第二章 土的物質(zhì)組成及土水相互作用

第二章土的物質(zhì)組成及土水相互作用第一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五物理風化:指由于溫度變化、水的凍脹、波浪沖擊、地震等引起的物理力使巖體崩解、碎裂成巖塊、巖屑的過程。物理風化僅使巖石產(chǎn)生量的變化。化學風化:指巖體(或巖塊、巖屑)與空氣、水和各種水溶液相接觸，經(jīng)氧化、碳化和水化作用分解為極細顆粒的過程，生物的活動也可助長風化的進程。而化學風化卻使巖石產(chǎn)生質(zhì)的變化。

第二頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五土是由固相、液相、氣相組成的三相分散系。固相:包括多種礦物成分組成土的骨架，骨架間的空隙為液相和氣相填滿，這些空隙是相互連通的，形成多孔介質(zhì)。液相:主要是水(溶解有少量的可溶鹽類)。氣相:主要是空氣、水蒸氣，有時還有沼氣等第三頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五原生礦物由巖石經(jīng)物理風化生成的顆粒通常是由一種或幾種原生礦物所組成，它的成分成分與母巖的相同，常見的有石英、長石相云母。顆粒一般較粗，多呈渾圓形、塊狀或板狀。吸附水的能力弱，性質(zhì)比較穩(wěn)，無塑性。一、土的固相土是巖石風化的產(chǎn)物。因此土粒的礦物組成將取決于成土母巖的礦物組成及其后的風化作用。成土礦物主要可分為兩大類。第四頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五次生礦物由原生礦物經(jīng)化學風化生成的新礦物，它的成分成分與母巖的完全不同。次生礦物主要是粘土礦物，即高嶺石、伊利石和蒙脫石。顆粒極細，且多呈片狀。性質(zhì)活潑，有較強的吸附水能力（尤其是由蒙脫石組成的顆粒），具塑性。水溶鹽:可溶性次生礦物。最常見的有巖鹽、鉀鹽、石膏、方解石，硫酸鹽類還對金屬和混凝土有一定的腐蝕作用有機質(zhì):動植物分解后的殘骸，分解徹底的稱為腐殖質(zhì)。腐殖質(zhì)的顆粒極細，粒徑小于0.1m，呈凝膠狀，帶有電荷，具有極強的吸附性。第五頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五黏土礦物

黏土礦物：原生礦物長石、云母等硅酸鹽礦物經(jīng)化學風化形成。硅酸鹽礦物：硅氧四面體和鋁氫氧八面體兩部分構(gòu)成。第六頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五硅氧四面體：一個硅原子和四個氧原子以相等距離堆成四面體形狀，硅居其中央，氧占據(jù)四個頂點，四面體中的三個氧被共用，橫向聯(lián)結(jié)成六角形的網(wǎng)格。每個硅原子有四個正電荷，每個氧原子有兩個負電荷，四面體排列成的六角網(wǎng)格片狀結(jié)構(gòu)中，每個硅氧四面體都具有一個負電荷。第七頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五鋁氫氧八面體：六個氫氧離子圍繞一個鋁離子構(gòu)成的八面體晶片。八面體中每個氫氧離子均為三個八面體共有，形成八面體單位的片狀結(jié)構(gòu)仁。鋁為正三價，氫氧為負一價，每個八面體只能以兩個負電荷抵消鋁離子的一個正電荷，故每個八面體都是正一價。第八頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五

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，形成不同類型的黏土礦物。土中常見的黏土礦物有高嶺石、伊利石和蒙脫石三大類。第九頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五高嶺石：一層硅氧四面體晶片和一層鋁氧八面體晶片結(jié)合，形成一個單位晶胞。高嶺石晶胞間具有較強的氫鍵聯(lián)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。第十頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五蒙脫石：蒙脫石單位晶胞的上下面均為硅氧四面體晶片，中間夾一個鋁氧八面體晶片。相鄰晶胞間由相同的氧原子相接，這種聯(lián)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小的鱗片狀顆粒，并使晶格沿垂直方向膨脹。

含蒙脫石礦物較多的土對環(huán)境的干濕變化較敏感；土體濕度增高，體積膨脹并形成膨脹壓力；土體失水，體積收縮并產(chǎn)生收縮裂隙，而且這種脹縮變形可隨環(huán)境變化往復發(fā)生，導致土的強度衰減。第十一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五伊利石：含鉀量高的原生礦物經(jīng)化學風化的初期產(chǎn)物，其晶格構(gòu)造與蒙脫石相似，也是由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＋離子補償晶層正電荷的不足。

伊利石相鄰晶胞間由鉀離子聯(lián)結(jié)，這種聯(lián)結(jié)較之高嶺石層間的氫鍵聯(lián)結(jié)為弱，但比蒙脫石層間的水分子聯(lián)結(jié)要強，所以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。第十二頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五粘土礦物高嶺第十三頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五第十四頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五第十五頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五土的顆粒級配

土是由大小不同的土粒組成的。土粒的粒徑由粗到細逐漸變化時，土的性質(zhì)相應地發(fā)生變化。例如土的性質(zhì)隨著粒徑的變細可由無粘性變化到有粘性。

界限粒徑:劃分粒組的分界尺寸。土的顆粒級配:土中各個粒組的相對含量(各粒組占土粒總重的百分數(shù))。顆粒級配累積曲線:顆粒大小分析試驗成果，由其橫坐標（對數(shù)坐標）表示粒徑?？v坐標則表示用小于(或大于)某粒徑的土重含量(或稱累計百分含量)。第十六頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五

土粒質(zhì)量累計百分數(shù)為10%時，相應的粒徑稱為有效粒徑d10。小于某粒徑的土粒質(zhì)量累計百分數(shù)為30%時的粒徑用d30表示。當小于某粒徑的土粒質(zhì)量累計百分數(shù)為60%時，該粒徑稱為限定粒徑d60。利用顆粒級配累積曲線可以確定土粒的級配指標，如不均勻系數(shù)Cu

和曲率系數(shù)Cc。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，則比較容易獲得較大的密實度。曲率系數(shù)Cc描寫累積曲線的分布范圍，反映曲線的整體形狀。第十七頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五

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)。對于級配良好的土，較粗顆粒間的孔隙被較細的顆粒所填充，因而土的密實度較好，相應的地基土的強度和穩(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。顆粒級配累計曲線級配良好？第十八頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五

土的粒度成分，通常以土中各粒組的質(zhì)量百分率來表示，通過對土進行粒度分析，分離出土中各個粒組，分別稱取質(zhì)量，然后計算出各粒組的質(zhì)量占該土總質(zhì)量的百分數(shù)。不同類型的土，采用不同的分析方法。粗粒土采用篩析法，細粒土采用靜水沉降分析法。粒度成分的測定方法第十九頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五篩析法

對于粒徑大于0.075mm的粗粒土，可用篩析法測定粒度成分。試驗時將風干、分散的代表性土樣通過一套孔徑不等的標準篩（20、2、0.5、0.25、0.1、0.075mm），稱出留在各個篩子上的土的質(zhì)量，即可求出各個粗粒組在土樣中的相對含量。第二十頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五靜水沉降分析法

粒徑小于0.075mm的粉?；蛘沉，F(xiàn)有技術(shù)難以篩分，一般可根據(jù)土粒在水中勻速下沉時的速度與粒徑的理論關系，用比重計法或移液管法測定。第二十一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五二、土的液相

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、毛細水、重力水。后兩者也稱為非結(jié)合水(自由水)。水的類型主要作用力結(jié)合水物理化學力非結(jié)合水毛細水表面張力和重力重力水重力第二十二頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五結(jié)合水非結(jié)合水強結(jié)合水(吸著水)液態(tài)水

重力水(自由水)氣態(tài)水(水蒸氣)土孔隙中的水毛細水(過渡型水)弱結(jié)合水(薄膜水)固態(tài)水(冰)土中的水第二十三頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五1.結(jié)合水

土顆粒表面帶有一定的電荷，當土粒與水相接觸時，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、流動性差、冰點低、比熱較大、介電常數(shù)較低，這種差異隨距離增加而減弱。結(jié)合水又可分為強結(jié)合水和弱結(jié)合水。2.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，它包括毛細水和重力水。第二十四頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五(1)毛細水毛細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)象是毛細管壁對水的吸力和水的表面張力共同作用的結(jié)果。毛細水是受毛細管作用控制的水，可以把土的孔隙看作是連續(xù)變截面的毛細管，毛細管放在水中，管中的水位會上升到自由水位以上的一定高度，毛管直徑愈細上升高度愈高。在常溫下毛細上升高度hc與毛管半徑r有以下關系：

當r=0.1m時，hc=150mm，這與砂土(粒徑為0.5~lmm)中的情況大致相當。粘土的孔隙直徑約為0.1m，按上式計算毛細上升高度將達150m？

第二十五頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五(2)重力水重力水是存在于地下水位以下的適水土層中的地下水。它是在重力或壓力差作用下運動的自由水，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。(3)固態(tài)水固態(tài)水即冰，溫度降到0℃以下時，孔隙中的水會凝結(jié)成冰。水結(jié)冰后體積膨脹，同時由于水分遷移和補給，在土層中會形成冰層或透鏡體。固態(tài)水在土中起著暫時的膠結(jié)作用，提高土的力學強度，降低透水性。但溫度升高后，冰層解凍為液態(tài)水，使土的強度急劇降低，壓縮性增大，土的性質(zhì)顯著惡化，如處于地下水以上的某些公路路面在開春后的翻漿現(xiàn)象就是一例。第二十六頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五三、土的氣相

土中的氣體主要是空氣和水氣。土中氣體按其所處的狀態(tài)和結(jié)構(gòu)特點可分以下幾種類型：吸附于土顆粒表面的氣體、溶解于水中的氣體、四周為顆粒和水所封閉的氣體以及自由氣體。通常認為自由氣體與大氣連通，對土的性質(zhì)無大影響；密閉氣體的體積與壓力有關，壓力增加，則體積縮小，壓力減小，則體積脹大。因此，密閉氣體的存在增加了土的彈性，同時還可阻塞土中的滲流通道，減小上的滲透性。第二十七頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五

粘粒表面帶有一定量負電荷，并緊密地吸附在固相表面上，形成固定層(吸附層)。由于靜電引力的作用，在水溶液中將吸引水中的陽離子到土粒表面來。另一方面，陽離子又受到熱運動的擴散作用，要離開土粒表面。因而陽離子的分布是不均勻的，愈靠近表面，靜電作用力愈大、吸引力愈強，陽離子濃庫也愈大；隨著離土粒表面距離的增加，靜電引力也降低，陽離子濃度也逐漸下降，直至孔隙中水溶液的濃度正常為止這個層稱為反離子層。而陰離子濃度與之相反。土粒表面帶負電荷的固定層(吸附層)與受土粒表面影響的陽離子層(反離子層)合稱為雙電層。雙電層理論第二十八頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五Diffusedoublelayer（雙電層）(FigurebyMuniBudhu,2000)影響雙電層的因素:土粒表面的電位、大小、土粒大小、礦物成分類型等。第二十九頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五二、土的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造土的結(jié)構(gòu):指土顆?；蚣象w的大小和形狀、表面特征、排列形式以及它們之間的連接特征(微觀結(jié)構(gòu))。土的構(gòu)造:指土層的層理、裂隙和大孔隙等宏觀特征亦稱宏觀結(jié)構(gòu)。

土的結(jié)構(gòu)對土的工程性質(zhì)影響很大，特別是粘性土，如某些靈敏性鉆土在原狀結(jié)構(gòu)時具有一定的強度，當結(jié)構(gòu)擾動或重塑時，強度就降低很多，甚至不能再成型。第三十頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五土的常見結(jié)構(gòu)類型單粒結(jié)構(gòu)：組成砂、礫等粗粒土的基本結(jié)構(gòu)類型，顆粒較粗大，比表面積小，顆粒之間是點接觸，幾乎沒有連結(jié)，粒間相互作用的影響較之重力作用的影響可忽略不計，是重力場作用下堆積而成的。單粒結(jié)構(gòu)土的工程性質(zhì)，除與密實程度有關外，還與顆粒大小、級配、土粒的表面形狀及礦物成分類型有關。

第三十一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五土的常見結(jié)構(gòu)類型片架結(jié)構(gòu)：粘粒在絮凝狀態(tài)下形成的，亦稱絮凝結(jié)構(gòu)。其特點是粘土片以邊－面或邊－邊連結(jié)為主，顆粒呈隨機排列，性質(zhì)較均勻，但孔隙較大．對擾動比較敏感。具有觸變性的土多后于此類結(jié)構(gòu)。片堆結(jié)構(gòu)：粘粒是在分散狀態(tài)下沉積而形成的，亦稱分散結(jié)構(gòu)。其特點是以面－面連結(jié)為主，粘土片呈定向排列，密度較大，具有明顯的各向異性的力學性質(zhì)。第三十二頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五

某些飽和粘土在動力荷載作用下，土的結(jié)構(gòu)受到破壞，會失去強度呈溶膠狀，在外力停止作用