土 的 三 相 组 成
华北水利水电学院土力学课程组
土力学系列讲座一
一、土的固相
? （ 一 ）, 成土矿物
? （ 二 ）, 土粒的粒组
? （ 三 ）, 土粒的分析方法
? （ 四 ）, 土粒的级配
成土矿物
? 土是岩石风化的产物, 土粒的矿物成分取决
于成土母岩的矿物成分风化后的风化作用, 一般
可分为两类：
? 原生矿物,石英, 长石, 云母；岩石物理风化生
成的土粒, 土粒较粗, 多呈浑圆状, 块状或板状,
吸附水的能力较弱, 性质稳定, 无塑性
? 次生矿物, 化学风化的产物, 性质与母岩完全
不同, 一般为粘土矿物
成土矿物
?砂粒
? 一般由石英构成，其次是
长石、云母，当砂土中含
有大量呈片状的云母时将
?粘粒
? 包含由次生矿物构成的极
细土粒，粘粒含量增加，
土的透水性减小，可塑性
和压缩性增高。
土粒的粒组
? 天然土由无数大小
不同的土粒组成，
逐个研究它们的大
小是不可能的，统
称是将工程性质相
近的土粒合并成一
组称为粒组
? 漂石粒
? 卵石粒
? 砾 粒
? 砂 粒
? 粉 粒
? 粘 粒
? 胶 粒
? 巨粒组 d>60mm
? 粗粒组 60mm～ 0.075mm
? 细粒组 d<0.075mm
土粒的粒组
土粒的分析方法
? 土的性质取决于各不同粒组的相对含量。为了确
定各粒组的相对含量，必须用试验方法（颗分试
验）将各粒组区分开来，最常用的颗分试验方法
有筛分法和比重计法两种。
筛分法：
适用于粒径大于 0.075mm的土
? 利用一套孔径由大到小
的筛子，将事先称过质
量的干试样放入筛中，
经过充分震摇后，把留
在各级筛上的土粒分别
称量，算出小于某粒径
的土粒含量，用以确定
土中各粒组的土粒含量
筛分法：
适用于粒径大于 0.075mm的土
比重计法：
适用于粒径小于 0.075mm的土
? 比重计法是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 。
? 将一定质量土浸入水中搅拌成悬液，搅拌停止
后，土粒便开始下沉，悬液的浓度随之发生变
化。利用特制的密度计，在不同时刻测悬液浓
度的变化。即可换算出相应的粒径及小于该粒
径的土粒质量，绘出级配曲线。
比重计法：
适用于粒径小于 0.075mm的土
颗粒分析试验曲线
? 试验结果可绘制在半对数纸上
? 纵坐标：小于某粒径的土粒含量
? 横坐标：使用对数尺度表示土的粒径，可以把
粒径相差上千倍的粗粒都表示出来，尤其能把
占总重量少，但对土的性质可能有总要影响的
颗粒部分清楚地表达出来
颗粒分析试验曲线
颗粒分析试验曲线
颗粒分析的先进方法－激光颗分
土粒的级配 － 级配的概念
? 土的级配
指土中各粒组的相对含量，用土粒总重的百分数表示
? 正常级配,土的颗粒大小分布是连续的，曲线坡度是渐变的
? 不连续级配,土中缺乏某些粒径的土粒，曲线出现水平段
? 级配良好,粒径分布曲线形状平缓，土粒大小分布范围广，
土粒大小不均匀
? 级配不良,粒径分布曲线形状较陡，土粒大小分布范围窄，
土粒均匀
土粒的级配－ 级配的概念
? 为了判别土粒级配是否良好, 常用不均匀系数 Cu
和曲率系数 Cc两个指标来描述粒径曲线的坡度和
形状 。
10
60
d
dC
u ?
1060
2
30 )(
dd
dC
c ??
分别为粒径曲线纵坐标上小于某粒径含量 60％,
30％, 10％ 时所对应的粒径
60d30d10d
有效粒径 控制粒径
土粒的级配－ 颗分曲线分析
? 土的粒径范围窄，分布曲线陡, d10和 d60靠近，
土的不均匀系数小，表示土粒均匀
? 土的粒径范围宽，分布曲线缓,d10和 d60相距远，
土的不均匀系数大，表示土粒不匀
? Cu大 不均匀 有细粒土填空 压密
度大
? Cu小 均匀 无细粒土填空 压密度
小
土粒的级配－ 颗分曲线分析
? 对于级配不连续的情况, 有时 Cu虽然大, 但渗透
稳定性一样不好, 故 Cu虽大, 但并不表明土粒级
配良好, 还要用 Cc来衡量, Cu和 Cc描述了级配
曲线整体特征, 可描述土级配的好坏 。
10d
30d
30d
60d
Cc大
Cc小
台阶分布在
台阶分布在
土粒的级配－ 颗分曲线分析
? 级配的好坏由土粒的均匀程度和粒径分布曲线
的形状去定。
规范规定：
3~1?cC
同时满足，级配良好5?uC
土粒的级配－ 粒组频率曲线
土粒的级配－ 粒组频率曲线
? 土的级配的连续性也可用粒组频率曲线来反应。
若土的频率曲线呈单峰，则土的级配是连续的，
若粒组频率曲线呈双峰，则土的级配既有可能是
连续的，也有可能是不连续的。连续与否取决于
双峰之间谷点对应粒组的土粒含量。当大于 3%
时，是连续的，否则是不连续的。缺乏中间粒径
的土是级配不连续的典型情况。这时，谷点对应
粒组的土粒含量为零。
二、土的液相
? 土的液相是水及各离子的溶液，其含量及性质明
显地影响土，尤其是粘性土的性质，如增加水平，
可使土地状态由坚硬变为可塑，甚至成为流动状
态的土浆。
? 土中水可分为下列各类,结晶水、吸着水、自
由水
结晶水：土粒矿物内部的水
? 存在矿物结晶中的水，只有在高温（大于 105℃ ）
下，才能使之从矿物中析出，故可将它视作矿物
本身的一部分。
吸着水：与土粒表面结合的水
? 吸着水是指附着在土粒表面呈薄膜状的水，受土
粒表面引力作用而不服从静水力学规律，其冰点
低于零度。它比普通水有较大的粘滞性，较小的
能动性和不同的密度 。
? 粘土矿物颗粒具有较强的与水相互作用的能力，
称之为亲水性。这种亲水性的土粒表面常常带有
负电荷，电荷的大小与土粒表面积大小有关。常
用比表面积来表示电荷对土粒性能的影响。
? 比表面积大 电荷作用能力强
吸着水：强吸着水
? 土粒表面的负电荷吸引着周围极化了的水分子,
靠近土粒表面的地方引力最大, 土粒周围的水分
子和离子被吸引在土粒表面附近, 排列十分紧密,
失去常见水的某些特性, 通常把靠近土颗粒表面
的一层水称为强吸着水 。
吸着水：弱吸着水
? 土粒表面的引力随离开土粒表面的距离增大而迅
速降低，距土粒表面稍远的地方，水分子虽仍为
定向排列，但不如强吸着水那么紧密和严格，因
此这层水有可能由水膜较厚处缓慢地迁移到另一
土粒上去，这种运动与重力无关。这层水不能传
递静水压力，称之为弱吸着水。
吸着水与土的物理力学性质
? 土粒为弱吸着水分隔时，由于土粒相互受到土粒
表面引力的作用，因而在土颗粒间表现一定的联
接强度。弱吸着水越薄，土粒间距越小，引力越
高，这时联接性就越强，土粒就越不易发生移动。
反之弱吸着水越厚，引力降低，联接性间拖，就
越易于移动。弱吸着水厚度的变化，会使土的物
理力学性质发生改变。
吸着水示意图
自由水（毛细管水、重力水）
? 自由水指土粒表面引力作用范围意外的水，与普
通水一样，受重力支配，能传递静水压力并具有
融解作用 。
自由水－毛细管水
土中孔隙
细水通道
自由水上升
毛细管水
表面张力
重力
毛细管水上升高度的影响因素
? 孔隙大小和形状
? 粒径尺寸
? 水的表面张力
毛细管水－假凝聚力
wcc hP ???
毛细管压力
负孔隙水压力
可使土粒相互挤紧，可使无粘性土也象有
粘聚力似得。由毛细管压力所造成无粘性土间
的连接力，称之为假粘聚力 。
沙
坑
倒
塌
重力水
? 重力水是在重力和水位差作用下能在土中流动的
自由水。它是土中其它类型水的来源。重力水具
有融解能力，能传递静水和动水压力，并对土粒
起浮力作用 。
? 应当指出，水是土的一个重要组成部分。根据实
用观点，一般认为它不承受剪力，但能承受压力
和一定的吸力；同时，说的压缩性很小，在通常
所遇到的压力范围内，它的压缩量可以忽略不计
三、土的气相
与大气相通 无影响，易挤出
与大气不相通（空气、水气、天然气）
压力作用下可压缩或融解
封闭气体对土的性质有较大影响，导致渗透性减小，
弹性增大，拖延土的压缩和膨胀变形随时间的发展过程 。
华北水利水电学院土力学课程组
土力学系列讲座一
一、土的固相
? （ 一 ）, 成土矿物
? （ 二 ）, 土粒的粒组
? （ 三 ）, 土粒的分析方法
? （ 四 ）, 土粒的级配
成土矿物
? 土是岩石风化的产物, 土粒的矿物成分取决
于成土母岩的矿物成分风化后的风化作用, 一般
可分为两类：
? 原生矿物,石英, 长石, 云母；岩石物理风化生
成的土粒, 土粒较粗, 多呈浑圆状, 块状或板状,
吸附水的能力较弱, 性质稳定, 无塑性
? 次生矿物, 化学风化的产物, 性质与母岩完全
不同, 一般为粘土矿物
成土矿物
?砂粒
? 一般由石英构成，其次是
长石、云母，当砂土中含
有大量呈片状的云母时将
?粘粒
? 包含由次生矿物构成的极
细土粒，粘粒含量增加，
土的透水性减小，可塑性
和压缩性增高。
土粒的粒组
? 天然土由无数大小
不同的土粒组成，
逐个研究它们的大
小是不可能的，统
称是将工程性质相
近的土粒合并成一
组称为粒组
? 漂石粒
? 卵石粒
? 砾 粒
? 砂 粒
? 粉 粒
? 粘 粒
? 胶 粒
? 巨粒组 d>60mm
? 粗粒组 60mm～ 0.075mm
? 细粒组 d<0.075mm
土粒的粒组
土粒的分析方法
? 土的性质取决于各不同粒组的相对含量。为了确
定各粒组的相对含量，必须用试验方法（颗分试
验）将各粒组区分开来，最常用的颗分试验方法
有筛分法和比重计法两种。
筛分法：
适用于粒径大于 0.075mm的土
? 利用一套孔径由大到小
的筛子，将事先称过质
量的干试样放入筛中，
经过充分震摇后，把留
在各级筛上的土粒分别
称量，算出小于某粒径
的土粒含量，用以确定
土中各粒组的土粒含量
筛分法：
适用于粒径大于 0.075mm的土
比重计法：
适用于粒径小于 0.075mm的土
? 比重计法是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 。
? 将一定质量土浸入水中搅拌成悬液，搅拌停止
后，土粒便开始下沉，悬液的浓度随之发生变
化。利用特制的密度计，在不同时刻测悬液浓
度的变化。即可换算出相应的粒径及小于该粒
径的土粒质量，绘出级配曲线。
比重计法：
适用于粒径小于 0.075mm的土
颗粒分析试验曲线
? 试验结果可绘制在半对数纸上
? 纵坐标：小于某粒径的土粒含量
? 横坐标：使用对数尺度表示土的粒径，可以把
粒径相差上千倍的粗粒都表示出来，尤其能把
占总重量少，但对土的性质可能有总要影响的
颗粒部分清楚地表达出来
颗粒分析试验曲线
颗粒分析试验曲线
颗粒分析的先进方法－激光颗分
土粒的级配 － 级配的概念
? 土的级配
指土中各粒组的相对含量，用土粒总重的百分数表示
? 正常级配,土的颗粒大小分布是连续的，曲线坡度是渐变的
? 不连续级配,土中缺乏某些粒径的土粒，曲线出现水平段
? 级配良好,粒径分布曲线形状平缓，土粒大小分布范围广，
土粒大小不均匀
? 级配不良,粒径分布曲线形状较陡，土粒大小分布范围窄，
土粒均匀
土粒的级配－ 级配的概念
? 为了判别土粒级配是否良好, 常用不均匀系数 Cu
和曲率系数 Cc两个指标来描述粒径曲线的坡度和
形状 。
10
60
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dC
u ?
1060
2
30 )(
dd
dC
c ??
分别为粒径曲线纵坐标上小于某粒径含量 60％,
30％, 10％ 时所对应的粒径
60d30d10d
有效粒径 控制粒径
土粒的级配－ 颗分曲线分析
? 土的粒径范围窄，分布曲线陡, d10和 d60靠近，
土的不均匀系数小，表示土粒均匀
? 土的粒径范围宽，分布曲线缓,d10和 d60相距远，
土的不均匀系数大，表示土粒不匀
? Cu大 不均匀 有细粒土填空 压密
度大
? Cu小 均匀 无细粒土填空 压密度
小
土粒的级配－ 颗分曲线分析
? 对于级配不连续的情况, 有时 Cu虽然大, 但渗透
稳定性一样不好, 故 Cu虽大, 但并不表明土粒级
配良好, 还要用 Cc来衡量, Cu和 Cc描述了级配
曲线整体特征, 可描述土级配的好坏 。
10d
30d
30d
60d
Cc大
Cc小
台阶分布在
台阶分布在
土粒的级配－ 颗分曲线分析
? 级配的好坏由土粒的均匀程度和粒径分布曲线
的形状去定。
规范规定：
3~1?cC
同时满足，级配良好5?uC
土粒的级配－ 粒组频率曲线
土粒的级配－ 粒组频率曲线
? 土的级配的连续性也可用粒组频率曲线来反应。
若土的频率曲线呈单峰，则土的级配是连续的，
若粒组频率曲线呈双峰，则土的级配既有可能是
连续的，也有可能是不连续的。连续与否取决于
双峰之间谷点对应粒组的土粒含量。当大于 3%
时，是连续的，否则是不连续的。缺乏中间粒径
的土是级配不连续的典型情况。这时，谷点对应
粒组的土粒含量为零。
二、土的液相
? 土的液相是水及各离子的溶液，其含量及性质明
显地影响土，尤其是粘性土的性质，如增加水平，
可使土地状态由坚硬变为可塑，甚至成为流动状
态的土浆。
? 土中水可分为下列各类,结晶水、吸着水、自
由水
结晶水：土粒矿物内部的水
? 存在矿物结晶中的水，只有在高温（大于 105℃ ）
下，才能使之从矿物中析出，故可将它视作矿物
本身的一部分。
吸着水：与土粒表面结合的水
? 吸着水是指附着在土粒表面呈薄膜状的水，受土
粒表面引力作用而不服从静水力学规律，其冰点
低于零度。它比普通水有较大的粘滞性，较小的
能动性和不同的密度 。
? 粘土矿物颗粒具有较强的与水相互作用的能力，
称之为亲水性。这种亲水性的土粒表面常常带有
负电荷，电荷的大小与土粒表面积大小有关。常
用比表面积来表示电荷对土粒性能的影响。
? 比表面积大 电荷作用能力强
吸着水：强吸着水
? 土粒表面的负电荷吸引着周围极化了的水分子,
靠近土粒表面的地方引力最大, 土粒周围的水分
子和离子被吸引在土粒表面附近, 排列十分紧密,
失去常见水的某些特性, 通常把靠近土颗粒表面
的一层水称为强吸着水 。
吸着水：弱吸着水
? 土粒表面的引力随离开土粒表面的距离增大而迅
速降低，距土粒表面稍远的地方，水分子虽仍为
定向排列，但不如强吸着水那么紧密和严格，因
此这层水有可能由水膜较厚处缓慢地迁移到另一
土粒上去，这种运动与重力无关。这层水不能传
递静水压力，称之为弱吸着水。
吸着水与土的物理力学性质
? 土粒为弱吸着水分隔时，由于土粒相互受到土粒
表面引力的作用，因而在土颗粒间表现一定的联
接强度。弱吸着水越薄，土粒间距越小，引力越
高，这时联接性就越强，土粒就越不易发生移动。
反之弱吸着水越厚，引力降低，联接性间拖，就
越易于移动。弱吸着水厚度的变化，会使土的物
理力学性质发生改变。
吸着水示意图
自由水（毛细管水、重力水）
? 自由水指土粒表面引力作用范围意外的水，与普
通水一样，受重力支配，能传递静水压力并具有
融解作用 。
自由水－毛细管水
土中孔隙
细水通道
自由水上升
毛细管水
表面张力
重力
毛细管水上升高度的影响因素
? 孔隙大小和形状
? 粒径尺寸
? 水的表面张力
毛细管水－假凝聚力
wcc hP ???
毛细管压力
负孔隙水压力
可使土粒相互挤紧，可使无粘性土也象有
粘聚力似得。由毛细管压力所造成无粘性土间
的连接力，称之为假粘聚力 。
沙
坑
倒
塌
重力水
? 重力水是在重力和水位差作用下能在土中流动的
自由水。它是土中其它类型水的来源。重力水具
有融解能力，能传递静水和动水压力，并对土粒
起浮力作用 。
? 应当指出，水是土的一个重要组成部分。根据实
用观点，一般认为它不承受剪力，但能承受压力
和一定的吸力；同时，说的压缩性很小，在通常
所遇到的压力范围内，它的压缩量可以忽略不计
三、土的气相
与大气相通 无影响，易挤出
与大气不相通（空气、水气、天然气）
压力作用下可压缩或融解
封闭气体对土的性质有较大影响，导致渗透性减小，
弹性增大，拖延土的压缩和膨胀变形随时间的发展过程 。
