《土的三相組成》課件

1、1第二章 土的三相組成2.1 土的形成與顆粒特征一、土的形成形成過程形成條件物理力學性質(zhì)影響土是巖石經(jīng)過風化后,在不同條件下形成的自然歷史的產(chǎn)物搬運、沉積 風化巖石地球土地球生物風化物理風化化學風化礦物成分未變無粘性土原生礦物礦物成分改變粘性土次生礦物 風化作用分類有 機 質(zhì)巖石和土的粗顆粒受各種氣候因素的影響產(chǎn)生脹縮而發(fā)生裂縫,或在運動過程中因碰撞和摩擦而破碎。特點：只改變顆粒的大小和形狀，不改變礦物顆粒的成分。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成分，形成新的礦物。經(jīng)化學風化生成的土為細粒土，具有粘結(jié)力。動植物活動引起的巖石和土體粗顆粒的粒度或成分的變化4土的形成與風化作

2、用1.1土的形成物理風化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,或在運動過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)生無粘性土5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微的土顆粒，最主要為粘性顆粒及可溶鹽類土的形成與風化作用1.1土的形成化學風化6土的形成與風化作用1.1土的形成生物活動包括植物、動物和土壤微生物的作用可加劇物理和化學風化構(gòu)成土中有機質(zhì)和營養(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)殘積土無搬運運積土有搬運土質(zhì)較好殘積土強風化弱

3、風化微風化母巖體顆粒表面粗糙多棱角粗細不均無層理母巖表層經(jīng)風化作用破碎成巖屑或細小顆粒后，未經(jīng)搬運殘留在原地的堆積物風化所形成的土顆粒，受自然力的作用搬運到遠近不同的地點所沉積的堆積物二. 搬運與沉積坡積土洪積土 沖積土 湖泊沼澤沉積土海相沉積物 冰積土 風積土二、土的三相組成氣相固相液相+構(gòu)成土骨架，起決定作用重要影響土體次要作用土體三相組成示意圖濕土。是一種非飽和土。若為粘土多為可塑性土。液相為零，為干土。此時粘土呈堅硬狀態(tài)，砂土呈松散狀態(tài)。氣體為零，為飽和狀態(tài)。此時粉細砂或粉土在震動下容易產(chǎn)生液化。土的三相比例不同，其性質(zhì)不同1、固體礦物顆粒(固相)物理狀態(tài)力學特性粒徑級配礦物成分顆粒形

4、狀 10固體顆粒 - 礦物成分1.2 土的三相組成 固體顆粒固體成分原生礦物 - 石英、長石、云母等次生礦物礦物質(zhì)有機質(zhì)無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粘土性質(zhì)的影響很大11粘 土 礦 物1.2 土的三相組成 固體顆粒粘土礦物是一種復(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、伊利石和蒙脫石三種類型。 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) 硅片簡圖OH1-鋁離子Al3+鋁-氫氧八面體 鋁片的結(jié)構(gòu) 鋁片簡圖Al Al12粘 土 礦 物1.2 土的三相組成 固體顆粒依硅片和鋁片組疊形式的不同，可分成如下

5、三種類型： 高嶺石 蒙特石 伊利石是云母在堿性介質(zhì)中風化的產(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)強度弱于高嶺石而高于蒙特石，其特征也介于兩者之間。2:1的三層結(jié)構(gòu)Si SiAl AlSi SiSi SiAl AlSi Si鉀離子晶層間是O2-對O2-的連結(jié)，聯(lián)結(jié)力很弱，水很容易進入晶層之間。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：顆粒細微，具有顯著的吸水膨脹、失水收縮的特性，或者說親水能力強。2:1的三層結(jié)構(gòu)Si SiAl AlSi SiSi SiAl AlSi Si數(shù)層水分子晶層間通過

6、氫鍵聯(lián)結(jié)，聯(lián)結(jié)力強，晶格不能自由活動，水難以進入晶格間能組疊很多晶層，多達百個以上，成為一個顆粒。顆粒長寬約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，或者說親水能力差。Si SiAl AlSi SiAl AlSi SiAl Al高嶺石微粒1:1的兩層結(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蒙脫石三種粘性土礦物的形狀特性 顆粒級配a.顆粒大小b.各粒徑成分在土中占的比例常用表格法或累計曲線法表示

7、影響土性質(zhì)的主因1、固體礦物顆粒(固相)16固體顆粒 - 顆粒大小1.2 土的三相組成 固體顆粒 粒組 按粗細進行分組，將粒徑接近的歸成一類 界限粒徑d(mm)礫石砂粒粉粒粘粒膠粒6020.0750.0050.0020.250.5520粗 中 細粗 中 細0.075粗粒細粒粗粒土：以礫石和砂礫為主要組成的土，也稱無粘性土。細粒土：以粉粒、粘粒和膠粒為主要組成的土，也稱粘性土。巨粒60171.表格法表示的粒組劃分粒組統(tǒng)稱粒組名稱粒徑d范圍（mm） 分析方法 主 要 特 征巨 粒漂石（塊石）粒 d200 直接測定 透水性很大，壓縮性極小，顆粒間無粘結(jié)，無毛細性。卵石（碎石）粒 60d200 粗粒礫

8、粒 粗礫 20d60 篩分法 透水性大，壓縮性小，無粘性，有一定毛細性。細礫2d20砂粒 粗砂0.5d2 中砂 0.25d0.5 細砂0.075d0.25 細粒粉粒 0.0050.1 mm) 沉降分析法：適用于細粒土 (0.1mm)， 常采用比重計法各粒組的相對含量，用質(zhì)量百分數(shù)來表示表述方法 粒徑級配累積曲線篩分法就是用一套標準篩子如孔直徑(mm)：20、10、5.0、2.0、l.0、0.5、0.25、0.1、0.075，將烘干且分散了的200g有代表性的試樣倒入標準篩內(nèi)搖振，然后分別稱出留在各篩子上的土重，并計算出各粒組的相對含量，即得土的顆粒級配。 沉降分析法：具體有密度計法(也稱比重計

9、法)或移液管法(也稱吸管法)。該兩法的理論基礎(chǔ)都是依據(jù)Stokes(司篤克斯)定律，即球狀的細顆粒在水中的下沉速度與顆粒直徑的平方成正比。105.02.01.00.50.250.1200g10161824223872P%958778665536篩分法原理圖篩分法粒徑(mm)0.050.010.005百分數(shù)P(%)2613.510典型顆分級配曲線沉降分析結(jié)果1009080706050403020100小于某粒徑之土質(zhì)量百分數(shù)P（）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒徑(mm)2.累計曲線表示法d101009080706050403020100小于某粒徑之土質(zhì)量百分

10、數(shù)（）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒徑(mm)土的粒徑級配累積曲線d60d50d30d60d10d30CuCc0.330.0050.063662.41特征粒徑: d50 : 平均粒徑d60 : 限制粒徑d10 : 有效粒徑d30 :特征粒徑不均勻程度：Cu = d60 / d10 連續(xù)程度: Cc = d302 / (d60 d10 ) 曲率系數(shù) 不均勻系數(shù)Cu 5,級配不均勻粗細程度： 用d50 表示 有效粒徑d10 是在土顆粒分析累計曲線上累計百分率為10的粒徑。1009080706050403020100小于某粒徑之土質(zhì)量百分數(shù)（）105.01.00

11、.50.100.050.010.0050.001粒徑(mm)土的粒徑級配累積曲線d60d10d30斜率: 某粒徑范圍內(nèi)顆粒的含量 陡相應(yīng)粒組質(zhì)量集中 緩-相應(yīng)粒組含量少平臺-相應(yīng)粒組缺乏連續(xù)程度: Cc = d302 / (d60 d10 ) 曲率系數(shù)較大顆粒缺少Cc 減小較小顆粒缺少Cc 增大C c = 1 3, 級配連續(xù)性好曲線d60d10d30CuCcL0.330.0050.081663.98M0.0632.41R0.0300.545粒徑級配累積曲線及指標的用途：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, 不均勻土； Cu 3 或 Cc 1,級配不連續(xù)土

12、不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc用于判定土的級配優(yōu)劣： 如果 Cu 5且 C c = 1 3 ， 級配 良好的土； 如果 Cu 3 或 Cc 1, 級配 不良的土24示例： 從某土樣篩分后作粒度分析匯編成“累積曲線”中得知：有效粒徑d600.55mm， d100.2mm， d300.3mm，試求該土的不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc,并分析該土屬于何種級配。25解： Cu=d60/d102.75工程規(guī)定：Cu5的土視為非均粒土； Cc=13時，為級配連續(xù)； Cc 3時，級配不連續(xù)。 2.755； 0.81.22.4g/cm3冰點-76具有極大的粘滯性和固體的特性溫度高于100C時可蒸發(fā)強結(jié)合水位于強結(jié)

13、合水之外，電場引力作用范圍之內(nèi)密度1.01.7g/cm3冰點-2030外力作用下可以移動不因重力而移動，有粘滯性弱結(jié)合水圖1.6 礦物顆粒對水分子的靜電引力作用 受顆粒表面電場作用力吸引而包圍在顆粒四周，不傳遞靜水壓力，不能任意流動的水。29毛細水：由于土體孔隙的毛細作用升至自由水面以上的水。毛細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。1.2 土的三相組成 土中水土中水 自由水自由水：不受顆粒電場引力作用的孔隙水hc毛細水重力水自由水土中毛細現(xiàn)象毛細水分布在土粒內(nèi)部相互貫通的孔隙可以看成許多形狀不一、直徑互異、彼此連通的毛細管 上升高度:毛細

14、升高與孔徑成反比粘土粉土砂土礫石分析對象: 水柱T為表面張力3、土體中氣體(氣相) 土體中的氣體是指存于土體空隙中未被水占據(jù)的部分,存在形式有兩種:自由氣體:與大氣相通,對土的性質(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)。會增加土的彈性和壓縮性；阻塞滲流通道，降低滲透性。土體中氣體321.2 土的三相組成 土中氣氣相 - 土中氣自由氣體：與大氣連通的氣體對土的性質(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 土有三個組成部分：固相、液相和氣相 小結(jié)1. 固體顆粒2. 土中水3. 土中氣體 粒徑級配 礦物成分 顆粒形狀 結(jié)合水 (強結(jié)合水、弱結(jié)合水) 自由水 (重力水、毛細水) 自由氣體封閉氣體2.2 土的結(jié)構(gòu)及工程性質(zhì)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)蜂窩結(jié)構(gòu)絮狀結(jié)構(gòu) 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) 粒間作用力 形成環(huán)境 排列形式 礦物成分表