土的孔隙体积与土体积之比，或单位体积土中孔隙的体积，以百分数表示。孔隙比：土中孔隙体积与土粒体积之比。两者关系: 土的(天然)含水量：土中水的质量与土粒质量之比，用 w 表示，以百分数计。 3．3 无粘性土的密实度砂土、碎石土统称为无粘性土，而粉土则视情况定为无或少粘性土。无粘性土的密度对其工程性质有重要的影响。土的密实度通常指单位体积中固体颗粒的含量。土颗粒含量多，土就密实；土颗粒含量少，土就疏松。反映这类土工程性质的主要指标是密实度。干密度 rd 和孔隙比 e (或孔隙度 n)都是表示土的密实度的指标。工程上为了更好地表明砂土所处的密实状态，采用将现场土的孔隙比 e与该种土所能达到最密实时的孔隙比 emin 和最松散时的孔隙比 emax 相比较的办法，来表示孔隙比 e时土的密实度。这种度量密实度的指标称为相对密度 Dr，定义为: 土的最大孔隙比 emax 的测定方法是将松散的风干土样，通过长颈漏斗轻轻地倒入容器，求得土的最小干密度再经换算确定；土的最小孔隙比 emin 的测定方法是将松散的风干土样分批装入金属容器内，按规定的方法进行振动或锤击夯实，直至密实度不再提高，求得最大干密度再经换算确定。密实度判别标准： Dr≤1/3 疏松 1/3≤Dr≤2/3 中密 Dr＞2/3 密实 3.4 粘性土的物理特征一、粘性土的稠度稠度是指土的软硬程度或土对外力引起变形或破坏的抵抗能力。土中含水量很低时，水都被颗粒表面的电荷紧紧吸着于颗粒表面，成为强结合水。强结合水的性质接近于固态。因此，当土粒之间只有强结合水时，按水膜厚薄不同，土表现为固态或半固态。当含水量增加，被吸附在颗粒周围的水膜加厚，土粒周围除强结合水外还有弱结合水，弱结合水呈粘滞状

态，不能传递静水压力，不能自由流动，但受力时可以变形，能从水膜较厚处向邻近较薄处移动。在这种含水量情况下，土体受外力作用可以被捏成任意形状而不破裂，外力取消后仍然保持改变后的形状。这种状态称为可塑状态。区别粘性土从一种状态转变为另一种状态的界限含水量称为稠度界限或阿太堡界限。液限(Liquid Limit):又称流限，是流动状态与可塑状态的界限含水量，也即可塑状态的上限含水量。可用锥式液限仪或碟式液限仪测得。塑限(Plastic Limit):是可塑状态与半固态状态的界限含水量。用搓条法或液塑限联合测定仪测得。缩限(Shrinkage Limit):是半固体状态与固态的界限含水量。二、粘性土的塑性指数和液性指数塑性指数(Plasticity index) 综合反映粘性土的特性以及各类重要因素的影响，因此可用于土的分类及其性质的评估。液性指数(Liquidity index) 反映粘性土软硬程度（稠度，潮湿程度）。 3.5粘性土的胀缩性一、粘性土胀缩性定义粘性土中含水量变化会引起土的稠度和体积的变化。由于含水量增加使体积增大的性能称为膨胀性；由于含水量减少使体积减小的性能称为收缩性。二、粘性土膨胀性指标 1膨胀率：原状土在一定压力和有侧限条件下浸水膨胀稳定后的高度增加量与原高度之比，称为膨胀率，表示为(1)：么。一 (1) =V0x100% (2) 喝 2自由胀缩率：将一定体积的扰动土经充分吸水膨胀稳定后测得的体积增加量与原体积之比，称为自由膨胀率表示为(2) 3膨胀力：原状土经充分吸水膨胀时产生的最大内应力称为膨胀力 4.膨胀含水量：土经充分吸水膨胀后的含水量(3) 三、土的收缩性及其指标缩性指数：(4 表征土收缩性的指标：（⑤）体缩率δV:土样失水收缩减少的体积与原体积之比，以百分率表示(6)线缩率δs:土样失水收缩减少的高度与原高度之比，以百分率表示()收缩系数s:在直线阶段的竖向线缩率

态，不能传递静水压力，不能自由流动，但受力时可以变形，能从水膜较厚处向邻近较薄处移动。在这种含水量情况下，土体受外力作用可以被捏成任意形状而不破裂，外力取消后仍然保持改变后的形状。这种状态称为可塑状态。区别粘性土从一种状态转变为另一种状态的界限含水量称为稠度界限或阿太堡界限。液限（Liquid Limit）：又称流限，是流动状态与可塑状态的界限含水量，也即可塑状态的上限含水量。可用锥式液限仪或碟式液限仪测得。塑限（Plastic Limit）：是可塑状态与半固态状态的界限含水量。用搓条法或液塑限联合测定仪测得。缩限（Shrinkage Limit）：是半固体状态与固态的界限含水量。二、粘性土的塑性指数和液性指数塑性指数（Plasticity index）综合反映粘性土的特性以及各类重要因素的影响，因此可用于土的分类及其性质的评估。液性指数（Liquidity index）反映粘性土软硬程度（稠度，潮湿程度）。 3.5 粘性土的胀缩性一、粘性土胀缩性定义粘性土中含水量变化会引起土的稠度和体积的变化。由于含水量增加使体积增大的性能称为膨胀性；由于含水量减少使体积减小的性能称为收缩性。二、粘性土膨胀性指标 1.膨胀率：原状土在一定压力和有侧限条件下浸水膨胀稳定后的高度增加量与原高度之比，称为膨胀率，表示为(1): 2.自由胀缩率：将一定体积的扰动土经充分吸水膨胀稳定后测得的体积增加量与原体积之比，称为自由膨胀率，表示为(2). 3. 膨胀力：原状土经充分吸水膨胀时产生的最大内应力称为膨胀力 4. 膨胀含水量：土经充分吸水膨胀后的含水量(3) 三、土的收缩性及其指标缩性指数：(4) 表征土收缩性的指标：(5) 体缩率 δV：土样失水收缩减少的体积与原体积之比，以百分率表示(6) 线缩率 δsi：土样失水收缩减少的高度与原高度之比，以百分率表示(7) 收缩系数 λs：在直线阶段的竖向线缩率

中砂类土的分类细粒土的分类(10mm液限) 《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001) 该分类体系主要考虑土的天然结构联结的性质和强度，先按堆积年代和地质成因划分，并将区域性特殊土和般性土区别开来，在结合沉积年代等综合定名。按颗粒级配或塑性指数先将士分为碎石土、砂土、粉土和粘性土四大类，再结合沉积年代、成因和某些特殊性质综合定名。按沉积年代划分为：老沉积土，新近沉积士根据地质成因分类：残积土、坡积土、洪积土、淤积土、冰积土、风积土和海积土等。根据有机质含量分类：无机土、有机质土、泥炭质土、泥炭按颗粒级配和塑性指数分类：碎石土、砂土、粉土、粘性土碎石土分类（粒径大于2mm颗粒含量超过总质量50%）】砂土分类（粒径大于2mm颗粒含量不超过总质量50%，且粒径大于0.075mm的颗粒含量超过总量的50%) 粘性土分类：塑性指数1p>10的土，又进一步细分为粘土和粉质粘土粉土分类：粒径大于0.075mm的颗粒质量不超过总质量的50%，且塑性指数Ip≤10的土。《公路土工试验规程》(T051一93)中的分类法：粗粒组划分图 3.7区域性士的主要特征区域性土是指在特定地理环境下或人为条件下形成的特殊性质的土，其分布具有明显的区域性。包括淤泥类土、膨胀土、红土、黄土类土、人工填土、冻土。 1.淤泥类土（软土）高孔隙比、饱水、天然含水率大于液限孔隙比常见值为1.0~2.0；液限一般为40% ~60%.饱和度一般>90%，天然含水率多为50~70%。未扰动时，处于软塑状态，一经扰动，结构破坏，处于流动状态。透水性极弱：一般垂直方向地渗透系数较水平方向小些。高压缩性：al~2一般为0.7~1.5Mpa-1,且随天然含水率的增大而增大。抗剪强度很低，且与加荷速度和排水固结条件有关较显著的触变性和蠕变性 2.膨胀土膨胀土的液限、塑限和塑性指数都较大：液限为40%~68%，塑限为17%~35%，塑性指数为18~33。膨胀土的饱和度一般较大，常在80%以上，天然含水率较小，17%~30%。 3.红土液限大，含水量大，孔隙比大；强度较高，且变化范围大：膨胀性弱，但某些土具有明显收缩性，浸水后强度降低。红粘土具有这些特殊性质，是与其生成环境及其相应的组成物质有关。形成条件：湿热气候下，富含较多粘粒和铁铝氧化物胶结的红色粘性土。 4.黄土类士包括老黄土、新黄土和新近堆积黄土：成因为风积、冲积、洪积、坡积和冰水沉积等。特点：塑性较弱：含水较少；压实程度很差，孔隙较大；抗水性弱，遇水崩解，膨胀量较小，但失水收缩量明显；透水性较强；强度较高，因为压缩中等，抗剪强度较高。 5.人工填土性质很不均匀，分布和厚度变化上缺乏规律性；物质成分异常复杂。有天然土颗粒，有砖瓦碎片和石块，以及人类活动和生产所抛弃的各种垃圾；是一种欠压密土，一般具有较高的压缩性，孔隙比很大。往往具有浸水湿陷性。 6.冻土寒冷地区，气温在零下时，土中液态水冻结为冰，冰胶结了土粒，形成一种特殊联结的土，成为冻土。又分

中砂类土的分类细粒土的分类（10mm 液限）《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）该分类体系主要考虑土的天然结构联结的性质和强度，先按堆积年代和地质成因划分，并将区域性特殊土和一般性土区别开来，在结合沉积年代等综合定名。按颗粒级配或塑性指数先将土分为碎石土、砂土、粉土和粘性土四大类，再结合沉积年代、成因和某些特殊性质综合定名。按沉积年代划分为：老沉积土，新近沉积土根据地质成因分类：残积土、坡积土、洪积土、淤积土、冰积土、风积土和海积土等。根据有机质含量分类：无机土、有机质土、泥炭质土、泥炭按颗粒级配和塑性指数分类：碎石土、砂土、粉土、粘性土碎石土分类（粒径大于 2mm颗粒含量超过总质量 50%）砂土分类（粒径大于 2mm颗粒含量不超过总质量 50%，且粒径大于 0.075mm的颗粒含量超过总量的 50%）粘性土分类：塑性指数 Ip＞10 的土，又进一步细分为粘土和粉质粘土粉土分类：粒径大于 0.075mm的颗粒质量不超过总质量的 50%，且塑性指数 Ip≤10 的土。《公路土工试验规程》（JTJ051—93）中的分类法：粗粒组划分图 3.7 区域性土的主要特征区域性土是指在特定地理环境下或人为条件下形成的特殊性质的土，其分布具有明显的区域性。包括淤泥类土、膨胀土、红土、黄土类土、人工填土、冻土。 1. 淤泥类土（软土）高孔隙比、饱水、天然含水率大于液限孔隙比常见值为 1.0～2.0；液限一般为 40％～60％，饱和度一般>90％，天然含水率多为 50～70％。未扰动时，处于软塑状态，一经扰动，结构破坏，处于流动状态。透水性极弱：一般垂直方向地渗透系数较水平方向小些。高压缩性：a1~2 一般为 0.7～1.5Mpa－1，且随天然含水率的增大而增大。抗剪强度很低，且与加荷速度和排水固结条件有关较显著的触变性和蠕变性 2. 膨胀土膨胀土的液限、塑限和塑性指数都较大：液限为 40％～68％，塑限为 17%～35％，塑性指数为 18～33。膨胀土的饱和度一般较大，常在 80％以上，天然含水率较小，17％～30％。 3. 红土液限大，含水量大，孔隙比大；.强度较高，且变化范围大；膨胀性弱，但某些土具有明显收缩性，浸水后强度降低。红粘土具有这些特殊性质，是与其生成环境及其相应的组成物质有关。形成条件：湿热气候下，富含较多粘粒和铁铝氧化物胶结的红色粘性土。 4. 黄土类土包括老黄土、新黄土和新近堆积黄土；成因为风积、冲积、洪积、坡积和冰水沉积等。特点：塑性较弱；含水较少；压实程度很差，孔隙较大；抗水性弱，遇水崩解，膨胀量较小，但失水收缩量明显；透水性较强；强度较高，因为压缩中等，抗剪强度较高。 5. 人工填土性质很不均匀，分布和厚度变化上缺乏规律性；物质成分异常复杂。有天然土颗粒，有砖瓦碎片和石块，以及人类活动和生产所抛弃的各种垃圾；是一种欠压密土，一般具有较高的压缩性，孔隙比很大。往往具有浸水湿陷性。 6. 冻土寒冷地区，气温在零下时，土中液态水冻结为冰，冰胶结了土粒，形成一种特殊联结的土，成为冻土。又分