土力学第2课(1.土的成因与组成,2.土的物理性质指标、击实特性1)

1、土力学 土的成因与组成、土的物理性质和压实机理(1),本次课的主要问题： 土的形成 土三相组成 土的三相指标,学习要求、基本内容,土的形成及颗粒特性,搬运、堆积,形成过程 形成条件,物理力学性质,风化,影响,1.土的形成 自然界的土是由岩石经风化、搬运、堆积而形成的。,土的形成及颗粒特性,生物风化,物理风化,化学风化,量变,无粘性土,原生矿物,质变,粘性土,次生矿物,动植物的活动,1.1风化,有 机 质,岩石和土的粗颗粒受各种气候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破碎。,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,土的形成及颗粒特性,物理风化：指岩石经受风、霜、雨、雪的侵蚀，温度湿度的变化、不均匀膨胀与收缩，使岩石产生裂隙，崩解为碎块。这种风化仅改变颗粒大小与形状，不改变原来矿物成分。生成的土呈松散状态，无粘性土。 化学风化：指岩石碎屑与空气、水和各种水溶液相接触，经氧化、碳化和水化作用，改变原来矿物成分，形成新的矿物(次生矿物)。生成的土为细粒土，粘性土。 生物风化：由动植物和人类对岩体的破坏称生物风化。,土的形成及颗粒特性,1.

2、2搬运与堆积,残积土 无搬运,运积土 有搬运,土质较好,强风化 弱风化 微风化 母岩体,颗粒表面粗糙 多棱角 粗细不均 无层理,母岩表层经风化作用破碎成岩屑或细小颗粒后，未经搬运残留在原地的堆积物,风化所形成的土颗粒，受自然力的作用搬运到远近不同的地点所沉积的堆积物,土的形成及颗粒特性,运积土 有搬运,重力,流水,冰川,坡积土:土粒粗细不同，性质不均匀,洪积土:有分选性，近粗远细,冲积土:浑圆度分选性明显，土层交迭,湖泊沼泽沉积土:含有机物淤泥，土性差,海相沉积物:颗粒细，表层松软，土性差,冰积土:土粒粗细变化较大，性质不均匀,风积土:颗粒均匀，层厚而不具层理,风,土的形成及颗粒特性,2.土的固体颗粒 土是岩石风化的产物，因此土粒的矿物组成将取决于成土母岩的矿物组成及其后的风化作用。 2.1成土矿物： 原生矿物 由岩石经物理风化生成的 颗粒成分与母岩的相同 颗粒较粗，多呈浑圆形状 吸附水的能力弱，无塑性 次生矿物 由原生矿物经化学风化生成的新矿物 它的成分成分与母岩的完全不同 颗粒极细，且多呈片状 性质活泼，吸附水能力强，塑性,物理状态 力学特性,颗粒形状,粒径级配,矿物成分,土的形成

3、及颗粒特性,2.2粒径级配 土各粒组的相对含量，用质量百分数来表示。 粒组：按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类。 界限粒径：,影响土性的主因,颗粒大小,土的形成及颗粒特性,确定方法 筛分法：适用于粗粒土 (0.075 mm) 沉降分析法(水分法)：适用于细粒土 (0.075 mm) 常用表述方法 级配曲线 颗粒分析试验结果，绘制图的粒径级配曲线。纵坐标表示小于某粒径的土重占总土重的百分数，横坐标用(对数坐标)表示土的粒径。,土的形成及颗粒特性,200g,小于某粒径之土质量百分数P(),粒径(mm),土的粒径级配累积曲线,沉降分析法,10,16,18,24,22,38,72,10.0,5.0,2.0,1.0,0.5,0.25,0.075,95%,87%,78%,66%,55%,36%,土的形成及颗粒特性,特征粒径 d60 : 限定粒径 d10 : 有效粒径 d30 : 中值粒径 不均匀系数定义为(Cu) 表示不均匀程度 曲率系数定义为(Cc) 表示连续程度,当小于某粒径的土粒质量累计百分数60%时的粒径用d60表示,土的形成及颗粒特性,斜率: 某范围内颗粒的含量 陡相应粒组质量集中 缓

4、相应粒组含量少 平台相应粒组缺乏,较大颗粒缺少,Cc 减小,较小颗粒缺少,Cc 增大,Cc = 13, 级配连续性好,土的形成及颗粒特性,粒径级配累积曲线及指标的用途 粒组含量用于土的分类定名； 不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度： Cu 5, 不均匀土； Cu 3 或 Cc 3 或 Cc 1， 级配不良的土,土的形成及颗粒特性,2.3矿物成分 原生矿物：石英、长石、云母等 次生矿物：主要是粘土矿物，包括三种类型：,研究表明： 粘土颗粒的表面电荷，净电荷通常为负电荷,土的形成及颗粒特性,2.4颗粒形状,原生矿物：圆状、浑圆状、棱角状 次生矿物：针状、片状、扁平状,土的形成及颗粒特性,3.土中水 土中水处于不同位置和温度条件下，可具有不同的物理状 态固态、液态、气态。液态水是土中孔隙水的主要存在状态。 结晶水矿物内部的水 吸着水(结合)吸附在土颗粒表面的水 自由水电场引力作用范围之外的水 土中冰由自由水冻成，冻胀融陷,土的形成及颗粒特性,3.1吸着水 土颗粒表面带有一定的电荷，当土粒与水相接触时，由于静电作用力，将吸引水化离子和水分子，形成双电层，在双电层影响下的水膜称为表面吸着水。双

5、电层的厚薄也反映了吸着水的厚薄，吸着水具有与一般自由水不同的性质，其密度较大、粘滞度高、流动性差、冰点低、比热较大、介电常数较 低。这种差异随距离增加而减弱。 分强吸着水、弱吸着水。,土的形成及颗粒特性,排列致密、定向性强 密度1g/cm3 冰点处于零下几十度 具有固体的特性 温度高于100C时可蒸发,强吸着水,弱吸着水,位于强吸着水之外，电场引力作用范围之内 外力作用下可以移动 不因重力而移动，有粘滞性,土的形成及颗粒特性,3.2自由水(非吸着水) 在双电层影响以外的水为自由液态水，它主要受重力作用的控制，土粒表面吸引力居次要地位，这部分水称为非吸着 水，它包括毛细水和重力水。 毛细水 毛细水是受到水与空气交界面处表面张力作用的自由水。毛细现象是毛细管壁对水的吸力和水的表面张力共同作用的结 果。 重力水 重力水是存在于地下水位以下的适水土层中的地下水。它是在重力或压力差作用下运动的自由水，对土粒有浮力作用。 重力水只受重力控制，不受土粒表面吸引力的影响。,土的形成及颗粒特性,自由水,重力水,毛细水,在重力作用下可在土中自由流动,存在于固气之间，在重力与表面张力作用下，可在土粒间空隙中

6、自由移动,毛细现象,毛细升高与孔径成反比,粘土 粉土 砂土 砾石,土的形成及颗粒特性,4.土中气 土中的气体：自由气体：与大气连通，对土的性质影响不大，压 缩性高。 封闭气体：增加土的弹性；阻塞渗流通道，降低 透水性。 成分：一般空气中成分 微生物产生可燃气体(H2S),土的结构及工程性质,5.土的结构 定义：指土颗粒的大小、形状、表面特征，相互排列及其联结关系的综合特征。 分类： 单粒结构 砂层，砾石层 蜂窝状结构 粉粒 絮状结构 粘粒,土的结构及工程性质,单粒结构,单粒结构是由粗大土粒在水或空气中下沉而形成的。因其颗粒较大、土粒间的分子吸引力相对很小，所以颗粒间几乎没有联结，至于未充满孔隙的水分只可能使其具有微弱的毛细水联结。单粒结构可以是疏松的，也可以是紧密的。 评价 呈紧密状单粒结构的土是较为良好的天然地基； 具有疏松单粒结构的土，如未经处理一般不宜作为建筑物的地基。 “砂土液化”,土的结构及工程性质,什么是砂土液化 如果饱和疏松的土是由细砂粒或粉砂粒所组成，在强烈的振动作用下，土的结构会突然破坏变成流动状态，引起所谓“砂土液化”现象，使地基失去承载力。,1964年6月16日，

7、日本新瀉发生里氏7.5级地震后，因地基土发生液化所造成的破坏。,土的结构及工程性质,蜂窝结构,蜂窝结构是主要由粉粒组成的土的结构形式。据研究，粒径在0.0750.005 mm左右的土粒在水中沉积时，基本上是以单个土粒下沉，当碰上已沉积的土粒时，由于它们之间的相互引力大于其重力，因此土粒就停留在最初的接触点上不再下沉，形成具有很大孔隙的蜂窝状结构。,土的结构及工程性质,絮状结构,絮状结构是由粘粒集合体组成的结构形式。粘粒能够在水中长期悬浮，不因自重而下沉。当这些悬浮在水中的粘粒被带到电解质浓度较大的环境中(如海水)粘粒凝聚成絮状的集粒(粘粒集合体)而下沉，并相继和已沉积的絮状集粒接触，而形成类似蜂窝而孔隙很大的絮状结构(也称二级蜂窝结构)。,土的结构及工程性质,评价 具有蜂窝结构和絮状结构的土，颗粒间存在大量微细孔隙，其压缩性大、强度低、透水性弱。又因土粒之间的联结较弱且不甚稳定，在受扰力作用下(如施工扰动影响)，土粒接触点可能脱离，部分结构遭受破坏，土的强度会迅速降低。 具有蜂窝结构和絮状结构的土，其土粒之间的联结力(结构强度)往往由于长期的压密作用和胶结作用而得到加强。,土的结构及工

8、程性质,粘性土结构性 粘性土因受扰动而原结构被破坏后，其工程性质通常会变差，强度将明显下降。土中所示土样在保持天然结构时(原状土)，其上承受了1.5kg的压力，但当结构完全破坏而成为重塑土时，变为可流动的泥浆。,土的结构及工程性质,6.土的构造 定义：指同一土层中成分和大小都相近的颗粒或颗粒集合体相互关系的特征。 分类： 层状构造 分散构造 砂，砾石，卵石 裂隙构造 粘性土 结核状结构,土的结构及工程性质,层状构造 土粒在沉积过程中，由于不同阶段沉积的物质成分、颗粒大小或颜色不同，沿竖向呈层状特征。,淤泥夹粘土透镜体,粘土尖灭,砂土夹粘土层,水平层理 交错层理,土的结构及工程性质,分散构造 土层中各部分的土粒无明显差别，分布均匀，各部分性质亦接近。例如，各种经过分选的砂、砾石、卵石等沉积厚度较大时，无明显层次，都属于分散构造。 具有分散构造的上可作为各向同性体看待。,裂隙构造 土体被许多不连续的小裂隙所分割，在裂隙中常充填有各种盐类的沉淀物。不少坚硬和硬塑状态的粘性土具有此种构造。黄土具有特殊的柱状裂隙。裂隙破坏土的整体性，增大透水性，对工程不利。,土的三相组成及物理性质指标,气相,液

9、相,+,+,构成土骨架，起决定作用,重要影响,土体,次要作用,固相,土的三相组成及物理性质指标,土体三相比例不同，土的状态和工程性质也随之各异，例如： 固体+气体(液体=0)为干土，此时粘土呈坚硬状态 砂土呈松散状态； 固体+液体+气体为湿土，此时粘土多为可塑状态； 固体+液体(气体=0)为饱和土，此时粉细砂或粉土遇强烈地震，可能产生液化，而使工程遭受破坏； 粘土地基受建筑物荷载作用发生沉降需几十年才能稳定。,土的三相组成及物理性质指标,三相比例指标反映了土的干燥与潮湿、疏松与密实，是评价土的工程性质的最基本的物理性质指标，也是工程地质勘察报告中不可缺少的基本内容。 三相比例指标可分为两种： 试验指标(基本指标) 换算指标。,土的三相组成及物理性质指标,三项基本指标有：密度r、土粒相对密度ds、含水量w 反映土的松密程度的指标有：土的孔隙比e、孔隙率n 反映了土的含水程度的指标有：含水量w、饱和度Sr 土的密度：密度r、干密度rd、饱和密度rsat、浮密度r 7.土的天然密度 定义：单位体积土的质量，g/cm3 公式： 换算公式： 范围：1.62.2 定方法：环刀法。,重度,土的三相组成及物理性质指标,8.含水量 定义：土中水的质量与土粒质量之比值，无量纲，% 公式： 常见值：砂土w =(040)%；粘性土w =(2060)% 意义：表示湿度的物理指标，与土的种类，埋藏条件及其 所处的自然地理环境等有关。 测定方法：烘干法。 注: 含水量可达到或超过100,土的三相组成及物理性质指标,9.土粒相对密度 定义：土粒密度与同体积4时纯水的密度比值，无量纲 公式： 测定方法：比重瓶法 范围： 土粒的相对密度在数值上等于土粒比重,土的三相组成及物理性质指标,10.干密度 定义：单位体积土中固体颗粒的质量，g/cm3 公式： 范围：1.31.8 物理意义：常用作填土密实度的施工控制指标。,土的三相组成及物理性质指标,11.饱和密度 定义：土孔隙中全部充满水时单位体积土的质量，g/cm3 公式： 范围：1

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