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第一章介绍土的形成及物质组成,从定性和定量两个方面描述土体的物质组成\密实程度及工程应用土的成因与组成主要内容§1.1土的基本概念§1.2土的成因§1.3土的固相§1.4土中的液相与气相§1.5土粒相互作用与土的结构类型知识要点1.了解内力地质作用，外力地质作用与岩石风化，不良地质现象与地质灾害2.掌握天然土的地质成因及其分类，人为土类型，土的组成与结构3.了解水对土影响的原理§1.1土的基本概念•土是以岩石颗粒为主体骨架没有胶结或弱胶结的松散堆积物。•岩石颗粒是土体的固相物质，是组成土体固体部分的主要物质。•除固相物质外，颗粒之间存在孔隙，一般由液体或者气体填充，因而土是由固相、液相和气相组成的三相分散系。•土和岩石和主要区别在于土体颗粒间无胶结或者弱胶结。•土分为“天然土”和“人为土”•土力学理论研究的对象是“无胶结”或者“弱胶结”的松散堆积物，不仅仅是指传统意义上的“土”非连续介质碎散性土有哪些特点？受力以后易变形体积变化主要是孔隙变化剪切变形主要由颗粒相对位移引起强度低岩石风化的产物多相介质三相体系受力后由土骨架、孔隙介质共同承担存在复杂的相互作用有孔隙流体流动•固相—土骨架•液相—水•气相—空气土的组成土有哪些特点？自然变异性自然界的产物•非均匀性•各向异性•结构性•时空变异性土有哪些特点？碎散性三相体系自然变异性力学特性复杂•变形特性•强度特性•渗透特性土有哪些特点？§1.2土的成因一、地质作用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,在不同条件下形成的自然历史的产物搬运、沉积风化岩石地球土地球一是地球内部的能量（内能）二是地球外部的能量（外能）①地球内能a、地球自转所产生的旋转能b、地球内放射性元素蜕变产生的放射能c、地球内部物质所产生的重力能、对流能d、地球内部物质的化学能、结晶能放射能示意图②地球外能太阳辐射能和日月引力能以及由此引起的水的动能、风能和生物能二、地质作用的能源作用在地壳表层、由地球外能及部分内能（地表物质的重力能、结晶能、化学能等）引起的地质作用，称为外力地质作用。三、外力地质作用按其作用方式分为：（一）、风化作用在温度变化、气体(氧、二氧化碳)、水溶液、生物等因素作用下岩石、矿物的物理状态或化学成分在原地发生变化的作用。（二）、剥蚀作用风、流水、冰川、湖海中的水在运动状态下对地表岩石、矿物产生的破坏作用，并把破坏了的产物搬离原地。（三）、搬运作用风化、剥蚀作用的产物被迁移到它处。（四）、沉积作用当搬运动力的动能减小、搬运介质的物理化学条件发生变化或者在生物的作用下，被搬运的物质在新的环境下堆积起来。（五）、重力作用松散堆积物、基岩等，在地球的重力作用下，并在其它外力地质作用触发下产生位移和变化的作用。（六）、成岩作用由松散堆积物转变成坚硬的沉积岩。四、内力地质作用由地球的内能引起整个地壳物质成分、内部构造、地表形态发生变化的地质作用称为内力地质作用。（一）、构造运动使岩石圈发生变形变位的地质作用。（二）、地震作用由地震引起的地壳物质迁移、地表形态变化的地质作用。（三）、岩浆作用岩浆沿地壳软弱地带上升时发生的一系列物理化学变化直至冷凝成岩的作用。（四）、变质作用地壳中已经存在的岩石受温度、压力或化学流体的加入而改变其成分、结构和构造形成新的岩石的作用。五、地质作用分类表地质作用外力地质作用内力地质作用风化作用剥蚀作用搬运作用沉积作用成岩作用（压实、胶结、结晶作用）构造运动岩浆作用地震作用变质作用物理风化作用化学风化作用生物风化作用水平运动升降运动侵入作用喷出作用（通过地面流水、地下水、湖泊、沼泽、海洋、冰川、风等地质外营力进行）重力作用（崩塌、潜移、滑动、流动作用）生物风化物理风化化学风化矿物成分未变无粘性土原生矿物矿物成分改变粘性土次生矿物六、风化作用分类有机质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。特点：只改变颗粒的大小和形状，不改变矿物颗粒的成分。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。经化学风化生成的土为细粒土，具有粘结力。动植物活动引起的岩石和土体粗颗粒的粒度或成分的变化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七、土的成因类型运积土的特点运积土有搬运风：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:冰积土又叫冰碛土土粒粗细不同，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，层厚而不具层理土的固相（固体颗粒）是决定土体性质的主要因素之一，土的固相可以用于描述土的性质，用于工程分类。§1.3土的固相1.3.1土的矿物成分：原生矿物石英、长石、云母等（河砂的主要成分就是石英/二氧化硅）次生矿物主要是粘土矿物，包括三种类型高岭石、伊利石、蒙脱石水溶盐可溶性次生矿物有机质由动植物残骸分解物组成颗粒形状•原生矿物圆状、浑圆状、棱角状•次生矿物针状、片状、扁平状1.3.2粘土矿物:粘土矿物是次生矿物中最多的一种，常见的由硅氧四面体和铝氢氧八面体构成的晶胞所组合而成。不同的粘土矿物是由硅氧四面体层和铝氢氧八面体层两种基本结构单元不同组合而组成的。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伊利石伊利石高岭石高岭石蒙脱石三种粘性土矿物的形状特性相同结构的不同粘土矿物是由由硅氧四面体中心的Si离子或铝氢氧八面体中心的AL离子被其他性质相近的离子如Fe、Mg等置换的结果。“同像置换”或“同型代换”•差热分析法（鉴别精度有限）•X射线衍射分析法（定性分析，半定量）•化学分析法（粗略判定，如果只有一种或者两种则能给出精确的结果。）•染色法（简单，可靠性差）•红外光谱分析法（可用于晶体及非晶体矿物）•电子显微镜法（精度比其它方法高，是有效的方法）1.3.3土的矿物成分鉴定：1.3.4土的颗粒大小与级配a.颗粒大小b.各粒径成分在土中占的比例1.常用表格法或2.累计曲线法表示3.三角坐标法影响土性质的主因颗粒大小•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0.1粗粒土细粒土1.表格法表示的粒组划分粒组名称粒径范围／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0.25～0.1极细0.1～0.075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(0.1mm)密度计法：适用于细粒土——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•密度计法，斯托克司公式•斯托克斯沉速公式（Stockesformula）是1850年美国物理学家斯托克斯（G·G·Stokes）从理论上推算球体在层流状态沉速（w）的公式。公式如下：w＝2g(ρS－ρ)μgr2式中：ρS为颗粒密度；ρ为水的密度；μ为流体黏度；r为颗粒半径；g为重力加速度。此公式是在静水、20℃恒温、介质的黏度不变、球形颗粒、密度相同、表面光滑、颗粒互不碰撞的实验室理想条件下获得的。当然与自然界的实际情况相差很大，因自然界静水条件几乎不存在。影响碎屑颗粒沉速的因素很多，主要有颗粒的形状、水质及含沙量等。所以沉速公式大多数都为经验公式。尽管与实际情况有出入，但此式仍然有理论意义。它表明碎屑颗粒的沉速与颗粒直径的平方成正比，这可用来解释沉积盆地中粒度分布规律，以及不同形状、密度和大小颗粒混积现象，同时它也是颗粒（0.1～0.14毫米）机械分析中沉速分析法的理论根据。筛分法就是用一套标准筛子如孔直径(mm)：20、10、5.0、2.0、l.0、0.5、0.25、0.1、0.075，将烘干且分散了的200g有代表性的试样倒入标准筛内摇振，然后分别称出留在各筛子上的土重，并计算出各粒组的相对含量，即得土的颗粒级配。沉降分析法：具体有密度计法(也称比重计法)或移液管法(也称吸管法)。该两法的理论基础都是依据Stokes(司笃克斯)定律，即球状的细颗粒在水中的下沉速度与颗粒直径的平方成正比105.02.01.00.50.250.1200g10161824223872P%958778665536筛分法原理图筛分法粒径(mm)0.050.010.005百分数P(%)2613.510典型颗分级配曲线沉降分析结果1009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数P（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)2.累计曲线表示法d101009080706050403020100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d60d50d30d60d10d30CuCc0.330.0050.063662.41特征粒径:d50:平均粒径d60:控制粒径d10:有效粒径d30:中值粒径不均匀程度：Cu=d60/d10连续程度:Cc=d302/(d60×d10)—曲率系数—不均匀系数Cu≥5,级配不均匀粗细程度：用d50表示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,级配连续性好曲线d60d10d30CuCcL0.330.0050.081663.98M0.0632.41R0.0300.545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Cu5或Cc3或Cc1,级配不良的土1.4.1、土中水(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:吸着水: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.重力水毛细水强吸着水弱吸着水结晶水矿物内部的水吸着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§1.4土中的液相和气相吸着水（结合水）排列致密、定向性强密度1.2~2.4g/cm3冰点-76℃具有极大的粘滞性和固体的特性温度高于100°C时可蒸发强吸着水位于强结合水之外，电场引力作用范围之内密度1.0~1.7g/cm3冰点-20~30℃外力作