土力学第二章粘性土的物理化学性质精品PPT课件
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土力学 (2)ppt课件
gg
g：重力加速度，取10m/s2。
• 单位：kN/m3
• 在计算土的应力时，将采用重度g 指标。
• 土的四个密度：、 d 、 sat 、 ’ ，与之相对应 四个重度指标： g 、 g d 、 g sat 、 g ’。
sa t d'
gsa t ggdg'
28
3. 反映土的孔隙特征、含水程度的指标
小结
22
第二章 土的物理性质及分类
§ 2.1 土的三相比例指标 § 2.2 粘性土的物理特性 § 2.3 无粘性土的密实度 § 2.4 土的分类
23
2.1.1 土的三相比例关系图
2.1 土的三相比例指标
ma=0
m
mw
Air Water
ms
Soil
质量
Va
Vv
Vw
V
Vs
体积
24
2.1.2 指标的定义 1. 三个基本的三相比例指标
1.2.2 土粒的矿物成分 1. 矿物成分分类 原生矿物 （物理风化）
次生矿物 （化学风化）
高岭石
石英 长石 云母
9克蒙脱土的总表面积大约与一 个足球场一样大
粗粒土
性质稳定
高岭石 伊利石 蒙脱石
伊利石
细粒土
性质不稳定 亲水性
蒙脱石
13
2. 粘土矿物的结晶结构 （1）粘土矿物单元
铝片的结构
硅片的结构
80 70 60 50
• 曲率系数
40
30
Cc
d2 30
d10 d60
20
10 0
d60
d30 d10
10 5.0 1.0 0. 5 0.10 0.0 5 0.01 0.005 0.001
第二章土力学
方法一：判断静水压力与土总重量之间的平衡 ? ?ihi ? ?wHw
解：设测压管水位高出地面 x m，
则砂土层上界面b以上：
总静水压力
?wH w ? ?w ? (3 ? 1.5 ? 1.5 ? x)
T = - Gd ? 大小： T =γw i (KN/m3) ? 方向：自上而下、自下而上、水平 ? 作用：冲刷作用、影响土体渗流稳定性
T （ Gd ）公式的推导：
γwh1F
α
TLF γwLF cos α
α
γwLF
γwh2F
对水柱体BA受力分析：
前提：水头差(H1-H2)；长度 L；截面积F 忽略渗流水惯性力。
? 毛细压力（毛细粘聚力） 在土粒接触面上由于空气和水分界面产生的表面张力。
§2.2 土的水理性质（三）
? 2.2.2 土的冻胀融陷特性
? 冻胀：未冻结区水分不断向冻结区迁移和积聚，使冰晶体不断扩 大，土层中形成冰夹层，土体发生隆起。
? 融陷：土层解ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ时，土中积聚的冰晶体融化，土体随之下陷。 ? 冻融对工程影响
成层土渗流示意图
n
n
? ? qx ? qix ? kii ?Hi
i?1
i?1
qx ? kxi ?H
达西 定律
? kx
?
1 H
n
ki ?Hi
i?1
§2.5 渗透系数的测定（四）
? 与土层面垂直时的平均渗流系数
成层土渗流示意图
qy
?
ky
h H
?A
qiy
?
ki
? hi Hi
?A
qy ? qiy
? ky ? H
? 按水流在空间上的分布状况 一维、二维、三维流动
土质土力学土的物理性质优秀PPT
土质土力学土的物 理性质
物理性质分为基本物理性质和水理性质：
土的固、液（水）、气三相在质量和体积 之间的相互比例关系称为土的基本物理性 质，主要反映在土的密实程度和干湿状况 等。
液相（水）水与固相之间的相互作用所表 现出来的性质称为土的水理性质，主要研 究土的稠度与塑性、土的膨胀性与收缩性、 土的透水性和毛细性等。
为土的天然密度（通常所说的密度 即指天然密度），相应的重度为天 然重度，以区别于其他条件下的密 度。
土的密度是实测指标，可采用环刀法、蜡封法、灌水法和灌
砂法等方法测定。 环刀法适用于细粒土，蜡封法适用于易破裂土和形状不规则
的坚硬土，灌水法和灌砂法适用于现场测定粗粒土的密度。
环刀
（3）饱和密度(重度)
[无量纲]
ms
S
Vs
质量 mass
体积 volume
土的三相图
土粒比重与土粒密度在数值上是相 等的。
一般土的土粒密度值见下表：
土名
砂土 砂质粉土 粘质粉土 粉质黏土 黏土
s(g/cm3) 2.65~2.69 2.70
2.71 2.72~2.73 2.74~2.76
土粒密度是实测指标，小于5mm的
用小数表示
A ma(0)
mw
W
m
Va Vv
Vw V
计算指标
孔隙比常用以表示土的密实 程度，并用于计算地基沉降 量。e越大，孔隙越发育，结 构越松散。 粉土按孔隙比e的分类： 密实（e<0.75）； 中密（0.75e<0.90）； 稍密（e0.90）。
ms
S
Vs
质量 mass
体积 volume
土的三相图
(1) 孔隙度（孔
隙率） n Vv 100%
物理性质分为基本物理性质和水理性质：
土的固、液（水）、气三相在质量和体积 之间的相互比例关系称为土的基本物理性 质，主要反映在土的密实程度和干湿状况 等。
液相（水）水与固相之间的相互作用所表 现出来的性质称为土的水理性质，主要研 究土的稠度与塑性、土的膨胀性与收缩性、 土的透水性和毛细性等。
为土的天然密度（通常所说的密度 即指天然密度），相应的重度为天 然重度，以区别于其他条件下的密 度。
土的密度是实测指标，可采用环刀法、蜡封法、灌水法和灌
砂法等方法测定。 环刀法适用于细粒土，蜡封法适用于易破裂土和形状不规则
的坚硬土，灌水法和灌砂法适用于现场测定粗粒土的密度。
环刀
（3）饱和密度(重度)
[无量纲]
ms
S
Vs
质量 mass
体积 volume
土的三相图
土粒比重与土粒密度在数值上是相 等的。
一般土的土粒密度值见下表：
土名
砂土 砂质粉土 粘质粉土 粉质黏土 黏土
s(g/cm3) 2.65~2.69 2.70
2.71 2.72~2.73 2.74~2.76
土粒密度是实测指标，小于5mm的
用小数表示
A ma(0)
mw
W
m
Va Vv
Vw V
计算指标
孔隙比常用以表示土的密实 程度，并用于计算地基沉降 量。e越大，孔隙越发育，结 构越松散。 粉土按孔隙比e的分类： 密实（e<0.75）； 中密（0.75e<0.90）； 稍密（e0.90）。
ms
S
Vs
质量 mass
体积 volume
土的三相图
(1) 孔隙度（孔
隙率） n Vv 100%
《土质学与土力学》 2土的物理、水理和力学性质
土质学与土力学 2土的物理水理和力学性质《土质学与土力学》第二章 土的物理性质、水理性质和力学性质第一节 土的物理性质土是土粒（固体相），水（液体相）和空气（气体相）三者所组成的；土的物理性质就是研究三相的质量与体积间的相互比例关系以及固、液两相相互作用表现出来的性质。
土的物理性质指标，可分为两类：一类是必须通过试验测定的，如含水量，密度和土粒比重；另一类是可以根据试验测定的指标换算的；如孔隙比，孔隙率和饱和度等。
一、土的基本物理性质土的三相图（见教材P62图） （一）土粒密度(particle density)土粒密度是指固体颗粒的质量m s 与其体积Vs 之比；即土粒的单位体积质量：sss V m =ρ g/cm 3 土粒密度仅与组成土粒的矿物密度有关，而与土的孔隙大小和含水多少无关。
实际上是土中各种矿物密度的加权平均值。
砂土的土粒密度一般为：2.65 g/cm 3左右 粉质砂土的土粒密度一般为：2.68g/cm 3粉质粘土的土粒密度一般为：2.68~2.72g/cm 3 粘土的土粒密度一般为：2.7-~2.75g/cm 3 土粒密度是实测指标。
（二）土的密度(soil density)土的密度是指土的总质量m 与总体积V 之比，也即为土的单位体积的质量。
其中：V=Vs+Vv; m=m s +m w 按孔隙中充水程度不同，有天然密度，干密度，饱和密度之分。
1．天然密度（湿密度）(density)天然状态下土的密度称天然密度，以下式表示：vs ws V V m m V m ++==ρ g/cm3 土的密度取决于土粒的密度，孔隙体积的大小和孔隙中水的质量多少，它综合反映了土的物质组成和结构特征。
砂土一般是１.4 g/cm3粉质砂土及粉质粘土１.4 g/cm3 粘土为１.4 g/cm3泥炭沼泽土：１.4 g/cm3土的密度可在室内及野外现场直接测定。
室内一般采用“环刀法”测定，称得环刀内土样质量，求得环刀容积；两者之比值。
《土力学》第2章土的物理性质及分类
, d , sat , , w , e , n , Sr 求：
解：绘制三相比例图 m = 95.15g
V = 50cm3
95.15 20.1 75.05
50
ms = 75.05g
Vw 20.1cm3
mw = 95.15－75.05= 20.1g
mw w 1g / cm3 Vw
稠度界限
塑限wp
液限wl 已经有大量自由水
Ip w l wp
吸附弱结合 水的能力 塑性指数
31
强结合水膜最大
粘性土的稠度反映土中水的形态
稠度界限
稠度 粘性土因含水量不同表现出来的各种不同的物理状态。
缩限 塑限 液限
0
ws
wP
wL
w
流动状态
固态
半固态
可塑状态
1、液限 wL 粘性土由可塑状态转到流动状态的界限含水量。 测定： (1)锥式液限仪
三、指标的换算
e Gs (1 w) w 1
ms Vs w Gs w w (Gs 1) w V 1 e 1 e
ms Vs w ms (V VV ) w ms Vv w V w sat w V V V
土的物理状态指标：
28
2.2 粘性土的物理特征
2.2.1 粘性土的可塑性及界限含水量
较干的土
湿土
29
稠度状态与含水量有关
粘性 土
含水量
较硬 变软 流动
30
强结合水
强结合水 弱结合水 土颗粒
强结合水
弱结合水
土颗粒
土颗粒
自由水
稠度状态
土力学(全套318页PPT课件)
苏州名胜虎丘塔
土 • 虎丘塔共七层，高47.5m，底层直径13.7m。 呈八角形，全为砖砌，在建筑艺术风格上有独 特的创意，被国务院公布为全国重点文物保护 单位。
力 • 目前该塔倾斜严重塔顶偏离中心线2.31m。经 勘探发现，该塔位于倾斜基岩上，复盖层一边 深3.8m，另一边为5.8m。由于在一千余年前
土 • 作为建筑地基、建筑介质或建筑材料的地壳表 层土体是土力学的研究对象。
• 土力学不仅研究土体当前的性状，也要分析其 性质的形成条件，并结合自然条件和建筑物修
力 建后对土体的影响，分析并预测土体性质的可 能变化，提出有关的工程措施，以满足各类工 程建筑的要求。
学 • 土力学是一门实践性很强的学科，它是进行地 基基础设计和计算的理论依据。
• 土力学研究对象：与工程建设有关的土
上部结构、基础和地基三者之间的关系
土 • 地基（Ground） 由于建筑
物的修建，使一定范围内土层
的应力状态发生变化，这一范
力
围内的地层称为地基。
• 基础（Foundation）指与地基
接触的建筑物下部结构。
学 • 一般建筑物由上部结构 （Superstructure）和基础两 部分组成。
坏或不能正常使用，这类问题在土力学中叫做 变形问题。
力 • 如果土受力超过了它所能承受的能力，土便要 被破坏，建筑物将随之倒毁或不能使用。土体 的破坏，在力学中亦称为稳定性丧失。研究土
学 体是否会破坏这一类问题称为稳定问题，土的 稳定性取决于它的强度。
二、土力学研究特点.内容与方法
土 • 土力学是研究与工程建筑有关的土的变形和强度 特性，并据此计算土体的固结与稳定，为各项专 门工程服务。
学 • 掌握土体变形与强度指标的测定方法及在工程实践中 的应用。 • 掌握土的动力特性的基本概念。来自三、土力学发展简史与趋势
土力学基本知识ppt课件
稠度状态与含水量有关
稠度状态 固态 半固态
强结合水 含水量
塑态 弱结合水
流态 自由水
w
稠度界限 缩限WS 塑限wp
液限wL Ip wl wp
强结合水膜最大
出现自由水
粘性土的稠度反映土中水的形态
吸附弱结合 水的能力
塑性指数
粘性土四种物理状态状态：固态、半固态、可塑状 态及流动状态
界限含水率
粘性土从一种状态过渡到另一种状态，可用某一界限含水 率来区分，这种界限含水率称为稠度界限或阿太堡界限
h hm
Δh x
z k1
v
k2
H1 H2 H
H Hm
等效渗透系数:
hm
vHm km
vm
km
hm Hm
vH h
kz
vH kz
vHm km
k3
H3
承压水
H
1
kz
Hm H
1 km
kz
Hm km
H1 1.0m, k1 0.01m / day
算例
H2 1.0m, k 2 1m / day
(1) 水平渗流
1
2 Δh
x
条件:
im
i h L
qx qmx
q1x
z k1
H1
q2x
k2
H2 H
q3x
k3
H3
H Hm
等效渗透系数:
qx=vxH=kxiH Σqmx=ΣkmimHm
1
L
2 不透
水层
1
kx H
Hmkm
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Hm H
km
层状地基的等效渗透系数
《粘性土的物理特性》课件
水利工程中的应用
水利枢纽
河道治理
粘性土可以作为水利枢纽的主要填筑 材料，具有良好的防渗性能和稳定性 。
粘性土可以用于河道治理，提供良好 的河床支撑和防洪能力。
水库大坝
利用粘性土制作水库大坝，能够提供 较好的承载能力和稳定性，保证水库 的正常运行。
环境工程中的应用
土壤改良
粘性土可以用于土壤改良，通过 添加有机物质和微生物等措施，
改善土壤结构和肥ห้องสมุดไป่ตู้。
污染治理
利用粘性土的吸附性能，可以用于 污染治理，如重金属离子和有机污 染物的吸附去除。
生态恢复
粘性土可以用于生态恢复工程，如 湿地修复、植被恢复等，提供良好 的土壤基础和生态环境。
05
CATALOGUE
粘性土的改良与处理
粘性土的改良方法
物理改良
通过掺入砂、砾石等骨料，改善 粘性土的粒径组成和级配，提高
泥炭土
含有大量未分解的有机物，具 有特殊的物理和化学性质。
特殊类型的粘性土
如黄土、红土等，具有特殊的 成分和性质。
02
CATALOGUE
粘性土的物理性质
颗粒组成与结构
颗粒组成
粘性土由固体颗粒、水和空气 组成。固体颗粒包括无机矿物 （如粘土矿物、粉粒、砂粒等
）和有机质。
结构特征
粘性土的颗粒排列紧密，形成 复杂的结构，影响土的物理和 力学性质。
其渗透性和压缩性能。
化学改良
通过添加化学试剂，如水泥、石 灰等，改善粘性土的物理和化学
性质，提高其强度和稳定性。
生物改良
通过微生物或酶的作用，改善粘 性土的生物活性，提高其工程性
能。
粘性土的处理技术
压实法
土的物理性质与工程分类—土的物理状态(土力学课件)
影响
力学特性
1.粗粒土（无黏性土）的密实度
密实度 如何衡量? 单位体积土体中固体颗粒的含量
干密度ρd、孔隙比e或孔隙率n 优点 简单方便 缺点 不能反映级配的影响，只能用于同一种土
1.粗粒土（无黏性土）的密实度
Cu=1,emin = 0.34
对策
相对密度
emin ＜0.34
Dr
emax e emax e min
黏性土的物理状态-作业6
判断题
1.对同一种黏土，含水率可反映其稠度。（ ） 2.对不同的黏土，wp、wL 大小不同，即使含水 率相同，稠度也可能不同。 （ ）
黏性土的物理状态-作业6
解答： 1.对同一种黏土，含水率可反映其稠度。（ √ ）
2.对不同的黏土，wp、wL 大小不同，即使含水 率相同，稠度也可能不同。 （ √ ）
黏性土的物理状态-作业4
简答题
在含水率-入土深度关系曲线上，如何确定塑限与 液限？
黏性土的物理状态-作业4
在含水率-入土深度关系曲线上，如何确定塑限与液限？ 在含水率-入土深度关系曲线上， 入土深度2mm所对应的含水率为塑限； 入土深度10mm所对应的含水率为10mm液限，用 于进行黏性土分类和确定黏性土的承载力标准； 入土深度17mm所对应的含水率为17mm液限，用 于了解土的工程性质与用于国际交流。
强结合水 弱结合水
弱结合水 强结合水
稠度状态
土颗粒
土颗粒
自由水
固态或半固态 可塑状态
流态
土中水的形态
强结合水
弱结合水
自由水
含水率
w
塑限wp
液限w1
稠度界限
强结合水膜最大
出现自由水
土中水与黏性土的稠度
土力学-第二章-粘性土的物理化学性质ppt课件
颗粒越细，破键越多，所以比表面越大， 表面能就越大。
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33
同晶置换作用
硅氧四面体中的硅原子常为铝或其它低 价的阳离子置换；氢氧化铝八面体中的 铝原子又常为铁、镁离子所置换，置换 后引起电荷的不平衡，在颗粒表面产生 了过剩的未饱和负电荷，使粘土颗粒表 面带负电。
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34
水化解离作用
22
高岭石
由一个四面体片与一个八面体片重复堆叠而成。 称为1:1型结构单位层，也称为二层结构型。
高岭石
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（氢键联结）
高岭石 23
蒙脱石
由两个四面体晶片中间夹一个八面体晶片堆叠而成。 称为2:1型结构单位层，亦称为三层结构型。
蒙脱石
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蒙脱石 24
伊利石
伊利石的晶格构造与蒙脱石相似，同属2:1型结构 单位层，但在四面体片之间六角形网格眼中央嵌有 一个钾离子。
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29
伊利石的的物理性质
伊利石矿物在单位层面之间嵌有带正电荷的钾 离子，单位层之间的联结强度介于高岭石和蒙 脱石之间，其膨胀性及压缩性也介于高岭石和 蒙脱石之间。
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30
第三节 粘土颗粒的胶体化学性质
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31
粘 土 颗 粒 的 粒 径 非 常 微 小 （ 小 于 0.005mm），在介质中具有明显的胶体 化学特性（如具有吸附能力），这起源
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11
总结
不同元素的原子通过化学反应构成一种 新的物质分子，异性原子之间的联结力 称为离子键。
两个同性原子形成同一元素分子的联结 力称为共价键。
通过自由电子将原子或离子联结成金属 晶格的联结力为金属键。
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33
同晶置换作用
硅氧四面体中的硅原子常为铝或其它低 价的阳离子置换；氢氧化铝八面体中的 铝原子又常为铁、镁离子所置换，置换 后引起电荷的不平衡，在颗粒表面产生 了过剩的未饱和负电荷，使粘土颗粒表 面带负电。
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34
水化解离作用
22
高岭石
由一个四面体片与一个八面体片重复堆叠而成。 称为1:1型结构单位层，也称为二层结构型。
高岭石
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（氢键联结）
高岭石 23
蒙脱石
由两个四面体晶片中间夹一个八面体晶片堆叠而成。 称为2:1型结构单位层，亦称为三层结构型。
蒙脱石
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蒙脱石 24
伊利石
伊利石的晶格构造与蒙脱石相似，同属2:1型结构 单位层，但在四面体片之间六角形网格眼中央嵌有 一个钾离子。
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29
伊利石的的物理性质
伊利石矿物在单位层面之间嵌有带正电荷的钾 离子，单位层之间的联结强度介于高岭石和蒙 脱石之间，其膨胀性及压缩性也介于高岭石和 蒙脱石之间。
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30
第三节 粘土颗粒的胶体化学性质
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31
粘 土 颗 粒 的 粒 径 非 常 微 小 （ 小 于 0.005mm），在介质中具有明显的胶体 化学特性（如具有吸附能力），这起源
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11
总结
不同元素的原子通过化学反应构成一种 新的物质分子，异性原子之间的联结力 称为离子键。
两个同性原子形成同一元素分子的联结 力称为共价键。
通过自由电子将原子或离子联结成金属 晶格的联结力为金属键。
第第二章 粘性土的物理学性质-PPT精品文档
验证：列依斯试验
粘土粒
+ 水位 升高
玻璃筒
2.工程运用
粘土膏
（1）电渗排水：基坑降水、稳 定滑坡、软基处理
（2）电化学加固
玻璃皿
工程实例
佛山市一环工程
一、设计参数 （一）采用Φ22钢筋作为阳 极，Φ48δ2.0钢花管作为阴 极，电极深 10m, 以穿透软土 层为准、进入硬土层 0.2m 为 准。电极间距2m~3m，阴极（ 阳极）间距4m。如图： 二.结论 1.电渗时地下水位普遍下降1.5~2.5m，路基中间下降较多。 2.电渗1个月时，电渗区的沉降与1m厚的填土产生的沉降相当。 3.电渗40后（电渗能量不足设计能量的1/3）软土抗剪强度比初始强度 提高1/3~1/2倍，靠近阳极强度增长较多
二.粘性土的结构性与灵敏度
1.结构性
示意图
分散结构
• 形成环境 淡水中沉积 表面力、胶结力 （粒间斥力占优势) 面与面
凝聚结构
海水中沉积
表面力、胶结力 （斥力减小引力增加)
• 粒间作用力
• 排列形式
边、角与面 边、角与边
• 性质
密度较大， 各向异性
具有较大孔隙，结构 不稳定，各向同性
2.灵敏度
qu St q0
3
置换
Al
3
或其他低价阳离子
置换
Mg2 , Fe2
3.水化离解作用
4.选择性吸附
颗粒只吸附与其本身晶格中离子成分相同或相近的离子
二.双电层的概念
结合水：受颗粒表面电场作用力吸引 而包围在颗粒四周，不传递静水压力， 不能任意流动的水
粘土 颗粒
阳离子
水分子
强结合水
弱结合水
- 弱结合水： • 受电场引力作用，为粘滞水膜 • 外力作用下可以移动 • 不因重力而流动，有粘滞性
粘土粒
+ 水位 升高
玻璃筒
2.工程运用
粘土膏
（1）电渗排水：基坑降水、稳 定滑坡、软基处理
（2）电化学加固
玻璃皿
工程实例
佛山市一环工程
一、设计参数 （一）采用Φ22钢筋作为阳 极，Φ48δ2.0钢花管作为阴 极，电极深 10m, 以穿透软土 层为准、进入硬土层 0.2m 为 准。电极间距2m~3m，阴极（ 阳极）间距4m。如图： 二.结论 1.电渗时地下水位普遍下降1.5~2.5m，路基中间下降较多。 2.电渗1个月时，电渗区的沉降与1m厚的填土产生的沉降相当。 3.电渗40后（电渗能量不足设计能量的1/3）软土抗剪强度比初始强度 提高1/3~1/2倍，靠近阳极强度增长较多
二.粘性土的结构性与灵敏度
1.结构性
示意图
分散结构
• 形成环境 淡水中沉积 表面力、胶结力 （粒间斥力占优势) 面与面
凝聚结构
海水中沉积
表面力、胶结力 （斥力减小引力增加)
• 粒间作用力
• 排列形式
边、角与面 边、角与边
• 性质
密度较大， 各向异性
具有较大孔隙，结构 不稳定，各向同性
2.灵敏度
qu St q0
3
置换
Al
3
或其他低价阳离子
置换
Mg2 , Fe2
3.水化离解作用
4.选择性吸附
颗粒只吸附与其本身晶格中离子成分相同或相近的离子
二.双电层的概念
结合水：受颗粒表面电场作用力吸引 而包围在颗粒四周，不传递静水压力， 不能任意流动的水
粘土 颗粒
阳离子
水分子
强结合水
弱结合水
- 弱结合水： • 受电场引力作用，为粘滞水膜 • 外力作用下可以移动 • 不因重力而流动，有粘滞性
粘性土的物理化学性质
1、扩散层的厚度 在扩散层中电位的变化规律可近似地表示为：
0 exp(Kx)
2、影响扩散层厚度的因素牛牛文档分享第四节 粘性土工程性质的利用和改良
一、粘土颗粒表面的带电现象 列依斯（Reuss）试验证明粘土粒带电，而且 是负电荷，实验装置见图2-6。 1、在阳极（+）管中：水自下而上逐渐变浑浊， 水位下降。说明粘土粒带负电荷，向阳极周围运动， 这种现象称为电泳。 2、在阴极（－）管中：水仍然清澈，但水位 上升，说明有水向间键也称范德华（Van der Waals）键，属于次键， 这与定向作用、诱导作用和分散作用有关。
三、氢键
氢键是介于主键和次键之间的一种键力。产生的原因是： 氢原子在失去一个电子后成为裸露原子核，当遇其他带负电 荷的原子时相互吸引形成氢键。由于氢离子尺寸很小，只能 与两个相邻的原子结合。氢键的影响范围约为0.2~0.3μm， 键сангаас
图2-1胀 含反 水复 量干 的湿 关与 系最
4、倍半氧化物的二重性：常用R2O3表示，其 带电具有二重性，由溶液的PH值决定，PH大带负 电。当不带电时水溶液的PH值为两性体的等电PH 值。
5、选择性吸附作用：土粒只吸附与其本身晶格 中离子成分相同或相近的离子。
粘土颗粒表面带电的因素很多，要综合分析享
图2-14抗剪强度与联结数的关系牛牛文档分享联含图2-15
结水
数 之 间
量 、
固
的 关
抗 剪
结
系晶片结构与蒙脱石一致，局部 硅被铝代替形成同晶置换，使晶体带负电吸附溶液中的K+，联 结力增大，其性质介于高岭石与蒙脱石之间。比表面积学性质
一、粘土颗粒表面带电的原因
1、断键：理想晶体内部电荷是平衡的，但在边缘破裂 处，由于破键而产生电荷不平衡，一般粘土颗粒带负电，个 别也带正电的断键。
0 exp(Kx)
2、影响扩散层厚度的因素牛牛文档分享第四节 粘性土工程性质的利用和改良
一、粘土颗粒表面的带电现象 列依斯（Reuss）试验证明粘土粒带电，而且 是负电荷，实验装置见图2-6。 1、在阳极（+）管中：水自下而上逐渐变浑浊， 水位下降。说明粘土粒带负电荷，向阳极周围运动， 这种现象称为电泳。 2、在阴极（－）管中：水仍然清澈，但水位 上升，说明有水向间键也称范德华（Van der Waals）键，属于次键， 这与定向作用、诱导作用和分散作用有关。
三、氢键
氢键是介于主键和次键之间的一种键力。产生的原因是： 氢原子在失去一个电子后成为裸露原子核，当遇其他带负电 荷的原子时相互吸引形成氢键。由于氢离子尺寸很小，只能 与两个相邻的原子结合。氢键的影响范围约为0.2~0.3μm， 键сангаас
图2-1胀 含反 水复 量干 的湿 关与 系最
4、倍半氧化物的二重性：常用R2O3表示，其 带电具有二重性，由溶液的PH值决定，PH大带负 电。当不带电时水溶液的PH值为两性体的等电PH 值。
5、选择性吸附作用：土粒只吸附与其本身晶格 中离子成分相同或相近的离子。
粘土颗粒表面带电的因素很多，要综合分析享
图2-14抗剪强度与联结数的关系牛牛文档分享联含图2-15
结水
数 之 间
量 、
固
的 关
抗 剪
结
系晶片结构与蒙脱石一致，局部 硅被铝代替形成同晶置换，使晶体带负电吸附溶液中的K+，联 结力增大，其性质介于高岭石与蒙脱石之间。比表面积学性质
一、粘土颗粒表面带电的原因
1、断键：理想晶体内部电荷是平衡的，但在边缘破裂 处，由于破键而产生电荷不平衡，一般粘土颗粒带负电，个 别也带正电的断键。
土力学教学课件第2章土的物理性质及工程分类part3
气泡，易排出
• 含水量﹥Wop： 水膜润滑作用不再明显增加；封闭气泡难以排出; 水的相对含量增加
细粒土的压实性-压实机理
工程上常采用压实度Dc，作为填方压 实密度控制的标准：
填土的干密度
Dc 室内标准击实试 dma验 x1的 0% 0
Ⅰ、Ⅱ级土石坝 Dc>95~98% III~Ⅴ 级土石坝 Dc>92~95%
细粒土的压实标准
击实曲线
• 不存在最优含水量，在完全风干 或饱和状态下易于击实。在潮湿 状态下，存在假凝聚力，加大了 阻力
• 同细粒土不同，粗粒土在击实过 程中可以自由排水
• 粗砂w=4~5%，中砂w=7%时， 干密度最小 ，
干密度
粗砂 中砂
含水量w
压实标准：常用相对密度控制 Dr>0.7-0.75
室内击实试验
干密度d(g/cm3)
具有峰值 • 最大干密度dmax • 最优含水量Wop
位于饱和曲线之下
2.0 dmax
1.8
d(d)sat
1.6
粘性土透水性小，击实过 程中含水量几乎不变，要 想击实到饱和状态是不可
1.4 04
能的。
d
Gsw 1Gsw/Sr
Sr=1
wop 8 12 16 20 24 28
试验设备：击实筒V=1000cm3；击实锤w=2Байду номын сангаас牛顿 试验条件：土样分层n=3层；落高d=30cm；
击数N=27/层
击实能量
EwdN 6n 0.5K 7 N m /m 3 V
试验方法：对w=cosnst的土，分三层压实；
测定击实后的w、，算定d
土
注意：仅适用于细粒土；
对粗粒土，可用较大尺寸的击实仪
• 含水量﹥Wop： 水膜润滑作用不再明显增加；封闭气泡难以排出; 水的相对含量增加
细粒土的压实性-压实机理
工程上常采用压实度Dc，作为填方压 实密度控制的标准：
填土的干密度
Dc 室内标准击实试 dma验 x1的 0% 0
Ⅰ、Ⅱ级土石坝 Dc>95~98% III~Ⅴ 级土石坝 Dc>92~95%
细粒土的压实标准
击实曲线
• 不存在最优含水量，在完全风干 或饱和状态下易于击实。在潮湿 状态下，存在假凝聚力，加大了 阻力
• 同细粒土不同，粗粒土在击实过 程中可以自由排水
• 粗砂w=4~5%，中砂w=7%时， 干密度最小 ，
干密度
粗砂 中砂
含水量w
压实标准：常用相对密度控制 Dr>0.7-0.75
室内击实试验
干密度d(g/cm3)
具有峰值 • 最大干密度dmax • 最优含水量Wop
位于饱和曲线之下
2.0 dmax
1.8
d(d)sat
1.6
粘性土透水性小，击实过 程中含水量几乎不变，要 想击实到饱和状态是不可
1.4 04
能的。
d
Gsw 1Gsw/Sr
Sr=1
wop 8 12 16 20 24 28
试验设备：击实筒V=1000cm3；击实锤w=2Байду номын сангаас牛顿 试验条件：土样分层n=3层；落高d=30cm；
击数N=27/层
击实能量
EwdN 6n 0.5K 7 N m /m 3 V
试验方法：对w=cosnst的土，分三层压实；
测定击实后的w、，算定d
土
注意：仅适用于细粒土；
对粗粒土，可用较大尺寸的击实仪
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表面积大约与一
个足高岭球石场一样大伊利石
蒙脱石
粒径
大
中
小
比表面积 10-20m2/g 80-100m2/g 800m2/g
胀缩性
小
中
大
强度
大
中
小
压缩性
小
中
大
分析
四面体片和八面体片之间都是共用一个原子， 所以四面体片与八面体片间的键力为主键联结， 但结构单位层间的联结则比较薄弱。
当具有不同晶体结构的粘土矿物与周围介质接 触时，就会显示出不同的工程性质。
高岭石
（氢键联结）
高岭石
蒙脱石
由两个四面体晶片中间夹一个八面体晶片堆叠而成。 称为2:1型结构单位层，亦称为三层结构型。
蒙脱石
蒙脱石
伊利石
伊利石的晶格构造与蒙脱石相似，同属2:1型结构 单位层，但在四面体片之间六角形网格眼中央嵌 有一个钾离子。
伊利石
伊利石
三种粘9 克土蒙矿脱物土物的理总性质的比较
4个铝—氢氧八面体组成一个铝片，每个氢氧离子都被相邻两个 铝离子所共有。
粘土矿物的结晶结构
粘土矿物根据四面体片（硅片）与八面 体片（铝片）的不同组合堆叠形式，形 成了三种主要的粘土矿物： 高岭石 蒙脱石 伊利石
高岭石
由一个四面体片与一个八面体片重复堆叠而成。 称为1:1型结构单位层，也称为二层结构型。
比表面积
所谓比表面积就是单位体积内颗粒表面积 的总和。
颗粒越细，比表面积越大，表面能越大。 粘土矿物的粒径小于0.005mm，具有很大
的比表面积。
粘性土物理化学特性的本质
粘土矿物可分为蒙脱石、伊利石和高岭石三种类 型。它们各自具有不同的结晶结构特征。
结晶结构特征：即组成矿键物的力原子和分子的排列 以及它们之间的联结力。
第二章 粘性土的物理化学性质
内容提要
本章主要讨论决定粘性土的宏观物理化学性 质的微观结构特征。主要包括： 键力的基本概念 粘土矿物颗粒的结晶结构 粘土颗粒的胶体化学性质 粘性土工程性质的利用和改良
粘性土特有的性质及成因
粘性土随着含水量的不同会呈现不同的 物理状态。
这种性质主要取决于粘粒粒组的含量与 粘粒的矿物成分。
根据联结的形式又可分为离子键、共价键 和金属键三种。
离子键
离子键是一种化学联结。
不同元素的原子通过化学反应，一种元 素的原子失去其最外电子层中的一个或 多个电子成为阳离子，而另一种元素的 原子获得一个或多个电子成为阴离子。
阳离子与阴离子之间的静电引力所形成 的键力即为离子键。
离子键是无方向性的。
分子间键力的影响范围比离子键力大得 多，约为0.3～10μm，但其键能则比离子 键能小得多，约为2.1～21J/kmol。
分子键的形成与影响因素
由于分子的正电荷与负 电荷的分布不对称形成 极性分子，在极性分子 间相反电荷的偶极端相 互接近时相互吸引就产 生分子键。
分子键的产生是与分子 的定向作用、诱导作用 和分散作用有关。
粘性土的各种工程性质（可塑性、压缩性、强度 等）主要受组成粘性土的粘土矿物的结晶结构特 征以及矿物颗粒与周围介质的相互作用所制约。
第一节 键力的基本概念
所谓键力是指组成粘土矿物的原子与原子 之间或分子与分子之间的一种联结力。
键力的类型： ➢ 化学键 ➢ 分子键 ➢ 氢键
化学键
原子与原子之间的联结称为化学键，也称 为主键或高能键。
共价键
共价键是同一种元素的两个原子以共有的外 层电子联结而成同种元素的分子。
共价键是有方向性的，方向角称为键角。
金属键
金属元素中的自由电子将金属原子或离 子联结而成金属晶格，这种联结力即为 金属键。
总结
不同元素的原子通过化学反应构成一种 新的物质分子，异性原子之间的联结力 称为离子键。
两个同性原子形成同一元素分子的联结 力称为共价键。
键力与强度
土粒本身的强度是由主键形成的； 土粒与土粒之间、土粒与水分子之间的吸引
力由次键和氢键形成；
土粒之间的联结力远小于土粒本身的强度， 土体的强度主要取决于土粒之间的联结。
第二节 粘土矿物颗粒的结晶结构
粘土矿物结晶结构组成
粘土矿物结晶结构的基本结构单元： 硅氧四面体 氢氧化铝八面体（三水铝石八面体）
硅氧四面体晶体单元
基本单元： 硅-氧四面体
四个氧离子构成一个等边的四面体，四面体四个面均为等边 三角形，在四面体的中心位置有一个硅离子。(硅-氧四面体)
六个硅-氧四面体组成一个硅片，每个四面体底面上有一个氧 离子与相邻四面体共用。
氢氧化铝八面体结晶单元
基本单元： 铝-氢氧八面体
由6个氧或氢氧离子以相等的距离排列，铝原子居中。（铝—氢 氧八面体）
蒙脱石类粘土矿物中，结构单位层之间为氧与 氧联结，其键力很弱，易为具有氢键的强极化 水分子楔入所分开。
组成蒙脱石类粘土矿物的八面体结构单元中会 产生水化阳离子，水化阳离子进入结构单位层 之间使层间距离增大。
蒙脱石的晶格活动性极大，膨胀性与压缩性都 比高岭石大得多。
伊利石的的物理性质
伊利石矿物在单位层面之间嵌有带正电荷的钾 离子，单位层之间的联结强度介于高岭石和蒙 脱石之间，其膨胀性及压缩性也介于高岭石和 蒙脱石之间。
高岭石的物理性质
高岭石类粘土矿物中，结构单位层之间为氧与 氢氧或氢氧与氢氧离子相联结，单位层与单位 层之间除范德华键外，还有氢键，能提供较强 的联结力。
高岭石在水中，结构单位层之间不会分散，晶 格活动性小，浸水后结构单位层间的距离变化 很小，所以高岭石的膨胀性和压缩性都很小。
蒙脱石的物理性质
分子键的能量大小与温度有关，当温度升高时，其 能量就减小。
氢键
氢键是介于主键和次键之间的一种键力。
氢原子失去时，即构成 特殊的氢键。
由于氢离子尺寸小，只允许与两个相邻原子 靠拢，故氢键只能连接两个原子。
氢键的影响范围很小，约为 0.2～ 0.3μm， 键能达21～42J/kmol。
通过自由电子将原子或离子联结成金属 晶格的联结力为金属键。
总结
离子键、共价键和金属键都属于主键。 主键的影响范围最小，约为0.1~0.2μm，
而其联结能最大，相当于8.4～84J/kmol。
分子键
分子键又称范德华（Van Der Waals）键 或次键、低能键。
所谓分子键就是指分子与分子之间的联 结力。
个足高岭球石场一样大伊利石
蒙脱石
粒径
大
中
小
比表面积 10-20m2/g 80-100m2/g 800m2/g
胀缩性
小
中
大
强度
大
中
小
压缩性
小
中
大
分析
四面体片和八面体片之间都是共用一个原子， 所以四面体片与八面体片间的键力为主键联结， 但结构单位层间的联结则比较薄弱。
当具有不同晶体结构的粘土矿物与周围介质接 触时，就会显示出不同的工程性质。
高岭石
（氢键联结）
高岭石
蒙脱石
由两个四面体晶片中间夹一个八面体晶片堆叠而成。 称为2:1型结构单位层，亦称为三层结构型。
蒙脱石
蒙脱石
伊利石
伊利石的晶格构造与蒙脱石相似，同属2:1型结构 单位层，但在四面体片之间六角形网格眼中央嵌 有一个钾离子。
伊利石
伊利石
三种粘9 克土蒙矿脱物土物的理总性质的比较
4个铝—氢氧八面体组成一个铝片，每个氢氧离子都被相邻两个 铝离子所共有。
粘土矿物的结晶结构
粘土矿物根据四面体片（硅片）与八面 体片（铝片）的不同组合堆叠形式，形 成了三种主要的粘土矿物： 高岭石 蒙脱石 伊利石
高岭石
由一个四面体片与一个八面体片重复堆叠而成。 称为1:1型结构单位层，也称为二层结构型。
比表面积
所谓比表面积就是单位体积内颗粒表面积 的总和。
颗粒越细，比表面积越大，表面能越大。 粘土矿物的粒径小于0.005mm，具有很大
的比表面积。
粘性土物理化学特性的本质
粘土矿物可分为蒙脱石、伊利石和高岭石三种类 型。它们各自具有不同的结晶结构特征。
结晶结构特征：即组成矿键物的力原子和分子的排列 以及它们之间的联结力。
第二章 粘性土的物理化学性质
内容提要
本章主要讨论决定粘性土的宏观物理化学性 质的微观结构特征。主要包括： 键力的基本概念 粘土矿物颗粒的结晶结构 粘土颗粒的胶体化学性质 粘性土工程性质的利用和改良
粘性土特有的性质及成因
粘性土随着含水量的不同会呈现不同的 物理状态。
这种性质主要取决于粘粒粒组的含量与 粘粒的矿物成分。
根据联结的形式又可分为离子键、共价键 和金属键三种。
离子键
离子键是一种化学联结。
不同元素的原子通过化学反应，一种元 素的原子失去其最外电子层中的一个或 多个电子成为阳离子，而另一种元素的 原子获得一个或多个电子成为阴离子。
阳离子与阴离子之间的静电引力所形成 的键力即为离子键。
离子键是无方向性的。
分子间键力的影响范围比离子键力大得 多，约为0.3～10μm，但其键能则比离子 键能小得多，约为2.1～21J/kmol。
分子键的形成与影响因素
由于分子的正电荷与负 电荷的分布不对称形成 极性分子，在极性分子 间相反电荷的偶极端相 互接近时相互吸引就产 生分子键。
分子键的产生是与分子 的定向作用、诱导作用 和分散作用有关。
粘性土的各种工程性质（可塑性、压缩性、强度 等）主要受组成粘性土的粘土矿物的结晶结构特 征以及矿物颗粒与周围介质的相互作用所制约。
第一节 键力的基本概念
所谓键力是指组成粘土矿物的原子与原子 之间或分子与分子之间的一种联结力。
键力的类型： ➢ 化学键 ➢ 分子键 ➢ 氢键
化学键
原子与原子之间的联结称为化学键，也称 为主键或高能键。
共价键
共价键是同一种元素的两个原子以共有的外 层电子联结而成同种元素的分子。
共价键是有方向性的，方向角称为键角。
金属键
金属元素中的自由电子将金属原子或离 子联结而成金属晶格，这种联结力即为 金属键。
总结
不同元素的原子通过化学反应构成一种 新的物质分子，异性原子之间的联结力 称为离子键。
两个同性原子形成同一元素分子的联结 力称为共价键。
键力与强度
土粒本身的强度是由主键形成的； 土粒与土粒之间、土粒与水分子之间的吸引
力由次键和氢键形成；
土粒之间的联结力远小于土粒本身的强度， 土体的强度主要取决于土粒之间的联结。
第二节 粘土矿物颗粒的结晶结构
粘土矿物结晶结构组成
粘土矿物结晶结构的基本结构单元： 硅氧四面体 氢氧化铝八面体（三水铝石八面体）
硅氧四面体晶体单元
基本单元： 硅-氧四面体
四个氧离子构成一个等边的四面体，四面体四个面均为等边 三角形，在四面体的中心位置有一个硅离子。(硅-氧四面体)
六个硅-氧四面体组成一个硅片，每个四面体底面上有一个氧 离子与相邻四面体共用。
氢氧化铝八面体结晶单元
基本单元： 铝-氢氧八面体
由6个氧或氢氧离子以相等的距离排列，铝原子居中。（铝—氢 氧八面体）
蒙脱石类粘土矿物中，结构单位层之间为氧与 氧联结，其键力很弱，易为具有氢键的强极化 水分子楔入所分开。
组成蒙脱石类粘土矿物的八面体结构单元中会 产生水化阳离子，水化阳离子进入结构单位层 之间使层间距离增大。
蒙脱石的晶格活动性极大，膨胀性与压缩性都 比高岭石大得多。
伊利石的的物理性质
伊利石矿物在单位层面之间嵌有带正电荷的钾 离子，单位层之间的联结强度介于高岭石和蒙 脱石之间，其膨胀性及压缩性也介于高岭石和 蒙脱石之间。
高岭石的物理性质
高岭石类粘土矿物中，结构单位层之间为氧与 氢氧或氢氧与氢氧离子相联结，单位层与单位 层之间除范德华键外，还有氢键，能提供较强 的联结力。
高岭石在水中，结构单位层之间不会分散，晶 格活动性小，浸水后结构单位层间的距离变化 很小，所以高岭石的膨胀性和压缩性都很小。
蒙脱石的物理性质
分子键的能量大小与温度有关，当温度升高时，其 能量就减小。
氢键
氢键是介于主键和次键之间的一种键力。
氢原子失去时，即构成 特殊的氢键。
由于氢离子尺寸小，只允许与两个相邻原子 靠拢，故氢键只能连接两个原子。
氢键的影响范围很小，约为 0.2～ 0.3μm， 键能达21～42J/kmol。
通过自由电子将原子或离子联结成金属 晶格的联结力为金属键。
总结
离子键、共价键和金属键都属于主键。 主键的影响范围最小，约为0.1~0.2μm，
而其联结能最大，相当于8.4～84J/kmol。
分子键
分子键又称范德华（Van Der Waals）键 或次键、低能键。
所谓分子键就是指分子与分子之间的联 结力。