《土质学与土力学》

绪论

材料或介质来研究的一门学科， 主要研究土的工程性质

以及土在荷载下的应力、变形和强度问题。

土质学： 研究土的工程性质的本质与机理。 对土在荷载、 温度及湿度等因素作用下发生的变化作出 数量上的评价，并根据土的强度、变形机理提出改良土质的有效途径。 （土的物质成分、结构、物理性 质）

土力学： 根据土的应力－应变－强度关系， 提出力学计算模型， 用数学力学方法求解土在各种条件 下的应力分布、 变形以及土压力、 地基承载力与土坡稳定等课题。 同时根据土的实际情况评价各种力学 计算方法的可靠性与适用条件。 （土的基本力学性质：压缩性、抗剪性）土质学与土力学是将土作为建筑物的地基、 第一章 土的物理性质及工程分类

土是岩石经过物理风化、 化学风化、生物风化作用后的产物， 是由各种大小不同的土粒按各种比例 组成的集合体。

土粒之间的孔隙中包含着水和气体，是一种三相体系。

第一节 土的三相组成

重力水

气体 与大气联通： 与空气相似，受到外力作用时排出，对土的工程性质没多大影响。

（气相） 与大气不连通：密闭气体，压力大被压缩或溶解于水中，压力小时气泡恢复原状或重游

离，对土的工程性质有很大影响。

（含气体的土成为非饱和土，非饱和土的工程性质研究已成为土力学的一个新分支） 无机矿物颗粒 原生矿物：岩浆在冷凝过程中形成的矿物，如石英、长石、云 母等

固体颗粒

（固相） 次生矿物原生矿物风化作用的新矿物Ag、Fg、次生SiQ、

粘土矿物以及碳酸盐等

有机质：由于微生物作用，土中产生的复杂的腐殖质矿物，还有动植物残体等有机物,

如泥炭等。

结合水强结合水

弱结合水

（液相） 自由水毛细水 1 .土的密度：单位体积土的质量， m , 3

(g / cm )。 v

土的密度常用环刀法测定，单位是 g / cm , 一般土的密度为 1.60 〜2.20 g / cm o 第二节 土的颗粒特征

1 .描述土粒大小及各种颗粒的相对含量的常用方法：对粒径 >0.075mm 的土粒，筛分法；粒径

<0.075mm 的土粒，沉降分析法。

沉降分析法是根据土粒在悬液中沉降的速度与粒径的平方成正比的 Stokes公式来确定各粒组相对

含量的方法。

2 .土粒大小划分：块-碎-砾-砂-粉-粘

（粉：砂粉，粘粉；粘：粉粘，粘土）

粘土粒径<0.002mm ，为很细小的扁平颗粒，表面具有极强的和水相互作用的能力。

第三节 土的三相比例指标

土的三相五只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

基本内容。

、试验指标

包括土的密度、土粒密度、含水量

（重度：由土的质量产生的单位体积的重力， 等于密度乘以重力加速度， g 10 （kN/m3）

m 3 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, 也是工程地质勘查报告中不可缺少的

土样体积: V V Vw Va

土样质量: m ms mw

三相比例指标分为两种：试验指标, 换算指标 2 •土粒密度：干土粒的质量 ms与其体积 V之比，s s （g/cm3）。

Vs

一般在2.65〜2.76。由砂到粘越来越重。

3 •土的含水量 ：水的质量mw与固体（土粒） ms质量之比， 匹 100%

ms

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。

二、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、饱和度

m 3

1•干密度 d : 土的固相质量 ms与土的总体积 V之比，d - （g/cm3）。

土的干密度越大，土越密实，强度就越高，水稳定性也好。常用作填土密实度的施工控制指标。

2 •饱和密度 sat :当土的孔隙中全部为水充满时的密度， sat 叽厂 （g/Cm3）。

3 •有效重度 ：当涂浸没在水中时，土的固相收到水的浮力的作用，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（又称浮重度）， sat w （kN/m3）

3 3

水的重度 w，纯水在4C是的重度等于 9.81 kN/m3，在工程上化整为 10 kN /m3。

（为有效密度（浮密度））

4 •土的孔隙比：孔隙的体积 Vv与土的固相体积 Vs之比，e Vv/Vs

5•土的孔隙率：孔隙的体积 Vv与土的总体积V之比，n Vv/V

6 •土的饱和度：孔隙中水的体积 Vw与孔隙体积Vv之比，Sr Vw/Vv

第四节粘性土的界限含水量

、粘性土的状态与界限含水量 液限L 塑限P 缩限s

（从一种状态到另一种状态的含水量分界点成为界限含水量）

液限测定，用碟式液限仪和锥式液限仪。

塑限测定，撮条法。（把塑性状态的土在毛玻璃上用手搓条，搓到土条直径为 3mm左右时断裂）

、塑性指数I p

可塑性是粘土区别于砂土的重要特征。从液限到塑限含水量的变化范围越大，土的可塑性越好。

1 p L P

塑性指数Ip习惯上用不带%的数值表示。

三、液性指数I L

IL

处于半固体或固体状态。

第五节砂土的密实度

砂土的密实度对其工程性质具有重要的影响。

密实的砂土具有较高的强度和较低的压缩性，是良好的建筑物地基；

、相对密实度

土的孔隙比一般可以用来描述土的密实程度，但砂土还取决于土的级配情况。

为了同时考虑孔隙比和级配的影响，引入砂土相对密实度的概念。 流动状态 可塑状态 半固体状态 固体状态

液性指数I L 0< I L<1时，液性指数越大，表示土越软; IL>1时，土处于流动状态；IL<0时, 最小孔隙比emin :砂土处于最密实状态时的孔隙比;

最大孔隙比emax :砂土处于最疏松状态时的孔隙比。

相对密实度Dr : Dr -emax —

emax emin

Dr越接近1，越密实；越接近 0,越松散。

二、标准贯入试验

从理论上讲，用相对密实度划分砂土的密实度比较合理。但实际不好操作。

在工程实践中，通常用标准贯入击数来划分砂土的密实 __________

标准贯入试验：使用规定的锤重（ 63.5kg ）和落距（76cm ）把标准贯入器（带有刃口的对开管，

外径50cm ，内径35cm）打入土中，记录贯入一定深度 （30cm）所需的锤击数 N值的原位测试方法。

标准贯入试验的贯入锤击数反映了土层的松密和软硬程度，是一种简便的测试手段。

第六节 土的工程分类第二章粘性土的物理化学性质

粘性土根据界限含水量分为四个状态， 砂土没有这种性质。粘性土的这种特质取决于粘粒粒组的含

量与粘粒的矿物成分。

粘土的粒径＜0.002mm ，因此它具有很大的表面积。颗粒越细，比表面积越大，表面能越大。

粘土可以分为蒙脱石、伊利石、高岭石三种类型。

粘土的塑性、压缩性、胀缩性、强度等工程性质受到原子、分子间键力的制约，这是粘土物理化学

特性的本质。

第一节键力的基本概念

键力：原子与原子之间或分子与分子之间的一种联结力。包括化学键、分子键、氢键三种。

一、 化学键

化学键：原子与原子之间的联结。也称为主键或高能键。分为离子键、共价键、金属键三种。

简单的说，不同元素的原子通过化学反应构成一种新的物质分子。 异性原子之间的联结力称为离子

键；两个同性原子形成同一元素分子的联结力称为共价键； 通过自由电子将原子或离子联结成结晶格架

的力称为金属键。

化学键影响范围最小，约为 0.1〜0.2 m，但联结力最大，相当于 8.4〜84 J / kmol。

二、 分子键

即范德华键，或称次键、低能键。分子与分子之间的联结力。

三、 氢键

介于主键与次键之间的一种键力。第二节 粘土矿物颗粒的结晶结构

粘土矿物大都属于硅酸盐，晶体的原子排列与矿物颗粒的物理性质、 化学性质和光学性质有非常密

切的关系。

粘土矿物的结晶结构主要是两个基本结构单元组成：硅氧四面体和氢氧化铝八面体。

第三节粘土颗粒的胶体化学性质

粘土颗粒粒径非常微小， <0.002mm ，在介质中具有明显的胶体化学特性，因为粘土颗粒表面带

负电。

第四节粘土工程性质的利用和改良

粘土矿物具有特殊的结晶构造和带电的特性。

一、 电渗排水和电化学加固

二、 利用离子交换改良粘土的工程性质

蒙脱石和伊利石，具有很强的亲水性，具有吸水膨胀和失水收缩的特性，称为膨胀土。

在工程中，可以用高价阳离子置换低价离子的办法来改善土的工程性质。 因为低价离子使土颗粒周

围的水膜变厚，即液限明显上升，可塑性增加。

三、 粘土的结构性

在粘土颗粒薄片的面上分布着负电荷，而在边角处呈现正电荷。 四、粘土的抗剪强度 粘土的抗剪强度由粘聚力分量和摩擦力分量组成。

五、触变性和触变泥浆

将纯粘土矿物（高岭土或蒙脱石等） 与水制成泥浆时，矿物颗粒吸附大量水化离子和水分子， 颗粒的水膜很厚，颗粒与颗粒之间的引力很薄弱， 可以长时期悬浮在水中。 当悬浮液在静止状态时， 粒之间的微弱引力，使其聚集起来，悬液成为一种糊状、粘滞度较大的流体。一旦受到振动或扰动时， 颗粒之间的联结立即丧失，又恢复成为流动的液体。这种性质成为触变性。由于

颗 第三章土中水的运动规律

第一节 土的毛细性

土的毛细性是指能够产生毛细现象的性质。 土的毛细现象是指土中水在表面张力作用下， 沿着细的

孔隙向上及其他方向移动的现象。这种细微孔隙中的水被称为毛细水。

一、 土层中的毛细水带

从下到上分为：正常毛细水带T毛细网状水带T毛细悬挂水带

毛细悬挂水带：由地表水渗入而成。当地表有大气降水补给时，在重力作用下向下移动。

三个毛细水带不一定同时存在，取决于当地的水文地质。如地下水位很高时，可能就只有正常毛细 水带，而没有毛细网状水带和毛细悬挂水带；反之，当地下水位较低时，则可能三个同时出现。

二、 毛细水上升高度及上升速度

一个细管插入水中，可以看到水会沿着毛细管上升。

湿润现象。

三、 毛细压力

干燥的砂土是松散的， 湿砂可捏成团。因为湿砂的土粒间有一些粘结力， 这个粘结力是由于土粒间

接触面上一些水的毛细压力形成的。

第二节 土的渗透性

土的渗透性：土孔隙中的自由水在重力作用下发生运动的现象，称为土的渗透性。