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1、土 的 组 成,本章目的 本章特点 学习要点,第一章：土的组成,对土的特点进行详细解释和定量描述 内容琐碎、零散 理清各节间联系 注意物理概念的把握,第一章：土的组成,1.1 土的形成 1.2 土中固体颗粒 1.3 土中水 1.4 土中气 1.5 黏土颗粒与水相互作用 1.6 土的结构与构造,黏土颗粒 与水的 相互作用,土中固体颗粒 土中水 土中气,土的形成过程,土的结构与构造,土的工程性质,1、土的形成,土 的 形 成,土,岩石,风化、搬运、沉积,地质成岩作用,土的组成、结构 和物理力学性质,过程、条件,土是岩石经过风化后在不同条件下形成的自然历史的产物,1、土的形成,生物循环,物理风化,化
2、学风化,量变,无粘性土,原生矿物,质变,粘性土（主要为粘性颗粒及可溶盐类）,次生矿物,动、植物和微生物的活动,一. 风化,有 机 质,1、土的形成,岩石和土的粗颗粒受各种气候因素的影响产生胀缩而发生裂缝,或在运动过程中因碰撞和摩擦而破碎,母岩表面和碎散的颗粒受环境因素的作用而改变其矿物的化学成分，形成新的矿物,二. 搬运与沉积,残积土 无搬运,运积土 有搬运,土质较好,残积土 强风化 弱风化 微风化 母岩体,颗粒表面粗糙 多棱角 粗细不均 无层理,母岩表层经风化作用破碎成岩屑或细小颗粒后，未经搬运残留在原地的堆积物,风化所形成的土颗粒，受自然力的作用搬运到远近不同的地点所沉积的堆积物,1、土的
3、形成,运积土 有搬运,风：风积土,重力: 坡积土,流水:,洪积土 冲积土 湖泊沼泽沉积土 海相沉积物,冰川: 冰积土,土粒粗细不同，性质不均匀,有分选性，近粗远细,浑圆度分选性明显，土层交迭,含有机物淤泥，土性差,颗粒细，表层松软，土性差,土粒粗细变化较大，性质不均匀,颗粒均匀，层厚而不具层理,1、土的形成,第一章：土的组成,1.1 土的形成 1.2 土中固体颗粒 1.3 土中水 1.4 土中气 1.5 黏土颗粒与水相互作用 1.6 土的结构与构造,风化作用 搬运与沉积,土中气体 气相 次要作用,固体颗粒 固相 构成土体骨架 起决定作用,土中水 液相 重要影响,土体的三相构成,2 土中固体颗粒
4、,物理状态 力学特性,粒径级配,矿物成分,颗粒形状,2 土中固体颗粒,粒径级配,颗粒大小,各粒径成分在土中占的比例,影响土性的主因,2 土中固体颗粒,固体颗粒 - 颗粒大小,粒组 按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类 界限粒径,d (mm),砾石,砂粒,粉粒,粘粒,胶粒,60,2,0.075,0.005,0.002,0.25,0.5,5,20,粗,中,细,粗,中,细,0.075,粗粒,细粒,粗粒土：以砾石和砂砾为主要组成的土，也称无粘性土。 细粒土：以粉粒、粘粒和胶粒为主要组成的土，也称粘性土。,巨粒,60,2 土中固体颗粒粒径级配,固体颗粒 - 粒径级配,粒径级配：各粒组的相对含量，用质量百
5、分 数来表示 分析方法： 筛分法：适用于粗粒土 孔径大小不同的筛子 沉降分析法：适用于细粒土 常采用比重计法 表述方法: 粒径级配累积曲线,2 土中固体颗粒粒径级配,颗粒成分分析,筛分法,颗粒成分分析,沉降分析法,10 5.0 2.0 1.0 0.5 0.25 0.1,200g,10 16 18 24 22 38 72,小于某粒径之土质量百分数P（）,粒径(mm),P % 95 87 78 66 55 36,土的粒径级配累积曲线,水分法,2 土中固体颗粒粒径级配,d60,d50,d10,d30,特征粒径: d50 : 平均粒径 d60 : 控制粒径 d10 : 有效粒径 d30,不均匀程度：
6、Cu = d60 / d10,连续程度: Cc = d302 / (d60d10 ) 曲率系数, 不均匀系数,Cu 5,级配不均匀,粗细程度： 用d50 表示,2 土中固体颗粒粒径级配,斜率: 某粒径范围内颗粒的含量 陡相应粒组质量集中 缓-相应粒组含量少 平台-相应粒组缺乏,连续程度: Cc = d302 / (d60 d10 ) 曲率系数,较大颗粒缺少,Cc 减小,较小颗粒缺少,Cc 增大,Cc = 1 3, 级配连续性好,2 土中固体颗粒粒径级配,粒径级配,粒径级配累积曲线及指标的用途：,1）粒组含量用于土的分类定名；,2）不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度： Cu 5, 不均匀土；
7、Cu 5, 均匀土,3）曲率系数Cc用于判定土的连续程度： C c = 1 3, 级配连续土； Cc 3 或 Cc 1,级配不连续土,4）不均匀系数Cu和曲率系数Cc用于判定土的级配优劣： 如果 Cu 5且 C c = 1 3 ， 级配 良好的土； 如果 Cu 3 或 Cc 1, 级配 不良的土,2 土中固体颗粒粒径级配,物理状态 力学特性,粒径级配,矿物成分,颗粒形状,2 土中固体颗粒,矿物成分,固体成分,原生矿物 - 石英、长石、云母等 次生矿物,矿物质 有机质,无定形氧化物胶体 可溶盐 粘土矿物,具有和原生矿物很不相同的特性 对粘土性质的影响很大,2 土中固体颗粒矿物成分,粘土矿物: 由
8、硅片和铝片构成的晶包所组合而成,粘 土 矿 物,粘土矿物是一种复合的铝-硅盐晶体，颗粒呈片状，是由硅片和铝片构成的晶包所组叠而成，可分成高岭石、伊利石和蒙特石三种类型。,硅片 铝片,2 土中固体颗粒矿物成分,粘 土 矿 物,粘土矿物是一种复合的铝-硅盐晶体，颗粒呈片状，是由硅片和铝片构成的晶包所组叠而成，可分成高岭石、伊利石和蒙特石三种类型。,硅片 铝片,2 土中固体颗粒矿物成分,n H2O,K,K,蒙脱石,伊利石,依硅片和铝片组叠形式的不同，可分成如下三种类型：,2 土中固体颗粒矿物成分,晶层间通过氢键联结，联结力强，晶格不能自由活动，水难以进入晶格间 能组叠很多晶层，多达百个以上，成为一个
9、颗粒。颗粒长宽约0.3-3，厚约0.03-1。 主要特征：颗粒较粗，不容易吸水膨胀和失水收缩，或者说亲水能力差。,粘 土 矿 物,依硅片和铝片组叠形式的不同，可分成如下三种类型：,高岭石 蒙特石 伊利石,2 土中固体颗粒矿物成分,晶层间是O2-对O2-的连结，联结力很弱，水很容易进入晶层之间。 每一颗粒能组叠的晶层数较少。颗粒大小约为0.1-1 ，厚约0.001-0.01。 主要特征：颗粒细微，具有显著的吸水膨胀、失水收缩的特性，或者说亲水能力强。,粘 土 矿 物,依硅片和铝片组叠形式的不同，可分成如下三种类型：,高岭石 蒙特石 伊利石,2 土中固体颗粒矿物成分,粘 土 矿 物,是云母在碱性介
10、质中风化的产物。 与蒙特石相似，由两层硅片夹一层铝片所形成的三层结构，但晶层之间有钾离子连结。 主要特征：连结强度弱于高岭石而高于蒙特石，其特征也介于两者之间。,依硅片和铝片组叠形式的不同，可分成如下三种类型：,高岭石 蒙特石 伊利石,2 土中固体颗粒矿物成分,粘土矿物的晶格构造,蒙脱石,伊利石,粒 径 比表面积 胀 缩 性 渗 透 性 强 度 压 缩 性,大 10-20m2/g 小 大 大 小,中 80-100m2/g 中 中 中 中,小 800m2/g 大 小 小 大,比表面积 ：单位质量土颗粒所拥有的总表面积,9克蒙脱土的总表面积大约与一个足球场一样大,2 土中固体颗粒矿物成分,粘土矿物
11、的带电性质 研究表明，片状粘土颗粒表面常带有电荷，净电荷通常为负电荷,- - - - - - - - - -,- - - - - - - - - - - -,+,+,+,+,粘土颗粒,水分子,阳离子,粘土矿物的带电特性,玻璃筒,玻璃皿,水位 升高,粘土粒,粘土膏,+,-,粘土的电泳和电渗现象 (列依斯, 1809),2 土中固体颗粒矿物成分,物理状态 力学特性,粒径级配,矿物成分,颗粒形状,2 土中固体颗粒,颗粒形状,原生矿物 圆状、浑圆状、棱角状 次生矿物 针状、片状、扁平状,2 土中固体颗粒颗粒形状,第一章：土的组成,1.1 土的形成 1.2 土中固体颗粒 1.3 土中水 1.4 土中气
12、1.5 黏土颗粒与水相互作用 1.6 土的结构与构造,3、土中水,土 中 水,结晶水 矿物内部的水 结合水 吸附在土颗粒表面的水 自由水 电场引力作用范围之外的水 土中冰 由自由水冻成，冻胀融沉 水蒸气 存在孔隙空气中,结合水物理化学作用,排列致密、定向性强 密度1g/cm3 冰点处于零下几十度 具有固体的特性 温度高于100C时可蒸发,强结合水,位于强结合水之外，电场引 力作用范围之内 外力作用下可以移动 不因重力而移动，有粘滞性,弱结合水,3、土中水,3、土中水, = 湿润角,T = 界面张力,d = 毛管直径,ua-uw = 压力差,毛细水,毛细现象,3、土中水,土中毛细现象,上升高度:
13、,r2hcw=2rTcos,毛细水,分布在土粒内部相互贯通的孔隙可以看成许多形状不一、直径互异、彼此连通的毛细管,毛细升高与孔径成反比,粘土 粉土 砂土 砾石,分析对象: 水柱,3、土中水,对砂土强度的影响: 毛细边角水, 假凝聚力,毛细压力,2rTcos+ucr2 = 0,毛细压力,非饱和土中毛细张力影响,分析对象: 水膜,3、土中水,土颗粒缝隙处的弯液面,r,空气 水 固体颗粒,弯液面,在非饱和土中，孔隙中含有水和气，此时水多集中于颗粒间的缝隙处，称毛细角边水。 由于毛细张力的作用，会形成如图所示的弯液面，使毛细角边水产生负压力，颗粒则受正压力。 这是稍湿的砂土颗粒间存在假凝聚力的原因,3
14、、土中水,第一章：土的组成,1.1 土的形成 1.2 土中固体颗粒 1.3 土中水 1.4 土中气 1.5 黏土颗粒与水相互作用 1.6 土的结构与构造,土中气,自由气体：与大气连通，对土的性质影响不大 封闭气体：增加土的弹性；阻塞渗流通道,4、土中气,第一章：土的组成,1.1 土的形成 1.2 土中固体颗粒 1.3 土中水 1.4 土中气 1.5 黏土颗粒与水相互作用 1.6 土的结构,土 的 结 构,土颗粒或粒团的空间排列和相互联结,土粒间的作用力 粗粒土的结构 细粒土的结构 粘性土的结构性指标,6、土的结构,粗粒土的结构,粒间作用力：重力起决定性的作用。在非饱和土中，还受到毛细力的作用
15、排列形式：点与点 点与面,6、土的结构,Silt,6、土的结构,Mode of packing of equal spheres (plan views): (a) very loose packing (e=0.91); (b) very dense packing (e=0.35),6、土的结构,Single-grained structures; (a) loose;(b) dense,6、土的结构,细土颗粒间的作用力,范德华力：接触点处的分子引力，作用范围为几个分子的距离，是细粒土粘结在一起的主因 库仑力：颗粒表面的静电引力或斥力，随距离衰减的速度比范德华力慢 胶结力：土粒间通过胶体连
16、结在一起，作用力是化合键，具有较高的强度 毛细力：土中毛细作用形成的力,土中细颗粒，比表面积大，重量轻，重力不起重要的作用，其他粒间力起主导作用：,6、土的结构,结合水物理化学作用,排列致密、定向性强 密度1g/cm3 冰点处于零下几十度 具有固体的特性 温度高于100C时可蒸发,强结合水,位于强结合水之外，电场引 力作用范围之内 外力作用下可以移动 不因重力而移动，有粘滞性,弱结合水,细粒土的结构,形成环境 粒间作用力 排列形式,淡水中沉积 表面力、胶结力 （粒间斥力占优势) 面与面,天然通常不是单一结构，可能是呈多种类型的综合结构。往往先形成团粒,海水中沉积 表面力、胶结力 （斥力减小引力
17、增加) 边、角与面 边、角与边,示意图,6、土的结构,( silt dominated),6、土的结构,Flocculent structures (clay particle dominated) (a) dispersion; (b) non-salt flocculation; (c) salt flocculation (adapted from Lambe, 1958),6、土的结构,反映粘性土结构性的指标,灵敏度 触变性,6、土的结构,含水量不变，密度不变，因重塑而强度降低，又因静置而逐渐强化，强度逐渐恢复的现象，称为触变性。,反映粘性土结构性的指标,土的触变性是土结构中联结形态发生变化引起的，是土结构随时间变化的宏观表现。 目前尚没有合理的描述土触变性的方法和指标。,灵敏度 触变性,6、土的结构,土颗粒或粒团的 空间排列和相互联结,小 结,6、土的结构,土 的 形 成,土,岩石,风化、搬运、沉积,地质成岩作用,土的组成、结构 和物理力学性质,过程、条件,土的形成 - 总结,土体有三个组成部分：固相、液相和气相,土的三相组成,固体颗粒 土中水 土中气体,粒径级配 矿物成分 颗粒形状,结合水 ：强结合水、弱结合水 自由水 ：重力水、毛细水,自由气体 封闭气体,土的三相组成 小结,土的结构 小结,土颗粒或粒团的 空间排列和相互联结,土的结构,