第一章土的形成与构造

华北有色工程勘察院有限公司NORTHCHINAENGINEERINGINVESTIGATIONINSTITUTECO.,LTD中华人民共和国国家标准GB/T50123-1999培训依据标准学习、交流华北有色工程勘察院有限公司NORTHCHINAENGINEERINGINVESTIGATIONINSTITUTECO.,LTD第一章土的组成与结构土的基本概念1、土是由固相、液相、气相组成的三相分散体系。《土工原理与计算》2、土是还未固结硬化成岩石的疏松沉积物，它是自然历史的产物，是由三相（固、液、气）所组成的多矿物的分散体系。《土工试验原理及方法》。3、土是由固体、液体、气体三相物质组成的散体。《岩土工程测试技术》。4、土是岩石在地质作用下经风化、剥蚀、搬运、沉积等过程的产物《土力学原理》。华北有色工程勘察院有限公司NORTHCHINAENGINEERINGINVESTIGATIONINSTITUTECO.,LTD第一章土的组成与结构5、土是岩石经过物理的、化学的或者生物的风化、剥蚀作用形成的，而且是仅仅用人力可以挖掘和搬运的松散材料。《土的基本性质及测试原理》。6、土是地壳表层母岩经受强烈风化（物理、化学、生物）的产物，是各种矿物颗粒（土粒）的集合体。《土工试验与测试技术》7、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《土工试验技术手册》8、地壳中原来整体坚硬的岩石，经风化、剥蚀、搬运、沉积，形成固体矿物、水和气体的集合体称为土。《土力学与基础工程》一、土的形成形成过程形成条件物理力学性质影响土是岩石经过风化后,在不同条件(搬运、沉积)下形成的自然历史的产物。搬运、沉积风化岩石地球土地球（1）、物理风化－－矿物成分没改变（岩石产生量变）——原生矿物（石英、长石等）——生成巨粒土，如块石、粗粒土、砾石、砂土，这种土呈松散状态，总称无粘性土；（2）、化学风化——矿物成分改变（岩石产生质变）——次生矿物－－生成细粒土，具有粘结力，如粘土与粉质粘土，总称为粘性土；(水、大气和生物作用--化学分解；不仅改变岩石尺寸，还改变岩石成分。自然因素有：氧化作用、碳酸作用、水解作用、溶解作用)（3）、生物风化－－生成有机土、粗粒土或细粒土－－同时有物理和化学风化的双重作用。(岩石表面苔类生物分沁的有机酸促进岩石的风化)不同的风化作用形成不同性质的土土的分布部位风化带残积物坡积物新鲜基岩1、残积土母岩表层经风化作用破碎成岩屑或细小颗粒后，残留在原地未被搬运的，它的接触既未磨圆，又未产生分选作用，所以没有层理构造。其矿物成分与下卧基岩有直接关系。工程地质性质差，孔隙比大。颗粒表面粗糙、多棱角、粗细不均、无层理土的分布部位风化带残积物坡积物新鲜基岩2、坡积物坡积物是雨、雪、水流地质作用，将高处岩石风化产物缓慢地洗刷、顺斜坡向下逐渐移动，沉积在较平缓的山坡上而形成的沉积物。它一般分布在坡腰或坡角下.坡积土随斜坡自上而下，呈现由粗而细的分选现象。其矿物成分与下卧基岩没有直接关系。土质疏松，压缩性高。3、洪积土由暴雨或大量融雪在山区形成的山洪和急流,其搬运能力很大，夹带着大量岩石碎块并形成泥石流，其中泥石剧下，粗细混杂冲出山口后在山前倾斜平原处堆积成堆形的洪积扇，在历史的长河中，山洪和泥石流多次产生。因此洪积物的地层呈不规则的交替构造。其中还可能有透镜体和尖灭等构造。搬运距离短、磨圆度不佳，山洪是周期发生的，大小不一样，产生不规则交错层理。4、沉积物坡积土和洪积土经河流的搬运作用沉积在河床比较平缓而开阔的地段。汛期的沉积物颗粒较粗，枯水的沉积物颗粒较细，因而出现层理构造。二、土的三相组成气相固相液相++构成土骨架，起决定作用重要影响土体次要作用土体三相组成示意图土的三相比例不同，其性质不同①矿物成分原生矿物石英、长石、云母等次生矿物主要是粘土矿物，包括三种类型高岭石、伊利石、蒙脱石粘土矿物:由硅氧四面体和铝氢氧八面体构成的晶胞所组合而成1、固体矿物颗粒(固相)硅氧四面体晶片的结构表示铝氢氧八面体晶片的结构表示高岭石由一个硅片和一个铝片上下重叠而成的，并以此无限延伸，其最大特点是晶包间通过O-2与OH-1相互联结，其联结力很强，致使晶格不能自由活动，不允许水分子进入晶包间，遇水较为稳定的粘土矿物。高岭石高岭石具有三层结构，由二个硅片和一个铝片构成的，其最大特点是晶包间通过K+或Na+离子联结，伊利石晶格之间联结作用比蒙脱石强，比高岭石弱伊利石伊利石伊利石由二个硅片中间夹一个铝片构成的三层结构。其特点是晶包之间由O-2联结，所以联结力很弱，晶体格架有异常大的活动性，遇水不稳定，水分子可无限进晶格之间，产生膨胀。蒙脱石蒙脱石粘土矿物的晶格构造高岭石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②颗粒级配a.颗粒大小b.各粒径成分在土中占的比例1.常用表格法2.级配曲线法表示影响土性质的主因1、固体矿物颗粒(固相)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dmm卵石砾石砂粒粉粒粘粒胶粒2020.050.0050.0020.250.5510粗中细粗中细极细0.075粗粒土细粒土1.表格法表示的粒组划分粒组名称粒径mm一般特征漂石、块石颗粒200透水性很大，无粘性，无毛细水卵石、碎石颗粒200～20圆砾、角砾颗粒粗20～10透水性大，无粘性，毛细水上升高度不超过粒径大小中10～5细5～2砂粒粗2～0.5易透水，当混有云母等杂质时透水性减小，而压缩性增大；无粘性，遇水不膨胀，干燥时松散；毛细水上升高度不大，随粒径变小而增大中0.5～0.25细0.25～0.075粉粒粗0.075～0.01透水性小，湿时稍有粘性，遇水膨胀小，干时稍有收缩；毛细水上升高度较大较快，极易出现冻胀现象细0.01～0.005粘粒0.005透水性很小，湿时有粘性和可塑性，遇水膨胀大，干时收缩显著；毛细水上升高度较大，但速度较慢粒径级配•确定方法筛分法：适用于粗粒土(0.075mm)密度计分析法：适用于细粒土(0.075mm)——各粒组的相对含量，用质量百分数来表示•表述方法粒径级配累积曲线1009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)土的粒径级配累积曲线d60d10d30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Cc=1~3,级配连续性好曲线d60d10d30CuCcL0.330.0050.081663.98M0.0632.41R0.0300.545连续程度:Cc=d302/(d60×d10)—曲率系数粒径级配累积曲线及指标的用途：粒组含量用于土的分类定名；不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度：Cu≥5,不均匀土；Cu5,均匀土曲率系数Cc用于判定土的连续程度：Cc=1~3,级配连续土；Cc3或Cc1,级配不连续土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Cc=1~3，级配良好的土；如果不能同时满足Cu≥5和Cc=1~3，级配不良的土③颗粒形状•原生矿物圆状、亚圆状、亚棱角状、棱角状•次生矿物针状、片状、扁平状1、固体矿物颗粒(固相)③颗粒形状1、固体矿物颗粒(固相)磨圆度和形状术语棱角状亚棱角状亚圆状圆状扁平的拉长的2、土体中水(液相)根据土体中水分子受到电场力的作用大小,土体中的水主要可以分为: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的水即为土体中的液相,其含量及性质明显地影响土的性质.重力水毛细水强结合水弱结合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，冻胀融陷2、土中水土的孔隙中有水，水分子为极性分子，由带正电荷的氢原子和带负电荷的氧原子组成。粘土表面带负电荷，在土粒周围形成电场，吸引水分子带正电荷的氢原子一端，使其定向排列，形成结合水膜，如图所示。（1）、结合水2、土中水结合水是指受电分子吸引力吸附于土粒表面成薄膜状的水，不服从静水力学规律，其冰点低于零度。结合水又分为强结合水和弱结合水。2、自由水此种水离土粒较远，在土粒表面的电场作用以外的水分子自由散乱地排列。与普通水无异，受重力支配，冰点为零度，能传递静水压力并具有溶解能力。自由水包括重力水和毛细水两种。⑴重力水位于地下水位以下，在重力或压力差作用下透过土体而流动，对土粒及结构物具有浮力作用。2、土中水2、自由水毛细水上升到地表会引起沼泽化、盐渍化，而且还会使地基润湿、降低强度，增大变形量。⑵毛细水位于地下水位以上，受毛细作用(表面张力)而上升，形成毛细水上升带，其上升的高度视土粒的大小而不同，一般粘土中为5～6m，砂土小于2m，粒径大于2mm的土粒无毛细现象。极细小的孔隙，土粒周围有可能被结合水充满，亦无毛细现象。故毛细水主要存在于粒径为0.002～0.5mm的孔隙中。土体中的气体是指存于土体空隙中未被水占据的部分,存在形式有两种:自由气体:与大气相通,对土的性质影响不大封闭气体:与大气隔绝,增大土体的弹性和压缩性土体中气体封闭气泡与大气隔绝，存在粘性土中，当土层受荷载作用时，封闭气泡缩小若土中封闭气泡很多时，将使土的压缩性增高，土的渗透性降低。3、土体中气体(气相）土有三个组成部分：固相、液相和气相小结1.固体颗粒2.土中水3.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)自由气体封闭气体三、土的结构定义：土体的结构是指土颗粒之间的相互排列和连接方式。力学特性影响土的结构反映土的成分形成条件分类单粒结构蜂窝结构絮状结构粒间作用力排列形式矿物成分单粒结构示意图重力、毛细力点与点、点与面原生矿物指粗颗粒在重力作用下独立下沉并与其它稳定颗粒相接触所形成的一种结构形式粗粒土的结构2、土的结构（1）种类——土的结构分为下列三种：①单粒结构——凡粗颗粒土(如卵石和砂土)，在沉积过程中，每一个颗粒在自重作用下单独下沉并达到稳定状态。砾石、卵石和砂土等无粘性土在天然产状下具有单粒结构，因为很难取得，保持天然结构的无粘性土样，可以在探坑中挖去砾石和粗砂的土覆土层后，用肉眼或放大镜观察颗粒的排列情况，对于松散的单粒结构只在少数点相互接触，形状不规则颗粒较之浑圆的颗粒有更多的接触点，当结构点紧密时，接触点显著增多。地下水很容易在孔隙中渗流，孔隙中的毛细水上升高度几乎等于零。2、土的结构②蜂窝结构——当土颗粒较细(粒径在0.05mm～0.005mm)时，在水中单个下沉，碰到已沉积的土粒，因土粒之间的分子引力大于土粒自重，则下沉的土粒被吸引不再下沉。依次一粒粒被吸引，形成具有很大孔隙的蜂窝状结构。湿陷性黄土中大孔隙③絮状结构（二级蜂窝结构）——那些粒径极细的粘土颗粒(粒径小于0.005mm)在水中长期悬浮，这种土粒在水中运动，相互碰撞而吸引逐渐形成小链环状的土集粒，质量增大而下沉，当一个小链环碰到另一小链环时相互吸引，不断扩大形成大链环，称为絮状结构。因小链环中已有孔隙，大链环中又有更大的孔隙，形象地称为二级蜂窝结构。上海、天津沉积物都具有絮状结构的特性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）絮状结构蜂窝结构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注意：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、角与边细粒土的结构颗粒大小粉粒粘粒扫描电镜华北有色工程勘察院有限公司NORTHCHINAENGINEERINGINVESTIGATIONINSTITUTECO.,LTD⑶工程性质①单粒结构由于土粒排列紧密，强度大，压缩性小，是良好的天然地基。当土粒沉积速度快，如洪水冲积形成的砂层和砾石层，往往形成疏松的单粒结构，由于土孔隙大，土粒骨架不稳定，当受到动力荷载或其它外力作用时，土粒容易移动而趋于紧密，同时产