土力学课件2011-1-土的组成

第1章土的组成 第1章土的组成土广泛存在于地表，工程性质差别大：土的成分与结构导致，取决于土的成因；土是岩石风化的产物，主要是物理风化和化学分化；根据成因分为七类土；土具有散体性、多相性、自然变异性。土中固体颗粒的及颗粒级配分析、土中水、土中气、粘土颗粒与水的相互作用、土的结构与构造。 第1章土的组成掌握：土粒粒组的划分、粒度成分分析方法、三种亲水性粘土矿物、土中水类型；熟悉：矿物成分与粒组的关系、粘土颗粒与水的相互作用，土的三种微观结构、土的层理构造、裂隙及大孔隙等宏观结构；了解：土中气在细粒土中的作用。 土的来源1.1概述 土的形成：地质历史的产物，是地球表面的整体岩石在大气中经受自然力和自然环境的长期风化作用形成。反向过程：土经过很长的地质年代，发生复杂的物理化学变化，逐渐压密、岩化，最终又可形成岩石。循环演变：岩石土岩石土……。重复进行。地质概念：第四纪地质：（1）更新世：从2588000年前到12000年前（2）全新世：12000年前至现在新近代沉积土：第四纪全新世中近期（文化期以来）沉积的土层。一般呈欠固结状态，具有较高的压缩性和较低的强度，结构不稳定（GB50021-2001规范）。1.1.1土的生成和演变 （1）物理风化地质构造力；温度变化；冰冻作用；碰撞作用颗粒大小发生改变，化学成分保持不变。（2）化学风化水解作用；水化作用；氧化作用；溶解作用矿物化学成分变化，形成次生矿物。正长石高岭石(水解)（3）生物风化植物根分泌有机酸；遗体腐烂；微生物作用动植物或人类活动的影响。1.1.2风化作用使某一化合物裂解成两个或多个较简单化合物的化学过程。 小结：（1）物理风化（2）化学风化（3）生物风化需要注意：a、上述风化作用常常是同时存在的。b、不同地区，自然条件不同，风化作用有主次。c、风化作用由地表向下逐渐减弱 1.1.3不同生成条件下土的特点1.残积土概念：母岩经风化作用破碎成为岩屑或细小颗粒，残留原地。特点：颗粒表面粗糙、多棱角、粗细不均、无层理。2.搬运土概念：风化所形成的土颗粒，受自然力作用，搬运到远近不同的地点沉积。特点：颗粒经滚动和摩擦作用而变圆滑。受水流等自然力的分选作用而形成不同的层次，粗颗粒下沉快，细颗粒下沉慢。 搬运土分类：坡积土风积土冲积土洪积土湖泊沼泽沉积土海相沉积土冰积土 1.1.4土的沉积与成岩作用成岩作用：土经过搬运和沉积，经过一系列变化，最后固结成坚硬的岩石(沉积岩)。几种作用：压固脱水、胶结、重结晶沉积岩。(见图1-1) 图1-1土与岩石的相互转化 1.1.5土的物质组成：散体，多相，变异 1.2土中固体颗粒（土的固相）1.粒组的划分和颗粒级配曲线（1）几个基本概念粒度:土粒的大小称为粒度。粒度成分：不同粒径颗粒的相对含量。粒组：大小相近的土粒合并为组。a、粒组间的分界线是人为划定的;b、划分时应使粒组界限与粒组性质的变化相适应;c、按一定的比例递减关系划分粒组的界限值。d、表2-1给出国内常用的粒组划分方法。 表2-1粒组的划分 （2）颗粒级配和颗粒分析试验a.筛分法：适用于粒径大于0.075mm的粗颗粒土。图6摆筛图 筛分法：适用于粒径大于0.075mm的土 适用于粒径小于0.075mm的细颗粒土。斯托克斯(stokes)定理：颗粒下沉速度与颗粒直径的平方成正比。c.综合分析筛分法和密度计法结合密度计法： 比重计法：适用于粒径小于0.075mm的土 （3）颗粒级配曲线用半对数纸表示颗粒级配曲线横坐标(按对数比例尺)：表示某一粒径（d）；纵坐标：表示小于某一粒径的土粒百分含量（%）。由颗粒级配曲线可知道某一粒径范围的百分含量！问题：如何判断级配的好坏？ 两个指标表示大小、均匀程度及其级配情况不均匀系数：d60（限定粒径）—小于该粒径的含量占总量的60%d10（有效粒径）—小于该粒径的含量占总量的10%该指标考虑了大颗粒和小颗粒含量的差异；Cu愈大，颗粒愈不均匀； d30（连续粒径）—小于该粒径的含量占总量的30%曲率系数：该指标考虑了中间粒径的影响；Cc大于3，曲率变化快，土均匀；Cc小于1，曲率变化平缓，中间颗粒少； a、级配良好土：曲线光滑连续，不存在平台段，坡度平缓满足Cu>5及Cc=1-3两个条件（图2-2的B土曲线）（4）土级配优劣的标准图1-2土的颗粒级配曲线 b、级配不良土：级配曲线坡度陡峭，粗细颗粒均匀；级配曲线存在平台段，即存在不连续粒径。不能同时满足Cu>5及Cc=1-3两个条件（图2-2的C土和A土曲线）图1-2土的颗粒级配曲线 颗粒分析试验曲线 例1-1：取天然土样500g，试用筛分法测定其粒组含量。[例题2.1]粗粒部分筛分试验结果 图1-3细颗粒土试验结果 土的矿物成分与粒组关系（图1-4） 图1-6土的矿物成分与粒组的关系铁、铝是磷矿中常见的三价金属杂质,通常称为倍半氧化物水云母族(也称伊利石族)矿物的总称 1.3.1土中的水土中水的含量明显地影响土的性质(尤其是粘性土)。土中水除了一部分以结晶水的形式吸附于固体颗粒的晶格内部外，还存在结合水和自由水1.结合水强结合水：紧靠于颗粒表面、所受电场的作用力很大、几乎完全固定排列、丧失液体的特性而接近于固体弱结合水：紧靠强结合水的外围形成的结合水膜，所受的电场作用力随着与颗粒距离增大而减弱2.自由水存在于土粒电场影响范围以外，性质和普通水无异，能传递水压力，冰点为0℃，有溶解能力以两种形式存在：毛细水、重力水 结合水示意图电泳和电渗 毛细管水上升高度的影响因素孔隙大小和形状粒径尺寸水的表面张力 1.3.2土中气体土中气体存在于土孔隙中未被水占据的部分，分为与大气连通的非封闭气体和与大气不连通的封闭气体1.非封闭气体：受外荷作用时被挤出土体外，对土的性质影响不大2.封闭气体：受外荷作用，不能逸出，被压缩或溶解于水中，压力减小时能有所复原，对土的性质有较大的影响，使土的渗透性减小，弹性增大和延长土体受力后变形达到稳定的历时 1.4粘土颗粒与水的相互作用蒙脱石：吸水膨胀特性最明显高岭石:其次伊利石：最小 1.5.1土的结构在成土过程中所形成的土粒的空间排列及其联结形式，与组成土的颗粒大小、颗粒形状、矿物成分和沉积条件有关1.单粒结构：粗矿物颗粒在水或空气中在自重作用下沉落形成的单粒结构，其特点是土粒间存在点与点的接触。根据形成条件不同，可分为疏松状态和密实状态密实状态疏松状态 2.蜂窝结构：颗粒间点与点接触，由于彼此之间引力大于重力，接触后，不再继续下沉，形成链环单位,很多链环联结起来，形成孔隙较大的蜂窝状结构3.絮状结构：细微粘粒大都呈针状或片状，质量极轻，在水中处于悬浮状态。当悬液介质发生变化时，土粒表面的弱结合水厚度减薄，粘粒互相接近，凝聚成絮状物下沉，形成孔隙较大的絮状结构蜂窝结构絮状结构 1.5土的结构性土的结构性：指土的物质组成(主要指土粒，也包括孔隙)的空间相互排列，以及土粒间的联结特征的综合。土结构的影响：对土的物理力学性质有重要的影响。土结构的变化和意义：土的结构在形成过程中及形成之后，当外界条件变化时都会使土的结构发生变化。 1.5.2、土的构造土的构造是指土体中各结构单元之间的关系。主要特征是土的成层性和裂隙性,即层理构造和裂隙构造，二者都造成了土的不均匀性1.层理构造：土粒在沉积过程中,由于不同阶段沉积的物质成分、颗粒大小或颜色不同,而沿竖向呈现出成层特征2.裂隙构造：土体被许多不连续的小裂隙所分割,在裂隙中常充填有各种盐类的沉淀物