1第一章-土的组成

1 土的组成——土的形成
洪积土 残积土
坡积土
冰川搬运示意
1 土的组成——土的形成
搬运力与颗粒特征
风、水搬运与颗粒尺寸
地质历史对土颗粒尺寸分类的影响
1 土的组成——土的组成
土的组成
固体颗粒
构成土骨架，对土性起决定性作用
粒径：颗粒大小 一般 0.002mm~60.0mm
4个数量级
1 土的组成
筛分
10
5.0 2.0 10g 16g 18g 土的粒径级配累积曲线 200g
100
P
% 95
小于某粒径土质量百分数P（％）
90 80 70
60
50 40 30 20 10 0
87
78 66 55 36
1.0
0.5 0.25 0.1 mm
24g
22g 38g
0.01
0.5
10
72g
粒径(mm)
粒径(mm) 0.05 26 0.01 13.5
粒间作用力——重力决定性
重力堆积成散粒状态，点与点接触单粒结构（散粒结构） 孔隙率（孔隙度，孔隙体积与土总体积之比）n=0.2～0.55
1 土的组成——土的结构
均匀球体的理想排列
(a)简单立方体
排列类型 配位数
(b)立方四面体 层间距 (R-半径)
(c)四方蝶窦体
孔隙度 (%) 孔隙比
水分
百分数P(%)
0.005
0.005 10
0.001
0.10
0.05
5.0
1.0
1 土的组成
特征粒径:
平均粒径：d50
小于某粒径土质量百分数P（％）
土的粒径级配累积曲线
100 90 80 70 60 50 40 30
控制粒径：d60 有效粒径：d10
中值粒径：d30 粗细程度： 用d50 表示 不均匀度： Cu=d60 /d10 —不均匀系数
不同土颗粒 大小及形状
砾石
砂
粉土
1 土的组成
粗分土类：
粗粒土（无粘性土）：砾石、砂粒为主 （60mm~20mm；20mm~2mm；2mm~0.05mm；0.05mm~0.005mm）
细粒土（粘性土）：粉粒、粘粒和胶粒为主(<0.005mm)
———————粗粒土——————— —————— 细粒土 —————— —— 砾石———— 砂————粉土————黏土——
1 土的组成
1 土的组成——定义与特点 土的定义：
岩石经物理、化学、生物等风化作用的产物 ——形成
覆盖在地表无胶结或弱胶结的颗粒堆积物 ——形态
由固相、液相和气相所组成的混合物
包含固相、液相和气相的三相体系
——材料
——物理
具有非线性力学特性的多孔介质
土体特点：
——力学
多相性、碎散性、自然变异性
75mm
苹果至豌豆
5mm
豌豆至面粉
0.074mm
比面粉细
0.002mm
比面粉细得多
无需放大，视觉可见颗粒 筛分可确定颗粒大小
不放大，视觉不可见颗粒 筛分不可确定颗粒大小，需用沉积方法 当颗粒与水混合时，由于孔隙吸力和孔隙流体与矿 物的物理化学相互作用，颗粒将团聚一起——黏性 液限和塑限含水量间可以没有断裂而成型——塑性 渗透性低至很低(＜10-7m/s)，水流通过孔隙很慢， 排水需要几周至10年 “排水”和“不排水”两类强度很重要。若先前固 结压力低，则“不排水强度”也低 最重要力学性质“先期固结压力” 和施加围压Pp。 Pp=0~50kPa:很软 ； Pp=50~100kPa:软； Pp=100~200kPa:实； Pp=200~400kPa:硬； Pp=400~800kPa:很硬； Pp=0.8~1.6MPa:J坚硬。
分析方法：筛分法、水分法
——筛分法：
利用不同孔径的筛子，将事先称重的烘干土过筛，称留在各级筛上
的土的重量，计算其相应百分比 适用 土颗粒直径大于0.1mm(0.074mm)
1 土的组成
——水分法(比重计法)Stokes法：
G.G.Stokes原理：球状颗粒在水中下沉速度与颗粒直径平方成正比
Cu
Cc
3.98 2.41 0.545
Cc=1~3——级配连续性好
0.33
0.005
6.6
R
1 土的组成
土的粒径级配曲线及指标分析
1）粒组含量 土的分类定名
2）不均匀系数Cu
判定土的不均匀程度 Cu ≥ 5, 不均匀土；Cu < 5, 均匀土 3）曲率系数Cc 判定土的连续程度 C c = 1 ~ 3, 级配连续土； Cc > 3 或 Cc < 1,级配不连续土 4）不均匀系数Cu和曲率系数Cc 判定土的级配优劣 若 Cu ≥ 5 且 C c = 1 ~ 3 ， 级配良好的土 若 Cu < 5 或 Cc > 3 或 Cc < 1，级配不良的土
性质： 体积与压力有关，增加土的弹性； 阻塞水的渗流通道，减小土渗透性 ——溶解水中气体： 研究不多，对土性影响甚少 ——孔隙中自由气体：与大气相连通，对土性影响不大
1 土的组成——土的结构
3 土的结构
土粒外表特征、土粒排列、土粒间联结、孔隙特性
（1） 粗粒土的结构
比表面积：小 结合水量：少
1 土的组成——土的形成
1 土的形成 土——岩石经过风化作用而形成
1 土的组成——土的形成
风化作用： （1）物理：风、水、冰川、加卸载、冻融循环等 （2）化学：水解、离子交换、氧化还原、碳化
（3）生物：微生物、植被、树木
作用结果： 留存在原地——残积土 搬运至异地——沉积土
搬运力
风：风成沉积土，如黄土、砂丘等 水：沉积土 按水流方向和沉积条件不同，分为：坡积土、洪积土、山区河谷冲 积土、平原河谷冲积土、湖相沉积土、三角洲沉积土、海相沉积土 冰川：冰川沉积土
(d)锥体
单元体积
简单立方体
立方四面体 四方蝶窦体 锥体 四面体
6
8 10 12 12
2R
2R 3R 2R 22/3R
8R3
43R3 6R6 42R3 42R3
47.64
39.54 30.19 25.95 25.95
0.91
0.65 0.43 0.35 0.35
弱结合水是黏性土在某一含水量范围内表现出可塑性的原因
1 土的组成
关于结合水的研究
结合水含水量、水膜厚度、结合水迁移等
——土的力学性质，尤其细粒土
减少结合水量——增加土的强度、减少压缩性
试验：平面剪切、电渗、磁渗、随机剪切等——证实 问题： 吸附机理——理论问题 解吸附方法——技术问题
1.0
1 土的组成
斜率: 某粒径范围内颗粒的含量 陡 — 相应粒组质量集中 缓 — 相应粒组含量较少 平 — 相应粒组缺乏 连续程度: Cc = d302 / (d60 ×d10 ) — 曲率系数
较大颗粒缺少
较小颗粒缺少
Cc 减小 Cc 增大
曲线
L M
d60
d10
d30
0.081 0.063 0.030
2r 2 ( 0 ) g v 9
v—颗粒下沉速度；r—颗粒半径(cm)；—颗粒比重(g/cm3)； 0—分
散介质比重(g/cm3)；—分散介质粘度(Pa ·s)；g—重力加速度(m/s2) 利用粗颗粒下沉速度快、细颗粒慢的原理，将土颗粒按下沉速度分组 适用 颗粒直径小于0.1mm(0.074mm) 的土
湿水后不能成团——无黏性
不存在使土体没有断裂而成型的界限含水量——无塑性 渗透性一般较高(10-6~10-1m/s)，水流易通过孔隙 除非有动荷载作用(如地震)，否则排水很快。除非地震 和快速崩塌，重要强度是“排水强度”
最重要力学性质指标是相对密度Dr和侧压。 Dr=0-20%:很松； Dr=20-40%:松散； Dr=40-60%:中密； Dr=60-80%:密实； Dr=80-100%:很密实 很松散——可压缩。地震可液化，~30º 很密实——压缩性很低。地震稳定。 ~45º
1 土的组成
土粒矿物成分
固体成分

原生矿物
石英、长石、云母、……等
矿物质
黏土矿物 无定形氧化物胶体 可融性盐
次生矿物
有机质
黏土矿物：复合铝-硅酸盐 片状结晶格架 晶体 高岭石、伊利石、蒙脱石
1 土的组成
黏土矿物综合模式
1 土的组成
高岭石
1:1双层结构，颗粒大小约0.3～3.0，厚约0.03～1.0
主要特征：
颗粒较粗
亲水能力相对差
不容易吸水膨胀、
失水收缩
1 土的组成
高岭石结构示意
高岭石 基本层
高岭土电荷分布
高岭石晶体结构 （图片宽17m）
1 土的组成
蒙脱石
结构：2:1的三层结构
颗粒大小：约0.1～1.0 层厚：0.001～0.01
主要特征：
颗粒细微
亲水能力强 显著吸水膨胀、失水收缩性质
(c) 渗透吸力
黏土颗粒表面吸附结合水的一些可能机理
(d) 偶极引力——双电层
1 土的组成
双电子层理论概念
黏土矿物颗粒表面带负电荷原因：
(1) 理想晶体正负电荷平衡，但因晶体边缘结构破坏——粘土颗粒带负电荷
(2) 硅氧四面体和八面体晶片离子交换——粘土颗粒带有负电荷 (3) 碱性溶液中，粘土颗粒周围羟基中氢的离解。 带负电荷黏土薄片周围产生电场：极性水分 子将定向： ——正极指向负电荷 ——阳离子吸附在外层 ——定向程度随电场强度减小而减弱 带负电荷黏土片与带正电荷阳离子层： ——“扩散双电子层”
Cu ≥5 — 级配不均匀 连续程度: Cc = d302 / (d60 ×d10 ) — 曲率系数
20
10 0
d60 d50 d30 d10
0.01
0.5
粒径(mm)
d50 d60 d10 d30
Cu
0.005
Cc
0.22
0.33
0.005
0.063
6.6
2.41
0.001
10
0.10
0.05
5.0
随颗粒粒径的 减小，粉土性 质从“似砂” 到“似黏土”
很软——压缩性很高，不排水剪切强度12.5kPa 很密实——压缩性低，不排水剪切强度100kPa
1 土的组成
粒径：颗粒大小 粒径级配：固体颗粒粒径大小及在土中所占的百分比 (粒组相对含量) 为什么要对土颗粒级配进行分析？如何进行粒径分析？ 土颗粒组成——对其力学性质起决定性作用
1 土的组成
粗 粒
比重计
筛
分
细
粒 水 分
1 土的组成
土的粒径级配曲线
粒组：按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类
界限粒径：
0.1
粗粒 细粒 粉粒
0.05
(mm)
60
d
砾石
粗 中
20
砂粒
2
粘粒
胶粒
0.002
细 粗 中 细 极细 5 0.5 0.25
0.005
筛分法
水分法
1 土的组成
土的粒径级配曲线
毛细管及毛细压力
毛细水计算： 毛细水影响：
毛细水位上升—— 降低土的强度 加剧土的冻胀 毛细压力增加——
毛细上升高度：
增加地基沉降量
——重力水
2 aw cos dc w grP
1 土的组成
土中气体
按土中气体所处的状态和结构特点，分为：
——颗粒表面气体： 研究不多，对土性影响不清
——封闭气体（四周为土颗粒和水所包围）：
1）wk.baidu.com结合水
（1）冰点（-78℃）（2）比重（1.2-2.4）（3）具蠕变性 （4）温度超100℃可蒸发 （5）不能传递静水压力 砂土<1%，黏性土10-20%
2）弱结合水——粘滞水膜
受力，水膜较厚处转移较薄处；可因电场概述力从一个土粒周围转移到 另一土粒周围；水膜能变形，但不因重力而流动 砂土<10%，粘性土30-40%
1 土的组成
（2） 自由水
——毛细水
水与土体细粒接触，其分子力
和表面张力克服重力，在粒间
缝隙中滞留或上升到一定高度
毛细水的表面张力 粒面内挤压力 毛细压力 粒间粘聚作用
假粘聚力
主要存在：孔径0.002-0.5mm的孔隙中 毛细上升高度：砂土<2m；粉土>2m；黏土相对较小
1 土的组成
1 土的组成
伊利石
结构：与蒙脱石类似(2:1结构)
两个硅片间夹一铝片构成的三 层结构，但晶层间钾离子连接 主要特征： 连接强度弱于高岭石而高于蒙 脱石，其特性也介于两者之间
亲水能力：蒙脱石 > 伊利石 > 高岭石
1 土的组成
黏土颗粒大小与矿物组分
颗粒尺寸(m) 0.1 主要成分 蒙脱石 铝蒙脱石 云母中间体 云母中间体 高岭石 蒙脱石 伊利石 0.2~2.0 云母中间体 高岭石 云母 埃洛石 云母 2.0~11.0 伊利石 长石 石英 高岭石 埃洛石（微量） 蒙脱石（微量） 石英 蒙脱石 长石 伊利石（微量） 伊利石 石英（微量） 公共组分 特有组分
0.1~0.2
黏土颗粒大小与矿物成分
1 土的组成
土中水
（1） 结合水
黏土颗粒 水中带电性 电场 极性水分子 颗粒四周 定向
排列 结合水
最靠近颗粒表面水分子所受电场作用力很大，可达1000MPa，
随距离作用力衰减
强结合水 + 弱结合水
1 土的组成
(a) 氢键结合
(b) 离子水化作用