2013土力学_冯老师_第二章_土的三相组成2

1、土力学冯晓腊教授、总经理崔德山 副教授第二章 土的三相组成第三节 土中水和气体固体矿物颗粒固体矿物颗粒 （固相）（固相）土中气体土中气体（气相）（气相） 土中水土中水（液相）（液相）结合水结合水土中水土中水液态水液态水固态水：固态水：矿物晶体内的结合水（结晶水），矿物的一部分，呈固态。矿物晶体内的结合水（结晶水），矿物的一部分，呈固态。自由水自由水强结合水：紧靠土颗粒表面强结合水：紧靠土颗粒表面弱结合水：紧靠强结合水外围弱结合水：紧靠强结合水外围重力水：能形成水压力并能在土中流动的水，位重力水：能形成水压力并能在土中流动的水，位 于地下水位以下于地下水位以下毛细水：受到水与空气交界面处表面张力

2、作用的自毛细水：受到水与空气交界面处表面张力作用的自 由水，存在于地下水位以上的透水层中。由水，存在于地下水位以上的透水层中。气态水：土中气的一部分气态水：土中气的一部分由于电分子引力由于电分子引力作用而紧密吸附作用而紧密吸附于土粒表面的水于土粒表面的水1.固态水（结晶水）固态水（结晶水） 存在于矿物结晶中的水，只有在高温（存在于矿物结晶中的水，只有在高温（105 ）下，才能从矿物中吸出，故可把它视作矿物本身的一下，才能从矿物中吸出，故可把它视作矿物本身的一部分。部分。2.结合水（强结合水、弱结合水）结合水（强结合水、弱结合水） 受电分子吸引力吸附于土粒受电分子吸引力吸附于土粒表面的土中水。表

3、面的土中水。（1 1）强结合水）强结合水：没有溶解盐类：没有溶解盐类的能力，不能传递静水压力，的能力，不能传递静水压力，牢固地吸附于土粒表面，其性牢固地吸附于土粒表面，其性质接近于固体具有极大的粘滞质接近于固体具有极大的粘滞度、弹性和抗剪强度。度、弹性和抗剪强度。密度密度1.22.4g/cm1.22.4g/cm3 3冰点-76粘土粘土颗粒颗粒- - - - - - - - - - - - - - - - - +引力引力d水分子水分子阳离子阳离子强结合水强结合水弱结合水弱结合水自由水自由水（2 2）弱结合水）弱结合水：厚度较强：厚度较强结合水大，具有较高的粘滞结合水大，具有较高的粘滞度、抗剪强度

4、，仍不能传递度、抗剪强度，仍不能传递静水压力。当含量较多时，静水压力。当含量较多时，使土具有一定的可塑性。使土具有一定的可塑性。密度密度1.01.7g/cm1.01.7g/cm3 3冰点-2030粘土粘土颗粒颗粒- - - - - - - - - - - - - - - - - +引力引力d水分子水分子阳离子阳离子强结合水强结合水弱结合水弱结合水自由水自由水（3 3）自由水）自由水重力水：地下水位以下，在重力水：地下水位以下，在土中流动的水，受重力作用，土中流动的水，受重力作用，对土粒有浮力作用。对土粒有浮力作用。毛细水：地下水位以上由于毛细水：地下水位以上由于水和空气分界处弯液面上产生水和空

5、气分界处弯液面上产生的表面张力作用，土中自由水的表面张力作用，土中自由水从地下水位通过土的细小通道从地下水位通过土的细小通道逐渐上升，形成毛细水。它不逐渐上升，形成毛细水。它不仅受重力作用而且还受到表面仅受重力作用而且还受到表面张力的支配。张力的支配。hc毛细水毛细水重力水重力水土中水土中水 自由水自由水r弯液面弯液面由于毛细张力的作用，形成上升由于毛细张力的作用，形成上升毛细水、悬挂毛细水、孔角毛细毛细水、悬挂毛细水、孔角毛细水。水。f这是稍湿的砂土颗粒间存在这是稍湿的砂土颗粒间存在假凝假凝聚力聚力的原因。的原因。f在工程中，在工程中，毛细水的上升高度毛细水的上升高度和和速度对建筑物地下部分

6、的防潮措速度对建筑物地下部分的防潮措施和地基土的浸湿、冻胀有重要施和地基土的浸湿、冻胀有重要影响。影响。f存在于直径存在于直径0.002-0.5mmf自由气体：自由气体：与大气连通的气体对土的性质影响不大与大气连通的气体对土的性质影响不大f封闭气体：封闭气体：被土颗粒和水封闭的气体其体积与压力被土颗粒和水封闭的气体其体积与压力有关。在外力作用下，封闭气体易溶解于水，外力有关。在外力作用下，封闭气体易溶解于水，外力卸除后又会重新释放出来，使得土的弹性增加；阻卸除后又会重新释放出来，使得土的弹性增加；阻塞渗流通道，降低渗透性塞渗流通道，降低渗透性f可燃气体可燃气体：由微生物的分解作用而形成，常存在

7、于：由微生物的分解作用而形成，常存在于淤泥和泥炭等有机土中。淤泥和泥炭等有机土中。 1.3.3 土中气体土中气体土中含有更多的土中含有更多的co2，较少的，较少的o2，较多的较多的n2，地下工程施工时应注意，地下工程施工时应注意o2的补给。的补给。第四节 土粒与水的相互作用土中水多会发生泥石流过量抽取地下水会引起地面沉降武汉中心，2011.11.11土粒与水的相互作用土粒与水的相互作用粘土矿物的带电性质：粘土矿物的带电性质：实验表明，片状粘土颗粒表实验表明，片状粘土颗粒表面常带有负电荷。面常带有负电荷。为什么片状粘土颗粒带有不为什么片状粘土颗粒带有不平衡负电荷：平衡负电荷：离解作用离解作用吸附

8、作用吸附作用同晶置换同晶置换边缘断裂边缘断裂- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -+粘土颗粒粘土颗粒水分子水分子阳离子阳离子粘土颗粒的带电性粘土颗粒的带电性玻璃筒玻璃筒玻璃皿玻璃皿水位水位升高升高粘土粒粘土粒粘土粘土+-粘土的粘土的电泳电泳和和电渗电渗现象现象( (列依斯列依斯, 1809), 1809)双电层的概念双电层的概念土颗粒土颗粒表面：负电荷；表面：负电荷；水分子水分子：极性分子：极性分子h+、oh-; 水水溶液中带阳离子溶液中带阳离子：na，ca等。等。 土颗粒表面负电荷围绕土粒形成电场，在电场土颗粒表面负电荷围绕土粒形成电场，在电场

9、作用范围内的作用范围内的水分子水分子和水溶液中的和水溶液中的阳离子阳离子吸附于土吸附于土粒表面，呈不同程度的定向排列。粒表面，呈不同程度的定向排列。- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -+粘土颗粒粘土颗粒水分子水分子阳离子阳离子离土粒越近，电分子力越大，离土粒越近，电分子力越大，从而形成紧密吸附于土粒表从而形成紧密吸附于土粒表面的面的固定层（强结合水）固定层（强结合水）和和在固定层外围的在固定层外围的扩散层扩散层(弱结弱结合水合水)，固定层和扩散层中所，固定层和扩散层中所含的阳离子与土颗粒表面的含的阳离子与土颗粒表面的负电荷的电位相反，故称为负电

10、荷的电位相反，故称为反离子反离子，固定层和扩散层合，固定层和扩散层合称为称为反离子层反离子层。反离子层与。反离子层与土粒表面的负电荷一起构成土粒表面的负电荷一起构成双电层。双电层。扩散层水膜的厚度对粘性土的工程性质影响很大，扩散层水膜的厚度对粘性土的工程性质影响很大，扩散层厚扩散层厚度大，土的塑性就大，膨胀与收缩性也大。度大，土的塑性就大，膨胀与收缩性也大。双电层厚度与矿物本身和外界条件有关：双电层厚度与矿物本身和外界条件有关：蒙脱石颗粒厚度小，形成的扩散层相对厚度大于高岭石蒙脱石颗粒厚度小，形成的扩散层相对厚度大于高岭石水溶液中的阳离子的原子价位越高，它与土粒之间的的静电水溶液中的阳离子的原

11、子价位越高，它与土粒之间的的静电引力愈强，平衡土粒表面负电荷所需阳离子数量愈少，扩散层引力愈强，平衡土粒表面负电荷所需阳离子数量愈少，扩散层愈薄愈薄外部温度升高，双电层厚度就增大外部温度升高，双电层厚度就增大工程实践中用三价及二价离子（工程实践中用三价及二价离子（mg2+ca2+ fe3+ al3+ ）处理）处理粘土，使扩散层中高价阳离子度增加，扩散层变薄，从而增加粘土，使扩散层中高价阳离子度增加，扩散层变薄，从而增加了土的强度与稳定性，了土的强度与稳定性，减少了膨胀性。减少了膨胀性。思考：如果增加思考：如果增加膨胀用什么离子？膨胀用什么离子？第五节 土的结构 土的结构指的是组成土粒的大小、形

12、状、表面特征、土粒的排列情况和土粒间的连结关系。 土的结构决定土的许多重要的物理力学性质，尤其是对土粒间的连结与土粒的排列方式更为重要。几种连结类型 1）结合水连结：粘性土为主 2）毛细水连结：粉土和砂土 3）胶结连结：水溶盐类，盐渍土、黄土 4）冰连结：冻土土的结构和构造土的结构和构造集合体特征：土粒单元大小、矿物成分、集合体特征：土粒单元大小、矿物成分、形状、相互排列及其关联关系形状、相互排列及其关联关系土土的的结结构构微 观 结 构微 观 结 构（结构）（结构）宏观结构（构造）：表征土的层理、裂隙及大孔隙等宏宏观结构（构造）：表征土的层理、裂隙及大孔隙等宏 观特征。观特征。水的性质水的性质孔隙特征孔隙特征1.土的结构土的结构 基本类型：基本类型：单粒结构；单粒结构；蜂窝结构（粒径蜂窝结构（粒径0.0750.005mm）；）；絮状结构（粒径絮状结构（粒径0.005mm）。）。单粒结构单粒结构蜂窝结构蜂窝结构絮状结构絮状结构单粒结构单粒结构蜂窝结构蜂窝结构土的构造分为土的构造分为层理构造、分散构造、结核构造和裂隙构造层理构造、分散构造、结核构造和裂隙构造。分散构造分散构造裂隙构造裂隙构造 土有三个组成部分：固相、液相和气相土有三个组成部分：固相、液相和气相 小小 结结1. 固体颗粒固体颗粒2. 土中水土中水3. 土中气体