《土的三相組成》課件

1、1第二章 土的三相組成2.1 土的形成與顆粒特征一、土的形成形成過(guò)程形成條件物理力學(xué)性質(zhì)影響土是巖石經(jīng)過(guò)風(fēng)化后,在不同條件下形成的自然歷史的產(chǎn)物搬運(yùn)、沉積 風(fēng)化巖石地球土地球生物風(fēng)化物理風(fēng)化化學(xué)風(fēng)化礦物成分未變無(wú)粘性土原生礦物礦物成分改變粘性土次生礦物 風(fēng)化作用分類有 機(jī) 質(zhì)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(yùn)動(dòng)過(guò)程中因碰撞和摩擦而破碎。特點(diǎn)：只改變顆粒的大小和形狀，不改變礦物顆粒的成分。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(xué)成分，形成新的礦物。經(jīng)化學(xué)風(fēng)化生成的土為細(xì)粒土，具有粘結(jié)力。動(dòng)植物活動(dòng)引起的巖石和土體粗顆粒的粒度或成分的變化4土的形成與風(fēng)化作

2、用1.1土的形成物理風(fēng)化巖石和土的粗顆粒受各種氣候等物理因素的影響產(chǎn)生脹縮而發(fā)生裂縫,或在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中因碰撞和摩擦而破碎是顆粒大小發(fā)生量的變化礦物成分與母巖相同，稱原生礦物產(chǎn)生無(wú)粘性土5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(xué)成分，形成新的礦物顆粒成分發(fā)生質(zhì)的變化礦物成分與母巖不同，稱次生礦物形成十分細(xì)微的土顆粒，最主要為粘性顆粒及可溶鹽類土的形成與風(fēng)化作用1.1土的形成化學(xué)風(fēng)化6土的形成與風(fēng)化作用1.1土的形成生物活動(dòng)包括植物、動(dòng)物和土壤微生物的作用可加劇物理和化學(xué)風(fēng)化構(gòu)成土中有機(jī)質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的生物循環(huán)導(dǎo)致腐殖質(zhì)的形成，改變土壤的結(jié)構(gòu)殘積土無(wú)搬運(yùn)運(yùn)積土有搬運(yùn)土質(zhì)較好殘積土強(qiáng)風(fēng)化弱

3、風(fēng)化微風(fēng)化母巖體顆粒表面粗糙多棱角粗細(xì)不均無(wú)層理母巖表層經(jīng)風(fēng)化作用破碎成巖屑或細(xì)小顆粒后，未經(jīng)搬運(yùn)殘留在原地的堆積物風(fēng)化所形成的土顆粒，受自然力的作用搬運(yùn)到遠(yuǎn)近不同的地點(diǎn)所沉積的堆積物二. 搬運(yùn)與沉積坡積土洪積土 沖積土 湖泊沼澤沉積土海相沉積物 冰積土 風(fēng)積土二、土的三相組成氣相固相液相+構(gòu)成土骨架，起決定作用重要影響土體次要作用土體三相組成示意圖濕土。是一種非飽和土。若為粘土多為可塑性土。液相為零，為干土。此時(shí)粘土呈堅(jiān)硬狀態(tài)，砂土呈松散狀態(tài)。氣體為零，為飽和狀態(tài)。此時(shí)粉細(xì)砂或粉土在震動(dòng)下容易產(chǎn)生液化。土的三相比例不同，其性質(zhì)不同1、固體礦物顆粒(固相)物理狀態(tài)力學(xué)特性粒徑級(jí)配礦物成分顆粒形

4、狀 10固體顆粒 - 礦物成分1.2 土的三相組成 固體顆粒固體成分原生礦物 - 石英、長(zhǎng)石、云母等次生礦物礦物質(zhì)有機(jī)質(zhì)無(wú)定形氧化物膠體可溶鹽粘土礦物具有和原生礦物很不相同的特性對(duì)粘土性質(zhì)的影響很大11粘 土 礦 物1.2 土的三相組成 固體顆粒粘土礦物是一種復(fù)合的鋁-硅鹽晶體，顆粒呈片狀，是由硅片和鋁片構(gòu)成的晶包所組疊而成，可分成高嶺石、伊利石和蒙脫石三種類型。 硅片 鋁片SiSi氧離子O2-硅離子Si4+硅-氧四面體 硅片的結(jié)構(gòu) 硅片簡(jiǎn)圖OH1-鋁離子Al3+鋁-氫氧八面體 鋁片的結(jié)構(gòu) 鋁片簡(jiǎn)圖Al Al12粘 土 礦 物1.2 土的三相組成 固體顆粒依硅片和鋁片組疊形式的不同，可分成如下

5、三種類型： 高嶺石 蒙特石 伊利石是云母在堿性介質(zhì)中風(fēng)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(jié)構(gòu)，但晶層之間有鉀離子連結(jié)。主要特征：連結(jié)強(qiáng)度弱于高嶺石而高于蒙特石，其特征也介于兩者之間。2:1的三層結(jié)構(gòu)Si SiAl AlSi SiSi SiAl AlSi Si鉀離子晶層間是O2-對(duì)O2-的連結(jié)，聯(lián)結(jié)力很弱，水很容易進(jìn)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(xì)微，具有顯著的吸水膨脹、失水收縮的特性，或者說(shuō)親水能力強(qiáng)。2:1的三層結(jié)構(gòu)Si SiAl AlSi SiSi SiAl AlSi Si數(shù)層水分子晶層間通過(guò)

6、氫鍵聯(lián)結(jié)，聯(lián)結(jié)力強(qiáng)，晶格不能自由活動(dòng)，水難以進(jìn)入晶格間能組疊很多晶層，多達(dá)百個(gè)以上，成為一個(gè)顆粒。顆粒長(zhǎng)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(shuō)親水能力差。Si SiAl AlSi SiAl AlSi SiAl Al高嶺石微粒1:1的兩層結(jié)構(gòu)粘土礦物的晶格構(gòu)造高嶺石蒙脫石伊利石粒徑比表面積脹 縮 性滲 透 性強(qiáng)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9克蒙脫土的總表面積大約與一個(gè)足球場(chǎng)一樣大蒙脫石三種粘性土礦物的形狀特性 顆粒級(jí)配a.顆粒大小b.各粒徑成分在土中占的比例常用表格法或累計(jì)曲線法表示

7、影響土性質(zhì)的主因1、固體礦物顆粒(固相)16固體顆粒 - 顆粒大小1.2 土的三相組成 固體顆粒 粒組 按粗細(xì)進(jìn)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6020.0750.0050.0020.250.5520粗 中 細(xì)粗 中 細(xì)0.075粗粒細(xì)粒粗粒土：以礫石和砂礫為主要組成的土，也稱無(wú)粘性土。細(xì)粒土：以粉粒、粘粒和膠粒為主要組成的土，也稱粘性土。巨粒60171.表格法表示的粒組劃分粒組統(tǒng)稱粒組名稱粒徑d范圍（mm） 分析方法 主 要 特 征巨 粒漂石（塊石）粒 d200 直接測(cè)定 透水性很大，壓縮性極小，顆粒間無(wú)粘結(jié)，無(wú)毛細(xì)性。卵石（碎石）粒 60d200 粗粒礫

8、粒 粗礫 20d60 篩分法 透水性大，壓縮性小，無(wú)粘性，有一定毛細(xì)性。細(xì)礫2d20砂粒 粗砂0.5d2 中砂 0.25d0.5 細(xì)砂0.075d0.25 細(xì)粒粉粒 0.0050.1 mm) 沉降分析法：適用于細(xì)粒土 (0.1mm)， 常采用比重計(jì)法各粒組的相對(duì)含量，用質(zhì)量百分?jǐn)?shù)來(lái)表示表述方法 粒徑級(jí)配累積曲線篩分法就是用一套標(biāo)準(zhǔn)篩子如孔直徑(mm)：20、10、5.0、2.0、l.0、0.5、0.25、0.1、0.075，將烘干且分散了的200g有代表性的試樣倒入標(biāo)準(zhǔn)篩內(nèi)搖振，然后分別稱出留在各篩子上的土重，并計(jì)算出各粒組的相對(duì)含量，即得土的顆粒級(jí)配。 沉降分析法：具體有密度計(jì)法(也稱比重計(jì)

9、法)或移液管法(也稱吸管法)。該兩法的理論基礎(chǔ)都是依據(jù)Stokes(司篤克斯)定律，即球狀的細(xì)顆粒在水中的下沉速度與顆粒直徑的平方成正比。105.02.01.00.50.250.1200g10161824223872P%958778665536篩分法原理圖篩分法粒徑(mm)0.050.010.005百分?jǐn)?shù)P(%)2613.510典型顆分級(jí)配曲線沉降分析結(jié)果1009080706050403020100小于某粒徑之土質(zhì)量百分?jǐn)?shù)P（）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒徑(mm)2.累計(jì)曲線表示法d101009080706050403020100小于某粒徑之土質(zhì)量百分

10、數(shù)（）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒徑(mm)土的粒徑級(jí)配累積曲線d60d50d30d60d10d30CuCc0.330.0050.063662.41特征粒徑: d50 : 平均粒徑d60 : 限制粒徑d10 : 有效粒徑d30 :特征粒徑不均勻程度：Cu = d60 / d10 連續(xù)程度: Cc = d302 / (d60 d10 ) 曲率系數(shù) 不均勻系數(shù)Cu 5,級(jí)配不均勻粗細(xì)程度： 用d50 表示 有效粒徑d10 是在土顆粒分析累計(jì)曲線上累計(jì)百分率為10的粒徑。1009080706050403020100小于某粒徑之土質(zhì)量百分?jǐn)?shù)（）105.01.00

11、.50.100.050.010.0050.001粒徑(mm)土的粒徑級(jí)配累積曲線d60d10d30斜率: 某粒徑范圍內(nèi)顆粒的含量 陡相應(yīng)粒組質(zhì)量集中 緩-相應(yīng)粒組含量少平臺(tái)-相應(yīng)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C c = 1 3, 級(jí)配連續(xù)性好曲線d60d10d30CuCcL0.330.0050.081663.98M0.0632.41R0.0300.545粒徑級(jí)配累積曲線及指標(biāo)的用途：粒組含量用于土的分類定名；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 3 或 Cc 1,級(jí)配不連續(xù)土

12、不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc用于判定土的級(jí)配優(yōu)劣： 如果 Cu 5且 C c = 1 3 ， 級(jí)配 良好的土； 如果 Cu 3 或 Cc 1, 級(jí)配 不良的土24示例： 從某土樣篩分后作粒度分析匯編成“累積曲線”中得知：有效粒徑d600.55mm， d100.2mm， d300.3mm，試求該土的不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc,并分析該土屬于何種級(jí)配。25解： Cu=d60/d102.75工程規(guī)定：Cu5的土視為非均粒土； Cc=13時(shí)，為級(jí)配連續(xù)； Cc 3時(shí)，級(jí)配不連續(xù)。 2.755； 0.81.22.4g/cm3冰點(diǎn)-76具有極大的粘滯性和固體的特性溫度高于100C時(shí)可蒸發(fā)強(qiáng)結(jié)合水位于強(qiáng)結(jié)

13、合水之外，電場(chǎng)引力作用范圍之內(nèi)密度1.01.7g/cm3冰點(diǎn)-2030外力作用下可以移動(dòng)不因重力而移動(dòng)，有粘滯性弱結(jié)合水圖1.6 礦物顆粒對(duì)水分子的靜電引力作用 受顆粒表面電場(chǎng)作用力吸引而包圍在顆粒四周，不傳遞靜水壓力，不能任意流動(dòng)的水。29毛細(xì)水：由于土體孔隙的毛細(xì)作用升至自由水面以上的水。毛細(xì)水承受表面張力和重力的作用。重力水：自由水面以下的孔隙自由水，在重力作用下可在土中自由流動(dòng)。1.2 土的三相組成 土中水土中水 自由水自由水：不受顆粒電場(chǎng)引力作用的孔隙水hc毛細(xì)水重力水自由水土中毛細(xì)現(xiàn)象毛細(xì)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(xì)管 上升高度:毛細(xì)

14、升高與孔徑成反比粘土粉土砂土礫石分析對(duì)象: 水柱T為表面張力3、土體中氣體(氣相) 土體中的氣體是指存于土體空隙中未被水占據(jù)的部分,存在形式有兩種:自由氣體:與大氣相通,對(duì)土的性質(zhì)影響不大封閉氣體:被土顆粒和水封閉的氣體，其體積與壓力有關(guān)。會(huì)增加土的彈性和壓縮性；阻塞滲流通道，降低滲透性。土體中氣體321.2 土的三相組成 土中氣氣相 - 土中氣自由氣體：與大氣連通的氣體對(duì)土的性質(zhì)影響不大封閉氣體：被土顆粒和水封閉的氣體其體積與壓力有關(guān)。會(huì)增加土的彈性；阻塞滲流通道，降低滲透性溶解在水中的氣體吸附于土顆粒表面的氣體 土有三個(gè)組成部分：固相、液相和氣相 小結(jié)1. 固體顆粒2. 土中水3. 土中氣體 粒徑級(jí)配 礦物成分 顆粒形狀 結(jié)合水 (強(qiáng)結(jié)合水、弱結(jié)合水) 自由水 (重力水、毛細(xì)水) 自由氣體封閉氣體2.2 土的結(jié)構(gòu)及工程性質(zhì)定義：土體的結(jié)構(gòu)是指土顆粒之間的相互排列和連接方式。力學(xué)特性影響土的結(jié)構(gòu)反映土的成分形成條件分類單粒結(jié)構(gòu)蜂窩結(jié)構(gòu)絮狀結(jié)構(gòu) 粒間作用力 排列形式 礦物成分單粒結(jié)構(gòu) 示意圖重力、毛細(xì)力點(diǎn)與點(diǎn)、點(diǎn)與面原生礦物 指粗顆粒在重力作用下獨(dú)立下沉并與其它穩(wěn)定顆粒相接觸所形成的一種結(jié)構(gòu)形式粗粒土的結(jié)構(gòu) 粒間作用力 形成環(huán)境 排列形式 礦物成分表