土力學課件：土質(zhì)土力第二章粘性土的物理化學性質(zhì)

1、第二章粘性土的物理化學性質(zhì)礦物成分決定土的結(jié)晶結(jié)構(gòu)特征膠體性質(zhì)帶電性雙電層體現(xiàn)結(jié)構(gòu)性體現(xiàn)靈敏性觸變性抗剪強度粘性土性質(zhì)的工程應(yīng)用粘土礦物的種類約有幾十種，而其中最常見或者說對粘性土起決定作用的主要是三種近代通過X-衍射法、電子顯微鏡法或差熱分析等發(fā)現(xiàn)，對土性起重要作用的粘土礦物是由硅片和鋁片構(gòu)成的晶包所組合而成。高嶺土礦物、伊里土礦物、蒙脫土礦物，亦稱高嶺石、伊里石、蒙脫石。2.1 粘土礦物顆粒的結(jié)晶結(jié)構(gòu)硅片的結(jié)構(gòu)基本單元：硅-氧四面體2.1 粘土礦物顆粒的結(jié)晶結(jié)構(gòu)鋁片的結(jié)構(gòu)基本單元：鋁-氫氧八面體2.1 粘土礦物顆粒的結(jié)晶結(jié)構(gòu)為方便起見，用表示硅氧晶片，外露的是氧原子鋁氫氧晶片，外露的是氫氧

2、基則高嶺石是由一個硅片和一個鋁片構(gòu)成的晶胞晶片間相聯(lián)：氧原子+氫氧基氫鍵鍵力較強，聯(lián)結(jié)較穩(wěn)定。蒙脫石是化學風化初期的產(chǎn)物，其基本晶胞是兩硅片之間夾一鋁片組成：兩晶胞之間以都是氧原子，其間無氫鍵，聯(lián)結(jié)力極弱，水分子很容易進入晶胞之間。遇水膨脹、失水收縮，性能極不穩(wěn)定。n.H2OSiAl2.1 粘土礦物顆粒的結(jié)晶結(jié)構(gòu)伊里石的晶胞組成同蒙脫石，所不同的是相鄰兩晶胞間有鉀、鈉等正離子，其聯(lián)結(jié)力處于兩者之間。K+、Na+粘土礦物本身是極小的扁平顆粒，與水的作用能力除了與礦物成份有關(guān)外，還與它的表面積大小密切相關(guān)。以棱邊為1.0m的正立方體為例：體積是1.0m3，表面積是6.0m2，現(xiàn)在用刀將其劃分成邊長

3、為0.001m，則總體積仍是1.0m3 ，總表面積變?yōu)?*0.001*0.001*1000*1000*1000=6000m2同樣的1.0m3土顆粒，與水的作用面積增加了1000倍2.1 粘土礦物顆粒的結(jié)晶結(jié)構(gòu)粘土礦物的晶格構(gòu)造高嶺石蒙脫石伊利石粒徑比表面積脹 縮 性滲 透 性強度壓 縮 性大10-20m2/g小大大小中80-100m2/g中中中中小800m2/g大小小大9克蒙脫土的總表面積大約與一個足球場一樣大2.1 粘土礦物顆粒的結(jié)晶結(jié)構(gòu)列依斯（Reuss）早在1807年通過圖示的試驗驗證就發(fā)現(xiàn)了粘土顆粒的帶電現(xiàn)象。.粘 土+-在粘土中放入帶有電極的玻璃管,管內(nèi)放入潔凈的砂粒并充水至相同的高

4、度。通入直流電，隨時間的增加：2.2 粘土顆粒的膠體化學性質(zhì)一、粘土顆粒表面的帶電現(xiàn)象陽極管內(nèi)水自下而上的逐漸渾濁，粘土粒透過砂層進入管內(nèi)，與此同時，管內(nèi)水位卻逐漸下降；.粘 土+-陰極管內(nèi)，水仍是極其清澈、透明的，但水位卻逐漸升高，粘土粒向陽極移動，水分子向陰極移動。同樣，如果在一塊潮濕的粘土中直接插入一正、一負兩個直流電極，通電后會發(fā)現(xiàn)陽極周圍的土逐漸變干，陰極附近土體逐漸變濕。.結(jié)論粘土顆粒本身帶負電！2.2 粘土顆粒的膠體化學性質(zhì)二、雙電層的概念它存在于土體的孔隙中或土粒表面，分為自由水和結(jié)合水。自由水就是我們通常所說的地下水，結(jié)合水是指受到電分子引力作用而吸附在土粒表面的水。前已述及

5、：粘土礦物本身帶有電荷，在中性介質(zhì)中，帶有負電荷，因而在土粒表面形成電場。在電場力作用下，必然要吸附周邊的金屬離子或極性水分子在其表面定向排列水分子是極性分子，兩個氫原子間的夾角約為105，該角的頂點為氧原子，氫原子端呈正、氧原子端呈負，所以氫原子端必朝向土粒表面2.2 粘土顆粒的膠體化學性質(zhì)粘土中含有大量的水土中水結(jié)合水定義受到電分子引力作用而吸附在土粒表面的水。由于土粒表面的空間有限，一層排不下時，必然就會有兩層、三層、四層等。這樣各層水分子到土粒表面的距離不同，而電分子引力的大小隨著距離的增加而迅速衰減。在緊靠土顆粒表面的兩到三個分子層內(nèi)，土粒和水分子之間的電分子引力可高達幾萬個大氣壓，

6、將土粒和水分子牢牢的吸附在一起。從工程性質(zhì)上看，可以成是固體顆粒的一部分固定層2.2 粘土顆粒的膠體化學性質(zhì) 排列致密、定向性強 ,沒有 溶解能力，不能傳遞靜水壓力 只有吸熱變成蒸汽時才能移動 密度1g/cm3 冰點處于零下-78 具有固體的特性，具有極大的 粘滯度、彈性和抗剪強度 沸點680強結(jié)合水 位于強結(jié)合水之外，電場引 力作用范圍之內(nèi) 外力作用下可以移動 不因重力而移動，有粘滯性弱結(jié)合水我們稱其為強結(jié)合水2.2 粘土顆粒的膠體化學性質(zhì)弱結(jié)合水亦稱擴散層或薄膜水層，是在強結(jié)合水的外層，隨著其到土顆粒表面的距離的增加，電分子引力越來越弱，直到與自由水相接它仍然不能傳遞靜水壓力，冰點從-78

7、 C逐漸變化，具有一定的粘滯度和抗剪強度。土粒表面的固定層、護散層合起來稱為雙電層。水膜較厚的弱結(jié)合水可以向鄰近膜薄的地方緩慢轉(zhuǎn)移。當土中含有較多的弱結(jié)合水時，土才具有可塑性。2.2 粘土顆粒的膠體化學性質(zhì)2.3 粘性土工程性質(zhì)的利用和改良一、電滲排水和電化學加固1.電滲與電泳電場力作用下，帶有負電荷的粘土顆粒向陽極移動 電泳電場力作用下，水分子及水化陽離子向陰極移動 電滲2.電滲與電泳的工程應(yīng)用a.電滲排水天然地面地下水位降水井管抽水陰極陽極b.軟土地基注漿加固中的電滲灌漿天然地面注漿2.3 粘性土工程性質(zhì)和利用和改良注漿井管二、利用離子交換改良粘土的工程性質(zhì)增加滲透性 擴散層變薄 用高價離

8、子置換低價離子減少滲透性 擴散層變厚 用低價離子置換高價離子增加土的水穩(wěn)性增加土的阻水性三、土的結(jié)構(gòu)2.3 粘性土工程性質(zhì)和利用和改良定義：土體的結(jié)構(gòu)是指土顆粒之間的相互排列和連接方式。力學特性影響土的結(jié)構(gòu)反映土的成分形成條件分類單粒結(jié)構(gòu)片堆結(jié)構(gòu)片架結(jié)構(gòu)原狀土抗剪強度相同含水量密度、組成粉碎重塑重塑土強度降低三、土的結(jié)構(gòu)2.3 粘性土工程性質(zhì)和利用和改良 粒間作用力 排列形式 礦物成分單粒結(jié)構(gòu) 示意圖重力、毛細力點與點、點與面原生礦物 指粗顆粒在重力作用下獨立下沉并與其它穩(wěn)定顆粒相接觸所形成的一種結(jié)構(gòu)形式粗粒土的結(jié)構(gòu)三、土的結(jié)構(gòu)2.3 粘性土工程性質(zhì)和利用和改良 粒間作用力 形成環(huán)境 排列形式

9、 礦物成分表面力、膠結(jié)力（斥力減小引力增加） 片架結(jié)構(gòu)(凝聚結(jié)構(gòu))片堆結(jié)構(gòu)(分散結(jié)構(gòu)) 示意圖表面力、膠結(jié)力（粒間斥力占優(yōu)勢） 淡水中沉積海水中沉積次生礦物次生礦物天然條件下，可能是多種組合，或者由一種結(jié)構(gòu)過渡向另一種結(jié)構(gòu)。面與面邊、角與面邊、角與邊力學特性有何差異？四、反映粘性土結(jié)構(gòu)性的指標2.3 粘性土工程性質(zhì)的利用和改良相同含水量、密度1.粘性土的靈敏度 St =St11-22-44-88-1616粘性土不靈敏低靈敏中等靈敏靈敏很靈敏流動原狀土的無側(cè)限抗壓強度重塑土的無側(cè)限抗壓強度重塑土的強度原狀土的強度粘性土在外力作用下擾動后強度降低的幅度用該土的靈敏度衡量；另一方面，當擾動停止后，隨著時間的增加，失去的強度又會逐漸恢復(fù)，稱為土的觸變性。四