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1、第一章,土的组成,防灾工程系 王振宇,土的组成,1.1 土的概念及基本特征,1.2 土的生成,1.3 土的组成,1.1 土的概念及基本特征,概念：土是连续、坚固的岩石在风化作用下形成的大小悬殊的颗粒，经过不同的搬运方式，在各种自然环境中生成的沉积物。而土历经压密固结、胶结硬化也可再生成岩石。,土中颗粒的大小、成分及三相之间的相互作用和比例关系，反映出土的不同性质。,1.2 土的生成,物理风化化学风化生物活动,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（石英、长石等） 产生无粘性土,1.2
2、 土的生成,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（蒙脱石、伊利石） 形成十分细微的土颗粒，最主要为粘性颗粒及可溶盐类,物理风化化学风化生物活动,1.2 土的生成,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,物理风化化学风化生物活动,土,岩石,风化、搬运、沉积,地质作用,1.2 土的生成,1.2 土的生成,地质作用：导致地壳成分变化和构造变化的作用，称为地质作用。,内力地质作用是由于地球自转产生的旋转能和放射性元素蜕变产生的热
3、能等，引起地壳物质成分、内部构造以及地表形态发生变化的地质作用，如岩浆活动、地壳运动。,1.2 土的生成,外力地质作用是由于太阳辐射能和地球重力位能所引起的地质作用。它包括气温的变化、雨雪、山洪、河流、湖泊、海洋、冰川、风、生物等的作用，对地壳不断地进行侵蚀，使地表形态发生变化、形成新的产物。 土的形成条件，常见的成因类型如下：,1 残积土 残留在原地未被搬运的那一部分风化产物。 颗粒不能被磨圆或分选。残积物与基岩之间没有明显界限，其矿物成分很大程度上与下卧基岩一致。由于残积物均质性很差，颗粒多为棱角状的粗颗粒土，孔隙度较大，作为建筑物地基容易引起不均匀沉降。,1.2 土的生成,1.2 土的生
4、成,洪积扇群,1.2 土的生成,1.2 土的生成,4.冲积土冲积土是河流流水的地质作用将两岸基岩及其上部覆盖的坡积、洪积物剥蚀后搬运沉积在河流坡降平缓地带形成的沉积土。其特点是呈现明显的层理构造，土颗粒上游较粗，下游较细，由于搬运作用显著，碎屑物质由带棱角颗粒经滚磨、碰撞逐渐形成亚圆或圆形颗粒，其搬运距离越长，则沉积土越细。分选性和磨圆度较好。典型的冲积物是形成于河谷内的沉积物，可分为平原河谷冲积土和山区河谷冲积土、三角洲沉积土等。,1.2 土的生成,Back,1.2 土的生成,5湖沉积土 在湖泊及沼泽等极为缓慢流水或静水条件下沉积下来的土，或称淤积土，含有大量细微颗粒，常伴有生物化学作用形成
5、的有机物，成为具有特殊性质的淤泥或淤泥质土。土的压缩性高，强度很低。承载力极低，一般不宜作天然地基。,6海积土 按海水深度及海底地形，海洋可分为滨海带、浅海区、陆坡区和深海区，相应的四种海相沉积物性质也各不相同。 滨海沉积物主要由卵石、圆砾和砂等组成，具有基本水平或缓倾的层理构造，其承载力较高，但透水性较大。 浅海沉积物主要由细粒砂土、粘性土、淤泥和生物化学沉积物（硅质和石灰质）组成，有层理构造，较滨海沉积物疏松、含水量高、压缩性大而强度低。 陆坡和深海沉积物主要是有机质软泥，成分均一。,1.2 土的生成,7.风积土 是指在干旱的气候条件下，岩石的风化碎屑物被凤吹扬，搬运一段距离后，在有利的条
6、件下堆积起来的一类土。其颗粒磨圆度好，分选性好，土质均匀，孔隙大，结构松散，具有湿陷性。西北黄土就是典型的风积土。 8冰积土 是由冰川或冰川融化的冰下水进行搬运堆积而成。颗粒粗细变化大，一般分选性极差，无层理，土质不均。 9污染土,1.2 土的生成,土中气体 气相 次要作用,固体颗粒 固相 构成土体的骨架 起决定作用,土中水 液相 重要影响,1.3 土的组成,气相,固相,液相,+,+,土体,1.3 土的组成,1.3.1 土的固体颗粒,固 体 颗 粒,1.土粒的矿物成分 原生矿物:母岩经物理风化而成,如石英、云母、长石； 次生矿物：母岩经化学风化而成，如粘土矿物、铝铁氧化物、氢氧化物等。常见的粘
7、土矿物有蒙脱石、伊里石、高岭石；由于粘土矿物颗粒很细，比表面积很大，所以颗粒表面具有很强的与水作用的能力，因此，土中含粘土矿物愈多，则土的粘性、塑性和胀缩性也愈大。,粘 土 矿 物,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,1.3 土的组成,粘 土 矿 物,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,1.3 土的组成,粘土矿物典型电镜照片:,蒙 脱 石,比表面积,亲水性,15,80,800,0,1.3 土的组成,粘
8、土矿物的带电性质： 实验表明，片状粘土颗粒表面常带有负电荷。 为什么片状粘土颗粒带有不平衡负电荷： 离解作用 吸附作用 同晶置换 边缘断裂,- - - - - - - - - -,- - - - - - - - - - - -,+,+,+,+,粘土颗粒,水分子,阳离子,粘土颗粒的带电性,玻璃筒,玻璃皿,水位 升高,粘土粒,粘土,+,-,粘土的电泳和电渗现象(列依斯, 1809),1.3 土的组成,离土粒越近，电分子力越大，从而形成紧密吸附于土粒表面的固定层（强结合水）和在固定层外围的扩散层(弱结合水)，固定层和扩散层中所含的阳离子与土颗粒表面的负电荷的电位相反，故称为反离子，固定层和扩散层合称
9、为反离子层。反离子层与土粒表面的负电荷一起构成双电层。,双电层的概念：,1.3 土的组成,1.3 土的组成,双电层的概念：,扩散层水膜的厚度对粘性土的工程性质影响很大，扩散层厚度大，土的塑性就大，膨胀与收缩性也大。 双电层厚度与矿物本身和外界条件有关： 如蒙脱石颗粒厚度小，形成的扩散层相对厚度大于高岭石 水溶液中的阳离子的原子价位越高，它与土粒之间的的静电引力愈强，平衡土粒表面负电荷所需阳离子数量愈少，扩散层愈薄 外部温度升高，双电层厚度就增大 工程实践中用三价及二价离子（Mg2+、Ca2+ 、 Fe3+ AI3+ ）处理粘土，使扩散层中高价阳离子度增加，扩散层变薄，从而增加了土的强度与稳定性
10、，减少了膨胀性,1.3 土的组成,2.土粒粒度与粒组在自然界中存在的土,都是由大小不同的土粒组成的，土的粒径由粗到细逐渐变化时,土的性质相应地发生变化。土粒的大小称为粒度，用粒径表示。将大小相近，性质相似的颗粒划归为一组，称为粒组，划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。常用200、60、2、0.075、0.005mm把土粒分为六大粒组:漂石(块石)颗粒、卵石(碎石)颗粒、圆砾（角砾）颗粒、砂粒、粉粒及粘粒。见下表。,表1.1 土粒粒组划分,1.3 土的组成,细粒,巨粒,粗粒,3.土的粒度成分（颗粒级配）土粒大小及其组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量（各粒组占土粒总量的百分数）来表示，称为土的粒度
11、成分（颗粒级配）。颗分试验： （1）筛分法：粒径0.075mm。 （2）沉降分析法：（比重计或移液管法） 粒径10 级配良好 Cu5 级配不良,不均匀程度,1.3 土的组成,颗粒级配 量化指标,曲线愈陡，表示粒径大小相差不多，土粒较均匀，级配不良； 曲线愈缓，表示粒径大小相差悬殊，土粒不均匀，级配良好。,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,1.3 土的组成,5Cu10 Cc = 13 级配良好,1.3 土的组成,颗粒级配的描述:,工程上常用不均匀系数Cu描述颗粒级配的不均匀程度,d10、d30、d60小于某粒径
12、的土粒含量为10%、 30%和60%时所对应的粒径,Cu愈大，表示土粒愈不均匀。工程上把Cu5的土视为级配不良的土； Cu10的土视为级配良好的土,曲率系数Cc描述颗粒级配曲线整体形态，表明某粒组是否缺失情况,对于砾类土或砂类土，同时满足Cu5和Cc=13时，视为良好级配砂或良好级配砾,1.3.2 土中的水,1.3 土的组成,1.3 土的组成,（1）强结合水：没有溶解盐类的能力，不能传递静水压力，牢固地吸附于土粒表面，其性质接近于固体具有极大的粘滞度、弹性和抗剪强度。 （2）弱结合水：厚度较强结合水大，具有较高的粘滞度、抗剪强度，仍不能传递静水压力。当含量较多时，使土具有一定的可塑性。,1.3
13、 土的组成,（3）自由水 重力水：地下水位以下，在土中流动的水，受重力作用，对土粒有浮力作用。 毛细水：地下水位以上由于水和空气分界处弯液面上产生的表面张力作用，土中自由水从地下水位通过土的细小通道逐渐上升，形成毛细水。它不仅受重力作用而且还受到表面张力的支配。,1.3 土的组成,hc,毛细水,重力水,土中水 自由水,1.3 土的组成,r,弯液面,由于毛细张力的作用，会形成如图所示的弯液面，使毛细角边水产生负压力（水内压力小于大气压力），颗粒则受正压力。使土粒之间由于这种毛细压力而挤紧，土呈现出粘聚现象，这种力称为毛细粘聚力。 这是稍湿的砂土颗粒间存在假凝聚力的原因。 在工程中，毛细水的上升高度和速度对建筑物地下部分的防潮措施和地基土的浸湿、冻胀有重要影响。,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。在外力作用下，封闭气体易溶解于水，外力卸除后又会重新释放出来，使得土的弹性增加；阻塞渗流通道，降低渗透性 可燃气体：由微生物的分解作用而形成，常存在于淤泥和泥炭等有机土中。,1.3 土的组成,1.3.3 土中气体,土中含有更多的CO2，较多的N2，较少的O2，地下工程施工时应注意氧气的补给。,1.3 土的组成,1.3.4土的结构和构造,集合体特征：土粒单元大小、矿物成分、形状、相互排列及其关联关系,
