第2章 土的物質(zhì)組成及土水相互作用

1、Nanjing University of Technology “土土” 是自然界中性質(zhì)最為復(fù)雜多變的物質(zhì)。土的物質(zhì)成分起源于巖石的風(fēng)化（物理風(fēng)化和化學(xué)風(fēng)化）。地殼表層的堅硬巖石，在長期的風(fēng)化、剝蝕等外力作用下，破碎成大小不等的礦物顆粒，這些顆粒在各種形式的外力作用下，被搬運到適當(dāng)環(huán)境里沉積下來，就形成了土。 “土土”一詞在不同的學(xué)科領(lǐng)域有其不同的涵義。就土木工程領(lǐng)域而言，土是指覆蓋在地表的沒有膠結(jié)和弱膠結(jié)的顆粒堆積物。土與巖石的區(qū)分僅在于顆粒間膠結(jié)的強弱。2.1Nanjing University of Technology土是巖石經(jīng)過風(fēng)化后在不同條件下形成的自然歷史的產(chǎn)物土是巖石經(jīng)過風(fēng)化

2、后在不同條件下形成的自然歷史的產(chǎn)物搬運、沉積搬運、沉積形成過程形成過程形成條件形成條件物理力學(xué)物理力學(xué)性質(zhì)性質(zhì) 風(fēng)化風(fēng)化土土地球影響巖石巖石地球2.1Nanjing University of Technology巖石巖石物理風(fēng)化物理風(fēng)化化學(xué)風(fēng)化化學(xué)風(fēng)化土土原生礦物原生礦物次生礦物次生礦物顆粒通常是由一種或幾種原生礦物所組成，它的成分成分與母巖的相同，顆粒一般較粗， 吸附水的能力弱，性質(zhì)比較穩(wěn)，無塑性。原生礦物經(jīng)化學(xué)風(fēng)化生成的新礦物，它的成分成分與母巖的完全不同。顆粒極細(xì)，性質(zhì)活潑，有較強的吸附水能力，具塑性。粘土顆粒性質(zhì)粘土顆粒性質(zhì)2.1Nanjing University of Techn

3、ology土是由固相固相、液相液相、氣相氣相組成的三相分散系。固相固相:包括多種礦物成分組成土的骨架，骨架間的空隙為液相和氣相填滿，這些空隙是相互連通的，形成多孔介質(zhì)。液相液相: :主要是水(溶解有少量的可溶鹽類)。氣相氣相: :主要是空氣、水蒸氣，有時還有沼氣等2.1Nanjing University of Technology原生礦物原生礦物 由巖石經(jīng)物理風(fēng)化生成的顆粒通常是由一種或幾種原生礦物所組成，它的成分與母巖的相同，常見的有石英、長石相云母。 顆粒一般較粗，多呈渾圓形、塊狀或板狀。 吸附水的能力弱，性質(zhì)比較穩(wěn)，無塑性。一、土的固相一、土的固相 土是巖石風(fēng)化的產(chǎn)物。因此土粒的礦物組

4、成將取決于成土母巖的礦物組成及其后的風(fēng)化作用。成土礦物主要可分為兩大類。2.3Nanjing University of Technology次生礦物次生礦物 由原生礦物經(jīng)化學(xué)風(fēng)化生成的新礦物，它的成分與母巖的完全不同。次生礦物主要是粘土礦物，即高嶺石、伊利石和蒙脫石。 顆粒極細(xì)，且多呈片狀。 性質(zhì)活潑，有較強的吸附水能力（尤其是由蒙脫石組成的顆粒），具塑性。水溶鹽:可溶性次生礦物。最常見的有巖鹽、鉀鹽、石膏、方解石，硫酸鹽類還對金屬和混凝土有一定的腐蝕作用有機質(zhì):動植物分解后的殘骸，分解徹底的稱為腐殖質(zhì)。腐殖質(zhì)的顆粒極細(xì)，粒徑小于0.1m，呈凝膠狀，帶有電荷，具有極強的吸附性。2.3Nanj

5、ing University of Technology黏土礦物 黏土礦物黏土礦物：原生礦物長石原生礦物長石、云母云母等硅酸鹽礦物經(jīng)化學(xué)風(fēng)化形成。 硅酸鹽礦物硅酸鹽礦物：硅氧四面體硅氧四面體和鋁氫氧八面體鋁氫氧八面體兩部分構(gòu)成。2.3Nanjing University of Technology硅氧四面體硅氧四面體：一個硅原子硅原子和四個氧原子四個氧原子以相等距離堆成四面體形狀，硅居其中央，氧占據(jù)四個頂點，四面體中的三個氧被共用，橫向聯(lián)結(jié)成六角形的網(wǎng)格。 每個硅原子有四個正電荷四個正電荷，每個氧原子有兩個負(fù)電荷兩個負(fù)電荷，四面體排列成的六角網(wǎng)格片狀結(jié)構(gòu)中，每個硅氧四面體都具有一個負(fù)電荷一個負(fù)

6、電荷。2.3Nanjing University of Technology鋁氫氧八面體鋁氫氧八面體：六個氫氧離子氫氧離子圍繞一個鋁離子鋁離子構(gòu)成的八面體晶片。八面體中每個氫氧離子均為三個八面體共有，形成八面體單位的片狀結(jié)構(gòu)仁。鋁為正三價正三價，氫氧為負(fù)一價負(fù)一價，每個八面體只能以兩個負(fù)電荷抵消鋁離子的一個正電荷，故每個八面體都是正一價正一價。2.3Nanjing University of Technology 硅氧四面體硅氧四面體和鋁氫氧八面體鋁氫氧八面體這兩種基本單元以不同的比例組合不同的比例組合，形成不同類型的黏土礦物黏土礦物。 土中常見的黏土礦物有高嶺石高嶺石、伊利石伊利石和蒙脫石蒙

7、脫石三大類。2.3Nanjing University of Technology高嶺石：高嶺石：一層硅氧四面體晶片一層硅氧四面體晶片和一層鋁氧八面體晶片一層鋁氧八面體晶片結(jié)合，形成一個單位晶胞。高嶺石晶胞間具有較強的氫鍵聯(lián)結(jié)較強的氫鍵聯(lián)結(jié)，水較難滲入其間，其顆粒，水較難滲入其間，其顆粒一般較粗，親水性弱。一般較粗，親水性弱。因而主要由這類礦物組成的土，膨脹性和壓膨脹性和壓縮性縮性都較低。2.3 含高嶺石礦物較多的土其顆粒一般較粗；親水性弱，膨脹性和壓縮性都較低。Nanjing University of Technology蒙脫石：蒙脫石：蒙脫石單位晶胞的上下面均為硅氧四面體晶片硅氧四面體晶

8、片，中間夾一個鋁氧八面鋁氧八面體晶片體晶片。相鄰晶胞間由相同的氧原子相接，這種聯(lián)結(jié)既弱也不穩(wěn)固既弱也不穩(wěn)固，水分子很容易楔入其間水分子很容易楔入其間，以致將其分散為極細(xì)小的鱗片狀顆粒，并使晶格沿垂直方向膨脹晶格沿垂直方向膨脹。 含蒙脫石礦物較多的土對環(huán)境的干濕變化較敏感；土體濕度增高濕度增高，體積膨脹并形成膨脹壓力膨脹壓力；土體失水失水，體積收縮并產(chǎn)生收縮裂隙收縮裂隙，而且這種脹縮變形脹縮變形可隨環(huán)境變化往復(fù)發(fā)生往復(fù)發(fā)生，導(dǎo)致土的強度衰減土的強度衰減。2.3Nanjing University of Technology伊利石：伊利石：含鉀量高的原生礦物經(jīng)化學(xué)風(fēng)化的初期產(chǎn)物，其晶格構(gòu)造與蒙脫石

9、相似，也是由兩片硅氧四面體兩片硅氧四面體夾鋁氧八面體鋁氧八面體構(gòu)成，不同的是四面體中 Si4+被 Al3+ 所替代，由 K離子補償晶層正電荷的不足。 伊利石伊利石相鄰晶胞間由鉀離子聯(lián)結(jié)，這種聯(lián)結(jié)較之高嶺石層間的氫鍵聯(lián)結(jié)為弱較之高嶺石層間的氫鍵聯(lián)結(jié)為弱，但比蒙脫石層間的水分子聯(lián)結(jié)要強比蒙脫石層間的水分子聯(lián)結(jié)要強，所以形成的片狀顆粒大小處于蒙脫石和高嶺石之間，其工程性質(zhì)也介于兩者之間。2.3Nanjing University of Technology粘土礦物粘土礦物高 嶺2322Al O2SiO2H O22322K O 3Al O6SiO2H O2322Al O4SiOnH O2.3Nanji

10、ng University of Technology2.2Nanjing University of Technology2.2Nanjing University of Technology土的顆粒級配土的顆粒級配 土是由大小不同的土粒組成的。土粒的粒徑由粗到細(xì)逐漸變化時，土的性質(zhì)相應(yīng)地發(fā)生變化。例如土的性質(zhì)隨著粒徑的變細(xì)可由無粘性變化到有粘性。 界限粒徑界限粒徑: :劃分粒組的分界尺寸。 土的顆粒級配土的顆粒級配: :土中各個粒組的相對含量(各粒組占土?？傊氐陌俜?jǐn)?shù))。顆粒級配累計曲線顆粒級配累計曲線: :顆粒大小分析試驗成果，由其橫坐標(biāo)（對數(shù)坐標(biāo)）表示粒徑。縱坐標(biāo)則表示用小于(或大于)

11、某粒徑的土重含量(或稱累計百分含量) 。 2.2Nanjing University of Technology1009080706050403020100小于某粒徑之土質(zhì)量百分?jǐn)?shù)（）小于某粒徑之土質(zhì)量百分?jǐn)?shù)（）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒徑粒徑(mm)土的粒徑級配累積曲土的粒徑級配累積曲線線d60d50d10d30d60d10d30CuCc0.33 0.005 0.063662.41不均勻程度不均勻程度：Cu = d60 / d10 連續(xù)程度連續(xù)程度: : Cc = d302 / (d60 d10 ) 曲率系數(shù)曲率系數(shù) 不均勻系數(shù)不均勻系數(shù)Cu 5,級

12、配不均勻粗細(xì)程度粗細(xì)程度： 用用d50 表示 特征粒徑特征粒徑: : d50 : 平均平均粒徑粒徑 d60 : 控制控制粒粒徑徑d10 : 有效有效粒徑粒徑2.2Nanjing University of Technology1009080706050403020100小于某粒徑之土質(zhì)量百分?jǐn)?shù)（）小于某粒徑之土質(zhì)量百分?jǐn)?shù)（）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒徑粒徑(mm)土的粒徑級配累積曲土的粒徑級配累積曲線線d60d10d30曲線d60d10d30CuCcL0.33 0.0050.081663.98M0.0632.41R0.0300.545斜率斜率: : 某

13、粒徑范圍內(nèi)顆粒的含量某粒徑范圍內(nèi)顆粒的含量 陡陡相應(yīng)粒組含量集中相應(yīng)粒組含量集中 緩緩-相應(yīng)粒組含量少相應(yīng)粒組含量少 平臺平臺-相應(yīng)粒組缺乏相應(yīng)粒組缺乏較大顆粒缺少較大顆粒缺少Cc 減小減小較小顆粒缺少較小顆粒缺少Cc 增大增大Cc = 1 3, 級配連續(xù)性好級配連續(xù)性好2.2Nanjing University of Technology粒徑級配粒徑級配累積曲線及指標(biāo)的用途粒徑級配累積曲線及指標(biāo)的用途：1）粒組含量用于土的分類定名粒組含量用于土的分類定名；2）不均勻系數(shù)不均勻系數(shù)Cu用于判定土的不均勻程度：用于判定土的不均勻程度： Cu 5, 不均勻土不均勻土； Cu 3 或 Cc 1,級配

14、不連續(xù)土級配不連續(xù)土4）不均勻系數(shù)不均勻系數(shù)Cu和和曲率系數(shù)曲率系數(shù)Cc用于判定土的級配優(yōu)劣：用于判定土的級配優(yōu)劣： 如果如果 Cu 5且且 C c = 1 3 ， 級配良好的土級配良好的土； 如果如果 Cu 3 或或 Cc 1g/cm1g/cm3 3 冰點處于零下幾十度冰點處于零下幾十度 具有固體的特性具有固體的特性 溫度高于溫度高于100100C C時可蒸發(fā)時可蒸發(fā)強結(jié)合水強結(jié)合水 位于強結(jié)合水之外，電場引位于強結(jié)合水之外，電場引 力作用范圍之內(nèi)力作用范圍之內(nèi) 外力作用下可以移動外力作用下可以移動 不因重力而移動，有粘滯性不因重力而移動，有粘滯性弱結(jié)合水弱結(jié)合水2.4Nanjing Uni

15、versity of Technology毛細(xì)水毛細(xì)水 毛細(xì)水是受到水與空氣交界面處表面張力作用的自由水。毛管現(xiàn)象是毛細(xì)管壁對水的吸力和水的表面張力共同作用的結(jié)果。 毛細(xì)水是受毛細(xì)管作用控制的水，可以把土的孔隙看作是連續(xù)變截面的毛細(xì)管，毛細(xì)管放在水中，管中的水位會上升到自由水位以上的一定高度，毛管直徑愈細(xì)上升高度愈高。在常溫下毛細(xì)上升高度hc與毛管半徑r有以下關(guān)系： 當(dāng)當(dāng)r=0.1 m時，時，hc=150mm，這與砂土，這與砂土(粒徑為粒徑為0.5l mm)中的情況大致相當(dāng)。中的情況大致相當(dāng)。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適水土層中的地下水。它是在重力或壓力差作用下運動的自由水，對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響。固態(tài)水固態(tài)水 固態(tài)水即冰，溫度降到0以下時，孔隙中的水會凝結(jié)成冰。水結(jié)冰后體積膨脹，同時由于水分遷移和補給，在土層中會形成冰層或透鏡體。固態(tài)水在土中起著暫時的膠結(jié)作用暫時的膠結(jié)作用，提高土的力學(xué)強度提高土的力學(xué)強度，降低透水性降低透水性。但溫度升高溫度升高后，冰層解凍為液態(tài)水，使土的強度急劇降低土的強度急劇降低，壓縮性增大壓縮性增大，土的性質(zhì)顯著惡化，如處于地下水以上的某些公路路面在開春后的翻漿現(xiàn)象就是一例。2.4Nanjing Unive

17、rsity of Technology三、土的氣相三、土的氣相 土中的氣體主要是空氣空氣和水氣水氣。土中氣體按其所處的狀態(tài)和結(jié)構(gòu)特點可分以下幾種類型：吸附于土顆粒表面的氣體、溶解于水中的氣體、四周為顆粒和水所封閉的氣體以及自由氣體。 通常認(rèn)為自由氣體與大氣連通自由氣體與大氣連通，對土的性質(zhì)無大影響對土的性質(zhì)無大影響；密閉氣體的密閉氣體的體積與壓力有關(guān)，壓力增加，則體積縮小，壓力減小，則體積脹大體積與壓力有關(guān)，壓力增加，則體積縮小，壓力減小，則體積脹大。因此，密閉氣體密閉氣體的存在增加了土的彈性增加了土的彈性，同時還可阻塞土中的滲流通道，減小土的滲透性減小土的滲透性。v自由氣體：自由氣體：與大氣

18、連通，對土的性質(zhì)影響不大與大氣連通，對土的性質(zhì)影響不大v封閉氣體：封閉氣體：增加土的彈性；阻塞滲流通道增加土的彈性；阻塞滲流通道2.4Nanjing University of Technology 粘粒表面帶有一定量負(fù)電荷負(fù)電荷，并緊密地吸附在固相表面上，形成固固定層定層( (吸附層吸附層) )。 由于靜電引力的作用，在水溶液中將吸引水中的陽離子陽離子到土粒表面來。另一方面，陽離子陽離子又受到熱運動的擴散作用，要離開土粒表面。因而陽離子的分布是不均勻的，愈靠近表面，靜電作用力愈大、吸引力愈強，陽離子濃庫也愈大；隨著離土粒表面距離的增加，靜電引力也降低，陽離子濃度也逐漸下降，直至孔隙中水溶液的

19、濃度正常為止這個層稱為反離子層反離子層。而陰離子濃度與之相反。 土粒表面帶負(fù)電荷的土粒表面帶負(fù)電荷的固定層固定層( (吸附層吸附層) )與受土粒表面影響的陽離子層與受土粒表面影響的陽離子層( (反離子層反離子層) )合稱為合稱為雙電層雙電層。雙電層理論雙電層理論2.5Nanjing University of TechnologyDiffuse double layer（雙電層雙電層）(Figure by Muni Budhu,2000)影響雙電層的因素影響雙電層的因素: :土粒表面的電位、大小、土粒大小、礦物成分類型等。2.5Nanjing University of Technology二

20、、土的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造二、土的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造土的結(jié)構(gòu)土的結(jié)構(gòu):指土顆?；蚣象w的大小大小和形狀形狀、表面特征表面特征、排列形式排列形式以及它們之間的連接特征連接特征( (微觀結(jié)構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)) )。土的構(gòu)造土的構(gòu)造: :指土層的層理層理、裂隙裂隙和大孔隙大孔隙等宏觀特征亦稱宏觀結(jié)構(gòu)宏觀結(jié)構(gòu)。 土的結(jié)構(gòu)對土的工程性質(zhì)影響很大，特別是粘性土，如某些靈敏性鉆土在原狀結(jié)構(gòu)時具有一定的強度，當(dāng)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)擾動或重塑擾動或重塑時，強度就降低強度就降低很多，甚至不能再成型。2.6Nanjing University of Technology土的常見結(jié)構(gòu)類型土的常見結(jié)構(gòu)類型單粒結(jié)構(gòu)：單粒結(jié)構(gòu)：組成砂、礫等粗粒土的基本結(jié)構(gòu)類型，顆粒較粗大，比表面積小，顆粒之間是點接觸，幾乎沒有連結(jié)，粒間相互作用的影響較之重力作用的影響可忽略不計，是重力場作用下堆積而成的。 單粒結(jié)構(gòu)土的工程性質(zhì)，除與密實程度密實程度有關(guān)外，還與顆粒大小、級配、土粒的表面形狀及礦物成分顆粒大小、級配、土粒的表面形狀及礦物成分類型有關(guān)。2.6Nanjing University of Technolog