1土的组成土力学.ppt

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1、第一章 土 的 组 成,1.2土中固体颗粒 1.3土中水和土中气 1.4黏土颗粒与水相互作用 1.5土的结构和构造,主要内容,第一章 土的组成,土粒粒组的划分、结构、构造 粒度成分分析方法 三种亲水性的黏土矿物、土中水的类型 熟悉土粒矿物成分与粒组的关系、黏土颗粒与水相互的作用、土的微观结构和构造,重点掌握内容,1.1概述,岩石,岩石破碎 化学成分改变,搬运沉积,大小、形状和成分都不相同的松散颗粒集合体（土）,土,固相,液相,气相,土中颗粒的大小、成分及三相之间的相互作用和比例关系，反映出土的不同性质,物理风化,化学风化,生物风化,气相,固相,液相,+,+,构成土骨架，起决定作用,重要影响,土

2、体,次要作用,土的三相组成 土的物理状态 土的结构,土的形成影响,从而决定土的 渗透特性,变形特性,强度特性,1.2 土中固体颗粒,1.2.1土粒的矿物成分,土粒的大小、相关矿物成分以及大小搭 配情况对土的物理力学性质有明显影响,土粒分析,无机矿物颗粒是构成土最基本性质,有机质腐殖质含量较多形成 淤泥(质)土、泥炭土,原生矿物物理风化粗粒土,砂土,粉土,次生矿物,化学风化,生物风化,细粒土,长石,云母,单粒结构,三氧化二铝Al2O3,三氧化二铁Fe2O3,碳酸钙CaCO3,硫酸钙CaSO4,次生二氧化硅,氯化钠NaCI,粘土矿物,高岭石,伊利石,蒙脱石,亲水性最小,亲水性低于蒙脱石,亲水性最大

3、 胀缩性最强,砾石,石英,1.2.2土粒粒度成分,粒组 界于一定粒度范围内的土粒,粒度 土粒的大小以粒径表示,界限粒径 划分粒组的分界尺寸,粘粒,粉粒,砂粒,园粒角粒,卵石碎石,漂石块石,0.005,0.075,2,60,200,d mm,粘土和砂土比较,砂土 物理 原生 粗 无 单粒 大 小 大 小 液化,土颗粒由,粘土 化学 次生 细 有 蜂窝 小 大 小 大 不会 生物 絮壮,土名 风化 矿物 大小 粘性 结构 透水 压缩 强度 冻胀 地震,大 小,粗 细,无粘性 粘性,土的性质发生质的变化,1、颗粒分析试验,试验方法,筛分法： 适用于粗颗粒 0.075mmd60mm,比重计法: 适用于

4、细颗粒 d0.075mm,工程上将各种不同的土粒按其粒径范围，划分为若干粒组,土的颗粒级配,土粒的大小及组成情况 土中各个粒组的相对含量（即各粒组占土粒总 量的百分数）来表示,筛分法,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,比重计法,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,2、颗粒粒径级配累积曲线,纵坐标 表示小于某粒径的土粒含量百分比,横坐标 表示土粒的粒径(对数坐标）,d（mm）,A,小于 某粒 径的 土重 含量 %,B,C,d10、d30、d60-小于某粒径的土粒含量

5、为10%、 30%、60%时所对应的粒径,曲率系数,不均匀系数,Cu描述,颗粒级配曲线的坡度,粒组的分布范围,颗粒级配不均匀程度,Cu愈大，坡度较缓，曲线连续，粒组分布越广， 表示土粒愈不均匀，土的级配良好,不均匀系数,Cc描述,颗粒级配曲线整体形态,某粒组是否缺失,曲率系数,同时满足为级配良好,Cu5,Cu10,在工程中,Cc=13,砾类土或砂类土,同时满足为良好级配砂（砾）,Cc=13,Cu 5,匀粒土 为级配不良,1.3土中水和土中气,土中水含量变化明显影响土的性质(尤其是粘性土),结合水,强结合水(吸着水),弱结合水(薄膜水),自由水,毛细水,重力水,土中水,液态水,气态水,固态水（冻

6、结）,1.3.1土中水,薄膜水,吸着水,吸离土粒距离,电分子引力,土粒,正电荷H+,负电荷OH-,颗粒表面的负电荷,极化水分子,结合水,自由水,水化阳离子,（1）强结合水,强结合水：紧靠于颗粒表面、受电场强大作用力、几乎完全固定排列、丧失液体的特性而接近于固体,吸引力高达几千至几万个大气压,1个大气压=1kg/cm2=100kpa=100kN/m2,相当于10m的水柱高,特征,不传递静水压力,不受重力的影响,没有溶解盐类的能力,水分子定向排列,冰点-78度(过冷现象),密度1.2-2.4g/cm3,具有极大粘滞性、弹性、抗剪强度,阳离子浓度最大,温度105度吸热变蒸汽,（2）弱结合水,弱结合水

7、：紧靠强结合水的外围形成的结合水膜，所受的电场作用力随着与颗粒距离增大而减弱,不传递静水压力,密度1.0-1.7g/cm3,具有较大粘滞性、弹性、抗剪强度,特征,较厚的水膜向较薄的水膜迁移,自由水,存在于土粒电场影响范围以外，性质和普通水无异,能传递水压力,特征,冰点为0,有溶解能力,重力作用,重力水,毛细水,毛细水上升高度,饱和带,重力水,毛细水,薄膜水,吸着水,吸离土粒距离,电分子引力,土粒,正电荷H+,负电荷OH-,颗粒表面的负电荷,极化水分子,结合水,自由水,水化阳离子,（3）毛细水,是存在于地下水位以上的透水层中孔隙的自由水,毛细水受到,水与空气界面的表面张力作用,重力作用,砂土、粉

8、土、粉质粘土中毛细水含量较大,毛细水主要存在于直径为：0.002-0.5 mm孔隙中,土的毛细现象对工程的影响,建筑物地基冻害,地基冻结,地基冻融,建筑物地下结构侧壁过分潮湿,冻胀力,融陷,建筑物地下钢筋混凝土结构侵蚀,引起沼泽化 引起盐渍化,耐久性降低,（4）重力水,是存在于地下水位以下透水层孔隙中自由流动的水,能传递水压力,对土体产生浮力作用,在压力差作用下产生渗流,流土,重力水,动水压力,渗透破坏,溶解土中盐类,管涌,孔隙率增大,压缩性增大,抗剪强度降低,1.3.2土中气,土中气体存在于土孔隙中未被水占据的部分，分为与大气连通的自由气体、与大气不连通的封闭气体,(1)自由气体：受外荷作用

9、时被挤出土体外，对土的性质影响不大,(2)封闭气体：受外荷作用，不能逸出，被压缩或溶解于水中，压力减小时能有所复原，对土的性质有较大的影响，使土的渗透性减小，弹性增大和延长土体受力后变形达到稳定的历时,1.4粘土颗粒与水的相互作用,强度,与原子分子间的键力有关,受土颗粒间的各种相互作用力所制约,与矿物颗粒本身的结晶格架特征有关,与组成矿物的原子和分子的排列有关,粘性,塑性,压缩性,胀缩性,土的,1、原子间键（第一价键）,原子间的键,离子键,共价键,离子键,共价键,金属键,是化学联结由阳离子与阴离子之间的静电引力形成的键力,其原子不带电荷是两个原子核共有的外层电子构成的联结,金属键,由金属的自由

10、电子及离子组成的结晶格架之间相互作用构成,2、分子间键（第二价键）,分子间键也称范德华键,该键力的出现与,诱导作用,分散作用,定向作用,氢键,如H2O水分子间，氢键是一个重要的键力组成部分,是第二价键,特殊的键,有关,矿物颗粒本身的强度主要由,土粒与土粒间,土粒与水分子间,粒间和土粒与水之间的联结力远比土粒本身的强度小,第一价键形成,的联结强度主要由第二价键形成,土体的强度主要取决于粒间的联结力,第二价键,3、粘土矿物的结晶结构和亲水性,粘土颗粒矿物成分主要有,粘土颗粒矿物,化学胶结物,有机物质,不同矿物成分的土粒与水相互作用的特征 取决于矿物结晶颗粒内部原子的结构,黏土矿物由 两种晶片构成,

11、硅氧晶片,（硅片),基本单元si-o四面体 由一个居中硅原子和四个在角的氧原子,铝氢氧晶片,（铝片）,基本单元AI-OH八面体 由一个居中铝原子和六个在角点的氢氧离子,硅片和铝片构成两种类型晶胞,两层型晶胞1：1,黏土矿物颗粒基本有,三层型晶胞2：1,一层晶片,一层铝片,两层硅片中间夹一层铝片,两层型晶胞,三层型晶胞,叠结成,蒙脱石,伊利石,高龄石,蒙脱石,晶胞间只有氧原子间的范德华键力联结,硅片中AI3+由低价Mg2+替代,晶胞间出现多余的负电荷吸引阳离子、水化离子,伊利石,火山灰,风化而成,结构单元三层型晶胞,没有氢键,键力很弱,晶胞活动性大,水分子进入改变晶胞距离,失水收缩,分散成单晶胞

12、,具有极强的,吸水膨胀,蒙脱石,结构单元三层型晶胞,伊利石,三层晶胞,晶胞中有氧原子联结的范德华键力,硅片中高价Si4+由低价Al3+、Fe3+取代晶胞,云母在碱性介质中风化的产物,四面体表面镶嵌正价阳离子K+补偿正电荷,伊利石结晶构造的稳定性好于蒙脱石,伊利石亲水性、胀缩性小于蒙脱石,结构单元三层型晶胞,伊利石,高岭石,二层晶胞,一面露出铝片的氢氧基键力,一面露出硅片氧原子,长石风化的产物,四面体表面镶嵌正价阳离子K+补偿正电荷,具有较强联结力,晶胞间的距离不易改变,水分子不易进入,晶胞活动性小,氢键,特征,亲水性,胀缩性,又小于伊利石,结构单元二层型晶胞,高岭石,黏土矿物是很细小扁平颗粒,

13、表面具有很强与水相互作用的能力,比表面 单位体积（质量）颗粒的总表面积,颗粒愈细 比表面愈大 亲水性愈强,蒙脱石 800m2/g,比表面 单位体积（质量）颗粒的总表面积,伊利石 80m2/g,比表面积:,高岭石 15m2/g,体积1mm3,总表面积6mm2,比表面 6mm2/1mm3=6mm-1,边长1mm的土颗粒立方体,比表面6*104mm-1（增大了10000倍）,将边长分割为0.0001mm（缩小10000倍）,表面积 6*104mm2,土颗粒由大 小, 比表面增大使土的性质发生突变,体积1mm3,1、黏土颗粒带电性,黏土颗粒表面带有负电荷,电泳,1.4.2黏土颗粒与水相互作用,电渗,在

14、电场作用下带有负电荷的黏土颗粒向阳极移动,形成水化离子在电场作用下向负极移动,电动现象,极性水分子,阳离子,双电层,黏土颗粒表面带有负电荷,反离子层,2、双电层的概念,固定层（强结合水）,扩散层所含阳离子与土粒表面负电荷电位相反,扩散层（弱结合水）,扩散层（弱结合水）厚度大,土的塑性、胀缩性大, 1.5 土的结构和构造,1.5.1土的结构,土的结构性直接影响土的工程性质的好坏,土颗粒或粒团的 空间排列和相互联结,力学特性,土的结构,重塑土的强度,原状土的强度,土的构造,+,同一土层中物质成分、颗粒大小相近的各部分之间的相互关系的特征,影响,1925年太沙基出版了土力学一书， 标志着岩土工程学科

15、的诞生。,土的工程性质从本质上看主要受控于土的微观结构,空间排列,矿物成分,颗粒形状,沉积条件,在成土过程中所形成土粒单元的,颗粒大小,联结形式,土的微观结构,综合特征,(1)单粒结构,粗矿物颗粒在水或空气中在自重作用下沉落形成的单粒结构，其特点是土粒间存在点与点的接触。根据形成条件不同，可分为,疏松状态,密实状态,粗粒土的结构,单粒结构,重力、毛细力,点与点、点与面,原生矿物,排列形式,矿物成分,粒间作用力,颗粒间点与点接触，由于彼此之间引力大于重力，接触后，不再继续下沉，形成链环单位,很多链环联结起来，形成孔隙较大的蜂窝状结构,(2)蜂窝结构,粉粒为主的结构特征,粒径在0.002-0.02

16、mm,细砂、粉粒土的结构,粒间作用力,排列形式,矿物成分,蜂窝结构,重力，表面力,蜂窝状,主要是原生矿物,(3)絮状结构：,0.005mm细小粘粒结构特征,细微粘粒大都呈针状或片状，质量极轻，在水中处于悬浮状态。当悬液介质发生变化时，土粒表面的弱结合水厚度减薄，粘粒互相接近，凝聚成絮状物下沉，形成孔隙较大的絮状结构,细粒土的结构,粒间作用力,形成环境,排列形式,矿物成分,表面力、胶结力 （斥力减小引力增加）,示意图,表面力、胶结力 （粒间斥力占优势）,淡水中沉积,海水中沉积,次生矿物,次生矿物,天然条件下，可能是多种组合，或者由一种结构过渡向另一种结构。,面与面,边、角与面 边、角与边,絮状结构,土的构造 是指土体中各结构单元之间的关系 在同一层中物质成分、颗粒大小等 相近各部分相互关系的特征,层理构造：土粒在沉积过程中,由于不同阶段沉积的物质成分、颗粒大小或颜色不同,而沿竖向呈现出成层特征各部分相互关系的特征,裂隙构造：土体被许多不连续的小裂隙所分割,在裂隙中常充填有各种盐类的沉淀物,2、土的构造(宏观结构),宏 观 结 构,层理构造,裂隙构造,水平层理,交错层理,夹层,尖灭,透镜体,增大透水性,降低土体的强度及稳定性,遇水产生沉陷、增加压缩性,地基在荷载作用下产生不均匀沉降,尖灭,透镜体,淤泥,淤泥,