土力学第一章(中南大学)

自由水
d
土中水 – 自由水
自由水： 自由水：不受颗粒电场引 力作பைடு நூலகம்的孔隙水
• 坡积土：土粒粗细不同，性质不均 坡积土：土粒粗细不同， • 洪积土：有分选性，近粗远细 洪积土：有分选性， • 冲积土：浑圆度分选性明显，土层交迭 冲积土：浑圆度分选性明显， • 湖泊沼泽沉积土：含有机物淤泥，土性差 湖泊沼泽沉积土：含有机物淤泥， • 海相沉积物：颗粒细，表层松软，土性差 海相沉积物：颗粒细，表层松软， • 冰积土：土粒粗细变化较大，性质不均匀 冰积土：土粒粗细变化较大， • 风积土：颗粒均匀，层厚而不具层理 风积土：颗粒均匀，
粘土矿物的带电特性
粘土的电泳和电渗现象
(列依斯, 1809) 列依斯,
粘土粒 + 玻璃筒 水位 升高
粘土膏 玻璃皿
粘土矿物的带电性质
研究表明， 研究表明，片状粘土颗粒表 面常带有电荷， 面常带有电荷，净电荷通常 为负电荷
粘土颗粒 水分子 阳离子
颗粒形状和比表面积
原生矿物：一般颗粒较粗，呈粒状。 原生矿物：一般颗粒较粗，呈粒状。 有圆状、浑圆状、棱角状等。 有圆状、浑圆状、棱角状等。 次生矿物：颗粒较细，多呈针状、 次生矿物：颗粒较细，多呈针状、片 扁平状。 状、扁平状。 比表面积：单位质量土颗粒所拥有的 比表面积： 总表面积。对于粘性土， 总表面积。对于粘性土，其大小直接 反映土颗粒与四周介质,特别是水,相 反映土颗粒与四周介质,特别是水, 互作用的强烈程度, 互作用的强烈程度,是代表粘性土特 征的一个很重要的指标。 征的一个很重要的指标。 高岭石的比表面积为： 高岭石的比表面积为：10-20m2/g,伊 , 利石： 利石：80-l00m2/g,蒙特石：800m2/g ,蒙特石： 粗颗粒的形状
第一章： 第一章：土的物理性质与工程分类
§1.1 §1.2 §1.3 §1.4 §1.5 §1.6 土的形成 土的三相组成 土的结构 土的物理状态 土的工程分类 土的压实性
§1.1 土 的 形 成
过程、 过程、条件 土的组成、 土的组成、结构 和物理力学性质
风化、搬运、 风化、搬运、沉积
岩石
地质成岩作用
土的粒径级配累积曲线
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 10 5.0
d60 d50 d30
粒径(mm) 粒径(mm) 0.01 0.005 0.10 0.05 1.0 0.5
0.001
d10
粒径级配曲线和指标的应用
粒组含量用于土的分类定名； 粒组含量用于土的分类定名； 分类定名 不均匀系数C 用于判定土的不均匀程度 不均匀程度： 不均匀系数 u用于判定土的不均匀程度： Cu ≥ 5为不均匀土； Cu < 5为 均匀土 为不均匀土； 为不均匀土 为 曲率系数Cc用于判定土的连续程度： 曲率系数 用于判定土的连续程度： 连续程度 Cc =1~3为级配连续土；Cc>3 或 Cc<1为级配不连续土 为级配连续土； 为级配连续土 为级配不连续土 不均匀系数C 和曲率系数C 用于判定土的级配优劣 级配优劣： 不均匀系数 u和曲率系数 c 用于判定土的级配优劣： Cu ≥ 5且 Cc=1~3为级配 良好的土；如果 u< 5 或Cc>3 且 为级配 良好的土；如果C 或Cc<1为 级配 不良的土 为
氧离子O2氧离子 硅离子Si 硅离子 4+ Si Si
硅片
铝片
硅-氧四面体 硅片的结构 硅片简图
粘 土 矿 物
粘土矿物是一种复合的铝-硅盐晶体，颗粒呈片状， 粘土矿物是一种复合的铝-硅盐晶体，颗粒呈片状，是由硅 片和铝片构成的晶包所组叠而成，可分成高岭石、伊利石和 片和铝片构成的晶包所组叠而成，可分成高岭石、 蒙特石三种类型。 蒙特石三种类型。
土的粒径级配累积曲线
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 10 5.0
d60 d50 d30
粒径(mm) 粒径(mm) 0.10 0.05 1.0 0.5
0.01 0.005
0.001
d10
固体颗粒 – 级配曲线
小于某粒径之土质量百分数（％） 小于某粒径之土质量百分数（％）
粘土颗粒的形状
土 中 水
结晶水 结合水 自由水 土中冰 水蒸气 矿物内部的水 吸附在土颗粒表面的水 电场引力作用范围之外的水 由自由水冻成， 由自由水冻成，冻胀融沉 存在孔隙空气中
土中水 – 结合水
结合水： 结合水：受颗粒表面电场作用力
吸引而包围在颗粒四周， 吸引而包围在颗粒四周，不传递静水 压力， 压力，不能任意流动的水
• 晶层间通过氢键联结，联结力强，晶 晶层间通过氢键联结，联结力强， 格不能自由活动， 格不能自由活动，水难以进入晶格间 • 能组叠很多晶层，多达百个以上，成 能组叠很多晶层，多达百个以上， 为一个颗粒。颗粒长宽约0.3-3µ，厚 为一个颗粒。颗粒长宽约 µ 约0.03-1µ。 µ • 主要特征：颗粒较粗，不容易吸水膨 主要特征：颗粒较粗， 胀和失水收缩，或者说亲水能力差。 胀和失水收缩，或者说亲水能力差。
土的粒径级配 累积曲线
0.10 0.05
固体颗粒 – 级配曲线
小于某粒径之土质量百分数（％） 小于某粒径之土质量百分数（％）
斜率: 斜率: 某粒径范围内颗 粒的含量 陡-相应粒组含量多 缓-相应粒组含量少 平台平台-相应粒组缺乏 特征粒径: 特征粒径 d50 : 平均粒径 d60 : 控制粒径 d10 : 有效粒径 d30; 中间粒径 中间粒径
生物风化
• 形成十分细微的土颗粒，最 形成十分细微的土颗粒， 主要为粘性颗粒及可溶盐类
物理风化 化学风化
• 包括植物、动物和土壤微 包括植物、 生物的作用 • 可加剧物理和化学风化 • 构成土中有机质和营养物 质的生物循环
生物风化
• 导致腐殖质的形成，改变 导致腐殖质的形成， 土壤的结构
土的沉积类型
固体颗粒 - 矿物成分
石英、长石、 原生矿物 - 石英、长石、云母等 矿物质 固体成分 有机质 次生矿物 无定形氧化物胶体 可溶盐 粘填矿物
具有和原生矿物很不相同的特性 对粘土性质的影响很大
粘 土 矿 物
粘土矿物是一种复合的铝-硅盐晶体，颗粒呈片状， 粘土矿物是一种复合的铝-硅盐晶体，颗粒呈片状，是由硅 片和铝片构成的晶包所组叠而成，可分成高岭石、 片和铝片构成的晶包所组叠而成，可分成高岭石、伊利石和 蒙特石三种类型。 蒙特石三种类型。
物理风化 化学风化
生物风化
• 矿物成分与母岩相同，称原 矿物成分与母岩相同， 生矿物 • 产生无粘性土
物理风化 化学风化
• 母岩表面和碎散的颗粒受环 境因素的作用而改变其矿物 的化学成分， 的化学成分，形成新的矿物 • 颗粒成分发生质的变化 • 矿物成分与母岩不同，称次 矿物成分与母岩不同， 生矿物
饱和土 ：土体孔隙完全被水充满 干 土 ：土体孔隙完全被气充满 非饱和土： 非饱和土：孔隙中水和气均存在
固体颗粒 - 颗粒大小
• 粒组 按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类 按粗细进行分组， • 界限粒径 60
巨粒 粗粒
砾石
粗 中
20 5
0.075
细粒
砂粒
细 粗 中 细
d
(mm) 60
粉粒
粘粒 0.005
土的粗细度：用d50 表示 土的粗细度： 土的不均匀程度： 土的不均匀程度：用不 均匀系数： 均匀系数： Cu = d60 / d10 表示，Cu ≥5，称为不均 表示， ， 匀土，反之称为均匀土 匀土， 连续程填: 连续程填 用曲率系数 Cc = d302 / (d60 ×d10 ) 度量, 度量 Cc=1~3为连续级 为连续级 >3或<1为不 为不连续级配 配, >3或<1为不连续级配
小于某粒径之土质量百分数P 小于某粒径之土质量百分数P（％）
P 100 95 87 78 66 55
筛 分 法
0.01 0.005
38 36 72
粒径(mm) 粒径(mm)
水分法
粒径(mm) 粒径(mm) 百分数P(%) 百分数P(%)
0.05 26
0.01 13.5
0.005 10
0.001
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 1.0 0.5 10 5.0
粘 土 矿 物
依硅片和铝片组叠 形式的不同， 形式的不同，可分 成如下三种类型： 成如下三种类型：
2:1的三 的三 层结构
Si Si Si Si
钾离子
Si Si
Si Si
Al Al
Al Al
• 是云母在碱性介质中风化的产物。 是云母在碱性介质中风化的产物。 高岭石 蒙特石 伊利石 • 与蒙特石相似，由两层硅片夹一层 与蒙特石相似， 铝片所形成的三层结构， 铝片所形成的三层结构，但晶层之 间有钾离子连结。 间有钾离子连结。 • 主要特征：连结强度弱于高岭石而 主要特征： 高于蒙特石， 高于蒙特石，其特征也介于两者之 间。
土
风化作用：由于气温变化、大气、 风化作用：由于气温变化、大气、水分及生物活动
等自然条件使岩石产生破坏的地质作用。 等自然条件使岩石产生破坏的地质作用。
• 岩石和土的粗颗粒受各种气 候等物理因素的影响产生胀 缩而发生裂缝, 缩而发生裂缝,或在运动过 程中因碰撞和摩擦而破碎 • 是颗粒大小发生量的变化
数来表示
分析方法： 分析方法：
• 筛分法：适用于粗粒土 → 孔径大小不同的筛子 筛分法： • 水分法：适用于细粒土 → 水分法： 常采用比重计法
表述方法: 表述方法: 粒径级配累积曲线
固体颗粒 - 粒径级配
孔径
10 5.0 2.0 1.0 0.5 0.25 0.1 (0.075)
200g土 土
筛余 0 10 16 18 24 22