土的物质组成与结构构造学习教案

土的物质土的物质(wzh)组成与结构构造组成与结构构造第一页，共32页。第1页/共32页第二页，共32页。二、土的物质二、土的物质(wzh)组成组成第2页/共32页第三页，共32页。第二节 土的粒度(l d)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。 4. 粒组将粒径大小接近、矿物(kungw)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 第3页/共32页第四页，共32页。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 第4页/共32页第五页，共32页。5. 5. 颗粒级配颗粒级配土粒的大小及组成情况，通常以土中土粒的大小及组成情况，通常以土中各个粒组的相对各个粒组的相对(xingdu)(xingdu)含量来表示，称为土的颗含量来表示，称为土的颗粒级配。粒级配。级配的测试方法：级配的测试方法：筛析法筛析法 （ 0.075mm), 0.075mm),比重计比重计法法( 0.075mm)(5，且Cc=1-3)的土，较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。第8页/共32页第九页，共32页。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。成分可分为原生矿物、次生矿物、有机质等。（一）原生矿物（一）原生矿物 土中的原生矿物是岩石风化过程中的产物，保土中的原生矿物是岩石风化过程中的产物，保持了母岩的矿物成分和晶体结构，常见的如石英持了母岩的矿物成分和晶体结构，常见的如石英(shyng)(shyng)、长石、角闪石、云母等。这些矿物是、长石、角闪石、云母等。这些矿物是组成土中卵石、砾石、砂粒和某些粉粒的主要成分。组成土中卵石、砾石、砂粒和某些粉粒的主要成分。第9页/共32页第十页，共32页。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，抗水性和抗风化能力较强，亲水性弱或较弱。它们对土的工程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。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。它们对土的工程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。 例如，分别由石英和云母类矿物组成的土，尽管土的粒度成分例如，分别由石英和云母类矿物组成的土，尽管土的粒度成分(chng fn)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，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。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，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。第10页/共32页第十一页，共32页。（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、水化及水解、溶解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(rngji)(rngji)等化学风化作用而进一步分解，就会形成一种新矿物，这就是次生矿物，其颗粒比原生矿物细小得多。等化学风化作用而进一步分解，就会形成一种新矿物，这就是次生矿物，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。阳离子有通常以离子状态存在于土的孔隙溶液中。阳离子有K+K+、Na+Na+、Ca2+Ca2+、Mg2+Mg2+、Fe2+Fe2+等，阴离子有等，阴离子有C1-C1-、SO42+SO42+、HCO3-HCO3-、S2-S2-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。 第11页/共32页第十二页，共32页。（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、H2OH2O等组成等组成(z chn)(z chn)的矿物，如针铁矿（的矿物，如针铁矿（Fe2O3H2OFe2O3H2O）、褐铁矿（）、褐铁矿（Fe2O33H2OFe2O33H2O）、三水铝石（）、三水铝石（Al2O32H2OAl2O32H2O）、二氧化硅（）、二氧化硅（SiO2nH2OSiO2nH2O）等。）等。 （2 2）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化形成的，硅酸盐矿物由两部分构成，即硅氧四面体和铝氢氧八面体。粘土矿物是原生矿物长石、云母等硅酸盐矿物经化学风化形成的，硅酸盐矿物由两部分构成，即硅氧四面体和铝氢氧八面体。第12页/共32页第十三页，共32页。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，硅居其中央，氧占据四个顶点（图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2-2a2-2a）。四面体中的三个氧被共用，横向连结成六角形的网格（图）。四面体中的三个氧被共用，横向连结成六角形的网格（图2-2b2-2b）。四面体的底在一个平面）。四面体的底在一个平面(pngmin)(pngmin)上，所有尖端指向同一方向。每个硅原子有四个正电荷，每个氧原子有两个负电荷，这样四面体排列成的六角网格片状结构中，每个硅氧四面体都具有一个负电荷。上，所有尖端指向同一方向。每个硅原子有四个正电荷，每个氧原子有两个负电荷，这样四面体排列成的六角网格片状结构中，每个硅氧四面体都具有一个负电荷。第13页/共32页第十四页，共32页。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由六个氢氧离子围绕一个铝离子构成(guchng)的八面体晶片（图的八面体晶片（图2-3a）。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连结在一起，形成八面体单位的片状结构（图）。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连结在一起，形成八面体单位的片状结构（图2-3b）。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两个正电荷，还剩下一个正电荷，故每个八面体都是正一价的。）。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两个正电荷，还剩下一个正电荷，故每个八面体都是正一价的。第14页/共32页第十五页，共32页。第15页/共32页第十六页，共32页。 硅氧四面体和铝氢氧八面体这两种基本单元以不同的比例组合(zh)，就形成了不同类型的粘土矿物。 土中常见的粘土矿物有高岭石、伊利石、蒙脱石三大类。第16页/共32页第十七页，共32页。a. a. 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(xngchng)(xngchng)一个单位晶胞，如图一个单位晶胞，如图1-2b1-2b。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，使两者以离子键（氢键）形成。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，使两者以离子键（氢键）形成(xngchng)(xngchng)牢固连结，形成牢固连结，形成(xngchng)(xngchng)一个单位晶胞。高岭石的构造就是这种晶胞在水平面上无限延伸，沿垂直方向相互重叠而成。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成的土，膨胀性和压缩性都较低。一个单位晶胞。高岭石的构造就是这种晶胞在水平面上无限延伸，沿垂直方向相互重叠而成。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成的土，膨胀性和压缩性都较低。第17页/共32页第十八页，共32页。高岭石的微结构形貌高岭石的微结构形貌(xn mo)特征特征第18页/共32页第十九页，共32页。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，中间夹一个铝氧八面体晶片，如图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，如图1-2a1-2a。蒙脱石的构造就是许多上述。蒙脱石的构造就是许多上述(shngsh)(shngsh)晶胞在水平面上延伸，并顺着垂直方向一层层叠置而成的。由于晶胞两边都为带负电荷的硅氧四面体，相邻晶胞间由相同的氧原子相接。晶胞在水平面上延伸，并顺着垂直方向一层层叠置而成的。由于晶胞两边都为带负电荷的硅氧四面体，相邻晶胞间由相同的氧原子相接。第19页/共32页第二十页，共32页。 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，并使晶格沿垂直方向膨胀。故含蒙脱石矿物较多的土对环境的干湿变化比较敏感：土体湿度增高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，并使晶格沿垂直方向膨胀。故含蒙脱石矿物较多的土对环境的干湿变化比较敏感：土体湿度增高(znggo)(znggo)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。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。 第20页/共32页第二十一页，共32页。蒙脱石的微结构形貌蒙脱石的微结构形貌(xn mo)特征特征第21页/共32页第二十二页，共32页。c. c. 伊利石：伊利石是含钾量高的原生矿物经化学风化的初期产物，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，不同的是四面体中伊利石：伊利石是含钾量高的原生矿物经化学风化的初期产物，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Si4+Si4+被被Al3+Al3+所替代，由所替代，由K+K+离子补偿晶层正电荷的不足。伊利石相邻晶胞间由钾离子连结，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，所以离子补偿晶层正电荷的不足。伊利石相邻晶胞间由钾离子连结，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(suy)(suy)它形成的片状颗粒大小处于蒙脱石和高岭石之间，其工程性质也介于两者之间。它形成的片状颗粒大小处于蒙脱石和高岭石之间，其工程性质也介于两者之间。第22页/共32页第二十三页，共32页。伊利石的微结构形貌伊利石的微结构形貌(xn mo)特征特征第23页/共32页第二十四页，共32页。（三）有机质（三）有机质 工程上俗称的软土（包括淤泥和淤泥质土）及泥炭土中富含有机质。工程上俗称的软土（包括淤泥和淤泥质土）及泥炭土中富含有机质。 土中的有机质是动、植物残骸和微生物以及它们的各种分解和合成产物。通常把分解不完全的动、植物残骸称为泥炭，其主要成分是纤维素；把分解完全的动、植物残骸称为腐殖质。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。通常把分解不完全的动、植物残骸称为泥炭，其主要成分是纤维素；把分解完全的动、植物残骸称为腐殖质。 有机质对土的工程性质的影响主要取决于其龄期、分解程度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(chngd)(chngd)，即取决于有机质的数量及性质。，即取决于有机质的数量及性质。 从工程观点看，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。从工程观点看，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。 一般地，土中有机质含量超过一般地，土中有机质含量超过1%1%时，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。时，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。 第24页/共32页第二十五页，共32页。第三节 土中的水和气体(qt)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状态固态固态(gti)(gti)、液态、气态。、液态、气态。 液态水是土中孔隙水的主要存在状态，因其受土粒液态水是土中孔隙水的主要存在状态，因其受土粒表面双电层影响程度的不同可分为结合水、毛细水、重力水。表面双电层影响程度的不同可分为结合水、毛细水、重力水。后两者也称为非结合水（自由水）。后两者也称为非结合水（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 第25页/共32页第二十六页，共32页。第26页/共32页第二十七页，共32页。1 1结合结合(jih)(jih)水水 土颗粒表面带有一定的电荷，当土粒与水相接触时，由于静电作用力，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膜称为表面结合水。 双 电 层 的 厚 薄(hub)也反映了结合水的厚薄(hub)，结合水具有与一般自由水不同的性质，其密度较大、粘滞度高、流动性差、冰点低、比热较大、介电常数较低。这种差异随距离增加而减弱。 第27页/共32页第二十八页，共32页。2.2.自由自由(zyu)(zyu)水水( (非结合水非结合水) ) 在双电层影响(yngxing)以外的水为自由液态水，它主要受重力作用的控制，土粒表面吸引力居次要地位，这部分水称为非结合水，它包括毛细水和重力水。 (1)毛细水 毛细水是受到水与空气交界面处表面张力作用的自由水。毛管现象是毛细管壁对水的吸力和水的表面张力共同作用的结果。(2)重力水 重力水是存在于地下水位以下的透水土层中的地下水。它是在重力或压力差作用下运动的自由水，对土粒有浮力作用。重力水只受重力控制，不受土粒表面吸引力的影响(yngxing)。第28页/共32页第二十九页，共32页。二二 土中气土中气土中的气体土中的气体(qt)(qt)成分成分与大气相通与大气相通(xingtng) (xingtng) 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一般空气(kngq)(kngq)中成分；中成分；微生物产生可燃气体（微生物产生可燃气体（H2SH2S）k2第29页/共32页第三十页，共32页。第四节第四节 土的结构土的结构(jigu)(jigu)和构造和构造一一 土的结构土的结构1.1.定义：定义： 指土颗粒的大小、形状、表面特征，相互排指土颗粒的大小、形状、表面特征，相互排列及其联结列及其联结(linji)(linji)关系的综合特征。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 第30页/共32页第三十一页，共32页。二二 土的构造土的构造(guzo) (guzo) 1.定义：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(gun x)的特征。2.分类： 3.工程性质：通常分散构造的工程性质最好，裂隙状构造中，因裂隙强度低、渗透性大，工程性质差。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第31页/共32页第三十二页，共32页。