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1、第一章：土的组成1.1 概述 本章的主要内容：土颗粒的组成及化学成分；土中水和气的存在形式及其影响；水土相互作用；土的结构与构造等。1.2 土中固体颗粒土的生成:土是岩石经风化,搬运,沉积等物理化学作用形成的产物,母岩性质、形成过程等因素的不同也决定了生成土的成分和性质的不同。土的三相构成:土颗粒-构成土的骨架,土颗粒间存在空隙。水,空气-充填于土颗粒间的空隙内。反映土固体颗粒基本特征的3个方面:土颗粒的大小；级配；矿物成分。风化：物理物理风风化化机械破坏，无机械破坏，无质变质变（称（称为为原生原生矿矿物）；物）；化学化学风风化化水与大气作用，水与大气作用，产产生次生生次生矿矿物；物；生物生物
2、风风化化动动植物、微生物生植物、微生物生长长使岩石破坏使岩石破坏变变化。化。地质作用：内力地内力地质质作用作用内部内部压压力、温度力、温度变变化引起；化引起；外力地外力地质质作用作用天体天体间间引力、太阳引力、太阳辐辐射等引起。射等引起。基岩基岩残积土残积土残积土残积土坡积土坡积土坡积土坡积土洪积土洪积土洪积土洪积土冲积土冲积土冲积土冲积土风积土（黄土高原风成学说）风积土（黄土高原风成学说）风积土（黄土高原风成学说）风积土（黄土高原风成学说）地质成因与土类雅丹地貌（风蚀作用形成）雅丹地貌（风蚀作用形成）雅丹地貌（风蚀作用形成）雅丹地貌（风蚀作用形成）物理风化 物理风化 风的作用 水的作用 化学
3、风化 化学风化 化学风化 固体矿物颗粒固体矿物颗粒固体矿物颗粒固体矿物颗粒 （固相）（固相）（固相）（固相）土中气体土中气体土中气体土中气体（气相）（气相）（气相）（气相）土中水土中水土中水土中水（液相）（液相）（液相）（液相）土的组成土的固体颗粒是土的三相组成中的主体，是决定土的工程性质的主要成分。土的固体颗粒是土的三相组成中的主体，是决定土的工程性质的主要成分。一土粒的粒度成分粘粒粘粒粉粒粉粒砂粒砂粒圆粒圆粒碎石碎石块石块石0.0050.075260200巨粒巨粒粗粒粗粒细粒细粒粒组的概念：工程上将大小，性质相近的土粒合粒组的概念：工程上将大小，性质相近的土粒合并为一组，称粒组，其分界尺寸
4、称界限粒径。并为一组，称粒组，其分界尺寸称界限粒径。1、土粒粒度与粒组砂粒与粘粒 2粒度成分分析试验颗粒级配-土中所含各个粒组在土中的相对含量，以土粒总重的百分比表示，称为土的颗粒级配。筛分法-适用于粒径0.075mm的颗粒分析沉降法-适应于粒径0.075mmd0.075mm的土）的土）沉降法（沉降法（沉降法（沉降法（d0.075mmd0.075mmd0.075mmd0.075mm的土）的土）的土）的土）比重计法是利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同来确定小于某粒径的土粒含量。将一定质量土浸入水中搅拌成悬液，搅拌停止后，土粒便开始下沉，悬液的浓度随之发生变化。利用特制的密度计，在不同时刻测悬
5、液浓度的变化。即可换算出相应的粒径及小于该粒径的土粒质量，绘出级配曲线。沉降法（沉降法（d0.075mmd0.075mm的土）的土）3粒度成分分布曲线 颗粒级配曲线：c 试验结果绘制在半对数纸上；c 纵坐标：小于（大于）某粒径的土粒含量；c 横坐标：对数尺度表示土的粒径，可把粒径相差上千倍的粗粒都表示出来，尤其能把占总重量少，但对土的性质可能有重要影响的颗粒部分清楚地表达出来。c 粒组的范围和各粒组的含量；c土颗粒的分布情况。颗粒分析试验曲线颗粒级配的评定c 正常级配：土的颗粒大小分布是连续的，曲线坡度是渐变的；c 不连续级配：土中缺乏某些粒径的土粒，曲线出现水平段；c 级配良好：粒径分布曲线
6、形状平缓，土粒大小分布范围广，土粒大小不均匀；c 级配不良：粒径分布曲线形状较陡，土粒大小分布范围窄，土粒均匀。不均匀系数d60限定粒径限定粒径 d10有效粒径有效粒径 d30中值粒径中值粒径曲率系数级配评定颗粒级配评定指标评定指标的利用土的粒径范围窄，分布曲线陡，d10和d60靠近，不均匀系数小，表示土粒分布均匀；土的粒径范围宽，分布曲线缓，d10和d60相距远，不均匀系数大，表示土粒不均匀；Cu大 不均匀 有细粒土填空 压密度大；Cu小 均匀 无细粒土填空 压密度小。Cu5，级配不良；Cu10，级配良好。曲率系数Cc描述颗粒级配曲线整体形态，表明某粒组是否缺失情况，级配的好坏根据土粒的均匀
7、程度和粒径分布曲线的形状去定。砾类土或砂类土，同时满足Cu5和Cc=13时，定名为良好级配砂或良好级配砾 二、土的矿物成分 原生矿物：物理风化后产生的产物，基本保持了原有的矿物成分，构成土中的粗粒成分。例：石英、云母、长石等特征：矿物成分性质稳定，由其组成的土具有无粘性、透水性较大、压缩性较低等特点。次生矿物：经化学风化作用后产生的与原矿物不同的新物质，是构成粘性土的主要成分。例：粘土矿物有高岭石、伊利石、蒙脱石等特征：性质较不稳定，具有较强的亲水性，遇水易膨胀的特点。上列三种粘土矿物中，亲水性和膨胀性依次增强。次生矿物次生矿物 蒙脱石蒙脱石 伊利石伊利石 高岭石高岭石蒙 脱 石液态水结合水自
8、由水强结合水弱结合水不能传递静水压力不能传递静水压力重力水毛细水能传递静水压力1.3 土中水和土中气土中水的存在形态-液态水,故态水,气态水土中液态水的类型结合水：结合水：指由电分子引力吸附于土粒表面成薄膜状指由电分子引力吸附于土粒表面成薄膜状的水。根据受电场作用力的大小及离颗粒表面远近，的水。根据受电场作用力的大小及离颗粒表面远近，又可以分成又可以分成强结合水强结合水和和弱结合水弱结合水两类。两类。强结合水：强结合水：紧靠于颗粒表面、所受电场的作用力很紧靠于颗粒表面、所受电场的作用力很大、几乎完全固定排列、丧失液体的特性而接近于大、几乎完全固定排列、丧失液体的特性而接近于固体，冰点远低于固体
9、，冰点远低于0，密度比自由水的大，在案，密度比自由水的大，在案105以上时才可被蒸发；以上时才可被蒸发；弱结合水：弱结合水：紧靠强结合水的外围形成的结合水膜，紧靠强结合水的外围形成的结合水膜，所受的电场作用力随着与颗粒距离增大而减弱。是所受的电场作用力随着与颗粒距离增大而减弱。是一种粘滞水膜，可因电场引力从一个土粒周围转移一种粘滞水膜，可因电场引力从一个土粒周围转移到另一个土粒周围。即弱结合水膜能发生变形，但到另一个土粒周围。即弱结合水膜能发生变形，但不因重力作用而流动。弱结合水的存在是粘性土在不因重力作用而流动。弱结合水的存在是粘性土在某一含水量范围内表现出可塑性的原因。某一含水量范围内表现
10、出可塑性的原因。结合水示意图土颗粒土颗粒土颗粒土颗粒 自由水自由水自由水自由水弱结合水弱结合水强结合水强结合水 结合水结合水结合水结合水存于孔隙中存于孔隙中自由水：自由水：指土粒表面引力作用范围之外的水，与普指土粒表面引力作用范围之外的水，与普通水一样，受重力支配，能传递静水压力并具有融通水一样，受重力支配，能传递静水压力并具有融解作用。以两种形式存在：解作用。以两种形式存在：毛细水毛细水、重力水重力水。重力水：重力水：是在重力和水位差作用下能在土中流动的是在重力和水位差作用下能在土中流动的自由水，它是土中其它类型水的来源。重力水具有自由水，它是土中其它类型水的来源。重力水具有融解能力，能传递
11、静水和动水压力，并对土粒起浮融解能力，能传递静水和动水压力，并对土粒起浮力作用力作用。毛细水毛细水：土体内部土粒间相互贯通的孔隙，可以看：土体内部土粒间相互贯通的孔隙，可以看成是许多形状不一、直径互异、彼此连通的毛细管。成是许多形状不一、直径互异、彼此连通的毛细管。由于水和空气分界面处弯液面上产生的表面张力作由于水和空气分界面处弯液面上产生的表面张力作用，土中自由水从地下水位通过毛细管逐渐上升，用，土中自由水从地下水位通过毛细管逐渐上升，形成毛细水。形成毛细水。土中毛细水作用土中毛细水作用毛细管水假凝聚力毛细管压力负孔隙水压力可使土粒相互挤紧，可使无粘性土也象有粘聚可使土粒相互挤紧，可使无粘性
12、土也象有粘聚力似的。由毛细管压力所造成无粘性土间的连力似的。由毛细管压力所造成无粘性土间的连接力，称之为假粘聚力接力，称之为假粘聚力 。沙坑倒塌毛细管水上升高度的影响因素孔隙大小和形状粒径尺寸水的表面张力 土中气非封闭气体（与大气相通）非封闭气体（与大气相通）非封闭气体（与大气相通）非封闭气体（与大气相通）无影响，易挤出无影响，易挤出无影响，易挤出无影响，易挤出封闭气体（封闭气体（封闭气体（封闭气体（与大气不相通）与大气不相通）与大气不相通）与大气不相通）压力作用下可压缩或融解 封闭气体对土的性质有较大影响，导致渗透性减封闭气体对土的性质有较大影响，导致渗透性减小，弹性增大，拖延土的压缩和膨胀
13、变形随时间小，弹性增大，拖延土的压缩和膨胀变形随时间的发展过程的发展过程 。1.4 粘土颗粒与水的相互作用 土中的的固体颗粒与周围介质（主要是水）的相互作用并对土的工程性质产生的影响。土粒的表面积与比表面积比表面积-单位体积(或单位质量)的土颗粒所具有的表面面积(m2/cm3或m2/g)土的比表面积大表面能量大与周围介质(液体,气体)的作用也增强 粘粒表面的扩散双电层负电荷负电荷颗粒表面颗粒表面扩散层扩散层固定层固定层1.5 土的结构与构造土的结构-在成土过程中所形成的土粒的空间排列及其联结形式，与组成土的颗粒大小、颗粒形状、矿物成分和沉积条件有关。单粒结构：粗矿物颗粒在水或空气中在自重作用下
14、沉落形成的单粒结构，其特点是土粒间存在点与点的接触。根据形成条件不同，可分为疏松状态和密实状态 蜂窝结构蜂窝结构：颗粒间点与点：颗粒间点与点接触，由于彼此之间引接触，由于彼此之间引力大于重力，接触后，力大于重力，接触后，不再继续下沉，形成链不再继续下沉，形成链环单位环单位,很多链环联结很多链环联结起来，形成孔隙较大的起来，形成孔隙较大的蜂窝状结构蜂窝状结构絮状结构絮状结构：细微粘粒大都呈细微粘粒大都呈针状或片状，质量极轻，针状或片状，质量极轻，在水中处于悬浮状态。当在水中处于悬浮状态。当悬液介质发生变化时，土悬液介质发生变化时，土粒表面的弱结合水厚度减粒表面的弱结合水厚度减薄，粘粒互相接近，凝
15、聚薄，粘粒互相接近，凝聚成絮状物下沉，形成孔隙成絮状物下沉，形成孔隙较大的絮状结构较大的絮状结构土的构造-指土体中各结构单元之间的关指土体中各结构单元之间的关系。主要特征是土的成层性和裂隙性系。主要特征是土的成层性和裂隙性,即层即层理构造和裂隙构造，二者都造成了土的不均理构造和裂隙构造，二者都造成了土的不均匀性。匀性。层状构造-土粒在沉积过程中,由于不同阶段沉积的物质成分、颗粒大小或颜色不同,而沿竖向呈现出成层特征；裂隙构造-土体被许多不连续的小裂隙所分割,在裂隙中常充填有各种盐类的沉淀物；分散构造-碎石土中常见块状与斑状构造，粗粒间由细小粒土填充，甚至有大块的孤石存在。土层分布示意 本章重点内容 土的三相组成及其特征土的固体颗粒级配分析方法及应用土中水的形态及特征