土质土力学02土的物质组成和结构

2土的物质组成和结构土是未固结成岩的松散沉积物，在地表广泛分布，是工程和经济活动的主要对象。土的工程性质复杂多变：作为建筑地基，有的可以修建高楼大厦，有的连平房都承受不起；作为建筑材料，有的可以作为混凝土的骨料，有的可以烧制砖瓦，有的很难派上用场。土的性质之所以有这样大的差别，主要是其成分和结构的不同。因此，在研究土的工程性质形成及其变化规律时，首先要研究土的组成成分。2土的物质组成和结构2.1土的基本特性2.2土的粒度成分2.3土的矿物成分2.4土的化学成分2.5土中的水和气2.6土与水的相互作用2.1土的基本特征1、从地质观点分析，土具有如下共同特点：1）土是地质历史的产物土是由多种矿物自然集合而成的，它是在一定的地质历史时期内，经过各种复杂的自然因素的作用后形成的。不同类型的土，其形成时间、地点、环境及方式不同，各种矿物在质量、数量和空间排列上都有一定的差异，因而工程性质也有所不同。因此，成因类型和地质历史的研究是分析鉴定土的工程性质的基础。形成过程：无机土来自岩石的物理风化和化学风化,有机土中的有机物来自植物、小动物的骨骼和外壳。形成过程中仍残留原地的称为残积土。由风、水、波浪、冰川或重力搬运而形成的沉积物称为运积土。松散沉积物类型：风化残积：残积物重力堆积：坠积物、崩塌堆积物、滑坡堆积物、土溜堆积物大陆流水堆积：坡积物、洪积物、冲积物、湖积物、沼泽沉积物、三角洲（河－湖、河－海）堆积物海水堆积：滨海堆积物、浅海堆积物、深海堆积物地下水堆积：泉水堆积物、洞穴堆积物冰川堆积：冰积堆积物、冰水堆积物、冰积湖堆积物风力堆积：风积物火山堆积：火山岩及火山碎屑岩其它：人工堆积通常，流水搬运、沉积形成的土如洪、冲积土的工程性质要好于风力搬运、沉积形成的土，也好于湖积和海积土；沉积年代久远的土的工程性质要优于新近形成的土；不同的自然条件下形成的土的性质有较大的差异，各地往往存在一些特殊性土，其性质常常较一般土差。2）土是相系组合体土是由三相（固、液、气）或四相（固、液、气、有机质）所组成的体系：—特殊土的一种——有机土—有机质（特殊相）—两相冻土—冰—四相冻土—空气水冰（特殊相）—两相土——饱和土—水—三相土——湿土—水（液相）空气—两相土——干土—空气（气相）固相土颗粒)(相系之间往往存在复杂的物理—化学作用。因此，土的相系之间质和量的变化是鉴定其工程性质的一个重要依据。在研究土时，必须对同时存在的三相的质与量以及它们之间的相互作用一并加以研究。3）土是分散体系由二相或更多相所构成的体系，其一相或某一些相分散在另一相中，称为分散体系。多相组成的土是分散体系。根据固相土粒的大小程度，将土划分为：粗分散体系(2m)细分散体系(2~0.1m)胶体体系(0.1~0.01m)分子体系(0.01m)。分散体系的性质随着分散程度的变化而变化。研究表明，粗分散体系与细分散体系及胶体体系的差别很大。细分散体系和胶体体系具有许多的共性。因此，一般将细分散体系和胶体体系合并在一起作为土的细分散部分加以研究。土的细分散体系具有特殊的矿物成分，具有很高的分散性和比表面积，因而具有巨大的表面能。当细分散颗粒与水作用时，在固、液相界面上具有很强的物理—化学活性。土中细分散颗粒含量的增多是形成黏性土工程性质的决定因素。任何土类具有存在一定的能量，在砂土和黏性土中，其总能量是由内部能量和表面能量之和构成的。内部能量与其土粒体积成正比，而表面能量则与土粒的表面积成正比。砂土及其它碎屑土的比表面积很小，所以表面能有限，砂土在物理—化学方面，很大程度上是惰性的、不亲水的。黏性土的比表面积和表面能均很大，因此，具有较大的物理—化学活性和亲水性，表现为极强的黏着性和塑性。4）土是多矿物组合体土中含有5~10种甚至更多的矿物，其中除原生矿物外，次生黏土矿物是主要成分。黏土矿物的粒径很小(0.002mm)，遇水容易呈现胶体化学特性，在土粒之间形成一种特殊的连接，使黏性土表现出复杂多变的工程性质。2、土与其它连续介质的建筑材料（如钢材等）相比，具有以下三个方面的工程特性：1）压缩性高——在相同外部荷载作用下，土的压缩量远大于常用的建筑材料如混凝土，反映在变形模量E上，土的压缩模量较建筑材料要小，而且不同类型的土之间的压缩性存在较大的差别。2）强度低——土的抗剪强度远小于建筑材料的抗剪强度。这是因为，土粒之间的摩擦力和黏聚力（土粒间的结合力）通常较小。3）透水性大——土属于多孔介质，内部存在无数的相互连通的孔隙。这些孔隙是透水的。土的透水性与土的粒度成分、结构、构造等有关。2土的物质组成和结构2.1土的基本特性2.2土的粒度成分2.3土的矿物成分2.4土的化学成分2.5土中的水和气2.6土与水的相互作用2.2土的粒度成分1、粒径土粒的大小用其直径表示，称为粒径，又称粒度。一般用土粒能通过的最小筛孔的直径，或土粒在静水中具有相同下沉速度的当量球体直径表示——原因是颗粒形状多样土的粒度变化范围极大。大到数百至数千mm的漂石、块石，小到不足千分之一的黏土颗粒。随着粒径的变化，土的成分和工程性质也随之变化。不同粒径的土粒具有不同的成分和性质。巨大的砾石—漂石扫描电镜2、粒组划分与粒度成分(1)粒组按粒径的大小划分的组称为粒组。也就是将土中的颗粒按粒径分成若干个粒径区段，每一个区段中所包括的这些大小的颗粒称为粒组，即土中颗粒直径界于某粒径区间的所有颗粒。土的粒度成分实际上是不同粒组所占的比例关系。我国《土的工程分类标准》（GB/T50145-2007）中的粒组划分方案见下图：(2)粒组划分巨粒粗粒细粒(3)粒度成分土的工程性质与构成土的各种粒径的相对含量有关，即与各种粒径在土中的比例搭配关系有关。土中各种粒径颗粒之间的比例搭配关系（相对含量）称为粒度成分（又称为粒度级配或级配），一般用干土质量百分比表示：式中x——某粒组的质量百分数,%；ma——干土中某粒组的质量；mb——干土总质量。%100bammx3、粒度分析方法粒度分析的定义：又称颗粒分析，采用不同的方法将构成土的各粒组划分开来，并计算出各粒组的百分含量，以确定土的粒度成分，同时根据粒度成分分析结果进行土的分类与定名（尤其粗粒土和巨粒土）。粒度分析方法常用的有：粗粒土（粒径0.075mm）采用筛析法（筛分法）细粒土（粒径0.075mm）则采用静水沉降分析法两种方法分析结果综合在一起就可获得完整的土的粒度分析数据。（1）筛析法适用条件：适用于粒径界于60~0.075mm之间的土。主要设备：是一套标准分析筛，筛子的孔径分别为：粗筛：60、40、20、10、5、2mm细筛：1.0、0.5、0.25、0.075mm。可根据土的性质和工程要求适当增减不同筛径的分析筛。试验要求：应符合《土工试验方法标准》(GB/T50123-1999)的规定。优点：简单易行。标准分析筛振筛机（2）沉降分析法适用条件：粒径小于0.075mm的土。原理：根据土粒在悬液中的沉降速率与粒径的平方成正比的Stocks公式来确定各粒组相对含量的方法。静水中土粒在有效重力和液体阻力的共同作用下匀速下沉，可用下列公式表示：d—颗粒直径(mm)；—纯水的动力粘滞系数(10-6kPas)；s—土颗粒密度(g/cm3)；w—水的密度(g/cm3)；g—重力加速度(cm/s2)；L—某一时间内土粒沉降距离(cm)；t—沉降时间(s)。tLg1800dws——Stocks公式（mm）——Stocks公式试验方法：密度计法移液管法虹吸比重瓶法方法不同，但原理均为Stocks公式。试验要求：应符合《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999）的规定。3．土的粒度成分的表示方法(1)列表法优点：可以清楚地说明各粒组的含量缺点：大量土样进行对比时较困难粒组（mm）粒度成分(以质量%计)土样1土样2土样310-55-22-11-0.50.5-0.250.25-0.100.10-0.050.05-0.010.01-0.0050.005-0.0020.002-3.160.14.440526.09.0----25.020.012.38.08.24.94.68.14.25.21.5-----8.014.437.611.118.910.0(2)累计曲线法（粒径分布曲线图）以粒径为横坐标，以小于某一粒径的累计百分含量为纵坐标，建立直角坐标系，将试验结果数据投到该坐标系中，得到两者之间的关系曲线（累计曲线）。一般横坐标（粒径）采用对数的形式，因此累计曲线为半对数曲线。累积含量百分比是指小于（或大于）某粒径的所有土颗粒占全部土颗粒的质量百分比。优点：便于多个土样的粒度成分对比；缺点：当土样数量很多时，较烦乱，不易分辨。粒度成分曲线0204060801001200.0010.010.1110粒径dx（mm）累积百分含量xd（%）系列1系列2系列3d10d10d60d50d50d60用途：累计曲线形态能较直观地表示出土的粒度级配：累计曲线平缓，说明土中各粒组的含量差别不大，土的分选性较差，级配良好；累计曲线窄陡，土的分选性好，土粒均匀，级配不良。累计曲线给出一些定量的信息：任一粒径区段的百分含量；任一百分含量的最大粒径；有效粒径d10——粒径分布曲线上小于该粒径的土粒质量占土总质量的10%的粒径；中间粒径d30——粒径分布曲线上小于该粒径的土粒质量占土总质量的30%的粒径；平均粒径d50——粒径分布曲线上小于该粒径的土粒质量占土总质量的50%的粒径；限制粒径d60——粒径分布曲线上小于该粒径的土粒质量占土总质量的60%的粒径。不均匀系数Cu——反映土颗粒粒径分布均匀性的系数曲率系数Cc——反映土颗粒粒径分布曲线形态的系数1060ddCu6010230dddCc定量信息的用途：不均匀系数Cu用于评价土层的机械潜蚀、流土（砂）等渗透变形的工程地质问题平均粒径d50和不均匀系数用于判别砂土的振动液化d10在水文地质和工程地质中具有特殊的意义：由一种粒径土粒组成的理想均粒土，如与另一种非均粒土具有相同的透水性，则这个均粒土的粒径与这个非均匀土的d10大致相等。因此，一般认为，d10为最具有代表性的粒径。该数据广泛应用于机械潜蚀、透水性、毛细性等的经验公式中。用d10估算非均质砂的渗透系数公式：k=d102k——cm/s；d10——mmCu、Cc是国际通用的指标，根据不均匀系数、曲率系数进行土的级配分类：当Cu5且1Cc3时，为级配良好的土，即为非均粒土，表明土中各粒组的含量相差不大，大小颗粒混杂，累计曲线平缓；若不能同时满足上述两个条件，则为级配不良的土，即均粒土，颗粒大小较均匀，累计曲线的中段显得陡直。特征粒径举例：有效粒径d10=0.10,0.10mm的颗粒占总质量的10%中间粒径d30=0.22,0.22mm的颗粒占总质量的30%平均粒径d50=0.33,0.33mm的颗粒占总质量的50%界限粒径d60=0.39,0.39mm的颗粒占总质量的60%4、土按粒度成分的分类1）《土的工程分类标准》(GB/T50145-2007)分类根据各粒组在土中的含量分为巨粒类土、粗粒类土和细粒类土：试样中巨粒组（粒径60mm）含量大于15%的土为巨粒类土。试样中粗粒组含量大于50%的土为粗粒类土。其中，砾粒组含量大于砂粒组的土为砾类土；砾粒组含量不大于砂粒组的土为砂类土。试样中细粒组含量不小于50%的土为细粒类土。其中，粗粒组含量不大于25%的土为细粒土；粗粒组含量大于25%且不大于50%的土为含粗粒的细粒土；有机质含量小于10%且不小于5%的土为有机质土。可利用塑性图对细粒类土进一步划分。巨粒类土的分类：土类粒组含量土类名称巨粒土巨粒含量75%漂石含量大于卵石含量漂石(块