第二章 什么是土？

1、土 力 學(xué),任 課 教 師：李 旭Email: ceXuLi2012@gmail.com北京交通大學(xué)土建學(xué)院巖土工程系,土是如何形成的？土的組成,第二章 什么是土？,土是如何形成的？,土是如何形成的？,風化物理風化：日曬，雨淋，風吹……化學(xué)風化：發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，大多與水，與鹽分有關(guān)生物活動影響搬運和沉積原地成土，無搬運——殘積土運積土,分組討論（3分鐘）,小組一：找到生活中坡積土實例，并說明特點小組二：找到

2、殘積土的實例，并說明特點小組三：討論洪積土和湖泊沉積土的區(qū)別小組四：找到風積土的實例，并說明特點,運積土,土是如何形成的？土的組成用那些指標來描述土？土的分類,第二章 什么是土？,土的組成,礦物成分固體顆粒三相介質(zhì)土壤水土壤氣,礦物成分,原生礦物 —— 無粘性，砂土石英、云母、長石等顆粒較大次生礦物 —— 粘性，粘土粘土礦物、無定形氧化物膠體、可溶鹽等有機物（腐植質(zhì)）,,原生礦物 ? 風化作用 ? 次生礦物

3、例如：云母 ? 堿性環(huán)境 ? 伊利石次生礦物：主要為粘土礦物,,硅片的結(jié)構(gòu),基本單元：硅-氧四面體,典型粘土礦物,鋁片的結(jié)構(gòu),典型粘土礦物,基本單元：鋁-氫氧八面體,土中的膠結(jié)力,硅片 - SiO2 - O2-鋁片 – Al(OH)3 - OH-媒介 水陽離子氫鍵,典型次生礦物,蒙脫石,伊利石,高嶺石,蒙 脫 石,比表面積,全部土顆粒的表面積之和 / 土的質(zhì)量課堂計算比表面積，假設(shè)土顆粒密度2.65 g/cm3

4、第一組：1mm 圓球土第二組：0.1 mm 圓球土第三組：0.01 mm 圓球土第四組： 0.01x0.1x1 mm的長片型土顆粒,粘土礦物的晶格構(gòu)造,蒙脫石,伊利石,?！　奖缺砻娣e脹 縮 性平均孔徑滲 透 性強　　度壓 縮 性,大10-20m2/g小大大大小,中80-100m2/g中中中中中,小800m2/g大小小小大,粘土礦物的帶電性質(zhì),粘土顆粒的表面電荷，凈電荷通

5、常為負電荷,,顆粒形狀,原生礦物 圓狀、渾圓狀、棱角狀次生礦物 針狀、片狀、扁平狀,,,提問,有沒有問題？原生礦物和次生礦物的不同本質(zhì)在哪里？是化學(xué)成分不同，還是結(jié)構(gòu)不同？,土的組成,礦物成分三相介質(zhì)固體顆粒土壤水土壤氣,顆粒級配,顆粒級配,工程中常用土中各粒組的相對含量，占總質(zhì)量的百分數(shù)來表示，稱為土的粒徑級配。粒徑分析方法篩分法（d>0.075mm的土）密度計法（d<0.075mm的土）,粒度成

6、分,定義：土中各粒組在土中重量的百分含量。,表達式：,x — 某粒組的重量，mA— 干試樣中某粒組的重量（g）mB— 干試樣的總重量（g）,粒度分析,定義：測定土中各種顆粒及粒組百分含量的過程，成為粒度分析，也叫顆粒分析。方法：篩分法、比重計法、移液管法 篩分法：適用于粒徑>0.075mm粒組的 礫類土與砂類土。比重計法、移液管法：<0.075mm粒組，主要是粘性土。,篩分

7、法,利用一套篩孔直徑大小等于土中各個粒組的界限值的篩子（20，10，5，2，0.5，0.25，0.1，0.075)，將粒徑>0.075的土粒按篩孔分成若干個粒組，然后分別稱量留在各節(jié)篩上的土重，計算出各粒組占總土重的百分數(shù)。,篩分法（d>0.075mm的土）,提問,篩分法夠了么？對于泥巴，你怎么篩分？,密度計法,d<0.075mm的土顆粒大小不同，沉降速率不同,篩分數(shù)據(jù)分析,顆粒級配的表示方法：表格法,粒徑大?。?/p>

8、單位：mm）,粒徑大小（單位：mm）,土的種類,土的粒徑級配累積曲線,,累計曲線的形態(tài)可以表明粒度成分的特征：,曲線平緩，說明土粒大小變化范圍大，大小不均勻；曲線陡，說明土粒組成集中在某些粒組，分選好，土粒大小均勻。,顆粒和孔隙,孔隙大小及數(shù)量和土壤級配有沒有關(guān)系？,分組討論,從工程角度來說，什么樣的土強度比較高？能否通過級配曲線，了解土體的工程性質(zhì)？顆粒均勻的土好不好？石頭和粘土的混合物好不好？,利用曲線確定計算的指標,土

9、的有效粒徑（d10）：非均粒土的累計含量為10%的顆粒直徑。（透水性相等）土的限制粒徑（d60、d30）：非均粒土的累計含量為60%、30％的土粒直徑。土的平均粒徑（d50）：非均粒土的累計含量為50%的顆粒直徑。,土的粒徑級配累積曲線,,不均勻系數(shù)（Cu）： Cu＝ d60 / d10不均勻系數(shù)Cu越大，累計曲線越平緩，表明土粒大小變化范圍大，越不均勻，級配良好；反之，曲線越陡，越均勻，級配不好。Cu 10 的土，為大小不

10、均勻，級配良的土；,曲率系數(shù)（Cc ）： Cc ＝d302 / (d10*d60)，可以表示累計曲線的彎曲情況。Cu ≥5， Cc ＝1～3：良好級配，不均粒土，各粒組含量相差無幾，大小顆粒混雜，累計曲線平緩；反之，為不良級配土，均勻土。,,,,,,,,,,,,,d60,d50,d10,d30,d50 : 平均粒徑d60 : 控制粒徑d10 : 有效粒徑d30,不均勻程度：Cu = d60 / d10,連續(xù)程度: C

11、c = d302 / (d60 ×d10 ) — 曲率系數(shù),— 不均勻系數(shù),Cu ≥5,級配不均勻,粗細程度： 用d50 表示,特征粒徑,,,,,,斜率: 某粒徑范圍內(nèi)顆粒的含量 陡—相應(yīng)粒組質(zhì)量集中 緩--相應(yīng)粒組含量少 平臺--相應(yīng)粒組缺乏,連續(xù)程度: Cc = d302 / (d60 ×d10 ) — 曲率系數(shù),較大顆粒缺少,,Cc 減小,較小顆粒缺少,,Cc 增大,Cc = 1 ~ 3,

12、 級配連續(xù)性好,級配連續(xù)性,工程規(guī)定：級配曲線光滑連續(xù)，不存在平臺段，坡度平緩并滿足 說明該土級配良好，否則該土為級配不良土。,課堂練習(xí),1、計算土樣的d50 : 平均粒徑 d60 : 控制粒徑 d10 : 有效粒徑  2、該土樣級配工程性質(zhì)好不好？強度變形滲透,第一組,,第二組,,第三組,,粒組劃分的方案一,漂石粒（塊石粒）：粒徑>200mm卵石粒（碎石粒

13、）：20mm～200mm礫粒：2mm～20mm砂粒：0.05（1/20）mm～2mm粉粒：0.005（1/200）～ 0.05（1/20）mm粘粒：粒徑<0.005mm六個粒組：漂粒組、卵粒組、礫粒組、砂粒組、粉粒組和粘粒組數(shù)學(xué)規(guī)律：200－20－2－1/20－1/200,現(xiàn)行規(guī)范中的粒組,漂石粒（塊石粒）：粒徑>200mm卵石粒（碎石粒）：20mm～200mm礫粒：2mm～20mm （合并為卵礫組）砂

14、粒：0.075mm～2mm （砂粒組）粉粒：0.005～ 0.075mm （粉粒組）粘粒：粒徑<0.005mm （粘粒組）,土的組成,礦物成分三相介質(zhì)固體顆粒土壤水土壤氣,液態(tài)水,,自由水,,重力水,毛細水,在重力作用下可在土中自由流動,存在于固氣之間 在重力與表面張力作用下 可在土粒間空隙中自由移動,,,? = 濕潤角,T = 界面張力,d = 毛管直徑,ua-uw = 壓力差,毛細現(xiàn)

15、象,,,毛細水,土中毛細現(xiàn)象,上升高度:,πr2hcγw=2πrTcosα,毛細水,分布在土粒內(nèi)部相互貫通的孔隙可以看成許多形狀不一、直徑互異、彼此連通的毛細管,,,毛細升高與孔徑成反比,粘土粉土砂土礫石,分析對象: 水柱,結(jié)合水：附著在粘土顆粒表面,研究表明：粘土顆粒的表面電荷，凈電荷通常為負電荷,結(jié)合水,排列致密、定向性強 密度>1g/cm3 冰點處于零下幾十度 具有固體的特性 溫度高于100°

16、;C時可蒸發(fā),強結(jié)合水,位于強結(jié)合水之外，電場引 力作用范圍之內(nèi) 外力作用下可以移動 不因重力而移動，有粘滯性,弱結(jié)合水,,,雙電層,土壤水,土的組成,礦物成分三相介質(zhì)固體顆粒土壤水土壤氣,土中氣體,自由氣體：與大氣連通，對土的性質(zhì)有一定的影響，但通常在淺層時影響不大封閉氣體：增加土的彈性；阻塞滲流通道,橡皮土,,小結(jié)：土、水、氣三相介質(zhì),1. 固體顆粒,2. 土中水,3. 土中氣體,粒徑級配 礦物成分 顆

17、粒形狀,結(jié)合水 (強結(jié)合水、弱結(jié)合水) 自由水 (重力水、毛細水),自由氣體封閉氣體,請大家提意見,,土的組成,礦物成分三相介質(zhì)固體顆粒土壤水土壤氣,三相孔隙介質(zhì),,,,,土顆粒,水,氣 體,氣 體,三相草圖,質(zhì)量,體積,土的密度,單位體積土的質(zhì)量單位: kg/m3 或 g/cm3一般范圍: 1.60—2.20 g/cm3土的重度：工程上更常用, 用于計算土的自重應(yīng)力,γ=ρg,單位: kN/m

18、3,三相草圖有助于直觀理解物性指標的概念,土粒密度,土粒密度是指固體顆粒的質(zhì)量ms與其體積Vs之比；即土粒的單位體積質(zhì)量粘性土 2.70—2.75砂 土 2.65土粒比重，Gs土粒的密度與4?C時純蒸餾水的密度的比值和土粒密度數(shù)值相同,干密度,土被完全烘干時的密度,（4）飽和密度：孔隙完全被水充滿時土的密度，即孔隙中全部充滿水時單位體積的質(zhì)量。（5）浮密度：地下水位以下的土，土顆粒受到水的浮力作用，土的密度

19、為浮密度。,密度：單位體積的質(zhì)量，g/cm3。比重：與同體積的4℃水的重量之比，無單位。容重：單位體積的重量，kN/m3。重度：單位體積的土所受的重力， kN/m3。在工程中，上述的幾種提法都常用到，它們之間的單位的換算：1g/ cm3=10KN/m3,土的含水量（含水率）,土中水的質(zhì)量與土粒質(zhì)量之比, 一般用百分數(shù)表示天然狀態(tài)下土的含水率稱土的天然含水率。一般砂土天然含水率都不超過40%，以10~30%最為

20、常見；一般粘土大多在10~80%之間，常見值20~50%?？蛇_到或超過100％,飽和度,孔隙中充滿水的程度Sr=0 : 干土Sr=1 : 飽和土,孔隙比（void ratio）,土中孔隙體積與固體顆粒體積之比在某種程度上反映土的松密孔隙率(孔隙度)：土中孔隙體積與總體積之比。,孔隙比：土的孔隙體積與土中固體顆粒體積之比值?？紫侗日f明土的密實程度，e越大，土中孔隙體積越大，結(jié)構(gòu)越疏松；反之，結(jié)構(gòu)越密實。

21、一般土的e值在0.5～1.0之間。粘土的孔隙比有時>1，淤泥的可達1.5以上。,換算關(guān)系,孔隙比和孔隙率之間的關(guān)系,,指標的換算,土的密度、含水量、土粒比重是通過試驗測定，其他指標可由這三個指標換算得到。,換算關(guān)系,干密度與密度和含水率之間的關(guān)系,Sr和w之間的換算,,隨堂作業(yè),現(xiàn)有一環(huán)刀，內(nèi)環(huán)直徑為63.8 mm，高度為20 mm，重40g。采用該環(huán)刀切取土樣，測得環(huán)刀連同土樣的總重量為147.5g。將土樣和連同環(huán)刀一起置于烘箱