工程岩土学1

1、工程岩土学王宝军南京大学地球科学与工程学院第一章 土的物质组成成分土是还未固结硬化成岩石的疏松沉积物土由岩石经历物理、化学、生物风化作用以及剥蚀、搬运、沉积作用交错复杂的自然环境中所生成的各类沉积物 soil ; earth 地球上只有很少的土成分的生成年代早于第三纪，大多数不会早于更新世工业原料工业原料工业原料工业原料生活用品生活用品生活用品生活用品地质灾害地质灾害地质灾害地质灾害建筑基础建筑基础建筑基础建筑基础土与人类的生产生活息息相关作物生长作物生长作物生长作物生长黄土黑土地红粘土成分差别导致宏观颜色不同膨胀土淤泥砂土成分不同导致工程性质差异盐渍土杂填土吹填土人类活动对土体的改造第一节 土的基本特征oo土的土的成因类型成因类型与与地质历史地质历史是判定土工程性质的重要基础是判定土工程性质的重要基础nn母岩类型母岩类型nn沉积环境沉积环境nn风化、沉积历史风化、沉积历史oo土是多相系组合体土是多相系组合体nn何谓相：何谓相：nn土的三相：固相土的三相：固相-土颗粒；液相土颗粒；液相-孔隙水；气相孔隙水；气相-孔隙气孔隙气nn土的四相：有机质？收缩膜？土的四相：有机质？收缩膜？nn饱

2、和土；非饱和土；干土；湿土饱和土；非饱和土；干土；湿土nn各相系相互关系复杂各相系相互关系复杂o土是分散体系n粗分散体系；细分散体系；胶体体系；分子体系n土中的能量：内部能量+表面能n砂土与粘土的表面能量差别很大o土的矿物组成n原生矿物:石英、长石、云母等硅酸盐矿物n次生矿物：粘土矿物、倍半氧化物、次生二氧化硅第二节 土的粒度组成o粒径：土颗粒的直径（毫米，mm；微米，）n最大直径（筛分法）n平均直径（静水沉降法）o粒度成分：不同粒径颗粒在土体中的比例关系n不同粒径对应不同的矿物成分n不同粒径对应不同的性质n自然土体的粒度成分影响土体的工程性质o粒组：将大小近似的粒径归并成组：粒组不同，性质不同o相邻粒组界限值的划分原则n粒径的量变引起土性质发生质变n与粒度分析技术水平相适应n便于记忆o粒组划分方案 200-20-2-0.05-0.005（mm）块石碎石砾石砂粉粘毛细现象粘着力胶体性质0.0740.002粒组划分粒度分析o粒度分析：确定自然土各粒组百分含量的试验过程n直接测量：用于砾岩，用尺直接测量砾石的直径，测量一定面积内的全部砾石不少于 100个n筛分法（ 0.1mm）：用于未固结

3、的碎屑岩，用直径不同的筛子将砂过筛，分出不同的粒级组分，称出各自的重量，求出百分含量 n薄片粒度法 ：用于固结的岩石，在显微镜下，测量薄片中颗粒的直径 n静水沉降法( 0.1mm)：用颗粒沉降速度来划分粒级分布 n激光粒度仪法: 采用光学原理，通过测量颗粒群的空间频谱来分析其粒度分布 粒度分析试验-静水沉降法o基本原理：Stokes 不同粒径颗粒在静水中的沉降速度不同，因此可以计算得到试验样品制成的悬浮液在指定时刻某一粒组沉降的深度，而在该深度以上则认为已经没有小于该粒径的颗粒。o集聚体的分散n集聚体：假集聚体、抗水集聚体、真集聚体n半分散法（不分散真集聚体）：焦磷酸钠、 六偏磷酸钠、草酸钠、氨水o假设条件n悬液浓度很小n粘滞系数不变n土粒比重相同n土粒为球形n土粒直径远远大于水分子n土粒水化膜厚度等于零n沉速很小h2h1制备悬液T时刻悬液粒度曲线o直方图：横座标为颗粒粒径区间，纵座标表示粒级的百分含量o频率曲线：是将直方图每个柱子的纵、横边的中点依次连成多边形频率曲线o累积曲线：以累积百分含量为纵座标，以粒径为横座标o概率累积：在正态概率纸上绘制，横座标代表粒径；纵座标为累积百分数并

4、以概率标度o有效粒径：d10o平均粒径：d50o限制粒径（控制粒径）：d60o(不)均匀系数：曲线的陡度，值越大表示不同粒径颗粒连续分布，级配良好，分选性好，反之，颗粒粒径相对单一，均匀而不连续o曲率系数（d30）：曲线平滑度，或曲线斜率的连续性粒度成分累计曲线（级配分布图）o偏度：反映频率分布曲线的对称性n单峰对称曲线：以峰为对称轴的对称曲线,曲线为正态分布，反映出：Mz（平均粒度）=Md（中值）=Mo（众数）。n不对称正偏态曲线：曲线不对称，主峰偏粗一侧，即沉积物以粗组分为主n不对称负偏态曲线：曲线不对称，主峰偏细一侧，即沉积物以细组分为主 o峰态（尖度）：反映正态频率曲线尖度n尖锐n正态n扁平粒度成分（频率）分布曲线o三角坐标法第三节 土的矿物组成土的矿物组成原生矿物（石英、长石、云母等最为常见）次生矿物不可溶可溶盐粘土矿物（高岭石、蒙脱石、伊利石、绿泥石及混层矿物）倍半氧化物（Fe2O3 ； Al2O3 ）次生二氧化硅（SiO2）难溶难溶中溶易溶有机质泥炭腐殖质粘土矿物的晶体结构o层状结构含水硅酸盐o硅氧四面体o铝（镁）氧（氢氧）八面体o四面体片o八面体片硅氧四面体八面体四面体

5、片氢氧铝片氢氧镁片同晶置换（类质同象）又称“同晶替代”矿物结晶时，晶体结构中由某种离子或原子占有的位置，部分被性质类似、大小相近的其他离子或原子占有，但晶体结构型式基本不变。同晶置换的结果，晶形基本不变，但使晶体中电价不平衡，产生剩余负电荷，从而吸附阳离子。常见同晶置换方式：铝氧八面体中的Al3+被Fe2+，Mg2+，Ca2+置换；硅氧四面体中的Si4+被Al3+置换TO型（1：1）片状组合o一层硅氧四面体与一层八面体组合，形成双层单元结构o八面体与四面体需要轻微扭曲键角方能形成共价键o同晶置换现象极少o特征矿物：高岭石双层结构7.1A高岭石SEM照片（X1200倍）高岭石（Kaolinite） Al4Si4O10(OH)8 是由富铝硅酸盐在酸性介质条件下，经风化作用或低温热液交代变化的产物。是长石和其他硅酸盐矿物天然蚀变的含水的三斜晶系层状结构硅酸盐矿物。 高岭石一般为白色，如果含有杂质便呈米色。高岭石经风化或沉积等作用变成高岭土。 江西景德镇高岭村高岭村，盛产高岭土。明末，在景德镇高岭村开采此矿，后经德国地质学家李希霍芬按高岭土之音译成“Kaolin”介绍到世界矿物学界。土状光泽，

6、摩氏硬度2-2.5，比重2.6-2.63。和水具有可塑性，粘舌，干土块具粗糙感。高岭石常见于岩浆岩和变质岩的风化壳中。中国高岭石的著名产地有江西景德镇、江苏苏州、河北唐山、湖南醴陵等。世界其它著名产地有英国的康沃尔和德文、法国的伊里埃、美国的佐治亚等。p地开石p珍珠石p埃洛石（多水高岭石） Al4Si4O10(OH)8 4H2Op水铝英石 类似矿物八面体的氢氧原子层与四面体的氧原子层之间形成较为稳定的氢键连接水分子难以进入晶胞内部亲水性差不产生层间膨胀与收缩化学成分稳定，同晶置换现象极少所带电荷少，仅在端口处存在电荷离子交换容量低工程性质稳定高岭石性质特征 TOT型（2：1）片状组合三层结构o两层硅氧四面体夹一层八面体组合，形成三层单元结构o同晶置换现象明显o特征矿物：蒙脱石、伊利石、蛭石620A蒙脱石（Montmorillonite ）Si8Al4O20(OH)4 nH20 单斜晶系含水层状结构硅酸盐矿物。名称来源于首先发现的产地法国的Montmorillon。颗粒细小，约0.21微米，具胶体分散特性，通常都呈块状或土状集合体产出。蒙脱石在电子显微镜下可见到片状的晶体，颜色或白灰，或

7、浅蓝或浅红色。 蒙脱石主要由基性火成岩在中性及碱性环境中风化而成，也有的是海底沉积的火山灰分解后的产物。我国具工业价值的蒙脱石矿床多产于中生代火山岩系中。 温度100200时，水分子会逐渐跑掉。失水后还可以重新吸收水分子或其他极性分子。当它们吸收水分后还可以膨胀并超过原体积的几倍。 蒙脱石为膨润土的主要成分。膨润土在我国产地很多，如辽宁、黑龙江、吉林、河北、河南、浙江等地都有产出。结构单元体（晶胞）之间通过氧原子连接，层间连接力弱极性水分子的氢原子与晶胞层面的氧原子容易形成氢键连接亲水性强吸水膨胀，失水收缩颗粒细小，比表面积大，10克蒙脱石的比表面积相当于一个足球场化学成分稳定，同晶置换现象普遍晶面带负电荷表面需要吸附水化阳离子平衡电荷（Ca2+，Na-）离子交换容量高工程性质不稳定，随外界条件发生变化蒙脱石性质特征 伊利石（水云母 ）p四面体中约有1/6的Si4+被Al3+置换；p剩余负电荷吸附K+离子平衡；pK+离子的大小刚好嵌入四面体六方晶空间内，并同时与两层间的氧原子配位；p不稳定矿物，随K+离子含量发生变化p性质介于高岭石与蒙脱石之间p多存在于海相沉积物中，也可以在陆相o硅氧

8、四面体中的部分硅被铝置换（带负电荷），镁氢氧八面体中的部分镁被铝置换（带正电荷）o硅氧四面体与镁氢氧八面体通过静电引力牢固连接o特征矿物：绿泥石TOT-O型（2：1：1）片状组合粘土矿物的性质总结o自然状态下的粘土多有几种粘土矿物共同组成o高岭石多形成于酸性环境，蒙脱石则为中性或碱性o伊利石与绿泥石的性质介于高岭石与蒙脱石之间o颗粒细小、比面积大粘土矿物鉴定方法oX射线衍射分析-测量晶格间距o电子显微镜-形貌识别o差热分析-加热温度变化第四节 土中的水水的特征表面张力溶解盐类极性分子氢键4密度最大结晶冰分子结构水分子结构土中水的工程地质分类土中的水土中的水气态水气态水液态水液态水水蒸汽水蒸汽气态水分子气态水分子结合水结合水毛细水毛细水自由水（重力水）自由水（重力水）强结合水强结合水弱结合水弱结合水液态水液态水冰冰晶格中的水晶格中的水结构水结构水结晶水结晶水土水相互作用力水分子与水分子间作用力氢键范德华力偶极-偶极力偶极-诱导偶极力色散力静电力（库仑力）无方向性、饱和性具有方向性、饱和性水分子与溶解离子间作用力离子与水间离子静电引力范德华力颗粒与水分子范德华力氢键水合离子（水合作用）颗粒

9、与水合离子范德华力离子静电引力结合水（水化膜）+-酸性条件碱性条件-+高岭石-碱性条件-+蒙脱石土中的结合水结合水结合水强结合水（吸附水）强结合水（吸附水）弱结合水弱结合水次定向吸附结合水次定向吸附结合水渗透结合水渗透结合水吸附结合水吸附结合水胶核胶核胶团双电层胶核双电层内层外层胶核电位离子反离子（固定层）反离子（扩散层）胶粒水化膜粘粒双电层粘粒表面的电位离子晶面断口高岭石无蒙脱石负电绿泥石负电伊利石负电一端带正电，另一端带负电，在同晶置换发育的矿物则负电荷为主在碱性溶液中，溶液中的OH离子进入晶格内成为电位离子，则负电荷数量增加粘粒表面的电位离子以负电荷为主！粘粒表面的电位离子以负电荷为主！粘粒双电层电位分布黏黏土土片片热力电位动电电位黏黏土土片片+固定层扩散层自由水次定向吸附结合水渗透结合水强结合水结合水影响扩散层厚度的因素o同晶置换o电解质浓度及性质o补偿阳离子原子价及半径o介电常数oPH离子交换o离子交换容量：每100克土具有交换能力的离子毫克当量nPHn矿物成分n粘粒含量o离子交换规律n高价离子被吸附能力强n离子半径大被吸附能力强n浓度高的离子被吸附能力强Fe3+Al3+Ba

10、2+Ca2+Mg2+NH4+K+Na+Li+结合水的性质强结合水（吸附水）连接力强；厚度小；抗高压；也不易排出，密度高，介电常数低；导热性好；冻结温度低；结合水形成时放热次定向吸附结合水不受重力影响，沿颗粒层流，具有一定抗剪强度和粘滞性渗透结合水触变；黏着；塑性；膨胀性粘性土胶体化学特性的工程地质意义可变厚度水化膜矿物成分溶液离子浓度补偿阳离子成分PH介电常数粘滞性强度可塑性膨胀与收缩电动现象电渗排水凝聚与分散改变电荷性质改变水化膜厚度土的触变土的触变震（振）动电流搅拌超声波强度失效，结合水转化为自由水土中的毛细管水o当含水量大于最大吸着含水量时可以出现毛细管水，也就是说，毛细管水可以在弱结合水及自由水中出现。o 在真空中不产生毛细现象o毛细管水介于重力水和结合水之间o冰点低于0毛细管水的形成机理表面张力：表面张力：表面吉布斯自由能：表面吉布斯自由能： T T、p p、n nB B一定下可逆的增加单位表面积时系统吉布斯自由能的增量。一定下可逆的增加单位表面积时系统吉布斯自由能的增量。 量纲量纲 ：J J m m2 2沿液体表面垂直作用与表面单位长度线段上紧缩力。沿液体表面垂直作用与表面

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