《土質學和土力學》土物質組成與土水相互作用

1、土質學和土力學土物質 組成與土水相互作用 Nanjing University of Technology 物理風化物理風化:指由于溫度變化、水的凍脹、波浪沖擊、地震等引起的物理 力使巖體崩解、碎裂成巖塊、巖屑的過程。物理風化僅使巖 石產生量的變化量的變化。 化學風化化學風化:指巖體(或巖塊、巖屑)與空氣、水和各種水溶液相接觸，經氧 化、碳化和水化作用分解為極細顆粒的過程，生物的活動也 可 助長風化的進程。而化學風化卻使巖石產生質的變化質的變化。 Nanjing University of Technology 土是由固相固相、液相液相、氣相氣相組成的三相分散系。 固相固相:包括多種礦物成分組

2、成土的骨架，骨架間的空隙為液相和氣相填滿， 這些空隙是相互連通的，形成多孔介質。 液相液相: :主要是水(溶解有少量的可溶鹽類)。 氣相氣相: :主要是空氣、水蒸氣，有時還有沼氣等 Nanjing University of Technology 原生礦物原生礦物 由巖石經物理風化生成的顆粒通常是由一種或幾種原生礦物所組成， 它的成分成分與母巖的相同，常見的有石英、長石相云母。 顆粒一般較粗，多呈渾圓形、塊狀或板狀。 吸附水的能力弱，性質比較穩(wěn)，無塑性。 一、土的固相一、土的固相 土是巖石風化的產物。因此土粒的礦物組成將取決于成土母巖的礦 物組成及其后的風化作用。成土礦物主要可分為兩大類。 N

3、anjing University of Technology 次生礦物次生礦物 由原生礦物經化學風化生成的新礦物，它的成分成分與母巖的完全不 同。次生礦物主要是粘土礦物，即高嶺石、伊利石和蒙脫石。 顆粒極細，且多呈片狀。 性質活潑，有較強的吸附水能力（尤其是由蒙脫石組成的顆粒），具 塑性。 水溶鹽:可溶性次生礦物。最常見的有巖鹽、鉀鹽、石膏、方解石，硫 酸鹽類還對金屬和混凝土有一定的腐蝕作用 有機質:動植物分解后的殘骸，分解徹底的稱為腐殖質。腐殖質的顆粒 極細，粒徑小于0.1m，呈凝膠狀，帶有電荷，具有極強的吸附性。 Nanjing University of Technology 黏土礦物

4、 黏土礦物黏土礦物：原生礦物長石原生礦物長石、云母云母等硅酸鹽礦物經化學 風化形成。 硅酸鹽礦物硅酸鹽礦物：硅氧四面體硅氧四面體和鋁氫氧八面體鋁氫氧八面體兩部分構成。 Nanjing University of Technology 硅氧四面體硅氧四面體：一個硅原子硅原子和四個氧原子四個氧原子以相等距離堆成四面體形狀，硅 居其中央，氧占據四個頂點，四面體中的三個氧被共用，橫向聯結成六角形的 網格。 每個硅原子有四個正電荷四個正電荷，每個氧原子有兩個負電荷兩個負電荷，四面體排列成的 六角網格片狀結構中，每個硅氧四面體都具有一個負電荷一個負電荷。 Nanjing University of Tec

5、hnology 鋁氫氧八面體鋁氫氧八面體：六個氫氧離子氫氧離子圍繞一個鋁離子鋁離子構成的八面體晶片。 八面體中每個氫氧離子均為三個八面體共有，形成八面體單位的片狀結構仁。 鋁為正三價正三價，氫氧為負一價負一價，每個八面體只能以兩個負電荷抵消鋁離子的一個 正電荷，故每個八面體都是正一價正一價。 Nanjing University of Technology 硅氧四面體硅氧四面體和鋁氫氧八面體鋁氫氧八面體這兩種基本單元以不同的比例組合不同的比例組合， 形成不同類型的黏土礦物黏土礦物。 土中常見的黏土礦物有高嶺石高嶺石、伊利石伊利石和蒙脫石蒙脫石三大類。 Nanjing University of

6、 Technology 高嶺石：高嶺石：一層硅氧四面體晶片一層硅氧四面體晶片和一層鋁氧八面體晶片一層鋁氧八面體晶片結合，形成一個單位晶 胞。高嶺石晶胞間具有較強的氫鍵聯結較強的氫鍵聯結，水較難滲入其間，其顆粒，水較難滲入其間，其顆粒 一般較粗，親水性弱。一般較粗，親水性弱。因而主要由這類礦物組成的土，膨脹性和壓膨脹性和壓 縮性縮性都較低。 Nanjing University of Technology 蒙脫石：蒙脫石：蒙脫石單位晶胞的上下面均為硅氧四面體晶片硅氧四面體晶片，中間夾一個鋁氧八面鋁氧八面 體晶片體晶片。相鄰晶胞間由相同的氧原子相接，這種聯結既弱也不穩(wěn)固既弱也不穩(wěn)固， 水分子很容易

7、楔入其間水分子很容易楔入其間，以致將其分散為極細小的鱗片狀顆粒，并使 晶格沿垂直方向膨脹晶格沿垂直方向膨脹。 含蒙脫石礦物較多的土對環(huán)境的干濕變化較敏感；土體濕度增高濕度增高，體積膨脹并形成 膨脹壓力膨脹壓力；土體失水失水，體積收縮并產生收縮裂隙收縮裂隙，而且這種脹縮變形脹縮變形可隨環(huán)境變化往往 復發(fā)生復發(fā)生，導致土的強度衰減土的強度衰減。 Nanjing University of Technology 伊利石：伊利石：含鉀量高的原生礦物經化學風化的初期產物，其晶格構造與蒙脫石相 似，也是由兩片硅氧四面體兩片硅氧四面體夾鋁氧八面體鋁氧八面體構成，不同的是四面體中 Si4+被 Al3+ 所替代

8、，由 K離子補償晶層正電荷的不足。 伊利石伊利石相鄰晶胞間由鉀離子聯結，這種聯結較之高嶺石層間的氫鍵聯結為弱較之高嶺石層間的氫鍵聯結為弱，但比比 蒙脫石層間的水分子聯結要強蒙脫石層間的水分子聯結要強，所以形成的片狀顆粒大小處于蒙脫石和高嶺石之間，其 工程性質也介于兩者之間。 Nanjing University of Technology 粘土礦物粘土礦物 高 嶺 2322 Al O2SiO2H O 22322 K O 3Al O6SiO2H O 2322 Al O4SiOnH O Nanjing University of Technology Nanjing University of T

9、echnology Nanjing University of Technology 土的顆粒級配土的顆粒級配 土是由大小不同的土粒組成的。土粒的粒徑由粗到細逐漸變化時， 土的性質相應地發(fā)生變化。例如土的性質隨著粒徑的變細可由無粘性變 化到有粘性。 界限粒徑界限粒徑: :劃分粒組的分界尺寸。 土的顆粒級配土的顆粒級配: :土中各個粒組的相對含量(各粒組占土?？傊氐陌俜?數)。 顆粒級配累積曲線顆粒級配累積曲線: :顆粒大小分析試驗成果，由其橫坐標（對數坐標） 表示粒徑?？v坐標則表示用小于(或大于)某粒徑 的土重含量(或稱累計百分含量) 。 Nanjing University of Techn

10、ology 土粒質量累計百分數為10%時，相應的粒徑稱為有效粒徑有效粒徑d10。小于某 粒徑的土粒質量累計百分數為30%時的粒徑用d30表示。當小于某粒徑的土 粒質量累計百分數為60%時，該粒徑稱為限定粒徑限定粒徑d60。 利用顆粒級配累積曲線可以確定土粒的級配指標，如不均勻系數不均勻系數Cu 和曲率系數曲率系數Cc。 。 不均勻系數Cu反映大小不同粒組的分布情況大小不同粒組的分布情況。Cu越大表示土粒大小 的分布范圍越大、其級配越良好，作為填方工程的土料時，則比較容易獲 得較大的密實度。曲率系數Cc描寫累積曲線的分布范圍累積曲線的分布范圍，反映曲線的整體 形狀。 10 60 d d Cu 6

11、010 2 30 dd d Cc Nanjing University of Technology 曲線平緩，粒徑大小相差懸殊，土粒不均勻。顆粒級配可以在一定程度上反映土的某 些性質。對于級配良好的土，較粗顆粒間的孔隙被較細的顆粒所填充，因而土的密實度較好 ，相應的地基土的強度和穩(wěn)定性也較好透水性和壓縮性也較小，可用作堤壩或其它土建工 程的填方土料。 Nanjing University of Technology 土的粒度成分，通常以土中各粒組的質量百分率各粒組的質量百分率來表示，通過對土 進行粒度分析，分離出土中各個粒組，分別稱取質量，然后計算出各粒 組的質量占該土總質量的百分數。 不同類

12、型的土，采用不同的分析方法。粗粒土采用篩析法，細粒土粗粒土采用篩析法，細粒土 采用靜水沉降分析法采用靜水沉降分析法。 粒度成分的測定方法粒度成分的測定方法 Nanjing University of Technology 篩析法篩析法 對于粒徑大于大于0.075mm的粗粒土，可用篩析法測定粒度成分。 試驗時將風干、分散的代表性土樣通過一套孔徑不等的標準篩 （20、2、0.5、0.25、0.1、0.075mm），稱出留在各個篩子上 的土的質量，即可求出各個粗粒組在土樣中的相對含量。 Nanjing University of Technology 靜水沉降分析法靜水沉降分析法 粒徑小于小于0.0

13、75mm的粉?；蛘沉，F有技術難以篩分， 一般可根據土粒在水中勻速下沉時的速度與粒徑的 理論關系，用比重計法或移液管法測定。 Nanjing University of Technology 二、土的液相二、土的液相 土中水處于不同位置和溫度條件下，可具有不同的物理狀態(tài)固態(tài)、固態(tài)、 液態(tài)、氣態(tài)。液態(tài)、氣態(tài)。 液態(tài)水液態(tài)水是土中孔隙水的主要存在狀態(tài)，因其受土粒表面雙電層影響 程度的不同可分為結合水、毛細水、重力水結合水、毛細水、重力水。后兩者也稱為非結合水非結合水 (自由水自由水)。 水水 的的 類類 型型主要作用力主要作用力 結結 合合 水水物理化學力物理化學力 非非 結結 合合 水水 毛毛 細

14、細 水水表面張力和重力表面張力和重力 重重 力力 水水重重 力力 Nanjing University of Technology 結合水結合水 非結合水非結合水 強結合水強結合水(吸著水吸著水) 液態(tài)水液態(tài)水 重力水重力水(自由水自由水) 氣態(tài)水氣態(tài)水(水蒸氣水蒸氣) 土孔隙中的水土孔隙中的水 毛細水毛細水(過渡型水過渡型水) 弱結合水弱結合水(薄膜水薄膜水) 固態(tài)水固態(tài)水(冰冰) Nanjing University of Technology 1. 結合水結合水 土顆粒表面帶有一定的電荷，當土粒與水相接觸時，由于靜電作用 力，將吸引水化離子和水分子，形成雙電層，在雙電層影響下的水膜稱 為

15、表面結合水表面結合水。雙電層的厚薄也反映了結合水的厚薄，結合水具有與一 般自由水不同的性質，其密度較大、粘滯度高、流動性差、冰點低、比 熱較大、介電常數較低，這種差異隨距離增加而減弱。結合水又可分為 強結合水強結合水和弱結合水弱結合水。 2.非結合水非結合水 在雙電層影響以外的水為自由液態(tài)水，它主要受重力作用的控制， 土粒表面吸引力居次要地位，這部分水稱為非結合水，它包括毛細水和 重力水。 Nanjing University of Technology (1)毛細水毛細水 毛細水是受到水與空氣交界面處表面張力作用的自由水。毛管現象 是毛細管壁對水的吸力和水的表面張力共同作用的結果。 毛細水是

16、受毛細管作用控制的水，可以把土的孔隙看作是連續(xù)變截 面的毛細管，毛細管放在水中，管中的水位會上升到自由水位以上的一 定高度，毛管直徑愈細上升高度愈高。在常溫下毛細上升高度hc與毛管半 徑r有以下關系： 當當r=0.1 m時，時，hc=150mm，這與砂土，這與砂土(粒徑為粒徑為0.5l mm)中的情況大致相當。粘土中的情況大致相當。粘土 的孔隙直徑約為的孔隙直徑約為0.1 m，按上式計算毛細上升高度將達，按上式計算毛細上升高度將達150m？ r hc 15 Nanjing University of Technology (2)重力水重力水 重力水是存在于地下水位以下的適水土層中的地下水。它是

17、在重力 或壓力差作用下運動的自由水，對土粒有浮力作用土粒有浮力作用。重力水只受重力控 制，不受土粒表面吸引力的影響。 (3)固態(tài)水固態(tài)水 固態(tài)水即冰，溫度降到0以下時，孔隙中的水會凝結成冰。水結冰 后體積膨脹，同時由于水分遷移和補給，在土層中會形成冰層或透鏡體。 固態(tài)水在土中起著暫時的膠結作用暫時的膠結作用，提高土的力學強度提高土的力學強度，降低透水性降低透水性。 但溫度升高溫度升高后，冰層解凍為液態(tài)水，使土的強度急劇降低土的強度急劇降低，壓縮性增大壓縮性增大， 土的性質顯著惡化，如處于地下水以上的某些公路路面在開春后的翻漿 現象就是一例。 Nanjing University of Tech

18、nology 三、土的氣相三、土的氣相 土中的氣體主要是空氣空氣和水氣水氣。土中氣體按其所處的狀態(tài)和結構特 點可分以下幾種類型：吸附于土顆粒表面的氣體、溶解于水中的氣體、 四周為顆粒和水所封閉的氣體以及自由氣體。 通常認為自由氣體與大氣連通自由氣體與大氣連通，對土的性質無大影響對土的性質無大影響；密閉氣體的密閉氣體的 體積與壓力有關，壓力增加，則體積縮小，壓力減小，則體積脹大體積與壓力有關，壓力增加，則體積縮小，壓力減小，則體積脹大。因 此，密閉氣體密閉氣體的存在增加了土的彈性增加了土的彈性，同時還可阻塞土中的滲流通道， 減小上的滲透性減小上的滲透性。 Nanjing University o

19、f Technology 粘粒表面帶有一定量負電荷負電荷，并緊密地吸附在固相表面上，形成固固 定層定層( (吸附層吸附層) )。 由于靜電引力的作用，在水溶液中將吸引水中的陽離子陽離子到土粒表面 來。另一方面，陽離子陽離子又受到熱運動的擴散作用，要離開土粒表面。因 而陽離子的分布是不均勻的，愈靠近表面，靜電作用力愈大、吸引力愈 強，陽離子濃庫也愈大；隨著離土粒表面距離的增加，靜電引力也降低 ，陽離子濃度也逐漸下降，直至孔隙中水溶液的濃度正常為止這個層稱 為反離子層反離子層。而陰離子濃度與之相反。 土粒表面帶負電荷的固定層土粒表面帶負電荷的固定層( (吸附層吸附層) )與受土粒表面影響的陽離子層

20、與受土粒表面影響的陽離子層( ( 反離子層反離子層) )合稱為雙電層。合稱為雙電層。 雙電層理論雙電層理論 Nanjing University of Technology Diffuse double layer（雙電層）（雙電層） (Figure by Muni Budhu,2000) 影響雙電層的因素影響雙電層的因素: :土粒表面的電位、大小、土粒大小、礦物成分類型等。 Nanjing University of Technology 二、土的結構與構造二、土的結構與構造 土的結構土的結構:指土顆?；蚣象w的大小大小和形狀形狀、表面特征表面特征、排列形式排列形式以 及它們之間的連接特征連

21、接特征( (微觀結構微觀結構) )。 土的構造土的構造: :指土層的層理層理、裂隙裂隙和大孔隙大孔隙等宏觀特征亦稱宏觀結構宏觀結構。 土的結構對土的工程性質影響很大，特別是粘性土，如某些靈敏性鉆土在 原狀結構時具有一定的強度，當結構擾動或重塑結構擾動或重塑時，強度就降低強度就降低很多，甚至不 能再成型。 Nanjing University of Technology 土的常見結構類型土的常見結構類型 單粒結構：單粒結構：組成砂、礫等粗粒土的基本結構類型，顆粒較粗大，比表面 積小，顆粒之間是點接觸，幾乎沒有連結，粒間相互作用的 影響較之重力作用的影響可忽略不計，是重力場作用下堆積 而成的。 單粒結構土的工程性質，除與密實程度密實程度有關外，還與顆粒大小、級配、土粒的顆粒大小、級配、土粒的 表面形狀及礦物成分表面形狀及礦物成分類型有關。 Nanjing University of Technology 土的