土的物质组成和结构.doc

《土的物质组成和结构.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《土的物质组成和结构.doc（11页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、第一章 土的物质组成和结构本章学习要点1.土的生成学习要点简要了解什么是土，它是怎样生成的，从土的形式来看它有什么特点。2.土的三相组成学习土的固体颗粒、矿物成分、土粒形状、土中水、土中气等内容，掌握土的额粒级配的含义及颗粒级配累积曲线的做法、用途，区分开三大类矿物成分(高岭石、伊里石、蒙脱石)不同性质，土中水的主要形态类型。3.土的结构与构造学习颗粒间的作用力、颗粒间的排列型式(结构类型)、土的构造、粘性土的灵敏度，掌握单粒结构、蜂窝结构、絮状结构的特点与不同，了解土的层状构造、分散构造、结构状构造、裂隙状构造，理解灵敏度的含义与划分。第一节 土的形成一、土和土体的概念1土(soil)地球表

2、面3080km厚的范围是地壳。地壳中原来整体坚硬的岩石，经风化、剥蚀搬运、沉积，形成固体矿物、水和气体的集合体称为土。土是由固体相、液相、气体三相物质组成；或土是由固体相、液体相、气体相和有机质（腐殖质）相四相物质组成。不同的风化作用，形成不同性质的土。风化作用有下列三种：物理风化、化学风化、生物风化。2“土体”(soil mass)土体不是一般土层的组合体，而是与工程建筑的稳定、变形有关的土层的组合体。土体是由厚薄不等，性质各异的若干土层，以特定的上、下次序组合在一起的。二、 土和土体的形成和演变地壳表面广泛分布着的土体是完整坚硬的岩石经过风化、剥蚀等外力作用而瓦解的碎块或矿物颗粒，再经水流

3、、风力或重力作用、冰川作用搬运在适当的条件下沉积成各种类型的土体。再搬运过程中，由于形成土的母岩成分的差异、颗粒大小、形态，矿物成分又进一步发生变化，并在搬运及沉积过程中由于分选作用形成在成分、结构、构造和性质上有规律的变化。土体沉积后：a.将经过生物化学及物理化学变化，即成壤作用，形成土壤（1）靠近地表的土体 b. 未形成土壤的土，继续受到风化、剥蚀、侵蚀而再破碎、再搬运、再沉积等地质作用。（2）时代较老的土，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，逐渐固结成岩，强度增高，成为“母岩”。总之，土体的形成和演化过程，就是土的性质和变化过程，由于不同的作用处于不同的作用阶段，土体就

4、表现出不同的特点。三、 土的基本特征及主要成因类型（一）土的基本特征从工程地质观点分析，土有以下共同的基本特征：1土是自然历史的产物土是由许多矿物自然结合而成的。它在一定的地质历史时期内，经过各种复杂的自然因素作用后形成各类土的形成时间、地点、环境以及方式不同，各种矿物在质量、数量和空间排列上都有一定的差异，其工程地质性质也就有所不同。2土是相系组合体土是由三相（固、液、气）或四相（固、液、气、有机质）所组成的体系。相系组成之间的变化,将导致土的性质的改变。土的相系之间的质和量的变化是鉴别其工程地质性质的一个重要依据。它们存在着复杂的物理化学作用。3土是分散体系由二相或更多的相所构成的体系，其

5、一相或一些相分散在另一相中，谓之分散体系。根据固相土粒的大小程度(分散程度)，土可分为粗分散体系（大于2），细分散体系，（20.1），胶体体系（0.10.01），分子体系（小于0.01）。分散体系的性质随着分散程度的变化而改变。粗分散与细分散和胶体体系的差别很大。细分散体系与胶体具有许多共性，可将它们合在一起看成是土的细分散部分。土的细分散部分具有特殊的矿物成分，具有很高的分散性和比表面积，因而具有较大的表面能。任何土类均储备有一定的能量，在砂土和粘土类土中其总能量系由内部储量与表面能量之和构成，即：E总E内E表4土是多矿物组合体在一般情况下，土将含有510种或更多的矿物，其中除原生矿物外，次

6、生粘土矿物是主要成分。粘土矿物的粒径很小（小于0.002mm），遇水呈现出胶体化学特性。（二）土体的主要成因类型按形成土体的地质营力和沉积条件（沉积环境），可将土体划分为若干成因类型：如残积、坡积、洪积现就介绍几种主要的成因类型、土体的性质成分及其工程地质特征。1残积土体的工程地质特征残积土体是由基岩风化而成，未经搬运留于原地的土体。它处于岩石风化壳的上部，是风化壳中剧风化带。残积土一般形成剥蚀平原影响残积土工程地质特征因素主要是气候条件和母岩的岩性：1）气候因素气候影响着风化作用类型 从而使得不同气候条件不同地区的残积土具有特定的粒度成分、矿物成分、化学成分。 干旱地区：以物理风化为主，只能

7、使岩石破碎成粗碎屑物和砂砾，缺乏粘土矿物，具有砾石类土和工程地质特征。 半干旱地区：在物理风化的基础上发生化学变化，使原生的硅酸盐矿物变成粘土矿物；但由于雨量稀少，蒸汽量大，故土中常含有较多的可溶盐类；如碳酸钙、硫酸钙等。 潮湿地区：a、在潮湿而温暖，排水条件良好的地区，由于有机质迅速腐烂，分解出CO2，有利于高岭石的形成。b、在潮湿温暖而排水条件差的地区，则往往形成蒙脱石。可见：从干旱、半干旱地区至潮湿地区，土的颗粒组成由粗变细；土的类型从砾石类土过渡到砂类土、粘土。2）.母岩因素母岩的岩性影响着残积土的粒度成分和矿物成分；酸性火成岩 含较多的粘土矿物，其岩性为粉质粘土或粘土；中性或基性火成

8、岩 易风化成粉质粘土；沉积岩大多是松软土经成岩作用后形成的，风化后往往恢复原有松软土的特点，如：粘土岩 粘土；细砂岩 细砂土等。残积物的厚度在垂直方向和水平方向变化较大；这主要与沉积环境、残积条件有关（山丘顶部因侵蚀而厚度较小；山谷低洼处则厚度较大。）残积物一般透水性强，以致残积土中一般无地下水。2坡积土体的工程地质特征坡积土体是残积物经雨水或融化了的雪水的片流搬运作用，顺坡移动堆积而成的，所以其物质成分与斜坡上的残积物一致。坡积土体与残积土体往往呈过渡状态，其工程地质特征也很相似。 岩性成分多种多样；一般见不到层理；地下水一般属于潜水，有时形成上层滞水坡积土体的厚度变化大，由几厘米至一二十米

9、，在斜坡较陡处薄，在坡脚地段厚。一般当斜坡的坡角越陡时，坡脚坡积物的范围越大。3洪积土体的工程地质特征洪积土体是暂时性、周期性地面水流山洪带来的碎屑物质，在山沟的出口地方堆积而成。洪积土体多发育在干旱半干旱地区，如我国的华北、西北地区。其特征为：距山口越近颗粒越粗，多为块石、碎石、砾石和粗砂，分选差，磨圆度低、强度高，压缩性小；（但孔隙大，透水性强）距山口越远颗粒越细，分选好，磨圆度高，强度低，压缩性高。此外：洪积土体具有比较明显的层理（交替层理、夹层、透镜体等）；洪积土体中地下水一般属于潜水。4湖积土体的工程地质特征湖积土体在内陆分布广泛，一般分为淡水湖积土和咸水湖积土。淡水湖积土：分为湖岸

10、土和湖心土两种。湖岸多为砾石土、砂土或粉质砂土；湖心土主要为静水沉积物，成分复杂，以淤泥、粘性土为主，可见水平层理。咸水湖积物以石膏、岩盐、芒硝及RCO3岩类为主，有时以淤泥为主。 分布面积有限，且厚度不大总之，湖积土体具有以下工程地质特征 具独特的产状条件 粘土类湖积物常含有机质、各种盐类及其它混合物 具层理性，具各向异性5冲积土体的工程地质特征冲积土体是由于河流的流水作用，将碎屑物质搬运堆积在它侵蚀成的河谷内而形成的。冲积土体主要发育在河谷内以及山区外的冲积平原中，一般可分为三个相：即河床相，河漫滩相、牛轭湖相。1）河床相：主要分布在河床地带，冲积土一般为砂土及砾石类土，有时也夹有粘土透镜

11、体，在垂直剖面上土粒由下到上，由粗到细，成分较复杂，但磨圆度较好。山区河床冲积土厚度不大，一般为10米左右；而平原地区河床冲积土则厚度很大，一般超过几十米，其沉积物也较细。河床相物质是良好的天然地基。2）河漫滩相冲积土是由洪水期河水将细粒悬浮物质带到河漫滩上沉积而成的。一般为细砂土或粘土，覆盖于河床相冲积土之上。常为上下两层结构，下层为粗颗粒土，上层为泛滥的细颗粒土。3）牛轭湖相冲积土是在废河道形成的牛轭湖中沉积下来的松软土。由含有大量有机质的粉质粘土、粉质砂土、细砂土组成，没有层理。河口冲积土：由河流携带的悬浮物质，如粉砂、粘粒和胶体物质在河口沉积的一套淤泥质粘土、粉质粘土或淤泥，形成河口三

12、角洲。往往作为港口建筑物的地基。另外，还有很多类型：冰川、崩积、风积、海洋沉积、火山等等。第二节 土的三相组成土是由固体颗粒，液体水和气体三部分组成，称为土的三相组成。土中的固体矿物构成骨架，骨架之间贯穿着孔隙，孔隙中充填着水和空气，三相比例不同，土的状态和工程性质也不相同。固体+气体（液体=0）为干土，干粘土较硬，干砂松散；固体液体气体为湿土，湿的粘土多为可塑状态；固体液体（气体=0）为饱和土，饱和粉细砂受震动可能产生液化；饱和粘土地基沉降需很长时间才能稳定。由此可见，研究土的工程性质，首先从最基本的、组成土的三相，即固体相、水和气体本身开始研究。一、 土的固体颗粒研究固体颗粒就要分析粒径的

13、大小及其在土中所占的百分比，称为土的粒径级配（粒度成分）。此外，还要研究固体颗粒的矿物成分以及颗粒的形状。（一）粒径级配（粒度成分）随着颗粒大小不同，土可以具有很不相同的性质。颗粒的大小通常以粒径表示。工程上按粒径大小分组，称为粒组，即某一级粒径的变化范围。划分粒组的两个原则：（1）首先考虑到在一定的粒径变化范围内，其工程地质性质是相似的，若超越了这个变化幅度就要引起质的变化。（2）要考虑与目前粒度成分的测定技术相适应。此外，要便于记忆。目前，我国广泛应用的粒组划分方案见教材P11表2-1所示。将粒径由大至小划分为六个粒组（1）漂石或块石组；（2）卵石（碎石）组；（3）砾石；（4）砂粒组；（5

14、）粉粒组；（6）粘粒组实际上，土常是各种大小不太颗粒的混合体，较笼统的说，以砾石和砂砾为主要组成的土为粗粒土，也称无粘性土。其特征为：孔隙大、透水性强，毛细上升，高度很小，既无可塑造性，也无胀缩性，压缩性极弱，强度较高。以粉粒、粘粒（或胶粒5时，称为不均粒土；10的土属级配良好。2).经验证明，当级配连续时，的范围约为13；因此当3时，均表示级配线不连续。从工程上看：5且13的土，称为级配良好的土；不能同时满足上述两个要求的土，称为级配不良的土。（二）土粒成分土中固体部分的成分，绝大部分是矿物质，另外或多或少有一些有机质，而土粒的矿物成分主要决定于母岩的成分及其所经受的风化作用。不同的矿物成分

15、对土的性质有着不同的影响，其中以细粒组的矿物成分尤为重要。土中的矿物成分由下图所示：原生矿物 粘土矿物 不可溶的 倍半氧化物次生矿物 次生氧化物 难溶盐 可溶的 中溶盐 腐植质 易溶盐有机质 泥炭1、原生矿物由岩石经物理风化而成，其成分与母岩相同。包括：（1）单矿物颗粒：如常见的石英、长石、云母、角闪石与辉石等，砂土为单矿物颗粒。（2）多矿物颗粒：母岩碎屑，如漂石、卵石与砾石等颗粒为多矿物颗粒。但总的来说，土中原生矿物主要有：（1）硅酸盐类矿物；（2）氧化物类矿物；（3）硫化物矿物；（4）磷酸盐类矿物2、次生矿物岩屑经化学风化而成，其成分与母岩不同，为一种新矿物，颗粒细。包括1).可溶性的次生

16、矿物；2).不可溶的次生矿物。（1）可溶性的次生矿物主要指各种矿物中化学性质活泼的K、Na、Ca、Mg及Cl、S等元素，这些元素呈阳离子及酸根离子，溶于水后，在迁移过程中，因蒸发浓缩作用形成可溶的卤化物，硫酸盐和碳酸盐。（2）不可溶性的次生矿物有次生二氧化硅，倍半氧化物，粘土矿物。1）.次生二氧化硅 硅酸盐，由二氧化硅组成，例如：燧石、玛瑙、蛋白石等都属这类矿物。2）.倍半氧化物是由三价的Fe、Al和O、OH、H2O等组成的矿物，可用R2O3表示例如：针铁矿 Fe2O3H2O 呈红色 褐铁矿 Fe2O33H2O 呈黄色 三水铝石 Al2O3H2O 呈白色3）.粘土矿物粘土矿物的微观结构由两种原

17、子层（晶面）构成：一种是由Si-O四面体构成的硅氧晶片；另一种是由AlOH八面体构成的铝氢氧晶片，因这两种晶片结合的情况不同，形成三种粘土矿物，蒙脱石，伊利石（水云母）、高岭石。 X衍射分析，晶格距离 电子显微镜法（几万几十万倍） 外貌特征（摄像机）粘土矿物的鉴定方法 差热分析：加热后的物理化学变化过程 薄片鉴定3、有机质：泥炭、腐植质 动植物残骸二、土中水组成土的第二种主要成分是土中水。在自然条件下，土中总是含水的。土中水可以处于液态、固态或气态。土中细粒越多，即土的分散度越大，水对土的性质的影响也越大。研究土中水，必须考虑到水的存在状态及其与土粒的相互作用。存在于土粒矿物的晶体格架内部或是

18、参与矿物构造中的水称为矿物内部结合水，它只有在比较高的温度（80680，随土粒的矿物成分不同而异）下才能化为气态水而与土粒分离，从土的工程性质上分析，可以把矿物内部结合水当作矿物颗粒的一部分。存在于土中的液态水可分为结合水和自由水两大类。（一）结合水：系指受电分子吸引力吸附于土粒表面的土中水，这种电分子吸引力高达几千到几万个大气压，使水分子和土粒表面牢固的粘结在一起。结合水因离颗粒表面远近不同，受电场作用力的大小也不同，所以分为强结合水和弱结合水。1、强结合水（吸着水）系指紧靠土粒表面的结合水，它的特征是：1）.没有溶解盐类的能力，2）.不能传递静水压力，3）.只有吸热变成蒸汽时才能移动。这种

19、水极其牢固的结合在土粒表面上，其性质接近于固体，密度约为1.22.4g/cm3，冰点为78，具有极大的粘滞度、弹性和抗剪强度。如果将干燥的土移在天然湿度的空气中，则土的质量将增加，直到土中吸着的强结合水达到最大吸着度为止。土粒越细，土的比表面积越大，则最大吸着度就越大。砂土为1，粘土为172、弱结合水（薄膜水）弱结合水紧靠于强结合水的外围形成一层结合水膜。它仍然不能传递静水压力，但水膜较厚的弱结合水能向临近的较薄的水膜缓慢移动。当土中含有较多的弱结合水时，土则具有一定的可塑性。砂土比表面积较小，几乎不具可塑性，而粘土的比表面积较大，其可塑性范围较大。弱结合水离土粒表面积愈远，其受到的电分子吸引

20、力愈弱小，并逐渐过渡到自由水。（二）自由水自由水是存在于土粒表面电场影响范围以外的水。它的性质和普通水一样，能传递静水压力，冰点为0，有溶解能力。自由水按其移动所受到作用力的不同，可以分为重力水和毛细水。1、重力水重力水是存在于地下水位一下的透水土层中的地下水，它是在重力或压力差作用下运动的自由水，对土粒有浮力作用，重力水对土中的应力状态和开挖基槽、基坑以及修筑地下构筑物时所应采取的排水、防水措施有重要的影响。2、毛细水毛细水是受到水与空气交界面处表面张力作用的自由水。其形成过程通常用物理学中毛细管现象解释。分布在土粒内部相互贯通的孔隙，可以看成是许多形状不一，直径各异，彼此连通的毛细管。按物

21、理学概念：在毛细管周壁，水膜与空气的分界处存在着表面张力T。水膜表面张力的作用方向与毛细管壁成夹角，由于表面张力的作用，毛细管内的水被提升到自由水面以上高处。见教材P12页图所示。分析高度为的水柱静力平衡条件，因为毛细管内水面处即为大气压；若以大气压力为基准，则该处压力Pa=0故：（1）式中，水膜的张力T（与温度有关），当10时，T=0.0756g/cm20时，T0.0742g/cm方向角，其大小与土颗粒和水的性质有关。毛细管半径水的容重若令0，则可求得毛细水上升的最大高度（）上式表明，毛细升高与毛细管半径成反比；显然土颗粒的直径越小，孔隙的直径（毛细管直径）越细，则愈大。毛细水的工程地质意义

22、：（1）产生毛细压力（）：与一般静水压力的概念相同，它与水头高度成正比。但自由水位以上，毛细区域内，颗粒间所受的毛细压力是倒三角形分布，弯液面处最大（），自由水面处为零。 毛细压力促使土的强度增高 毛细管中的负静水 压力 自由水面 （2）毛细水对土中气体的分布与流通起有一定作用，常是导致产生密闭气体的原因。（3）当地下水埋深浅，由于毛细管水上升，可助长地基土的冰冻现象；地下室潮湿；危害房屋基础及公路路面；促使土的沼泽化。矿物成分水 结晶水 强结合水综上：土中的水 沸石水 结合水液态水 弱结合水孔隙中的水 固态水 非结合水 毛细水气态水 重力水三、土中气体土的孔隙中没有被水占据的部分都是气体。1

23、、土中气体的来源土中气体的成因，除来自空气外，也可由生物化学作用和化学反应所生成。2、土中气体的特点（1）土中气体除含有空气中的主要成分O2外，含量最多的是水汽，CO2,N2,CH4,H2S等气体，并含有一定放射性元素。 空气中O2为：20.9（2）土中气体O2含量比空气中少 土中O2为：10.3土中气体CO2含量比空气中高很多；空气含量为0.03，土中气体为10；土中气体中放射性元素的含量比在空气中的含量大2000倍。3、土中气体按其所处状态和结构特点，可分为以下几大类：吸附气体、溶解气体、密闭气体及自由气体。（1）吸附气体：由于分子引力作用，土粒不但能吸附水分子，而且能吸附气体，土粒吸附气

24、体的厚度不超过23个分子层。土中吸附气体的含量决定于矿物成分、分散程度、孔隙度、湿度及气体成分等。在自然条件下，在沙漠地区的表层中可能遇到比较大的气体吸附量。（2）溶解气体在土的液相中主要溶解有：CO2、O2水汽（H2O）；其次为H2、Cl2、CH4；其溶解数值取决于温度、压力、气体的物理化学及溶液的化学成分。溶解气体的作用主要为：a.改变水的结构及溶液的性质，对土粒施加力学作用；b.当T、P增高时，在土中可形成密闭气体。c.可加速化学潜蚀过程。（3）自由气体自由气体与大气连通，对土的性质影响不大。（4）密闭气体封闭气体的体积与压力有关，压力增大，则体积缩小；压力减少，则体积增大。因此密闭气体

25、的存在增加了土的弹性。密闭气体可降低地基的沉降量，但当其突然排除时，可导致基础与建筑物的变形。密闭气体在不可排水的条件下，由于密闭气体可压缩性会造成土的压密。密闭气体的存在能降低土层透水性，阻塞土中的渗透通道，减少土的渗透性。第三节 土的结构和构造一、土的结构土颗粒之间的相互排列和连续形式，称为土的结构。常见的土结构有以下三种：1、单粒结构(particle structure)或 (single-grained structure)粗颗粒土，如卵石、砂等。2、蜂窝结构(boneycomb structure)当土颗粒较细（粒级在0.020.002mm范围），在水中单个下沉，碰到已沉积的土粒，

26、由于土粒之间的分子吸力大于颗粒自重，则正常土粒被吸引不再下沉，形成很大孔隙的蜂窝状结构。3、絮状结构（flocculent structure）粒径小于0.005mm的粘土颗粒，在水中长期悬浮并在水中运动时，形成小链环状的土集粒而下沉。这种小链环碰到另一小链环被吸引，形成大链环状的絮状结构，此种结构在海积粘土中常见。上述三种结构中，以密实的单粒结构土的工程性质最好，蜂窝状其次，絮状结构最差。后两种结构土，如因振动破坏天然结构，则强度低，压缩性大，不可用作天然地基。 二、土的构造同一土层中，土颗粒之间相互关系的特征称为土的构造。觉见的有下列几种：1层状构造土层由不同颜色，不同粒径的土组成层理，平

27、原地区的层理通常为水平层理。层状构造是细粒土的一个重要特征。2分散构造：土层中土粒分布均匀，性质相近，如砂，卵石层为分散构造。3结核状构造在细粒土中掺有粗颗粒或各种结核，如含礓石的粉质粘土，含砾石的冰碛土等。其工程性质取决于细粒土部分。4裂隙状构造土体中有很多不连续的小裂隙，有的硬塑与坚硬状态的粘土为此种构造。裂隙强度低，渗透性高，工程性质差。三、研究方法简介不同的研究内容有不同的研究方法，因此，土结构研究方法较多，但与土的成分研究方法相比，结构研究方法还很不成熟。目前常用的方法基本上分二大类：一类为直接方法，即对结构形态特征进行直接观察，如各种显微镜下观察；二类是间接方法，即通过受试样结构控

28、制的物理、力学性质的测定来分析土结构特征，如：X射线衍射，声速，导电率，热传导率，磁化系数，弹性模量等。现将粘性土结构研究主要方法介绍如下：1粒度成分分析（加分散剂）：研究内容：土的原始分散程度；说明组成土的原始结构单元体的大小及其百分含量。2团粒成分分析（不加分散剂）研究内容：土的存在状态分散程度，说明土存在状态下结构单元体的大小及其百分含量。3光学显微镜（光片、薄片观察）研究内容：1)单元体的形状，大小；2）单元本的排列组合情况，利用双折射率比值测定单元体定向程度；3）单元体颗粒及胶结物的矿物成分；4）孔隙形状、大小、分布特征。4电子显微镜（透射电镜，样品表面复型薄膜或超薄切片 ）研究内容（1）单元体形状，大小；（2）单元体的排列组合情况；（3）孔隙形状、大小、分布。5扫描电镜研究内容，同上。6X射线衍射分析研究内容：利用矿物晶体的001或002和020晶面衍射强度的比值半定量地确定结构单元体的定向程度。7物理化学力学方法研究内容：通过宏观上土的流变性测定土的结构连接类型，用物理化学方法研究制约土的性质及结构的物理化学因素8化学分析：研究胶结物的成分及其含量等。