土的組成-課件

1土的組成土的定義：巖石經(jīng)物理、化學(xué)、生物等風(fēng)化作用的產(chǎn)物覆蓋在地表無(wú)膠結(jié)或弱膠結(jié)的顆粒堆積物由固相、液相和氣相所組成的混合物包含固相、液相和氣相的三相體系具有非線性力學(xué)特性的多孔介質(zhì)土體特點(diǎn)：多相性、碎散性、自然變異性1土的組成——定義與特點(diǎn)——形成——形態(tài)——材料——物理——力學(xué)1土的形成土——巖石經(jīng)過(guò)風(fēng)化作用而形成1土的組成——土的形成風(fēng)化作用：（1）物理：風(fēng)、水、冰川、加卸載、凍融循環(huán)等（2）化學(xué)：水解、離子交換、氧化還原、碳化（3）生物：微生物、植被、樹(shù)木作用結(jié)果： 留存在原地——?dú)埛e土 搬運(yùn)至異地——沉積土搬運(yùn)力風(fēng)：風(fēng)成沉積土，如黃土、砂丘等

水：沉積土按水流方向和沉積條件不同，分為：坡積土、洪積土、山區(qū)河谷沖積土、平原河谷沖積土、湖相沉積土、三角洲沉積土、海相沉積土冰川：冰川沉積土1土的組成——土的形成殘積土洪積土坡積土冰川搬運(yùn)示意1土的組成——土的形成搬運(yùn)力與顆粒特征風(fēng)、水搬運(yùn)與顆粒尺寸地質(zhì)歷史對(duì)土顆粒尺寸分類(lèi)的影響1土的組成——土的形成大家有疑問(wèn)的，可以詢(xún)問(wèn)和交流可以互相討論下，但要小聲點(diǎn)2土中固體顆粒固體顆粒構(gòu)成土骨架，對(duì)土性起決定性作用1土的組成——土的組成

粒徑：顆粒大小一般0.002mm~60.0mm4個(gè)數(shù)量級(jí)礫石砂粉土1土的組成不同土顆粒大小及形狀粗分土類(lèi)：粗粒土（無(wú)粘性土）：礫石、砂粒為主（60mm~20mm；20mm~2mm；2mm~0.075mm）細(xì)粒土（粘性土）：粉粒、粘粒和膠粒為主(<0.005mm)1土的組成

———————粗粒土———————

——————細(xì)粒土——————

——礫石————砂——

——粉土————黏土——

75mm2mm0.074mm0.002mm無(wú)需放大，視覺(jué)可見(jiàn)顆粒篩分可確定顆粒大小不放大，視覺(jué)不可見(jiàn)顆粒篩分不可確定顆粒大小，需用沉積方法濕水后不能成團(tuán)——無(wú)黏性當(dāng)顆粒與水混合時(shí)，由于孔隙吸力和孔隙流體與礦物的物理化學(xué)相互作用，顆粒將團(tuán)聚一起——黏性不存在使土體沒(méi)有斷裂而成型的界限含水量——無(wú)塑性液限和塑限含水量間可以沒(méi)有斷裂而成型——塑性滲透性一般較高(10-6~10-1m/s)，水流易通過(guò)孔隙滲透性低至很低(＜10-7m/s)，水流通過(guò)孔隙很慢，排水需要幾周至10年除非有動(dòng)荷載作用(如地震)，否則排水很快。除非地震和快速崩塌，重要強(qiáng)度是“排水強(qiáng)度”“排水”和“不排水”兩類(lèi)強(qiáng)度很重要。若先前固結(jié)壓力低，則“不排水強(qiáng)度”也低最重要力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)是相對(duì)密度Dr和側(cè)壓。

Dr=0-20%:很松；Dr=20-40%:松散；Dr=40-60%:中密；

Dr=60-80%:密實(shí)；Dr=80-100%:很密實(shí)隨顆粒粒徑的減小，粉土性質(zhì)從“似砂”到“似黏土”最重要力學(xué)性質(zhì)“先期固結(jié)壓力”和施加圍壓Pp。Pp=0~50kPa:很軟；Pp=50~100kPa:軟；Pp=100~200kPa:實(shí)；Pp=200~400kPa:硬；Pp=400~800kPa:很硬；Pp=0.8~1.6MPa:J堅(jiān)硬。很松散——可壓縮。地震可液化，~30o很密實(shí)——壓縮性很低。地震穩(wěn)定。

~45o很軟——壓縮性很高，不排水剪切強(qiáng)度12.5kPa很密實(shí)——壓縮性低，不排水剪切強(qiáng)度100kPa蘋(píng)果至豌豆豌豆至面粉比面粉細(xì)比面粉細(xì)得多土粒的粒度成分粒徑：顆粒大小粒徑級(jí)配：固體顆粒粒徑大小及在土中所占的百分比(粒組相對(duì)含量)為什么要對(duì)土顆粒級(jí)配進(jìn)行分析？如何進(jìn)行粒徑分析？土顆粒組成——對(duì)其力學(xué)性質(zhì)起決定性作用分析方法：篩分法、水分法——篩分法：

利用不同孔徑的篩子，將事先稱(chēng)重的烘干土過(guò)篩，稱(chēng)留在各級(jí)篩上的土的重量，計(jì)算其相應(yīng)百分比適用土顆粒直徑大于0.1mm(0.074mm)1土的組成——水分法(比重計(jì)法)Stokes法：

G.G.Stokes原理：球狀顆粒在水中下沉速度與顆粒直徑平方成正比v—顆粒下沉速度；r—顆粒半徑(cm)；

—顆粒比重(g/cm3)；

0—分散介質(zhì)比重(g/cm3)；

—分散介質(zhì)粘度(Pa·s)；g—重力加速度(m/s2)利用粗顆粒下沉速度快、細(xì)顆粒慢的原理，將土顆粒按下沉速度分組適用顆粒直徑小于0.1mm(0.074mm)的土1土的組成比重計(jì)粗粒篩分細(xì)粒水分1土的組成d(mm)d(mm)礫石砂粒粉粒粘粒膠粒6020.050.0050.0020.250.5520粗中細(xì)粗中細(xì)極細(xì)0.1粗粒細(xì)粒粒組：按粗細(xì)進(jìn)行分組，將粒徑接近的歸成一類(lèi)界限粒徑：劃分粒組的分界尺寸篩分法水分法土的粒徑級(jí)配曲線1土的組成105.02.01.00.50.250.1mm200g10g16g18g24g22g38g72g1009080706050403020100小于某粒徑土質(zhì)量百分?jǐn)?shù)P（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒徑(mm)P%100958778665536土的粒徑級(jí)配累積曲線水分粒徑(mm)0.050.010.005百分?jǐn)?shù)P(%)2613.510篩分1土的組成土的粒徑級(jí)配曲線1009080706050403020100小于某粒徑土質(zhì)量百分?jǐn)?shù)P（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒徑(mm)土的粒徑級(jí)配累積曲線d60d50d10d30d50d60d10d30CuCc0.220.330.0050.0636.62.41特征粒徑:

平均粒徑：d50控制粒徑：d60有效粒徑：d10中值粒徑：d30不均勻度：Cu=d60/d10

—不均勻系數(shù)連續(xù)程度:Cc=d302

/(d60×d10)—曲率系數(shù)Cu≥5—級(jí)配不均勻粗細(xì)程度：用d50

表示

1土的組成曲線d60d10d30CuCcL0.330.0050.0816.63.98M0.0632.41R0.0300.545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)粒組含量較少平—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Cc=1~3——級(jí)配連續(xù)性好1土的組成1）粒組含量土的分類(lèi)定名2）不均勻系數(shù)Cu判定土的不均勻程度Cu≥5,不均勻土；Cu<5,均勻土3）曲率系數(shù)Cc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4）不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc判定土的級(jí)配優(yōu)劣

若Cu≥5且Cc=1~3，級(jí)配良好的土若Cu<5或Cc>3或Cc<1，級(jí)配不良的土土的粒徑級(jí)配曲線及指標(biāo)分析1土的組成土粒礦物成分固體成分 礦物質(zhì)有機(jī)質(zhì)原生礦物次生礦物黏土礦物無(wú)定形氧化物膠體可融性鹽黏土礦物：復(fù)合鋁-硅酸鹽片狀結(jié)晶格架晶體高嶺石、伊利石、蒙脫石石英、長(zhǎng)石、云母、……等1土的組成黏土礦物綜合模式1土的組成高嶺石

1:1雙層結(jié)構(gòu)，顆粒大小約0.3～3.0，厚約0.03～1.0主要特征：

顆粒較粗親水能力相對(duì)差不容易吸水膨脹、失水收縮1土的組成高嶺石結(jié)構(gòu)示意高嶺土電荷分布高嶺石晶體結(jié)構(gòu)（圖片寬17m）高嶺石基本層1土的組成蒙脫石

結(jié)構(gòu)：2:1的三層結(jié)構(gòu)顆粒大小：約0.1～1.0

層厚：0.001～0.01

主要特征：顆粒細(xì)微親水能力強(qiáng)顯著吸水膨脹、失水收縮性質(zhì)1土的組成伊利石

結(jié)構(gòu)：與蒙脫石類(lèi)似(2:1結(jié)構(gòu))兩個(gè)硅片間夾一鋁片構(gòu)成的三層結(jié)構(gòu)，但晶層間鉀離子連接主要特征：連接強(qiáng)度弱于高嶺石而高于蒙脫石，其特性也介于兩者之間親水能力：蒙脫石>伊利石>高嶺石1土的組成顆粒尺寸(

m)主要成分公共組分特有組分0.1蒙脫石云母中間體伊利石（微量）鋁蒙脫石0.1~0.2云母中間體高嶺石伊利石蒙脫石石英（微量）0.2~2.0高嶺石伊利石石英蒙脫石長(zhǎng)石云母中間體云母埃洛石2.0~11.0云母石英高嶺石埃洛石（微量）蒙脫石（微量）伊利石長(zhǎng)石黏土顆粒大小與礦物組分1土的組成黏土顆粒大小與礦物成分土中水（1）結(jié)合水黏土顆粒水中帶電性電場(chǎng)極性水分子顆粒四周定向排列

結(jié)合水 最靠近顆粒表面水分子所受電場(chǎng)作用力很大，可達(dá)1000MPa，隨距離作用力衰減強(qiáng)結(jié)合水+弱結(jié)合水1土的組成黏土顆粒表面吸附結(jié)合水的一些可能機(jī)理(a)氫鍵結(jié)合(b)離子水化作用(c)滲透吸力(d)偶極引力——雙電層1土的組成雙電子層理論概念黏土礦物顆粒表面帶負(fù)電荷原因：(1)理想晶體正負(fù)電荷平衡，但因晶體邊緣結(jié)構(gòu)破壞——粘土顆粒帶負(fù)電荷(2)硅氧四面體和八面體晶片離子交換——粘土顆粒帶有負(fù)電荷(3)堿性溶液中，粘土顆粒周?chē)u基中氫的離解。帶負(fù)電荷黏土薄片周?chē)a(chǎn)生電場(chǎng)：極性水分子將定向：——正極指向負(fù)電荷——陽(yáng)離子吸附在外層——定向程度隨電場(chǎng)強(qiáng)度減小而減弱帶負(fù)電荷黏土片與帶正電荷陽(yáng)離子層：——“擴(kuò)散雙電子層”1土的組成1）強(qiáng)結(jié)合水

（1）冰點(diǎn)（-78℃）（2）比重（1.2-2.4）（3）具蠕變性（4）溫度超100℃可蒸發(fā)（5）不能傳遞靜水壓力砂土<1%，黏性土10-20%弱結(jié)合水是黏性土在某一含水量范圍內(nèi)表現(xiàn)出可塑性的原因2）弱結(jié)合水——粘滯水膜受力，水膜較厚處轉(zhuǎn)移較薄處；可因電場(chǎng)概述力從一個(gè)土粒周?chē)D(zhuǎn)移到另一土粒周?chē)?；水膜能變形，但不因重力而流?dòng) 砂土<10%，粘性土30-40%關(guān)于結(jié)合水的研究結(jié)合水含水量、水膜厚度、結(jié)合水遷移等——土的力學(xué)性質(zhì)，尤其細(xì)粒土減少結(jié)合水量——增加土的強(qiáng)度、減少壓縮性試驗(yàn)：平面剪切、電滲、磁滲、隨機(jī)剪切等——證實(shí)問(wèn)題： 吸附機(jī)理——理論問(wèn)題

解吸附方法——技術(shù)問(wèn)題1土的組成（2）自由水——毛細(xì)水水與土體細(xì)粒接觸，其分子力和表面張力克服重力，在粒間縫隙中滯留或上升到一定高度毛細(xì)水的表面張力粒面內(nèi)擠壓力毛細(xì)壓力粒間粘聚作用假粘聚力主要存在：孔徑0.002-0.5mm的孔隙中毛細(xì)上升高度：砂土<2m；粉土>2m；黏土相對(duì)較小1土的組成毛細(xì)水計(jì)算：毛細(xì)水影響：

毛細(xì)水位上升—— 降低土的強(qiáng)度

加劇土的凍脹

毛細(xì)壓力增加—— 增加地基沉降量——重力水毛細(xì)管及毛細(xì)壓力1土的組成毛細(xì)上升高度：土中氣體

按土中氣體所處的狀態(tài)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分為：——顆粒表面氣體：研究不多，對(duì)土性影響不清——封閉氣體（四周為土顆粒和水所包圍）： 性質(zhì)： 體積與壓力有關(guān)，增加土的彈性； 阻塞水的滲流通道，減小土滲透性——溶解水中氣體：研究不多，對(duì)土性影響甚少——孔隙中自由氣體：與大氣相連通，對(duì)土性影響不大1土的組成3土的結(jié)構(gòu)土粒外表特征、土粒排列、土粒間聯(lián)結(jié)、孔隙特性

（1）粗粒土的結(jié)構(gòu)

比表面積：小結(jié)合水量：少粒間作用力——重力決定性重力堆積成散粒狀態(tài)，點(diǎn)與點(diǎn)接觸單粒結(jié)構(gòu)（散粒結(jié)構(gòu)）孔隙率（孔隙度，孔隙體積與土總體積之比）n=0.2～0.55

1土的組成——土的結(jié)構(gòu)均勻球體的理想排列(a)簡(jiǎn)單立方體(b)立方四面體(c)四方蝶竇體(d)錐體(e)四面體排列類(lèi)型配位數(shù)層間距(R-半徑)單元體積孔隙度(%)孔隙比簡(jiǎn)單立方體62R8R347.640.91立方四面體82R43R339.540.65四方蝶竇體103R6R630.190.43錐體122R42R325.950.35四面體1222/3R42R325.950.35均勻球體理想排列性質(zhì)1土的組成——土的結(jié)構(gòu)孔隙比孔隙率干容重(kN/m3)emaxeminnmaxnmin

dmin

dmax均勻球體0.910.3547.626--標(biāo)準(zhǔn)Ottawa砂0.800.50443314.517.3潔凈均勻砂1.00.40502913.018.5均勻無(wú)機(jī)粉土1.10.40522912.618.5粉質(zhì)砂0.900.30472313.720.0精選粗砂0.950.20491713.421.7云母砂1.20.40552911.918.9粉砂及砂礫0.850.14461214.022.9典型土體孔隙和重度1土的組成——土的結(jié)構(gòu)粗粒土顆粒間排列模式單一粉土或砂顆粒相互作用包裹的粉土或砂顆粒相互作用1土的組成——土的結(jié)構(gòu)粗顆粒骨架1土的組成——土的結(jié)構(gòu)混礫砂(土)土巖混合體1土的組成——土的結(jié)構(gòu)（2）細(xì)粒土的結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)：多樣性、復(fù)雜性比表面積：大顆粒尺寸：小重量：很輕重力作用：小非重力粒間力——主導(dǎo)作用粒間力構(gòu)成和性質(zhì)？粒間內(nèi)力總和：黏聚力——與粗粒土相區(qū)別重要標(biāo)志

1土的組成——土的結(jié)構(gòu)黏土顆粒連接構(gòu)架模型(b)集聚但不絮凝（面-面連接或定向集聚）(a)分散且不絮凝(c)角-面絮凝但分散(d)角-角絮凝但分散(e)角-面絮凝且集聚(f)角-角絮凝且集聚(g)角-面和角-角絮凝且集聚1土的組成——土的結(jié)構(gòu)孔隙空間類(lèi)型示意1土的組成——土的結(jié)構(gòu)不同沉積方式原狀土構(gòu)造特征(b)英國(guó)Ford粉質(zhì)黃土顆粒-顆粒接觸(風(fēng)成沉積)(a)以色列Lydda粉質(zhì)黏土部分可分辨顆粒(淡水沉積)(c)冰島BreidmerkurFord粉質(zhì)冰嘖土連接組合(冰川消融沉積)(d)英國(guó)Immingham粉質(zhì)黏土顆粒骨架集成(河口沉積)1土的組成——土的結(jié)構(gòu)不同沉積方式原狀土構(gòu)造特征(e)以色列Holon粉質(zhì)黏土規(guī)則集聚組合(相互堆積)(f)蘇格蘭Hurlford有機(jī)粉質(zhì)黏土交織堆積組合(湖相沉積)(g)挪威Sundland粉質(zhì)黏土不規(guī)則聚集組合(海相沉積)1土的組成——土的結(jié)構(gòu)美國(guó)Tucson粉質(zhì)黏土微觀組構(gòu)1土的組成——土的結(jié)構(gòu)電子顯微鏡觀測(cè)表面處理對(duì)構(gòu)造的影響(a)切削前(b)切削后1土的組成——土的結(jié)構(gòu)澳大利亞Woomera石質(zhì)高地土的孔隙剖面白色為孔隙，灰色為黏土骨架，黑色為粉土顆粒1土的組成——土的結(jié)構(gòu)軟黏土的蜂窩狀結(jié)構(gòu)夾有石英塊體的軟土蜂窩狀結(jié)構(gòu)1土的組成——土的結(jié)構(gòu)硬黏土的片狀結(jié)構(gòu)上三疊紀(jì)泥灰塊狀結(jié)構(gòu)1土的組成——土的結(jié)構(gòu)不同固結(jié)壓力敏感性Champlain黏土結(jié)構(gòu)(先期固結(jié)壓力54kPa)(a)原狀(b)124kPa(c)421kPa(d)1452kPa1土的組成——土的結(jié)構(gòu)伊利石黏土(左)和石英顆粒(右)掃描電鏡圖置于試樣表面的水滴1土的組成——土的結(jié)構(gòu)浸水前浸水中浸水后砂-膨潤(rùn)土混合物中膨潤(rùn)土結(jié)構(gòu)浸水過(guò)程演化1土的組成——土的結(jié)構(gòu)不同土顆粒大小及形狀

(b)Monterey