风化作用与土

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2.2 土的性质及工程分类
• ２.２.１ 土的三相组成
• 土是地壳表层广泛分布的物质,是最新地质时期的堆积物.土的组成一 般是由作为土
• 骨架的固体矿物颗粒、孔隙中的水及充满孔隙的空气组成的三相体系 (图２.１).
• ２.２.２ 土的物理性质指标
• １.三项基本物理指标 • (１)土粒相对密度Gs.其是指土粒质量与同体积４℃纯水的质量之比,
• 自然界土的孔隙率与孔隙比的数值取决于土的结构状态,因此,它是表 征土结构特征的重要指标.数值越大,土中孔隙体积越大,土结构越疏松; 反之,结构越密实.土的松密程度差别越大,土的孔隙比变化范围也越大, 可为０.２５~４.０,相应孔隙率为２０％~８０％,
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2.2 土的性质及工程分类
• 无黏性土虽孔隙较大,但因数量少,孔隙比相对较低,一般为０.５~０.８, 孔隙率相应为３３％~４５％;黏性土则因孔隙数量多和大孔隙的存在, 孔隙比常相对较高,一般为０.６７~１.２,相应孔隙率为４０％~５５ ％,少数近代沉积的未经压实的黏性土,孔隙比甚至在４.０以上,孔隙率 可大于８０％.
• ３. 反映土中含水程度的指标 • (１)土的含水率w.详见２.２.２节第１.(２)的相关内容. • (２)土的饱和度Sr.土中孔隙水的体积与孔隙总体积之比,以百分数表示,
• 土的天然含水率由于土层所处自然条件(如水的补给条件、气候条件、 离地下水面的距离等)及土层孔隙发育的程度不同,其数值差别很大.近 代沉积的三角洲软新土或湖相黏土结构疏松,天然含水率可达５０％~ ２００％;全新世前的黏土,由于经过较长时间的压密,其孔隙体积小, 即使全部被水充满,天然含水率也可能小于２０％.干旱气候地区,土的 含水率更小,可能小于１０％.
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2.2 土的性质及工程分类
• 一般砂土天然含水率都不超过４０％,以１０％~３０％最为常见,一般 黏性土大多为１０％~８０％,常见值为２０％~５０％.
• (３)土的天然密度ρ.其是土的总质量与总体积之比,即单位体积土的质 量,单位是g/cm３,即
• 天然状态下土的密度变化范围较大.一般黏性土密度变化范围为１.８~ ２.０g/cm３;砂土密度变化范围为１.６~２.０g/cm３,腐殖土密度变 化范围为1.５~１.７g/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,再 计算两者的比值.
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2.1 风化作用
• 一般来说,地质成因相同,处于相似的形成条件下的土体,其工程地质特 征也将具有很大的一致性,因此,对第四纪沉积物的成因进行研究,以及 根据沉积物形成的地质作用及其营力方式、沉积环境、物质组成等划 分土的成因类型是很有必要的.按成因类型,作为第四纪沉积物的土可 分为残积土、坡积土、洪积土、冲积土、湖泊沉积物、海洋沉积物、 风积土和冰积土等.
• 冻融风化能否进行,取决于水能否成冰.在标准状态下,水结成冰的温度 是０ ℃.但是岩石裂隙和孔隙中的水并非处于标准条件下,它们一般都 由于岩石和其他因素处于较大的压力下.随着压力的增加,水的冰点温 度也要降低.
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2.1 风化作用
• (３)盐类结晶作用.岩石裂隙中的水溶液由于水分蒸发,盐分逐渐饱和, 当气温降低、溶解度变小时,盐分就会结晶出来,对岩石裂隙产生压力, 逐渐促使岩石破裂.
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2.2 土的性质及工程分类
• ２.２.３ 土的渗透性
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2.1 风化作用
• ２.土的形成 • 地壳表层广泛分布着的土是岩石圈表层在漫长的地质历史里,经受各
种复杂的地质作用而形成的地质体.我国大部分地区的松软土都形成 于第四纪时期,而第四纪是距今最近的地质年代,因此,其沉积的历史相 对较短,是未经胶结硬化的沉积物,通常称为“第四纪沉积物”. • 坚硬岩石经过风化、剥蚀等外力作用,破碎成大小不等的岩石碎块或 矿物颗粒(其中部分矿物可转变为次生矿物),这些岩石碎屑物质在斜坡 重力作用、流水作用、风力吹扬作用、冰川作用及其他外力作用下被 搬运到别处,在适当的条件下沉积成各种类型的土体.
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2.1 风化作用
• 实际上,在土粒被搬运的过程中,颗粒大小、形状及矿物成分仍在进一 步变化,并在沉积过程中常因分选作用而使土在成分、结构、构造和 性质上表现出有规律的变化.
• 工程地质学中所说的土或土体,是指与工程建筑物的变形和稳定相关 的第四纪沉积物,它有别于通常所称的“土壤”.松散物质沉积成土后, 如果能稳定一个相当长的时期,则靠近地表的土体将经受生物化学及 物理化学作用,即成壤作用形成所谓的“土壤”;未形成“土壤”的表 层受到剥蚀、侵蚀而再破碎、再搬运、再沉积等地质作用,时代较老 的土体在上覆沉积物的自重压力及地下水的作用下,经受成岩作用(或 称固结作用),逐渐固结成岩,强度增高.土体固结成岩后,又可在适宜的 条件下风化、搬运、沉积成土,如此周而复始、不断循环.
即
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2.2 土的性质及工程分类
• 土的饱和度(Sr)与含水率(w)均为描述土中含水程度的三相比例指标, 饱和度越大,表明土孔隙中充水越多.Sr 为０~１００％.干燥时,Sr＝０; 孔隙全部为水充填时,Sr＝１００％.
• 工程上将Sr 作为砂土湿度划分的标准,即 • 稍湿的:Sr＜５０％; • 很湿的:５０％≤Sr≤８０％; • 饱和的:Sr＞８０％. • ４. 特定条件下土的密度 • (１)土的干密度.土的孔隙中完全没有水时的密度称为土的干密度,是
• １.岩石的风化 • 岩石的风化作用,实质上只有物理风化和化学风化两种基本类型,它们
彼此是紧密联系的.
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2.1 风化作用
• 物理风化作用加大岩石的孔隙度,使岩石获得较好的渗透性,这样就更 有利于水分、气体和微生物等的侵入.岩石崩解为较小的颗粒,使表面 积增加,更有利于化学风化作用的进行.从这种意义上来说,物理风化是 化学风化的前驱的必要条件.在化学风化过程下,不仅岩石的化学性质 发生变化,而且包含着岩石的物理性质的变化.物理风化只能使颗粒破 碎到一定的粒径,大致在中、细砂粒之间,因为机械崩裂的粒径下限为0. ０２mm,在此粒径以下,作用于颗粒上的大多数应力可以被弹性应变 和解而消除,然而化学风化却能进一步使颗粒分解破碎到更细小的粒 径.
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2.2 土的性质及工程分类
• 天然状态下土的含水率称为土的天然含水率.对结构相同的土而言,天 然含水率越大,表明土中水分越多.土的含水率是土的物理状态重要的 指标,它决定着土(尤其是黏性土)的力学性质.天然含水率是实测指标, 是计算干密度、孔隙率、饱和度的主要数据,又是工程设计直接应用 的一个重要参数.
指单位体积干土的质量,即固体颗粒的质量与土的总体积之比值,可用 下式表示:
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2.2 土的性质及工程分类
• (３)土的浮密度.在地下水位以下,土单位体积中土粒的质量与同体积 水的质量之差,称为土的浮密度,即
• 由此可见,同一种土在体积不变的条件下,它的各种密度在数值上有如 下关系:ρs＞ρsat＞ρ＞ρd＞ρ′.
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2.2 土的性质及工程分类
• (２)土的含水率w.土中所含的水分的质量与固体颗粒质量之比,一般用 百分率表示,即
• 由式(２.２)可见,含水率应是土中固体相与液体相之间在质量上的比 例关系,而不能提供有关土中水的性质的概念.土的含水率也可用土的 密度ρ 与土的干密度ρd 计算得到,即
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2.1 风化作用
• (２)冻融风化.岩石由于水的周期性冻结和融化造成的机械崩解作用称 为冻融风化.岩石裂隙中的水在冻结成冰时,体积膨胀大约为９％.因而, 它对裂隙两壁的岩石可以施加很大的膨胀压力,起到楔子的作用,称为 “冰劈”,使岩石裂隙加宽加深.据研究,１g水结冰时,可产生９６.０ MPa的压力,使储水裂隙进一步扩大.当冰融化时,水沿扩大了的裂隙更 深地渗入岩石的内部,软化或溶蚀岩体.当再次冻结成冰时,重新对岩石 施加压力,扩大裂隙.这样,水反复冻结融化,就可使岩石的裂隙不断加深 加宽,最后破裂成碎屑.
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2.2 土的性质及工程分类
• ２.反映土松密程度的指标 • (１)土的孔隙比e.土的孔隙比是土中孔隙体积与土粒体积之比,即
• 孔隙比用小数表示.其是一个重要的物理性指标,可以用来评价粉土层 的密实程度.
• (２)土的孔隙率.土的孔隙率是土中孔隙所占体积与总体积之比,以百 分数表示,即
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2.1 风化作用
• ２.１.２ 风化作用的类型
• 按风化作用的性质和特征,风化作用可划分为以下三类. • １. 物理风化作用 • 岩石在风化的作用下,只发生机械破坏,无成分改变的作用,称为物理风
化作用.引起岩石物理风化作用的因素主要包括温度的变化、冻融风 化及盐类结晶作用等. • (１)温度变化.温度变化是导致物理风化的主要因素.岩石是热的不良 导体,白天阳光强烈照射,岩石表层首先受热膨胀,内部未变热,体积不变; 晚上,由于气温下降,岩石表层开始收缩,这时岩石内部可能还在升温膨 胀.这种表里不一致的膨胀、收缩长期反复作用,岩石就会逐渐开裂,导 致完全破坏.花岗岩的球状风化是这种作用的代表.
即
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2.2 土的性质及工程分类
• 式中 ρs———土粒的密度,即土粒单位体积的质量(g/cm３); • ρw１———４℃时纯水的密度,可取１g/cm３ 或１t/m３. • 一般情况下,土粒相对密度在数值上等于土粒密度,但两者的含义不同,
前者是两种物质的质量或密度之比,量纲为１;而后者是一物质(土粒) 的质量密度,有单位.土粒相对密度取决于土的矿物成分. • 一般无机矿物颗粒的相对密度为２.６~２.８,有机质的相对密度为２. ４~２.５,泥炭的相对密度为１.５~１.８.土粒(一般无机矿物颗粒)的 相对密度变化幅度很小.土粒相对密度可在实验室内用比重瓶法测定. 通常也可按经验数值选用,一般土粒相对密度参考值见表２.1
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2.2 土的性质及工程分类
• 孔隙率和孔隙比都说明土中孔隙体积的相对数值.孔隙率直接说明土 中孔隙体积占土体积的百分比值,概念非常清楚.地基土层在荷载作用 下产生压缩变形时,孔隙体积和土体总体积都将变小,显然,孔隙率不能 反映孔隙体积在荷载作用前后的变化情况.一般情况下,土粒体积可看 作不变值,故孔隙比就能反映土体积变化前后孔隙体积的变化情况.因 此,工程计算中常用孔隙比这一指标.
• ２.化学风化作用 • 处于地表的岩石,与水溶液和气体等在原地发生化学反应逐渐使岩石
破坏,不仅改变其物理状态,同时也改变其化学成分,并可形成新矿物的 作用,称为化学风化作用.化学风化作用的方式主要有溶解作用、水化 作用、水解作用、碳酸化作用和氧化作用等.
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2.1 风化作用
• ３.生物风化作用 • 岩石在动植物及微生物影响下所起的破坏作用,如植物根部楔入岩石
第2章 风化作用与土
• 2.1 风化作用 • 2.2 土的性质及工程分类
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2.1 风化作用
• ２.１.１ 风化作用的基本概念
• 无论怎样坚硬的岩石,一旦露出地表,在太阳辐射作用下并与水圈、大 气圈和生物圈接触,为适应地表新的物理、化学环境,都必然会发生变 化,这种变化虽然缓慢,但年深日久,岩石就会逐渐崩解,分离为大小不等 的岩屑或土层.岩石的这种物理、化学性质的变化称为风化;引起岩石 这种变化的作用称为风化作用;被风化的岩石表层称为风化壳.在风化 壳中,岩石经过风化作用后,形成松散的岩屑和土层,残留在原地的堆积 物称为残积土;尚保留原岩结构和构造的风化岩石称为风化岩.
裂隙、穴居动物掘土、生物的新陈代谢等产生的有机酸、碳酸和硝酸 等的腐蚀作用,称为生物风化作用.因为生物风化是通过物理风化和化 学风化完成的,所以有人将生物物理风化和生物化学风化分别归类于 物理风化和化学风化之中.因此自然界的风化作用,实质上只有物理风 化和化学风化两种基本类型.
• ２.1.３ 岩石的风化与土的形成