第2章土的物質(zhì)組成及土水相互作用

1、 “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(jiān)硬巖石在長(zhǎng)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(yùn)到適當(dāng)環(huán)境里沉積下來(lái)，就形成了土。 “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(méi)有膠結(jié)或弱膠結(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(qiáng)弱。2.1 概述1 土是巖石風(fēng)化的產(chǎn)物物理風(fēng)化:指由于溫度變化、水的凍脹、波浪沖擊、地震等物理力使巖體崩解、碎裂成巖塊、巖屑的過(guò)程。物理風(fēng)化僅使巖石產(chǎn)生量的變化。 化學(xué)風(fēng)化:指巖體(或巖塊、巖屑)與空氣、水及其

2、它溶液相接觸，經(jīng)氧化、碳化和水化作用分解為極細(xì)顆粒的過(guò)程，生物活動(dòng)也可助長(zhǎng)風(fēng)化的進(jìn)程。化學(xué)風(fēng)化使巖石產(chǎn)生質(zhì)的變化。 生物風(fēng)化 2巖石 物理風(fēng)化化學(xué)風(fēng)化土原生礦物次生礦物 顆粒通常是由一種或幾種原生礦物所組成，一般較粗，其成分與母巖相同，吸附水能力弱，性質(zhì)比較穩(wěn)定，無(wú)塑性。次生礦物是經(jīng)化學(xué)風(fēng)化生成的新礦物，其成分與母巖完全不同。顆粒極細(xì)，性質(zhì)活潑,有較強(qiáng)的吸附水能力,具塑性。粘土顆粒性質(zhì) 粗細(xì)物理風(fēng)化僅使巖化學(xué)風(fēng)化使巖3 土是由固相、液相、氣相組成的三相分散系。固相:包括多種礦物成分組成的土的骨架，骨架間的空隙為液相和氣相填滿，這些空隙若相互連通，則形成多孔介質(zhì)。 液相:主要是水(溶解有少量的可

3、溶鹽類)。 氣相:主要是空氣、水蒸氣，有時(shí)還有沼氣等4基本概念： 粒度：土固體顆粒的大小 粒徑：與顆粒對(duì)應(yīng)的當(dāng)量小球體的直徑 粒組：土顆粒按粒徑大小、性質(zhì)形似而劃分的組別 粒度成分：土中各粒組的相對(duì)百分含量，稱為土的粒度成分2.2 土的粒度成分56 土的粒度成分，通常以土中各粒組的質(zhì)量百分率來(lái)表示，通過(guò)對(duì)土進(jìn)行粒度分析，分離出土中各個(gè)粒組，分別稱取質(zhì)量，然后計(jì)算出各粒組的質(zhì)量占該土總質(zhì)量的百分?jǐn)?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(xì)粒土采用靜水沉降分析法。粒度成分的測(cè)定方法7篩析法 對(duì)于粒徑大于0.075mm的粗粒土，可用篩析法測(cè)定粒度成分。試驗(yàn)時(shí)將風(fēng)干、分散的代表性土樣通

4、過(guò)一套孔徑不等的標(biāo)準(zhǔn)篩（20、2、0.5、0.25、0.1、0.075mm），稱出留在各個(gè)篩子上的土的質(zhì)量，即可求出各個(gè)粗粒組在土樣中的相對(duì)含量。8靜水沉降分析法 對(duì)粒徑小于0.075mm的粉粒或粘粒,現(xiàn)有技術(shù)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(jì)法或移液管法測(cè)定。9概念：界限粒徑:劃分粒組的分界尺寸。 土的顆粒級(jí)配:土中各個(gè)粒組的相對(duì)含量(各粒組占土粒總重的百分?jǐn)?shù))。 顆粒級(jí)配累積曲線:顆粒大小分析試驗(yàn)成果，由其橫坐標(biāo)（對(duì)數(shù)坐標(biāo)）表示粒徑?？v坐標(biāo)則表示用小于(或大于)某粒徑的土重含量(或稱累計(jì)百分含量) 。 粒度分析結(jié)果表示方法列表法累計(jì)曲線法10 土粒質(zhì)量

5、累計(jì)百分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，相應(yīng)的粒徑稱為有效粒徑d10。小于某粒徑的土粒質(zhì)量累計(jì)百分?jǐn)?shù)為30%時(shí)的粒徑用d30表示。當(dāng)小于某粒徑的土粒質(zhì)量累計(jì)百分?jǐn)?shù)為60%時(shí)，該粒徑稱為限定粒徑d60。 利用顆粒級(jí)配累積曲線可以確定土粒的級(jí)配指標(biāo)，如不均勻系數(shù)Cu 和曲率系數(shù)Cc 不均勻系數(shù)Cu反映大小不同粒組的分布情況。Cu越大表示土粒大小的分布范圍越大、其級(jí)配越良好，作為填方工程的土料時(shí)，則比較容易獲得較大的密實(shí)度。曲率系數(shù)Cc描寫(xiě)累積曲線的分布范圍，反映曲線的整體形狀。11 曲線平緩，粒徑大小相差懸殊，土粒不均勻。顆粒級(jí)配可以在一定程度上反映土的某些性質(zhì)。對(duì)于級(jí)配良好的土，較粗顆粒間的孔隙被較細(xì)的顆粒所填充

6、，因而土的密實(shí)度較好，相應(yīng)的地基土的強(qiáng)度和穩(wěn)定性也較好透水性和壓縮性也較小，可用作堤壩或其它土建工程的填方土料。顆粒級(jí)配累計(jì)曲線12原生礦物 巖石經(jīng)物理風(fēng)化生成顆粒,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，常見(jiàn)的有石英、長(zhǎng)石和云母。 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)定，無(wú)塑性。 土是巖石風(fēng)化的產(chǎn)物。因此土粒的礦物組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。2.3 土的礦物成分和化學(xué)成分13次生礦物 原巖經(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)

7、，且多呈片狀。 性質(zhì)活潑，有較強(qiáng)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(jiàn)的有巖鹽、鉀鹽、石膏、方解石，硫酸鹽類還對(duì)金屬和混凝土有一定的腐蝕作用有機(jī)質(zhì):動(dòng)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(qiáng)的吸附性。 14粘土礦物 粘土礦物：原生礦物長(zhǎng)石、云母等硅酸鹽礦物經(jīng)化學(xué)風(fēng)化形成。 硅酸鹽礦物：硅氧四面體和鋁氫氧八面體兩部分構(gòu)成。15硅氧四面體：一個(gè)硅原子和四個(gè)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(gè)頂點(diǎn)，四面體中的三個(gè)氧被共用，橫向聯(lián)結(jié)成六角形的網(wǎng)格。 每個(gè)硅原子有四個(gè)正電荷，每個(gè)氧

8、原子有兩個(gè)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(gè)硅氧四面體都具有一個(gè)負(fù)電荷。16鋁氫氧八面體：六個(gè)氫氧離子圍繞一個(gè)鋁離子構(gòu)成的八面體晶片。八面體中每個(gè)氫氧離子均為三個(gè)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(jià)，氫氧為負(fù)一價(jià)，每個(gè)八面體只能以兩個(gè)負(fù)電荷抵消鋁離子的一個(gè)正電荷，故每個(gè)八面體都是正一價(jià)。17 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，形成不同類型的粘土礦物。 土中常見(jiàn)的粘土礦物有高嶺石、伊利石和蒙脫石三大類。18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(gè)單位晶胞。高嶺石晶胞間具有較強(qiáng)的氫鍵聯(lián)結(jié)，水較難滲入其間，其顆粒一般較粗，親水性弱。

9、因而主要由這類礦物組成的土，膨脹性和壓縮性都較低。19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(gè)鋁氧八面體晶片。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，水分子很容易楔入其間，并將其分散為極細(xì)小的鱗片狀顆粒，并使晶格沿垂直方向膨脹。 含蒙脫石礦物較多的土對(duì)環(huán)境的干濕變化較敏感；土體濕度增高，體積膨脹并形成膨脹壓力；土體失水，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(qiáng)度衰減。20伊利石：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，也是由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

10、 K離子補(bǔ)償晶層正電荷的不足。 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，但比蒙脫石層間的水分子聯(lián)結(jié)要強(qiáng)，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。21粘土礦物高 嶺 22 土中水處于不同位置和溫度條件下，可具有不同的物理狀態(tài)固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)。 液態(tài)水是土中孔隙水的主要存在狀態(tài)，因其受土粒表面雙電層影響程度的不同可分為結(jié)合水、毛細(xì)水、重力水。后兩者也稱為非結(jié)合水(自由水)。水 的 類 型 主要作用力 結(jié) 合 水 物理化學(xué)力 非 結(jié) 合 水 毛 細(xì) 水 表面張力和重力 重 力 水 重 力 2.4 土的水和氣體231. 結(jié)合水 土顆粒表面帶有

11、一定的電荷，當(dāng)土粒與水相接觸時(shí)，由于靜電作用力，將吸引水化離子和水分子，形成雙電層，在雙電層影響下的水膜稱為表面結(jié)合水。雙電層的厚薄也反映了結(jié)合水的厚薄，結(jié)合水具有與一般自由水不同的性質(zhì)，其密度較大、粘滯度高、流動(dòng)性差、冰點(diǎn)低、比熱較大、介電常數(shù)較低，這種差異隨距離增加而減弱。結(jié)合水又可分為強(qiáng)結(jié)合水和弱結(jié)合水。 2.非結(jié)合水 在雙電層影響以外的水為自由液態(tài)水，它主要受重力作用的控制，土粒表面吸引力居次要地位，這部分水稱為非結(jié)合水，它包括毛細(xì)水和重力水。24(1)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(duì)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

12、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(huì)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)r=0.1m時(shí)，hc=150mm，這與砂土(粒徑為0.5l mm)中的情況大致相當(dāng)。粘土的孔隙直徑約為0.1m，按上式計(jì)算毛細(xì)上升高度將達(dá)150m25(2)重力水 重力水也稱自由水，是存在于地下水位以下含水土層中的地下水。它是在重力或壓力差作用下自由運(yùn)動(dòng)，對(duì)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。 (3)固態(tài)水 固態(tài)水即冰，溫度降到0以下時(shí)，孔隙中的水會(huì)凝結(jié)成冰。水結(jié)冰后體積膨脹，同時(shí)

13、由于水分遷移和補(bǔ)給，在土層中會(huì)形成冰層或透鏡體。固態(tài)水在土中起著暫時(shí)的膠結(jié)作用，提高土的力學(xué)強(qiáng)度，降低透水性。但溫度升高后，冰層解凍為液態(tài)水，使土的強(qiáng)度急劇降低，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(kāi)春后的翻漿現(xiàn)象就是一例。 26 土中的氣體主要是空氣和水氣。土中氣體按其所處的狀態(tài)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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，對(duì)土的性質(zhì)無(wú)大影響；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。因此，密閉氣體的存在增加了土的彈性，同時(shí)還可阻塞土中的滲流通道，

14、減小土的滲透性。土中的氣體 272.5 土水相互作用土粒表面積和比表面積；粘粒表面的擴(kuò)散雙電層；離子交換。研究?jī)?nèi)容：28S 為比表面積，單位 m2/g。土粒的表面積和比表面積假設(shè)土粒成球形，單個(gè)土粒的直徑為d，則 粒度越細(xì)，比表面積越大。因此粘土顆粒的比表面積大，表面能也大，故而與水的作用強(qiáng)烈，表現(xiàn)為不穩(wěn)定29 粘粒表面帶有一定量負(fù)電荷，并緊密地吸附在固相表面上，形成固定層(吸附層)。 由于靜電引力的作用，在水溶液中將吸引水中的陽(yáng)離子到土粒表面來(lái)。另一方面，陽(yáng)離子又受到熱運(yùn)動(dòng)的擴(kuò)散作用，要離開(kāi)土粒表面。因而陽(yáng)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(qiáng)，陽(yáng)離子濃度也愈大；隨著離

15、土粒表面距離的增加，靜電引力也降低，陽(yáng)離子濃度也逐漸下降，直至孔隙中水溶液的濃度正常為止,這個(gè)層稱為反離子層。而陰離子濃度與之相反。 土粒表面帶負(fù)電荷的固定層(吸附層)與受土粒表面影響的陽(yáng)離子層(反離子層)合稱為雙電層。雙電層理論30Diffuse double layer（雙電層）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。31 結(jié)晶學(xué)中，一個(gè)四面體或八面體中陽(yáng)離子的位置不是由常見(jiàn)的陽(yáng)離子所充填，而是由其它的陽(yáng)離子所占據(jù)，而晶體結(jié)構(gòu)沒(méi)有改變，這種現(xiàn)象叫“同晶替代”。 同晶替代現(xiàn)象 被吸附的離子具有規(guī)律性，總是有選擇地吸附與它自身結(jié)晶格架中相同或相似的離子。選擇性吸附

16、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。 表面分子解離表面電荷形成的原因32土的結(jié)構(gòu):指土顆?；蚣象w的大小和形狀、表面特征、排列形式以及它們之間的連接特征(微觀結(jié)構(gòu))。 土的結(jié)構(gòu)對(duì)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(shí)具有一定的強(qiáng)度，當(dāng)結(jié)構(gòu)擾動(dòng)或重塑時(shí)，強(qiáng)度就降低很多，甚至不能再成型。2.6 土的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造33研究?jī)?nèi)容：土結(jié)構(gòu)的構(gòu)成要素粗粒土的結(jié)構(gòu)要素分析細(xì)粒土的結(jié)構(gòu)要素分析基本單元體排列方式和孔隙類型結(jié)構(gòu)連結(jié)34細(xì)粒土的孔隙類型架空孔隙單元體間孔隙單元體內(nèi)孔隙溶蝕孔隙大孔隙細(xì)粒土的結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)類型結(jié)合水膜接觸聯(lián)結(jié)膠結(jié)聯(lián)結(jié)同相接觸聯(lián)結(jié)鏈條聯(lián)結(jié)35土的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)類型單粒結(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，顆粒之間為點(diǎn)接觸，幾乎沒(méi)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(jì)，是重力場(chǎng)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(shí)程度有關(guān)外，還與顆粒大小、級(jí)配、土粒的表面形狀及礦物成分類型有關(guān)。 36土的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)類型片架結(jié)構(gòu)：粘粒在絮凝狀態(tài)下形成的，亦稱絮凝結(jié)構(gòu)。其特