細(xì)微觀土質(zhì)學(xué)

1、 相系之間的相互作用相系之間的相互作用 在自然條件下，土是由固相、氣相和液相三相組成。研究土必須考慮水、氣的存在狀態(tài)及其與土粒的相互作用。一、液相與固相的相互作用一、液相與固相的相互作用土中的液態(tài)水水可以分為結(jié)合水結(jié)合水和自由水自由水。 強(qiáng)結(jié)合水 結(jié)合水 弱結(jié)合水土中的液態(tài)水 重力水 自由水 毛細(xì)懸掛水 毛細(xì)水 毛細(xì)上升水1、 結(jié)合水結(jié)合水 存在于土粒礦物的晶體格架內(nèi)部或是參與礦物構(gòu)造中的水稱為礦物內(nèi)部結(jié)合水。 結(jié)合水只有在比較高的溫度(80680，隨土粒的礦物成份不同而異)下才能化為氣態(tài)水與土粒分離。以工程角度來分析，可以將礦物內(nèi)部結(jié)合水當(dāng)作礦物顆粒的一部分。 強(qiáng)結(jié)合水強(qiáng)結(jié)合水 強(qiáng)結(jié)合水指緊

2、靠土粒表面的結(jié)合水。 特征：沒有溶解鹽類的能力，不能傳遞靜水壓力，只有吸熱變成水蒸汽的時(shí)候才能移動。 物理性質(zhì)：強(qiáng)結(jié)合水極其牢固地結(jié)合在土粒表面上，性質(zhì)接近于固體，密度約為1.21.4g/cm，冰點(diǎn)為-78。具有極大的粘滯度、彈性和抗剪強(qiáng)度。 弱結(jié)合水弱結(jié)合水 弱結(jié)合水指緊靠于強(qiáng)結(jié)合水的外圍形成的一層結(jié)合水膜。弱結(jié)合水不能傳遞靜水壓力，但水膜較厚的弱結(jié)合水能向鄰近的較薄的水膜緩慢轉(zhuǎn)移。土中含有較多弱結(jié)合水時(shí)，土具有一定的可塑性。 弱結(jié)合水離土粒表面愈遠(yuǎn)，其受到的電份子引力愈弱小，并逐漸過渡為自由水2、自由水、自由水 自由水是存在于土粒表面電場影響范圍以外的水。它的性質(zhì)和普通水一樣，能傳遞靜水壓

3、力，冰點(diǎn)為0，有溶解能力 自由水按其移動所受作用力的不同分為重力水和毛細(xì)水。 重力水重力水 重力水是存在于地下水位以下的透水土層中的地下水，它是在重力或壓力差作用下運(yùn)動的自由水，對土粒有浮力作用。在外力作用下，在土的結(jié)構(gòu)體系中產(chǎn)生孔隙水壓力。以一定速度流動的自由水在流動時(shí)產(chǎn)生動水壓力，可以使土粒移動即發(fā)生機(jī)械潛蝕現(xiàn)象。潛蝕作用能使土的孔隙增大，壓縮性增高，強(qiáng)度降低。自由水運(yùn)動及其溶解可使土產(chǎn)生化學(xué)潛蝕，其結(jié)果導(dǎo)致土的成份與結(jié)構(gòu)改變，強(qiáng)度降低。重力水對土中的應(yīng)力狀態(tài)和開挖基槽、基坑以及修建地下構(gòu)筑物時(shí)采取的防排水措施有重要的影響。 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

4、細(xì)水存在于地下水位以上的透水土層中。毛細(xì)水按其與地下水面是否有聯(lián)系分為毛細(xì)懸掛水(與地下水無直接聯(lián)系)和毛細(xì)上升水(與地下水相連) 。當(dāng)土孔隙中局部存在毛細(xì)水時(shí)，毛細(xì)水的彎液面和土粒接觸處的表面引力反作用于土粒上，使土粒之間由于這種毛細(xì)壓力而擠緊，將土帶有的微弱的粘聚力稱為毛細(xì)粘聚力。在工程中，要注意毛細(xì)上升水的上升高度和速度，因?yàn)槊?xì)水的上升對于建筑物地下部分的防潮措施和地基上的浸濕與凍脹等有重要影響。二、氣相與固相的相互作用二、氣相與固相的相互作用土中空氣的主要成分有:氧(O )、氮(N )、二氧化碳(CO )、硫化氫(H S)及甲烷等氣體。土中的氣體除了水蒸氣以外，主要是空氣。土中氣體與

5、大氣想通，即主要成分大致相同，但是土中的各種氣體含量與其在大氣中的含量有較大的區(qū)別。土中氣體按其所處狀態(tài)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以分為：吸附氣體、溶解氣體、密閉氣體以及自由氣體等。影響土中氣體含量的基本參數(shù)有：孔隙體積、溫度、壓力。除此之外，凝結(jié)、蒸發(fā)、溶解氣體和釋放等也起重要作用。1、 吸附氣體吸附氣體 土中吸附氣體的含量決定于土的礦物成分、分散程度、孔隙度、溫度及氣體成分等。 礦物成分對空氣吸附起主要作用，按氣體吸附量大小排序?yàn)椋河袡C(jī)質(zhì)蒙脫石伊利石高嶺石石英 氣體按吸附強(qiáng)度的排列順序是: CO N O H 在自然條件下，沙漠、半沙漠地區(qū)的表層土中可能遇到比較大的氣體吸附量。在這些地區(qū)土的自然含水量接近

6、于強(qiáng)結(jié)合水量。故在干旱地區(qū)須考慮土中的吸附氣體的影響。2、溶解氣體、溶解氣體 在土的液相中一般存在有溶解氣體。其溶解數(shù)值取決于溫度、壓力、氣體物理化學(xué)性質(zhì)及溶液的化學(xué)成分。 溶解氣體的作用有： a、改變水的結(jié)構(gòu)及溶液的性質(zhì)。當(dāng)形成水化物時(shí)，作用更為顯著，對土粒施加力學(xué)作用。 b、當(dāng)溫度、壓力增高時(shí)，可從自然溶液中釋放出小氣泡，亦能結(jié)成大氣泡，在土中形成密閉氣體。 c、溶解氣體可以加強(qiáng)化學(xué)潛蝕過程。 水水-土系統(tǒng)：粘粒的雙電層及離子交土系統(tǒng)：粘粒的雙電層及離子交換換一、粘粒的雙電層一、粘粒的雙電層（一）粘粒表面電荷的形成 土中的粘粒細(xì)小，比表面極大，具有極大的表面能，在水溶液中其表面帶電，形成雙

7、電層，粘粒表面上電荷產(chǎn)生的三種情況。 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本身結(jié)晶格架中相同或相似的離子。 2、表面分子解離。若粘粒有許多可解離的小分子締合而成，則它與水作用生成離子發(fā)生基，而后分解，在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。 3、同晶替代。粘土礦物晶格中的同晶替代作用可以產(chǎn)生負(fù)電荷，如硅氧四面體片中四價(jià)的硅被三價(jià)的鋁替代，產(chǎn)生過剩地的負(fù)電荷。負(fù)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。（二）粘粒雙電層結(jié)構(gòu)的特性 粘粒由于粘土礦物的同晶替代，或與孔隙水溶液相互作用后的選擇性吸附，或本身的解離，使其表面吸附離子帶

8、電，形成雙電層。雙電層示意圖： 粘粒的雙電層及離子交換示意圖 二、二、土中的離子交換土中的離子交換（一）離子交換的概念及其意義 由于土粒（礦物顆粒）表面一般帶有負(fù)電荷，圍繞土顆粒形成電場，在土粒電場內(nèi)的水分子和水溶液中的陽離子一起吸附在土粒表面。因?yàn)樗肿邮菢O性分子，粘粒與水溶液相互作用后，吸附在粘粒表面的陽離子（或陰離子）可與溶液中的陽離子或陰離子進(jìn)行交換，這種現(xiàn)象稱之離子交換。如圖所示，若將吸附著 離子的土放在于含有 的溶液中，必須有兩個(gè)一價(jià)的鈉離子交換一個(gè)二甲的鈣離子。2aCaN 土粒 離子交換按等反應(yīng)關(guān)系進(jìn)行，是可逆反應(yīng)。水中的反離子（陽離子）的原子價(jià)越高，它與土粒之間的靜電引力愈強(qiáng)則

9、擴(kuò)散層愈薄，從而改良土質(zhì)。 土粒中的離子交換能引起雙電層離子成分的變化，因而也就能引起擴(kuò)散層厚度的變化，改變土的分散程度與結(jié)構(gòu)特征，從而改變土的物理性質(zhì)。22aa2a2aCNNC相關(guān)應(yīng)用： 加固地基強(qiáng)度的電動鋁化法，就是 利用去交換土中的 、 等離子。通過這種交換可使土粒擴(kuò)散層水化膜變薄，增加土粒間的連接力，從而增加土的穩(wěn)定性，減小膨脹性，提高土的強(qiáng)度。有時(shí)，可用含一價(jià)離子的鹽溶液處理粘土，使擴(kuò)散層增厚，而大大降低土的透水性。3l A2CaNa （二）離子交換容量（二）離子交換容量 離子交換持性可用離子交換容量表示。離子交換容量指在一定的條件下，土中粘粒所具有交換能力離子總數(shù)。通常用100g干

10、土中具有交換性離子的毫摩爾表示。土的交換容量是一個(gè)常數(shù)，其值決定于礦物的結(jié)晶化學(xué)特征、結(jié)構(gòu)類型以及溶液的PH值。 土中只有粘粒具有離子交換能力。因此，粘性土的交換能力不但決定于粘粒的礦物成分，而且也決定于土中粘粒所占的百分含量。離子交換能力越強(qiáng)，則土的性質(zhì)易于變化，改變其性質(zhì)就越容易。 （ 三）離子交換律三）離子交換律 不同的離子交換能力不同，交換能力強(qiáng)的離子容易進(jìn)入反離子層，被土粒吸附。交換能力弱的則相反，易被交換能力強(qiáng)的離子交換出雙電層面進(jìn)入孔隙溶液。土中陽離子交換服從下列規(guī)律： 1、高價(jià)離子比低價(jià)離子具有較強(qiáng)的被吸附能力。 2、同價(jià)陽離子中隨著離子半徑增大而提高（除 外），在分布最廣的陽

11、離子中它們的交換能力按下列順序：HiaMgCaae422233LNKNHBHAlF 半徑：0.67 0.53 1.38 1.02 0.7 1.43 1.33 0.98 0.70 3、濃度高的例子比濃度低的離子易進(jìn)入雙電層，因此當(dāng)?shù)蛢r(jià)離子交換高價(jià)離子時(shí)，必須加大低價(jià)離子的濃度。 4、陽離子交換是可逆的，服從質(zhì)量作用定律。我國南方酸性土往往是非飽和土，其交換離子總量（交換鹽基總量）小于交換容量。在干旱半干旱地區(qū)由于地面蒸發(fā)強(qiáng)度大，使地下水中的易溶鹽通過毛細(xì)作用在土中積聚起來，形成鹽堿土。6 鹽堿土中含有較多的鈉離子與水作用后，使水化膜增厚而減少顆粒間的粘結(jié)力，從而土粒從土粒中析出發(fā)生管涌。 水水土

12、系統(tǒng)的物理化學(xué)特征土系統(tǒng)的物理化學(xué)特征 水土系統(tǒng)水土系統(tǒng)的物理化學(xué)特征水土系統(tǒng)物理特征土的膠體化學(xué)性質(zhì)粘性土土質(zhì)的改良一、水土系統(tǒng)的物理性質(zhì)（一）土的壓實(shí)原理 壓實(shí)能降低土的壓縮性，使其孔隙體積減少、提高其抗剪強(qiáng)度、減弱土的透水性，使經(jīng)過處理的表層弱土成為能承擔(dān)較大荷載的地基持力層。 控制土的壓實(shí)效果的主要因素是：土的含水率，夯實(shí)能量、土的粒徑級配及夯實(shí)時(shí)土料的虛鋪厚度。 1、最優(yōu)含水率。土的最優(yōu)含水率是通過實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的擊實(shí)實(shí)驗(yàn)來測得的。在擊實(shí)實(shí)驗(yàn)中，最大干密度對應(yīng)的含水率就是最優(yōu)含水率。 擊實(shí)曲線： 2、夯實(shí)功能。對于同類土，隨著壓實(shí)功能大小的變化，最大干密度和最優(yōu)含水率也隨之變化。在壓實(shí)過程

13、中，要合理控制土中水的含水率，選用合適的夯實(shí)功能，已達(dá)到期望的目標(biāo)。 3、其他因素。土的顆粒粗細(xì)、粒徑級配礦物成分和添加材料等因素對壓實(shí)結(jié)果是有影響的。實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)證明：最優(yōu)含水率 和土的塑限 有關(guān)，大致上 ，又規(guī)定壓實(shí)系數(shù)D，即pop%2pop即 ，工程上規(guī)定D 0.94到0.97。（二）粘性土的脹縮性和崩解性 土中含水量的變化不僅會引起土稠度的變化，同時(shí)還會引起土體的體積發(fā)生變化。 1、土的膨脹性。土體膨脹是其水化的結(jié)果，它與土中弱結(jié)合水的形成有關(guān)，圍繞著膠粒及粘粒周圍所形成的結(jié)合水膜，使顆粒之間的聯(lián)結(jié)力減弱并把他們拉開，從而使土的體積增加而膨脹。dmax控制干密度D 膨脹率即線膨脹率，是試樣

14、浸水水后的高度增加量與原高度之比，以百分率表示： 粘性土的膨脹性是一個(gè)很重要的性質(zhì)，當(dāng)其表現(xiàn)明顯時(shí)稱為膨脹土。土的膨脹性能引起地基、邊坡、擋土墻的破壞，但也可以利用膨脹土泥漿進(jìn)行壓力灌漿、堵塞裂隙、防止水滲漏，還可以利用膨潤土泥漿對地下連續(xù)墻、鉆井、鉆孔工程進(jìn)行護(hù)壁。 %100hhh00wep 2、 土的收縮性。土體積收縮是由于失水而引起的。只有濕土才具有收縮性，一般收縮性和膨脹是可逆的。收縮使土變得較為密實(shí)，甚至成固態(tài)，即可提高土的強(qiáng)度。土的收縮性指標(biāo)，用線縮率、體縮率、縮線含水量及收縮系數(shù)表示。%100hhh00s線縮率%1000vVVV體縮率ss收縮系數(shù) 3、土的崩解性。粘土在靜水作用下

15、，發(fā)生崩散解體的現(xiàn)象稱為崩解性。土的崩解性主要影響因素是物質(zhì)成分（礦物成分、力度成分及交換陽離子成分）、結(jié)構(gòu)特征、含水量與之作用的水溶液及濃度。 4、土的滲透性。土有孔隙，孔隙中的水除能承受壓力，在水頭作用下尚可以在孔隙中流動，具有滲透性。 土的滲透性的大小一般用滲透速度v或滲透系數(shù)k表示。 砂類土 粘性土ivK）（00iivK 土的滲透系數(shù)不是一個(gè)定值，其值決定于圖的壓實(shí)程度。K值隨著土體壓實(shí)孔隙比減小而減小。土的滲透系數(shù)， 粉土 粉質(zhì)粘土 其中r為19的任意數(shù)。 滲透力亦稱動水壓力，是由于孔隙水的滲流而作用在單位體積土骨架上的壓力，其方向與滲流方向一致，大小與水頭梯度成正比。scm10r1

16、0r83Kscm10r10r85K有公式： 式中j滲透力；i水力梯度； 水的重度。在評價(jià)土體及土坡穩(wěn)定性時(shí)必須考慮滲透力。ijww二、土的膠體化學(xué)性質(zhì)二、土的膠體化學(xué)性質(zhì) 粘粒細(xì)小，比表面積大，是膠體分散體系中的分散相。它與水溶液互相作用后，可使土具有一系列的化學(xué)特性如粘粒表面水化膜特性、電場作用下的電動特性、聚成和穩(wěn)定、觸變和陳化等。 1、粘粒表面水化膜特性。粘性土中含有一部分結(jié)合水，在粘粒周圍形成一層水化膜具有很強(qiáng)的粘滯性。擴(kuò)散層中的結(jié)合水具有活性而造成了粘性土的可塑性，雙電層中水化膜厚度的增減引起土的膨脹與收縮。 2、粘性土的電動特性。在潮濕的粘土中插入兩個(gè)電極，通電，發(fā)現(xiàn)粘粒向陽極移動，土中液體相部分向陰極移動，這種在電場中土粒的移動叫電泳，液體相的水向陰極移動叫電滲，兩種狀況同時(shí)發(fā)生就是電動現(xiàn)象。應(yīng)用于基坑的電滲排水及電滲沉樁等。 電滲沉樁是利用正在下沉的樁做陰極，使向陰極電滲的水降低樁的摩擦阻力。 3、粘粒的聚成和穩(wěn)定。土顆粒在水溶液中相互結(jié)合 的作用下聚沉；在水溶液中相互分離的作用稱為分散。分子作用聚沉在自然條件下有兩種方式發(fā)生：電解質(zhì)聚沉和干燥聚沉。 4、土的觸變與陳化。在膠體化學(xué)中，某些膠體體系在動力如聲波、振動、攪拌等外力作用下常產(chǎn)生液體或由凝聚狀態(tài)過渡到膠溶或懸浮狀態(tài)；當(dāng)外力停止后，又重新凝結(jié)，這種現(xiàn)象叫觸變。土的觸