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。2.1Nanjing University of Technology土是岩石经过风化后在不同条件下形成的自然历史的产物土是岩石经过风化

2、后在不同条件下形成的自然历史的产物搬运、沉积搬运、沉积形成过程形成过程形成条件形成条件物理力学物理力学性质性质 风化风化土土地球影响岩石岩石地球2.1Nanjing University of Technology岩石岩石物理风化物理风化化学风化化学风化土土原生矿物原生矿物次生矿物次生矿物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，颗粒一般较粗， 吸附水的能力弱，性质比较稳，无塑性。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。颗粒极细，性质活泼，有较强的吸附水能力，具塑性。粘土颗粒性质粘土颗粒性质2.1Nanjing University of Techn

3、ology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，有时还有沼气等2.1Nanjing 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

4、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。2.3Nanjing 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，它的成分与母岩的完全不同。次生矿物主要是粘土矿物，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。2.3Nanj

5、ing 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。2.3Nanjing 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

6、电荷。2.3Nanjing 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仁。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。2.3Nanjing 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

7、脱石三大类。2.3Nanjing 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。2.3 含高岭石矿物较多的土其颗粒一般较粗；亲水性弱，膨胀性和压缩性都较低。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

8、片，中间夹一个铝氧八面铝氧八面体晶片体晶片。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发生往复发生，导致土的强度衰减土的强度衰减。2.3Nanjing 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

9、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，但比蒙脱石层间的水分子联结要强比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。2.3Nanjing University of Technology粘土矿物粘土矿物高 岭2322Al O2SiO2H O22322K O 3Al O6SiO2H O2322Al O4SiOnH O2.3Nanji

10、ng University of Technology2.2Nanjing University of Technology2.2Nanjing University of Technology土的颗粒级配土的颗粒级配 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)。颗粒级配累计曲线颗粒级配累计曲线: :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)

11、某粒径的土重含量(或称累计百分含量) 。 2.2Nanjing University of Technology1009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（）小于某粒径之土质量百分数（）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径粒径(mm)土的粒径级配累积曲土的粒径级配累积曲线线d60d50d10d30d60d10d30CuCc0.33 0.005 0.063662.41不均匀程度不均匀程度：Cu = d60 / d10 连续程度连续程度: : Cc = d302 / (d60 d10 ) 曲率系数曲率系数 不均匀系数不均匀系数Cu 5,级

12、配不均匀粗细程度粗细程度： 用用d50 表示 特征粒径特征粒径: : d50 : 平均平均粒径粒径 d60 : 控制控制粒粒径径d10 : 有效有效粒径粒径2.2Nanjing University of Technology1009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（）小于某粒径之土质量百分数（）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径粒径(mm)土的粒径级配累积曲土的粒径级配累积曲线线d60d10d30曲线d60d10d30CuCcL0.33 0.0050.081663.98M0.0632.41R0.0300.545斜率斜率: : 某

13、粒径范围内颗粒的含量某粒径范围内颗粒的含量 陡陡相应粒组含量集中相应粒组含量集中 缓缓-相应粒组含量少相应粒组含量少 平台平台-相应粒组缺乏相应粒组缺乏较大颗粒缺少较大颗粒缺少Cc 减小减小较小颗粒缺少较小颗粒缺少Cc 增大增大Cc = 1 3, 级配连续性好级配连续性好2.2Nanjing University of Technology粒径级配粒径级配累积曲线及指标的用途粒径级配累积曲线及指标的用途：1）粒组含量用于土的分类定名粒组含量用于土的分类定名；2）不均匀系数不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度：用于判定土的不均匀程度： Cu 5, 不均匀土不均匀土； Cu 3 或 Cc 1,级配

14、不连续土级配不连续土4）不均匀系数不均匀系数Cu和和曲率系数曲率系数Cc用于判定土的级配优劣：用于判定土的级配优劣： 如果如果 Cu 5且且 C c = 1 3 ， 级配良好的土级配良好的土； 如果如果 Cu 3 或或 Cc 1g/cm1g/cm3 3 冰点处于零下几十度冰点处于零下几十度 具有固体的特性具有固体的特性 温度高于温度高于100100C C时可蒸发时可蒸发强结合水强结合水 位于强结合水之外，电场引位于强结合水之外，电场引 力作用范围之内力作用范围之内 外力作用下可以移动外力作用下可以移动 不因重力而移动，有粘滞性不因重力而移动，有粘滞性弱结合水弱结合水2.4Nanjing Uni

15、versity of Technology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： 当当r=0.1 m时，时，hc=150mm，这与砂土，这与砂土(粒径为粒径为0.5l mm)中的情况大致相当。中的情况大致相当。rhc152.4Nanjing University of Technology重力水重力水 重力水是

16、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。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就是一例。2.4Nanjing Unive

17、rsity of Technology三、土的气相三、土的气相 土中的气体主要是空气空气和水气水气。土中气体按其所处的状态和结构特点可分以下几种类型：吸附于土颗粒表面的气体、溶解于水中的气体、四周为颗粒和水所封闭的气体以及自由气体。 通常认为自由气体与大气连通自由气体与大气连通，对土的性质无大影响对土的性质无大影响；密闭气体的密闭气体的体积与压力有关，压力增加，则体积缩小，压力减小，则体积胀大体积与压力有关，压力增加，则体积缩小，压力减小，则体积胀大。因此，密闭气体密闭气体的存在增加了土的弹性增加了土的弹性，同时还可阻塞土中的渗流通道，减小土的渗透性减小土的渗透性。v自由气体：自由气体：与大气

18、连通，对土的性质影响不大与大气连通，对土的性质影响不大v封闭气体：封闭气体：增加土的弹性；阻塞渗流通道增加土的弹性；阻塞渗流通道2.4Nanjing University of Technology 粘粒表面带有一定量负电荷负电荷，并紧密地吸附在固相表面上，形成固固定层定层( (吸附层吸附层) )。 由于静电引力的作用，在水溶液中将吸引水中的阳离子阳离子到土粒表面来。另一方面，阳离子阳离子又受到热运动的扩散作用，要离开土粒表面。因而阳离子的分布是不均匀的，愈靠近表面，静电作用力愈大、吸引力愈强，阳离子浓库也愈大；随着离土粒表面距离的增加，静电引力也降低，阳离子浓度也逐渐下降，直至孔隙中水溶液的

19、浓度正常为止这个层称为反离子层反离子层。而阴离子浓度与之相反。 土粒表面带负电荷的土粒表面带负电荷的固定层固定层( (吸附层吸附层) )与受土粒表面影响的阳离子层与受土粒表面影响的阳离子层( (反离子层反离子层) )合称为合称为双电层双电层。双电层理论双电层理论2.5Nanjing University of TechnologyDiffuse 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。2.5Nanjing University of Technology二

20、、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，当结构结构扰动或重塑扰动或重塑时，强度就降低强度就降低很多，甚至不能再成型。2.6Nanjing University of Technology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、土粒的表面形状及矿物成分颗粒大小、级配、土粒的表面形状及矿物成分类型有关。2.6Nanjing University of Technolog