第二章 土的三相组成

• 液体相由水溶液组成，可分为强结合水、弱结合 水、毛细水、重力水等。 • 气体相由空气和其它气体构成。
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第一节 土的颗粒级配
一、粒组的划分
•
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自然界中土一般都是由大小不等的土粒混合而组成 的，也就是不同大小的土颗粒按不同的比例搭配关 系构成某一类土，比例搭配（级配）不一样，则土 的性质各异。 土粒的大小通常以粒径表示，以mm为单位。 土粒按粒径大小分为若干组别，称为粒组。 粒组就是一定的粒径区段，以毫米表示。
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小于某粒径（mm）累积百分含量 >2 28 <2 72 < 0.5 62
。
< 0.25 47
< 0.075 27
<0.005 17
0
1
0. 1 粒径（mm） 0.01 0.005 0.001
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•颗粒级配累积曲线
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200、20、2、1/20、1/200mm
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表1-1 土的粒组划分方案
粒组 统称 巨 粒 粗粒 粒组名称 粒径d范围（mm） 分析 方法 d>200 主 要
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特
征
漂石（块石）粒
卵石（碎石）粒
砾 粒 砂 粒 粗砾 细砾 粗砂
60<d≤200
20<d≤60 2<d≤20 0.5<d≤2
• Cc=1~3时，为级配连续； Cc <1或Cc>3时，级配不 连续。
2 30
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四、土按颗粒级配的分类
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• 粗粒土：土中粒径>0.075mm的质量超过全部质量的 50%。 • 细粒土：土中粒径>0.075mm的质量小于全部质量的 50%。 《岩土工程勘察规范》中的分类法： • 将粒径>2mm的质量超过50%的称为碎石土； • 将粒径＞2mm的质量小于50％而大于0.075mm的质 量超过50%的称为砂土； • 将大于0.075mm的质量小于50%的定为粉土或粘性 土。 • 碎石土、砂土和粉土又称为无粘性土。
直接 透水性很大，压缩性极小， 测定 颗粒间无粘结，无毛细性。 筛 透水性大，压缩性小，无粘 性，有一定毛细性。
分
法 静水 透水性小，压缩性中等，毛 沉降 细上升高度大，微粘性。 原理 透水性极弱，压缩性变化大， 具粘性和可塑性。
中砂
细砂 粉粒 粘粒
0.25<d≤0.5
0.075<d≤0.25 0.005<d≤0.075 d≤0.005
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第二章 土的三相组成
第一节 土的颗粒级配
第二节 土的矿物成分
第三节 土中的水
第四节 土的结构
主讲：马淑芝
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第二章 土的三相组成
• 土是由固体相、液体相、气体相组成的三相体系。
• 固体相指土中的矿物颗粒，简称土粒。它构成土 的骨架，称为土骨架。
• 颗粒表面的负电荷构成电场的 内层（决定电位层）。水中被 吸引在颗粒表面的阳离子和定 向排列的水分子构成电场的外 层（反离子层）。合称双电 层。
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决定电位离子层 (内层) 双电层 固定层 反离子层 (外层) 扩散层
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有机质（了解）
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• 由微生物分解动植物残骸形成，分为有机残余物 （泥炭）和腐殖质 。
• 腐殖质含量在1.5%~2%以上称为淤泥类土，压缩 性极高，强度很低。 • 有机质含量〉5%的土称为有机质土。
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二、矿物成分与粒组之间的关系
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第四节
土的结构(了解)
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• 土的结构是指组成土的土粒大小、形状、表面特 征，土粒间的连结关系和土粒的排列情况，其中 包括颗粒或集合体间的距离、孔隙大小及其分布 特点。
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次生矿物
化学 风化 可溶性 次生矿物
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原生矿物
成分改变
不可溶性 次生矿物
次生矿物是原生矿物在一定气候条件下经化学风化作 用，使其进一步分解而形成一些颗粒更细小的新矿物。 可溶性次生矿物又叫水溶盐，常见的有石盐、石膏等。 不可溶性次生矿物又有次生二氧化硅、倍伴氧化物和粘 土矿物。 无定形氧化物胶体 特征：不同的次生矿物性质各异。
三、
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筛分法
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用一套孔径不同的筛子，按 从上至下筛孔逐渐减小放置。 将事先称过质量的烘干土样
过筛，称出留在各筛上的土
质量，然后计算其占总土粒
质量的百分数
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静水沉降分析法
原理：Stokes公式
g s w 2 V d 1800 (1 - 1)
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比重计法
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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
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三、颗粒级配的表示方法
径的累积百分含量)填在已制好的表格内。
表2-2 颗粒分析成果表
土样 编号 1 2 3 粒组（mm）百分含量 >2 28 10 5 2-0.5 10 40 10 0.5-0.25 15 25 20 0.25-0.075 20 15 15 0.075-0.005 10 10 20
原生矿物
次生矿物
有机质
粘土矿物
无定形氧化物胶体
可溶盐
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原生矿物
物理风化 岩石破碎
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岩石
化学成分不改变
原生矿物
原生矿物是岩石经物理风化破碎但成分没有发生变化 的矿物碎屑。 例：石英、云母、长石等 原生矿物颗粒一般都较粗大，它们主要存在于卵、砾、 砂、粉各粒组中。 特征：矿物成分的性质较稳定，由其组成的土具有无 粘性、透水性较大、压缩性较低的特点
2、粘粒的带电性质
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• 土中的粘土颗粒在电场中向阳极泳动的现象称为电 泳。而土中的液体渗向阴极，称为电渗。这两种现象 是同时发生的，称为电动现象。 • 粘粒表面产生电荷的原因：1、选择性吸附；2、表面 分子的离解；3、同晶替换
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3、粘粒双电层
特征粒径
• d10—有效粒径（de）；d50—平均粒径； • d30 、d60—限制粒径。
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土的不均匀系数Cu
d 60 Cu d10
• Cu<5的土视为级配不良的均粒土，而Cu>5的土称为 级配良好的非均粒土。
土的曲率系数Cc
d Cc d 60 d10
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• 横坐标采用对数坐标，表示土颗粒直径，单位mm；纵 坐标为小于某粒径土的累积含量，用百分比表示。 • 土的粗细常用平均粒径（mm）d50表示，d50指土中大 于或小于此粒径的土粒含量均占50。
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颗粒级配累积曲线
土样 编号 1
小 于 某 100 粒 径 80 累 积 60 百 分 含 40 量 （ 20 % ）
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• 表格法是将分析资料(各粒组的百分含量或小于某粒
<0.005 17 30
表2-3 颗粒分析成果表
土样 编号 1 小于某粒径（mm）累积百分含量 >2 28 <2 72 < 0.5 62 < 0.25 47 < 0.075 27 <0.005 17
颗粒级配累积曲线（图解法）
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四、土按颗粒级配的分类
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碎石土 粗粒土 砂土 无粘性土 土 细粒土 粉土 粘性土
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第二节 土的矿物成分 一、土中矿物类型及特性
矿物成分取决于母岩的矿物成分和风化作用 土的矿物成分
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• • •
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粒组的划分的原则
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1. 符合粒径变化所引起的质的变化规律，即每个粒组的成 分与性质无质的变化，具相同或相似的成分与性质； 2. 与粒组的分析技术条件相适应，即不同大小的土粒可采
用不同的适用方法进行分析；
3. 粒组界限值力求服从简单的数学规律。
-
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粘土矿物的类型与性质

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粘土矿物中分布较广且对土性质影响较大的是蒙脱石、 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（水云母）的性质介于二者之间。
• 粘土矿物是主要的次生矿物，是组成粘粒的主要 矿物成分。
• 粘土矿物中分布较广且对土性质影响较大的是蒙 脱石、高岭石和伊利石(或水云母)三种。
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第三节
土中的水
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一、土中水的类型与特性
矿物成分水 结晶水 强结合水
土中的水
孔隙水
结合水
弱结合水 毛细水 自由水 重力水
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• 受颗粒表面电场作用力吸 引而包围在颗粒周围，不 传递静水压力不能任意流 动的水，称为结合水。 • 从水分子的角度讲，双电 层的外层就是结合水层。
反离子层
结合水 强结合水（固定层）：性质接近与固体，具 蠕变性，略高于100℃可蒸发 弱结合水（扩散层）：是一种粘滞水膜，是 粘性土在一定含水量范围内具可塑性的原因
• 粘粒组主要由不可溶性次生矿物与腐植质组成， 有时也含难溶盐，其中粘土矿物是最常见的矿物。
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• 原生矿物是岩石经物理风化破碎但成分没有发生 变化的矿物碎屑。原生矿物颗粒一般都较粗大， 它们主要存在于卵、砾、砂、粉各粒组中。 • 次生矿物是原生矿物在一定气候条件下经化学风 化作用，使其进一步分解而形成一些颗粒更细小 的新矿物。
• 粒径大于0.075mm的各粒组，均由原生矿物所构 成，其中漂石粒、卵石粒、砾粒，其粒径往往大于 矿物颗粒，多数是由母岩碎屑构成，一般具有的多 矿物结构，
• 砂粒与原生矿物颗粒大小近似，往往是由单矿物组 成，以石英最为常见。 • 粉粒组由原生矿物与次生矿物混合组成，其中以 石英为主，其次为高岭石及难溶盐。
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式中： V—土粒的沉降速度，cm/s； d—土粒直径，mm；（等效直径） ρs—土粒密度，g/cm3； ρw—水的比重，g/cm3 ； η—水的动力粘滞系数，10-6kPa•s； g—重力加速度，cm/s2 • “等效直径”是指土粒沉降速度与某一粒径的球形颗粒 的沉降速度相等，那么这球形颗粒的直径即为该土粒 的直径。
细粒
ຫໍສະໝຸດ Baidu
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二、颗粒级配的测定
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• 土的颗粒级配是指土中各粒组的相对百分含量，通常 用各粒组占土粒总质量（干土质量）的百分数表示， 也称为土的粒度成分。
• 粗粒土指以砾石和砂粒为主的土。 • 细粒土指以粉粒、粘粒和胶粒为主的土。 • 筛分法（适用于砾石类和粗粒土，d>0.1mm） • 静水沉降分析法（适用于细粒土，d<0.1mm） （虹吸比重瓶法、移液管法、比重计法）
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粘土矿物
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• 粘土矿物是主要的次生矿物，是组成粘粒的主要矿物成 分。 • 粘土矿物的结晶格架由铝氧八面体和硅氧四面体两个基 本单位组成。 • 硅氧四面体是硅片的基本单元，其化学式为[SiO4] • 铝—氧八面体是铝片的基本单元，其化学式为[Al2(OH)6
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二、土粒与水的相互作用
1、土粒的比表面积
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• 定义单位质量或单位体积土颗粒所拥有的表面积 称为比表面积。即
1 3 d 6 式中 A 全部土颗粒的表面积之 和 m m 土的质量 d 土粒直径 A S
d 2

6 d
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