第二章 什么是土？.ppt

单击此处编辑母版文本样式,第二级项目符号文本,第三级项目符号文本,单击此处编辑母版标题样式,*,*,土 力 学,任 课 教 师：,李 旭,Email:,ceXuLi2012,北京交通大学土建学院岩土工程系,土是如何形成的？,土的组成,第二章 什么是土？,土是如何形成的？,土,岩石,风化、搬运、沉积,地质成岩作用,土的组成、结构,和物理力学性质,过程、条件,土是如何形成的？,风化,物理风化：日晒，雨淋，风吹,化学风化：发生化学反应，大多与水，与盐分有关,生物活动影响,搬运和沉积,原地成土，无搬运,残积土,运积土,分组讨论（,3,分钟）,小组一：找到生活中坡积土实例，并说明特点,小组二：找到残积土的实例，并说明特点,小组三：讨论洪积土和湖泊沉积土的区别,小组四：找到风积土的实例，并说明特点,运积土,运积土,有搬运,风：,风积土,重力,:,坡积土,流水,:,洪积土,冲积土,湖泊沼泽沉积土,海相沉积物,冰川,:,冰积土,土粒粗细不同，性质不均匀,有分选性，近粗远细,浑圆度分选性明显，土层交迭,土粒粗细变化较大，性质不均匀,颗粒均匀，层厚而不具层理,土是如何形成的？,土的组成,用那些指标来描述土？,土的分类,第二章 什么是土？,土的组成,矿物成分,固体颗粒,三相介质,土壤水,土壤气,矿物成分,原生矿物,无粘性，砂土,石英、云母、长石等,颗粒较大,次生矿物,粘性，粘土,粘土矿物、无定形氧化物胶体、可溶盐等,有机物（腐植质）,原生矿物,风化作用 次生矿物,例如：云母 碱性环境 伊利石,次生矿物：主要为粘土矿物,硅片的结构,基本单元：,硅,-,氧四面体,典型粘土矿物,铝片的结构,典型粘土矿物,基本单元：,铝,-,氢氧八面体,土中的胶结力,硅片,-SiO,2,-O,2-,铝片,Al(OH),3,-OH,-,媒介,水,阳离子,氢键,典型次生矿物,蒙脱石,伊利石,高岭石,蒙 脱 石,比表面积,全部土颗粒的表面积之和,/,土的质量,课堂计算比表面积，假设土颗粒密度,2.65 g/cm,3,第一组：,1mm,圆球土,第二组：,0.1 mm,圆球土,第三组：,0.01 mm,圆球土,第四组：,0.01x0.1x1 mm,的长片型土颗粒,高岭石,（氢键联结）,粘土矿物的晶格构造,蒙脱石,伊利石,粒径,比表面积,胀 缩 性,平均孔径,渗 透 性,强度,压 缩 性,大,10-20m,2,/g,小,大,大,大,小,中,80-100m,2,/g,中,中,中,中,中,小,800m,2,/g,大,小,小,小,大,粘土矿物的带电性质,粘土颗粒的表面电荷，净电荷通常为负电荷,-,-,+,+,+,+,粘土颗粒,水分子,阳离子,颗粒形状,原生矿物,圆状、浑圆状、棱角状,次生矿物,针状、片状、扁平状,提问,有没有问题？,原生矿物和次生矿物的不同本质在哪里？是化学成分不同，还是结构不同？,土的组成,矿物成分,三相介质,固体颗粒,土壤水,土壤气,颗粒级配,颗粒大小,各粒径成分在土中占的比例,粒径级配,影响土性的主因,颗粒级配,工程中常用土中各粒组的相对含量，占总质量的百分数来表示，称为土的粒径级配。,粒径分析方法,筛分法（,d0.075mm,的土）,密度计法（,d0.075mm,粒组的 砾类土与砂类土。,比重计法、移液管法：,0.075,的土粒按筛孔分成若干个粒组，然后分别称量留在各节筛上的土重，计算出各粒组占总土重的百分数。,筛分法（,d0.075mm,的土）,提问,筛分法够了么？,对于泥巴，你怎么筛分？,密度计法,d0.075mm,的土,颗粒大小不同，,沉降速率不同,筛分数据分析,10,5.0,2.0,1.0,0.5,0.25,0.1,200g,10,16,18,24,22,38,72,P,%,95,87,78,66,55,36,颗粒级配的表示方法：表格法,10-2,2-0.05,0.05-0.005,0.005,砂土,1,0,99,1,0,粉砂土,2,0,66,30,4,砾石土,3,44,56,0,0,粒径大小（单位：,mm,）,粒径大小（单位：,mm,）,土的种类,土的粒径级配累积曲线,100,90,80,70,60,50,40,30,20,10,0,小于某粒径之土质量百分数,P,（）,10,5.0,1.0,0.5,0.10,0.05,0.01,0.005,0.001,粒径,(mm),累计曲线的形态可以表明粒度成分的特征,：,曲线平缓，说明土粒大小变化范围大，大小不均匀；,曲线陡，说明土粒组成集中在某些粒组，分选好，土粒大小均匀。,颗粒和孔隙,孔隙大小及数量和土壤级配有没有关系？,分组讨论,从工程角度来说，什么样的土强度比较高？,能否通过级配曲线，了解土体的工程性质？,颗粒均匀的土好不好？,石头和粘土的混合物好不好？,利用曲线确定计算的指标,土的有效粒径（,d,10,）：非均粒土的累计含量为,10%,的颗粒直径。（透水性相等）,土的限制粒径（,d,60,、,d,30,）：非均粒土的累计含量为,60%,、,30,的土粒直径。,土的平均粒径（,d,50,）：非均粒土的累计含量为,50%,的颗粒直径。,土的粒径级配累积曲线,100,90,80,70,60,50,40,30,20,10,0,小于某粒径之土质量百分数,P,（）,10,5.0,1.0,0.5,0.10,0.05,0.01,0.005,0.001,粒径,(mm),不均匀系数（,C,u,）：,C,u,d,60,/d,10,不均匀系数,C,u,越大，累计曲线越平缓，表明土粒大小变化范围大，越不均匀，级配良好；反之，曲线越陡，越均匀，级配不好。,C,u,10,的土，为大小不均匀，级配良的土；,曲率系数（,C,c,）：,C,c,d,30,2,/(d,10,*d,60,),，可以表示累计曲线的弯曲情况。,C,u,5,，,C,c,1,3,：良好级配，不均粒土，各粒组含量相差无几，大小颗粒混杂，累计曲线平缓；,反之，为不良级配土，均匀土。,100,90,80,70,60,50,40,30,20,10,0,小于某粒径之土质量百分数（）,10,5.0,1.0,0.5,0.10,0.05,0.01,0.005,0.001,粒径,(mm),土的粒径级配累积曲线,d,60,d,50,d,10,d,30,d,60,d,10,d,30,C,u,C,c,0.33,0.005,0.063,66,2.41,d,50,:,平均,粒径,d,60,:,控制,粒径,d,10,:,有效,粒径,d,30,不均匀程度,：,C,u,=,d,60,/d,10,连续程度,:,C,c,=,d,30,2,/,(,d,60,d,10,),曲率系数,不均匀系数,C,u,5,级配不均匀,粗细程度,：,用,d,50,表示,特征粒径,100,90,80,70,60,50,40,30,20,10,0,小于某粒径之土质量百分数（）,10,5.0,1.0,0.5,0.10,0.05,0.01,0.005,0.001,粒径,(mm),土的粒径级配累积曲线,d,60,d,10,d,30,曲线,d,60,d,10,d,30,C,u,C,c,L,0.33,0.005,0.081,66,3.98,M,0.063,2.41,R,0.030,0.545,斜率,:,某粒径范围内颗粒的含量,陡,相应粒组质量集中,缓,-,相应粒组含量少,平台,-,相应粒组缺乏,连续程度,:,C,c,=,d,30,2,/,(,d,60,d,10,),曲率系数,较大颗粒缺少,C,c,减小,较小颗粒缺少,C,c,增大,C,c,=,1,3,级配连续性好,级配连续性,工程规定：级配曲线光滑连续，不存在平台段，坡度平缓并满足,说明该土级配良好，否则该土为级配不良土。,课堂练习,1,、计算土样的,d,50,:,平均粒径,d,60,:,控制粒径,d,10,:,有效粒径,2,、该土样级配工程性质好不好？,强度,变形,渗透,第一组,第二组,第三组,粒组划分的方案一,漂石粒（块石粒）：粒径,200mm,卵石粒（碎石粒）：,20mm,200mm,砾粒：,2mm,20mm,砂粒：,0.05,（,1/20,）,mm,2mm,粉粒：,0.005,（,1/200,）,0.05,（,1/20,）,mm,粘粒：粒径,200mm,卵石粒（碎石粒）：,20mm,200mm,砾粒：,2mm,20mm,（合并为,卵砾组,）,砂粒：,0.075mm,2mm,（,砂粒组,）,粉粒：,0.005,0.075mm,（,粉粒组,）,粘粒：粒径,200,20,2,0.5,0.25,0.075,50,卵石土,碎石土,50,圆砾土,角砾土,50,砾砂土,25,50,粗砂土,50,中砂土,50,细砂土,85,粉砂土,50,细粒土,粉土,30,砂 土,土的组成,矿物成分,三相介质,固体颗粒,土壤水,土壤气,液态水,自由水,重力水,毛细水,在重力作用下可在土中自由流动,存在于固气之间,在重力与表面张力作用下,可在土粒间空隙中自由移动,=,湿润角,空气,固体,水,l,T=,界面张力,d,=,毛管直径,T,d=2r,u,a,-u,w,u,a,-u,w,=,压力差,毛细现象,毛,细,管,h,c,毛细水,土中毛细现象,上升高度,:,r,2,h,c,w,=2,rTcos,毛细水,分布在土粒内部相互贯通的孔隙可以看成许多形状不一、直径互异、彼此连通的毛细管,毛细升高与孔径成反比,粘土,粉土,砂土,砾石,分析对象,:,水柱,结合水：附着在粘土颗粒表面,研究表明：,粘土颗粒的表面电荷，净电荷通常为负电荷,-,-,+,+,+,+,粘土颗粒,水分子,阳离子,结合水,排列致密、定向性强,密度,1g/cm,3,冰点处于零下几十度,具有固体的特性,温度高于,100,C,时可蒸发,强结合水,位于强结合水之外，电场引,力作用范围之内,外力作用下可以移动,不因重力而移动，有粘滞性,弱结合水,双电层,土壤水,土的组成,矿物成分,三相介质,固体颗粒,土壤水,土壤气,土中气体,自由气体：,与大气连通，对土的性质有一定的影响，但通常在浅层时影响不大,封闭气体：,增加土的弹性；阻塞渗流通道,橡皮土,小结：土、水、气三相介质,1.,固体颗粒,2,.,土中水,3,.,土中气体,粒径级配,矿物成分,颗粒形状,结合水,(,强结合水、弱结合水,),自由水,(,重力水、毛细水,),自由气体,封闭气体,请大家提意见,土的组成,矿物成分,三相介质,固体颗粒,土壤水,土壤气,三相孔隙介质,固体矿物颗粒 （固相）,土中气体,（气相）,土中水,（液相）,土颗粒,水,气 体,气 体,三相草图,Water,Air,Solid,V,a,V,w,V,s,V,v,V,m,a,=0,m,w,m,s,m,质量,体积,质,量,体,积,土的密度,单位体积土的质量,单位,:,kg/m3,或,g/cm3,一般范围,:,1.602.20 g/cm3,土的重度：,工程上更常用,用于计算土的自重应力,=,g,单位,:,kN/m,3,三相草图有助于直观理解物性指标的概念,Water,Air,Solid,V,a,V,w,V,s,V,v,V,m,a,=0,m,w,m,s,m,质量,体积,土粒密度,土粒密度是指固体颗粒的质量,m,s,与其体积,V,s,之比；即土粒的单位体积质量,粘性土,2.702.75,砂 土,2.65,土粒比重，,G,s,土粒的密度与,4C,时纯蒸馏水的密度的比值,和土粒密度数值相同,Water,Air,Solid,V,a,V,w,V,s,V,v,V,m,a,=0,m,w,m,s,m,质量,体积,干密度,土被完全烘干时的密度,Water,Air,Solid,V,a,V,w,V,s,V,v,V,m,a,=0,m,w,m,s,m,质量,体积,（,4,）饱和密度：孔隙完全被水充满时土的密度，即孔隙中全部充满水时单位体积的质量。,（,5,）浮密度：地下水位以下的土，土颗粒受到水的浮力作用，土的密度为浮密度。,密度：单位体积的质量，,g/cm,3,。,比重：与同体积的,4,水的重量之比，无单位。,容重：单位体积的重量，,kN/m,3,。,重度：单位体积的土所受的重力，,kN/m,3,。,在工程中，上述的几种提法都常用到，它们之间的单位的换算：,1g/cm,3,=10KN/m,3,土的含水量（含水率）,土中水的质量与土粒质量之比,一般用百分数表示,天然状态下土的含水率称土的天然含水率。一般砂土天然含水率都不超过,40%,，以,1030%,最为常见；一般粘土大多在,1080%,之间，常见值,2050%,。,可达到或超过,100,Water,Air,Solid,V,a,V,w,V,s,V,v,V,m,a,=0,m,w,m,s,m,质量,体积,饱和度,孔隙中充满水的程度,Sr=0 :,干土,Sr=1 :,饱和土,Water,Air,Solid,V,a,V,w,V,s,V,v,V,m,a,=0,m,w,m,s,m,质量,体积,孔隙比（,void ratio,）,土中孔隙体积与固体颗粒体积之比,在某种程度上反映土的松密,孔隙率,(,孔隙度,),：土中孔隙体积与总体积之比。,Water,Air,Solid,V,a,V,w,V,s,V,v,V,m,a,=0,m,w,m,s,m,质量,体积,孔隙比：土的孔隙体积与土中固体颗粒体积之比值。,孔隙比说明土的密实程度，,e,越大，土中孔隙体积越大，结构越疏松；反之，结构越密实。一般土的,e,值在,0.5,1.0,之间。粘土的孔隙比有时,1,，淤泥的可达,1.5,以上。,换算关系,孔隙比和孔隙率之间的关系,Water,Air,Solid,V,a,V,w,V,s,V,v,V,m,a,=0,m,w,m,s,m,质量,体积,指标的换算,土的密度、含水量、土粒比重是通过试验测定，其他指标可由这三个指标换算得到。,换算关系,干密度与密度和含水率之间的关系,Sr,和,w,之间的换算,随堂作业,现有一环刀，内环直径为,63.8 mm,，高度为,20 mm,，重,40g,。采用该环刀切取土样，测得环刀连同土样的总重量为,147.5g,。将土样和连同环刀一起置于烘箱中烘干，,72,小时后测得环刀连同土样的总重量为,129.6g,。请问该土样的干密度是多少？孔隙比是多少？饱和度是多少？,提问,有没有问题？,晕没晕？,需不需要记？,课后作业,1,、饱和度,S,r,与含水量,w,，比重,G,s,和孔隙比,e,之间的关系,2,、估算碎石土，砂土，粘土的比表面积，毛细管水可上升的高度,3,、比较三种典型粘土矿物的性质，并说明其原因。,4,、什么是土的不均匀系数和曲率系数，为什么说,Cu 5,，,Cc,1,3,的土是级配良好的土？,