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1、2 土的物质组成和结构,土是未固结成岩的松散沉积物，在地表广泛分布，是工程和经济活动的主要对象。土的工程性质复杂多变：作为建筑地基，有的可以修建高楼大厦，有的连平房都承受不起；作为建筑材料，有的可以作为混凝土的骨料，有的可以烧制砖瓦，有的很难派上用场。土的性质之所以有这样大的差别，主要是其成分和结构的不同。因此，在研究土的工程性质形成及其变化规律时，首先要研究土的组成成分。,2 土的物质组成和结构,2.1 土的基本特性2.2 土的粒度成分2.3 土的矿物成分2.4 土的化学成分2.5 土中的水和气2.6 土与水的相互作用,2.1 土的基本特征1、从地质观点分析，土具有如下共同特点：1）土是地质
2、历史的产物土是由多种矿物自然集合而成的，它是在一定的地质历史时期内，经过各种复杂的自然因素的作用后形成的。不同类型的土，其形成时间、地点、环境及方式不同，各种矿物在质量、数量和空间排列上都有一定的差异，因而工程性质也有所不同。因此，成因类型和地质历史的研究是分析鉴定土的工程性质的基础。,形成过程：无机土来自岩石的物理风化和化学风化,有机土中的有机物来自植物、小动物的骨骼和外壳。形成过程中仍残留原地的称为残积土。由风、水、波浪、冰川或重力搬运而形成的沉积物称为运积土。,松散沉积物类型：,风化残积：残积物重力堆积：坠积物、崩塌堆积物、滑坡堆积物、土溜堆积物大陆流水堆积：坡积物、洪积物、冲积物、湖积
3、物、沼泽沉积物、三角洲（河湖、河海）堆积物海水堆积：滨海堆积物、浅海堆积物、深海堆积物地下水堆积：泉水堆积物、洞穴堆积物冰川堆积：冰积堆积物、冰水堆积物、冰积湖堆积物风力堆积：风积物火山堆积：火山岩及火山碎屑岩其它：人工堆积,通常，流水搬运、沉积形成的土如洪、冲积土的工程性质要好于风力搬运、沉积形成的土，也好于湖积和海积土；沉积年代久远的土的工程性质要优于新近形成的土；不同的自然条件下形成的土的性质有较大的差异，各地往往存在一些特殊性土，其性质常常较一般土差。,2）土是相系组合体土是由三相（固、液、气）或四相（固、液、气、有机质）所组成的体系：,相系之间往往存在复杂的物理化学作用。因此，土的相
4、系之间质和量的变化是鉴定其工程性质的一个重要依据。在研究土时，必须对同时存在的三相的质与量以及它们之间的相互作用一并加以研究。,3）土是分散体系由二相或更多相所构成的体系，其一相或某一些相分散在另一相中，称为分散体系。多相组成的土是分散体系。根据固相土粒的大小程度，将土划分为：粗分散体系(2m)细分散体系(20.1m)胶体体系(0.10.01m)分子体系(0.01m)。分散体系的性质随着分散程度的变化而变化。,研究表明，粗分散体系与细分散体系及胶体体系的差别很大。细分散体系和胶体体系具有许多的共性。因此，一般将细分散体系和胶体体系合并在一起作为土的细分散部分加以研究。土的细分散体系具有特殊的矿
5、物成分，具有很高的分散性和比表面积，因而具有巨大的表面能。当细分散颗粒与水作用时，在固、液相界面上具有很强的物理化学活性。土中细分散颗粒含量的增多是形成黏性土工程性质的决定因素。,任何土类具有存在一定的能量，在砂土和黏性土中，其总能量是由内部能量和表面能量之和构成的。内部能量与其土粒体积成正比，而表面能量则与土粒的表面积成正比。砂土及其它碎屑土的比表面积很小，所以表面能有限，砂土在物理化学方面，很大程度上是惰性的、不亲水的。黏性土的比表面积和表面能均很大，因此，具有较大的物理化学活性和亲水性，表现为极强的黏着性和塑性。,4）土是多矿物组合体土中含有510种甚至更多的矿物，其中除原生矿物外，次生
6、黏土矿物是主要成分。黏土矿物的粒径很小(0.002mm)，遇水容易呈现胶体化学特性，在土粒之间形成一种特殊的连接，使黏性土表现出复杂多变的工程性质。,2、土与其它连续介质的建筑材料（如钢材等）相比，具有以下三个方面的工程特性：1）压缩性高在相同外部荷载作用下，土的压缩量远大于常用的建筑材料如混凝土，反映在变形模量E上，土的压缩模量较建筑材料要小，而且不同类型的土之间的压缩性存在较大的差别。2）强度低土的抗剪强度远小于建筑材料的抗剪强度。这是因为，土粒之间的摩擦力和黏聚力（土粒间的结合力）通常较小。3）透水性大土属于多孔介质，内部存在无数的相互连通的孔隙。这些孔隙是透水的。土的透水性与土的粒度成
7、分、结构、构造等有关。,2 土的物质组成和结构,2.1 土的基本特性2.2 土的粒度成分2.3 土的矿物成分2.4 土的化学成分2.5 土中的水和气2.6 土与水的相互作用,2.2 土的粒度成分1、粒径土粒的大小用其直径表示，称为粒径，又称粒度。一般用土粒能通过的最小筛孔的直径，或土粒在静水中具有相同下沉速度的当量球体直径表示原因是颗粒形状多样,土的粒度变化范围极大。大到数百至数千mm的漂石、块石，小到不足千分之一的黏土颗粒。随着粒径的变化，土的成分和工程性质也随之变化。不同粒径的土粒具有不同的成分和性质。,巨大的砾石漂石,扫描电镜,2、粒组划分与粒度成分(1)粒组按粒径的大小划分的组称为粒组
8、。也就是将土中的颗粒按粒径分成若干个粒径区段，每一个区段中所包括的这些大小的颗粒称为粒组，即土中颗粒直径界于某粒径区间的所有颗粒。土的粒度成分实际上是不同粒组所占的比例关系。,我国土的工程分类标准（GB/T 50145-2007）中的粒组划分方案见下图：,(2)粒组划分,(3)粒度成分土的工程性质与构成土的各种粒径的相对含量有关，即与各种粒径在土中的比例搭配关系有关。土中各种粒径颗粒之间的比例搭配关系（相对含量）称为粒度成分（又称为粒度级配或级配），一般用干土质量百分比表示：式中 x某粒组的质量百分数,%；ma干土中某粒组的质量；mb干土总质量。,3、粒度分析方法粒度分析的定义：又称颗粒分析，
9、采用不同的方法将构成土的各粒组划分开来，并计算出各粒组的百分含量，以确定土的粒度成分，同时根据粒度成分分析结果进行土的分类与定名（尤其粗粒土和巨粒土）。粒度分析方法常用的有：粗粒土（粒径0.075mm）采用筛析法（筛分法）细粒土（粒径0.075mm）则采用静水沉降分析法两种方法分析结果综合在一起就可获得完整的土的粒度分析数据。,（1）筛析法适用条件：适用于粒径界于600.075mm之间的土。主要设备：是一套标准分析筛，筛子的孔径分别为：粗筛：60、40、20、10、5、2mm细筛：1.0、0.5、0.25、0.075mm。可根据土的性质和工程要求适当增减不同筛径的分析筛。试验要求：应符合土工试
10、验方法标准(GB/T50123-1999)的规定。优 点：简单易行。,标准分析筛 振筛机,（2）沉降分析法适用条件：粒径小于0.075mm的土。原理：根据土粒在悬液中的沉降速率与粒径的平方成正比的Stocks公式来确定各粒组相对含量的方法。静水中土粒在有效重力和液体阻力的共同作用下匀速下沉，可用下列公式表示：d颗粒直径(mm)；纯水的动力粘滞系数(10-6kPas)；s土颗粒密度(g/cm3)；w水的密度(g/cm3)；g重力加速度(cm/s2)；L某一时间内土粒沉降距离(cm)；t沉降时间(s)。,Stocks公式,（mm）Stocks公式,试验方法：密度计法移液管法虹吸比重瓶法方法不同，但
11、原理均为Stocks公式。试验要求：应符合土工试验方法标准（GB/T50123-1999）的规定。,3土的粒度成分的表示方法(1)列表法优点：可以清楚地说明各粒组的含量缺点：大量土样进行对比时较困难,(2)累计曲线法（粒径分布曲线图）以粒径为横坐标，以小于某一粒径的累计百分含量为纵坐标，建立直角坐标系，将试验结果数据投到该坐标系中，得到两者之间的关系曲线（累计曲线）。一般横坐标（粒径）采用对数的形式，因此累计曲线为半对数曲线。累积含量百分比是指小于（或大于）某粒径的所有土颗粒占全部土颗粒的质量百分比。优点：便于多个土样的粒度成分对比；缺点：当土样数量很多时，较烦乱，不易分辨。,d10,d10,
12、d60,d50,d50,d60,用途：累计曲线形态能较直观地表示出土的粒度级配：累计曲线平缓，说明土中各粒组的含量差别不大，土的分选性较差，级配良好；累计曲线窄陡，土的分选性好，土粒均匀，级配不良。,累计曲线给出一些定量的信息：任一粒径区段的百分含量；任一百分含量的最大粒径；有效粒径d10粒径分布曲线上小于该粒径的土粒质量占土总质量的10%的粒径；中间粒径d30粒径分布曲线上小于该粒径的土粒质量占土总质量的30%的粒径；平均粒径d50粒径分布曲线上小于该粒径的土粒质量占土总质量的50%的粒径；限制粒径d60 粒径分布曲线上小于该粒径的土粒质量占土总质量的60%的粒径。,不均匀系数Cu反映土颗粒
13、粒径分布均匀性的系数曲率系数Cc反映土颗粒粒径分布曲线形态的系数,定量信息的用途：不均匀系数Cu用于评价土层的机械潜蚀、流土（砂）等渗透变形的工程地质问题平均粒径d50和不均匀系数用于判别砂土的振动液化,d10在水文地质和工程地质中具有特殊的意义：由一种粒径土粒组成的理想均粒土，如与另一种非均粒土具有相同的透水性，则这个均粒土的粒径与这个非均匀土的d10大致相等。因此，一般认为，d10为最具有代表性的粒径。该数据广泛应用于机械潜蚀、透水性、毛细性等的经验公式中。用d10估算非均质砂的渗透系数公式：k=d102 kcm/s；d10mm,Cu、Cc是国际通用的指标，根据不均匀系数、曲率系数进行土的
14、级配分类：当Cu5且1Cc3时，为级配良好的土，即为非均粒土，表明土中各粒组的含量相差不大，大小颗粒混杂，累计曲线平缓；若不能同时满足上述两个条件，则为级配不良的土，即均粒土，颗粒大小较均匀，累计曲线的中段显得陡直。,特征粒径举例：有效粒径 d10=0.10,0.10mm的颗粒占总质量的10%中间粒径 d30=0.22,0.22mm的颗粒占总质量的30%平均粒径 d50=0.33,0.33mm的颗粒占总质量的50%界限粒径 d60=0.39,0.39mm的颗粒占总质量的60%,4、土按粒度成分的分类1）土的工程分类标准(GB/T50145-2007)分类根据各粒组在土中的含量分为巨粒类土、粗粒
15、类土和细粒类土：试样中巨粒组（粒径60mm）含量大于15%的土为巨粒类土。试样中粗粒组含量大于50%的土为粗粒类土。其中，砾粒组含量大于砂粒组的土为砾类土；砾粒组含量不大于砂粒组的土为砂类土。试样中细粒组含量不小于50%的土为细粒类土。其中，粗粒组含量不大于25%的土为细粒土；粗粒组含量大于25%且不大于50%的土为含粗粒的细粒土；有机质含量小于10%且不小于5%的土为有机质土。可利用塑性图对细粒类土进一步划分。,巨粒类土的分类：,砾类土的分类：,砂类土的分类：,2）岩土工程勘察规范(GB/T50007-2001)和建筑地基基础设计规范(GB/T50021-2002)分类粒径在0.075mm以
16、上的粗粒土通常按照粒度成分进行分类和定名，粒径在0.075mm以下的土则按照塑性指数Ip进行分类和定名。粒径在0.075mm以上的土可分为碎石土和砂土。（碎石土通常是性质良好的土，砂土总体上是性质良好的土）,(1)碎石土粒径大于2mm的颗粒质量超过总质量的50%的土称为碎石土。进一步划分为：粒径200mm的颗粒质量超过总质量的50%的土为漂石土（颗粒以圆形及亚圆形为主）或块石土（颗粒以棱角形为主）。粒径20mm的颗粒质量超过总质量的50%的土为卵石土（颗粒以圆形及亚圆形为主）或碎石土（颗粒以棱角形为主）。粒径2mm的颗粒质量超过总质量的50%的土为圆砾土（颗粒以圆形及亚圆形为主）或角砾土（颗粒
17、以棱角形为主）。,(2)砂土粒径大于2mm的颗粒质量不超过总质量的50%，粒径大于0.075mm的颗粒质量超过总质量的50%的土称为砂土。进一步划分为：粒径2mm的颗粒质量占总质量的25%50%的土为砾砂土。粒径0.5mm的颗粒质量总质量的50%的土为粗砂土。粒径0.25mm的颗粒质量总质量的50%的土为中砂土。粒径0.075mm的颗粒质量总质量的85%的土为细砂土。粒径0.075mm的颗粒质量总质量的50%的土为粉砂土。,土定名的原则：碎石土和砂土分类定名时，应根据颗粒级配由大到小以最先符合者确定。,举例:例1：某砂土样，经筛析试验，得到各粒组含量的百分比为：解：土在分类和定名时，应根据颗粒
18、级配由大到小以最先符合者确定。土样中2mm的颗粒含量为8%+22%=30%，超过了25%，但不到50%，因此，该土样应定名为砾砂土。,例2：某土样，经筛析试验，得到各粒组含量的百分比为：解：土样中，粒径2mm的颗粒占10%，不足25%，不能定为砾砂土；0.5mm的颗粒占10%+23%=33%，也不足50%，不能定为粗砂土；0.25mm的颗粒占10+23+27=60%，超过了50%，该土样应定为中砂土。,2 土的物质组成和结构,2.1 土的基本特性2.2 土的粒度成分2.3 土的矿物成分2.4 土的化学成分2.5 土中的水和气2.6 土与水的相互作用,1、土的矿物成分的类型土的固体颗粒的矿物来源
19、于岩石的风化产物。根据来源可分为：原生矿物：岩石经物理风化后，破碎成土粒，其矿物成分不变，主要为母岩的原有矿物，如石英、长石、云母等。次生矿物：岩石经化学风化后，不仅颗粒变得细小了，而且其成分也发生了变化，形成的新矿物。次生矿物根据其与水作用的关系可分为可溶的和不可溶的两种。腐殖质：风化作用的进一步发展往往有生物作用参与，形成土壤化作用，使土增加了有机成分，其颗粒很细小。泥炭：土中有机植物残骸。,(1)原生矿物类型：主要为硅酸盐等造岩矿物，常见的有石英、长石、角闪石、云母等，有时有方解石、白云石等碳酸盐矿物。多数存在于卵粒组和砂粒组中，是粗粒类土的主要矿物成分。漂石、块石组则一般为岩屑成分，保
20、持原岩的多矿物结构。特点：颗粒较粗大，物理、化学性质稳定或较稳定，具有较强的抗水性和抗风化能力，亲水性弱或较弱。对土的工程性质的影响主要取决于矿物颗粒的形状、大小、排列、坚硬程度和抗风化稳定性方面。,(2)不可溶的次生矿物是原生矿物经氧化、水化、水解、溶解等化学作用而形成的新的矿物成分，不能溶解在水中。最主要的为黏土矿物，其次为倍半氧化物R2O3（如Fe2O3、Al2O3）及次生SiO2。颗粒很细小，一般呈晶体或凝胶状存在于黏粒组中。,黏土矿物对土的工程性质影响很大，即使在土中含量不大，也能表现出明显的控制作用。黏土矿物是决定黏性土工程性质的主要因素。倍半氧化物、次生SiO2常以凝胶状存在于土
21、粒之间，使颗粒之间胶结，可增强土粒的结构连结，从而使土的强度增大、压缩性减小。,(3)可溶盐可溶盐按其在水中的溶解度可分为：易溶盐岩盐、钾盐、芒硝、苏打等；中溶盐石膏；难溶盐方解石、白云石。可溶盐在土中存在形式可以呈层状或以分散状态存在于土颗粒之间。难溶盐或中溶盐以固体形式时,可起到胶结作用，加强土颗粒的结构连结，提高土的强度。,可溶盐以溶液形式存在于土中时，对土的工程性质的影响主要取决于溶液的离子成分与浓度，以及由其控制的离子交换性质。如当孔隙溶液中富含Na+时，则土的亲水性大，强度低、压缩性高，膨胀性大；当富含Ca+时，则相反。孔隙中可溶盐浓度越低，离子成分的作用越大。可溶盐在土中属于不稳
22、定矿物，它们的变化将引起土的工程性质的变化。另外，可溶盐溶解在水中后会对混凝土及钢筋等建筑材料产生腐蚀作用而破坏建筑物的基础工程。,可溶盐的测定：一般采用提取液法（浸出液法），通过对提取液进行化学分析确定其成分和含量。方法有：对于易溶盐可采用水溶液提取液法中溶盐和难溶液可采用酸提取液法碳酸盐含量不高时，可以通过测定其与酸发生化学反应生成的CO2的量确定含量（气量法）。,(4)有机质按其分解程度可分为未分解的动植物残体、半分解的泥炭及完全分解的腐殖质。以腐殖质为主，占有机质总含量的8090%。腐殖质是一种有机酸，主要成分为腐殖酸，具有多微孔海绵状结构，具有很强的持水性和吸附性，电镜下可见为颗粒极
23、细小的圆粒，直径80100A。在酸溶液中能凝聚成较大的球状团粒。泥炭疏松多孔，富含水，强度很低，压缩性极高。部分有机质以分子形式分散在水中，具有较强的活动能力和酸性，能被土中的矿物尤其是黏土矿物颗粒表面吸附，形成矿物有机质组合体。有机质分散程度越高，亲水性越强，越易被土颗粒吸附。,有机质对土的工程性质的影响：黏土矿物颗粒吸附有机质后，持水性、离子交换性能提高，颗粒间距增大，连接力减弱；土粒分散性提高，使土的塑性增强，渗透性能下降，压缩性提高，强度降低。含有机质土的工程性质有很大的变化。如细砂土中含少量的有机质，就可具有流沙的特性。黏性土中含有有机质如淤泥质土或淤泥土，则压缩性高、固结慢、强度低
24、，难以作为建筑物的天然地基。有机质含量的测定：重铬酸钾容量法,2、土的矿物成分与粒度成分的关系,不同粒径具有不同的矿物成分。物理强度大、物理化学性质稳定性差的原生矿物多集中于粗的粒组中，物理强度小，物理化学稳定性高的原生矿物多存在于细粒组中：石英、长石、云母是组成砂土的主要矿物成分。石英的物理强度大，物理化学稳定性高，可存在于各粒组中。长石则主要存在于中粗砂组中。云母的物理强度低，一般只存在粉细砂中。,粉粒组都是由抗风化能力强、物理化学稳定高的原生矿物石英组成。次生矿物高岭石可出现于粉粒组中。干旱地区，难溶的碳酸盐矿物也是粉粒组的主要矿物。黏粒组几乎全部由次生矿物及有机质组成。2mm以上的粒组
25、多为母岩碎屑（岩屑），颗粒具多矿物结构，同时可含有长石、石英等单矿物。,3、黏土矿物的晶体结构及其基本特征黏土矿物的定义：是一类具有片状或链状结晶格架结构的铝硅酸盐矿物，是原生矿物长石、云母等硅酸盐矿物经过化学风化作用形成的新的次生矿物。黏土矿物的种类：高岭石伊利石蒙脱石绿泥石蛭石，等,最常见,黏土矿物的特点：具有高分散性、高亲水性、强吸附性和离子置换性能。黏土矿物颗粒极细小，一般都小于2m，呈扁平形状，比表面很大，与水作用具有很强的物理化学活性，当土中含少量黏土矿物时，就能改变土的许多重要性质，如亲水性、渗透性、塑性、膨胀性及强度等。黏土矿物的这种活性，不仅在于其有很大的比表面，而主要还在于
26、其晶体结构的特点。黏土矿物的研究意义：黏土矿物是构成黏粒的主要矿物成分，含黏土矿物的土的工程性质很大程度上取决于黏土矿物，以黏土矿物为主构成的土的工程性质复杂多变。因此，在工程实践中，历来重视黏土矿物的研究。,1）黏土矿物的基本结构类型（1）黏土矿物晶胞的组成单元硅氧四面体片,铝（镁）-氧（氢氧）八面体片,（2）四面体片和八面体片的排列方式配位相连形成结构单元层，即单位晶胞。按其排列方式，结构单元体层可分为：双层型（1:1）由一层四面体片和一层八面体片组成，如高岭石；三层型（2:1）由两层四面体片夹一层八面体片组成，如蒙脱石、伊利石、蛭石等；混合型（2:1:1）三层型与氢氧镁八面体片相间排列组
27、成，如绿泥石。,2）主要黏土矿物的结晶化学结构特征及其性质（1）高岭石高岭石具有典型的1:1双层层状结构。高岭石相邻晶胞以氧原子与氢原子氢键相连接。因此，高岭石晶胞间的连接力较强，晶胞间活动性较弱，在与水相互作用时，水分子不能进入晶胞间，晶体不能产生层间膨胀，亲水性小。高龄石单位晶胞的厚度为7.1A（0.71nm）。,高龄石与水作用所表现的物理化学活性弱。但由于颗粒细小，分散程度高，带少量的电荷，可吸附极性水分子形成水化膜，具有一定可塑性。总体上，含高岭石的黏性土的工程性质不易因外界条件的变化而变化。,（2）蒙脱石蒙脱石为2:1三层型层状结构。晶胞间的连接弱，晶胞间具有异常大的活动性，水分子及
28、其他极性分子可进入晶胞之间，使晶体发生膨胀。蒙脱使的晶胞间距取决于晶胞间水分子的含量，晶胞间距可由9.6A到14A甚至更大。蒙脱石晶体可分裂形成更小的颗粒。蒙脱石的颗粒极细小，一般为0.10.01m，具有巨大的比表面积，亲水性大。同晶置换是蒙脱石晶体结构的另一个特点。每单位晶胞中约有0.66个剩余负电荷。,蒙脱石与水作用时表现出强烈的物理化学活性，并对外部条件非常敏感。因此，含蒙脱石的土具有含水量大、压缩性高、强度低、吸水膨胀、失水收缩及高塑性等的特点，其性质易随外界条件的变化而变化。,（3）伊利石(水云母)伊利石的晶体结构属于2:1三层层状结构。四面体中Si4+约有1/6被Al3+置换，使单
29、位晶胞中约有1.31.5个剩余负电荷，而且其大部分被层间的非交换性的K+平衡。K可起到连接相邻晶胞的作用。因此，水分子等极性分子不能进入晶胞间，晶胞间的膨胀性很弱。,物理化学性能界于蒙脱石与高岭石之间。,（4）三种黏土矿物工程性质的比较高岭石相邻晶胞之间具有较强的氢键连接，结合牢固，水分子不能自由进入晶体内部，因而可形成较粗的黏粒，比表面积小，亲水性弱，压缩性较低，抗剪强度较大。蒙脱石相邻晶胞间距较大，连接较弱，水分子易进入晶体内部，故可形成较细小的颗粒，比表面积较大，亲水性较强，膨胀性显著，压缩性高，抗剪强度低。伊利石的工程性质则界于两者之间。,（5）黏土矿物对土的工程性质的影响根据Guil
30、loux，A（1978）等的资料，当细砂中夹有黏土矿物时，将影响到砂土的承载力。夹杂的黏土矿物的成分不同，其承载力也不同：若夹杂的是活动性弱或无的矿物如高岭石、硅土等，则对砂土的承载力影响不大，只有当细粒（粒径小于4m的颗粒）含量达到12%时，才使其承载力较纯砂土产生明显变化。若夹杂有中等活动性的伊利石，只要细粒含量达到8%就可使承载力较纯砂土有显著的差别。若夹杂的是蒙脱石，则当细粒含量达到4%就可使承载力较纯砂土显著下降。,3）黏土矿物的鉴定方法黏土颗粒细小、种类多、成分复杂，用偏光显微镜等方法难以鉴别其矿物成分。通常采用：X射线衍射分析法电子显微镜照相差热分析法脱水曲线法染色法红外光谱法等
31、。一般配合使用，互相对比参考，以取得较好的效果，即应采用综合分析方法。,高岭石（六角形，边缘清晰）与伊利石,蒙脱石,伊利石,2 土的物质组成和结构,2.1 土的基本特性2.2 土的粒度成分2.3 土的矿物成分2.4 土的化学成分2.5 土中的水和气2.6 土与水的相互作用,土的化学成分主要是指土种固体相、液体相的化学元素、化合物种类及其含量。土中的化学元素都是以化合物的形式存在于土中。对土的固相的化学成分，主要研究不可溶性次生矿物和可溶盐的化学成分。研究化学成分可以鉴别矿物种类，并进一步研究黏粒与溶液的相互作用的特征，从而揭示土尤其是黏性土工程性质的本质。,固体相化学成分采用“全量化学分析法”
32、测定：提取小于2m的黏粒，测定硅、铝、铁、钙、镁、钾、钠等组成黏土矿物的主要元素。其成果为各元素的氧化物的含量，计算出硅铝率(SiO2/R2O3)，判断矿物种类。不同黏土矿物的硅铝率是不同的：高岭石为2伊利石为3蒙脱石4液相化学成分采用提取液方法测定。,2 土的物质组成和结构,2.1 土的基本特性2.2 土的粒度成分2.3 土的矿物成分2.4 土的化学成分2.5 土中的水和气2.6 土与水的相互作用,1、土中的水水是土中最为常见的液相。水在中的多少一般用含水量（率）表示，土中含水量的变化是土的工程性质变化的最重要的原因。土的抗剪强度、压缩性和渗透性都直接或间接地与土的含水量有关。因此，水是控制
33、土的工程性质的重要因素，也是引起土的性质变化的主要因素之一。,土中的水可根据其储存部位分为矿物中的结合水结构水结晶水沸石水空隙中的水结合水毛细水重力水气态水固体冰其中，土粒表面的结合水对土尤其黏性土的工程性质影响极大。,2、土中的气体土中的气体主要为空气和水汽，有时还有较多的CO2、沼气、H2S等。与土中的液体相比，气体对土的工程性质的影响要小得多。主要的影响为：密闭气体影响土的强度和变形过多的水气在土粒表面凝聚形成结合水CO2、沼气、H2S等有毒有害气体的存在影响施工和建筑物的安全使用,2 土的物质组成和结构,2.1 土的基本特性2.2 土的粒度成分2.3 土的矿物成分2.4 土的化学成分2
34、.5 土中的水和气2.6 黏性土与水的相互作用2.7 土的结构和土体结构,黏粒是土中高度分散的颗粒，包括黏土矿物、氧化物、有机质等。由于颗粒细小，接近于胶体的颗粒，因而表现出一系列胶体的特性。引起的原因是黏粒表面带电。,2、黏粒表面带电的成因黏粒表面带电主要的4种途径：1）选择性吸附黏粒与其他胶粒一样，表面具有选择性吸附的性能，它总是选择性地吸附与它本身结晶格架中相同或相似的离子，使黏粒表面带电。例如，将难溶的方解石（CaCO3）颗粒放入含Na2CO3溶液中，颗粒表面将吸附溶液中的CO32-，形成电位离子层，反离子层则为Na+，方解石颗粒表面带的是负电；但若将方解石颗粒放在CaCl2溶液中，则
35、Ca2+成为电位离子，Cl-为反离子，方解石颗粒表面带的是正电。,2）水化解离作用黏粒表面与水作用后生成离子发生基，而后离解，再选择性地吸附与矿物晶体格架上性质相同或相似的离子，使黏粒表面带电。黏土矿物中含有Al2O3和SiO2成分，在与水接触时，黏土矿物基面、断口处Al2O3和SiO2离解而使黏土矿物带电，电荷的性质与介质的PH值有关。,（1）Al2O3（注意两性体）的离解Al2O3与水作用形成的离子发生基为Al(OH)3：Al2O3+3H2O=2Al(OH)3Al(OH)3是两性体，在不同的PH值下，离解方式是不同的:PH8.1时，为酸式分解 Al(OH)3Al(OH)2O-+H+PH8.
36、1时，为碱式分解 Al(OH)3Al(OH)2+OH-,当溶液PH8.1时，黏粒吸附Al(OH)2O-而带负电；当溶液PH8.1时，黏粒吸附Al(OH)2+而带正电。当PH=8.1时，Al(OH)3不发生离解，此时的PH值称为等电PH值。不同成分的等电PH值是不同的，Al2O3为8.1，Fe2O3为7.1。,（2）SiO2离解SiO2水解作用后形成的离子发生基为H2SiO3：SiO2+H2O=H2SiO3H2SiO3在酸性溶液中不易离解，在碱性溶液中按酸式离解：H2SiO3HSiO3-+H+HSiO3-被吸附，黏粒带负电。,黏土矿物是由硅氧四面体片和铝氧八面体片构成，其晶面和边缘断口由SiO2
37、和Al2O3组成，在碱性条件下，晶面、断口均带负电，形成负双电层（图a)。在酸性条件下，SiO2面上带负电，形成负双电层；Al2O3面上带正电，形成正双电层(图b)。,（3）同晶置换（同晶替代）作用黏土矿物晶格中的阳离子常被低价阳离子置换，主要是八面体中的Al3+被Fe2+、Mg2+、Ca2+置换，四面体中的Si4+被Al3+或其它阳离子置换。置换的结果是引起电荷不平衡，在颗粒表面产生过剩的未饱和的负电荷。不同矿物的电荷数不同，伊利石每单位晶胞中约有1.31.5个剩余负电荷，但大部分被层间的非交换性的K+平衡；蒙脱石每单位晶胞中约有0.66个剩余负电荷；高岭石基本上不存在同晶置换现象。,（4）
38、边缘破键电荷不平衡理想晶体内正负电荷相平衡。但在黏粒的边缘处结晶格架的连续性受到破坏，键破裂，造成电荷不平衡，使黏粒表面带有净负电荷。颗粒越细小，破键越多，所以比表面越大，表面能就越大。,总体而言，由于上述原因，天然状态下，黏性土带电，且所带的负电荷多于正电荷。因此，一般认为土带负电荷。,2、双电层的概念当胶核与溶液作用时，能吸附溶液中的离子并使之与其牢固结合带电，组成一个离子层，称为电位离子层，其中的离子称为电位离子。由于静电引力的作用，在带电的胶核周围又吸附一层符号与电位离子相反的离子层，称为反离子层，其中的离子称为反离子。这样，胶核表面吸附了两层电荷符号相反的离子层，形成了胶体的双电层。
39、,胶体的结构如右图所示。构成胶体粒子的基本物质称为胶粒，胶粒与固定层称为胶核，胶核与扩散层称为胶团。反离子层中的离子实际上是水化离子，即离子周围吸引着极性的水分子。因此，反离子层又称为结合水化膜。,反离子层中接近黏粒的离子由于受黏粒静电吸引强烈而不能自由运动，这部分离子构成固定层；固定层以外的离子除受静电引力作用外，还受分子热运动的影响，具有自由扩散的趋势，这部分离子构成扩散层。扩散层中的离子可以进入水溶液中，水溶液中的离子也可以进入扩散层，达到相互平衡。,扩散层的厚度对黏性土的工程性质有直接的影响。当水膜厚度增大时，颗粒间距也增大，颗粒间的连接强度减小，颗粒相对活动性强，土可具有塑性，土的体
40、积会膨胀，黏性土的抗变形能力小，强度低；当水膜厚度减小时，粒间距减小，颗粒连接增强，土可呈固态，土的抗变形能力增强，强度增高。,3、影响黏粒扩散层厚度的因素扩散层的厚度决定黏性土很多重要的特性如集聚稳定性、膨胀性、收缩性、塑性、压缩性等。扩散那层厚度与颗粒的矿物成分、颗粒形状和大小的影响，还与介质的化学成分、浓度及PH值等有关。,1）矿物成分及其分散程度不同矿物成分，同晶置换程度不同，带电的数量不同。蒙脱石的同晶置换程度较高，永久电荷数量较大；高岭石的同晶置换基本不存在，永久电荷数量极少；伊利石的同晶置换最多，但由于K+的中和，剩余的永久电荷较少。分散程度越高，比表面积越大，吸附能力越强。因此
41、，蒙脱石比高岭石和伊利石具有更高的动电电位和更强的水化能力（吸附水分子）。,2）溶液的化学成分及其浓度扩散层厚度主要取决于介质溶液中离子的类型、浓度及其离子价。溶液中可被选择性吸附的离子浓度越大，扩散层越厚。溶液中反离子的浓度越大，使扩散层厚度压缩，更多的阳离子进入固定层。反离子的价数越高，离子与电位离子之间的静电引力越强，从而使扩散层厚度变薄。,3）溶液的PH值溶液PH值能改变黏土颗粒的电荷数量，从而影响扩散层的厚度。扩散层的厚度随PH值的升高而增大。在干旱、半干旱地区，空隙溶液多呈碱性，而土中的黏粒多为蒙脱石、伊利石及易溶盐，可形成较厚的扩散层，且扩散层中常含Na+，也可使扩散层厚度增大。
42、因此，这些地区的土遇水后易分散崩解，土的工程特性较差。在湿热地区，土中黏粒主要为高岭石和游离氧化物，土溶液常呈酸性，因而有的颗粒表面带正电荷，有的颗粒带负电荷，使粒间连接增强；同时在带负电荷颗粒表面的扩散层中含有H+、Al3+等离子，而带正电荷颗粒表面的扩散层中含有OH-离子，它们都可使扩散层厚度变薄，土粒连接较牢固。因此，在湿热地区土的工程性质相对较好。,4、黏性土的胶体化学特性及其工程意义 黏性土的胶体化学特性主要有：水化膜离子交换电场作用下的电动现象凝聚与分散触变与陈化黏性土的胶体化学特性使黏性土具有其它土所没有的复杂多变的工程性质。在实践中，黏性土胶体特性不仅是分析、预测及改善土的工程
43、性质的理论基础，而且常利用胶体特性解决一些实际工程问题。,1）颗粒表面水化膜黏性土与其他土不同，含有相当数量的结合水，在颗粒周围形成一层结合水化膜。水化膜中的水分子与自由水不同，具有一定的粘滞性，越靠近颗粒表面，水分子排列越紧密，粘滞性越大，弹性与抗压强度也越大；远离颗粒的水分子越相分离，粘滞性与强度越弱。水化膜的厚度主要取决于结合水的多少。弱结合水越多，水化膜厚度越厚，粘滞性和强度越低，颗粒间越易活动。因此，黏性土的强度与变形，取决于土中水化膜的厚薄。扩散层中结合水具有活动性造成黏性土的可塑性，水化膜厚度的增减引起黏性土的膨胀性和收缩性。相邻黏粒的水化膜可以部分重合，形成公共水化膜，是黏粒相
44、互连接的一种方式，其连接强度取决于水化膜的厚度（与土的含水率有关）。,2）离子交换（1）离子交换的概念黏粒表面扩散层中的离子与空隙溶液中的离子发生交换，被吸附的离子进入溶液、而溶液中的离子进入扩散层，这种现象称为离子交换（下图）。对黏性土来说，多数为阳离子交换。参与交换的离子称为交换离子。,土的离子交换特性可用离子交换容量来表示。离子交换容量是指在一定的条件下，土中具有交换能力的离子总数。通常用每100g干土中具有交换性离子的毫摩尔数表示。土的交换容量是一个可变的量，其大小取决于颗粒大小、形状、矿物成分以及溶液的性质。离子交换容量测定：在土中进行离子交换测定时，必须反复添加所需溶液，如测定土的
45、交换容量和交换阳离子成分时，通常采用饱和醋酸铵（NH4COOH）溶液与1g的土反复作用，直至交换后溶液中没有Ca2+为止。,（2）离子交换规律高价离子交换低价离子；同价离子中离子半径大的交换离子半径小的（H+除外）；浓度高的离子交换浓度低的离子；离子交换是可逆的，且服从质量守衡定律。在分布最广的阳离子中，交换能力遵循的次序为：Fe3+Al3+H+Ba2+Ca2+Mg2+HN4+K+Na+Li+,（3）天然土中常见的交换阳离子成分天然土中常见阳离子的成分取决于空隙溶液的成分。常见的为Ca2+、Mg2+、K+、Na+、H+等，以Ca2+最为常见。土中交换离子成分常与土的成因类型及沉积环境有关：在淡
46、水沉积的土中，除含Ca2+外还可含H+；在由岩浆岩风化产物形成的冲积黏土中，交换阳离子含有一定量的Mg2+；在现代海相沉积物中，交换阳离子Na+广泛分布。,在湿热地区，经过长期溶滤的土中往往含较多的交换离子H+。当土中含有H+时称为“非饱和土”。我国南方的酸性土往往是非饱和土，其交换离子总量小于交换容量。在干旱半干旱地区，由于土面蒸发强烈，地下水中的盐类通过毛细作用在表土层中积累，形成盐碱土，富含Na+，潮湿时由于Na+可使扩散层增厚而导致土层泥泞不堪。含有不同交换离子的土具有不同的物理力学性质。含Na+黏性土的膨胀性、收缩性、塑性和压缩性较含Ca2+黏性土大，而抗剪强度、透水性前者较后者小。
47、如含交换Na+高的土易发生管涌，这是因为水化膜增厚使土粒间连接力减小。通常黏性土中Na+含量占总交换容量的15%时，土将有严重的管涌能力。,（4）离子交换的工程意义由于土中离子交换能引起双电层离子成分的变化，引起扩散层厚度的变化，改变土的分散程度和结构特征，从而改变土的工程性质。因此，可以利用离子交换来改变土的物理力学性质，从而达到土体改良的目的。如加固地基强度的电动硅化法，就是利用Al3+去交换土中的Ca2+、Na+等离子，使土粒水化膜厚度变薄，增强颗粒之间的连接，从而提高土体强度。了解离子交换还可预测由于工程建筑影响自然条件改变而引起的土的物理力学性质的改变，从而在工程建筑中提出适当的预防
48、措施。,3）黏性土的电动现象黏性土中的水分子及水化阳离子在电场的作用下能穿过黏性土的空隙向负极运动的现象称为电渗；而黏粒在电场的作用下能向正电极的运动的现象称为电泳。电渗和电泳总称为电动现象。这个现象早在1809年由莫斯科大学的列依斯教授经实验发现的。电动现象说明黏粒是带负电的。,通电后，阳极水管中水自下而上逐渐混浊，水位下降；阴极水管中水保持清澈，水位上升。若将电极直接插入黏土块中，通电后，阳极周围土逐渐变干，阴极周围土变得更湿。,黏性土的电动现象在工程上的应用：电渗排水一些淤泥质软土及黏土类土，由于渗透系数过小，无法用水泵进行基坑排水，这时可沿基坑四周设置管井作为集水阴极，用废铁管作为阳极
49、打入基坑土中，通上直流电，即形成电渗排水。电渗沉桩利用正在下沉的桩作为阴极，使流向阴极的水降低桩的摩擦力，以提高施工效率。缩短黏性土的固结时间通过电渗排水，还可使水从黏性土中尽快排出，以缩短黏性土的固结时间，加快黏性土的强度增长。,4）凝聚和分散作用颗粒之间相互结合称为凝聚作用；颗粒之间相互分离称为分散作用。黏粒的凝聚与分散作用都是由于扩散层厚度变化造成的。扩散层厚度变薄，颗粒相互靠拢，产生凝聚；扩散层厚度变厚，颗粒分离，产生胶溶。凝聚的动力主要是分子引力，有时是静电引力。静电引力凝聚主要是电性不同的胶粒在静电引力作用下的凝聚，如酸性条件下，黏土矿物基面与断口带异号电荷，形成不同性质的双电层，
50、发生异电作用凝聚，结果使黏粒边面结合。,凝聚在自然条件下可有电解质凝聚和干燥凝聚两种方式。电解质凝聚是通过离子交换使扩散层变薄产生的凝聚。干燥凝聚则是土中水分蒸发导致介质中离子浓度提高，使扩散层变薄引起。凝聚作用的结果使黏粒一般以集聚体的形式存在，降低了土的分散程度。凝聚作用可使黏性土的强度提高，压缩性降低，从而改良了土的工程性质。滨海相黏土的形成就是凝聚作用的结果。,分散作用与凝聚作用正相反。对分子作用凝聚的必须加大扩散层的厚度以增大离子静电引力及水化膜楔入压力使颗粒分散。干燥凝聚的集聚体只要增加水分就可降低介质离子浓度，使扩散层厚度变厚，颗粒分散。电解质凝聚的集聚体通过离子交换使扩散层变厚
