土的物质组成与结构构造课件.pptx

1、1岩石物理风化化学风化土土原生矿物原生矿物次生矿物次生矿物颗粒通常是由一种或几种原生矿物所组成，它的成分与母岩的相同，颗粒一般较粗， 吸附水的能力弱，性质比较稳，无塑性。化学风化仅使岩 石产生质的变化物理风化仅使岩 石产生量的变化原生矿物经化学风化生成的新矿物，它的成分与母岩的完全不同。颗粒极细，性质活泼，有较强的吸附水能力，具塑性。土粒的粒径由粗到细逐渐变化时，土的性质相应地发生变化土粒的大小及其组成粘土颗粒性质23二、土的物质组成二、土的物质组成4第二节 土的粒度成分土的粒度成分一 土的颗粒级配 1.土颗粒的大小直接决定土的性质. 2. 粒径颗粒直径大小. 3.界限粒径划分粒组的分界尺寸。

2、 4. 粒组将粒径大小接近、矿物成分和性质相似的土粒归并为一个组别即称为粒组。可划分： 200 20 2 0.05 0.005mm漂石 卵石 砾石 砂粒 粉粒 粘粒 5土土粒粒粒粒组组的的划划分分 粒 组 名 称 粒径范围 一 般 特 征 漂石、块石颗粒 200 卵石、碎石颗粒 20020 透水性很大，无粘性，无毛细水 圆砾、角砾颗粒 粗 中 细 2010 105 52 透水性很大，无粘性，毛细水上升高度不超 过粒径大小 砂 粒 粗 中 细 极细 20.5 0.50.25 0.250.1 0.10.05 易透水，当混入云母等杂质时透水性减小，而压缩性增加；无粘性，遇水不膨胀，干燥时松散，毛细水

3、上升高度不大，随粒径变小而增大 粉 粒 粗 细 0.050.01 0.010.005 透水性小，湿时稍有粘性，遇水膨胀小，干时稍有收缩，毛细水上升高度较大较快，极易出现冻胀现象 粘 粒 0.005 透水性很小，湿时有粘性、可塑性，遇水膨胀大，干时收缩显著，毛细水上升高度大，但速度较慢 65. 5. 颗粒级配颗粒级配土粒的大小及组成情况，通常以土粒的大小及组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量来表示，称为土的颗粒土中各个粒组的相对含量来表示，称为土的颗粒级配。级配。级配的测试方法：级配的测试方法：筛析法筛析法 （ 0.075mm), 0.075mm),比比重计法重计法( 0.075mm)(55，

4、且，且C Cc c=1-3)=1-3)的土，较的土，较粗颗粒间的孔隙被较细的颗粒所填充，因而土的粗颗粒间的孔隙被较细的颗粒所填充，因而土的密实度较好，相应的地基土的强度和稳定性也较密实度较好，相应的地基土的强度和稳定性也较好透水性和压缩性也较小，可用作堤坝或其它好透水性和压缩性也较小，可用作堤坝或其它土建工程的填方土料。土建工程的填方土料。10第三节第三节 土的矿物成分和化学成分土的矿物成分和化学成分一一 土的矿物成分土的矿物成分 土中的固体颗粒是由矿物构成的。按其成因和成分可分土中的固体颗粒是由矿物构成的。按其成因和成分可分为原生矿物、次生矿物、有机质等。为原生矿物、次生矿物、有机质等。（一

5、）原生矿物（一）原生矿物 土中的原生矿物土中的原生矿物是岩石风化过程中的产物，保持了母岩是岩石风化过程中的产物，保持了母岩的的矿物成分矿物成分和和晶体结构晶体结构，常见的如石英、长石、角闪石、云，常见的如石英、长石、角闪石、云母等。这些矿物是组成土中卵石、砾石、砂粒和某些粉粒的母等。这些矿物是组成土中卵石、砾石、砂粒和某些粉粒的主要成分。主要成分。11原生矿物的主要特点是：原生矿物的主要特点是： 颗粒粗大，物理、化学性质比较稳定，抗水性和颗粒粗大，物理、化学性质比较稳定，抗水性和抗风化能力较强，亲水性弱或较弱。抗风化能力较强，亲水性弱或较弱。它们对土的工程它们对土的工程性质的影响比其它几种矿物

6、要小得多，主要差别表现性质的影响比其它几种矿物要小得多，主要差别表现在颗粒形状、坚硬程度和抗风化稳定性等几方面。在颗粒形状、坚硬程度和抗风化稳定性等几方面。 例如，分别由石英和云母类矿物组成的土例如，分别由石英和云母类矿物组成的土，尽管，尽管土的粒度成分和密实度相同。但由于石英的坚硬程度、土的粒度成分和密实度相同。但由于石英的坚硬程度、抗风化能力远大于云母，故主要由石英颗粒组成的土，抗风化能力远大于云母，故主要由石英颗粒组成的土，其强度将远大于由云母颗粒组成（或含云母较多）的其强度将远大于由云母颗粒组成（或含云母较多）的土，其变形相应也小得多。土，其变形相应也小得多。12（二）次生矿物（二）次

7、生矿物 母岩风化后及在风化搬运过程中，如果原来的矿物因氧化、母岩风化后及在风化搬运过程中，如果原来的矿物因氧化、水化及水解、溶解等化学风化作用而进一步分解，就会形成一水化及水解、溶解等化学风化作用而进一步分解，就会形成一种新矿物，这就是种新矿物，这就是次生矿物次生矿物，其颗粒比原生矿物细小得多。，其颗粒比原生矿物细小得多。自然界土体中常见次生矿物又分为两种类型自然界土体中常见次生矿物又分为两种类型: :可溶性次生矿物可溶性次生矿物, ,通常以离子状态存在于土的孔隙溶液中。阳通常以离子状态存在于土的孔隙溶液中。阳离子有离子有K K+ +、NaNa+ +、CaCa2+2+、MgMg2+2+、FeF

8、e2+2+等，阴离子有等，阴离子有C1C1- -、SOSO4 42+2+、HCOHCO3 3- -、S S2-2-等。等。 不可溶性次生矿物不可溶性次生矿物, ,包括游离氧化物和粘土矿物。包括游离氧化物和粘土矿物。 13（1 1）游离氧化物）游离氧化物 这是由三价的这是由三价的FeFe、AlAl，二价的，二价的SiSi和和O O、OHOH、H H2 2O O等组成的等组成的矿物，如针铁矿（矿物，如针铁矿（FeFe2 2O O3 3H H2 2O O）、褐铁矿（）、褐铁矿（FeFe2 2O O3 33H3H2 2O O）、三水）、三水铝石（铝石（AlAl2 2O O3 32H2H2 2O O）、

9、二氧化硅（）、二氧化硅（SiOSiO2 2nHnH2 2O O）等。）等。 （2 2）粘土矿物）粘土矿物 粘土矿物粘土矿物是原生矿物长石、云母等硅酸盐矿物经化学风是原生矿物长石、云母等硅酸盐矿物经化学风化形成的，化形成的，硅酸盐矿物由两部分构成，即硅酸盐矿物由两部分构成，即硅氧四面体硅氧四面体和和铝氢铝氢氧八面体。氧八面体。14硅氧四面体硅氧四面体： 由一个硅原子和四个氧原子以相等距离堆成四面体形状，由一个硅原子和四个氧原子以相等距离堆成四面体形状，硅居其中央，氧占据四个顶点（图硅居其中央，氧占据四个顶点（图2-2a2-2a）。四面体中的三个）。四面体中的三个氧被共用，横向连结成六角形的网格（

10、图氧被共用，横向连结成六角形的网格（图2-2b2-2b）。四面体的）。四面体的底在一个平面上，所有尖端指向同一方向。底在一个平面上，所有尖端指向同一方向。每个硅原子有四每个硅原子有四个正电荷，每个氧原子有两个负电荷，个正电荷，每个氧原子有两个负电荷，这样四面体排列成的这样四面体排列成的六角网格片状结构六角网格片状结构中，中，每个硅氧四面体都具有一个负电荷。每个硅氧四面体都具有一个负电荷。15铝氢氧八面体铝氢氧八面体： 由六个氢氧离子围绕一个铝离子构成的八面体晶片由六个氢氧离子围绕一个铝离子构成的八面体晶片（图（图2-3a2-3a）。由八面体组合的网片中每个氢氧离子均为三）。由八面体组合的网片中

11、每个氢氧离子均为三个相邻的八面体共有，许多八面体以这种方式连结在一起，个相邻的八面体共有，许多八面体以这种方式连结在一起，形成形成八面体单位的片状结构八面体单位的片状结构（图（图2-3b2-3b）。铝为正三价，氢）。铝为正三价，氢氧为负一价，每个八面体只能以两个负电荷抵消铝离子的氧为负一价，每个八面体只能以两个负电荷抵消铝离子的两个正电荷，还剩下一个正电荷，故两个正电荷，还剩下一个正电荷，故每个八面体都是正一每个八面体都是正一价的价的。1617 硅氧四面体和铝氢氧八面体这硅氧四面体和铝氢氧八面体这两种基本单元两种基本单元以不同的以不同的比例组合，就形成了不同类型的粘土矿物。比例组合，就形成了不

12、同类型的粘土矿物。 土中常见的粘土矿物有土中常见的粘土矿物有高岭石高岭石、伊利石伊利石、蒙脱石蒙脱石三大三大类。类。18a. a. 高岭石：一层硅氧四面体晶片和一层铝氧八面体晶片结高岭石：一层硅氧四面体晶片和一层铝氧八面体晶片结合，形成一个单位晶胞，合，形成一个单位晶胞，如图如图1-2b1-2b。由于每个硅氧四面体具。由于每个硅氧四面体具有一个负电荷，每个铝氧八面体带有一个正电荷，使两者以有一个负电荷，每个铝氧八面体带有一个正电荷，使两者以离子键（氢键）形成牢固连结，形成一个离子键（氢键）形成牢固连结，形成一个单位晶胞单位晶胞。高岭石。高岭石的构造就是这种晶胞在水平面上无限延伸，沿垂直方向相互

13、的构造就是这种晶胞在水平面上无限延伸，沿垂直方向相互重叠而成。重叠而成。高岭石晶胞间具有较强的氢键连结，水较难渗入高岭石晶胞间具有较强的氢键连结，水较难渗入其间，其颗粒一般较粗，亲水性弱，因而主要由这类矿物组其间，其颗粒一般较粗，亲水性弱，因而主要由这类矿物组成的土，膨胀性和压缩性都较低。成的土，膨胀性和压缩性都较低。19高岭石的微结构形貌特征高岭石的微结构形貌特征20b. b. 蒙脱石：蒙脱石： 蒙脱石单位晶胞的上下面均为硅氧四面体晶片，中蒙脱石单位晶胞的上下面均为硅氧四面体晶片，中间夹一个铝氧八面体晶片，间夹一个铝氧八面体晶片，如图如图1-2a1-2a。蒙脱石的构造就。蒙脱石的构造就是许多

14、上述晶胞在水平面上延伸，并顺着垂直方向一层是许多上述晶胞在水平面上延伸，并顺着垂直方向一层层叠置而成的。层叠置而成的。由于晶胞两边都为带负电荷的硅氧四面由于晶胞两边都为带负电荷的硅氧四面体，体，相邻晶胞间由相同的氧原子相接。相邻晶胞间由相同的氧原子相接。21 这种连结既弱也不稳固，水分子很容易楔入其间，这种连结既弱也不稳固，水分子很容易楔入其间，以致将其分散为极细小的鳞片状颗粒，并使晶格沿垂以致将其分散为极细小的鳞片状颗粒，并使晶格沿垂直方向膨胀。直方向膨胀。故故含蒙脱石矿物较多的土对环境的干湿含蒙脱石矿物较多的土对环境的干湿变化比较敏感变化比较敏感：土体湿度增高时，体积膨胀并形成膨土体湿度增

15、高时，体积膨胀并形成膨胀压力；土体失水时，体积收缩并产生收缩裂隙。而胀压力；土体失水时，体积收缩并产生收缩裂隙。而且这种胀缩变形可随环境变化往复发生，导致土的强且这种胀缩变形可随环境变化往复发生，导致土的强度衰减。度衰减。 22蒙脱石的微结构形貌特征蒙脱石的微结构形貌特征23c. c. 伊利石：伊利石：伊利石是含钾量高的原生矿物经化学风化的伊利石是含钾量高的原生矿物经化学风化的初期产物，初期产物，其晶格构造与蒙脱石相似，也是两片硅氧四其晶格构造与蒙脱石相似，也是两片硅氧四面体夹铝氧八面体构成，不同的是四面体中面体夹铝氧八面体构成，不同的是四面体中SiSi4+4+被被AlAl3+3+所所替代替代

16、，由，由K K+ +离子补偿晶层正电荷的不足。离子补偿晶层正电荷的不足。伊利石相邻晶伊利石相邻晶胞间由钾离子连结，胞间由钾离子连结，这种连结较之高岭石层间的氢键连这种连结较之高岭石层间的氢键连结为弱，但比蒙脱石层间的水分子连结要强，所以它形结为弱，但比蒙脱石层间的水分子连结要强，所以它形成的片状颗粒大小处于蒙脱石和高岭石之间，其工程性成的片状颗粒大小处于蒙脱石和高岭石之间，其工程性质也介于两者之间。质也介于两者之间。24伊利石的微结构形貌特征伊利石的微结构形貌特征25（三）有机质（三）有机质 工程上俗称的工程上俗称的软土软土（包括淤泥和淤泥质土）及（包括淤泥和淤泥质土）及泥炭土泥炭土中中富含有

17、机质。富含有机质。 土中的有机质是动、植物残骸和微生物以及它们的各种土中的有机质是动、植物残骸和微生物以及它们的各种分解和合成产物。分解和合成产物。通常把通常把分解不完全分解不完全的动、植物残骸称为的动、植物残骸称为泥泥炭炭，其主要成分是纤维素；把，其主要成分是纤维素；把分解完全分解完全的动、植物残骸称为的动、植物残骸称为腐殖质腐殖质。 有机质对土的工程性质的影响主要取决于其龄期、分解有机质对土的工程性质的影响主要取决于其龄期、分解程度，即取决于有机质的数量及性质。程度，即取决于有机质的数量及性质。 从工程观点看，从工程观点看，有机质（特别是分解完全的腐殖质）会有机质（特别是分解完全的腐殖质）

18、会导致土的塑性增强，压缩性增高，渗透性减小，强度降低。导致土的塑性增强，压缩性增高，渗透性减小，强度降低。 一般地，一般地，土中有机质含量超过土中有机质含量超过1%1%时，时，采用堆载预压和水采用堆载预压和水泥土搅拌进行处理不会取得明显改良效果。泥土搅拌进行处理不会取得明显改良效果。 26第三节 土中的水和气体土中的水和气体一一 土中的水土中的水 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态固态、液态、气态。固态、液态、气态。 液态水液态水是土中孔隙水的主要存在状态，因其受土粒表面是土中孔隙水的主要存在状态，因其受土粒表面双双电层电层

19、影响程度的不同可分为影响程度的不同可分为结合水、毛细水、重力水。结合水、毛细水、重力水。后两者后两者也称为非结合水（自由水）。也称为非结合水（自由水）。水 的 类 型 主要作用力 结 合 水 物理化学力 毛 细 水 表面张力和重力 非 结 合 水 重 力 水 重 力 27281 1结合水结合水 土颗粒表面带有一定的电荷，土颗粒表面带有一定的电荷，当土粒与水相接触时，由于当土粒与水相接触时，由于静电作静电作用力用力，将吸引水化离子和水分子，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形成双电层，在双电层影响下的水膜称为膜称为表面结合水表面结合水。 双电层的厚薄也反映了结合水双电层的厚薄

20、也反映了结合水的厚薄，的厚薄，结合水具有与一般自由水结合水具有与一般自由水不同的性质不同的性质，其密度较大、粘滞度，其密度较大、粘滞度高、流动性差、冰点低、比热较大、高、流动性差、冰点低、比热较大、介电常数较低。这种差异随距离增介电常数较低。这种差异随距离增加而减弱。加而减弱。 292.2.自由水自由水( (非结合水非结合水) ) 在双电层影响以外的水为自由液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，这部分水粒表面吸引力居次要地位，这部分水称为非结合水，它包括毛细水和重力称为非结合水，它包括毛细水和重力水。水。 (1)(

21、1)毛细水毛细水 毛细水是受到水与空气交界面处毛细水是受到水与空气交界面处表面张力作用的自由水。毛管现象是表面张力作用的自由水。毛管现象是毛细管壁对水的吸力和水的表面张力毛细管壁对水的吸力和水的表面张力共同作用的结果。共同作用的结果。(2)(2)重力水重力水 重力水是存在于地下水位以下的重力水是存在于地下水位以下的透水土层中的地下水。透水土层中的地下水。它是在重力或它是在重力或压力差作用下运动的自由水，对土粒压力差作用下运动的自由水，对土粒有浮力作用。有浮力作用。重力水只受重力控制，重力水只受重力控制，不受土粒表面吸引力的影响。不受土粒表面吸引力的影响。30二二 土中气土中气土中的气体土中的气

22、体成分成分与大气相通与大气相通 压缩性高；压缩性高；与大气隔绝与大气隔绝 降低透水性降低透水性一般空气中成分；一般空气中成分；微生物产生可燃气体（微生物产生可燃气体（H H2 2S S）k231第四节第四节 土的结构和构造土的结构和构造一一 土的结构土的结构1.定义：定义： 指土颗粒的大小、形状、表面特征，相互排列及其联指土颗粒的大小、形状、表面特征，相互排列及其联结关系的综合特征。结关系的综合特征。2.2.分类：分类： 单粒结构单粒结构 砂层，砾石层砂层，砾石层 土的结构土的结构 蜂窝结构蜂窝结构 粉粒粉粒 絮状结构絮状结构 粘粒粘粒 32二二 土的构造土的构造 1.定义：定义：指同一土层中成分和大小都相近的颗粒或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。颗粒集合体相互关系的特征。2 2.分类：分类： 3 3.工程性质：工程性质：通常通常分散构造分散构造的工程性质最好，的工程性质最好，裂隙裂隙状构造状构造中，因裂隙强度低、渗透性大，工程性质中，因裂隙强度低、渗透性大，工程性质差。差。黄土:如粘性土 裂隙 构卵石,砾石,砂 分散 构交错错层水平原理层状构造构造分类造造b2