土的组成和物理性质
一、 内容提要：
本讲主要讲述土的三相组成和三相指标、土的矿物组成和颗粒级配、土的结构、粘性土的界限含水量、塑性指数、液性指数、砂土的相对密实度、土的最佳含水量和最大干密度、土的工程分类
二、 重点、难点：
土的物理力学性质指标的计算
一、土的三相组成
土是由固体颗粒、水和气体三部分组成的，通常称为土的三相组成。随着三相物质的质量和体积的比例不同，土的性质也将不同。
【例题1】土的三相组成中不包括的部分是( )。
a. 水 b. 气体 c. 固体颗粒 d. 矿物成分 答案：d
(一)土的固相
土的固相物质包括无机矿物颗粒和有机质，是构成土的骨架最基本的物质，称为土粒。对土粒应从其矿物成分、颗粒的大小和形状来描述。
1. 土的矿物成分
土中的矿物成分可以分为原生矿物和次生矿物两大类。
原生矿物是指岩浆在冷凝过程中形成的矿物，如石英、长石、云母等。
次生矿物是由原生矿物经过风化作用后形成的新矿物，如三氧化二铝、三氧化二铁、次生二氧化硅、粘土矿物以及碳酸盐等。
【例题2】在下列各类矿物中，属于次生矿物的是( )。
a. 石英 b. 长石 c. 云母 d. 蒙脱石 答案：d
2. 土的粒度成分(颗粒级配)
天然土是由大小不同的颗粒组成的，土粒的大小称为粒度。工程上常用不同粒径颗粒的相对含量来描述土的颗粒组成情况，这种指标称为粒度成分。
(1)土的粒组划分
工程上常把大小相近的土粒合并为组，称为粒组。粒组间的分界线是人为划定的，划分时应使粒组界限与粒组性质的变化相适应，并按一定的比例递减关系划分粒组的界限值。
对粒组的划分，我国有关规范均将砂粒粒组与粉粒粒组的界限为0.075mm。其余粒组划分标准可参见《岩土工程勘察规范》(gb50021-2001)和《土的工程分类标准》(gbjl45-90)等。
土的液相
土的液相是指存在于土孔隙中的水。按照水与土相互作用程度的强弱，可将土中水分为结合水和自由水两大类。
结合水是指处于土颗粒表面水膜中的水，它因受到表面引力的控制而不服从静水力学规律，其冰点低于零度。结合水又可分为强结合水和弱结合水。强结合水在最靠近土颗粒表面处，水分子和水化离子排列得非常紧密，以致其密度大于1，并有过冷现象，即温度降到零度以下不发生冻结的现象。在距离土粒表面较远地方的结合水称为弱结合水，由于引力降低，弱结合水的水分子的排列不如强结合水紧密，弱结合水可能从较厚水膜或浓度较低处缓慢地迁移到较薄的水膜或浓度较高处，亦即可从一个土粒迁移到另一个土粒，这种运动与重力无关，这层不能传递静水压力的水定义为弱结合水。
自由水包括毛细水和重力水。毛细水不仅受到重力的作用，还受到表面张力的支配，能沿着土的细孔隙从潜水面上升到一定的高度。这种毛细上升对于公路路基土的干湿状态及建筑物的防潮有重要影响。重力水在重力或压力差作用下能在土中渗流，对于土颗粒和结构物都有浮力作用，在土力学计算中应当考虑这种渗流及浮力的作用力。
【例题7】在土的液相中，冰点最低的是( )。
a. 强结合水 b. 弱结合水 c. 毛细水 d. 重力水 答案：a
土的气相
土的气相是指充填在土的孔隙中的气体，包括与大气连通的和不连通的两类。
与大气连通的气体对土的工程性质没有多大的影响，它的成分与空气相似，当土受到外力作用时，这种气体很快从孔隙中挤出;但是密闭的气体对土的工程性质有很大的影响，密闭气体的成分可能是空气、水汽或天然气。在压力作用下这种气体可被压缩或溶解于水中，而当压力减小时，气泡会恢复原状或重新游离出来。含气体的土称为非饱和土，非饱和土的工程性质研究已成为土力学的一个新分支。
【例题8】下列关于土的气相的叙述，正确的选项为( )。
a. 当土受到外力作用时，土中的气体会被很快从孔隙中排出;
b. 当土受到外力作用时，与大气连通的气体会被从孔隙中排出，密闭的气体可被压缩;
c. 当土受到外力作用时，对于密闭的气体不能被压缩;
d. 对于饱和土而言，土内的气体仅存在密闭的气体;
答案：b
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。
推导土的三相比例指标时可采用图15-4-2所示的三相图。图15-4-2(c)中土样的体积v为土中空气的体积va、水的体积vw和土粒的体积vs之和;土样的质量g为土中空气的质量ga水的质量gw和土粒的质量gs之和;由于空气的质量可以忽略，故土样的质量g可用水和土粒质量之和(gw+gs)表示。
三相比例指标可分为两种，一种是试验指标;另一种是换算指标。
土的结构
土的结构是指土粒(或团粒)的大小、形状、互相排列及联结的特征。
土的结构是在成土的过程中逐渐形成的，它反映了土的成分、成因和年代对土的工程性质的影响。土的结构按其颗粒的排列和联结可分为图15-4-3所示的三种基本类型。
单粒结构
单粒结构是碎石土和砂土的结构特征。其特点是土粒间没有联结存在，或联结非常微 弱，可以忽略不计。疏松状态的单粒结构在荷载作用下，特别在振动荷载作用下会趋向密实，土粒移向更稳定的位置，同时产生较大的变形;密实状态的单粒结构在剪应力作用下会发生剪胀，即体积膨胀，密度变松。单粒结构的紧密程度取决于矿物成分、颗粒形状、粒度成分及级配的均匀程度。片状矿物颗粒组成的砂土最为疏松;浑圆的颗粒组成的土比带棱角的容易趋向密实;土粒的级配愈不均匀，结构愈紧密。
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