1、第一章 土的组成1.1 概述1.2 土中固体颗粒1.3 土中水和土中气1.4 黏土颗粒与水的相互作用 1.5 土的结构和构造 土土 的的 形形 成成土土岩石岩石风化、搬运、沉积风化、搬运、沉积地质成岩作用地质成岩作用土的组成、结构土的组成、结构和物理力学性质和物理力学性质过程、条件过程、条件 1.1 概述土的形成与风化作用土的形成与风化作用 物理风化物理风化 化学风化化学风化 生物活动生物活动 岩石和土的粗颗粒受各种气岩石和土的粗颗粒受各种气候等物理因素的影响产生胀候等物理因素的影响产生胀缩而发生裂缝缩而发生裂缝, ,或在运动过或在运动过程中因碰撞和摩擦而破碎程中因碰撞和摩擦而破碎 是颗粒大小
2、发生量的变化是颗粒大小发生量的变化 矿物成分与母岩相同，称原矿物成分与母岩相同，称原生矿物生矿物 产生无粘性土产生无粘性土 1.1 概述 母岩表面和碎散的颗粒受环母岩表面和碎散的颗粒受环境因素的作用而改变其矿物境因素的作用而改变其矿物的化学成分，形成新的矿物的化学成分，形成新的矿物 颗粒成分发生质的变化颗粒成分发生质的变化 矿物成分与母岩不同，称次矿物成分与母岩不同，称次生矿物生矿物 形成十分细微的土颗粒，最形成十分细微的土颗粒，最主要为粘性颗粒及可溶盐类主要为粘性颗粒及可溶盐类土的形成与风化作用土的形成与风化作用 物理风化物理风化 化学风化化学风化 生物活动生物活动 1.1 概述 包括植物、
3、动物和土壤微包括植物、动物和土壤微生物的作用生物的作用 可加剧物理和化学风化可加剧物理和化学风化 构成土中有机质和营养物构成土中有机质和营养物质的生物循环质的生物循环 导致腐殖质的形成，改变导致腐殖质的形成，改变土壤的结构土壤的结构土的形成与风化作用土的形成与风化作用 物理风化物理风化 化学风化化学风化 生物活动生物活动 1.1 概述 残积土残积土 无搬运无搬运 运积土运积土 有搬运有搬运搬运与沉积搬运与沉积母岩表层经风化作用破碎成母岩表层经风化作用破碎成岩屑或细小颗粒后，未经搬岩屑或细小颗粒后，未经搬运残留在原地的堆积物运残留在原地的堆积物 残积土残积土 强风化强风化 弱风化弱风化 微风化微
4、风化 母岩体母岩体 颗粒表面粗糙颗粒表面粗糙 多棱角多棱角 粗细不均粗细不均 无明显层理无明显层理 1.1 概述搬运与沉积搬运与沉积 残积土残积土 无搬运无搬运 运积土运积土 有搬运有搬运风化所形成的土颗粒，受自然力的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作用搬运到远近不同的地点所沉积的堆积物的堆积物 坡积土：坡积土：土粒粗细不同，性质不均土粒粗细不同，性质不均 洪积土：洪积土：有分选性，近粗远细有分选性，近粗远细 冲积土：冲积土：浑圆度分选性明显，土层交迭浑圆度分选性明显，土层交迭 湖泊沼泽沉积土：湖泊沼泽沉积土：含有机物淤泥，土性差含有机物淤泥，土性差 海相沉积物：海
5、相沉积物：颗粒细，表层松软，土性差颗粒细，表层松软，土性差 冰积土：冰积土：土粒粗细变化较大，性质不均匀土粒粗细变化较大，性质不均匀 风积土：风积土：颗粒均匀，层厚而不具层理颗粒均匀，层厚而不具层理 1.1 概述土的成因类型1、残积土(residual soils)2、坡积土(slope debris) 1.1 概述3、洪积土(diluvial soils) 1.1 概述4、冲积土(alluvial soils) 河流流水的地质作用将两岸基岩及其上部覆盖的坡积、洪积物质剥蚀后搬运、沉积在河流坡降平缓地带形成的沉积物。 1.1 概述土中气体土中气体 气相气相 次要作用次要作用固体颗粒固体颗粒 固
6、相固相 构成土体骨架构成土体骨架 起决定作用起决定作用土中水土中水 液相液相 重要影响重要影响土体的三相构成土体的三相构成饱和土饱和土 ：土体孔隙完全被水充满：土体孔隙完全被水充满干干 土土 ：土体孔隙完全被气充满：土体孔隙完全被气充满非饱和土：孔隙中水和气均存在非饱和土：孔隙中水和气均存在 1.1 概述固体颗粒固体颗粒 - - 颗粒大小颗粒大小 粒组粒组 按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类 界限粒径界限粒径d(mm)砾石砾石砂粒砂粒粉粒粉粒粘粒粘粒胶粒胶粒6020.0750.0050.0020.250.5520粗 中 细粗 中 细0.075粗粒粗粒细粒细
7、粒粗粒土：以砾石和砂砾为主要组成的土，也称无粘性土。粗粒土：以砾石和砂砾为主要组成的土，也称无粘性土。细粒土：以粉粒、粘粒和胶粒为主要组成的土，也称粘性土。细粒土：以粉粒、粘粒和胶粒为主要组成的土，也称粘性土。巨粒巨粒601.2 固体颗粒 固体颗粒固体颗粒 - - 粒径级配粒径级配F 颗粒级配：颗粒级配：各粒组的相对含量，用质量百分各粒组的相对含量，用质量百分 数来表示数来表示F 分析方法：分析方法： 筛分法：适用于粗粒土筛分法：适用于粗粒土 孔径大小不同的筛子孔径大小不同的筛子 水分法：适用于细粒土水分法：适用于细粒土 常采用比重计法常采用比重计法F 表述方法表述方法: : 粒径级配累积曲线
8、粒径级配累积曲线1.2 固体颗粒 固体颗粒固体颗粒 - - 粒径级配粒径级配孔径孔径105.02.01.00.50.250.1(0.075)200g土土筛余筛余0101618242238721009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数小于某粒径之土质量百分数P P（）（）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径粒径(mm)(mm)P100958778665536土的粒径级配土的粒径级配累积曲线累积曲线沉降分析沉降分析法法粒径粒径(mm)(mm)0.050.050.010.010.0050.005百分数百分数P(%)P(%)262613.51
9、3.51010筛筛分分法法1.2 固体颗粒 1009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（）小于某粒径之土质量百分数（）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径粒径(mm)(mm) 土的粒径级配累积曲线土的粒径级配累积曲线固体颗粒固体颗粒 级配曲线级配曲线d60d50d10d30特征粒径特征粒径: 定性分析：定性分析： 陡陡- -相应粒组含量少相应粒组含量少 缓缓- -相应粒组含量多相应粒组含量多 d50 : 平均粒径平均粒径d60 : 限制限制粒径粒径d10 : 有效粒径有效粒径d30 : 中值粒径中值粒径1.2 固体颗粒 土的不均匀程度
10、：土的不均匀程度：用不均匀系数用不均匀系数Cu表示，表示， Cu = d60 / d10 Cu 5，称为不均匀土，称为不均匀土，反之称为均匀土反之称为均匀土 连续程度连续程度: 用曲率系数用曲率系数度量度量Cc = d302 / (d60 d10 )Cc=13为连续级配为连续级配, 33或或13 或或 Cc1为级配不连续土为级配不连续土F 不均匀系数不均匀系数Cu和曲率系数和曲率系数Cc 用于判定土的用于判定土的级配优劣级配优劣： Cu 5且且 Cc=13为级配为级配 良好的土；如果良好的土；如果Cu3 或或Cc1g/cm3 冰点处于零下几十度冰点处于零下几十度 完全不能移动，具有固体的特性完
11、全不能移动，具有固体的特性 温度略高于温度略高于100C时可蒸发时可蒸发- 弱结合水：弱结合水： 受电场引力作用，为粘滞水膜受电场引力作用，为粘滞水膜 外力作用下可以移动外力作用下可以移动 不因重力而流动，有粘滞性不因重力而流动，有粘滞性粘土粘土颗粒颗粒- - - - - - - - - - - - - - - - - +引力引力d水分子水分子阳离子阳离子强结合水强结合水弱结合水弱结合水自由水自由水土中水土中水 结合水结合水n 结合水：结合水：受颗粒表面电场作用力受颗粒表面电场作用力吸引而包围在颗粒四周，不传递静水吸引而包围在颗粒四周，不传递静水压力，不能任意流动的水压力，不能任意流动的水1.
12、3 1.3 土中水和土中气土中水和土中气 - 毛细水：毛细水：由于土体孔隙的毛细由于土体孔隙的毛细作用升至自由水面以上的水。作用升至自由水面以上的水。毛细水承受表面张力和重力的毛细水承受表面张力和重力的作用作用- 重力水：重力水：自由水面以下的孔隙自由水面以下的孔隙自由水，在重力作用下可在土自由水，在重力作用下可在土中自由流动中自由流动土中水土中水 自由水自由水n 自由水：自由水：不受颗粒电场引不受颗粒电场引力作用的孔隙水力作用的孔隙水hc毛细水毛细水重力水重力水1.3 1.3 土中水和土中气土中水和土中气 生活在水面收缩膜生活在水面收缩膜顶面和地面的昆虫顶面和地面的昆虫水蜘蛛水蜘蛛仰泳的仰泳
13、的水蜘蛛水蜘蛛收缩膜收缩膜内压内压 外压外压液体液体1液体液体2界面张力界面张力 界面张力界面张力1.3 1.3 土中水和土中气土中水和土中气 毛管中流体的界面效应毛管中流体的界面效应Tdk w空气空气固体固体 = =湿润角湿润角水水 aT =界面张力界面张力D Dk k= =毛管直径毛管直径ua-uwua-uw =压力差压力差1.3 1.3 土中水和土中气土中水和土中气 毛毛细细管管hc土中毛细水上升高度土中毛细水上升高度T2rrThccos2上升高度上升高度 r2hc w=2 rTcos 毛细升高与孔径成反比毛细升高与孔径成反比粘粘土土粉粉土土砂砂土土砾砾石石1.3 1.3 土中水和土中气
14、土中水和土中气 张力张力TTuc 水水hc2ruc= -hc w水压水压 +-TT则毛细压力：则毛细压力：2rTcos+ucr2 = 0cchu 毛细管中的毛细管中的负静水压力负静水压力毛细水压力毛细水压力1.3 1.3 土中水和土中气土中水和土中气 土颗粒缝隙处的弯液面土颗粒缝隙处的弯液面r空气空气 水水 固体颗粒固体颗粒弯液面弯液面F在非饱和土中，孔隙中含在非饱和土中，孔隙中含有水和气，此时水多集中有水和气，此时水多集中于颗粒间的缝隙处，称毛于颗粒间的缝隙处，称毛细角边水。细角边水。F由于毛细张力的作用，会由于毛细张力的作用，会形成如图所示的弯液面，形成如图所示的弯液面，使毛细角边水产生负
15、压力，使毛细角边水产生负压力，颗粒则受正压力。颗粒则受正压力。F这是稍湿的砂土颗粒间存这是稍湿的砂土颗粒间存在假凝聚力的原因在假凝聚力的原因1.3 1.3 土中水和土中气土中水和土中气 气相气相 - - 土中气土中气F自由气体：自由气体：与大气连通连通的气体与大气连通连通的气体对土的性质影响不大对土的性质影响不大F封闭气体：封闭气体：被土颗粒和水封闭的气体被土颗粒和水封闭的气体其体积与压力有关。会增加土的弹性；其体积与压力有关。会增加土的弹性；阻塞渗流通道，降低渗透性阻塞渗流通道，降低渗透性F溶解在水中的气体溶解在水中的气体F吸附于土颗粒表面的气体吸附于土颗粒表面的气体1.3 1.3 土中水和
16、土中气土中水和土中气 1.4 1.4 黏土颗粒与水的相互作用黏土颗粒与水的相互作用 粘粘 土土 矿矿 物物粘土矿物是一种复合的铝粘土矿物是一种复合的铝- -硅盐晶体，颗粒呈片状，是由硅硅盐晶体，颗粒呈片状，是由硅片和铝片构成的晶包所组叠而成，可分成高岭石、伊利石和片和铝片构成的晶包所组叠而成，可分成高岭石、伊利石和蒙特石三种类型。蒙特石三种类型。 硅片硅片 铝片铝片SiSi氧离子氧离子O2-硅离子硅离子Si4+硅硅- -氧四面体氧四面体 硅片的结构硅片的结构 硅片简图硅片简图粘粘 土土 矿矿 物物粘土矿物是一种复合的铝粘土矿物是一种复合的铝- -硅盐晶体，颗粒呈片状，是由硅硅盐晶体，颗粒呈片状
17、，是由硅片和铝片构成的晶包所组叠而成，可分成高岭石、伊利石和片和铝片构成的晶包所组叠而成，可分成高岭石、伊利石和蒙特石三种类型。蒙特石三种类型。OH1-铝离子铝离子Al3+铝铝- -氢氧八面体氢氧八面体 硅片的结构硅片的结构 硅片简图硅片简图Al Al 硅片硅片 铝片铝片1.4 1.4 黏土颗粒与水的相互作用黏土颗粒与水的相互作用 晶层间通过氢键联结，联结力强，晶晶层间通过氢键联结，联结力强，晶格不能自由活动，水难以进入晶格间格不能自由活动，水难以进入晶格间 能组叠很多晶层，多达百个以上，成能组叠很多晶层，多达百个以上，成为一个颗粒。颗粒长宽约为一个颗粒。颗粒长宽约0.3-3 ，厚厚约约0.0
18、3-1 。 主要特征：颗粒较粗，不容易吸水膨主要特征：颗粒较粗，不容易吸水膨胀和失水收缩，或者说亲水能力差。胀和失水收缩，或者说亲水能力差。粘粘 土土 矿矿 物物依硅片和铝片组叠依硅片和铝片组叠形式的不同，可分形式的不同，可分成如下三种类型：成如下三种类型： 高岭石高岭石 蒙特石蒙特石 伊利石伊利石Si SiAl AlSi SiAl AlSi SiAl Al高岭高岭石微粒石微粒1:1的两的两层结构层结构1.4 1.4 黏土颗粒与水的相互作用黏土颗粒与水的相互作用 晶层间是晶层间是O2-对对O2-的连结，联结力很的连结，联结力很弱，水很容易进入晶层之间。弱，水很容易进入晶层之间。 每一颗粒能组叠
19、的晶层数较少。颗粒每一颗粒能组叠的晶层数较少。颗粒大小约为大小约为0.1-1 ，厚约，厚约0.001-0.01 。 主要特征：颗粒细微，具有显著的吸主要特征：颗粒细微，具有显著的吸水膨胀、失水收缩的特性，或者说亲水膨胀、失水收缩的特性，或者说亲水能力强。水能力强。2:1的三的三层结构层结构Si SiAl AlSi SiSi SiAl AlSi Si数层数层水分子水分子粘粘 土土 矿矿 物物依硅片和铝片组叠依硅片和铝片组叠形式的不同，可分形式的不同，可分成如下三种类型：成如下三种类型： 高岭石高岭石 蒙特石蒙特石 伊利石伊利石1.4 1.4 黏土颗粒与水的相互作用黏土颗粒与水的相互作用 粘粘 土
20、土 矿矿 物物 是云母在碱性介质中风化的产物。是云母在碱性介质中风化的产物。 与蒙特石相似，由两层硅片夹一层与蒙特石相似，由两层硅片夹一层铝片所形成的三层结构，但晶层之铝片所形成的三层结构，但晶层之间有钾离子连结间有钾离子连结。 主要特征：连结强度弱于高岭石而主要特征：连结强度弱于高岭石而高于蒙特石，其特征也介于两者之高于蒙特石，其特征也介于两者之间。间。2:1的三的三层结构层结构Si SiAl AlSi SiSi SiAl AlSi Si钾离子钾离子依硅片和铝片组叠依硅片和铝片组叠形式的不同，可分形式的不同，可分成如下三种类型：成如下三种类型： 高岭石高岭石 蒙特石蒙特石 伊利石伊利石1.4
21、 1.4 黏土颗粒与水的相互作用黏土颗粒与水的相互作用 颗粒形状和比表面积颗粒形状和比表面积 原生矿物：原生矿物：一般颗粒较粗，呈粒状。一般颗粒较粗，呈粒状。有圆状、浑圆状、棱角状等。有圆状、浑圆状、棱角状等。 次生矿物：次生矿物：颗粒较细，多呈针状、片颗粒较细，多呈针状、片状、扁平状。状、扁平状。 比表面积：比表面积：单位质量土颗粒所拥有的单位质量土颗粒所拥有的总表面积。对于粘性土，其大小直接总表面积。对于粘性土，其大小直接反映土颗粒与四周介质反映土颗粒与四周介质, ,特别是水特别是水, ,相相互作用的强烈程度互作用的强烈程度, ,是代表粘性土特是代表粘性土特征的一个很重要的指标。征的一个很
22、重要的指标。高岭石的比表面积为：高岭石的比表面积为：10-20m2/g, ,伊伊利石：利石：80-l00m2/g, ,蒙特石：蒙特石：800m2/g粗颗粒的形状粗颗粒的形状粘土颗粒的形状粘土颗粒的形状1.4 1.4 黏土颗粒与水的相互作用黏土颗粒与水的相互作用 粘土矿物的带电性质粘土矿物的带电性质研究表明，片状粘土颗粒研究表明，片状粘土颗粒表面常带有电荷，净电荷表面常带有电荷，净电荷通常为负电荷通常为负电荷- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -+粘土颗粒粘土颗粒水分子水分子阳离子阳离子粘土矿物的带电特性粘土矿物的带电特性玻璃筒玻璃筒玻璃皿玻璃皿水
23、位水位升高升高粘土粒粘土粒粘土膏粘土膏+-粘土的电泳和电渗现象粘土的电泳和电渗现象( (列依斯列依斯, 1809), 1809)1.4 1.4 黏土颗粒与水的相互作用黏土颗粒与水的相互作用 粘土粘土颗粒颗粒- - - - - - - - - - - - - - - - - +引力引力d水分子水分子阳离子阳离子强结合水强结合水弱结合水弱结合水自由水自由水1.2 1.2 土的三相组成土的三相组成 小结小结 土体有三个组成部分：土体有三个组成部分：固相固相、液相液相和和气相气相 小小 结结F固体颗粒固体颗粒F土中水土中水F土中气体土中气体粒径级配粒径级配矿物成分矿物成分颗粒形状颗粒形状结合水结合水
24、：强结合水、弱结合水：强结合水、弱结合水 自由水自由水 ：重力水、毛细水：重力水、毛细水自由气体自由气体封闭气体封闭气体土的结构（微观结构）：指土粒的原位集合体特征，是由土粒单元的大小、矿物成分、形状、相互排列及其连接关系，土中水性质及孔隙特征等因素土的构造（宏观结构）：同一土层中的物质成分和颗粒大小等都相近的各部分之间的相合关系的特征。1.5 1.5 土的结构和构造土的结构和构造 F粒间作用力：粒间作用力：重力起重力起决定性的作用决定性的作用。在非。在非饱和土中，还受到毛饱和土中，还受到毛细力的作用细力的作用F排列形式：点与点排列形式：点与点 点与面点与面单粒结构单粒结构示意图示意图1、单粒
25、结构细土颗粒间的作用力细土颗粒间的作用力 范德华力：范德华力：接触点处的分子引力，作用范围为接触点处的分子引力，作用范围为几个分子的距离，是细粒土粘结在一起的主因几个分子的距离，是细粒土粘结在一起的主因 库仑力：库仑力：颗粒表面的静电引力或斥力，随距离颗粒表面的静电引力或斥力，随距离衰减的速度比范德华力慢衰减的速度比范德华力慢 胶结力：胶结力：土粒间通过胶体连结在一起，作用力土粒间通过胶体连结在一起，作用力是化合键，具有较高的强度是化合键，具有较高的强度 毛细力：毛细力：土中毛细作用形成的力土中毛细作用形成的力 土中细颗粒，比表面积大，重量轻，重力不起重要的土中细颗粒，比表面积大，重量轻，重力
26、不起重要的作用，其他粒间力起主导作用：作用，其他粒间力起主导作用：1.4 1.4 土的结构土的结构 2、蜂窝结构 当土颗粒较细时，在水中单个下沉，碰到已沉积的土粒，因土粒之间的分子引力大于土粒自重，则下沉的土粒被吸引不再下沉。依次一粒粒被吸引，形成具有很大孔隙的蜂窝状结构。3、絮状结构 那些粒径极细的粘土颗粒(粒径小于0.005mm)在水中长期悬浮，这种土粒在水中运动，相互碰撞而吸引逐渐形成小链环状的土集粒，质量增大而下沉，当一个小链环碰到另一小链环时相互吸引，不断扩大形成大链环，称为絮状结构。因小链环中已有孔隙，大链环中又有更大的孔隙，形象地称为二级蜂窝结构。土的构造土的构造表征土层的层理、裂隙及大孔隙等宏观特征
