《《土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)》第2章土的物質(zhì)組成及土水相互作用.ppt》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《《土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)》第2章土的物質(zhì)組成及土水相互作用.ppt（35頁珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

“土”是自然界中性質(zhì)最為復(fù)雜多變的物質(zhì)。土的物質(zhì)成分起源于巖石的風(fēng)化（物理風(fēng)化和化學(xué)風(fēng)化）。地殼表層的堅(jiān)硬巖石，在長期的風(fēng)化、剝蝕等外力作用下，破碎成大小不等的礦物顆粒，這些顆粒在各種形式的外力作用下，被搬運(yùn)到適當(dāng)環(huán)境里沉積下來，就形成了土?！巴痢币辉~在不同的學(xué)科領(lǐng)域有其不同的涵義。就土木工程領(lǐng)域而言，土是指覆蓋在地表的沒有膠結(jié)和弱膠結(jié)的顆粒堆積物。土與巖石的區(qū)分僅在于顆粒間膠結(jié)的強(qiáng)弱。,物理風(fēng)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(fēng)化僅使巖石產(chǎn)生量的變化?；瘜W(xué)風(fēng)化:指巖體(或巖塊、巖屑)與空氣、水和各種水溶液相接觸，經(jīng)氧化、碳化和水化作用分解為極細(xì)顆粒的過程，生物的活動(dòng)也可助長風(fēng)化的進(jìn)程。而化學(xué)風(fēng)化卻使巖石產(chǎn)生質(zhì)的變化。,土是由固相、液相、氣相組成的三相分散系。,固相:包括多種礦物成分組成土的骨架，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(zhì)。液相:主要是水(溶解有少量的可溶鹽類)。氣相:主要是空氣、水蒸氣，有時(shí)還有沼氣等,原生礦物由巖石經(jīng)物理風(fēng)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(zhì)比較穩(wěn)，無塑性。,一、土的固相土是巖石風(fēng)化的產(chǎn)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(fēng)化作用。成土礦物主要可分為兩大類。,次生礦物由原生礦物經(jīng)化學(xué)風(fēng)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(xì)，且多呈片狀。性質(zhì)活潑，有較強(qiáng)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(duì)金屬和混凝土有一定的腐蝕作用,有機(jī)質(zhì):動(dòng)植物分解后的殘骸，分解徹底的稱為腐殖質(zhì)。腐殖質(zhì)的顆粒極細(xì)，粒徑小于0.1?m，呈凝膠狀，帶有電荷，具有極強(qiáng)的吸附性。,,黏土礦物,黏土礦物：原生礦物長石、云母等硅酸鹽礦物經(jīng)化學(xué)風(fēng)化形成。硅酸鹽礦物：硅氧四面體和鋁氫氧八面體兩部分構(gòu)成。,硅氧四面體：一個(gè)硅原子和四個(gè)氧原子以相等距離堆成四面體形狀，硅居其中央，氧占據(jù)四個(gè)頂點(diǎn)，四面體中的三個(gè)氧被共用，橫向聯(lián)結(jié)成六角形的網(wǎng)格。每個(gè)硅原子有四個(gè)正電荷，每個(gè)氧原子有兩個(gè)負(fù)電荷，四面體排列成的六角網(wǎng)格片狀結(jié)構(gòu)中，每個(gè)硅氧四面體都具有一個(gè)負(fù)電荷。,鋁氫氧八面體：六個(gè)氫氧離子圍繞一個(gè)鋁離子構(gòu)成的八面體晶片。八面體中每個(gè)氫氧離子均為三個(gè)八面體共有，形成八面體單位的片狀結(jié)構(gòu)仁。鋁為正三價(jià)，氫氧為負(fù)一價(jià)，每個(gè)八面體只能以兩個(gè)負(fù)電荷抵消鋁離子的一個(gè)正電荷，故每個(gè)八面體都是正一價(jià)。,硅氧四面體和鋁氫氧八面體這兩種基本單元以不同的比例組合，形成不同類型的黏土礦物。土中常見的黏土礦物有高嶺石、伊利石和蒙脫石三大類。,高嶺石：一層硅氧四面體晶片和一層鋁氧八面體晶片結(jié)合，形成一個(gè)單位晶胞。高嶺石晶胞間具有較強(qiáng)的氫鍵聯(lián)結(jié)，水較難滲入其間，其顆粒一般較粗，親水性弱。因而主要由這類礦物組成的土，膨脹性和壓縮性都較低。,蒙脫石：蒙脫石單位晶胞的上下面均為硅氧四面體晶片，中間夾一個(gè)鋁氧八面體晶片。相鄰晶胞間由相同的氧原子相接，這種聯(lián)結(jié)既弱也不穩(wěn)固，水分子很容易楔入其間，以致將其分散為極細(xì)小的鱗片狀顆粒，并使晶格沿垂直方向膨脹。,含蒙脫石礦物較多的土對(duì)環(huán)境的干濕變化較敏感；土體濕度增高，體積膨脹并形成膨脹壓力；土體失水，體積收縮并產(chǎn)生收縮裂隙，而且這種脹縮變形可隨環(huán)境變化往復(fù)發(fā)生，導(dǎo)致土的強(qiáng)度衰減。,伊利石：含鉀量高的原生礦物經(jīng)化學(xué)風(fēng)化的初期產(chǎn)物，其晶格構(gòu)造與蒙脫石相似，也是由兩片硅氧四面體夾鋁氧八面體構(gòu)成，不同的是四面體中Si4+被Al3+所替代，由K＋離子補(bǔ)償晶層正電荷的不足。,伊利石相鄰晶胞間由鉀離子聯(lián)結(jié)，這種聯(lián)結(jié)較之高嶺石層間的氫鍵聯(lián)結(jié)為弱，但比蒙脫石層間的水分子聯(lián)結(jié)要強(qiáng)，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(zhì)也介于兩者之間。,粘土礦物,高,嶺,,土的顆粒級(jí)配土是由大小不同的土粒組成的。土粒的粒徑由粗到細(xì)逐漸變化時(shí)，土的性質(zhì)相應(yīng)地發(fā)生變化。例如土的性質(zhì)隨著粒徑的變細(xì)可由無粘性變化到有粘性。,,界限粒徑:劃分粒組的分界尺寸。土的顆粒級(jí)配:土中各個(gè)粒組的相對(duì)含量(各粒組占土粒總重的百分?jǐn)?shù))。顆粒級(jí)配累積曲線:顆粒大小分析試驗(yàn)成果，由其橫坐標(biāo)（對(duì)數(shù)坐標(biāo)）表示粒徑?？v坐標(biāo)則表示用小于(或大于)某粒徑的土重含量(或稱累計(jì)百分含量)。,土粒質(zhì)量累計(jì)百分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，相應(yīng)的粒徑稱為有效粒徑d10。小于某粒徑的土粒質(zhì)量累計(jì)百分?jǐn)?shù)為30%時(shí)的粒徑用d30表示。當(dāng)小于某粒徑的土粒質(zhì)量累計(jì)百分?jǐn)?shù)為60%時(shí)，該粒徑稱為限定粒徑d60。利用顆粒級(jí)配累積曲線可以確定土粒的級(jí)配指標(biāo)，如不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc。不均勻系數(shù)Cu反映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(jí)配越良好，作為填方工程的土料時(shí)，則比較容易獲得較大的密實(shí)度。曲率系數(shù)Cc描寫累積曲線的分布范圍，反映曲線的整體形狀。,,,曲線平緩，粒徑大小相差懸殊，土粒不均勻。顆粒級(jí)配可以在一定程度上反映土的某些性質(zhì)。對(duì)于級(jí)配良好的土，較粗顆粒間的孔隙被較細(xì)的顆粒所填充，因而土的密實(shí)度較好，相應(yīng)的地基土的強(qiáng)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。,顆粒級(jí)配累計(jì)曲線,,,級(jí)配良好,？,土的粒度成分，通常以土中各粒組的質(zhì)量百分率來表示，通過對(duì)土進(jìn)行粒度分析，分離出土中各個(gè)粒組，分別稱取質(zhì)量，然后計(jì)算出各粒組的質(zhì)量占該土總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)。不同類型的土，采用不同的分析方法。粗粒土采用篩析法，細(xì)粒土采用靜水沉降分析法。,粒度成分的測定方法,篩析法對(duì)于粒徑大于0.075mm的粗粒土，可用篩析法測定粒度成分。試驗(yàn)時(shí)將風(fēng)干、分散的代表性土樣通過一套孔徑不等的標(biāo)準(zhǔn)篩（20、2、0.5、0.25、0.1、0.075mm），稱出留在各個(gè)篩子上的土的質(zhì)量，即可求出各個(gè)粗粒組在土樣中的相對(duì)含量。,靜水沉降分析法粒徑小于0.075mm的粉粒或粘?，F(xiàn)有技術(shù)難以篩分，一般可根據(jù)土粒在水中勻速下沉?xí)r的速度與粒徑的理論關(guān)系，用比重計(jì)法或移液管法測定。,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)、液態(tài)、氣態(tài)。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(jié)合水、毛細(xì)水、重力水。后兩者也稱為非結(jié)合水(自由水)。,,,,,結(jié)合水,非結(jié)合水,強(qiáng)結(jié)合水(吸著水),液態(tài)水,重力水(自由水),氣態(tài)水(水蒸氣),土孔隙中的水,毛細(xì)水(過渡型水),弱結(jié)合水(薄膜水),固態(tài)水(冰),土中的水,1.結(jié)合水土顆粒表面帶有一定的電荷，當(dāng)土粒與水相接觸時(shí)，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表面結(jié)合水。雙電層的厚薄也反映了結(jié)合水的厚薄，結(jié)合水具有與一般自由水不同的性質(zhì)，其密度較大、粘滯度高、流動(dòng)性差、冰點(diǎn)低、比熱較大、介電常數(shù)較低，這種差異隨距離增加而減弱。結(jié)合水又可分為強(qiáng)結(jié)合水和弱結(jié)合水。2.非結(jié)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(jié)合水，它包括毛細(xì)水和重力水。,(1)毛細(xì)水毛細(xì)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(xiàn)象是毛細(xì)管壁對(duì)水的吸力和水的表面張力共同作用的結(jié)果。毛細(xì)水是受毛細(xì)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(xì)管，毛細(xì)管放在水中，管中的水位會(huì)上升到自由水位以上的一定高度，毛管直徑愈細(xì)上升高度愈高。在常溫下毛細(xì)上升高度hc與毛管半徑r有以下關(guān)系：當(dāng)r=0.1?m時(shí)，hc=150mm，這與砂土(粒徑為0.5~lmm)中的情況大致相當(dāng)。粘土的孔隙直徑約為0.1?m，按上式計(jì)算毛細(xì)上升高度將達(dá)150m？,(2)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。它是在重力或壓力差作用下運(yùn)動(dòng)的自由水，對(duì)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)水即冰，溫度降到0℃以下時(shí)，孔隙中的水會(huì)凝結(jié)成冰。水結(jié)冰后體積膨脹，同時(shí)由于水分遷移和補(bǔ)給，在土層中會(huì)形成冰層或透鏡體。固態(tài)水在土中起著暫時(shí)的膠結(jié)作用，提高土的力學(xué)強(qiáng)度，降低透水性。但溫度升高后，冰層解凍為液態(tài)水，使土的強(qiáng)度急劇降低，壓縮性增大，土的性質(zhì)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(xiàn)象就是一例。,三、土的氣相土中的氣體主要是空氣和水氣。土中氣體按其所處的狀態(tài)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(rèn)為自由氣體與大氣連通，對(duì)土的性質(zhì)無大影響；密閉氣體的體積與壓力有關(guān)，壓力增加，則體積縮小，壓力減小，則體積脹大。因此，密閉氣體的存在增加了土的彈性，同時(shí)還可阻塞土中的滲流通道，減小上的滲透性。,粘粒表面帶有一定量負(fù)電荷，并緊密地吸附在固相表面上，形成固定層(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到土粒表面來。另一方面，陽離子又受到熱運(yùn)動(dòng)的擴(kuò)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(qiáng)，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(gè)層稱為反離子層。而陰離子濃度與之相反。土粒表面帶負(fù)電荷的固定層(吸附層)與受土粒表面影響的陽離子層(反離子層)合稱為雙電層。,雙電層理論,Diffusedoublelayer（雙電層）,(FigurebyMuniBudhu,2000),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。,二、土的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造,土的結(jié)構(gòu):指土顆?；蚣象w的大小和形狀、表面特征、排列形式以及它們之間的連接特征(微觀結(jié)構(gòu))。土的構(gòu)造:指土層的層理、裂隙和大孔隙等宏觀特征亦稱宏觀結(jié)構(gòu)。,土的結(jié)構(gòu)對(duì)土的工程性質(zhì)影響很大，特別是粘性土，如某些靈敏性鉆土在原狀結(jié)構(gòu)時(shí)具有一定的強(qiáng)度，當(dāng)結(jié)構(gòu)擾動(dòng)或重塑時(shí)，強(qiáng)度就降低很多，甚至不能再成型。,土的常見結(jié)構(gòu)類型,單粒結(jié)構(gòu)：組成砂、礫等粗粒土的基本結(jié)構(gòu)類型，顆粒較粗大，比表面積小，顆粒之間是點(diǎn)接觸，幾乎沒有連結(jié)，粒間相互作用的影響較之重力作用的影響可忽略不計(jì)，是重力場作用下堆積而成的。,單粒結(jié)構(gòu)土的工程性質(zhì)，除與密實(shí)程度有關(guān)外，還與顆粒大小、級(jí)配、土粒的表面形狀及礦物成分類型有關(guān)。,土的常見結(jié)構(gòu)類型,片架結(jié)構(gòu)：粘粒在絮凝狀態(tài)下形成的，亦稱絮凝結(jié)構(gòu)。其特點(diǎn)是粘土片以邊－面或邊－邊連結(jié)為主，顆粒呈隨機(jī)排列，性質(zhì)較均勻，但孔隙較大．對(duì)擾動(dòng)比較敏感。具有觸變性的土多后于此類結(jié)構(gòu)。片堆結(jié)構(gòu)：粘粒是在分散狀態(tài)下沉積而形成的，亦稱分散結(jié)構(gòu)。其特點(diǎn)是以面－面連結(jié)為主，粘土片呈定向排列，密度較大，具有明顯的各向異性的力學(xué)性質(zhì)。,,某些飽和粘土在動(dòng)力荷載作用下，土的結(jié)構(gòu)受到破壞，會(huì)失去強(qiáng)度呈溶膠狀，在外力停止作用后，重新形成土的結(jié)構(gòu)，絮凝成土體，強(qiáng)度有所恢復(fù)，這種現(xiàn)象稱為土的觸變。飽和砂土在動(dòng)力作用下，會(huì)使結(jié)構(gòu)趨于緊密，則將產(chǎn)生超靜孔隙水壓力，根據(jù)有效應(yīng)力原理，土粒間有效應(yīng)力降低，當(dāng)粒間有效應(yīng)力為零時(shí)，砂粒呈懸液狀，土體強(qiáng)度喪失，這種現(xiàn)象稱為砂土液化。,土的觸變和砂土液化,粘性土的靈敏度土的結(jié)構(gòu)形成后就獲得某種強(qiáng)度，且結(jié)構(gòu)強(qiáng)度隨時(shí)間而增長。在含水量不變化的條件下，將原狀土捏碎，重新按原來的密度制備成重塑土樣。由于原狀結(jié)構(gòu)徹底破壞，重塑土樣的強(qiáng)度較之原狀土樣將有明顯的降低。定義原狀土樣的單軸抗壓強(qiáng)度(qu)(或稱無側(cè)限抗壓強(qiáng)度)與重塑土樣的單軸抗壓強(qiáng)度(qu)之比為土的靈敏度St，即,巖石,物理風(fēng)化,化學(xué)風(fēng)化,土,,原生礦物,次生礦物,,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，顆粒一般較粗，吸附水的能力弱，性質(zhì)比較穩(wěn)，無塑性。,原生礦物經(jīng)化學(xué)風(fēng)化生成的新礦物，它的成分成分與母巖的完全不同。顆粒極細(xì)，性質(zhì)活潑，有較強(qiáng)的吸附水能力，具塑性。,粘土顆粒性質(zhì),,粗細(xì),物理風(fēng)化僅使巖石產(chǎn)生量的變化,化學(xué)風(fēng)化僅使巖石產(chǎn)生質(zhì)的變化,,,