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1、第一章 土的物质组成和结构第一节 土的形成一、土和土体的概念1土(soil)地球表面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
2、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、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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，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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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）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0.002mm）为主的土称为细粒土，也称为粘性土。其特征为：主要由原生矿物、次生矿物组成，孔隙很小，透水性极弱，毛细上升高度较高，有可塑性、胀缩性，强度较低。1、粒径级配分析方法工程上，使用的粒径级配的分析方法有筛分法和水分法两种。筛分法适用于颗粒大于0.1mm（或0.074m
14、m，按筛的规格而言）的土。它是利用一套孔径大小不同的筛子，将事先称过重量的烘干土样过筛，称留在各筛上的重量，然后计算相应的百分数。砾石类土与砂类土采用筛分法。水分法（静水沉降法）：用于分析粒级小于0.1mm的土，根据斯托克斯（stokes）定理，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。VKd2。因此可以利用粗颗粒下沉速度快，细颗粒下沉速度慢的原理，把颗粒按下沉速度进行进行粗细分组。实验室常用比重计进行颗粒分析，称为比重计法。此外还有移液管等。例1从干砂样中取质量1000g的试样，放入0.10.2mm的标准筛中，经充分振荡，称各级筛上留下来的土粒质量见表第二行，试求土粒中各粒组的土粒含量。筛 分 析 试 验 结 果筛孔径（mm）2.01.00.50.250.150.1底盘各级筛上的土粒质量（g）10010025030010050100小于各级筛孔径的土粒含量（）908055251510各粒组的土粒含量（）102510105解：（1）留在孔径2.0mm筛上的土粒质量为100g，则小于2.0mm的土粒质量为1000100900g，于是小于该孔径（2.0.mm）的土粒含量为900/100090同理可称得小于其它孔径的土粒含量，见第三行。（2）因小于2.0mm和小于1.0mm孔径的土粒含
