土力学-第1章土组成

土力学-第1章土组成第一页，共37页。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第二页，共37页。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第三页，共37页。1.1概述土岩石风化、搬运、沉积地质成岩作用土的组成、结构和物理力学性质过程、条件土的形成过程第四页，共37页。渗透特性变形特性强度特性土的三相组成土的物理状态土的结构土的形成过程土的工程分类：便于研究和应用土的压实性：如何获得较好的土决定第五页，共37页。1.1概述母岩表面和碎散的颗粒受环境因素的作用而改变其矿物的化学成分，形成新的矿物颗粒成分发生质的变化矿物成分与母岩不同，称次生矿物形成十分细微的土颗粒，最主要为粘性颗粒及可溶盐类包括植物、动物和土壤微生物的作用可加剧物理和化学风化构成土中有机质和营养物质的生物循环导致腐殖质的形成，改变土壤的结构土的形成与风化作用物理风化化学风化生物活动岩石和土的粗颗粒受各种气候等物理因素的影响产生胀缩而发生裂缝,或在运动过程中因碰撞和摩擦而破碎是颗粒大小发生量的变化矿物成分与母岩相同，称原生矿物产生无粘性土第六页，共37页。1.1概述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的堆积物坡积土：土粒粗细不同，性质不均洪积土：有分选性，近粗远细冲积土：浑圆度分选性明显，土层交迭湖泊沼泽沉积土：含有机物淤泥，土性差海相沉积物：颗粒细，表层松软，土性差冰积土：土粒粗细变化较大，性质不均匀风积土：颗粒均匀，层厚而不具层理残积土

无搬运运积土

有搬运搬运与沉积母岩表层经风化作用破碎成岩屑或细小颗粒后，未经搬运残留在原地的堆积物

残积土强风化弱风化微风化母岩体颗粒表面粗糙多棱角粗细不均无明显层理第七页，共37页。1.1概述土体的三相构成土中气体气相次要作用固体颗粒固相构成土体骨架

起决定作用土中水液相重要影响饱和土：土体孔隙完全被水充满干土：土体孔隙完全被气充满非饱和土：孔隙中水和气均存在第八页，共37页。1.1概述土体的特点散体性：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：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：性质复杂，不均匀，且随时间不断变化的材料。第九页，共37页。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第十页，共37页。1.2土中固体颗粒固体颗粒–土粒粒度与粒组粒组：介于一定粒度范围内的土。界限粒径d(mm)砾石砂粒粉粒粘粒胶粒6020.0750.0050.0020.250.5520粗

中

细粗

中

细0.075粗粒细粒粗粒土：以砾石和砂砾为主要组成的土，也称无粘性土。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60第十一页，共37页。1.2土中固体颗粒固体颗粒–粒度成分分析实验0.07560粒径级配：各粒组的相对含量，用质量百分数来表示分析方法：

筛分法：适用于粗粒土孔径大小不同的筛子

水分法：适用于细粒土常采用比重计法表述方法:粒径级配累积曲线第十二页，共37页。1.2土中固体颗粒固体颗粒–筛分实验孔径105.02.01.00.50.250.1(0.075)200g土筛余0101618242238721009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数P（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)P100958778665536土的粒径级配累积曲线水分法粒径(mm)0.050.010.005百分数P(%)2613.510筛分法第十三页，共37页。1.2土中固体颗粒固体颗粒–沉降分析法实验原理：分散于水中后，土粒下沉速度与土粒形状、粒径、密度及水的粘滞度有关。实验时假定土粒为理想球体。根据G.G.斯托克斯定律计算。第十四页，共37页。1.2土中固体颗粒固体颗粒–粒度成份分布曲线1009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)土的粒径级配累积曲线d60d50d10d30特征粒径:

斜率:某粒径范围内颗粒的含量陡-相应粒组含量多缓-相应粒组含量少

平台状-相应粒组缺乏d50:平均粒径d60:控制粒径d10

:有效粒径d30第十五页，共37页。1.2土中固体颗粒固体颗粒–粒度成份分布曲线土的粗细度：用d50

表示土的不均匀程度：用不均匀系数：Cu=d60/d10

表示，Cu

5，称为不均匀土，反之称为均匀土连续程度:用曲率系数

Cc=d302/(d60×d10

)

度量,Cc=1~3时为连续级配,>3或<1为不连续级配1009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)土的粒径级配累积曲线d60d50d10d30第十六页，共37页。1.2土中固体颗粒1009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)土的粒径级配累积曲线d60d10d30曲线d60d10d30CuCcL0.330.0050.081663.98M0.0632.41R0.0300.545缺少小颗粒，Cc缺少大颗粒，CcCc=13,级配连续曲率系数举例第十七页，共37页。1.2土中固体颗粒粒组含量用于土的分类定名；不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度：

Cu

5为不均匀土；Cu

5为均匀土

曲率系数Cc用于判定土的连续程度：

Cc=1~3为级配连续土；Cc>3或Cc<1为级配不连续土不均匀系数Cu和曲率系数Cc用于判定土的级配优劣：

Cu

5且Cc=1~3为级配良好的土；如果Cu<5或Cc>3

或Cc<1为

级配不良的土粒径级配曲线和指标的应用第十八页，共37页。1.2土中固体颗粒固体颗粒-矿物成分固体成分原生矿物-石英、长石、云母等次生矿物矿物质有机质无定形氧化物胶体可溶盐粘土矿物具有和原生矿物很不相同的特性对粘土性质的影响很大第十九页，共37页。1.3土中水和土中气土中水结晶水矿物内部的水结合水吸附在土颗粒表面的水自由水电场引力作用范围之外的水土中冰由自由水冻成，冻胀融沉水蒸气存在孔隙空气中第二十页，共37页。1.3土中水和土中气土中水–结合水-强结合水：排列致密，密度>1g/cm3

冰点处于零下几十度完全不能移动，具有固体的特性温度高于100°C时可蒸发-弱结合水：受电场引力作用，为粘滞水膜外力作用下可以移动不因重力而流动，有粘滞性粘土颗粒-----------------++++引力d水分子阳离子强结合水弱结合水自由水结合水：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，不能任意流动的水第二十一页，共37页。1.3土中水和土中气毛细水：由于土体孔隙的毛细作用升至自由水面以上的水。毛细水承受表面张力和重力的作用。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。土中水–

自由水自由水：不受颗粒电场引力作用的孔隙水hc毛细水重力水第二十二页，共37页。1.3土中水和土中气毛管中流体的界面效应Tdkw空气固体=湿润角水lDk=毛管直径ua-uwua-uw=压力差第二十三页，共37页。1.3土中水和土中气毛细管hc土中毛细水上升高度T2r上升高度r2hcw=2rTcos毛细升高与孔径成反比粘土粉土砂土砾石第二十四页，共37页。1.3土中水和土中气张力TTuc水hc2ruc=-hcw水压+-TT则毛细压力：2πrTcosα+ucπr2=0毛细管中的负静水压力毛细水压力第二十五页，共37页。1.3土中水和土中气土颗粒缝隙处的弯液面r空气水固体颗粒弯液面在非饱和土中，孔隙中含有水和气，此时水多集中于颗粒间的缝隙处，称毛细角边水。由于毛细张力的作用，会形成如图所示的弯液面，使毛细角边水产生负压力，颗粒则受正压力。这是稍湿的砂土颗粒间存在假凝聚力的原因第二十六页，共37页。1.3土中水和土中气气相-土中气自由气体：与大气连通的气体对土的性质影响不大封闭气体：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，降低渗透性溶解在水中的气体吸附于土颗粒表面的气体第二十七页，共37页。1.4黏土颗粒与水的相互作用粘土矿物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

铝片SiSi氧离子O2-硅离子Si4+硅-氧四面体硅片的结构硅片简图OH1-铝离子Al3+铝-氢氧八面体铝片的结构铝片简图AlAl第二十八页，共37页。1.4黏土颗粒与水的相互作用粘土矿物依硅片和铝片组叠形式的不同，可分成如下三种类型：高岭石

蒙脱石伊利石是云母在碱性介质中风化的产物。与蒙特石相似，由两层硅片夹一层铝片所形成的三层结构，但晶层之间有钾离子连结。主要特征：连结强度弱于高岭石而高于蒙脱石，其特征也介于两者之间。2:1的三层结构SiSiAlAlSiSiSiSiAlAlSiSi钾离子晶层间是O2-对O2-的连结，联结力很弱，水很容易进入晶层之间。每一颗粒能组叠的晶层数较少。颗粒大小约为0.1-1，厚约。主要特征：颗粒细微，具有显著的吸水膨胀、失水收缩的特性，或者说亲水能力强。2:1的三层结构SiSiAlAlSiSiSiSiAlAlSiSi数层水分子晶层间通过氢键联结，联结力强，晶格不能自由活动，水难以进入晶格间能组叠很多晶层，多达百个以上，成为一个颗粒。颗粒长宽约0.3-3，厚约0.03-1。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。SiSiAlAlSiSiAlAlSiSiAlAl高岭石微粒1:1的两层结构第二十九页，共37页。1.4黏土颗粒与水的相互作用粘土矿物的带电性质研究表明，片状粘土颗粒表面常带有电荷，净电荷通常为负电荷----------------------++++粘土颗粒水分子阳离子粘土矿物的带电特性玻璃筒玻璃皿水位升高粘土粒粘土膏+-粘土的电泳和电渗现象(列依斯,1809)第三十页，共37页。1.4黏土颗粒与水的相互作用粘土矿物的带电特性粘土产生不平衡负电荷的原因：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：溶于水中的粘土矿物颗粒把水介质中一些与本身晶格架中相同或者相似的离子选择性的吸附到表面同晶置换：矿物晶格中高价阳离子被低价阳离子置换。边缘断链：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。第三十一页，共37页。1.4黏土颗粒与水的相互作用双电层概念土粒的带电性使其周围形成电场，则其电场内阳离子受到两种作用力：Ⅰ、电场的静电引力作用Ⅱ、布朗运动的扩散力作用粘土颗粒-----------------++++引力d水分子阳离子固定层扩散层自由水双电