土力学-第1章 土的组成

1、第一章 土的组成主要内容：概述土中固体颗粒土中水和土中气粘土颗粒与水的相互作用土的结构和构造本章学习要求：了解土的形成、三相组成及常见的成因类型、土的三个特点掌握粒组划分、粒度成分（颗粒级配）定义和分析方法、级配曲线的应用、三种亲水性的粘土矿物掌握土中水的类型、定义和特征了解土的三种结构定义、土的构造的主要特征1.1 1.1 概述概述土土岩石岩石风化、搬运、沉积风化、搬运、沉积地质成岩作用地质成岩作用土的组成、结构土的组成、结构和物理力学性质和物理力学性质过程、条件过程、条件土的形成过程土的形成过程渗透特性变形特性强度特性土的三相组成土的三相组成土的物理状态土的物理状态土的结构土的结构土的形成

2、过程土的形成过程土的工程分类：便于研究和应用土的工程分类：便于研究和应用土的压实性：如何获得较好的土土的压实性：如何获得较好的土决定决定1.1 1.1 概述概述 母岩表面和碎散的颗粒受环母岩表面和碎散的颗粒受环境因素的作用而改变其矿物境因素的作用而改变其矿物的化学成分，形成新的矿物的化学成分，形成新的矿物 颗粒成分发生质的变化颗粒成分发生质的变化 矿物成分与母岩不同，称次矿物成分与母岩不同，称次生矿物生矿物 形成十分细微的土颗粒，最形成十分细微的土颗粒，最主要为粘性颗粒及可溶盐类主要为粘性颗粒及可溶盐类 包括植物、动物和土壤微包括植物、动物和土壤微生物的作用生物的作用 可加剧物理和化学风化可加

3、剧物理和化学风化 构成土中有机质和营养物构成土中有机质和营养物质的生物循环质的生物循环 导致腐殖质的形成，改变导致腐殖质的形成，改变土壤的结构土壤的结构土的形成与风化作用土的形成与风化作用 物理风化物理风化 化学风化化学风化 生物活动生物活动 岩石和土的粗颗粒受各种气岩石和土的粗颗粒受各种气候等物理因素的影响产生胀候等物理因素的影响产生胀缩而发生裂缝缩而发生裂缝, ,或在运动过或在运动过程中因碰撞和摩擦而破碎程中因碰撞和摩擦而破碎 是颗粒大小发生量的变化是颗粒大小发生量的变化 矿物成分与母岩相同，称原矿物成分与母岩相同，称原生矿物生矿物 产生无粘性土产生无粘性土1.1 1.1 概述概述风化所形

4、成的土颗粒，受自然力的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作用搬运到远近不同的地点所沉积的堆积物的堆积物 坡积土：坡积土：土粒粗细不同，性质不均土粒粗细不同，性质不均 洪积土：洪积土：有分选性，近粗远细有分选性，近粗远细 冲积土冲积土：浑圆度分选性明显，土层交迭：浑圆度分选性明显，土层交迭 湖泊沼泽沉积土湖泊沼泽沉积土：含有机物淤泥，土性差：含有机物淤泥，土性差 海相沉积物海相沉积物：颗粒细，表层松软，土性差：颗粒细，表层松软，土性差 冰积土：冰积土：土粒粗细变化较大，性质不均匀土粒粗细变化较大，性质不均匀 风积土：风积土：颗粒均匀，层厚而不具层理颗粒均匀，层厚而不具层

5、理 残积土残积土 无搬运无搬运 运积土运积土 有搬运有搬运搬运与沉积搬运与沉积母岩表层经风化作用破碎成母岩表层经风化作用破碎成岩屑或细小颗粒后，未经搬岩屑或细小颗粒后，未经搬运残留在原地的堆积物运残留在原地的堆积物 残积土残积土 强风化强风化 弱风化弱风化 微风化微风化 母岩体母岩体 颗粒表面粗糙颗粒表面粗糙 多棱角多棱角 粗细不均粗细不均 无明显层理无明显层理1.1 1.1 概述概述土体的三相构成土体的三相构成土中气体土中气体 气相气相 次要作用次要作用固体颗粒固体颗粒 固相固相 构成土体骨架构成土体骨架 起决定作用起决定作用土中水土中水 液相液相 重要影响重要影响饱和土饱和土 ：土体孔隙完

6、全被水充满：土体孔隙完全被水充满干干 土土 ：土体孔隙完全被气充满：土体孔隙完全被气充满非饱和土：孔隙中水和气均存在非饱和土：孔隙中水和气均存在1.1 1.1 概述概述土体的土体的特点特点散体性：散体性：颗粒之间无粘结或者一定粘结，存在大量孔隙，可以透水透气。多相性：多相性：土往往由固体颗粒、水和气体组成的三相体系，相系之间质和量的变化直接影响它的工程性质。自然变异性：自然变异性： 性质复杂，不均匀，且随时间不断变化的材料。主要内容：概述 土中固体颗粒土中水和土中气粘土颗粒与水的相互作用土的结构和构造1.2 1.2 土中固体颗粒土中固体颗粒固体颗粒固体颗粒 土粒粒度与粒组土粒粒度与粒组 粒粒组

7、：介于一定粒度范围内的土。组：介于一定粒度范围内的土。 界限界限粒径粒径d(mm)砾石砾石砂粒砂粒粉粒粉粒粘粒粘粒胶粒胶粒6020.0750.0050.0020.250.5520粗 中 细粗 中 细0.075粗粒粗粒细粒细粒粗粒土：以砾石和砂砾为主要组成的土，也称无粘性土。粗粒土：以砾石和砂砾为主要组成的土，也称无粘性土。细粒土：以粉粒、粘粒和胶粒为主要组成的土，也称粘性土。细粒土：以粉粒、粘粒和胶粒为主要组成的土，也称粘性土。巨粒巨粒601.2 1.2 土中固体颗粒土中固体颗粒固体颗粒固体颗粒 粒度成分分析实验粒度成分分析实验0.07560F粒径粒径级配级配：各粒组的相对含量，用质量各粒组的

8、相对含量，用质量百分数百分数来表示来表示F分析分析方法方法：u 筛分法：适用于粗粒土筛分法：适用于粗粒土 孔径大小不同的筛子孔径大小不同的筛子u 水分法：适用于细粒土水分法：适用于细粒土 常采用比重计法常采用比重计法F表述表述方法方法: : 粒径级配累积曲线粒径级配累积曲线1.2 1.2 土中固体颗粒土中固体颗粒固体颗粒固体颗粒 筛分实验筛分实验孔径孔径105.02.01.00.50.250.1(0.075)200g土土筛余筛余0101618242238721009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数小于某粒径之土质量百分数P P（）（）105.01.00.50.100

9、.050.010.0050.001粒径粒径(mm)(mm)P100958778665536土的粒径级配土的粒径级配累积曲线累积曲线水分法水分法粒径粒径(mm)(mm)0.050.050.010.010.0050.005百分数百分数P(%)P(%)262613.513.51010筛筛分分法法1.2 1.2 土中固体颗粒土中固体颗粒固体颗粒固体颗粒 沉降分析法沉降分析法实验原理：实验原理： 分散于水中后，土分散于水中后，土粒下沉速度与土粒形状、粒下沉速度与土粒形状、粒径、密度及水的粘滞粒径、密度及水的粘滞度有关。实验时假定土度有关。实验时假定土粒为理想球体。根据粒为理想球体。根据G.G.G.G.斯

10、托克斯定律计算。斯托克斯定律计算。1.2 1.2 土中固体颗粒土中固体颗粒固体颗粒固体颗粒 粒度成份分布曲线粒度成份分布曲线1009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（）小于某粒径之土质量百分数（）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径粒径(mm)(mm) 土的粒径级配累积曲线土的粒径级配累积曲线d60d50d10d30特征粒径特征粒径: 斜率斜率: : 某粒径范围内某粒径范围内颗粒颗粒的含量的含量 陡陡- -相应粒组含量多相应粒组含量多 缓缓- -相应粒组含量少相应粒组含量少 平台状平台状- -相应粒组缺乏相应粒组缺乏d50 : 平均

11、粒径平均粒径d60 : 控制粒径控制粒径d10 : 有效粒径有效粒径d301.2 1.2 土中固体颗粒土中固体颗粒固体颗粒固体颗粒 粒度成份分布曲线粒度成份分布曲线土的粗细度土的粗细度：用：用d50 表示表示土的不均匀程度土的不均匀程度：用不均匀系数：用不均匀系数： Cu = d60 / d10 表示，表示，Cu 5，称为不均匀土，反，称为不均匀土，反之称为均匀土之称为均匀土连续程度连续程度: 用曲率系数用曲率系数 Cc = d302 / (d60 d10 ) 度量度量, Cc=13时为连续级配时为连续级配, 33或或13 或或 Cc1为级配不连续土为级配不连续土F 不均匀系数不均匀系数Cu和

12、曲率系数和曲率系数Cc 用于判定土的级配优劣：用于判定土的级配优劣： Cu 5且且 Cc=13为级配为级配 良好的土；如果良好的土；如果Cu3 或或Cc1g/cm3 冰点处于零下几十度冰点处于零下几十度 完全不能移动，具有固体的特性完全不能移动，具有固体的特性 温度高于温度高于100C时可蒸发时可蒸发- 弱结合水：弱结合水： 受电场引力作用，为粘滞水膜受电场引力作用，为粘滞水膜 外力作用下可以移动外力作用下可以移动 不因重力而流动，有粘滞性不因重力而流动，有粘滞性粘土粘土颗粒颗粒- - - - - - - - - - - - - - - - - +引力引力d水分子水分子阳离子阳离子强结合水强结

13、合水弱结合水弱结合水自由水自由水n 结合水：结合水：受颗粒表面电场作用力吸引受颗粒表面电场作用力吸引而包围在颗粒四周，不传递静水压力，而包围在颗粒四周，不传递静水压力，不能任意流动的水不能任意流动的水1.3 1.3 土中水和土中气土中水和土中气-毛细水：由于土体孔隙的毛细作用升至毛细水：由于土体孔隙的毛细作用升至自由水面以上的水。毛细水承受表面张自由水面以上的水。毛细水承受表面张力和重力的作用。力和重力的作用。-重力水：自由水面以下的孔隙自由水，重力水：自由水面以下的孔隙自由水，在重力作用下可在土中自由流动。在重力作用下可在土中自由流动。土中水土中水 自由水自由水n自由水：不受颗粒电场引力作用

14、自由水：不受颗粒电场引力作用的孔隙水的孔隙水hc毛细水毛细水重力水重力水1.3 1.3 土中水和土中气土中水和土中气毛管中流体的界面效应毛管中流体的界面效应Tdk w空气空气固体固体 = =湿润角湿润角水水 lD Dk k= =毛管直径毛管直径ua-uwua-uw =压力差压力差1.3 1.3 土中水和土中气土中水和土中气毛毛细细管管hc土中毛细水上升高度土中毛细水上升高度T2rrThccos2上升高度上升高度 r2hc w=2 rTcos 毛细升高与孔径成反比毛细升高与孔径成反比粘粘土土粉粉土土砂砂土土砾砾石石1.3 1.3 土中水和土中气土中水和土中气张力张力TTuc 水水hc2ruc=

15、-hc w水压水压 +-TT则毛细压力：则毛细压力：2rTcos+ucr2 = 0cchu 毛细管中的毛细管中的负静水压力负静水压力毛细水压力毛细水压力1.3 1.3 土中水和土中气土中水和土中气土颗粒缝隙处的弯液面土颗粒缝隙处的弯液面r空气空气 水水 固体颗粒固体颗粒弯液面弯液面F在非饱和土中，孔隙中含有水和在非饱和土中，孔隙中含有水和气，此时水多集中于颗粒间的缝气，此时水多集中于颗粒间的缝隙处，称毛细角边水。隙处，称毛细角边水。F由于毛细张力的作用，会形成如由于毛细张力的作用，会形成如图所示的弯液面，使毛细角边水图所示的弯液面，使毛细角边水产生负压力，颗粒则受正压力。产生负压力，颗粒则受正

16、压力。F这是稍湿的砂土颗粒间存在假凝这是稍湿的砂土颗粒间存在假凝聚力的原因聚力的原因1.3 1.3 土中水和土中气土中水和土中气气相气相 - - 土中气土中气F自由气体：与大气连通的气体对土的性质影响不大自由气体：与大气连通的气体对土的性质影响不大F封闭气体：被土颗粒和水封闭的气体封闭气体：被土颗粒和水封闭的气体其体积与压力有关。会增加土的弹性；阻塞渗流通道，其体积与压力有关。会增加土的弹性；阻塞渗流通道，降低渗透性降低渗透性F溶解在水中的气体溶解在水中的气体F吸附于土颗粒表面的气体吸附于土颗粒表面的气体1.4 1.4 黏土颗粒与水的相互作用黏土颗粒与水的相互作用粘粘 土土 矿矿 物物粘土矿物

17、是一种复合的铝粘土矿物是一种复合的铝- -硅盐晶体，颗粒呈片状，是由硅片和铝片构硅盐晶体，颗粒呈片状，是由硅片和铝片构成的晶包所组叠而成，可分成高岭石、伊利石和蒙特石三种类型。成的晶包所组叠而成，可分成高岭石、伊利石和蒙特石三种类型。 硅片硅片 铝片铝片SiSi氧离子氧离子O2-硅离子硅离子Si4+硅硅- -氧四面体氧四面体 硅片的结构硅片的结构 硅片简图硅片简图OH1-铝离子铝离子Al3+铝铝- -氢氧八面体氢氧八面体 铝片的结构铝片的结构 铝片简图铝片简图Al Al1.4 1.4 黏土颗粒与水的相互作用黏土颗粒与水的相互作用粘粘 土土 矿矿 物物依硅片和铝片组叠依硅片和铝片组叠形式的不同，

18、可分形式的不同，可分成如下三种类型：成如下三种类型： 高岭石高岭石 蒙脱石蒙脱石 伊利石伊利石 是云母在碱性介质中风化的产物。是云母在碱性介质中风化的产物。 与蒙特石相似，由两层硅片夹一层与蒙特石相似，由两层硅片夹一层铝片所形成的三层结构，但晶层之铝片所形成的三层结构，但晶层之间有钾离子连结间有钾离子连结。 主要特征：连结强度弱于高岭石而主要特征：连结强度弱于高岭石而高于高于蒙脱石蒙脱石，其特征也介于两者之，其特征也介于两者之间。间。2:1的三的三层结构层结构Si SiAl AlSi SiSi SiAl AlSi Si钾离子钾离子 晶层间是晶层间是O2-对对O2-的连结，联结力很的连结，联结力

19、很弱，水很容易进入晶层之间。弱，水很容易进入晶层之间。 每一颗粒能组叠的晶层数较少。颗粒每一颗粒能组叠的晶层数较少。颗粒大小约为大小约为0.1-1 ，厚约，厚约0.001-0.01 。 主要特征：颗粒细微，具有显著的吸主要特征：颗粒细微，具有显著的吸水膨胀、失水收缩的特性，或者说亲水膨胀、失水收缩的特性，或者说亲水能力强。水能力强。2:1的三的三层结构层结构Si SiAl AlSi SiSi SiAl AlSi Si数层数层水分子水分子 晶层间通过氢键联结，联结力强，晶晶层间通过氢键联结，联结力强，晶格不能自由活动，水难以进入晶格间格不能自由活动，水难以进入晶格间 能组叠很多晶层，多达百个以上

20、，成能组叠很多晶层，多达百个以上，成为一个颗粒。颗粒长宽约为一个颗粒。颗粒长宽约0.3-3 ，厚厚约约0.03-1 。 主要特征：颗粒较粗，不容易吸水膨主要特征：颗粒较粗，不容易吸水膨胀和失水收缩，或者说亲水能力差。胀和失水收缩，或者说亲水能力差。Si SiAl AlSi SiAl AlSi SiAl Al高岭高岭石微粒石微粒1:1的两的两层结构层结构1.4 1.4 黏土颗粒与水的相互作用黏土颗粒与水的相互作用粘土矿物的带电性质粘土矿物的带电性质研究表明，片状粘土颗粒表研究表明，片状粘土颗粒表面常带有电荷，净电荷通常面常带有电荷，净电荷通常为负电荷为负电荷- - - - - - - - - -

21、 - - - - - - - - - - - -+粘土颗粒粘土颗粒水分子水分子阳离子阳离子粘土矿物的带电特性粘土矿物的带电特性玻璃筒玻璃筒玻璃皿玻璃皿水位水位升高升高粘土粒粘土粒粘土膏粘土膏+-粘土的电泳和电渗现象粘土的电泳和电渗现象( (列依斯列依斯, 1809), 1809)1.4 1.4 黏土颗粒与水的相互作用黏土颗粒与水的相互作用粘土矿物的带电特性粘土矿物的带电特性粘土产生不平衡负电荷的原因：粘土产生不平衡负电荷的原因：离解作用离解作用：指粘土矿物颗粒与水作用后离解成更微小的颗粒，离解后阳离子扩散到水中，阴离子留在颗粒表面吸附作用吸附作用：溶于水中的粘土矿物颗粒把水介质中一些与本身晶格

22、架中相同或者相似的离子选择性的吸附到表面同晶置换同晶置换：矿物晶格中高价阳离子被低价阳离子置换。边缘断链边缘断链：晶体边缘处产生断裂，晶体的连续性受到破坏，造成电荷不平衡，因而比表面积越大，表面能也越大。1.4 1.4 黏土颗粒与水的相互作用黏土颗粒与水的相互作用双电层概念双电层概念 土粒的带电性使其周围形成土粒的带电性使其周围形成电场电场，则其电场内则其电场内阳离子阳离子受到两种作用力：受到两种作用力：、电场的静电引力作用、布朗运动的扩散力作用粘土粘土颗粒颗粒- - - - - - - - - - - - - - - - - +引力引力d水分子水分子阳离子阳离子固定层固定层扩散层扩散层自由水

23、自由水双电层双电层：固定层和扩散层中所含的阳离子与土粒表面的负电荷的电位相反，两层合称为反离子层，反离子层与土粒表面负电荷一起构成双电层1.4 1.4 土的结构和构造土的结构和构造土土 的的 结结 构构土颗粒或粒团的空间排土颗粒或粒团的空间排列和相互联结列和相互联结 原状土和原状土和重塑重塑土的强度土的强度 沉积或碾压土沉积或碾压土的各向异性的各向异性 土的结构土的结构土体土体的性质的性质 土粒间的作用力土粒间的作用力 粗粒土的结构粗粒土的结构 细粒土的结构细粒土的结构 粘性土的结构性指标粘性土的结构性指标1.4 1.4 土的结构和构造土的结构和构造粗粒土的结构粗粒土的结构F粒间作用力：粒间作用力：重力起决定性的重力起决定性的作用。在非饱和土中，还受到作用。在非饱和土中，还受到