土的物质组成与结构构造课件

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1、 第一节 土的形成与物质组成土的形成与物质组成一、土的形成一、土的形成 “土土”一一词词在在不不同同的的学学科科领领域域有有其其不不同同的的涵涵义义。就就土土木木工工程程领领域域而而言言，土土是是指指覆覆盖盖在在地地表表的的没没有有胶胶结结或或弱弱胶胶结结的的颗颗粒粒堆堆积物。积物。土与岩石的区分仅在于颗粒间胶结的强弱。土与岩石的区分仅在于颗粒间胶结的强弱。物理风化物理风化指岩石经受风、霜、雨、雪的侵蚀，温度、湿指岩石经受风、霜、雨、雪的侵蚀，温度、湿度的变化、不均匀膨胀与收缩，使岩石产生裂隙，崩解为碎度的变化、不均匀膨胀与收缩，使岩石产生裂隙，崩解为碎块。这种风化仅改变颗粒大小与形状，不改变

2、原来矿物成分。块。这种风化仅改变颗粒大小与形状，不改变原来矿物成分。生成的土呈松散状态，生成的土呈松散状态，无粘性土无粘性土。化化学学风风化化指指岩岩石石碎碎屑屑与与空空气气、水水和和各各种种水水溶溶液液相相接接触触，经经氧氧化化、碳碳化化和和水水化化作作用用，改改变变原原来来矿矿物物成成分分，形形成成新新的的矿矿物物（次生矿物）。生成的土为细粒土，（次生矿物）。生成的土为细粒土，粘性土粘性土。生物风化生物风化由动物、植物和人类对岩体的破坏。由动物、植物和人类对岩体的破坏。第一章第一章 土的物质组成与结构构造土的物质组成与结构构造1土的物质组成与结构构造岩石物理风化化学风化土土原生原生矿物物次

3、生次生矿物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2土的物质组成与结构构造3土的物质组成与结构构造二、土的物质组成二、土的物质组成4土的物质组成与结构构造第二节 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

4、的分界尺寸。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土的物质组成与结构构造6土的物质组成与结构构造5.5.颗颗粒粒级级配配土土粒粒的的大大小小及及组组成成情情况况，通通常常以以土土中中各各个个粒粒组组的的相相对对含含量量来来表表示示，称称为为土土的的颗颗粒粒级配。级配。级级配配的的测测试试方方法法：筛筛析析法法 （0.075mm),0.075mm),比比重计法重计法(0.075mm)(55，且且C Cc c=1-3)=1-3)的的土土，较较粗粗颗颗粒粒间间的的孔孔隙隙被被较

5、较细细的的颗颗粒粒所所填填充充，因因而而土土的的密密实实度度较较好好，相相应应的的地地基基土土的的强强度度和和稳稳定定性性也也较较好好透透水水性性和和压压缩缩性性也也较较小小，可可用用作作堤堤坝坝或或其其它它土建工程的填方土料。土建工程的填方土料。10土的物质组成与结构构造第三节第三节 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 土土中中的的固固体体颗颗粒粒是是由由矿矿物物构构成成的的。按按其其成成因因和和成成分分可可分分为原生矿物、次生矿物、有机质等。为原生矿物、次生矿物、有机质等。（一）原生矿物（一）原生矿物 土土中中的的原原生生矿矿物物是是岩岩石石风风化化

6、过过程程中中的的产产物物，保保持持了了母母岩岩的的矿矿物物成成分分和和晶晶体体结结构构，常常见见的的如如石石英英、长长石石、角角闪闪石石、云云母母等等。这这些些矿矿物物是是组组成成土土中中卵卵石石、砾砾石石、砂砂粒粒和和某某些些粉粉粒粒的的主要成分。主要成分。11土的物质组成与结构构造原生矿物的主要特点是：原生矿物的主要特点是：颗颗粒粒粗粗大大，物物理理、化化学学性性质质比比较较稳稳定定，抗抗水水性性和和抗抗风风化化能能力力较较强强，亲亲水水性性弱弱或或较较弱弱。它它们们对对土土的的工工程程性性质质的的影影响响比比其其它它几几种种矿矿物物要要小小得得多多，主主要要差差别别表表现现在颗粒形状、坚

7、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。例例如如，分分别别由由石石英英和和云云母母类类矿矿物物组组成成的的土土，尽尽管管土土的的粒粒度度成成分分和和密密实实度度相相同同。但但由由于于石石英英的的坚坚硬硬程程度度、抗抗风风化化能能力力远远大大于于云云母母，故故主主要要由由石石英英颗颗粒粒组组成成的的土土，其其强强度度将将远远大大于于由由云云母母颗颗粒粒组组成成（或或含含云云母母较较多多）的的土，其变形相应也小得多。土，其变形相应也小得多。12土的物质组成与结构构造（二）次生矿物（二）次生矿物 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

8、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+、FeFe2+2+等，阴离子有等，阴离子有C1C1-、SOSO4 42+2+、HCOHCO3 3-、S

9、 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土的物质组成与结构构造（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 3HH2 2O O）、褐铁矿（）、褐铁矿（FeFe2 2O O3 33H3H2 2O O）、三）、三水铝石（水铝石（AlAl2 2O O3 32H2H2 2O O）、二氧化硅（）、二氧化硅（SiOSiO2 2nHnH2 2O O）等。）等。（2 2）粘土矿

10、物）粘土矿物 粘粘土土矿矿物物是是原原生生矿矿物物长长石石、云云母母等等硅硅酸酸盐盐矿矿物物经经化化学学风风化化形形成成的的，硅硅酸酸盐盐矿矿物物由由两两部部分分构构成成，即即硅硅氧氧四四面面体体和和铝铝氢氢氧八面体。氧八面体。14土的物质组成与结构构造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（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

11、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土的物质组成与结构构造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

12、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。16土的物质组成与结构构造17土的物质组成与结构构造 硅硅氧氧四四面面体体和和铝铝氢氢氧氧八八面面体体这这两两种种基基本本单单元元以以不不同同的的比例组合，就形成了不同类型的粘土矿物。比例组合，就形成了不同类型的粘土矿

13、物。土土中中常常见见的的粘粘土土矿矿物物有有高高岭岭石石、伊伊利利石石、蒙蒙脱脱石石三三大大类。类。18土的物质组成与结构构造a.a.高高岭岭石石：一一层层硅硅氧氧四四面面体体晶晶片片和和一一层层铝铝氧氧八八面面体体晶晶片片结结合合，形形成成一一个个单单位位晶晶胞胞，如如图图1-2b1-2b。由由于于每每个个硅硅氧氧四四面面体体具具有有一一个个负负电电荷荷，每每个个铝铝氧氧八八面面体体带带有有一一个个正正电电荷荷，使使两两者者以以离离子子键键（氢氢键键）形形成成牢牢固固连连结结，形形成成一一个个单单位位晶晶胞胞。高高岭岭石石的的构构造造就就是是这这种种晶晶胞胞在在水水平平面面上上无无限限延延伸

14、伸，沿沿垂垂直直方方向向相相互互重重叠叠而而成成。高高岭岭石石晶晶胞胞间间具具有有较较强强的的氢氢键键连连结结，水水较较难难渗渗入入其其间间，其其颗颗粒粒一一般般较较粗粗，亲亲水水性性弱弱，因因而而主主要要由由这这类类矿矿物物组组成成的的土土，膨胀性和压缩性都较低。膨胀性和压缩性都较低。19土的物质组成与结构构造高岭石的微结构形貌特征高岭石的微结构形貌特征20土的物质组成与结构构造b.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

15、是许多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土的物质组成与结构构造 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

16、，体积膨胀并形成膨土体湿度增高时，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土的物质组成与结构构造蒙脱石的微结构形貌特征蒙脱石的微结构形貌特征23土的物质组成与结构构造c.c.伊伊利利石石：伊伊利利石石是是含含钾钾量量高高的的原原生生矿矿物物经经化化学学风风化化的的初初期期产产物物，其其晶晶格格构构造造与与蒙蒙脱脱石石相相似似，也也是是两两片片硅硅氧氧四四面面体体夹夹铝铝氧氧八八面面体体构构成成，不不同同的的是是四四面

17、面体体中中SiSi4+4+被被AlAl3+3+所所替替代代，由由K K+离离子子补补偿偿晶晶层层正正电电荷荷的的不不足足。伊伊利利石石相相邻邻晶晶胞胞间间由由钾钾离离子子连连结结，这这种种连连结结较较之之高高岭岭石石层层间间的的氢氢键键连连结结为为弱弱，但但比比蒙蒙脱脱石石层层间间的的水水分分子子连连结结要要强强，所所以以它它形形成成的的片片状状颗颗粒粒大大小小处处于于蒙蒙脱脱石石和和高高岭岭石石之之间间，其其工工程程性性质也介于两者之间。质也介于两者之间。24土的物质组成与结构构造伊利石的微结构形貌特征伊利石的微结构形貌特征25土的物质组成与结构构造（三）有机质（三）有机质 工程上俗称的工程

18、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，

19、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）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土的物质组成与结构构造第三节 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

20、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）。27土的物质组成与结构构造28土的物质组成与结构构造1 1结合水结合水 土土颗颗粒粒表表面面带带有有一一定定的的电电荷荷，当当土土粒粒与与水水相相接接触触时时，由由于于静静电电作作用用力力，将将吸吸引引水水化化离离子子和和水水分分子子，形形成成双双电电层层，在在双双电电层层影影响响下下的的水水膜称为膜称为表面结合水表面结合水。双双电电层层的的厚厚薄薄

21、也也反反映映了了结结合合水水的的厚厚薄薄，结结合合水水具具有有与与一一般般自自由由水水不不同同的的性性质质，其其密密度度较较大大、粘粘滞滞度度高高、流流动动性性差差、冰冰点点低低、比比热热较较大大、介介电电常常数数较较低低。这这种种差差异异随随距距离离增增加而减弱。加而减弱。29土的物质组成与结构构造2.2.自由水自由水(非结合水非结合水)在在双双电电层层影影响响以以外外的的水水为为自自由由液液态态水水，它它主主要要受受重重力力作作用用的的控控制制，土土粒粒表表面面吸吸引引力力居居次次要要地地位位，这这部部分分水水称称为为非非结结合合水水，它它包包括括毛毛细细水水和和重重力力水。水。(1)(1

22、)毛细水毛细水 毛毛细细水水是是受受到到水水与与空空气气交交界界面面处处表表面面张张力力作作用用的的自自由由水水。毛毛管管现现象象是是毛毛细细管管壁壁对对水水的的吸吸力力和和水水的的表表面面张张力力共共同作用的结果。同作用的结果。(2)(2)重力水重力水 重重力力水水是是存存在在于于地地下下水水位位以以下下的的透透水水土土层层中中的的地地下下水水。它它是是在在重重力力或或压压力力差差作作用用下下运运动动的的自自由由水水，对对土土粒粒有有浮浮力力作作用用。重重力力水水只只受受重重力力控控制制，不不受土粒表面吸引力的影响。受土粒表面吸引力的影响。30土的物质组成与结构构造二二 土中气土中气土中的气

23、体土中的气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土的物质组成与结构构造第四节第四节 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.定定义义：指指土土颗颗粒粒的的大大小小、形形状状、表表面面特特征征，相相互互排排列列及及其其联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土的物质组成与结构构造二二 土的构造土的构造 1.定定义义：指指同同一一土土层层中中成成分分和和大大小小都都相相近近的的颗颗粒粒或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。b233土的物质组成与结构构造