土的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)課件

土的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)第一節(jié)土的形成

一、土和土體的概念1．土(soil)

地球表面30－80km厚的范圍是地殼。地殼中原來整體堅(jiān)硬的巖石，經(jīng)風(fēng)化、剝蝕搬運(yùn)、沉積，形成固體礦物、水和氣體的集合體稱為土。

土是由固體相、液相、氣體三相物質(zhì)組成；或土是由固體相、液體相、氣體相和有機(jī)質(zhì)（腐殖質(zhì)）相四相物質(zhì)組成。不同的風(fēng)化作用，形成不同性質(zhì)的土。風(fēng)化作用有下列三種：物理風(fēng)化、化學(xué)風(fēng)化、生物風(fēng)化。二、土和土體的形成和演變

地殼表面廣泛分布著的土體是完整堅(jiān)硬的巖石經(jīng)過風(fēng)化、剝蝕等外力作用而瓦解的碎塊或礦物顆粒，再經(jīng)水流、風(fēng)力或重力作用、冰川作用搬運(yùn)在適當(dāng)?shù)臈l件下沉積成各種類型的土體。搬運(yùn)過程中，由于形成土的母巖成分的差異、顆粒大小、形態(tài)，礦物成分又進(jìn)一步發(fā)生變化，并在搬運(yùn)及沉積過程中由于分選作用形成在成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和性質(zhì)上有規(guī)律的變化。三、土的基本特征及主要成因類型（一）土的基本特征1．土是自然歷史的產(chǎn)物2．土是相系組合體3．土是分散體系4．土是多礦物組合體1．土是自然歷史的產(chǎn)物土是由許多礦物自然結(jié)合而成的。它在一定的地質(zhì)歷史時期內(nèi)，經(jīng)過各種復(fù)雜的自然因素作用后形成各類土的形成時間、地點(diǎn)、環(huán)境以及方式不同，各種礦物在質(zhì)量、數(shù)量和空間排列上都有一定的差異，其工程地質(zhì)性質(zhì)也就有所不同。2．土是相系組合體土是由三相（固、液、氣）或四相（固、液、氣、有機(jī)質(zhì)）所組成的體系。相系組成之間的變化,將導(dǎo)致土的性質(zhì)的改變。土的相系之間的質(zhì)和量的變化是鑒別其工程地質(zhì)性質(zhì)的一個重要依據(jù)。它們存在著復(fù)雜的物理～化學(xué)作用。3．土是分散體系由二相或更多的相所構(gòu)成的體系，其一相或一些相分散在另一相中，謂之分散體系。根據(jù)固相土粒的大小程度(分散程度)，土可分為①粗分散體系（大于2μ），②細(xì)分散體系，（2～0.1μ），③膠體體系（0.1～0.01μ），④分子體系（小于0.01μ）。分散體系的性質(zhì)隨著分散程度的變化而改變。4．土是多礦物組合體在一般情況下，土將含有5～10種或更多的礦物，其中除原生礦物外，次生粘土礦物是主要成分。粘土礦物的粒徑很?。ㄐ∮?.002mm），遇水呈現(xiàn)出膠體化學(xué)特性。（二）土體的主要成因類型1．殘積土體的特征2．坡積土體的特征3．洪積土體的特征4．湖積土體的特征5．沖積土體的特征1．殘積土體的工程地質(zhì)特征

殘積土體是由基巖風(fēng)化而成，未經(jīng)搬運(yùn)留于原地的土體。它處于巖石風(fēng)化殼的上部，是風(fēng)化殼中劇風(fēng)化帶。影響殘積土工程地質(zhì)特征因素主要是氣候條件和母巖的巖性1）氣候因素①干旱地區(qū)：以物理風(fēng)化為主，只能使巖石破碎成粗碎屑物和砂礫，缺乏粘土礦物，具有礫石類土和工程地質(zhì)特征。②半干旱地區(qū)：在物理風(fēng)化的基礎(chǔ)上發(fā)生化學(xué)變化，使原生的硅酸鹽礦物變成粘土礦物；但由于雨量稀少，蒸汽量大，故土中常含有較多的可溶鹽類；如碳酸鈣、硫酸鈣等。③潮濕地區(qū)：a、在潮濕而溫暖，排水條件良好的地區(qū)，由于有機(jī)質(zhì)迅速腐爛，分解出CO2，有利于高嶺石的形成。b、在潮濕溫暖而排水條件差的地區(qū)，則往往形成蒙脫石。2）.母巖因素

母巖的巖性影響著殘積土的粒度成分和礦物成分；酸性火成巖含較多的粘土礦物，其巖性為粉質(zhì)粘土或粘土；中性或基性火成巖易風(fēng)化成粉質(zhì)粘土；沉積巖大多是松軟土經(jīng)成巖作用后形成的，風(fēng)化后往往恢復(fù)原有松軟土的特點(diǎn)，如：粘土巖粘土；細(xì)砂巖細(xì)砂土等。

殘積物的厚度在垂直方向和水平方向變化較大；這主要與沉積環(huán)境、殘積條件有關(guān)（山丘頂部因侵蝕而厚度較小；山谷低洼處則厚度較大。）2．坡積土體的工程地質(zhì)特征①巖性成分多種多樣；②一般見不到層理；③地下水一般屬于潛水，有時形成上層滯水④坡積土體的厚度變化大，由幾厘米至一二十米，在斜坡較陡處薄，在坡腳地段厚。一般當(dāng)斜坡的坡角越陡時，坡腳坡積物的范圍越大。3．洪積土體的工程地質(zhì)特征

洪積土體是暫時性、周期性地面水流——山洪帶來的碎屑物質(zhì)，在山溝的出口地方堆積而成。洪積土體多發(fā)育在干旱半干旱地區(qū)，如我國的華北、西北地區(qū)。其特征為：距山口越近顆粒越粗，多為塊石、碎石、礫石和粗砂，分選差，磨圓度低、強(qiáng)度高，壓縮性?。唬ǖ紫洞?，透水性強(qiáng)）距山口越遠(yuǎn)顆粒越細(xì)，分選好，磨圓度高，強(qiáng)度低，壓縮性高。4．湖積土體的工程地質(zhì)特征湖積土體在內(nèi)陸分布廣泛，一般分為淡水湖積土和咸水湖積土。淡水湖積土：分為湖岸土和湖心土兩種。湖岸多為礫石土、砂土或粉質(zhì)砂土；湖心土主要為靜水沉積物，成分復(fù)雜，以淤泥、粘性土為主，可見水平層理。咸水湖積物以石膏、巖鹽、芒硝及碳酸巖類為主，有時以淤泥為主。

總之，湖積土體具有以下工程地質(zhì)特征①分布面積有限，且厚度不大②具獨(dú)特的產(chǎn)狀條件③粘土類湖積物常含有機(jī)質(zhì)、各種鹽類及其它混合物④具層理性，具各向異性5．沖積土體的工程地質(zhì)特征1）河床相：主要分布在河床地帶，沖積土一般為砂土及礫石類土，有時也夾有粘土透鏡體，在垂直剖面上土粒由下到上，由粗到細(xì)，成分較復(fù)雜，但磨圓度較好。山區(qū)河床沖積土厚度不大，一般為10米左右；而平原地區(qū)河床沖積土則厚度很大，一般超過幾十米，其沉積物也較細(xì)。河床相物質(zhì)是良好的天然地基。2）河漫灘相沖積土是由洪水期河水將細(xì)粒懸浮物質(zhì)帶到河漫灘上沉積而成的。一般為細(xì)砂土或粘土，覆蓋于河床相沖積土之上。常為上下兩層結(jié)構(gòu)，下層為粗顆粒土，上層為泛濫的細(xì)顆粒土。3）牛軛湖相沖積土是在廢河道形成的牛軛湖中沉積下來的松軟土。由含有大量有機(jī)質(zhì)的粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)砂土、細(xì)砂土組成，沒有層理。第二節(jié)土的三相組成

土是由固體顆粒，液體水和氣體三部分組成，稱為土的三相組成。固體+氣體（液體=0）為干土，干粘土較硬，干砂松散；固體＋液體＋氣體為濕土，濕的粘土多為可塑狀態(tài)；固體＋液體（氣體=0）為飽和土，飽和粉細(xì)砂受震動可能產(chǎn)生液化；飽和粘土地基沉降需很長時間才能穩(wěn)定。一、土的固體顆粒（一）粒徑級配（粒度成分）（二）土粒成分（一）粒徑級配（粒度成分）

隨著顆粒大小不同，土可以具有很不相同的性質(zhì)。顆粒的大小通常以粒徑表示。工程上按粒徑大小分組，稱為粒組，即某一級粒徑的變化范圍。劃分粒組的兩個原則：（1）首先考慮到在一定的粒徑變化范圍內(nèi)，其工程地質(zhì)性質(zhì)是相似的，若超越了這個變化幅度就要引起質(zhì)的變化。（2）要考慮與目前粒度成分的測定技術(shù)相適應(yīng)。

目前，我國廣泛應(yīng)用的粒組劃分方案見教材P11表2-1所示。將粒徑由大至小劃分為六個粒組（1）漂石或塊石組；（2）卵石（碎石）組；（3）礫石；（4）砂粒組；（5）粉粒組；（6）粘粒組1、粒徑級配分析方法

工程上，使用的粒徑級配的分析方法有篩分法和水分法兩種。篩分法適用于顆粒大于0.1mm（或0.074mm，按篩的規(guī)格而言）的土。它是利用一套孔徑大小不同的篩子，將事先稱過重量的烘干土樣過篩，稱留在各篩上的重量，然后計(jì)算相應(yīng)的百分?jǐn)?shù)。

水分法（靜水沉降法）：用于分析粒級小于0.1mm的土，根據(jù)斯托克斯（stokes）定理，球狀的細(xì)顆粒在水中的下沉速度與顆粒直徑的平方成正比。V＝Kd2。因此可以利用粗顆粒下沉速度快，細(xì)顆粒下沉速度慢的原理，把顆粒按下沉速度進(jìn)行進(jìn)行粗細(xì)分組。實(shí)驗(yàn)室常用比重計(jì)進(jìn)行顆粒分析，稱為比重計(jì)法。例1．從干砂樣中取質(zhì)量1000g的試樣，放入0.1～0.2mm的標(biāo)準(zhǔn)篩中，經(jīng)充分振蕩，稱各級篩上留下來的土粒質(zhì)量見表第二行，試求土粒中各粒組的土粒含量。篩分析試驗(yàn)結(jié)果篩孔徑（mm）2.01.00.500.250.150.1底盤各級篩上的土粒質(zhì)量（g）10010025030010050100小于各級篩孔徑的土粒含量（％）908055251510

各粒組的土粒含量（％）102510105

解：（1）留在孔徑2.0mm篩上的土粒質(zhì)量為100g，則小于2.0mm的土粒質(zhì)量為1000－100＝900g，于是小于該孔（2.0.mm）的土粒含量為900/1000＝90％同理可稱得小于其它孔徑的土粒含量，見第三行。（2）因小于2.0mm和小于1.0mm孔徑的土粒含量90％和80％，可得2.0mm到1.0mm粒組的土粒含量0.90－0.80＝10％。同理可算得其它粒組的土粒含量見第四行。2、粒徑級配曲線

將篩分析和比重計(jì)試驗(yàn)的結(jié)果繪制在以土的粒徑為橫坐標(biāo)，小于某粒徑之土質(zhì)量百分?jǐn)?shù)p(％)為縱坐標(biāo)，得到的曲線稱土的粒徑級配累積曲線此外，粒徑的級配的表示方法還有列表法，三角圖法等。3、粒徑級配累積曲線的應(yīng)用土的粒徑級配累積曲線是土工上最常用的曲線，從這曲線上可以直接了解土的粗細(xì)、粒徑分布的均勻程度和級配的優(yōu)劣。土的有效粒徑（d10）：小于某粒徑的土粒質(zhì)量累計(jì)百分?jǐn)?shù)為10％時，相應(yīng)的粒徑稱為有效粒徑（d10）。土的平均粒徑（d50）：系指土中大于此粒徑和小于此粒徑的土的含量均占50％d30：小于某粒徑的土粒質(zhì)量累計(jì)百分?jǐn)?shù)為30％時的粒徑用d30表示。3、粒徑級配累積曲線的應(yīng)用土的控制粒徑（d60）或稱限定粒徑（d60）：當(dāng)小于某粒徑的土粒質(zhì)量累計(jì)百分?jǐn)?shù)為60％時，該粒徑稱為控制粒徑。定義土的不均勻系數(shù)為：定義土的粒徑級配累積曲線的曲率系數(shù)為：不均勻系數(shù)反映大小不同粒組的分布情況。越大表示土粒大小的分布范圍越大，顆粒大小越不均勻，其級配越良好，作為填方工程的土料時，則比較容易獲得較大的密實(shí)度。

在一般情況下：1).工程上把Cu≤5的土看作是均粒土，屬級配不良；Cu>5時，稱為不均粒土；Cu>10的土屬級配良好。2).經(jīng)驗(yàn)證明，當(dāng)級配連續(xù)時，Cu的范圍約為1～3；因此當(dāng)Cu<1或Cu>3時，均表示級配線不連續(xù)。從累積曲線圖(4—1)可以求得和判斷下列問題：l、可求得任一粒徑區(qū)間的質(zhì)量百分含量：自橫坐標(biāo)上某粒徑區(qū)間的兩端點(diǎn)作垂線與曲線相交，此二交點(diǎn)之縱坐標(biāo)差即為該粒徑區(qū)間的質(zhì)量百分含量；2、可求得相當(dāng)于任一百分含量的最大粒徑：自縱坐標(biāo)上某百分含量處引橫坐標(biāo)的平行線與曲線相交，該點(diǎn)之橫坐標(biāo)即為某最大粒徑；從累積曲線