土质土力学02土的物质组成和结构

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1、2 土的物质组成和结构土是未固结成岩的松散沉积物，在地表广泛 分布，是工程和经济活动的主要对象。土的 工程性质复杂多变：作为建筑地基，有的可以修建高楼大厦，有的连 平房都承受不起；作为建筑材料，有的可以作为 混凝土的骨料，有的可以烧制砖瓦，有的很难派 上用场。土的性质之所以有这样大的差别，主要是其成分 和结构的不同。因此，在研究土的工程性质形成 及其变化规律时，首先要研究土的组成成分。2 土的物质组成和结构2.1 土的基本特性 2.2 土的粒度成分 2.3 土的矿物成分 2.4 土的化学成分 2.5 土中的水和气 2.6 土与水的相互作用2.1 土的基本特征 1、从地质观点分析，土具有如下共同

2、特点：1）土是地质历史的产物l土是由多种矿物自然集合而成的，它是在 一定的地质历史时期内，经过各种复杂的 自然因素的作用后形成的。不同类型的土 ，其形成时间、地点、环境及方式不同， 各种矿物在质量、数量和空间排列上都有 一定的差异，因而工程性质也有所不同。 因此，成因类型和地质历史的研究是分析 鉴定土的工程性质的基础。 l形成过程：无机土来自岩石的物 理风化和化学风化,有机土中的有 机物来自植物、小动物的骨骼和 外壳。l形成过程中仍残留原地的称为残 积土。l由风、水、波浪、冰川或重力搬 运而形成的沉积物称为运积土。松散沉积物类型：l风化残积：残积物l重力堆积：坠积物、崩塌堆积物、滑坡堆积物、土

3、 溜堆积物l大陆流水堆积：坡积物、洪积物、冲积物、湖积物 、沼泽沉积物、三角洲（河湖、河海）堆积物l海水堆积：滨海堆积物、浅海堆积物、深海堆积物l地下水堆积：泉水堆积物、洞穴堆积物l冰川堆积：冰积堆积物、冰水堆积物、冰积湖堆积 物l风力堆积：风积物l火山堆积：火山岩及火山碎屑岩l其它：人工堆积l通常，流水搬运、沉积形成的土如 洪、冲积土的工程性质要好于风力 搬运、沉积形成的土，也好于湖积 和海积土；沉积年代久远的土的工 程性质要优于新近形成的土；不同 的自然条件下形成的土的性质有较 大的差异，各地往往存在一些特殊 性土，其性质常常较一般土差。 2）土是相系组合体l土是由三相（固、液、气）或四相

4、（固、 液、气、有机质）所组成的体系：l相系之间往往存在复杂的物理化学 作用。因此，土的相系之间质和量的 变化是鉴定其工程性质的一个重要依 据。l在研究土时，必须对同时存在的三相 的质与量以及它们之间的相互作用一 并加以研究。3）土是分散体系l由二相或更多相所构成的体系，其一相或某一 些相分散在另一相中，称为分散体系。多相组 成的土是分散体系。l根据固相土粒的大小程度，将土划分为：l粗分散体系(2m)l细分散体系(20.1m)l胶体体系(0.10.01m)l分子体系(0.075mm）采用筛析法（筛分法）l细粒土（粒径60mm）含量大于15%的土为 巨粒类土。试样中粗粒组含量大于50%的土为粗粒

5、类土。其中 ，砾粒组含量大于砂粒组的土为砾类土；砾粒组含 量不大于砂粒组的土为砂类土。试样中细粒组含量不小于50%的土为细粒类土。其 中，粗粒组含量不大于25%的土为细粒土；粗粒组 含量大于25%且不大于50%的土为含粗粒的细粒土 ；有机质含量小于10%且不小于5%的土为有机质土 。可利用塑性图对细粒类土进一步划分。巨粒类土的分类：土类类粒组组含量土类类名称 巨粒土巨粒含量 75%漂石含量大于卵石含量漂石(块块石)土漂石含量不大于卵石含量卵石(碎石)土 混合巨粒土50%200mm的颗粒质量超过总质量的50%的 土为漂石土（颗粒以圆形及亚圆形为主）或 块石土（颗粒以棱角形为主）。l粒径20mm的

6、颗粒质量超过总质量的50%的 土为卵石土（颗粒以圆形及亚圆形为主）或 碎石土（颗粒以棱角形为主）。l粒径2mm的颗粒质量超过总质量的50%的土 为圆砾土（颗粒以圆形及亚圆形为主）或角 砾土（颗粒以棱角形为主）。(2) 砂土粒径大于2mm的颗粒质量不超过总质量的50% ，粒径大于0.075mm的颗粒质量超过总质量的 50%的土称为砂土。进一步划分为：l粒径2mm的颗粒质量占总质量的25%50% 的土为砾砂土。l粒径0.5mm的颗粒质量总质量的50%的土 为粗砂土。l粒径0.25mm的颗粒质量总质量的50%的土 为中砂土。l粒径0.075mm的颗粒质量总质量的85%的 土为细砂土。l粒径0.075

7、mm的颗粒质量总质量的50%的 土为粉砂土。土定名的原则：l碎石土和砂土分类定名 时，应根据颗粒级配由大 到小以最先符合者确定。举例:l例1：某砂土样，经筛析试验，得到各 粒组含量的百分比为：l解：土在分类和定名时，应根据颗粒 级配由大到小以最先符合者确定。土 样中2mm的颗粒含量为 8%+22%=30%，超过了25%，但不 到50%，因此，该土样应定名为砾砂 土。粒径mm55220.50.50.250.250.0 752mm的颗粒占10% ，不足25%，不能定为砾砂土；0.5mm 的颗粒占10%+23%=33%，也不足50% ，不能定为粗砂土；0.25mm的颗粒占 10+23+27=60%，

8、超过了50%，该土样 应定为中砂土。粒径mm5220.50.50. 250.250.0 754液相化学成分采用提取液方法测定。2 土的物质组成和结构2.1 土的基本特性 2.2 土的粒度成分 2.3 土的矿物成分 2.4 土的化学成分 2.5 土中的水和气 2.6 土与水的相互作用1、土中的水水是土中最为常见的液相。水在中的多少 一般用含水量（率）表示，土中含水量的 变化是土的工程性质变化的最重要的原因 。土的抗剪强度、压缩性和渗透性都直接 或间接地与土的含水量有关。因此，水是 控制土的工程性质的重要因素，也是引起 土的性质变化的主要因素之一。土中的水可根据其储存部位分为矿物中的结合水结构水结

9、晶水沸石水空隙中的水结合水毛细水重力水气态水固体冰其中，土粒表面的结合水对土尤其黏性土的 工程性质影响极大。2、土中的气体土中的气体主要为空气和水汽，有时还有 较多的CO2、沼气、H2S等。与土中的液 体相比，气体对土的工程性质的影响要小 得多。主要的影响为：密闭气体影响土的强度和变形过多的水气在土粒表面凝聚形成结合水CO2、沼气、H2S等有毒有害气体的存 在影响施工和建筑物的安全使用 2 土的物质组成和结构2.1 土的基本特性 2.2 土的粒度成分 2.3 土的矿物成分 2.4 土的化学成分 2.5 土中的水和气 2.6 黏性土与水的相互作用 2.7 土的结构和土体结构黏粒是土中高度分散的颗

10、 粒，包括黏土矿物、氧化 物、有机质等。由于颗粒 细小，接近于胶体的颗粒 ，因而表现出一系列胶体 的特性。引起的原因是黏 粒表面带电。2、黏粒表面带电的成因黏粒表面带电主要的4种途径：1）选择性吸附l黏粒与其他胶粒一样，表面具有选择性吸附 的性能，它总是选择性地吸附与它本身结晶 格架中相同或相似的离子，使黏粒表面带电 。l例如，将难溶的方解石（ CaCO3 ）颗粒放入 含Na2CO3溶液中，颗粒表面将吸附溶液中的 CO32-，形成电位离子层，反离子层则为Na+ ，方解石颗粒表面带的是负电；但若将方解 石颗粒放在CaCl2溶液中，则Ca2+成为电位离 子，Cl-为反离子，方解石颗粒表面带的是正

11、电。2）水化解离作用l黏粒表面与水作用后生成离子发生 基，而后离解，再选择性地吸附与 矿物晶体格架上性质相同或相似的 离子，使黏粒表面带电。l黏土矿物中含有Al2O3和SiO2成分 ，在与水接触时，黏土矿物基面、 断口处Al2O3和SiO2离解而使黏土矿 物带电，电荷的性质与介质的PH值 有关。l（1）Al2O3（注意两性体）的离解 Al2O3与水作用形成的离子发生基为 Al(OH)3： Al2O3+3H2O=2Al(OH)3 Al(OH)3是两性体，在不同的PH值下， 离解方式是不同的: PH8.1时，为酸式分解Al(OH)3Al(OH)2O-+H+ PH8.1时，黏粒吸附 Al(OH)2O

12、-而带负电； 当溶液PH7.0蒙脱石47.550高岭石25粒组组(mm) 0.01-0.0050.005- 0.0040.004- 0.0030.003- 0.0020.002- 0.001Al3+H+Ba2+Ca2+Mg2+HN4+K+Na+Li+（3）天然土中常见的交换阳离子成分天然土中常见阳离子的成分取决于空 隙溶液的成分。常见的为Ca2+、Mg2+ 、K+、Na+、H+等，以Ca2+最为常见。土中交换离子成分常与土的成因类型 及沉积环境有关：在淡水沉积的土中，除含Ca2+外还可含H+ ；在由岩浆岩风化产物形成的冲积黏土中， 交换阳离子含有一定量的Mg2+；在现代海相沉积物中，交换阳离子

13、Na+广 泛分布。在湿热地区，经过长期溶滤的土中往往含较多的交换 离子H+。当土中含有H+时称为“非饱和土”。我国南方 的酸性土往往是非饱和土，其交换离子总量小于交换 容量。在干旱半干旱地区，由于土面蒸发强烈，地下水中的 盐类通过毛细作用在表土层中积累，形成盐碱土，富 含Na+，潮湿时由于Na+可使扩散层增厚而导致土层泥 泞不堪。含有不同交换离子的土具有不同的物理力学性质 。含Na+黏性土的膨胀性、收缩性、塑性和压缩 性较含Ca2+黏性土大，而抗剪强度、透水性前者 较后者小。如含交换Na+高的土易发生管涌，这 是因为水化膜增厚使土粒间连接力减小。通常黏 性土中Na+含量占总交换容量的15%时，

14、土将有 严重的管涌能力。（4）离子交换的工程意义由于土中离子交换能引起双电层离子成分的变化 ，引起扩散层厚度的变化，改变土的分散程度和 结构特征，从而改变土的工程性质。因此，可以 利用离子交换来改变土的物理力学性质，从而达 到土体改良的目的。如加固地基强度的电动硅化 法，就是利用Al3+去交换土中的Ca2+、Na+等离子 ，使土粒水化膜厚度变薄，增强颗粒之间的连接 ，从而提高土体强度。了解离子交换还可预测由于工程建筑影响自然条 件改变而引起的土的物理力学性质的改变，从而 在工程建筑中提出适当的预防措施。3）黏性土的电动现象黏性土中的水分子及水化 阳离子在电场的作用下能 穿过黏性土的空隙向负极

15、运动的现象称为电渗；而 黏粒在电场的作用下能向 正电极的运动的现象称为 电泳。电渗和电泳总称为 电动现象。这个现象早在 1809年由莫斯科大学的列 依斯教授经实验发现的。 电动现象说明黏粒是带负 电的。通电后，阳极水管中水自 下而上逐渐混浊，水位下 降；阴极水管中水保持清 澈，水位上升。 若将电极直接插入黏土块 中，通电后，阳极周围土 逐渐变干，阴极周围土变 得更湿。黏性土的电动现象在工程上的应用：电渗排水一些淤泥质软土及黏土类土 ，由于渗透系数过小，无法用水泵进行基 坑排水，这时可沿基坑四周设置管井作为 集水阴极，用废铁管作为阳极打入基坑土 中，通上直流电，即形成电渗排水。电渗沉桩利用正在下

16、沉的桩作为阴极 ，使流向阴极的水降低桩的摩擦力，以提 高施工效率。缩短黏性土的固结时间通过电渗排水 ，还可使水从黏性土中尽快排出，以缩短 黏性土的固结时间，加快黏性土的强度增 长。4）凝聚和分散作用颗粒之间相互结合称为凝聚作用；颗粒之间相互分离称为分散作用。黏粒的凝聚与分散作用都是由于扩散层厚度变化 造成的。扩散层厚度变薄，颗粒相互靠拢，产生 凝聚；扩散层厚度变厚，颗粒分离，产生胶溶。凝聚的动力主要是分子引力，有时是静电引力。 静电引力凝聚主要是电性不同的胶粒在静电引力 作用下的凝聚，如酸性条件下，黏土矿物基面与 断口带异号电荷，形成不同性质的双电层，发生 异电作用凝聚，结果使黏粒边面结合。凝聚在自然条件下可有电解质凝聚和干燥 凝聚两种方式。电解质凝聚是通过离子交 换使扩散层变薄产生的凝聚。干燥凝聚则 是土中水分蒸发导致介质中离子浓度提高 ，使