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土质学与土力学 黏性土的物理化学性质
第二章 黏性土的物理化学性质 第二章 黏性土的物理化学性质 第二章 黏性土的物理化学性质 第二章 黏性土的物理化学性质 黏土颗粒表面的带电现象 黏土颗粒表面带电的原因 边缘破键造成的电荷不平衡;即颗粒外部边缘处结晶格架的连续性受到破坏,从而造成电荷的不平衡。 同晶置换作用; 水化解离作用;粘土矿物颗粒表面与水作用形成H2SiO3 选择性吸附;即颗粒只吸附与其本身晶格中离子成分相同或相近的离子 双电层与扩散层的概念 第三章 土中水的运动规律 土的毛细性 毛细水上升高度及上升速度 土的渗透性 土的层流渗透定律 — 达西定律 土的渗透系数的测定 影响土的渗透性因素 动水力及流砂现象 流砂现象,管涌和临界水头梯度 土在冻结过程中水分的迁移和积聚 冻土现象及其对工程的危害 冻胀的机理与影响因素 冻结深度 冻土现象及其对工程的危害 冻胀的机理 ——结合水迁移学说 冻结深度 根据各力的平衡条件,以与水流方向一致为正,则有: 由 要求动水力 ,我们知道 ,因此问题转为求 与水流方向一致,与 成正比。 如图a,当水的渗流自上向下时,动水力方向与土体重力方向一致,将增加土颗粒间的压力; h h1 h2 a h h1 h2 b 如图b,当水的渗流自下向上时,动水力方向与土体重力方向相反,将减小土颗粒间的压力; 与水流方向一致,如图b,当水的渗流自下向上时, 当向上的动水力 与土的浮容重相等时,即有: 此时,土颗粒间的压力就等于0,土颗粒处于悬浮状态而失去稳定,称这种现象称为流砂现象,此时的水头梯度称为临界水头梯度 工程中将临界水头梯度Icr除以安全系数k作为容许水头梯度 [I],设计时,渗流逸出处的水头梯度应满足如下要求: 取单位体积土体进行分析,已知土在水下的浮容重 , 水在砂性土中渗流时,土中一些细小颗粒在动水力作用下,可能会通过粗颗粒的孔隙被水带走,称这种现象为管涌。 流砂现象与管涌的区别: 流砂现象发生在土体表面渗流逸出处,不发生于土体内部; 管涌现象可以发生在渗流逸出处,也可能发生于土体内部。 I≤ [I]= Icr k 在低温冰冻季节,由于大气负温度的影响,使土中水分冻结成为冻土。根据冻融情况,冻土可分为: 季节性冻土:冬季冻结,夏季全部融化的冻土 隔年冻土:冬季冻结,一二年不融化的土层 多年冻土:凡冻结状态持续三年或三年以上的土层 我国多年冻土主要集中在纬度和海拔较高的严寒地区,季节性冻土分布最广,同时,它对工程的危害性也最大。 冻土现象:在冻土地区,随着土中水的冻结和融化,会发生一些独特的现象。有热融滑塌、热融沉陷、热融湖、融冻泥流、冻胀丘、冰椎、多边形土、石海和石流、石冰川等等 冻胀现象:对于某些细粒土层,在冻结时,往往会发生土层体积膨胀,使地面隆起成丘的现象。产生原因,不仅是由于水分冻结成冰时的体积增大,而主要是由于土层冻结时,周围未冻结区中的水分向表层冻结区集聚,使冻结区土层中水分增加,冻结后的冰晶体不断增大,土体积也随之发生膨胀隆起。 对工程的危害:冻土的冻胀,会使路基隆起,柔性路面鼓包、开裂,使刚性路面错缝后折断,冻土融化后,土中含水量大大增加,土层软化,强度降低,在车辆反复碾压下,路面就会开裂,翻浆,使路面承载能力大大降低,路面完全破坏。 土中有结合水与自由水两大类。当大气T降低时,土中T也随之降低,土中的自由水首先在0℃时冻结,随着T的继续下降,弱结合水的最外层在-0.5℃时也开始冻结,使得冰晶体逐渐扩大,这样使冰晶体周围土粒的结合水膜减薄,土粒就产生剩余的分子引力。另外,由于结合水膜的减薄,使得水膜中的离子浓度增加,由此会产生渗附压力。在这两种引力作用下,附近未冻结区水膜较厚处的结合水被吸引过来,未冻结区存在充足的水源补给时,则未冻结区的水分就会不断地向冻结区迁移积聚,使冰晶体扩大,在土层中形成冰夹层,土体积膨胀,即冻胀现象。这种结合水的迁移一直到水源补给断绝后才停止。 * * * 黏性土的性质比较复杂,这主要因为其本身的黏粒粒组的含量与黏粒的矿物成分不同。根据黏土矿物成分不同,可分为:蒙脱石、伊利石和高岭石三种类型,它们具有独特的结晶结构特征。 键力的基本概念 所谓键力是指原子与原子之间或分子与分子之间的一种联结力。键力主要有:化学键、分子键和氢键三种。 土粒本身的强度是由主键(化学键)形成的,而土粒之间,土粒与水分子之间的吸引力由次键(分子键)及氢键形成的,因此,土粒之间的联结力远比土粒本身的强度小。 黏土矿物颗粒的结晶结构 黏土矿物大多是硅酸盐,其晶体的原子排列与矿物颗粒的物理性质、光学性质和化学性质密切相关。黏土矿物的结晶结构主要由两个基本结构单元组成:硅氧四面体和
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