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1、第 2 章 土的物质组成及土水相互作用2.1 概述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，破碎成大小不等的颗粒，这些颗粒在各种形式的外力作用下，被搬运到适当的环境里沉积下来，就形成了土。初期形成的土是松散的，颗粒之间没有任何联系。随着沉积物逐渐增厚，产生上覆土层压力，使得较早沉积的颗粒排列渐趋稳定，颗粒之间由于长期的接触产生了一些胶结，加之沉积区气候干湿循环、冷热交替的持续影响，最终形成了具有某种结构连结的地质体（工程地质学中称为土体） ，并通常以成层的形式（土层）广泛覆盖于前第四纪坚硬的岩层
2、（岩体）之上。天然形成的土通常由固体颗粒、液体水和气体三个部分（俗称三相）组成。固体颗粒是土的最主要物质成分，由许多大小不等、形态各异的矿物颗粒按照各种不同的排列方式组合在一起，构成土的骨架，亦称土粒。天然土体中土粒的粒径分布范围极广，不同土粒的矿物成分和化学成分也不一样，其差别主要由形成土的母岩成分及搬运过程中所遭受的地质引力所控制。土是松散沉积物，土粒间存在孔隙，通常由液体的水溶液和气体充填。天然土体孔隙中的水并非纯水，其中溶解有多种类型和数量不等的离子或化合物（电解质） 。若将土中水作为纯净的水看待，根据土粒对极性水分子吸引力的大小，则吸附在土粒表面的水有结合水和非结合水之分。对于非饱和
3、土而言，孔隙中的气体通常为空气。土的上述三个基本组成部分不是彼此孤立地、机械地混合在一起，而是相互联系、相互作用，共同形成土的基本特性。特别是细小的土粒具有较大的表面能量，它们与土中水相互作用，由此产生一系列表面物理化学现象，直接影响着土性质的形成和变化。土的结构这一术语主要用于从微观的尺度描述土粒的排列组合和粒间连结，而土的构造则从宏观上反映了不同土层（包括夹层）的空间组合特征。土的成分和结构共同决定了土的工程性质。本章关于土的物质组成、土水相互作用和土的结构构造的阐述，构成了土质学的主要研究内容。所涉及的基本概念和基本理论，对于从本质上把握土在荷载作用下的工程性质（强度、变形及其随时间的变
4、化规律）是必不可少的。土的任何复杂的工程行为必然有其内在的控制因素，对此我们都可以从关于土的本质的研究中找到解答。2.2 土的粒度成分2.2.1 粒组及其划分天然形成的土，其土粒大小悬殊、性质各异。土粒的大小通常以其平均直径 d 来表示，简称粒径（亦称粒度） ，一般以毫米为单位。界于一定粒径范围的土粒，其大小相近、性质相似，称为粒组。土中各粒组的相对百分含量，称为土的粒度成分。自然界中的土粒直径变化幅度很大。工程上所采用的粒组划分首先应满足在一定的粒度范围内，土的工程性质相近这一原则，超过了这个粒径范围，土的性质就要发生质的变化。其次，粒组界限的确定，则视起主导作用的特性而定，而且，要考虑与目
5、前粒度成分的测定技术相适应。我国目前广泛采用两种粒组划分方案，如表 2-1。我国的粒组划分方案 表 2-1粒组的名称粒组的粒径范围（ mm） 方案一 方案二d200 漂石粒（块石粒） 漂石粒（块石粒）200d60巨粒 卵石粒（碎石粒）60d20卵石粒（碎石粒） 粗砾粒20d2 圆砾粒（角砾粒）砾粒 细砾粒2d0.5 粗 粗0.5d0.25 中 中0.25d0.075砂粒细粗粒砂粒细0.075d0.005 粉粒 粉粒0.005d 粘粒 细粒 粘粒注：漂石、卵石和圆砾粒呈一定的磨圆状（圆形或亚圆形） ，块石、碎石和角砾粒带有棱角。方案一见国家标准建筑地基基础设计规范 （GBJ7-89）和岩土工程勘
6、察规范（GB50021-94） 。方案二见国家标准 土的分类标准 （GBJ145-90 ） 。可以看出，两种方案的划分基本一致，唯一不同的是方案二将方案一中卵石粒的粒径下限由 20mm 提高到60mm，以便与世界上多数国家的一般规定相一致。表 2-1 中各粒组的一般特征如下：漂、卵、砾粒组：多为岩石碎块。由这种粒组构成的土，孔隙粗大，透水性极强，毛细上升高度微小甚至没有；无论干燥或潮湿状态下均无粒间连结，既无可塑性，也无膨胀性。砂粒组：多为原生矿物颗粒。由这种粒组构成的土，孔隙较大，透水性强，毛细上升高度很小；湿时粒间有弯液面力，能将颗粒连结在一起；干时及饱水时，粒间无连结，呈松散状态，既无可
7、塑性，也无胀缩性。粉粒组：为原生矿物和次生矿物的混合体。由该粒组构成的土，孔隙小而透水性弱，毛细上升高度很高；湿润时略具粘性，失去水分时粒间连结力减弱，导致尘土飞扬。粘粒组：主要由次生矿物组成。由该粒组构成的土，孔隙很小，透水性极弱，毛细上升高度较高；具可塑性和胀缩性；失水时连结力增强使土变硬。2.2.2 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，这就要求对土进行粒度分析，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
8、粒土，可用筛析法测定粒度成分。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（详见土工试验指导书） 。2.2.3 粒度分析成果表示方法实验得到的粒度分析资料，可以采用多种方法表示，借以找出粒度成分变化的规律性。最常用的表示方法是列表法和累计曲线法。列表法：将粒度分析的成果，用表格的形式表达。这种方法可以清楚地用数量说明土
9、样各粒组的含量，但当土样数量较多时，不能获得较为直观的结果。累计曲线法：以粒径 d 为横座标，以该粒径的累计百分含量为纵座标，绘制颗粒级配的累计曲线。累计曲线的座标系一般采用半对数座标。因为土粒粒径大小相差常在百倍、千倍以上，为清楚地反映细粒组成，粒径 d 宜用对数座标表示，如图 2-1。根据累计曲线，可以求出反映颗粒组成特征的级配指标不均匀系数 Cu和曲率系数Cc。不均匀系数按下式计算106dCu（ 2-1）式中 d 60限定粒径（mm） ，即土样中小于该粒径的土粒质量占土粒总质量的 60%；d10有效粒径（mm） ，即土样中小于该粒径的土粒质量占土粒总质量的 10%。图 2-1 颗粒级配累
10、计曲线曲率系数按下式计算 60123dCc（2-2）式中 d 30土样中小于该粒径的土粒质量占土粒总质量的 30%的粒径值（mm） 。工程中，当 uC5， c=13 时，称土的级配良好，为不均匀土，表明土中大小颗粒混杂，累计曲线显得平缓；若不能同时满足上述要求，则称土的级配不良，为均匀土，表明土中某一个或几个粒组含量较多，累积曲线中段显得陡直。d10 之所以称为有效粒径，是因为它是土中最有代表性的粒径。其物理含义是：由一种粒径土组成的理想均匀土，如与另一个非均匀土具有相等的透水性，那么这个均匀土的粒径应与这个不均匀土的粒径 d10 大致相等。d 10 常见于机械潜蚀，透水性、毛细性等经验公式中
11、。例 2-1有 a、b 两个土样，根据粒度分析试验成果所作的颗粒级配累计曲线见图 2-1。试分别判断两个土样的颗粒级配情况。解：对土样 a，d 10=0.5，d 30=4.2，d 60=18，按式(2-1)及(2-2)求得不均匀系数 uC=36，曲率系数 cC=1.96；对土样 b，d 10=0.2，d 30=0.4，d 60=0.84，按同样公式可求得不均匀系数u=4.2， =0.95。故土样 a 为级配良好的不均匀土，作为填方工程的土料时，比较容易获得较小的孔隙比（较大的密实度） 。土样 b 为级配不良的均匀土，土的颗粒主要为粒径0.252mm 的中、粗砂粒。表现在颗粒累计曲线上，a 土样
12、的累计曲线显得比较平缓，而 b土样的累计曲线中段比较陡直。2.3 土的矿物成分和化学成分2.3.1 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
13、的土，尽管土的粒度成分和密实度相同。但由于石英的坚硬程度、抗风化能力远大于云母，故主要由石英颗粒组成的土，其强度将远大于由云母颗粒组成（或含云母较多）的土，其变形相应也小得多。（二）次生矿物母岩风化后及在风化搬运过程中，如果原来的矿物因氧化、水化及水解、溶解等化学风化作用而进一步分解，就会形成一种新矿物，这就是次生矿物，其颗粒比原生矿物细小得多。自然界土体中常见次生矿物又分为两种类型，一种是原生矿物的一部分，可溶的物质被溶滤到别的地方沉淀下来，形成“可溶性次生矿物” ；另一种是原生矿物中可溶的部分被溶滤走后，残存的部分性质已发生变化，形成新的“不可溶性次生矿物” 。1 可溶性次生矿物又称溶盐矿
14、物，通常以离子状态存在于土的孔隙溶液中。阳离子有K+、Na +、Ca 2+、Mg 2+、Fe 2+等，阴离子有 C1-、 24SO、 3HC、 2S等。当土中含水量降低（如蒸发作用影响）或介质溶液的 PH 值发生变化，这些矿物便会结晶析出在土颗粒表面，在土中起暂时性胶结作用。当外部条件发生变化，如土中含水量增加，结晶的盐类会重新溶解，先前的暂时性胶结将部分或全部丧失。溶盐矿物按溶解度大小可分为易溶盐、中溶盐和难溶盐。例如，我国北方地区的黄土，粒间以微晶碳酸钙和硫酸钙（难溶盐类）胶结，遇水受压后容易发生突然沉陷。还有一种见于青海地区的盐土，颗粒成分和外观与黄土相似，不同的是粒间以微晶氯化钠和氯化
15、镁（易溶盐类）胶结，遇水后湿陷特别快。2 不可溶性次生矿物土中常见的该类矿物包括游离氧化物和粘土矿物。（1）游离氧化物这是由三价的 Fe、Al，二价的 Si 和 O、OH、H 2O 等组成的矿物，如针铁矿（Fe 2O3H2O） 、褐铁矿（Fe 2O33H2O） 、三水铝石（Al 2O32H2O） 、二氧化硅（SiO 2nH2O）等。大多数土中，游离氧化物仅仅是其中的次要成分，但它起的作用却不容忽视。它们大多呈凝胶状，部分呈微结晶，颗粒极为细小，性质稳定，亲水性弱，胶结能力强。它们或是包裹在颗粒的表面，或是沉淀在贯通的孔隙壁上，将土粒牢固地胶结在一起。如我国南方的红粘土，其所含水分和孔隙数量与软
16、土相当，但工程性质却比软土好得多，根源就在于红粘土中游离氧化物含量较高，且多在粒间起稳定的胶结作用，大大提高了红粘土的结构连结强度，使之具有较高的承载能力和较低的变形特性。（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，它们是硅氧四面体和铝氢氧八面体。硅氧四面体：由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（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。硅氧四面体晶片的符号如图 2-2c。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体晶片（图 2-3a） 。八面体中每个氢氧离子均为三个八面体共有，许多八面体以这种方式连结在一起，形成八面体单
