第一章 土的物理性质及工程分类
第一节 土的组成与结构
一、 土的组成
天然状态下的土的组成（一般分为三相）
固相：土颗粒--构成土的骨架,决定土的性质--大小 、形状、 成分、组成、排列
液相：水和溶解于水中物质
气相：空气及其他气体
（1）干土=固体+气体（二相）
（2）湿土=固体+液体+气体（三相）
（3）饱和土=固体+液体（二相）
二、土的固相——矿物颗粒
土粒粒径大小及矿物成分不同，对土的物理力学性质有着较大影响。如当土粒粒径由粗变细时，土的性质可从无粘性变化到有粘性。
（一）土的粒组划分
工程上将物理力学性质较为接近的土粒划分为一个粒组，粒组与粒组之间的分界尺寸称为界限粒径。土颗粒根据粒组范围划分不同的粒组名称：
六大粒组：块石（漂石）、碎石（卵石）、角粒（圆粒）、砂粒、粉粒、粘粒
界限粒径分别是：200mm、20mm、2mm、0.075mm、0.005mm,见下表。
表1-1 粒组划分标准（GB 50021—94）
粒 组 名 称 | 粒 组 范 围 /mm | 粒 组 名 称 | 粒 组 范 围 /mm |
漂石（块石）粒组 | >200 | 砂粒粒组 | 0.075~2 |
卵石（碎石）粒组 | 20~200 | 粉粒粒组 | 0.005~0.075 |
角粒（圆粒）粒组 | 2~20 | 粘粒粒组 | <0.005 |
（二）土的颗粒级配
自然界的土通常由大小不同的土粒组成，土中各个粒组重量（或质量）的相对含量百分比称为颗粒级配，土的颗粒级配曲线可通过土的颗粒分析试验测定。
1.颗粒大小分析试验
方法（1）筛分法：适用60—0.075mm的粗粒土
（2）密度计法：适用小于0.075mm的细粒土
2.颗粒级配曲线——半对数坐标系
3.级配良好与否的判别
1) 定性判别（1）坡度渐变——大小连续——连续级配
（级配曲线）（2）水平段（台阶）——缺乏某些粒径——不连续级配
（1） 曲线形状平缓——粒径变化范围大——不均匀——良好
（2） 曲线形状较陡——变化范围小——均匀——不良
2) 定量判别：不均匀系数
分别表示级配曲线上纵坐标为60% 30% 10%时对应粒径
不均匀系数越大，土粒越不均匀，工程上把的看作是均匀的，级配不好；把大于的土看作是不均匀的，级配良好。
（三）土的矿物成分和土中的有机质
土中矿物成分可分为原生矿物和次生矿物两大类。
1.原生矿物——岩石经物理风化作用而成的颗粒（化学成分无变化），成分与母岩相同。原生矿物性质稳定。块石、碎石、角粒矿物成分与原生矿物相同，砂粒是原生矿物的单矿物颗粒，如：石英、长石——砾石、砂的主要矿物成分——性质稳定、强度高
云母——薄片状——强度低、压缩性大、易变形
粉粒的矿物成分是多样的主要有原生矿物的石英，次生矿物的难溶盐类
2.次生矿物——原生矿物经化学风化作用而成的新矿物（化学成分变化）。如三氧化二铝、三氧化二铁、次生二氧化硅及各种粘土矿物。粘粒几乎都是次生矿物的粘土矿物、氧化物、难溶盐及腐植质。
粘土矿物——亲水性、粘聚性、可塑性、膨胀性、收缩性。粘土矿物分为：
高岭石（土）：遇水后膨胀性与可塑性较小，颗粒相对较大——亲水性较弱，晶体结构较稳定。
伊利石（土）：性质介于高岭土与蒙脱土之间，接近蒙脱土。
蒙脱石（土）：遇水后膨胀性与可塑性极大，透水性小，多个晶体层——结构不稳定、颗粒最小、亲水性。
水溶盐难溶：CaCO3
中溶：石膏 CaSO4.2H2O
易溶：NaCl kCl CaCl2 K Na的 SO4一个土一个于念什么2- CO32-
3.土中的有机质——亲水性强，压缩性大，强度低
三、土中水
土中水分为结合水和自由水两大类。
1.结合水：是吸附在土粒表面的结合水膜。土粒表面带负电荷，吸附电场范围内的水分子及水分子中的阳离子，越靠近土粒表面吸附作用越强，结合水从内向外可分为固定层和扩散层。
强结合水：处于固定层中，性质接近于固体，不能传递水压，具有极大的粘滞性、弹性和抗剪强度；
弱结合水：处于扩散层中，性质呈粘滞体状态，在压力作用下可以挤压变形。弱结合水对粘性土的物理力学性质影响极大，而砂土因表面较小，可认为不含弱结合水。
2.自由水：土粒结合水膜之外的水。
重力水：只受重力作用而自由流动的水，能传递水压力和产生浮力作用，一般存在于地下水位以下的透水土层中。
毛细水：土孔隙中受到表面张力作用而存在的自由水，一般存在于地下水位以上的透水土层中，由于表面张力作用，毛细水在土粒之间形成环状弯液面，弯液面与土粒接触处的表面张力反作用于土粒，形成毛细压力，使土粒挤紧，土粒间的孔隙是连通的，形成无数不规则的毛细管，在表面张力作用下，地下水沿着毛细管上升，因此工程中要注意地基土的湿润和冻胀，同时应注意建筑物的防潮。
四、土中气体
粗粒土中气体常与大气相通，土受压时可很快逸出，对土的性质影响不大
细粒土中气体常与大气隔绝而成封闭气泡，不宜逸出，因此增大了土的弹性和压缩性，同时降低了土的透水性。
淤泥等含有有机质的土中，由于微生物的活动，在土中分解产生了一些可燃气体，如甲烷、硫化氢等，使土层在自重作用下不易压密而形成高压缩性的软土层。
五、土的结构
1.定义：土粒或土粒集合体的大小、形状、相互排列与连结等综合特征，称为土的结构。
2.分类：（1）单粒结构：由较粗大的土粒（如碎石、砂粒等）组成，土粒间分子引力远小于土粒自重，土粒之间几乎没有相互联结作用。土粒排列有疏松及密实两种状态。密实状态时土的强度大，压缩性小，是良好的天然地基；疏松状态时空隙较大，土粒不稳定，不宜直接用作地基。
（2）蜂窝结构：由粉粒串联而成，土粒间分子引力大于土粒自重，土粒下沉时停止在接触面而形成串联结构。
（3）絮状结构：粘粒集合体串联而成。
具有蜂窝结构和絮状结构（合称为海面结构）的土，其土粒间有较大的孔隙，结构不稳定，当天然结构被破坏后，土的压缩性增大而强度降低，故也称为有结构性土。
土的结构形成以后，当外界条件变化时，土的结构会发生变化。例如，土层在上覆土层作用下压密固结时，结构会趋于更紧密的排列；卸载时土体的膨胀（如钻探取土时土样的膨胀或基坑开挖时基底的隆起）会松动土的结构；当土层失水干缩或介质变化时，盐类结晶胶结能增强土粒间的联结；在外力作用下（如施工时对土的扰动或剪应力的长期作用）会弱化土的结构，破坏土粒原来的排列方式和土粒间的联结，使絮状结构变为平行的重塑结构，降低土的强度，增大压缩性。因此，在取土试验或施工过程中都必须尽量减少对土的扰动，避免破坏土的原状结构。
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