第2章土的物質(zhì)組成及土水相互作用

1、第2章 土的物質(zhì)組成及土水相互作用2.1 概述土是自然界中性質(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，破碎成大小不等的顆粒，這些顆粒在各種形式的外力作用下，被搬運到適當(dāng)?shù)沫h(huán)境里沉積下來，就形成了土。初期形成的土是松散的，顆粒之間沒有任何聯(lián)系。隨著沉積物逐漸增厚，產(chǎn)生上覆土層壓力，使得較早沉積的顆粒排列漸趨穩(wěn)定，顆粒之間由于長期的接觸產(chǎn)生了一些膠結(jié)，加之沉積區(qū)氣候干濕循環(huán)、冷熱交替的持續(xù)影響，最終形成了具有某種結(jié)構(gòu)連結(jié)的地質(zhì)體（工程地質(zhì)學(xué)中稱為土體），并通常以成層的形式（土層）廣泛覆蓋于前第四紀(jì)堅硬的巖層（巖體）

2、之上。天然形成的土通常由固體顆粒、液體水和氣體三個部分（俗稱三相）組成。固體顆粒是土的最主要物質(zhì)成分，由許多大小不等、形態(tài)各異的礦物顆粒按照各種不同的排列方式組合在一起，構(gòu)成土的骨架，亦稱土粒。天然土體中土粒的粒徑分布范圍極廣，不同土粒的礦物成分和化學(xué)成分也不一樣，其差別主要由形成土的母巖成分及搬運過程中所遭受的地質(zhì)引力所控制。土是松散沉積物，土粒間存在孔隙，通常由液體的水溶液和氣體充填。天然土體孔隙中的水并非純水，其中溶解有多種類型和數(shù)量不等的離子或化合物（電解質(zhì)）。若將土中水作為純凈的水看待，根據(jù)土粒對極性水分子吸引力的大小，則吸附在土粒表面的水有結(jié)合水和非結(jié)合水之分。對于非飽和土而言，孔

3、隙中的氣體通常為空氣。土的上述三個基本組成部分不是彼此孤立地、機械地混合在一起，而是相互聯(lián)系、相互作用，共同形成土的基本特性。特別是細小的土粒具有較大的表面能量，它們與土中水相互作用，由此產(chǎn)生一系列表面物理化學(xué)現(xiàn)象，直接影響著土性質(zhì)的形成和變化。土的結(jié)構(gòu)這一術(shù)語主要用于從微觀的尺度描述土粒的排列組合和粒間連結(jié)，而土的構(gòu)造則從宏觀上反映了不同土層（包括夾層）的空間組合特征。土的成分和結(jié)構(gòu)共同決定了土的工程性質(zhì)。本章關(guān)于土的物質(zhì)組成、土水相互作用和土的結(jié)構(gòu)構(gòu)造的闡述，構(gòu)成了土質(zhì)學(xué)的主要研究內(nèi)容。所涉及的基本概念和基本理論，對于從本質(zhì)上把握土在荷載作用下的工程性質(zhì)（強度、變形及其隨時間的變化規(guī)律）是

4、必不可少的。土的任何復(fù)雜的工程行為必然有其內(nèi)在的控制因素，對此我們都可以從關(guān)于土的本質(zhì)的研究中找到解答。2.2 土的粒度成分 粒組及其劃分天然形成的土，其土粒大小懸殊、性質(zhì)各異。土粒的大小通常以其平均直徑d來表示，簡稱粒徑（亦稱粒度），一般以毫米為單位。界于一定粒徑范圍的土粒，其大小相近、性質(zhì)相似，稱為粒組。土中各粒組的相對百分含量，稱為土的粒度成分。自然界中的土粒直徑變化幅度很大。工程上所采用的粒組劃分首先應(yīng)滿足在一定的粒度范圍內(nèi)，土的工程性質(zhì)相近這一原則，超過了這個粒徑范圍，土的性質(zhì)就要發(fā)生質(zhì)的變化。其次，粒組界限的確定，則視起主導(dǎo)作用的特性而定，而且，要考慮與目前粒度成分的測定技術(shù)相適應(yīng)

5、。我國目前廣泛采用兩種粒組劃分方案，如表2-1。我國的粒組劃分方案 表2-1粒組的粒徑范圍（mm）粒組的名稱方案一方案二d>200漂石粒（塊石粒）巨粒漂石粒（塊石粒）200d60卵石粒（碎石粒）卵石粒（碎石粒）60d20粗粒礫粒粗礫粒20d2圓礫粒（角礫粒）細礫粒2d0.5砂粒粗砂粒粗0.5d0.25中中0.25d0.075細細0.075d0.005粉粒細粒粉粒0.005d粘粒粘粒注：漂石、卵石和圓礫粒呈一定的磨圓狀（圓形或亞圓形），塊石、碎石和角礫粒帶有棱角。方案一見國家標(biāo)準(zhǔn)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范（GBJ7-89）和巖土工程勘察規(guī)范（GB50021-94）。方案二見國家標(biāo)準(zhǔn)土的分類標(biāo)準(zhǔn)（

6、GBJ145-90）。可以看出，兩種方案的劃分基本一致，唯一不同的是方案二將方案一中卵石粒的粒徑下限由20mm提高到60mm，以便與世界上多數(shù)國家的一般規(guī)定相一致。表2-1中各粒組的一般特征如下：漂、卵、礫粒組：多為巖石碎塊。由這種粒組構(gòu)成的土，孔隙粗大，透水性極強，毛細上升高度微小甚至沒有；無論干燥或潮濕狀態(tài)下均無粒間連結(jié)，既無可塑性，也無膨脹性。砂粒組：多為原生礦物顆粒。由這種粒組構(gòu)成的土，孔隙較大，透水性強，毛細上升高度很?。粷駮r粒間有彎液面力，能將顆粒連結(jié)在一起；干時及飽水時，粒間無連結(jié)，呈松散狀態(tài)，既無可塑性，也無脹縮性。粉粒組：為原生礦物和次生礦物的混合體。由該粒組構(gòu)成的土，孔隙小

7、而透水性弱，毛細上升高度很高；濕潤時略具粘性，失去水分時粒間連結(jié)力減弱，導(dǎo)致塵土飛揚。粘粒組：主要由次生礦物組成。由該粒組構(gòu)成的土，孔隙很小，透水性極弱，毛細上升高度較高；具可塑性和脹縮性；失水時連結(jié)力增強使土變硬。 粒度成分的測定方法土的粒度成分，通常以土中各粒組的質(zhì)量百分率來表示，這就要求對土進行粒度分析，分離出土中各個粒組，分別稱取質(zhì)量，然后計算出各粒組的質(zhì)量占該土總質(zhì)量的百分數(shù)。不同類型的土，采用不同的分析方法。粗粒土采用篩析法，細粒土采用靜水沉降分析法。篩析法：對于粒徑大于0.075mm的粗粒土，可用篩析法測定粒度成分。試驗時將風(fēng)干、分散的代表性土樣通過一套孔徑不等的標(biāo)準(zhǔn)篩（20、2

8、、0.5、0.25、0.1、0.075mm），稱出留在各個篩子上的土的質(zhì)量，即可求出各個粗粒組在土樣中的相對含量。靜水沉降分析法：粒徑小于0.075mm的粉粒或粘粒難以篩分，一般可根據(jù)土粒在水中勻速下沉?xí)r的速度與粒徑的理論關(guān)系，用比重計法或移液管法測定（詳見土工試驗指導(dǎo)書）。 粒度分析成果表示方法實驗得到的粒度分析資料，可以采用多種方法表示，借以找出粒度成分變化的規(guī)律性。最常用的表示方法是列表法和累計曲線法。列表法：將粒度分析的成果，用表格的形式表達。這種方法可以清楚地用數(shù)量說明土樣各粒組的含量，但當(dāng)土樣數(shù)量較多時，不能獲得較為直觀的結(jié)果。累計曲線法：以粒徑d為橫座標(biāo)，以該粒徑的累計百分含量為

9、縱座標(biāo)，繪制顆粒級配的累計曲線。累計曲線的座標(biāo)系一般采用半對數(shù)座標(biāo)。因為土粒粒徑大小相差常在百倍、千倍以上，為清楚地反映細粒組成，粒徑d宜用對數(shù)座標(biāo)表示，如圖2-1。根據(jù)累計曲線，可以求出反映顆粒組成特征的級配指標(biāo)不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc。不均勻系數(shù)按下式計算 （2-1）式中 d60限定粒徑（mm），即土樣中小于該粒徑的土粒質(zhì)量占土?？傎|(zhì)量的60%；d10有效粒徑（mm），即土樣中小于該粒徑的土粒質(zhì)量占土?？傎|(zhì)量的10%。圖2-1 顆粒級配累計曲線曲率系數(shù)按下式計算 （2-2）式中 d30土樣中小于該粒徑的土粒質(zhì)量占土粒總質(zhì)量的30%的粒徑值（mm）。工程中，當(dāng)5，=13時，稱土的級配良好

10、，為不均勻土，表明土中大小顆?；祀s，累計曲線顯得平緩；若不能同時滿足上述要求，則稱土的級配不良，為均勻土，表明土中某一個或幾個粒組含量較多，累積曲線中段顯得陡直。d10之所以稱為有效粒徑，是因為它是土中最有代表性的粒徑。其物理含義是：由一種粒徑土組成的理想均勻土，如與另一個非均勻土具有相等的透水性，那么這個均勻土的粒徑應(yīng)與這個不均勻土的粒徑d10大致相等。d10常見于機械潛蝕，透水性、毛細性等經(jīng)驗公式中。例2-1有a、b兩個土樣，根據(jù)粒度分析試驗成果所作的顆粒級配累計曲線見圖2-1。試分別判斷兩個土樣的顆粒級配情況。解：對土樣a，d10=0.5，d30=4.2，d60=18，按式(2-1)及(

11、2-2)求得不均勻系數(shù)=36，曲率系數(shù)=1.96；對土樣b，d10=0.2，d30=0.4，d60=0.84，按同樣公式可求得不均勻系數(shù)=4.2，=0.95。故土樣a為級配良好的不均勻土，作為填方工程的土料時，比較容易獲得較小的孔隙比（較大的密實度）。土樣b為級配不良的均勻土，土的顆粒主要為粒徑0.252mm的中、粗砂粒。表現(xiàn)在顆粒累計曲線上，a土樣的累計曲線顯得比較平緩，而b土樣的累計曲線中段比較陡直。2.3 土的礦物成分和化學(xué)成分 土的礦物成分土中的固體顆粒是由礦物構(gòu)成的。按其成因和成分可分為原生礦物、次生礦物、有機質(zhì)等。（一）原生礦物土中的原生礦物是巖石風(fēng)化過程中的產(chǎn)物，保持了母巖的礦物

12、成分和晶體結(jié)構(gòu)，常見的如石英、長石、角閃石、云母等。這些礦物是組成土中卵石、礫石、砂粒和某些粉粒的主要成分。原生礦物的主要特點是：顆粒粗大，物理、化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，抗水性和抗風(fēng)化能力較強，親水性弱或較弱。它們對土的工程性質(zhì)的影響比其它幾種礦物要小得多，主要差別表現(xiàn)在顆粒形狀、堅硬程度和抗風(fēng)化穩(wěn)定性等幾方面。例如，分別由石英和云母類礦物組成的土，盡管土的粒度成分和密實度相同。但由于石英的堅硬程度、抗風(fēng)化能力遠大于云母，故主要由石英顆粒組成的土，其強度將遠大于由云母顆粒組成（或含云母較多）的土，其變形相應(yīng)也小得多。（二）次生礦物母巖風(fēng)化后及在風(fēng)化搬運過程中，如果原來的礦物因氧化、水化及水解、溶解等

13、化學(xué)風(fēng)化作用而進一步分解，就會形成一種新礦物，這就是次生礦物，其顆粒比原生礦物細小得多。自然界土體中常見次生礦物又分為兩種類型，一種是原生礦物的一部分，可溶的物質(zhì)被溶濾到別的地方沉淀下來，形成“可溶性次生礦物”；另一種是原生礦物中可溶的部分被溶濾走后，殘存的部分性質(zhì)已發(fā)生變化，形成新的“不可溶性次生礦物”。1 可溶性次生礦物又稱溶鹽礦物，通常以離子狀態(tài)存在于土的孔隙溶液中。陽離子有K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe2+等，陰離子有C1-、等。當(dāng)土中含水量降低（如蒸發(fā)作用影響）或介質(zhì)溶液的PH值發(fā)生變化，這些礦物便會結(jié)晶析出在土顆粒表面，在土中起暫時性膠結(jié)作用。當(dāng)外部條件發(fā)生變化，如土中含水

14、量增加，結(jié)晶的鹽類會重新溶解，先前的暫時性膠結(jié)將部分或全部喪失。溶鹽礦物按溶解度大小可分為易溶鹽、中溶鹽和難溶鹽。例如，我國北方地區(qū)的黃土，粒間以微晶碳酸鈣和硫酸鈣（難溶鹽類）膠結(jié)，遇水受壓后容易發(fā)生突然沉陷。還有一種見于青海地區(qū)的鹽土，顆粒成分和外觀與黃土相似，不同的是粒間以微晶氯化鈉和氯化鎂（易溶鹽類）膠結(jié)，遇水后濕陷特別快。2 不可溶性次生礦物土中常見的該類礦物包括游離氧化物和粘土礦物。（1）游離氧化物這是由三價的Fe、Al，二價的Si和O、OH、H2O等組成的礦物，如針鐵礦（Fe2O3·H2O）、褐鐵礦（Fe2O3·3H2O）、三水鋁石（Al2O3·2H2

15、O）、二氧化硅（SiO2·nH2O）等。大多數(shù)土中，游離氧化物僅僅是其中的次要成分，但它起的作用卻不容忽視。它們大多呈凝膠狀，部分呈微結(jié)晶，顆粒極為細小，性質(zhì)穩(wěn)定，親水性弱，膠結(jié)能力強。它們或是包裹在顆粒的表面，或是沉淀在貫通的孔隙壁上，將土粒牢固地膠結(jié)在一起。如我國南方的紅粘土，其所含水分和孔隙數(shù)量與軟土相當(dāng)，但工程性質(zhì)卻比軟土好得多，根源就在于紅粘土中游離氧化物含量較高，且多在粒間起穩(wěn)定的膠結(jié)作用，大大提高了紅粘土的結(jié)構(gòu)連結(jié)強度，使之具有較高的承載能力和較低的變形特性。（2）粘土礦物粘土礦物是原生礦物長石、云母等硅酸鹽礦物經(jīng)化學(xué)風(fēng)化形成的，硅酸鹽礦物由兩部分構(gòu)成，它們是硅氧四面體

16、和鋁氫氧八面體。硅氧四面體：由一個硅原子和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（圖2-2a）。四面體中的三個氧被共用，橫向連結(jié)成六角形的網(wǎng)格（圖2-2b）。四面體的底在一個平面上，所有尖端指向同一方向。每個硅原子有四個正電荷，每個氧原子有兩個負電荷，這樣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電荷。硅氧四面體晶片的符號如圖2-2c。鋁氫氧八面體：由六個氫氧離子圍繞一個鋁離子構(gòu)成的八面體晶片（圖2-3a）。八面體中每個氫氧離子均為三個八面體共有，許多八面體以這種方式連結(jié)在一起，形成八面體單位的片狀結(jié)構(gòu)（圖2-3b）。鋁為正三價，氫氧為負一價，每個八面

17、體只能以兩個負電荷抵消鋁離子的一個正電荷，還剩下一個正電荷，故每個八面體都是正一價的。鋁氫氧八面體的晶片符號如圖2-3c。硅氧四面體和鋁氫氧八面體這兩種基本單元以不同的比例組合，就形成了不同類型的粘土礦物。土中常見的粘土礦物有高嶺石、伊利石、蒙脫石三大類。a. 高嶺石：一層硅氧四面體晶片和一層鋁氧八面體晶片結(jié)合，形成一個單位晶胞，如圖2-4a。由于每個硅氧四面體具有一個正電荷，每個鋁氧八面體帶有一個負電荷，使兩者以離子鍵（氫鍵）形成牢固連結(jié)，形成一個厚約的單位晶胞。高嶺石的構(gòu)造就是這種晶胞在水平面上無限延伸，沿垂直方向相互重疊而成。高嶺石晶胞間具有較強的氫鍵連結(jié)，水較難滲入其間，其顆粒一般較粗

18、，親水性弱，因而主要由這類礦物組成的土，膨脹性和壓縮性都較低。b. 蒙脫石：蒙脫石單位晶胞的上下面均為硅氧四面體晶片，中間夾一個鋁氧八面體晶片，如圖2-4b。蒙脫石的構(gòu)造就是許多上述晶胞在水平面上延伸，并順著垂直方向一層層疊置而成的。由于晶胞兩邊都為帶負電荷的硅氧四面體，相鄰晶胞間由相同的氧原子相接，這種連結(jié)既弱也不穩(wěn)固，水分子很容易楔入其間，以致將其分散為極細小的鱗片狀顆粒，并使晶格沿垂直方向膨脹。故含蒙脫石礦物較多的土對環(huán)境的干濕變化比較敏感：土體濕度增高時，體積膨脹并形成膨脹壓力；土體失水時，體積收縮并產(chǎn)生收縮裂隙。而且這種脹縮變形可隨環(huán)境變化往復(fù)發(fā)生，導(dǎo)致土的強度衰減。c. 伊利石：伊

19、利石是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)造與蒙脫石相似，也是兩片硅氧四面體夾鋁氧八面體構(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，如圖2-4c。伊利石相鄰晶胞間由鉀離子連結(jié)，這種連結(jié)較之高嶺石層間的氫鍵連結(jié)為弱，但比蒙脫石層間的水分子連結(jié)要強，所以它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。（三）有機質(zhì)工程上俗稱的軟土（包括淤泥和淤泥質(zhì)土）及泥炭土中富含有機質(zhì)。土中的有機質(zhì)是動植物殘骸和微生物以及它們的各種分解和合成產(chǎn)物。通常把分解不完全的植物殘體稱為泥炭，其主要成分是纖維素；把分解完全的動、植物殘骸稱為腐殖質(zhì)。有機質(zhì)

20、對土的工程性質(zhì)的影響主要取決于其齡期、分解程度，即取決于有機質(zhì)的數(shù)量及性質(zhì)。掃描電鏡下腐殖質(zhì)呈多孔海綿狀，顆粒細小，這決定了它極具活性和親水性。通常腐殖質(zhì)并不單獨存在，而是緊緊地吸附在礦物顆粒表面，形成有機質(zhì)-礦物復(fù)合體。從工程觀點看，有機質(zhì)（特別是分解完全的腐殖質(zhì)）會導(dǎo)致土的塑性增強，壓縮性增高，滲透性減小，強度降低。一般地，土中有機質(zhì)含量超過1%時，采用堆載預(yù)壓和水泥土攪拌進行處理不會取得明顯改良效果。 土的化學(xué)成分土的化學(xué)成分是指組成土的固相，液相和氣相中的化學(xué)元素、化合物的種類及其相對含量。土中含有大量的氧、硅、鋁、鐵、鈣、鎂、鉀、鈉等元素，此外還有微量元素硫、磷、錳、銅、鋅等，這些元

21、素均以化合物的形式存在于土中。對土的固體相化學(xué)成分，主要是研究不可溶性次生礦物的化學(xué)成分，目的是判斷主要粘土礦物成分，或檢驗其它方法的鑒定結(jié)果。測定固體相化學(xué)成分的方法稱全量化學(xué)分析法（粘土礦物全量分析法），即提取小于2m的粘粒，測定硅、鋁、鐵、鈣、鉀、鈉等組成粘土礦物的主要元素，以各元素氧化物的百分含量來表示。研究化學(xué)成分有助于鑒別其礦物種類，并可進一步研究粘粒與溶液相互作用特征。例如，如果測定的K2O含量較高，則土中必含有較多伊利石。MgO含量較多，說明土中存在蒙脫石礦物。高嶺石的特征化合物Al2O3含量可達40%左右，故含高嶺石的土，其Al2O3含量必然較高。再如，我國區(qū)域性土的研究表明

22、，黃河以北的黃土和次生黃土，其特征化學(xué)元素為鈣；長江以南的紅土，其特征元素為鐵；而黃河、長江之間廣泛分布的脹縮性土和非脹縮性的下蜀粘土，特征化學(xué)元素以鉀為主。這些特征化學(xué)元素，反映了在規(guī)律變化的氣候條件下，土中發(fā)生的有規(guī)律的風(fēng)化、淋溶作用和區(qū)域性土的內(nèi)在變化規(guī)律。土的液相化學(xué)成分主要是易溶鹽和中溶鹽類。當(dāng)土干燥時，易溶鹽呈固態(tài)，起膠結(jié)土粒的作用。當(dāng)土中含水份較多時，易溶鹽則溶解成離子，使土體的性質(zhì)發(fā)生作用。即使是難溶鹽，仍會有一部分碳酸鈣溶于水中，呈游離的離子，增加了土粒表面反離子的濃度，影響土體的工程性質(zhì)（表2-2）。液體相陽離子成分對土的工程地質(zhì)性質(zhì)的影響 表2-2 陽離子種類土的工程性質(zhì)

23、三價二價一價擴散層厚度薄中厚分散程度小中大可塑性小中大膨脹性小中大透水性大中小毛細性小中大壓縮性小中大抗剪強度大中小注：表中所列毛細性規(guī)律僅對粉質(zhì)粘土和粉土而言土中氣體相的化學(xué)成分一般不予研究，只是在特殊情況下，如當(dāng)土體中有害氣體影響坑道掘進時才加以討論。2.4 土中的水和氣體在自然條件下，土中總是含有水份的，飽和土中的孔隙完全被水溶液充填。如果是非飽和土，除水之外，還有氣體充填其間。其中，尤以水的數(shù)量、類型和性質(zhì)對土的影響更為重要。 土中的水土中的水可分為礦物中的結(jié)合水和土孔隙中的水。礦物中的結(jié)合水僅存在于土粒礦物結(jié)晶格架內(nèi)部或參與礦物晶格構(gòu)成，稱為礦物內(nèi)部結(jié)合水或結(jié)晶水。只在數(shù)百度高溫下析

24、出而與土粒分離，我們通常把它當(dāng)作礦物顆粒的一部分。土孔隙中的水，按其所呈現(xiàn)的狀態(tài)和性質(zhì)及其對土的影響，分為結(jié)合水和非結(jié)合水兩種類型：（一）結(jié)合水結(jié)合水是指受分子引力、靜電引力等作用而吸附于土粒表面的水。土中的粗顆粒不會吸附孔隙中的水，只有細小的粘粒才會把孔隙中的水分子牢牢吸附在自己周圍，形成一層水膜。研究表明，把水分子固定在粘粒表面的力來自水和粘粒的相互作用，主要包括：1表面電荷對極性水分子的吸引作用土粒是巖石經(jīng)破碎、搬運、磨蝕等長期作用形成的，細小土粒的礦物成分不可能保持其完整的結(jié)晶格架，使土粒帶有電荷，在顆粒周圍形成靜電引力場。水分子是由兩個氫原子和一個氧原子結(jié)合成的極性分子，兩個氫原子彼

25、此間約成105°的夾角，聯(lián)結(jié)在一個氧原子上，呈不對稱排列（圖2-5a），這就使得氧端的負電荷過剩，氫端的正電荷過剩。當(dāng)土水相互作用時，在土粒表面靜電引力的作用下，靠近土粒表面的水分子失去了活動能力，整齊、緊密地排列起來；隨著距土粒表面距離增加，靜電引力的逐漸減弱，水分子也逐漸變成自由的液態(tài)水了。2 氫鍵聯(lián)結(jié)片狀粘土礦物晶胞層面一般暴露的是硅氧四面體底部的氧或八面體底部的氫氧，它們分別和水分子的正端和負端相吸引，形成很強的氫鍵，致使水分子被吸引并固定到粘土顆粒的表面上來。3 水化陽離子吸附土中水是水溶液，含有多種電解離子，這些離子由于靜電引力作用吸引極性水分子，形成水化離子（圖2-5b

26、）。吸附在土粒表面的陽離子，因而把水分子帶到土粒表面。4 滲透吸附當(dāng)水溶液中的陽離子不斷被吸引到通常帶負電的土粒表面，陽離子濃度增加，為了使水中離子達到平衡，一方面陽離子向外擴散，同時水分子向土粒表面滲透，也使得土粒表面發(fā)生水化。土粒表面的結(jié)合水就是由上述各種作用形成的，結(jié)合水愈靠近土粒表面，吸引越牢固，水分子排列愈緊密、整齊，活動性愈小。隨著距離增大，吸引力減弱，活動性增加。因此，一般又將結(jié)合水分為強結(jié)合水和弱結(jié)合水。而水膜外沒有受土粒表面吸引作用的水，相對地稱為非結(jié)合水。如圖2-6所示。1 強結(jié)合水也稱吸著水，是被土粒表面牢固吸附的極薄水層，其厚度大致相當(dāng)幾個水分子層。由于受土粒表面強大引

27、力（可達106kPa）作用，吸著水完全不同于液態(tài)水：密度大，可達1.5-1.8g/cm3；力學(xué)性質(zhì)類似固體，具有極大的粘滯性、彈性、抗剪強度；不能傳遞靜水壓力、不能導(dǎo)電，也沒有溶解能力；冰點為-78。粘性土只含強結(jié)合水時呈固態(tài)，碾碎后呈粉未狀。2 弱結(jié)合水也稱薄膜水，距土粒稍遠，位于強結(jié)合水層的外圍，是結(jié)合水膜的主要部分。弱結(jié)合水層仍呈定向排列，但定向程度及與土粒表面連結(jié)的牢固程度均不及強結(jié)合水。其主要特點是：密度較強結(jié)合水小，但仍比普通液態(tài)水大；具較高的粘滯性、彈性、抗剪強度；不能傳遞靜水壓力，也不導(dǎo)電；冰點低于0。弱結(jié)合水層厚度的大小是決定細粒土物理力學(xué)性質(zhì)的重要因素，這一點將在后面加以論

28、述。圖2-6 粘粒表面的水總之，結(jié)合水的性質(zhì)不同于普通液態(tài)水，不受重力影響，主要存在于細粒土中，土粒表面靜電引力對水分子起主導(dǎo)作用。強結(jié)合水具有固體的特性，我們把它歸屬于固相部分。弱結(jié)合水層（也叫結(jié)合水膜）的厚度變化是決定細粒土物理力學(xué)性質(zhì)重要因素之一。隨著距土粒表面距離增大，靜電引力減小，土中水逐漸過渡到非結(jié)合水。（二）非結(jié)合水非結(jié)合水是指土?？紫吨谐鐾亮１砻骒o電引力作用范圍的普通液態(tài)水。主要受重力作用控制，能傳壓導(dǎo)電，溶解鹽分，在攝氏零度結(jié)冰。其典型代表是重力水。介于重力水和結(jié)合水之間的過渡類型水為毛細水。1 毛細水毛細水是在土的細小孔隙中，由毛細力作用（土粒的分子引力和水與空氣界面的表

29、面張力共同作用引起）而與土粒結(jié)合，存在于地下水面以上的一種過渡類型水。其形成過程可用物理學(xué)中的毛細管現(xiàn)象來解釋。水與土粒表面的浸濕力（分子引力）使接近土粒的水上升而使孔隙中的水面形成彎液面，水與空氣界面的內(nèi)聚力（表面張力）則總是企圖將液體表面積縮至最小，使彎液面變?yōu)樗矫妗５?dāng)彎液面的中心部分有所升起時，水面與土粒間的浸濕力又立即將彎液面的邊緣牽引上去。這樣，浸濕力使毛細水上升，并保持彎液面，直到毛細水柱的重力與彎液面表面張力向上的分力平衡時，水才停止上升。這種由彎液面產(chǎn)生的向上拉力稱為“毛細力”，由毛細水維持的水柱部分水稱為毛細水。毛細水主要存在于直徑為0.0020.5mm大小的毛細孔隙中。

30、孔隙更小者，土粒周圍的結(jié)合水膜有可能充滿孔隙而使毛細水不復(fù)存在。粗大的孔隙，毛細力極弱，難以形成毛細水。故毛細水主要存在于粉細砂、粉土和粉質(zhì)粘土中。毛細水對土的工程性質(zhì)的影響主要表現(xiàn)在：（1）在非飽和的砂類土中，土粒間可產(chǎn)生微弱的毛細水連結(jié)，增加土的強度。但當(dāng)土體浸水飽和或失水干燥時，土粒間的彎液面消失，由毛細力產(chǎn)生的粒間連結(jié)也隨之消失。因此，為安全及從最不利可能條件考慮，工程設(shè)計中一般不計入由毛細水產(chǎn)生的強度增量，反而必須考慮由于毛細水上升使土的含水量增加，從而降低土的強度以及增大土的壓縮性等不利影響。（2）當(dāng)毛細水上升接近建筑物基礎(chǔ)底面時，毛細壓力將作為基底附加壓力的增值，從而增加建筑物沉

31、降量。（3）當(dāng)毛細水上升至地表時，不僅能引起沼澤化、鹽漬化，也會使地基、路基土浸濕，降低土的力學(xué)強度；在寒冷地區(qū)，還將加劇凍脹作用。2 重力水重力水也稱自由水，存在于較粗大孔隙（如中粗砂、卵礫石土中的孔隙）中，具有自由活動能力，在重力作用下能自由流動。重力水流動時，產(chǎn)生動水壓力，能沖刷帶走土中的細小顆粒，這種作用稱為機械潛蝕。重力水還能溶濾土中的水溶鹽，這種作用稱化學(xué)潛蝕。兩種潛蝕作用將使土的孔隙增大，增大土的壓縮性，降低土的強度。同時，地下水面以下飽水的土重及工程結(jié)構(gòu)的重量，因受重力水的浮托作用，將相對減小。3 氣態(tài)水和固態(tài)水氣態(tài)水以水氣狀態(tài)存在，從氣壓高的地方向氣壓低的地方移動。水氣可在土

32、粒表面凝聚并轉(zhuǎn)化為其它各種類型的水。氣態(tài)水的遷移和聚集使土中水和氣體的分布狀況發(fā)生變化，從而改變土的性質(zhì)。常壓下，當(dāng)溫度低于0時，孔隙中的自由水凍結(jié)呈固態(tài)，往往以冰夾層、冰透鏡體、細小的冰晶體等形式存在于土中。冰在土中起暫時膠結(jié)作用，提高了土的強度，但解凍后，土體的強度反而會降低，因為從液態(tài)水轉(zhuǎn)為固態(tài)水時，體積膨脹，使土中孔隙增大，解凍后土的結(jié)構(gòu)變得松散。 土中的氣體土中的氣體，主要為空氣和水氣。但有時也可能含有較多的二氧化碳、沼氣及硫化氫等，這些氣體大多因生物化學(xué)作用生成。氣體在土孔隙中有兩種不同存在形式。一種是封閉氣體，另一種是游離氣體。游離氣體通常存在于近地表的包氣帶中，與大氣連通，隨外

33、界條件改變與大氣有交換作用，處于動平衡狀態(tài)，其含量的多少取決于土孔隙的體積和水的充填程度。它一般對土的性質(zhì)影響較小。封閉氣體呈封閉狀態(tài)存在于孔隙中，通常是由于地下水面上升，而土的孔隙大小不一，錯綜復(fù)雜，使部分氣體沒能逸出而被水包圍，與大氣隔絕，呈封閉狀態(tài)存在于部分孔隙內(nèi)。它對土的性質(zhì)影響較大，如降低土的透水性和使土不易壓實等。飽水粘性土中的封閉氣體在壓力長期作用下被壓縮后，具很大內(nèi)壓力，有時可能沖破土層個別地方逸出，造成意外沉陷。在淤泥和泥炭質(zhì)土等有機土中，由于微生物的分解作用，土中聚積有某種有毒氣體和可燃氣體，例如CO2、H2S和甲烷等。其中尤以CO2的吸附作用最強，并埋藏于較深的土層中，含

34、量隨深度增大而增多。土中這些有害氣體的存在不僅使土體長期得不到壓密，增大土的壓縮性，而且當(dāng)開挖地下工程揭露這類土層時會嚴重危害人的生命安全。2.5 土水相互作用土水相互作用就是研究土中的固體顆粒與孔隙中的水（通常為電解液）相互作用后產(chǎn)生的一系列特性。卵礫、砂粒，由于顆粒粗大，比表面積小，表面能小，與水相互作用后，對土的工程性質(zhì)影響不大；而細小的粘粒，比表面積大，表面能大，活性強，與水相互作用后表現(xiàn)出一系列表面現(xiàn)象，直接影響細粒土工程性質(zhì)的形成與變化，甚至土的性質(zhì)改良也與之密切相關(guān)。因此研究土粒與水的相互作用更具有理論和實踐意義。 土粒的表面積和比表面積土是分散體系，固體相的土粒構(gòu)成分散體系中的

35、分散相，液體相的孔隙水構(gòu)成其分散介質(zhì)。分散相由分散程度不同的顆粒組成，通常用比表面積來表示其分散程度。比表面積S就是每克或每立方厘米的分散相中所有顆粒的總表面積，單位為m2/g 。以單個土粒為例，假設(shè)土粒呈球形，直徑為d，則： （2-3）此式表明，土粒的比表面積與粒徑d成反比：土粒直徑愈大，則比表面積愈小。表2-3列舉了不同粒徑的土粒及其總表面積。由表2-3可知，一定體積粘粒（d=0.0005cm）的表面積是同體積粗粒（d=0.05cm）的100倍。土粒本身就是礦物顆粒，在其表面斷鍵或晶面出露處帶有電荷或氫鍵，在土粒周圍形成靜電引力場，這就使得土粒具有了表面能。當(dāng)土粒與孔隙水相互作用時，表面能

36、有自發(fā)變小的傾向，就在其周圍形成了水化膜。顯然，一定量的粘粒表面水化膜的總體積要大于同體積的粗砂或粉粒水化膜總體積的數(shù)十倍乃至數(shù)百倍。兩者的工程性質(zhì)亦有很大差別：粘粒具有可塑性，脹縮性、內(nèi)聚力等特性，而砂粒和礫粒不具有這些性質(zhì)。這就是粒度成分不同的土，其工程性質(zhì)會表現(xiàn)出如此巨大差異的原因。土粒的比表面積除受土粒大小控制外，土粒的形狀也起著重要的作用：球形顆粒每單位體積的表面積最小，而板狀片狀顆粒的表面積最大（表2-4）。組成粘粒的蒙脫石、伊利石、高嶺石等粘土礦物都呈鱗片狀，有的呈針狀或桿狀，特別是蒙脫石類礦物具有膨脹格架，比表面積最大，約為800m2/g；伊利石次之，約80m2/g；高嶺石較小

37、，約20m2/g。砂粒、粉粒主要由未風(fēng)化的原生礦物組成，形狀多呈立方體或球狀，比表面積要小得多。因此，土粒比表面積的大小，不但取決于土粒徑的大小，而且與土粒的形狀有關(guān)。而土粒的形狀又往往取決于礦物成分。在等效粒徑相同的條件下，顆粒的形狀是決定的因素。粘粒顆粒細小又多成片或桿狀，故比表面積較大，具有較大的表面能，與水的作用強烈。而粉粒、砂粒比表面積較小，表面能也小，與水的相互作用表現(xiàn)不明顯。土粒大小與表面積的關(guān)系 表2-3土粒直徑顆粒名稱每個土粒的體積在/6cm3中的土粒數(shù)總表面積（d 2×土粒數(shù)）/cm22卵石0.1251.570.2礫石1.25×10215.710.05粗

38、砂8×10362.830.025中砂6.4×104125.660.01細砂1×106314.160.005粉粒8×106628.320.0005粘粒8×1096283.20.0002膠粒125×10915708.0比表面積與顆粒形狀關(guān)系 表2-4顆粒形狀半徑（cm）體積(cm3)表面積(cm2)表面積增加%球形1×10-44.2×10-121.26×10-7圓板狀厚度（cm）1×10-41.15×10-44.2×10-121.56×10-7245×10-5

39、1.67×10-44.2×10-121.84×10-7462×10-52.58×10-44.2×10-124.51×10-72581×10-53.65×10-44.2×10-128.59×10-7539 粘粒表面的擴散雙電層由于粘粒具有較大的比表面積，可與孔隙溶液相互作用，在其表面形成雙電層。外界條件的變化，往往首先影響孔隙溶液的成分、濃度、PH值的變化，從而改變雙電層的性狀，導(dǎo)致土的工程性質(zhì)發(fā)生變化。（一）粘粒表面電荷的形成若在潮濕的粘土中插入兩個電極，并通以直流電，可以發(fā)現(xiàn)粘粒向陽

40、極移動，土中液體相部分向陰極移動。這種土粒在電場中移動的現(xiàn)象稱電泳；而液相水的流動現(xiàn)象則稱電滲。這兩種現(xiàn)象是同時發(fā)生的，統(tǒng)稱電動現(xiàn)象。潮濕粘土電動現(xiàn)象說明，粘粒在液體中是帶電的。粘粒表面上電荷的產(chǎn)生，一般有下列三種情況：1 選擇性吸附粘粒吸附溶液中的離子具有規(guī)律性，它總是選擇性地吸附與它自身結(jié)晶格架中相同或相似的離子。若將難溶鹽碳酸鈣組成的粘粒置于氯化鈣(CaCl2)溶液中，因溶液中的鈣離子（Ca2+）與方解石結(jié)晶格架中的鈣離子一致，而氯離子（Cl-）則不同，所以溶液中Ca2+離子被方解石表面吸附，使顆粒表面帶正電；若將方解石置于碳酸鈉（Na2CO3）溶液中，則溶液中的CO32-離子為方解石吸

41、附，使其表面帶負電；若將方解石置于蒸餾水中時，因其具有一定的可溶性，遇水就會發(fā)生解離，生成Ca2+離子及CO32-離子，而CO32-離子與水中的H+離子作用形成重碳酸根離子（HCO3-），這樣使顆粒吸附Ca2+離子表面帶正電荷。2 表面分子解離若粘粒由許多可解離的小分子締合而成，則其與水作用后生成離子發(fā)生基，而后分解，再選擇性地吸附與礦物格架上性質(zhì)相同的離子于其表面而帶電。由次生二氧化硅及游離氧化物組成的粘粒，表面電荷的生成是個很好的例子。次生二氧化硅（SiO2）與水作用后生成偏硅酸（H2SiO3）：SiO2+H2OH2SiO3偏硅酸是一種弱電解質(zhì)，又解離生成SiO32-與H+：H2SiO3S

42、iO32-+2H+硅酸根離子（SiO32-）與顆粒結(jié)晶格架不能分離，因而使顆粒表面帶負電，介質(zhì)中由于含有H+離子而帶正電。水的PH值的改變，只能影響上述反應(yīng)式中的解離程度，不能改變顆粒表面帶電的性質(zhì)。顆粒表面電荷數(shù)量，隨水的PH值增大而遞增。游離氧化物與水作用后，其表面可帶正電，也可帶負電。以三氧化二鋁（Al2O3）為例，其與水作用后生成氫氧化鋁：Al2O3+3H2O2Al(OH)3但是，Al(OH)3在水中解離的情況，隨水的PH值而改變。當(dāng)溶液的PH值小于8.1時，處于酸性環(huán)境中：Al(OH)3Al(OH)2+OH- 當(dāng)溶液PH值大于8.1時，處于堿性環(huán)境中：Al(OH)3Al(OH)2-+

43、H+兩反應(yīng)式說明了三氧化二鋁是兩性化合物；當(dāng)溶液的PH值小于8.1時，Al(OH)2+不能與顆粒表面分離，所以帶正電，反離子為OH離子；當(dāng)溶液pH值大于8.1時，Al(OH)2-與顆粒表面不能分離，而帶負電，反離子為H+離子；當(dāng)溶液的pH值等于8.1時，顆粒表面呈電中性狀態(tài)，這種狀態(tài)稱等電狀態(tài)，此時的pH值稱等電pH值，以pHie表之，它與礦物的種類有關(guān)。Al2O3的pHie為8.1，F(xiàn)e2O3的pHie為7.1。Fe2O3與水作用后的情況與Al2O3類似。 3 同晶替代結(jié)晶學(xué)上，一個四面體或八面體中陽離子的位置不是由常見的陽離子所充填，而是由其它陽離子所占有，而晶體的結(jié)構(gòu)并沒有改變，這種情況

44、稱“同晶替代”。粘土礦物晶格中的同晶替代作用可以產(chǎn)生負電荷，如硅氧四面體片中四價的硅被三價的鋁替代，或者八面體片中三價的鋁被二價的鎂、鐵替代，均可產(chǎn)生了過剩的負電荷。這種負電荷的數(shù)量取決于晶格中同晶替代的多少，而不受介質(zhì)pH值的影響。如蒙脫石可主要由于鋁氧八面體中一部分Al3+離子被Fe2+離子等二價離子替代而產(chǎn)生負電荷，也可能由于Al3+離子替代了硅氧四面體中的一部分Si4+離子而產(chǎn)生負電荷；伊利石主要由于硅氧四面體片中的一部分Si4+離子被Al3+替代形成負電荷，但這些負電荷大部分被層間非交換性K+離子和部分Ca2+、Mg2+、H+等離子所平衡，因此只有少量負電荷表現(xiàn)出來；高嶺石中存在著對

45、Al3+和Si4+的替代，但數(shù)量很少。由于同晶替代產(chǎn)生的負電荷的數(shù)量不受介質(zhì)pH值的影響，這種負電荷稱“永久負電荷”。它們大部分分布在粘土礦物晶層平面上，所吸附的陽離子都是可以交換的。同晶替代是由粘土礦物構(gòu)成的粘粒通常帶負電荷的原因之一。（二）粘粒表面雙電層的結(jié)構(gòu)由于粘土礦物有同晶替代，或其與水相互作用后具選擇性吸附，或其本身的解離，使粘粒表面吸附離子而帶電。這部分緊密地吸附在固相表面的離子稱決定電位離子。因它牢固地被吸附在顆粒表面上，可看做屬于固相的組成部分。帶電粘粒在水中吸附極性水分子于顆粒的周圍形成水化膜；若與溶液作用時，由于靜電引力的作用，吸附溶液中與其電荷符號相反的離子聚集在其周圍（

46、這種離子稱反離子），形成反離子層。在反離子層中的離子實質(zhì)上是水化離子。自然界中不存在純水，都是水溶液，其中包含著各種離子成分。因此，粘粒周圍的水化膜包含著起主導(dǎo)作用的離子和作為主體的水分子。從起主導(dǎo)作用的離子著眼，稱這層為反離子層；如果從作為主體的水分子著眼，則稱結(jié)合水層。粘粒與溶液相互作用后，溶液中的反離子同時受著兩種力的作用：一種是粘粒表面的吸著力，使它緊靠土粒表面；另一種是離子本身熱運動引起的擴散作用力，使離子有離開顆粒表面，擴散到溶液中去的趨勢。這兩種力作用的結(jié)果，使粘粒周圍的反離子濃度隨著與粘粒表面距離的增加而減小，在表面以外的溶液中則呈平衡分布。其中，只有一部分緊靠粘粒的反離子被牢

47、固地吸附著，排列在粘粒的表面上，電泳時和它一起移動，這部分反離子與粘粒表面上的離子形成的帶電層稱固定層（或稱吸附層），如圖2-7中箭頭所示。另一部分距顆粒表面較遠的反離子分布在顆粒的周圍，具有擴散到溶液中去的趨勢，形成與固定層電荷符號相反的另一個帶電層。它的厚度決定于反離子向介質(zhì)中擴散伸入的程度，所以把它稱作擴散層。從固定層的邊緣到擴散層末端的距離作為擴散層的厚度。由決定電位離子層和反號離子層構(gòu)成電性相反的電層稱雙電層。圖2-7 雙電層結(jié)構(gòu)示意圖雙電層內(nèi)的電位隨著顆粒表面距離的增大而遞減。粘粒在電場中并不是固體顆粒單獨移動，而是與緊密結(jié)合在其表面上的固定層一起向一個極移動，而擴散層的離子則向另

48、一極移動。雙電層的總電位乃是固體顆粒與液體界面上的電位差。換言之，就是粘粒表面及其周圍正負離子間總的電位差，稱熱力電位（電位）如圖2-7縱坐標(biāo)oa所示。固定層與擴散層帶有相反的電荷，在兩層之間存著電位差，只有當(dāng)粘粒與介質(zhì)作相對移動時才表現(xiàn)出來，故稱電動電位（電位），如圖2-7所示。它是熱力電位的一部分。雙電層間的電位，在固定層內(nèi)呈直線下降，在擴散層中的電位呈曲線逐漸下降。電位的大小與擴散層厚度有關(guān)，擴散層的厚度可通過電位予以定量表示。電位可用電泳試驗測得，通常用Gouy 等推得的公式計算擴散層的厚度：（2-4）式中：表面電荷密度；d擴散層厚度；D介質(zhì)的介電常數(shù)。 由上式可見，當(dāng)粘粒在某一介質(zhì)中

49、的表面電荷密度一定時，擴散層的厚度d與電位成正比。電位的符號決定于顆粒表面的電荷符號。（三）影響粘粒擴散層厚度的因素由式2-4可見，電位的大小與擴散層厚度有關(guān)，介質(zhì)中離子對電位的影響是離子影響擴散層厚度的結(jié)果。擴散層厚度的變化受顆粒本身的礦物成分、顆粒形狀和大小的影響，還受介質(zhì)的化學(xué)成分、濃度及pH值的影響。顆粒的分散程度愈高，比表面積愈大，對一定量的土來說，擴散層的總體積也愈大。因此，一定量的蒙脫石的擴散層總體積最大，伊利石次之，高嶺石最小。對于由選擇性吸附而形成的雙電層的礦物而言，介質(zhì)中可被選擇吸附的離子濃度愈大，則熱力學(xué)電位愈大，擴散層愈厚；反之，擴散層則愈薄。當(dāng)溶液中反號離子的濃度增加

50、時，可對擴散層中的反號離子起排斥作用，結(jié)果使擴散層中的離子被迫進入固定層，擴散層變薄。由次生二氧化硅、游離氧化物、粘土礦物組成的粘粒，其溶液的pH值將決定著雙電層的熱力學(xué)電位，從而影響到擴散層的厚度。就次生二氧化硅而言，溶液的pH值愈大，其解離程度愈高，則熱力學(xué)電位愈大，電位也愈大。若溶液的pH值小，即氫離子濃度增高，則次生二氧化硅的解離程度小，因此熱力學(xué)電位小，擴散層變薄。對游離氧化物、粘土礦物兩性膠體而言，溶液的pH值不僅決定著雙電層的厚度，并且決定著電位的性質(zhì)。一般情況下，溶液的pH值與礦物的等電pH值之間的差值愈大，則熱力學(xué)電位愈高，擴散層愈厚。若溶液的pH值小于礦物的等電pH值，即在

51、酸性介質(zhì)中，則礦物顆粒表面帶正電。若溶液的pH值大于礦物的等電pH，即在堿性介質(zhì)中，則礦物顆粒表面帶負電。 離子交換粘粒與水溶液相互作用后，吸附在其表面的陽離子（或者陰離子）可與溶液中的陽離子（或者陰離子）進行交換，這種現(xiàn)象稱離子交換。若將吸附著Ca2+離子的土粒置于含有Na+離子的溶液中，則必然有2個一價的鈉離子交換1個兩價的鈣離子：離子交換按等反應(yīng)速度關(guān)系進行，是可逆反應(yīng)，并且服從質(zhì)量作用定律。離子交換作用發(fā)生在反離子層與溶液中相同符號的離子之間，這些離子都稱交換性離子。它們均有交換能力，也就是進入反離子層的能力。但在固定層中，反號離子很少，所以一般認為離子交換是在擴散層與溶液之間進行的。

52、 細粒土中含有較多的粘粒，在自然界中的粘粒一般情況下帶負電，細粒土的離子交換特性可用陽離子交換容量及各種交換性陽離子容量兩個指標(biāo)來表示。交換容量是指在一定條件下，一定量的土中所有土粒的反離子層內(nèi)具有交換能力的離子總數(shù)，以每百克干土中含有多少毫摩爾的交換陽離子來表示。在實際工作中，往往以交換容量（CEC）來說明土粒表面帶電的數(shù)量。土粒表面帶電數(shù)量與顆粒的礦物成分有關(guān)，也與溶液的化學(xué)成分、濃度、pH值有關(guān)。嚴格地講，土的交換容量并非一個常數(shù)，外界條件的變化均能影響細粒土的交換容量。因此，規(guī)定以pH=6.5、濃度為0.05mol/dm3BaCl2的溶液反復(fù)地作用于1kg土上，測得的交換容量稱標(biāo)準(zhǔn)交換

53、容量。土中交換陽離子成分主要有Ca2+、Mg2+、K+ 、H+、Al3+等。測定這些陽離子交換容量，有助于判別土的工程地質(zhì)性質(zhì)。若交換Na+離子含量較高時，遇水后可形成較厚的擴散層，使顆粒間的連結(jié)減弱直至消失。因此，往往用Na+離子交換容量與總交換容量的比例作為分散土（一種特殊土）的判別指標(biāo)之一。若交換Al3+離子含量較高，那么，這種土遇水后，只能形成較薄的擴散層，粒間連結(jié)牢固，強度較高。由此可見，離子交換的結(jié)果引起雙電層厚度的變化。在實際工程中，人們通常改變水溶液的化學(xué)成分，以達到改良細粒土的目的，來滿足工程建筑的要求。根據(jù)試驗，隨著土粒直徑的減小，比表面積的增大，交換容量隨之增高。通常只有

54、小于0.002mm顆粒的交換容量較高。因此，一定量土中粘粒含量與交換容量成正比關(guān)系，粘粒含量愈高，交換容量愈大。顆粒細小的腐殖質(zhì)交換容量最高，土中每增加1%的腐殖質(zhì)，交換容量可增加1mmol/100g，含腐殖質(zhì)愈多的土，交換容量愈高。由此可知，土的交換容量大致反映了粘粒含量及其礦物成分的情況。溶液pH值對交換容量的影響表 2-5粘土礦物不同pH值的交換容量/(mmol·100-1g)PH=2.56.0PH>7蒙脫石47.550高嶺石25此外，溶液的化學(xué)成分、濃度與pH值影響著礦物顆粒表面的帶電數(shù)量，也就影響著電位，而離子交換是在反離子層與溶液中進行的，所以陽離子交換容量反映了顆

55、粒表面帶電的數(shù)量及熱力學(xué)電位的大小。例如，溶液的pH值降低時，H+離子濃度增大，將抑制OH-離子的解離；SiO2與水作用后，溶液pH值降低，解離能力變小，顆粒表面負電荷數(shù)量減小，交換容量就降低。對于粘土礦物，當(dāng)溶液pH值與其等電pH值的差值小，交換容量則??；反之，當(dāng)溶液pH值增大時，交換容量也隨之增高（表2-5）。溶液中陽離子的交換能力與離子的價數(shù)及水化離子半徑有關(guān)。在其它條件相同時，溶液中陽離子交換能力的次序如表2-6所示。高價離子與帶電的粘粒間的吸引能力大，易被土粒吸附，所以高價離子的交換能力大于低價離子；同價離子中隨其水化離子半徑的增大而減小。離子的電場強度與其所帶負電荷數(shù)量成正比，與半

56、徑的平方成反比。因此，小離子吸引了大量水分子在它的周圍形成較厚的水化膜，有較大的有效半徑，與粘粒表面距離較遠，不易被吸引。但離子價效應(yīng)的影響超過水化膜厚度的影響。盡管Mg2+離子的水化離子半徑大于K+、Na+離子，而其交換能力仍然大于它們。離子的解離能力，即進入自由溶液中之能力，恰恰與交換能力相反，交換能力大者解離能力??；但是H+離子例外，它的交換能力不僅大于一價陽離子，而且也大于二價陽離子。陽離子交換能力表 2-6交換能力Fe3+ > Al3+ > H+ > Ba2+> Ca2+ > Mg2+ > K+ > Na+ > Li+解離能力Fe3+

57、< Al3+ < H+ < Ba2+< Ca2+ < Mg2+ < K+ < Na+ < Li+離子半徑/0.1nm0.67 0.57 1.43 1.06 0.78 1.33 0.93 0.78水化離子半徑/0.1nm 10.0 13.3 5.32 7.90 10.03 根據(jù)前述溶液中交換陽離子成分對擴散層厚度的影響及其交換能力次序，可以得出這樣的結(jié)論：交換能力大的離子形成較薄的擴散層，電位較低，反之形成較厚的擴散層，電位較高。此時溶液中的陰離子對擴散層厚度的影響恰恰與之相反，高價陰離子可使擴散層增厚。2.6 土的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造土的物質(zhì)組成是土存在的物質(zhì)依據(jù)，而結(jié)構(gòu)、構(gòu)造則反映了土物質(zhì)的存在形式，即物質(zhì)成分間的連結(jié)特點、空間分布和變化規(guī)律。一般地，土的結(jié)構(gòu)指的是微觀結(jié)構(gòu)，借助于光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡對實體掃描放大數(shù)千倍所鑒定到的細節(jié)。而土的構(gòu)造是指整個土層（土體）空間構(gòu)成上特征的總合，它們借助于肉眼或放大鏡可以鑒別，也可以說是土的宏觀構(gòu)造。土的結(jié)構(gòu)構(gòu)造的研究一開始就和土的工程性質(zhì)緊密相連。對自