土质学与土力学-绪论第一二章公开课教案课件.ppt

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1、哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 土木工程系土木工程系Harbin Institute of TechnologyHarbin Institute of TechnologyCivil Engineering DepartmentCivil Engineering Department土质学与土力学土质学与土力学FOUNDATION SOIL SCIENCE AND SOIL MECHNICSFOUNDATION SOIL SCIENCE AND SOIL MECHNICSFOUNDATION SOIL SCIENCE AND SOIL MECHNICSFOUNDATION SOIL SCIENC

2、E AND SOIL MECHNICS 课程安排课程安排授课时间：授课时间：4 11周周 44 学时学时课程性质：主干课及考试课课程性质：主干课及考试课考试形式：实行累加式，平时考核占考试形式：实行累加式，平时考核占10%，平时作业占，平时作业占10%，实验课占实验课占10%，期末考试占，期末考试占70%，缺席达到，缺席达到10课时取消期末考课时取消期末考试资格。试资格。授课教师：王幼清授课教师：王幼清 教材：教材：土质学与土力学袁聚云等编土质学与土力学袁聚云等编参考书：参考书：土质学与土力学洪毓康编土质学与土力学洪毓康编2023年3月10日 绪绪 论论 一、土质学及土力学的基本概念和研究对象

3、一、土质学及土力学的基本概念和研究对象1 1、土质学及土力学、土质学及土力学 土质学土质学是研究土物质的物理化学性质的科学。例如研究土成因及分布、土粒是研究土物质的物理化学性质的科学。例如研究土成因及分布、土粒的大小、形状、排列方式及其相互连接以及与地下水发生物理化学作用等。的大小、形状、排列方式及其相互连接以及与地下水发生物理化学作用等。土力学土力学是研究土体的力学。主要研究土体的应力、应变、强度、稳定性以及是研究土体的力学。主要研究土体的应力、应变、强度、稳定性以及渗流规律等等。渗流规律等等。土质学及土力学的研究对象都是土，主要研究土的工程性质，为解决与土有关的工程土质学及土力学的研究对象

4、都是土，主要研究土的工程性质，为解决与土有关的工程问题提供分析方法、为工程设计提供土的计算指标。它是土木专业的技术基础课。问题提供分析方法、为工程设计提供土的计算指标。它是土木专业的技术基础课。2 2、土体、土体土土是岩石矿物固体颗粒集合体，也称为是岩石矿物固体颗粒集合体，也称为土体土体。土体的物理力学性能与其生成。土体的物理力学性能与其生成条件、环境条件、所处位置等密切相关。条件、环境条件、所处位置等密切相关。3 3、土体在工程中的作用、土体在工程中的作用 1)传力介质传力介质地基地基 2)建筑材料建筑材料堤坝堤坝、路基、路面等、路基、路面等4 4、工程中需解决的有关土体问题、工程中需解决的

5、有关土体问题 1)地基沉降问题地基沉降问题 2)地基的承载能力及稳定问题地基的承载能力及稳定问题 3)地基渗流破坏问题地基渗流破坏问题 4)路堤边坡滑移及其他问题路堤边坡滑移及其他问题基础基础建筑物向地基传递建筑物向地基传递 荷载的下部结构。荷载的下部结构。地基地基 受建筑物荷受建筑物荷载影响的部分载影响的部分土体。土体。桥墩桥墩路堤路堤2023年3月10日 二、本课程的特点二、本课程的特点1 1、研究对象（土）是一种极为复杂的力学介质。、研究对象（土）是一种极为复杂的力学介质。主要表现出以下特性：主要表现出以下特性：a a、多样性、多样性 b b、局部性或地方性、局部性或地方性c c、多相介

6、质、多相介质 d d、结构性强、结构性强 e e、本构非线性、本构非线性 f f、土中应力分为有效应力和孔隙水压力、土中应力分为有效应力和孔隙水压力 g g、表现为剪切破坏、表现为剪切破坏 h h、剪缩与剪胀性、剪缩与剪胀性 i i、力学性能与应力历史有关、力学性能与应力历史有关2 2、以勘察和试验为基础、以勘察和试验为基础 由于土的物理力学性质复杂多变由于土的物理力学性质复杂多变,对每一项工程都要进行现场勘察和土工试对每一项工程都要进行现场勘察和土工试验验,了解土的性质了解土的性质,然后进行设计和计算。然后进行设计和计算。3 3、实践性强、实践性强 土质学及土力学直接为岩土工程设计和施工服务

7、。土质学及土力学直接为岩土工程设计和施工服务。4 4、综合性强、综合性强 土质学及土力学主要涉及工程地质学、弹塑性力学、建筑工程施工技术等其土质学及土力学主要涉及工程地质学、弹塑性力学、建筑工程施工技术等其他学科。他学科。5 5、高度依赖工程经验、高度依赖工程经验 由于土的物理力学性质极为复杂由于土的物理力学性质极为复杂,理论计算误差较大理论计算误差较大,需要通过工程经验进需要通过工程经验进行修正。行修正。2023年3月10日 三、土质学与土力学的发展概况及成果三、土质学与土力学的发展概况及成果 有关土力学的研究始于有关土力学的研究始于1818世纪，随着土木工程的发展和土力学理论研究的不断深入

8、，世纪，随着土木工程的发展和土力学理论研究的不断深入，土力学逐步与土质学相结合，较好地反映了土的工程性质。取得的主要成果如下：土力学逐步与土质学相结合，较好地反映了土的工程性质。取得的主要成果如下：1773 1773年年法国科学家库仑发表了土的抗剪强度和土压力理论法国科学家库仑发表了土的抗剪强度和土压力理论 1869 1869年年英国科学家朗肯发表了土压力理论英国科学家朗肯发表了土压力理论 1900 1900年年莫尔莫尔-库仑提出了土体抗剪强度的极限平衡理论库仑提出了土体抗剪强度的极限平衡理论 1920 1920年年法国学者普朗特尔提出了地基极限承载力理论法国学者普朗特尔提出了地基极限承载力理

9、论 1922 1922年年瑞典学者费伦纽斯和比得森提出了土坡稳定分析方法瑞典学者费伦纽斯和比得森提出了土坡稳定分析方法 1925 1925年年美籍奥地利人太沙基写出第一部美籍奥地利人太沙基写出第一部土力学土力学专著专著 1936 1936年年在美国召开第一届国际土力学与基础工程学术会议此后在其他在美国召开第一届国际土力学与基础工程学术会议此后在其他 国家陆续召开了十四届国际土力学与岩土工程会议国家陆续召开了十四届国际土力学与岩土工程会议 1957 1957年年中国土木工程学会设立了土力学及基础工程委员会中国土木工程学会设立了土力学及基础工程委员会 1962 1962年年我国召开第一届全国土力学

10、与基础工程会议我国召开第一届全国土力学与基础工程会议,以后又陆续召开以后又陆续召开 了十余届全国土力学与基础工程会议了十余届全国土力学与基础工程会议 1983 1983年年黄文熙院士出版发行了黄文熙院士出版发行了土的工程性质土的工程性质专著专著 1990 1990年年朱百里、沈珠江出版发行了朱百里、沈珠江出版发行了计算土力学计算土力学专著专著 1996 1996年年钱家欢、殷宗泽出版发行了钱家欢、殷宗泽出版发行了土工原理与计算土工原理与计算专著专著 2000 2000年年沈珠江院士出版发行了沈珠江院士出版发行了理论土力学理论土力学专著专著2023年3月10日 三、土质学与土力学的发展概况及成果

11、三、土质学与土力学的发展概况及成果 有关土力学的研究始于有关土力学的研究始于1818世纪，随着土木工程的发展和土力学理论研究的不断深入，世纪，随着土木工程的发展和土力学理论研究的不断深入，土力学逐步与土质学相结合，较好地反映了土的工程性质。取得的主要成果如下：土力学逐步与土质学相结合，较好地反映了土的工程性质。取得的主要成果如下：1773 1773年年法国科学家库仑发表了土的抗剪强度和土压力理论法国科学家库仑发表了土的抗剪强度和土压力理论 1869 1869年年英国科学家朗肯发表了土压力理论英国科学家朗肯发表了土压力理论 1900 1900年年莫尔莫尔-库仑提出了土体抗剪强度的极限平衡理论库仑

12、提出了土体抗剪强度的极限平衡理论 1920 1920年年法国学者普朗特尔提出了地基极限承载力理论法国学者普朗特尔提出了地基极限承载力理论 1922 1922年年瑞典学者费伦纽斯和比得森提出了土坡稳定分析方法瑞典学者费伦纽斯和比得森提出了土坡稳定分析方法 1925 1925年年美籍奥地利人太沙基写出第一部美籍奥地利人太沙基写出第一部土力学土力学专著专著 1936 1936年年在美国召开第一届国际土力学与基础工程学术会议此后在其他在美国召开第一届国际土力学与基础工程学术会议此后在其他 国家陆续召开了十四届国际土力学与岩土工程会议国家陆续召开了十四届国际土力学与岩土工程会议 1957 1957年年中

13、国土木工程学会设立了土力学及基础工程委员会中国土木工程学会设立了土力学及基础工程委员会 1962 1962年年我国召开第一届全国土力学与基础工程会议我国召开第一届全国土力学与基础工程会议,以后又陆续召开以后又陆续召开 了十余届全国土力学与基础工程会议了十余届全国土力学与基础工程会议 1983 1983年年黄文熙院士出版发行了黄文熙院士出版发行了土的工程性质土的工程性质专著专著 1990 1990年年朱百里、沈珠江出版发行了朱百里、沈珠江出版发行了计算土力学计算土力学专著专著 1996 1996年年钱家欢、殷宗泽出版发行了钱家欢、殷宗泽出版发行了土工原理与计算土工原理与计算专著专著 2000 2

14、000年年沈珠江院士出版发行了沈珠江院士出版发行了理论土力学理论土力学专著专著2023年3月10日 四、本课程的学习方法和要求四、本课程的学习方法和要求 1 1、理解概念，弄清原理，具体问题，具体分析。、理解概念，弄清原理，具体问题，具体分析。2 2、切忌死记硬背。、切忌死记硬背。3 3、按时完成作业，及时消化课堂内容。、按时完成作业，及时消化课堂内容。第第1 1章章 土的物理性质及工程分类土的物理性质及工程分类 土是由岩石风化土是由岩石风化(物理风化、化学风化、生物风化物理风化、化学风化、生物风化)后形成的颗粒堆积物。后形成的颗粒堆积物。岩石经过岩石经过剥蚀、搬运、沉积剥蚀、搬运、沉积后形成

15、土。后形成土。不同成因类型的土具有不同的工程性质。不同成因类型的土具有不同的工程性质。例如：例如：残积土、坡积土、洪积土、冲积土、风积土残积土、坡积土、洪积土、冲积土、风积土等等。等等。土粒相互之间的孔隙中有水和空气。土粒相互之间的孔隙中有水和空气。土体是由颗粒（土体是由颗粒（固相固相）、水（）、水（液相液相）、空气（）、空气（气相气相）三相组成。）三相组成。土颗粒大小不均匀，形状不规则及其排列、组合千变万化。土颗粒大小不均匀，形状不规则及其排列、组合千变万化。土的性质主要由土的性质主要由土的三相组成土的三相组成及其比例关系决定。及其比例关系决定。1.1 土的三相组成土的三相组成 1 1、土的

16、固相、土的固相 组成土粒的物质一般分两类：组成土粒的物质一般分两类：原生矿物原生矿物母岩矿物母岩矿物,存在于粗大的土粒中存在于粗大的土粒中,例如：砂粒、砾石、碎石等。例如：砂粒、砾石、碎石等。次生矿物次生矿物原生矿物经化学风化后生成的新矿物原生矿物经化学风化后生成的新矿物,存在于细粒土，例如：存在于细粒土，例如：黏土颗粒或称黏土矿物。常见的有黏土颗粒或称黏土矿物。常见的有:高岭石、伊利石、蒙脱石等。高岭石、伊利石、蒙脱石等。土的固相中除土粒外，还有部分腐殖质矿物和有机物等。土的固相中除土粒外，还有部分腐殖质矿物和有机物等。2023年3月10日 2 2、土的液相、土的液相 土中水是一种成分复杂的

17、电解质水溶液，按土粒矿物的亲水性一般分两类：土中水是一种成分复杂的电解质水溶液，按土粒矿物的亲水性一般分两类：结合水结合水受电荷引力作用而吸附在土粒表面的水膜。按引力的强弱又受电荷引力作用而吸附在土粒表面的水膜。按引力的强弱又 分为分为强结合水强结合水(吸附层吸附层)和和弱结合水弱结合水(扩散层扩散层)。自由水自由水电荷引力作用以外的水，包括电荷引力作用以外的水，包括毛细水毛细水和和重力水重力水。毛细水受重力和。毛细水受重力和 表面张力控制，不能流动；重力水受重力或水压差作用能流动。表面张力控制，不能流动；重力水受重力或水压差作用能流动。3 3、土的气相、土的气相 土中气体分为土中气体分为连通

18、气体连通气体和和封闭气体封闭气体两种。连通气体对土的性质影响不大，封两种。连通气体对土的性质影响不大，封闭气体会增加土体的弹性，使土的工程性质复杂化。闭气体会增加土体的弹性，使土的工程性质复杂化。1.2 土的颗粒特征土的颗粒特征一、土粒粒组的划分一、土粒粒组的划分 天然土中土粒的大小相差很大，因此土的性能千差万别。为了研究土的性能，需进天然土中土粒的大小相差很大，因此土的性能千差万别。为了研究土的性能，需进行粒组划分：将大小相近性能变化不大的土粒划为同一组。由于各粒组的性能易于确定，行粒组划分：将大小相近性能变化不大的土粒划为同一组。由于各粒组的性能易于确定，所以可按各粒组在土中的相对含量综合

19、确定土的性能。所以可按各粒组在土中的相对含量综合确定土的性能。不同系统的粒组划分有所不同。不同系统的粒组划分有所不同。二、土粒组成的表示方法二、土粒组成的表示方法 土体由各粒组混合而成，则土粒大小及其分布情况可用各粒组在土中的相对土体由各粒组混合而成，则土粒大小及其分布情况可用各粒组在土中的相对含量含量(各粒组干土重量百分比各粒组干土重量百分比)表示，称为土的表示，称为土的颗粒级配颗粒级配或或粒度成分粒度成分。土的颗粒级配有三种表示方法：表格法、累计曲线法、三角坐标法土的颗粒级配有三种表示方法：表格法、累计曲线法、三角坐标法2023年3月10日 (1)1)表格法表格法直接给出各粒组含量或小于某

20、粒径的粒组累计含量。该法简单方便。直接给出各粒组含量或小于某粒径的粒组累计含量。该法简单方便。(2)(2)累计曲线法累计曲线法用竖坐标表示小于某粒径土的百分含量，用对数横坐标表示粒径绘制土用竖坐标表示小于某粒径土的百分含量，用对数横坐标表示粒径绘制土 的级配曲线。并用的级配曲线。并用不均匀系数不均匀系数、曲率系数曲率系数反映土级配情况。该法直观形象。反映土级配情况。该法直观形象。不均匀系数：不均匀系数：曲率系数：曲率系数：式中式中 累计百分含量为累计百分含量为10%10%、30%30%、60%60%的粒径，由累计曲的粒径，由累计曲 线测得。当线测得。当 时，土的级配良好。时，土的级配良好。为有

21、效粒径；为有效粒径；为限定粒径。为限定粒径。(3)(3)三角坐标法三角坐标法用等腰三角形的三条边表示砂粒、粉粒、黏粒粒组的坐标，以三角形内用等腰三角形的三条边表示砂粒、粉粒、黏粒粒组的坐标，以三角形内 一点的三个高分别表示土中三个粒组的含量。该法主要用于路面选料设计。一点的三个高分别表示土中三个粒组的含量。该法主要用于路面选料设计。2023年3月10日 三、土的颗粒分析方法三、土的颗粒分析方法 土中各粒组的分布情况可通过试验测定。对于粒径土中各粒组的分布情况可通过试验测定。对于粒径 的土，采用筛分法。对粒径的土，采用筛分法。对粒径 时采用时采用比重计法比重计法(沉降分析法沉降分析法)。其原理：

22、根据。其原理：根据StokesStokes定律，定律，液体中下降的颗粒直径：液体中下降的颗粒直径：比重计测点处的密度：比重计测点处的密度：则则 ，悬液中，悬液中 土粒重土粒重 占土粒总重占土粒总重 百分比百分比 式中式中 土粒及水的密度土粒及水的密度 。1.3 土的三相比例指标土的三相比例指标 土的性质主要由土的三相组成及其比例关系决定。土的三相比例指标可以定量描述土土的性质主要由土的三相组成及其比例关系决定。土的三相比例指标可以定量描述土的物理性质。土的三相比例指标可以分为试验指标和换算指标两类：的物理性质。土的三相比例指标可以分为试验指标和换算指标两类：一、试验指标一、试验指标 2023年

23、3月10日二、换算指标二、换算指标 三、三相比例指标的换算关系三、三相比例指标的换算关系 利用三相草图换算，取利用三相草图换算，取 并假定并假定 ，则，则 ，由，由 ，按定义有：，按定义有：2023年3月10日二、换算指标二、换算指标 三、三相比例指标的换算关系三、三相比例指标的换算关系 利用三相草图换算，取利用三相草图换算，取 并假定并假定 ，则，则 ，由，由 ，按定义有：，按定义有：2023年3月10日 1.4 黏性土的界限含水率黏性土的界限含水率一、黏性土的状态与界限含水率一、黏性土的状态与界限含水率 黏性土的状态随含水量的增大而变软黏性土的状态随含水量的增大而变软:固态固态 半固态半固

24、态 可塑状态可塑状态 流动状态流动状态 1 1、液限、液限 由可塑状态转到流动状态的界限含水量。由可塑状态转到流动状态的界限含水量。2 2、塑限、塑限 由半固态转到可塑状态的界限含水量。由半固态转到可塑状态的界限含水量。3 3、缩限、缩限 体积不再缩小对应的界限含水量。体积不再缩小对应的界限含水量。二、塑性指数二、塑性指数 塑性指数是表示黏性土可塑性大小的指标，用塑性指数是表示黏性土可塑性大小的指标，用 锥式液限仪锥式液限仪可塑状态的含水率变化范围定义：可塑状态的含水率变化范围定义：应用中塑性指数以不带应用中塑性指数以不带“”的数值表示。的数值表示。三、液性指数三、液性指数液性指数是表示黏性土

25、软硬状态的指标，定义液性指数是表示黏性土软硬状态的指标，定义为含水率和塑限的差值与液限和塑限的差值之比：为含水率和塑限的差值与液限和塑限的差值之比：碟式液限仪碟式液限仪2023年3月10日 1.无黏性土的密实度无黏性土的密实度一、一、砂土的相对密度砂土的相对密度、相对密实度指标定义、相对密实度指标定义 式中式中 、分别为最大和最小孔隙比，由试验测得。分别为最大和最小孔隙比，由试验测得。、砂土按相对密度指标分类、砂土按相对密度指标分类 密实度密实度 密实密实 中密中密 松散松散 相对密度相对密度 密实密实 中密中密 松散松散 三等分三等分 二、无黏性土密实度划分的其他方法二、无黏性土密实度划分的

26、其他方法、砂土密实度按标准贯入锤击数、砂土密实度按标准贯入锤击数 分类分类、碎石土密实度按重型动力触探锤击数、碎石土密实度按重型动力触探锤击数 分类分类、碎石土密实度按超重型动力触探锤击数、碎石土密实度按超重型动力触探锤击数 分类分类、砂土密实度按天然孔隙比、砂土密实度按天然孔隙比 分类分类2023年3月10日 1.6 土的工程分类土的工程分类一、概述一、概述不同的工程系统采用不同的分类标准。土的分类在原则上主要考虑了以下三不同的工程系统采用不同的分类标准。土的分类在原则上主要考虑了以下三个因素：个因素：(1)1)土的沉积历史和地质成因；土的沉积历史和地质成因；(2)(2)土的组成；土的组成；

27、(3)(3)土的工程性质。土的工程性质。建筑地基土的分类如下：建筑地基土的分类如下：二、建筑地基土的分类标准二、建筑地基土的分类标准1 1、按沉积年代和地质成因划分、按沉积年代和地质成因划分 按沉积年代划分有按沉积年代划分有:老沉积土、新近沉积土老沉积土、新近沉积土。按地质成因划分有按地质成因划分有:残积土、坡积土、洪积土、冲积土、湖积土、海积土、残积土、坡积土、洪积土、冲积土、湖积土、海积土、风积土、冰积土风积土、冰积土等。等。2 2、按颗粒级配和塑性指数划分、按颗粒级配和塑性指数划分(1)(1)碎石土碎石土粒径大于粒径大于2mm2mm的颗粒含量超过全重的颗粒含量超过全重50%50%的土称为

28、碎石土。的土称为碎石土。(2)(2)砂土砂土粒径大于粒径大于2mm2mm的颗粒含量不超过全重的颗粒含量不超过全重50%50%，且大于，且大于0.075mm0.075mm的颗粒含量超的颗粒含量超过全重过全重50%50%的土称为砂土。的土称为砂土。(3)(3)粉土粉土 ,粒径大于粒径大于0.075mm0.075mm的颗粒含量不超过全重的颗粒含量不超过全重50%50%的土称为粉土。的土称为粉土。(4)(4)黏性土黏性土塑性指数塑性指数 的土称为黏性土。的土称为黏性土。第第第第 1 1 章章章章 作业：习题作业：习题作业：习题作业：习题 1-11-1、1-21-2、1-31-3、1-41-4、1-51

29、-52023年3月10日 第第2章章 黏性土的物理化学性质黏性土的物理化学性质 2.1 键力的基本概念键力的基本概念 键力是原子与原子之间或分子与分子之间的联结力。主要包括键力是原子与原子之间或分子与分子之间的联结力。主要包括化学键化学键、分子分子键键、及、及氢键氢键三种。土物质靠键力形成土体，了解键力的概念有助于认识土体的物三种。土物质靠键力形成土体，了解键力的概念有助于认识土体的物理化学性质。理化学性质。1 1、化学键、化学键 化学键是原子与原子之间的联结。包括离子键、共价键、金属键。化学键也叫主键化学键是原子与原子之间的联结。包括离子键、共价键、金属键。化学键也叫主键或高能键，联结力很强

30、。土粒内部的氧原子、硅原子或铝离子靠化学键联结成牢固的矿物或高能键，联结力很强。土粒内部的氧原子、硅原子或铝离子靠化学键联结成牢固的矿物晶格，所以在工程中土体破坏时土粒并不会破坏，而是土粒相互之间发生滑动。晶格，所以在工程中土体破坏时土粒并不会破坏，而是土粒相互之间发生滑动。2 2、分子键、分子键 分子键是分子与分子之间的联结。分子键也叫次键或低能键，联结力很弱。土体的分子键是分子与分子之间的联结。分子键也叫次键或低能键，联结力很弱。土体的强度主要由分子键决定。强度主要由分子键决定。3 3、氢键、氢键 氢键是氢原子与其它带负电荷原子之间的联结。氢键的氢键是氢原子与其它带负电荷原子之间的联结。氢

31、键的联结力介于主键和次键之间，联结力介于主键和次键之间，并具有方向性和饱和性。例如，当外部能量低于氢键的联结能，水分子相互之间会以氢键并具有方向性和饱和性。例如，当外部能量低于氢键的联结能，水分子相互之间会以氢键联结而使水分子定向排列，造成分子间隙增大，出现结冰冻胀现象。冰或冻土的强度由氢联结而使水分子定向排列，造成分子间隙增大，出现结冰冻胀现象。冰或冻土的强度由氢键决定。键决定。2023年3月10日2.2 黏土矿物颗粒的结晶结构黏土矿物颗粒的结晶结构 黏土矿物的黏土矿物的物理化学性质与其颗粒的大小及其物理化学性质与其颗粒的大小及其结晶结构有关，因此需要了解黏土矿结晶结构有关，因此需要了解黏土

32、矿 物颗粒的结晶结构。物颗粒的结晶结构。1、黏土矿物颗粒的形状、黏土矿物颗粒的形状 高岭石高岭石 伊利石伊利石 蒙脱石蒙脱石 黏土矿物颗粒一般为黏土矿物颗粒一般为鳞片状鳞片状。直径直径 常见黏土矿物颗粒尺度：常见黏土矿物颗粒尺度：厚度厚度 比表面比表面 10 100 800 2、黏土矿物的晶体结构、黏土矿物的晶体结构 黏土矿物的晶体结构主要由两种晶片构成：黏土矿物的晶体结构主要由两种晶片构成：两种晶片通过化学键联结成两种晶体细胞。两种晶片通过化学键联结成两种晶体细胞。两种晶胞通过分子键和氢键形成两种晶胞通过分子键和氢键形成3种常见黏土矿物颗粒：种常见黏土矿物颗粒：高岭石，结构单元为高岭石，结构

33、单元为1:1型晶格，若干晶胞由氢键联结成矿物颗粒。较牢固。型晶格，若干晶胞由氢键联结成矿物颗粒。较牢固。蒙脱石，结构单元为蒙脱石，结构单元为2:1型晶格，若干晶胞由分子键联结成矿物颗粒。较弱。型晶格，若干晶胞由分子键联结成矿物颗粒。较弱。伊利石，结构单元为伊利石，结构单元为2:1型晶格，若干晶胞由钾离子联结成矿物颗粒。联结力介于高岭石和蒙脱石之间。型晶格，若干晶胞由钾离子联结成矿物颗粒。联结力介于高岭石和蒙脱石之间。高岭石高岭石 蒙脱石蒙脱石 伊利石伊利石2023年3月10日2.2 黏土矿物颗粒的结晶结构黏土矿物颗粒的结晶结构 黏土矿物的黏土矿物的物理化学性质与其颗粒的大小及其物理化学性质与其

34、颗粒的大小及其结晶结构有关，因此需要了解黏土矿结晶结构有关，因此需要了解黏土矿 物颗粒的结晶结构。物颗粒的结晶结构。1、黏土矿物颗粒的形状、黏土矿物颗粒的形状 高岭石高岭石 伊利石伊利石 蒙脱石蒙脱石 黏土矿物颗粒一般为黏土矿物颗粒一般为鳞片状鳞片状。直径直径 常见黏土矿物颗粒尺度：常见黏土矿物颗粒尺度：厚度厚度 比表面比表面 10 100 800 2、黏土矿物的晶体结构、黏土矿物的晶体结构 黏土矿物的晶体结构主要由两种晶片构成：黏土矿物的晶体结构主要由两种晶片构成：两种晶片通过化学键联结成两种晶体细胞。两种晶片通过化学键联结成两种晶体细胞。两种晶胞通过分子键和氢键形成两种晶胞通过分子键和氢键

35、形成3种常见黏土矿物颗粒：种常见黏土矿物颗粒：高岭石，结构单元为高岭石，结构单元为1:1型晶格，若干晶胞由氢键联结成矿物颗粒。较牢固。型晶格，若干晶胞由氢键联结成矿物颗粒。较牢固。蒙脱石，结构单元为蒙脱石，结构单元为2:1型晶格，若干晶胞由分子键联结成矿物颗粒。较弱。型晶格，若干晶胞由分子键联结成矿物颗粒。较弱。伊利石，结构单元为伊利石，结构单元为2:1型晶格，若干晶胞由钾离子联结成矿物颗粒。联结力介于高岭石和蒙脱石之间。型晶格，若干晶胞由钾离子联结成矿物颗粒。联结力介于高岭石和蒙脱石之间。高岭石高岭石 蒙脱石蒙脱石 伊利石伊利石2023年3月10日 2.3 黏土颗粒的胶体化学性质黏土颗粒的胶

36、体化学性质 小于小于0.005mm的黏土矿物颗粒具有胶体的化学特性，其原因是由于土粒表的黏土矿物颗粒具有胶体的化学特性，其原因是由于土粒表 面带电。带电土粒与介质相互作用表现出粘性。面带电。带电土粒与介质相互作用表现出粘性。一、黏土颗粒表面带电的成因一、黏土颗粒表面带电的成因 (1)(1)边缘破键造成电荷不平衡边缘破键造成电荷不平衡 (2)(2)同晶置换作用同晶置换作用 (3)(3)水化解离作用水化解离作用 (4)(4)选择性吸附选择性吸附 二、双电层的概念二、双电层的概念 由于土粒表面带负电荷，能吸附水分子和一些阳离子，由于土粒表面带负电荷，能吸附水分子和一些阳离子，形成形成结合水膜结合水膜

37、。在结合水膜内正负电荷平衡，所以也称结合。在结合水膜内正负电荷平衡，所以也称结合 水膜为水膜为双电层双电层。其中。其中阳离子价位高、数量多，则结合水膜厚阳离子价位高、数量多，则结合水膜厚 度减小度减小，反之厚度增大。，反之厚度增大。双电层双电层包括包括强结合水强结合水和和弱结合水。弱结合水。(1)(1)强结合水强结合水水分子排列很紧密，厚度很薄，密度为水分子排列很紧密，厚度很薄，密度为1.22.4，冰点负，冰点负78度，表现为度，表现为 固态。固态。(2)(2)弱结合水弱结合水水分子排列渐稀，厚度按电荷强弱分布，且占双电层大部分，密度大水分子排列渐稀，厚度按电荷强弱分布，且占双电层大部分，密度

38、大 于于1.0，冰点低于，冰点低于0度，表现为由硬逐渐变软状态，当土中含水率较大双电层较厚时外表度，表现为由硬逐渐变软状态，当土中含水率较大双电层较厚时外表 具有滑腻性。具有滑腻性。2023年3月10日 2.4 黏性土工程性质的利用和改良黏性土工程性质的利用和改良 在工程中可以利用和改良黏性土的某些特性，使之为工程服务。在工程中可以利用和改良黏性土的某些特性，使之为工程服务。一、电渗排水和电化学加固一、电渗排水和电化学加固 (1)(1)电渗排水电渗排水 (2)(2)电化学加固电化学加固 二、利用离子交换改良黏土的工程性质二、利用离子交换改良黏土的工程性质 在土中增加阳离子含量，或以高价阳离子置换低价在土中增加阳离子含量，或以高价阳离子置换低价 阳离子，可使弱结合水膜变薄或消除，降低土的黏性，阳离子，可使弱结合水膜变薄或消除，降低土的黏性，增加土的透水性。增加土的透水性。三、利用黏性土的胶体触变特性三、利用黏性土的胶体触变特性 (1)(1)桩基钻孔泥浆护壁桩基钻孔泥浆护壁 (2)(2)盾构或沉井减阻泥浆润滑盾构或沉井减阻泥浆润滑