土力學(xué)第一章土的組成

1、1土 力 學(xué)華南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木學(xué)院黃金林21 1 概述概述 土是由顆粒土是由顆粒(固相固相) 、水、水(液相液相) 和氣和氣(氣相氣相) 組成的三相體系。組成的三相體系。 固相指土的顆粒，簡稱土粒。它構(gòu)成土固相指土的顆粒，簡稱土粒。它構(gòu)成土的骨架，稱為土骨架。的骨架，稱為土骨架。 土粒大小是影響土的性質(zhì)最主要的因素。土粒大小是影響土的性質(zhì)最主要的因素。土粒大小含量的相對數(shù)量關(guān)系是土的分土粒大小含量的相對數(shù)量關(guān)系是土的分類依據(jù)。類依據(jù)。3土是由固相土是由固相、液相液相、氣相組成的氣相組成的三相分散系。三相分散系。 固相固相包括多種礦物成分組成包括多種礦物成分組成土的骨架，骨架間的空隙為液相土

2、的骨架，骨架間的空隙為液相和氣相填滿，這些空隙是相互連和氣相填滿，這些空隙是相互連通的，形成多孔介質(zhì)；通的，形成多孔介質(zhì)； 液相液相主要是水主要是水(溶解有少量的溶解有少量的可溶鹽類可溶鹽類)； 氣相氣相主要是空氣、水蒸氣，主要是空氣、水蒸氣，有時還有沼氣等。有時還有沼氣等。4土體三相比例不同，土的狀態(tài)和工程性質(zhì)也隨之各異，例如： 固體+氣體（液體=0）為干土干土，此時粘土粘土呈堅硬狀態(tài)， 砂土呈松散狀態(tài)； 固體+液體+氣體為濕土濕土，此時粘土粘土多為可塑狀態(tài)； 固體+液體（氣體=0）為飽和土飽和土，此時粉細砂或粉土遇強烈地震，可能產(chǎn)生液化，而使工程遭受破壞；粘土粘土地基受建筑物荷載作用發(fā)生沉

3、降需幾十年才能穩(wěn)定。52 2 土中固體顆粒土中固體顆粒 土粒土粒1 土粒的粒度成分土粒的粒度成分淤泥質(zhì)土，腐質(zhì)土）物參與的風(fēng)化。淤泥、有機礦物顆粒（由微生高嶺石伊利石蒙脫石粘土礦物土礦物）化后的產(chǎn)物，主要有粘次生礦物（原生礦物風(fēng)）如石英、長石、云母等原生礦物（造巖礦物，無機礦物顆粒氧化物膠體(Al2O3、Fe2O3）和鹽類（CaCO3、CaSO4、NaCl等）6原生礦物原生礦物由巖石經(jīng)物理風(fēng)化生成的，顆粒成分與母巖的相同，常見的有石英、長石和云母 顆粒較粗，多呈渾圓形狀，吸附水的能力弱，無塑性。次生礦物次生礦物 由原生礦物經(jīng)化學(xué)風(fēng)化生成的新礦物它的成分成分與母巖的完全不同，有高嶺石、伊利石和蒙

4、脫石粘土礦物顆粒極細，且多呈片狀， 性質(zhì)活潑，吸附水能力強，具塑性 水溶鹽水溶鹽可溶性次生礦物。常見的有巖鹽、鉀鹽、石膏、方解石，硫酸鹽類還對金屬和混凝土有一定的腐蝕作用有機質(zhì)有機質(zhì)動植物分解后的殘骸，稱為腐殖質(zhì)。其顆粒極細，粒徑小于0.1m，呈凝膠狀，帶有電荷，具極強的吸附性。71.1 土的組成 一、土的固相一、土的固相 土粒的大小、相關(guān)礦物成分以及大小搭配情況對土土粒的大小、相關(guān)礦物成分以及大小搭配情況對土的物理力學(xué)性質(zhì)有明顯影響的物理力學(xué)性質(zhì)有明顯影響 粒組的劃分粒組的劃分 土粒的大小通常以粒徑粒徑表示，以mm為單位。 土粒按粒徑大小分為若干組別，稱為粒組粒組。 粒組間的分界粒徑稱為界限

5、粒徑界限粒徑。 以土中各個粒組的相對含量來表示土體中土粒的大小及組成稱為土的顆粒級配顆粒級配或粒度成分粒度成分粒組的劃分的原則粒組的劃分的原則 每個粒組的成分與性質(zhì)相同或相似； 不同大小的土?？刹捎貌煌姆椒ㄟM行分析； 粒組界限值力求服從簡單的數(shù)學(xué)規(guī)律。8粒組粒組統(tǒng)稱統(tǒng)稱粒組名稱粒組名稱粒徑范圍（粒徑范圍（mmmm） 主主 要要 特特 征征分析方法分析方法 巨巨 粒粒漂石（塊石）粒漂石（塊石）粒 200 200 透水性很大，壓縮性極透水性很大，壓縮性極小，顆粒間無粘結(jié)，無小，顆粒間無粘結(jié)，無毛細性。毛細性。直接測定直接測定 卵石（碎石）粒卵石（碎石）粒 2002006060粗粒粗粒圓（角）圓（

6、角）礫礫粗粗 60602020透水性大，壓縮性小，透水性大，壓縮性小，無粘性，毛細性上升高無粘性，毛細性上升高度不超過粒徑度不超過粒徑篩篩分分法法 中中20205 5細細5 52 2砂粒砂粒 粗粗2 20.50.5易透水易透水, ,壓縮性增加壓縮性增加, ,無無粘性粘性, ,遇水不膨脹遇水不膨脹, ,干時干時松散松散, ,毛細性上升高度毛細性上升高度不大不大中中 0.50.50.250.25細細0.250.250.0750.075細粒細粒粉粒粉粒 粗粗0.0750.0750.010.01透水性小，壓縮性中等，透水性小，壓縮性中等，毛細上升高度較大，微毛細上升高度較大，微粘性粘性, ,易凍脹易凍

7、脹沉降分析沉降分析法法細細0.010.010.0050.005粘粒粘粒 0.005 0.005 透水性極弱，壓縮性變透水性極弱，壓縮性變化大，具粘性和可塑性化大，具粘性和可塑性, ,遇水膨脹大遇水膨脹大 土粒粒組的劃分土粒粒組的劃分 表表1-1 9總結(jié)總結(jié)粒組粒組 界于一定粒度范圍內(nèi)的土粒界于一定粒度范圍內(nèi)的土粒粒度粒度 土粒的大小以粒徑表示土粒的大小以粒徑表示界限粒徑界限粒徑 劃分粒組的分界尺寸劃分粒組的分界尺寸粘粒粘粒粉粒粉粒砂粒砂粒 園粒角粒園粒角粒 卵石碎石卵石碎石 漂石塊石漂石塊石0.0050.0050.0750.0752 26060200200d mmd mm10規(guī)律規(guī)律dmm卵石

8、卵石礫石礫石砂粒砂粒粉粒粉粒 粘粒粘粒 膠粒膠粒60602 20.050.05 0.0050.005 0.0020.0020.250.5520粗 中 細 粗 中 細 極細0.0750.075粗粒土粗粒土細粒土細粒土1 土的透水性與土的粒徑成反比。2 土的粘性與土的粒徑成正比。113.土的顆粒級配土的顆粒級配工程上將各種不同的土粒按其粒徑范圍，劃分為工程上將各種不同的土粒按其粒徑范圍，劃分為若干粒組，為了表示土粒的大小及組成情況，通若干粒組，為了表示土粒的大小及組成情況，通常以土中各個粒組的相對含量（即各粒組占土粒常以土中各個粒組的相對含量（即各粒組占土?？偭康陌俜?jǐn)?shù)）來表示，稱為土的顆粒級配總

9、量的百分?jǐn)?shù)）來表示，稱為土的顆粒級配 試驗方法試驗方法篩分法：篩分法：適用于適用于0.075mmd60mm比重計法比重計法: :適用于適用于d0.075mm12篩分法篩分法用一套孔徑不同的篩子，按用一套孔徑不同的篩子，按從上至下篩孔逐漸減小放置。從上至下篩孔逐漸減小放置。將事先稱過質(zhì)量的烘干土樣將事先稱過質(zhì)量的烘干土樣過篩，稱出留在各篩上的土過篩，稱出留在各篩上的土質(zhì)量，然后計算其占總土粒質(zhì)量，然后計算其占總土粒質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)質(zhì)量的百分?jǐn)?shù) 13比重計法比重計法利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同來利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同來確定小于某粒徑的土粒含量確定小于某粒徑的土粒含量14顆粒粒

10、徑級配曲線顆粒粒徑級配曲線 縱坐標(biāo)表示小于某粒徑的土粒含量百分比縱坐標(biāo)表示小于某粒徑的土粒含量百分比, ,橫坐橫坐標(biāo)表示土粒的粒徑標(biāo)表示土粒的粒徑( (對數(shù)坐標(biāo)）對數(shù)坐標(biāo)）15顆粒級配的描述顆粒級配的描述 工程上常用不均勻系工程上常用不均勻系數(shù)數(shù)Cu描述顆粒級配的描述顆粒級配的不均勻程度不均勻程度 1060ddCud10、d30、d60小于某粒徑的小于某粒徑的土粒含量為土粒含量為10%、 30%和和60%時所對應(yīng)的粒徑時所對應(yīng)的粒徑Cu愈大，表示土粒愈不均愈大，表示土粒愈不均勻。工程上把勻。工程上把Cu5的土視的土視為級配不良的土；為級配不良的土； Cu10的土視為級配良好的土的土視為級配良好

11、的土 曲率系數(shù)曲率系數(shù)Cc描述顆粒級描述顆粒級配曲線整體形態(tài)，表明配曲線整體形態(tài)，表明某粒組是否缺失情況某粒組是否缺失情況 6010230dddCc對于礫類土或砂類土，同時滿對于礫類土或砂類土，同時滿足足Cu5和和Cc= =13時，定名為時，定名為良好級配砂或良好級配礫良好級配砂或良好級配礫 1610.10.011E-302040608010010小于某粒徑的土粒質(zhì)量/%粒徑/mm17同時滿足為級配良好同時滿足為級配良好 Cu5 Cu10在工程中在工程中 Cc= =13礫類土或砂類土礫類土或砂類土同時滿足為良好級配砂（礫）同時滿足為良好級配砂（礫） Cc= =13 Cu 105105度吸熱變蒸

12、汽度吸熱變蒸汽24（2）弱）弱結(jié)合水結(jié)合水弱結(jié)合水弱結(jié)合水：緊靠強結(jié)合水的外圍形成的結(jié)合水膜，緊靠強結(jié)合水的外圍形成的結(jié)合水膜，所受的電場作用力隨著與顆粒距離增大而減弱所受的電場作用力隨著與顆粒距離增大而減弱 不傳遞靜水壓力不傳遞靜水壓力密度密度1.0-1.71.0-1.7g/cmg/cm3 3 具有較大粘滯性、彈性、抗剪強度具有較大粘滯性、彈性、抗剪強度特征特征較厚的水膜向較薄的水膜遷移較厚的水膜向較薄的水膜遷移25自由水自由水存在于土粒電場影響范圍以外，性質(zhì)和普通水無異存在于土粒電場影響范圍以外，性質(zhì)和普通水無異能傳遞水壓力能傳遞水壓力特征特征冰點為冰點為0有溶解能力有溶解能力 重力作用重

13、力作用重力水重力水毛細水毛細水毛細水上毛細水上升高度升高度飽和飽和帶帶重力水重力水毛細水毛細水26薄膜水薄膜水吸著水吸著水 吸離土粒距離吸離土粒距離電電分分子子引引力力土粒土粒 正電荷正電荷H H+ +負電荷負電荷OHOH- - 顆粒表面顆粒表面的負電荷的負電荷 極化水分子極化水分子 結(jié)合水結(jié)合水 自由水自由水 水化陽離子水化陽離子 27（3）毛細水毛細水是存在于地下水位以上的透水層中孔隙的自由水是存在于地下水位以上的透水層中孔隙的自由水毛細水受到毛細水受到水與空氣界面的表面張力作用水與空氣界面的表面張力作用 重力作用重力作用砂土、粉土、粉質(zhì)粘土中毛細水含量較大砂土、粉土、粉質(zhì)粘土中毛細水含量

14、較大毛細水主要存在于直徑為：毛細水主要存在于直徑為：0.002-0.50.002-0.5 mmmm孔隙中孔隙中28土的毛細現(xiàn)象對工程的影響土的毛細現(xiàn)象對工程的影響建筑物地基凍害建筑物地基凍害地基凍結(jié)地基凍結(jié)地基凍融地基凍融建筑物地下結(jié)構(gòu)側(cè)壁過分潮濕建筑物地下結(jié)構(gòu)側(cè)壁過分潮濕凍脹力凍脹力融陷融陷建筑物地下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)侵蝕建筑物地下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)侵蝕引起沼澤化引起沼澤化引起鹽漬化引起鹽漬化耐久性降低耐久性降低29（4）重力水重力水是存在于地下水位以下透水層孔隙中自由流動的水是存在于地下水位以下透水層孔隙中自由流動的水能傳遞水壓力能傳遞水壓力對土體產(chǎn)生浮力作用對土體產(chǎn)生浮力作用在壓力差作用下產(chǎn)生滲

15、流在壓力差作用下產(chǎn)生滲流 流土流土重力水重力水動水壓力動水壓力滲透破壞滲透破壞溶解土中鹽類溶解土中鹽類管涌管涌孔隙率增大孔隙率增大壓縮性增大壓縮性增大抗剪強度降低抗剪強度降低30 三、土中氣體三、土中氣體 土中氣體土中氣體存在于土孔隙中未被水占據(jù)的部分，存在于土孔隙中未被水占據(jù)的部分，分為與大氣連通的非封閉氣體和與大氣不連分為與大氣連通的非封閉氣體和與大氣不連通的封閉氣體通的封閉氣體1.非封閉氣體：非封閉氣體：受外荷作用時被擠出土體外，對受外荷作用時被擠出土體外，對土的性質(zhì)影響不大土的性質(zhì)影響不大 2.封閉氣體：封閉氣體：受外荷作用，不能逸出，被壓縮或受外荷作用，不能逸出，被壓縮或溶解于水中，

16、壓力減小時能有所復(fù)原，對土的性溶解于水中，壓力減小時能有所復(fù)原，對土的性質(zhì)有較大的影響，使土的滲透性減小，彈性增大質(zhì)有較大的影響，使土的滲透性減小，彈性增大和延長土體受力后變形達到穩(wěn)定的歷時和延長土體受力后變形達到穩(wěn)定的歷時 31四、粘土顆粒與水的相互作用四、粘土顆粒與水的相互作用 強度強度與原子分子間的鍵力有關(guān)與原子分子間的鍵力有關(guān) 受土顆粒間的各種相互作用力所制受土顆粒間的各種相互作用力所制約約與礦物顆粒本身的結(jié)晶與礦物顆粒本身的結(jié)晶格架特征有格架特征有關(guān)關(guān)與組成礦物的原子和分子的排列有關(guān)與組成礦物的原子和分子的排列有關(guān)粘性粘性塑性塑性壓縮性壓縮性脹縮性脹縮性土的土的32 四、土的結(jié)構(gòu)四、

17、土的結(jié)構(gòu) 在成土過程中所形成的土粒的空間排列及其聯(lián)結(jié)形式，在成土過程中所形成的土粒的空間排列及其聯(lián)結(jié)形式，與組成土的顆粒大小、顆粒形狀、礦物成分和沉積條件有與組成土的顆粒大小、顆粒形狀、礦物成分和沉積條件有關(guān)關(guān) 1.單粒結(jié)構(gòu)：單粒結(jié)構(gòu)：粗礦物顆粒在水或空氣中在自重作用下沉落粗礦物顆粒在水或空氣中在自重作用下沉落形成的單粒結(jié)構(gòu)，其特點是土粒間存在點與點的接觸。根形成的單粒結(jié)構(gòu)，其特點是土粒間存在點與點的接觸。根據(jù)形成條件不同，可分為疏松狀態(tài)和密實狀態(tài)據(jù)形成條件不同，可分為疏松狀態(tài)和密實狀態(tài) 密實狀態(tài)密實狀態(tài)疏松狀態(tài)疏松狀態(tài)332.蜂窩結(jié)構(gòu)：蜂窩結(jié)構(gòu)：顆粒間點與點接觸，由于彼此之間引力大顆粒間點與

18、點接觸，由于彼此之間引力大于重力，接觸后，不再繼續(xù)下沉，形成鏈環(huán)單位于重力，接觸后，不再繼續(xù)下沉，形成鏈環(huán)單位, ,很多鏈很多鏈環(huán)聯(lián)結(jié)起來，形成孔隙較大的蜂窩狀結(jié)構(gòu)環(huán)聯(lián)結(jié)起來，形成孔隙較大的蜂窩狀結(jié)構(gòu) 3.絮狀結(jié)構(gòu)絮狀結(jié)構(gòu)：細微粘粒大都呈針狀或片狀，質(zhì)量極輕，細微粘粒大都呈針狀或片狀，質(zhì)量極輕，在水中處于懸浮狀態(tài)。當(dāng)懸液介質(zhì)發(fā)生變化時，土粒表在水中處于懸浮狀態(tài)。當(dāng)懸液介質(zhì)發(fā)生變化時，土粒表面的弱結(jié)合水厚度減薄，粘?；ハ嘟咏?，凝聚成絮狀物面的弱結(jié)合水厚度減薄，粘?；ハ嘟咏?，凝聚成絮狀物下沉，形成孔隙較大的絮狀結(jié)構(gòu)下沉，形成孔隙較大的絮狀結(jié)構(gòu) 蜂窩結(jié)構(gòu)蜂窩結(jié)構(gòu)絮狀結(jié)構(gòu)絮狀結(jié)構(gòu)34 五、土的構(gòu)造五、土的構(gòu)造 土的構(gòu)造是指土體中各結(jié)構(gòu)單