土力學-第一章土的組成

土力學

第1章土的組成1.1

概述1.2土中固體顆粒1.3

土中水和氣及其與土粒的相互作用1.4

土的結構和構造1.5

天津濱海軟土第1章土的組成1.1

概述1.2土中固體顆粒1.3

土中水和氣及其與土粒的相互作用1.4

土的結構和構造1.5

天津濱海軟土由于溫度變化、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松散顆粒集合體土1.1概述生物風化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，或稱淤積土，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

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土中水和氣及其與土粒的相互作用1.4

土的結構和構造1.5

天津濱海軟土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。以mm表示。劃分粒組的分界尺寸稱為界限粒徑。粒組界限值力求服從簡單的數學規(guī)律。

200、60、2、0.075、0.005

(mm)粘粒粉粒砂粒礫粒碎石塊石0.0050.075260200巨粒粗粒細粒1.土粒粒度與粒組表1-1土粒粒組的劃分粒組統(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d>200直接測定透水性很大，壓縮性極小，顆粒間無粘結，無毛細水卵石（碎石）粒60<d≤200粗粒礫粒粗礫20<d≤60篩

分

法透水性大，壓縮性小，無粘性；毛細水上升高度不超過粒徑大小細礫2<d≤20砂粒粗砂0.5<d≤2中砂0.25<d≤0.5細砂0.075<d≤0.25細粒粉粒0.005<d≤0.075靜水沉降原理透水性小，壓縮性中等，微粘性；毛細水上升高度較大較快，易凍脹粘粒d≤0.005透水性極弱，壓縮性變化大，具粘性和可塑性；毛細水上升高度大，但慢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粒總質量的百分數）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—水的比重，g/cm3

；

η—水的動力粘滯系數，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比重計法1.2.1土粒的粒度成分3.顆粒粒度成分的表示方法1.2.1土粒的粒度成分(1)表格法土樣編號粒組（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>2<2<0.5<0.25<0.075<0.00512872604727173.顆粒粒度成分的表示方法（2）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(對數坐標）1.2.1土粒的粒度成分顆粒級配的描述

工程上常用不均勻系數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.顆粒粒度成分的表示方法(3)三角坐標法1.2.1土粒的粒度成分

利用幾何上等邊三角形中任意一點到三邊的垂直距離之和恒等于三角形的高的原理。

取三角形的高H=100%，h1為黏土顆粒含量，h2為砂土顆粒含量，h3為粉土顆粒含量，則圖中m點即表示土樣的粒度成分中黏粒、粉粒及砂粒的百分含量分別為25%、48%和27%。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>2<2<0.5<0.25<0.075<0.0051287260472717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黏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物理風化破碎但成分沒有發(fā)生變化的礦物碎屑，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成分改變溶濾帶走、沉積殘留部分原生礦物可溶性次生礦物不可溶性次生礦物次生礦物是原生礦物在一定氣候條件下經化學風化作用，使其進一步分解而形成一些顆粒更細小的新礦物?？扇苄源紊V物又叫水溶鹽，常見的有石鹽、石膏等。不可溶性次生礦物又有次生二氧化硅、倍伴氧化物和粘土礦物（高嶺石、蒙脫石、伊利石（水云母））。2.黏土礦物1.2.2土粒的礦物成分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]2.黏土礦物1.2.2土粒的礦物成分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，晶胞之間連結微弱，活動自由，親水性強，脹縮性亦強；伊利石（水云母）的性質介于二者之間。

粘土礦物中分布較廣且對土性質影響較大的是蒙脫石、高嶺石和伊利石(或水云母)三種。有機質（了解）1.2.2土粒的礦物成分由微生物分解動植物殘骸形成，分為未分解的動植物殘體、有機殘余物（泥炭）和腐殖質。腐殖質含量在1.5%～2%以上稱為淤泥類土，壓縮性極高，強度很低。有機質含量〉5%的土稱為有機質土。3.土粒礦物成分與粒組的關系1.2.2土粒的礦物成分粒徑＞2mm的礫粒組。包括礫石、卵石等巖石碎屑，是原有礦物的集合體。是多礦物的，有時也有可能是單礦物的。粒徑為0.075~2mm的砂粒組。其顆粒與巖石中原生礦物的顆粒大小差不多。砂粒多是單礦物，以石英最為常見，有時為長石、云母及其他深色礦物。另外，還有白云石組成的砂粒，如白云石砂。粒徑為0.002~0.075mm的粉粒組。由一些細小的原生礦物和次生礦物組成，如粉粒狀的石英和難溶的方解石、白云石。粒徑＜0.002mm的黏粒組。主要是一些不溶性次生礦物，由黏土礦物類、倍半氧化物、難溶鹽、次生二氧化硅及有機質等構成。4.土的化學成份1.2.2土粒的礦物成分

土的化學成分是指組成土固相、液相和氣相物質的化學元素及其化合物種類和含量。土固相的化學成分與礦物成分有密切關系，研究土的化學成分有助于鑒別礦物成分。原生礦物的化學成分與母巖的化學成分有關，一般化學性質較為穩(wěn)定。可溶性次生礦物中常見的易溶鹽有石鹽(NaCl)、鉀鹽(KCl)、芒硝(Na2SO4·10H2O)、蘇打(NaHCO3)及天然堿(Na2CO3·NaHCO3)等，最常見的中溶鹽有石膏(CaSO4·2H2O)，難溶鹽有方解石(CaCO3)、白云石(CaMg(CO3)2)等。不可溶性次生礦物中除黏土礦物外，常見的還有一些氧化物。土液相的化學成分主要取決于孔隙水中所溶解的離子成分和含量。孔隙水中離子的電性、化合價和濃度對細粒土的工程性質有重要影響。第1章土的組成1.1

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土中水和氣及其與土粒的相互作用1.4

土的結構和構造1.5

天津濱海軟土1.粘土顆粒的帶電性1.3土中水和氣及其與土粒的相互作用土中的粘土顆粒在電場中向陽極泳動的現象稱為電泳。而土中的液體滲向陰極，稱為電滲。這兩種現象是同時發(fā)生的，稱為電動現象。粘粒表面產生電荷的原因：

1、選擇性吸附；2、表面分子的離解；3、同晶替換；4、邊緣斷鏈2.土中水1.3土中水和土中氣極性水分子和水化離子2.土中水1.3土中水和土中氣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）1.3土中水和氣及其與土粒的相互作用2.土中水1.3土中水和土中氣結合水強結合水：緊靠于顆粒表面、沒有溶解能力，不能傳遞靜水壓力，喪失液體的特性而接近于固體。具有極大的黏滯度、彈性和抗剪強度。弱結合水：緊靠強結合水的外圍形成的結合水膜，但其厚度比強結合水大得多，且變化大，是整個結合水膜的主體。它仍然不能傳遞靜水壓力，沒有溶解能力，冰點低于0℃。當土中含有較多的弱結合水時，土具有一定的可塑性。2.土中水1.3土中水和土中氣重力水（自由水）存在于土粒電場影響范圍以外，性質和普通水無異，能傳遞水壓力，冰點為0℃，有溶解能力。

以兩種形式存在：毛細水（半結合水）

重力水（自由水）2.土中水非結合水毛細水①產生毛細內聚力或假內聚力。②毛細壓力將作為基底附加壓力的增值，從而增大建筑物的沉降。③在寒冷地區(qū)將加劇凍脹作用。④水中鹽分對混凝土和金屬材料常具腐蝕作用。1.3土中水和土中氣氣態(tài)水氣態(tài)水以水氣狀態(tài)存在，從氣壓高的地方向氣壓低的地方移動。氣態(tài)水的遷移和聚集使土中水和氣體的分布狀況發(fā)生變化，可使土的性質改變。2.土中水氣態(tài)水和固態(tài)水固態(tài)水固態(tài)水在土中起著暫時的膠結作用，提高土的力學強度，降低透水性。但溫度升高解凍后，固態(tài)水將變?yōu)橐簯B(tài)水，土的強度急劇降低，壓縮性增大，工程性質顯著惡化。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（游離氣體）：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

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土的結構和構造1.5

天津濱海軟土1.4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。1.4.1土的結構1.4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)1.4.1土的結構1.4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1.4.2土的構造1.4土的結構和構造土的構造土的構造實際上是土層在空間的賦存狀態(tài)。表征土層的層理、裂隙及大孔隙等宏觀特征。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,而沿豎向呈現出成層特征

2.

分散構造：土層中土粒分布均勻，性質相近，如砂與卵石層為分散構造。1.5.2土的構造1.5土的結構和構造3.結核狀構造：在細粒土中混有粗顆粒或各種結核，如含礓石的粉質黏土、黏土等，均屬于結核狀構造。4.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，裂隙的存在大大降低了土體的強度和穩(wěn)定性，增大透水性，對工程不利，往往是結構或土體失穩(wěn)的原因。

土的構造土的構造實際上是土層在空間的賦存狀態(tài)。表征土層的層理、裂隙及大孔隙等宏觀特征。第1章土的組成1.1

概述1.2土中固體顆粒1.3

土中水和氣及其與土粒的相互作用1.4

土的結構和構造1.5

天津濱海軟土1.5.1礦物組成及化學成分分析1.5天津濱海軟土的物質組成及微結構特征土樣成因土樣深度取樣位置礦物種類和含量/%黏土礦物總量(%)石英鉀長石斜長石方解石白云石角閃石石鹽吹填土5m以上漢沽43.77.015.94.83.40.40.724.1臨港工業(yè)區(qū)30.35.68.912.5/1.00.940.85m以上南港42.64.117.110.0/1.4/24.8海積軟土12m漢沽45.48.915.33.24.21.70.620.79m塘沽41.07.514.25.83.91.21.025.415m36.25.524.24.51.92.31.124.39m大港37.43.610.29.21.41.40.636.235.43.715.75.82.30.61.934.65m以下臨港工業(yè)區(qū)33.53.314.38.83.12.40.534.129.62.510.412.92.01.30.440.9濱海新區(qū)軟土礦物成分1.5.1礦物組成及化學成分分析1.5天津濱海軟土的物質組成及微結構特征土樣成因土樣深度取樣位置黏土礦物相對含量

/%黏土礦物絕對含量

/%SI/SIKCSI/SIKC吹填土5m以上漢沽/453979/10.89.41.72.25m以上臨港/3943810/15.917.53.34.15m以上南港/4735810/11.78.72.02.5海積軟土12m大神堂/434278/8.98.71.41.79m塘沽/3150811/7.912.72.02.815m塘沽/31471012/7.511.42.42.99m大港/3246913/11.616.73.34.75m以下漢沽/4138813/14.213.12.84.55m以下臨港/3744811/12.615.02.73.85m以下臨港/3345814/13.518.43.35.7濱海新區(qū)軟土黏土礦物成分1.5.1礦物組成及化學成分分析1.5天津濱海軟土的物質組成及微結構特征取樣地點土性SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOK2ONa2OTiO2P2O5MnO燒失量ω（B）/%北大港表層軟土68.0010.303.275.381.682.142.160.560.130.0646.12大港56.3013.205.235.452.852.782.760.640.150.1010.40輕紡城52.8013.755.676.582.962.802.740.660.160.1111.60中心漁港71.6010.902.922.891.412.832.860.500.0980.0663.76中心漁港61.1012.804.565.082.252.982.470.580.130.0937.70黃港水庫55.5014.956.125.272.953.161.580.660.160.139.15北塘水庫55.2014.906.065.703.003.231.470.660.160.