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1、“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。,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
2、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,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。,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
3、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。,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。,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
4、八面体两部分构成。,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
5、物有高岭石、伊利石和蒙脱石三大类。,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
6、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。,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,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
7、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）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 和曲率系数Cc。 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
8、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。,颗粒级配累计曲线,级配良好,？,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。,粒度成分的测定方法,筛析法
9、 对于粒径大于0.075mm的粗粒土，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。,二、土的液相 土中水处于不同位置和温度条件下，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
10、由水)。,结合水,非结合水,强结合水(吸着水),液态水,重力水(自由水),气态水(水蒸气),土孔隙中的水,毛细水(过渡型水),弱结合水(薄膜水),固态水(冰),土中的水,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
11、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： 当r=0.1m时，hc=150mm，这与砂土(粒径为0.5l 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
12、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。,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
13、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，减小上的渗透性。,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，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
14、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。,双电层理论,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。,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，
15、强度就降低很多，甚至不能再成型。,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,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。具有触变性的土多后于此类结构。 片堆结构：粘粒是在分散状态下沉积而形成的，亦称分散结构。其特点是以面面连结为主，粘土片
16、呈定向排列，密度较大，具有明显的各向异性的力学性质。,某些饱和粘土在动力荷载作用下，土的结构受到破坏，会失去强度呈溶胶状，在外力停止作用后，重新形成土的结构， 絮凝成土体，强度有所恢复，这种现象称为土的触变。 饱和砂土在动力作用下，会使结构趋于紧密，则将产生超静孔隙水压力，根据有效应力原理，土粒间有效应力降低，当粒间有效应力为零时，砂粒呈悬液状，土体强度丧失，这种现象称为砂土液化。,土的触变和砂土液化,粘性土的灵敏度 土的结构形成后就获得某种强度，且结构强度随时间而增长。在含水量不变化的条件下，将原状土捏碎，重新按原来的密度制备成重塑土样。由于原状结构彻底破坏，重塑土样的强度较之原状土样将有明显的降低。定义原状土样的单轴抗压强度(qu)(或称无侧限抗压强度)与重塑土样的单轴抗压强度(qu)之比为土的灵敏度St，即,岩石,物理风化,化学风化,土,原生矿物,次生矿物,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，颗粒一般较粗， 吸附水的能力弱，性质比较稳，无塑性。,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
