1、第一章 土的物质组成与结构构造,1.将岩土体作为 “地基” 山区城市（如重庆）的岩石地基，沿海城市（如上海，天津等）的软土地基；公路，铁路的路基，水工建筑物大坝的坝基等。主要考虑岩土体的强度特性和变形特性。 2.将岩土体作为 “环境” 城市垃圾的卫生填埋，核废料的处置，都要选择最合理的环境，以免污染地下水，危害人类身体健康；山区公路，铁路隧洞，水电站地下发电厂房，城市地铁，地下停车场，地下商场等。主要考虑岩土体的强度特性，渗透性和稳定性。 3.将岩土体作为 “材料” 工业与民用建筑的各种建筑材料（大理岩，花岗岩，砂，卵石，粘土等），水工建筑物（如土石坝）所需的大量天然材料等。主要考虑岩土体的强
2、度特性，变形特性，渗透性等。,人类工程活动对岩土体的利用可归纳为下面3个方面,土的粒度成分,1.1,土的矿物成分,1.2,土中的水和气体,1.3,土的结构和构造,1.4,一土的定义（土的形成）,风化、搬运、堆积作用,土，土体,岩石，岩体,土的定义土是由各种不同成因类型的岩石经风化、搬运、堆积而成的疏松沉积物，它们通常是由相互作用着的固、液、气体三个部分组成的多相体系。,特殊情况下为“两相”干土、饱水土,概 述,A,A,A,A,W,W,注意： a. “土” 与“土壤” 不同；b.砂土，卵石土，漂石（块石）土等，均叫“土” 。,土壤第四纪松散物质沉积成土后，再在一个相当长的稳定环境中经受物理化学及
3、生物化学的成壤作用 所形成的土体，统称为土壤。,形 成 区,形 成 区,流 通 区,流 通 区,堆 积 区,二土的基本组成,土,固相矿物颗粒或岩屑 液相主要是水 气相主要是空气、水蒸气,土的三相组成不是绝对不变的，其中固相部分随时间、自然环境的变化较小；而土中的水和空气对客观环境的变化非常敏感。,一粒径和粒组（P6）,1.粒径土颗粒的大小，通常以其直径(d)来表示，单位一般采用毫米(mm)。注：土颗粒并非理想的球体，应理解为土粒的平均直径或等效直径。,土的工程地质性质主要取决于固相，特别是土粒的大小和矿物类型。自然界中的土颗粒大小相差极为悬殊（几十厘米以上小于1微米），由它们组成的土的性质也必
4、然存在很大的差异。因此，研究土的工程地质性质首先应研究组成土的土颗粒的大小。,土的粒度成分,1.1,2.粒组按粒径划分的颗粒组别，同一粒组的土颗粒成分及性质相似。,划分原则如下： （P7）a.能反映粒径对土的工程地质性质的影响；b. 与目前所采用的实验研究方法，技术水平相适应，且使用方便。,当土的粒径在某一范围内变化时，土的工程地质性质差别不大。为了便于研究粒径与土的工程地质性质的关系，将自然界中土颗粒的粒径变化范围划分为几个区段，每个区段中包括的土粒成分相近，性质相似。,3.粒组划分目前，国内外土的粒组划分标准并不完全一致，我国普遍采用“六大粒组”划分方案。,粒径d（mm）,粒组名称,0.0
5、05,0.075,2,60,200,粘粒,粉粒,砂粒,砾粒,卵石粒 （碎石粒）,漂石粒 （块石粒）,一般规律：颗粒越细（粒径d越小），透水性越弱，受外力时越易变形，强度越小。,（P7表1-1）,巨粒（d 60mm ）、粗粒（0.075-60mm ）、细粒 （d 0.075mm ）,二粒度成分的测定及其表示方法,1.粒度成分的定义又叫“颗粒组成”、“颗粒级配 ” ，指土中不同粒组的颗粒的百分含量，通常用各粒组颗粒的质量占该土土颗粒总质量的百分数来表示。是决定土的工程地质性质的重要结构特征之一。,2.粒度成分的测定方法颗粒分析试验（简称“颗分”）筛分法（d大于0.075mm） （P302）密度计法
6、（d小于0.075mm） （P303）,生产实践中常用,3.粒度成分的表示方法,（1）表格法（表1-2） （2）图解法（包括累积曲线法，分布曲线法）,土的颗粒组成累积曲线（半对数坐标系）,小于某粒径的累积百分含量,(%),(1) 曲线的形态反映土粒的均匀程度曲线左陡，表示土颗粒大小相差不多，土粒较均匀，级配不好；曲线右缓，表示土颗粒大小悬殊，土粒不均匀，即级配良好。,注：作为填方工程（山区机场，高速公路均有填方，挖方）的土料，级配好则容易获得较小的孔隙比，较大的密实度，较好的工程地质性质（高强度及低变形性）。,(2) 可获得几个粒径指标及反映土均匀程度的指标有效粒径d10 限制粒径d60和 d
7、30 平均粒径d50 不均匀系数Cu d60/ d10 曲率系数Cc d30* d30 / （ d10* d60）,累积曲线的用途,注：当Cu5且Cc13时，土的级配是良好的，如不能同时满足上述两个条件，则级配是不良的。,小于某粒径的累计百分含量(%),应用之一： 教材P171渗透变形的预测（管涌，流土）,课后练习土的颗粒组成累计曲线（用Excel电子表格软件）,自己给出数据，参照：P302标准筛孔径,要求 绘出累计曲线给出d60、 d50、 d30、 d10 计算均匀性系数Cu曲率系数Cc评价土的级配好坏,三土按颗粒组成的分类,1.巨粒土和含巨粒的土、粗粒土、细粒土的划分：巨粒土和含巨粒的土
8、d60mm的颗粒含量超过15的土粗粒土d0.075mm的颗粒含量超过50的土细粒土d0.075mm的颗粒含量超过50的土,2.各类土的进一步细分：（P9）,粗粒土（砾类土、砂类土） 细粒土（粉土、粉质粘土、粘土 ）,一土的矿物成分的基本类型,土的矿物成分,1.2,土中矿物颗粒的成分取决于,岩石,大小不同的岩石碎块或颗粒,物理,风化,进一步风化,物理、化学风化,颗粒减小，化学成分发生变化，形成新矿物,母岩的成分,风化程度,土的矿物成分,无机矿物,有机矿物,原生矿物岩浆中直接生成的矿物，是岩石经物理风化破碎但成分没有发生变化的矿物碎屑。如石英、长石、云母、方解石、角闪石、辉石等；,次生粘土矿物是原
9、生矿物经过化学风化作用，形成的一些颗粒更细小的新矿物。,粘土矿物对土的工程地质性质具有极为重要的意义，即使当其在土中的含量并不占优势时，也能表现出明显的控制作用，从而赋予粘性土以独特的“粘土特性”。,二矿物成分与粒度成分的关系（ P10 ） （自学）,三粘土矿物的类型及基本特征（ P11）,粘土矿物对土的工程地质性质的控制作用，及其原因:,独特的晶体结构（层状，链状晶体结构，易变形）； 颗粒细小，比表面积大，具有一系列表面特性。,1. 粘土矿物(clay minerals)的定义粘土矿物是由原生硅酸盐类矿物经水解作用而形成的，具层状或链状晶体结构的，高分散性，含水的次生硅酸盐矿物。（ P11）
10、,水解作用存在于水介质中的原生硅酸盐矿物，其中的某些金属离子被由水分子离解而成的H+所置换，形成了含有OH的新矿物。,T、O的不同组合结果，即形成不同的粘土矿物类型（ 最常见的三种高岭石，蒙脱石，伊利石）,2. 粘土矿物(clay minerals)的类型绝大多数粘土矿物是晶质的，其晶胞的基本构成单元是硅氧四面体层（T）和铝氢氧八面体层（O）。,TO,Noncrystalline clay -allophane,Mitchell, 1993,高岭石 埃洛石 叶蜡石 蒙脱石 蛭石 伊利石 绿泥石,电荷,硅氧四面体层 T,铝氢氧八面体层 ,Basal spacing is 7.2 ,Si4Al4O
11、10(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,高岭石晶体结构 Kaolinite（两层型）,TO,晶胞厚度,OH-O，氢键联结 较为牢固,蒙脱石晶体结构 Montmorillonite （三层型）,nH2O+cations,5 m,Si8Al4O20(OH)4nH2O
12、 (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 layers, and the basal spacing is from 9.6 to (after swelling). The interla
13、yer 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),晶胞厚度,阳离子,膨胀性粘土,O-O，分子键联结，很不牢固,potassium,Si8(Al,Mg, Fe)46O20(OH)4(K,H2O)
14、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+, and some of the Al3+ in the octahedral sheet are substituted by the Mg2
15、+ 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 form a strong interlayer bonding. The basal spacing is fixed at 10 in the
16、presence of polar liquids (no interlayer swelling).,7.5 m,Trovey, 1971 ( from Mitchell, 1993),K,伊利石晶体结构 Illite （三层型）,钾,云母,水云母,晶胞厚度,主要是 K+，离子键,3. 粘土矿物(clay minerals)的基本特征三种常见粘土矿物特征对比见下表：,三种常见粘土矿物特征对比表,本节只讲土中水的基本类型，而水对土的物理、力学性质的影响以后2、3章穿插讲述。,土通常是三相体系，但在特殊情况下为两相： 饱水土土中的全部孔隙完全被水充满； 干土土中的全部孔隙完全被空气充满。,土中的
17、水和气体（ P12 ）,1.3,一土中水的基本类型,矿物晶格中的结构水，结晶水,结合水,固态水,液态水,毛细水（毛管水）,土中的水,气态水（水汽）,矿物颗粒间的冰,重力水（自由水）,强结合水（吸着水）,弱结合水（薄膜水）,1.结构水，结晶水 只有在140170的高温下才能转化为气态水与土粒分离，本身不能对土的工程地质性质产生直接影响，只能通过矿物来起作用。,2.冰 水的相态变化（体积，密度随之变化）对土的性质有很大影响，特别是在高海拔，低气温地区存在冻土问题。冻土中的冰将土粒胶结起来，从而在一定程度上提高土的强度，但解冻后土的强度会降低。例如青藏铁路(550公里常年冻土地带 /格尔木拉萨114
18、2公里)，我国北方大部分地区都存在冻土问题，应注意基础埋置深度。,3.结合水 在矿物颗粒表面作用力（静电引力，分子力）的直接影响下而形成于颗粒表面的水。按其形成机制和与颗粒表面结合的牢固程度，可分为强结合水和弱结合水。,强结合水 紧靠土粒表面的结合水。特征：没有溶解能力，不能传递静水压力，具有极大的粘滞性，弹性和抗剪强度。冰点低（ 3050 ），密度比自由水大得多，可达1.84g / cm3 。弱结合水 紧靠于强结合水的外围形成的结合水膜，厚度比强结合水大得多。特征：没有溶解能力，不能传递静水压力，冰点1.5 ，密度与自由水接近 。,注意：在结合水的总量中，强结合水占少数，主要是弱结合水。土，
19、尤其是粘性土的状态和性质与弱结合水的含量有非常密切的关系。 弱结合水是粘性土所特有的“粘土特性”的物质基础。,4.毛细水 地下水受土粒间孔隙的毛细作用上升的水分。主要存在于砂土和粉土中。自学内容，可参考水文地质学,5.重力水（自由水） 是水文地质学研究的主要对象。是指存在于较粗大孔隙中，具有自由活动能力，在重力作用下会发生运动的水。它对土的工程地质性质的影响有2个方面：机械潜蚀流动时冲刷带走土中的细小颗粒化学溶蚀溶解土中矿物，改变土的矿物组成，结构和孔隙水溶液的成分和浓度。 结果两种作用都使土中的孔隙增多，加大，可压缩性增大，强度降低。,6.气态水 水蒸汽是水的气态形式。它在土中的含量甚少，一
20、般不超过土的总质量的0.001。但是，不能低估水蒸汽的作用，因为它是在土的含水率很低时，水的唯一能移动的形态，它在颗粒表面凝结，将形成其它形态的水，包括结合水。,二土中的气体,主要为空气和气态水，有时可能含有较多的CO2、CH4、H2S等。可分为2种： 游离气体与大气相通，对土的性质影响较小。 密闭气体与大气隔绝，对土的性质影响较大，使土不易被压实，透水性降低。一旦与大气连通，沉陷大，危害大；或因温度，压力的改变，溶于水造成体积减小，导致地面发生沉陷。,研究意义即使土的物质成分相同（相近），但如果土的结构和构造特征不同，其工程地质性质也会有明显的差异。例如同是粒径接近的土颗粒组成的砂土，如砂粒
21、排列的紧密程度不同，则透水性、压缩性、强度就有差别。,土的结构和构造（ P13 ）,1.4,一土的结构,1.定义组成土的固体矿物颗粒的形态及组合特征，包括颗粒的大小、形状和表面特征，颗粒的排列组合情况和数量关系，以及粒间的联结特征和孔隙特征（孔隙的大小，多少）。,土的结构是在成土过程中逐渐形成的，它与矿物成分、颗粒形状、沉积条件相关。,土 的 结 构,颗粒的大小粒径 形状磨圆度 表面特征粗糙程度 颗粒的排列组合情况和数量关系疏密程度和定向性，例如河床相扁平状砾石的定向排列。 粒间的联结特征结合水联接、毛细水联接、胶结联接、冰联接。 孔隙特征土中孔隙的大小，多少,与搬运介质和搬运距离有关,2.土
22、的结构类型的划分（P14 P15）,单粒（散粒）结构是巨粒土、粗粒土（主要指卵砾土和砂土）的基本结构形式 。单粒结构对土的工程地质性质的影响主要在于其松密程度。,按照土颗粒之间的相互关系划分单粒结构和集合体结构,举例：洪积物的砂土、砾石土呈疏松单粒结构，存在较大孔隙，受力易变形；而海岸、湖岸边沉积的砂土由于被波浪反复推移，常呈致密 的单粒结构，孔隙度相对要小，在静荷载作用下压缩变形量小。,紧密的,疏松的,疏松状态：在荷载作用下，特别是在振动荷载作用下，会使土粒移向更稳定的位置而更加密实，同时产生较大的变形,密实状态：比较稳定，力学性质好,集合体（团聚）结构粘性土特有的结构（ 扫描电镜下观察）。
23、,蜂窝状结构,磁畴状结构,二土体的构造,1.定义（ P15）在一定土体中，结构相对均一的结构单元体的形态和组合特征。 土的构造特征是由各种宏观界面的存在而表现出来的。,土体的构造与土的结构的定义中： 包含的内容相似，但组成单位不同。 结构的组成单位是颗粒，构造的组成单位是结构单元体（颗粒的组合体）。,2.不同类型土的构造特征（ P16）,原生的层状构造（互层状构造、夹层构造、纹层状构造、透镜状构造（导致建筑物地基土的差异沉降的原因之一）；次生的裂隙构造（破坏了粘性土土体的完整性和连续性，是土体中的软弱界面和地下水循环的通道，使土的强度和稳定性降低，对建筑物地基和边坡的稳定性起控制作用。例如成都粘土分布区的滑坡经常是沿粘土中的裂隙面发生的）。,掌握土的概念、土的三相组成、土的粒径、粒组、粒度成分（颗粒级配）的概念、土的颗粒组成累积曲线表示方法及用途； 了解组成土的矿物成分及特点； 掌握粘土矿物的定义、常见粘土矿物的类型及其主要特征的区别； 了解土中水的基本类型； 掌握土的结构与构造的概念；了解土的结构类型及其与土的性质的关系；难点是粒度成分及其表示方法。,第一章 土的物质组成与结构、构造,要求：,
