第一章 土的组成

第一章土的组成1.1概述1.2土中固体颗粒1.3土中水和土中气1.4黏土颗粒与水的相互作用

1.5土的结构和构造

土的形成土岩石风化、搬运、沉积地质成岩作用土的组成、结构和物理力学性质过程、条件§1.1概述土的形成与风化作用

物理风化化学风化生物活动岩石和土的粗颗粒受各种气候等物理因素的影响产生胀缩而发生裂缝,或在运动过程中因碰撞和摩擦而破碎是颗粒大小发生量的变化矿物成分与母岩相同，称原生矿物产生无粘性土§1.1概述母岩表面和碎散的颗粒受环境因素的作用而改变其矿物的化学成分，形成新的矿物颗粒成分发生质的变化矿物成分与母岩不同，称次生矿物形成十分细微的土颗粒，最主要为粘性颗粒及可溶盐类土的形成与风化作用

物理风化化学风化生物活动§1.1概述包括植物、动物和土壤微生物的作用可加剧物理和化学风化构成土中有机质和营养物质的生物循环导致腐殖质的形成，改变土壤的结构土的形成与风化作用

物理风化化学风化生物活动§1.1概述

残积土

无搬运运积土

有搬运搬运与沉积母岩表层经风化作用破碎成岩屑或细小颗粒后，未经搬运残留在原地的堆积物

残积土强风化弱风化微风化母岩体

颗粒表面粗糙多棱角粗细不均无明显层理§1.1概述搬运与沉积

残积土

无搬运运积土

有搬运风化所形成的土颗粒，受自然力的作用搬运到远近不同的地点所沉积的堆积物坡积土：土粒粗细不同，性质不均洪积土：有分选性，近粗远细冲积土：浑圆度分选性明显，土层交迭湖泊沼泽沉积土：含有机物淤泥，土性差海相沉积物：颗粒细，表层松软，土性差冰积土：土粒粗细变化较大，性质不均匀风积土：颗粒均匀，层厚而不具层理§1.1概述土的成因类型1、残积土(residualsoils)2、坡积土(slopedebris)§1.1概述3、洪积土(diluvialsoils)§1.1概述4、冲积土(alluvialsoils)河流流水的地质作用将两岸基岩及其上部覆盖的坡积、洪积物质剥蚀后搬运、沉积在河流坡降平缓地带形成的沉积物。§1.1概述土中气体气相次要作用固体颗粒固相构成土体骨架

起决定作用土中水液相重要影响土体的三相构成饱和土：土体孔隙完全被水充满干土：土体孔隙完全被气充满非饱和土：孔隙中水和气均存在§1.1概述固体颗粒-颗粒大小

粒组按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类界限粒径d(mm)砾石砂粒粉粒粘粒胶粒6020.0750.0050.0020.250.5520粗

中

细粗

中

细0.075粗粒细粒粗粒土：以砾石和砂砾为主要组成的土，也称无粘性土。细粒土：以粉粒、粘粒和胶粒为主要组成的土，也称粘性土。巨粒60§1.2固体颗粒固体颗粒-粒径级配

颗粒级配：各粒组的相对含量，用质量百分

数来表示

分析方法：筛分法：适用于粗粒土孔径大小不同的筛子水分法：适用于细粒土常采用比重计法表述方法:

粒径级配累积曲线§1.2固体颗粒固体颗粒-粒径级配孔径105.02.01.00.50.250.1(0.075)200g土筛余0101618242238721009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数P（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)P100958778665536土的粒径级配累积曲线沉降分析法粒径(mm)0.050.010.005百分数P(%)2613.510筛分法§1.2固体颗粒1009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)

土的粒径级配累积曲线固体颗粒–

级配曲线d60d50d10d30特征粒径:定性分析：陡-相应粒组含量少缓-相应粒组含量多

d50:平均粒径d60:限制粒径d10

:有效粒径d30:中值粒径§1.2固体颗粒土的不均匀程度：用不均匀系数Cu表示，

Cu=d60/d10

Cu

5，称为不均匀土，反之称为均匀土连续程度:

用曲率系数度量

Cc=d302/(d60×d10

)

Cc=1~3为连续级配,>3或<1为不连续级配固体颗粒–

级配曲线1009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)

土的粒径级配累积曲线d60d50d10d30§1.2固体颗粒

粒组含量用于土的分类定名；不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度：

Cu

5为不均匀土；Cu

5为均匀土曲率系数Cc用于判定土的连续程度：

Cc=1~3为级配连续土；Cc>3或Cc<1为级配不连续土不均匀系数Cu和曲率系数Cc用于判定土的级配优劣：

Cu

5且Cc=1~3为级配良好的土；如果Cu<5或Cc>3

或Cc<1为级配不良的土粒径级配曲线和指标的应用§1.2固体颗粒固体颗粒-矿物成分固体颗粒原生矿物-石英、长石、云母等次生矿物矿物质有机质无定形氧化物胶体可溶盐粘土矿物具有和原生矿物很不相同的特性对粘土性质的影响很大§1.2固体颗粒-矿物成分§1.3土中水和土中气

土中水

结晶水矿物内部的水结合水吸附在土颗粒表面的水自由水电场引力作用范围之外的水

土中冰由自由水冻成，冻胀融沉

水蒸气存在孔隙空气中-强结合水：排列致密，密度>1g/cm3

冰点处于零下几十度完全不能移动，具有固体的特性温度略高于100°C时可蒸发-弱结合水：受电场引力作用，为粘滞水膜外力作用下可以移动不因重力而流动，有粘滞性粘土颗粒-----------------++++引力d水分子阳离子强结合水弱结合水自由水土中水–

结合水结合水：受颗粒表面电场作用力吸引而包围在颗粒四周，不传递静水压力，不能任意流动的水§1.3土中水和土中气

毛细水：由于土体孔隙的毛细作用升至自由水面以上的水。毛细水承受表面张力和重力的作用重力水：自由水面以下的孔隙自由水，在重力作用下可在土中自由流动土中水–

自由水自由水：不受颗粒电场引力作用的孔隙水hc毛细水重力水§1.3土中水和土中气

土颗粒缝隙处的弯液面r空气水固体颗粒弯液面在非饱和土中，孔隙中含有水和气，此时水多集中于颗粒间的缝隙处，称毛细角边水。由于毛细张力的作用，会形成如图所示的弯液面，使毛细角边水产生负压力，颗粒则受正压力。这是稍湿的砂土颗粒间存在假凝聚力的原因§1.3土中水和土中气

气相-土中气自由气体：与大气连通连通的气体

对土的性质影响不大封闭气体：被土颗粒和水封闭的气体

其体积与压力有关。会增加土的弹性；阻塞渗流通道，降低渗透性溶解在水中的气体吸附于土颗粒表面的气体§1.3土中水和土中气

§1.4黏土颗粒与水的相互作用

粘土矿物粘土矿物是一种复合的铝-硅盐晶体，颗粒呈片状，是由硅片和铝片构成的晶包所组叠而成，可分成高岭石、伊利石和蒙特石三种类型。

硅片

铝片SiSi氧离子O2-硅离子Si4+硅-氧四面体硅片的结构硅片简图粘土矿物粘土矿物是一种复合的铝-硅盐晶体，颗粒呈片状，是由硅片和铝片构成的晶包所组叠而成，可分成高岭石、伊利石和蒙特石三种类型。OH1-铝离子Al3+铝-氢氧八面体硅片的结构硅片简图AlAl

硅片

铝片§1.4黏土颗粒与水的相互作用

晶层间通过氢键联结，联结力强，晶格不能自由活动，水难以进入晶格间能组叠很多晶层，多达百个以上，成为一个颗粒。颗粒长宽约0.3-3，厚约0.03-1。主要特征：颗粒较粗，不容易吸水膨胀和失水收缩，或者说亲水能力差。粘土矿物依硅片和铝片组叠形式的不同，可分成如下三种类型：

高岭石蒙脱石伊利石SiSiAlAlSiSiAlAlSiSiAlAl高岭石微粒1:1的两层结构§1.4黏土颗粒与水的相互作用

晶层间是O2-对O2-的连结，联结力很弱，水很容易进入晶层之间。每一颗粒能组叠的晶层数较少。颗粒大小约为0.1-1

，厚约0.001-0.01。主要特征：颗粒细微，具有显著的吸水膨胀、失水收缩的特性，或者说亲水能力强。2:1的三层结构SiSiAlAlSiSiSiSiAlAlSiSi数层水分子粘土矿物依硅片和铝片组叠形式的不同，可分成如下三种类型：

高岭石蒙特石伊利石§1.4黏土颗粒与水的相互作用

粘土矿物是云母在碱性介质中风化的产物。与蒙特石相似，由两层硅片夹一层铝片所形成的三层结构，但晶层之间有钾离子连结。主要特征：连结强度弱于高岭石而高于蒙特石，其特征也介于两者之间。2:1的三层结构SiSiAlAlSiSiSiSiAlAlSiSi钾离子依硅片和铝片组叠形式的不同，可分成如下三种类型：

高岭石蒙特石伊利石§1.4黏土颗粒与水的相互作用

颗粒形状和比表面积原生矿物：一般颗粒较粗，呈粒状。有圆状、浑圆状、棱角状等。次生矿物：颗粒较细，多呈针状、片状、扁平状。比表面积：单位质量土颗粒所拥有的总表面积。对于粘性土，其大小直接反映土颗粒与四周介质,特别是水,相互作用的强烈程度,是代表粘性土特征的一个很重要的指标。

高岭石的比表面积为：10-20m2/g,伊利石：80-l00m2/g,蒙特石：800m2/g粗颗粒的形状粘土颗粒的形状§1.4黏土颗粒与水的相互作用

粘土矿物的带电性质研究表明，片状粘土颗粒表面常带有电荷，净电荷通常为负电荷----------------------++++粘土颗粒水分子阳离子粘土矿物的带电特性玻璃筒玻璃皿水位升高粘土粒粘土膏+-粘土的电泳和电渗现象(列依斯,1809)§1.4黏土颗粒与水的相互作用

粘土颗粒-----------------++++引力d水分子阳离子强结合水弱结合水自由水§1.2土的三相组成–

小结

土体有三个组成部分：固相、液相和气相

小结固体颗粒土中水土中气体粒径级配矿物成分颗粒形状结合水：强结合水、弱结合水自由水：重力水、毛细水自由气体封闭气体土的结构（微观结构）：指土粒的原位集合体特征，是由土粒单元的大小、矿物成分、形状、相互排列及其连接关系，土中水性质及孔隙特征等因素土的构造（宏观结构）：同