土的组成-.ppt

1土的组成土的组成土的定义：土的定义：岩石经物理、化学、生物等风化作用的产物岩石经物理、化学、生物等风化作用的产物覆盖在地表无胶结或弱胶结的颗粒堆积物覆盖在地表无胶结或弱胶结的颗粒堆积物由固相、液相和气相所组成的混合物由固相、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包含固相、液相和气相的三相体系具有非线性力学特性的多孔介质具有非线性力学特性的多孔介质土体特点：土体特点：多相性、碎散性、自然变异性多相性、碎散性、自然变异性1土的组成土的组成定义与特点定义与特点形成形成形态形态材料材料物理物理力学力学1土的形成土的形成土岩石经过风化作用而形成1土的组成土的组成土的形成土的形成风化作用：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：作用结果：留存在原地残积土残积土搬运至异地沉积土沉积土搬运力搬运力风：风：风成沉积土，如黄土、砂丘等水：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：冰川沉积土1土的组成土的组成土的形成土的形成残积土残积土洪积土洪积土坡积土坡积土冰川搬运示意冰川搬运示意1土的组成土的组成土的形成土的形成搬运力与颗粒特征搬运力与颗粒特征风、水搬运与颗粒尺寸风、水搬运与颗粒尺寸地质历史对土颗粒尺寸分类的影响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形成土的形成大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点2土中固体颗粒固体颗粒固体颗粒构成土骨架，对土性起决定性作用1土的组成土的组成土的组成土的组成粒径：粒径：颗粒大小一般0.002mm60.0mm4个数量级砾石砾石砂砂粉土粉土1土的组成土的组成不同土颗粒不同土颗粒大小及形状大小及形状粗分土类：粗分土类：粗粒土（无粘性土）：粗粒土（无粘性土）：砾石、砂粒为主（60mm20mm；20mm2mm；2mm0.075mm）细粒土（粘性土）：细粒土（粘性土）：粉粒、粘粒和胶粒为主(0.005mm)1土的组成土的组成 粗粗粒粒土土 细细粒粒土土 砾石砂粉土黏土75mm2mm0.074mm0.002mm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，需用沉积方法湿水后不能成团无黏性当颗粒与水混合时，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不存在使土体没有断裂而成型的界限含水量无塑性液限和塑限含水量间可以没有断裂而成型塑性渗透性一般较高(10-610-1m/s)，水流易通过孔隙渗透性低至很低(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”“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%:很密实随颗粒粒径的减小，粉土性质从“似砂”到“似黏土”最重要力学性质“先期固结压力”和施加围压Pp。Pp=050kPa:很软；Pp=50100kPa:软；Pp=100200kPa:实；Pp=200400kPa:硬；Pp=400800kPa:很硬；Pp=0.81.6MPa:J坚硬。很松散可压缩。地震可液化，30很密实压缩性很低。地震稳定。45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苹果至豌豆豌豆至面粉比面粉细比面粉细得多土粒的粒度成分土粒的粒度成分粒径：粒径：颗粒大小粒径级配：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？土颗粒组成土颗粒组成对其力学性质起决定性作用对其力学性质起决定性作用分析方法：分析方法：筛分法、水分法筛分法、水分法筛分法：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土的组成土的组成水分法水分法(比重计法比重计法)Stokes法：法：G.G.Stokes原理：原理：球状颗粒在水中下沉速度与颗粒直径平方成正比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(Pas)；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1土的组成土的组成比重计比重计粗粒筛分细粒水分1土的组成土的组成d(mm)d(mm)砾石砂粒粉粒粘粒胶粒6020.050.0050.0020.250.5520粗 中细粗 中 细 极细0.1粗粒细粒粒组：粒组：按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类界限粒径：界限粒径：划分粒组的分界尺寸筛分法筛分法 水分法水分法土的粒径级配曲线土的粒径级配曲线1土的组成土的组成105.02.01.00.50.250.1mm200g10g16g18g24g22g38g72g1009080706050403020100小于某粒径土质量百分数小于某粒径土质量百分数P P（）（）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径粒径(mm)(mm)P%100958778665536土的粒径级配累积曲线土的粒径级配累积曲线水分水分粒径粒径(mm)0.050.010.005百分数百分数P(%)2613.510筛分筛分1土的组成土的组成土的粒径级配曲线土的粒径级配曲线1009080706050403020100小于某粒径土质量百分数小于某粒径土质量百分数P P（）（）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径粒径(mm)(mm)土的粒径级配累积曲线土的粒径级配累积曲线d60d50d10d30d50d60d10d30CuCc0.220.330.0050.0636.62.41特征粒径特征粒径:平均粒径：d50控制粒径：d60有效粒径：d10中值粒径：d30不均匀度：不均匀度：Cu=d60/d10不均匀系数连续程度连续程度:Cc=d302/(d60 d10)曲率系数Cu 5级配不均匀粗细程度：粗细程度：用d50表示1土的组成土的组成曲线d60d10d30CuCcL0.330.0050.0816.63.98M0.0632.41R0.0300.545斜率斜率:某粒径范围内颗粒的含量某粒径范围内颗粒的含量陡陡相应粒组质量集中相应粒组质量集中缓缓相应粒组含量较少相应粒组含量较少平平相应粒组缺乏相应粒组缺乏连续程度连续程度:Cc=d302/(d60 d10)曲率系数较大颗粒缺少Cc 减小减小较小颗粒缺少Cc增大增大Cc=13级配连续性好级配连续性好1土的组成土的组成1）粒组含量）粒组含量土的分类定名2）不均匀系数）不均匀系数Cu判定土的不均匀程度Cu 5,不均匀土；Cu 3或Cc 1,级配不连续土4）不均匀系数）不均匀系数Cu和曲率系数和曲率系数Cc判定土的级配优劣 若Cu 5且C c =13，级配良好的土若Cu 3或Cc 伊利石高岭石1土的组成土的组成颗粒尺寸颗粒尺寸(m)主要成分主要成分公共组分公共组分特有组分特有组分0.1蒙脱石蒙脱石云母中间体伊利石（微量）铝蒙脱石0.10.2云母中间体高岭石伊利石蒙脱石石英（微量）0.22.0高岭石高岭石伊利石石英蒙脱石长石云母中间体云母埃洛石2.011.0云母石英高岭石埃洛石（微量）蒙脱石（微量）伊利石伊利石长石黏土颗粒大小与矿物组分黏土颗粒大小与矿物组分1土的组成土的组成黏土颗粒大小与矿物成分黏土颗粒大小与矿物成分土中水土中水（1）结合水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强结合水+弱结合水弱结合水1土的组成土的组成黏土颗粒表面吸附结合水的一些可能机理黏土颗粒表面吸附结合水的一些可能机理 (a)(a)氢键结合氢键结合(b)(b)离子水化作用离子水化作用(c)(c)渗透吸力渗透吸力(d)(d)偶极引力偶极引力双电层双电层1土的组成土的组成双电子层理论概念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：“扩散双电子层扩散双电子层”1土的组成土的组成1）强结合水）强结合水（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砂土1%，黏性土，黏性土10-20%弱结合水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是黏性土在某一含水量范围内表现出可塑性的原因2）弱结合水）弱结合水粘滞水膜粘滞水膜受力，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%关于结合水的研究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土的组成土的组成（2）自由水自由水毛细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：孔径主要存在：孔径0.002-0.5mm的孔隙中的孔隙中毛细上升高度：砂土毛细上升高度：砂土2m；黏土相对较小；黏土相对较小1土的组成土的组成毛细水计算：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增加地基沉降量重力水重力水毛细管及毛细压力毛细管及毛细压力1土的组成土的组成毛细上升高度：毛细上升高度：土中气体土中气体 按土中气体所处的状态和结构特点，分为：颗粒表面气体：颗粒表面气体：研究不多，对土性影响不清封闭气体封闭气体（四周为土颗粒和水所包围）：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：溶解水中气体：研究不多，对土性影响甚少孔隙中自由气体：孔隙中自由气体：与大气相连通，对土性影响不大1土的组成土的组成3土的结构土的结构土粒外表特征、土粒排列、土粒间联结、孔隙特性（1）粗粒土的结构粗粒土的结构比表面积：小结合水量：少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=0.20.551土的组成土的组成土的结构土的结构均匀球体的理想排列均匀球体的理想排列(a)简单立方体(b)立方四面体(c)四方蝶窦体(d)锥体(e)四面体排列类型配位数层间距(R-半径)单元体积孔隙度(%)孔隙比简单立方体62R8R347.640.91立方四面体82R43R339.540.65四方蝶窦体103R6R630.190.43锥体122R42R325.950.35四面体1222/3R42R325.950.35均匀球体理想排列性质1土的组成土的组成土的结构土的结构孔隙比孔隙率干容重(kN/m3)emaxeminnmaxnmindmindmax均匀球体0.910.3547.626-标准Ottawa砂0.800.50443314.517.3洁净均匀砂1.00.40502913.018.5均匀无机粉土1.10.40522912.618.5粉质砂0.900.30472313.720.0精选粗砂0.950.20491713.421.7云母砂1.20.40552911.918.9粉砂及砂砾0.850.14461214.022.9典型土体孔隙和重度典型土体孔隙和重度1土的组成土的组成土的结构土的结构粗粒土颗粒间排列模式粗粒土颗粒间排列模式单一粉土或砂颗粒相互作用包裹的粉土或砂颗粒相互作用1土的组成土的组成土的结构土的结构粗颗粒骨架粗颗粒骨架1土的组成土的组成土的结构土的结构混砾砂混砾砂(土土)土岩混合体土岩混合体1土的组成土的组成土的结构土的结构（2）细粒土的结构）细粒土的结构结构：多样性、复杂性比表面积：大颗粒尺寸：小重量：很轻重力作用：小非重力粒间力主导作用粒间力构成和性质？粒间力构成和性质？粒间内力总和：黏聚力粒间内力总和：黏聚力与粗粒土相区别重要标志与粗粒土相区别重要标志 1土的组成土的组成土的结构土的结构黏土颗粒连接构架模型黏土颗粒连接构架模型(b)集聚但不絮凝（面-面连接或定向集聚）(a)分散且不絮凝(c)角-面絮凝但分散(d)角-角絮凝但分散(e)角-面絮凝且集聚(f)角-角絮凝且集聚(g)角-面和角-角絮凝且集聚1土的组成土的组成土的结构土的结构孔隙空间类型示意孔隙空间类型示意1土的组成土的组成土的结构土的结构不不同同沉沉积积方方式式原原状状土土构构造造特特征征(b)英国Ford粉质黄土颗粒-颗粒接触(风成沉积风成沉积)(a)以色列Lydda粉质黏土部分可分辨颗粒(淡水沉积淡水沉积)(c)冰岛BreidmerkurFord粉质冰啧土连接组合(冰川消融冰川消融沉积沉积)(d)英国Immingham粉质黏土颗粒骨架集成(河口沉积河口沉积)1土的组成土的组成土的结构土的结构不同沉积方式原状土构造特征不同沉积方式原状土构造特征(e)以色列Holon粉质黏土规则集聚组合(相互堆积相互堆积)(f)苏格兰Hurlford有机粉质黏土交织堆积组合(湖相沉积湖相沉积)(g)挪威Sundland粉质黏土不规则聚集组合(海相沉积海相沉积)1土的组成土的组成土的结构土的结构美国Tucson粉质黏土微观组构1土的组成土的组成土的结构土的结构电子显微镜观测表面处理对构造的影响(a)切削前(b)切削后1土的组成土的组成土的结构土的结构澳大利亚Woomera石质高地土的孔隙剖面白色为孔隙，灰色为黏土骨架，黑色为粉土颗粒1土的组成土的组成土的结构土的结构软黏土的蜂窝状结构夹有石英块体的软土蜂窝状结构1土的组成土的组成土的结构土的结构硬黏土的片状结构上三叠纪泥灰块状结构1土的组成土的组成土的结构土的结构不同固结压力敏感性不同固结压力敏感性Champlain黏土结构黏土结构(先期固结压力54kPa)(a)原状(b)124kPa(c)421kPa(d)1452kPa1土的组成土的组成土的结构土的结构伊利石黏土(左)和石英颗粒(右)扫描电镜图置于试样表面的水滴1土的组成土的组成土的结构土的结构浸水前浸水中浸水后砂砂-膨润土混合物中膨润土结构浸水过程演化膨润土混合物中膨润土结构浸水过程演化1土的组成土的组成土的结构土的结构不同土颗粒大小及形状(b)Monterey砂(f)月壤再结晶颗粒（3）颗粒形状）颗粒形状(a)Ottawa标准砂(c)Sacramento砂(d)Eliot砂(e)月球土壤矿物颗粒1土的组成土的组成土的结构土的结构砂及粉土颗粒形状轮廓砂及粉土颗粒形状轮廓1土的组成土的组成土的结构土的结构颗粒形状特征分析颗粒形状特征分析1土的组成土的组成土的结构土的结构Monterey0号砂的颗粒形状分布颗粒形状特性分析颗粒形状特性分析1土的组成土的组成土的结构土的结构（4）黏性土的粒间力）黏性土的粒间力分子力、静电力、胶结力、毛细力分子力、静电力、胶结力、毛细力范德华力（分子间力）范德华力（分子间力）范围：几个分子，仅发生于颗粒间紧密接触点处作用：是细粒土粘结在一起的主要原因量值：与距离的7次方成反比1土的组成土的组成土的结构土的结构库伦（库伦（Coloumb）力（静电作用力）力（静电作用力）量值：大小与电荷间距离的平方成反比变化：作用力随距离衰减的速度比范德华力慢胶结作用力胶结作用力机理：粒间通过游离氧化物，碳酸盐和有机质等而胶结特征：胶结作用力是化合键，具有较高强度毛细压力毛细压力非饱和细粒土中存在较大的毛细压力，如何计算缺少研究1土的组成土的组成土的结构土的结构穿过土体的剖面粒间接触点A的力图1土的组成土的组成土的结构土的结构A非饱和土中的水非饱和土中的水-土相互作用概念土相互作用概念(a)链状形态链状形态(b)摆状形态摆状形态负孔压（吸力）作用在颗粒所有表面吸力仅作用在颗粒接触处力的大小取决于液桥尺寸1土的组成土的组成土的结构土的结构（5）土结构受力变化（砂土、粘性土）土结构受力变化（砂土、粘性土）砂土砂土振动密实和液化振动密实和液化砂粒间联结作用，颗粒较小，自重，受高频振动，土粒跳动、碰撞和分离。表面重物下沉，轻物上浮1）密实：密实：排水较畅，土粒跳动-调整位置，土结构趋于更稳定2）液化：液化：砂土饱和、突然振密，排水不畅，孔隙水反作用力，处悬浮状态，砂土突然转为液体状建筑物地基破坏的重要原因1土的组成土的组成土的结构土的结构