土力學(xué)-第1章 土的組成

第一章土的組成主要內(nèi)容：概述土中固體顆粒土中水和土中氣粘土顆粒與水的相互作用土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造本章學(xué)習(xí)要求：了解土的形成、三相組成及常見(jiàn)的成因類型、土的三個(gè)特點(diǎn)掌握粒組劃分、粒度成分（顆粒級(jí)配）定義和分析方法、級(jí)配曲線的應(yīng)用、三種親水性的粘土礦物掌握土中水的類型、定義和特征了解土的三種結(jié)構(gòu)定義、土的構(gòu)造的主要特征1.1概述土巖石風(fēng)化、搬運(yùn)、沉積地質(zhì)成巖作用土的組成、結(jié)構(gòu)和物理力學(xué)性質(zhì)過(guò)程、條件土的形成過(guò)程滲透特性變形特性強(qiáng)度特性土的三相組成土的物理狀態(tài)土的結(jié)構(gòu)土的形成過(guò)程土的工程分類：便于研究和應(yīng)用土的壓實(shí)性：如何獲得較好的土決定1.1概述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，稱次生礦物形成十分細(xì)微的土顆粒，最主要為粘性顆粒及可溶鹽類包括植物、動(dòng)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(yíng)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)土的形成與風(fēng)化作用物理風(fēng)化化學(xué)風(fēng)化生物活動(dòng)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(dòng)過(guò)程中因碰撞和摩擦而破碎是顆粒大小發(fā)生量的變化礦物成分與母巖相同，稱原生礦物產(chǎn)生無(wú)粘性土1.1概述風(fēng)化所形成的土顆粒，受自然力的作用搬運(yùn)到遠(yuǎn)近不同的地點(diǎn)所沉積的堆積物坡積土：土粒粗細(xì)不同，性質(zhì)不均洪積土：有分選性，近粗遠(yuǎn)細(xì)沖積土：渾圓度分選性明顯，土層交迭湖泊沼澤沉積土：含有機(jī)物淤泥，土性差海相沉積物：顆粒細(xì)，表層松軟，土性差冰積土：土粒粗細(xì)變化較大，性質(zhì)不均勻風(fēng)積土：顆粒均勻，層厚而不具層理殘積土

無(wú)搬運(yùn)運(yùn)積土

有搬運(yùn)搬運(yùn)與沉積母巖表層經(jīng)風(fēng)化作用破碎成巖屑或細(xì)小顆粒后，未經(jīng)搬運(yùn)殘留在原地的堆積物

殘積土強(qiáng)風(fēng)化弱風(fēng)化微風(fēng)化母巖體顆粒表面粗糙多棱角粗細(xì)不均無(wú)明顯層理1.1概述土體的三相構(gòu)成土中氣體氣相次要作用固體顆粒固相構(gòu)成土體骨架

起決定作用土中水液相重要影響飽和土：土體孔隙完全被水充滿干土：土體孔隙完全被氣充滿非飽和土：孔隙中水和氣均存在1.1概述土體的特點(diǎn)散體性：顆粒之間無(wú)粘結(jié)或者一定粘結(jié)，存在大量孔隙，可以透水透氣。多相性：土往往由固體顆粒、水和氣體組成的三相體系，相系之間質(zhì)和量的變化直接影響它的工程性質(zhì)。自然變異性：性質(zhì)復(fù)雜，不均勻，且隨時(shí)間不斷變化的材料。主要內(nèi)容：概述土中固體顆粒土中水和土中氣粘土顆粒與水的相互作用土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造1.2土中固體顆粒固體顆粒–土粒粒度與粒組粒組：介于一定粒度范圍內(nèi)的土。界限粒徑d(mm)礫石砂粒粉粒粘粒膠粒6020.0750.0050.0020.250.5520粗

中

細(xì)粗

中

細(xì)0.075粗粒細(xì)粒粗粒土：以礫石和砂礫為主要組成的土，也稱無(wú)粘性土。細(xì)粒土：以粉粒、粘粒和膠粒為主要組成的土，也稱粘性土。巨粒601.2土中固體顆粒固體顆粒–粒度成分分析實(shí)驗(yàn)0.07560粒徑級(jí)配：各粒組的相對(duì)含量，用質(zhì)量百分?jǐn)?shù)來(lái)表示分析方法：

篩分法：適用于粗粒土孔徑大小不同的篩子

水分法：適用于細(xì)粒土常采用比重計(jì)法表述方法:

粒徑級(jí)配累積曲線1.2土中固體顆粒固體顆粒–篩分實(shí)驗(yàn)孔徑105.02.01.00.50.250.1(0.075)200g土篩余0101618242238721009080706050403020100小于某粒徑之土質(zhì)量百分?jǐn)?shù)P（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒徑(mm)P100958778665536土的粒徑級(jí)配累積曲線水分法粒徑(mm)0.050.010.005百分?jǐn)?shù)P(%)2613.510篩分法1.2土中固體顆粒固體顆粒–沉降分析法實(shí)驗(yàn)原理：分散于水中后，土粒下沉速度與土粒形狀、粒徑、密度及水的粘滯度有關(guān)。實(shí)驗(yàn)時(shí)假定土粒為理想球體。根據(jù)G.G.斯托克斯定律計(jì)算。1.2土中固體顆粒固體顆粒–粒度成份分布曲線1009080706050403020100小于某粒徑之土質(zhì)量百分?jǐn)?shù)（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒徑(mm)土的粒徑級(jí)配累積曲線d60d50d10d30特征粒徑:

斜率:某粒徑范圍內(nèi)顆粒的含量陡-相應(yīng)粒組含量多緩-相應(yīng)粒組含量少

平臺(tái)狀-相應(yīng)粒組缺乏d50:平均粒徑d60:控制粒徑d10

:有效粒徑d301.2土中固體顆粒固體顆粒–粒度成份分布曲線土的粗細(xì)度：用d50

表示土的不均勻程度：用不均勻系數(shù)：Cu=d60/d10

表示，Cu

5，稱為不均勻土，反之稱為均勻土連續(xù)程度:用曲率系數(shù)

Cc=d302/(d60×d10

)

度量,Cc=1~3時(shí)為連續(xù)級(jí)配,>3或<1為不連續(xù)級(jí)配1009080706050403020100小于某粒徑之土質(zhì)量百分?jǐn)?shù)（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒徑(mm)土的粒徑級(jí)配累積曲線d60d50d10d301.2土中固體顆粒1009080706050403020100小于某粒徑之土質(zhì)量百分?jǐn)?shù)（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒徑(mm)土的粒徑級(jí)配累積曲線d60d10d30曲線d60d10d30CuCcL0.330.0050.081663.98M0.0632.41R0.0300.545缺少小顆粒，Cc缺少大顆粒，CcCc=13,級(jí)配連續(xù)曲率系數(shù)舉例1.2土中固體顆粒粒組含量用于土的分類定名；不均勻系數(shù)Cu用于判定土的不均勻程度：

Cu

5為不均勻土；Cu

5為均勻土

曲率系數(shù)Cc用于判定土的連續(xù)程度：

Cc=1~3為級(jí)配連續(xù)土；Cc>3或Cc<1為級(jí)配不連續(xù)土不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc用于判定土的級(jí)配優(yōu)劣：

Cu

5且Cc=1~3為級(jí)配良好的土；如果Cu<5或Cc>3

或Cc<1為

級(jí)配不良的土粒徑級(jí)配曲線和指標(biāo)的應(yīng)用1.2土中固體顆粒固體顆粒-礦物成分固體成分原生礦物-石英、長(zhǎng)石、云母等次生礦物礦物質(zhì)有機(jī)質(zhì)無(wú)定形氧化物膠體可溶鹽粘土礦物具有和原生礦物很不相同的特性對(duì)粘土性質(zhì)的影響很大1.3土中水和土中氣土中水結(jié)晶水礦物內(nèi)部的水結(jié)合水吸附在土顆粒表面的水自由水電場(chǎng)引力作用范圍之外的水土中冰由自由水凍成，凍脹融沉水蒸氣存在孔隙空氣中1.3土中水和土中氣土中水–結(jié)合水-強(qiáng)結(jié)合水：排列致密，密度>1g/cm3

冰點(diǎn)處于零下幾十度完全不能移動(dòng)，具有固體的特性溫度高于100°C時(shí)可蒸發(fā)-弱結(jié)合水：受電場(chǎng)引力作用，為粘滯水膜外力作用下可以移動(dòng)不因重力而流動(dòng)，有粘滯性粘土顆粒-----------------++++引力d水分子陽(yáng)離子強(qiáng)結(jié)合水弱結(jié)合水自由水結(jié)合水：受顆粒表面電場(chǎng)作用力吸引而包圍在顆粒四周，不傳遞靜水壓力，不能任意流動(dòng)的水1.3土中水和土中氣毛細(xì)水：由于土體孔隙的毛細(xì)作用升至自由水面以上的水。毛細(xì)水承受表面張力和重力的作用。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動(dòng)。土中水–

自由水自由水：不受顆粒電場(chǎng)引力作用的孔隙水hc毛細(xì)水重力水1.3土中水和土中氣毛管中流體的界面效應(yīng)Tdkw空氣固體=濕潤(rùn)角水lDk=毛管直徑ua-uwua-uw=壓力差1.3土中水和土中氣毛細(xì)管hc土中毛細(xì)水上升高度T2r上升高度r2hcw=2rTcos毛細(xì)升高與孔徑成反比粘土粉土砂土礫石1.3土中水和土中氣張力TTuc水hc2ruc=-hcw水壓+-TT則毛細(xì)壓力：2πrTcosα+ucπr2=0毛細(xì)管中的負(fù)靜水壓力毛細(xì)水壓力1.3土中水和土中氣土顆?？p隙處的彎液面r空氣水固體顆粒彎液面在非飽和土中，孔隙中含有水和氣，此時(shí)水多集中于顆粒間的縫隙處，稱毛細(xì)角邊水。由于毛細(xì)張力的作用，會(huì)形成如圖所示的彎液面，使毛細(xì)角邊水產(chǎn)生負(fù)壓力，顆粒則受正壓力。這是稍濕的砂土顆粒間存在假凝聚力的原因1.3土中水和土中氣氣相-土中氣自由氣體：與大氣連通的氣體對(duì)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)。會(huì)增加土的彈性；阻塞滲流通道，降低滲透性溶解在水中的氣體吸附于土顆粒表面的氣體1.4黏土顆粒與水的相互作用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、伊利石和蒙特石三種類型。

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(jiǎn)圖OH1-鋁離子Al3+鋁-氫氧八面體鋁片的結(jié)構(gòu)鋁片簡(jiǎn)圖AlAl1.4黏土顆粒與水的相互作用粘土礦物依硅片和鋁片組疊形式的不同，可分成如下三種類型：高嶺石

蒙脫石伊利石是云母在堿性介質(zhì)中風(fēng)化的產(chǎn)物。與蒙特石相似，由兩層硅片夾一層鋁片所形成的三層結(jié)構(gòu)，但晶層之間有鉀離子連結(jié)。主要特征：連結(jié)強(qiáng)度弱于高嶺石而高于蒙脫石，其特征也介于兩者之間。2:1的三層結(jié)構(gòu)SiSiAlAlSiSiSiSiAlAlSiSi鉀離子晶層間是O2-對(duì)O2-的連結(jié)，聯(lián)結(jié)力很弱，水很容易進(jìn)入晶層之間。每一顆粒能組疊的晶層數(shù)較少。顆粒大小約為0.1-1，厚約0.001-0.01。主要特征：顆粒細(xì)微，具有顯著的吸水膨脹、失水收縮的特性，或者說(shuō)親水能力強(qiáng)。2:1的三層結(jié)構(gòu)SiSiAlAlSiSiSiSiAlAlSiSi數(shù)層水分子晶層間通過(guò)氫鍵聯(lián)結(jié)，聯(lián)結(jié)力強(qiáng)，晶格不能自由活動(dòng)，水難以進(jìn)入晶格間能組疊很多晶層，多達(dá)百個(gè)以上，成為一個(gè)顆粒。顆粒長(zhǎng)寬約0.3-3，厚約0.03-1。主要特征：顆粒較粗，不容易吸水膨脹和失水收縮，或者說(shuō)親水能力差。SiSiAlAlSiSiAlAlSiSiAlAl高嶺石微粒1:1的兩層結(jié)構(gòu)1.4黏土顆粒與水的相互作用粘土礦物的帶電性質(zhì)研究表明，片狀粘土顆粒表面常帶有電荷，凈電荷通常為負(fù)電荷----------------------++++粘土顆粒水分子陽(yáng)離子粘土礦物的帶電特性玻璃筒玻璃皿水位升高粘土粒粘土膏+-粘土的電泳和電滲現(xiàn)象(列依斯,1809)1.4黏土顆粒與水的相互作用粘土礦物的帶電特性粘土產(chǎn)生不平衡負(fù)電荷的原因：離解作用：指粘土礦物顆粒與水作用后離解成更微小的顆粒，離解后陽(yáng)離子擴(kuò)散到水中，陰離子留在顆粒表面吸附作用：溶于水中的粘土礦物顆粒把水介質(zhì)中一些與本身晶格架中相同或者相似的離子選擇性的吸附到表面同晶置換：礦物晶格中高價(jià)陽(yáng)離子被低價(jià)陽(yáng)離子置換。邊緣斷鏈：晶體邊緣處產(chǎn)生斷裂，晶體的連續(xù)性受到破壞，造成電荷不平衡，因而比表面積越大，表面能也越大。1.4黏土顆粒與水的相互作用雙電層概念土粒的帶電性使其周圍形成電場(chǎng)，則其電場(chǎng)內(nèi)陽(yáng)離子受到兩種作用力：Ⅰ、電場(chǎng)的靜電引力作用Ⅱ、布朗運(yùn)動(dòng)的擴(kuò)散力作用粘土顆粒-----------------++++引力d水分子陽(yáng)離子固定層擴(kuò)散層自由水雙電層：固定層和擴(kuò)散層中所含的陽(yáng)離子與土粒表面的負(fù)電荷的電位相反，兩層合稱為反離子層，反離子層與土粒表面負(fù)電荷一起構(gòu)成雙電層1.4土的結(jié)