第一章 土的形成與構(gòu)造

中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T50123-1999培訓(xùn)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)學(xué)習(xí)、交流第一章土的組成與結(jié)構(gòu)土的基本概念1、土是由固相、液相、氣相組成的三相分散體系?！锻凉ぴ砼c計(jì)算》2、土是還未固結(jié)硬化成巖石的疏松沉積物，它是自然歷史的產(chǎn)物，是由三相（固、液、氣）所組成的多礦物的分散體系?！锻凉ぴ囼?yàn)原理及方法》。3、土是由固體、液體、氣體三相物質(zhì)組成的散體?！稁r土工程測試技術(shù)》。4、土是巖石在地質(zhì)作用下經(jīng)風(fēng)化、剝蝕、搬運(yùn)、沉積等過程的產(chǎn)物《土力學(xué)原理》。第一章土的組成與結(jié)構(gòu)5、土是巖石經(jīng)過物理的、化學(xué)的或者生物的風(fēng)化、剝蝕作用形成的，而且是僅僅用人力可以挖掘和搬運(yùn)的松散材料。《土的基本性質(zhì)及測試原理》。6、土是地殼表層母巖經(jīng)受強(qiáng)烈風(fēng)化（物理、化學(xué)、生物）的產(chǎn)物，是各種礦物顆粒（土粒）的集合體?！锻凉ぴ囼?yàn)與測試技術(shù)》7、土是巖石經(jīng)過風(fēng)化后,在不同條件下形成的自然歷史的產(chǎn)物《土工試驗(yàn)技術(shù)手冊(cè)》8、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?！锻亮W(xué)與基礎(chǔ)工程》一、土的形成形成過程形成條件物理力學(xué)性質(zhì)影響土是巖石經(jīng)過風(fēng)化后,在不同條件(搬運(yùn)、沉積)下形成的自然歷史的產(chǎn)物。搬運(yùn)、沉積風(fēng)化巖石地球土地球（1）、物理風(fēng)化－－礦物成分沒改變（巖石產(chǎn)生量變）——原生礦物（石英、長石等）——生成巨粒土，如塊石、粗粒土、礫石、砂土，這種土呈松散狀態(tài)，總稱無粘性土；（2）、化學(xué)風(fēng)化——礦物成分改變（巖石產(chǎn)生質(zhì)變）——次生礦物－－生成細(xì)粒土，具有粘結(jié)力，如粘土與粉質(zhì)粘土，總稱為粘性土；(水、大氣和生物作用--化學(xué)分解；不僅改變巖石尺寸，還改變巖石成分。自然因素有：氧化作用、碳酸作用、水解作用、溶解作用)（3）、生物風(fēng)化－－生成有機(jī)土、粗粒土或細(xì)粒土－－同時(shí)有物理和化學(xué)風(fēng)化的雙重作用。(巖石表面苔類生物分沁的有機(jī)酸促進(jìn)巖石的風(fēng)化)不同的風(fēng)化作用形成不同性質(zhì)的土土的分布部位1、殘積土母巖表層經(jīng)風(fēng)化作用破碎成巖屑或細(xì)小顆粒后，殘留在原地未被搬運(yùn)的，它的接觸既未磨圓，又未產(chǎn)生分選作用，所以沒有層理構(gòu)造。其礦物成分與下臥基巖有直接關(guān)系。工程地質(zhì)性質(zhì)差，孔隙比大。顆粒表面粗糙、多棱角、粗細(xì)不均、無層理土的分布部位2、坡積物坡積物是雨、雪、水流地質(zhì)作用，將高處巖石風(fēng)化產(chǎn)物緩慢地洗刷、順斜坡向下逐漸移動(dòng)，沉積在較平緩的山坡上而形成的沉積物。它一般分布在坡腰或坡角下.坡積土隨斜坡自上而下，呈現(xiàn)由粗而細(xì)的分選現(xiàn)象。其礦物成分與下臥基巖沒有直接關(guān)系。土質(zhì)疏松，壓縮性高。3、洪積土由暴雨或大量融雪在山區(qū)形成的山洪和急流,其搬運(yùn)能力很大，夾帶著大量巖石碎塊并形成泥石流，其中泥石劇下，粗細(xì)混雜沖出山口后在山前傾斜平原處堆積成堆形的洪積扇，在歷史的長河中，山洪和泥石流多次產(chǎn)生。因此洪積物的地層呈不規(guī)則的交替構(gòu)造。其中還可能有透鏡體和尖滅等構(gòu)造。搬運(yùn)距離短、磨圓度不佳，山洪是周期發(fā)生的，大小不一樣，產(chǎn)生不規(guī)則交錯(cuò)層理。4、沉積物坡積土和洪積土經(jīng)河流的搬運(yùn)作用沉積在河床比較平緩而開闊的地段。汛期的沉積物顆粒較粗，枯水的沉積物顆粒較細(xì)，因而出現(xiàn)層理構(gòu)造。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土的三相比例不同，其性質(zhì)不同①礦物成分原生礦物石英、長石、云母等次生礦物主要是粘土礦物，包括三種類型高嶺石、伊利石、蒙脫石粘土礦物:由硅氧四面體和鋁氫氧八面體構(gòu)成的晶胞所組合而成1、固體礦物顆粒(固相)硅氧四面體晶片的結(jié)構(gòu)表示鋁氫氧八面體晶片的結(jié)構(gòu)表示高嶺石由一個(gè)硅片和一個(gè)鋁片上下重疊而成的，并以此無限延伸，其最大特點(diǎn)是晶包間通過O-2

與OH-1相互聯(lián)結(jié)，其聯(lián)結(jié)力很強(qiáng)，致使晶格不能自由活動(dòng)，不允許水分子進(jìn)入晶包間，遇水較為穩(wěn)定的粘土礦物。

具有三層結(jié)構(gòu)，由二個(gè)硅片和一個(gè)鋁片構(gòu)成的，其最大特點(diǎn)是晶包間通過K+或

Na+離子聯(lián)結(jié)，伊利石晶格之間聯(lián)結(jié)作用比蒙脫石強(qiáng)，比高嶺石弱伊利石由二個(gè)硅片中間夾一個(gè)鋁片構(gòu)成的三層結(jié)構(gòu)。其特點(diǎn)是晶包之間由O-2

聯(lián)結(jié)，所以聯(lián)結(jié)力很弱，晶體格架有異常大的活動(dòng)性，遇水不穩(wěn)定，水分子可無限進(jìn)晶格之間，產(chǎn)生膨脹。蒙脫石蒙脫石粘土礦物的晶格構(gòu)造高嶺石蒙脫石伊利石粒徑比表面積脹縮性滲透性強(qiáng)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②顆粒級(jí)配a.顆粒大小b.各粒徑成分在土中占的比例常用表格法級(jí)配曲線法表示影響土性質(zhì)的主因1、固體礦物顆粒(固相)顆粒大小粒組按粗細(xì)進(jìn)行分組，將粒徑接近的歸成一類界限粒徑dmm卵石礫石砂粒粉粒粘粒膠粒2020.050.0050.0020.250.5510粗中細(xì)粗中細(xì)極細(xì)0.075粗粒土細(xì)粒土1.表格法表示的粒組劃分粒組名稱粒徑mm一般特征漂石、塊石顆粒>200透水性很大，無粘性，無毛細(xì)水卵石、碎石顆粒200～20圓礫、角礫顆粒粗20～10透水性大，無粘性，毛細(xì)水上升高度不超過粒徑大小中10～5細(xì)5～2砂粒粗2～0.5易透水，當(dāng)混有云母等雜質(zhì)時(shí)透水性減小，而壓縮性增大；無粘性，遇水不膨脹，干燥時(shí)松散；毛細(xì)水上升高度不大，隨粒徑變小而增大中0.5～0.25細(xì)0.25～0.075粉粒粗0.075～0.01透水性小，濕時(shí)稍有粘性，遇水膨脹小，干時(shí)稍有收縮；毛細(xì)水上升高度較大較快，極易出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象細(xì)0.01～0.005粘粒<0.005透水性很小，濕時(shí)有粘性和可塑性，遇水膨脹大，干時(shí)收縮顯著；毛細(xì)水上升高度較大，但速度較慢粒徑級(jí)配確定方法

篩分法：適用于粗粒土(>0.075mm)

密度計(jì)分析法：適用于細(xì)粒土

(<0.075mm)——各粒組的相對(duì)含量，用質(zhì)量百分?jǐn)?shù)來表示表述方法

粒徑級(jí)配累積曲線1009080706050403020100小于某粒徑之土質(zhì)量百分?jǐn)?shù)（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒徑(mm)土的粒徑級(jí)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(tái)--相應(yīng)粒組缺乏Cc=1~3,

級(jí)配連續(xù)性好曲線d60d10d30CuCcL0.330.0050.081663.98M0.0632.41R0.0300.545連續(xù)程度:

Cc=d302

/(d60×d10)

—曲率系數(shù)粒徑級(jí)配累積曲線及指標(biāo)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<5,均勻土曲率系數(shù)Cc用于判定土的連續(xù)程度：

Cc=1~

3,

級(jí)配連續(xù)土；Cc>3或Cc<1,級(jí)配不連續(xù)土不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc用于判定土的級(jí)配優(yōu)劣：

如果Cu≥5且

Cc=1~3，級(jí)配良好的土；如果不能同時(shí)滿足Cu≥5和Cc=1~3，級(jí)配不良的土③顆粒形狀原生礦物

圓狀、亞圓狀、亞棱角狀、棱角狀次生礦物

針狀、片狀、扁平狀1、固體礦物顆粒(固相)③顆粒形狀1、固體礦物顆粒(固相)磨圓度和形狀術(shù)語棱角狀亞棱角狀亞圓狀圓狀扁平的拉長的2、土體中水(液相)根據(jù)土體中水分子受到電場力的作用大小,土體中的水主要可以分為:

結(jié)合水:吸附在土顆粒表面的水自由水:電場引力作用范圍之外的水土中的水即為土體中的液相,其含量及性質(zhì)明顯地影響土的性質(zhì).重力水毛細(xì)水強(qiáng)結(jié)合水弱結(jié)合水

結(jié)晶水礦物內(nèi)部的水

結(jié)合水吸附在土顆粒表面的水自由水電場引力作用范圍之外的水

土中冰由自由水凍成，凍脹融陷2、土中水

土的孔隙中有水，水分子為極性分子，由帶正電荷的氫原子和帶負(fù)電荷的氧原子組成。粘土表面帶負(fù)電荷，在土粒周圍形成電場，吸引水分子帶正電荷的氫原子一端，使其定向排列，形成結(jié)合水膜，如圖所示。（1）、結(jié)合水

2、土中水結(jié)合水是指受電分子吸引力吸附于土粒表面成薄膜狀的水，不服從靜水力學(xué)規(guī)律，其冰點(diǎn)低于零度。結(jié)合水又分為強(qiáng)結(jié)合水和弱結(jié)合水。2、自由水此種水離土粒較遠(yuǎn)，在土粒表面的電場作用以外的水分子自由散亂地排列。與普通水無異，受重力支配，冰點(diǎn)為零度，能傳遞靜水壓力并具有溶解能力。自由水包括重力水和毛細(xì)水兩種。⑴重力水位于地下水位以下，在重力或壓力差作用下透過土體而流動(dòng)，對(duì)土粒及結(jié)構(gòu)物具有浮力作用。2、土中水2、自由水毛細(xì)水上升到地表會(huì)引起沼澤化、鹽漬化，而且還會(huì)使地基潤濕、降低強(qiáng)度，增大變形量。⑵毛細(xì)水位于地下水位以上，受毛細(xì)作用(表面張力)而上升，形成毛細(xì)水上升帶，其上升的高度視土粒的大小而不同，一般粘土中為5～6m，砂土小于2m，粒徑大于2mm的土粒無毛細(xì)現(xiàn)象。極細(xì)小的孔隙，土粒周圍有可能被結(jié)合水充滿，亦無毛細(xì)現(xiàn)象。故毛細(xì)水主要存在于粒徑為0.002～0.5mm的孔隙中。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(duì)土的性質(zhì)影響不大封閉氣體:與大氣隔絕,增大土體的彈性和壓縮性土體中氣體封閉氣泡與大氣隔絕，存在粘性土中，當(dāng)土層受荷載作用時(shí)，封閉氣泡縮小若土中封閉氣泡很多時(shí)，將使土的壓縮性增高，土的滲透性降低。3、土體中氣體(氣相）土有三個(gè)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(jí)配礦物成分顆粒形狀結(jié)合水(強(qiáng)結(jié)合水、弱結(jié)合水)自由水(重力水、毛細(xì)水)自由氣體封閉氣體三、土的結(jié)構(gòu)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(xué)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(xì)力點(diǎn)與點(diǎn)、點(diǎn)與面原生礦物指粗顆粒在重力作用下獨(dú)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)2、土的結(jié)構(gòu)（1）種類——土的結(jié)構(gòu)分為下列三種：①單粒結(jié)構(gòu)——凡粗顆粒土(如卵石和砂土)，在沉積過程中，每一個(gè)顆粒在自重作用下單獨(dú)下沉并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。礫石、卵石和砂土等無粘性土在天然產(chǎn)狀下具有單粒結(jié)構(gòu)，因?yàn)楹茈y取得，保持天然結(jié)構(gòu)的無粘性土樣，可以在探坑中挖去礫石和粗砂的土覆土層后，用肉眼或放大鏡觀察顆粒的排列情況，對(duì)于松散的單粒結(jié)構(gòu)只在少數(shù)點(diǎn)相互接觸，形狀不規(guī)則顆粒較之渾圓的顆粒有更多的接觸點(diǎn)，當(dāng)結(jié)構(gòu)點(diǎn)緊密時(shí)，接觸點(diǎn)顯著增多。地下水很容易在孔隙中滲流，孔隙中的毛細(xì)水上升高度幾乎等于零。2、土的結(jié)構(gòu)②蜂窩結(jié)構(gòu)——當(dāng)土顆粒較細(xì)(粒徑在0.05mm～0.005mm)時(shí)，在水中單個(gè)下沉，碰到已沉積的土粒，因土粒之間的分子引力大于土粒自重，則下沉的土粒被吸引不再下沉。依次一粒粒被吸引，形成具有很大孔隙的蜂窩狀結(jié)構(gòu)。

濕陷性黃土中大孔隙③絮狀結(jié)構(gòu)（二級(jí)蜂窩結(jié)構(gòu)）——那些粒徑極細(xì)的粘土顆粒(粒徑小于0.005mm)在水中長期懸浮，這種土粒在水中運(yùn)動(dòng)，相互碰撞而吸引逐漸形成小鏈環(huán)狀的土集粒，質(zhì)量增大而下沉，當(dāng)一個(gè)小鏈環(huán)碰到另一小鏈環(huán)時(shí)相互吸引，不斷擴(kuò)大形成大鏈環(huán)，稱為絮狀結(jié)構(gòu)。因小鏈環(huán)中已有孔隙，大鏈環(huán)中又有更大的孔隙，形象地稱為二級(jí)蜂窩結(jié)構(gòu)。上海、天津沉積物都具有絮狀結(jié)構(gòu)的特性

粒間作用力形成環(huán)境排列形式礦物成分表面力、膠結(jié)力（斥力減小引力增加）絮狀結(jié)構(gòu)蜂窩結(jié)構(gòu)示意圖表面力、膠結(jié)力（粒間斥力占優(yōu)勢(shì)）淡水中沉積海水中沉積次生礦物次生礦物注意：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、角與邊細(xì)粒土的結(jié)構(gòu)顆粒大小粉粒粘粒掃描電鏡⑶工程性質(zhì)①單粒結(jié)構(gòu)由于土粒排列緊密，強(qiáng)度大，壓縮性小，是良好的天然地基。當(dāng)土粒沉積速度快，如洪水沖積形成的砂層和礫石層，往往形成疏松的單粒結(jié)構(gòu)，由于土孔隙大，土粒骨架不穩(wěn)定，當(dāng)受到動(dòng)力荷載或其它外力作用時(shí)，土粒容易移動(dòng)而趨于緊密，同時(shí)產(chǎn)生很大的變形。因此，未經(jīng)處理的這種土層，一般不宜作建筑物的地基。第一章土的組成與結(jié)構(gòu)⑶工程性質(zhì)由于顆粒間存在大量微細(xì)孔隙，其壓縮性大、強(qiáng)度低、透水性弱。又因土粒之