土质学与土力学-第2章土的物质组成及土水相互作用ppt课件

1、Nanjing University of Technology “土 是自然界中性质最为复杂多变的物质。土的物质成分来源于岩石的风化物理风化和化学风化。地壳表层的巩固岩石，在长期的风化、剥蚀等外力作用下，破碎成大小不等的矿物颗粒，这些颗粒在各种方式的外力作用下，被搬运到适当环境里堆积下来，就构成了土。 “土一词在不同的学科领域有其不同的涵义。就土木工程领域而言，土是指覆盖在地表的没有胶结和弱胶结的颗粒堆积物。土与岩石的区分仅在于颗粒间胶结的强弱。Nanjing University of Technology物理风化物理风化:指由于温度变化、水的冻胀、波浪冲击、地震等引指由于温度变化、水的冻

2、胀、波浪冲击、地震等引起的物理力使岩体崩解、碎裂成岩块、岩屑的过程。起的物理力使岩体崩解、碎裂成岩块、岩屑的过程。物理风化仅使岩石产生量的变化。物理风化仅使岩石产生量的变化。化学风化化学风化:指岩体指岩体(或岩块、岩屑或岩块、岩屑)与空气、水和各种水溶液相与空气、水和各种水溶液相接触，经氧化、碳化和水化作用分解为极细颗粒的接触，经氧化、碳化和水化作用分解为极细颗粒的过程，生物的活动也可过程，生物的活动也可 助长风化的进程。而化学助长风化的进程。而化学风化却使岩石产生质的变化。风化却使岩石产生质的变化。 Nanjing University of Technology土是由固相、液相、气相组成的

3、三相分散系。固相固相: :包括多种矿物成分组成土的骨架，骨架间的空隙为液相和气相填满，包括多种矿物成分组成土的骨架，骨架间的空隙为液相和气相填满，这些空隙是相互连通的，构成多孔介质。这些空隙是相互连通的，构成多孔介质。液相液相: :主要是水主要是水( (溶解有少量的可溶盐类溶解有少量的可溶盐类) )。气相气相: :主要是空气、水蒸气，有时还有沼气等主要是空气、水蒸气，有时还有沼气等Nanjing University of Technology原生矿物原生矿物由岩石经物理风化生成的颗粒通常是由一种或几种原生矿物由岩石经物理风化生成的颗粒通常是由一种或几种原生矿物所组成，它的成分成分与母岩的一样

4、，常见的有石英、长所组成，它的成分成分与母岩的一样，常见的有石英、长石相云母。石相云母。颗粒普通较粗，多呈浑圆形、块状或板状。颗粒普通较粗，多呈浑圆形、块状或板状。吸附水的才干弱，性质比较稳，无塑性。吸附水的才干弱，性质比较稳，无塑性。一、土的固相一、土的固相 土是岩石风化的产物。因此土粒的矿物组成将取土是岩石风化的产物。因此土粒的矿物组成将取决于成土母岩的矿物组成及其后的风化作用。成土决于成土母岩的矿物组成及其后的风化作用。成土矿物主要可分为两大类。矿物主要可分为两大类。Nanjing University of Technology次生矿物次生矿物由原生矿物经化学风化生成的新矿物，它的成分

5、成分与母岩由原生矿物经化学风化生成的新矿物，它的成分成分与母岩的完全不同。次生矿物主要是粘土矿物，即高岭石、伊利的完全不同。次生矿物主要是粘土矿物，即高岭石、伊利石和蒙脱石。石和蒙脱石。颗粒极细，且多呈片状。颗粒极细，且多呈片状。性质活泼，有较强的吸附水才干尤其是由蒙脱石组成的颗性质活泼，有较强的吸附水才干尤其是由蒙脱石组成的颗粒，具塑性。粒，具塑性。水溶盐:可溶性次生矿物。最常见的有岩盐、钾盐、石膏、方解石，硫酸盐类还对金属和混凝土有一定的腐蚀作用有机质:动植物分解后的残骸，分解彻底的称为腐殖质。腐殖质的颗粒极细，粒径小于0.1m，呈凝胶状，带有电荷，具有极强的吸附性。Nanjing Uni

6、versity of Technology黏土矿物 黏土矿物：原生矿物长石、云母等硅酸盐矿物黏土矿物：原生矿物长石、云母等硅酸盐矿物经化学风化构成。经化学风化构成。 硅酸盐矿物：硅氧四面体和铝氢氧八面体两部分硅酸盐矿物：硅氧四面体和铝氢氧八面体两部分构成。构成。Nanjing University of Technology硅氧四面体：一个硅原子和四个氧原子以相等间硅氧四面体：一个硅原子和四个氧原子以相等间隔堆成四面体外形，硅居其中央，氧占据四个顶隔堆成四面体外形，硅居其中央，氧占据四个顶点，四面体中的三个氧被共用，横向结合成六角点，四面体中的三个氧被共用，横向结合成六角形的网格。形的网格。

7、每个硅原子有四个正电荷，每个氧原子有两每个硅原子有四个正电荷，每个氧原子有两个负电荷，四面体陈列成的六角网格片状构造中，个负电荷，四面体陈列成的六角网格片状构造中，每个硅氧四面体都具有一个负电荷。每个硅氧四面体都具有一个负电荷。Nanjing University of Technology铝氢氧八面体：六个氢氧离子围绕一个铝离子构铝氢氧八面体：六个氢氧离子围绕一个铝离子构成的八面体晶片。八面体中每个氢氧离子均为三成的八面体晶片。八面体中每个氢氧离子均为三个八面体共有，构成八面体单位的片状构造仁。个八面体共有，构成八面体单位的片状构造仁。铝为正三价，氢氧为负一价，每个八面体只能以铝为正三价，氢

8、氧为负一价，每个八面体只能以两个负电荷抵消铝离子的一个正电荷，故每个八两个负电荷抵消铝离子的一个正电荷，故每个八面体都是正一价。面体都是正一价。Nanjing University of Technology 硅氧四面体和铝氢氧八面体这两种根本单元以不同的比例组合，构成不同类型的黏土矿物。 土中常见的黏土矿物有高岭石、伊利石和蒙脱石三大类。Nanjing University of Technology高岭石：一层硅氧四面体晶片和一层铝氧八面体晶片结合，构成一个高岭石：一层硅氧四面体晶片和一层铝氧八面体晶片结合，构成一个单位晶胞。高岭石晶胞间具有较强的氢键结合，水较难渗入单位晶胞。高岭石晶胞间

9、具有较强的氢键结合，水较难渗入其间，其颗粒普通较粗，亲水性弱。因此主要由这类矿物组其间，其颗粒普通较粗，亲水性弱。因此主要由这类矿物组成的土，膨胀性和紧缩性都较低。成的土，膨胀性和紧缩性都较低。Nanjing University of Technology蒙脱石：蒙脱石单位晶胞的上下面均为硅氧四面体晶片，中间夹一个铝蒙脱石：蒙脱石单位晶胞的上下面均为硅氧四面体晶片，中间夹一个铝氧八面体晶片。相邻晶胞间由一样的氧原子相接，这种结合既氧八面体晶片。相邻晶胞间由一样的氧原子相接，这种结合既弱也不稳定，水分子很容易楔入其间，以致将其分散为极细小弱也不稳定，水分子很容易楔入其间，以致将其分散为极细小的

10、鳞片状颗粒，并使晶格沿垂直方向膨胀。的鳞片状颗粒，并使晶格沿垂直方向膨胀。 含蒙脱石矿物较多的土对环境的干湿变化较敏感；土体湿度增高，体积膨胀并构成膨胀压力；土体失水，体积收缩并产生收缩裂隙，而且这种胀缩变形可随环境变化往复发生，导致土的强度衰减。Nanjing University of Technology伊利石：含钾量高的原生矿物经化学风化的初期产物，其晶格构造与伊利石：含钾量高的原生矿物经化学风化的初期产物，其晶格构造与蒙脱石类似，也是由两片硅氧四面体夹铝氧八面体构成，不蒙脱石类似，也是由两片硅氧四面体夹铝氧八面体构成，不同的是四面体中同的是四面体中 Si4+被被 Al3+ 所替代，由

11、所替代，由 K离子补偿晶层离子补偿晶层正电荷的缺乏。正电荷的缺乏。 伊利石相邻晶胞间由钾离子结合，这种结合较之高岭石层间的氢键结合为弱，但比蒙脱石层间的水分子结合要强，所以构成的片状颗粒大小处于蒙脱石和高岭石之间，其工程性质也介于两者之间。Nanjing University of Technology粘土矿物粘土矿物高 岭2322Al O2SiO2H O22322K O 3Al O6SiO2H O2322Al O4SiOnH ONanjing University of TechnologyNanjing University of TechnologyNanjing University

12、of Technology土的颗粒级配土的颗粒级配 土是由大小不同的土粒组成的。土粒的粒径由粗到细逐土是由大小不同的土粒组成的。土粒的粒径由粗到细逐渐变化时，土的性质相应地发生变化。例如土的性质随着粒渐变化时，土的性质相应地发生变化。例如土的性质随着粒径的变细可由无粘性变化到有粘性。径的变细可由无粘性变化到有粘性。 界限粒径界限粒径:划分粒组的分界尺寸。划分粒组的分界尺寸。 土的颗粒级配土的颗粒级配:土中各个粒组的相对含量土中各个粒组的相对含量(各粒组占土粒各粒组占土粒总重的百分数总重的百分数)。颗粒级配累积曲线颗粒级配累积曲线:颗粒大小分析实验成果，由其横坐标颗粒大小分析实验成果，由其横坐标

13、对数坐标表示粒径。纵坐标那么表示对数坐标表示粒径。纵坐标那么表示用小于用小于(或大于或大于)某粒径的土重含量某粒径的土重含量(或称或称累计百分含量累计百分含量) 。 Nanjing University of Technology 土粒质量累计百分数为10%时，相应的粒径称为有效粒径d10。小于某粒径的土粒质量累计百分数为30%时的粒径用d30表示。当小于某粒径的土粒质量累计百分数为60%时，该粒径称为限定粒径d60。 利用颗粒级配累积曲线可以确定土粒的级配目的，如不均匀系数Cu 和曲率系数Cc。 不均匀系数Cu反映大小不同粒组的分布情况。Cu越大表示土粒大小的分布范围越大、其级配越良好，作为

14、填方工程的土料时，那么比较容易获得较大的密实度。曲率系数Cc描写累积曲线的分布范围，反映曲线的整体外形。1060ddCu6010230dddCcNanjing University of Technology 曲线平缓，粒径大小相差悬殊，土粒不均匀。颗粒级配可以在一定程度上反曲线平缓，粒径大小相差悬殊，土粒不均匀。颗粒级配可以在一定程度上反映土的某些性质。对于级配良好的土，较粗颗粒间的孔隙被较细的颗粒所填充，映土的某些性质。对于级配良好的土，较粗颗粒间的孔隙被较细的颗粒所填充，因此土的密实度较好，相应的地基土的强度和稳定性也较好透水性和紧缩性也因此土的密实度较好，相应的地基土的强度和稳定性也较

15、好透水性和紧缩性也较小，可用作堤坝或其它土建工程的填方土料。较小，可用作堤坝或其它土建工程的填方土料。Nanjing University of Technology 土的粒度成分，通常以土中各粒组的质量百分率来表示，经过对土进展粒度分析，分别出土中各个粒组，分别称取质量，然后计算出各粒组的质量占该土总质量的百分数。 不同类型的土，采用不同的分析方法。粗粒土采用筛析法，细粒土采用静水沉降分析法。粒度成分的测定方法粒度成分的测定方法Nanjing University of Technology筛析法筛析法 对于粒径大于对于粒径大于0.075mm0.075mm的粗粒土，可用筛析法测定的粗粒土，可

16、用筛析法测定粒度成分。实验时将风干、分散的代表性土样经过粒度成分。实验时将风干、分散的代表性土样经过一套孔径不等的规范筛一套孔径不等的规范筛2020、2 2、0.50.5、0.250.25、0.10.1、0.075mm0.075mm，称出留在各个筛子上的土的质量，即，称出留在各个筛子上的土的质量，即可求出各个粗粒组在土样中的相对含量。可求出各个粗粒组在土样中的相对含量。Nanjing University of Technology静水沉降分析法静水沉降分析法 粒径小于粒径小于0.075mm0.075mm的粉粒或粘粒现有技术的粉粒或粘粒现有技术难以筛分，普通可根据土粒在水中匀速下难以筛分，普通

17、可根据土粒在水中匀速下沉时的速度与粒径的实际关系，用比重计沉时的速度与粒径的实际关系，用比重计法或移液管法测定。法或移液管法测定。Nanjing University of Technology二、土的液相二、土的液相 土中水处于不同位置和温度条件下，可具有不土中水处于不同位置和温度条件下，可具有不同的物理形状同的物理形状固态、液态、气态。固态、液态、气态。 液态水是土中孔隙水的主要存在形状，因其受液态水是土中孔隙水的主要存在形状，因其受土粒外表双电层影响程度的不同可分为结合水、毛土粒外表双电层影响程度的不同可分为结合水、毛细水、重力水。后两者也称为非结合水细水、重力水。后两者也称为非结合水(

18、自在水自在水)。水水 的的 类类 型型主要作用力主要作用力结结 合合 水水物理化学力物理化学力非非 结结 合合 水水毛毛 细细 水水表面张力和重力表面张力和重力重重 力力 水水重重 力力Nanjing University of Technology结合水结合水非结合水非结合水强结合水强结合水(吸着水吸着水)液态水液态水 重力水重力水(自在水自在水)气态水气态水(水蒸气水蒸气)土孔隙中的水土孔隙中的水毛细水毛细水(过渡型水过渡型水)弱结合水弱结合水(薄膜水薄膜水)固态水固态水(冰冰)Nanjing University of Technology1. 结合水结合水 土颗粒外表带有一定的电荷，当

19、土粒与水相接触时，由土颗粒外表带有一定的电荷，当土粒与水相接触时，由于静电作用力，将吸引水化离子和水分子，构成双电层，在于静电作用力，将吸引水化离子和水分子，构成双电层，在双电层影响下的水膜称为外表结合水。双电层的厚薄也反映双电层影响下的水膜称为外表结合水。双电层的厚薄也反映了结合水的厚薄，结合水具有与普通自在水不同的性质，其了结合水的厚薄，结合水具有与普通自在水不同的性质，其密度较大、粘滞度高、流动性差、冰点低、比热较大、介电密度较大、粘滞度高、流动性差、冰点低、比热较大、介电常数较低，这种差别随间隔添加而减弱。结合水又可分为强常数较低，这种差别随间隔添加而减弱。结合水又可分为强结合水和弱结

20、合水。结合水和弱结合水。2.非结合水非结合水 在双电层影响以外的水为自在液态水，它主要受重力作在双电层影响以外的水为自在液态水，它主要受重力作用的控制，土粒外表吸引力居次要位置，这部分水称为非结用的控制，土粒外表吸引力居次要位置，这部分水称为非结合水，它包括毛细水和重力水。合水，它包括毛细水和重力水。Nanjing University of Technology(1)毛细水毛细水 毛细水是遭到水与空气交界面处外表张力作用的自在水。毛细水是遭到水与空气交界面处外表张力作用的自在水。毛管景象是毛细管壁对水的吸力和水的外表张力共同作用的毛管景象是毛细管壁对水的吸力和水的外表张力共同作用的结果。结果

21、。 毛细水是受毛细管作用控制的水，可以把土的孔隙看作是毛细水是受毛细管作用控制的水，可以把土的孔隙看作是延续变截面的毛细管，毛细管放在水中，管中的水位会上升延续变截面的毛细管，毛细管放在水中，管中的水位会上升到自在水位以上的一定高度，毛管直径愈细上升高度愈高。到自在水位以上的一定高度，毛管直径愈细上升高度愈高。在常温下毛细上升高度在常温下毛细上升高度hc与毛管半径与毛管半径r有以下关系：有以下关系： 当当r=0.1m时，时，hc=150mm，这与砂土，这与砂土(粒径为粒径为0.5l mm)中的中的情况大致相当。粘土的孔隙直径约为情况大致相当。粘土的孔隙直径约为0.1m，按上式计算毛，按上式计算

22、毛细上升高度将达细上升高度将达150m？ rhc15Nanjing University of Technology(2)重力水重力水 重力水是存在于地下水位以下的适水土层中的地下水。重力水是存在于地下水位以下的适水土层中的地下水。它是在重力或压力差作用下运动的自在水，对土粒有浮力作它是在重力或压力差作用下运动的自在水，对土粒有浮力作用。重力水只受重力控制，不受土粒外表吸引力的影响。用。重力水只受重力控制，不受土粒外表吸引力的影响。(3)固态水固态水 固态水即冰，温度降到固态水即冰，温度降到0以下时，孔隙中的水会凝结成以下时，孔隙中的水会凝结成冰。水结冰后体积膨胀，同时由于水分迁移和补给，在土

23、层冰。水结冰后体积膨胀，同时由于水分迁移和补给，在土层中会构成冰层或透镜体。固态水在土中起着暂时的胶结作用，中会构成冰层或透镜体。固态水在土中起着暂时的胶结作用，提高土的力学强度，降低透水性。但温度升高后，冰层解冻提高土的力学强度，降低透水性。但温度升高后，冰层解冻为液态水，使土的强度急剧降低，紧缩性增大，土的性质显为液态水，使土的强度急剧降低，紧缩性增大，土的性质显著恶化，如处于地下水以上的某些公路路面在开春后的翻浆著恶化，如处于地下水以上的某些公路路面在开春后的翻浆景象就是一例。景象就是一例。Nanjing University of Technology三、土的气相三、土的气相 土中的气

24、体主要是空气和水气。土中气体按其土中的气体主要是空气和水气。土中气体按其所处的形状和构造特点可分以下几种类型：吸附于所处的形状和构造特点可分以下几种类型：吸附于土颗粒外表的气体、溶解于水中的气体、周围为颗土颗粒外表的气体、溶解于水中的气体、周围为颗粒和水所封锁的气体以及自在气体。粒和水所封锁的气体以及自在气体。 通常以为自在气体与大气连通，对土的性质无通常以为自在气体与大气连通，对土的性质无大影响；密闭气体的体积与压力有关，压力添加，大影响；密闭气体的体积与压力有关，压力添加，那么体积减少，压力减小，那么体积胀大。因此，那么体积减少，压力减小，那么体积胀大。因此，密闭气体的存在添加了土的弹性，

25、同时还可阻塞土密闭气体的存在添加了土的弹性，同时还可阻塞土中的渗流通道，减小上的浸透性。中的渗流通道，减小上的浸透性。Nanjing University of Technology 粘粒外表带有一定量负电荷，并严密地吸附在固相外表上，构成固定层(吸附层)。 由于静电引力的作用，在水溶液中将吸引水中的阳离子到土粒外表来。另一方面，阳离子又遭到热运动的分散作用，要分开土粒外表。因此阳离子的分布是不均匀的，愈接近外表，静电作用力愈大、吸引力愈强，阳离子浓库也愈大；随着离土粒外表间隔的添加，静电引力也降低，阳离子浓度也逐渐下降，直至孔隙中水溶液的浓度正常为止这个层称为反离子层。而阴离子浓度与之相反。

26、 土粒外表带负电荷的固定层(吸附层)与受土粒外表影响的阳离子层(反离子层)合称为双电层。双电层实际双电层实际Nanjing University of TechnologyDiffuse double layer双电层双电层(Figure by Muni Budhu,2000)影响双电层的要素影响双电层的要素: :土粒外表的电位、大小、土粒大小、矿物成分类土粒外表的电位、大小、土粒大小、矿物成分类型等。型等。Nanjing University of Technology二、土的构造与构造二、土的构造与构造土的构造土的构造: :指土颗粒或集合体的大小和外形、外表特征、陈指土颗粒或集合体的大小和

27、外形、外表特征、陈列方式以及它们之间的衔接特征列方式以及它们之间的衔接特征( (微观构造微观构造) )。土的构造土的构造: :指土层的层理、裂隙和大孔隙等宏观特征亦称宏指土层的层理、裂隙和大孔隙等宏观特征亦称宏观构造。观构造。 土的构造对土的工程性质影响很大，特别是粘性土，如某些灵敏性钻土在原状构造时具有一定的强度，当构造扰动或重塑时，强度就降低很多，甚至不能再成型。Nanjing University of Technology土的常见构造类型土的常见构造类型单粒构造：组成砂、砾等粗粒土的根本构造类型，颗粒较粗大，比外表单粒构造：组成砂、砾等粗粒土的根本构造类型，颗粒较粗大，比外表积小，颗粒之间是点接触，几乎没有连结，粒间相互作用的积小，颗粒之间是点接触，几乎没有连结，粒间相互作用的影响较之重力作用的影响可忽略不计，是重力场作用下堆积影响较之重力作用的影响可忽略不计，是重力场作用下堆积而成的。而成的。单粒构造土的工程性质，除与密实程度有关外，还与颗粒大小、级配、土粒的外表外形及矿物成分类型有关。 Nanjing University of Technology土的常见构造类型土的常见构造类型片架构造：粘粒在絮凝形状下构成的，亦称絮凝构造。其特点是粘土片架构造：粘粒在絮凝形状下构成的，亦称絮凝构造。其特