土力学 第二章 土的物质组成及土水相互作用

二、土的结构与构造
土的结构:指土颗粒或集合体的大小和形状、表面特征、排列形式以
及它们之间的连接特征(微观结构)。
土的构造:指土层的层理、裂隙和大孔隙等宏观特征亦称宏观结构。
土的结构对土的工程性质影响很大，特别是粘性土，如某些灵敏性钻土在 原状结构时具有一定的强度，当结构扰动或重塑时，强度就降低很多，甚至不 能再成型。
各粒组土粒一般特性
粒组名称
漂石或块石颗粒 透水性很大，无粘性，无毛细水。 卵石戎碎石颗粒 圆砾或角砾颗粒 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，毛细水上升高度大，但速度较慢。
和曲率系数Cc。
d 60 Cu d10
2 d30 Cc d10 d 60
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。
土的常见结构类型
单粒结构：组成砂、砾等粗粒土的基本结构类型，颗粒较粗大，比表面 积小，颗粒之间是点接触，几乎没有连结，粒间相互作用的 影响较之重力作用的影响可忽略不计，是重力场作用下堆积 而成的。
单粒结构土的工程性质，除与密实程度有关外，还与颗粒大小、级配、土粒的 表面形状及矿物成分类型有关。
土的常见结构类型
硅氧四面体：一个硅原子和四个氧原子以相等距离堆成四面体形状，硅
居其中央，氧占据四个顶点，四面体中的三个氧被共用，横向联结成六角形的 网格。
每个硅原子有四个正电荷，每个氧原子有两个负电荷，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：六个氢氧离子围绕一个铝离子构成的八面体晶片。八
减小上的渗透性。
双电层理论
粘粒表面带有一定量负电荷，并紧密地吸附在固相表面上，形成固 定层(吸附层)。 由于静电引力的作用，在水溶液中将吸引水中的阳离子到土粒表面 来。另一方面，阳离子又受到热运动的扩散作用，要离开土粒表面。因 而阳离子的分布是不均匀的，愈靠近表面，静电作用力愈大、吸引力愈
强，阳离子浓库也愈大；随着离土粒表面距离的增加，静电引力也降低
表示粒径。纵坐标则表示用小于(或大于)某粒径 的土重含量(或称累计百分含量) 。
土粒质量累计百分数为10%时，相应的粒径称为有效粒径d10。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。当小于某粒径的土 粒质量累计百分数为60%时，该粒径称为限定粒径d60。
利用颗粒级配累积曲线可以确定土粒的级配指标，如不均匀系数Cu
高岭石：一层硅氧四面体晶片和一层铝氧八面体晶片结合，形成一个单位晶
胞。高岭石晶胞间具有较强的氢键联结，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。
蒙脱石：蒙脱石单位晶胞的上下面均为硅氧四面体晶片，中间夹一个铝氧八面
体晶片。相邻晶胞间由相同的氧原子相接，这种联结既弱也不稳固， 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。
含蒙脱石矿物较多的土对环境的干湿变化较敏感；土体湿度增高，体积膨胀并形成 膨胀压力；土体失水，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。
伊利石：含钾量高的原生矿物经化学风化的初期产物，其晶格构造与蒙脱石相
似，也是由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。
三、土的气相
土中的气体主要是空气和水气。土中气体按其所处的状态和结构特
点可分以下几种类型：吸附于土颗粒表面的气体、溶解于水中的气体、 四周为颗粒和水所封闭的气体以及自由气体。
通常认为自由气体与大气连通，对土的性质无大影响；密闭气体的
体积与压力有关，压力增加，则体积缩小，压力减小，则体积胀大。因 此，密闭气体的存在增加了土的弹性，同时还可阻塞土中的渗流通道，
试验时将风干、分散的代表性土样通过一套孔径不等的标准筛 （20、2、0.5、0.25、0.1、0.075mm），称出留在各个筛子上 的土的质量，即可求出各个粗粒组在土样中的相对含量。
静水沉降分析法 粒径小于0.075mm的粉粒或粘粒现有技术难以筛分，
一般可根据土粒在水中匀速下沉时的速度与粒径的
理论关系，用比重计法或移液管法测定。
土是由固相、液相、气相组成的三相分散系。
固相:包括多种矿物成分组成土的骨架，骨架间的空隙为液相和气相填满，
这些空隙是相互连通的，形成多孔介质。
液相:主要是水(溶解有少量的可溶盐类)。 气相:主要是空气、水蒸气，有时还有沼气等
一、土的固相
土是岩石风化的产物。因此土粒的矿物组成将取决于成土母岩的矿 物组成及其后的风化作用。成土矿物主要可分为两大类。
一
般
特
性
砂 粒
粉源自文库粒
粘 粒
土的颗粒级配
土是由大小不同的土粒组成的。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。例如土的性质随着粒径的变细可由无粘性变
化到有粘性。
界限粒径:划分粒组的分界尺寸。 土的颗粒级配:土中各个粒组的相对含量(各粒组占土粒总重的百分
数)。
颗粒级配累积曲线:颗粒大小分析试验成果，由其横坐标（对数坐标）
粒组划分方案
粒组的粒径范围 （mm） d>200 200≥d＞60 60≥d＞20 20≥d＞2 2≥d＞0.5 0.5≥d＞0.25 0.25≥d＞0.075 0.075≥d＞0.005 0.005＞d 粉粒 粘粒 砂粒 粒组的名称 方案一 漂石粒（块石粒） 卵石粒（碎石粒） 圆砾粒（角砾粒） 粗 中 细 细粒 粉粒 粘粒 粗粒 砂粒 巨粒 方案二 漂石粒（块石粒） 卵石粒（碎石粒） 砾粒 粗砾粒 细砾粒 粗 中 细
片架结构：粘粒在絮凝状态下形成的，亦称絮凝结构。其特点是粘土 片以边－面或边－边连结为主，颗粒呈随机排列，性质较 均匀，但孔隙较大．对扰动比较敏感。具有触变性的土多
水溶盐:可溶性次生矿物。最常见的有岩盐、钾盐、石膏、方解石，硫
酸盐类还对金属和混凝土有一定的腐蚀作用
有机质:动植物分解后的残骸，分解彻底的称为腐殖质。腐殖质的颗粒
极细，粒径小于0.1m，呈凝胶状，带有电荷，具有极强的吸附性。
黏土矿物
黏土矿物：原生矿物长石、云母等硅酸盐矿物经化学
风化形成。
硅酸盐矿物：硅氧四面体和铝氢氧八面体两部分构成。
强结合水和弱结合水。
2.非结合水
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，它包括毛细水和
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。 毛细水是受毛细管作用控制的水，可以把土的孔隙看作是连续变截 面的毛细管，毛细管放在水中，管中的水位会上升到自由水位以上的一 定高度，毛管直径愈细上升高度愈高。在常温下毛细上升高度hc与毛管半 径r有以下关系：
面体中每个氢氧离子均为三个八面体共有，形成八面体单位的片状结构仁。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，故每个八面体都是正一价。
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，
形成不同类型的黏土矿物。
土中常见的黏土矿物有高岭石、伊利石和蒙脱石三大类。
粒度成分的测定方法
土的粒度成分，通常以土中各粒组的质量百分率来表示，通过对土
进行粒度分析，分离出土中各个粒组，分别称取质量，然后计算出各粒 组的质量占该土总质量的百分数。
不同类型的土，采用不同的分析方法。粗粒土采用筛析法，细粒土
采用静水沉降分析法。
筛析法 对于粒径大于0.075mm的粗粒土，可用筛析法测定粒度成分。
15 hc r
当r=0.1m时，hc=150mm，这与砂土(粒径为0.5~l mm)中的情况大致相当。粘土 的孔隙直径约为0.1m，按上式计算毛细上升高度将达150m？
(2)重力水
重力水是存在于地下水位以下的适水土层中的地下水。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
原生矿物
۞ 由岩石经物理风化生成的颗粒通常是由一种或几种原生矿物所组成，
它的成分成分与母岩的相同，常见的有石英、长石相云母。 ۞ 颗粒一般较粗，多呈浑圆形、块状或板状。
۞ 吸附水的能力弱，性质比较稳，无塑性。
次生矿物
۞ 由原生矿物经化学风化生成的新矿物，它的成分成分与母岩的完全不
同。次生矿物主要是粘土矿物，即高岭石、伊利石和蒙脱石。 ۞ 颗粒极细，且多呈片状。 ۞ 性质活泼，有较强的吸附水能力（尤其是由蒙脱石组成的颗粒），具 塑性。
，阳离子浓度也逐渐下降，直至孔隙中水溶液的浓度正常为止这个层称 为反离子层。而阴离子浓度与之相反。 土粒表面带负电荷的固定层(吸附层)与受土粒表面影响的阳离子层( 反离子层)合称为双电层。
Diffuse double layer（双电层）
(Figure by Muni Budhu,2000)
影响双电层的因素:土粒表面的电位、大小、土粒大小、矿物成分类型等。
物理风化:指由于温度变化、水的冻胀、波浪冲击、地震等引起的物理
力使岩体崩解、碎裂成岩块、岩屑的过程。物理风化仅使岩
石产生量的变化。
化学风化:指岩体(或岩块、岩屑)与空气、水和各种水溶液相接触，经氧
化、碳化和水化作用分解为极细颗粒的过程，生物的活动也 可 助长风化的进程。而化学风化却使岩石产生质的变化。
“土” 是自然界中性质最为复杂多变的物质。土的物质成分起源于
岩石的风化（物理风化和化学风化）。地壳表层的坚硬岩石，在长期的
风化、剥蚀等外力作用下，破碎成大小不等的矿物颗粒，这些颗粒在各
种形式的外力作用下，被搬运到适当环境里沉积下来，就形成了土。 “土”一词在不同的学科领域有其不同的涵义。就土木工程领域而 言，土是指覆盖在地表的没有胶结和弱胶结的颗粒堆积物。土与岩石的 区分仅在于颗粒间胶结的强弱。
强结合水(吸着水) 结合水 弱结合水(薄膜水)
土孔隙中的水
液态水
非结合水
毛细水(过渡型水)
重力水(自由水)
气态水(水蒸气) 固态水(冰)
1. 结合水
土颗粒表面带有一定的电荷，当土粒与水相接触时，由于静电作用 力，将吸引水化离子和水分子，形成双电层，在双电层影响下的水膜称 为表面结合水。双电层的厚薄也反映了结合水的厚薄，结合水具有与一 般自由水不同的性质，其密度较大、粘滞度高、流动性差、冰点低、比 热较大、介电常数较低，这种差异随距离增加而减弱。结合水又可分为
二、土的液相
土中水处于不同位臵和温度条件下，可具有不同的物理状态—固态、 液态、气态。 液态水是土中孔隙水的主要存在状态，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)。
水的类型 结合水 非结合水 毛细水 重力水 主要作用力 物理化学力 表面张力和重力 重 力
制，不受土粒表面吸引力的影响。
(3)固态水
固态水即冰，温度降到0℃以下时，孔隙中的水会凝结成冰。水结冰
后体积膨胀，同时由于水分迁移和补给，在土层中会形成冰层或透镜体。
固态水在土中起着暂时的胶结作用，提高土的力学强度，降低透水性。 但温度升高后，冰层解冻为液态水，使土的强度急剧降低，压缩性增大， 土的性质显著恶化，如处于地下水以上的某些公路路面在开春后的翻浆 现象就是一例。
伊利石相邻晶胞间由钾离子联结，这种联结较之高岭石层间的氢键联结为弱，但比 蒙脱石层间的水分子联结要强，所以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。
粘土矿物
高 岭
Al2O3 2SiO2 2H2O
K2O 3Al2O3 6SiO2 2H2O
Al2O3 4SiO2 nH2O