1、1第一章 土的结构与分类谢新宇 韩同春1.1 土的形成1土由岩石经风化作用而成. 土的工程性质与土的形成环境, 过程, 成分, 结构, 构造密切相关. 风化作用 坏 作 用植 被 ， 树 木 根 系 等 的 破生 物 作 用 微 生 物 ， 还 原 作 用 ， 碳 化 作 用 等， 离 子 交 换 作 用 ， 氧 化化 学 风 化 水 解 作 用 等 等 破 坏 作 用， 热 胀 冷 缩 ， 加 载 卸 载物 理 风 化 风 吹 雨 打土 腐 殖 土泥 炭 土 冰 成 沉 积 土水 成 沉 积 土风 成 沉 积 土沉 积 土残 积 土（1）残积土岩石经风化残留在原处的土。残积土特点：未经搬运，
2、未被摩圆和分选，没层理，大孔隙，非均质。（2） （风成）沉积土经风力搬运堆积而成的土。例如黄土 蚀 搬 运 重 新 沉 积 的 黄 土次 生 黄 土 经 水 流 侵 不 层 理 的 黄 土原 生 黄 土 未 经 扰 动黄土按年代分有老黄土、新黄土，按湿陷性分有湿陷性黄土、非湿陷性黄土砂丘在风力作用下可以在地面上移动，由于风的分选作用极不均匀。(3)水成沉积土经水流搬运后沉积的土。水成沉积土 海 相 沉 积 土三 角 洲 沉 积 土湖 相 沉 积 土冲 积 土洪 积 土坡 积 土坡积土岩石风化物经雨水雪水冲刷、侵蚀、携带、沉积在平缓的山坡上形成的沉（堆）积物。2坡积土特点：搬运距离短、土质不均匀
3、、厚度变化大、压缩性高。洪积土山洪急流冲刷地表土层，形成泥石流，在山谷冲沟出口或山前倾斜平原上形成的堆积物。洪积土特点：有不规则交错的层理构造（如夹层、透镜体等） ，土质不均匀。冲积土河流水力作用将坡积土和洪积土侵蚀、搬运、沉积在河流坡降变小的平缓地带形成的沉积物。冲积土特点：沿河流可形成上游冲积土、下游冲积土，范围越来越大，颗粒越来越小、越来越圆。湖相沉积土在湖泊沉积的土特点：在岸边沉积较粗大碎屑的物质，湖底的中部多沉积细小颗粒的物质。三角洲沉积土河流流入海洋时，流速急剧减少，悬浮物质在河口形成的沉积土。3三角洲沉积土特点：结构复杂，层理明显或透镜体，颗粒细，分布一定规律。土的层理结构海相沉
4、积土由海岸岩石破坏后的碎屑物质组成。海相沉积土102km4滨 海 沉 积 物 （ 主 要 有 卵 石 ， 圆 砾 ， 砂 等 粗 颗 粒 ）浅 海 沉 积 物 （ 离 滨 海 ， 主 要 有 细 颗 粒 砂 土 ， 粘 性 土 ，淤 泥 和 生 物 化 学 沉 积 物 ）陆 坡 沉 积 物 （ 离 滨 海 ， 主 要 有 粘 土 ， 含 钙 （ 硅 ） 的 软 泥 ）深 海 沉 积 物 （ 离 滨 海 以 外 ， 主 要 有 粘 土 ， 含 钙 （ 硅 ） 的 软 泥 ）海相沉积土特点：离海岸越远沉积物越细。（4）冰川沉积土冰川活动 搬运 溶化 沉积冰川沉积土 冰 川 湖 泊 沉 积 物冰 川
5、 河 流 沉 积 物冰 川 沉 积 物2沉积物沉积后的物理化学过程（1）风化作用块体 大颗粒 小颗粒（2）固化作用P e （3）成岩作用温度、压力、时间效应、物质转化（4）溶解作用离子交换和可溶盐的淋溶（如土洞、溶洞）4地质循环1.2 土的组成 土的组成 土 的 气 相土 的 液 相土 的 固 相1. 土的固相1）土的矿物成分取决于母岩的成分及其所经受的风化作用。土的矿物成分 盐 类 （ 沉 淀 析 出 ） 遗 体 分 解有 机 质 源 于 动 植 物 物 风 化 形 成次 生 矿 物 由 原 生 矿 粒形 成 岩 石 结 构 的 矿 物 颗原 生 矿 物 岩 石 碎 屑粗大颗粒（d2mm）岩
6、石碎屑，其矿物成分与母岩相同。砂粒（d=0.0752mm）母岩中的单矿物颗粒，如石英，长石和云母等。粉粒（d=0.0050.0075mm）主要是石英，MgCO 3,CaCO3等难溶盐的颗粒。粘粒（d0.005mm）主要有粘土矿物，氧化物，氢氧化物和各种难溶盐类，如碳酸钙。粘土矿物 成八 面 体 晶 体 交 替 迭 合 而绿 泥 石 硅 氧 晶 片 与 组 成 的 晶 胞氧 晶 片 和 一 层 硅 氧 晶 片高 岭 石 由 一 层 铝 氢因 而 晶 胞 间 出 现 一 价 取 代 ，可 以 被四 面 体 中 的似 于 蒙 脱 石 ， 但伊 利 石 结 构 单 元 类 片片 之 间 夹 一 层 铝
7、 氢 氧 晶蒙 脱 石 两 层 硅 氧 晶 KFeAlSiOSi 34,硅氧四面体示意图 铝氧八面体或镁氧八面体示意图5高岭石结构示意图蒙脱石结构示意图 伊利石结构示意图绿泥石结构示意图2) 土的颗粒级配土的颗粒大小、形状、级配对土的物理力学性质有重要的影响。筛分法用一套孔径递减的筛子将风干的土过筛分离，记录每个筛子上留下来得土体质量，可得到土的颗粒级配。比重计法和移液管法的基础是 Stokes 定律 。Stockes 定律假定： 颗粒是球形的。 颗粒周围的水流是线流。 颗粒大小比分子大得多。在静止液体中一个球形颗粒下沉速度为： )(92lsrv式中 r颗粒半径；颗粒重度；s液体重度；l液体粘
8、滞系数。于是 21)(8thDls式中 D颗粒直径；h颗粒 t 时间时下沉距离。土的颗粒级配曲线根据颗粒粒径分析结果绘制。6颗粒级配曲线不均匀系数 。 越大，级配越好，工程上 级配良好。106dKuu 10uK曲率系数 。反映曲线的整体形状。623c单独用 评估土的级配不够全面，要同时考虑曲率系数 。u c对 ， 当 时级配良好。砂 类 土砾 类 土 315cuK对粗粒土：浑圆度用于描述土颗粒各个突角的尖锐程度， 。niiRr1/近球度用于描述土颗粒与球体接近的程度， 。 把土颗粒放置于edD其平的一面时，与土颗粒投影面积相等的直径。 该土颗粒最小外接圆直径。e2土的液相1）土中水的存在形态
9、土工原理与计算土 中 气 的 一 部 分气 态 水 毛 细 上 升 水毛 细 悬 挂 水）毛 细 水 （ 地 下 水 位 以 上 ）重 力 水 （ 地 下 水 位 以 下自 由 水 点 不 能 传 递 静 水 压 力 ， 冰 没 有 溶 解 盐 类 的 能 力 ，弱 结 合 水强 结 合 水结 合 水液 态 水 水 ）内 部 或 参 与 矿 物 构 造 的（ 存 在 于 土 粒 矿 物 晶 格 结 合 水矿 物 中 结 晶 水 或 称 内 部固 态 水土 中 水 Ccmg0378/4.21土中细粒越多，土的分散度越大，水对土的性质影响也越大。一般来说，水对土的工程特性总是产生不利影响，如冻涨现
10、象，融陷现象。2）双电层理论 粘土颗粒间作用力 电动现象 电泳 电渗72/10)8(1venkTDK3）离子交换粘土颗粒带负电荷，外层吸附有带正电荷的阳离子。被粘土颗粒吸附的各种阳离子，对粘土的亲和性是不同的，其顺序为： NaLiHNMgCaAl 4223前面的某一种离子可以置换后面的离子，这种现象称为离子交换。 Clal粘 土粘 土 2离子交换后产生交换能量，可交换的离子数量，通常以每克粘土的毫克当量来计。粘土种类 离子交换能量 mg 当量/100g高岭石 315伊利石 1040蒙脱石 801504）饱和土中的静孔隙水压力5）毛细作用毛细作用可以使地下水位以上的部分土体中孔隙充满水或部分充满
11、水，形成饱和土或湿土。毛细水上升高度 的计算ch以大气压作为基准面，则空气压力 。根据弯液面上竖向力的平衡有：0aPrTurTcos2)2(os2考虑毛细管中毛细水的平衡有： wcwc hhr 0)(2 显然 的大小取决于液体、毛细管材料和直径，或者说水质、土质和密实度。ch( )min 决定饱和区( )max 决定湿土区。c81.3 土的三相关系及土的结构土的三相关系及简化图1 土的三相关系 气 相 （ 空 气 ）液 相 （ 水 、 可 溶 盐 类 ）固 相 （ 土 颗 粒 ）非 饱 和 土土的质量： wsm土的体积： aV孔隙体积： v九个三相比例指标土的孔隙比 对非饱和土 svVe对于饱
12、和土 sw粘性土和粉土 e=0.401.20砂土 e=0.300.900.16e高 压 缩 性 土低 压 缩 性 土土体孔隙率对非饱和土 Vnv对于饱和土 w孔隙率与孔隙比的关系ensvvs 1粘性土和粉土：n=30%60%砂土： n=25%45%饱和度 =0%100%10vwrVSrS含水量(用试验测定)9=20%60%10swm土颗粒比重 wlssVmd式中 土颗粒密度，g/cm 3；s纯水 4oC 时的密度，g/cm 3。wl一 般 值： =2.602.80sd砂 土： =2.65 2.69粉 土： =2.70 2.71s粉质粘土： =2.72 2.73粘 土： =2.74 2.76sd
13、土的密度重度Vmg粘性土： =1.8 2.0 g/cm 3砂 土： =1.62.0 g/cm 3干 密 度 干重度sdgd饱和密度 饱和重度Vmwvssatsatst浮 密 度 浮重度s 式中 g重力加速度土的三相比例关系以上三相比例指标中，土颗粒比重 、含水量 和密度 三个指标通过试验确定，sdw10其余指标可以通过换算求得。2土的结构与构造土的结构是指由土粒单元的大小、形状、相互排列及其联结关系等因素形成的综合特性。 散 结 构 。呈 面 与 面 接 触 ， 形 成 分 挥 ， 定 向 平 行 排 列 ，间 的 排 斥 力 可 以 充 分 发 类 ， 粘 粒 或 集 合 体在 淡 水 沉
14、积 时 ， 缺 少 盐）分 散 结 构 （ 状 结 构 。呈 面 与 边 接 触 ， 形 成 絮 度 大 ， 排 斥 力 减 少 ，在 海 水 中 ， 盐 类 离 子 浓粒 凝 聚 成 絮 状 结 合 体 。） 电 解 质 浓 度 改 变 ， 粘絮 凝 结 构 （ 重 力 ）（ 吸 引 力蜂 窝 结 构 （ 吸 引 力 ）（ 重 力的 或 紧 密 的单 粒 结 构 （ 砂 粒 ） 疏 松土 的 结 构 mdd05)05.土的结构常用来研究土结构的仪器：电子显微镜偏光显微镜X 射线衍射X 射线透射土的构造指在同一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。11构造最主要的特性
15、就是成层性，即层理构造，还有土的裂隙性（如黄土） 。土的构造 交 错 层 理 构 造水 平 层 理 构 造1.4 无粘性土的密实度1孔隙比的测定 e最小孔隙比 的测定min锤击法振动法最大孔隙比 的测定axe量筒倒转法漏斗法和松砂器法天然孔隙比 的测定通过量测比重、含水量和重度计算得到 11dWsdwse2相对密度 rDminaxeDr越大，强度越高，可压缩性越小r密实状态 67.0.1r中密状态 3松散状态 .r1.5 粘性土的稠度阿太堡界限土的状态及界限含水量1缩限的测定缩限试验2 塑限和液限的测定搓条法锥式或碟式液限仪12锥式液限仪碟式液限仪或塑液限联合测定仪入土深度与含水量的关系3塑性
16、指数 反映土体处于可塑状态的含水量变化范围。pI（省略% ）plpwI土体含水量处于塑限和液限之间呈可塑状态，根据塑性指数 可以把土分为pI粉质粘土 170pI粘 土 4液性指数反映土体软硬程度的指标 pLwI根据液性指数可以把土分成五种软硬状态13坚硬 0lI硬塑 25.L可塑 7.软塑 .1I流塑 0L141.6 土的分类分类的目的：便于描述土的工程性质，便于交流。1岩土的工程分类岩石分类法 ） 、 不 软 化 岩 石 （软 化 岩 石 （按 软 化 系 数 分 风 化微 风 化 、 中 风 化 、 强按 风 化 分 ） 、 软 质 岩 石 （硬 质 岩 石 （按 硬 度 分 质 岩岩 浆
17、 岩 、 沉 积 岩 、 变按 成 因 分 75.075.033RRKKMPaMPa2. 土的工程分类土分类法 一 般 土 、 特 殊 土按 土 的 工 程 特 性 和 粘 性 土碎 石 土 、 砂 土 、 粉 土分按 颗 粒 级 配 、 塑 性 指 数 炭 质 土 和 泥 炭无 机 土 、 有 机 土 、 泥按 有 机 质 含 量 分 积 土 、 冲 积 土 等残 积 土 、 坡 积 土 、 洪按 成 因 分 土 、 新 近 沉 积 土老 沉 积 土 、 一 般 沉 积按 沉 积 年 代 分3. 按颗粒级配、塑性指数分类（1）碎石土粒径大于 2mm 的颗粒含量超过全重 50的土。碎石土 %5
18、02dW圆 砾 （ 角 砾 ）卵 石 （ 碎 石 ）漂 石 （ 块 石 ）（2）砂土粒径大于 2mm 的颗粒含量不超过全重 50，粒径大于 0.075mm 的颗粒含量超过全重 50的土。砂土 %508502750ddW粉 砂细 砂中 砂粗 砂砾 砂（3）粉土粒径大于 0.075mm 的颗粒含量不超过全重 50塑性指数 小于或等于 10pI的土。粉土 105.d粘 质 粉 土砂 质 粉 土（4）粘性土塑性指数 大于 10 的土。pI15粘性土 或 期 以 来 沉 积 的 新 近 沉 积 粘 性 土 （ 文 化 文 化 期 以 前新 世一 般 粘 性 土 （ 第 四 纪 全 以 前 ）世老 粘 性
19、 土 （ 第 四 纪 晚 新 )(43Q170pI土粘粉 质 粘 土（5）特殊土特殊地理环境或人为条件形成的特殊性质的土特殊土 环境岩土工程污 染 土盐 渍 土混 合 土多 年 冻 土膨 胀 土红 粘 土湿 陷 性 土人 工 填 土软 土软土包括淤泥、淤泥质粘土和淤泥粉土。淤泥质土淤 泥5.1ewL 0.1ewL软土具有含水量高、压缩性大、渗透性小和强度低的特性。3 细粒土按塑性图分类（Casagrande 1948）细粒土小于 0.1mm 的土粒重量超过 50的土。土的塑性图CL低液限粘质土 CI中液限粘质土 CH高液限粘质土ML低液限粉质土 MI中液限粉质土 MH高液限粉质土OL有机质粉土
20、 OH有机质粘土塑性图（公路土工试验规程）161.7 有效应力原理土体受力 有 效 应 力土 骨 架 孔 隙 压 力体流影响土体变形和强度的是颗粒接触面的应力，不是颗粒内部的应力。设作用于某平面上单位面积的总应力为 ，则ARauawms 式中 颗粒间的应力；s孔隙中的气压力和水压力；wau,单位面积中土粒接触面、孔隙气和孔隙水的面积；mR、A单位面积中颗粒间的电斥力和电吸力。1饱和土的有效应力原理对高塑性饱和粘土 0,0amsua*对饱和粒状土 ,aAR)1(mwmsu由于 较小（ ） ，以上两式，Terzaghi 认为可写成ma01.式中 对饱和粘性土；AR对饱和粒状土。msTerzaghi
21、 试验研究发现土的变形和强度与土中有效应力 密切相关，并建立了有效应力原理。2非饱和土的有效应力原理在非饱和土中，土孔隙一部分被空气所占，一部分被水所占，在空气所占的孔隙中，孔隙压力等于孔隙气压力，在水所占的孔隙中，孔隙压力为孔隙水压力 。根据平衡原理：wuTauawmw)1(式中 T表面张力的合力。忽略 则有ma waw)(w17Bishop 建议非饱和土的有效应力原理 )( wau式中 试验测定参数，与饱和度、土的类型和加荷的应力路径有关。3土体的有效应力A 点竖向应力为 satwzh1A 点孔隙水压力 uuA 点有效应力 11 )(wwsatz hh毛细作用产生负孔隙水压力有渗流情况:
22、a) 向下渗流18渗流水力梯度为 2hi式中 土层厚度；2h水头差。b-b 截面上孔隙水压力为 wu)(21总应力为 satwh有效应力为 wwhh221 )(b)向上渗流b-b 截面上孔隙水压力为 whu)(21总应力为 satw有效应力为 当 时，会产生砂沸或流土现象-砂土液化01.8 粘性土的灵敏度和触变性土的灵敏度是以原状土的强度与同一土经重塑后的强度之比来表示。对饱和粘性土 utqS式中 原状土试样无侧限抗压强度；uq重塑土试样无侧限抗压强度。=1.0tS0.2.1tS0.4.tS0.8tS0.16tS.t不灵敏 低灵敏 中等灵敏 灵敏 很灵敏 流敏19土的触变性是抗剪强度随时间恢复的胶体化学性质。1.9 非饱和土的压实原理1影响非饱和土压实的主要因素（1） 土的性质（2） 土体含水量（3） 压实能量2 优含水量和最大干密度在一定的压实能量作用下使土最容易压实，并能达到最大密实度的含水量称为最优含水量 ，相应的干密度称为最大干密度 。opwmaxd干密度与含水量的关系 不同压实能量下干密度与含水量的关系3 最优含水量的估算 2poW
