土的基本性质高等土力学课件.ppt

1、 第第1讲讲 土的基本性质土的基本性质2意大利比萨斜塔意大利比萨斜塔目前：目前：塔向南倾斜，南北两端沉降差塔向南倾斜，南北两端沉降差1.80m，塔顶离中心线已达塔顶离中心线已达5.27m，倾斜，倾斜5.51360：再复工，至再复工，至1370年竣工，全塔共年竣工，全塔共8层，高度为层，高度为55m1272：复工，经复工，经6年，至年，至7层，高层，高48m，再，再停工停工1178：至至4层中，高约层中，高约29m，因倾斜停工，因倾斜停工1173：动工动工原因：原因：地基持力层为粉砂，下面为粉土和粘土地基持力层为粉砂，下面为粉土和粘土层，强度较低，层，强度较低，变形较大变形较大。1590:159

2、0:伽利伽利略在此塔做略在此塔做落体实验落体实验 34561995年阪神地震大阪的街道路面液化年阪神地震大阪的街道路面液化719991999年台湾大地震中台中县由于液化引年台湾大地震中台中县由于液化引起的楼房倒塌起的楼房倒塌8赵洲桥赵洲桥 隋朝石工李春所建，他把石台砌筑于密隋朝石工李春所建，他把石台砌筑于密实的粗砂实的粗砂 层上，一千三百多年来估计沉层上，一千三百多年来估计沉降仅几厘米。降仅几厘米。9提提 纲纲n土的构成土的构成n土的物理化学性质土的物理化学性质n土的基本力学性质土的基本力学性质n土的分类土的分类10土的构成土的构成n土粒：土粒：矿物成分矿物成分n水：水：结合水、毛细水、重力水

3、结合水、毛细水、重力水n气气n水气收缩膜：水气收缩膜：非饱和土非饱和土111213矿物成分矿物成分n原生矿物：原生矿物：母岩物理风化产物（抗水性、抗风化强），石英长石云母；n次生矿物：次生矿物：粘土矿物n水溶盐：水溶盐：n有机质：有机质：3.57.010.514.00900180027003600无侧限抗压强度(kPa)水泥掺入比Aw(%)有机质含量0.446%有机质含量4.116%14矿物成分矿物成分15粘土矿物晶胞由硅氧四面体和铝氢氧八面体组成粘土矿物晶胞由硅氧四面体和铝氢氧八面体组成16n高岭石高岭石 Al4Si4O10(OH)8n酸性环境花岗岩中长石水解生成酸性环境花岗岩中长石水解生成

4、n两层结构，晶胞厚两层结构，晶胞厚7.2n氢氧根中的氢与相邻氧形成氢键氢氧根中的氢与相邻氧形成氢键n水稳性好水稳性好n密度密度2.582.61g/cm3粘土矿物粘土矿物17n蒙脱石蒙脱石 Al2Si4O10(OH)2nH2On碱性、排水不良环境玄武岩、火山灰转变而来碱性、排水不良环境玄武岩、火山灰转变而来n三层结构，两层硅氧四面体夹一层铝氧八面体，三层结构，两层硅氧四面体夹一层铝氧八面体，晶胞厚晶胞厚14n两层间为氧原子与氧原子的分子键（范德华力）两层间为氧原子与氧原子的分子键（范德华力）n水稳性差水稳性差n密度密度2.22.7g/cm3粘土矿物粘土矿物18n伊利石伊利石 KAl2AlSi3O

5、10(OH)2nH2On云母类粘土矿物统称云母类粘土矿物统称n三层结构，晶胞厚三层结构，晶胞厚10n钾键连结晶胞钾键连结晶胞n水稳性间于高岭石和蒙脱石之间水稳性间于高岭石和蒙脱石之间n密度密度2.63.0g/cm3粘土矿物粘土矿物19n活性指数：活性指数：A=Ip/0.002mm颗粒含量，颗粒含量，表示亲水能力：表示亲水能力：1.25，活性粘土，活性粘土粘粘土土矿矿物物20n残余摩擦角：残余摩擦角：石英砂石英砂35，高岭石高岭石12，伊利石伊利石10.2，蒙脱石蒙脱石410n渗透系数渗透系数粘粘土土矿矿物物21n热差分析：晶格破坏热差分析：晶格破坏吸热，新晶格形成吸热，新晶格形成放热；放热；高

6、：吸高：吸550-600550-600C C，放，放10001000C C；伊：吸伊：吸150150C C、550550C C、800-900800-900C C 蒙：吸蒙：吸150-200150-200C C、700700C C、850-900850-900C C，放，放10001000C C；nX X射线衍射：射线衍射：n化学成分分析：化学成分分析：粘土矿物粘土矿物22土中水土中水结合水结合水自由水自由水强结合水强结合水弱结合水弱结合水重力水重力水毛细水毛细水地下水位以下，土颗粒分子引力范围地下水位以下，土颗粒分子引力范围以外，仅在本身重力作用下运动的水以外，仅在本身重力作用下运动的水土中

7、水土中水23王平全（王平全（20052005）用等温吸附法确定粘土表面吸附结合水界限）用等温吸附法确定粘土表面吸附结合水界限吸附于土颗粒表面，在寻常条件下不能移动的水。内层称强结合水吸附于土颗粒表面，在寻常条件下不能移动的水。内层称强结合水（吸着水），外层称弱结合水（薄膜水）。（吸着水），外层称弱结合水（薄膜水）。相对水气平衡压分别为相对水气平衡压分别为0.90.9和和0.980.98是粘土是粘土水体系的两个特征湿度水体系的两个特征湿度 24土中水土中水25水的状态与土的稠度密切相关水的状态与土的稠度密切相关塑限对应于强结合水的上限；塑限对应于强结合水的上限；液限对应于弱结合水和部分自由水；液

8、限对应于弱结合水和部分自由水；26水的势能n重力势重力势n压力势压力势n基质势基质势n溶质势溶质势n荷载势荷载势27土的物理化学性质土的物理化学性质n颗粒大小颗粒大小n表面带电特性表面带电特性n土的结构土的结构28颗粒大小颗粒大小29表面带电特性表面带电特性比表面积：有机极性分子吸附法。比表面积：有机极性分子吸附法。乙二醇乙二醇3225.8m3225.8m2 2/g/g；甘油；甘油17.65m17.65m2 2/g/g粘土矿物粘土矿物 比表面积比表面积（m2/g）蒙脱石蒙脱石 810810伊利石伊利石 67-10067-100高岭石高岭石 7-307-30水铝英石水铝英石 200-300200

9、-3003031电动现象（电泳和电渗）电动现象（电泳和电渗）水中的阳离子带水水中的阳离子带水一起向阴极移动，一起向阴极移动，阴极水位上升；阴极水位上升；带负电的粘土向阳带负电的粘土向阳极移动，阳极附近极移动，阳极附近变混浊。变混浊。列伊斯（列伊斯（1809）32交 流电 源直 流稳 压 器排 水 支 管排 水 主 管3305010015020025030025.027.530.032.535.0 含水量（%）通电时间（h）淤泥含水量随通电时间变化34表面电荷来源表面电荷来源n同像置换（同像置换（Si Si4+4+AlAl3+3+；AlAl3+3+Mg+Mg2+2+）n晶格缺陷和破键晶格缺陷和破

10、键n选择性吸附选择性吸附n离解吸附：离解吸附：矿物颗粒从水溶液中吸附离子带电矿物颗粒从水溶液中吸附离子带电SiO2+H2OH2SiO3 SiO32-+2H+CaCOCaCO3 3在在NaNa3 3COCO3 3吸附吸附COCO3 32-2-带负电；在带负电；在CaClCaCl2 2中的表现吸中的表现吸附附CaCa2+2+带负电。带负电。SiOSiO2 2吸附吸附SiOSiO3 32-2-，带负电。，带负电。离子发生基离子发生基H H2 2SiOSiO3 3在水中离解为在水中离解为SiOSiO3 32-2-和和H H+，溶液酸度增加，斯为酸式离解；，溶液酸度增加，斯为酸式离解；发生基离解成阳离子

11、和发生基离解成阳离子和OH-OH-，矿物颗粒吸附阳离子带正电，溶液碱度增加，斯为碱式离解。，矿物颗粒吸附阳离子带正电，溶液碱度增加，斯为碱式离解。35双电层理论双电层理论（土粒表面的负电荷与反离子层的统称）（土粒表面的负电荷与反离子层的统称）36双电层理论双电层理论22d4dDx 假设：表面是平面；假设：表面是平面；vant Hoffs关系关系ps=RTn0(n/n0+n0/n-2)有效；有效；e=cSd有效。有效。x-距表面距离距表面距离 D-介电常数介电常数-单位电子电荷单位电子电荷-电荷密度，电荷密度，=niii-离子价数离子价数 ni-离子浓度，离子浓度，ni=ni0exp(i/kT)

12、372028dshdnDkTx 简化：假设只有一种阳离子和阴离子，简化：假设只有一种阳离子和阴离子，即即i=2，|+|=|-|=，n0+=n0-=n0对于单片粘土矿物对于单片粘土矿物边界条件：边界条件：x=0，=0 x=，=0，d/dx=0022220e8(1/cm)KxnKDkT 38n是离子数是离子数/cm3简，常用的离子浓度是简，常用的离子浓度是c（mol/l）c=1000n/R，R是阿佛加德罗常数，是阿佛加德罗常数，6.0221023l/mol723.3 10(1/cm)Kc双电层厚度双电层厚度d为为 d=1/K。39Bolt（1956）=1015cm/mmol，x0=4/()=1/伊

13、利石伊利石 =2/高岭石；高岭石；=4/蒙脱石蒙脱石是离子交换表面密度。是离子交换表面密度。膨胀力为：膨胀力为：/20000220()2/1(/)sindnxdnnnn 00loglog640.343 2scpenxRTnS 40Sridharan和和Choudhury（2002）2cosh 2.81 3.375lg1wkepnkTGS徐永福等（徐永福等（2003）41离子交换（离子交换（Gapon平衡方程）平衡方程）M和和N表示表示m和和n价阳离子；价阳离子；e表示可交换阳离子；表示可交换阳离子；0表示自由溶液中的阳离子浓度；表示自由溶液中的阳离子浓度；离子交换能力：离子交换能力：Li+Na+H+K+NK4+Mg2+Ca2+=wwL L，e1.0e1.0，压缩系数，压缩系数0.5MPa0.5MPa-1-1，不排水，不排水强度强度30kPawwL L，孔隙比为，孔隙比为1.01.01.51.5快剪内摩擦快剪内摩擦角一般小于角一般小于1515，位于塑性图，位于塑性图A A线下或上线下或上68697071727374思考题思考题n如何确定水的势态？如何确定水的势态？n土结构影响土力学性质的研究方法？土结构影响土力学性质的研究方法？n推导双电层理论，并应用于土力学的研究中。推导双电层理论，并应用于土力学的研究中。n研读粘土蠕变微观机理。研读粘土蠕变微观机理。