土的物质组成与结构构造.ppt

1、1,第一节 土的形成与物质组成,一、土的形成 “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或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。 物理风化指岩石经受风、霜、雨、雪的侵蚀，温度、湿度的变化、不均匀膨胀与收缩，使岩石产生裂隙，崩解为碎块。这种风化仅改变颗粒大小与形状，不改变原来矿物成分。生成的土呈松散状态，无粘性土。 化学风化指岩石碎屑与空气、水和各种水溶液相接触，经氧化、碳化和水化作用，改变原来矿物成分，形成新的矿物（次生矿物）。生成的土为细粒土，粘性土。 生物风化由动物、植物和人类对岩体的破坏。,第一章 土的物质组成与结构构造,

2、2,岩石,物理风化,化学风化,土,原生矿物,次生矿物,颗粒通常是由一种或几种原生矿物所组成，它的成分与母岩的相同，颗粒一般较粗， 吸附水的能力弱，性质比较稳，无塑性。,化学风化仅使岩 石产生质的变化,物理风化仅使岩 石产生量的变化,原生矿物经化学风化生成的新矿物，它的成分与母岩的完全不同。颗粒极细，性质活泼，有较强的吸附水能力，具塑性。,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,土粒的大小及其组成,粘土颗粒性质,3,4,二、土的物质组成,5,第二节 土的粒度成分,一 土的颗粒级配 1.土颗粒的大小直接决定土的性质. 2. 粒径颗粒直径大小. 3.界限粒径划分粒组的分界尺寸。 4.

3、粒组将粒径大小接近、矿物成分和性质相 似的土粒归并为一个组别即称为粒组。可划分： 200 20 2 0.05 0.005mm 漂石 卵石 砾石 砂粒 粉粒 粘粒,6,7,5. 颗粒级配土粒的大小及组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量来表示，称为土的颗粒级配。 级配的测试方法：筛析法 （ 0.075mm),比重计法( 0.075mm),8,二 级配曲线,据颗粒分析试验结果，绘制土的粒径级配曲线。用半对数坐标绘制。纵坐标表示小于某粒径的土重占总土重的百分数，横坐标用对数坐标表示土的粒径。,9,不均匀系数定义为（Cu） 曲率系数定义为（Cc） 式中： d60限定粒径。当小于某粒径的土粒质量累计百分

4、数为 60%时，相应的粒径称为d60 。 d10有效粒径。当小于某粒径的土粒质量累计 百分数为10%时，相应的粒径称为d10。 d30当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。,10,不均匀系数C反映大小不同粒组的分布情况。C越大表示土粒大小的分布范围越大、其级配越良好，作为填方工程的土料时，则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，反映曲线的整体形状。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（ C5，且Cc=1-3)的土，较粗颗粒间的孔隙被较细的颗粒所填充，因而土的密实度较好，相应的地基土

5、的强度和稳定性也较好透水性和压缩性也较小，可用作堤坝或其它土建工程的填方土料。,11,第三节 土的矿物成分和化学成分 一 土的矿物成分 土中的固体颗粒是由矿物构成的。按其成因和成分可分为原生矿物、次生矿物、有机质等。 （一）原生矿物 土中的原生矿物是岩石风化过程中的产物，保持了母岩的矿物成分和晶体结构，常见的如石英、长石、角闪石、云母等。这些矿物是组成土中卵石、砾石、砂粒和某些粉粒的主要成分。,12,原生矿物的主要特点是： 颗粒粗大，物理、化学性质比较稳定，抗水性和抗风化能力较强，亲水性弱或较弱。它们对土的工程性质的影响比其它几种矿物要小得多，主要差别表现在颗粒形状、坚硬程度和抗风化稳定性等几

6、方面。 例如，分别由石英和云母类矿物组成的土，尽管土的粒度成分和密实度相同。但由于石英的坚硬程度、抗风化能力远大于云母，故主要由石英颗粒组成的土，其强度将远大于由云母颗粒组成（或含云母较多）的土，其变形相应也小得多。,13,（二）次生矿物 母岩风化后及在风化搬运过程中，如果原来的矿物因氧化、水化及水解、溶解等化学风化作用而进一步分解，就会形成一种新矿物，这就是次生矿物，其颗粒比原生矿物细小得多。 自然界土体中常见次生矿物又分为两种类型: 可溶性次生矿物,通常以离子状态存在于土的孔隙溶液中。阳离子有K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe2+等，阴离子有C1-、SO42+、HCO3-、S2-等。

7、不可溶性次生矿物,包括游离氧化物和粘土矿物。,14,（1）游离氧化物 这是由三价的Fe、Al，二价的Si和O、OH、H2O等组成的矿物，如针铁矿（Fe2O3H2O）、褐铁矿（Fe2O33H2O）、三水铝石（Al2O32H2O）、二氧化硅（SiO2nH2O）等。 （2）粘土矿物 粘土矿物是原生矿物长石、云母等硅酸盐矿物经化学风化形成的，硅酸盐矿物由两部分构成，即硅氧四面体和铝氢氧八面体。,15,硅氧四面体： 由一个硅原子和四个氧原子以相等距离堆成四面体形状，硅居其中央，氧占据四个顶点（图2-2a）。四面体中的三个氧被共用，横向连结成六角形的网格（图2-2b）。四面体的底在一个平面上，所有尖端指向

8、同一方向。每个硅原子有四个正电荷，每个氧原子有两个负电荷，这样四面体排列成的六角网格片状结构中，每个硅氧四面体都具有一个负电荷。,16,铝氢氧八面体： 由六个氢氧离子围绕一个铝离子构成的八面体晶片（图2-3a）。由八面体组合的网片中每个氢氧离子均为三个相邻的八面体共有，许多八面体以这种方式连结在一起，形成八面体单位的片状结构（图2-3b）。铝为正三价，氢氧为负一价，每个八面体只能以两个负电荷抵消铝离子的两个正电荷，还剩下一个正电荷，故每个八面体都是正一价的。,17,18,硅氧四面体和铝氢氧八面体这两种基本单元以不同的比例组合，就形成了不同类型的粘土矿物。 土中常见的粘土矿物有高岭石、伊利石、蒙

9、脱石三大类。,19,a. 高岭石：一层硅氧四面体晶片和一层铝氧八面体晶片结合，形成一个单位晶胞，如图1-2b。由于每个硅氧四面体具有一个负电荷，每个铝氧八面体带有一个正电荷，使两者以离子键（氢键）形成牢固连结，形成一个单位晶胞。高岭石的构造就是这种晶胞在水平面上无限延伸，沿垂直方向相互重叠而成。高岭石晶胞间具有较强的氢键连结，水较难渗入其间，其颗粒一般较粗，亲水性弱，因而主要由这类矿物组成的土，膨胀性和压缩性都较低。,20,高岭石的微结构形貌特征,21,b. 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，如图1-2a。蒙脱石的构造就是许多上述晶胞在水平面上延伸，

10、并顺着垂直方向一层层叠置而成的。由于晶胞两边都为带负电荷的硅氧四面体，相邻晶胞间由相同的氧原子相接。,22,这种连结既弱也不稳固，水分子很容易楔入其间，以致将其分散为极细小的鳞片状颗粒，并使晶格沿垂直方向膨胀。故含蒙脱石矿物较多的土对环境的干湿变化比较敏感：土体湿度增高时，体积膨胀并形成膨胀压力；土体失水时，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。,23,蒙脱石的微结构形貌特征,24,c. 伊利石：伊利石是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相似，也是两片硅氧四面体夹铝氧八面体构成，不同的是四面体中Si4+被Al3+所替代，由K+离

11、子补偿晶层正电荷的不足。伊利石相邻晶胞间由钾离子连结，这种连结较之高岭石层间的氢键连结为弱，但比蒙脱石层间的水分子连结要强，所以它形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。,25,伊利石的微结构形貌特征,26,（三）有机质 工程上俗称的软土（包括淤泥和淤泥质土）及泥炭土中富含有机质。 土中的有机质是动、植物残骸和微生物以及它们的各种分解和合成产物。通常把分解不完全的动、植物残骸称为泥炭，其主要成分是纤维素；把分解完全的动、植物残骸称为腐殖质。 有机质对土的工程性质的影响主要取决于其龄期、分解程度，即取决于有机质的数量及性质。 从工程观点看，有机质（特别是分解完全的腐殖

12、质）会导致土的塑性增强，压缩性增高，渗透性减小，强度降低。 一般地，土中有机质含量超过1%时，采用堆载预压和水泥土搅拌进行处理不会取得明显改良效果。,27,第三节 土中的水和气体,一 土中的水 土中水处于不同位置和温度条件下，可具有不同的物理状态固态、液态、气态。 液态水是土中孔隙水的主要存在状态，因其受土粒表面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（自由水）。,28,29,1结合水,土颗粒表面带有一定的电荷，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，形成双电层，在双电层影响下的水膜称为表面结合水。 双电层的厚薄也反映了结合水的厚薄，结合水具有

13、与一般自由水不同的性质，其密度较大、粘滞度高、流动性差、冰点低、比热较大、介电常数较低。这种差异随距离增加而减弱。,30,2.自由水(非结合水),在双电层影响以外的水为自由液态水，它主要受重力作用的控制，土粒表面吸引力居次要地位，这部分水称为非结合水，它包括毛细水和重力水。 (1)毛细水 毛细水是受到水与空气交界面处表面张力作用的自由水。毛管现象是毛细管壁对水的吸力和水的表面张力共同作用的结果。 (2)重力水 重力水是存在于地下水位以下的透水土层中的地下水。它是在重力或压力差作用下运动的自由水，对土粒有浮力作用。重力水只受重力控制，不受土粒表面吸引力的影响。,31,二 土中气,土中的气体 成分,与大气相通 压缩性高； 与大气隔绝 降低透水性,一般空气中成分； 微生物产生可燃气体（H2S）