土的物質(zhì)組成和結構課件

土的物質(zhì)組成和結構第一節(jié)土的形成

一、土和土體的概念1．土(soil)

地球表面30－80km厚的范圍是地殼。地殼中原來整體堅硬的巖石，經(jīng)風化、剝蝕搬運、沉積，形成固體礦物、水和氣體的集合體稱為土。

土是由固體相、液相、氣體三相物質(zhì)組成；或土是由固體相、液體相、氣體相和有機質(zhì)（腐殖質(zhì)）相四相物質(zhì)組成。不同的風化作用，形成不同性質(zhì)的土。風化作用有下列三種：物理風化、化學風化、生物風化。二、土和土體的形成和演變

地殼表面廣泛分布著的土體是完整堅硬的巖石經(jīng)過風化、剝蝕等外力作用而瓦解的碎塊或礦物顆粒，再經(jīng)水流、風力或重力作用、冰川作用搬運在適當?shù)臈l件下沉積成各種類型的土體。搬運過程中，由于形成土的母巖成分的差異、顆粒大小、形態(tài)，礦物成分又進一步發(fā)生變化，并在搬運及沉積過程中由于分選作用形成在成分、結構、構造和性質(zhì)上有規(guī)律的變化。三、土的基本特征及主要成因類型（一）土的基本特征1．土是自然歷史的產(chǎn)物2．土是相系組合體3．土是分散體系4．土是多礦物組合體1．土是自然歷史的產(chǎn)物土是由許多礦物自然結合而成的。它在一定的地質(zhì)歷史時期內(nèi)，經(jīng)過各種復雜的自然因素作用后形成各類土的形成時間、地點、環(huán)境以及方式不同，各種礦物在質(zhì)量、數(shù)量和空間排列上都有一定的差異，其工程地質(zhì)性質(zhì)也就有所不同。2．土是相系組合體土是由三相（固、液、氣）或四相（固、液、氣、有機質(zhì)）所組成的體系。相系組成之間的變化,將導致土的性質(zhì)的改變。土的相系之間的質(zhì)和量的變化是鑒別其工程地質(zhì)性質(zhì)的一個重要依據(jù)。它們存在著復雜的物理～化學作用。3．土是分散體系由二相或更多的相所構成的體系，其一相或一些相分散在另一相中，謂之分散體系。根據(jù)固相土粒的大小程度(分散程度)，土可分為①粗分散體系（大于2μ），②細分散體系，（2～0.1μ），③膠體體系（0.1～0.01μ），④分子體系（小于0.01μ）。分散體系的性質(zhì)隨著分散程度的變化而改變。4．土是多礦物組合體在一般情況下，土將含有5～10種或更多的礦物，其中除原生礦物外，次生粘土礦物是主要成分。粘土礦物的粒徑很?。ㄐ∮?.002mm），遇水呈現(xiàn)出膠體化學特性。（二）土體的主要成因類型1．殘積土體的特征2．坡積土體的特征3．洪積土體的特征4．湖積土體的特征5．沖積土體的特征1．殘積土體的工程地質(zhì)特征

殘積土體是由基巖風化而成，未經(jīng)搬運留于原地的土體。它處于巖石風化殼的上部，是風化殼中劇風化帶。影響殘積土工程地質(zhì)特征因素主要是氣候條件和母巖的巖性1）氣候因素①干旱地區(qū)：以物理風化為主，只能使巖石破碎成粗碎屑物和砂礫，缺乏粘土礦物，具有礫石類土和工程地質(zhì)特征。②半干旱地區(qū)：在物理風化的基礎上發(fā)生化學變化，使原生的硅酸鹽礦物變成粘土礦物；但由于雨量稀少，蒸汽量大，故土中常含有較多的可溶鹽類；如碳酸鈣、硫酸鈣等。③潮濕地區(qū)：a、在潮濕而溫暖，排水條件良好的地區(qū)，由于有機質(zhì)迅速腐爛，分解出CO2，有利于高嶺石的形成。b、在潮濕溫暖而排水條件差的地區(qū)，則往往形成蒙脫石。2）.母巖因素

母巖的巖性影響著殘積土的粒度成分和礦物成分；酸性火成巖含較多的粘土礦物，其巖性為粉質(zhì)粘土或粘土；中性或基性火成巖易風化成粉質(zhì)粘土；沉積巖大多是松軟土經(jīng)成巖作用后形成的，風化后往往恢復原有松軟土的特點，如：粘土巖粘土；細砂巖細砂土等。

殘積物的厚度在垂直方向和水平方向變化較大；這主要與沉積環(huán)境、殘積條件有關（山丘頂部因侵蝕而厚度較小；山谷低洼處則厚度較大。）2．坡積土體的工程地質(zhì)特征①巖性成分多種多樣；②一般見不到層理；③地下水一般屬于潛水，有時形成上層滯水④坡積土體的厚度變化大，由幾厘米至一二十米，在斜坡較陡處薄，在坡腳地段厚。一般當斜坡的坡角越陡時，坡腳坡積物的范圍越大。3．洪積土體的工程地質(zhì)特征

洪積土體是暫時性、周期性地面水流——山洪帶來的碎屑物質(zhì)，在山溝的出口地方堆積而成。洪積土體多發(fā)育在干旱半干旱地區(qū)，如我國的華北、西北地區(qū)。其特征為：距山口越近顆粒越粗，多為塊石、碎石、礫石和粗砂，分選差，磨圓度低、強度高，壓縮性小；（但孔隙大，透水性強）距山口越遠顆粒越細，分選好，磨圓度高，強度低，壓縮性高。4．湖積土體的工程地質(zhì)特征湖積土體在內(nèi)陸分布廣泛，一般分為淡水湖積土和咸水湖積土。淡水湖積土：分為湖岸土和湖心土兩種。湖岸多為礫石土、砂土或粉質(zhì)砂土；湖心土主要為靜水沉積物，成分復雜，以淤泥、粘性土為主，可見水平層理。咸水湖積物以石膏、巖鹽、芒硝及碳酸巖類為主，有時以淤泥為主。

總之，湖積土體具有以下工程地質(zhì)特征①分布面積有限，且厚度不大②具獨特的產(chǎn)狀條件③粘土類湖積物常含有機質(zhì)、各種鹽類及其它混合物④具層理性，具各向異性5．沖積土體的工程地質(zhì)特征1）河床相：主要分布在河床地帶，沖積土一般為砂土及礫石類土，有時也夾有粘土透鏡體，在垂直剖面上土粒由下到上，由粗到細，成分較復雜，但磨圓度較好。山區(qū)河床沖積土厚度不大，一般為10米左右；而平原地區(qū)河床沖積土則厚度很大，一般超過幾十米，其沉積物也較細。河床相物質(zhì)是良好的天然地基。2）河漫灘相沖積土是由洪水期河水將細粒懸浮物質(zhì)帶到河漫灘上沉積而成的。一般為細砂土或粘土，覆蓋于河床相沖積土之上。常為上下兩層結構，下層為粗顆粒土，上層為泛濫的細顆粒土。3）牛軛湖相沖積土是在廢河道形成的牛軛湖中沉積下來的松軟土。由含有大量有機質(zhì)的粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)砂土、細砂土組成，沒有層理。第二節(jié)土的三相組成

土是由固體顆粒，液體水和氣體三部分組成，稱為土的三相組成。固體+氣體（液體=0）為干土，干粘土較硬，干砂松散；固體＋液體＋氣體為濕土，濕的粘土多為可塑狀態(tài)；固體＋液體（氣體=0）為飽和土，飽和粉細砂受震動可能產(chǎn)生液化；飽和粘土地基沉降需很長時間才能穩(wěn)定。一、土的固體顆粒（一）粒徑級配（粒度成分）（二）土粒成分（一）粒徑級配（粒度成分）

隨著顆粒大小不同，土可以具有很不相同的性質(zhì)。顆粒的大小通常以粒徑表示。工程上按粒徑大小分組，稱為粒組，即某一級粒徑的變化范圍。劃分粒組的兩個原則：（1）首先考慮到在一定的粒徑變化范圍內(nèi)，其工程地質(zhì)性質(zhì)是相似的，若超越了這個變化幅度就要引起質(zhì)的變化。（2）要考慮與目前粒度成分的測定技術相適應。

目前，我國廣泛應用的粒組劃分方案見教材P11表2-1所示。將粒徑由大至小劃分為六個粒組（1）漂石或塊石組；（2）卵石（碎石）組；（3）礫石；（4）砂粒組；（5）粉粒組；（6）粘粒組1、粒徑級配分析方法

工程上，使用的粒徑級配的分析方法有篩分法和水分法兩種。篩分法適用于顆粒大于0.1mm（或0.074mm，按篩的規(guī)格而言）的土。它是利用一套孔徑大小不同的篩子，將事先稱過重量的烘干土樣過篩，稱留在各篩上的重量，然后計算相應的百分數(shù)。

水分法（靜水沉降法）：用于分析粒級小于0.1mm的土，根據(jù)斯托克斯（stokes）定理，球狀的細顆粒在水中的下沉速度與顆粒直徑的平方成正比。V＝Kd2。因此可以利用粗顆粒下沉速度快，細顆粒下沉速度慢的原理，把顆粒按下沉速度進行進行粗細分組。實驗室常用比重計進行顆粒分析，稱為比重計法。例1．從干砂樣中取質(zhì)量1000g的試樣，放入0.1～0.2mm的標準篩中，經(jīng)充分振蕩，稱各級篩上留下來的土粒質(zhì)量見表第二行，試求土粒中各粒組的土粒含量。篩分析試驗結果篩孔徑（mm）2.01.00.500.250.150.1底盤各級篩上的土粒質(zhì)量（g）10010025030010050100小于各級篩孔徑的土粒含量（％）908055251510

各粒組的土粒含量（％）102510105

解：（1）留在孔徑2.0mm篩上的土粒質(zhì)量為100g，則小于2.0mm的土粒質(zhì)量為1000－100＝900g，于是小于該孔（2.0.mm）的土粒含量為900/1000＝90％同理可稱得小于其它孔徑的土粒含量，見第三行。（2）因小于2.0mm和小于1.0mm孔徑的土粒含量90％和80％，可得2.0mm到1.0mm粒組的土粒含量0.90－0.80＝10％。同理可算得其它粒組的土粒含量見第四行。2、粒徑級配曲線

將篩分析和比重計試驗的結果繪制在以土的粒徑為橫坐標，小于某粒徑之土質(zhì)量百分數(shù)p(％)為縱坐標，得到的曲線稱土的粒徑級配累積曲線此外，粒徑的級配的表示方法還有列表法，三角圖法等。3、粒徑級配累積曲線的應用土的粒徑級配累積曲線是土工上最常用的曲線，從這曲線上可以直接了解土的粗細、粒徑分布的均勻程度和級配的優(yōu)劣。土的有效粒徑（d10）：小于某粒徑的土粒質(zhì)量累計百分數(shù)為10％時，相應的粒徑稱為有效粒徑（d10）。土的平均粒徑（d50）：系指土中大于此粒徑和小于此粒徑的土的含量均占50％d30：小于某粒徑的土粒質(zhì)量累計百分數(shù)為30％時的粒徑用d30表示。3、粒徑級配累積曲線的應用土的控制粒徑（d60）或稱限定粒徑（d60）：當小于某粒徑的土粒質(zhì)量累計百分數(shù)為60％時，該粒徑稱為控制粒徑。定義土的不均勻系數(shù)為：定義土的粒徑級配累積曲線的曲率系數(shù)為：不均勻系數(shù)反映大小不同粒組的分布情況。越大表示土粒大小的分布范圍越大，顆粒大小越不均勻，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。

在一般情況下：1).工程上把Cu≤5的土看作是均粒土，屬級配不良；Cu>5時，稱為不均粒土；Cu>10的土屬級配良好。2).經(jīng)驗證明，當級配連續(xù)時，Cu的范圍約為1～3；因此當Cu<1或Cu>3時，均表示級配線不連續(xù)。從累積曲線圖(4—1)可以求得和判斷下列問題：l、可求得任一粒徑區(qū)間的質(zhì)量百分含量：自橫坐標上某粒徑區(qū)間的兩端點作垂線與曲線相交，此二交點之縱坐標差即為該粒徑區(qū)間的質(zhì)量百分含量；2、可求得相當于任一百分含量的最大粒徑：自縱坐標上某百分含量處引橫坐標的平行線與曲線相交，該點之橫坐標即為某最大粒徑；從累積曲線