第二章土的三相組成

1、CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES第一節(jié) 土的顆粒級(jí)配第二節(jié) 土的礦物成分第三節(jié) 土中的水第四節(jié) 土的結(jié)構(gòu)第二章第二章 土的三相組成土的三相組成主講：馬淑芝CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES第二章第二章 土的三相組成土的三相組成 土是由固體相、液體相、氣體相組成的三相體系。 固體相固體相指土中的礦物顆粒，簡(jiǎn)稱土粒。它構(gòu)成土的骨架，稱為土骨架土骨架。 液體相液體相由水溶液組成，可分為強(qiáng)結(jié)合水、弱結(jié)合水、毛細(xì)水、重力水等。 氣體相氣體相由空氣和其它氣體構(gòu)成。CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES第一節(jié)第一節(jié) 土的顆粒級(jí)配土的顆粒級(jí)

2、配 一、粒組的劃分一、粒組的劃分自然界中土一般都是由大小不等的土?；旌隙M成的，也就是不同大小的土顆粒按不同的比例搭配關(guān)系構(gòu)成某一類土，比例搭配（級(jí)配）不一樣，則土比例搭配（級(jí)配）不一樣，則土的性質(zhì)各異的性質(zhì)各異。土粒的大小通常以土粒的大小通常以粒徑粒徑表示，以表示，以mm為單位。為單位。土粒按粒徑大小分為若干組別，稱為土粒按粒徑大小分為若干組別，稱為粒組粒組。粒組粒組就是一定的粒徑區(qū)段，以毫米表示。就是一定的粒徑區(qū)段，以毫米表示。 CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES粒組的劃分的原則粒組的劃分的原則1.符合粒徑變化所引起的質(zhì)的變化規(guī)律，即每個(gè)粒組的成符合粒徑變化所引起的

3、質(zhì)的變化規(guī)律，即每個(gè)粒組的成分與性質(zhì)無質(zhì)的變化，具相同或相似的成分與性質(zhì)；分與性質(zhì)無質(zhì)的變化，具相同或相似的成分與性質(zhì)；2.與粒組的分析技術(shù)條件相適應(yīng)，即不同大小的土?？刹膳c粒組的分析技術(shù)條件相適應(yīng)，即不同大小的土?？刹捎貌煌倪m用方法進(jìn)行分析；用不同的適用方法進(jìn)行分析；3.粒組界限值力求服從簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)規(guī)律。粒組界限值力求服從簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)規(guī)律。200、20、2、1/20、1/200mm CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES表表1-1 土的粒組劃分方案土的粒組劃分方案 粒組粒組統(tǒng)稱統(tǒng)稱粒組名稱粒組名稱粒徑粒徑d d范圍（范圍（mmmm） 分析分析方法方法 主主 要要 特特 征

4、征巨巨 粒粒漂石（塊石）粒漂石（塊石）粒 d200 d200 直接直接測(cè)定測(cè)定 透水性很大，壓縮性極小，透水性很大，壓縮性極小，顆粒間無粘結(jié)，無毛細(xì)性。顆粒間無粘結(jié)，無毛細(xì)性。卵石（碎石）粒卵石（碎石）粒 60d200 60d200 粗粒粗粒礫礫粒粒粗礫粗礫 20d60 20d60 篩篩 分分 法法 透水性大，壓縮性小，無粘透水性大，壓縮性小，無粘性，有一定毛細(xì)性。性，有一定毛細(xì)性。細(xì)礫細(xì)礫2d202d20砂砂粒粒 粗砂粗砂0.5d2 0.5d2 中砂中砂 0.25d0.5 0.25d0.5 細(xì)砂細(xì)砂0.075d0.25 0.075d0.25 細(xì)粒細(xì)粒粉粒粉粒 0.005d0.075 0.00

5、50.1mm） 靜水沉降分析法靜水沉降分析法（適用于細(xì)粒土，d0.1mm）（虹吸比重瓶法、移液管法、比重計(jì)法）三、CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES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(jì)算其占總土粒質(zhì)量，然后計(jì)算其占總土粒質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)質(zhì)量的百分?jǐn)?shù) CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES靜水沉降分析法靜水沉降分析法式中： V土粒的沉降速度，cm/s； d土粒直徑，mm；（等

6、效直徑） s土粒密度，g/cm3； w水的比重，g/cm3 ； 水的動(dòng)力粘滯系數(shù)，10-6kPas； g重力加速度，cm/s2 “等效直徑等效直徑”是指土粒沉降速度與某一粒徑的球形顆粒的沉降速度相等，那么這球形顆粒的直徑即為該土粒的直徑。1)-(1 18002dgVws原理：Stokes公式CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES比重計(jì)法比重計(jì)法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CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES三、顆粒級(jí)配的表示方法三、顆粒級(jí)配的表示方法 表格法表格法是將分析資料(各粒組的百分含量或小于某粒徑的累積百分含

7、量)填在已制好的表格內(nèi)。表2-2 顆粒分析成果表CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES顆粒級(jí)配累積曲線顆粒級(jí)配累積曲線（圖解法圖解法） 橫坐標(biāo)采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)，表示土顆粒直徑土顆粒直徑，單位mm；縱坐標(biāo)為小于某粒徑土的累積含量累積含量，用百分比表示。 土的粗細(xì)常用平均粒徑平均粒徑（mm）d50表示，d50指土中大于或小于此粒徑的土粒含量均占50。CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES顆粒級(jí)配累積曲線顆粒級(jí)配累積曲線0.0010.0050.010. 11100806040200。CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES特征粒徑特征粒徑 d10

8、有效粒徑有效粒徑（de）；）；d50平均平均粒徑； d30 、d60限制粒徑限制粒徑。顆粒級(jí)配累積曲線顆粒級(jí)配累積曲線CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES土的不均勻系數(shù)土的不均勻系數(shù)Cu Cu5的土稱為級(jí)配良好的非均粒土。土的曲率系數(shù)土的曲率系數(shù)Cc Cc=13時(shí)，為級(jí)配連續(xù)； Cc 3時(shí)，時(shí)，級(jí)配不連續(xù)。1060230dddCc1060ddCu CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCESCHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES四、土按顆粒級(jí)配的分類四、土按顆粒級(jí)配的分類 粗粒土粗粒土：土中粒徑0.075mm的質(zhì)量超過全部質(zhì)量的50%。

9、細(xì)粒土細(xì)粒土：土中粒徑0.075mm的質(zhì)量小于全部質(zhì)量的50%。巖土工程勘察規(guī)范中的分類法： 將粒徑2mm的質(zhì)量超過50%的稱為碎石土碎石土； 將粒徑2mm的質(zhì)量小于50而大于0.075mm的質(zhì)量超過50%的稱為砂土砂土； 將大于0.075mm的質(zhì)量小于50%的定為粉土粉土或粘性土粘性土。 碎石土、砂土和粉土又稱為無粘性土無粘性土。CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES四、土按顆粒級(jí)配的分類四、土按顆粒級(jí)配的分類細(xì)粒土粗粒土土砂土碎石土粘性土粉土無粘性土CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES土的礦物成分原生礦物次生礦物有機(jī)質(zhì)粘土礦物無定形氧化物膠體可 溶

10、 鹽第二節(jié)第二節(jié) 土的礦物成分土的礦物成分一、土中礦物類型及特性一、土中礦物類型及特性礦物成分取決于礦物成分取決于母巖的礦物成分母巖的礦物成分和和風(fēng)化作用風(fēng)化作用CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES原生礦物原生礦物原生礦物原生礦物是巖石經(jīng)物理風(fēng)化破碎但成分沒有發(fā)生變化的礦物碎屑。例：例：石英、云母、長(zhǎng)石等石英、云母、長(zhǎng)石等原生礦物原生礦物顆粒一般都較粗大，它們主要存在于卵、礫、砂、粉各粒組中。特征：特征：礦物成分的性質(zhì)較穩(wěn)定，由其組成的土具有無礦物成分的性質(zhì)較穩(wěn)定，由其組成的土具有無粘性、透水性較大、壓縮性較低的特點(diǎn)粘性、透水性較大、壓縮性較低的特點(diǎn)巖石巖石物理物理風(fēng)化風(fēng)

11、化巖石破碎巖石破碎 化學(xué)成分不改變化學(xué)成分不改變?cè)V物原生礦物 CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES次生礦物次生礦物化學(xué)化學(xué)風(fēng)化風(fēng)化成分改變成分改變?nèi)転V帶走、沉積殘留部分原生礦物原生礦物 可溶性可溶性次生礦物次生礦物不可溶性不可溶性次生礦物次生礦物 次生礦物次生礦物是原生礦物在一定氣候條件下經(jīng)化學(xué)風(fēng)化作用，是原生礦物在一定氣候條件下經(jīng)化學(xué)風(fēng)化作用，使其進(jìn)一步分解而形成一些顆粒更細(xì)小的新礦物。使其進(jìn)一步分解而形成一些顆粒更細(xì)小的新礦物。 可溶性次生礦物可溶性次生礦物又叫又叫水溶鹽水溶鹽，常見的有石鹽、石膏等。，常見的有石鹽、石膏等。 不可溶性次生礦物不可溶性次生礦物又有次

12、生二氧化硅、倍伴氧化物和粘又有次生二氧化硅、倍伴氧化物和粘土礦物。土礦物。 特征：不同的次生礦物性質(zhì)各異。特征：不同的次生礦物性質(zhì)各異。無定形氧化物膠體CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES 粘土礦物是主要的次生礦物粘土礦物是主要的次生礦物，是組成粘粒的主要礦物成分。 粘土礦物的結(jié)晶格架由鋁氧八面體鋁氧八面體和硅氧四面體硅氧四面體兩個(gè)基本單位組成。 硅氧四面體是硅片硅片的基本單元，其化學(xué)式為SiO4 鋁氧八面體是鋁片鋁片的基本單元，其化學(xué)式為Al2(OH)6 -粘土礦物粘土礦物CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES粘土礦物的類型與性質(zhì)粘土礦物的類型與性質(zhì)

13、 高嶺石高嶺石晶層之間連結(jié)牢固，水不能自由滲入，故其親水性差，可塑性低，脹縮性弱； 蒙脫石蒙脫石則反之，晶胞之間連結(jié)微弱，活動(dòng)自由，親水性強(qiáng)，脹縮性亦強(qiáng)； 伊利石（水云母）伊利石（水云母）的性質(zhì)介于二者之間。 CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES 由微生物分解動(dòng)植物殘骸形成，分為由微生物分解動(dòng)植物殘骸形成，分為有機(jī)殘余物有機(jī)殘余物（泥炭泥炭）和和腐殖質(zhì)腐殖質(zhì) 。 腐殖質(zhì)腐殖質(zhì)含量在含量在1.5%2%以上稱為淤泥類土，壓縮以上稱為淤泥類土，壓縮性極高，強(qiáng)度很低。性極高，強(qiáng)度很低。 有機(jī)質(zhì)含量有機(jī)質(zhì)含量5%的土稱為的土稱為有機(jī)質(zhì)土有機(jī)質(zhì)土。有機(jī)質(zhì)（了解）有機(jī)質(zhì)（了解）CHIN

14、AUNIVERSITY OFGEOSCIENCES二、礦物成分與粒組之間的關(guān)系二、礦物成分與粒組之間的關(guān)系 粒徑大于粒徑大于0.075mm的各粒組，均由原生礦物所構(gòu)的各粒組，均由原生礦物所構(gòu)成成，其中漂石粒、卵石粒、礫粒，其粒徑往往大于礦物顆粒，多數(shù)是由母巖碎屑構(gòu)成，一般具有的多礦物結(jié)構(gòu)， 砂粒與原生礦物顆粒大小近似，往往是由單礦物組成，以石英最為常見。 粉粒組由原生礦物與次生礦物混合組成粉粒組由原生礦物與次生礦物混合組成，其中以石英為主，其次為高嶺石及難溶鹽。 粘粒組主要由不可溶性次生礦物與腐植質(zhì)組成粘粒組主要由不可溶性次生礦物與腐植質(zhì)組成，有時(shí)也含難溶鹽，其中粘土礦物是最常見的礦物。 CH

15、INAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES 原生礦物原生礦物是巖石經(jīng)物理風(fēng)化破碎但成分沒有發(fā)生是巖石經(jīng)物理風(fēng)化破碎但成分沒有發(fā)生變化的礦物碎屑。變化的礦物碎屑。原生礦物原生礦物顆粒一般都較粗大，顆粒一般都較粗大，它們它們主要存在于卵、礫、砂、粉各粒組中主要存在于卵、礫、砂、粉各粒組中。 次生礦物次生礦物是原生礦物在一定氣候條件下經(jīng)化學(xué)風(fēng)是原生礦物在一定氣候條件下經(jīng)化學(xué)風(fēng)化作用，使其進(jìn)一步分解而形成一些顆粒更細(xì)小化作用，使其進(jìn)一步分解而形成一些顆粒更細(xì)小的新礦物。的新礦物。 粘土礦物是主要的次生礦物粘土礦物是主要的次生礦物，是組成粘粒的主要是組成粘粒的主要礦物成分。礦物成分。 粘土礦

16、物中分布較廣且對(duì)土性質(zhì)影響較大的是粘土礦物中分布較廣且對(duì)土性質(zhì)影響較大的是蒙蒙脫石脫石、高嶺石高嶺石和和伊利石伊利石(或水云母或水云母)三種三種。CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES第三節(jié)第三節(jié) 土中的水土中的水一、土中水的類型與特性一、土中水的類型與特性土中的水土中的水礦物成分水礦物成分水結(jié)合水結(jié)合水重力水重力水毛細(xì)水毛細(xì)水結(jié)晶水結(jié)晶水孔隙水孔隙水自由水自由水弱結(jié)合水弱結(jié)合水強(qiáng)結(jié)合水強(qiáng)結(jié)合水CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES二、土粒與水的相互作用二、土粒與水的相互作用 定義單位質(zhì)量或單位體積土顆粒所擁有的表面積稱為比表面積比表面積。即土粒直徑土的

17、質(zhì)量和全部土顆粒的表面積之式中d m A 661 32dddmAS1 1、土粒的比表面積、土粒的比表面積CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES2 2、粘粒的帶電性質(zhì)、粘粒的帶電性質(zhì) 土中的粘土顆粒在電場(chǎng)中向陽極泳動(dòng)的現(xiàn)象稱為電泳電泳。而土中的液體滲向陰極，稱為電滲電滲。這兩種現(xiàn)象是同時(shí)發(fā)生的，稱為電動(dòng)現(xiàn)象電動(dòng)現(xiàn)象。 粘粒表面產(chǎn)生電荷的原因：1、選擇性吸附；、選擇性吸附；2、表面、表面分子的離解；分子的離解；3、同晶替換、同晶替換CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES3 3、粘粒雙電層、粘粒雙電層 顆粒表面的負(fù)電荷構(gòu)成電場(chǎng)的內(nèi)層（決定電位層決定電位層）。水

18、中被吸引在顆粒表面的陽離子和定向排列的水分子構(gòu)成電場(chǎng)的外層（反離子層反離子層）。合稱雙電層雙電層。擴(kuò)散層固定層外層反離子層內(nèi)層決定電位離子層雙電層)()(CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES 受顆粒表面電場(chǎng)作用力吸受顆粒表面電場(chǎng)作用力吸引而包圍在顆粒周圍，不引而包圍在顆粒周圍，不傳遞靜水壓力不能任意流傳遞靜水壓力不能任意流動(dòng)的水，稱為動(dòng)的水，稱為結(jié)合水結(jié)合水。 從水分子的角度講，從水分子的角度講，雙電雙電層的外層層的外層就是就是結(jié)合水層結(jié)合水層。結(jié)合水結(jié)合水反離子層反離子層弱結(jié)合水（擴(kuò)散層）：是一種粘滯水膜，是弱結(jié)合水（擴(kuò)散層）：是一種粘滯水膜，是粘性土在一定含水量范圍內(nèi)

19、具可塑性的原因粘性土在一定含水量范圍內(nèi)具可塑性的原因強(qiáng)結(jié)合水（固定層）：性質(zhì)接近與固體，具強(qiáng)結(jié)合水（固定層）：性質(zhì)接近與固體，具蠕變性，略高于蠕變性，略高于100可蒸發(fā)可蒸發(fā)CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES第四節(jié)第四節(jié) 土的結(jié)構(gòu)土的結(jié)構(gòu)( (了解了解) ) 土的結(jié)構(gòu)土的結(jié)構(gòu)是指組成土的土粒大小、形狀、表面特是指組成土的土粒大小、形狀、表面特征，土粒間的連結(jié)關(guān)系和土粒的排列情況，其中征，土粒間的連結(jié)關(guān)系和土粒的排列情況，其中包括顆?；蚣象w間的距離、孔隙大小及其分布包括顆?；蚣象w間的距離、孔隙大小及其分布特點(diǎn)。特點(diǎn)。 CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIE

20、NCES一、土粒間的連結(jié)關(guān)系一、土粒間的連結(jié)關(guān)系1接觸連結(jié)接觸連結(jié)，是指顆粒之間的直接接觸，接觸點(diǎn)上的連結(jié)強(qiáng)度主要來源于外加壓力所帶來的有效接觸壓力。這種連結(jié)方式在砂土、粉土中或近代沉積土中普遍存在。2膠結(jié)連結(jié)膠結(jié)連結(jié)，是指顆粒之間存在著許多膠結(jié)物質(zhì)，將顆粒膠結(jié)連結(jié)在一起。3結(jié)合水連結(jié)結(jié)合水連結(jié)，是指通過結(jié)合水膜而將相鄰?fù)亮＿B結(jié)起來的連結(jié)形式，又叫水膠連結(jié)，這種連結(jié)在一般粘性土中普遍存在。4冰連結(jié)冰連結(jié)CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES二、土的結(jié)構(gòu)類型二、土的結(jié)構(gòu)類型 粗粒土的結(jié)構(gòu)主要為粗粒土的結(jié)構(gòu)主要為單粒結(jié)構(gòu)單粒結(jié)構(gòu)。 根據(jù)顆粒間的排列接觸關(guān)系可分為根據(jù)顆粒間的排列

21、接觸關(guān)系可分為松散結(jié)構(gòu)松散結(jié)構(gòu)和和密實(shí)結(jié)密實(shí)結(jié)構(gòu)構(gòu)。（一）巨粒土與粗粒土的結(jié)構(gòu)類型（一）巨粒土與粗粒土的結(jié)構(gòu)類型CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES 由于粗、細(xì)顆粒含量的不同，有由于粗、細(xì)顆粒含量的不同，有粗石狀結(jié)構(gòu)粗石狀結(jié)構(gòu)和和假假斑狀結(jié)構(gòu)斑狀結(jié)構(gòu)兩種不同的結(jié)構(gòu)形態(tài)。兩種不同的結(jié)構(gòu)形態(tài)。 粗石狀結(jié)構(gòu)粗石狀結(jié)構(gòu)的土具有較高的強(qiáng)度，而其透水性則的土具有較高的強(qiáng)度，而其透水性則取決于粒間孔隙的充填程度及充填物的性質(zhì)。取決于粒間孔隙的充填程度及充填物的性質(zhì)。 假斑狀結(jié)構(gòu)假斑狀結(jié)構(gòu)土的性質(zhì)主要取決于組成土的細(xì)粒物土的性質(zhì)主要取決于組成土的細(xì)粒物質(zhì)的特點(diǎn)。質(zhì)的特點(diǎn)。CHINAUNI

22、VERSITY OFGEOSCIENCES（二）細(xì)粒土的結(jié)構(gòu)類型（二）細(xì)粒土的結(jié)構(gòu)類型 粘土礦物一般呈片狀。它們之間的接觸方式接觸方式主要有面-面、邊-邊、邊-面三種基本類型。 面對(duì)面的片狀堆積結(jié)構(gòu)稱為分散結(jié)構(gòu)分散結(jié)構(gòu)或片堆結(jié)構(gòu)片堆結(jié)構(gòu)（疊聚體疊聚體）。 以邊-面、邊-邊聯(lián)結(jié)的結(jié)構(gòu)稱為凝聚結(jié)構(gòu)凝聚結(jié)構(gòu)或片架結(jié)構(gòu)片架結(jié)構(gòu)（絮絮凝體凝體）。CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES（二）細(xì)粒土的結(jié)構(gòu)類型（二）細(xì)粒土的結(jié)構(gòu)類型 細(xì)粒土顆粒細(xì)小，細(xì)粒土一般為細(xì)粒土顆粒細(xì)小，細(xì)粒土一般為團(tuán)聚結(jié)構(gòu)團(tuán)聚結(jié)構(gòu)（海綿狀結(jié)構(gòu)海綿狀結(jié)構(gòu)或或蜂窩狀結(jié)構(gòu)蜂窩狀結(jié)構(gòu)）。）。 細(xì)粒土的細(xì)粒土的團(tuán)聚結(jié)構(gòu)團(tuán)聚結(jié)構(gòu)按土粒均勻與否可分為均粒和非均粒兩按土粒均勻與否可分為均粒和非均粒兩種類型。種類型。CHINAUNIVERSITY OF