土的三相组成

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分被溶滤带走后，残留下来的部分改变了原来矿物的成分与结构，形成了新的不可溶性次生矿物。

可溶性次生矿物又叫水溶盐，按其在水中的溶解度又分为易溶盐、中溶盐和难溶盐三
类。

常见的易溶盐有岩盐(NaCl)、钾盐(KCl)、芒硝(Na
2SO
4
·10H
2
O)和苏打(NaHCO
3
)等；常
见的中溶盐是石膏(CaSO
4·2H
2
O)；常见的难溶盐有方解石(CaCO
3
)和白云石(CaCO
3
·MgCO
3
)，
难溶的方解石在地壳上分布最广。

当土中含水少时，这些次生矿物结晶沉淀，在土中起胶结作用，可暂时提高土的力学强度；当含水较多且盐分遇水溶解后，土的联结随之破坏，可使土的性质急剧变差。

因此，土中含有一定数量的水溶盐时，土的性质随矿物的结晶或溶解会发生很大变化，尤其是易溶盐和中溶盐，是土中的有害成分，许多水溶盐溶于水后对金属和混凝土有腐蚀侵蚀性。

一些工程设计规范对水溶盐，特别是易溶盐含量有一定的限制。

不可溶性次生矿物有次生二氧化硅、倍半氧化物和粘土矿物。

次生二氧化硅是由硅酸
盐、长石等风化后形成的次生矿物，一般是含水的二氧化硅(SiO
2·nH
2
O)、燧石、玛瑙、蛋
白石等都属于此类矿物，其颗粒细小，在水中呈凝胶状态。

倍半氧化物是由三价的Fe、Al
和O、OH、H
2O等组成的次生矿物，用R
2
O
3
表示，最常见的矿物有针铁矿(Fe
2
O
3
)，红色；褐
铁矿(Fe
2O
3
·3H
2
O)，黄色；铝矾土(Al
2
O
3
·nH
2
O )等，大多呈胶体状，颗粒极细小，具较强
的亲水性。

粘土矿物是主要的次生矿物，是组成粘粒的主要矿物成分。

粘土矿物是原生矿物长石及云母等硅酸盐类矿物经化学风化作用而形成。

粘土矿物大多具有云母片状的结晶格架，这种层状结晶格架由硅氧四面体与铝氧八面体两个基本单位所组成。

根据不同结晶格架，可形成很多种类的粘土矿物，其中分布较广且对土性质影响较大的是蒙脱石、高岭石和伊利石(或水云母)三种。

蒙脱石的晶体是由很多互相平行的晶层构成，每个晶层都是由顶、底的硅氧四面体和
中间的铝氧八面体层构成(图1-2a)，其化学分子式为Al
2O
3
·4SiO
2
·nH
2
O。

相邻两晶层间以
负电荷的氧原子层相对，同性相斥，连结力极弱，有较强的活动性，遇水很不稳定，晶层间可吸收无定量的水分子。

晶层间的距离随吸入水分子的量而发生变化，吸入的水量越大，则晶层之间的距离越大，这就是蒙脱石吸水膨胀的性能。

当晶层间距离增大至失去连结力时，蒙脱石颗粒可分离成更细小的土粒，最小者近于0.001mm，因此含有蒙脱石矿物的粘粒具有较强的亲水性，较大的膨胀与收缩性。

高岭石的晶体也是由互相平行的晶层构成，每个晶层由一个硅氧四面体和一个铝氧八
面体层构成(图1-2b)，其化学分子式为Al
2O
3
·2SiO
2
·2H
2
O。

晶层顶底不对称，相邻两晶层
以氧离子与氢氧离子相对，为氢键连结，其连结力很强，致使晶格不能自由活动，水分子不易进入晶层之间，是遇水较为稳定的矿物，故其颗粒较大，一般不小于0.002mm，主要呈粗粘粒，少数可为粉粒，所以其亲水性较弱，胀缩性均较小。

伊利石的晶体与蒙脱石相似，每个晶层也是由顶、底硅氧四面体和中间铝氧八面体层构成(图1-2c)，相邻晶层间也能吸收不定量的水分子。

但是硅氧四面体中的Si+4可以被Fe+3、Al+3取代，从而产生过多的负电荷，为了补偿晶层中正电荷的不足，在晶层之间常出现一价正离子(主要是K+)，由于一价正离子在晶层间起一定的连结作用，而且平衡钾一般是不可交换的，故伊利石晶层间的连结力介于蒙脱石与高岭石之间，其颗粒大小与特性也介于两者之间。

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第三节土中水和气体
土中水和气体是土的基本组成部分，随外界条件的变化，二者比例相继变化，使土的状态和性质也发生改变，土中水对土的性质影响较为显著，气体则不太明显。

一、土中水的类型与特性
天然状态的土一般都含有水，水常以不同的形式和状态存在于土中，并与土粒相互作用着，这是影响土的性质的主要因素。

按土中水的存在形式、状态、活动性及其与土的相互作用将土中水划分为矿物成分水、结合水、液态水、气态水、固态水等类型。

(一)矿物成分水
矿物成分水存在于矿物结晶格架的内部又称矿物内部结合水。

按其与结晶格架结合的牢固程度不同，又分为结构水、结晶水和沸石水。

结构水是以H+和OH-离子的形式存在于矿物结晶格架的固定位置上，粘土矿物中铝氧八面体中的OH-就是结构水。

结晶水是水以分子
形式和一定的数量存在于矿物结晶格架的固定位置上，如石膏(CaSO
4·2H
2
O)中的H
2
O就是结
晶水。

沸石水是水以分子形式不定量地存在于矿物相邻晶层之间，如蒙脱石的晶层之间就存在这种水。

在常温条件下，矿物成分水不能以分子形式析出，属于固体部分，它们对土的性质影响不明显。

只有在高温条件下，则可能从原来矿物中析出，并形成新矿物，此时，土的性质也随之发生变化。

(二) 孔隙中的水
孔隙中的水即存在于土粒间孔隙中的水，可分为结合水、液态水、气态水和固态水。

1.结合水
由于细小的土粒表面带电，而水又是极性水分子(一端类似阴极，另一端类似阳极，形成所谓的“偶极体”)，在土粒表面静电引力作用下而被吸附的水称为结合水，又叫土粒表面结合水或物理结合水。

土粒的静电引力强度是随着离开土粒表面的距离增大而逐渐减弱，靠近土粒表面的水分子，受到土粒的强烈吸引(可达1000—2000MPa)，而失去活动能力，整齐地排列起来，这部分水称为强结合水，又叫吸着水。

而距离土粒表面稍远的水分子(强结合水的外缘)，受到土粒的吸引力减弱，有部分活动能力，排列疏松不整齐，这部分水叫弱结合水，又叫薄膜水。

结合水不同于其它类型的水，它不受重力影响，密度较大(强结合水1.6—2.4g/cm3，弱结合水1.3—1.74g/cm3)，有粘滞性和一定的抗剪强度。

强结合水在常温下不能移动，性质类似于固体颗粒，弱结合水可以从水膜厚处缓慢地向水膜薄处移动，粘性土的很多特性如可塑性与胀缩性等都是由于土中弱结合水的特性而表现出来的。

2.液态水
距土粒表面较远的水分子，几乎不受或者完全不受土粒表面静电引力的影响，主要受重力或毛细压力作用的控制，能传递静水压力和能溶解盐分，在温度0℃左右冻结成冰。

液态水可分为重力水和毛细水。

毛细水是由于毛细作用保持在土的毛细孔隙中的地下水，它分布在结合水的外围，虽然水分子不能被土粒表面直接吸引住，但仍受土粒表面的静电引力的影响，特别是在固、
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液、气三相交界弯液面的附近(地下水面以上附近)，这种影响尤甚。

这种情况下，土粒的分子引力(浸湿力)和水与空气界面的表面张力(毛细力)共同作用而形成毛细水。

毛细水主要存在于粒径为0.002—0.5mm的毛细孔隙中，主要存在于粉细砂与粉土中。

孔隙更小时，土粒间主要充满结合水，不能再有毛细水。

粗大的孔隙毛细力极弱，也难以形成毛细水。

毛细水对土性质的影响，主要是毛细力常使砂类土产生微弱的毛细水连结。

毛细水上升至地表时不仅引起沼泽化、盐渍化，而且使地基、路基浸蚀，降低土的力学强度。

重力水存在于较大孔隙中，具有自由活动的能力，在重力作用下产生流动，为普通液态水，重力水流动时，产生动水压力，能冲刷带走土中的细小土粒，这种作用常称为机械潜蚀作用如管涌，流土等；重力水还能溶滤土中的水溶盐，这种作用称为化学潜蚀作用。

潜蚀作用都将使土的孔隙增大，增大压缩性，降低土的抗剪强度；同时，地下水面以下饱水的土，受重力水浮力作用，土粒及土的重量相对减小。

3.气态水与固态水
气态水以水气状态存在于土孔隙中，一般情况对土的性质影响不大，且含量相对较少。

当温度降低至0℃以下时，土中水主要是重力水冻结成固态水(冰)，固态水常以冰夹层、冰透镜体和细小冰晶等形式存在于土中，在土中起暂时胶结作用，提高土的力学强度，降低透水性。

但冰融时，土的结构变疏松，强度降低，压缩性增大，土的性质显著恶化。

上述几种类型的水中，对土的性质影响较大的主要是弱结合水和重力水，其次是固态水。

二、土中气体
土中气体主要为空气与水气，一般与大气连通，处于动平衡状态，对土的性质影响不大。

少数情况下土中存在封闭气体时对土的性质有一定的影响，主要表现在透水不畅，加固土时不易使土压实等。

另外封闭气体的突然逸出可造成意外的沉陷。

总之，土中气体对土性质的影响不如固体颗粒与土孔隙中的水。

第四节土粒与水的相互作用
土粒与水的相互作用是研究固体颗粒与孔隙溶液相互作用后产生的一系列性质。

巨粒、粗粒以及粉粒由于它们的颗粒比较粗大，比表面积小，表面能小，因而与孔隙溶液作用后，对土的性质影响较小。

对于粘粒来讲，由于其颗粒细小，比表面积大，比表能大，是土中活动的部分，与孔隙溶液相互作用后可表现出一系列界面现象，如颗粒表面的双电层、离子交换、粘粒的聚沉与稳定等，对土的性质影响较大。

尤其是粘粒的双电层问题，自然界中粘性土所表现出的粘着性、可塑性与胀缩性等一系列特殊的物理性质，都与粘粒表面的双电层有关，因此研究土粒与水的相互作用具有理论与实际意义，本节着重介绍粘粒双电层问题。

一、土粒的比表面积
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三、影响扩散层厚度的因素
一般来说，粘粒与水相互作用后，双电层中的固定层紧靠土粒表面，排列紧密，连结牢固，厚度较小且较固定，性质类似于土粒本身，其对土的性质影响较小。

而反离子层中的扩散层因远离颗粒表面，连结力减弱，在不大的外力作用下就能发生变形或移动，是活动的部分，因此可引起土的一系列工程性质的变化，如粘性土的可塑性与胀缩性等。

这种变化主要是由于扩散层厚度的变化所引起，扩散层厚度的变化受颗粒本身的矿物成分、颗粒形状和大小的影响，还受溶液介质的化学成分、浓度及pH值的影响，即是固、液两相相互作用的结果。

(一)土粒的矿物成分与分散程度
土粒越细小，分散程度越高，则比表面积就越大，对一定量的土来说扩散层的总体积越大，颗粒大小、形状与矿物成分有关，因此矿物成分是决定因素。

矿物成分决定着粘粒表面带电荷数量，其带电荷数量越多，则扩散层厚度就越大，其亲水性也就越强。

粘土矿物中，蒙脱石颗粒细小，一般呈薄片状，比表面积较大，故亲水性较强，高岭石最小，伊利石介于二者之间，因此，一定量的蒙脱石的扩散层总体积最大，伊利石次之，高岭石最小。

土粒的矿物成分决定着表面电荷的形成方式与电荷数量，对于扩散层厚度具有重要的意义。

(二)溶液的化学成分，浓度及pH值
当热力电位是某一定值时，溶液中任何一种离子，无论是反号离子还是同号离子(与颗粒表面电荷符号相同的离子)，对电动电位都有影响，特别是反号离子尤甚。

在其它条件不变的情况下，反号离子由原来的一价变为二价时，由于带电粘粒对单个离子的吸引力加大了一倍，反号离子更接近粘粒表面，使电动电位降低较快，扩散层厚度变小，所以扩散层中电价高的离子较电价低的离子的扩散层厚度要薄。

另外相同电价的离子，随着离子半径的增大，扩散层厚度变薄，这种规律是由于同价离子半径小者水化程度高，在其周围吸附较厚的水分子层，总的半径较大，使扩散层变厚，水化程度低的离子(半径较大)则形成较薄的扩散层。

当溶液中反号离子的浓度增加，对扩散层中的反号离子起着排斥作用，结果使扩散层中的离子被迫进入固定层中，使扩散层变薄，这是因为固定层中的反号离子的增多，有效地补偿了粘粒表面电荷，使热力电位在固定层中迅速下降，电动电位也降低，故扩散层厚度变薄。

溶液的pH值决定着粘粒矿物表面分子的离解方式，从而决定粘粒表面所带电荷的符号、数量和热力电位的大小，也就影响到扩散层的厚度。

对次生SiO2，溶液的pH值越大，其离解程度越高，则扩散层厚度就越大，反之亦然。

对倍半氧化物与粘土矿物，溶液的pH 值不仅决定着双电层的厚度，还决定着粘粒表面带电性质。

一般情况下，溶液的pH值与粘粒矿物的
pH等电值之间的差值越大，离解程度越高，则扩散层厚度就越大，反之亦然。

在干旱半干旱地区，粘粒的矿物成分主要为伊利石、蒙脱石及可溶盐类，且溶液的pH 值一般大于7，有些地方大于8.5，溶液pH值与伊利石、蒙脱石的pH
值相差较大，因此
等电
有较厚的扩散层。

扩散层中往往有Na+离子存在，使扩散层增厚，故这些地区的土遇水易分
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散解体，土的工程性质较差。

相反，在湿热地区土中成分多为高岭石和R2O3等，而溶液的pH值接近于7.0左右，这时有的粘粒表明带正电荷，有的则显负电荷，粒间连结增强，扩散层厚度变薄，因此在湿热地区土的工程性质相对较好。

第五节土的结构
土的结构是指组成土的土粒大小、形状、表面特征，土粒间的连结关系和土粒的排列情况，其中包括颗粒或集合体间的距离、孔隙大小及其分布特点。

土的结构是土的基本地质特征之一，也是决定土的工程性质变化趋势的内在依据。

土的结构是在成土过程中逐渐形成的，不同类型的土，其结构是不同的，因而其工程性质也各异，土的结构与土的颗粒级配，矿物成分、颗粒形状及沉积条件有关。

一、土粒间的连结关系
土中颗粒与颗粒之间的连结主要有如下几种类型：
1．接触连结，是指颗粒之间的直接接触，接触处基本上没有粘粒和无定形物质，接触点上的连结强度主要来源于外加压力所带来的有效接触压力。

这种连结方式在砂土、粉土中或近代沉积土中普遍存在。

2．胶结连结，是指颗粒之间存在着许多胶结物质，将颗粒胶结连结在一起，一般其连结较为牢固，胶结物质一般有粘土质，可溶盐和无定形铁、铝、硅质等。

可溶盐胶结的强度是暂时的，被水溶解后，连结将大大减弱，土的强度也随之降低；无定形物胶结的强度比较稳定。

3．结合水连结，是指通过结合水膜而将相邻土粒连结起来的连结形式，又叫水胶连结，当相邻两土粒靠得很近时，各自的水化膜部分重叠，形成公共水化膜，这种连结的强度取决于吸附结合水膜厚度的变化，土越干燥则结合水膜越薄，强度越高；水量增加，结合水膜增厚，粒间距离增大，则强度就降低。

这种连结在一般粘性土中普遍存在。

4．冰连结，是指含冰土的暂时性连结，融化后即失去这种连结。

二、土的结构类型
(一)巨粒土与粗粒土的结构类型
巨粒土与粗粒土主要由粒径大于0.075mm的土粒所组成，由于其颗粒比较粗大，土粒间的分子引力相对很小，粒间几乎没有连结，或者连结很弱，单一颗粒相互堆砌在一起形成单粒结构(图1-4)。

这类土的性质主要取决于土粒大小和排列的松密程度。

根据颗粒排列的紧密程度不同，单粒结构还可以分为松散结构和紧密结构两种类型。

松散结构的工程性质较紧密结构要差。

在巨粒土和砾类土中，由于粗、细颗粒含量的不同，因而具有不同的结构形态。

若粗粒物质含量高，相互间直接接触，而细粒物质充填在其孔隙中，称之为粗
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石状结构(图1-5a)；若粗粒物质含量低，被包围在细粒物质中间而不能直接接触，则称之为假斑状结构(图1-5b)。

粗石状结构的土具有较高的强度，而其透水性则取决于粒间孔隙的充填程度及充填物的性质。

假斑状结构土的性质主要取决于组成土的细粒物质的特点。

图1-4 土的单粒结构图 1-5 巨粒土、砾类土的结构
(a)松散结构；(b)紧密结构（a）粗石状结构；(b)假斑状结构
(二)细粒土的结构类型
细粒土颗粒细小，在水中一般都不能以单个颗粒沉积，而凝聚成较复杂的集合体进行沉积，形成细粒土特有的团聚结构。

因为它的形状象海绵或蜂窝，所以也称海绵状结构或蜂窝状结构。

细粒土的团聚结构按土粒均匀与否可分为均粒和非均粒两种类型。

均粒团聚结构又分为蜂窝状和絮状结构。

蜂窝状结构是粒径一般为0.02～0.002mm的土粒在水中下沉时相互连结形成的(图1-6a)。

絮状结构是粒径一般小于0.002mm的土粒在水中凝聚形成的(图1-6b)。

非均粒团聚结构是由粉粒和砂粒之间充满粘粒团聚体所形成的结构(图1-6c)。

图1-6 细粒土团聚结构示意图
(a)蜂窝状结构；(b)絮状结构；(c)非均粒团聚结构
团聚结构不稳定，易受外界影响而发生变化，如受压缩、剪切、加热、干燥、浸湿等作用以及水溶液的离子成分、浓度、pH值等变化的影响，都可以使结构发生变化而引起土的性质变化。

近些年，国内外许多研究者对细粒土，尤其是粘性土的微观结构进行了大量的研究，并取得了一定的进展，但分类命名极不统一。

对于细粒土微观结构的分类命名，主要考虑
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三个方面的内容，即能够发挥独立作用的基本单元体(包括碎屑颗粒和包裹粘土微粒的颗粒)、基本单元体之间的结构连结、孔隙与颗粒的排列特征。

这三方面的内容常称为土结构的三要素。

表1-6列出了土结构各层次要素的名称系列。

在给土的结构分类命名时，要综合考虑土结构的三大要素，这样给出的名称才能反映土的工程性质。

首先通过偏光显微镜或电子显微镜观察研究，给细粒土的各个要素定出具体的名称，然后在此基础上定出综合反应土结构三要素的总体名称。

如某类细粒土的基本单元体为“粒状”，单元体之间开放排列形成“架空孔隙”，且单元体之间的连结为“粘质胶结”。

那么这类土的结构名称定为“粒状、架空、粘质胶结”结构。

据此可以定出很多土结构的名称。

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