细微观土质学

1、 相系之间的相互作用相系之间的相互作用 在自然条件下，土是由固相、气相和液相三相组成。研究土必须考虑水、气的存在状态及其与土粒的相互作用。一、液相与固相的相互作用一、液相与固相的相互作用土中的液态水水可以分为结合水结合水和自由水自由水。 强结合水 结合水 弱结合水土中的液态水 重力水 自由水 毛细悬挂水 毛细水 毛细上升水1、 结合水结合水 存在于土粒矿物的晶体格架内部或是参与矿物构造中的水称为矿物内部结合水。 结合水只有在比较高的温度(80680，随土粒的矿物成份不同而异)下才能化为气态水与土粒分离。以工程角度来分析，可以将矿物内部结合水当作矿物颗粒的一部分。 强结合水强结合水 强结合水指紧

2、靠土粒表面的结合水。 特征：没有溶解盐类的能力，不能传递静水压力，只有吸热变成水蒸汽的时候才能移动。 物理性质：强结合水极其牢固地结合在土粒表面上，性质接近于固体，密度约为1.21.4g/cm，冰点为-78。具有极大的粘滞度、弹性和抗剪强度。 弱结合水弱结合水 弱结合水指紧靠于强结合水的外围形成的一层结合水膜。弱结合水不能传递静水压力，但水膜较厚的弱结合水能向邻近的较薄的水膜缓慢转移。土中含有较多弱结合水时，土具有一定的可塑性。 弱结合水离土粒表面愈远，其受到的电份子引力愈弱小，并逐渐过渡为自由水2、自由水、自由水 自由水是存在于土粒表面电场影响范围以外的水。它的性质和普通水一样，能传递静水压

3、力，冰点为0，有溶解能力 自由水按其移动所受作用力的不同分为重力水和毛细水。 重力水重力水 重力水是存在于地下水位以下的透水土层中的地下水，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。在外力作用下，在土的结构体系中产生孔隙水压力。以一定速度流动的自由水在流动时产生动水压力，可以使土粒移动即发生机械潜蚀现象。潜蚀作用能使土的孔隙增大，压缩性增高，强度降低。自由水运动及其溶解可使土产生化学潜蚀，其结果导致土的成份与结构改变，强度降低。重力水对土中的应力状态和开挖基槽、基坑以及修建地下构筑物时采取的防排水措施有重要的影响。 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

4、细水存在于地下水位以上的透水土层中。毛细水按其与地下水面是否有联系分为毛细悬挂水(与地下水无直接联系)和毛细上升水(与地下水相连) 。当土孔隙中局部存在毛细水时，毛细水的弯液面和土粒接触处的表面引力反作用于土粒上，使土粒之间由于这种毛细压力而挤紧，将土带有的微弱的粘聚力称为毛细粘聚力。在工程中，要注意毛细上升水的上升高度和速度，因为毛细水的上升对于建筑物地下部分的防潮措施和地基上的浸湿与冻胀等有重要影响。二、气相与固相的相互作用二、气相与固相的相互作用土中空气的主要成分有:氧(O )、氮(N )、二氧化碳(CO )、硫化氢(H S)及甲烷等气体。土中的气体除了水蒸气以外，主要是空气。土中气体与

5、大气想通，即主要成分大致相同，但是土中的各种气体含量与其在大气中的含量有较大的区别。土中气体按其所处状态和结构特点可以分为：吸附气体、溶解气体、密闭气体以及自由气体等。影响土中气体含量的基本参数有：孔隙体积、温度、压力。除此之外，凝结、蒸发、溶解气体和释放等也起重要作用。1、 吸附气体吸附气体 土中吸附气体的含量决定于土的矿物成分、分散程度、孔隙度、温度及气体成分等。 矿物成分对空气吸附起主要作用，按气体吸附量大小排序为：有机质蒙脱石伊利石高岭石石英 气体按吸附强度的排列顺序是: CO N O H 在自然条件下，沙漠、半沙漠地区的表层土中可能遇到比较大的气体吸附量。在这些地区土的自然含水量接近

6、于强结合水量。故在干旱地区须考虑土中的吸附气体的影响。2、溶解气体、溶解气体 在土的液相中一般存在有溶解气体。其溶解数值取决于温度、压力、气体物理化学性质及溶液的化学成分。 溶解气体的作用有： a、改变水的结构及溶液的性质。当形成水化物时，作用更为显著，对土粒施加力学作用。 b、当温度、压力增高时，可从自然溶液中释放出小气泡，亦能结成大气泡，在土中形成密闭气体。 c、溶解气体可以加强化学潜蚀过程。 水水-土系统：粘粒的双电层及离子交土系统：粘粒的双电层及离子交换换一、粘粒的双电层一、粘粒的双电层（一）粘粒表面电荷的形成 土中的粘粒细小，比表面极大，具有极大的表面能，在水溶液中其表面带电，形成双

7、电层，粘粒表面上电荷产生的三种情况。 1、选择性吸附。粘粒吸附溶液中的离子具有规律性，它总是选择性地吸附与它本身结晶格架中相同或相似的离子。 2、表面分子解离。若粘粒有许多可解离的小分子缔合而成，则它与水作用生成离子发生基，而后分解，在选择性地吸附与矿物格架上性质相同的离子于其表面而带电。 3、同晶替代。粘土矿物晶格中的同晶替代作用可以产生负电荷，如硅氧四面体片中四价的硅被三价的铝替代，产生过剩地的负电荷。负电荷的数量取决于晶格中同晶替代的多少，而不受介质PH值的影响。（二）粘粒双电层结构的特性 粘粒由于粘土矿物的同晶替代，或与孔隙水溶液相互作用后的选择性吸附，或本身的解离，使其表面吸附离子带

8、电，形成双电层。双电层示意图： 粘粒的双电层及离子交换示意图 二、二、土中的离子交换土中的离子交换（一）离子交换的概念及其意义 由于土粒（矿物颗粒）表面一般带有负电荷，围绕土颗粒形成电场，在土粒电场内的水分子和水溶液中的阳离子一起吸附在土粒表面。因为水分子是极性分子，粘粒与水溶液相互作用后，吸附在粘粒表面的阳离子（或阴离子）可与溶液中的阳离子或阴离子进行交换，这种现象称之离子交换。如图所示，若将吸附着 离子的土放在于含有 的溶液中，必须有两个一价的钠离子交换一个二甲的钙离子。2aCaN 土粒 离子交换按等反应关系进行，是可逆反应。水中的反离子（阳离子）的原子价越高，它与土粒之间的静电引力愈强则

9、扩散层愈薄，从而改良土质。 土粒中的离子交换能引起双电层离子成分的变化，因而也就能引起扩散层厚度的变化，改变土的分散程度与结构特征，从而改变土的物理性质。22aa2a2aCNNC相关应用： 加固地基强度的电动铝化法，就是 利用去交换土中的 、 等离子。通过这种交换可使土粒扩散层水化膜变薄，增加土粒间的连接力，从而增加土的稳定性，减小膨胀性，提高土的强度。有时，可用含一价离子的盐溶液处理粘土，使扩散层增厚，而大大降低土的透水性。3l A2CaNa （二）离子交换容量（二）离子交换容量 离子交换持性可用离子交换容量表示。离子交换容量指在一定的条件下，土中粘粒所具有交换能力离子总数。通常用100g干

10、土中具有交换性离子的毫摩尔表示。土的交换容量是一个常数，其值决定于矿物的结晶化学特征、结构类型以及溶液的PH值。 土中只有粘粒具有离子交换能力。因此，粘性土的交换能力不但决定于粘粒的矿物成分，而且也决定于土中粘粒所占的百分含量。离子交换能力越强，则土的性质易于变化，改变其性质就越容易。 （ 三）离子交换律三）离子交换律 不同的离子交换能力不同，交换能力强的离子容易进入反离子层，被土粒吸附。交换能力弱的则相反，易被交换能力强的离子交换出双电层面进入孔隙溶液。土中阳离子交换服从下列规律： 1、高价离子比低价离子具有较强的被吸附能力。 2、同价阳离子中随着离子半径增大而提高（除 外），在分布最广的阳

11、离子中它们的交换能力按下列顺序：HiaMgCaae422233LNKNHBHAlF 半径：0.67 0.53 1.38 1.02 0.7 1.43 1.33 0.98 0.70 3、浓度高的例子比浓度低的离子易进入双电层，因此当低价离子交换高价离子时，必须加大低价离子的浓度。 4、阳离子交换是可逆的，服从质量作用定律。我国南方酸性土往往是非饱和土，其交换离子总量（交换盐基总量）小于交换容量。在干旱半干旱地区由于地面蒸发强度大，使地下水中的易溶盐通过毛细作用在土中积聚起来，形成盐碱土。6 盐碱土中含有较多的钠离子与水作用后，使水化膜增厚而减少颗粒间的粘结力，从而土粒从土粒中析出发生管涌。 水水土

12、系统的物理化学特征土系统的物理化学特征 水土系统水土系统的物理化学特征水土系统物理特征土的胶体化学性质粘性土土质的改良一、水土系统的物理性质（一）土的压实原理 压实能降低土的压缩性，使其孔隙体积减少、提高其抗剪强度、减弱土的透水性，使经过处理的表层弱土成为能承担较大荷载的地基持力层。 控制土的压实效果的主要因素是：土的含水率，夯实能量、土的粒径级配及夯实时土料的虚铺厚度。 1、最优含水率。土的最优含水率是通过实验室内的击实实验来测得的。在击实实验中，最大干密度对应的含水率就是最优含水率。 击实曲线： 2、夯实功能。对于同类土，随着压实功能大小的变化，最大干密度和最优含水率也随之变化。在压实过程

13、中，要合理控制土中水的含水率，选用合适的夯实功能，已达到期望的目标。 3、其他因素。土的颗粒粗细、粒径级配矿物成分和添加材料等因素对压实结果是有影响的。实验统计证明：最优含水率 和土的塑限 有关，大致上 ，又规定压实系数D，即pop%2pop即 ，工程上规定D 0.94到0.97。（二）粘性土的胀缩性和崩解性 土中含水量的变化不仅会引起土稠度的变化，同时还会引起土体的体积发生变化。 1、土的膨胀性。土体膨胀是其水化的结果，它与土中弱结合水的形成有关，围绕着胶粒及粘粒周围所形成的结合水膜，使颗粒之间的联结力减弱并把他们拉开，从而使土的体积增加而膨胀。dmax控制干密度D 膨胀率即线膨胀率，是试样

14、浸水水后的高度增加量与原高度之比，以百分率表示： 粘性土的膨胀性是一个很重要的性质，当其表现明显时称为膨胀土。土的膨胀性能引起地基、边坡、挡土墙的破坏，但也可以利用膨胀土泥浆进行压力灌浆、堵塞裂隙、防止水渗漏，还可以利用膨润土泥浆对地下连续墙、钻井、钻孔工程进行护壁。 %100hhh00wep 2、 土的收缩性。土体积收缩是由于失水而引起的。只有湿土才具有收缩性，一般收缩性和膨胀是可逆的。收缩使土变得较为密实，甚至成固态，即可提高土的强度。土的收缩性指标，用线缩率、体缩率、缩线含水量及收缩系数表示。%100hhh00s线缩率%1000vVVV体缩率ss收缩系数 3、土的崩解性。粘土在静水作用下

15、，发生崩散解体的现象称为崩解性。土的崩解性主要影响因素是物质成分（矿物成分、力度成分及交换阳离子成分）、结构特征、含水量与之作用的水溶液及浓度。 4、土的渗透性。土有孔隙，孔隙中的水除能承受压力，在水头作用下尚可以在孔隙中流动，具有渗透性。 土的渗透性的大小一般用渗透速度v或渗透系数k表示。 砂类土 粘性土ivK）（00iivK 土的渗透系数不是一个定值，其值决定于图的压实程度。K值随着土体压实孔隙比减小而减小。土的渗透系数， 粉土 粉质粘土 其中r为19的任意数。 渗透力亦称动水压力，是由于孔隙水的渗流而作用在单位体积土骨架上的压力，其方向与渗流方向一致，大小与水头梯度成正比。scm10r1

16、0r83Kscm10r10r85K有公式： 式中j渗透力；i水力梯度； 水的重度。在评价土体及土坡稳定性时必须考虑渗透力。ijww二、土的胶体化学性质二、土的胶体化学性质 粘粒细小，比表面积大，是胶体分散体系中的分散相。它与水溶液互相作用后，可使土具有一系列的化学特性如粘粒表面水化膜特性、电场作用下的电动特性、聚成和稳定、触变和陈化等。 1、粘粒表面水化膜特性。粘性土中含有一部分结合水，在粘粒周围形成一层水化膜具有很强的粘滞性。扩散层中的结合水具有活性而造成了粘性土的可塑性，双电层中水化膜厚度的增减引起土的膨胀与收缩。 2、粘性土的电动特性。在潮湿的粘土中插入两个电极，通电，发现粘粒向阳极移动，土中液体相部分向阴极移动，这种在电场中土粒的移动叫电泳，液体相的水向阴极移动叫电渗，两种状况同时发生就是电动现象。应用于基坑的电渗排水及电渗沉桩等。 电渗沉桩是利用正在下沉的桩做阴极，使向阴极电渗的水降低桩的摩擦阻力。 3、粘粒的聚成和稳定。土颗粒在水溶液中相互结合 的作用下聚沉；在水溶液中相互分离的作用称为分散。分子作用聚沉在自然条件下有两种方式发生：电解质聚沉和干燥聚沉。 4、土的触变与陈化。在胶体化学中，某些胶体体系在动力如声波、振动、搅拌等外力作用下常产生液体或由凝聚状态过渡到胶溶或悬浮状态；当外力停止后，又重新凝结，这种现象叫触变。土的触