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1、第二章 土的三相组成,2.1 土的形成与颗粒特征,一、土的形成,形成过程形成条件,物理力学性质,影响,土是岩石经过风化后,在不同条件下形成的自然历史的产物,搬运、沉积,风化,生物风化,物理风化,化学风化,无粘性土,原生矿物,粘性土,次生矿物,风化作用分类,有 机 质,岩石和土的粗颗粒受各种气候因素的影响产生胀缩而发生裂缝,或在运动过程中因碰撞和摩擦而破碎。特点：只改变颗粒的大小和形状，不改变矿物颗粒的成分。,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，形成新的矿物。经化学风化生成的土为细粒土，具有粘结力。,动植物活动引起的岩石和土体粗颗粒的粒度或成分的变化,土的形成与风化作用,
2、1.1土的形成,物理风化,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,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矿物成分与母岩相同，称原生矿物产生无粘性土,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，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，称次生矿物形成十分细微的土颗粒，最主要为粘性颗粒及可溶盐类,土的形成与风化作用,1.1土的形成,化学风化,土的形成与风化作用,1.1土的形成,生物活动,包括植物、动物和土壤微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导致腐殖质的形成，改变土壤的结构,残积土无搬运,运积土有搬运,土
3、质较好,残积土强风化弱风化微风化母岩体,颗粒表面粗糙多棱角粗细不均无层理,母岩表层经风化作用破碎成岩屑或细小颗粒后，未经搬运残留在原地的堆积物,风化所形成的土颗粒，受自然力的作用搬运到远近不同的地点所沉积的堆积物,二.搬运与沉积,坡积土洪积土 冲积土 湖泊沼泽沉积土海相沉积物 冰积土 风积土,二、土的三相组成,气相,固相,液相,+,+,构成土骨架，起决定作用,重要影响,土体,次要作用,土体三相组成示意图,湿土。是一种非饱和土。若为粘土多为可塑性土。,液相为零，为干土。此时粘土呈坚硬状态，砂土呈松散状态。,气体为零，为饱和状态。此时粉细砂或粉土在震动下容易产生液化。,土的三相比例不同，其性质不同
4、,1、固体矿物颗粒(固相),物理状态力学特性,粒径级配,矿物成分,颗粒形状,固体颗粒-矿物成分,1.2 土的三相组成 固体颗粒,固体成分,原生矿物-石英、长石、云母等次生矿物,矿物质有机质,无定形氧化物胶体可溶盐粘土矿物,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,1.2 土的三相组成 固体颗粒,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、伊利石和蒙脱石三种类型。,硅片 铝片,粘 土 矿 物,1.2 土的三相组成 固体颗粒,依硅片和铝片组叠形式的不同，可分成如下三种类型：,高岭石 蒙特石 伊利石,是云母在碱性介质中风化的
5、产物。与蒙特石相似，由两层硅片夹一层铝片所形成的三层结构，但晶层之间有钾离子连结。主要特征：连结强度弱于高岭石而高于蒙特石，其特征也介于两者之间。,晶层间是O2-对O2-的连结，联结力很弱，水很容易进入晶层之间。每一颗粒能组叠的晶层数较少。颗粒大小约为0.1-1，厚约。主要特征：颗粒细微，具有显著的吸水膨胀、失水收缩的特性，或者说亲水能力强。,晶层间通过氢键联结，联结力强，晶格不能自由活动，水难以进入晶格间能组叠很多晶层，多达百个以上，成为一个颗粒。颗粒长宽约0.3-3，厚约0.03-1。主要特征：颗粒较粗，不容易吸水膨胀和失水收缩，或者说亲水能力差。,粘土矿物的晶格构造,高岭石,蒙脱石,伊利
6、石,粒径比表面积胀 缩 性渗 透 性强度压 缩 性,大10-20m2/g小大大小,中80-100m2/g中中中中,小800m2/g大小小大,9克蒙脱土的总表面积大约与一个足球场一样大,蒙脱石,三种粘性土矿物的形状特性,颗粒级配,a.颗粒大小,b.各粒径成分在土中占的比例,常用表格法或累计曲线法表示,影响土性质的主因,1、固体矿物颗粒(固相),固体颗粒-颗粒大小,1.2 土的三相组成 固体颗粒,粒组 按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类 界限粒径,d(mm),砾石,砂粒,粉粒,粘粒,胶粒,60,2,0.075,0.005,0.002,0.25,0.5,5,20,粗,中,细,粗,中,细,0.075
7、,粗粒,细粒,粗粒土：以砾石和砂砾为主要组成的土，也称无粘性土。细粒土：以粉粒、粘粒和胶粒为主要组成的土，也称粘性土。,巨粒,60,1.表格法表示的粒组划分,粒径级配,确定方法 筛分法：适用于粗粒土(0.1 mm)沉降分析法：适用于细粒土(0.1mm)，常采用比重计法,各粒组的相对含量，用质量百分数来表示,表述方法 粒径级配累积曲线,筛分法就是用一套标准筛子如孔直径(mm)：20、10、5.0、2.0、l.0、0.5、0.25、0.1、0.075，将烘干且分散了的200g有代表性的试样倒入标准筛内摇振，然后分别称出留在各筛子上的土重，并计算出各粒组的相对含量，即得土的颗粒级配。沉降分析法：具体
8、有密度计法(也称比重计法)或移液管法(也称吸管法)。该两法的理论基础都是依据Stokes(司笃克斯)定律，即球状的细颗粒在水中的下沉速度与颗粒直径的平方成正比。,105.02.01.00.50.250.1,200g,10161824223872,P%958778665536,筛分法原理图,筛分法,典型颗分级配曲线,沉降分析结果,小于某粒径之土质量百分数P（）,粒径(mm),2.累计曲线表示法,d10,d60,d50,d30,特征粒径:d50:平均粒径d60:限制粒径d10:有效粒径d30:特征粒径,不均匀程度：Cu=d60/d10,连续程度:Cc=d302/(d60 d10)曲率系数,不均匀系
9、数,Cu 5,级配不均匀,粗细程度：用d50 表示,有效粒径d10 是在土颗粒分析累计曲线上累计百分率为10的粒径。,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:Cc=d302/(d60 d10)曲率系数,较大颗粒缺少,Cc 减小,较小颗粒缺少,Cc 增大,C c=1 3,级配连续性好,粒径级配累积曲线及指标的用途：,粒组含量用于土的分类定名；,不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度：Cu 5,不均匀土；Cu 5,均匀土,曲率系数Cc用于判定土的连续程度：C c=1 3,级配连续土；Cc 3 或 Cc 1,级配不连续土,不均匀系数Cu和曲率系
10、数Cc用于判定土的级配优劣：如果 Cu 5且 C c=1 3，级配 良好的土；如果 Cu 3 或 Cc 1,级配 不良的土,示例：从某土样筛分后作粒度分析汇编成“累积曲线”中得知：有效粒径d600.55mm，d100.2mm，d300.3mm，试求该土的不均匀系数Cu和曲率系数Cc,并分析该土属于何种级配。,解：Cu=d60/d102.75工程规定：Cu5的土视为非均粒土；Cc=13时，为级配连续；Cc 3时，级配不连续。2.755；0.81根据分析该土样属于均粒土，但级配不良。,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,1、固体矿物颗粒(固相),2、土体中水(液相
11、),根据土体中水分子受到电场力的作用大小,土体中的水主要可以分为:结合水:吸附在土颗粒表面的水 自由水:电场引力作用范围之外的水,土中的水即为土体中的液相,其含量及性质明显地影响土的性质.,重力水,毛细水,强结合水,弱结合水,结晶水 矿物内部的水 结合水 吸附在土颗粒表面的水 自由水 电场引力作用范围之外的水 土中冰 由自由水冻成，冻胀融陷,结合水,排列致密、定向性强密度1.22.4g/cm3冰点-76具有极大的粘滞性和固体的特性温度高于100C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密度1.01.7g/cm3冰点-2030外力作用下可以移动不因重力而移动，有粘滞性,弱结合水
12、,图1.6 矿物颗粒对水分子的静电引力作用,受颗粒表面电场作用力吸引而包围在颗粒四周，不传递静水压力，不能任意流动的水。,毛细水：由于土体孔隙的毛细作用升至自由水面以上的水。毛细水承受表面张力和重力的作用。重力水：自由水面以下的孔隙自由水，在重力作用下可在土中自由流动。,1.2 土的三相组成 土中水,土中水 自由水,自由水：不受颗粒电场引力作用的孔隙水,hc,毛细水,重力水,自由水,土中毛细现象,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,上升高度:,毛细升高与孔径成反比,粘土粉土砂土砾石,分析对象:水柱,T为表面张力,3、土体中气体(气相),土体中的
13、气体是指存于土体空隙中未被水占据的部分,存在形式有两种:,自由气体:与大气相通,对土的性质影响不大,封闭气体:被土颗粒和水封闭的气体，其体积与压力有关。会增加土的弹性和压缩性；阻塞渗流通道，降低渗透性。,土体中气体,1.2 土的三相组成 土中气,气相-土中气,自由气体：与大气连通的气体对土的性质影响不大封闭气体：被土颗粒和水封闭的气体其体积与压力有关。会增加土的弹性；阻塞渗流通道，降低渗透性溶解在水中的气体吸附于土颗粒表面的气体,土有三个组成部分：固相、液相和气相,小结,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),
14、自由气体封闭气体,2.2 土的结构及工程性质,定义：土体的结构是指土颗粒之间的相互排列和连接方式。,力学特性,影响,土的结构,反映,土的成分形成条件,分类,单粒结构蜂窝结构絮状结构,粒间作用力,排列形式,矿物成分,单粒结构,示意图,重力、毛细力,点与点、点与面,原生矿物,指粗颗粒在重力作用下独立下沉并与其它稳定颗粒相接触所形成的一种结构形式,粗粒土的结构,粒间作用力,形成环境,排列形式,矿物成分,表面力、胶结力（斥力减小引力增加）,絮状结构,蜂窝结构,示意图,表面力、胶结力（粒间斥力占优势）,淡水中沉积,海水中沉积,次生矿物,次生矿物,注意：天然条件下，可能是多种组合，或者由一种结构过渡向另一种结构。,面与面,边、角与面边、角与边,细粒土的结构,扫描电镜,类型,土的构造：是指同一土层中土颗粒之间的相互关系特征。,力学特性,影响,土的构造,层状构造分散构造裂隙构造结核状构造,通常分散构造土的工程性质最好，结核状构造土的工程性质取决于细粒土部分，裂隙状构造土的工程性质最差。,
