-1第一章土的組成課件

1、第一章土的組成防災(zāi)工程系王振宇 土的組成1.1 土的概念及基本特征1.2 土的生成1.3 土的組成1.1 土的概念及基本特征概念：土是連續(xù)、堅(jiān)固的巖石在風(fēng)化作用下形成的大小懸殊的顆粒，經(jīng)過不同的搬運(yùn)方式，在各種自然環(huán)境中生成的沉積物。而土歷經(jīng)壓密固結(jié)、膠結(jié)硬化也可再生成巖石。土固相液相氣相土中顆粒的大小、成分及三相之間的相互作用和比例關(guān)系，反映出土的不同性質(zhì)。 巖石風(fēng)化（物理、化學(xué)）作用巖石破碎 化學(xué)成分改變搬運(yùn)沉積大小、形狀和成分都不相同的顆粒集合體（土） 1.2 土的生成 物理風(fēng)化 化學(xué)風(fēng)化 生物活動巖石和土的粗顆粒受各種氣候等物理因素的影響產(chǎn)生脹縮而發(fā)生裂縫,或在運(yùn)動過程中因碰撞和摩擦而

2、破碎是顆粒大小發(fā)生量的變化礦物成分與母巖相同，稱原生礦物（石英、長石等）產(chǎn)生無粘性土 1.2 土的生成母巖表面和碎散的顆粒受環(huán)境因素的作用而改變其礦物的化學(xué)成分，形成新的礦物顆粒成分發(fā)生質(zhì)的變化礦物成分與母巖不同，稱次生礦物（蒙脫石、伊利石）形成十分細(xì)微的土顆粒，最主要為粘性顆粒及可溶鹽類 物理風(fēng)化 化學(xué)風(fēng)化 生物活動 1.2 土的生成包括植物、動物和土壤微生物的作用可加劇物理和化學(xué)風(fēng)化構(gòu)成土中有機(jī)質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)的生物循環(huán)導(dǎo)致腐殖質(zhì)的形成，改變土壤的結(jié)構(gòu) 物理風(fēng)化 化學(xué)風(fēng)化 生物活動土巖石風(fēng)化、搬運(yùn)、沉積地質(zhì)作用1.2 土的生成1.2 土的生成地質(zhì)作用：導(dǎo)致地殼成分變化和構(gòu)造變化的作用，稱為地質(zhì)

3、作用。 地質(zhì)作用內(nèi)力地質(zhì)作用外力地質(zhì)作用內(nèi)力地質(zhì)作用是由于地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)能和放射性元素蛻變產(chǎn)生的熱能等，引起地殼物質(zhì)成分、內(nèi)部構(gòu)造以及地表形態(tài)發(fā)生變化的地質(zhì)作用，如巖漿活動、地殼運(yùn)動。1.2 土的生成外力地質(zhì)作用是由于太陽輻射能和地球重力位能所引起的地質(zhì)作用。它包括氣溫的變化、雨雪、山洪、河流、湖泊、海洋、冰川、風(fēng)、生物等的作用，對地殼不斷地進(jìn)行侵蝕，使地表形態(tài)發(fā)生變化、形成新的產(chǎn)物。土的形成條件，常見的成因類型如下：1 殘積土殘留在原地未被搬運(yùn)的那一部分風(fēng)化產(chǎn)物。顆粒不能被磨圓或分選。殘積物與基巖之間沒有明顯界限，其礦物成分很大程度上與下臥基巖一致。由于殘積物均質(zhì)性很差，顆粒多為棱角狀的

4、粗顆粒土，孔隙度較大，作為建筑物地基容易引起不均勻沉降。1.2 土的生成坡積土 雨雪水流的地質(zhì)作用將高處巖石風(fēng)化產(chǎn)物緩慢地沖刷剝蝕、順著斜坡向下移動、沉積在較平緩的山坡上而形成的沉積物。 自上而下呈現(xiàn)由粗而細(xì)的分選現(xiàn)象。其礦物成分與下臥基巖沒有直接關(guān)系。 由于組成物質(zhì)粗細(xì)顆?；祀s，土質(zhì)不均，厚度變化大。新近堆積物，土質(zhì)疏松，壓縮性較大。是不良的地質(zhì)條件。1.2 土的生成洪積扇群 由暴雨或大量融雪驟然集聚而成的暫時(shí)性山洪急流,具有很大的剝蝕、搬運(yùn)能力。它沖刷地表，挾帶著大量碎屑物質(zhì)堆積于山谷沖口或山前傾斜平原而形成洪積物。 離山越遠(yuǎn)，顆粒越細(xì)，分布范圍逐漸擴(kuò)大。其地貌特征是靠山近處窄而陡，離山遠(yuǎn)

5、處寬而緩，形如錐體，故稱為洪積錐（扇）。由相鄰溝谷口的洪積扇組成洪積扇群。3.洪積土1.2 土的生成2.淤泥夾粘土透鏡體1.表土層3.粘土尖滅層4.砂土夾粘土層5.礫石層6.石灰?guī)r層土 的 層 理 構(gòu)造 洪積物的顆粒雖因搬運(yùn)過程中的分選作用呈現(xiàn)漸變現(xiàn)象,但由于搬運(yùn)距離短,顆粒的磨圓度仍不佳。此外，山洪是周期性產(chǎn)生的，每次的大小不盡相同，堆積物質(zhì)也不一樣。因此，洪積物常呈現(xiàn)不規(guī)則的層理構(gòu)造，如具有夾層、尖滅或透鏡體等產(chǎn)狀。靠近山地或離山較遠(yuǎn)地段的洪積物的承載力高，而過度地帶由于地下水溢出地表造成沼澤地帶，土質(zhì)軟、承載力低。1.2 土的生成平原河谷橫斷面礫卵石中粗砂粉細(xì)砂粉質(zhì)粘土粉土黃土淤泥4.沖

6、積土 沖積土是河流流水的地質(zhì)作用將兩岸基巖及其上部覆蓋的坡積、洪積物剝蝕后搬運(yùn)沉積在河流坡降平緩地帶形成的沉積土。其特點(diǎn)是呈現(xiàn)明顯的層理構(gòu)造，土顆粒上游較粗，下游較細(xì)，由于搬運(yùn)作用顯著，碎屑物質(zhì)由帶棱角顆粒經(jīng)滾磨、碰撞逐漸形成亞圓或圓形顆粒，其搬運(yùn)距離越長，則沉積土越細(xì)。分選性和磨圓度較好。典型的沖積物是形成于河谷內(nèi)的沉積物，可分為平原河谷沖積土和山區(qū)河谷沖積土、三角洲沉積土等。1.2 土的生成Back1.2 土的生成5湖沉積土在湖泊及沼澤等極為緩慢流水或靜水條件下沉積下來的土，或稱淤積土，含有大量細(xì)微顆粒，常伴有生物化學(xué)作用形成的有機(jī)物，成為具有特殊性質(zhì)的淤泥或淤泥質(zhì)土。土的壓縮性高，強(qiáng)度很

7、低。承載力極低，一般不宜作天然地基。6海積土按海水深度及海底地形，海洋可分為濱海帶、淺海區(qū)、陸坡區(qū)和深海區(qū)，相應(yīng)的四種海相沉積物性質(zhì)也各不相同。 濱海沉積物主要由卵石、圓礫和砂等組成，具有基本水平或緩傾的層理構(gòu)造，其承載力較高，但透水性較大。 淺海沉積物主要由細(xì)粒砂土、粘性土、淤泥和生物化學(xué)沉積物（硅質(zhì)和石灰質(zhì)）組成，有層理構(gòu)造，較濱海沉積物疏松、含水量高、壓縮性大而強(qiáng)度低。 陸坡和深海沉積物主要是有機(jī)質(zhì)軟泥，成分均一。1.2 土的生成7.風(fēng)積土是指在干旱的氣候條件下，巖石的風(fēng)化碎屑物被鳳吹揚(yáng)，搬運(yùn)一段距離后，在有利的條件下堆積起來的一類土。其顆粒磨圓度好，分選性好，土質(zhì)均勻，孔隙大，結(jié)構(gòu)松散

8、，具有濕陷性。西北黃土就是典型的風(fēng)積土。8冰積土是由冰川或冰川融化的冰下水進(jìn)行搬運(yùn)堆積而成。顆粒粗細(xì)變化大，一般分選性極差，無層理，土質(zhì)不均。9污染土1.2 土的生成土中氣體 氣相 次要作用固體顆粒 固相 構(gòu)成土體的骨架 起決定作用 土中水 液相 重要影響1.3 土的組成氣相固相液相+土體1.3 土的組成1.3.1 土的固體顆粒固體顆粒1.土粒的礦物成分原生礦物:母巖經(jīng)物理風(fēng)化而成,如石英、云母、長石；次生礦物：母巖經(jīng)化學(xué)風(fēng)化而成，如粘土礦物、鋁鐵氧化物、氫氧化物等。常見的粘土礦物有蒙脫石、伊里石、高嶺石；由于粘土礦物顆粒很細(xì)，比表面積很大，所以顆粒表面具有很強(qiáng)的與水作用的能力，因此，土中含粘

9、土礦物愈多，則土的粘性、塑性和脹縮性也愈大。粘 土 礦 物粘土礦物是一種復(fù)合的鋁-硅鹽晶體，顆粒呈片狀，是由硅片和鋁片構(gòu)成的晶包所組疊而成，可分成高嶺石、伊利石和蒙脫石三種類型。 硅片 鋁片SiSi氧離子O2-硅離子Si4+硅-氧四面體 硅片的結(jié)構(gòu) 硅片簡圖1.3 土的組成粘 土 礦 物粘土礦物是一種復(fù)合的鋁-硅鹽晶體，顆粒呈片狀，是由硅片和鋁片構(gòu)成的晶包所組疊而成，可分成高嶺石、伊利石和蒙脫石三種類型。OH1-鋁離子Al3+鋁-氫氧八面體 鋁片的結(jié)構(gòu) 鋁片簡圖Al Al 硅片 鋁片1.3 土的組成粘土礦物典型電鏡照片:蒙 脫 石比表面積親水性158080001.3 土的組成粘土礦物的帶電性質(zhì)

10、：實(shí)驗(yàn)表明，片狀粘土顆粒表面常帶有負(fù)電荷。為什么片狀粘土顆粒帶有不平衡負(fù)電荷：離解作用吸附作用同晶置換邊緣斷裂- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -+粘土顆粒水分子陽離子粘土顆粒的帶電性玻璃筒玻璃皿水位升高粘土粒粘土+-粘土的電泳和電滲現(xiàn)象(列依斯, 1809)1.3 土的組成離土粒越近，電分子力越大，從而形成緊密吸附于土粒表面的固定層（強(qiáng)結(jié)合水）和在固定層外圍的擴(kuò)散層(弱結(jié)合水)，固定層和擴(kuò)散層中所含的陽離子與土顆粒表面的負(fù)電荷的電位相反，故稱為反離子，固定層和擴(kuò)散層合稱為反離子層。反離子層與土粒表面的負(fù)電荷一起構(gòu)成雙電層。雙電層的概念：1.3

11、 土的組成1.3 土的組成雙電層的概念：擴(kuò)散層水膜的厚度對粘性土的工程性質(zhì)影響很大，擴(kuò)散層厚度大，土的塑性就大，膨脹與收縮性也大。雙電層厚度與礦物本身和外界條件有關(guān)：如蒙脫石顆粒厚度小，形成的擴(kuò)散層相對厚度大于高嶺石水溶液中的陽離子的原子價(jià)位越高，它與土粒之間的的靜電引力愈強(qiáng)，平衡土粒表面負(fù)電荷所需陽離子數(shù)量愈少，擴(kuò)散層愈薄外部溫度升高，雙電層厚度就增大工程實(shí)踐中用三價(jià)及二價(jià)離子（Mg2+、Ca2+ 、 Fe3+ AI3+ ）處理粘土，使擴(kuò)散層中高價(jià)陽離子度增加，擴(kuò)散層變薄，從而增加了土的強(qiáng)度與穩(wěn)定性，減少了膨脹性1.3 土的組成 2.土粒粒度與粒組 在自然界中存在的土,都是由大小不同的土粒組

12、成的，土的粒徑由粗到細(xì)逐漸變化時(shí),土的性質(zhì)相應(yīng)地發(fā)生變化。土粒的大小稱為粒度，用粒徑表示。將大小相近，性質(zhì)相似的顆粒劃歸為一組，稱為粒組，劃分粒組的分界尺寸稱為界限粒徑。常用200、60、2、0.075、0.005mm把土粒分為六大粒組:漂石(塊石)顆粒、卵石(碎石)顆粒、圓礫（角礫）顆粒、砂粒、粉粒及粘粒。見下表。粒組統(tǒng)稱粒組名稱粒組粒徑d的范圍(mm) 漂石（塊石）粒 d 200卵石（碎石）粒 200 d 20 圓礫（角礫）粒 20 d 2砂粒 2 d 0.075 粉粒 0.075 d 0.005粘粒 d 0.005表1.1 土粒粒組劃分1.3 土的組成細(xì)粒巨粒粗粒3.土的粒度成分（顆粒級

13、配） 土粒大小及其組成情況，通常以土中各個(gè)粒組的相對含量（各粒組占土粒總量的百分?jǐn)?shù)）來表示，稱為土的粒度成分（顆粒級配）。 顆分試驗(yàn)：（1）篩分法：粒徑0.075mm。（2）沉降分析法：（比重計(jì)或移液管法） 粒徑10 級配良好Cu105 C）下，才能從礦物中吸出，故可把它視作礦物本身的一部分。2.結(jié)合水（強(qiáng)結(jié)合水、弱結(jié)合水） 受電分子吸引力吸附于土粒表面的土中水。01.3 土的組成（1）強(qiáng)結(jié)合水：沒有溶解鹽類的能力，不能傳遞靜水壓力，牢固地吸附于土粒表面，其性質(zhì)接近于固體具有極大的粘滯度、彈性和抗剪強(qiáng)度。（2）弱結(jié)合水：厚度較強(qiáng)結(jié)合水大，具有較高的粘滯度、抗剪強(qiáng)度，仍不能傳遞靜水壓力。當(dāng)含量較

14、多時(shí)，使土具有一定的可塑性。1.3 土的組成粘土顆粒- - - - - - - - - - - - - - - - - +引力d水分子陽離子強(qiáng)結(jié)合水弱結(jié)合水自由水（3）自由水重力水：地下水位以下，在土中流動的水，受重力作用，對土粒有浮力作用。毛細(xì)水：地下水位以上由于水和空氣分界處彎液面上產(chǎn)生的表面張力作用，土中自由水從地下水位通過土的細(xì)小通道逐漸上升，形成毛細(xì)水。它不僅受重力作用而且還受到表面張力的支配。1.3 土的組成hc毛細(xì)水重力水土中水 自由水1.3 土的組成r彎液面由于毛細(xì)張力的作用，會形成如圖所示的彎液面，使毛細(xì)角邊水產(chǎn)生負(fù)壓力（水內(nèi)壓力小于大氣壓力），顆粒則受正壓力。使土粒之間由于

15、這種毛細(xì)壓力而擠緊，土呈現(xiàn)出粘聚現(xiàn)象，這種力稱為毛細(xì)粘聚力。這是稍濕的砂土顆粒間存在假凝聚力的原因。在工程中，毛細(xì)水的上升高度和速度對建筑物地下部分的防潮措施和地基土的浸濕、凍脹有重要影響。自由氣體：與大氣連通的氣體對土的性質(zhì)影響不大封閉氣體：被土顆粒和水封閉的氣體其體積與壓力有關(guān)。在外力作用下，封閉氣體易溶解于水，外力卸除后又會重新釋放出來，使得土的彈性增加；阻塞滲流通道，降低滲透性可燃?xì)怏w：由微生物的分解作用而形成，常存在于淤泥和泥炭等有機(jī)土中。 1.3 土的組成1.3.3 土中氣體土中含有更多的CO2，較多的N2，較少的O2，地下工程施工時(shí)應(yīng)注意氧氣的補(bǔ)給。1.3 土的組成1.3.4土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造集合體特征：土粒單元大小、礦物成分、形狀、相互排列及其關(guān)聯(lián)關(guān)系土的結(jié)構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)）宏觀結(jié)構(gòu)（構(gòu)造）：表征土的層理、裂隙及大孔隙等宏 觀特征。水的性質(zhì)孔隙特征土的結(jié)構(gòu)基本類型1.土的結(jié)構(gòu) 基本類型：單粒結(jié)構(gòu)；蜂窩結(jié)構(gòu)（粒徑0.0750.005mm）；絮狀結(jié)構(gòu)（粒徑0.005mm）。1.3 土的組成單粒結(jié)構(gòu)蜂窩結(jié)構(gòu)絮狀結(jié)構(gòu)1.3 土的組成土的構(gòu)造分為層理構(gòu)造、分散構(gòu)造和裂隙構(gòu)造。土的構(gòu)造分散構(gòu)造裂隙構(gòu)造1.3 土的組成1.3 土的組成研究土結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的工程意義：1.結(jié)構(gòu)和構(gòu)造直接影響土的物理力學(xué)性質(zhì)2.結(jié)構(gòu)構(gòu)造不同，地基承載力不同如：無粘性土的單粒結(jié)構(gòu)：緊密單粒結(jié)