东南大学《土力学》2土的组成-2课时

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1、土土 的的 组组 成成 本章目的本章目的 本章特点本章特点 学习要点学习要点第一章：土的组成第一章：土的组成 对土的特点进行详细解释和定量描述对土的特点进行详细解释和定量描述 内容琐碎、零散内容琐碎、零散 理清各节间联系理清各节间联系 注意物理概念的把握注意物理概念的把握第一章：土的组成第一章：土的组成1.1 1.1 土的形成土的形成 1.2 1.2 土中固体颗粒土中固体颗粒1.3 1.3 土中水土中水1.4 1.4 土中气土中气1.5 1.5 黏土颗粒与水相互作用黏土颗粒与水相互作用1.6 1.6 土的结构与构造土的结构与构造 黏土颗粒与水的相互作用土中固体颗粒土中固体颗粒土中水土中水土中气

2、土中气土的形成过程土的形成过程土的结构与构造土的结构与构造决定决定土的工程性质土的工程性质1 1、土的形成、土的形成土土 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、条件土是岩石经过风化后在不同条件下形成的自然历史的产物土是岩石经过风化后在不同条件下形成的自然历史的产物1 1、土的形成、土的形成生物循环生物循环物理风化物理风化化学风化化学风化量变量变无粘性土无粘性土原生矿物原生矿物质变质变粘性土粘性土（主要为粘性颗粒及可溶盐类主要为粘性颗粒及可溶盐类）次生矿物次生矿物动、植物和微生物

3、的活动动、植物和微生物的活动一.风化有有 机机 质质1 1、土的形成、土的形成岩石和土的粗颗粒受各种气候因素的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影响产生胀缩而发生裂缝,或在运动或在运动过程中因碰撞和摩擦而破碎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，形成作用而改变其矿物的化学成分，形成新的矿物新的矿物二.搬运与沉积残积土残积土无搬运运积土运积土有搬运土土质质较较好好残积土残积土强风化强风化弱风化弱风化微风化微风化母岩体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

4、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1 1、土的形成、土的形成运积土运积土有搬运风：风：风积土风积土重力重力:坡积土坡积土 流水流水:洪积土洪积土冲积土冲积土湖泊沼泽沉积土湖泊沼泽沉积土海相沉积物海相沉积物冰川冰川:冰积土冰积土土粒粗细不同，性质不均匀土粒粗细不同，性质不均匀有分选性，近粗远细有分选性，近粗远细浑圆度分选性明显，土层交迭浑圆度分选性明显，土层交迭含有机物淤泥，土性差含有机物淤泥，土性差颗粒细，表层松软，土性差颗粒细，表层松软，土性差土粒粗细变化较大，性质不均匀土粒粗细变化较大，性质不均匀颗粒均匀，层厚而不具层理颗粒均匀，层厚

5、而不具层理1 1、土的形成、土的形成第一章：土的组成第一章：土的组成1.1 1.1 土的形成土的形成 1.2 1.2 土中固体颗粒土中固体颗粒1.3 1.3 土中水土中水1.4 1.4 土中气土中气1.5 1.5 黏土颗粒与水相互作用黏土颗粒与水相互作用1.6 1.6 土的结构与构造土的结构与构造 风化作用风化作用 搬运与沉积搬运与沉积土中气体土中气体 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

6、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2 2 土中固体颗粒土中固体颗粒物理状态力学特性粒径级配粒径级配矿物成分矿物成分颗粒形状颗粒形状 2 2 土中固体颗粒土中固体颗粒粒径级配颗粒大小各粒径成分在土中占的比例影响土性的主因2 2 土中固体颗粒土中固体颗粒固体颗粒固体颗粒 -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60275520粗 中 细粗 中 细0.075粗粒粗粒细粒细粒粗粒土：以砾石和砂砾为主要组成的土，也称

7、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602 2 土中固体颗粒土中固体颗粒粒径级配粒径级配固体颗粒固体颗粒 -粒径级配粒径级配F 粒径级配：粒径级配：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：筛分法筛分法：适用于粗粒土：适用于粗粒土 孔径大小不同的筛子孔径大小不同的筛子 沉降分析法沉降分析法：适用于细粒土：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:粒径级配累积曲线粒径级配累积曲线2

8、 2 土中固体颗粒土中固体颗粒粒径级配粒径级配颗粒成分分析颗粒成分分析筛分法筛分法颗粒成分分析颗粒成分分析沉降分析法沉降分析法10200g101618242238721009080706050403020100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（）（）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径粒径(mm)P%958778665536土的粒径级配累积曲线土的粒径级配累积曲线水分法水分法2 2 土中固体颗粒土中固体颗粒粒径级配粒径级配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（）105.01.00.5

9、0.100.050.010.0050.001粒径粒径(mm)土的粒径级配累积曲土的粒径级配累积曲线线d60d50d10d30特征粒径特征粒径:d50:平均平均粒径粒径d60:控制控制粒径粒径d10:有效有效粒径粒径d30 不均匀程度不均匀程度：Cu=d60/d10 连续程度连续程度:Cc=d302/(d60d10)曲率系数曲率系数 不均匀系数不均匀系数Cu 5,级配不均匀粗细程度粗细程度：用用d50 表示 2 2 土中固体颗粒土中固体颗粒粒径级配粒径级配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.

10、010.0050.001粒径粒径(mm)土的粒径级配累积曲土的粒径级配累积曲线线d60d10d30斜率斜率:某粒径范围内颗粒的含量某粒径范围内颗粒的含量 陡陡相应粒组质量集中相应粒组质量集中 缓缓-相应粒组含量少相应粒组含量少 平台平台-相应粒组缺乏相应粒组缺乏连续程度连续程度:Cc=d302/(d60 d10)曲率系数曲率系数较大颗粒缺少较大颗粒缺少Cc 减小减小较小颗粒缺少较小颗粒缺少Cc 增大增大Cc =1 3,级配连续性好级配连续性好2 2 土中固体颗粒土中固体颗粒粒径级配粒径级配粒径级配粒径级配累积曲线及指标的用途粒径级配累积曲线及指标的用途：1）粒组含量用于土的分类定名粒组含量用于

11、土的分类定名；2）不均匀系数不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度：用于判定土的不均匀程度：Cu 5,不均匀土不均匀土；Cu 3 或 Cc 1,级配不连续土级配不连续土4）不均匀系数不均匀系数Cu和和曲率系数曲率系数Cc用于判定土的级配优劣：用于判定土的级配优劣：如果如果 Cu 5且且 C c =1 3，级配级配 良好的土良好的土；如果如果 Cu 3 或或 Cc 1g/cm3 冰点处于零下几十度冰点处于零下几十度 具有固体的特性具有固体的特性 温度高于温度高于100C时可蒸发时可蒸发强结合水强结合水 位于强结合水之外，电场引位于强结合水之外，电场引 力作用范围之内力作用范围之内 外力作用下可以移

12、动外力作用下可以移动 不因重力而移动，有粘滞性不因重力而移动，有粘滞性弱结合水弱结合水3、土中水自由水自由水重力水重力水毛细水毛细水在在重力作用下重力作用下可在土中自由流动可在土中自由流动 存在于固气之间存在于固气之间 在在重力与表面张力作用下重力与表面张力作用下 可在土粒间空隙中自由移动可在土粒间空隙中自由移动3、土中水hc毛细水毛细水重力水重力水 =湿润角湿润角 空气空气固体固体水水 lT=界面张力界面张力d d=毛管直径毛管直径Td=2rua-uwua-uw=压力差压力差毛细水毛细现象毛细现象毛毛细细管管hc3、土中水土中毛细现象土中毛细现象rThccos2上升高度上升高度:r2hcw=

13、2rTcos毛细水分布在土粒内部相互贯通分布在土粒内部相互贯通的孔隙可以看成许多形状的孔隙可以看成许多形状不一、直径互异、彼此连不一、直径互异、彼此连通的毛细管通的毛细管毛细升高与孔径成反比毛细升高与孔径成反比粘土粉土砂土砾石分析对象分析对象:水柱水柱3、土中水对砂土强度的影响对砂土强度的影响:毛细边角水毛细边角水,假凝聚力假凝聚力ccuh 毛细压力毛细压力2rTcos+ucr2 =0毛细压力 非饱和土中毛细张力影响非饱和土中毛细张力影响分析对象分析对象:水膜水膜rThccos23、土中水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

14、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3、土中水第一章：土的组成第一章：土的组成1.1 1.1 土的形成土的形成 1.2 1.2 土中固体颗粒土中固体颗粒 1.3 1.3 土中水土中水 1.4 1.4 土中气土中气1.5 1.5 黏土颗粒与水相互作用黏土颗

15、粒与水相互作用1.6 1.6 土的结构与构造土的结构与构造 土中气v自由气体：自由气体：与大气连通，对土的性质影响不大与大气连通，对土的性质影响不大v封闭气体：封闭气体：增加土的弹性；阻塞渗流通道增加土的弹性；阻塞渗流通道4、土中气第一章：土的组成第一章：土的组成1.1 1.1 土的形成土的形成 1.2 1.2 土中固体颗粒土中固体颗粒 1.3 1.3 土中水土中水 1.4 1.4 土中气土中气 1.5 1.5 黏土颗粒与水相互作用黏土颗粒与水相互作用 1.6 1.6 土的结构土的结构土土 的的 结结 构构土颗粒或粒团的空间排土颗粒或粒团的空间排列和相互联结列和相互联结 原状土和原状土和重塑重

16、塑土的强度土的强度 沉积或碾压土沉积或碾压土的各向异性的各向异性 土的结构土的结构土体土体的性质的性质 土粒间的作用力土粒间的作用力 粗粒土的结构粗粒土的结构 细粒土的结构细粒土的结构 粘性土的结构性指标粘性土的结构性指标6、土的结构粗粒土的结构粗粒土的结构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6、土的结构Silt 6、土的结构Mode of packing of equal spheres(plan views):(a)ver

17、y loose packing(e=0.91);(b)very dense packing(e=0.35)6、土的结构Single-grained structures;(a)loose;(b)dense6、土的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

18、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：6、土的结构结合水物理化学作用 排列致密、定向性强排列致密、定向性强 密度密度1g/cm3 冰点处于零下几十度冰点处于零下几十度 具有固体的特性具有固体的特性 温度高于温度高于100C时可蒸发时可蒸发强结合水强结合水 位于强结合水之外，电场引位于强结合水之外，电场引 力作用范围之内力作用范围之内 外力作用下可以移动外力作

19、用下可以移动 不因重力而移动，有粘滞性不因重力而移动，有粘滞性弱结合水弱结合水细粒土的结构细粒土的结构 形成环境形成环境 粒间作用力粒间作用力 排列形式排列形式淡水中沉积淡水中沉积表面力、胶结力表面力、胶结力（粒间斥力占优势（粒间斥力占优势)面与面面与面天然通常不是单一结构，可能是呈多种类型的综天然通常不是单一结构，可能是呈多种类型的综合结构。往往先形成团粒合结构。往往先形成团粒凝聚结构凝聚结构海水中沉积海水中沉积表面力、胶结力表面力、胶结力（斥力减小引力增加（斥力减小引力增加)边、角与面边、角与面边、角与边边、角与边示意图示意图分散结构分散结构 6、土的结构(silt dominated)6

20、、土的结构 Flocculent structures (clay particle dominated)(a)dispersion;(b)non-salt flocculation;(c)salt flocculation(adapted from Lambe,1958)6、土的结构反映粘性土结构性的指标反映粘性土结构性的指标 灵敏度灵敏度 触变性触变性S St t1 11-21-22-42-44-84-88-168-161616粘性土粘性土不灵敏不灵敏低灵敏低灵敏中等灵敏中等灵敏灵敏灵敏很灵敏很灵敏流动流动 3=0相同含水相同含水量、密度量、密度 ququ原状土原状土重塑土重塑土灵敏度灵敏

21、度St：原状土的无侧限抗压强度原状土的无侧限抗压强度qu和重塑土的无侧限抗压强度和重塑土的无侧限抗压强度qu之比之比6、土的结构含水量不变，密度不变，因重塑而强度含水量不变，密度不变，因重塑而强度降低，又因静置而逐渐强化，强度逐渐降低，又因静置而逐渐强化，强度逐渐恢复的现象，称为恢复的现象，称为触变性触变性。反映粘性土结构性的指标反映粘性土结构性的指标 土的触变性是土结构中联结形态发生土的触变性是土结构中联结形态发生变化引起的，是土结构随时间变化的变化引起的，是土结构随时间变化的宏观表现。宏观表现。目前尚没有合理的描述土触变性的方目前尚没有合理的描述土触变性的方法和指标。法和指标。灵敏度灵敏度

22、 触变性触变性6、土的结构土的结构土的结构土颗粒或粒团的土颗粒或粒团的空间排列和相互联结空间排列和相互联结粗粒土的结构粗粒土的结构单粒结构单粒结构重力起主导作用重力起主导作用粒间力起主粒间力起主导作用导作用粘性土的粘性土的结构性指标结构性指标细粒土的结构细粒土的结构分散结构分散结构 凝聚结构凝聚结构小小 结结6、土的结构土土 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、条件土的形成土的形成 -总结总结土体有三个组成部分：固相、液相和气相土体有三个组成部分：固相、液相和气相土的三相组成土的三相组成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 ：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三相组成土的三相组成 小结小结 土的结构土的结构 小结小结 土的结构土的结构土颗粒或粒团的土颗粒或粒团的空间排列和相互联结空间排列和相互联结粗粒土的结构粗粒土的结构单粒结构单粒结构重力起主导作用重力起主导作用粒间力起主粒间力起主导作用导作用粘性土的粘性土的结构性指标结构性指标细粒土的结构细粒土的结构分散结构分散结构 凝聚结构凝聚结构土的结构土的结构