第3节-1土的物理性质指标

第7章生物地球化学循环第1节土壤的组成第2节土壤的性质第3节物质循环与土壤形成第4节土壤分类与土壤类型第4节生态系统的组成与结构第6节生态系统的能量流动第7节生态系统的物质循环第8节地球上的生态系统引子：生物地球化学循环概述一、何谓生物地球化学循环？1.概念：生命有机体及其产物与周围环境之间反复不断进行的物质和能量的交换过程。

2.过程：物能的吸收-同化-排放-分解-归还-流失3.性质：非封闭的循环（进入土壤、岩层、海底）4.主体：生物和土壤5.循环的介质：水和大气二、人类对生物地球化学循环的影响1.大气、水体、土壤的污染2.污染物质的迁移、转化和集散3.对人类健康的威胁第1节土壤的组成引言：土壤与土壤肥力1. 土壤：在陆地表层和浅水域底部、由有机和无机物质组成、具有肥力、能生长植物的疏松层。

2.土壤的本质是肥力，指土壤中水、热、气、肥（养分）周期性动态达到稳、匀、足、适地满足植物需求的能力。

3. 土壤是一种类生物体代谢和调节功能比生物弱（如温度）不具有生长、发育和繁殖的功能不具有功能各异的器官一、土壤的无机组成1. 原生矿物：在物理风化过程中产生的未改变化学成分和结晶构造的造岩矿物。

土壤中各种化学元素的最初来源；土壤矿物质的粗质部分；经化学风化分解后，才能释放并供给植物生长所需养分。

2. 次生矿物：岩石在化学风化过程中新生成的土壤矿物，如粘土矿物。

土壤矿物质中最细小的部分；具有吸附保存呈离子态养分的能力，使土壤具有一定的保肥性。

二、土壤的有机组成1.原始组织：包括高等植物未分解的根、茎、叶；动物分解原始植物组织，向土壤提供的排泄物和死亡之后的尸体等。

土壤有机部分的最初来源2.腐殖质：有机组织经由微生物合成的新化合物，或者由原始植物组织变化而成的、比较稳定的分解产物，呈黑色或棕色，性质上为胶体状（颗粒直径<1μm）。

具有极强的吸持水分和养分离子的能力，少量的腐殖质就能显著提高土壤的生产力。

土壤中生活的重要生物类群三、土壤水分1.土壤水分通常是以溶液的形式存在的。

黄土特性黄土或黄土状土是一种多孔隙、弱胶结的第四纪沉积物。

我国黄土分布广范,6.6%的国土面积被黄土覆盖,黄土主要分布在我国中西部地区,其中以西北地区的黄土地层最厚,最完整。

黄土具有颜色淡黄至褐黄、大孔隙、结构疏松、具直立节理(破坏时能保持直壁)、常含有盐类(主要为碳酸盐与硫酸盐)、成分均匀无层理和遇水具有湿陷性等显著特点。

3.1.1典型物理化学性质黄土的颗粒粒径大部分为0.25~以下,主要以粉粒(0.05~0.005~)为主,含量多大于50%,一般土颗粒粒径大小在0.002一200~之间。

黄土的粘粒部分(<0.005~)基本上由粘土矿物组成,如蒙脱石、高岭石、绿高岭石和水云母。

根据粘土矿物的含量百分比,可将黄土分为蒙脱石黄土、蒙脱石一高岭石黄土和蒙脱石一水云母黄土。

粘土矿物成分和比例在某种程度上体现着黄土的湿陷性,因为各种粘土矿物的亲水性不同。

如高岭石和水云母等能促使黄土湿陷的发生与发展,而蒙脱石、绿高岭石和水云母等具有特殊的膨胀性,可以阻止湿陷过程的发展。

黄土粉细砂粒部分(0.1一0.05~),其矿物同水不起作用,不影响湿陷过程。

在粗粒造岩矿物中,石英、长石和碳酸盐含量较大,对湿陷性无重大影响,而细散粘粒对湿陷过程起重大积极作用,因其具有大的比表面积,会使黄土膨胀、收缩或湿陷,具有不同的力学性质,如压缩、强度等。

粉粒在黄土颗粒组成中占绝对优势,而粒径为0.05~0.01~粗粉粒含量最大,一般在50%~60%范围,其浸水活动性也最强。

因此有人认为粉粒含量>70%者为重粉质黄土,50%一70%者为中粉质黄土,<50%者为轻粉质黄土。

随着浸水,其团粒破坏特征亦不同,所表现的湿陷性亦不同。

主要成分:黄土中轻矿物含量占矿物总含量的90%一%%,主要由石英、长石和云母等组成;黄土中的重矿物含量较少,含量在4%~10%之间;黄土的物理力学性质主要由粘土矿物(伊犁石)的多少来决定。

而一般土中的粘土与粗矿物成分所占的比例并无规律,或大或小。

(E, ν) 与(K, G)的转换关系‎如下：)21(3ν-=EK)1(2ν+=EG （7.2）当ν值接近‎0.5的时候不‎能盲目的使‎用公式3.5，因为计算的‎K 值将会非‎常的高，偏离实际值‎很多。

最好是确定‎好K 值(利用压缩试‎验或者P 波‎速度试验估‎计)，然后再用K ‎和ν来计算‎G 值。

表7.1和7.2分别给出‎了岩土体的‎一些典型弹‎性特性值。

岩石的弹性‎（实验室值）（Goodm a n,1980） 表7.1土的弹性特‎性值（实验室值）（Das,1980） 表7.2各向异性弹‎性特性——作为各向异‎性弹性体的‎特殊情况，横切各向同‎性弹性模型‎需要5中弹‎性常量：E 1, E 3, ν12,ν13和G 13；正交各向异‎性弹性模型‎有9个弹性‎模量E 1,E 2,E 3, ν12,ν13,ν23,G 12,G13和G 23。

这些常量的‎定义见理论‎篇。

均质的节理‎或是层状的‎岩石一般表‎现出横切各‎向同性弹性‎特性。

一些学者已‎经给出了用‎各向同性弹‎性特性参数‎、节理刚度和‎空间参数来‎表示的弹性‎常数的公式‎。

表3.7给出了各‎向异性岩石‎的一些典型‎的特性值。

流体弹性特‎性——用于地下水‎分析的模型‎涉及到不可‎压缩的土粒‎时用到水的‎体积模量K ‎f ，如果土粒是‎可压缩的，则要用到比‎奥模量M 。

纯净水在室‎温情况下的‎K f 值是2‎ Gpa 。

其取值依赖‎于分析的目‎的。

分析稳态流‎动或是求初‎始孔隙压力‎的分布状态‎（见理论篇第‎三章流体-固体相互作‎用分析），则尽量要用‎比较低的K ‎f ，不用折减。

这是由于对‎于大的Kf ‎流动时间步‎长很小，并且，力学收敛性‎也较差。

在FLAC ‎3D 中用到‎的流动时间‎步长,∆ tf 与孔隙 度n ，渗透系数k ‎以及Kf 有‎如下关系：'f f kK nt ∝∆ （7.3） 对于可变形‎流体（多数课本中‎都是将流体‎设定为不可‎压缩的）我们可以通‎过获得的固‎结系数来决‎νC 定改变Kf ‎的结果。

名词解释1. 基础：指墙、柱在地面下延伸扩大的部分，在地面+0.000以下也叫下部结构。

2. 地基：支撑基础的土体或岩土称为地基。

3. 持力层：埋置基础，直接支撑基础的土层。

4. 软弱下卧层：f f 软持软弱下卧层的强度远小于持力层的强度。

5. 浅基础：埋置深度不大，只需要经过挖槽、排水等普通施工程序就可以建造起来的基础叫做浅基础。

6. 深基础：需要借助于特殊的施工方法，施工机械建造的基础。

7. 桩基础：采用单桩或群桩的形式来承受和传递上部结构的荷载的基础叫桩基础。

8. 软弱地基：是指在持力层下，成层土地基受力层范围内，承载力显著低于持力层的高压缩性土层。

9. 地基处理：指为提高地基土的承载力，改善其变形性质或渗透性质而采取的人工方法。

10.复合地基：指天然地基和部分杂（素）填土地基在地基处理过程中部分土体得到增强或被置换，或在这些地基中设置加筋材料而形成增强体，有增强体于其周围地基土共同承担上部荷载并协调变形的人工地基。

11.土的三项指标：土的天然密度、土的含水量、土粒的相对密度。

12.土的物理性质指标：有九个物理性质指标，分别是土的天然密度、土的含水量w 、土粒相对密度s d 、土的干密度d ρ、土的饱和密度w ρ、土的有效密度（或浮密度）ρ′、土的孔隙比e （用小数表示）、土的孔隙率n 、土的饱和度r S （反映土潮湿程度的物理性质的指标）。

13.力学性质指标：土的力学性质有强度和变形。

力学性质指标有抗剪强度指标（强度）、压缩性指标（包括压缩性指标、压缩系数、压缩模量、变形模量）。

14.结合水：是指受电分子作用吸附于土粒表面成薄膜状的水，有强结合水和弱结合水两类。

15.渗透性：土孔隙中的自由水在重力作用下，只要有水头差，就会发生动。

水透过土孔隙流动的现象，称为渗流或渗透。

而水被水流透过的性质，称为土的渗流性。

16.临界水头梯度：当动力水D G 的数值等于土的浮重度γ'时，土体发生悬浮而随水流动，此时的水头梯度称为临界水头梯度，有cr i 表示。

一、名词解释1. 土力学：是研究土体在力的作用下的应力-应变或应力-应变-时间关系和强度的应用学科，是工程力学的一个分支。

为工程地质学研究土体中可能发生的地质作用提供定量研究的理论基础和方法。

主要用于土木、交通、水利等工程。

2.地基：地基是指建筑物下面支承基础的土体或岩体。

3.基础：是指建筑物地面以下的承重结构，如基坑、承台、框架柱、地梁等。

4.软弱下卧层：在持力层以下受力层范围内存在软土层，其承载力比持力层承载力小得多，该软土层称为软弱下卧层。

5. 土体：土体不是由单一而均匀的土组成的，而是由性质各异、厚薄不等的若干土层以特定的上下次序组合在一起。

因而土体不是简单的土层组合.而是与工程建筑的安全、经济和正常使用有关的土层组合体。

6.界限粒径：界限粒组的物理意义是划分粒组的分界尺寸7. 土的颗粒级配：又称（粒度）级配。

由不同粒度组成的散状物料中各级粒度所占的数量。

常以占总量的百分数来表示。

8.界限含水量：通常是指土的液限、塑限和缩限。

众所周知，液限和塑限是粘性土极为重要的指标，是粘性土工程分类的主要依据，和天然含水量一起，是估价土的工程特性的主要参数。

9. 土的灵敏度：是指原状土强度与扰动土强度之比ST=原状土强度/扰动土强度。

10.自重应力：是岩土体内由自身重量引起的应力。

11.基底压力：建筑物的荷载通过自身基础传给地基，在基础底面与地基之间便产生了荷载效应（接触应力）。

12.基底附加压力：是指建筑物建造后，基底接触压力与基底处土自重应力之差，一般将其作为作用于弹性半空间表面上的局部荷载，并根据弹性理论来求算地基中的附加应力。

13.地基附加应力：是指荷载在地基内引起的应力增量。

14. 土的压缩性：是指土受压时体积压缩变小的性质。

15. 土的固结：是指松散沉积物转变为固结岩石的过程。

16.压缩系数：是描述物体压缩性大小的物理量。

17.压缩模量Es：是指在侧限条件下受压时压应力6与相应应变qz之比值。

第三节成土因素和土壤形成过程以上我们讨论了土壤的三相物质四种成分及其土壤的主要物理化学性质。

不同的土壤具有不同的物质组成和性质，土壤的肥力状况也不同。

那么土壤是怎样形成的呢？这是自然地理学要搞清楚的问题之一。

一、土壤形成因素（一）土壤形成因素学说1.道库恰耶土壤形成因素学说土壤形成因素学说是十九世纪末，由俄国著名的土壤学家B.B.道库恰耶夫建立起来的。

道库恰耶夫土壤形成因素学说的基本观点有以下四点：①土壤是成土因素综合作用的产物他认为土壤是在各种成土因素综合作用下形成的，离开某一成土因素都不能形成土壤，并提出了如下土壤形成数学函数式。

S=(CL,O,R,P,T)S：土壤，CL：气候，O：生物，R：岩石，P：地形，T：时间道库恰耶夫认为土壤形成因素包括气候、生物、母质和时间四种因素，它们各自对土壤形成都有一定的作用。

不过只有某一种因素形不成土壤，是在这四种因素作用下形成的。

②成土因素的同等重要性和相互不可代替性关于这一点，他举例说：“我们假定，如果医生提出水、空气、和食物对人的机体那个比较重要，那么这个问题是空洞而用无的。

因为缺乏任何一个，生物都不能单独生存，提出这样的问题是无益的。

提出土壤形成因素中哪一个因素起着最重要的作用，同样也是无益的。

”③成土因素的发展变化制约着土壤的形成和演化世界上的一切事物都在不停地运动，成土因素也是如此，它们也处于无休止的变化过程当中。

前面已经说过，土壤是各种成土因素综合作用的结果。

它们与土壤之间的关系是函数关系，若成土因素发生了变化，土壤本身也必然跟着发生相应的变化，所以成土因素的发展变化制约着土壤的形成和演化。

④成土因素是有地理分布规律的道库恰耶夫在多年研究俄罗斯黑钙土的基础上，1883年发表了他的经典著作——《俄国黑钙土》。

在这本书中他第一次阐明了土壤的地带性分布规律，同时他指出，这是由于成土因素有地带性分布规律的结果。

虽然现在看起来，各种自然事物的地带性规律已为众所周知的事实。

《土力学》电子教案第1章土的物理性质及工程分类1.1 土的形成岩土体是地壳的物质组成。

岩体是地壳表层圈层，经建造和改造而形成的具一定组分和结构的地质体。

它赋存于一定的地质环境之中，并随着地质环境的演化和地质作用的持续，仍在不断的变化着。

土体是岩石风化的产物，是一种松散的颗粒堆积物。

由于岩土材料组成的复杂性，其性质在许多方面不同于其它材料，具有其特有的多变性及复杂性。

以下就岩土的特性分别简述之。

1.2 土的组成1.1.1 土的结构与特性土是一种松散的颗粒堆积物。

它是由固体颗粒、液体和气体三部份组成。

土的固体颗粒一般由矿物质组成，有时含有胶结物和有机物，这一部分构成土的骨架。

土的液体部分是指水和溶解于水中的矿物质。

空气和其它气体构成土的气体部分。

土骨架间的孔隙相互连通，被液体和气体充满。

土的三相组成决定了土的物理力学性质。

1）土的固体颗粒土骨架对土的物理力学性质起决定性的作用。

分析研究土的状态，就要研究固体颗粒的状态指标，即粒径的大小及其级配、固体颗粒的矿物成分、固体颗粒的形状。

（1）固体颗粒的大小与粒径级配土中固体颗粒的大小及其含量，决定了土的物理力学性质。

颗粒的大小通常用粒径表示。

实际工程中常按粒径大小分组，粒径在某一范围之内的分为一组，称为粒组。

粒组不同其性质也不同。

常用的粒组有：砾石粒、砂粒、粉粒、粘粒、胶粒。

以砾石和砂粒为主要组成成分的土称为粗粒土。

以粉粒、粘粒和胶粒为主的土，称为细粒土。

土的工程分类见本章第三节。

各粒组的具体划分和粒径范围见表1-1。

土中各粒组的相对含量称土的粒径级配。

土粒含量的具体含义是指一个粒组中的土粒质量与干土总质量之比，一般用百分比表示。

土的粒径级配直接影响土的性质，如土的密实度、土的透水性、土的强度、土的压缩性等。

要确定各粒组的相对含量，需要将各粒组分离开，再分别称重。

这就是工程中常用的颗粒分析方法，实验室常用的有筛分法和密度计法。

筛分法适用粒径大于0.075mm的土。