1-土的物质组成与结构、构造-韩.ppt

第一章土的物质组成与结构构造 1 将岩土体作为 地基 山区城市 如重庆 的岩石地基 沿海城市 如上海 天津等 的软土地基 公路 铁路的路基 水工建筑物大坝的坝基等 主要考虑岩土体的强度特性和变形特性 2 将岩土体作为 环境 城市垃圾的卫生填埋 核废料的处置 都要选择最合理的环境 以免污染地下水 危害人类身体健康 山区公路 铁路隧洞 水电站地下发电厂房 城市地铁 地下停车场 地下商场等 主要考虑岩土体的强度特性 渗透性和稳定性 3 将岩土体作为 材料 工业与民用建筑的各种建筑材料 大理岩 花岗岩 砂 卵石 粘土等 水工建筑物 如土石坝 所需的大量天然材料等 主要考虑岩土体的强度特性 变形特性 渗透性等 人类工程活动对岩土体的利用可归纳为下面3个方面 土的粒度成分 1 1 土的矿物成分 1 2 土中的水和气体 1 3 土的结构和构造 1 4 一 土的定义 土的形成 风化 搬运 堆积作用 土 土体 岩石 岩体 土的定义 土是由各种不同成因类型的岩石经风化 搬运 堆积而成的疏松沉积物 它们通常是由相互作用着的固 液 气体三个部分组成的多相体系 特殊情况下为 两相 干土 饱水土 概述 A A A A W W 注意 a 土 与 土壤 不同 b 砂土 卵石土 漂石 块石 土等 均叫 土 土壤 第四纪松散物质沉积成土后 再在一个相当长的稳定环境中经受物理化学及生物化学的成壤作用所形成的土体 统称为土壤 形成区 形成区 流通区 流通区 堆积区 二 土的基本组成 土 固相 矿物颗粒或岩屑液相 主要是水气相 主要是空气 水蒸气 土的三相组成不是绝对不变的 其中固相部分随时间 自然环境的变化较小 而土中的水和空气对客观环境的变化非常敏感 一 粒径和粒组 P6 1 粒径 土颗粒的大小 通常以其直径 d 来表示 单位一般采用毫米 mm 注 土颗粒并非理想的球体 应理解为土粒的平均直径或等效直径 土的工程地质性质主要取决于固相 特别是土粒的大小和矿物类型 自然界中的土颗粒大小相差极为悬殊 几十厘米以上 小于1微米 由它们组成的土的性质也必然存在很大的差异 因此 研究土的工程地质性质首先应研究组成土的土颗粒的大小 土的粒度成分 1 1 2 粒组 按粒径划分的颗粒组别 同一粒组的土颗粒成分及性质相似 划分原则如下 P7 a 能反映粒径对土的工程地质性质的影响 b 与目前所采用的实验研究方法 技术水平相适应 且使用方便 当土的粒径在某一范围内变化时 土的工程地质性质差别不大 为了便于研究粒径与土的工程地质性质的关系 将自然界中土颗粒的粒径变化范围划分为几个区段 每个区段中包括的土粒成分相近 性质相似 3 粒组划分 目前 国内外土的粒组划分标准并不完全一致 我国普遍采用 六大粒组 划分方案 粒径d mm 粒组名称 0 005 0 075 2 60 200 粘粒 粉粒 砂粒 砾粒 卵石粒 碎石粒 漂石粒 块石粒 一般规律 颗粒越细 粒径d越小 透水性越弱 受外力时越易变形 强度越小 P7表1 1 巨粒 d 60mm 粗粒 0 075 60mm 细粒 d 0 075mm 二 粒度成分的测定及其表示方法 1 粒度成分的定义 又叫 颗粒组成 颗粒级配 指土中不同粒组的颗粒的百分含量 通常用各粒组颗粒的质量占该土土颗粒总质量的百分数来表示 是决定土的工程地质性质的重要结构特征之一 2 粒度成分的测定方法 颗粒分析试验 简称 颗分 筛分法 d大于0 075mm P302 密度计法 d小于0 075mm P303 生产实践中常用 3 粒度成分的表示方法 1 表格法 表1 2 2 图解法 包括累积曲线法 分布曲线法 土的颗粒组成累积曲线 半对数坐标系 小于某粒径的累积百分含量 1 曲线的形态反映土粒的均匀程度曲线左 陡 表示土颗粒大小相差不多 土粒较均匀 级配不好 曲线右 缓 表示土颗粒大小悬殊 土粒不均匀 即级配良好 注 作为填方工程 山区机场 高速公路均有填方 挖方 的土料 级配好则容易获得较小的孔隙比 较大的密实度 较好的工程地质性质 高强度及低变形性 2 可获得几个粒径指标及反映土均匀程度的指标 有效粒径d10 限制粒径d60和d30 平均粒径d50 不均匀系数Cu d60 d10 曲率系数Cc d30 d30 d10 d60 累积曲线的用途 注 当Cu 5且Cc 1 3时 土的级配是良好的 如不能同时满足上述两个条件 则级配是不良的 小于某粒径的累计百分含量 应用之一 教材P171渗透变形的预测 管涌 流土 课后练习 土的颗粒组成累计曲线 用Excel电子表格软件 自己给出数据 参照 P302标准筛孔径 要求 绘出累计曲线 给出d60 d50 d30 d10 计算均匀性系数Cu曲率系数Cc 评价土的级配好坏 三 土按颗粒组成的分类 1 巨粒土和含巨粒的土 粗粒土 细粒土的划分 巨粒土和含巨粒的土 d 60mm的颗粒含量超过15 的土粗粒土 d 0 075mm的颗粒含量超过50 的土细粒土 d 0 075mm的颗粒含量超过50 的土 2 各类土的进一步细分 P9 粗粒土 砾类土 砂类土 细粒土 粉土 粉质粘土 粘土 一 土的矿物成分的基本类型 土的矿物成分 1 2 土中矿物颗粒的成分取决于 岩石 大小不同的岩石碎块或颗粒 物理 风化 进一步风化 物理 化学风化 颗粒减小 化学成分发生变化 形成新矿物 母岩的成分 风化程度 土的矿物成分 无机矿物 有机矿物 原生矿物 岩浆中直接生成的矿物 是岩石经物理风化破碎但成分没有发生变化的矿物碎屑 如石英 长石 云母 方解石 角闪石 辉石等 次生粘土矿物 是原生矿物经过化学风化作用 形成的一些颗粒更细小的新矿物 粘土矿物对土的工程地质性质具有极为重要的意义 即使当其在土中的含量并不占优势时 也能表现出明显的控制作用 从而赋予粘性土以独特的 粘土特性 二 矿物成分与粒度成分的关系 P10 自学 三 粘土矿物的类型及基本特征 P11 粘土矿物对土的工程地质性质的控制作用 及其原因 独特的晶体结构 层状 链状晶体结构 易变形 颗粒细小 比表面积大 具有一系列表面特性 1 粘土矿物 clayminerals 的定义 粘土矿物是由原生硅酸盐类矿物经水解作用而形成的 具层状或链状晶体结构的 高分散性 含水的次生硅酸盐矿物 P11 水解作用 存在于水介质中的原生硅酸盐矿物 其中的某些金属离子被由水分子离解而成的H 所置换 形成了含有OH 的新矿物 T O的不同组合结果 即形成不同的粘土矿物类型 最常见的三种 高岭石 蒙脱石 伊利石 2 粘土矿物 clayminerals 的类型 绝大多数粘土矿物是晶质的 其晶胞的基本构成单元是硅氧四面体层 T 和铝氢氧八面体层 O TO Noncrystallineclay allophane Mitchell 1993 高岭石埃洛石叶蜡石蒙脱石蛭石伊利石绿泥石 电荷 硅氧四面体层T 铝氢氧八面体层 Basalspacingis7 2 Si4Al4O10 OH 8 PlatyshapeThebondingbetweenlayersarevanderWaalsforcesandhydrogenbonds strongbonding Thereisnointerlayerswelling layer Trovey 1971 fromMitchell 1993 17 m 高岭石晶体结构Kaolinite 两层型 TO 晶胞厚度 OH O 氢键联结较为牢固 蒙脱石晶体结构Montmorillonite 三层型 n H2O cations 5 m Si8Al4O20 OH 4 nH2O Theoreticalunsubstituted Film likeshape Thereisextensiveisomorphoussubstitutionforsiliconandaluminumbyothercations whichresultsinchargedeficienciesofclayparticles n H2Oandcationsexistbetweenunitlayers andthebasalspacingisfrom9 6 to afterswelling TheinterlayerbondingisbyvanderWaalsforcesandbycationswhichbalancechargedeficiencies weakbonding Thereexistsinterlayerswelling whichisveryimportanttoengineeringpractice expansiveclay HoltzandKovacs 1981 晶胞厚度 阳离子 膨胀性粘土 O O 分子键联结 很不牢固 potassium Si8 Al Mg Fe 4 6O20 OH 4 K H2O 2 Flakyshape Thebasicstructureisverysimilartothemica soitissometimesreferredtoashydrousmica Illiteisthechiefconstituentinmanyshales SomeoftheSi4 inthetetrahedralsheetarereplacedbytheAl3 andsomeoftheAl3 intheoctahedralsheetaresubstitutedbytheMg2 orFe3 Thosearetheoriginsofchargedeficiencies Thechargedeficiencyisbalancedbythepotassiumionbetweenlayers Notethatthepotassiumatomcanexactlyfitintothehexagonalholeinthetetrahedralsheetandformastronginterlayerbonding Thebasalspacingisfixedat10 inthepresenceofpolarliquids nointerlayerswelling 7 5 m Trovey 1971 fromMitchell 1993 K 伊利石晶体结构Illite 三层型 钾 云母 水云母 晶胞厚度 主要是K 离子键 3 粘土矿物 clayminerals 的基本特征三种常见粘土矿物特征对比见下表 三种常见粘土矿物特征对比表 本节只讲土中水的基本类型 而水对土的物理 力学性质的影响以后2 3章穿插讲述 土通常是三相体系 但在特殊情况下为两相 饱水土 土中的全部孔隙完全被水充满 干土 土中的全部孔隙完全被空气充满 土中的水和气体 P12 1 3 一 土中水的基本类型 矿物晶格中的结构水 结晶水 结合水 固态水 液态水 毛细水 毛管水 土中的水 气态水 水汽 矿物颗粒间的冰 重力水 自由水 强结合水 吸着水 弱结合水 薄膜水 1 结构水 结晶水 只有在140 170 的高温下才能转化为气态水与土粒分离 本身不能对土的工程地质性质产生直接影响 只能通过矿物来起作用 2 冰 水的相态变化 体积 密度随之变化 对土的性质有很大影响 特别是在高海拔 低气温地区存在冻土问题 冻土中的冰将土粒胶结起来 从而在一定程度上提高土的强度 但解冻后土的强度会降低 例如青藏铁路 550公里常年冻土地带 格尔木 拉萨1142公里 我国北方大部分地区都存在冻土问题 应注意基础埋置深度 3 结合水 在矿物颗粒表面作用力 静电引力 分子力 的直接影响下而形成于颗粒表面的水 按其形成机制和与颗粒表面结合的牢固程度 可分为强结合水和弱结合水 强结合水 紧靠土粒表面的结合水 特征 没有溶解能力 不能传递静水压力 具有极大的粘滞性 弹性和抗剪强度 冰点低 30 50 密度比自由水大得多 可达1 84g cm3 弱结合水 紧靠于强结合水的外围形成的结合水膜 厚度比强结合水大得多 特征 没有溶解能力 不能传递静水压力 冰点 1 5 密度与自由水接近 注意 在结合水的总量中 强结合水占少数 主要是弱结合水 土 尤其是粘性土的状态和性质与弱结合水的含量有非常密切的关系 弱结合水是粘性土所特有的 粘土特性 的物质基础 4 毛细水 地下水受土粒间孔隙的毛细作用上升的水分 主要存在于砂土和粉土中 自学内容 可参考 水文地质学 5 重力水 自由水 是 水文地质学 研究的主要对象 是指存在于较粗大孔隙中 具有自由活动能力 在重力作用下会发生运动的水 它对土的工程地质性质的影响有2个方面 机械潜蚀 流动时冲刷带走土中的细小颗粒 化学溶蚀 溶解土中矿物 改变土的矿物组成 结构和孔隙水溶液的成分和浓度 结果 两种作用都使土中的孔隙增多 加大 可压缩性增大 强度降低 6 气态水 水蒸汽是水的气态形式 它在土中的含量甚少 一般不超过土的总质量的0 001 但是 不能低估水蒸汽的作用 因为它是在土的含水率很低时 水的唯一能移动的形态 它在颗粒表面凝结 将形成其它形态的水 包括结合水 二 土中的气体 主要为空气和气态水 有时可能含有较多的CO2 CH4 H2S等 可分为2种 游离气体 与大气相通 对土的性质影响较小 密闭气体 与大气隔绝 对土的性质影响较大 使土不易被压实 透水性降低 一旦与大气连通 沉陷大 危害大 或因温度 压力的改变 溶于水造成体积减小 导致地面发生沉陷 研究意义 即使土的物质成分相同 相近 但如果土的结构和构造特征不同 其工程地质性质也会有明显的差异 例如同是粒径接近的土颗粒组成的砂土 如砂粒排列的紧密程度不同 则透水性 压缩性 强度就有差别 土的结构和构造 P13 1 4 一 土的结构 1 定义 组成土的固体矿物颗粒的形态及组合特征 包括颗粒的大小 形状和表面特征 颗粒的排列组合情况和数量关系 以及粒间的联结特征和孔隙特征 孔隙的大小 多少 土的结构是在成土过程中逐渐形成的 它与矿物成分 颗粒形状 沉积条件相关 土的结构 颗粒的大小 粒径形状 磨圆度表面特征 粗糙程度颗粒的排列组合情况和数量关系 疏密程度和定向性 例如河床相扁平状砾石的定向排列 粒间的联结特征 结合水联接 毛细水联接 胶结联接 冰联接 孔隙特征 土中孔隙的大小 多少 与搬运介质和搬运距离有关 2 土的结构类型的划分 P14 P15 单粒 散粒 结构 是巨粒土 粗粒土 主要指卵砾土和砂土 的基本结构形式 单粒结构对土的工程地质性质的影响主要在于其松密程度 按照土颗粒之间的相互关系划分 单粒结构和集合体结构 举例 洪积物