1土的组成解析

1土力学SoilMechanics第1章土的组成•1.1概述•1.2土中固体颗粒•1.3土中水和土中气•1.4土的结构和构造主要内容3大纲要求•本章要求：掌握土粒粒组的划分、粒度成分分析方法、三种亲水性的黏土矿物、土中水类型；熟悉土粒的矿物成分与粒组的关系，土的三种微观结构，土的层理构造、裂隙及大孔隙等宏观结构；了解土中气在细粒土中的作用。4土是指：地球表面的整体岩石在大气中经受长期的风化作用而形成的、覆盖在地表上碎散的、没有胶结或胶结很弱的颗粒堆积物。是地壳完整岩石经受强烈风化、剥蚀、搬运、沉积形成的第四纪松散堆积物。风化岩石地球颗粒堆积物地球（1）土的形成，什么是土？1.1概述成岩搬运、沉积5土的形成变形特性强度特性渗透特性土的三相组成土的物理状态土的结构土的工程分类土的压实性决定影响形成过程形成条件物理力学性质影响固相（固体颗粒)液相（土中水）气相（土中气）生物风化物理风化化学风化量变无粘性土原生矿物质变粘性土次生矿物动植物的活动1)风化作用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（2）地表地质作用72)搬运与沉积残积土无搬运运积土有搬运强风化弱风化微风化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8运积土有搬运风：风积土重力:流水:洪积土冲积土湖泊沼泽沉积土海相沉积土冰川:冰积土坡积土滑坡堆积土崩积土泥石流堆积土9(3)土的常见成因类型（1）残积土：（2）坡积土：（3）洪积土（4）冲积土（5）湖积土（6）海积土（7）风积土（8）冻积土风化物未经搬运而残留于原地。基本特征是颗粒表面粗糙、多棱角、无分选、无层理风化物受重力和暂时性流水作用，搬运到山坡或坡脚处沉积下来。颗粒随斜坡自上而下呈现出由粗而细的分选性和局部层理。受洪水冲刷、搬运，在沟口或山前平原沉积，颗粒有一定分选、磨园由河流流水搬运到河谷坡降平缓的地带沉积，颗粒有较好的分选性和磨园度，常具有层理。在湖泊等缓慢水流或静水条件下沉积，成为具有特殊性质的淤泥或淤泥质土。在海洋环境下沉积的土由风力搬运而成的土，颗粒磨园度好，分选性好，如黄土。由冰川或冰水挟带搬运沉积，颗粒粗细变化大，土质不均匀。10Qm海相沉积Qmc海陆交互沉积Qgl冰积Qfgl冰水沉积Qb火山沉积Qdel滑坡堆积Qcol崩积Qo生物沉积Qch化学沉积Qpr成因不明沉积成因符号说明备注Qml人工堆积Qal冲积Qpl洪积Qdl坡积Qel残积Qeol风积Ql湖积Qsef泥石流堆积Qh沼泽沉积（4）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121.2土中的固体颗粒（固相）物理状态颗粒级配矿物成分颗粒形状13（1）.矿物成分粘土矿物(clayminerals)：是由原生硅酸盐类经水解作用而形成的次生硅酸盐矿物，具层状或链状晶体结构，外形多呈片状，且含有不同数量的水。由硅片和铝片构成的晶胞所组合而成原生矿物次生矿物物理风化作用下，土粒保持与母岩相同的矿物成分。如：长石、石英、云母颗粒在化学风化作用下，由于改变了母岩原来的矿物成分，形成了新矿物。主要是粘土矿物。如：蒙脱石、伊利石、高岭石14硅片的结构15铝片的结构16伊利石高岭石常见的三种粘土矿物的晶格构造蒙脱石粒径比表面积胀缩性渗透性强度大10-20m2/g小大大中80-100m2/g中中中小800m2/g大小小比表面积：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.17粘土矿物的带电性质研究表明：粘土颗粒的表面电荷，通常为负电荷18•粒度土粒的大小•粒组介于一定粒度范围内的土粒•界限粒径划分粒组的分界尺寸dmm卵石砾石砂粒粉粒粘粒6020.005（0.002）0.250.5520粗中细粗中细0.075粗粒土细粒土土粒粒组的划分（土的分类标准GB/T50145-2007)200块石巨粒土（2）土粒粒组和颗粒级配19颗粒级配•确定方法颗粒分析试验•筛分法：适用于粗粒土(0.075mm)沉降法：适用于细粒土(0.075mm)——土中所含各粒组的相对含量，以土粒总重量百分数来表示•表述方法颗粒级配曲线：根据颗粒分析结果求出各粒组的含量占全部土粒重量的百分比，然后按小颗粒至大颗粒计算累积百分含量，用半对数坐标绘制成颗粒级配累积曲线。20颗分试验筛分法21颗分试验沉降法22105.02.01.00.50.250.1200g10g16g18g24g22g38g72g1009080706050403020100小于某粒径之土粒重百分数P（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)P%958778665536土的颗粒级配累积曲线水分法粒径(mm)0.050.010.005百分数P(%)2613.510231009080706050403020100小于某粒径之土重百分数（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)土的颗粒级配累积曲线d60d50d10d30d60d10d30CuCc0.330.0050.063662.41特征粒径:d50:平均粒径d60:限定粒径d10:有效粒径d30:中值粒径不均匀程度：不均匀系数Cu=d60/d10连续程度:曲率系数Cc=d302/(d60×d10)—Cu≥5,级配不均匀粗细程度：用d50表示Cc=1~3,级配连续性好24曲线d60d10d30CuCcL0.330.0050.081663.98M0.0632.41R0.0300.545土的颗粒级配累积曲线: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)土的颗粒级配累积曲线d60d50d10d30Cu≥5,级配不均匀25颗粒级配颗粒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；Cu5,均匀土。3）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。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Cc=1~3，级配良好的土；如果Cu5或Cc3或Cc1，级配不良的土。26例图1-2.1颗粒级配累积曲线【例题1】如例图1-2.1所示A、B、C为三种用不同粒径曲线所代表的土。试求每种土中的砾石、砂粒、粉粒、粘粒粒组的含量各占多少?不均匀系数Cu及曲率系数Cc各为多少?并对各曲线所反映的土的级配特性进行分析。27【解】(1)按曲线A知砂粒(2～0.075毫米)占100-5=95%粉粒(0.075～0.005毫米)占5%565.110.0165.01060ddCu36.110.0165.015.021060230dddCc级配均匀在1～3之间虽然Cc在1～3之间，但从曲线看其坡度陡，Cu＜5，故为级配不良的土。2854.6018.0115.01060ddCu土粒大小不均匀()()210180115005021060230....dddCc=×=×=在1～3之间。从曲线看其坡度较缓，Cu及Cc都满足条件，故属级配良好的土。(2)按曲线B得知砂粒(2～0.075毫米)占100-43=57%粉粒(0.075～0.005毫米)占43-1=42%粘粒(＜0.005毫米)占1%29从曲线上看，曲线呈台阶状，级配不连续，缺乏中间粒径，虽然Cu＞5，但Cc不在1～3之间，因此不能同时满足两个条件，属级配不良的土。(3)按曲线C得知砾石(20～2毫米)占100-56=44%砂粒(2～0.075毫米)占56%517165.08.21060ddCu土粒大小不均匀14.0165.08.225.021060230dddCc不在1～3之间。30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1.3土中水和气（液相和气相）（1）.土中水的存在形态天然土体中常含有一定数量呈液态、固态或气态的水。一般土需研究液态水，冻土还需研究固态水的含量。土中气态水，对土的性质影响不大，通常不作重点研究。31(2).土中水的分类结合水自由水强结合水:(强束缚水或吸着水)紧附于矿物颗粒表面。弱结合水:是在强结合水外围形成的一层结合水膜。重力水:重力水可以在土孔隙中自由流动毛细水:受到水和空气交界面处表面张力的作用，存在于地下水位以上的透水层中自由水32结合水•排列致密、定向性强•密度1g/cm3•冰点处于零下几十度•具有固体的的特性•温度高于100°C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33自由水重力水毛细水在重力作用下可在土中自由流动•存在于固气之间•在重力与表面张力作用下可在土粒间空隙中自由移动34土中毛细现象•上升高度: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毛细水上升的高度和速度取决于土的孔隙、有效粒径、土孔隙中吸附的空气和水的性质等35自由气体：与大气连通，对土的性质影响不大(3).土中气在粗粒土中常可见与大气相连通的空气，在受力时，气体能很快从孔隙中逸出，一般不影响土的性质。在细粒土中，常存在与大气不相连通的封闭气泡，在土体受压时，气体体积缩小，卸荷后体积又恢复，这使土的弹性变形增大而透水性减小。封闭气体：增加土的弹性；阻塞渗流通道36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矿物成分颗粒级配结合水(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37（1）.土的结构1）概念土的结构是指土粒相互排列的特征和粒间的联结能力。它与土的矿物成分、颗粒形态和沉积条件有关。2）分类一般土的结构可归纳为三种基本类型。1.4土的结构和构造38a)单粒结构单粒结构是砂、砾等粗粒土常呈现的结构特征。b)蜂窝结构蜂窝结构是粉土常呈现的结构特征。c)絮状结构絮状结构是细小的粘粒（粒径小于0.005mm）或胶粒常呈现的结构特征。（a）单粒结构（b）蜂窝结构（c）絮状结构39浙江软土的微观结构特征上海软土结构的微观特征天津软土的微观结构特征上海软土风干样微观结构特征粘性土的微观结构40图4—5不同土水比条件下各土样扫描电镜照片41水泥为10%,15%,20%的SEM照片添加水泥后出现的结晶体42添加石灰后出现的结晶体43※粗粒土的结构•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44※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）片架结构(凝聚结构)片堆结构(分散结构)•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451.4土的结构和构造（2）.土的构造1）概念土的构造是指土层在空间的赋存状态,表征土的层理、裂隙及大孔隙等宏观特征。2）土的构造主要特征a)成层性：即层理构造。b)裂隙性:裂隙破坏土的整体性。沿裂隙面的抗剪强度很低，渗透性很高，浸水以后裂隙张开，严重破坏土的结构，使土的强度降低，这对工程建设是不利的。