第二章 土的三相组成

第二章土的三相组成 土是由固体相 液体相 气体相组成的三相体系 固体相指土中的矿物颗粒 简称土粒 它构成土的骨架 称为土骨架 液体相由水溶液组成 可分为强结合水 弱结合水 毛细水 重力水等 气体相由空气和其它气体构成 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 1 土的沉积与成岩作用 岩石经风化形成土 土经过搬运和沉积 然后经成岩作用又形成岩石 风化形成的碎屑物在各种动力的搬运下 被搬运到地表低凹的地方 主要是湖盆和海盆地沉积下来 沉积后的碎屑物处在一个新的 改变了的物理化学环境中 再经过一系列的变化 最后固结成坚硬的沉积岩 这个变化改造过程称为成岩作用 沉积物在固结成岩过程中的变化是很复杂的 主要有以下几种作用 压固脱水作用 胶结作用 重结晶作用 沉积岩新矿物的形成 1 土的沉积与成岩作用 工程上所遇到的大多数土都是在第四纪地质年代内所形成的 第四纪地质年代的土又可分为更新世与全新世两类 更新世 1 3 71万年 及其以前的土 应为老沉积土 全新世为小于0 25万年到1 3万年 在有人类文化期以来的土称为新近代沉积土 不同生成条件下土的特点 土从其形成条件来看可以分为两大类 残积土和搬运土 残积土指母岩表层经风化作用破碎成为岩屑或细小颗粒后 未经搬运 残留在原地的堆积物 其特点是颗粒表面粗糙 多棱角 粗细不均 无层理 搬运土指风化后的土颗粒 受自然力作用 被搬运到远近不同的地点沉积的堆积物 其特点是颗粒经滚动和磨擦而变圆滑 在沉积过程中因受水流等自然力的分选作用而形成颗粒粗细不同的层次 粗粒下沉快 细粒下沉慢而形成不同粒径的土层 搬运和沉积过程对土的性质影响很大 不同生成条件下土的特点 搬运土根据搬运动力的不同 可分为以下几类 坡积土残积土受重力和雨水或雪水作用 被挟带到山坡或坡脚聚集起来的堆积物 由于搬运距离短 颗粒尺寸相差大 性质很不均匀 风积土由风力带动土粒经过一段搬运再沉积下来的土 分两类 1 砂粒大小的土层 形成砂丘 在风力的推动下随时改变形状和位置 2 黄土 由干旱地带的粉粒大小的土粒经风力长距离搬运沉积而成 在全球广泛分布 其特点是孔隙大 密度低 干燥时土粒间有胶结 强度较大 遇水后 胶结作用降低或丧失 因而强度大多削弱并产生较大变形 在处理黄土时要注意这一点 冲积土由江 河水流搬运所形成的沉积物 分布在山谷 河谷和冲积平原上的土都属于冲积土 这类土由于经过较长距离的搬运 磨圆度和分选性都较好 常形成沙层和粘土层交叠的地层 洪积土残积土和坡积土受洪水冲刷 并被挟带到山麓处沉积的堆积物 具一定分选性 搬运距离近的沉积颗粒较粗 力学性质较好 远的则较细 力学性质较差湖泊沼泽沉积土在极为缓慢水流或静水条件下沉积形成的堆积物 颗粒较细 并常伴有有机物 成为淤泥或淤泥质土 工程性质很差 海相沉积土由水流到大海沉积起来的堆积物 颗粒细 表层土质松软 工程性质较差 冰积土由冰川或冰水挟带搬运所形成的沉积物 颗粒粗细变化大 土质变化不均 不同生成条件下土的特点 目录 第一节土的颗粒级配第二节土的矿物成分第三节土中的水第四节土的结构 第一节土的颗粒级配 一 粒组的划分自然界中土一般都是由大小不等的土粒混合而组成的 也就是不同大小的土颗粒按不同的比例搭配关系构成某一类土 比例搭配 级配 不一样 则土的性质各异 土粒的大小通常以粒径表示 以mm为单位 土粒按粒径大小分为若干组别 称为粒组 粒组就是一定的粒径区段 以毫米表示 符合粒径变化所引起的质的变化规律 即每个粒组的成分与性质无质的变化 具相同或相似的成分与性质 与粒组的分析技术条件相适应 即不同大小的土粒可采用不同的适用方法进行分析 粒组界限值力求服从简单的数学规律 200 20 2 1 20 1 200mm 粒组的划分的原则 表2 1土的粒组划分方案 注 也有以0 002mm作为粉 粘粒界限值的 二 颗粒级配的测定 土的颗粒级配是指土中各粒组的相对百分含量 通常用各粒组占土粒总质量 干土质量 的百分数表示 也称为土的粒度成分 粗粒土指以砾石和砂粒为主的土 细粒土指以粉粒 粘粒和胶粒为主的土 筛分法 适用于砾石类和粗粒土 d 0 1 0 075mm 静水沉降分析法 适用于细粒土 d 0 1 0 075mm 虹吸比重瓶法 移液管法 比重计法 三 筛分法 用一套孔径不同的筛子 按从上至下筛孔逐渐减小放置 将事先称过质量的烘干土样过筛 称出留在各筛上的土质量 然后计算其占总土粒质量的百分数 静水沉降分析原理 Stokes公式 式中 V 土粒的沉降速度 cm s d 土粒直径 mm 等效直径 s 土粒密度 g cm3 w 水的比重 g cm3 水的动力粘滞系数 10 6kPa s g 重力加速度 cm s2 等效直径 是指土粒沉降速度与某一粒径的球形颗粒的沉降速度相等 那么这球形颗粒的直径即为该土粒的直径 静水沉降分析原理 Stokes公式 式中 当悬液温度不变时 g s w 为定值 记为A 则式2 1变为 即 土粒的沉降速度与其直径的平方成正比 即大颗粒比小颗粒下沉快得多 静水沉降分析原理 Stokes公式 比重计法 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 三 颗粒级配的表示方法 表格法是将分析资料 各粒组的百分含量或小于某粒径的累积百分含量 填在已制好的表格内 表2 2颗粒分析成果表 表2 3颗粒分析成果表 颗粒级配累积曲线 图解法 横坐标采用对数坐标 表示土颗粒直径 单位mm 纵坐标为小于某粒径土的累积含量 用百分比表示 土的粗细常用平均粒径 mm d50表示 d50指土中大于或小于此粒径的土粒含量均占50 颗粒级配累积曲线 0 001 0 005 0 01 0 1 1 特征粒径d10 有效粒径 de d50 平均粒径 d30 d60 限制粒径 颗粒级配累积曲线 1 判断土的均匀程度与分选性 平缓 粒径悬殊 土粒不均 分选差 级配好 陡 粒径相差不多 均匀 分选好 级配差 2 确定土的有效粒径 d10 平均粒径 d50 限制粒径 d60和d30 颗粒级配累积曲线的用途 土的不均匀系数CuCu d60 d10Cu5的土称为级配良好的非均粒土 土的曲率系数CcCc 1 3时 为级配连续 Cc3时 级配不连续 四 土按颗粒级配的分类 粗粒土 土中粒径 0 075mm的质量超过全部质量的50 细粒土 土中粒径 0 075mm的质量小于全部质量的50 岩土工程勘察规范 中的分类法 将粒径 2mm的质量超过50 的称为碎石土 将粒径 2mm的质量小于50 而大于0 075mm的质量超过50 的称为砂土 将大于0 075mm的质量小于50 的定为粉土或粘性土 碎石土 砂土和粉土又称为无粘性土 四 土按颗粒级配的分类 本节要求 1 P20题2 12 P20题2 2 课后练习题 1 熟记粒组划分方案 2 掌握颗粒级配的概念 测定和表示方法 第二节土的矿物成分 一 土中矿物类型及特性 矿物成分取决于母岩的矿物成分和风化作用 原生矿物 原生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 例 石英 云母 长石等原生矿物颗粒一般都较粗大 它们主要存在于卵 砾 砂 粉各粒组中 特征 矿物成分的性质较稳定 由其组成的土具有无粘性 透水性较大 压缩性较低的特点 岩石 物理风化 岩石破碎化学成分不改变 原生矿物 次生矿物 化学风化 成分改变 原生矿物 可溶性次生矿物 不可溶性次生矿物 次生矿物是原生矿物在一定气候条件下经化学风化作用 使其进一步分解而形成一些颗粒更细小的新矿物 可溶性次生矿物又叫水溶盐 常见的有石盐 石膏等 不可溶性次生矿物又有次生二氧化硅 倍伴氧化物和粘土矿物 特征 不同的次生矿物性质各异 粘土矿物是主要的次生矿物 是组成粘粒的主要矿物成分 粘土矿物的结晶格架由铝氧八面体和硅氧四面体两个基本单位组成 硅氧四面体是硅片的基本单元 其化学式为 SiO4 铝 氧八面体是铝片的基本单元 其化学式为 Al2 OH 6 粘土矿物 粘土矿物的类型与性质 高岭石晶层之间连结牢固 水不能自由渗入 故其亲水性差 可塑性低 胀缩性弱 蒙脱石则反之 晶胞之间连结微弱 活动自由 亲水性强 胀缩性亦强 伊利石 水云母 的性质介于二者之间 粘土矿物中分布较广且对土性质影响较大的是蒙脱石 高岭石和伊利石 或水云母 三种 由微生物分解动植物残骸形成 分为有机残余物 泥炭 和腐殖质 腐殖质含量在1 5 2 以上称为淤泥类土 压缩性极高 强度很低 有机质含量 5 的土称为有机质土 有机质 了解 二 矿物成分与粒组之间的关系 粒径大于0 075mm的各粒组 均由原生矿物所构成 其中漂石粒 卵石粒 砾粒 其粒径往往大于矿物颗粒 多数是由母岩碎屑构成 一般具有的多矿物结构 砂粒与原生矿物颗粒大小近似 往往是由单矿物组成 以石英最为常见 粉粒组由原生矿物与次生矿物混合组成 其中以石英为主 其次为高岭石及难溶盐 粘粒组主要由不可溶性次生矿物与腐植质组成 有时也含难溶盐 其中粘土矿物是最常见的矿物 第三节土中的水和气体 一 土中水的类型与特性 土中的水 矿物成分水 结合水 重力水 毛细水 结构水 结晶水 沸石水 孔隙水 液态水 弱结合水 强结合水 气态水 固态水 结合水指附着于土粒表面成薄膜状的水 如图2 1所示 由于结合水的存在 细颗粒 特别是粘粒 之间将形成公共水膜 图2 2 从而使土粒间产生一定的联结 这种联结随土的湿度而变化 当土的湿度减小 水膜变薄 相邻土粒彼此吸引力加强 反之 当湿度提高 水膜增厚时 颗粒将被挤开 以致不存在公共水膜而失去联结 这种水膜联结 一般认为是粘性土具有粘性 可塑性和力学强度的主要原因 图2 1 图2 2 毛细水受土粒的分子引力以及水与空气界面的表面张力而存在 并运动于毛细孔隙中的水 一般存在于地下水位以上 由于表面张力作用 地下水沿着土的毛细通道逐渐上升 形成毛细水上升带 重力水受重力作用而运动的水 它对土产生浮力 使土的重度减少 渗透水流能使土产生渗透力 使土引起渗透变形 溶解土中的水溶盐 使土的强度降低 压缩性增大 第四节土粒与水的相互作用 1 土粒的比表面积定义单位质量或单位体积土颗粒所拥有的表面积称为比表面积 即 2 粘粒双电层 颗粒表面的负电荷构成电场的内层 决定电位层 水中被吸引在颗粒表面的阳离子和定向排列的水分子构成电场的外层 反离子层 合称双电层 受颗粒表面电场作用力吸引而包围在颗粒周围 不传递静水压力不能任意流动的水 称为结合水 从水分子的角度讲 双电层的外层就是结合水层 结合水 弱结合水 扩散层 是一种粘滞水膜 是粘性土在一定含水量范围内具可塑性的原因 强结合水 固定层 性质接近与固体 具蠕变性 略高于100 可蒸发 反离子层 第五节土的结构 土的结构是指组成土的土粒大小 形状 表面特征 土粒间的连结关系和土粒的排列情况 其中包括颗粒或集合体间的距离 孔隙大小及其分布特点 一 土粒间的连结关系1 接触连结 是指颗粒之间的直接接触 接触点上的连结强度主要来源于外加压力所带来的有效接触压力 这种连结方式在砂土 粉土中或近代沉积土中普遍存在 2 胶结连结 是指颗粒之间存在着许多胶结物质 将颗粒胶结连结在一起 3 结合水连结 是指通过结合水膜而将相邻土粒连结起来的连结形式 又叫水胶连结 这种连结在一般粘性土中普遍存在 4 冰连结 二 土的结构与构造1 土的结构土的结构 土中颗粒排列的状况 与土的矿物成分 颗粒形状和沉积条件有关 有以下三种基本类型 单粒结构蜂窝结构絮状结构 一 巨粒土与粗粒土的结构类型粗粒土的结构主要为单粒结构 根据颗粒间的排列接触关系可分为松散结构和密实结构 二 细粒土的结构类型 细粒土颗粒细小 细粒土一般为团聚结构 团聚结按土粒均匀与否分均粒和非均粒两种类型 均粒团聚结构又分蜂窝结构和絮状结构 1 蜂窝结构蜂窝结构主要是由粉粒或细砂粒组成的土的结构形式 据研究 粒径0 075 0 005mm 粉粒粒组 的土粒在水中沉积时 基本上是以单个土粒下沉 当碰到已沉积的土粒 由于土粒之间的分子引力大于其重力 因此土粒就停留在最初的接触点上不再下沉 逐渐形成链环状团粒 构成较疏松的蜂窝结构 如图所示 2 絮状结构微小的粘粒大都呈针片状或片状 以在水中长期悬浮 并在水中运动时 形成小链环状团粒而下沉 这种小链环碰到另一小链环被吸引 形成大链环状的絮状结构 如图所示 海相沉积的粘土常具有此结构 具有蜂窝结构和絮状结构的土 土粒间有大量的孔隙 体积大 但均为微细孔隙 故压缩性高 透水性弱 2 土的构造定义 同一土层中 土粒或土粒集合体之间相互关系的