第1章 土的組成課件

土力學

第1章作業(yè)1-10（p29）作業(yè)要求作業(yè)一章一交，必須用作業(yè)本子；計算分析過程詳細完整，特別注意計算量的單位。第1章土的組成1.1

概述1.2土中固體顆粒1.3

土中水和土中氣1.4

粘土顆粒與水的相互作用1.5

土的結構和構造第1章土的組成1.1

概述1.2土中固體顆粒1.3

土中水和土中氣1.4

粘土顆粒與水的相互作用1.5

土的結構和構造由于溫度變化、水的凍脹、波浪沖擊、地震等引起的物理力使巖體崩解、碎裂的過程物理風化量化學風化巖體與空氣、水和各種水溶液相互作用使巖石成分發(fā)生變化，形成粘粒和可溶鹽的過程量質水解、水化、氧化、溶解、碳酸化等搬運沉積巖石大小、形狀和成分都不相同的顆粒堆積物土1.1概述洪積土沖積土海積土風積土成因類型湖積土冰積土殘積土坡積土指巖石經(jīng)風化后未被搬運而殘留于原地的碎屑堆積物。顆粒表面粗糙、多棱角、無分選、無層理殘積土受重力和暫時性流水的作用，搬運到山坡或坡腳處沉積起來的土，坡積顆粒隨斜坡自上而下呈現(xiàn)由粗到細的分選性和局部層理殘積土和坡積土受洪水沖刷、搬運，在山溝出口處或山前平原沉積的土。分選性、磨圓度。河流的流水作用搬運到河谷坡降平緩的地帶沉積下來的土，這類土經(jīng)過長距離的搬運，顆粒有較好的分選性和磨圓度，常有層理在湖泊及沼澤等極為緩慢水流或靜水條件下沉積下來的土，含大量細微顆粒、有機物，成為具有特殊性質的淤泥或淤泥質土由河流流水搬運到海洋環(huán)境下沉積下來的土由風力搬運形成的土，顆粒磨圓度好、分選性好。西北黃土由冰川或冰水挾帶搬運形成的沉積物，顆粒粗細變化大，土質不均勻1.1概述殘積層斷面殘積土(物)新鮮基巖風化帶坡積層斷面坡積土(物)基巖洪積層斷面洪積土(物)泉水基地下水巖

洪積層顆粒分布與洪積扇洪積扇2023/10/217第1章土的組成1.1概述土的三個特點及三相體系特點：土固相液相氣相土中顆粒的大小、成分及三相之間的相互作用和比例關系，反映出土的不同性質

三相體系：土碎散性(散體性)多相性自然變異性顆粒之間無粘?；蛞欢ǖ恼辰Y，存在大量孔隙，可以透水透氣土是由固體顆粒、水和氣體組成的三相體系，相系之間質和量的變化直接影響工程性質土是在漫長的地質歷史時期演化形成的多礦物組合體，性質復雜，不均勻，隨時變化的材料第1章土的組成1.1

概述1.2土中固體顆粒1.3

土中水和土中氣1.4

粘土顆粒與水的相互作用1.5

土的結構和構造1.2土中固體顆粒土粒的礦物成分1.2.2土粒的粒度成分1.2.11.2.1土粒的粒度成分1.土粒粒度與粒組土粒的大小稱為粒度，通常以粒徑表示，以mm為單位。介于一定粒度范圍內的土粒，稱為粒組。劃分粒組的分界尺寸稱為界限粒徑。

0.005、0.075、2、60、200

(mm)共六大粒組粘粒粉粒砂粒礫粒碎石塊石0.0050.075260200巨粒粗粒細粒logd1.土粒粒度與粒組查閱p12，表1-1土粒粒組的劃分1.2.1土粒的粒度成分2.粒度成分分析試驗土粒的大小及其組成情況，通常以土中各個粒組的相對含量（是指土樣各粒組的質量占土?？傎|量的百分數(shù)）表示，稱為土的粒度成分或顆粒級配試驗方法篩分法適用于0.075mm≤d≤60mm沉降分析法適用于d＜0.075mm（虹吸比重瓶法、移液管法、比重計法）1.2.1土粒的粒度成分2.粒度成分分析試驗篩分法用一套孔徑不同的篩子，按從上至下篩孔逐漸減小放置（如20、2、0.5、0.25、0.1、0.075mm）。將事先稱過質量的烘干土樣過篩，稱出留在各篩上的土質量，即可求得各個粒組的相對含量。通過計算可得到小于某一篩孔直徑土粒的累積重量及累計百分含量。1.2.1土粒的粒度成分2.粒度成分分析試驗靜水沉降分析原理：斯托克斯（Stokes）定律（1-1）式中：v—土粒的沉降速度，cm/s；d—土粒直徑，mm；（等效直徑）

ρs—土粒密度，g/cm3；

ρw—水的密度，g/cm3

；

η—水的動力粘滯系數(shù)，10-3Pa?s；g—重力加速度，981cm/s2“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。1.2.1土粒的粒度成分2.粒度成分分析試驗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密度計法(比重計法)1.2.1土粒的粒度成分3.粒度成分分布曲線顆粒級配曲線(粒徑累計曲線)縱坐標表示小于某粒徑的土粒含量百分比,橫坐標表示土粒的粒徑(對數(shù)坐標）1.2.1土粒的粒度成分分析a、b、c三條曲線顆粒成分

d10d60d30abc土的粒徑lgd（mm）小于某粒徑的土重百分比（%）603010曲率系數(shù)Cca曲線：缺小粒徑顆粒，d30最大。Cc最大b曲線：顆粒級配連續(xù)，d30居住。Cc居中c曲線：缺大粒徑顆粒，d30最小。Cc最小2023/10/2118第1章土的組成顆粒級配的描述

工程上常用不均勻系數(shù)Cu描述顆粒級配的不均勻程度d10、d30、d60小于某粒徑的土粒含量為10%、30%和60%時所對應的粒徑Cu愈大，表示土粒愈不均勻。工程上把Cu＜5的土視為級配不良的土；Cu＞10的土視為級配良好的土

曲率系數(shù)Cc描述顆粒級配曲線整體形態(tài)，表明某粒組是否缺失情況

對于礫類土或砂類土，同時滿足Cu≥5和Cc=1～3時，定名為良好級配砂或良好級配礫1.2.1土粒的粒度成分3.粒度成分分布曲線土樣編號粒組（mm）百分含量>22-0.50.5-0.250.25-0.0750.075-0.005<0.0051281213201017土樣編號小于某粒徑（mm）累積百分含量<d(>2)<d(=2)<d(=0.5)<d(=0.25)<d(=0.075)<d(=0.005)11007260472717粒度分析成果表0.0010.010.11010203040506001020304050601.2.1土粒的粒度成分1.2土中固體顆粒土粒的礦物成分1.2.2土粒的粒度成分1.2.11.土粒礦物組成1.2.2土粒的礦物成分礦物成分取決于母巖的礦物成分和風化作用固體顆粒礦物質有機質原生礦物次生礦物粘土礦物可溶鹽無定形氧化物膠體1.土粒礦物組成原生礦物1.2.2土粒的礦物成分巖石物理風化巖石破碎化學成分不改變原生礦物原生礦物是巖石經(jīng)物理風化破碎但成分沒有發(fā)生變化的礦物碎屑，成分與母巖完全相同。它們主要存在于卵、礫、砂、粉各粒組中。例：石英、云母、長石等。特征：礦物成分的性質較穩(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1.土粒礦物組成次生礦物1.2.2土粒的礦物成分化學風化原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)化學風化作用，使其進一步分解而形成一些顆粒更細小的新礦物。成分與母巖完全不同。黏土礦物（高嶺石、蒙脫石、伊利石）可溶鹽類（CaCO3、CaSO3、NaCl等）；無定形的氧化物膠體（Al2O3、Fe2O3）；有機質（包括：未分解的動植物殘體、半分解的動植物殘體、完全分解的腐殖質（以此為主要成分）2.土粒礦物成分與粒組的關系1.2.2土粒的礦物成分土粒礦物成分與粒組的關系,如圖1-6所示，p16。粗顆粒（粒徑>0.075mm)，多數(shù)是原巖碎屑，是物理化學性質穩(wěn)定的原生礦物。細顆粒（粒徑<0.075mm)，次生礦物、有機質構成。第1章土的組成1.1

概述1.2土中固體顆粒1.3

土中水和土中氣1.4

粘土顆粒與水的相互作用1.5

土的結構和構造1.3.1土中水1.3土中水和土中氣土中水的含量明顯地影響土的性質(尤其是粘性土)。土中水除了一部分以結晶水的形式吸附于固體顆粒的晶格內部外，還存在結合水和自由水結合水當土粒與水相互作用時，土粒會吸附一部分水，在土粒表面面形成一定厚度的水膜。自由水存在于土粒表面電場影響范圍以外的水。

固體顆粒和水分子間靜電引力的相互作用內電層外電層結合水自由水負電荷r吸力p強結合水結合水外電層自由水內電層弱結合水結合水膜結合水：土粒表面受土粒電荷引力吸附的水2023/10/2128第1章土的組成強結合水性質：接近于固體，不能流動，不傳遞靜水壓力，具有很大的粘滯性、抗剪強度。只含結合水時，粘土呈固體狀態(tài)，砂土呈散粒狀態(tài)。弱結合水性質：具有較高的粘滯性和抗剪強度。由于弱結合水的存在，在強結合水的外圍形成一層結合水膜，使土具有可塑性。土顆粒比表面：土粒表面積/體積或表面積/質量。單位：長度-1，長度2/質量

比表面大，結合水膜厚，可塑性范圍大；含水量的變化范圍相反，比表面小，結合水膜薄，幾乎不具可塑性。土粒大小?土的可塑范圍大。1.結合水

2023/10/2129第1章土的組成2.自由水

重力水：位于地下水位以下，受重力作用由高處向低處流動，具有浮力作用。毛細水：受毛細作用而上升，位于地下水位以上。土中孔隙越小，毛細水上升高。工程注意：毛細水引起凍脹、潮濕。土中毛細水升高自由水面hchc2023/10/2130第1章土的組成1.3土中水和土中氣土中的水礦物成分水結合水重力水毛細水礦物顆粒的一部分孔隙水自由水弱結合水強結合水1.3.2土中氣1.3土中水和土中氣土中氣體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通的封閉氣體1.非封閉氣體：受外荷作用時被擠出土體外，對土的性質影響不大

2.封閉氣體：受外荷作用，不能逸出，被壓縮或溶解于水中，壓力減小時能有所復原，對土的性質有較大的影響，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

第1章土的組成1.1

概述1.2土中固體顆粒1.3

土中水和土中氣1.4

粘土顆粒與水的相互作用1.5

土的結構和構造1.4.1粘土礦物的結晶結構和親水性1.4粘土顆粒與水的相互作用粘土礦物是主要的次生礦物，是組成粘粒的主要礦物成分。粘土礦物的結晶結構由硅氧四面體和鋁氧八面體兩個基本單位組成。圖1-10粘土礦物晶片示意圖(a)氧硅氧四面體硅硅氧晶片(b)氫氧鋁氫氧八面體鋁鋁氫氧晶片(a)蒙脫石:氧-氧結合弱(b)伊利石:結構與蒙脫石類似，Si4+被AL3+

或Fe3+所取代，晶片周圍有K+，K+的存在增強了氧-氧結合。

(c)高嶺石:氧-氫氧基結合較強(a)(b)

粘土礦物構造單元示意圖氧氧氫氧基氫氧基氧-氧結合(c)

氧-氫氧基結合2023/10/2135第1章土的組成蒙脫石：強的親水性，具有顯著的吸水膨脹、失水收縮特性。高嶺石：親水性小。伊利石：特性介于高嶺石和蒙脫石兩者之間。1.4.2粘土顆粒與水的相互作用1.粘土顆粒的帶電性1.4粘土顆粒與水的相互作用土中的粘土顆粒在電場中向陽極泳動的現(xiàn)象稱為電泳。而土中的液體滲向陰極，稱為電滲。這兩種現(xiàn)象是同時發(fā)生的，稱為電動現(xiàn)象。粘粒表面產(chǎn)生電荷的原因：

1、表面分子的離解；2、選擇性吸附；3、同晶替換；4、邊緣斷鏈1.4粘土顆粒與水的相互作用1.4.2粘土顆粒與水的相互作用2.雙電層的概念顆粒表面的負電荷構成電場的內層（決定電位層）。水中被吸引在顆粒表面的陽離子和定向排列的水分子構成電場的外層（反離子層）。合稱雙電層。雙電層決定電位層（內層）反離子層（外層）結合水強結合水（固定層）弱結合水（擴散層）第1章土的組成1.1

概述1.2土中固體顆粒1.3

土中水和土中氣1.4

粘土顆粒與水的相互作用1.5

土的結構和構造1.5土的結構和構造土的結構微觀結構（土的結構）宏觀結構（土的構造）指土粒的原位集合體特征，是由土粒單元的大小、礦物成分、形狀、相互排列及聯(lián)結關系，土中水性質及孔隙特征等形成的綜合特征。是同一土層中的物質成分和顆粒大小等都相近的各部分之間的相互關系的特征，表征了土層的層理、裂隙及大孔隙等宏觀特征。1.5.1土的結構1.5土的結構和構造1.單粒結構：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構，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)

密實狀態(tài)疏松狀態(tài)1.5.1土的結構1.5土的結構和構造2.蜂窩結構：顆粒間點與點接觸，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,很多鏈環(huán)聯(lián)結起來，形成孔隙較大的蜂窩狀結構3.絮狀結構：細微粘粒大都呈針狀或片狀，質量極輕，在水中處于懸浮狀態(tài)。當懸液介質發(fā)生變化時，土粒表面的弱結合水厚度減薄，粘?；ハ嘟咏?，凝聚成絮狀物下沉，形成孔隙較大的絮狀結構蜂窩結構絮狀結構1.5.2土的構造1.5土的結構和構造土的構造反映土體中各結構單元之間的關系。主要特征是土的成層性和裂隙性,即層理構造和裂隙構造，二者都造成了土的不均勻性

層理構造裂隙構造1.5.2土的構造1.5土的結構和構造1.層理構造：土粒在沉積過程中,由于不同階段沉積的物質成分、顆粒大小或顏色不同,而沿豎向呈現(xiàn)出成層特征

層狀構造

(a)水平層理(b)交錯層理1.5.2土的構造1.5土的結構和構造2.裂隙構造：土體被許多不連續(xù)的小裂隙所分割,在裂隙中常充填有各種鹽類的沉淀物

裂隙構造本章結束注冊巖土師考試題目2007年專業(yè)知識（上午卷）一、單項選擇題2下列關于伊利石、蒙脫石、高嶺石三種礦物的親水性由強到弱的四種排列中，（）是正確的。（A）高嶺石>伊利石>蒙脫石（B）伊利石>蒙脫石>高嶺石（C）蒙脫石>伊利石>高嶺石（D）蒙脫石>高嶺石>伊利石正確答案：（C）d60d30d10三種粒徑的大小關系土粒按粒徑大小排序占總質量10%占總質量30%占總質量60%其中最大粒徑2023/10/2148第1章土的組成1.4.1粘土礦物的結晶結構和親水性1.4粘土顆粒與水的相互作用粘土礦物是主要的次生礦物，是組成粘粒的主要礦物成分。粘土礦物的結晶格架由鋁氧八面體和硅氧四面體兩個基本單位組成。硅氧四面體是硅片的基本單元，其化學式為[SiO4]鋁—氧八面體是鋁片的基本單元，其化學式為[Al2(OH)6]1.4.1粘土礦物的結晶結構和親水性1.4粘土顆粒與水的相互作用高嶺石晶層之間連結牢固，水不能自由滲入，故其親水性差，可塑性低，脹縮性弱；蒙脫石則反之，晶胞之間連