[學習]東南大學土力學2土的組成-2課時

1、土 的 組 成,本章目的 本章特點 學習要點,第一章：土的組成,對土的特點進行詳細解釋和定量描述 內(nèi)容瑣碎、零散 理清各節(jié)間聯(lián)系 注意物理概念的把握,第一章：土的組成,§1.1 土的形成 §1.2 土中固體顆粒§1.3 土中水§1.4 土中氣§1.5 黏土顆粒與水相互作用§1.6 土的結構與構造,黏土顆粒與水的相互作用,土

2、中固體顆粒土中水土中氣,,土的形成過程,土的結構與構造,,土的工程性質(zhì),1、土的形成,土 的 形 成,土,巖石,風化、搬運、沉積,,地質(zhì)成巖作用,,土的組成、結構和物理力學性質(zhì),過程、條件,,,土是巖石經(jīng)過風化后在不同條件下形成的自然歷史的產(chǎn)物,1、土的形成,生物循環(huán),物理風化,化學風化,,量變,無粘性土,,原生礦物,,質(zhì)變,粘性土（主要為粘性顆粒及可溶鹽類）,次生礦物,動、植物和微生物的活動,一. 風化,有 機 質(zhì),1、土的形成

3、,,,巖石和土的粗顆粒受各種氣候因素的影響產(chǎn)生脹縮而發(fā)生裂縫,或在運動過程中因碰撞和摩擦而破碎,母巖表面和碎散的顆粒受環(huán)境因素的作用而改變其礦物的化學成分，形成新的礦物,二. 搬運與沉積,殘積土無搬運,運積土有搬運,土質(zhì)較好,殘積土強風化弱風化微風化母巖體,顆粒表面粗糙多棱角粗細不均無層理,,,,母巖表層經(jīng)風化作用破碎成巖屑或細小顆粒后，未經(jīng)搬運殘留在原地的堆積物,風化所形成的土顆粒，受自然力的作用搬運到遠近不同的地點

4、所沉積的堆積物,1、土的形成,運積土有搬運,風：風積土,,重力: 坡積土,流水:,,洪積土沖積土湖泊沼澤沉積土海相沉積物,冰川: 冰積土,土粒粗細不同，性質(zhì)不均勻,有分選性，近粗遠細,渾圓度分選性明顯，土層交迭,含有機物淤泥，土性差,顆粒細，表層松軟，土性差,土粒粗細變化較大，性質(zhì)不均勻,顆粒均勻，層厚而不具層理,1、土的形成,第一章：土的組成,§1.1 土的形成 ? §1.2 土中固體顆粒§

5、;1.3 土中水§1.4 土中氣§1.5 黏土顆粒與水相互作用§1.6 土的結構與構造,風化作用 搬運與沉積,,土中氣體 氣相 次要作用,固體顆粒 固相 構成土體骨架 起決定作用,土中水 液相 重要影響,,,,土體的三相構成,2 土中固體顆粒,物理狀態(tài)力學特性,粒徑級配,,礦物成分,顆粒形狀,,2 土中固體顆粒

6、,粒徑級配,顆粒大小,各粒徑成分在土中占的比例,,,影響土性的主因,2 土中固體顆粒,,,,固體顆粒 - 顆粒大小,粒組 按粗細進行分組，將粒徑接近的歸成一類 界限粒徑,,d(mm),礫石,砂粒,粉粒,粘粒,膠粒,,,,60,2,0.075,0.005,0.002,,,,,,0.25,0.5,5,20,粗,中,細,粗,中,細,0.075,,,粗粒,細粒,粗粒土：以礫石和砂礫為主要組成的土，也稱無粘性土。細粒土：以粉粒、粘粒和膠

7、粒為主要組成的土，也稱粘性土。,,巨粒,,,,60,2 土中固體顆粒——粒徑級配,固體顆粒 - 粒徑級配,粒徑級配：各粒組的相對含量，用質(zhì)量百分 數(shù)來表示 分析方法： 篩分法：適用于粗粒土 ? 孔徑大小不同的篩子 沉降分析法：適用于細粒土 ? 常采用比重計法 表述方法: 粒徑級配累積曲線,2 土中固體顆?！郊壟?顆粒成分分析,篩分法,顆粒成分分析,沉降分析法,105.02.01.0

8、0.50.250.1,200g,10161824223872,,小于某粒徑之土質(zhì)量百分數(shù)P（％）,粒徑(mm),P%958778665536,土的粒徑級配累積曲線,水分法,,,2 土中固體顆粒——粒徑級配,,,,,,,,,,,,,d60,d50,d10,d30,特征粒徑: d50 : 平均粒徑d60 : 控制粒徑d10 : 有效粒徑d30,不均勻程度：Cu = d60 / d10,連續(xù)程度:

9、 Cc = d302 / (d60×d10 ) — 曲率系數(shù),— 不均勻系數(shù),Cu ≥5,級配不均勻,粗細程度： 用d50 表示,2 土中固體顆粒——粒徑級配,,,,,,斜率: 某粒徑范圍內(nèi)顆粒的含量 陡—相應粒組質(zhì)量集中 緩--相應粒組含量少 平臺--相應粒組缺乏,連續(xù)程度: Cc = d302 / (d60 ×d10 ) — 曲率系數(shù),較大顆粒缺少,,Cc 減小,較小顆粒缺少,,Cc 增大

10、,Cc = 1 ~ 3, 級配連續(xù)性好,2 土中固體顆?！郊壟?,粒徑級配,粒徑級配累積曲線及指標的用途：,1）粒組含量用于土的分類定名；,2）不均勻系數(shù)Cu用于判定土的不均勻程度： Cu ≥ 5, 不均勻土； Cu < 5, 均勻土,3）曲率系數(shù)Cc用于判定土的連續(xù)程度： C c = 1 ~ 3, 級配連續(xù)土； Cc > 3 或 Cc < 1,級配不連續(xù)土,4）不均勻系數(shù)C

11、u和曲率系數(shù)Cc用于判定土的級配優(yōu)劣： 如果 Cu ≥ 5且 C c = 1 ~ 3 ， 級配 良好的土； 如果 Cu 3 或 Cc < 1, 級配 不良的土,2 土中固體顆?！郊壟?物理狀態(tài)力學特性,粒徑級配,,礦物成分,顆粒形狀,,2 土中固體顆粒,礦物成分,固體成分,原生礦物 - 石英、長石、云母等次生礦物,礦物質(zhì)有機質(zhì),無定形氧化物膠體可溶鹽粘土礦物

12、,,,,,,具有和原生礦物很不相同的特性對粘土性質(zhì)的影響很大,2 土中固體顆?！V物成分,粘土礦物:由硅片和鋁片構成的晶包所組合而成,,粘 土 礦 物,粘土礦物是一種復合的鋁-硅鹽晶體，顆粒呈片狀，是由硅片和鋁片構成的晶包所組疊而成，可分成高嶺石、伊利石和蒙特石三種類型。,硅片 鋁片,,,,2 土中固體顆?！V物成分,,粘 土 礦 物,粘土礦物是一種復合的鋁-硅鹽晶體，顆粒呈片狀，是由硅片和鋁片構成的晶包所組疊而成，可分成

13、高嶺石、伊利石和蒙特石三種類型。,,硅片 鋁片,,,2 土中固體顆?！V物成分,,,,,,,,,,,,,n H2O,K,K,蒙脫石,伊利石,依硅片和鋁片組疊形式的不同，可分成如下三種類型：,,2 土中固體顆粒——礦物成分,,晶層間通過氫鍵聯(lián)結，聯(lián)結力強，晶格不能自由活動，水難以進入晶格間能組疊很多晶層，多達百個以上，成為一個顆粒。顆粒長寬約0.3-3?，厚約0.03-1?。主要特征：顆粒較粗，不容易吸水膨脹和失水收縮，或者說

14、親水能力差。,粘 土 礦 物,依硅片和鋁片組疊形式的不同，可分成如下三種類型：,高嶺石 蒙特石 伊利石,,,,2 土中固體顆?！V物成分,,晶層間是O2-對O2-的連結，聯(lián)結力很弱，水很容易進入晶層之間。每一顆粒能組疊的晶層數(shù)較少。顆粒大小約為0.1-1? ，厚約0.001-0.01?。主要特征：顆粒細微，具有顯著的吸水膨脹、失水收縮的特性，或者說親水能力強。,粘 土 礦 物,依硅片和鋁片組疊形式的不同，可分成如下三種類型：,

15、高嶺石 蒙特石 伊利石,,,,2 土中固體顆?！V物成分,,粘 土 礦 物,是云母在堿性介質(zhì)中風化的產(chǎn)物。與蒙特石相似，由兩層硅片夾一層鋁片所形成的三層結構，但晶層之間有鉀離子連結。主要特征：連結強度弱于高嶺石而高于蒙特石，其特征也介于兩者之間。,依硅片和鋁片組疊形式的不同，可分成如下三種類型：,高嶺石 蒙特石 伊利石,,,,2 土中固體顆?！V物成分,粘土礦物的晶格構造,蒙脫石,伊利石,?！　奖缺砻娣e脹 縮

16、性滲 透 性強　　度壓 縮 性,大10-20m2/g小大大小,中80-100m2/g中中中中,小800m2/g大小小大,比表面積 ：單位質(zhì)量土顆粒所擁有的總表面積,9克蒙脫土的總表面積大約與一個足球場一樣大,2 土中固體顆粒——礦物成分,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,粘土礦物的帶電性質(zhì)研究表明，片狀粘土顆粒表面常帶有電荷，凈電荷通常為負電荷,,- - - - - -

17、- - - -,- - - - - - - - - - - -,+,+,+,+,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,粘土顆粒,水分子,陽離子,粘土礦物的帶電特性,,,,,,,,,,,,,,,,,玻璃筒,玻璃皿,水位升高,粘土粒,粘土膏,+,-,,,,,,,粘土的電泳和電滲現(xiàn)象(列依斯, 1809),,2 土中固體顆粒——礦物成分,物理狀態(tài)力學特性,粒徑級配,,礦物成分,顆粒形狀,,2 土中固體顆

18、粒,,顆粒形狀,原生礦物 圓狀、渾圓狀、棱角狀次生礦物 針狀、片狀、扁平狀,,,2 土中固體顆?！w粒形狀,第一章：土的組成,§1.1 土的形成 ? §1.2 土中固體顆粒 ?§1.3 土中水§1.4 土中氣§1.5 黏土顆粒與水相互作用§1.6 土的結構與構造,3、土中水,土 中 水,結晶水 礦物內(nèi)部的水 結合水 吸附在土顆粒表面的

19、水 自由水 電場引力作用范圍之外的水 土中冰 由自由水凍成，凍脹融沉 水蒸氣 存在孔隙空氣中,結合水——物理化學作用,排列致密、定向性強 密度>1g/cm3 冰點處于零下幾十度 具有固體的特性 溫度高于100°C時可蒸發(fā),強結合水,位于強結合水之外，電場引 力作用范圍之內(nèi) 外力作用下可以移動 不因重力而移動，有粘滯性,弱結合水,,,3、土中水,3、土中水,? = 濕潤角,

20、T = 界面張力,d = 毛管直徑,ua-uw = 壓力差,毛細水,毛細現(xiàn)象,,,3、土中水,土中毛細現(xiàn)象,上升高度:,πr2hcγw=2πrTcosα,毛細水,分布在土粒內(nèi)部相互貫通的孔隙可以看成許多形狀不一、直徑互異、彼此連通的毛細管,,,毛細升高與孔徑成反比,粘土粉土砂土礫石,分析對象: 水柱,3、土中水,對砂土強度的影響:毛細邊角水, 假凝聚力,毛細壓力,2πrTcosα+ucπr2 = 0,毛細壓力,非飽和土中毛

21、細張力影響,分析對象:水膜,3、土中水,,土顆?？p隙處的彎液面,,,,,,,,,r,,空氣 水 固體顆粒,彎液面,,在非飽和土中，孔隙中含有水和氣，此時水多集中于顆粒間的縫隙處，稱毛細角邊水。由于毛細張力的作用，會形成如圖所示的彎液面，使毛細角邊水產(chǎn)生負壓力，顆粒則受正壓力。這是稍濕的砂土顆粒間存在假凝聚力的原因,3、土中水,第一章：土的組成,§1.1 土的形成 ? §1.2

22、土中固體顆粒 ?§1.3 土中水 ?§1.4 土中氣§1.5 黏土顆粒與水相互作用§1.6 土的結構與構造,土中氣,自由氣體：與大氣連通，對土的性質(zhì)影響不大封閉氣體：增加土的彈性；阻塞滲流通道,4、土中氣,第一章：土的組成,§1.1 土的形成 ? §1.2 土中固體顆粒 ?§1.3 土中水 ?§1.4 土中氣 ?§

23、;1.5 黏土顆粒與水相互作用 ?§1.6 土的結構,土 的 結 構,土顆?；蛄F的空間排列和相互聯(lián)結,,,土粒間的作用力 粗粒土的結構 細粒土的結構 粘性土的結構性指標,,,6、土的結構,粗粒土的結構,粒間作用力：重力起決定性的作用。在非飽和土中，還受到毛細力的作用排列形式：點與點 點與面,6、土的結構,,Silt,6、土的結構,Mode of packing of eq

24、ual spheres (plan views): (a) very loose packing (e=0.91); (b) very dense packing (e=0.35),6、土的結構,,Single-grained structures; (a) loose;(b) dense,6、土的結構,細土顆粒間的作用力,范德華力：接觸點處的分子引力，作用范圍為幾個分子的距離，是細粒土粘結在一起的主因庫侖力：顆粒表面的靜電引力或斥

25、力，隨距離衰減的速度比范德華力慢膠結力：土粒間通過膠體連結在一起，作用力是化合鍵，具有較高的強度毛細力：土中毛細作用形成的力,土中細顆粒，比表面積大，重量輕，重力不起重要的作用，其他粒間力起主導作用：,6、土的結構,結合水——物理化學作用,排列致密、定向性強 密度>1g/cm3 冰點處于零下幾十度 具有固體的特性 溫度高于100°C時可蒸發(fā),強結合水,位于強結合水之外，電場引 力作用范圍之內(nèi)

26、 外力作用下可以移動 不因重力而移動，有粘滯性,弱結合水,,,,細粒土的結構,形成環(huán)境 粒間作用力 排列形式,淡水中沉積表面力、膠結力（粒間斥力占優(yōu)勢)面與面,天然通常不是單一結構，可能是呈多種類型的綜合結構。往往先形成團粒,海水中沉積表面力、膠結力（斥力減小引力增加)邊、角與面邊、角與邊,示意圖,,6、土的結構,,( silt dominated),6、土的結構,Flocculent structures (c

27、lay particle dominated) (a) dispersion; (b) non-salt flocculation; (c) salt flocculation (adapted from Lambe, 1958),6、土的結構,反映粘性土結構性的指標,靈敏度 觸變性,,,6、土的結構,含水量不變，密度不變，因重塑而強度降低，又因靜置而逐漸強化，強度逐漸恢復的現(xiàn)象，稱為觸變性。,反映粘性土結構性的指標,土的觸變性

28、是土結構中聯(lián)結形態(tài)發(fā)生變化引起的，是土結構隨時間變化的宏觀表現(xiàn)。目前尚沒有合理的描述土觸變性的方法和指標。,,靈敏度 觸變性,,6、土的結構,土顆?；蛄F的空間排列和相互聯(lián)結,,小 結,6、土的結構,土 的 形 成,土,巖石,風化、搬運、沉積,,地質(zhì)成巖作用,,土的組成、結構和物理力學性質(zhì),過程、條件,,,土的形成 - 總結,,土體有三個組成部分：固相、液相和氣相,土的三相組成,固體顆粒土中水土中氣體,粒徑