第二章土的三相组成

1、CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES第一节 土的颗粒级配第二节 土的矿物成分第三节 土中的水第四节 土的结构第二章第二章 土的三相组成土的三相组成主讲：马淑芝CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES第二章第二章 土的三相组成土的三相组成 土是由固体相、液体相、气体相组成的三相体系。 固体相固体相指土中的矿物颗粒，简称土粒。它构成土的骨架，称为土骨架土骨架。 液体相液体相由水溶液组成，可分为强结合水、弱结合水、毛细水、重力水等。 气体相气体相由空气和其它气体构成。CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES第一节第一节 土的颗粒级配土的颗粒级

2、配 一、粒组的划分一、粒组的划分自然界中土一般都是由大小不等的土粒混合而组成的，也就是不同大小的土颗粒按不同的比例搭配关系构成某一类土，比例搭配（级配）不一样，则土比例搭配（级配）不一样，则土的性质各异的性质各异。土粒的大小通常以土粒的大小通常以粒径粒径表示，以表示，以mm为单位。为单位。土粒按粒径大小分为若干组别，称为土粒按粒径大小分为若干组别，称为粒组粒组。粒组粒组就是一定的粒径区段，以毫米表示。就是一定的粒径区段，以毫米表示。 CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES粒组的划分的原则粒组的划分的原则1.符合粒径变化所引起的质的变化规律，即每个粒组的成符合粒径变化所引起的

3、质的变化规律，即每个粒组的成分与性质无质的变化，具相同或相似的成分与性质；分与性质无质的变化，具相同或相似的成分与性质；2.与粒组的分析技术条件相适应，即不同大小的土粒可采与粒组的分析技术条件相适应，即不同大小的土粒可采用不同的适用方法进行分析；用不同的适用方法进行分析；3.粒组界限值力求服从简单的数学规律。粒组界限值力求服从简单的数学规律。200、20、2、1/20、1/200mm CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES表表1-1 土的粒组划分方案土的粒组划分方案 粒组粒组统称统称粒组名称粒组名称粒径粒径d d范围（范围（mmmm） 分析分析方法方法 主主 要要 特特 征

4、征巨巨 粒粒漂石（块石）粒漂石（块石）粒 d200 d200 直接直接测定测定 透水性很大，压缩性极小，透水性很大，压缩性极小，颗粒间无粘结，无毛细性。颗粒间无粘结，无毛细性。卵石（碎石）粒卵石（碎石）粒 60d200 60d200 粗粒粗粒砾砾粒粒粗砾粗砾 20d60 20d60 筛筛 分分 法法 透水性大，压缩性小，无粘透水性大，压缩性小，无粘性，有一定毛细性。性，有一定毛细性。细砾细砾2d202d20砂砂粒粒 粗砂粗砂0.5d2 0.5d2 中砂中砂 0.25d0.5 0.25d0.5 细砂细砂0.075d0.25 0.075d0.25 细粒细粒粉粒粉粒 0.005d0.075 0.00

5、50.1mm） 静水沉降分析法静水沉降分析法（适用于细粒土，d0.1mm）（虹吸比重瓶法、移液管法、比重计法）三、CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES筛分法筛分法用一套孔径不同的筛子，按用一套孔径不同的筛子，按从上至下筛孔逐渐减小放置。从上至下筛孔逐渐减小放置。将事先称过质量的烘干土样将事先称过质量的烘干土样过筛，称出留在各筛上的土过筛，称出留在各筛上的土质量，然后计算其占总土粒质量，然后计算其占总土粒质量的百分数质量的百分数 CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES静水沉降分析法静水沉降分析法式中： V土粒的沉降速度，cm/s； d土粒直径，mm；（等

6、效直径） s土粒密度，g/cm3； w水的比重，g/cm3 ； 水的动力粘滞系数，10-6kPas； g重力加速度，cm/s2 “等效直径等效直径”是指土粒沉降速度与某一粒径的球形颗粒的沉降速度相等，那么这球形颗粒的直径即为该土粒的直径。1)-(1 18002dgVws原理：Stokes公式CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES比重计法比重计法利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同来确定小于某粒径的土粒含量CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES三、颗粒级配的表示方法三、颗粒级配的表示方法 表格法表格法是将分析资料(各粒组的百分含量或小于某粒径的累积百分含

7、量)填在已制好的表格内。表2-2 颗粒分析成果表CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES颗粒级配累积曲线颗粒级配累积曲线（图解法图解法） 横坐标采用对数坐标，表示土颗粒直径土颗粒直径，单位mm；纵坐标为小于某粒径土的累积含量累积含量，用百分比表示。 土的粗细常用平均粒径平均粒径（mm）d50表示，d50指土中大于或小于此粒径的土粒含量均占50。CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES颗粒级配累积曲线颗粒级配累积曲线0.0010.0050.010. 11100806040200。CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES特征粒径特征粒径 d10

8、有效粒径有效粒径（de）；）；d50平均平均粒径； d30 、d60限制粒径限制粒径。颗粒级配累积曲线颗粒级配累积曲线CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES土的不均匀系数土的不均匀系数Cu Cu5的土称为级配良好的非均粒土。土的曲率系数土的曲率系数Cc Cc=13时，为级配连续； Cc 3时，时，级配不连续。1060230dddCc1060ddCu CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCESCHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES四、土按颗粒级配的分类四、土按颗粒级配的分类 粗粒土粗粒土：土中粒径0.075mm的质量超过全部质量的50%。

9、细粒土细粒土：土中粒径0.075mm的质量小于全部质量的50%。岩土工程勘察规范中的分类法： 将粒径2mm的质量超过50%的称为碎石土碎石土； 将粒径2mm的质量小于50而大于0.075mm的质量超过50%的称为砂土砂土； 将大于0.075mm的质量小于50%的定为粉土粉土或粘性土粘性土。 碎石土、砂土和粉土又称为无粘性土无粘性土。CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES四、土按颗粒级配的分类四、土按颗粒级配的分类细粒土粗粒土土砂土碎石土粘性土粉土无粘性土CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES土的矿物成分原生矿物次生矿物有机质粘土矿物无定形氧化物胶体可 溶

10、 盐第二节第二节 土的矿物成分土的矿物成分一、土中矿物类型及特性一、土中矿物类型及特性矿物成分取决于矿物成分取决于母岩的矿物成分母岩的矿物成分和和风化作用风化作用CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES原生矿物原生矿物原生矿物原生矿物是岩石经物理风化破碎但成分没有发生变化的矿物碎屑。例：例：石英、云母、长石等石英、云母、长石等原生矿物原生矿物颗粒一般都较粗大，它们主要存在于卵、砾、砂、粉各粒组中。特征：特征：矿物成分的性质较稳定，由其组成的土具有无矿物成分的性质较稳定，由其组成的土具有无粘性、透水性较大、压缩性较低的特点粘性、透水性较大、压缩性较低的特点岩石岩石物理物理风化风

11、化岩石破碎岩石破碎 化学成分不改变化学成分不改变原生矿物原生矿物 CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES次生矿物次生矿物化学化学风化风化成分改变成分改变溶滤带走、沉积残留部分原生矿物原生矿物 可溶性可溶性次生矿物次生矿物不可溶性不可溶性次生矿物次生矿物 次生矿物次生矿物是原生矿物在一定气候条件下经化学风化作用，是原生矿物在一定气候条件下经化学风化作用，使其进一步分解而形成一些颗粒更细小的新矿物。使其进一步分解而形成一些颗粒更细小的新矿物。 可溶性次生矿物可溶性次生矿物又叫又叫水溶盐水溶盐，常见的有石盐、石膏等。，常见的有石盐、石膏等。 不可溶性次生矿物不可溶性次生矿物又有次

12、生二氧化硅、倍伴氧化物和粘又有次生二氧化硅、倍伴氧化物和粘土矿物。土矿物。 特征：不同的次生矿物性质各异。特征：不同的次生矿物性质各异。无定形氧化物胶体CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES 粘土矿物是主要的次生矿物粘土矿物是主要的次生矿物，是组成粘粒的主要矿物成分。 粘土矿物的结晶格架由铝氧八面体铝氧八面体和硅氧四面体硅氧四面体两个基本单位组成。 硅氧四面体是硅片硅片的基本单元，其化学式为SiO4 铝氧八面体是铝片铝片的基本单元，其化学式为Al2(OH)6 -粘土矿物粘土矿物CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES粘土矿物的类型与性质粘土矿物的类型与性质

13、 高岭石高岭石晶层之间连结牢固，水不能自由渗入，故其亲水性差，可塑性低，胀缩性弱； 蒙脱石蒙脱石则反之，晶胞之间连结微弱，活动自由，亲水性强，胀缩性亦强； 伊利石（水云母）伊利石（水云母）的性质介于二者之间。 CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES 由微生物分解动植物残骸形成，分为由微生物分解动植物残骸形成，分为有机残余物有机残余物（泥炭泥炭）和和腐殖质腐殖质 。 腐殖质腐殖质含量在含量在1.5%2%以上称为淤泥类土，压缩以上称为淤泥类土，压缩性极高，强度很低。性极高，强度很低。 有机质含量有机质含量5%的土称为的土称为有机质土有机质土。有机质（了解）有机质（了解）CHIN

14、AUNIVERSITY OFGEOSCIENCES二、矿物成分与粒组之间的关系二、矿物成分与粒组之间的关系 粒径大于粒径大于0.075mm的各粒组，均由原生矿物所构的各粒组，均由原生矿物所构成成，其中漂石粒、卵石粒、砾粒，其粒径往往大于矿物颗粒，多数是由母岩碎屑构成，一般具有的多矿物结构， 砂粒与原生矿物颗粒大小近似，往往是由单矿物组成，以石英最为常见。 粉粒组由原生矿物与次生矿物混合组成粉粒组由原生矿物与次生矿物混合组成，其中以石英为主，其次为高岭石及难溶盐。 粘粒组主要由不可溶性次生矿物与腐植质组成粘粒组主要由不可溶性次生矿物与腐植质组成，有时也含难溶盐，其中粘土矿物是最常见的矿物。 CH

15、INAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES 原生矿物原生矿物是岩石经物理风化破碎但成分没有发生是岩石经物理风化破碎但成分没有发生变化的矿物碎屑。变化的矿物碎屑。原生矿物原生矿物颗粒一般都较粗大，颗粒一般都较粗大，它们它们主要存在于卵、砾、砂、粉各粒组中主要存在于卵、砾、砂、粉各粒组中。 次生矿物次生矿物是原生矿物在一定气候条件下经化学风是原生矿物在一定气候条件下经化学风化作用，使其进一步分解而形成一些颗粒更细小化作用，使其进一步分解而形成一些颗粒更细小的新矿物。的新矿物。 粘土矿物是主要的次生矿物粘土矿物是主要的次生矿物，是组成粘粒的主要是组成粘粒的主要矿物成分。矿物成分。 粘土矿

16、物中分布较广且对土性质影响较大的是粘土矿物中分布较广且对土性质影响较大的是蒙蒙脱石脱石、高岭石高岭石和和伊利石伊利石(或水云母或水云母)三种三种。CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES第三节第三节 土中的水土中的水一、土中水的类型与特性一、土中水的类型与特性土中的水土中的水矿物成分水矿物成分水结合水结合水重力水重力水毛细水毛细水结晶水结晶水孔隙水孔隙水自由水自由水弱结合水弱结合水强结合水强结合水CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES二、土粒与水的相互作用二、土粒与水的相互作用 定义单位质量或单位体积土颗粒所拥有的表面积称为比表面积比表面积。即土粒直径土的

17、质量和全部土颗粒的表面积之式中d m A 661 32dddmAS1 1、土粒的比表面积、土粒的比表面积CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES2 2、粘粒的带电性质、粘粒的带电性质 土中的粘土颗粒在电场中向阳极泳动的现象称为电泳电泳。而土中的液体渗向阴极，称为电渗电渗。这两种现象是同时发生的，称为电动现象电动现象。 粘粒表面产生电荷的原因：1、选择性吸附；、选择性吸附；2、表面、表面分子的离解；分子的离解；3、同晶替换、同晶替换CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES3 3、粘粒双电层、粘粒双电层 颗粒表面的负电荷构成电场的内层（决定电位层决定电位层）。水

18、中被吸引在颗粒表面的阳离子和定向排列的水分子构成电场的外层（反离子层反离子层）。合称双电层双电层。扩散层固定层外层反离子层内层决定电位离子层双电层)()(CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES 受颗粒表面电场作用力吸受颗粒表面电场作用力吸引而包围在颗粒周围，不引而包围在颗粒周围，不传递静水压力不能任意流传递静水压力不能任意流动的水，称为动的水，称为结合水结合水。 从水分子的角度讲，从水分子的角度讲，双电双电层的外层层的外层就是就是结合水层结合水层。结合水结合水反离子层反离子层弱结合水（扩散层）：是一种粘滞水膜，是弱结合水（扩散层）：是一种粘滞水膜，是粘性土在一定含水量范围内

19、具可塑性的原因粘性土在一定含水量范围内具可塑性的原因强结合水（固定层）：性质接近与固体，具强结合水（固定层）：性质接近与固体，具蠕变性，略高于蠕变性，略高于100可蒸发可蒸发CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES第四节第四节 土的结构土的结构( (了解了解) ) 土的结构土的结构是指组成土的土粒大小、形状、表面特是指组成土的土粒大小、形状、表面特征，土粒间的连结关系和土粒的排列情况，其中征，土粒间的连结关系和土粒的排列情况，其中包括颗粒或集合体间的距离、孔隙大小及其分布包括颗粒或集合体间的距离、孔隙大小及其分布特点。特点。 CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIE

20、NCES一、土粒间的连结关系一、土粒间的连结关系1接触连结接触连结，是指颗粒之间的直接接触，接触点上的连结强度主要来源于外加压力所带来的有效接触压力。这种连结方式在砂土、粉土中或近代沉积土中普遍存在。2胶结连结胶结连结，是指颗粒之间存在着许多胶结物质，将颗粒胶结连结在一起。3结合水连结结合水连结，是指通过结合水膜而将相邻土粒连结起来的连结形式，又叫水胶连结，这种连结在一般粘性土中普遍存在。4冰连结冰连结CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES二、土的结构类型二、土的结构类型 粗粒土的结构主要为粗粒土的结构主要为单粒结构单粒结构。 根据颗粒间的排列接触关系可分为根据颗粒间的排列

21、接触关系可分为松散结构松散结构和和密实结密实结构构。（一）巨粒土与粗粒土的结构类型（一）巨粒土与粗粒土的结构类型CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES 由于粗、细颗粒含量的不同，有由于粗、细颗粒含量的不同，有粗石状结构粗石状结构和和假假斑状结构斑状结构两种不同的结构形态。两种不同的结构形态。 粗石状结构粗石状结构的土具有较高的强度，而其透水性则的土具有较高的强度，而其透水性则取决于粒间孔隙的充填程度及充填物的性质。取决于粒间孔隙的充填程度及充填物的性质。 假斑状结构假斑状结构土的性质主要取决于组成土的细粒物土的性质主要取决于组成土的细粒物质的特点。质的特点。CHINAUNI

22、VERSITY OFGEOSCIENCES（二）细粒土的结构类型（二）细粒土的结构类型 粘土矿物一般呈片状。它们之间的接触方式接触方式主要有面-面、边-边、边-面三种基本类型。 面对面的片状堆积结构称为分散结构分散结构或片堆结构片堆结构（叠聚体叠聚体）。 以边-面、边-边联结的结构称为凝聚结构凝聚结构或片架结构片架结构（絮絮凝体凝体）。CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES（二）细粒土的结构类型（二）细粒土的结构类型 细粒土颗粒细小，细粒土一般为细粒土颗粒细小，细粒土一般为团聚结构团聚结构（海绵状结构海绵状结构或或蜂窝状结构蜂窝状结构）。）。 细粒土的细粒土的团聚结构团聚结构按土粒均匀与否可分为均粒和非均粒两按土粒均匀与否可分为均粒和非均粒两种类型。种类型。CHINAUNIVERSITY OF