土质学与土力学第2章土的物质组成及土水相互作用

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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

2、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

3、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

4、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0.1m，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

5、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

6、。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，

7、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:土中各个粒组的相对含

8、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