第一篇土壤的基本组成性质分类 第二章土壤生态系统的基本组成 §2.1 土壤矿物质 §2.2 土壤有机质 §2.3 土壤生物 §2.4土壤水分及其特性 §2.5土壤空气及其热量状况 目的与要求 1.了解土壤生态系统的基本组成 2.熟悉土壤的性质 3.掌握土壤的形成、分类与分布 4.掌握土壤环境及其功能 关键词 土壤矿物(soil mineral) 原生矿物(primary mineral) 次生矿物 (secondary mineral) 土壤腐殖质(soil humus) 胡敏酸(humic acids) 富啡酸(fulvic acid) 有机-矿质复合体(organo-mineral complex) 土壤微生物 (soil microorganism） 土壤质地(soil texture) 粒级(particle fraction) 土壤结构(soil structure) 土壤颜色(soil color) 土壤生态系统的基本组成 土壤是由固相、液相、气相三部分组成。适于植物生长的典型壤质土壤的体积组成为土壤孔隙占50％，内含水分和空气；土壤固体占50%，其中矿物质占45％，有机质占5%；土壤生物体均生活在土壤孔隙之中，如图所示。 第一篇土壤的基本组成、性质、分类 第二章：土壤生态系统的基本组成 §2.1土壤矿物质 本章重点介绍硅酸盐矿物的基本构造。 主要教学目标：
1、基本概念 2 、三种主要粘土矿物的性质 §2.1土壤矿物质 一、土壤矿物质的主要元素组成 矿物：是经各种地质作用，自然产生于地壳中的化合物或化学元素，是具有一定化学成分和物理性质的自然均质体，是组成岩石的基本单位。 自然界矿物有三千多种，造岩矿物只有几十种，且主要是硅酸盐类（即硅的含氧盐）矿物（占地壳重量的80%). 土壤矿物主要来自成土母质或母岩，是土壤的主要组成物质。土壤矿物构成了土壤的“骨骼”，它对土壤组成、性状和功能具有巨大的影响。 *一、土壤的矿物组成 *按照发生类型可将土壤矿物划分为原生矿物、次生矿物、可溶性矿物三大类。 原生矿物 (primary mineral)直接来源于母岩特别是岩浆岩。 *一、土壤的矿物组成 *原生矿物在风化和成土过程中新形成的矿物称为次生矿物。它包括 *次生层状硅酸盐：高岭石、蒙脱石、水云母、蛭石、绿泥石； 氧化物及其水化物：氧化铁、氧化铝、氧化硅、氧化锰； 碳酸盐：方解石（CaCO3）、白云石[CaMg（CO3）2]. §2.1土壤矿物质 一、土壤的矿物组成 硅酸盐矿物的基本构造 *由于粘土矿物是由硅氧片和水铝片迭合而成的，因此，要了解粘土矿物的构造和性质，必须先说明硅氧片和水铝片的结构状况。 1.基本结构单位 *原生硅酸盐矿物最基本的结晶构造单位，是硅氧四面体和铝氧八面体。 §2.1土壤矿物质 一、土壤的矿物组成 硅酸盐矿物的基本构造 *1、粘土矿物硅酸盐层的基本单位： *（1）硅氧四面体：由硅四面体连接而成，每一个硅四面体由一个硅离子与四个氧离子组成。 砌成一个三角形锥形体，一共四个面，故称为硅氧四面体 (SiO4)4- 。
《工程地质与岩土力学》教学模块 “土力学部分” 过程考核1 ———“土的物理性质指标计算” 班级： 学号：___________________姓名：______________成绩:____________ 1. 某土样的干密度3d g/cm 54.1=ρ，含水率%3.19=w ， 土粒比重71.2=s d 。计算该土 样的e 、n 、r S 。 解：由题意有： 76.011.54 171.21=-?=-?=d W s d e ρρ %2.43100%76.0176.01=?+=+= e e n %8.68100%76 .071.2193.0=??== e d s s r ω 2.某工程勘察中采取一饱和土样进行室内土工试验，环刀容积为21.7cm 3，环刀加湿土重73g ，烘干后测得环刀加干土重62.35g ，环刀质量32.5g ，土粒比重为2.70，试求该土样的天然容重、含水量、干密度、孔隙比、孔隙率。 解：由题意有： 3/ 78.17 .215.3237cm g V m =-==ρ %5.73100%29.85 10.65100%32.562.3562.35-73100%=?=?-=?=S W m m ω 3/ 83.17.215.322.356cm g V m S d =-== ρ 957.011.38170.21=-?=-?=d W s d e ρρ 8.9%4100%957 .01957.01=?+=+=e e n
3. 某一湿土重200g ，含水量w =15%，若要将其配制成含水量w =20%的土样，试计算需加多少水。 解：由题意有： 200=+w s m m (1) %15%100=?s w m m (2) 由（1）和（2）得g 173.9=s m ,g 26.1=w m 设增加水为w m ?时，能将其配制成含水量w=20%的土样，则有： %20%100m =??+s w w m m 即：%20%100173.9 m 26.1=??+w 得g 8.68=?w m 4. 某土样天然含水量为24%，比重为2.70， 天然重度为19kN/m 3,试求该土样的干密度、孔隙比、孔隙率、饱和度。 解：由题意有： 3/35.10.24 1 1.91cm g d =+=+=ωρ ρ ()()762.019.1170.224.0111=-??+=-?+= ρρωW S d e 43.2%100%762 .01762.01=?+=+=e e n %85.0100%276.007.224.0=??== e d s s r ω
第四节土的三相比例指标 以上三节介绍了土的组成和结构，特别是土颗粒的粒度和矿物成分，是从本质方面了解土的工程性质的根据。但是，为了对土的基本物理性质有所了解，还需要对土的三相：土粒（固相）、土中水（液相）和土中气体（气相）的组过情况进行数量上的研究。在不同成分和结构的土中，土的三相之间具有不同的比例。 土的三相组成的重量和体积之间的比例关系，表现出土的重量性质（轻、重情况）、含水性（含水程度）和孔隙性（密实程度）等基本物理性质各不相同，并随着各种条件的变化而改变。例如对同一成分和结构的土，地下水位的升高或降低，都将改变土中水的含量经过压实，其孔隙体积将减小。这些情况都可以通过相应指标的具体数字反映出来。 表示土的三相比例关系的指标，称为土的三相比例指标，亦即土的基本物理性质指标包括土的颗粒比重、重度。含水量、饱和度、孔隙比和孔隙率等。 一、指标的定义 为了便于说明和计算，用图2-20所示的土的三相组成示意图来表示各部分之间的数量关系，图中符号的意义如下：
（一）土的颗粒比重G 土粒重量与同体积的4℃时水的重量之比，称为颗粒比重，它在数值上为单位体积土粒的重 量，即： (2-4) 式中：——水在4℃时单位体积的重量，等于1gf ／cm3或Itf ／m3≈10kN ／m3。 颗粒比重决定于土的矿物成分，它的数值一般为2.65~2.75。有机质为2.4~2.5；泥炭土为 1.5～1.8；而含铁质较多的粘性土可达 2.8～ 3.0。同一种类的士，其颗粒比重变化幅度很小。
颗粒比重可在试验室内用比重瓶法测定。一般土的颗粒比重值见表2-3。由于颗粒变化的幅度不大，通常可按经验数值选用。 土的颗粒比重参考值表2-3 （二）土的重度γ 单位体积土的重量称为土的重度（单位为kN／m3=tf／m3×10－1），即： (2-5) 土的重度取决于土粒的重量，孔隙体积的大小和孔隙中水的重量，综合反映了土的组成和结构特征。 对具有一定成分的土而言，结构愈疏松，孔隙体积愈大，重度值将愈小。当土的结构不发生变化时，则重度随孔隙中含水数量的增加而增大。 天然状态下土的重度变化范围较大。一般粘性土γ=18～20kN／m3；砂土γ=16～20kN／m3；腐植土γ=15～17kN／m3。
土的三相比例指标 土的三相物质在体积和质量上的比例关系称为三相比例指标。三相比例指标反映了土的干燥与潮湿、疏松与紧密，是评价土的工程性质的最基本的物理性质指标，也是工程地质勘察报告中不可缺少的基本内容。 为了推导土的三相比例指标，通常把在土体中的实际上处于分散状态的三相物质理想化地分别集中在一起，构成如图1－4所示的三相图。在图1－4中，右边注明各相图的体积，左边注明各相的质量或重力。土样的体积V 为土中空气的体积Va 、水的体积Vw 和土粒的体积Vs 之各；土样的质量m 为土中空气质量ma 、水的质量mw 和土粒的质量ms 之和；通常认为空气的质量可以忽略，则土样的质量就仅为水和土料质量之各。 图1－4 土的三相图 三相比例指标可分为二种，一种是试验指标；另一种是换算指标。 一、试验指标 通过试验测定的指标有土的密度、土料密度和含水量。 1． 土的密度是单位体积土的质量，如令土的体积为V ，质量为m ，则土的密度ρ可由下式表示： 1s sat d γλγ=-3(/)m g cm V ρ= （1－8a ） 土的密度常用环刀法测定，其单位是g/cm 3，一般土的密度为1.60～2.20 g/cm 3。 对天然土求得的密度称为天然密度，相应的重度称为天然重度，以区别于其他条件下的指标，如下面要讲到的干密度、饱和密度和饱和重度等。 2． 土粒密度是干土料的质量与基体积之比，由下式表示： 3(/)s s s m g cm V ρ= （1－9） 3． 土的含水量是土中水的质量与固体（土粒）的质量之比，由下式表示： 100%w s m w m =? （1－10） 含水量常用烘干法测定，是描述土的干湿程度的重要指标，常以百分数表示。土的天然含水
土的三相比例指标 土的三相物质在体积和质量上的比例关系称为三相比例指标。三相比例指标反映了土的干燥与潮湿、疏松与紧密，是评价土的工程性质的最基本的物理性质指标，也是工程地质勘察报告中不可缺少的基本内容。 为了推导土的三相比例指标，通常把在土体中的实际上处于分散状态的三相物质理想化地分别集中在一起，构成如图1－4所示的三相图。在图1－4中，右边注明各相图的体积，左边注明各相的质量或重力。土样的体积V 为土中空气的体积Va 、水的体积Vw 和土粒的体积Vs 之各；土样的质量m 为土中空气质量ma 、水的质量mw 和土粒的质量ms 之和；通常认为空气的质量可以忽略，则土样的质量就仅为水和土料质量之各。 图1－4 土的三相图 三相比例指标可分为二种，一种是试验指标；另一种是换算指标。 一、试验指标 通过试验测定的指标有土的密度、土料密度和含水量。 1． 土的密度是单位体积土的质量，如令土的体积为V ，质量为m ，则土的密度ρ可由下式 表示： 1s sat d γλγ= -3(/)m g cm V ρ= （1－8a ） 土的密度常用环刀法测定，其单位是g/cm 3，一般土的密度为1.60～2.20 g/cm 3。 对天然土求得的密度称为天然密度，相应的重度称为天然重度，以区别于其他条件下的指标，如下面要讲到的干密度、饱和密度和饱和重度等。 2． 土粒密度s ρ是干土料的质量s m 与基体积s V 之比，由下式表示： 3(/)s s s m g cm V ρ= （1－9）
3． 土的含水量w 是土中水的质量w m 与固体（土粒）的质量s m 之比，由下式表示： 100%w s m w m = ? （1－10） 含水量常用烘干法测定，是描述土的干湿程度的重要指标，常以百分数表示。土的天然含水量变化范围很大，从干砂的含水量接近于零到蒙脱土的含水量可达百分之几百。 二、换算指标 除了上述三个试验指标之外，还有六个可以计算求得的指标，称为换算指标，包括土的干密度（干重度）、饱和密度（饱和重度）、有效重度、孔隙比、孔隙率和饱和度。 1． 干密度d ρ是土的固相质量s m 与总体积V 之比，可由下式表示： 3(/)s d m g cm V ρ= （1－11） 土的干密度越大，土越密实，强度就越高，水稳定性也好，干密度常用作填土密实度的施工控制指标。 2． 土的饱和密度是当土的孔隙中全部为水所充满时的密度，即全部充满孔隙的水的质量 w m 与固相质量s m 之和与土的总体积V 之比，由下式表示： 3(/)w s sat m m g cm V ρ+= （1－12） 当用干密度或饱和密度计算重力时，也应乘以10变换为干重度和饱和重度。 3． 当土浸没在水中时，土的固相受到水的浮力作用，土体的重力也应扣除浮力。计算地下 水位以下土层的自重应力时应当用有效重度，有效重度是扣除浮力以后的固相重力与土的总体积之比（又称为浮重度），由下式表示： '310(/)s w s sat w m V kN m V γγγγ-= =- （1－13） 式中：w γ为水的重度，纯水在4℃时的重度等于9.813 /kN m ,在工程上化整为103 /kN m 。 4． 土的孔隙比是孔隙体积v V 与固相体积s V 之比，以小数计，由下式表示： v s V e V = （1－14） 孔隙比用来评价土的紧密程度，或从孔隙比的变化推算土的压密程度，在土力学中的计算中经常用到这个指标。 5． 土的孔隙率是比比的体积v V 与土的总体积V 之比，由下式表示： v V n V = （1－15） 6． 土的饱和度是指孔隙中水的体积w V 与孔隙体积v V 之比，由下式表示： w r v V S V = （1－16）
问答题 第一章土的物理性质指标和工程分类 1.何谓土粒粒组？何谓分界粒径？ 答案：工程上常把大小相近的土粒合并为组，称为粒组。 2.什么是土的粒度成分（颗粒级配），工程中如何表示粒度成分？ 答案：土的粒度成分（颗粒级配）是指土中各粒组的相对含量，通常用各粒组占土粒总质量（干土质量）的百分数表示。 工程中一般用土的累积曲线（级配曲线）来表示粒度成分。 3. 累积曲线在工程中有什么用途？ 答案：累积曲线图的用途很多，根据累积曲线图的形态，可以看出各粒组的分布规律，可以大致判断土的均匀程度与分选性。曲线平缓，说明土颗粒大小相差悬殊，土粒不均匀，分选差，级配良好；曲线较徒，则说明土颗粒大小相差不多，土粒较均匀，分选性较好，级配不良。 根据累积曲线图还可以确定土的有效粒径(d 10)，平均粒径(d 50 )，限制粒径(d 60 与d 30 )和任一粒组的百分含量。 4. 常见的粘土矿物有那些？它们的性质如何？ 答案：常见的粘土矿物有蒙脱石、高岭石和伊利石(或水云母)三种。 高岭石晶层之间连结牢固，水不能自由渗入，故其亲水性差，可塑性低，胀缩性弱；蒙脱石则反之，晶胞之间连结微弱，活动自由，亲水性强，胀缩性亦强； 伊利石的性质介于二者之间。 5.土是如何形成的？土的结构有哪些？ 答案：土是由岩石经过风化作用形成的松散的堆积物；有单粒、蜂窝状、絮状的三种结构。具有单粒结构的土，一般孔隙比大，透水性强，压缩性低，强度较高； 蜂窝状、絮状结构的土，压缩性大，强度低，透水性弱。 6.土的三相实测指标是什么？其余换算指标是什么？ 答案：三相实测指标是土的密度、土粒密度和含水率。 换算指标包括土的干密度（干重度）、饱和密度（饱和重度）、有效重度、孔隙比、孔隙率和饱和度。 7.砂土的密实度如何判别？不同指标如何使用？ 答案：砂土的密实程度可以采用孔隙比、相对密实度来判断。 砂土的密实程度并不完全取决于孔隙比，而在很大程度上还取决于土的级配情况。粒径级配不同的砂土即使具有相同的孔隙比，但由于颗粒大小不同，颗粒排列不同，所处的密实状态也会不同。 为了同时考虑孔隙比和级配的影响，工程中一般采用砂土相对密实度将砂土划分为密实、中密、和松散三种密实度。实际工程中还有利用标准惯入试验指标N63.5值的大小评判砂土的密实度。 8.土中的水对粘性土的状态有什么影响？ 答案：粘性土含水多少而呈现出的不同的物理状态称为粘性土的稠度状态。土的稠度状态因含水率的不同，可表现为固态，塑态与流态三种状态。 含水率相对较少，粒间主要为强结合水连结时表现为固态。 含水率较固态为大，粒间主要为弱结合水连结，具可塑性，表现为塑态。 含水率继续增加、粒间主要为液态水占据，连结极微弱，表现为流态。 9.什么是塑性指数，其工程用途是什么？
第1章土的组成 第1章土的组成 一、简答题 1.什么是土的颗粒级配？什么是土的颗粒级配曲线？ 2.土中水按性质可以分为哪几类？ 3.土是怎样生成的？有何工程特点？ 4.什么是土的结构？其基本类型是什么？简述每种结构土体的特点。 5.什么是土的构造？其主要特征是什么？ 6.试述强、弱结合水对土性的影响。 7.试述毛细水的性质和对工程的影响。在那些土中毛细现象最显著？ 8.土颗粒的矿物质按其成分分为哪两类？ 9.简述土中粒度成分与矿物成分的关系。 10.粘土的活动性为什么有很大差异？ 11.粘土颗粒为什么会带电？ 二、填空题 1.根据土的颗粒级配曲线，当颗粒级配曲线较时表示土的级配良好。 2.工程中常把的土称为级配良好的土，把的土称为级配均匀的土，其中评价指标叫。 3.不同风化作用产生不同的土，风化作用有、、。 4. 粘土矿物基本上是由两种原子层(称为晶片)构成的，一种是，它的基本单元是Si—0四面体，另一种是，它的基本单元是A1—OH八面体。 5. 不均匀系数Cu、曲率系数Cc 的表达式为Cu＝、Cc＝。 6.砂类土样级配曲线能同时满足及的土才能称为级配良好的土。 7. 土是的产物，是各种矿物颗粒的集合体。土与其它连续固体介质相区别的最主要特征就是它的和。 8.土力学是利用一般原理和技术来研究土的物理性质以及在所受外力发生变化时的应力、变形、强度、稳定性和渗透性及其规律一门科学。 9.最常用的颗粒分析方法有法和法。 10. 著名土力学家的《土力学》专著问世，标志着现代土力学的开始。 三、选择题 1．在毛细带范围内，土颗粒会受到一个附加应力。这种附加应力性质主要表现为( ) (A)浮力； (B)张力； (C)压力。 2．对粘性土性质影响最大的是土中的( )。 (A)强结合水； (B)弱结合水； (C)自由水； (D)毛细水。 3．土中所含“不能传递静水压力，但水膜可缓慢转移从而使土具有一定的可塑性的水，称为( )。 (A)结合水； (B)自由水； (C)强结合水； (D)弱结合水。 4．下列粘土矿物中，亲水性最强的是( )。（2005年注册土木工程师（岩土）职业资格考试题，三峡大学2006年研究生入学考试试题） (A)高岭石； (B)伊里石； (C)蒙脱石； (D)方解石。 5.毛细水的上升，主要是水受到下述何种力的作用？( ) (A)粘土颗粒电场引力作用； (B)孔隙水压力差的作用
第一章土的物质组成和结构 第一节土的形成 一、土和土体的概念 1．土(soil) 地球表面30－80km厚的范围是地壳。地壳中原来整体坚硬的岩石，经风化、剥蚀搬运、沉积，形成固体矿物、水和气体的集合体称为土。 土是由固体相、液相、气体三相物质组成；或土是由固体相、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。 2．“土体”(soil mass) 土体不是一般土层的组合体，而是与工程建筑的稳定、变形有关的土层的组合体。 土体是由厚薄不等，性质各异的若干土层，以特定的上、下次序组合在一起的。 二、土和土体的形成和演变 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形成在成分、结构、构造和性质上有规律的变化。 土体沉积后： a.将经过生物化学及物理化学变化，即成壤作用，形成土壤（1）靠近地表的土体 b. 未形成土壤的土，继续受到风化、剥蚀、侵蚀而再破碎、 再搬运、再沉积等地质作用。 （2）时代较老的土，在上覆沉积物的自重压力及地下水的作用下，经受成岩作用，逐渐固结成岩，强度增高，成为“母岩”。
总之，土体的形成和演化过程，就是土的性质和变化过程，由于不同的作用处于不同的作用阶段，土体就表现出不同的特点。 三、土的基本特征及主要成因类型 （一）土的基本特征 从工程地质观点分析，土有以下共同的基本特征： 1．土是自然历史的产物 土是由许多矿物自然结合而成的。它在一定的地质历史时期内，经过各种复杂的自然因素作用后形成各类土的形成时间、地点、环境以及方式不同，各种矿物在质量、数量和空间排列上都有一定的差异，其工程地质性质也就有所不同。 2．土是相系组合体 土是由三相（固、液、气）或四相（固、液、气、有机质）所组成的体系。相系组成之间的变化,将导致土的性质的改变。土的相系之间的质和量的变化是鉴别其工程地质性质的一个重要依据。它们存在着复杂的物理～化学作用。 3．土是分散体系 由二相或更多的相所构成的体系，其一相或一些相分散在另一相中，谓之分散体系。根据固相土粒的大小程度(分散程度)，土可分为①粗分散体系（大于2μ），②细分散体系，（2～0.1μ），③胶体体系（0.1～0.01μ），④分子体系（小于0.01μ）。分散体系的性质随着分散程度的变化而改变。 粗分散与细分散和胶体体系的差别很大。细分散体系与胶体具有许多共性，可将它们合在一起看成是土的细分散部分。土的细分散部分具有特殊的矿物成分，具有很高的分散性和比表面积，因而具有较大的表面能。 任何土类均储备有一定的能量，在砂土和粘土类土中其总能量系由内部储量与表面能量之和构成，即： E 总＝E 内 ＋E 表 4．土是多矿物组合体 在一般情况下，土将含有5～10种或更多的矿物，其中除原生矿物外，次生粘土矿物是主要成分。粘土矿物的粒径很小（小于0.002mm），遇水呈现出胶体化学特性。 （二）土体的主要成因类型 按形成土体的地质营力和沉积条件（沉积环境），可将土体划分为若干成因类型：如残积、坡积、洪积…… 现就介绍几种主要的成因类型、土体的性质成分及其工程地质特征。 1．残积土体的工程地质特征 残积土体是由基岩风化而成，未经搬运留于原地的土体。它处于岩石风化壳的上部，是风化壳中剧风化带。 残积土一般形成剥蚀平原 影响残积土工程地质特征因素主要是气候条件和母岩的岩性： 1）气候因素 从而使得不同气候条件不同地区的残积土具有特定的粒 度成分、矿物成分、化学成分。 ①干旱地区：以物理风化为主，只能使岩石破碎成粗碎屑物和砂砾，缺乏粘土矿物，具有砾石类土和工程地质特征。 ②半干旱地区：在物理风化的基础上发生化学变化，使原生的硅酸盐矿物变成粘土矿
第一章土的物理成分和组成讨论问题 （整理：66B-冒险 90A-奋进）2015.2.5 本次讨论6日晚进行，共有95A-鄂-小草80B-甘-朱小明74A-杭-猫儿 90B-鲁-九零 68B-鲁-铁蛋-721 沪-赵老白 六位同学分别从不同的方面提出了问题。在次表示感谢，下面将问题整理解答如下，并附上14年小鱼群的物性讨论解答。 问题一： 2010年下午案例题第27题： 某非自重湿陷性黄土试样含水量w=15.6%，土粒比重G s=2.70，质量密度ρ=1.60g/cm3，液限w L=30.0%，塑限w p=17.9%，桩基设计时需要根据饱和状态下的液性指数查取设计参数，该试样饱和度达85%时的液性指数最接近下列哪一选项？ （A）0.85 （B）0.92 （C）0.99 （D）1.06 根据w、G s、ρ，求出孔隙比e 再根据e、G s、饱和度85%，求出含水量，继而求出液性指数。 我不明白的是：为什么孔隙比e保持不变？（95A-鄂-小草） 解答： 非自重湿陷性黄土，在浸水后不发生湿陷，浸水后饱和度增加可认为
是水填充空隙，而不引起空隙比的变化。 问题二： 土力学（李广信，第二版）习题1-3： 1-3 用来修建土堤的的土料料场，土的天然密度ρ=1.92g/cm3，含水量w=20%，比重Gs=2.70. 现在要修建一压实干密度ρd=1.7 g/cm3，体积80000m3的土堤，如果备料的裕量按20%考虑，求修建土堤需在料场开挖天然土的体积。 问题：备料裕量是指：（1）土堤填料的20%，即8*1.2=9.6万m3，需要准备的天然土体积要满足9.6万m3填料的要求；（2）还是料场的天然土的量要多准备20%？（80B-甘-朱小明） 解答： 此处的20%是在满足压实需求的8万方量所需要备的天然土料的基础上加的20%，（即算出所需天然料场的土方量再乘以1.2） ：
第二节 土的三相比例指标 土的三相物质在体积和质量上的比例关系称为三相比例指标。所谓土的物理性质指标就是表示土中三相比例关系的一些物理量。 土的物理性质指标可以分为两类： 1．必须通过试验测定的，如含水率，密度和土粒比重 2．可以根据试验测定的指标换算的，如孔隙比，孔隙率和饱和度等。 （s g ）-土粒质量 (w g )-土中水质量 m (g )-土的总质量 -土粒体积 -土中水体积 -土中气体积 -土中空隙体积 V-土的总体积 一、试验指标 （1）土的密度（天然密度）ρ：天然状态下，单位体积土的质量，单位为3/cm g 或3 /m t 即： V g =ρ 天然密度变化范围较大。一般3/0.28.1cm g -=ρ；3 /0.26.1cm g -=ρ；腐殖土 3/7.15.1cm g -=ρ。天然密度一般用"环刀法"测定，用一个圆环刀（刀口向下）放在削平 的原状土样面上，徐徐削去环刀外围的土，边削边压，使保持天然状态的土样压满环刀内，
称得环刀内土样质量，求得它与环刀容积之比值即为其密度。 （2）土粒密度（比重）：干土粒质量s g 与其体积s V 之比，即： 土粒相对密度：土粒质量与同体积的4℃时纯水的质量之比，一般用s d 或s G 表示，无量纲。即： 式中 s ρ－土粒密度（3/cm g ）； 1w ρ－纯水在4℃时的密度（单位体积的质量），等于13 /cm g 或者13/m t 。 试验测定方法：比重瓶法 实际上，土粒比重在数值上就等于土粒密度，但前者无因次。土粒比重决定于土的矿物成分，它的数值一般为－；有机质土为－。同一种类的土，其比重变化幅度很小。 土粒比重可在试验室内用比重瓶测定。将置于比重瓶内的土样在105-110℃下烘干后冷却至室温用精密天平测其质量，用排水法测得土粒体积，并求得同体积4℃纯水的质量，土粒质量与其比值就是土粒比重。 由于比重变化的幅度不大，通常可按经验数值选用。 土的名称 砂土 粉土 粘质粉土 粘性土 粉质粘土 粘土 土粒比重 － － － － （3）土的含水量：土中水的质量与土粒质量之比，一般用ω表示，以百分数计，即： 含水量ω是反映土的湿度的一个重要物理指标。天然状态下土层的含水量称天然含水量，其变化范围很大，与土的种类、埋藏条件及其所处的自然地理环境等有关。一般干的粗砂土，其值接近于零，而饱和砂土，可达40%；坚硬的粘性土的含水量约小于30%，而饱和状态的软粘性土（如淤泥），则可达60%或更大。一般说来，同一类土，当其含水量增大时，强度就降低。 土的含水量一般用"烘干法"测定。先称小块原状土样的湿土质量，然后置于烘干箱内维持100-105℃烘至恒重，再称干土质量，湿、干土质量之差与干土质量的比值，就是土的含水量。 【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；
土的比重是多少土的三相物质在体积和质量上的比例关系称为三相比例指标。所谓土的物理性质指标就是表示土中三相比例关系的一些物理量。 土的物理性质指标可以分为两类： 1．必须通过试验测定的，如含水率，密度和土粒比重 2．可以根据试验测定的指标换算的，如孔隙比，孔隙率和饱和度等。 （）-土粒质量()-土中水质量 ()-土的总质量-土粒体积-土中水体积-土中气体积-土中空隙体积V-土的总体积 （1）土的密度（天然密度）：天然状态下，单位体积土的质量，单位为或即： 天然密度变化范围较大。一般粘性土；砂土；腐殖土。天然密度一般用"环刀法"测定，用一个圆环刀（刀口向下）放在削平的原状土样面上，徐徐削去环刀外围的土，边削边压，使保持天然状态的土样压满环刀内，称得环刀内土样质量，求得它与环刀容积之比值即为其密度。 （2）土粒密度（比重）：干土粒质量与其体积之比，即： 土粒相对密度：土粒质量与同体积的4℃时纯水的质量之比，一般用或表示，无量纲。即：式中－土粒密度（）；－纯水在4℃时的密度（单位体积的质量），等于1或者1。 试验测定方法：比重瓶法实际上，土粒比重在数值上就等于土粒密度，但前者无因次。土粒比重决定于土的矿物成分，它的数值一般为2.6－2.8；有机质土为2.4－2.5。同一种类的土，其比重变化幅度很小。土粒比重可在试验室内用比重瓶测定。将置于比重瓶内的土样在105-110℃下烘干后冷却至室温用精密天平测其质量，用排水法测得土粒体积，并求得同体积4℃纯水的质量，土粒质量与其比值就是土粒比重。由于比重变化的幅度不大，通常可按经验数值选用。 土的名称 砂土 粉土 粘质粉土 粘性土
粉质粘土 粘土 土粒比重 2.65－2.69 2.70－2.71 2.71 2.72－2.73 2.74－2.76 （3）土的含水量：土中水的质量与土粒质量之比，一般用表示，以百分数计，即： 含水量是反映土的湿度的一个重要物理指标。天然状态下土层的含水量称天然含水量，其变化范围很大，与土的种类、埋藏条件及其所处的自然地理环境等有关。一般干的粗砂土，其值接近于零，而饱和砂土，可达40%；坚硬的粘性土的含水量约小于30%，而饱和状态的软粘性土（如淤泥），则可达60%或更大。一般说来，同一类土，当其含水量增大时，强度就降低。土的含水量一般用"烘干法"测定。先称小块原状土样的湿土质量，然后置于烘干箱内维持100-105℃烘至恒重，再称干土质量，湿、干土质量之差与干土质量的比值，就是土的含水量。 【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； 1 土的含水量----土中水的质量与土粒质量之比，以百分数表示： 试验测定方法：烘干法 【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％。
第一章土的物质组成和结构 一、土和土体的概念 1．土(soil) 地球表面30－80km厚的范围是地壳。地壳中原来整体坚硬的岩石，经风化、剥蚀搬运、沉积，形成固体矿物、水和气体的集合体称为土。 土是由固体相、液相、气体三相物质组成；或土是由固体相、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。 2．“土体”(soil mass) 土体不是一般土层的组合体，而是与工程建筑的稳定、变形有关的土层的组合体。 土体是由厚薄不等，性质各异的若干土层，以特定的上、下次序组合在一起的。 二、土和土体的形成和演变 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形成在成分、结构、构造和性质上有规律的变化。 土体沉积后： a.将经过生物化学及物理化学变化，即成壤作用，形成土壤（1）靠近地表的土体 b. 未形成土壤的土，继续受到风化、剥蚀、侵蚀而再破碎、 再搬运、再沉积等地质作用。 （2）时代较老的土，在上覆沉积物的自重压力及地下水的作用下，经受成岩作用，逐渐固结成岩，强度增高，成为“母岩”。 总之，土体的形成和演化过程，就是土的性质和变化过程，由于不同的作用处于不同的作用阶段，土体就表现出不同的特点。
三、土的基本特征及主要成因类型 （一）土的基本特征 从工程地质观点分析，土有以下共同的基本特征： 1．土是自然历史的产物 土是由许多矿物自然结合而成的。它在一定的地质历史时期内，经过各种复杂的自然因素作用后形成各类土的形成时间、地点、环境以及方式不同，各种矿物在质量、数量和空间排列上都有一定的差异，其工程地质性质也就有所不同。 2．土是相系组合体 土是由三相（固、液、气）或四相（固、液、气、有机质）所组成的体系。相系组成之间的变化,将导致土的性质的改变。土的相系之间的质和量的变化是鉴别其工程地质性质的一个重要依据。它们存在着复杂的物理～化学作用。 3．土是分散体系 由二相或更多的相所构成的体系，其一相或一些相分散在另一相中，谓之分散体系。根据固相土粒的大小程度(分散程度)，土可分为①粗分散体系（大于2μ），②细分散体系，（2～0.1μ），③胶体体系（0.1～0.01μ），④分子体系（小于0.01μ）。分散体系的性质随着分散程度的变化而改变。 粗分散与细分散和胶体体系的差别很大。细分散体系与胶体具有许多共性，可将它们合在一起看成是土的细分散部分。土的细分散部分具有特殊的矿物成分，具有很高的分散性和比表面积，因而具有较大的表面能。 任何土类均储备有一定的能量，在砂土和粘土类土中其总能量系由内部储量与表面能量之和构成，即： E 总＝E 内 ＋E 表 4．土是多矿物组合体 在一般情况下，土将含有5～10种或更多的矿物，其中除原生矿物外，次生粘土矿物是主要成分。粘土矿物的粒径很小（小于0.002mm），遇水呈现出胶体化学特性。 （二）土体的主要成因类型 按形成土体的地质营力和沉积条件（沉积环境），可将土体划分为若干成因类型：如残积、坡积、洪积…… 现就介绍几种主要的成因类型、土体的性质成分及其工程地质特征。 1．残积土体的工程地质特征 残积土体是由基岩风化而成，未经搬运留于原地的土体。它处于岩石风化壳的上部，是风化壳中剧风化带。 残积土一般形成剥蚀平原 影响残积土工程地质特征因素主要是气候条件和母岩的岩性： 1）气候因素 从而使得不同气候条件不同地区的残积土具有特定的粒 度成分、矿物成分、化学成分。 ①干旱地区：以物理风化为主，只能使岩石破碎成粗碎屑物和砂砾，缺乏粘土矿物，具有砾石类土和工程地质特征。 ②半干旱地区：在物理风化的基础上发生化学变化，使原生的硅酸盐矿物变成粘土矿物；但由于雨量稀少，蒸汽量大，故土中常含有较多的可溶盐类；如碳酸钙、硫酸钙等。 ③潮湿地区：a、在潮湿而温暖，排水条件良好的地区，由于有机质迅速腐烂，分解出CO2，有利于高岭石的形成。b、在潮湿温暖而排水条件差的地区，则往往形成蒙脱石。 可见：从干旱、半干旱地区至潮湿地区，土的颗粒组成由粗变细；土的类型从砾石类
土的三相性 传统定义认为：“土是坚硬岩石经过破坏、搬运和沉积等一系列作用和变化后形成的，它是第四纪以来地壳表层最新的、未胶结成岩的松散堆积物。”土是由固体颗粒以及颗粒间孔隙中的水和气体组成的，是一个多相、分散、多孔的系统，一般为三相体系，即固态相、液态相与气态相，有时是二相的（干燥或饱水）。 三相组成物质中，固体部分（土颗粒）一般由矿物质组成，有时含有机质（腐植质及动物残骸等），其构成土的骨架主体，是最稳定、变化最小的部分。液体部分实际上是化学溶液而不是纯水。水和水溶液对地下结构的腐蚀性显然是不同的，水是中性的，而水溶液可呈酸性或碱性。水溶液的酸性对基础混凝土具有腐蚀性；水溶液的碱性对钢筋有破坏作用。因此，土中的液相应表述为水溶液。三相之间的相互作用，固体相一般居主导地位，而且还不同程度地限制水和气体的作用如不同大小土粒与水相互作用，水可呈不同类型。从本质上讲，土的工程地质特性主要取决于组成的土粒大小和矿物类型，即土的颗粒级配与矿物成分，水和气体一般是通过其起作用的。当然，土中液体相部分对土的性质影响也较大，尤其是细粒土，土粒与水相互作用可形成一系列特殊的物理性质。土中水和气体是土的基本组成部分，随外界条件的变化，二者比例相继变化，使土的状态和性质也发生改变，土中水对土的性质影响较为显著，气体则不太明显。 综上所述，土是由固体颗粒、水溶液和气体所组成的三相体系。由岩屑、矿物和有机质等组成的固体颗粒组成空问骨架，骨架中间有孔隙，孔隙中充填有水溶液和气体。三相的成分、它们之问在体积和质量上的比例关系，决定了土的物理性质，如干湿、轻重、松紧和软硬等；而土的物理性质在很大程度上又决定着土的力学性质，如土的抗剪强度、土的临塑荷载、极限荷载及地基土的承载力等。因此，土的三相性和三相指标具有重要的土力学意义，必须准确把握。 一、固体颗粒
土的三相比例指标 Prepared on 24 November 2020
第二节 土的三相比例指标 土的三相物质在体积和质量上的比例关系称为三相比例指标。所谓土的物理性质指标就是表示土中三相比例关系的一些物理量。 土的物理性质指标可以分为两类： 1．必须通过试验测定的，如含水率，密度和土粒比重 2．可以根据试验测定的指标换算的，如孔隙比，孔隙率和饱和度等。 （s g ）-土粒质量 (w g )-土中水质量 m (g )-土的总质量 -土粒体积 -土中水体积 -土中气体积 -土中空隙体积 V-土 的总体积 一、试验指标 （1）土的密度（天然密度）ρ：天然状态下，单位体积土的质量，单位为3/cm g 或3/m t 即： V g =ρ 天然密度变化范围较大。一般3/0.28.1cm g -=ρ；3/0.26.1cm g -=ρ；腐殖土3/7.15.1cm g -=ρ。天然密度一般用"环刀法"测定，用一个圆环刀（刀口
向下）放在削平的原状土样面上，徐徐削去环刀外围的土，边削边压，使保持天然状态的土样压满环刀内，称得环刀内土样质量，求得它与环刀容积之比值 即为其密度。 （2）土粒密度（比重）：干土粒质量s g 与其体积s V 之比，即： 土粒相对密度：土粒质量与同体积的4℃时纯水的质量之比，一般用s d 或s G 表示，无量纲。即： 式中s ρ－土粒密度（3/cm g ）； 1w ρ－纯水在4℃时的密度（单位体积的质量），等于13/cm g 或者13/m t 。 试验测定方法：比重瓶法 实际上，土粒比重在数值上就等于土粒密度，但前者无因次。土粒比重决定于土的矿物成分，它的数值一般为－；有机质土为－。同一种类的土，其比重变化幅度很小。 土粒比重可在试验室内用比重瓶测定。将置于比重瓶内的土样在105-110℃下烘干后冷却至室温用精密天平测其质量，用排水法测得土粒体积，并求得同体积4℃纯水的质量，土粒质量与其比值就是土粒比重。 由于比重变化的幅度不大，通常可按经验数值选用。 土的名称 砂土 粉土 粘质粉土 粘性土 粉质粘土 粘土 土粒比重 － － － － （3）土的含水量：土中水的质量与土粒质量之比，一般用ω表示，以百分数计，即：
土三相指标换算公式及推导 100%:'100%100% w s s s s w s d s v w s a t s s w v s v w r v m w m m d v p m p v m p v m v p p v m v p p v v e v v v v S v -=== =+= == = 含水率: 土粒比重:密度: 干密度: 饱和密度有效密度: 孔隙比 孔隙率 n =饱和度
100% (10.01)(10.01)11( 1)100%110.011() 11()'w s s s w s s w s w s w s w d d d s v w s w v w s sat w s s w s v m w m d w d p w m d p p e v p e e m p v p p d p d p w p e p w e p m v p d p v p d e p p v e e m v p m v v p p v ? =??++?==?=-? +?? =??-----------------?=-?==?=-+++++= ==++---==（一）（二）（三）{ 1'110.01100%100%10.010.01()100%100%100%,s w w s s w w sat w v s w w w s r r r s v v w w s d p p e m v p vp p p v v v e n n e v e n w d p v m w d s e S e S w d v v p ep e d w ? ?-?= ?++-? ==-?-==?=+====?==（四）五 100% (10.01)(10.01)11( 1)100%110.011() 11()'w s s s w s s w s w s w s w d d d s v w s w v w s sat w s s w s v m w m d w d p w m d p p e v p e e m p v p p d p d p w p e p w e p m v p d p v p d e p p v e e m v p m v v p p v ?=??++?== ?=-?+?? =??-----------------?=-?==?=-+++++= ==++---==（一）（二）（三）{ 1'110.01100%100%10.010.01()100%100%100%,s w w s s w w sat w v s w w w s r r r s v v w w s d p p e m v p vp p p v v v e n n e v e n w d p v m w d s e S e S w d v v p ep e d w ? ?-?= ?++-? ==-?-==?=+====?==（四）五 Ip>10粉土 10