第1章 土的组成课件

土力学

第1章作业1-10（p29）作业要求作业一章一交，必须用作业本子；计算分析过程详细完整，特别注意计算量的单位。第1章土的组成1.1

概述1.2土中固体颗粒1.3

土中水和土中气1.4

粘土颗粒与水的相互作用1.5

土的结构和构造第1章土的组成1.1

概述1.2土中固体颗粒1.3

土中水和土中气1.4

粘土颗粒与水的相互作用1.5

土的结构和构造由于温度变化、水的冻胀、波浪冲击、地震等引起的物理力使岩体崩解、碎裂的过程物理风化量化学风化岩体与空气、水和各种水溶液相互作用使岩石成分发生变化，形成粘粒和可溶盐的过程量质水解、水化、氧化、溶解、碳酸化等搬运沉积岩石大小、形状和成分都不相同的颗粒堆积物土1.1概述洪积土冲积土海积土风积土成因类型湖积土冰积土残积土坡积土指岩石经风化后未被搬运而残留于原地的碎屑堆积物。颗粒表面粗糙、多棱角、无分选、无层理残积土受重力和暂时性流水的作用，搬运到山坡或坡脚处沉积起来的土，坡积颗粒随斜坡自上而下呈现由粗到细的分选性和局部层理残积土和坡积土受洪水冲刷、搬运，在山沟出口处或山前平原沉积的土。分选性、磨圆度。河流的流水作用搬运到河谷坡降平缓的地带沉积下来的土，这类土经过长距离的搬运，颗粒有较好的分选性和磨圆度，常有层理在湖泊及沼泽等极为缓慢水流或静水条件下沉积下来的土，含大量细微颗粒、有机物，成为具有特殊性质的淤泥或淤泥质土由河流流水搬运到海洋环境下沉积下来的土由风力搬运形成的土，颗粒磨圆度好、分选性好。西北黄土由冰川或冰水挟带搬运形成的沉积物，颗粒粗细变化大，土质不均匀1.1概述残积层断面残积土(物)新鲜基岩风化带坡积层断面坡积土(物)基岩洪积层断面洪积土(物)泉水基地下水岩

洪积层颗粒分布与洪积扇洪积扇2023/10/217第1章土的组成1.1概述土的三个特点及三相体系特点：土固相液相气相土中颗粒的大小、成分及三相之间的相互作用和比例关系，反映出土的不同性质

三相体系：土碎散性(散体性)多相性自然变异性颗粒之间无粘粒或一定的粘结，存在大量孔隙，可以透水透气土是由固体颗粒、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工程性质土是在漫长的地质历史时期演化形成的多矿物组合体，性质复杂，不均匀，随时变化的材料第1章土的组成1.1

概述1.2土中固体颗粒1.3

土中水和土中气1.4

粘土颗粒与水的相互作用1.5

土的结构和构造1.2土中固体颗粒土粒的矿物成分1.2.2土粒的粒度成分1.2.11.2.1土粒的粒度成分1.土粒粒度与粒组土粒的大小称为粒度，通常以粒径表示，以mm为单位。介于一定粒度范围内的土粒，称为粒组。划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。

0.005、0.075、2、60、200

(mm)共六大粒组粘粒粉粒砂粒砾粒碎石块石0.0050.075260200巨粒粗粒细粒logd1.土粒粒度与粒组查阅p12，表1-1土粒粒组的划分1.2.1土粒的粒度成分2.粒度成分分析试验土粒的大小及其组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量（是指土样各粒组的质量占土粒总质量的百分数）表示，称为土的粒度成分或颗粒级配试验方法筛分法适用于0.075mm≤d≤60mm沉降分析法适用于d＜0.075mm（虹吸比重瓶法、移液管法、比重计法）1.2.1土粒的粒度成分2.粒度成分分析试验筛分法用一套孔径不同的筛子，按从上至下筛孔逐渐减小放置（如20、2、0.5、0.25、0.1、0.075mm）。将事先称过质量的烘干土样过筛，称出留在各筛上的土质量，即可求得各个粒组的相对含量。通过计算可得到小于某一筛孔直径土粒的累积重量及累计百分含量。1.2.1土粒的粒度成分2.粒度成分分析试验静水沉降分析原理：斯托克斯（Stokes）定律（1-1）式中：v—土粒的沉降速度，cm/s；d—土粒直径，mm；（等效直径）

ρs—土粒密度，g/cm3；

ρw—水的密度，g/cm3

；

η—水的动力粘滞系数，10-3Pa∙s；g—重力加速度，981cm/s2“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。1.2.1土粒的粒度成分2.粒度成分分析试验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密度计法(比重计法)1.2.1土粒的粒度成分3.粒度成分分布曲线颗粒级配曲线(粒径累计曲线)纵坐标表示小于某粒径的土粒含量百分比,横坐标表示土粒的粒径(对数坐标）1.2.1土粒的粒度成分分析a、b、c三条曲线颗粒成分

d10d60d30abc土的粒径lgd（mm）小于某粒径的土重百分比（%）603010曲率系数Cca曲线：缺小粒径颗粒，d30最大。Cc最大b曲线：颗粒级配连续，d30居住。Cc居中c曲线：缺大粒径颗粒，d30最小。Cc最小2023/10/2118第1章土的组成颗粒级配的描述

工程上常用不均匀系数Cu描述颗粒级配的不均匀程度d10、d30、d60小于某粒径的土粒含量为10%、30%和60%时所对应的粒径Cu愈大，表示土粒愈不均匀。工程上把Cu＜5的土视为级配不良的土；Cu＞10的土视为级配良好的土

曲率系数Cc描述颗粒级配曲线整体形态，表明某粒组是否缺失情况

对于砾类土或砂类土，同时满足Cu≥5和Cc=1～3时，定名为良好级配砂或良好级配砾1.2.1土粒的粒度成分3.粒度成分分布曲线土样编号粒组（mm）百分含量>22-0.50.5-0.250.25-0.0750.075-0.005<0.0051281213201017土样编号小于某粒径（mm）累积百分含量<d(>2)<d(=2)<d(=0.5)<d(=0.25)<d(=0.075)<d(=0.005)11007260472717粒度分析成果表0.0010.010.11010203040506001020304050601.2.1土粒的粒度成分1.2土中固体颗粒土粒的矿物成分1.2.2土粒的粒度成分1.2.11.土粒矿物组成1.2.2土粒的矿物成分矿物成分取决于母岩的矿物成分和风化作用固体颗粒矿物质有机质原生矿物次生矿物粘土矿物可溶盐无定形氧化物胶体1.土粒矿物组成原生矿物1.2.2土粒的矿物成分岩石物理风化岩石破碎化学成分不改变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，成分与母岩完全相同。它们主要存在于卵、砾、砂、粉各粒组中。例：石英、云母、长石等。特征：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1.土粒矿物组成次生矿物1.2.2土粒的矿物成分化学风化原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，使其进一步分解而形成一些颗粒更细小的新矿物。成分与母岩完全不同。黏土矿物（高岭石、蒙脱石、伊利石）可溶盐类（CaCO3、CaSO3、NaCl等）；无定形的氧化物胶体（Al2O3、Fe2O3）；有机质（包括：未分解的动植物残体、半分解的动植物残体、完全分解的腐殖质（以此为主要成分）2.土粒矿物成分与粒组的关系1.2.2土粒的矿物成分土粒矿物成分与粒组的关系,如图1-6所示，p16。粗颗粒（粒径>0.075mm)，多数是原岩碎屑，是物理化学性质稳定的原生矿物。细颗粒（粒径<0.075mm)，次生矿物、有机质构成。第1章土的组成1.1

概述1.2土中固体颗粒1.3

土中水和土中气1.4

粘土颗粒与水的相互作用1.5

土的结构和构造1.3.1土中水1.3土中水和土中气土中水的含量明显地影响土的性质(尤其是粘性土)。土中水除了一部分以结晶水的形式吸附于固体颗粒的晶格内部外，还存在结合水和自由水结合水当土粒与水相互作用时，土粒会吸附一部分水，在土粒表面面形成一定厚度的水膜。自由水存在于土粒表面电场影响范围以外的水。

固体颗粒和水分子间静电引力的相互作用内电层外电层结合水自由水负电荷r吸力p强结合水结合水外电层自由水内电层弱结合水结合水膜结合水：土粒表面受土粒电荷引力吸附的水2023/10/2128第1章土的组成强结合水性质：接近于固体，不能流动，不传递静水压力，具有很大的粘滞性、抗剪强度。只含结合水时，粘土呈固体状态，砂土呈散粒状态。弱结合水性质：具有较高的粘滞性和抗剪强度。由于弱结合水的存在，在强结合水的外围形成一层结合水膜，使土具有可塑性。土颗粒比表面：土粒表面积/体积或表面积/质量。单位：长度-1，长度2/质量

比表面大，结合水膜厚，可塑性范围大；含水量的变化范围相反，比表面小，结合水膜薄，几乎不具可塑性。土粒大小↔土的可塑范围大。1.结合水

2023/10/2129第1章土的组成2.自由水

重力水：位于地下水位以下，受重力作用由高处向低处流动，具有浮力作用。毛细水：受毛细作用而上升，位于地下水位以上。土中孔隙越小，毛细水上升高。工程注意：毛细水引起冻胀、潮湿。土中毛细水升高自由水面hchc2023/10/2130第1章土的组成1.3土中水和土中气土中的水矿物成分水结合水重力水毛细水矿物颗粒的一部分孔隙水自由水弱结合水强结合水1.3.2土中气1.3土中水和土中气土中气体存在于土孔隙中未被水占据的部分，分为与大气连通的非封闭气体和与大气不连通的封闭气体1.非封闭气体：受外荷作用时被挤出土体外，对土的性质影响不大

2.封闭气体：受外荷作用，不能逸出，被压缩或溶解于水中，压力减小时能有所复原，对土的性质有较大的影响，使土的渗透性减小，弹性增大和延长土体受力后变形达到稳定的历时

第1章土的组成1.1

概述1.2土中固体颗粒1.3

土中水和土中气1.4

粘土颗粒与水的相互作用1.5

土的结构和构造1.4.1粘土矿物的结晶结构和亲水性1.4粘土颗粒与水的相互作用粘土矿物是主要的次生矿物，是组成粘粒的主要矿物成分。粘土矿物的结晶结构由硅氧四面体和铝氧八面体两个基本单位组成。图1-10粘土矿物晶片示意图(a)氧硅氧四面体硅硅氧晶片(b)氢氧铝氢氧八面体铝铝氢氧晶片(a)蒙脱石:氧-氧结合弱(b)伊利石:结构与蒙脱石类似，Si4+被AL3+

或Fe3+所取代，晶片周围有K+，K+的存在增强了氧-氧结合。

(c)高岭石:氧-氢氧基结合较强(a)(b)

粘土矿物构造单元示意图氧氧氢氧基氢氧基氧-氧结合(c)

氧-氢氧基结合2023/10/2135第1章土的组成蒙脱石：强的亲水性，具有显著的吸水膨胀、失水收缩特性。高岭石：亲水性小。伊利石：特性介于高岭石和蒙脱石两者之间。1.4.2粘土颗粒与水的相互作用1.粘土颗粒的带电性1.4粘土颗粒与水的相互作用土中的粘土颗粒在电场中向阳极泳动的现象称为电泳。而土中的液体渗向阴极，称为电渗。这两种现象是同时发生的，称为电动现象。粘粒表面产生电荷的原因：

1、表面分子的离解；2、选择性吸附；3、同晶替换；4、边缘断链1.4粘土颗粒与水的相互作用1.4.2粘土颗粒与水的相互作用2.双电层的概念颗粒表面的负电荷构成电场的内层（决定电位层）。水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）。合称双电层。双电层决定电位层（内层）反离子层（外层）结合水强结合水（固定层）弱结合水（扩散层）第1章土的组成1.1

概述1.2土中固体颗粒1.3

土中水和土中气1.4

粘土颗粒与水的相互作用1.5

土的结构和构造1.5土的结构和构造土的结构微观结构（土的结构）宏观结构（土的构造）指土粒的原位集合体特征，是由土粒单元的大小、矿物成分、形状、相互排列及联结关系，土中水性质及孔隙特征等形成的综合特征。是同一土层中的物质成分和颗粒大小等都相近的各部分之间的相互关系的特征，表征了土层的层理、裂隙及大孔隙等宏观特征。1.5.1土的结构1.5土的结构和构造1.单粒结构：粗矿物颗粒在水或空气中在自重作用下沉落形成的单粒结构，其特点是土粒间存在点与点的接触。根据形成条件不同，可分为疏松状态和密实状态

密实状态疏松状态1.5.1土的结构1.5土的结构和构造2.蜂窝结构：颗粒间点与点接触，由于彼此之间引力大于重力，接触后，不再继续下沉，形成链环单位,很多链环联结起来，形成孔隙较大的蜂窝状结构3.絮状结构：细微粘粒大都呈针状或片状，质量极轻，在水中处于悬浮状态。当悬液介质发生变化时，土粒表面的弱结合水厚度减薄，粘粒互相接近，凝聚成絮状物下沉，形成孔隙较大的絮状结构蜂窝结构絮状结构1.5.2土的构造1.5土的结构和构造土的构造反映土体中各结构单元之间的关系。主要特征是土的成层性和裂隙性,即层理构造和裂隙构造，二者都造成了土的不均匀性

层理构造裂隙构造1.5.2土的构造1.5土的结构和构造1.层理构造：土粒在沉积过程中,由于不同阶段沉积的物质成分、颗粒大小或颜色不同,而沿竖向呈现出成层特征

层状构造

(a)水平层理(b)交错层理1.5.2土的构造1.5土的结构和构造2.裂隙构造：土体被许多不连续的小裂隙所分割,在裂隙中常充填有各种盐类的沉淀物

裂隙构造本章结束注册岩土师考试题目2007年专业知识（上午卷）一、单项选择题2下列关于伊利石、蒙脱石、高岭石三种矿物的亲水性由强到弱的四种排列中，（）是正确的。（A）高岭石>伊利石>蒙脱石（B）伊利石>蒙脱石>高岭石（C）蒙脱石>伊利石>高岭石（D）蒙脱石>高岭石>伊利石正确答案：（C）d60d30d10三种粒径的大小关系土粒按粒径大小排序占总质量10%占总质量30%占总质量60%其中最大粒径2023/10/2148第1章土的组成1.4.1粘土矿物的结晶结构和亲水性1.4粘土颗粒与水的相互作用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和硅氧四面体两个基本单位组成。硅氧四面体是硅片的基本单元，其化学式为[SiO4]铝—氧八面体是铝片的基本单元，其化学式为[Al2(OH)6]1.4.1粘土矿物的结晶结构和亲水性1.4粘土颗粒与水的相互作用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；蒙脱石则反之，晶胞之间连