土体的结构性
土的结构性
化研究上加以突破，应脱离单变量模的分析思想， 从系统演化的整体角度出发建立结构要素之间的相 互关系模型。理论基础上，应在多科(如耗散结构、 协同学、混沌动力理论、自组织理论及分形理论等) 的知识交互过程中找出新的学生长点，将土体微nks for your attention 谢谢！
5.结构性定量化研究的发展阶段
一个完整且能够真正付诸实践的微结构力学体系 的建立，需要建立相应的本构模型——结构性模型 和相应的分析理论．逐渐破损理论去加以确定；应 当以量化的结构参数为基础恻。目前对土结构的量 化研究已有涉足，下面分别介绍近年来我国学者提 出的结构参数及建立的数学模型。
早期的土结构研究进展缓慢，且局限于定性研究。 近年来一些新兴技术特别是扫描电镜、电子探针、 透射电镜、SEM、压贡法测试技术被陆续引入到土的 微结构研究领域，特别是CT技术得到关注。 陈正汉等“”研制了一种能和CT机配套使用的非饱 和土三轴仪。该仪器除具有非饱和土三轴仪的全部 功能外，还能在试样过程中对土样内部结构进行动 态、定量和无损地量测，使CT技术应用有了新的前 景。
2土结构性研究的意义
土结构性研究的重要性在1925年由太沙基指出， 沈珠江院士称之为“2l世纪土力学的核心”。 谢定 义教授认为“土结构性是决定各类土力学特性的一 个最为根本的内在因素”。不难看出土结构性在土 力学学科发展中的特殊地位。半个世纪以来，对于 土结构性的研究已经取得了很大进展。
3变形机理
（1）宏观表现 多数学者都认为原状土的压缩曲线划成三段是合适 的，即平缓段、陡降段及趋于重塑土压缩曲线段。 原状土在固结压力小于结构屈服应时，压缩性较 小；当固结压力达到结构屈服压力并继续增大时， 压缩性急剧变大，土的压缩曲线出了陡降段；随着 固结压力的进一步增大，原状土的压缩曲线与重塑 土的压缩曲线趋于一致。
土壤结构性与孔隙性
3. 土壤孔隙类型
4. 土壤孔性与作物生长
1. 土壤相对密度和容重
土壤的相对密度：单位体积土壤固体颗粒(不含孔隙) 的烘干重与同体积水重之比。
名称 正长石 斜长石 石英 方解石 密度 2.54~2.58 2.62~2.76 2.60~2.70 2.71~2.90 名称 黑云母 白云母 角闪石、辉石 磷灰石 密度 2.80~3.20 2.76~3.10 2.90~3.60 3.16~3.22
各种自然因素和人工管理措施
(灌溉、排水、耕作、施肥)
土壤容重的用处***
计算工程土方量
估算各种土壤成分储量
计算土壤孔隙度
计算土壤储水量及灌水（或排水）定额
计算工程土方量
土壤重量=土壤体积×土壤容重
例：1公顷耕层土壤重量（耕层以20 cm计算，容 重为1.25 g/cm3 ）
= 10000m2×0.20m×1250kg/m3 = 2500000 kg=2500 t
白云石
高岭石 蒙脱石
2.80~2.90
2.60~2.65 2.53~2.74
赤铁矿
褐铁矿 腐殖质
4.90~5.30
3.60~4.00 1.20~1.80
注意
☺ 同一土壤中，不同大小土粒的腐殖质含量和矿物组成不同， 因而其密度也不同。 ☺ 多数土壤的密度为2.6~2.7g/cm3，因此计算中往往采用“常 用密度值 2.65 g/cm3 。
一、土壤结构体的形成与类型 1.土壤结构体的形成
第一阶段：土壤单粒被粘粒、腐殖质等胶结物质
胶结、凝聚成微团聚体
第二阶段：在干湿交替、耕作、根系的穿插、 挤压、分割等外力作用下形成结构体
阳离子凝聚作用 (cation
coagulation)
《土壤学》第三章 土壤的孔性、结构性与耕性
二、影响土壤耕性的因素
• 土壤物理机械性质是土壤在不同含水量 情况下所表现的物理性质，包括土壤的 粘结性、粘着性、可塑性、胀缩性以及 其它受外力作用（如农机具的切割、穿 透和压板等作用）而发生形变的性质。
（一）土壤粘结性和土壤粘着性
一、土壤孔隙的数量
（一）土壤比重 、 土粒密度 土粒密度:单位体积的固体干土粒（不包括粒间孔隙）
的重量(g/cm3) 。 土壤比重：土粒密度与水（4℃）的密度之比，无量纲。
• 土壤比重和颗粒密度大小相等，区别在于有无量纲 • 土壤比重是土壤相对稳定的性质
• 比重大小决定于矿物组成和有机质含量 • ①土壤矿物组成和含量有关，
三、影响土壤孔性的因素
(1)土壤质地 黏土、砂土、壤土－总孔隙度，通气孔隙、毛管孔隙 和无效孔隙、大小比例比较
粘质土孔隙度45—60%之间，以毛管孔和无效孔为主 ； 砂质土孔隙度33—45%，非毛管孔（通气孔）较多； 壤质土孔隙度45—52%，有适量通气孔又有较多毛管孔，
(2)土粒排列 疏松时高，紧密时低。
非活性孔隙度（％）＝V非活性孔隙／V土×100 毛管孔隙度（％）＝V毛管孔隙／V土×100 通气孔隙度（％）＝V通气孔隙／V土×100 总孔度＝非活性孔度＋毛管孔度＋通气孔度 •毛管孔隙度%=（田间持水量—凋萎含水量）×容重 •旱作土壤耕层总孔度为50%～56％；通气孔隙度不 低于10%；大小孔隙之比在1 ：2～4较为合适
2）毛管孔隙 孔径在0.0002－0.02mm（也有0.002－0.02的 说法），土壤水吸力在15－0.15bar范围的孔隙，具有毛管 作用。保持植物利用的有效水分 。
3）无效孔隙 ：土壤中孔径＜0.0002mm（或0.002mm），土壤 水吸力＞15bar的细微孔隙。其水分不能被吸收。
土壤的孔性、结构性和耕性
紧砂土 砂壤土 轻壤土 中壤土 重壤土 轻粘土 中粘土 重粘土
38～46 46～50 43～49 43～49 43～49 48～52 48～52 48～52
砂：孔度小（38-46%），均一，大孔隙居多。 粘：孔度大，孔径均一，以毛管孔和非毛管孔为主 壤：孔度居中（43-50%）孔径分布适中。
2．土粒排列方式 理想土壤：假定全部土粒都是大小相等的刚性光滑球体，
第二节
土壤结构
一、概念：
1、土壤结构体：单粒或复粒互相胶结在一起 形成的团聚体。 2、土壤结构性：土壤中单、复粒数量、大小、 形状、性质及其相互排列的孔隙状况等的 综合特性。
土 粒 的 排 列 方 式
二、土壤结构类型
根据土壤结构体的形状： 块状、核状、粒状、团粒、柱状（棱 柱状、柱状）、片状、板状。
正长石 斜长石 白云母 黑云母 角闪石 辉 石
纤铁矿
腐殖质
1.40～1.80
注意
多数土壤的密度为2.6～2.7克/厘米3，在机械分析中计算各 级土粒的沉降速率时，往往采用“常用密度值”即
常用土壤密度值：
2.65克/厘米3。
在同一土壤中,不同大小土粒的腐殖质含量和矿物组成不同， 因而其密度也不同。
表 4－2
3、上虚下实，上粗下细，保水保肥、托水托肥 因此，在评价其生产意义时，孔隙分布比孔隙度更为重要
土壤孔性与作物生长
适于作物生长发育的土壤孔性指标
旱地 土体内 30cm耕层： 上部（0-15cm）55% 下部（15-30 cm）50% 孔度 通气孔度 50-56% 8-10%（15-20更好） 上虚下实 15-20% 10%
黄土高原
沙漠
五、土壤结构性的评价
（一）土壤结构的孔隙状况 1. 块状、核状、柱状、棱柱状和片状结构 体 总孔隙度小，主要是小的非活性孔隙和 毛管孔隙，结构体之间大的通气孔隙，往往 成为漏水漏肥的通道。 植物根系很难穿扎，干裂时常扯断根系。
土壤学孔性、结构性、耕性
农业生产中，常采用排水晒田、晒垄、冻 垄等措施，提高土壤溶液电解质的浓度，促进
土壤胶粒凝聚。
(2) 水膜(water film)的粘结作用
土粒在水膜的作用下，在土粒接触处形成 弯月面，由于弯月面内侧的负压，把相邻的土 粒团聚在一起，形成土团。
(3) 胶结作用(cementation)
a、简单的无机胶体
径来计算，用当量孔径表示大小
当量孔径: 是指与一定的土壤水吸力相当的孔 径。它与孔隙的形状及其均匀性无关。土壤水 吸力与当量孔径的关系式为： d = 3/S d为孔隙的当量孔径（mm）,S为土壤水吸力 （KPa） 当量孔径与土壤水吸力成反比
根据土壤孔隙的通透性和持水能力，分为三种类型：
①非活性孔：又称无效孔、束缚水孔。 这是土壤中 最细微的孔隙，当量孔径一般<0.002mm, 土壤水 吸力>1.5×105Pa。 ②毛管孔隙：当量孔径约为0.02-0.002mm, 土壤水 吸力1.5×104Pa-1.5×105Pa,具有毛管作用。 ③通气孔隙：当量孔径>0.02mm,相应的土壤水吸力 <1.5×104Pa,毛管作用明显减弱。
3.土壤三相比的计算
（1）土壤固相容积（％） ＝（1－土壤总孔隙度）×100％ （2）土壤液相容积（％） ＝土壤含水量×土壤容重
（3）土壤气相容积（％） ＝土壤总孔隙度－土壤液相容积
土壤三相组成的适宜范围(comfort zone)
土壤三相比＝固相:液相:气相
多数旱地作物(upland field crop)适宜的 土壤固、液、气三相比为：
二土壤力学性质是土壤颗粒之间以及土壤与外物之间的相互作用又称土壤物理机械性包括土壤黏结性黏着性可塑性胀缩性等土壤耕性的好坏主要是由土壤物理机械性质引起的
第四章 土壤孔性、结构性和耕性
在湿润时，（由于土壤含有一定的水分）土壤板结性实际土 粒-水-土粒之间相互吸引而表现的板结力。
影响粘结力的因素：
• 1.土壤颗粒的比表面积：比表面积越大， 粘接力越强。 （1）土壤质地：粘性土>壤质土>砂质 （2）粘土矿物的类型： 2：1矿物>1:1型 矿物 （3）代换性阳离子组成：土壤上代换性 Na+（盐渍土）越高，粘结力越强（白 僵土）。 （4）土壤颗粒的团聚化程度：结构性强 的土壤粘结性差 • 2.土壤水分含量 • 在适度含水量时粘结力最大。水分的 C表明由干土到湿土 变化过程也会影响到粘结力（见图） 粘结力变化，A • “湿时一团糟，干时一把刀”； (Clay）、B（sand） • “宁可干耕勿湿耕” 从湿到干变化中粘结 • 3.有机质缺乏的土壤，粘结性强。 力变化
1．土壤团粒结构的形成过程 包括“多级团聚说”和“粘团说”两种。 第一阶段：有单粒在胶体凝聚、水膜粘结以及胶结作用下形成初 级复粒或致密的小土团。 第二阶段：初级复粒进一步逐级粘合、胶结、团聚，依次形成第 二级、第三级及微团聚体的过程。
2．团粒结构形成的必备条件 ①各种各样的单粒、复粒、黏团及微团粒的数量 及组成； ②胶结物质：有机胶体、无机胶体及胶体凝聚物 质。 成型动力 包括：土壤生物的作用、干湿交替、适宜土壤含水 量下耕作。
项目四 土壤的孔性、结构性与耕性
第一节 土壤孔性
小 孔 隙 大 孔 隙
土壤孔隙是容纳 水分和空气的空 间； 是土壤中物质和 能量贮存和交换 的场所； 是众多土壤动物 和微生物活动的 场所； 是植物根系伸展 并从土壤中获取 水分和养料的介 质。
农业概论第二章 土壤的孔性与结构性-3.25 (2)
生物与农业工程学院
主要内容
第一节 土壤孔性 第二节 土壤结构
第一节 土壤孔性
土壤密度和容重 土壤空隙性
一 土壤密度和土壤容重
土壤密度
单位容积固体土粒（不包括粒间孔隙的容积）的质量， 单位为g/cm3或t/m3。
过去曾称为土壤比重或土壤真比重。 密度值的大小，是土壤中各种成分的含量和密度的综合 反映。
定形状和大小的土团或土块。
土壤结构性 结构体在土壤中的类型、数量、排列形式、孔 隙状况以及稳定性的综合特性。
一 土壤结构体
土壤结构体类型
一 土壤结构体
不良土壤结构体
块状结构：
1）立方体型，纵轴与横轴大体相等，内部紧实，多出现于
有机质含量低，耕性不良的粘质土壤中。
坷垃
一 土壤结构体
2）出现部位及原因 出现部位：表土层中，通常在耕层中 。
15~20%，底层土壤（15~30cm)孔度和通气孔度分别为
50%和10%左右，这种“上虚下实”的土壤属于比较理
想的。
二 土壤孔隙性
影响土壤孔隙性的因素
（1）土壤质地：
沙土的总孔隙度小，一般为30-40%，以大孔隙居多。
粘土的总孔隙度大，一般为50-60%，且以小孔隙为主。 壤土总孔隙度居中，一般为40-50%，大小孔隙比例较 为适当。
1.35~1.50 1.50~1.70 1.70~1.90 1.60~1.90 1.10-1.60
一 土壤密度和土壤容重
极限容重和适宜容重：
极限容重：土壤坚实以至妨碍根系生长的土壤容 重最大值。 适宜容重：土壤的结构性和孔隙状况适宜于植物 生长扎根时所表现出的容重数值。
土的三个重要特点
土的三个重要特点：散体性、多相性、自然变异性。
土的结构：单粒结构、蜂窝结构、絮状结构。
土的液限和塑限：圆锥入土深度为10mm和2mm时土样的含水率分别为液限和塑限。
塑性指数(pi)：液限和塑限的差值液限(li)指数粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比按颗粒级配和塑性指数划分：碎石土、砂土、粉土和黏性土四大类影响甚游戏书的主要因素：土的粒度成分、土的密实度、土的饱和度、土的结构、水的温度。
原位测试是测定土的压缩性指标，还可测定地基承载力和土的变形模量E0土的压缩模量E S的定义是土体在侧限条件下的竖向附加压力与竖向应变之比值分层总和法？splitting summation method分层总和法是指将地基沉降计算深度内的土层按土质和应力变化情况划分为若干分层，分别计算各分层的压缩量，然后求其总和得出地基最终沉降量。
土的有效应力原理Principle of stress in the soil：饱和土中任意点的总应力总是等于有效应力加上孔隙水压力或有效应力总是等于总应力减去孔隙水压力地基固结度(degree of consolidation)：地基土层在某一压力作用下，经历时间t所产生的固结变形量与最总固结变形量之比值直剪试验可分为：快剪，固结快剪、慢剪。
三轴压缩试验：不固结不排水三轴试验、固结不排水三轴试验、固结排水三轴试验。
土压力(earth pressure)：挡土墙后的填土因自重或外荷载作用墙背产生的侧压力。
土压力有：主动土压力、被动土压力、静止土压力。
偏大．而库仑理论是根据墙背与滑动面间的楔块型处于极限平衡状态的静力平衡条件求总土压力．墙背可以倾斜，粗糙填土表面可倾斜，计算结果主动压力满足要求，而被动压力误差较大．朗肯理论是考虑墙后填土每点破坏，达极限状态；库仑理论则考虑滑动土体的刚体的极限平衡；确定地基承载力的方法有：原位试验法、理论公式法、规范表格法、当地经验法。
潜地基三种破坏模式：整体剪切破坏、局部剪切破坏、冲切剪切破坏。
土结构性的剪切波速表征及对动力特性的影响
土结构性的剪切波速表征及对动力特性的影响一、本文概述土的结构性是指土颗粒之间的排列方式、连接方式以及由此产生的整体力学特性。
在土动力学中，剪切波速是描述土体在剪切应力作用下波动传播速度的重要参数，它与土的结构性密切相关。
剪切波速不仅影响土体的变形特性，还是评价地基稳定性、地震波传播、地下工程安全等多个领域的关键指标。
研究土结构性的剪切波速表征及其对动力特性的影响，对于深入理解土的力学行为、提高工程安全性和优化工程设计具有重要意义。
本文旨在通过理论分析和实验研究，探讨土结构性的剪切波速表征方法及其对动力特性的影响。
我们将介绍土结构性的基本概念和剪切波速的定义及测量方法。
通过室内试验和现场测试，分析不同土样在剪切波速方面的差异性，以及土结构性对剪切波速的影响机制。
接着，我们将讨论剪切波速与土的动力特性之间的关系，包括土的阻尼比、刚度等。
结合工程实例，评估剪切波速在工程实践中的应用价值，并提出相应的建议和展望。
通过本文的研究，我们期望能够为土木工程领域的学者和工程师提供关于土结构性的剪切波速表征及其对动力特性影响的深入理解，为未来的工程实践提供理论支持和指导。
二、土结构性的剪切波速表征土的结构性是指土颗粒之间的排列方式、连接方式以及颗粒间的相互作用力等特性，这些特性对土的力学行为，包括剪切波速的传播特性，具有重要影响。
剪切波速，即剪切波在介质中传播的速度，是反映介质动力特性的重要参数，尤其在地震工程、岩土工程以及波动分析等领域中，具有广泛的应用。
在土的结构性研究中，剪切波速的表征是一个关键问题。
通常，剪切波速可以通过多种方式进行测量和表征，包括野外原位测试、室内试验以及数值模拟等。
野外原位测试如跨孔波速测试、面波测试等，可以直接获取实际工程场地中土的剪切波速，对于理解土的结构性和动力特性具有重要意义。
室内试验则可以通过控制试验条件，模拟不同结构性土的剪切波速特性，从而更深入地研究土的结构性对剪切波速的影响。
土壤结构
第二节土壤结构一、土壤结构的类型及其特性掌握五类土壤结构，即：1.块状结构特点近立方体型，纵轴与横轴大致相等，边面与棱角不明显。
块状结构按其大小分：大块状结构（轴长大于 5cm ）、块状结构（轴长 3-5cm ）和碎块状结构（轴长 0.5-3cm ）块状结构在土壤粘重，缺乏有机质的表土中常见之，特别是土壤过湿或过干，最易形成。
表层多见大块状结构，心土和底土多见块状和碎块状结构。
2.核状结构近立方体，边面和棱角较为明显，轴长 0.5-1.5 cm ，一般多分布于缺乏有机质的心、底土层中。
3.柱状结构特点：这类结构纵轴远大于横轴，在土体中程直立状态。
按棱角明显程度分为（ 1 ）柱状结构：棱角不明显（ 2 ）棱柱状结构：棱角明显。
这类结构往往存在于心、底土层中，是在干湿交替的作用下形成的。
有柱状结构的土壤，土体紧实，结构体内孔隙小，但结构体之间有明显的裂隙。
如水稻田心土层中有柱状结构，就会引起漏水、漏肥。
4.片状结构横轴远大于纵轴呈薄片状，老耕地的犁底层中常见到，此外，在雨后或灌水后所形成的地表结壳和板结层，属于片状结构。
特点：片状结构不利于通气、透水。
会影响种子发芽和幼苗出土，还加大土壤水分蒸发，因此生产上要进行雨后中耕松土，以消除地表结壳。
5. 团粒结构是指近似球形，疏松多孔的小团聚体，其直径约为 0.25-10mm 。
粒径 <0.25mm 以下的 , 称微团粒。
生产中最理想的团粒结构粒径为 2-3mm, 是一种较好的土壤结构类型 .团粒结构分 (1) 水稳性团粒结构 : 经水浸泡较长时间不散的叫水稳型团粒结构 (2) 非水稳性团粒结构 : 经水浸泡立即松散的叫非水稳性团粒结构 ( 粒状结构 ) 。
我国东北地区黑土含大量的水稳性团粒结构 , 粒径 >0.25mm 的水稳性团粒结构可高达80% 以上，而我国绝大多数旱地土壤耕作层则多为非水稳性团粒结构。
（ 1 ）协调土壤水、气矛盾团粒结构的土壤 , 大小孔隙比例适当 , 在团粒内部为小孔隙 , 而在团粒之间是大孔隙 , 能同时供给植物以水分和空气 , 水、肥、气、热协调，能同时满足作物的需要。
第三章 土壤的孔性、结构性与耕性
(二)外因
降雨, 施肥, 灌溉, 降雨, 施肥, 灌溉, 耕作
第二节 土壤结构 一,土壤结构的类型及其特性
土壤中的土粒常常不是以单粒形式存在, 土壤中的土粒常常不是以单粒形式存在,而是许多单 粒粘合,胶结在一起,形成复合团聚体.或称为复粒. 粒粘合,胶结在一起,形成复合团聚体.或称为复粒. 土壤结构体: 土壤结构体:土壤中的各级土粒或其中的一部分互相 胶结,团聚而形成的大小,形状,性质不同的土团,土块, 胶结,团聚而形成的大小,形状,性质不同的土团,土块, 土片等. 土片等. 土壤结构性:土壤中的单粒和结构体的数量,大小, 土壤结构性:土壤中的单粒和结构体的数量,大小, 形状,性质及其相互的排列和相应孔隙状况等的综合特性. 形状,性质及其相互的排列和相应孔隙状况等的综合特性.
(3)推知土壤的松紧状况 ) 容重 <1.0 1.0~1.14 1.14~1.26 1.26~1.30 >1.30 松紧状况 很松 松 适宜作物生长 稍紧 紧 孔隙度 >60% 56~60% 52~56% 50~52% <50%
气三相容积比率, (4)计算土壤固,液,气三相容积比率,用 )计算土壤固, 以反映土壤自身调节肥力因素的功能
1.土壤相对质量密度(比重) .土壤相对质量密度(比重) 是指单位容积的固体土粒(不包括粒间孔隙) 是指单位容积的固体土粒(不包括粒间孔隙)的干 重与同体积水的质量之比. 重与同体积水的质量之比. 多数土壤矿物比重在2.6-2.7左右 , ( 将 2.65作为土壤 左右, 多数土壤矿物比重在 左右 作为土壤 矿物的平均值) 而一般土壤有机质的比重为1.25矿物的平均值 ) , 而一般土壤有机质的比重为 1.40. 由于表层土壤有机质含量较多 , 其比重通常都 . 由于表层土壤有机质含量较多, 低于心土及底土层. 低于心土及底土层.
土壤的孔性、结构性和耕性
0.02—0.002mm
水分水吸力
T=3/0.02=150百帕~T=3/0.002=1500百帕
对植物是有效的，而且植物的根系和微生物都可在 其中生长和活动。
c. 通气孔隙(空气孔隙）
孔径 ＞0.02mm 水分水吸力
T<3/0.002=150百帕
通常有空气存在其中，同时植物根毛、根系和微生 物均可在通气孔隙中活动。
3. 土壤孔性与土壤肥力的关系
孔隙大小和数量
土壤松紧状况
水、气含量
养分有效性 和保肥供肥
土壤的增温 与稳温
第二节
定义：
土壤结构性
在内外因素的综合作用下，土粒相互团聚成
大小，形状和性质不同的团聚体，称为土壤
结构。
1. 土壤结构的类型
①块状结构
②核状结构
③ 柱状结构
④ 片状结构 ⑤ 团粒结构
土 壤 团 粒 体
b.土壤质地：土壤中粘粒愈多，质地愈细，塑 性愈强。一般而言,上塑限、下 塑限和塑性值的数值随着粘粒含 量的加而增大。 c.代换性阳离子 d.土壤有机质
③ 土壤胀缩性
土壤吸水后体积膨胀，干燥后体积收缩称为土壤 胀缩性。 土壤胀缩性对生产不利。
土壤膨胀 根系发生 机械损伤 孔隙变小、透水 困难气体交换、热 量受到障碍 土壤收缩 拉断植物 根系
1. 土壤孔隙度
定义: 土壤孔隙的容积占整个土体容积的百分数 称为土壤孔隙度，又称总孔度。 它是衡量土壤孔隙的数量指标。
土壤孔隙度的计算
土壤孔隙度=(1-{土壤容重}/土壤相对密度)×100%
① 土壤相对密度
定义： 单位容积固体土粒(不包括粒间孔隙的容积)的干重 (g/cm3或t/m3)与4℃时同体积水重之比。 土壤的比重为单位容积固体土粒(不包括粒间孔隙的容积)的 干重(g/cm3或t/m3) 土壤相对密度的大小与土壤组成有关，常用土壤 相对密度值2.65 。
自然土壤的土体构型
自然土壤的土体构型
自然土壤的土体构型是指土壤中各种组分的排列和分布方式。
土体构型的特征受多种因素影响，包括土壤成分、土壤成分间的粒径分布、土壤质地、土壤结构等。
一般来说，自然土壤的土体构型可以分为以下几种：
1. 泥土基质：土壤中最主要的组分，由细颗粒物质（如粘土、砂、泥）和有机物质组成。
泥土基质的构型取决于颗粒的粒径分布和粘粒的粘结特性。
2. 孔隙：泥土基质中的空隙，包括宏观孔隙（大于0.05毫米）和微观孔隙（小于0.05毫米）。
宏观孔隙是土壤中的空隙，
可以容纳水分和气体；微观孔隙是微小的孔隙，对土壤中的气体运输和水分保持起重要作用。
3. 土壤结构：土壤中颗粒的排列方式，包括颗粒聚集和团聚。
颗粒聚集是指颗粒之间的结合形成团聚体。
团聚体的形状和大小取决于土壤质地和土壤中的有机物质含量。
4. 根系空间：土壤中植物根系所占据的空间，对土壤质地和水分运输具有重要影响。
根系空间可以增加土壤的透气性、水分保持能力和抗腐蚀性。
总的来说，自然土壤的土体构型是一个复杂的体系，受多种因素的综合影响。
不同的土壤类型和环境条件下的土体构型会有
所不同。
了解土壤的土体构型有助于理解土壤的物理特性、生态功能和土壤管理。
土的三大特性
土的三大特性土是生活在世界上的人类最基本的资源之一，它是植物生长和人类文明发展的基础。
人类每天都要使用土，所以土的特性非常重要。
下面讨论一下土的三大特性，包括土的形态特性、结构特性和力学特性：一、土的形态特性：土的形态包括干土、湿土和混合土，这三种形态又分为四种类型，即砂土、黏土、砾石土和粉土。
1、砂土：砂土具有细腻、坚固、质地粗糙等特点，它粒度较大，通常含有较高的沙粒，由较细的石英粒组成，多见于沙漠地带，森林和海岸附近。
2、黏土：黏土具有黏性、柔软、有孔隙性等特点，它经过多次润湿后，呈现明显的粘合作用，它的粒度较小，多由黏土矿物粒组成，多见于湿地、河流沿岸和沿山沟的低洼地带。
3、砾石土：砾石土具有质地坚硬，有孔隙性，表面有砾石残屑等特点，它经过冻融后，不容易粘合，它的粒度较大，多由砾石和砂砾组成，多见于山地地带，河流冲积扇和滑坡带。
4、粉土：粉土具有玲珑轻柔，有光泽性，表面有细小的颗粒等特点，它的粒度很小，多由铁铝等金属元素组成，多见于沙漠、淤泥区和沿海沙洲等。
二、土的结构特性：土的结构细节由粒度范围、粒径配置、粒径分级、粒径形态及粒间特性等组成。
1、粒度范围：从土粒径大小来看，由粗粒、中粒和细粒三种组成，当土粒径小于2mm时，称为细粒；当土粒径在2mm-50mm范围内时，称为中粒；当土粒径大于50mm时，称为粗粒。
2、粒径配置：粒径配置是指土中粒径各种组合方式，它可以分为均匀配置、不均匀配置和奇特配置三种，其中均匀配置是指土粒径分布更为均匀，不均匀配置是指土粒径分布无规律，而奇特配置是指土粒径以特殊形状分布。
3、粒径分级：粒径分级指的是土粒径从小到大排列的结构，它有两种，分别是均质排列和不均质排列，其中均质排列是指土粒径按照大小顺序排列，而不均质排列可以分为乱序排列和分级排列。
4、粒径形态：粒径形态是指土粒径大小及其形状，它有两种，分别是球形和不球形，其中球形是指粒度都是圆形，而不球形则是指粒度呈现其他形状，如椭圆形、三角形等。
土壤的孔性、结构性与耕性
土壤的孔性、结构性与耕性
第二节土壤结构性
自然界的土壤中，土壤固体颗粒很少以单粒形式存在， 一般都会胶结成大小、形状、性质不一的团聚体。
一、土壤结构体和土壤结构性 土壤结构是土粒（单粒和复粒）的排列、组合形式。包含 着两重含义：结构体和结构性。
土壤结构体：又称土壤结构，是指原生土粒（单粒）和次生土粒 （复粒）的排列与组合状况。
在保证良好通气性的前提下，毛管孔隙度愈大愈好。
土壤的孔性、结构性与耕性
通气孔隙*：
当量孔径> 0.06 mm的孔隙, 其中> 0.2 mm的粗孔 植物的细根可伸入其中；0.2∽0.06 mm的中孔是原
生动物、真菌和根毛的栖身地。 旱地耕层土壤通气孔隙度在10%~20%为佳。
土壤的孔性、结构性与耕性
指单位土壤容积内孔隙所占的百分数。
孔隙度＝1－固相率＝液相率＋气相率
孔隙度＝ 1－容 密重 度
指单位土壤容积内孔隙所占的百分数。旱地耕层土壤以50%～５６％适宜大多 数作物生长。 一般砂土孔度30%-45%，壤土40%-50%，粘土45%-60%。
土壤的孔性、结构性与耕性
二、孔隙分级——质量指标
（一）当量孔径***：
土壤结构性：指土壤结构体在土壤中的类型、数量、相互排列方式 孔隙状况以及其稳定性（水稳性、力稳性、生物稳定性）的综合特 性。
通常所说的土壤结构多土指壤的结孔性构、结性构性。与耕性
二
土
壤
结
构
（
体
）
似立方体型
条柱型
的
类
型
似球型
土壤的孔性、结构性与耕性
扁平型
孔隙性质是评价结构性重要指标，良好的土壤结 构性应该具备土壤总孔隙度大，大小孔隙的分配 要适当
第05章+土壤物理性质(质地和结构)
生物作用
胶结作用
团粒结构形成机制
冻融交 替
水膜的粘 结作用
胶体的凝聚作用
（1）生物作用
根系的穿插作用: 根系的挤压作用: 使大土团破碎成小土团 使小土团组合为大土团
频繁反复的穿插和挤压，易形成团粒结构。
（2）土壤干湿交替作用
湿润土块在干燥过程中由于胶体失水而收缩 干燥土块因吸水而膨胀 使土体出现裂缝而碎，促进各种结构体的形成。
卡庆斯制：二级
国际制：
根据砂粒(2-0.02毫米)、粉粒(0.02-0.002毫米)和粘粒 (<0.002毫米)三粒级含量的比例，划定12个质地名称，可 从三角图上查质地名称。
查三角图的要点 以粘粒含量为主要标准， <15%者为砂土质地组和壤土质地组; 15％－25％者为粘壤组; >25%者为粘土组。 土壤含粉粒>45 --“粉 质” ； 砂粒含量在55%-85%-“砂质”
常见的土壤粒级制 卡钦斯基制 (1957) 石 砾 粗砂粒 物 理 性 砂 粒 物 理 性 粘 粒 粘 粒 粗粘粒 细粘粒 胶质粘粒 粘 粒 粘 粒 粗粉粒 粉 中粉粒 细粉粒 粒 粉 粒 细砂粒 极细砂粒 细砂粒 中砂粒 美国农部制 (1951) 石 砾 极粗砂粒 粗砂粒 中砂粒 细砂粒 粗砂粒 国际制 (1930) 石 砾
3、壤质土主要特性：
•
水、气：大小孔隙数量适中，通气透水性良好
• 热：含水量适宜，土温比较稳定 • 肥：养分含量多，保肥性能好 • 耕性：耕性良好，宜耕期长
砂粘适中，消除了砂土类和粘土类的缺点， 是农业生产上质地比较理想的土壤
将砂质土、壤质土、粘质土基本肥力性状比较如下：
（一）砂质土 农民称白土、白塘土，广泛分布于我国北方，它通
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
土体的结构性，是指土体颗粒和孔隙的性状和排列形式(或称组构)及颗粒之间的相互作用。
绝大多数天然土都有一定的结构性，软土由于特定的历史条件和矿物成分，同样具有结构性，其结构类型有着自身的特点。
这种结构性对土的工程性质有强烈的影响。
结构性软土具有结构强度。
因此，它呈脆性破坏，其破坏应变较小。
在工程中，结构性土地基往往会在缺乏预兆情况下，产生突然性破坏。
研究软土的结构性，从而对软土地区的结构物的设计、地基加固设计有着重要意义。
沈珠江认为土的结构性是影响土力学特性诸要素中一个最为重要的要素，被认为是“21世纪土力学的核心问题”。
本文主要从宏观力学试验出发，制作SEM 图像并对其进行分析、研究。
研究结构性原状软土变化特性，其主要研究成果有如下几点：（1）收集了珠江三角洲地区158个原状软土的物理力学指标数据，对指标的变化范围、变异性、指标间的相互关系和各指标的统计分布规律进行研究。
研究的结果表明：不同地方的软土的物理力学性质差异较大；各参数与含水量w、孔隙比e存在一定的关系；天然密度ρ、干密度ρd、液限wL、塑限wp、塑性指数Ip、无侧限抗压强度qu和灵敏度St服从正态分布；含水量、孔隙比和粘聚力C服从近似正态分布；饱和度Sr、比重Gs、渗透系数Kv、压缩系数a v1-2、压缩模量Es1-2和内摩擦角ф为非正态分布。
研究的结果对在软土工程有着重要意义。
（2）通过固结压缩试验，采用3种不同的方式对结构性原状土和重塑土的结构性参数、压缩特性进行研究。
结果显示结构性对软土压缩特性影响较大；结构性参数mp>1，当荷载较大时，mp≈1；原状土和重塑土的压缩系数在加载初期有较大的区别，随着荷载的增加，原状土的压缩系数逐渐趋于重塑土的压缩系数。
由SEM图片显示了土样压缩的变化过程。
（3）针对同一地段的50个原状土样的试验数据进行统计分析，得出孔隙比、含水量、密度、干密度是影响软土压缩特性的重要因素。
通过原状土和重塑土一维固结压缩试验，对固结系数、压缩系数、压缩模量进行分析，得出结构性对软土压缩特性有较大的影响。
给出了压缩特性的微观行为，提出了作者自己的一些观点。
（4）通过三轴的固结不排水和不固结不排水试验，研究了结构性软土在不同的围压下的应力－应变关系，应力路径对结构性软土的影响以及孔隙水压力的变化规律。
（5）论文分别从制备土样、制备拍照样品、SEM图像的拍摄、数字图像处理等方面介绍了软粘土微观分析操作步骤。
运用MATLAB对SEM图像的灰度直方图、图像阈值分割和边缘检测进行分析。
探讨阈值分割和边缘检测算子对SEM图像的影响。
介绍了IPP专业图像分析软件对SEM图像进行测量方法与技巧。
（6）采用IPP软件分别对颗粒的面积、颗粒的平均形状系数和孔隙的面积、孔隙的平均形状系数、孔隙的个数、孔隙的等效直径、面孔隙比、面孔隙度、孔隙的圆度、孔隙的定向频率等方面分析了随荷载的变化规律。
（7）考虑软土的结构性，引入损伤比概念，对邓肯－张模型进行修正。
修正后的模型能够更好的反映结构性软土的应力－应变关系。
探讨了结构性软土的应变软化和应变硬化的变化规律，从而得出不同的阶段有着不同的初始弹性模量和K、n值。
（8）鉴于土结构的不确定性及其力学性状的非线性表现，采用BP神经网络模型建立结构性参数的非线性模型是一种可行的办法。
研究了结构性参数与结构特征参数间的关系。
结果表明孔隙总面积、孔隙平均孔径、孔隙圆度与结构性参数有较强的相关性，而孔隙分维数、颗粒总面积、颗粒平均孔径与之则较差。
要】：软土是工程建设中常见的天然材料,广泛分布于沿海、河流中下游及湖泊的三角洲地区,其物理力学性质非常复杂,具有含水量高、孔隙比大、压缩性高、强度低、渗透性差、结构性和流变性显著等特点,其中具有代表性的淤泥和淤泥质土,主要由极细的粘土颗粒、有机物、氧化物等固相物质和水组成。
软土的颗粒微小,比表面积大,颗粒表面富集电荷,在颗粒—水—电解质系统的相互作用下,颗粒表面形成的吸附结合水膜是显著影响软土工程特性的重要微观物质因素。
结合水的厚度随矿物成分、孔隙液性质及浓度、温度等因素的变化而改变,以致改变软土的塑性、流变性、渗流与强度等宏观工程特性。
长期以来,人们主要从宏观层次对软土的工程特性进行研究,无法从根本上解释其产生不良工程特性的机制和本质规律。
本文通过实验,从微细观的角度分析细颗粒软土变形和渗流等工程特性及其变化的微观机制。
通过软土的矿物成分及比例、比表面积、阳离子交换量、孔隙特征及分布等微细观参数的测试,对不同微细观参数组合的软土试样进行变形与渗流特性试验,基于颗粒—水—电解质系统相互作用的扩散双电层理论,由定量计算给出变形和渗流特性参数与各微细观参数的定量关系,分析特性参数与微细观参量的内在关系,解释影响软土特性的微观机制。
最后,在试验分析的基础上,建立了软土的圆孔和平行平板微观渗流模型,通过实测结果证实了模型的合理性和有效性。
本文开展的研究工作和取得的成果有如下几个方面:(1)通过微细观试验测试软土的矿物成分及比例、颗粒尺度、比表面积、阳离子交换量(CEC)、微孔隙的尺度及分布,由颗粒表面电荷密度计算颗粒表面电位。
测试结果表明,不同矿物成分的颗粒比表面积、CEC差别较大,以致其表面电荷密度差别较大,矿物晶层结构是导致这些差别的最重要因素;颗粒表面电位随孔隙液离子浓度的提高而降低;软土中的孔隙尺度以微米级孔隙为主,孔径分布特征与其矿物成分、颗粒尺度和内部结构有关。
(2)研究不同矿物成分、孔隙液离子浓度和含水量的软土的强度与塑性变形特性。
根据试验分析,认为矿物颗粒之间的摩擦与胶结粘聚作用是软土强度特性的决定因素,结合水膜的变化将改变矿物颗粒之间的摩擦与胶结粘聚作用机制,从而改变强度性质;对于盐渍土,可溶盐离子通过颗粒表面微电场作用改变结合水膜性质是其具有低液塑限和较特殊强度特性的主要微观机制。
(3)软土直剪蠕变试验与微细观参数测试分析相结合,研究粘土矿物、有机物和氧化物、含水量对软土流变特性的影响。
试验结果表明,软土中的各种成分通过表面吸附结合水膜影响土样的流变性质;不同物质成分对软土流变性产生不同程度的影响,从而呈现出软土流变性的成分因素,而影响软土流变性的微观机制都是通过改变吸附结合水膜的厚度和性质产生的;强结合水是影响软土流变性质的主要因素,弱结合水则是相对次要因素。
(4)采用不同电解质离子浓度的孔隙液对人工土和天然土进行渗透试验,研究极细颗粒软土微孔隙渗流的“微电场效应”和“微尺度效应”,并通过压汞法研究了固结过程中渗流固结特性的变化。
试验分析认为,颗粒表面电荷的微电场对粘土微孔隙渗流会产生显著影响,不同的矿物成分和孔隙液离子浓度使颗粒表面具有不同电场,使孔隙液粘度和“有效渗孔”改变,从而影响渗流特性;对于微米级以下的微孔隙渗流,出现渗透系数随水力梯度降低而增大的“异常”现象,采用微孔隙渗流的“边界滑移”作出一种与试验相符的解释;孔隙尺度及分布特征是影响土体渗流固结特性的重要因素。
(5)建立了软土的圆孔和平行平板微观渗流模型,通过实测结果证实了模型的合理性和有效性。
在微观渗流模型中,考虑颗粒表面微电场对孔隙液粘度的影响以及对运动离子的电场力作用,导出了“圆孔”形和“平行平板”形渗孔的流体运动方程,由模型求得的渗透系数与系统微细观参数的关系得到了试验结果的验证,并证明了Darcy定律为本微观渗流模型的一个特例。
天然土在沉积过程大都会形成一定的结构性，对于海积软土该现象尤为明显，结构性强弱的变化会导致其基本物理力学特性发生相应变化。
结构性软土工程往往会在缺乏先兆的情况下产生突发性的破坏，所以对工程建设影响较大，而大部分施工作用对地层的扰动都将导致应力及应变状态的变化，这种变化与应力路径有关。
针对区域性结构性软土做深入系统研究，探讨不同应力路径对软土力学特性的影响，研究不同应力路径下土体的本构模型及其参数的变化，对建于软土地基上的工程有重要意义。
本文针对南沙区域典型结构性软土，进行了大量的室内试验研究，从土的结构性、不同应力路径与应力水平角度探讨其力学特性，主要内容和结论包括：1、通过对原状土和重塑土进行压缩、直剪、无侧限抗压等对比试验，对土的结构性进行了研究，结果表明：(1)结构性软土经扰动后强度明显降低，土体的联结强度基本丧失；当固结压力大于结构屈服压力时土的结构性对土体强度的影响会明显降低甚至消失；结构屈服压力是变形规律的控制因素之一，可以通过压缩系数a～固结压力p曲线近似确定结构屈服压力的大小。
(2)原状土的固结特性呈现超固结阶段、正常固结阶段、以及介于之间的结构屈服阶段三阶段特征；在同一级荷载下重塑土变形规律较原状土而言有更明显的主次固结划分界限。
2、通过对软土土样三轴不排水剪试验研究了不同固结条件和不同应力路径对软土力学特性的影响。
结果表明：(1)等压固结后土体在剪切过程中形成的应力应变关系具有明显的硬化特征，而偏应力固结后由于固结过程中剪应力的作用，剪切阶段的应力-应变关系近似为理想弹塑性材料的变形特性。
(2)不同应力路径下孔隙水压力变化规律明显不同，增p路径和等p路径下孔压在剪切过程中均为正值；减p路径下，土体在弹性变形阶段孔压基本为零，但屈服后开始为负并持续下降直至破坏。
(3)土体的变形规律与有效应力路径有关，土体屈服后有效应力路径发生明显偏转，由于剪切过程不排水，所以不同应力路径下孔压的变化规律是造成有效应力路径与总应力路径偏离明显不同的原因；等向固结至同一应力状态时不同总应力路径下的有效应力路径基本一致，表明了p′～q′～e的唯一性关系。
(4)不同应力路径对有效应力强度指标无明显影响，但对总应力强度指标有较大影响，即不排水条件下孔隙水压力对应力路径有较强的依赖性。
3、通过试验成果探讨了所研究软土的有关典型本构模型参数的取值，分别给出了剑桥模型参数和邓肯模型参数建议值。
4、通过试验成果和神经网络技术建立了不同应力路径下的神经网络模型，并对模型进行了验证，结果表明神经网络模型能较好地反映不同应力路径下的应力-应变关系。