土的物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)構(gòu)造

節(jié)土的形成與物質(zhì)組成一、土的形成

“土”一詞在不同的學(xué)科領(lǐng)域有其不同的涵義。就土木工程領(lǐng)域而言，土是指覆蓋在地表的沒有膠結(jié)或弱膠結(jié)的顆粒堆積物。土與巖石的區(qū)分僅在于顆粒間膠結(jié)的強(qiáng)弱。

物理風(fēng)化——指巖石經(jīng)受風(fēng)、霜、雨、雪的侵蝕，溫度、濕度的變化、不均勻膨脹與收縮，使巖石產(chǎn)生裂隙，崩解為碎塊。這種風(fēng)化僅改變顆粒大小與形狀，不改變原來礦物成分。生成的土呈松散狀態(tài)，無粘性土?；瘜W(xué)風(fēng)化——指巖石碎屑與空氣、水和各種水溶液相接觸，經(jīng)氧化、碳化和水化作用，改變原來礦物成分，形成新的礦物（次生礦物）。生成的土為細(xì)粒土，粘性土。生物風(fēng)化——由動(dòng)物、植物和人類對巖體的破壞。

章土的物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)構(gòu)造1土的物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)構(gòu)造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!巖石物理風(fēng)化化學(xué)風(fēng)化土原生礦物次生礦物顆粒通常是由一種或幾種原生礦物所組成，它的成分與母巖的相同，顆粒一般較粗，吸附水的能力弱，性質(zhì)比較穩(wěn)，無塑性?；瘜W(xué)風(fēng)化僅使巖石產(chǎn)生質(zhì)的變化物理風(fēng)化僅使巖石產(chǎn)生量的變化原生礦物經(jīng)化學(xué)風(fēng)化生成的新礦物，它的成分與母巖的完全不同。顆粒極細(xì)，性質(zhì)活潑，有較強(qiáng)的吸附水能力，具塑性。土粒的粒徑由粗到細(xì)逐漸變化時(shí)，土的性質(zhì)相應(yīng)地發(fā)生變化土粒的大小及其組成粘土顆粒性質(zhì)2土的物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)構(gòu)造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁!3土的物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)構(gòu)造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁!二、土的物質(zhì)組成4土的物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)構(gòu)造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁!5土的物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)構(gòu)造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁!二級配曲線

據(jù)顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果，繪制土的粒徑級配曲線。用半對數(shù)坐標(biāo)繪制。縱坐標(biāo)表示小于某粒徑的土重占總土重的百分?jǐn)?shù)，橫坐標(biāo)用對數(shù)坐標(biāo)表示土的粒徑。6土的物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)構(gòu)造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!

●不均勻系數(shù)Cｕ反映大小不同粒組的分布情況。Cｕ越大表示土粒大小的分布范圍越大、其級配越良好，作為填方工程的土料時(shí)，則比較容易獲得較大的密實(shí)度?！袂氏禂?shù)Cc描寫累積曲線的分布范圍，反映曲線的整體形狀。曲線平緩，粒徑大小相差懸殊，土粒不均勻。顆粒級配可以在一定程度上反映土的某些性質(zhì)。

對于級配良好（Cｕ>5，且Cc=1-3)的土，較粗顆粒間的孔隙被較細(xì)的顆粒所填充，因而土的密實(shí)度較好，相應(yīng)的地基土的強(qiáng)度和穩(wěn)定性也較好．透水性和壓縮性也較小，可用作堤壩或其它土建工程的填方土料。7土的物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)構(gòu)造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!原生礦物的主要特點(diǎn)是：

顆粒粗大，物理、化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，抗水性和抗風(fēng)化能力較強(qiáng)，親水性弱或較弱。它們對土的工程性質(zhì)的影響比其它幾種礦物要小得多，主要差別表現(xiàn)在顆粒形狀、堅(jiān)硬程度和抗風(fēng)化穩(wěn)定性等幾方面。

例如，分別由石英和云母類礦物組成的土，盡管土的粒度成分和密實(shí)度相同。但由于石英的堅(jiān)硬程度、抗風(fēng)化能力遠(yuǎn)大于云母，故主要由石英顆粒組成的土，其強(qiáng)度將遠(yuǎn)大于由云母顆粒組成（或含云母較多）的土，其變形相應(yīng)也小得多。8土的物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)構(gòu)造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!（1）游離氧化物這是由三價(jià)的Fe、Al，二價(jià)的Si和O、OH、H2O等組成的礦物，如針鐵礦（Fe2O3·H2O）、褐鐵礦（Fe2O3·3H2O）、三水鋁石（Al2O3·2H2O）、二氧化硅（SiO2·nH2O）等。

（2）粘土礦物粘土礦物是原生礦物長石、云母等硅酸鹽礦物經(jīng)化學(xué)風(fēng)化形成的，硅酸鹽礦物由兩部分構(gòu)成，即硅氧四面體和鋁氫氧八面體。9土的物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)構(gòu)造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!鋁氫氧八面體：

由六個(gè)氫氧離子圍繞一個(gè)鋁離子構(gòu)成的八面體晶片（圖2-3a）。由八面體組合的網(wǎng)片中每個(gè)氫氧離子均為三個(gè)相鄰的八面體共有，許多八面體以這種方式連結(jié)在一起，形成八面體單位的片狀結(jié)構(gòu)（圖2-3b）。鋁為正三價(jià)，氫氧為負(fù)一價(jià)，每個(gè)八面體只能以兩個(gè)負(fù)電荷抵消鋁離子的兩個(gè)正電荷，還剩下一個(gè)正電荷，故每個(gè)八面體都是正一價(jià)的。10土的物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)構(gòu)造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁!

硅氧四面體和鋁氫氧八面體這兩種基本單元以不同的比例組合，就形成了不同類型的粘土礦物。

土中常見的粘土礦物有高嶺石、伊利石、蒙脫石三大類。11土的物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)構(gòu)造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!高嶺石的微結(jié)構(gòu)形貌特征12土的物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)構(gòu)造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁!這種連結(jié)既弱也不穩(wěn)固，水分子很容易楔入其間，以致將其分散為極細(xì)小的鱗片狀顆粒，并使晶格沿垂直方向膨脹。故含蒙脫石礦物較多的土對環(huán)境的干濕變化比較敏感：土體濕度增高時(shí)，體積膨脹并形成膨脹壓力；土體失水時(shí)，體積收縮并產(chǎn)生收縮裂隙。而且這種脹縮變形可隨環(huán)境變化往復(fù)發(fā)生，導(dǎo)致土的強(qiáng)度衰減。13土的物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)構(gòu)造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!c.伊利石：伊利石是含鉀量高的原生礦物經(jīng)化學(xué)風(fēng)化的初期產(chǎn)物，其晶格構(gòu)造與蒙脫石相似，也是兩片硅氧四面體夾鋁氧八面體構(gòu)成，不同的是四面體中Si4+被Al3+所替代，由K+離子補(bǔ)償晶層正電荷的不足。伊利石相鄰晶胞間由鉀離子連結(jié)，這種連結(jié)較之高嶺石層間的氫鍵連結(jié)為弱，但比蒙脫石層間的水分子連結(jié)要強(qiáng)，所以它形成的片狀顆粒大小處于蒙脫石和高嶺石之間，其工程性質(zhì)也介于兩者之間。14土的物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)構(gòu)造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!（三）有機(jī)質(zhì)工程上俗稱的軟土（包括淤泥和淤泥質(zhì)土）及泥炭土中富含有機(jī)質(zhì)。

土中的有機(jī)質(zhì)是動(dòng)、植物殘骸和微生物以及它們的各種分解和合成產(chǎn)物。通常把分解不完全的動(dòng)、植物殘骸稱為泥炭，其主要成分是纖維素；把分解完全的動(dòng)、植物殘骸稱為腐殖質(zhì)。有機(jī)質(zhì)對土的工程性質(zhì)的影響主要取決于其齡期、分解程度，即取決于有機(jī)質(zhì)的數(shù)量及性質(zhì)。

從工程觀點(diǎn)看，有機(jī)質(zhì)（特別是分解完全的腐殖質(zhì)）會(huì)導(dǎo)致土的塑性增強(qiáng)，壓縮性增高，滲透性減小，強(qiáng)度降低。

一般地，土中有機(jī)質(zhì)含量超過1%時(shí)，采用堆載預(yù)壓和水泥土攪拌進(jìn)行處理不會(huì)取得明顯改良效果。

15土的物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)構(gòu)造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁!16土的物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)構(gòu)造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁!2.自由水(非結(jié)合水)

在雙電層影響以外的水為自由液態(tài)水，它主要受重力作用的控制，土粒表面吸引力居次要地位，這部分水稱為非結(jié)合水，它包括毛細(xì)水和重力水。(1)毛細(xì)水

毛細(xì)水是受到水與空氣交界面處表面張力作用的自由水。毛管現(xiàn)象是毛細(xì)管壁對水的吸力和水的表面張力共同作用的結(jié)果。(2)重力水

重力水是存在于地下水位以下的透水土層中的地下水。它是在重力或壓力差作用下運(yùn)動(dòng)的自由水，對土粒有浮力作用。重力水只受重力控制，不受土粒表面吸引力的影響。17土的物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)構(gòu)造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁!第四節(jié)

土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造一土的結(jié)構(gòu)1.定義：

指土顆粒的大小、形狀、表面特征，相互排列及其聯(lián)結(jié)關(guān)系的綜合特征。2.分類：單粒結(jié)構(gòu)砂層，礫石層土的結(jié)構(gòu)蜂窩結(jié)構(gòu)粉粒絮狀結(jié)構(gòu)粘粒

18土的物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)構(gòu)造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁!第二節(jié)土的粒度成分一土的顆粒級配

1.土顆粒的大小直接決定土的性質(zhì).

2.粒徑——顆粒直徑大小.

3.界限粒徑——?jiǎng)澐至＝M的分界尺寸。

4.粒組——將粒徑大小接近、礦物成分和性質(zhì)相似的土粒歸并為一個(gè)組別即稱為粒組?？蓜澐郑?002020.050.005mm漂石卵石礫石砂粒粉粒粘粒

19土的物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)構(gòu)造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁!5.顆粒級配——土粒的大小及組成情況，通常以土中各個(gè)粒組的相對含量來表示，稱為土的顆粒級配?！窦壟涞臏y試方法：—篩析法（>0.075mm),比重計(jì)法(<0.075mm)20土的物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)構(gòu)造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁!①不均勻系數(shù)定義為（Cu）

②曲率系數(shù)定義為（Cc）

式中：d60—限定粒徑。當(dāng)小于某粒徑的土粒質(zhì)量累計(jì)百分?jǐn)?shù)為60%時(shí)，相應(yīng)的粒徑稱為d60。d10—有效粒徑。當(dāng)小于某粒徑的土粒質(zhì)量累計(jì)百分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，相應(yīng)的粒徑稱為d10。d30—當(dāng)小于某粒徑的土粒質(zhì)量累計(jì)百分?jǐn)?shù)為30%時(shí)的粒徑用d30表示。21土的物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)構(gòu)造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁!第三節(jié)土的礦物成分和化學(xué)成分一土的礦物成分

土中的固體顆粒是由礦物構(gòu)成的。按其成因和成分可分為原生礦物、次生礦物、有機(jī)質(zhì)等。（一）原生礦物

土中的原生礦物是巖石風(fēng)化過程中的產(chǎn)物，保持了母巖的礦物成分和晶體結(jié)構(gòu)，常見的如石英、長石、角閃石、云母等。這些礦物是組成土中卵石、礫石、砂粒和某些粉粒的主要成分。22土的物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)構(gòu)造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁!（二）次生礦物

母巖風(fēng)化后及在風(fēng)化搬運(yùn)過程中，如果原來的礦物因氧化、水化及水解、溶解等化學(xué)風(fēng)化作用而進(jìn)一步分解，就會(huì)形成一種新礦物，這就是次生礦物，其顆粒比原生礦物細(xì)小得多。自然界土體中常見次生礦物又分為兩種類型:可溶性次生礦物,通常以離子狀態(tài)存在于土的孔隙溶液中。陽離子有K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe2+等，陰離子有C1-、SO42+、HCO3-、S2-等。

不可溶性次生礦物,包括游離氧化物和粘土礦物。

23土的物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)構(gòu)造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁!硅氧四面體：

由一個(gè)硅原子和四個(gè)氧原子以相等距離堆成四面體形狀，硅居其中央，氧占據(jù)四個(gè)頂點(diǎn)（圖2-2a）。四面體中的三個(gè)氧被共用，橫向連結(jié)成六角形的網(wǎng)格（圖2-2b）。四面體的底在一個(gè)平面上，所有尖端指向同一方向。每個(gè)硅原子有四個(gè)正電荷，每個(gè)氧原子有兩個(gè)負(fù)電荷，這樣四面體排列成的六角網(wǎng)格片狀結(jié)構(gòu)中，每個(gè)硅氧四面體都具有一個(gè)負(fù)電荷。24土的物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)構(gòu)造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第24頁!25土的物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)構(gòu)造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第25頁!a.高嶺石：一層硅氧四面體晶片和一層鋁氧八面體晶片結(jié)合，形成一個(gè)單位晶胞，如圖1-2b。由于每個(gè)硅氧四面體具有一個(gè)負(fù)電荷，每個(gè)鋁氧八面體帶有一個(gè)正電荷，使兩者以離子鍵（氫鍵）形成牢固連結(jié)，形成一個(gè)單位晶胞。高嶺石的構(gòu)造就是這種晶胞在水平面上無限延伸，沿垂直方向相互重疊而成。高嶺石晶胞間具有較強(qiáng)的氫鍵連結(jié)，水較難滲入其間，其顆粒一般較粗，親水性弱，因而主要由這類礦物組成的土，膨脹性和壓縮性都較低。26土的物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)構(gòu)造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第26頁!b.蒙脫石：

蒙脫石單位晶胞的上下面均為硅氧四面體晶片，中間夾一個(gè)鋁氧八面體晶片，如圖1-2a。蒙脫石的構(gòu)造就是許多上述晶胞在水平面上延伸，并順著垂直方向一層層疊置而成的。由于晶胞兩邊都為帶負(fù)電荷的硅氧四面體，相鄰晶胞間由相同的氧原子相接。27土的物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)構(gòu)造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第27頁!蒙脫石的微結(jié)構(gòu)形貌特征28土的物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)構(gòu)造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第28頁!伊利石的微結(jié)構(gòu)形貌特征29土的物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)構(gòu)造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第29頁!第三節(jié)土中的水和氣體一土中的水

土中水處于不同位置和溫度條件下，可具有不同的物理狀態(tài)——固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)。

液態(tài)水是土中孔隙水的主要存在狀態(tài)，因其受土粒表面雙電層影響程度的不同可分為結(jié)合水、毛細(xì)水、重力水。后兩者也稱為非結(jié)合水（自由水）。30土的物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)構(gòu)造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第30頁!1．結(jié)合水

土顆粒表面帶有一定的電荷，當(dāng)土粒與水相接觸時(shí)，由于靜電作用力，將吸引水化離子和水分子，形成雙電層，在雙電層影響下的水膜稱為表面結(jié)合水。雙電層的厚薄也反映了結(jié)合水的厚薄，結(jié)合水具有與一般自由水不同的性質(zhì)，其密度較大、粘滯度高、流動(dòng)性差、冰點(diǎn)低、比熱較大、介電常數(shù)較低。這種差異隨距離增加而減弱。

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