第2章 土的物质组成及土水相互作用

1、Nanjing University of Technology “土土” 是自然界中性质最为复杂多变的物质。土的物质成分起源于 岩石的风化（物理风化和化学风化）。地壳表层的坚硬岩石，在长期的 风化、剥蚀等外力作用下，破碎成大小不等的矿物颗粒，这些颗粒在各 种形式的外力作用下，被搬运到适当环境里沉积下来，就形成了土。 “土土”一词在不同的学科领域有其不同的涵义。就土木工程领域而 言，土是指覆盖在地表的没有胶结和弱胶结的颗粒堆积物。土与岩石的 区分仅在于颗粒间胶结的强弱。 Nanjing University of Technology 物理风化物理风化:指由于温度变化、水的冻胀、波浪冲击、地震

2、等引起的物理 力使岩体崩解、碎裂成岩块、岩屑的过程。物理风化仅使岩 石产生量的变化量的变化。 化学风化化学风化:指岩体(或岩块、岩屑)与空气、水和各种水溶液相接触，经氧 化、碳化和水化作用分解为极细颗粒的过程，生物的活动也 可 助长风化的进程。而化学风化却使岩石产生质的变化质的变化。 Nanjing University of Technology 土是由固相固相、液相液相、气相气相组成的三相分散系。 固相固相:包括多种矿物成分组成土的骨架，骨架间的空隙为液相和气相填满， 这些空隙是相互连通的，形成多孔介质。 液相液相: :主要是水(溶解有少量的可溶盐类)。 气相气相: :主要是空气、水蒸气，

3、有时还有沼气等 Nanjing University of Technology 原生矿物原生矿物 由岩石经物理风化生成的颗粒通常是由一种或几种原生矿物所组成， 它的成分成分与母岩的相同，常见的有石英、长石相云母。 颗粒一般较粗，多呈浑圆形、块状或板状。 吸附水的能力弱，性质比较稳，无塑性。 一、土的固相一、土的固相 土是岩石风化的产物。因此土粒的矿物组成将取决于成土母岩的矿 物组成及其后的风化作用。成土矿物主要可分为两大类。 Nanjing University of Technology 次生矿物次生矿物 由原生矿物经化学风化生成的新矿物，它的成分成分与母岩的完全不 同。次生矿物主要是粘土

4、矿物，即高岭石、伊利石和蒙脱石。 颗粒极细，且多呈片状。 性质活泼，有较强的吸附水能力（尤其是由蒙脱石组成的颗粒），具 塑性。 水溶盐:可溶性次生矿物。最常见的有岩盐、钾盐、石膏、方解石，硫 酸盐类还对金属和混凝土有一定的腐蚀作用 有机质:动植物分解后的残骸，分解彻底的称为腐殖质。腐殖质的颗粒 极细，粒径小于0.1m，呈凝胶状，带有电荷，具有极强的吸附性。 Nanjing University of Technology 黏土矿物 黏土矿物黏土矿物：原生矿物长石原生矿物长石、云母云母等硅酸盐矿物经化学 风化形成。 硅酸盐矿物硅酸盐矿物：硅氧四面体硅氧四面体和铝氢氧八面体铝氢氧八面体两部分构成。

5、 Nanjing University of Technology 硅氧四面体硅氧四面体：一个硅原子硅原子和四个氧原子四个氧原子以相等距离堆成四面体形状，硅 居其中央，氧占据四个顶点，四面体中的三个氧被共用，横向联结成六角形的 网格。 每个硅原子有四个正电荷四个正电荷，每个氧原子有两个负电荷两个负电荷，四面体排列成的 六角网格片状结构中，每个硅氧四面体都具有一个负电荷一个负电荷。 Nanjing University of Technology 铝氢氧八面体铝氢氧八面体：六个氢氧离子氢氧离子围绕一个铝离子铝离子构成的八面体晶片。八 面体中每个氢氧离子均为三个八面体共有，形成八面体单位的片状结构

6、。铝为 正三价正三价，氢氧为负一价负一价，每个八面体只能以两个负电荷抵消铝离子的一个正电 荷，故每个八面体都是正一价正一价。 Nanjing University of Technology 硅氧四面体硅氧四面体和铝氢氧八面体铝氢氧八面体这两种基本单元以不同的比例组合不同的比例组合， 形成不同类型的黏土矿物黏土矿物。 土中常见的黏土矿物有高岭石高岭石、伊利石伊利石和蒙脱石蒙脱石三大类。 Nanjing University of Technology 高岭石：高岭石：一层硅氧四面体晶片一层硅氧四面体晶片和一层铝氧八面体晶片一层铝氧八面体晶片结合，形成一个单位晶 胞。高岭石晶胞间具有较强的氢键联

7、结较强的氢键联结，水较难渗入其间，其颗粒，水较难渗入其间，其颗粒 一般较粗，亲水性弱。一般较粗，亲水性弱。因而主要由这类矿物组成的土，膨胀性和压膨胀性和压 缩性缩性都较低。 Nanjing University of Technology 蒙脱石：蒙脱石：蒙脱石单位晶胞的上下面均为硅氧四面体晶片硅氧四面体晶片，中间夹一个铝氢氧八铝氢氧八 面体晶片面体晶片。相邻晶胞间由相同的氧原子相接，这种联结既弱也不稳固既弱也不稳固， 水分子很容易楔入其间水分子很容易楔入其间，以致将其分散为极细小的鳞片状颗粒，并使 晶格沿垂直方向膨胀晶格沿垂直方向膨胀。 含蒙脱石矿物较多的土对环境的干湿变化较敏感；土体湿度增

8、高湿度增高，体积膨胀并形成 膨胀压力膨胀压力；土体失水失水，体积收缩并产生收缩裂隙收缩裂隙，而且这种胀缩变形胀缩变形可随环境变化往复往复 发生发生，导致土的强度衰减土的强度衰减。 Nanjing University of Technology 伊利石：伊利石：含钾量高的原生矿物经化学风化的初期产物，其晶格构造与蒙脱石相 似，也是由两片硅氧四面体两片硅氧四面体夹铝氧八面体铝氧八面体构成，不同的是四面体中 Si4+被 Al3+ 所替代，由 K离子补偿晶层正电荷的不足。 伊利石伊利石相邻晶胞间由钾离子联结，这种联结较之高岭石层间的氢键联结为弱较之高岭石层间的氢键联结为弱，但比比 蒙脱石层间的水分子

9、联结要强蒙脱石层间的水分子联结要强，所以形成的片状颗粒大小处于蒙脱石和高岭石之间，其 工程性质也介于两者之间。 Nanjing University of Technology 粘土矿物粘土矿物 高 岭 2322 Al O2SiO2H O 22322 K O 3Al O6SiO2H O 2322 Al O4SiOnH O Nanjing University of Technology 界于一定粒径范围内的 土粒，其大小相近、性 质相似，称为粒组 Nanjing University of Technology Nanjing University of Technology 土的颗粒级配土的

10、颗粒级配 土是由大小不同的土粒组成的。土粒的粒径由粗到细逐渐变化时， 土的性质相应地发生变化。例如土的性质随着粒径的变细可由无粘性变 化到有粘性。 界限粒径界限粒径: :划分粒组的分界尺寸。 土的颗粒级配土的颗粒级配: :土中各个粒组的相对含量(各粒组占土粒总重的百分 数)。 颗粒级配累积曲线颗粒级配累积曲线: :颗粒大小分析试验成果，由其横坐标（对数坐标） 表示粒径。纵坐标则表示用小于(或大于)某粒径 的土重含量(或称累计百分含量) 。 Nanjing University of Technology 土的粒度成分，通常以土中各粒组的质量百分率各粒组的质量百分率来表示，通过对土 进行粒度分析

11、，分离出土中各个粒组，分别称取质量，然后计算出各粒 组的质量占该土总质量的百分数。 不同类型的土，采用不同的分析方法。粗粒土采用筛析法粗粒土采用筛析法，细粒土细粒土 采用静水沉降分析法采用静水沉降分析法。 粒度成分的测定方法粒度成分的测定方法 Nanjing University of Technology 筛析法筛析法 对于粒径大于大于0.075mm的粗粒土，可用筛析法测定粒度成分。 试验时将风干、分散的代表性土样通过一套孔径不等的标准筛 （20、2、0.5、0.25、0.1、0.075mm），称出留在各个筛子上 的土的质量，即可求出各个粗粒组在土样中的相对含量。 Nanjing Unive

12、rsity of Technology 静水沉降分析法静水沉降分析法 粒径小于小于0.075mm的粉粒或粘粒现有技术难以筛分， 一般可根据土粒在水中匀速下沉时的速度与粒径的 理论关系，用比重计法或移液管法测定。 Nanjing University of Technology 土粒质量累计百分数为10%时，相应的粒径称为有效粒径有效粒径d10。小于某 粒径的土粒质量累计百分数为30%时的粒径用d30表示。当小于某粒径的土 粒质量累计百分数为60%时，该粒径称为限定粒径限定粒径d60。 利用颗粒级配累积曲线可以确定土粒的级配指标，如不均匀系数不均匀系数Cu 和曲率系数曲率系数Cc。 。 不均匀系

13、数Cu反映大小不同粒组的分布情况大小不同粒组的分布情况。Cu越大表示土粒大小 的分布范围越大、其级配越良好，作为填方工程的土料时，则比较容易获 得较大的密实度。曲率系数Cc描写累积曲线的分布范围累积曲线的分布范围，反映曲线的整体 形状。 10 60 d d Cu 6010 2 30 dd d Cc Nanjing University of Technology 曲线平缓，粒径大小相差悬殊，土粒不均匀。颗粒级配可以在一定程度上反映土的某 些性质。对于级配良好的土，较粗颗粒间的孔隙被较细的颗粒所填充，因而土的密实度较好 ，相应的地基土的强度和稳定性也较好透水性和压缩性也较小，可用作堤坝或其它土建

14、工 程的填方土料。 Nanjing University of Technology 二、土的液相二、土的液相 土中水处于不同位置和温度条件下，可具有不同的物理状态固态、固态、 液态、气态。液态、气态。 液态水液态水是土中孔隙水的主要存在状态，因其受土粒表面双电层影响 程度的不同可分为结合水、毛细水、重力水结合水、毛细水、重力水。后两者也称为非结合水非结合水 (自由水自由水)。 水水 的的 类类 型型主要作用力主要作用力 结结 合合 水水物理化学力物理化学力 非非 结结 合合 水水 毛毛 细细 水水表面张力和重力表面张力和重力 重重 力力 水水重重 力力 Nanjing University

15、of Technology 结合水结合水 非结合水非结合水 强结合水强结合水(吸着水吸着水) 液态水液态水 重力水重力水(自由水自由水) 气态水气态水(水蒸气水蒸气) 土孔隙中的水土孔隙中的水 毛细水毛细水(过渡型水过渡型水) 弱结合水弱结合水(薄膜水薄膜水) 固态水固态水(冰冰) Nanjing University of Technology 1. 结合水结合水 土颗粒表面带有一定的电荷，当土粒与水相接触时，由于静电作用 力，将吸引水化离子和水分子，形成双电层，在双电层影响下的水膜称 为表面结合水表面结合水。双电层的厚薄也反映了结合水的厚薄，结合水具有与一 般自由水不同的性质，其密度较大、

16、粘滞度高、流动性差、冰点低、比 热较大、介电常数较低，这种差异随距离增加而减弱。结合水又可分为 强结合水强结合水和弱结合水弱结合水。 Nanjing University of Technology Diffuse double layer（双电层双电层） (Figure by Muni Budhu,2000) 影响双电层的因素影响双电层的因素: :土粒表面的电位、大小、土粒大小、矿物成分类型等。 Nanjing University of Technology 2.非结合水非结合水 在双电层影响以外的水为自由液态水，它主要受重力作用的控制，土粒表面在双电层影响以外的水为自由液态水，它主要受重

17、力作用的控制，土粒表面 吸引力居次要地位，这部分水称为非结合水，它包括吸引力居次要地位，这部分水称为非结合水，它包括毛细水、重力水和固态水等毛细水、重力水和固态水等。 (1)毛细水毛细水 毛细水是受到水与空气交界面处表面张力作用的自由水。毛管现象 是毛细管壁对水的吸力和水的表面张力共同作用的结果。 毛细水是受毛细管作用控制的水，可以把土的孔隙看作是连续变截 面的毛细管，毛细管放在水中，管中的水位会上升到自由水位以上的一 定高度，毛管直径愈细上升高度愈高。在常温下毛细上升高度hc与毛管半 径r有以下关系： r hc 15 Nanjing University of Technology (2)重

18、力水重力水 重力水是存在于地下水位以下的适水土层中的地下水。它是在重力 或压力差作用下运动的自由水，对土粒有浮力作用土粒有浮力作用。重力水只受重力控 制，不受土粒表面吸引力的影响。 (3)固态水固态水 固态水即冰，温度降到0以下时，孔隙中的水会凝结成冰。水结冰 后体积膨胀，同时由于水分迁移和补给，在土层中会形成冰层或透镜体。 固态水在土中起着暂时的胶结作用暂时的胶结作用，提高土的力学强度提高土的力学强度，降低透水性降低透水性。 但温度升高温度升高后，冰层解冻为液态水，使土的强度急剧降低土的强度急剧降低，压缩性增大压缩性增大， 土的性质显著恶化，如处于地下水以上的某些公路路面在开春后的翻浆 现象

19、就是一例。 Nanjing University of Technology 二、土的结构与构造二、土的结构与构造 土的结构土的结构:指土颗粒或集合体的大小大小和形状形状、表面特征表面特征、排列形式排列形式以 及它们之间的连接特征连接特征( (微观结构微观结构) )。 土的构造土的构造: :指土层的层理层理、裂隙裂隙和大孔隙大孔隙等宏观特征亦称宏观结构宏观结构。 土的结构对土的工程性质影响很大，特别是粘性土，如某些灵敏性钻土在 原状结构时具有一定的强度，当结构扰动或重塑结构扰动或重塑时，强度就降低强度就降低很多，甚至不 能再成型。 Nanjing University of Technolog

20、y 土的常见结构类型土的常见结构类型 单粒结构：单粒结构：组成砂、砾等粗粒土的基本结构类型，颗粒较粗大，比表面 积小，颗粒之间是点接触，几乎没有连结，粒间相互作用的 影响较之重力作用的影响可忽略不计，是重力场作用下堆积 而成的。 单粒结构土的工程性质，除与密实程度密实程度有关外，还与颗粒大小、级配、土粒的颗粒大小、级配、土粒的 表面形状及矿物成分表面形状及矿物成分类型有关。 Nanjing University of Technology 土的常见结构类型土的常见结构类型 片架结构：片架结构：粘粒在絮凝状态下形成的，亦称絮凝结构。其特点是粘土 片以边面边面或边边边边连结为主，颗粒呈随机排列，性质较 均匀，但孔隙较大孔隙较大对扰动比较敏感扰动比较敏感。具有触变性触变性的土多 后于此类结构。 片堆结构：片堆结构：粘粒是在分散状态下沉积而形成的，亦称分散结构分散结构。其特 点是以面面面面连结为主，粘土片呈定向排列，密度较大密度较大， 具有明显的各向异性明显的各向异性的力学性质。 Nanjing University o