1、第一章 土的物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)構(gòu)造,土的粒度成分,1.1,土的礦物成分,1.2,土中的水和氣體,1.3,土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造,1.4,一土的定義（土的形成）,風(fēng)化、搬運、堆積作用,土，土體,巖石，巖體,概 述,搬運、堆積,巖石,地球,風(fēng)化,土的定義土是由各種不同成因類型的巖石經(jīng)風(fēng)化、搬運、堆積而成的疏松沉積物，它們通常是由相互作用著的固、液、氣體三個部分組成的多相體系。,A,A,A,A,W,W,注意： a. 砂土，卵石土，漂石（塊石）土等，均叫“土”；,粘土,細砂土,粗砂土,卵石土,碎石土,粘土,b. “土” 與“土壤” 不同。,土壤第四紀松散物質(zhì)沉積成土后，再在一個相當長的穩(wěn)定環(huán)境中經(jīng)受物理化學(xué)及生物

2、化學(xué)的成壤作用 所形成的土體，統(tǒng)稱為土壤。,峨眉黃灣階地,羅壩級堆積階地,廟兒崗洪積扇,泥石流形成區(qū),流 通 區(qū),堆 積 區(qū),土的成因類型：,等,湖相沉積,風(fēng)積土,冰積土,二土的基本組成,土,固相礦物顆粒或巖屑 液相主要是水 氣相主要是空氣、水蒸氣,土的三相組成不是絕對不變的，其中固相部分隨時間、自然環(huán)境的變化較??；而土中的水和空氣對客觀環(huán)境的變化非常敏感。,土的工程地質(zhì)性質(zhì)主要取決于固相，特別是土粒的大小和礦物類型。自然界中的土顆粒大小相差極為懸殊（幾十厘米以上小于1微米），由它們組成的土的性質(zhì)也必然存在很大的差異。因此，研究土的工程地質(zhì)性質(zhì)首先應(yīng)研究組成土的土顆粒的大小。,土的粒度成分,1

3、.1,一粒徑和粒組（P6）,1.粒徑土顆粒的大小，通常以其直徑(d)來表示，單位一般采用毫米(mm)。 注：土顆粒并非理想的球體，應(yīng)理解為土粒的等效直徑。,當土的粒徑在某一范圍內(nèi)變化時，土的工程地質(zhì)性質(zhì)差別不大。為了便于研究粒徑與土的工程地質(zhì)性質(zhì)的關(guān)系，將自然界中土顆粒的粒徑變化范圍劃分為幾個區(qū)段，每個區(qū)段中包括的土粒成分相近，性質(zhì)相似。,2.粒組按粒徑劃分的顆粒組別，同一粒組的土顆粒成分及性質(zhì)相似。,劃分原則如下： （P7） a.能反映粒徑對土的工程地質(zhì)性質(zhì)的影響； b. 與目前所采用的研究方法，技術(shù)水平相適應(yīng)，且使用方便。,3.粒組劃分目前，國內(nèi)外土的粒組劃分標準并不完全一致，我國普遍采用

4、“六大粒組”劃分方案。,粒徑d（mm）,粒組名稱,0.005,0.075,2,60,200,粘粒,粉粒,砂粒,礫粒,卵石粒 （碎石粒）,漂石粒 （塊石粒）,一般規(guī)律：顆粒越細（粒徑d越?。杆栽饺?，受外力時越易變形，強度越小。,（P7表1-1）,細粒 （d 0.075mm）、粗粒（0.075-60mm）、巨粒（d 60mm ）,二粒度成分的測定及其表示方法,1.粒度成分的定義又叫“顆粒組成”、“顆粒級配 ” ，指土中不同粒組的顆粒的百分含量，通常用各粒組顆粒的質(zhì)量占該土土顆?？傎|(zhì)量的百分數(shù)來表示。是決定土的工程地質(zhì)性質(zhì)的重要結(jié)構(gòu)特征之一。,篩分法,篩分法（d0.075mm的土）,密度計法,

5、3.粒度成分的表示方法,（1）表格法（表1-2） （2）圖解法（包括累積曲線法， 分布曲線法）,根據(jù)顆粒分析試驗結(jié)果求出各粒組的質(zhì)量占全部土粒質(zhì)量的百分比，然后按小顆粒至大顆粒計算累積百分含量，用半對數(shù)坐標繪制成顆粒組成（級配）累積曲線。,土的顆粒組成累積曲線（半對數(shù)坐標系）,小于某粒徑的累計百分含量,(%),(1) 曲線的形態(tài)反映土粒的均勻程度 曲線左陡，表示土顆粒大小相差不多，土粒較均勻，級配不好； 曲線右緩，表示土顆粒大小懸殊，土粒不均勻，即級配良好。,注：作為填方工程（山區(qū)機場，高速公路均有填方，挖方）的土料，級配好則容易獲得較小的孔隙比，較大的密實度，較好的工程地質(zhì)性質(zhì)（高強度及低變

6、形性）。 P171 滲透變形類型判定,(2) 可獲得幾個粒徑指標及反映土均勻程度的指標 有效粒徑d10 限制粒徑d60和 d30 平均粒徑d50 不均勻系數(shù)Cu d60/ d10 曲率系數(shù)Cc d30* d30 / （ d10* d60）,累積曲線的用途,注：當Cu5且Cc13時，土的級配是良好的， 如不能同時滿足上述兩個條件，則級配是不良的。,小于某粒徑的累計百分含量(%),課后練習(xí)土的顆粒組成累計曲線 （用Excel電子表格軟件）,自己給出數(shù)據(jù)，參照：P302標準篩孔徑,要求 繪出累計曲線 給出d60、 d50、 d30、 d10 計算不均勻系數(shù)Cu曲率系數(shù)Cc 評價土的級配好壞,三土按顆

7、粒組成的分類,1.巨粒土和含巨粒的土、粗粒土、細粒土的劃分： 巨粒土和含巨粒的土d60mm的顆粒含量超過15的土 粗粒土d0.075mm的顆粒含量超過50的土 細粒土d0.075mm的顆粒含量超過50的土,2.各類土的進一步細分：（P9）,粗粒土（礫類土、砂類土） 細粒土（粉土、粉質(zhì)粘土、粘土 ）,P39 表4-1 一般類型土的工程地質(zhì)特征比較,一土的礦物成分的基本類型,土的礦物成分,1.2,土中礦物顆粒的成分取決于,巖石,大小不同的巖石碎塊或顆粒,物理,進一步風(fēng)化,顆粒減小，化學(xué)成分發(fā)生變化，形成新礦物,母巖的成分,風(fēng)化程度,風(fēng)化,物理、化學(xué)風(fēng)化,土的礦物成分,無機礦物,有機礦物,原生礦物巖

8、漿中直接生成的礦物，是巖石經(jīng)物理風(fēng)化破碎但成分沒有發(fā)生變化的礦物碎屑。如石英、長石、云母、方解石、角閃石、輝石等；,次生粘土礦物是原生礦物經(jīng)過化學(xué)風(fēng)化作用，形成的一些顆粒更細小的新礦物。,粘土礦物對土的工程地質(zhì)性質(zhì)具有極為重要的意義，即使當其在土中的含量并不占優(yōu)勢時，也能表現(xiàn)出明顯的控制作用，從而賦予粘性土以獨特的“粘土特性”。,二礦物成分與粒度成分的關(guān)系（ P10 ） （自學(xué)）,三粘土礦物的類型及基本特征（ P11）,粘土礦物對土的工程地質(zhì)性質(zhì)的控制作用，及其原因:,獨特的晶體結(jié)構(gòu)（層狀，鏈狀晶體結(jié)構(gòu)，易變形）； 顆粒細小，比表面積大，具有一系列表面特性。,1. 粘土礦物(clay mine

9、rals)的定義 粘土礦物是由原生硅酸鹽類礦物經(jīng)水解作用而形成的，具層狀或鏈狀晶體結(jié)構(gòu)的，高分散性，含水的次生硅酸鹽礦物。（ P11）,水解作用存在于水介質(zhì)中的原生硅酸鹽礦物，其中的某些金屬離子被由水分子離解而成的H+所置換，形成了含有OH的新礦物。,T、O的不同組合結(jié)果，即形成不同的粘土礦物類型（ 最常見的三種高嶺石，蒙脫石，伊利石）,2. 粘土礦物(clay minerals)的類型絕大多數(shù)粘土礦物是晶質(zhì)的，其晶胞的基本構(gòu)成單元是硅氧四面體層（T）和鋁氫氧八面體層（O）。,T O,Noncrystalline clay -allophane,Mitchell, 1993,高嶺石 埃洛石 葉

10、蠟石 蒙脫石 蛭石 伊利石 綠泥石,電荷,硅氧四面體層 T,鋁氫氧八面體層 ,Basal spacing is 7.2 ,Si4Al4O10(OH)8. Platy shape The bonding between layers are van der Waals forces and hydrogen bonds (strong bonding). There is no interlayer swelling,layer,Trovey, 1971 ( from Mitchell, 1993),17 m,高嶺石晶體結(jié)構(gòu) Kaolinite（兩層型）,T O,晶胞厚度,OH-O， 氫鍵聯(lián)結(jié)

11、較為牢固,蒙脫石晶體結(jié)構(gòu) Montmorillonite （三層型）,nH2O+cations,5 m,Si8Al4O20(OH)4nH2O (Theoretical unsubstituted). Film-like shape. There is extensive isomorphous substitution for silicon and aluminum by other cations, which results in charge deficiencies of clay particles. nH2O and cations exist between unit laye

12、rs, and the basal spacing is from 9.6 to (after swelling). The interlayer bonding is by van der Waals forces and by cations which balance charge deficiencies (weak bonding). There exists interlayer swelling, which is very important to engineering practice (expansive clay).,(Holtz and Kovacs, 1981),晶

13、胞厚度,陽離子,膨脹性粘土,O-O， 分子鍵聯(lián)結(jié)，很不牢固,potassium,Si8(Al,Mg, Fe)46O20(OH)4(K,H2O)2. Flaky shape. The basic structure is very similar to the mica, so it is sometimes referred to as hydrous mica. Illite is the chief constituent in many shales. Some of the Si4+ in the tetrahedral sheet are replaced by the Al3+,

14、and some of the Al3+ in the octahedral sheet are substituted by the Mg2+ or Fe3+. Those are the origins of charge deficiencies. The charge deficiency is balanced by the potassium ion between layers. Note that the potassium atom can exactly fit into the hexagonal hole in the tetrahedral sheet and for

15、m a strong interlayer bonding. The basal spacing is fixed at 10 in the presence of polar liquids (no interlayer swelling).,7.5 m,Trovey, 1971 ( from Mitchell, 1993),K,伊利石晶體結(jié)構(gòu) Illite （三層型）,鉀,云母,水云母,晶胞厚度,主要是 K+， 離子鍵,3. 粘土礦物(clay minerals)的基本特征 三種常見粘土礦物特征對比見下表：,三種常見粘土礦物特征對比表,本節(jié)只講土中水的基本類型，而水對土的物理、力學(xué)性質(zhì)的影

16、響以后2、3章穿插講述。,土通常是三相體系，但在特殊情況下為兩相： 飽水土土中的全部孔隙完全被水充滿； 干土土中的全部孔隙完全被空氣充滿。,土中的水和氣體（ P12 ）,1.3,一土中水的基本類型,礦物晶格中的結(jié)構(gòu)水，結(jié)晶水,結(jié)合水,固態(tài)水,液態(tài)水,毛細水（毛管水）,土中的水,氣態(tài)水（水汽）,礦物顆粒間的冰,重力水（自由水）,強結(jié)合水（吸著水）,弱結(jié)合水（薄膜水）,1.結(jié)構(gòu)水，結(jié)晶水 只有在140170的高溫下才能轉(zhuǎn)化為氣態(tài)水與土粒分離，本身不能對土的工程地質(zhì)性質(zhì)產(chǎn)生直接影響，只能通過礦物來起作用。,2.冰 水的相態(tài)變化（體積，密度隨之變化）對土的性質(zhì)有很大影響，特別是在高海拔，低氣溫地區(qū)存在

17、凍土問題。凍土中的冰將土粒膠結(jié)起來，從而在一定程度上提高土的強度，但解凍后土的強度會降低。例如青藏鐵路(550公里常年凍土地帶 /格爾木拉薩1142公里)，我國北方大部分地區(qū)都存在凍土問題，應(yīng)注意基礎(chǔ)埋置深度。,3.結(jié)合水 在礦物顆粒表面作用力（靜電引力，分子力）的直接影響下而形成于顆粒表面的水。按其形成機制和與顆粒表面結(jié)合的牢固程度，可分為強結(jié)合水和弱結(jié)合水。,49,結(jié)合水,注意：在結(jié)合水的總量中，強結(jié)合水占少數(shù)，主要是弱結(jié)合水。土，尤其是粘性土的狀態(tài)和性質(zhì)與弱結(jié)合水的含量有非常密切的關(guān)系。 弱結(jié)合水是粘性土所特有的“粘土特性”的物質(zhì)基礎(chǔ)。,4.毛細水 地下水受土粒間孔隙的毛細作用上升的水分

18、。主要存在于砂土和粉土中。 自學(xué)內(nèi)容，可參考水文地質(zhì)學(xué),5.重力水（自由水） 是水文地質(zhì)學(xué)研究的主要對象。是指存在于較粗大孔隙中，具有自由活動能力，在重力作用下會發(fā)生運動的水。它對土的工程地質(zhì)性質(zhì)的影響有2個方面： 機械潛蝕流動時沖刷帶走土中的細小顆粒 化學(xué)溶蝕溶解土中礦物，改變土的礦物組成，結(jié)構(gòu)和孔隙水溶液的成分和濃度。 結(jié)果兩種作用都使土中的孔隙增多，加大， 可壓縮性增大，強度降低。,6.氣態(tài)水 水蒸汽是水的氣態(tài)形式。它在土中的含量甚少，一般不超過土的總質(zhì)量的0.001。但是，不能低估水蒸汽的作用，因為它是在土的含水率很低時，水的唯一能移動的形態(tài)，它在顆粒表面凝結(jié)，將形成其它形態(tài)的水，包括

19、結(jié)合水。,二土中的氣體,主要為空氣和氣態(tài)水，有時可能含有較多的CO2、CH4、H2S等?？煞譃?種： 游離氣體與大氣相通，對土的性質(zhì)影響較小。 密閉氣體與大氣隔絕，對土的性質(zhì)影響較大，使土不易被壓實，透水性降低。一旦與大氣連通，沉陷大，危害大；或因溫度，壓力的改變，溶于水造成體積減小，導(dǎo)致地面發(fā)生沉陷。,研究意義即使土的物質(zhì)成分相同（相近），但如果土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特征不同，其工程地質(zhì)性質(zhì)也會有明顯的差異。 例如同是粒徑接近的土顆粒組成的砂土，如砂粒排列的緊密程度不同，則透水性、壓縮性、強度就有差別。,土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造（ P13 ）,1.4,一土的結(jié)構(gòu),1.定義組成土的顆粒（土粒）的形態(tài)及組合特征，

20、包括顆粒的大小、形狀和表面特征，顆粒的排列組合情況和數(shù)量關(guān)系，以及粒間的聯(lián)結(jié)特征和孔隙特征（孔隙的大小，多少）。,土的結(jié)構(gòu)是在成土過程中逐漸形成的，它與礦物成分、顆粒形狀、沉積條件相關(guān)。,土 的 結(jié) 構(gòu),顆粒的大小粒徑 形狀磨圓度 表面特征粗糙程度 顆粒的排列組合情況和數(shù)量關(guān)系疏密程度和定向性，例如河床相扁平狀礫石的定向排列。 粒間的聯(lián)結(jié)特征結(jié)合水聯(lián)接、毛細水聯(lián)接、膠結(jié)聯(lián)接、冰聯(lián)接。 孔隙特征土中孔隙的大小，多少,與搬運介質(zhì)和搬運距離有關(guān),2.土的結(jié)構(gòu)類型的劃分（P14 P15）,單粒（散粒）結(jié)構(gòu)是巨粒土、粗粒土（主要指卵礫土和砂土）的基本結(jié)構(gòu)形式 。單粒結(jié)構(gòu)對土的工程地質(zhì)性質(zhì)的影響主要在于其松密程度。,按照土顆粒之間的相互關(guān)系劃分單粒結(jié)構(gòu)和集合體結(jié)構(gòu),舉例：洪積物的砂土、礫石土呈疏松單粒結(jié)構(gòu)，存在較大孔隙，受力易變形；而海岸、湖岸