1、Nanjing University of Technology “土土” 是自然界中性質(zhì)最為復(fù)雜多變的物質(zhì)。土的物質(zhì)成分起源于 巖石的風(fēng)化（物理風(fēng)化和化學(xué)風(fēng)化）。地殼表層的堅(jiān)硬巖石，在長期的 風(fēng)化、剝蝕等外力作用下，破碎成大小不等的礦物顆粒，這些顆粒在各 種形式的外力作用下，被搬運(yùn)到適當(dāng)環(huán)境里沉積下來，就形成了土。 “土土”一詞在不同的學(xué)科領(lǐng)域有其不同的涵義。就土木工程領(lǐng)域而 言，土是指覆蓋在地表的沒有膠結(jié)和弱膠結(jié)的顆粒堆積物。土與巖石的 區(qū)分僅在于顆粒間膠結(jié)的強(qiáng)弱。 Nanjing University of Technology 物理風(fēng)化物理風(fēng)化:指由于溫度變化、水的凍脹、波浪沖擊、地震

2、等引起的物理 力使巖體崩解、碎裂成巖塊、巖屑的過程。物理風(fēng)化僅使巖 石產(chǎn)生量的變化量的變化。 化學(xué)風(fēng)化化學(xué)風(fēng)化:指巖體(或巖塊、巖屑)與空氣、水和各種水溶液相接觸，經(jīng)氧 化、碳化和水化作用分解為極細(xì)顆粒的過程，生物的活動(dòng)也 可 助長風(fēng)化的進(jìn)程。而化學(xué)風(fēng)化卻使巖石產(chǎn)生質(zhì)的變化質(zhì)的變化。 Nanjing University of Technology 土是由固相固相、液相液相、氣相氣相組成的三相分散系。 固相固相:包括多種礦物成分組成土的骨架，骨架間的空隙為液相和氣相填滿， 這些空隙是相互連通的，形成多孔介質(zhì)。 液相液相: :主要是水(溶解有少量的可溶鹽類)。 氣相氣相: :主要是空氣、水蒸氣，

3、有時(shí)還有沼氣等 Nanjing University of Technology 原生礦物原生礦物 由巖石經(jīng)物理風(fēng)化生成的顆粒通常是由一種或幾種原生礦物所組成， 它的成分成分與母巖的相同，常見的有石英、長石相云母。 顆粒一般較粗，多呈渾圓形、塊狀或板狀。 吸附水的能力弱，性質(zhì)比較穩(wěn)，無塑性。 一、土的固相一、土的固相 土是巖石風(fēng)化的產(chǎn)物。因此土粒的礦物組成將取決于成土母巖的礦 物組成及其后的風(fēng)化作用。成土礦物主要可分為兩大類。 Nanjing University of Technology 次生礦物次生礦物 由原生礦物經(jīng)化學(xué)風(fēng)化生成的新礦物，它的成分成分與母巖的完全不 同。次生礦物主要是粘土

4、礦物，即高嶺石、伊利石和蒙脫石。 顆粒極細(xì)，且多呈片狀。 性質(zhì)活潑，有較強(qiáng)的吸附水能力（尤其是由蒙脫石組成的顆粒），具 塑性。 水溶鹽:可溶性次生礦物。最常見的有巖鹽、鉀鹽、石膏、方解石，硫 酸鹽類還對(duì)金屬和混凝土有一定的腐蝕作用 有機(jī)質(zhì):動(dòng)植物分解后的殘骸，分解徹底的稱為腐殖質(zhì)。腐殖質(zhì)的顆粒 極細(xì)，粒徑小于0.1m，呈凝膠狀，帶有電荷，具有極強(qiáng)的吸附性。 Nanjing University of Technology 黏土礦物 黏土礦物黏土礦物：原生礦物長石原生礦物長石、云母云母等硅酸鹽礦物經(jīng)化學(xué) 風(fēng)化形成。 硅酸鹽礦物硅酸鹽礦物：硅氧四面體硅氧四面體和鋁氫氧八面體鋁氫氧八面體兩部分構(gòu)成。

5、 Nanjing University of Technology 硅氧四面體硅氧四面體：一個(gè)硅原子硅原子和四個(gè)氧原子四個(gè)氧原子以相等距離堆成四面體形狀，硅 居其中央，氧占據(jù)四個(gè)頂點(diǎn)，四面體中的三個(gè)氧被共用，橫向聯(lián)結(jié)成六角形的 網(wǎng)格。 每個(gè)硅原子有四個(gè)正電荷四個(gè)正電荷，每個(gè)氧原子有兩個(gè)負(fù)電荷兩個(gè)負(fù)電荷，四面體排列成的 六角網(wǎng)格片狀結(jié)構(gòu)中，每個(gè)硅氧四面體都具有一個(gè)負(fù)電荷一個(gè)負(fù)電荷。 Nanjing University of Technology 鋁氫氧八面體鋁氫氧八面體：六個(gè)氫氧離子氫氧離子圍繞一個(gè)鋁離子鋁離子構(gòu)成的八面體晶片。八 面體中每個(gè)氫氧離子均為三個(gè)八面體共有，形成八面體單位的片狀結(jié)構(gòu)

6、。鋁為 正三價(jià)正三價(jià)，氫氧為負(fù)一價(jià)負(fù)一價(jià)，每個(gè)八面體只能以兩個(gè)負(fù)電荷抵消鋁離子的一個(gè)正電 荷，故每個(gè)八面體都是正一價(jià)正一價(jià)。 Nanjing University of Technology 硅氧四面體硅氧四面體和鋁氫氧八面體鋁氫氧八面體這兩種基本單元以不同的比例組合不同的比例組合， 形成不同類型的黏土礦物黏土礦物。 土中常見的黏土礦物有高嶺石高嶺石、伊利石伊利石和蒙脫石蒙脫石三大類。 Nanjing University of Technology 高嶺石：高嶺石：一層硅氧四面體晶片一層硅氧四面體晶片和一層鋁氧八面體晶片一層鋁氧八面體晶片結(jié)合，形成一個(gè)單位晶 胞。高嶺石晶胞間具有較強(qiáng)的氫鍵聯(lián)

7、結(jié)較強(qiáng)的氫鍵聯(lián)結(jié)，水較難滲入其間，其顆粒，水較難滲入其間，其顆粒 一般較粗，親水性弱。一般較粗，親水性弱。因而主要由這類礦物組成的土，膨脹性和壓膨脹性和壓 縮性縮性都較低。 Nanjing University of Technology 蒙脫石：蒙脫石：蒙脫石單位晶胞的上下面均為硅氧四面體晶片硅氧四面體晶片，中間夾一個(gè)鋁氫氧八鋁氫氧八 面體晶片面體晶片。相鄰晶胞間由相同的氧原子相接，這種聯(lián)結(jié)既弱也不穩(wěn)固既弱也不穩(wěn)固， 水分子很容易楔入其間水分子很容易楔入其間，以致將其分散為極細(xì)小的鱗片狀顆粒，并使 晶格沿垂直方向膨脹晶格沿垂直方向膨脹。 含蒙脫石礦物較多的土對(duì)環(huán)境的干濕變化較敏感；土體濕度增

8、高濕度增高，體積膨脹并形成 膨脹壓力膨脹壓力；土體失水失水，體積收縮并產(chǎn)生收縮裂隙收縮裂隙，而且這種脹縮變形脹縮變形可隨環(huán)境變化往復(fù)往復(fù) 發(fā)生發(fā)生，導(dǎo)致土的強(qiáng)度衰減土的強(qiáng)度衰減。 Nanjing University of Technology 伊利石：伊利石：含鉀量高的原生礦物經(jīng)化學(xué)風(fēng)化的初期產(chǎn)物，其晶格構(gòu)造與蒙脫石相 似，也是由兩片硅氧四面體兩片硅氧四面體夾鋁氧八面體鋁氧八面體構(gòu)成，不同的是四面體中 Si4+被 Al3+ 所替代，由 K離子補(bǔ)償晶層正電荷的不足。 伊利石伊利石相鄰晶胞間由鉀離子聯(lián)結(jié)，這種聯(lián)結(jié)較之高嶺石層間的氫鍵聯(lián)結(jié)為弱較之高嶺石層間的氫鍵聯(lián)結(jié)為弱，但比比 蒙脫石層間的水分子

9、聯(lián)結(jié)要強(qiáng)蒙脫石層間的水分子聯(lián)結(jié)要強(qiáng)，所以形成的片狀顆粒大小處于蒙脫石和高嶺石之間，其 工程性質(zhì)也介于兩者之間。 Nanjing University of Technology 粘土礦物粘土礦物 高 嶺 2322 Al O2SiO2H O 22322 K O 3Al O6SiO2H O 2322 Al O4SiOnH O Nanjing University of Technology 界于一定粒徑范圍內(nèi)的 土粒，其大小相近、性 質(zhì)相似，稱為粒組 Nanjing University of Technology Nanjing University of Technology 土的顆粒級(jí)配土的

10、顆粒級(jí)配 土是由大小不同的土粒組成的。土粒的粒徑由粗到細(xì)逐漸變化時(shí)， 土的性質(zhì)相應(yīng)地發(fā)生變化。例如土的性質(zhì)隨著粒徑的變細(xì)可由無粘性變 化到有粘性。 界限粒徑界限粒徑: :劃分粒組的分界尺寸。 土的顆粒級(jí)配土的顆粒級(jí)配: :土中各個(gè)粒組的相對(duì)含量(各粒組占土?？傊氐陌俜?數(shù))。 顆粒級(jí)配累積曲線顆粒級(jí)配累積曲線: :顆粒大小分析試驗(yàn)成果，由其橫坐標(biāo)（對(duì)數(shù)坐標(biāo)） 表示粒徑?？v坐標(biāo)則表示用小于(或大于)某粒徑 的土重含量(或稱累計(jì)百分含量) 。 Nanjing University of Technology 土的粒度成分，通常以土中各粒組的質(zhì)量百分率各粒組的質(zhì)量百分率來表示，通過對(duì)土 進(jìn)行粒度分析

11、，分離出土中各個(gè)粒組，分別稱取質(zhì)量，然后計(jì)算出各粒 組的質(zhì)量占該土總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)。 不同類型的土，采用不同的分析方法。粗粒土采用篩析法粗粒土采用篩析法，細(xì)粒土細(xì)粒土 采用靜水沉降分析法采用靜水沉降分析法。 粒度成分的測定方法粒度成分的測定方法 Nanjing University of Technology 篩析法篩析法 對(duì)于粒徑大于大于0.075mm的粗粒土，可用篩析法測定粒度成分。 試驗(yàn)時(shí)將風(fēng)干、分散的代表性土樣通過一套孔徑不等的標(biāo)準(zhǔn)篩 （20、2、0.5、0.25、0.1、0.075mm），稱出留在各個(gè)篩子上 的土的質(zhì)量，即可求出各個(gè)粗粒組在土樣中的相對(duì)含量。 Nanjing Unive

12、rsity of Technology 靜水沉降分析法靜水沉降分析法 粒徑小于小于0.075mm的粉?；蛘沉，F(xiàn)有技術(shù)難以篩分， 一般可根據(jù)土粒在水中勻速下沉?xí)r的速度與粒徑的 理論關(guān)系，用比重計(jì)法或移液管法測定。 Nanjing University of Technology 土粒質(zhì)量累計(jì)百分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，相應(yīng)的粒徑稱為有效粒徑有效粒徑d10。小于某 粒徑的土粒質(zhì)量累計(jì)百分?jǐn)?shù)為30%時(shí)的粒徑用d30表示。當(dāng)小于某粒徑的土 粒質(zhì)量累計(jì)百分?jǐn)?shù)為60%時(shí)，該粒徑稱為限定粒徑限定粒徑d60。 利用顆粒級(jí)配累積曲線可以確定土粒的級(jí)配指標(biāo)，如不均勻系數(shù)不均勻系數(shù)Cu 和曲率系數(shù)曲率系數(shù)Cc。 。 不均勻系

13、數(shù)Cu反映大小不同粒組的分布情況大小不同粒組的分布情況。Cu越大表示土粒大小 的分布范圍越大、其級(jí)配越良好，作為填方工程的土料時(shí)，則比較容易獲 得較大的密實(shí)度。曲率系數(shù)Cc描寫累積曲線的分布范圍累積曲線的分布范圍，反映曲線的整體 形狀。 10 60 d d Cu 6010 2 30 dd d Cc Nanjing University of Technology 曲線平緩，粒徑大小相差懸殊，土粒不均勻。顆粒級(jí)配可以在一定程度上反映土的某 些性質(zhì)。對(duì)于級(jí)配良好的土，較粗顆粒間的孔隙被較細(xì)的顆粒所填充，因而土的密實(shí)度較好 ，相應(yīng)的地基土的強(qiáng)度和穩(wěn)定性也較好透水性和壓縮性也較小，可用作堤壩或其它土建

14、工 程的填方土料。 Nanjing University of Technology 二、土的液相二、土的液相 土中水處于不同位置和溫度條件下，可具有不同的物理狀態(tài)固態(tài)、固態(tài)、 液態(tài)、氣態(tài)。液態(tài)、氣態(tài)。 液態(tài)水液態(tài)水是土中孔隙水的主要存在狀態(tài)，因其受土粒表面雙電層影響 程度的不同可分為結(jié)合水、毛細(xì)水、重力水結(jié)合水、毛細(xì)水、重力水。后兩者也稱為非結(jié)合水非結(jié)合水 (自由水自由水)。 水水 的的 類類 型型主要作用力主要作用力 結(jié)結(jié) 合合 水水物理化學(xué)力物理化學(xué)力 非非 結(jié)結(jié) 合合 水水 毛毛 細(xì)細(xì) 水水表面張力和重力表面張力和重力 重重 力力 水水重重 力力 Nanjing University

15、of Technology 結(jié)合水結(jié)合水 非結(jié)合水非結(jié)合水 強(qiáng)結(jié)合水強(qiáng)結(jié)合水(吸著水吸著水) 液態(tài)水液態(tài)水 重力水重力水(自由水自由水) 氣態(tài)水氣態(tài)水(水蒸氣水蒸氣) 土孔隙中的水土孔隙中的水 毛細(xì)水毛細(xì)水(過渡型水過渡型水) 弱結(jié)合水弱結(jié)合水(薄膜水薄膜水) 固態(tài)水固態(tài)水(冰冰) Nanjing University of Technology 1. 結(jié)合水結(jié)合水 土顆粒表面帶有一定的電荷，當(dāng)土粒與水相接觸時(shí)，由于靜電作用 力，將吸引水化離子和水分子，形成雙電層，在雙電層影響下的水膜稱 為表面結(jié)合水表面結(jié)合水。雙電層的厚薄也反映了結(jié)合水的厚薄，結(jié)合水具有與一 般自由水不同的性質(zhì)，其密度較大、

16、粘滯度高、流動(dòng)性差、冰點(diǎn)低、比 熱較大、介電常數(shù)較低，這種差異隨距離增加而減弱。結(jié)合水又可分為 強(qiáng)結(jié)合水強(qiáng)結(jié)合水和弱結(jié)合水弱結(jié)合水。 Nanjing University of Technology Diffuse double layer（雙電層雙電層） (Figure by Muni Budhu,2000) 影響雙電層的因素影響雙電層的因素: :土粒表面的電位、大小、土粒大小、礦物成分類型等。 Nanjing University of Technology 2.非結(jié)合水非結(jié)合水 在雙電層影響以外的水為自由液態(tài)水，它主要受重力作用的控制，土粒表面在雙電層影響以外的水為自由液態(tài)水，它主要受重

17、力作用的控制，土粒表面 吸引力居次要地位，這部分水稱為非結(jié)合水，它包括吸引力居次要地位，這部分水稱為非結(jié)合水，它包括毛細(xì)水、重力水和固態(tài)水等毛細(xì)水、重力水和固態(tài)水等。 (1)毛細(xì)水毛細(xì)水 毛細(xì)水是受到水與空氣交界面處表面張力作用的自由水。毛管現(xiàn)象 是毛細(xì)管壁對(duì)水的吸力和水的表面張力共同作用的結(jié)果。 毛細(xì)水是受毛細(xì)管作用控制的水，可以把土的孔隙看作是連續(xù)變截 面的毛細(xì)管，毛細(xì)管放在水中，管中的水位會(huì)上升到自由水位以上的一 定高度，毛管直徑愈細(xì)上升高度愈高。在常溫下毛細(xì)上升高度hc與毛管半 徑r有以下關(guān)系： r hc 15 Nanjing University of Technology (2)重

18、力水重力水 重力水是存在于地下水位以下的適水土層中的地下水。它是在重力 或壓力差作用下運(yùn)動(dòng)的自由水，對(duì)土粒有浮力作用土粒有浮力作用。重力水只受重力控 制，不受土粒表面吸引力的影響。 (3)固態(tài)水固態(tài)水 固態(tài)水即冰，溫度降到0以下時(shí)，孔隙中的水會(huì)凝結(jié)成冰。水結(jié)冰 后體積膨脹，同時(shí)由于水分遷移和補(bǔ)給，在土層中會(huì)形成冰層或透鏡體。 固態(tài)水在土中起著暫時(shí)的膠結(jié)作用暫時(shí)的膠結(jié)作用，提高土的力學(xué)強(qiáng)度提高土的力學(xué)強(qiáng)度，降低透水性降低透水性。 但溫度升高溫度升高后，冰層解凍為液態(tài)水，使土的強(qiáng)度急劇降低土的強(qiáng)度急劇降低，壓縮性增大壓縮性增大， 土的性質(zhì)顯著惡化，如處于地下水以上的某些公路路面在開春后的翻漿 現(xiàn)象

19、就是一例。 Nanjing University of Technology 二、土的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造二、土的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造 土的結(jié)構(gòu)土的結(jié)構(gòu):指土顆?；蚣象w的大小大小和形狀形狀、表面特征表面特征、排列形式排列形式以 及它們之間的連接特征連接特征( (微觀結(jié)構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)) )。 土的構(gòu)造土的構(gòu)造: :指土層的層理層理、裂隙裂隙和大孔隙大孔隙等宏觀特征亦稱宏觀結(jié)構(gòu)宏觀結(jié)構(gòu)。 土的結(jié)構(gòu)對(duì)土的工程性質(zhì)影響很大，特別是粘性土，如某些靈敏性鉆土在 原狀結(jié)構(gòu)時(shí)具有一定的強(qiáng)度，當(dāng)結(jié)構(gòu)擾動(dòng)或重塑結(jié)構(gòu)擾動(dòng)或重塑時(shí)，強(qiáng)度就降低強(qiáng)度就降低很多，甚至不 能再成型。 Nanjing University of Technolog

20、y 土的常見結(jié)構(gòu)類型土的常見結(jié)構(gòu)類型 單粒結(jié)構(gòu)：單粒結(jié)構(gòu)：組成砂、礫等粗粒土的基本結(jié)構(gòu)類型，顆粒較粗大，比表面 積小，顆粒之間是點(diǎn)接觸，幾乎沒有連結(jié)，粒間相互作用的 影響較之重力作用的影響可忽略不計(jì)，是重力場作用下堆積 而成的。 單粒結(jié)構(gòu)土的工程性質(zhì)，除與密實(shí)程度密實(shí)程度有關(guān)外，還與顆粒大小、級(jí)配、土粒的顆粒大小、級(jí)配、土粒的 表面形狀及礦物成分表面形狀及礦物成分類型有關(guān)。 Nanjing University of Technology 土的常見結(jié)構(gòu)類型土的常見結(jié)構(gòu)類型 片架結(jié)構(gòu)：片架結(jié)構(gòu)：粘粒在絮凝狀態(tài)下形成的，亦稱絮凝結(jié)構(gòu)。其特點(diǎn)是粘土 片以邊面邊面或邊邊邊邊連結(jié)為主，顆粒呈隨機(jī)排列，性質(zhì)較 均勻，但孔隙較大孔隙較大對(duì)擾動(dòng)比較敏感擾動(dòng)比較敏感。具有觸變性觸變性的土多 后于此類結(jié)構(gòu)。 片堆結(jié)構(gòu)：片堆結(jié)構(gòu)：粘粒是在分散狀態(tài)下沉積而形成的，亦稱分散結(jié)構(gòu)分散結(jié)構(gòu)。其特 點(diǎn)是以面面面面連結(jié)為主，粘土片呈定向排列，密度較大密度較大， 具有明顯的各向異性明顯的各向異性的力學(xué)性質(zhì)。 Nanjing University o