1第一章土的組成.ppt

1、第一章,土的組成,防災(zāi)工程系 王振宇,土的組成,1.1 土的概念及基本特征,1.2 土的生成,1.3 土的組成,1.1 土的概念及基本特征,概念：土是連續(xù)、堅(jiān)固的巖石在風(fēng)化作用下形成的大小懸殊的顆粒，經(jīng)過(guò)不同的搬運(yùn)方式，在各種自然環(huán)境中生成的沉積物。而土歷經(jīng)壓密固結(jié)、膠結(jié)硬化也可再生成巖石。,土中顆粒的大小、成分及三相之間的相互作用和比例關(guān)系，反映出土的不同性質(zhì)。,1.2 土的生成,物理風(fēng)化 化學(xué)風(fēng)化 生物活動(dòng),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(yùn)動(dòng)過(guò)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(chēng)原生礦物（石英、長(zhǎng)石等） 產(chǎn)生無(wú)粘性土,1

2、.2 土的生成,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(xué)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(chēng)次生礦物（蒙脫石、伊利石） 形成十分細(xì)微的土顆粒，最主要為粘性顆粒及可溶鹽類(lèi),物理風(fēng)化 化學(xué)風(fēng)化 生物活動(dòng),1.2 土的生成,包括植物、動(dòng)物和土壤微生物的作用 可加劇物理和化學(xué)風(fēng)化 構(gòu)成土中有機(jī)質(zhì)和營(yíng)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),物理風(fēng)化 化學(xué)風(fēng)化 生物活動(dòng),土,巖石,風(fēng)化、搬運(yùn)、沉積,地質(zhì)作用,1.2 土的生成,1.2 土的生成,地質(zhì)作用：導(dǎo)致地殼成分變化和構(gòu)造變化的作用，稱(chēng)為地質(zhì)作用。,內(nèi)力地質(zhì)作用是由于地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)能和放射性元素

3、蛻變產(chǎn)生的熱能等，引起地殼物質(zhì)成分、內(nèi)部構(gòu)造以及地表形態(tài)發(fā)生變化的地質(zhì)作用，如巖漿活動(dòng)、地殼運(yùn)動(dòng)。,1.2 土的生成,外力地質(zhì)作用是由于太陽(yáng)輻射能和地球重力位能所引起的地質(zhì)作用。它包括氣溫的變化、雨雪、山洪、河流、湖泊、海洋、冰川、風(fēng)、生物等的作用，對(duì)地殼不斷地進(jìn)行侵蝕，使地表形態(tài)發(fā)生變化、形成新的產(chǎn)物。 土的形成條件，常見(jiàn)的成因類(lèi)型如下：,1 殘積土 殘留在原地未被搬運(yùn)的那一部分風(fēng)化產(chǎn)物。 顆粒不能被磨圓或分選。殘積物與基巖之間沒(méi)有明顯界限，其礦物成分很大程度上與下臥基巖一致。由于殘積物均質(zhì)性很差，顆粒多為棱角狀的粗顆粒土，孔隙度較大，作為建筑物地基容易引起不均勻沉降。,1.2 土的生成,1

4、.2 土的生成,洪積扇群,1.2 土的生成,1.2 土的生成,4.沖積土 沖積土是河流流水的地質(zhì)作用將兩岸基巖及其上部覆蓋的坡積、洪積物剝蝕后搬運(yùn)沉積在河流坡降平緩地帶形成的沉積土。其特點(diǎn)是呈現(xiàn)明顯的層理構(gòu)造，土顆粒上游較粗，下游較細(xì)，由于搬運(yùn)作用顯著，碎屑物質(zhì)由帶棱角顆粒經(jīng)滾磨、碰撞逐漸形成亞圓或圓形顆粒，其搬運(yùn)距離越長(zhǎng)，則沉積土越細(xì)。分選性和磨圓度較好。典型的沖積物是形成于河谷內(nèi)的沉積物，可分為平原河谷沖積土和山區(qū)河谷沖積土、三角洲沉積土等。,1.2 土的生成,Back,1.2 土的生成,5湖沉積土 在湖泊及沼澤等極為緩慢流水或靜水條件下沉積下來(lái)的土，或稱(chēng)淤積土，含有大量細(xì)微顆粒，常伴有生

5、物化學(xué)作用形成的有機(jī)物，成為具有特殊性質(zhì)的淤泥或淤泥質(zhì)土。土的壓縮性高，強(qiáng)度很低。承載力極低，一般不宜作天然地基。,6海積土 按海水深度及海底地形，海洋可分為濱海帶、淺海區(qū)、陸坡區(qū)和深海區(qū)，相應(yīng)的四種海相沉積物性質(zhì)也各不相同。 濱海沉積物主要由卵石、圓礫和砂等組成，具有基本水平或緩傾的層理構(gòu)造，其承載力較高，但透水性較大。 淺海沉積物主要由細(xì)粒砂土、粘性土、淤泥和生物化學(xué)沉積物（硅質(zhì)和石灰質(zhì)）組成，有層理構(gòu)造，較濱海沉積物疏松、含水量高、壓縮性大而強(qiáng)度低。 陸坡和深海沉積物主要是有機(jī)質(zhì)軟泥，成分均一。,1.2 土的生成,7.風(fēng)積土 是指在干旱的氣候條件下，巖石的風(fēng)化碎屑物被鳳吹揚(yáng)，搬運(yùn)一段距離

6、后，在有利的條件下堆積起來(lái)的一類(lèi)土。其顆粒磨圓度好，分選性好，土質(zhì)均勻，孔隙大，結(jié)構(gòu)松散，具有濕陷性。西北黃土就是典型的風(fēng)積土。 8冰積土 是由冰川或冰川融化的冰下水進(jìn)行搬運(yùn)堆積而成。顆粒粗細(xì)變化大，一般分選性極差，無(wú)層理，土質(zhì)不均。 9污染土,1.2 土的生成,土中氣體 氣相 次要作用,固體顆粒 固相 構(gòu)成土體的骨架 起決定作用,土中水 液相 重要影響,1.3 土的組成,氣相,固相,液相,+,+,土體,1.3 土的組成,1.3.1 土的固體顆粒,固 體 顆 粒,1.土粒的礦物成分 原生礦物:母巖經(jīng)物理風(fēng)化而成,如石英、云母、長(zhǎng)石； 次生礦物：母巖經(jīng)化學(xué)風(fēng)化而成，如粘土礦物、鋁鐵氧化物、氫氧化

7、物等。常見(jiàn)的粘土礦物有蒙脫石、伊里石、高嶺石；由于粘土礦物顆粒很細(xì)，比表面積很大，所以顆粒表面具有很強(qiáng)的與水作用的能力，因此，土中含粘土礦物愈多，則土的粘性、塑性和脹縮性也愈大。,粘 土 礦 物,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(lèi)型。,硅片 鋁片,1.3 土的組成,粘 土 礦 物,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(lèi)型。,硅片 鋁片,1.3 土的組成,粘土礦物典型電鏡照片:,蒙 脫 石,比表面積,親水性,15,80,800,0,1.3

8、 土的組成,粘土礦物的帶電性質(zhì)： 實(shí)驗(yàn)表明，片狀粘土顆粒表面常帶有負(fù)電荷。 為什么片狀粘土顆粒帶有不平衡負(fù)電荷： 離解作用 吸附作用 同晶置換 邊緣斷裂,- - - - - - - - - -,- - - - - - - - - - - -,+,+,+,+,粘土顆粒,水分子,陽(yáng)離子,粘土顆粒的帶電性,玻璃筒,玻璃皿,水位 升高,粘土粒,粘土,+,-,粘土的電泳和電滲現(xiàn)象(列依斯, 1809),1.3 土的組成,離土粒越近，電分子力越大，從而形成緊密吸附于土粒表面的固定層（強(qiáng)結(jié)合水）和在固定層外圍的擴(kuò)散層(弱結(jié)合水)，固定層和擴(kuò)散層中所含的陽(yáng)離子與土顆粒表面的負(fù)電荷的電位相反，故稱(chēng)為反離子，固定

9、層和擴(kuò)散層合稱(chēng)為反離子層。反離子層與土粒表面的負(fù)電荷一起構(gòu)成雙電層。,雙電層的概念：,1.3 土的組成,1.3 土的組成,雙電層的概念：,擴(kuò)散層水膜的厚度對(duì)粘性土的工程性質(zhì)影響很大，擴(kuò)散層厚度大，土的塑性就大，膨脹與收縮性也大。 雙電層厚度與礦物本身和外界條件有關(guān)： 如蒙脫石顆粒厚度小，形成的擴(kuò)散層相對(duì)厚度大于高嶺石 水溶液中的陽(yáng)離子的原子價(jià)位越高，它與土粒之間的的靜電引力愈強(qiáng)，平衡土粒表面負(fù)電荷所需陽(yáng)離子數(shù)量愈少，擴(kuò)散層愈薄 外部溫度升高，雙電層厚度就增大 工程實(shí)踐中用三價(jià)及二價(jià)離子（Mg2+、Ca2+ 、 Fe3+ AI3+ ）處理粘土，使擴(kuò)散層中高價(jià)陽(yáng)離子度增加，擴(kuò)散層變薄，從而增加了土

10、的強(qiáng)度與穩(wěn)定性，減少了膨脹性,1.3 土的組成,2.土粒粒度與粒組 在自然界中存在的土,都是由大小不同的土粒組成的，土的粒徑由粗到細(xì)逐漸變化時(shí),土的性質(zhì)相應(yīng)地發(fā)生變化。土粒的大小稱(chēng)為粒度，用粒徑表示。將大小相近，性質(zhì)相似的顆粒劃歸為一組，稱(chēng)為粒組，劃分粒組的分界尺寸稱(chēng)為界限粒徑。常用200、60、2、0.075、0.005mm把土粒分為六大粒組:漂石(塊石)顆粒、卵石(碎石)顆粒、圓礫（角礫）顆粒、砂粒、粉粒及粘粒。見(jiàn)下表。,表1.1 土粒粒組劃分,1.3 土的組成,細(xì)粒,巨粒,粗粒,3.土的粒度成分（顆粒級(jí)配） 土粒大小及其組成情況，通常以土中各個(gè)粒組的相對(duì)含量（各粒組占土?？偭康陌俜?jǐn)?shù)）來(lái)

11、表示，稱(chēng)為土的粒度成分（顆粒級(jí)配）。 顆分試驗(yàn)： （1）篩分法：粒徑0.075mm。 （2）沉降分析法：（比重計(jì)或移液管法） 粒徑0.075mm。 顆分曲線：根據(jù)顆分試驗(yàn)成果，可以繪制顆粒級(jí)配曲線。,1.3 土的組成,1.3 土的組成,10 5.0 2.0 1.0 0.5 0.25 0.1,200g,10 16 18 24 22 38 72,P % 95 87 78 66 55 36,篩分法,1.3 土的組成,篩子 （mm）,比重計(jì)法是利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同來(lái)確定小于某粒徑的土粒含量。 將一定質(zhì)量土浸入水中攪拌成懸液，攪拌停止后，土粒便開(kāi)始下沉，懸液的濃度隨之發(fā)生變化。利用特制

12、的密度計(jì)，在不同時(shí)刻測(cè)懸液濃度的變化。即可換算出相應(yīng)的粒徑及小于該粒徑的土粒質(zhì)量，繪出級(jí)配曲線。,比重計(jì)法：適用于粒徑小于0.075mm的土,1.3 土的組成,比重計(jì)法： 適用于粒徑小于0.075mm的土,1.3 土的組成,小于某粒徑之土質(zhì)量百分?jǐn)?shù)P（）,粒徑(mm),土的粒徑級(jí)配累積曲線,1.3 土的組成,d60,d10,d30,特征粒徑: d60 : 限制粒徑 d10 : 有效粒徑 d30 : 中值粒徑,不均勻系數(shù)： Cu = d60 / d10,Cu10 級(jí)配良好 Cu5 級(jí)配不良,不均勻程度,1.3 土的組成,顆粒級(jí)配 量化指標(biāo),曲線愈陡，表示粒徑大小相差不多，土粒較均勻，級(jí)配不良；

13、曲線愈緩，表示粒徑大小相差懸殊，土粒不均勻，級(jí)配良好。,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,1.3 土的組成,5Cu10 Cc = 13 級(jí)配良好,1.3 土的組成,顆粒級(jí)配的描述:,工程上常用不均勻系數(shù)Cu描述顆粒級(jí)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(shí)所對(duì)應(yīng)的粒徑,Cu愈大，表示土粒愈不均勻。工程上把Cu5的土視為級(jí)配不良的土； Cu10的土視為級(jí)配良好的土,曲率系數(shù)Cc描述顆粒級(jí)配曲線整體形態(tài)，表明某粒組是否缺失情況,對(duì)于礫類(lèi)土或砂類(lèi)土，同時(shí)滿(mǎn)足Cu5和Cc

14、=13時(shí)，視為良好級(jí)配砂或良好級(jí)配礫,1.3.2 土中的水,1.3 土的組成,1.3 土的組成,（1）強(qiáng)結(jié)合水：沒(méi)有溶解鹽類(lèi)的能力，不能傳遞靜水壓力，牢固地吸附于土粒表面，其性質(zhì)接近于固體具有極大的粘滯度、彈性和抗剪強(qiáng)度。 （2）弱結(jié)合水：厚度較強(qiáng)結(jié)合水大，具有較高的粘滯度、抗剪強(qiáng)度，仍不能傳遞靜水壓力。當(dāng)含量較多時(shí)，使土具有一定的可塑性。,1.3 土的組成,（3）自由水 重力水：地下水位以下，在土中流動(dòng)的水，受重力作用，對(duì)土粒有浮力作用。 毛細(xì)水：地下水位以上由于水和空氣分界處彎液面上產(chǎn)生的表面張力作用，土中自由水從地下水位通過(guò)土的細(xì)小通道逐漸上升，形成毛細(xì)水。它不僅受重力作用而且還受到表面

15、張力的支配。,1.3 土的組成,hc,毛細(xì)水,重力水,土中水 自由水,1.3 土的組成,r,彎液面,由于毛細(xì)張力的作用，會(huì)形成如圖所示的彎液面，使毛細(xì)角邊水產(chǎn)生負(fù)壓力（水內(nèi)壓力小于大氣壓力），顆粒則受正壓力。使土粒之間由于這種毛細(xì)壓力而擠緊，土呈現(xiàn)出粘聚現(xiàn)象，這種力稱(chēng)為毛細(xì)粘聚力。 這是稍濕的砂土顆粒間存在假凝聚力的原因。 在工程中，毛細(xì)水的上升高度和速度對(duì)建筑物地下部分的防潮措施和地基土的浸濕、凍脹有重要影響。,自由氣體：與大氣連通的氣體對(duì)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)。在外力作用下，封閉氣體易溶解于水，外力卸除后又會(huì)重新釋放出來(lái)，使得土的彈性增加；阻塞滲

16、流通道，降低滲透性 可燃?xì)怏w：由微生物的分解作用而形成，常存在于淤泥和泥炭等有機(jī)土中。,1.3 土的組成,1.3.3 土中氣體,土中含有更多的CO2，較多的N2，較少的O2，地下工程施工時(shí)應(yīng)注意氧氣的補(bǔ)給。,1.3 土的組成,1.3.4土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造,集合體特征：土粒單元大小、礦物成分、形狀、相互排列及其關(guān)聯(lián)關(guān)系,土 的結(jié)構(gòu),微觀結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)）,宏觀結(jié)構(gòu)（構(gòu)造）：表征土的層理、裂隙及大孔隙等宏 觀特征。,水的性質(zhì),孔隙特征,土的結(jié)構(gòu)基本類(lèi)型,1.土的結(jié)構(gòu) 基本類(lèi)型：,單粒結(jié)構(gòu)； 蜂窩結(jié)構(gòu)（粒徑0.0750.005mm）； 絮狀結(jié)構(gòu)（粒徑0.005mm）。,1.3 土的組成,單粒結(jié)構(gòu),蜂窩結(jié)構(gòu),絮狀結(jié)構(gòu),1.3 土的組成,土的構(gòu)造分為層理構(gòu)造、分散構(gòu)造和裂隙構(gòu)造。,土的構(gòu)造,1.3 土的組成,1.3 土的組成,研究土結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的工程意義： 1.結(jié)構(gòu)和構(gòu)造直接影響土的物理力學(xué)性質(zhì) 2.結(jié)構(gòu)構(gòu)造不同，地基承載力不同 如： 無(wú)粘性土的單粒結(jié)構(gòu)：緊密單粒結(jié)構(gòu)可作為良好地基；疏松