-1第一章土的组成课件

1、第一章土的组成防灾工程系王振宇 土的组成1.1 土的概念及基本特征1.2 土的生成1.3 土的组成1.1 土的概念及基本特征概念：土是连续、坚固的岩石在风化作用下形成的大小悬殊的颗粒，经过不同的搬运方式，在各种自然环境中生成的沉积物。而土历经压密固结、胶结硬化也可再生成岩石。土固相液相气相土中颗粒的大小、成分及三相之间的相互作用和比例关系，反映出土的不同性质。 岩石风化（物理、化学）作用岩石破碎 化学成分改变搬运沉积大小、形状和成分都不相同的颗粒集合体（土） 1.2 土的生成 物理风化 化学风化 生物活动岩石和土的粗颗粒受各种气候等物理因素的影响产生胀缩而发生裂缝,或在运动过程中因碰撞和摩擦而

2、破碎是颗粒大小发生量的变化矿物成分与母岩相同，称原生矿物（石英、长石等）产生无粘性土 1.2 土的生成母岩表面和碎散的颗粒受环境因素的作用而改变其矿物的化学成分，形成新的矿物颗粒成分发生质的变化矿物成分与母岩不同，称次生矿物（蒙脱石、伊利石）形成十分细微的土颗粒，最主要为粘性颗粒及可溶盐类 物理风化 化学风化 生物活动 1.2 土的生成包括植物、动物和土壤微生物的作用可加剧物理和化学风化构成土中有机质和营养物质的生物循环导致腐殖质的形成，改变土壤的结构 物理风化 化学风化 生物活动土岩石风化、搬运、沉积地质作用1.2 土的生成1.2 土的生成地质作用：导致地壳成分变化和构造变化的作用，称为地质

3、作用。 地质作用内力地质作用外力地质作用内力地质作用是由于地球自转产生的旋转能和放射性元素蜕变产生的热能等，引起地壳物质成分、内部构造以及地表形态发生变化的地质作用，如岩浆活动、地壳运动。1.2 土的生成外力地质作用是由于太阳辐射能和地球重力位能所引起的地质作用。它包括气温的变化、雨雪、山洪、河流、湖泊、海洋、冰川、风、生物等的作用，对地壳不断地进行侵蚀，使地表形态发生变化、形成新的产物。土的形成条件，常见的成因类型如下：1 残积土残留在原地未被搬运的那一部分风化产物。颗粒不能被磨圆或分选。残积物与基岩之间没有明显界限，其矿物成分很大程度上与下卧基岩一致。由于残积物均质性很差，颗粒多为棱角状的

4、粗颗粒土，孔隙度较大，作为建筑物地基容易引起不均匀沉降。1.2 土的生成坡积土 雨雪水流的地质作用将高处岩石风化产物缓慢地冲刷剥蚀、顺着斜坡向下移动、沉积在较平缓的山坡上而形成的沉积物。 自上而下呈现由粗而细的分选现象。其矿物成分与下卧基岩没有直接关系。 由于组成物质粗细颗粒混杂，土质不均，厚度变化大。新近堆积物，土质疏松，压缩性较大。是不良的地质条件。1.2 土的生成洪积扇群 由暴雨或大量融雪骤然集聚而成的暂时性山洪急流,具有很大的剥蚀、搬运能力。它冲刷地表，挟带着大量碎屑物质堆积于山谷冲口或山前倾斜平原而形成洪积物。 离山越远，颗粒越细，分布范围逐渐扩大。其地貌特征是靠山近处窄而陡，离山远

5、处宽而缓，形如锥体，故称为洪积锥（扇）。由相邻沟谷口的洪积扇组成洪积扇群。3.洪积土1.2 土的生成2.淤泥夹粘土透镜体1.表土层3.粘土尖灭层4.砂土夹粘土层5.砾石层6.石灰岩层土 的 层 理 构造 洪积物的颗粒虽因搬运过程中的分选作用呈现渐变现象,但由于搬运距离短,颗粒的磨圆度仍不佳。此外，山洪是周期性产生的，每次的大小不尽相同，堆积物质也不一样。因此，洪积物常呈现不规则的层理构造，如具有夹层、尖灭或透镜体等产状。靠近山地或离山较远地段的洪积物的承载力高，而过度地带由于地下水溢出地表造成沼泽地带，土质软、承载力低。1.2 土的生成平原河谷横断面砾卵石中粗砂粉细砂粉质粘土粉土黄土淤泥4.冲

6、积土 冲积土是河流流水的地质作用将两岸基岩及其上部覆盖的坡积、洪积物剥蚀后搬运沉积在河流坡降平缓地带形成的沉积土。其特点是呈现明显的层理构造，土颗粒上游较粗，下游较细，由于搬运作用显著，碎屑物质由带棱角颗粒经滚磨、碰撞逐渐形成亚圆或圆形颗粒，其搬运距离越长，则沉积土越细。分选性和磨圆度较好。典型的冲积物是形成于河谷内的沉积物，可分为平原河谷冲积土和山区河谷冲积土、三角洲沉积土等。1.2 土的生成Back1.2 土的生成5湖沉积土在湖泊及沼泽等极为缓慢流水或静水条件下沉积下来的土，或称淤积土，含有大量细微颗粒，常伴有生物化学作用形成的有机物，成为具有特殊性质的淤泥或淤泥质土。土的压缩性高，强度很

7、低。承载力极低，一般不宜作天然地基。6海积土按海水深度及海底地形，海洋可分为滨海带、浅海区、陆坡区和深海区，相应的四种海相沉积物性质也各不相同。 滨海沉积物主要由卵石、圆砾和砂等组成，具有基本水平或缓倾的层理构造，其承载力较高，但透水性较大。 浅海沉积物主要由细粒砂土、粘性土、淤泥和生物化学沉积物（硅质和石灰质）组成，有层理构造，较滨海沉积物疏松、含水量高、压缩性大而强度低。 陆坡和深海沉积物主要是有机质软泥，成分均一。1.2 土的生成7.风积土是指在干旱的气候条件下，岩石的风化碎屑物被凤吹扬，搬运一段距离后，在有利的条件下堆积起来的一类土。其颗粒磨圆度好，分选性好，土质均匀，孔隙大，结构松散

8、，具有湿陷性。西北黄土就是典型的风积土。8冰积土是由冰川或冰川融化的冰下水进行搬运堆积而成。颗粒粗细变化大，一般分选性极差，无层理，土质不均。9污染土1.2 土的生成土中气体 气相 次要作用固体颗粒 固相 构成土体的骨架 起决定作用 土中水 液相 重要影响1.3 土的组成气相固相液相+土体1.3 土的组成1.3.1 土的固体颗粒固体颗粒1.土粒的矿物成分原生矿物:母岩经物理风化而成,如石英、云母、长石；次生矿物：母岩经化学风化而成，如粘土矿物、铝铁氧化物、氢氧化物等。常见的粘土矿物有蒙脱石、伊里石、高岭石；由于粘土矿物颗粒很细，比表面积很大，所以颗粒表面具有很强的与水作用的能力，因此，土中含粘

9、土矿物愈多，则土的粘性、塑性和胀缩性也愈大。粘 土 矿 物粘土矿物是一种复合的铝-硅盐晶体，颗粒呈片状，是由硅片和铝片构成的晶包所组叠而成，可分成高岭石、伊利石和蒙脱石三种类型。 硅片 铝片SiSi氧离子O2-硅离子Si4+硅-氧四面体 硅片的结构 硅片简图1.3 土的组成粘 土 矿 物粘土矿物是一种复合的铝-硅盐晶体，颗粒呈片状，是由硅片和铝片构成的晶包所组叠而成，可分成高岭石、伊利石和蒙脱石三种类型。OH1-铝离子Al3+铝-氢氧八面体 铝片的结构 铝片简图Al Al 硅片 铝片1.3 土的组成粘土矿物典型电镜照片:蒙 脱 石比表面积亲水性158080001.3 土的组成粘土矿物的带电性质

10、：实验表明，片状粘土颗粒表面常带有负电荷。为什么片状粘土颗粒带有不平衡负电荷：离解作用吸附作用同晶置换边缘断裂- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -+粘土颗粒水分子阳离子粘土颗粒的带电性玻璃筒玻璃皿水位升高粘土粒粘土+-粘土的电泳和电渗现象(列依斯, 1809)1.3 土的组成离土粒越近，电分子力越大，从而形成紧密吸附于土粒表面的固定层（强结合水）和在固定层外围的扩散层(弱结合水)，固定层和扩散层中所含的阳离子与土颗粒表面的负电荷的电位相反，故称为反离子，固定层和扩散层合称为反离子层。反离子层与土粒表面的负电荷一起构成双电层。双电层的概念：1.3

11、 土的组成1.3 土的组成双电层的概念：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：如蒙脱石颗粒厚度小，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（Mg2+、Ca2+ 、 Fe3+ AI3+ ）处理粘土，使扩散层中高价阳离子度增加，扩散层变薄，从而增加了土的强度与稳定性，减少了膨胀性1.3 土的组成 2.土粒粒度与粒组 在自然界中存在的土,都是由大小不同的土粒组

12、成的，土的粒径由粗到细逐渐变化时,土的性质相应地发生变化。土粒的大小称为粒度，用粒径表示。将大小相近，性质相似的颗粒划归为一组，称为粒组，划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。常用200、60、2、0.075、0.005mm把土粒分为六大粒组:漂石(块石)颗粒、卵石(碎石)颗粒、圆砾（角砾）颗粒、砂粒、粉粒及粘粒。见下表。粒组统称粒组名称粒组粒径d的范围(mm) 漂石（块石）粒 d 200卵石（碎石）粒 200 d 20 圆砾（角砾）粒 20 d 2砂粒 2 d 0.075 粉粒 0.075 d 0.005粘粒 d 0.005表1.1 土粒粒组划分1.3 土的组成细粒巨粒粗粒3.土的粒度成分（颗粒级

13、配） 土粒大小及其组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量（各粒组占土粒总量的百分数）来表示，称为土的粒度成分（颗粒级配）。 颗分试验：（1）筛分法：粒径0.075mm。（2）沉降分析法：（比重计或移液管法） 粒径10 级配良好Cu105 C）下，才能从矿物中吸出，故可把它视作矿物本身的一部分。2.结合水（强结合水、弱结合水） 受电分子吸引力吸附于土粒表面的土中水。01.3 土的组成（1）强结合水：没有溶解盐类的能力，不能传递静水压力，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度、弹性和抗剪强度。（2）弱结合水：厚度较强结合水大，具有较高的粘滞度、抗剪强度，仍不能传递静水压力。当含量较

14、多时，使土具有一定的可塑性。1.3 土的组成粘土颗粒- - - - - - - - - - - - - - - - - +引力d水分子阳离子强结合水弱结合水自由水（3）自由水重力水：地下水位以下，在土中流动的水，受重力作用，对土粒有浮力作用。毛细水：地下水位以上由于水和空气分界处弯液面上产生的表面张力作用，土中自由水从地下水位通过土的细小通道逐渐上升，形成毛细水。它不仅受重力作用而且还受到表面张力的支配。1.3 土的组成hc毛细水重力水土中水 自由水1.3 土的组成r弯液面由于毛细张力的作用，会形成如图所示的弯液面，使毛细角边水产生负压力（水内压力小于大气压力），颗粒则受正压力。使土粒之间由于

15、这种毛细压力而挤紧，土呈现出粘聚现象，这种力称为毛细粘聚力。这是稍湿的砂土颗粒间存在假凝聚力的原因。在工程中，毛细水的上升高度和速度对建筑物地下部分的防潮措施和地基土的浸湿、冻胀有重要影响。自由气体：与大气连通的气体对土的性质影响不大封闭气体：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，降低渗透性可燃气体：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。 1.3 土的组成1.3.3 土中气体土中含有更多的CO2，较多的N2，较少的O2，地下工程施工时应注意氧气的补给。1.3 土的组成1.3.4土的结构和构造集合体特征：土粒单元大小、矿物成分、形状、相互排列及其关联关系土的结构微观结构（结构）宏观结构（构造）：表征土的层理、裂隙及大孔隙等宏 观特征。水的性质孔隙特征土的结构基本类型1.土的结构 基本类型：单粒结构；蜂窝结构（粒径0.0750.005mm）；絮状结构（粒径0.005mm）。1.3 土的组成单粒结构蜂窝结构絮状结构1.3 土的组成土的构造分为层理构造、分散构造和裂隙构造。土的构造分散构造裂隙构造1.3 土的组成1.3 土的组成研究土结构和构造的工程意义：1.结构和构造直接影响土的物理力学性质2.结构构造不同，地基承载力不同如：无粘性土的单粒结构：紧密单粒结