第1章-土的组成

第1章土的组成§1.1概述§1.2土中固体颗粒§1.3土中水和土中气§1.4黏性颗粒与水的相互作用§1.5土的结构和构造“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。1.1概述物理风化: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。在自然界，物理风化和化学风化是同时或交替进行的，所以任何一种天然土通常既是物理风化的产物，又是化学风化的产物。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，有时还有沼气等土常见的成因类型有：残积土：指岩石经风化后未被搬运而残留于原地的碎屑堆积物。坡积土：残积土受重力和暂时性流水的作用，搬运到山坡或坡脚处沉积起来的土。洪积土：残积土和坡积土受洪水冲刷、搬运，在山沟出口处或山前平原沉积下来的土。冲积土：河流的流水作用搬运到河谷坡降平缓的地带沉积下来的土湖积土：在湖泊及沼泽等极为缓慢水流或静水条件下沉积下来的土。海积土：在河流流水搬运到海洋环境下沉积下来的土。风积土：由风力搬运形成的土冰积土：由冰川或冰水狭带搬运形成的土。土具有三个基本特性：①散体性②多相性③自然变异性1.2土中固体颗粒1.2.1土颗粒大小与级配1.土粒大小与粒组土粒大小称为粒度。介于一定尺寸范围的土粒划分为一组，称为粒组。划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。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黏性变化到有黏性。土的颗粒级配:土中各个粒组的相对含量(各粒组占土粒总重的百分数)。表1-1土粒粒组的划分【《土的工程分类标准》（GB/T50145—2007）】粒组统称粒组名称粒径范围(mm)一般特征巨粒漂石或块石颗粒200透水性很大，无黏性，无毛细水卵石或碎石颗粒200～60粗粒圆砾或角砾颗粒粗60～20透水性大，无黏性，毛细水上升高度不超过粒径大小中20～5细5～2砂砾粗2～0.5易透水，当混入云母等杂质时透水性减小，而压缩性增加；无黏性，遇水不膨胀，干燥时松散；毛细水上升高度不大，随粒径变小而增大中0.5～0.25细0.25～0.075细粒粉粒0.075～0.005透水性小，湿时稍有黏性，遇水膨胀小，干时稍有收缩；毛细水上升高度较大较快，极易出现冻胀现象黏粒≤0.005透水性很小，湿时有黏性、可塑性，遇水膨胀较大，干时收缩显著；毛细水上升高度较大，但速度较慢注：1.漂石、卵石和圆砾颗粒均呈一定的磨圆形状（圆形或亚圆形）；块石、碎石和角砾颗粒都带有棱角。2.粉粒或称粉土粒，粉粒的粒径上限0.075mm相当于200号标准筛的孔径。3.黏粒或称粉土粒，黏粒的粒径上限也有采用0.002mm为准，例如公路土工试验规程（JTGE40—2007）。筛析法对于粒径大于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。2.颗粒级配分析试验静水沉降分析法粒径小于0.075mm的粉粒或黏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。颗粒级配累计曲线: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)。3.土的颗粒级配累计曲线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，称为中值粒径。当小于某粒径的土粒质量累计百分数为60%时，该粒径称为限制粒径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。1060ddCu6010230dddCc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。1.土粒矿物组成土中固体颗粒的矿物成分绝大部分是矿物质，或多或少含有有机质。1.2.2土粒的矿物成分图1.6固体颗粒矿物成分原生矿物۞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、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，性质比较稳定，无塑性。颗粒的矿物质按其成分分为两大类：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。次生矿物主要是黏土矿物，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。1.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2.不可溶性的次生矿物（1）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。（2）游离的氧化物2.土粒矿物成分与粒组的关系土中矿物成分与粒度成分存在着一定的内在联系，如图1.7所示。图1.7土的矿物成分与粒组关系示意图有机质: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。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(自由水)。水的类型主要作用力结合水物理化学力自由水毛细水表面张力和重力重力水重力1.3土中水和土中气1.3.1土中水表1-3土中水的分类结合水自由水强结合水(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)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、黏滞度高、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.自由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=0.1m时，hc=150mm，这与砂土(粒径为0.5~lmm)中的情况大致相当。黏土的孔隙直径约为0.1m，按上式计算毛细上升高度将达150m？rhc15(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。2.2.2土中气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，减小土的渗透性。1.4黏土矿物与水的相互作用1.4.1黏土矿物的结晶结构与亲水性黏土颗粒（黏粒）的矿物成分主要有黏土矿物和其他化学胶结物或有机质，其中黏土矿物的结晶结构特征对黏性土的工程性质影响较大。黏土矿物实际上是一种铝—硅酸盐晶体，是由两种晶片交互成层叠置构成的。一种是Si-O四面体构成的硅氧晶片（简称硅片）；另一种是Al-OH八面体构成的铝氢氧晶片（简称铝片）。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。黏土矿物高岭2322AlO2SiO2HO22322KO3AlO6SiO2HO2322AlO4SiOnHO1.4.2黏土颗粒和水的相互作用1.黏土颗粒的带电性黏土矿物颗粒一般为扁平状（或纤维状），与水作用后扁平状颗粒的表面带负电荷，但颗粒的（断裂）边缘，局部却带有正电荷。研究表明，片状黏土颗粒的表面，由于下列原因常带有不平衡的负电荷。①离解作用；②吸附作用；③同晶置换；④边缘断链。2.双电层的概念黏粒表面带有一定量负电荷，在靠近土粒表面处，