第一章 土的物理组成与结构构造

第一篇 岩土工程地质性质研究
第一章 土的物理组成与结构构造 第一节 土的形成
“土”一词在不同的学科领域有其不同的涵义。就土木工程领 土 一词在不同的学科领域有其不同的涵义。 域而言， 域而言，土是指覆盖在地表的没有胶结或弱胶结的颗粒堆积 土与岩石的区分仅在于颗粒间胶结的强弱。 物。土与岩石的区分仅在于颗粒间胶结的强弱。 物理风化——指岩石经受风、霜、雨、雪的侵蚀，温度、湿 指岩石经受风、 雪的侵蚀，温度、 物理风化 指岩石经受风 度的变化、不均匀膨胀与收缩，使岩石产生裂隙， 度的变化、不均匀膨胀与收缩，使岩石产生裂隙，崩解为碎 这种风化仅改变颗粒大小与形状，不改变原来矿物成分。 块。这种风化仅改变颗粒大小与形状，不改变原来矿物成分。 生成的土呈松散状态，无粘性土。 生成的土呈松散状态，无粘性土。 化学风化——指岩石碎屑与空气、水和各种水溶液相接触，经 指岩石碎屑与空气、 化学风化 指岩石碎屑与空气 水和各种水溶液相接触， 氧化、碳化和水化作用，改变原来矿物成分， 氧化、碳化和水化作用，改变原来矿物成分，形成新的矿物 次生矿物） 生成的土为细粒土，粘性土。 （次生矿物）。生成的土为细粒土，粘性土。 1 生物风化——由动物、植物和人类对岩体的破坏。 由动物、 生物风化 由动物 植物和人类对岩体的破坏。
18
第三节 土中的水和气体
一 土中的水
土中水处于不同位置和温度条件下， 土中水处于不同位置和温度条件下，可具有不同的物理状 固态、 态——固态、液态、气态。液态水是土中孔隙水的主要存在状 固态 液态、气态。 因其受土粒表面双电层影响程度的不同可分为结合水 结合水、 态，因其受土粒表面双电层影响程度的不同可分为结合水、毛 细水、重力水。后两者也称为非结合水（自由水）。 细水、重力水。后两者也称为非结合水（自由水）。
3
土粒粒组的划分
粒 组 名 称 漂石、块石颗粒 卵石、碎石颗粒 圆砾、角砾颗粒 粗 中 细 粗 中 细 极细 粗 细 粒径范围 ＞200 200～20 20～10 10～5 5～2 2～0.5 0.5～0.25 0.25～0.1 0.1～0.05 0.05～0.01 0.01～0.005 ＜0.005 透水性很大，无粘性，毛细水上升高 度不超 过粒径大小 易透水，当混入云母等杂质时透水性 减小，而压缩性增加；无粘性，遇水不膨 胀，干燥时松散，毛细水上升高度不大， 随粒径变小而增大 透水性小，湿时稍有粘性，遇水膨胀 小，干时稍有收缩，毛细水上升高度较大 较快，极易出现冻胀现象 透水性很小，湿时有粘性、可塑性， 遇水膨胀大，干时收缩显著，毛细水上升个氧原子以相等距离堆成四 硅氧四面体 面体形状，硅居其中央，氧占据四个顶点（图2-2a）。四面 体中的三个氧被共用，横向连结成六角形的网格（图2-2b）。 四面体的底在一个平面上，所有尖端指向同一方向。每个硅 原子有四个正电荷，每个氧原子有两个负电荷，这样四面体 排列成的六角网格片状结构中，每个硅氧四面体都具有一个 负电荷。 铝氢氧八面体：由六个氢氧离子围绕一个铝离子构成的八面 铝氢氧八面体 体晶片（图2-3a）。八面体中每个氢氧离子均为三个相邻的 八面体共有，许多八面体以这种方式连结在一起，形成八面 体单位的片状结构（图2-3b）。铝为正三价，氢氧为负一价， 每个八面体只能以两个负电荷抵消铝离子的一个正电荷，还 剩下一个正电荷，故每个八面体都是正一价的。
4
一 般 特 征 透水性很大，无粘性，无毛细水
砂 粒
粉 粒
粘 粒
4. 颗粒级配——土粒的大小及组成情况，通常以 土中各个粒组的相对含量来表示，称为土的颗粒 级配。 ●级配的测室方法：—筛析法 （> 0.075mm),比 重计法(< 0.075mm)
5
二 级配曲线
颗粒分析试验结果，绘制土的粒径级配曲线。用半对 数坐标绘制。纵坐标表示小于某粒径的土重占总土重的百 分数，横坐标用对数坐标表示土的粒径。
14
15
蒙脱石：蒙脱石单位晶胞的上下面均为硅氧四面体晶 b. 蒙脱石 片，中间夹一个铝氧八面体晶片，如图1-2a。蒙脱石的 构造就是许多上述晶胞在水平面上延伸，并顺着垂直方 向一层层叠置而成的。由于晶胞两边都为带负电荷的硅 氧四面体，相邻晶胞间由相同的氧原子相接，这种连结 既弱也不稳固，水分子很容易楔入其间，以致将其分散 为极细小的鳞片状颗粒，并使晶格沿垂直方向膨胀。故 含蒙脱石矿物较多的土对环境的干湿变化比较敏感：土 体湿度增高时，体积膨胀并形成膨胀压力；土体失水时， 体积收缩并产生收缩裂隙。而且这种胀缩变形可随环境 变化往复发生，导致土的强度衰减。
10
（1）游离氧化物 这是由三价的Fe、Al，二价的Si和O、OH、H2O等组成的 矿物，如针铁矿（Fe2O3·H2O）、褐铁矿（Fe2O3·3H2O）、三水 铝石（Al2O3·2H2O）、二氧化硅（SiO2·nH2O）等。 （2）粘土矿物 粘土矿物是原生矿物长石、云母等硅酸盐矿物经化学风 化形成的，硅酸盐矿物由两部分构成，即硅氧四面体和铝氢 氧八面体。
7
●不均匀系数Cｕ反映大小不同粒组的分布情况。 Cｕ越大表示土粒大小的分布范围越大、其级配越 良好，作为填方工程的土料时，则比较容易获得 较大的密实度。 ●曲率系数Cc 描写累积曲线的分布范围，反映曲 线的整体形状。曲线平缓，粒径大小相差悬殊， 土粒不均匀。 颗粒级配可以在一定程度上反映土的某些性质。 对于级配良好（ Cｕ>10，且Cc=1-3)的土，较 粗颗粒间的孔隙被较细的颗粒所填充，因而土的 密实度较好，相应的地基土的强度和稳定性也较 好．透水性和压缩性也较小，可用作堤坝或其它 土建工程的填方土料。 8
17
（三）有机质 工程上俗称的软土（包括淤泥和淤泥质土）及泥炭土中 富含有机质。 土中的有机质是动植物残骸和微生物以及它们的各种分 解和合成产物。通常把分解不完全的植物残体称为泥炭，其 主要成分是纤维素；把分解完全的动、植物残骸称为腐殖质。 有机质对土的工程性质的影响主要取决于其龄期、分解程度， 即取决于有机质的数量及性质。 从工程观点看，有机质（特别是分解完全的腐殖质）会 导致土的塑性增强，压缩性增高，渗透性减小，强度降低。 一般地，土中有机质含量超过1%时，采用堆载预压和水泥土 搅拌进行处理不会取得明显改良效果。
6
①不均匀系数定义为（Cu） ②曲率系数定义为（Cc）
d 60 Cu = d10
d C = d d
2 30 c 10
60
式中： d60—限定粒径。当小于某粒径的土粒质量累 计百分数为 60%时，相应的粒径称为d60 。 d10—有效粒径。当小于某粒径的土粒质量累计 百分数为10%时，相应的粒径称为d10。 d30—当小于某粒径的土粒质量累计百分数为 30%时的粒径用d30表示。
物理风化仅使岩 石产生量的变化
颗粒通常是由一种或几种原生矿物所 组成，它的成分与母岩的相同，颗粒 一般较粗， 吸附水的能力弱，性质比 较稳，无塑性。
原生矿物
土粒的大小 及其组成
物理风化
岩石
化学风化
土
土粒的粒径由粗到细逐渐变 化时，土的性质相应地发生 变化
化学风化仅使岩 石产生质的变化
次生矿物
粘土颗粒性质
16
c. 伊利石：伊利石是含钾量高的原生矿物经化学风化的 伊利石 初期产物，其晶格构造与蒙脱石相似，也是两片硅氧四 面体夹铝氧八面体构成，不同的是四面体中Si4+被Al3+所 替代，由K+ 离子补偿晶层正电荷的不足。伊利石相邻晶 胞间由钾离子连结，这种连结较之高岭石层间的氢键连 结为弱，但比蒙脱石层间的水分子连结要强，所以它形 成的片状颗粒大小处于蒙脱石和高岭石之间，其工程性 质也介于两者之间。
2.自由水(非结合水) 2.自由水(非结合水) 自由水 在双电层影响以外的水为自由液态水，它主要受 重力作用的控制，土粒表面吸引力居次要地位，这部 分水称为非结合水，它包括毛细水 重力水 毛细水和重力水 毛细水 重力水。 (1)毛细水 毛细水是受到水与空气交界面处表面张力作用的 自由水。毛管现象是毛细管壁对水的吸力和水的表面 张力共同作用的结果。 (2)重力水 重力水是存在于地下水位以下的透水土层中的地 下水。它是在重力或压力差作用下运动的自由水，对 土粒有浮力作用。重力水只受重力控制，不受土粒表 面吸引力的影响。
第三节 土的矿物成分和化学成分
一 土的矿物成分
土中的固体颗粒是由矿物构成的。按其成因和成分可分 为原生矿物、次生矿物、有机质等。 （一）原生矿物 土中的原生矿物是岩石风化过程中的产物，保持了母岩 的矿物成分和晶体结构，常见的如石英、长石、角闪石、云 母等。这些矿物是组成土中卵石、砾石、砂粒和某些粉粒的 主要成分。原生矿物的主要特点是：颗粒粗大，物理、化学 性质比较稳定，抗水性和抗风化能力较强，亲水性弱或较弱。 它们对土的工程性质的影响比其它几种矿物要小得多，主要 差别表现在颗粒形状、坚硬程度和抗风化稳定性等几方面。 例如，分别由石英和云母类矿物组成的土，尽管土的粒度 9
12
硅氧四面体和铝氢氧八面体这两种基本单元以不同的 比例组合，就形成了不同类型的粘土矿物。土中常见的粘 土矿物有高岭石、伊利石、蒙脱石三大类。
13
高岭石：一层硅氧四面体晶片和一层铝氧八面体晶片结 a. 高岭石 合，形成一个单位晶胞，如图1-2b。由于每个硅氧四面体 具有一个正电荷，每个铝氧八面体带有一个负电荷，使两 者以离子键（氢键）形成牢固连结，形成一个单位晶胞。 高岭石的构造就是这种晶胞在水平面上无限延伸，沿垂直 方向相互重叠而成。高岭石晶胞间具有较强的氢键连结， 水较难渗入其间，其颗粒一般较粗，亲水性弱，因而主要 由这类矿物组成的土，膨胀性和压缩性都较低。
原生矿物经化学风化生成的新矿物， 它的成分与母岩的完全不同。颗粒极 细，性质活泼，有较强的吸附水能力 ，具塑性。
2
第二节 土的粒度成分
一 土的颗粒级配 1.土颗粒的大小直接决定土的性质； 2. 粒径——颗粒直径大小，界限粒径——划分粒 组的分界尺寸。 3. 粒组——将粒径大小接近、矿物成分和性质相 似的土粒归并为若干组别即称为粒组。可划分： 200 20 2 0.075 0.005mm 漂石 卵石 砾石 砂粒 粉粒 粘粒