第一章-土的结构与分类.

——谢康和高等土力学AdvancedSoilMechanics课时安排§1土的结构与分类（1周）§2土的渗透性和渗流（1周）§3固结（2周）§4沉降分析（1周）§5抗剪强度（1周）高等土力学AdvancedSoilMechanics参考文献1.《土的工程性质》,黄文熙主编,中国水利水电出版社,1983年2.《土工原理与计算》(第二版),钱家欢、殷宗泽主编,中国水利水电出版社,1996年5月3.《理论土力学》,沈珠江著,中国水利水电出版社,2000年5月4.《土工计算机分析》,龚晓南主编,中国建筑工业出版社,2000年10月5.《岩土工程有限元分析理论与应用》,谢康和、周健编著,科学出版社,2002年5月6.《AdvancedSoilMechanics》,Das,B.J.,McGraw-HillBookCompany,19837.《高等土力学》,李广信主编,清华大学出版社,2004§1土的结构与分类StructureandClassificationofSoil§1.1土的形成§1.2土的组成§1.3土骨架§1.4土中水§1.5无粘性土的密实度§1.6粘性土的稠度（软硬程度）§1.7土的分类§1.8有效应力原理§1.9粘性土的灵敏度和触变性§1.10非饱和土的压实原理-道路等工程§1.1土的形成严格地说，土是由地质作用而生成的。岩石→风化→土（占90%以上）动植物→分解→泥炭土、腐殖土天然土人类活动→生活垃圾工业垃圾建筑垃圾→杂填(人工)土§1.1土的形成地质作用——导致地壳（30～80km）成分变化和构造变化的作用。是土的生成的根本原因和动力。地质作用内力地质作用外力地质作用：包括气温变化、雨雪、山洪、河流、湖泊、海洋、冰川、风、生物等的作用；可概括为风化、剥蚀、搬运、沉积等作用岩浆活动：岩浆从地球深处喷出地表，冷凝而成岩浆岩地壳运动升降运动：地壳的上拱或下拗水平运动：使岩层产生形态各异的褶皱和断裂形成各种类型的地质构造和地表的基本形态（生成岩浆岩和变质岩）（生成土和沉积岩）§1.1土的形成内力地质作用——由于地球自转的旋转能和放射性元素的蜕变产生的热能所引起。外力地质作用——由于太阳的辐射能和地球的自重能所引起。内力与外力地质作用彼此独立又相互依存，前者对地壳的发展占主导地位。总之，地质作用形成了各种成因的地形，造就了岩浆岩、变质岩、沉积岩，也生成了土。§1.1土的形成对土的生成贡献最大的地质作用是风化作用。物理作用：雨雪、冰川、风、热胀冷缩、冻融交替等的剥蚀破坏作用（不改变颗粒的矿物成份，只改变其大小和形状。量变）化学作用：水解、离子交换、氧化还原、碳化等作用（改变颗粒的矿物成分，并使其更细。质变）生物作用：微生物、植被等对岩石的破坏作用风化作用§1.1土的形成按风化成因，土可分为：无粘性土：物理风化形成，颗粒较粗、相互无粘性、松散（如碎石、卵石、砂等。）粘性土：物理风化+化学风化形成，颗粒极细、相互粘结，湿呈粘性，干则结硬（如粘土、淤泥）土岩石经风化剥蚀作用而形成的碎散颗粒，有的存留在原地，有的则进一步经自然力的搬运而在别处沉积，就形成了性质千差万别的各种土。§1.1土的形成按沉积地理历史，土可分为：残积土：未经自然力（水力、风力、冰川活动等）剥蚀和搬运，留存原地的散碎体、碎屑物。分布于山坡、山顶，近基岩。风成沉积土：因风力的剥蚀和搬运作用在别处沉积的土。包括黄土和沙丘。水成沉积土：因水力的侵蚀和搬运作用在别处沉积的土。可分为：坡积土、洪积土、冲积土、湖相沉积土、三角洲沉积土、海相沉积土等冰川沉积土：因冰川活动的剥蚀和搬运作用在别处沉积的土。土§1.1土的形成残积土：性质与母岩类似，与基岩无明显界限(强风化—弱风化—鲜岩)、粗颗粒且未被磨圆和分选（因未经搬运）、无层理构造、孔隙大、均匀性差。风成沉积土：（1）黄土：黄色、粉状。具有肉眼可见的大孔隙、结构强度较高、压缩性小。但有的在自重应力或自重应力和附加应力的联合作用下，受水浸泡后土体结构迅速破坏而发生显著下沉，称为湿陷性黄土。（2）砂丘：大面积砂性土→烈风搬运→风速减小时落下形成。可在地面上移动（风力作用下）；砂丘中砂颗粒大小极不均匀（由于风的选分作用）。§1.1土的形成水成沉积土：雨、雪水从河流发源地向四面八方流向江河，最后汇入大海。一路上侵蚀、搬运土层，形成各种新的沉积土：（1）坡积土：岩石风化物经雨水、雪水冲刷、侵蚀携带，沉积在较平缓的山坡上形成的沉积物。土质不均匀（搬运距离很短），厚度变化大（新坡积土疏松、压缩性高）（2）洪积土：山洪急流冲刷地表土层，形成泥石流，在山谷冲沟山口或山前倾斜平原上形成的堆积物。有不规则交错的层理构造，如夹层、透镜体等。土质不均匀。（由于山洪是周期性产生的，每次大小均不同，故每次堆积物的性质都不一样）（3）冲积土：河流水力将坡积土、洪积土侵蚀、搬运，沉积在河流、坡降变小的平缓地带形成的沉积物。搬运距离长，带棱角颗粒（如块石、砾石、角砾）经滚磨碰撞变圆、变细。可分为：平原河谷冲积土（颗粒较细）和山区河谷冲积土（颗粒较粗）；有的经多次搬运直至近海区，成为海相沉积土。§1.1土的形成（4）湖泊沉积土：湖泊发育过程中由于湖浪冲蚀湖岸、破坏岸壁等而在其中形成的沉积物。成分复杂、变化大。湖边（近岸带）粗颗粒（卵石、圆砾、砂土），远岸带是细颗粒的砂土、粘性土，湖心是粘土和污泥。湖泊淤塞后形成沼泽，沼泽沉积物包括泥炭土（动植物残余体，有机质含量极高）。（5）三角州沉积土：河水流至海洋时，因流速减小，其中携带的悬浮物质在河口形成的沉积土。近河口的颗粒较粗，远离河口的近海处颗粒较细。（6）海相沉积土：江、河将各种冲积土搬至海洋而形成的沉积土，按海水深度不同而分为滨海沉积物、浅海沉积物、陆坡沉积物和深海沉积物。§1.1土的形成冰川沉积土：特性取决于其搬运土的种类、搬运距离、坡度、压力等从强度上看：残积土强度最大，沼泽土强度最差。我省（杭州、萧山、宁波、绍兴）土一般属于滨海、湖泊、三角洲混合沉积土。杭州西部土质（软土）较差，东部（近钱塘江）土质较好，主要为粉土、粉质粘土。§1.1土的形成上述各种土形成后仍受物理、化学作用，产生沉积后的变化，主要有：1.风化作用：风吹雨打日晒，例如成分逐步改变，干燥后收缩形成硬壳层等。2.固结作用：自重作用下、水位下降后、外荷载下固结（粘土），地震、人类活动使土体振密（无粘性土）3.溶解作用：由于环境改变而导致离子交换和可溶盐的淋溶，沉积物被溶解，从沉积土中迁移。如土洞、溶洞的生成。4.成岩作用：土在漫长的地质年代里，在覆盖压力和含有碳酸钙、二氧化硅等胶结物作用下，逐渐压密、脱水、胶结、硬化而生成新的岩石从土的形成到岩石的再生，是一个永无休止的循环过程。§1.1土的形成土的生成并非一日之功，而必须经过漫长的时间。地质年代——地壳发展历史与地壳运动、沉积环境及生物演化相应的世代段落。分为绝对的和相对的，后者应用最广。地球的形成至今大约60亿年。相对地质年代——根据古生物的演化和岩层形成的顺序，将地壳历史划分成的一些自然时段，共划分为五u大代：太古代、元古代、古生代、中生代、新生代。代又分为纪，纪又分为若干世和期，即代→纪→世→期。每一地质年代中都划分有相应的地层，依次为界→系→统→阶（层）在新生代中最新近的一个纪段称为第四纪，我们现在所见的土就是在这一地质年代生成且尚未胶结成岩的，距今约1百万年。§1.1土的形成第四纪地质年代的细分纪（系）世（统）距今年代（百万年）第四纪（系）Q全新世（统）Qh或Q40.025更新世（统）QP晚更新世（上更新统）Q30.150中更新世（中更新统）Q20.500早更新世（下更新统）Q11.000因此，我们现在所指的土可称为第四纪沉积物（层）。§1.1土的形成需要指出：岩石经风化而成土，土也可经压实固结、脱水、胶结硬化而成为岩石（沉积岩），即土与岩石的相互转化，虽然过程缓慢，但循环往复、永不休止。这就是大自然演化的辩证法。岩石土。当然，这需要漫长的时间（以百万年计）。风化压实固结、胶结硬化§1.2土的组成§1.2.1土的矿物组成土：固相（一种或多种矿物的集合体）、液相、气相。土的矿物成分——组成土中固体颗粒的矿物类型、结构等。了解土的矿物成分，对认识土体性状非常有益。1.非粘土矿物（原生矿物）母岩（由岩浆冷凝生成）物理风化的产物。构成岩石结构的矿物颗粒。如石英、云母、长石、辉石、角闪石等。在大多数土中，石英含量最多，其次是长石、云母。（因石英结构稳定，而其它矿物很容易被化学风化）。残积土、无粘性土（包括砾石、和砂土等）一般均由非粘土矿物组成§1.2土的组成§1.2.1土的矿物组成2．粘土矿物（粘土矿物是构成粘土的主要矿物，是自然界最常见、数量最多的次生矿物）次生矿物—由原生矿物进一步化学风化而成。粘土矿物结构中有两个基本单元：硅氧四面体（见下图）、铝氧八面体或镁氧八面体。硅氧晶片（S）—由硅氧四面体连接成的片状晶体结构。厚4.63。八面体晶片(G)—由铝氧八面体连接成的片状晶体结构。厚5.05（—Angstrom,埃（波长单位），1=10-10m）。AAAA§1.2土的组成§1.2.1土的矿物组成粘土矿物主要有：蒙脱石、伊利石、高岭石和绿泥石。（1）高岭石：一般由长石风化而成，由硅氧晶片和铝氧八面体晶片相间组成。结构式：(OH)4Si4Al4O10特点：水稳性好，可塑性低，压缩性低，亲水性差。（2）蒙脱石：由两个硅氧晶片和一个八面体晶片组成。结构式：(OH)4Si8Al4O20.nH2O特点：结构不稳定，水分易进入，亲水性好，吸水膨胀，脱水收缩。可塑性高，压缩性高，强度低，渗透性小。（3）伊利石：由硅氧晶片—水铝石晶片—硅氧晶片三层相间构成。结构式：(OH)2K2(Si6Al2)Al4O20，性质介于高岭石和蒙脱石之间。（4）绿泥石：由辉石或角闪石风化而成，由硅氧晶片和八面体晶片交替迭合而成。目前研究较少，性质类似伊利石。亲水性：蒙脱石（亲水性好）→伊利石→高岭石（亲水性差）渗透性：与亲水性相反§1.2土的组成§1.2.1土的矿物组成3．非晶质粘土矿物（包括水钻英石和各种胶体氧化物和含水氧化物）非晶质的硅酸盐粘土矿物的通称，凡有此成分的土均有较高的灵敏性和活动性。4．有机质来源于动植物遗体的分解和腐烂。为泥炭土的主要成分，采用水泥加固应慎重。5．溶解盐类（包括易溶盐、中溶盐、难溶盐）易溶盐中的硫酸盐对金属有腐蚀，应重视。§1.2土的组成§1.2.2土的三相及相互关系气相液相固相ma=0mw=wdswms=dswm=（1+w）dswvavwvs=0vv=ev=1+e质量体积土的三相及计算图ms：土粒质量mw：土中水质量ma：土中气质量m：土的总质量，m=ms+mwVs：土粒体积Vw：土中水体积Va：土中气体积Vv：土中孔隙体积Vv=Va+VwV：土的总体积V=Vv+Vs§1.2土的组成§1.2.2土的三相及相互关系对饱和土：孔隙比：（饱和土）密实、低压缩性；疏松、高压缩性。孔隙度：饱和度：干土；饱和土含水量：0;avwVVVvwssVVeVV6.0e0.1e1vvvsVVenVVVe%100vwrVVS0rS%100rS100%§1.2土的组成§1.2.2土的三相及相互关系土粒比重（土粒相对密度）土粒质量与同体积的时纯水的质量之比，即：土粒密度：，g/cm3；——时纯水的密度，1g/cm3或1t/m3；——天然水密度，约为1g/cm3）土的密度（单位体积土体质量）：干密度：，土单位体积中固体颗粒部分的质量。（工程上用作评定土体密实度，控制填土工程的施工质量）sdC4wswswsssVmd11sssVm1wC4wVmVmsd§1.2土的组成§1.2.2土的三相及相互关系饱和密度：，土孔隙中充满水时土体的单位体积质量。有效密度：，单位土体中土粒的有效质量（在地下水位以下，扣除浮力后单位土体积中土粒的质量）。与五种密度相应，土有五种重度（即重力密度，kN/m3）：土粒重度：；湿