《土的组成土力学》PPT课件.ppt

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1、第一章第一章 土土 的的 组组 成成主要内容第一章第一章 土的组成土的组成土粒粒组的划分、结构、构造粒度成分分析方法三种亲水性的黏土矿物、土中水的类型熟悉土粒矿物成分与粒组的关系、黏土颗粒与水相互的作用、土的微观结构和构造重点掌握内容概述概述岩石岩石岩石破碎岩石破碎 化学成分改变化学成分改变搬运搬运沉积沉积大小、形状和大小、形状和成分都不相同成分都不相同的松散颗粒集的松散颗粒集合体（土）合体（土）土土固相固相液相液相气相气相土中颗粒的大小、成分及三相土中颗粒的大小、成分及三相之间的相互作用和比例关系，之间的相互作用和比例关系，反映出土的不同性质反映出土的不同性质 物理风化物理风化化学风化化学风

2、化生物生物风化风化气相气相固相固相液相液相+构成土骨架，起决定作用构成土骨架，起决定作用重要影响重要影响土体土体次要作用次要作用土的三相组成土的三相组成土的物理状态土的物理状态土的结构土的结构土的形成影响土的形成影响从而决定土的从而决定土的 渗透特性渗透特性 变形特性变形特性 强度特性强度特性1.2 土中固体颗粒土粒的矿物成分土粒的矿物成分 土粒的大小、相关矿物成分以及大小搭土粒的大小、相关矿物成分以及大小搭配情况对土的物理力学性质有明显影响配情况对土的物理力学性质有明显影响 土粒分析土粒分析 无机矿物颗粒无机矿物颗粒是构成土最基本性质是构成土最基本性质 有机质有机质腐殖质含量较多形成腐殖质含

3、量较多形成 淤泥淤泥(质质)土、泥炭土土、泥炭土 原生矿物原生矿物物理风化物理风化粗粒土粗粒土 砂土砂土粉土粉土次生矿物次生矿物化学风化化学风化生物风化生物风化细粒土细粒土长石长石云母云母单粒单粒结构结构三氧化二铝三氧化二铝AlAl2 2O O3 3三氧化二铁三氧化二铁FeFe2 2O O3 3碳酸钙碳酸钙CaCOCaCO3 3硫酸钙硫酸钙CaSOCaSO4 4次生二氧化硅次生二氧化硅氯化钠氯化钠NaCINaCI粘土矿物粘土矿物高岭石高岭石伊利石伊利石蒙脱石蒙脱石亲水性最小亲水性最小亲水性低亲水性低于蒙脱石于蒙脱石亲水性最大亲水性最大胀缩性最强胀缩性最强砾石砾石石英石英土粒粒度成分土粒粒度成分

4、粒组粒组 界于一定粒度范围内的土粒界于一定粒度范围内的土粒粒度粒度 土粒的大小以粒径表示土粒的大小以粒径表示界限粒径界限粒径 划分粒组的分界尺寸划分粒组的分界尺寸粘粒粘粒粉粒粉粒砂粒砂粒 园粒角粒园粒角粒 卵石碎石卵石碎石 漂石块石漂石块石2 26060200200d mmd mm粘粘土和砂土比较土和砂土比较砂土砂土 物理物理 原生原生 粗粗 无无 单粒单粒 大大 小小 大大 小小 液化液化 土颗粒由土颗粒由粘土粘土 化学化学 次生次生 细细 有有 蜂窝蜂窝 小小 大大 小小 大大 不会不会 生物生物 絮壮絮壮土名土名 风化风化 矿物矿物 大小大小 粘性粘性 结构结构 透水透水 压缩压缩 强度

5、强度 冻胀冻胀 地震地震 大大 小小粗粗 细细无粘性无粘性 粘性粘性 土的性质发生质的变化土的性质发生质的变化1 1、颗粒分析试验、颗粒分析试验试验方法试验方法筛分法：筛分法：适用于粗颗粒适用于粗颗粒mmd60mm比重计法比重计法:适用于细颗粒适用于细颗粒 工程上将各种不同的土粒按其粒径范围，划分为若干粒组工程上将各种不同的土粒按其粒径范围，划分为若干粒组土的颗粒级配土的颗粒级配v 土粒的大小及组成情况土粒的大小及组成情况v 土中各个粒组的相对含量（即各粒组占土粒总土中各个粒组的相对含量（即各粒组占土粒总 量的百分数）来表示量的百分数）来表示筛分法筛分法用一套孔径不同的筛子，按用一套孔径不同的

6、筛子，按从上至下筛孔逐渐减小放置。从上至下筛孔逐渐减小放置。将事先称过质量的烘干土样将事先称过质量的烘干土样过筛，称出留在各筛上的土过筛，称出留在各筛上的土质量，然后计算其占总土粒质量，然后计算其占总土粒质量的百分数质量的百分数 比重计法比重计法利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同来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确定小于某粒径的土粒含量2 2、颗粒粒径级配颗粒粒径级配累积累积曲线曲线 纵坐标纵坐标 表示小于某粒径的土粒含量百分比表示小于某粒径的土粒含量百分比横坐标横坐标 表示土粒的粒径表示土粒的粒径(对数坐标）对数坐标）1009080706050403020

7、100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)d60d50d10d30d d（mmmm）A A小于小于某粒某粒径的径的土重土重含量含量%B B C Cd10、d30、d60-小于某粒径的土粒含量为小于某粒径的土粒含量为10%、30%、60%时所对应的粒径时所对应的粒径曲率系数曲率系数不均匀系数不均匀系数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（）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径粒径(mm)d60d50d1

8、0d30Cu描述描述 颗粒级配曲线的坡度颗粒级配曲线的坡度 粒组的分布范围粒组的分布范围颗粒级配不均匀程度颗粒级配不均匀程度 Cu愈大，坡度较缓，曲线连续，粒组分布越广，愈大，坡度较缓，曲线连续，粒组分布越广，表示土粒愈不均匀，土的级配良好表示土粒愈不均匀，土的级配良好不均匀系数不均匀系数Cc描述描述 颗粒级配曲线整体形态颗粒级配曲线整体形态某粒组是否缺失某粒组是否缺失曲率系数曲率系数同时满足为级配良好同时满足为级配良好 Cu5 Cu10在工程中在工程中 Cc=13砾类土或砂类土砾类土或砂类土同时满足为良好级配砂（砾）同时满足为良好级配砂（砾）Cc=13 Cu 105105度吸热变蒸汽度吸热变

9、蒸汽（2）弱）弱结合水结合水弱结合水弱结合水：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所受的电场作用力随着与颗粒距离增大而减弱 不传递静水压力不传递静水压力g/cmg/cm3 3 具有较大粘滞性、弹性、抗剪强度具有较大粘滞性、弹性、抗剪强度特征特征较厚的水膜向较薄的水膜迁移较厚的水膜向较薄的水膜迁移自由水自由水存在于土粒电场影响范围以外，性质和普通水无异存在于土粒电场影响范围以外，性质和普通水无异能传递水压力能传递水压力特征特征冰点为冰点为0有溶解能力有溶解能力 重力作用重力作用重力水重力水毛细水毛细水毛细水上毛细水上升高度升

10、高度饱和饱和带带重力水重力水毛细水毛细水薄膜水薄膜水吸着水吸着水 吸离土粒距离吸离土粒距离电电分分子子引引力力土粒土粒 正电荷正电荷H H+负电荷负电荷OHOH-颗粒表面颗粒表面的负电荷的负电荷 极化水分子极化水分子 结合水结合水 自由水自由水 水化阳离子水化阳离子 （3）毛细水毛细水是存在于地下水位以上的透水层中孔隙的自由水是存在于地下水位以上的透水层中孔隙的自由水毛细水受到毛细水受到水与空气界面的表面张力作用水与空气界面的表面张力作用 重力作用重力作用砂土、粉土、粉质粘土中毛细水含量较大砂土、粉土、粉质粘土中毛细水含量较大 mmmm孔隙中孔隙中土的毛细现象对工程的影响土的毛细现象对工程的影

11、响建筑物地基冻害建筑物地基冻害地基冻结地基冻结地基冻融地基冻融建筑物地下结构侧壁过分潮湿建筑物地下结构侧壁过分潮湿冻胀力冻胀力融陷融陷建筑物地下钢筋混凝土结构侵蚀建筑物地下钢筋混凝土结构侵蚀引起沼泽化引起沼泽化引起盐渍化引起盐渍化耐久性降低耐久性降低（4）重力水重力水是存在于地下水位以下透水层孔隙中自由流动的水是存在于地下水位以下透水层孔隙中自由流动的水能传递水压力能传递水压力对土体产生浮力作用对土体产生浮力作用在压力差作用下产生渗流在压力差作用下产生渗流 流土流土重力水重力水动水压力动水压力渗透破坏渗透破坏溶解土中盐类溶解土中盐类管涌管涌孔隙率增大孔隙率增大压缩性增大压缩性增大抗剪强度降低抗

12、剪强度降低土中气体土中气体存在于土孔隙中未被水占据的部分，存在于土孔隙中未被水占据的部分，分为与大气连通的自由气体、与大气不连通分为与大气连通的自由气体、与大气不连通的封闭气体的封闭气体(1)自由气体自由气体：受外荷作用时被挤出土体外，对受外荷作用时被挤出土体外，对土的性质影响不大土的性质影响不大 (2)封闭气体封闭气体：受外荷作用，不能逸出，被压缩受外荷作用，不能逸出，被压缩或溶解于水中，压力减小时能有所复原，对土的或溶解于水中，压力减小时能有所复原，对土的性质有较大的影响，使土的渗透性减小，弹性增性质有较大的影响，使土的渗透性减小，弹性增大和延长土体受力后变形达到稳定的历时大和延长土体受力

13、后变形达到稳定的历时 强度强度与原子分子间的键力有关与原子分子间的键力有关 受土颗粒间的各种相互作用力所制约受土颗粒间的各种相互作用力所制约与矿物颗粒本身的结晶与矿物颗粒本身的结晶格架特征有关格架特征有关与组成矿物的原子和分子的排列有关与组成矿物的原子和分子的排列有关粘性粘性塑性塑性压缩性压缩性胀缩性胀缩性土的土的1 1、原子间键（第一价键）、原子间键（第一价键）原子间的键原子间的键离子键离子键 共价键共价键 离子键离子键共价键共价键金属键金属键是化学联结由阳离子与阴离子是化学联结由阳离子与阴离子之间的静电引力形成的键力之间的静电引力形成的键力其原子不带电荷是两个原子核其原子不带电荷是两个原子

14、核共有的外层电子构成的联结共有的外层电子构成的联结 金属金属键键 由由金属的自由电子及离子组成金属的自由电子及离子组成的结晶格架之间相互作用构成的结晶格架之间相互作用构成2 2、分子间键（第二价键）、分子间键（第二价键）分子间键也称范德华键分子间键也称范德华键该键力的出现与该键力的出现与诱导作用诱导作用分散作用分散作用定向作用定向作用氢键氢键如如H2O水分子间，氢键是一个重要的键力组成部分水分子间，氢键是一个重要的键力组成部分是是第二价键第二价键特殊的键特殊的键有关有关矿物颗粒矿物颗粒本身本身的强度主要由的强度主要由 土粒与土粒间土粒与土粒间土粒与水分子间土粒与水分子间粒间和土粒与水之间的粒间

15、和土粒与水之间的联结力联结力远比远比土粒土粒本身的强度本身的强度小小第一价键形成第一价键形成 的联结强度主要由的联结强度主要由第二价键形成第二价键形成 土体的强度主要取决于粒间的联结力土体的强度主要取决于粒间的联结力第二价键第二价键3 3、粘土矿物的结晶结构和亲水性、粘土矿物的结晶结构和亲水性粘土颗粒矿物成分主要有粘土颗粒矿物成分主要有粘土颗粒矿物粘土颗粒矿物化学胶结物化学胶结物有机物质有机物质不同矿物成分的土粒与水相互作用的特征不同矿物成分的土粒与水相互作用的特征取决于矿物结晶颗粒内部原子的结构取决于矿物结晶颗粒内部原子的结构 黏土矿物由黏土矿物由两种晶片构成两种晶片构成 硅氧晶片硅氧晶片（

16、硅片硅片)基本单元基本单元si-osi-o四面体四面体由一个居中硅原子和由一个居中硅原子和四个在角的氧原子四个在角的氧原子铝氢氧晶片铝氢氧晶片（铝片）（铝片）基本单元基本单元AI-OHAI-OH八面体八面体由一个居中铝原子和六由一个居中铝原子和六个在角点的氢氧离子个在角点的氢氧离子硅片和铝片构成两种类型晶胞硅片和铝片构成两种类型晶胞两层型晶胞两层型晶胞1 1：1 1黏土矿物颗粒基本有黏土矿物颗粒基本有 三层型晶胞三层型晶胞2 2：1 1一层晶片一层晶片一层铝片一层铝片两层硅片中间夹一层铝片两层硅片中间夹一层铝片两层型晶胞两层型晶胞三层型晶胞三层型晶胞叠结成叠结成 蒙脱石蒙脱石 伊利石伊利石 高

17、龄石高龄石 蒙脱石蒙脱石 晶胞间只有氧原子间的范德华键力联结晶胞间只有氧原子间的范德华键力联结硅片中硅片中AIAI3+3+由低价由低价MgMg2+2+替代替代晶胞间出现多余的负电荷吸引阳离子、水化离子晶胞间出现多余的负电荷吸引阳离子、水化离子伊利石伊利石 火山灰火山灰风化而成风化而成 结构单元结构单元三层型晶胞三层型晶胞没有氢键没有氢键键力很弱键力很弱晶胞活动性大晶胞活动性大水分子进入改变晶胞距离水分子进入改变晶胞距离失水收缩失水收缩分散成单晶胞分散成单晶胞具有极强的具有极强的吸水膨胀吸水膨胀蒙脱石蒙脱石 结构单元结构单元三层型晶胞三层型晶胞伊利石伊利石 三层晶胞三层晶胞晶胞中有氧原子联结的范

18、德华键力晶胞中有氧原子联结的范德华键力硅片中高价硅片中高价Si4+由低价由低价Al3+、Fe3+取代取代晶胞晶胞云母在碱性介质中风化的产物云母在碱性介质中风化的产物四面体表面镶嵌正价阳离子四面体表面镶嵌正价阳离子K+补偿正电荷补偿正电荷伊利石伊利石结晶构造的稳定性结晶构造的稳定性好于蒙脱石好于蒙脱石 伊利石伊利石亲水性、胀缩性亲水性、胀缩性小于蒙脱石小于蒙脱石 结构单元结构单元三层型晶胞三层型晶胞伊利石伊利石 高岭石高岭石 二层晶胞二层晶胞一面露出铝片的氢氧基键力一面露出铝片的氢氧基键力一面露出一面露出硅片氧原子硅片氧原子长石风化的产物长石风化的产物四面体表面镶嵌正价阳离子四面体表面镶嵌正价阳

19、离子K+补偿正电荷补偿正电荷具有较强联结力具有较强联结力 晶胞间的距离不易改变晶胞间的距离不易改变水分子不易进入水分子不易进入 晶胞活动性小晶胞活动性小氢键氢键特征特征亲水亲水性性胀缩胀缩性性又又小于伊利石小于伊利石结构单元结构单元二层型晶胞二层型晶胞高岭石高岭石 黏土矿物是很细小扁平颗粒黏土矿物是很细小扁平颗粒表面具有很强与水相互作用的能力表面具有很强与水相互作用的能力 比表面比表面 单位体积（质量）颗粒的总表面积单位体积（质量）颗粒的总表面积颗粒愈细颗粒愈细 比表面愈大比表面愈大 亲水性愈强亲水性愈强 蒙脱石蒙脱石 800m2/g比表面比表面 单位体积（质量）颗粒的总表面积单位体积（质量）

20、颗粒的总表面积伊利石伊利石 80m2/g比表面积比表面积:高岭石高岭石 15m2/g体积体积1mm3总表面积总表面积6 6mmmm2 2比比表面表面 6 6mmmm2 2/1mm/1mm3 3=6mm=6mm-1-1边长边长1mm的土颗粒立方体的土颗粒立方体比表面比表面6*106*104 4mmmm-1-1（增大了增大了10000倍）倍）mm（缩小缩小10000倍）倍）表面积表面积 6*104mm2土颗粒由大土颗粒由大 小小,比表面增大使土的性质发生突变比表面增大使土的性质发生突变 体积体积1mm31 1、黏土颗粒带电性黏土颗粒带电性黏土颗粒表面带有负电荷黏土颗粒表面带有负电荷电泳电泳电渗电渗

21、在电场作用下带有负电荷在电场作用下带有负电荷的黏土颗粒向阳极移动的黏土颗粒向阳极移动 形成水化离子在电场形成水化离子在电场作用下向负极移动作用下向负极移动电动现象电动现象极性水分子极性水分子阳离子阳离子双电层双电层黏土颗粒表面带有负电荷黏土颗粒表面带有负电荷反离子层反离子层2、双电层的概念、双电层的概念固定层（强结合水）固定层（强结合水）扩散层所含阳离子与土粒表面负电荷电位相反扩散层所含阳离子与土粒表面负电荷电位相反 扩散层（弱结合水）扩散层（弱结合水）扩散层（弱结合水）厚度大扩散层（弱结合水）厚度大土的塑性、胀缩性大土的塑性、胀缩性大 1.5 1.5 土的结构和构造土的结构和构造 土的结构性

22、直接影响土的工程性质的好坏土的结构性直接影响土的工程性质的好坏 土颗粒或粒团的土颗粒或粒团的土颗粒或粒团的土颗粒或粒团的空间排列和相互联结空间排列和相互联结空间排列和相互联结空间排列和相互联结力学特性力学特性土的结构土的结构重塑土的强度重塑土的强度原状土的强度原状土的强度 土的构造土的构造+同一土层中物质成分、同一土层中物质成分、同一土层中物质成分、同一土层中物质成分、颗粒大小相近的各部分颗粒大小相近的各部分颗粒大小相近的各部分颗粒大小相近的各部分之间的相互关系的特征之间的相互关系的特征之间的相互关系的特征之间的相互关系的特征影响影响1925年太沙基出版了土力学一书，年太沙基出版了土力学一书，

23、标志着岩土工程学科的诞生。标志着岩土工程学科的诞生。土的工程性质从本质上看主要受控土的工程性质从本质上看主要受控于土的微观结构于土的微观结构空间排列空间排列矿物成分矿物成分颗粒形状颗粒形状沉积条件沉积条件在成土过程中所形成土粒单元的在成土过程中所形成土粒单元的颗粒大小颗粒大小联结形式联结形式土的微观结构土的微观结构 综合特征综合特征(1)单单粒结构粒结构粗矿物颗粒粗矿物颗粒在水或空气中在自重作用下沉落形成的单粒在水或空气中在自重作用下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，可分为不同，可分为 密实状态密实状态疏松状

24、态疏松状态疏松状态疏松状态 密实状态密实状态 粗粒土的结构粗粒土的结构单粒结构单粒结构重力、毛细力重力、毛细力点与点、点与面点与点、点与面原生矿物原生矿物 排列形式排列形式 矿物成分矿物成分 粒间作用力粒间作用力颗粒间点与点接触，由于彼此之间引力大于重力，颗粒间点与点接触，由于彼此之间引力大于重力，接触后，不再继续下沉，形成链环单位接触后，不再继续下沉，形成链环单位,很多链环联很多链环联结起来，形成孔隙较大的蜂窝状结构结起来，形成孔隙较大的蜂窝状结构 (2)蜂窝结构蜂窝结构蜂窝结构蜂窝结构粉粒为主的结构特征粉粒为主的结构特征mm细砂、粉粒土的结构细砂、粉粒土的结构 粒间作用粒间作用力力 排列形

25、式排列形式 矿物成分矿物成分蜂窝结构蜂窝结构重力，表面力重力，表面力蜂窝状蜂窝状主要是原生矿物主要是原生矿物(3)絮状结构絮状结构：絮状结构絮状结构mm细小粘粒结构特征细小粘粒结构特征细微粘粒大都呈针状或片状，质量极轻，细微粘粒大都呈针状或片状，质量极轻，在水中处于悬浮状态。当悬液介质发生变在水中处于悬浮状态。当悬液介质发生变化时，土粒表面的弱结合水厚度减薄，粘化时，土粒表面的弱结合水厚度减薄，粘粒互相接近，凝聚成絮状物下沉，形成孔粒互相接近，凝聚成絮状物下沉，形成孔隙较大的絮状结构隙较大的絮状结构 细粒土的结构细粒土的结构 粒间作用力粒间作用力 形成环境形成环境 排列形式排列形式 矿物成分矿

26、物成分表面力、胶结力表面力、胶结力（斥力减小引力增加）（斥力减小引力增加）示意图示意图表面力、胶结力表面力、胶结力（粒间斥力占优势）（粒间斥力占优势）淡水中沉积淡水中沉积海水中沉积海水中沉积次生矿物次生矿物次生矿物次生矿物天然条件下，可能是多种组合，或者由一种结构过渡向另天然条件下，可能是多种组合，或者由一种结构过渡向另一种结构。一种结构。面与面面与面边、角与面边、角与面边、角与边边、角与边絮状结构絮状结构土的构造土的构造 是指土体中各结构单元之间的关系是指土体中各结构单元之间的关系 在同一层中物质成分、颗粒大小等在同一层中物质成分、颗粒大小等 相近各部分相互关系的特征相近各部分相互关系的特征

27、层理构造层理构造：土粒在沉积过程中土粒在沉积过程中,由于由于不同阶段不同阶段沉积的沉积的物质成分、颗粒大小或颜色不同物质成分、颗粒大小或颜色不同,而沿而沿竖向竖向呈现出成层呈现出成层特征各部分相互关系的特征特征各部分相互关系的特征裂隙构造裂隙构造：土土体被许多不连续的小裂隙所体被许多不连续的小裂隙所分割分割,在裂在裂隙中常充填有各种盐类的沉淀物隙中常充填有各种盐类的沉淀物 2 2、土的构造、土的构造(宏观结构宏观结构)宏宏观观结结构构 层理构造层理构造 裂隙构造裂隙构造水平层理水平层理交错层理交错层理 夹层夹层 尖灭尖灭 透镜体透镜体 增大透水性增大透水性降低土体的强度及稳定性降低土体的强度及稳定性遇水产生沉陷、增加压缩性遇水产生沉陷、增加压缩性地基在荷载作用下产生不均匀沉降地基在荷载作用下产生不均匀沉降尖灭尖灭 透镜体透镜体 淤泥淤泥 淤泥淤泥