土力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)解析

土力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)解析五、土壤中的有機(jī)質(zhì)1概述土壤中的有機(jī)質(zhì)存在是土區(qū)別于一般固體物質(zhì)的主要特性之一，有機(jī)質(zhì)是土壤固相物質(zhì)最易變化的部分，性質(zhì)最不穩(wěn)定的組分，含有機(jī)質(zhì)的土壤力學(xué)性質(zhì)研究一直是土力學(xué)界關(guān)注的問(wèn)題，也是目前為止研究最薄弱的領(lǐng)域。土壤中的有機(jī)質(zhì)可分為兩大類：（1）非腐殖質(zhì)：化學(xué)成分與生物體相同的普通有機(jī)化合物，如低分子有機(jī)酸、單糖、氨基酸、蛋白質(zhì)、纖維、木質(zhì)素、脂蠟和色素等。（2）腐殖質(zhì)：動(dòng)植物遺體在土壤中發(fā)生化學(xué)變化后生成的新的特殊化合物，到目前為止還不知道確切的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的物質(zhì)，如泥炭、底泥等但是，土壤中的腐殖質(zhì)和非腐殖質(zhì)并無(wú)清楚的界限，沒(méi)有辦法將他們完全分別開(kāi)來(lái)。這是由于：一方面他們?cè)谕寥乐型ㄟ^(guò)不同的力彼此結(jié)合在一起；另一方面，它們的某些組分還是相同的。同時(shí)，土壤中的有機(jī)質(zhì)通過(guò)物理的或（和）化學(xué)的力與土的固體顆粒相結(jié)合，結(jié)合的牢固程度各不相同，有些結(jié)合得很牢固，以至于不改變其礦物成分就沒(méi)有辦法將其分離。土壤中的有機(jī)物性質(zhì)在土壤中處于不斷變化中。如動(dòng)物殘骸和植物殘?bào)w中的易分解部分在土壤中的半衰減期一般小于3個(gè)月（0.25年），它們不斷分解為CO2、H2O和各種中間物質(zhì)，并轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)和微生物。土壤中的腐殖質(zhì)仍然在不斷礦化和轉(zhuǎn)化為微生物，不過(guò)其分解速率比非腐殖質(zhì)慢得多。2土壤中有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合體的數(shù)量土壤中的腐殖質(zhì)不僅與粘土顆粒有相互作用，長(zhǎng)期共存，并且有一部分腐殖質(zhì)與粘粒結(jié)合得非常緊密，構(gòu)成有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合體，一般物理化學(xué)手段不能將其分離。土壤中的有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合現(xiàn)象不僅發(fā)生在粘粒晶體表面，還可以發(fā)生在晶層間。土壤中有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合體的數(shù)量指有機(jī)物與無(wú)機(jī)物相互復(fù)合而構(gòu)成復(fù)合體的數(shù)量，而沒(méi)有復(fù)合的有機(jī)部分和無(wú)機(jī)部分不計(jì)在內(nèi)。實(shí)驗(yàn)上，將土壤中游離的有機(jī)質(zhì)用重液（H2O2)法除去后，量測(cè)土壤中有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合體中的含C量占土壤總含C量的百分?jǐn)?shù)稱為有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合度。表3測(cè)試結(jié)果表明土壤中大多數(shù)有機(jī)質(zhì)以有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合體形式存在。表3土壤中的總C含量和有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合度土壤全碳含量（%）有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合度（%）資料來(lái)源灰壤1.689.6Xah1959棕壤3.268.1Roulet1963高原荒漠土0.3493.5傅積平1978石灰性潮土0.6793.5傅積平1978中性潮土0.9292.6傅積平19783土壤有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合的機(jī)理土壤中有機(jī)化合物與粘粒的復(fù)合機(jī)理比較復(fù)雜，結(jié)合的方式很多，主要是通過(guò)庫(kù)倫引力和范德華力作用。（1）庫(kù)侖引力：庫(kù)倫引力是正負(fù)電荷間的靜電吸引力，帶負(fù)電的粘土顆粒與帶正點(diǎn)的有機(jī)物膠體顆粒吸引在一起。（2）范德華力：分子中的電子旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)偶極間的相互作用力。是大分子量的有機(jī)物與粘土顆粒結(jié)合的主要作用力。4土壤中有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合體的性質(zhì)由前面的分析結(jié)果可見(jiàn)，土壤中的有機(jī)碳中50%～90%是一有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合體形態(tài)存在。有機(jī)膠體與無(wú)機(jī)土粒復(fù)合后，使土壤的穩(wěn)定性和表面性質(zhì)都發(fā)生變化。（1）粘性土的微團(tuán)聚體有兩種：1）完全由無(wú)機(jī)膠體團(tuán)聚的原生微團(tuán)聚體；2）由有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合體團(tuán)聚的基本微團(tuán)聚體。原生微團(tuán)聚體是由粘土顆粒經(jīng)范德華力或陽(yáng)離子凝聚而成，團(tuán)聚體較密實(shí)，孔隙小，孔隙率低，滲透性低，抗剪強(qiáng)度較高，粒間連接較強(qiáng)。原生微團(tuán)聚體中，水是定向顆粒間的結(jié)合鍵，粘粒間靠吸著水膜相互連接，當(dāng)含水率低時(shí)，吸著水膜變薄，連接增強(qiáng)，含水率增加，顆粒間連接減小，直至土粒呈流動(dòng)性。基本微粒團(tuán)聚體是有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合體團(tuán)聚體，有機(jī)膠體常覆蓋于無(wú)機(jī)粘?；蛘沉F(tuán)聚體外表，它有降低粘粒間內(nèi)聚力的作用。當(dāng)團(tuán)聚體表面基本都被活性有機(jī)物覆蓋，則相鄰顆粒或團(tuán)聚體間的內(nèi)聚力很小甚至為0，這時(shí)土壤將具有水穩(wěn)定性好、疏松多孔、內(nèi)聚力小的特殊粘土。在水中不膨脹但易分解成單?；虮砻嬗杏袡C(jī)質(zhì)覆蓋的團(tuán)粒。如蒙脫石顆粒吸附蛋白質(zhì)后，憎水性提高，吸水性和膨脹性都降低。如有一類粘土為分散土，其成因就是在土?；蛲翀F(tuán)外有憎水的有機(jī)膠粒覆蓋，遇水作用極易分散成單個(gè)的膠粒而漂浮于水中。但是，若蛭石粘土顆粒外覆蓋丁基、丙基、戊基銨后，膨脹性將大增；小的烷基銨離子可由鈣蒙脫石中換出部分鈣離子，這時(shí)也會(huì)引起蒙脫石的膨脹性增加。*可見(jiàn)：有機(jī)質(zhì)可能降低土的膨脹性，也可能增加土的膨脹性。（2）有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合體土壤的結(jié)構(gòu)性土壤團(tuán)聚體中含有與之結(jié)合的有機(jī)質(zhì)后，將使土壤的粗孔隙增加，在孔隙中形成疏水性膠膜，從而阻止?jié)B透水流對(duì)土壤團(tuán)聚體的破壞作用，增強(qiáng)土的滲透性和滲透穩(wěn)定性。六、土壤中的水1概述充填于土粒孔隙中的水和氣，對(duì)土的性質(zhì)影響很大。同時(shí)，這兩個(gè)組分更容易隨外界條件改變而變化。如大氣降水或干旱都使地下水位升降，土中水和氣的比例發(fā)生明顯的變化，即含水率和飽和度的變化，從而使土體的性質(zhì)和狀態(tài)發(fā)生變化。特別是土中水的水量和類型直接決定著土的性狀。2土中水的類型自然界的土中水在氣溫影響下?tīng)顟B(tài)發(fā)生變化，可以呈固態(tài)（冰）、液態(tài)和氣態(tài)（水蒸汽)存在。廣義而言，土顆粒礦物內(nèi)部的結(jié)晶水和層狀硅酸鹽中的OH-1離子也屬于水。各種形態(tài)的水在土中存在的位置和活動(dòng)能力是不同的。有的在常溫常壓下即可以移動(dòng)或轉(zhuǎn)化，有的需要在高溫或高壓下才能轉(zhuǎn)化和移動(dòng)。土質(zhì)學(xué)中，按照土中水存在的狀態(tài)和所處位置將其分為如下主要類型：（1）固態(tài)水1）礦物中的化學(xué)結(jié)合水：結(jié)構(gòu)水、結(jié)晶水、沸石水2）土壤孔隙中的固態(tài)水：冰（2）液態(tài)水1）土粒表面的吸著水：強(qiáng)吸著水、弱吸著水2）土壤孔隙中的非吸著水：毛細(xì)水、重力水（3）氣態(tài)水水蒸汽，因?yàn)樵谕寥乐写嬖诒壤艿?，?jīng)常可以忽略。3土中水的特征（1）礦物中的化學(xué)結(jié)合水

1）結(jié)構(gòu)水：以O(shè)H-或H+離子形式存在于礦物晶格的固定位置上，如粘土礦物中Al-OH八面體中的OH-就屬于這種類型的水，一般不呈水分子，只有加熱到4500～5000C時(shí)，這些離子才從晶格中析出而成水，同時(shí)礦物的化學(xué)成分發(fā)生變化。2）結(jié)晶水：以水分子的形式存在于礦物格的固定位置上，比例固定。如石膏：CaSO4·2H2O、蘇打NaCO3·10H2O等的水都是結(jié)晶水。結(jié)晶水在加熱到1500C～4000C即可析出。結(jié)晶水析出后礦物成分變化。3）沸石水：以水分子形式存在于礦物相鄰晶胞之間的水，水量不固定，不影響礦物的晶格構(gòu)造，析出時(shí)也不改變礦物化學(xué)性質(zhì)，加熱到800C到1200C即可析出。如方解石、蒙脫石、伊利石晶胞間的水。（2）土粒表面的吸著水水分子由兩個(gè)H+及一個(gè)O-2構(gòu)成，整個(gè)水分子是中性的。由于水分子鍵角大約為1050，電荷分布不對(duì)稱而呈偶極分子。水中的陽(yáng)離子吸引水分子的陰極而形成水化陽(yáng)離子。O2-H+H+1050H2O分子Na+H2O水化陽(yáng)離子

粘土顆粒表面帶有一定的負(fù)電荷，當(dāng)土粒與水相接觸時(shí)，由于靜電作用力，將吸引水化陽(yáng)離子和水分子，在土粒周圍形成一定厚度的水膜，這個(gè)水膜中的水主要受靜電引力作用，與一般的水的性質(zhì)有明顯區(qū)別，叫表面吸著水。吸著水的主要性質(zhì)有：3,粘滯度高，流動(dòng)性差，在小的水力梯度下不流動(dòng)，不符合Darcy定律；2)比熱達(dá)1.1cal/g，介電常數(shù)低于正常水，冰點(diǎn)低于00C;3)粘土顆粒間通過(guò)共用吸著水膜連接，使粘土具有粘性、可塑性；4)在壓力作用下，吸著水膜緩慢變薄，使粘土具有流變性；5)根據(jù)吸著水所受靜電引力的強(qiáng)弱可分為強(qiáng)吸著水和弱吸著水。（3）土壤孔隙中的毛細(xì)水毛細(xì)水是受毛細(xì)管作用和重力作用共同控制其運(yùn)動(dòng)的水。我們可以把土的孔隙看作連續(xù)的變截面毛細(xì)管。將毛細(xì)管放在水中，管中的水位會(huì)上升到一定的高度，毛細(xì)管的直徑越細(xì)，管內(nèi)水位上升的越高，這種使管內(nèi)水位上升的力叫毛細(xì)吸力。毛細(xì)管示意圖在常溫常壓下均勻的毛細(xì)管中水的毛細(xì)上升高度hc與毛細(xì)管半徑r有如下關(guān)系：當(dāng)r=0.1mm時(shí)，hc=150mm,這與砂土（粒徑0.5～1mm)的情況相當(dāng)；粘土的孔隙直徑約為0.1μm，按上式計(jì)算的hc將達(dá)到150m,實(shí)際上粘土的hc大約3

～4m。造成這樣大的差別主要原因是砂土中的孔隙大小是變化的，其中細(xì)的孔隙先被毛細(xì)水站滿，阻止了毛細(xì)水上升，大的孔隙中，毛細(xì)水上升高度有限。（4）孔隙中的重力水和固態(tài)水土孔隙中的重力水指存在與孔隙中僅受重力作用的液態(tài)自由水，在土中的運(yùn)動(dòng)滿足水力學(xué)的一般方程和達(dá)西定律。土孔隙中的固態(tài)水即冰，是土中溫度降到00C以下時(shí)，孔隙中的重力水凝結(jié)成固態(tài)的冰。水結(jié)冰后體積會(huì)膨脹，冰具有一般固體的性質(zhì)，凍結(jié)后的土體強(qiáng)度會(huì)大幅提高。溫度升高后，孔隙中的冰又融化成水，土體強(qiáng)度迅速降低。對(duì)于凍土的性質(zhì)和土在凍融過(guò)程中的變形和破壞特性，專門形成了凍土力學(xué)分支學(xué)科。4土中的氣體土中的氣體主要是空氣和水汽，有時(shí)也有沼氣等。與大氣成分相比，土中氣體CO2含量偏高，O2含量相對(duì)降低。當(dāng)土的孔隙中氣體占的體積超過(guò)5%，我們就認(rèn)為該土為非飽和土，在受力過(guò)程中的變形和強(qiáng)度性質(zhì)與飽和土有顯著差別，研究非飽和土的力學(xué)性質(zhì)已經(jīng)形成了一門新的分支學(xué)科：非飽和土力學(xué)。5土中水的能量土質(zhì)學(xué)討論土中水的能量是指土體孔隙水的機(jī)械能，即動(dòng)能和勢(shì)能。由于土體中的孔隙水運(yùn)動(dòng)速度很慢，動(dòng)能可以忽略不計(jì)，所以土中水的能量通常就是指土中水的勢(shì)能，簡(jiǎn)稱土水勢(shì)。用土水勢(shì)的概念可以把土體吸持水分的能力和孔隙水的遷移規(guī)律很方便表達(dá)出來(lái)。飽和土中的孔隙水穩(wěn)定滲流和非飽和土中水分轉(zhuǎn)移規(guī)律都是孔隙水從土水勢(shì)高的地方向低的地方運(yùn)動(dòng)。當(dāng)土中各點(diǎn)水的勢(shì)能相等時(shí)，土中水就處于平衡狀態(tài)。土中不同點(diǎn)的勢(shì)能差就是孔隙水運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，這種動(dòng)力可以由多種因素引起，如：重力作用、壓力作用、毛細(xì)力（表面張力）作用、孔隙水中離子濃度變化、孔隙水溫度變化等。（1）土水勢(shì)的組成和表示方法土體中，控制孔隙水運(yùn)動(dòng)的勢(shì)能叫土水勢(shì)，土的總土水勢(shì)可由以下部分組成：

總土水勢(shì)；重力勢(shì)；基質(zhì)勢(shì)；溶質(zhì)勢(shì)；壓力勢(shì)；荷載勢(shì)；勢(shì)能的單位即功的單位，以N·m或J表示。土水勢(shì)的單位因所采用水的單位重量或單位體積等不同的形式，可以表達(dá)成如下：1）單位質(zhì)量水的勢(shì)能（比水勢(shì)），單位J/kg2）單位容積水的勢(shì)能（容積勢(shì)）,單位N/m2,kPa3）單位重量水的勢(shì)能（重量勢(shì)）,單位m由于重量勢(shì)的單位最簡(jiǎn)單，土質(zhì)學(xué)中經(jīng)常采用這一表述方法。（2）土水勢(shì)各分量的物理意義和計(jì)算方法1）重力勢(shì)重力式就是地球的萬(wàn)有引力對(duì)引力場(chǎng)中水的作用，其大小決定于土中水所處的位置和參照面的位置。如右圖中，參照面以上的A點(diǎn)重力勢(shì)為正，參照面以下的B點(diǎn)重力勢(shì)為負(fù)。AB2)壓力勢(shì)壓力勢(shì)是由靜水壓力在孔隙水中的傳遞產(chǎn)生的，因此只能存在于地下水位以下的飽和土中，在地下水位以上的非飽和土中壓力勢(shì)為0。計(jì)算壓力勢(shì)的參照面經(jīng)常選在地下水位面，如右圖中A點(diǎn)的壓力勢(shì)：注意這時(shí)A點(diǎn)還有重力勢(shì)：A點(diǎn)總土水勢(shì)：因此，地下水位以下所有點(diǎn)土水勢(shì)都為0，水不會(huì)流動(dòng)。3）基質(zhì)勢(shì)基質(zhì)勢(shì)是由固體顆?；|(zhì)與水之間的相互作用引起的，較干的土與自由水相接觸時(shí)，會(huì)將水吸引到土中來(lái)，說(shuō)明較干的土具有較低的土水勢(shì)。這種概念最早由Buckingham于1907年提出，他稱之為毛細(xì)勢(shì)，后來(lái)叫成基質(zhì)勢(shì)。4）溶質(zhì)勢(shì)土中水溶解有各種溶質(zhì)離子，溶質(zhì)離子對(duì)水分子具有吸引力。溶質(zhì)勢(shì)是土中水與純水之間的勢(shì)能差，純水的溶質(zhì)勢(shì)為零，土中水的溶質(zhì)勢(shì)為負(fù)。由于土中溶質(zhì)離子濃度通常不高，溶質(zhì)勢(shì)經(jīng)?？梢院雎圆挥?jì)。5）荷載勢(shì)荷載勢(shì)是由外加荷載或土的自重引起的孔隙水的勢(shì)能。土在外荷或自重作用下產(chǎn)生變形的過(guò)程中，將使孔隙水產(chǎn)生附加的孔隙水應(yīng)力，這種應(yīng)力就是荷載勢(shì)。荷載勢(shì)的大小相當(dāng)于欠固結(jié)飽和土體中由自重產(chǎn)生的孔隙水應(yīng)力，或者飽和土在外加荷載作用下引起的超靜孔隙水應(yīng)力。6）土水勢(shì)小結(jié)對(duì)于土體，在不同條件下，土水勢(shì)各分量的組合是不同的。對(duì)飽和土來(lái)講，總土水勢(shì)應(yīng)包括重力勢(shì)、壓力勢(shì)、荷載勢(shì)等；對(duì)非飽和土，總土水勢(shì)通常包括重力勢(shì)、基質(zhì)勢(shì)、荷載勢(shì)等。（3）土的水分特征曲線非飽和土的基質(zhì)勢(shì)可以通過(guò)張力計(jì)、壓力板膜儀等試驗(yàn)方法確定，對(duì)一定的土體，基質(zhì)勢(shì)與它的含水率之間有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這種關(guān)系稱之為土的水分特征曲線。不同的土，以及土的吸水和脫水的水分特征曲線是不同的。同種土的原狀土和重塑土的水分特征曲線也不同。6非飽和土中水的運(yùn)動(dòng)非飽和土中水的運(yùn)動(dòng)比飽和土中復(fù)雜，它的運(yùn)動(dòng)不僅與多孔介質(zhì)的孔隙幾何特性有關(guān)，還受土體的含水率、飽和度、土水勢(shì)的變化控制，以及與