《土质学与土力学》安徽理工大学资源与环境工程系

第一章 土的物质组成和结构

第一节 土的形成 第二节 土的三相组成 第三节 土的结构和构造

第一节 土的形成土的形成

岩石

地球

风化剥蚀

搬运、沉积

土

地球

第一节 土的形成土的演化

土 ( 土体 ) 岩石 ( 三大岩 )

第一节 土的形成

一、风化

物理风化 原生矿物

化学风化 次生矿物

生物风化动植物活动

有 机 质

母岩表面和碎散的颗粒受环境因素的作用而改变其矿物的化学成分，形成新的矿物

岩石和土的粗颗粒受各种气候因素的影响产生胀缩而发生裂缝 , 或在运动过程中因碰撞和摩擦而破碎

第一节 土的形成沉积与搬运

残积土无搬运

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

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

第一节 土的形成土的基本特征及主要成因类型

土的基本特征 ☆ 土是自然历史的产物☆ 土是相系组合体 ☆ 土是分散体系 ☆土是多矿物组合体

第一节 土的形成

土的主要成因类型

残积土 ( 体 )坡积土 ( 体 )洪积土 (体 )湖积土 ( 体 )冲积土 ( 体 )冰积土 ( 体 )崩积土 ( 体 )风积土 ( 体 )海洋沉积土 ( 体 )火山沉积土 ( 体 )

第二节 土的三相组成

土粒

水气

固相

液相

气相

构成土骨架，起决定作用

重要影响

次要作用

第二节 土的三相组成

固体 + 气体

固体＋液体＋气体

固体＋液体

干土

湿土

饱和土

干粘土较硬干砂松散

粘土多为可塑状态

饱和粉细砂受震动可能产生液化

第二节 土的三相组成一、 土的固体颗粒

矿物成分 颗粒形状

粒径级配

物理状态力学特性

第二节 土的三相组成

粒径级配(1) 漂石或块石组 (2) 卵石（碎石）组 (3) 砾石 (4) 砂粒组 (5) 粉粒组 (6) 粘粒组

筛分法

水分法

粗颗粒

细颗粒

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

d mm卵石 砾石 砂粒 粉粒 粘粒 胶粒

60 2 0.05 0.005 0.0020.250.5520粗 中 细 粗 中 细 极细

0.1粗粒土 细粒土

粗粒土 ( 无粘性土 )特征

细粒土 ( 粘性土 )特征

孔隙大、透水性强，毛细上升，高度很小，既无可塑造性，也无胀缩性，压缩性极弱，强度较高。

主要由原生矿物、次生矿物组成，孔隙很小，透水性极弱，毛细上升高度较高，有可塑性、胀缩性，强度较低。

粗粒土与细粒土

筛分法它是利用一套孔径大小不同的筛子，将事先称过重量的烘干土样过筛，称留在各筛上的重量，然后计算相应的百分数。

比重计法 :利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同来确定小于某粒径的土粒含量

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）

颗粒级配的描述工程上常用不均匀系数 Cu 描述

颗粒级配的不均匀程度 曲率系数 Cc 描述颗粒级配曲线整体形态，表明某粒组是否缺失情况

10

60

d

dCu

6010

230

dd

dCc

d10 、 d30 、 d60 小于某粒径的土粒含量为 10% 、 30% 和 60% 时所对应的粒径

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； Cu ＞ 10 的土视为级配良好的土

对于砾类土或砂类土，同时满足Cu≥5 和 Cc=1 ～ 3 时，定名为良好级配砂或良好级配砾

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： 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

第二节 土的三相组成

原生矿物

次生矿物

有机质

不可溶的

可溶的

腐植质

泥炭

粘土矿物 倍半氧化物 次生氧化物

难溶盐中溶盐 易溶盐

矿

物

原生矿物 石英、长石、云母等

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

粘土矿物 :由硅片和铝片构成的晶包所组合而成

矿

物

高 岭 石高 岭 石 伊 利 石伊 利 石蒙 脱 石

粘土矿物

高岭石 伊利石 蒙脱石

硅片的结构

铝片的结构

粘粒的带电性质研究表明：粘土颗粒的表面电荷，净电荷通常为负电荷

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

土

中

水

第二节 土的三相组成

矿物成分水

孔隙中的水

结晶水

沸石水

液态水

固态水

气态水

结合水

非结合水

强结合水

弱结合水

毛细水

重力水

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

结合水

分布在土粒内部相互贯通的孔隙可以看成许多形状不一、直径互异、彼此连通的毛细管

毛细水

土中毛细现象

分析对象 : 水柱πr2hcγw=2πrTcosα

• 上升高度 :

r

Thc

cos2

毛细升高与孔径成反比

粘土粉土砂土砾石

毛细压力

分析对象 :水膜

2πrTcosα+ucπr2 = 0• 假定 α= 0, 毛细压力

cc hu • 非饱和土中毛细张力影响

对砂土强度的影响 : 毛细边角水 , 假凝聚力

第二节 土的三相组成

土

中

气

体

气体来源

气体分类

(1) 空气 (2) 生物化学作用 (3) 化学反应

(1) 吸附气体(2) 溶解气体 (3) 密闭气体 (4) 自由气体

第三节 土的结构和构造

土的结构

土颗粒之间的相互排列和连续形式，称为土的结构。

单粒结构

蜂窝结构

絮状结构

粗颗粒土，如卵石、砂等 .密实的单粒结构土的工程性质最好

蜂窝状土工程性质较好

絮状结构土工程性质最差

第三节 土的结构和构造

粗粒土：单粒结构 粉 土：蜂窝结构

单粒结构：粗矿物颗粒在水或空气中在自重作用下沉落形成的单粒结构，其特点是土粒间存在点与点的接触。根据形成条件不同，可分为疏松状态和密实状态

蜂窝结构：颗粒间点与点接触，由于彼此之间引力大于重力，接触后，不再继续下沉，形成链环单位 ,很多链环联结起来，形成孔隙较大的蜂窝状结构

第三节 土的结构和构造

絮状结构：海水絮状结构：细微粘粒大都呈针状或片状，质量极轻，在水中处于悬浮状态。当悬液介质发生变化时，土粒表面的弱结合水厚度减薄，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

第三节 土的结构和构造

土的构造

同一土层中，土颗粒之间相互关系的特征称为土的构造。

层状构造

分散构造

结核状构造

裂隙状构造

土层由不同颜色，不同粒径的土组成层理，平原地区的层理通常为水平层理。层状构造是细粒土的一个重要特征。

土层中土粒分布均匀，性质相近，如砂，卵石层为分散构造。

在细粒土中掺有粗颗粒或各种结核，如含礓石的粉质粘土，含砾石的冰碛土等。

土体中有很多不连续的小裂隙，有的硬塑与坚硬状态的粘土为此种构造。