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1、 第一节 土的构成与物质组成一、土的构成一、土的构成 “土土一一词在在不不同同的的学学科科领域域有有其其不不同同的的涵涵义。就就土土木木工工程程领域域而而言言，土土是是指指覆覆盖盖在在地地表表的的没没有有胶胶结或或弱弱胶胶结的的颗粒粒堆堆积物物。土土与与岩石的区分岩石的区分仅在于在于颗粒粒间胶胶结的的强弱。弱。 物物理理风化化指指岩岩石石经受受风、霜霜、雨雨、雪雪的的侵侵蚀，温温度度、湿湿度度的的变化化、不不均均匀匀膨膨胀与与收收缩，使使岩岩石石产生生裂裂隙隙，崩崩解解为碎碎块。这种种风化化仅改改动颗粒粒大大小小与与外外形形，不不改改动原原来来矿物物成成分分。生成的土呈松散形状，无粘性土。生成
2、的土呈松散形状，无粘性土。化化学学风化化指指岩岩石石碎碎屑屑与与空空气气、水水和和各各种种水水溶溶液液相相接接触触，经氧氧化化、碳碳化化和和水水化化作作用用，改改动原原来来矿物物成成分分，构构成成新新的的矿物物次次生生矿物物。生成的土。生成的土为细粒土，粘性土。粒土，粘性土。生生物物风化化由由动物物、植植物物和和人人类对岩岩体体的的破破坏。坏。 第一章第一章 土的物质组成与构造构造土的物质组成与构造构造岩石物理风化化学风化土土原生原生矿物物次生次生矿物物颗粒通常是由一种或几种原生矿物所组成，它的成分与母岩的一样，颗粒普通较粗， 吸附水的才干弱，性质比较稳，无塑性。化学风化仅使岩 石产生质的变化
3、物理风化仅使岩 石产生量的变化原生矿物经化学风化生成的新矿物，它的成分与母岩的完全不同。颗粒极细，性质活泼，有较强的吸附水才干，具塑性。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土粒的大小及其组成粘土颗粒性质二、土的物质组成二、土的物质组成第二节 土的粒度成分一 土的颗粒级配 1.土颗粒的大小直接决议土的性质. 2. 粒径颗粒直径大小. 3.界限粒径划分粒组的分界尺寸。 4. 粒组将粒径大小接近、矿物成分和性质相似的土粒归并为一个组别即称为粒组。可划分： 200 20 2 0.05 0.005mm漂石 卵石 砾石 砂粒 粉粒 粘粒 5. 5. 颗粒粒级配配土土粒粒的的大大小小及及组成
4、成情情况况，通通常常以以土土中中各各个个粒粒组的的相相对含含量量来来表表示示，称称为土土的的颗粒粒级配。配。级配配的的测试方方法法：筛析析法法 0.075mm),0.075mm),比比重重计法法( 0.075mm)(5，且Cc=1-3)的土，较粗颗粒间的孔隙被较细的颗粒所填充，因此土的密实度较好，相应的地基土的强度和稳定性也较好透水性和紧缩性也较小，可用作堤坝或其它土建工程的填方土料。第三节第三节 土的矿物成分和化学成分土的矿物成分和化学成分一一 土的矿物成分土的矿物成分 土中的固体颗粒是由矿物构成的。按其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、有成因和成分可分为
5、原生矿物、次生矿物、有机质等。机质等。一原生矿物一原生矿物 土中的原生矿物是岩石风化过程中的产土中的原生矿物是岩石风化过程中的产物，坚持了母岩的矿物成分和晶体构造，常物，坚持了母岩的矿物成分和晶体构造，常见的如石英、长石、角闪石、云母等。这些见的如石英、长石、角闪石、云母等。这些矿物是组成土中卵石、砾石、砂粒和某些粉矿物是组成土中卵石、砾石、砂粒和某些粉粒的主要成分。粒的主要成分。原生矿物的主要特点是：原生矿物的主要特点是： 颗颗粒粒粗粗大大，物物理理、化化学学性性质质比比较较稳稳定定，抗抗水水性性和和抗抗风风化化才才干干较较强强，亲亲水水性性弱弱或或较较弱弱。它它们们对对土土的的工工程程性性
6、质质的的影影响响比比其其它它几几种种矿矿物物要要小小得得多多，主主要要差差别别表表如如今颗粒外形、巩固程度和抗风化稳定性等几方面。今颗粒外形、巩固程度和抗风化稳定性等几方面。 例例如如，分分别别由由石石英英和和云云母母类类矿矿物物组组成成的的土土，虽虽然然土土的的粒粒度度成成分分和和密密实实度度一一样样。但但由由于于石石英英的的巩巩固固程程度度、抗抗风风化化才才干干远远大大于于云云母母，故故主主要要由由石石英英颗颗粒粒组组成成的的土土，其其强强度度将将远远大大于于由由云云母母颗颗粒粒组组成成或或含含云云母母较较多多的的土，其变形相应也小得多。土，其变形相应也小得多。二次生矿物二次生矿物 母母岩
7、岩风风化化后后及及在在风风化化搬搬运运过过程程中中，假假设设原原来来的的矿矿物物因因氧氧化化、水水化化及及水水解解、溶溶解解等等化化学学风风化化作作用用而而进进一一步步分分解解，就就会会构构成成一一种新矿物，这就是次生矿物，其颗粒比原生矿物细小得多。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自然界土体中常见次生矿物又分为两种类型: :可可溶溶性性次次生生矿矿物物, ,通通常常以以离离子子形形状状存存在在于于土土的的孔孔隙隙溶溶液液中中。阳阳离离子子有有K+K+、Na+Na+、Ca2+Ca2+、Mg2+Mg2+、Fe2+Fe2+等等，阴阴离离子子有
8、有C1-C1-、SO42+SO42+、HCO3-HCO3-、S2-S2-等。等。 不可溶性次生矿物不可溶性次生矿物, ,包括游离氧化物和粘土矿物。包括游离氧化物和粘土矿物。 1 1游离氧化物游离氧化物 这是是由由三三价价的的FeFe、AlAl，二二价价的的SiSi和和O O、OHOH、H2OH2O等等组成成的的矿物物，如如针铁矿Fe2O3H2OFe2O3H2O、褐褐铁矿Fe2O33H2OFe2O33H2O、三水三水铝石石Al2O32H2OAl2O32H2O、二氧化硅、二氧化硅SiO2nH2OSiO2nH2O等。等。 2 2粘土粘土矿物物 粘粘土土矿物物是是原原生生矿物物长石石、云云母母等等硅硅
9、酸酸盐矿物物经化化学学风化化构构成成的的，硅硅酸酸盐矿物物由由两两部部分分构构成成，即即硅硅氧氧四四面面体体和和铝氢氧八面体。氧八面体。硅氧四面体：硅氧四面体： 由一个硅原子和四个氧原子以相等间隔堆成四面体外形，由一个硅原子和四个氧原子以相等间隔堆成四面体外形，硅居其中央，氧占据四个顶点图硅居其中央，氧占据四个顶点图2-2a2-2a。四面体中的三个。四面体中的三个氧被共用，横向连结成六角形的网格图氧被共用，横向连结成六角形的网格图2-2b2-2b。四面体的。四面体的底在一个平面上，一切尖端指向同一方向。每个硅原子有四底在一个平面上，一切尖端指向同一方向。每个硅原子有四个正电荷，每个氧原子有两个
10、负电荷，这样四面体陈列成的个正电荷，每个氧原子有两个负电荷，这样四面体陈列成的六角网格片状构造中，每个硅氧四面体都具有一个负电荷。六角网格片状构造中，每个硅氧四面体都具有一个负电荷。铝氢氧八面体：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由六个氢氧离子围绕一个铝离子构成的八面体晶片图图2-3a。由八面体组合的网片中每个氢氧离子均为三个。由八面体组合的网片中每个氢氧离子均为三个相邻的八面体共有，许多八面体以这种方式连结在一同，相邻的八面体共有，许多八面体以这种方式连结在一同，构成八面体单位的片状构造图构成八面体单位的片状构造图2-3b。铝为正三价，氢。铝为正三价，氢氧为负一价，
11、每个八面体只能以两个负电荷抵消铝离子的氧为负一价，每个八面体只能以两个负电荷抵消铝离子的两个正电荷，还剩下一个正电荷，故每个八面体都是正一两个正电荷，还剩下一个正电荷，故每个八面体都是正一价的。价的。 硅氧四面体和铝氢氧八面体这两种根本单元以不同的比例组合，就构成了不同类型的粘土矿物。 土中常见的粘土矿物有高岭石、伊利石、蒙脱石三大类。a. a. 高高岭岭石石：一一层层硅硅氧氧四四面面体体晶晶片片和和一一层层铝铝氧氧八八面面体体晶晶片片结结合合，构构成成一一个个单单位位晶晶胞胞，如如图图1-2b1-2b。由由于于每每个个硅硅氧氧四四面面体体具具有有一一个个负负电电荷荷，每每个个铝铝氧氧八八面面
12、体体带带有有一一个个正正电电荷荷，使使两两者者以以离离子子键键氢氢键键构构成成结结实实连连结结，构构成成一一个个单单位位晶晶胞胞。高高岭岭石石的的构构培培育育是是这这种种晶晶胞胞在在程程度度面面上上无无限限延延伸伸，沿沿垂垂直直方方向向相相互互重重叠叠而而成成。高高岭岭石石晶晶胞胞间间具具有有较较强强的的氢氢键键连连结结，水水较较难难渗渗入入其其间间，其其颗颗粒粒普普通通较较粗粗，亲亲水水性性弱弱，因因此此主主要要由由这这类类矿矿物物组组成成的的土土，膨胀性和紧缩性都较低。膨胀性和紧缩性都较低。高岭石的微构造形貌特征高岭石的微构造形貌特征b. b. 蒙脱石：蒙脱石： 蒙脱石单位晶胞的上下面均为
13、硅氧四面体晶片，中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，如图间夹一个铝氧八面体晶片，如图1-2a1-2a。蒙脱石的构培育。蒙脱石的构培育是许多上述晶胞在程度面上延伸，并顺着垂直方向一层是许多上述晶胞在程度面上延伸，并顺着垂直方向一层层叠置而成的。由于晶胞两边都为带负电荷的硅氧四面层叠置而成的。由于晶胞两边都为带负电荷的硅氧四面体，相邻晶胞间由一样的氧原子相接。体，相邻晶胞间由一样的氧原子相接。 这种连结既弱也不稳定，水分子很容易楔入其间，这种连结既弱也不稳定，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，并使晶格沿垂以致将其分散为极细小的鳞片状颗粒，并使
14、晶格沿垂直方向膨胀。故含蒙脱石矿物较多的土对环境的干湿直方向膨胀。故含蒙脱石矿物较多的土对环境的干湿变化比较敏感：土体湿度增高时，体积膨胀并构成膨变化比较敏感：土体湿度增高时，体积膨胀并构成膨胀压力；土体失水时，体积收缩并产生收缩裂隙。而胀压力；土体失水时，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。度衰减。 蒙脱石的微构造形貌特征蒙脱石的微构造形貌特征c. c. 伊伊利利石石：伊伊利利石石是是含含钾钾量量高高的的原原生生矿矿物物经经化化学学风风化化的的初初期期产产物物，其其晶晶格格构构造造与与蒙蒙脱脱石石类类似
15、似，也也是是两两片片硅硅氧氧四四面面体体夹夹铝铝氧氧八八面面体体构构成成，不不同同的的是是四四面面体体中中Si4+Si4+被被Al3+Al3+所所替替代代，由由K+K+离离子子补补偿偿晶晶层层正正电电荷荷的的缺缺乏乏。伊伊利利石石相相邻邻晶晶胞胞间间由由钾钾离离子子连连结结，这这种种连连结结较较之之高高岭岭石石层层间间的的氢氢键键连连结结为为弱弱，但但比比蒙蒙脱脱石石层层间间的的水水分分子子连连结结要要强强，所所以以它它构构成成的的片片状状颗颗粒粒大大小小处处于于蒙蒙脱脱石石和和高高岭岭石石之之间间，其其工工程程性质也介于两者之间。性质也介于两者之间。伊利石的微构造形貌特征伊利石的微构造形貌特
16、征三有机质三有机质 工工程程上上俗俗称称的的软软土土包包括括淤淤泥泥和和淤淤泥泥质质土土及及泥泥炭炭土土中中富含有机质。富含有机质。 土土中中的的有有机机质质是是动动、植植物物残残骸骸和和微微生生物物以以及及它它们们的的各各种种分分解解和和合合成成产产物物。通通常常把把分分解解不不完完全全的的动动、植植物物残残骸骸称称为为泥泥炭炭，其其主主要要成成分分是是纤纤维维素素；把把分分解解完完全全的的动动、植植物物残残骸骸称称为为腐殖质。腐殖质。 有有机机质质对对土土的的工工程程性性质质的的影影响响主主要要取取决决于于其其龄龄期期、分分解解程度，即取决于有机质的数量及性质。程度，即取决于有机质的数量及
17、性质。 从从工工程程观观念念看看，有有机机质质特特别别是是分分解解完完全全的的腐腐殖殖质质会会导致土的塑性加强，紧缩性增高，浸透性减小，强度降低。导致土的塑性加强，紧缩性增高，浸透性减小，强度降低。 普普通通地地，土土中中有有机机质质含含量量超超越越1%1%时时，采采用用堆堆载载预预压压和和水水泥土搅拌进展处置不会获得明显改良效果。泥土搅拌进展处置不会获得明显改良效果。 第三节 土中的水和气体一一 土中的水土中的水 土中水土中水处于不同位置和温度条件下，可具有不于不同位置和温度条件下，可具有不同的物理形状同的物理形状固固态、液、液态、气、气态。 液液态水是土中孔隙水的主要存在形状，因其水是土中
18、孔隙水的主要存在形状，因其受土粒外表双受土粒外表双电层影响程度的不同可分影响程度的不同可分为结合水、毛合水、毛细水、重力水。后两者也称水、重力水。后两者也称为非非结合水自在水。合水自在水。1 1结合水结合水 土颗粒外表带有一定的电荷，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，构成双电层，在双电层影响下的水膜称为外表结合水。 双电层的厚薄也反映了结合水的厚薄，结合水具有与普通自在水不同的性质，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。这种差别随间隔添加而减弱。 2.2.自在水自在水( (非结合水非结合水) ) 在双电层影响以外的水为自在液态水，它主要受重力
19、作用的控制，土粒外表吸引力居次要位置，这部分水称为非结合水，它包括毛细水和重力水。 (1)毛细水 毛细水是遭到水与空气交界面处外表张力作用的自在水。毛管景象是毛细管壁对水的吸力和水的外表张力共同作用的结果。(2)重力水 重力水是存在于地下水位以下的透水土层中的地下水。它是在重力或压力差作用下运动的自在水，对土粒有浮力作用。重力水只受重力控制，不受土粒外表吸引力的影响。二二 土中气土中气土中的气体土中的气体成分成分与大气相通与大气相通 紧缩性高；紧缩性高；与大气隔绝与大气隔绝 降低透水性降低透水性普通空气中成分；普通空气中成分；微生物产生可燃气体微生物产生可燃气体H2SH2Sk2第四节第四节 土的构造和构造土的构造和构造一一 土的构造土的构造1.1.定定义义： 指指土土颗颗粒粒的的大大小小、外外形形、外外表表特特征征，相相互互陈陈列及其结合关系的综合特征。列及其结合关系的综合特征。2.2.分类：分类： 单粒构造单粒构造 砂层，砾石层砂层，砾石层 土的构造土的构造 蜂窝构造蜂窝构造 粉粒粉粒 絮状构造絮状构造 粘粒粘粒 二二 土的构造土的构造 1.定义：指同一土层中成分和大小都相近的颗粒或颗粒集合体相互关系的特征。2.分类： 3.工程性质：通常分散构造的工程性质最好，裂隙状构造中，因裂隙强度低、浸透性大，工程性质差。b2
