第一章工程岩土学

第一章土的物质组成§1.土的相系组成一.土及土体的概念土：岩石经过各种复杂的地质作用形成的松散堆积物。土体：与工程建筑的变形和强度有关的土层的集合体。二.土的相系组成一般土由固体颗粒（土粒）、孔隙中的水、空气三相物质组成。干土为二相土饱和土为二相土（土粒、气体）（土粒、水）第一章土的物质组成一.粒级及其划分1.粒径：土粒大小用其直径来表示。单位：毫米2.粒组：把粒径大小相近，性质相似的土合并分组3.粒组划分的原则：a.分界点的粒径是土的性质从量变到质变的分界点b.与测试技术相适应c.符合一定的数学规律，便于记忆§2.土的粒度成分性质气相气体：气体类型、质液相水：水的类型、性矿物成分、化学成分固相土粒：粒度成分、土第一章土的物质组成4.我国粒组的划分我国划分六大粒组　　　性低，抗剪强度高）　水性强，无连结，压缩（土粒大，孔隙大，透合并称卵砾石组砾　　石　　组：卵石（碎石）组：漂石（块石）组：mmmmmmmm222020200200砂粒组：2-0.075mm粉粒组：0.075-0.005mm粘粒组：0.005mm砂粒组：2-0.075mm粗砂：2-0.5mm中砂：0.5-0.25mm细砂：0.25-0.1mm极细砂：0.1-0.075mm第一章土的物质组成二．粒度的成分及测定方法1.粒度成分：土中各粒组的相对含量。通常用各粒组质量占干土质量的百分比表示。2.粒度分析：测定土的粒度成分的方法。——颗分3.测定土的粒度成分的方法：0.075mm粗粒—筛分析；0.075mm细粒—静水沉降法（比重计法）大小土粒混杂—联合测定（筛析+静水沉降）三．粒度分析成果表示法1.表格法：百分含量及累积百分含量表示土样号各粒组百分含量各粒组累积含量22-0.50.5-0.250.25-0.10.120.50.250.112第一章土的物质组成土壤筛比重计第一章土的物质组成2.累积曲线表示法横：粒径对数坐标粒径累积含量）纵：累积含量（半对数坐标自然坐标d半对数累积曲线应用：a.从曲线上可查出任意粒径的累积含量b.求任意粒径区段的百分含量：两分界粒径点的累积百分含量之差c.从曲线中查出d10,d30,d60,计算Cu,Cc,评价土的均一性1060ddCu6010302dddCc第一章土的物质组成A01020304050607080901000.0010.010.1110粒径(mm)小于某粒径百分含量(%)d10,d30,d60分别是累积含量为10％，30％，60％时的粒径大小。Cu为不均匀系数。Cc为曲率系数。Cu越大，曲线越缓，说明土良好级配，土不均匀。Cu越小，则曲线越陡，土不良级配，均匀。当Cu≥5，Cc＝1～3时，为不均匀土。不同时满足以上条件为均匀土。颗分累积曲线第一章土的物质组成四．土的粒度成分分类粒度分类：土按粒度成分进行的分类叫粒度分类地矿部82年土的粒度分类1.根据2mm和0.005mm的粒组，把土分为三大类卵砾类土：2mm的颗粒50%，粘粒不定砂类土：2mm的颗粒50%，粘粒6%粘性土：2mm的颗粒50%，粘粒6%2.卵砾类土可分为：漂石（块石）土：200mm的50%卵石（碎石）土：20mm的50%砾石土：2mm的50%3.砂类土：根据0.075mm的砾、砂和(0.075~0.005mm)的粉粒分为粉粒组的砾砂组少于粉土：粉粒组的砾砂组多于砂土：砂类土)005.0~075.0(075.0)005.0~075.0(075.0mmmmmmmm第一章土的物质组成%751.0%751.0%5025.0%505.050252　　粉砂：　　细砂：　　中砂：　　粗砂：％～　　　砾砂：砂土mmmmmmmmmm　　定为中砂的为砂土砾砂多于粉粒组　　定　　定为砂类土　　粘粒的%5025.0075.0%6%502mmmmmm砾砂组粗砂组中砂组细砂组粉砂组粉粒组粘粒2mm2-0.5mm0.5-0.25mm0.25-0.1mm0.1-0.075mm0.075-0.005mm0.005mm152018725105第一章土的物质组成累积百分含量百分含量定名2mm0.075mm0.005mm2mm2-0.075mm0.075-0.005mm0.005mm1006521.503543.521.54.粘性土粉质重亚粘土砾砂粉质重粘土：粉　　重粘土：砾砂粉质轻粘土：粉　　轻粘土：　　粘　　土砾砂　　粉质重亚粘土：粉　　重亚粘土：砾砂　　粉质中亚粘土：粉　　中亚粘土：砾砂　　粉质轻亚粘土：粉　　轻亚粘土：）　　亚粘土砾砂粉质亚砂土：粉粒砾砂亚砂土：粉粒　％　　亚砂土%60005.0%6030005.0%)30005.0(%3020005.0%2015005.0%1510005.0%3010005.0()106005.0(mmmmmmmmmmmmmmmm§3.土的矿物成分第一章土的物质组成一.土中矿物类型有机质矿物次生矿物原生矿物(一)原生矿物母岩经物理风化作用形成碎块，它保留了原岩的矿物成份。磷酸盐矿物：磷灰石化铁硫化物：硫化亚铁，硫矿物氧化物矿物：石英，铁云母类，辉石，角闪石硅酸盐矿物：长石类，原生矿物原生矿物特点：颗粒粗大，亲水性差，毛细性、压实性差；抗风化能力和抗水性较强，性质较稳定。是组成卵砾类土和砂类土的主要矿物。第一章土的物质组成（二）次生矿物定义：原生矿物（母岩）在一定气候条件下，经化学风化后分解形成的颗粒更细的新矿物。1.可溶性次生矿物：（硅酸盐或长石矿物）母岩经化学风化后，可溶性物质被溶液带走，又沉淀出来成为土粒的组成部分。——起胶结作用，充填孔隙，提高土强度的作用。方解石，白云岩）难溶盐　　石膏）中溶盐　　　易溶盐　　根据溶解度可分为(/015.0(/2/200333dmgdmgdmg可溶盐是土中的不稳定因素。粘土矿物倍半氧化物次生二氧化硅　不可溶次生矿物.2第一章土的物质组成①次生SiO2：从硅酸盐矿物结晶格架上游离出的SiO2碎片—颗粒细小，化学稳定性较强，在水中呈凝胶状，形成粘粒质矿物。（带结晶水：SiO2•nH2O）②倍半氧化物：（R2O3•nH2O）三价Fe、Al与O、OH、H2O结合—游离氧化物，颗粒细小，在土中起胶结作用，强度较高—胶粒（0.002mm）③粘土矿物：水云母类（伊利石类）高岭石类蒙脱石类（三）动植物残骸经微生物分解成颗粒细小的矿物分解完全的腐殖质松多孔）分解不完全的泥炭（疏亲水性强，1%有机质相当于1.5%粘粒第一章土的物质组成土中石英土中有机质矿物第一章土的物质组成1.粘土矿物：是由原生矿物经过化学风化作用后形成的具有片状或链状结晶格架的颗粒细小，亲水性强，具有胶体特性的铝硅酸盐矿物。二.粘土矿物主要类型及基本特征粘土矿物主要由Si—O四面体和Al—O八面体按不同的比例组合而成。硅氧四面体由一个Si和四个O组成，两个四面体共用一个O，总体呈-1价。代号铝氧八面体由一个Al和六个OH组成。三个八面体共用一个OH。总电价为+1价，第一章土的物质组成2.高岭石组（类）—K1：1型，由一个Si—O四面体和一个Al—O八面体组成晶胞。连结力：氢键—力很强。高岭石组形成的粘粒较粗大，甚至可形成粉粒，与水作用时可吸附极性水分子，形成水化膜，具有较大的可塑性。晶体形状：六方片形，书本状，蠕虫状。形成环境：温热的环境（亚热带、热带）风化后期形成第一章土的物质组成高岭石土中高岭石第一章土的物质组成3.蒙脱石类：——M2：1型，由两个Si—O四面体和一个Al—O氧八面体组成。层间由静电引力连结，层间可由大量水分子进出。颗粒细小。水多——蒙脱石层间距大——膨胀；水少——蒙脱石层间距变小——收缩。特点：颗粒细小，亲水性强，吸水膨胀，失水收缩，压实性差，干时强度高。半干旱时形成，风化初期产物。蒙脱石晶体形状：翘起的薄片状第一章土的物质组成4.伊利石（水云母）——Ｉ2：1型，由两个Si—O四面体和一个Al—O氧八面体组成，层间有K+，连结力为离子静电引力。颗粒小于高岭石，大于蒙脱石；亲水性大于高岭石，小于蒙脱石。形成环境：富K+环境。伊利石晶体形状：片状，发丝状总结：K：相邻晶胞间具有较强的氢键连结，结合牢固，形成较粗的粘粒，比表面积小，亲水性弱，压缩性较低，抗剪强度较大。M：相邻晶胞间间距大，连结较弱，水分子易渗入，形成较细的粘粒，比表面积较大，亲水性较强，膨胀性显著，压缩性高，抗剪强度低。I：工程地质性质介于两者之间。三.矿物成分与粒组间关系卵砾组以原生矿物为主（Q、f）；砂粒组以原生矿物为主（Q、f、云母）；粉粒组主要石英、难溶盐、高岭石；粘粒主要是次生矿物、有机质。第一章土的物质组成第一章土的物质组成§4.土中的水一.土中水的类型固态水气态水液态水非结合水（土粒表面结合水）弱结合水强结合水结合水土孔隙中的水沸石水结晶水结构水结合水）矿物内部水（矿物内部土中水二.矿物内部结合水1.结构水：以H+和OH-存在结晶格架固定位置上，数量一定。与结晶格架结合牢固，是固体颗粒的一部分。加热到450oC~500oC时析出成水，形成新矿物。2.结晶水：以水分子的形式存在于结晶格架固定位置，与结晶格架结合较牢固，数量一定。加热到400oC时析出，形成新矿物。石膏CaSO4•2H2O，苏达Na2CO3•10H2O3.沸石水：以水分子形式存在于相邻晶胞之间，与矿物结合较弱，加热到80oC~120oC时析出（数量不定），不形成新矿物。第一章土的物质组成三.土粒表面结合水指土中细小颗粒与水作用后，由于静电引力或其它物理化学作用使水被吸附于颗粒表面，形成一层水膜，这部分水通常称为土粒表面结合水，简称结合水。1.土粒表面结合水的形成第一章土的物质组成①土粒表面电荷对极性水分子的吸附作用相同的离子）选择性吸附（吸附性质）表面解离（两性氧化物同晶置换粒带负电由于晶体不完整性，颗土粒带电水分子：偶极性——由O2-和H+靠极性键结合，氧端有过剩负电荷，氢端有过剩正电荷——具有极性。②氢键连结作用③交换阳离子的水化作用④渗透吸附作用及范德华力作用。2.土粒表面结合水的性质根据分子被吸引的牢固程度和水分子活动能力——强结合水；弱结合水。①强结合水：被牢固的吸附在土粒表面的极薄的水层。也称吸着水②弱结合水：又称薄膜水③结合水对土性质的影响：第一章土的物质组成四.非结合水1.毛细水：土的细小孔隙（毛细孔0.5-0.002mm）中，在固相、液相、气相三相交界处的水分子由于毛细作用而与土粒结合，存在于地下水面以上的过渡类型水。研究意义：第一章土的物质组成2.重力水不受土的引力作用，受重力控制的水，自由活动，存在于大颗粒土中。对土性质的影响：a.机械潜蚀：重力水的流动产生的动力压力冲刷或带走土中细小颗粒，孔隙增大。b.化学潜蚀：重力水溶解土中的可溶性矿物，影响孔隙五.固态水六.气态水水汽从高压→低压流动