第2章土的物质组成及土水相互作用

1、 “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”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或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。2.1 概述1 土是岩石风化的产物物理风化:指由于温度变化、水的冻胀、波浪冲击、地震等物理力使岩体崩解、碎裂成岩块、岩屑的过程。物理风化仅使岩石产生量的变化。 化学风化:指岩体(或岩块、岩屑)与空气、水及其

2、它溶液相接触，经氧化、碳化和水化作用分解为极细颗粒的过程，生物活动也可助长风化的进程。化学风化使岩石产生质的变化。 生物风化 2岩石 物理风化化学风化土原生矿物次生矿物 颗粒通常是由一种或几种原生矿物所组成，一般较粗，其成分与母岩相同，吸附水能力弱，性质比较稳定，无塑性。次生矿物是经化学风化生成的新矿物，其成分与母岩完全不同。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 粗细物理风化仅使岩化学风化使岩3 土是由固相、液相、气相组成的三相分散系。固相:包括多种矿物成分组成的土的骨架，骨架间的空隙为液相和气相填满，这些空隙若相互连通，则形成多孔介质。 液相:主要是水(溶解有少量的可

3、溶盐类)。 气相:主要是空气、水蒸气，有时还有沼气等4基本概念： 粒度：土固体颗粒的大小 粒径：与颗粒对应的当量小球体的直径 粒组：土颗粒按粒径大小、性质形似而划分的组别 粒度成分：土中各粒组的相对百分含量，称为土的粒度成分2.2 土的粒度成分56 土的粒度成分，通常以土中各粒组的质量百分率来表示，通过对土进行粒度分析，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，细粒土采用静水沉降分析法。粒度成分的测定方法7筛析法 对于粒径大于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

4、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。8静水沉降分析法 对粒径小于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。9概念：界限粒径:划分粒组的分界尺寸。 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) 。 粒度分析结果表示方法列表法累计曲线法10 土粒质量

5、累计百分数为10%时，相应的粒径称为有效粒径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Cu 和曲率系数Cc 不均匀系数Cu反映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，反映曲线的整体形状。11 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

6、，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工程的填方土料。颗粒级配累计曲线12原生矿物 岩石经物理风化生成颗粒,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、长石和云母。 颗粒一般较粗，多呈浑圆形、块状或板状。 吸附水的能力弱，性质比较稳定，无塑性。 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。2.3 土的矿物成分和化学成分13次生矿物 原岩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

7、，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。 14粘土矿物 粘土矿物：原生矿物长石、云母等硅酸盐矿物经化学风化形成。 硅酸盐矿物：硅氧四面体和铝氢氧八面体两部分构成。15硅氧四面体：一个硅原子和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，每个氧

8、原子有两个负电荷，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。16铝氢氧八面体：六个氢氧离子围绕一个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，氢氧为负一价，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。17 硅氧四面体和铝氢氧八面体这两种基本单元以不同的比例组合，形成不同类型的粘土矿物。 土中常见的粘土矿物有高岭石、伊利石和蒙脱石三大类。18高岭石：一层硅氧四面体晶片和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，水较难渗入其间，其颗粒一般较粗，亲水性弱。

9、因而主要由这类矿物组成的土，膨胀性和压缩性都较低。19蒙脱石：蒙脱石单位晶胞的上下面均为硅氧四面体晶片，中间夹一个铝氧八面体晶片。相邻晶胞间由相同的氧原子相接，这种联结既弱也不稳固，水分子很容易楔入其间，并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。 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，体积膨胀并形成膨胀压力；土体失水，体积收缩并产生收缩裂隙，而且这种胀缩变形可随环境变化往复发生，导致土的强度衰减。20伊利石：是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夹铝氧八面体构成，不同的是四面体中 Si4+被 Al3+ 所替代，由

10、 K离子补偿晶层正电荷的不足。 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，但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。21粘土矿物高 岭 22 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、液态、气态。 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。后两者也称为非结合水(自由水)。水 的 类 型 主要作用力 结 合 水 物理化学力 非 结 合 水 毛 细 水 表面张力和重力 重 力 水 重 力 2.4 土的水和气体231. 结合水 土颗粒表面带有

11、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。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、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和弱结合水。 2.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，土粒表面吸引力居次要地位，这部分水称为非结合水，它包括毛细水和重力水。24(1)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

12、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r=0.1m时，hc=150mm，这与砂土(粒径为0.5l mm)中的情况大致相当。粘土的孔隙直径约为0.1m，按上式计算毛细上升高度将达150m25(2)重力水 重力水也称自由水，是存在于地下水位以下含水土层中的地下水。它是在重力或压力差作用下自由运动，对土粒有浮力作用。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

13、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，提高土的力学强度，降低透水性。但温度升高后，冰层解冻为液态水，使土的强度急剧降低，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。 26 土中的气体主要是空气和水气。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，对土的性质无大影响；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。因此，密闭气体的存在增加了土的弹性，同时还可阻塞土中的渗流通道，

14、减小土的渗透性。土中的气体 272.5 土水相互作用土粒表面积和比表面积；粘粒表面的扩散双电层；离子交换。研究内容：28S 为比表面积，单位 m2/g。土粒的表面积和比表面积假设土粒成球形，单个土粒的直径为d，则 粒度越细，比表面积越大。因此粘土颗粒的比表面积大，表面能也大，故而与水的作用强烈，表现为不稳定29 粘粒表面带有一定量负电荷，并紧密地吸附在固相表面上，形成固定层(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到土粒表面来。另一方面，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，阳离子浓度也愈大；随着离

15、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浓度正常为止,这个层称为反离子层。而阴离子浓度与之相反。 土粒表面带负电荷的固定层(吸附层)与受土粒表面影响的阳离子层(反离子层)合称为双电层。双电层理论30Diffuse double layer（双电层）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。31 结晶学中，一个四面体或八面体中阳离子的位置不是由常见的阳离子所充填，而是由其它的阳离子所占据，而晶体结构没有改变，这种现象叫“同晶替代”。 同晶替代现象 被吸附的离子具有规律性，总是有选择地吸附与它自身结晶格架中相同或相似的离子。选择性吸附

16、若粘粒由许多可解离的小分子缔合而成，则其与水作用后生成离子发生基，而后分解，再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。 表面分子解离表面电荷形成的原因32土的结构:指土颗粒或集合体的大小和形状、表面特征、排列形式以及它们之间的连接特征(微观结构)。 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，当结构扰动或重塑时，强度就降低很多，甚至不能再成型。2.6 土的结构与构造33研究内容：土结构的构成要素粗粒土的结构要素分析细粒土的结构要素分析基本单元体排列方式和孔隙类型结构连结34细粒土的孔隙类型架空孔隙单元体间孔隙单元体内孔隙溶蚀孔隙大孔隙细粒土的结构联结类型结合水膜接触联结胶结联结同相接触联结链条联结35土的常见结构类型单粒结构：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，颗粒之间为点接触，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，除与密实程度有关外，还与颗粒大小、级配、土粒的表面形状及矿物成分类型有关。 36土的常见结构类型片架结构：粘粒在絮凝状态下形成的，亦称絮凝结构。其特