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1、土土 力力 学学任任 课课 教教 师：师：李李 旭旭Email: Email: ceXuLceXuL北京交通大学土建学院岩土工程系北京交通大学土建学院岩土工程系2土是如何形成的？土是如何形成的？土的组成土的组成第二章 什么是土？3土是如何形成的？土是如何形成的？土土岩石岩石风化、搬运、沉积风化、搬运、沉积地质成岩作用地质成岩作用土的组成、结构土的组成、结构和物理力学性质和物理力学性质过程、条件过程、条件4土是如何形成的？土是如何形成的？l风化物理风化：日晒，雨淋，风吹化学风化：发生化学反应，大多与水，与盐分有关生物活动影响l搬运和沉积原地成土，无搬运残积土运积土5分组讨论（分组讨论（3 3分钟
2、）分钟）l小组一：找到生活中坡积土实例，并说明特点l小组二：找到残积土的实例，并说明特点l小组三：讨论洪积土和湖泊沉积土的区别l小组四：找到风积土的实例，并说明特点6运积土运积土运积土运积土有搬运风：风：风积土风积土重力重力: : 坡积土坡积土 流水流水: :洪积土洪积土冲积土冲积土湖泊沼泽沉积土湖泊沼泽沉积土海相沉积物海相沉积物冰川冰川: : 冰积土冰积土土粒粗细不同，性质不均匀土粒粗细不同，性质不均匀有分选性，近粗远细有分选性，近粗远细浑圆度分选性明显，土层交迭浑圆度分选性明显，土层交迭土粒粗细变化较大，性质不均匀土粒粗细变化较大，性质不均匀颗粒均匀，层厚而不具层理颗粒均匀，层厚而不具层理
3、7土是如何形成的？土是如何形成的？土的组成土的组成用那些指标来描述土？用那些指标来描述土？土的分类土的分类第二章 什么是土？8土的组成土的组成l矿物成分矿物成分l固体颗粒固体颗粒l三相介质三相介质l土壤水土壤水l土壤气土壤气9矿物成分矿物成分l原生矿物原生矿物 无粘性，砂土石英、云母、长石等石英、云母、长石等颗粒较大颗粒较大l次生矿物次生矿物 粘性，粘土粘土矿物、无定形氧化物胶体、可溶盐等l有机物（腐植质）有机物（腐植质）10l原生矿物 风化作用 次生矿物l例如：云母 碱性环境 伊利石l次生矿物：主要为粘土矿物1112硅片的结构基本单元：硅-氧四面体典型粘土矿物13铝片的结构典型粘土矿物基本单
4、元：铝-氢氧八面体14土中的胶结力土中的胶结力l硅片 - SiO2 - O2-l铝片 Al(OH)3 - OH-l媒介水阳离子氢键15典型次生矿物典型次生矿物 蒙脱石蒙脱石 伊利石伊利石 高岭石高岭石蒙 脱 石16比表面积比表面积l全部土颗粒的表面积之和 / 土的质量l课堂计算比表面积，假设土颗粒密度2.65 g/cm3第一组：1mm 圆球土第二组：0.1 mm 圆球土第三组：0.01 mm 圆球土第四组： 0.01x0.1x1 mm的长片型土颗粒17高岭石高岭石（氢键联结）（氢键联结）粘土矿物的粘土矿物的晶格构造晶格构造蒙脱石蒙脱石伊利石伊利石粒径粒径比表面积比表面积胀胀 缩缩 性性平均孔径
5、平均孔径渗渗 透透 性性强度强度压压 缩缩 性性大大10-20m2/g小小大大大大大大小小中中80-100m2/g中中中中中中中中中中小小800m2/g大大小小小小小小大大18粘土矿物的带电性质粘土矿物的带电性质粘土颗粒的表面电荷，净电荷通常为负电荷粘土颗粒的表面电荷，净电荷通常为负电荷- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -+粘土颗粒粘土颗粒水分子水分子阳离子阳离子19颗粒形状原生矿物原生矿物 圆状、浑圆状、棱角状圆状、浑圆状、棱角状次生矿物次生矿物 针状、片状、扁平状针状、片状、扁平状20提问提问l有没有问题？l原生矿物和次生矿物的不同本质在哪
6、里？是化学成分不同，还是结构不同？21土的组成土的组成l矿物成分矿物成分l三相介质三相介质l固体颗粒固体颗粒l土壤水土壤水l土壤气土壤气22颗粒级配颗粒级配颗粒大小各粒径成分在土中占的比例粒径级配影响土性的主因23颗粒级配颗粒级配l工程中常用土中各粒组的相对含量，占总工程中常用土中各粒组的相对含量，占总质量的百分数来表示，称为土的粒径级配。质量的百分数来表示，称为土的粒径级配。l粒径分析方法粒径分析方法筛分法（筛分法（d0.075mm的土）的土）密度计法（密度计法（d0.075mm粒组的 砾类土与砂类土。比重计法、移液管法：0.075的土粒按筛孔分成若干个粒组，然后分别称量留在各节筛上的土重，
7、计算出各粒组占总土重的百分数。2728筛分法（筛分法（d0.075mm的土）的土）29提问提问l筛分法够了么？l对于泥巴，你怎么筛分？30密度计法密度计法ld0.075mmd0.075mm的土的土颗粒大小不同，颗粒大小不同，沉降速率不同沉降速率不同31筛分数据分析筛分数据分析105.02.01.00.50.250.1200g10161824223872P%95877866553632颗粒级配的表示方法：表格法颗粒级配的表示方法：表格法10-22-0.050.05-0.0050.005砂土109910粉砂土2066304砾石土3445600粒径大小（单位：粒径大小（单位：mmmm）粒径大小（单位
8、：粒径大小（单位：mmmm）土土的的种种类类33土的粒径级配累积曲线土的粒径级配累积曲线1009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数小于某粒径之土质量百分数P（）（）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径粒径(mm)34累计曲线的形态可以表明粒度成分的特征累计曲线的形态可以表明粒度成分的特征：曲线平缓，说明土粒大小变化范围大，大小不均匀；曲线陡，说明土粒组成集中在某些粒组，分选好，土粒大小均匀。35颗粒和孔隙颗粒和孔隙l孔隙大小及数量和土壤级配有没有关系？36分组讨论分组讨论l从工程角度来说，什么样的土强度比较高？l能否通过级配曲线，了解
9、土体的工程性质？l颗粒均匀的土好不好？l石头和粘土的混合物好不好？37利用曲线确定计算的指标利用曲线确定计算的指标l土的有效粒径（d10）：非均粒土的累计含量为10%的颗粒直径。（透水性相等）l土的限制粒径（d60、d30）：非均粒土的累计含量为60%、30的土粒直径。l土的平均粒径（d50）：非均粒土的累计含量为50%的颗粒直径。38土的粒径级配累积曲线土的粒径级配累积曲线1009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数小于某粒径之土质量百分数P（）（）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径粒径(mm)39l不均匀系数（Cu）： Cu d6
10、0 / d10不均匀系数Cu越大，累计曲线越平缓，表明土粒大小变化范围大，越不均匀，级配良好；反之，曲线越陡，越均匀，级配不好。Cu 10 的土，为大小不均匀，级配良的土；40l曲率系数（Cc ）： Cc d302 / (d10*d60)，可以表示累计曲线的弯曲情况。Cu 5， Cc 13：良好级配，不均粒土，各粒组含量相差无几，大小颗粒混杂，累计曲线平缓；反之，为不良级配土，均匀土。411009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（）小于某粒径之土质量百分数（）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径粒径(mm)土的粒径级配累积曲线土的粒
11、径级配累积曲线d60d50d10d30d60d10d30CuCc0.33 0.0050.063 662.41d50 : 平均平均粒径粒径d60 : 控制控制粒径粒径d10 : 有效有效粒径粒径d30 不均匀程度不均匀程度：Cu = d60 / d10 连续程度连续程度: :Cc = d302 / (d60 d10 ) 曲率系数曲率系数 不均匀系数不均匀系数Cu 5,级配不均匀粗细程度粗细程度： 用用d50 表示 特征粒径特征粒径421009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（）小于某粒径之土质量百分数（）105.01.00.50.100.050.010.0050.00
12、1粒径粒径(mm)土的粒径级配累积曲线土的粒径级配累积曲线d60d10d30曲线 d60d10d30CuCcL0.33 0.0050.081663.98M0.0632.41R0.0300.545斜率斜率: : 某粒径范围内颗粒的含量某粒径范围内颗粒的含量 陡陡相应粒组质量集中相应粒组质量集中 缓缓-相应粒组含量少相应粒组含量少 平台平台-相应粒组缺乏相应粒组缺乏连续程度连续程度: :Cc = d302 / (d60 d10 ) 曲率系数曲率系数较大颗粒缺少较大颗粒缺少Cc 减小减小较小颗粒缺少较小颗粒缺少Cc 增大增大Cc = 1 3, 级配连续性好级配连续性好级配连续性级配连续性43 工工程
13、程规规定定：级级配配曲曲线线光光滑滑连连续续，不不存存在在平平台段，坡度平缓并满足台段，坡度平缓并满足 说说明明该该土土级级配配良良好好，否否则则该该土土为为级级配配不良土。不良土。44课堂练习课堂练习l1、计算土样的d50 : 平均粒径平均粒径 d60 : 控制粒径控制粒径d10 : 有效粒径有效粒径 l2、该土样级配工程性质好不好？强度变形渗透45第一组第一组46第二组第二组47第三组第三组48粒组划分的方案一粒组划分的方案一l漂石粒（块石粒）：粒径200mml卵石粒（碎石粒）：20mm200mml砾粒：2mm20mml砂粒：0.05（1/20）mm2mml粉粒：0.005（1/200）
14、0.05（1/20）mml粘粒：粒径200mml卵石粒（碎石粒）：20mm200mml砾粒：2mm20mm （合并为卵砾组）l砂粒：0.075mm2mm （砂粒组）l粉粒：0.005 0.075mm （粉粒组）l粘粒：粒径2002002020220.50.50.250.250.0750.0750.0055050卵石土卵石土碎石土碎石土5050圆砾土圆砾土角砾土角砾土5050砾砂土砾砂土25255050粗砂土粗砂土5050中砂土中砂土5050细砂土细砂土8585粉砂土粉砂土5050细细粒粒土土粉土粉土103030砂砂土土51土的组成土的组成l矿物成分矿物成分l三相介质三相介质l固体颗粒固体颗粒l
15、土壤水土壤水l土壤气土壤气52液态水液态水自由水自由水重力水重力水毛细水毛细水在重力作用下可在土中自由流动在重力作用下可在土中自由流动 存在于固气之间存在于固气之间 在重力与表面张力作用下在重力与表面张力作用下 可在土粒间空隙中自由移动可在土粒间空隙中自由移动53 = 湿润角湿润角 空气空气固体固体水水 lT=界面张力界面张力d d = 毛管直径毛管直径Td=2rua-uwua-uw =压力差压力差毛细现象毛细现象毛毛细细管管hc毛细水54土中毛细现象土中毛细现象上升高度上升高度: :r2hcw=2rTcos毛细水分布在土粒内部相互贯通分布在土粒内部相互贯通的孔隙可以看成许多形状的孔隙可以看成
16、许多形状不一、直径互异、彼此连不一、直径互异、彼此连通的毛细管通的毛细管毛细升高与孔径成反比毛细升高与孔径成反比粘土粘土粉土粉土砂土砂土砾石砾石分析对象分析对象: 水柱水柱55结合水：附着在粘土颗粒表面结合水：附着在粘土颗粒表面研究表明：研究表明：粘土颗粒的表面电荷，净电荷通常为负电荷粘土颗粒的表面电荷，净电荷通常为负电荷- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -+粘土颗粒粘土颗粒水分子水分子阳离子阳离子56结合水结合水 排列致密、定向性强排列致密、定向性强 密度密度1g/cm1g/cm3 3 冰点处于零下几十度冰点处于零下几十度 具有固体的特性具有
17、固体的特性 温度高于温度高于100100C C时可蒸发时可蒸发强结合水强结合水 位于强结合水之外，电场引位于强结合水之外，电场引 力作用范围之内力作用范围之内 外力作用下可以移动外力作用下可以移动 不因重力而移动，有粘滞性不因重力而移动，有粘滞性弱结合水弱结合水双电层双电层57土壤水土壤水58土的组成土的组成l矿物成分矿物成分l三相介质三相介质l固体颗粒固体颗粒l土壤水土壤水l土壤气土壤气59土中气体土中气体l自由气体：自由气体：与大气连通，对土的性质有一与大气连通，对土的性质有一定的影响，但通常在浅层时影响不大定的影响，但通常在浅层时影响不大l封闭气体：封闭气体：增加土的弹性；阻塞渗流通道增
18、加土的弹性；阻塞渗流通道60橡皮土橡皮土61小结：土、水、气三相介质小结：土、水、气三相介质1.固体颗粒固体颗粒2.土中水土中水3.土中气体土中气体粒径级配粒径级配矿物成分矿物成分颗粒形状颗粒形状结合水结合水(强结合水、弱结合水强结合水、弱结合水)自由水自由水(重力水、毛细水重力水、毛细水)自由气体自由气体封闭气体封闭气体62请大家提意见请大家提意见63土的组成土的组成l矿物成分矿物成分l三相介质三相介质l固体颗粒固体颗粒l土壤水土壤水l土壤气土壤气64三相孔隙介质三相孔隙介质固体矿物颗粒固体矿物颗粒 （固相）（固相）土中气体土中气体（气相）（气相） 土中水土中水（液相）（液相）65土颗粒水气
19、 体气 体66三相草图三相草图WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积质量体积67土的密度土的密度l单位体积土的质量单位体积土的质量l单位单位: : kg/m3 kg/m3 或或 g/cm3g/cm3l一般范围一般范围: : 1.602.20 g/cm31.602.20 g/cm3l土的重度：土的重度：l工程上更常用工程上更常用, , 用于计算土的自重应力用于计算土的自重应力=g单位单位: kN/m3 三相草图有助于直观三相草图有助于直观理解物性指标的概念理解物性指标的概念WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量质量体积体积68土粒密度土
20、粒密度l土粒密度是指固体颗粒的质量ms与其体积Vs之比；即土粒的单位体积质量l粘性土粘性土 2.702.752.702.75l砂砂 土土 2.652.65l土粒比重，土粒比重，G Gs s土粒的密度与土粒的密度与4C时纯蒸馏时纯蒸馏水的密度的比值水的密度的比值和土粒密度数值相同和土粒密度数值相同WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量质量体积体积69干密度干密度l土被完全烘干时的密度土被完全烘干时的密度WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量质量体积体积70（4）饱和密度：孔隙完全被水充满时土的密度，即孔隙中全部充满水时单位体积的质量。（5）
21、浮密度：地下水位以下的土，土颗粒受到水的浮力作用，土的密度为浮密度。71l密度：单位体积的质量，g/cm3。l比重：与同体积的4水的重量之比，无单位。l容重：单位体积的重量，kN/m3。l重度：单位体积的土所受的重力， kN/m3。在工程中，上述的几种提法都常用到，它们之间的单位的换算：1g/ cm3=10KN/m372土的含水量（含水率）土的含水量（含水率）l土中水的质量与土粒质量之土中水的质量与土粒质量之比比, , 一般用百分数表示一般用百分数表示l天然状态下土的含水率称土的天然含水率。一般砂土天然含水率都不超过40%，以1030%最为常见；一般粘土大多在1080%之间，常见值2050%。
22、l可达到或超过可达到或超过100100WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量质量体积体积73饱和度饱和度l孔隙中充满水的程度孔隙中充满水的程度lSr=0 : Sr=0 : 干土干土lSr=1 : Sr=1 : 饱和土饱和土WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量质量体积体积74孔隙比（孔隙比（void ratiovoid ratio）l土中孔隙体积与固体颗粒体土中孔隙体积与固体颗粒体积之比积之比l在某种程度上反映土的松密在某种程度上反映土的松密l孔隙率孔隙率( (孔隙度孔隙度) )：土中孔隙：土中孔隙体积与总体积之比。体积与总体积之比。Wa
23、terAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量质量体积体积75孔隙比：土的孔隙体积与土中固体颗粒体积之比值。 孔隙比说明土的密实程度，e越大，土中孔隙体积越大，结构越疏松；反之，结构越密实。一般土的e值在0.51.0之间。粘土的孔隙比有时1，淤泥的可达1.5以上。76换算关系换算关系l孔隙比和孔隙率之间的关系WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量质量体积体积77指标的换算指标的换算 土的密度、含水量、土粒比重是通土的密度、含水量、土粒比重是通过试验测定，其他指标可由这三个指标换过试验测定，其他指标可由这三个指标换算得到。算得到。78换算关系换算关系l
24、干密度与密度和含水率之间的关系79SrSr和和w w之间的换算之间的换算80随堂作业随堂作业l现有一环刀，内环直径为63.8 mm，高度为20 mm，重40g。采用该环刀切取土样，测得环刀连同土样的总重量为147.5g。将土样和连同环刀一起置于烘箱中烘干，72小时后测得环刀连同土样的总重量为129.6g。请问该土样的干密度是多少？孔隙比是多少？饱和度是多少？ 81提问提问l有没有问题？l晕没晕？l需不需要记？82课后作业课后作业l1、饱和度Sr与含水量w，比重Gs和孔隙比e之间的关系l2、估算碎石土，砂土，粘土的比表面积，毛细管水可上升的高度l3、比较三种典型粘土矿物的性质，并说明其原因。l4、什么是土的不均匀系数和曲率系数，为什么说Cu 5， Cc 13的土是级配良好的土？
