節(jié)土的形成與物質組成一、土的形成

“土”一詞在不同的學科領域有其不同的涵義。就土木工程領域而言，土是指覆蓋在地表的沒有膠結或弱膠結的顆粒堆積物。土與巖石的區(qū)分僅在于顆粒間膠結的強弱。

物理風化——指巖石經受風、霜、雨、雪的侵蝕，溫度、濕度的變化、不均勻膨脹與收縮，使巖石產生裂隙，崩解為碎塊。這種風化僅改變顆粒大小與形狀，不改變原來礦物成分。生成的土呈松散狀態(tài)，無粘性土?；瘜W風化——指巖石碎屑與空氣、水和各種水溶液相接觸，經氧化、碳化和水化作用，改變原來礦物成分，形成新的礦物（次生礦物）。生成的土為細粒土，粘性土。生物風化——由動物、植物和人類對巖體的破壞。

章土的物質組成與結構構造1土的物質組成與結構構造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!巖石物理風化化學風化土原生礦物次生礦物顆粒通常是由一種或幾種原生礦物所組成，它的成分與母巖的相同，顆粒一般較粗，吸附水的能力弱，性質比較穩(wěn)，無塑性?；瘜W風化僅使巖石產生質的變化物理風化僅使巖石產生量的變化原生礦物經化學風化生成的新礦物，它的成分與母巖的完全不同。顆粒極細，性質活潑，有較強的吸附水能力，具塑性。土粒的粒徑由粗到細逐漸變化時，土的性質相應地發(fā)生變化土粒的大小及其組成粘土顆粒性質2土的物質組成與結構構造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁!3土的物質組成與結構構造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁!二、土的物質組成4土的物質組成與結構構造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁!5土的物質組成與結構構造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁!二級配曲線

據(jù)顆粒分析試驗結果，繪制土的粒徑級配曲線。用半對數(shù)坐標繪制。縱坐標表示小于某粒徑的土重占總土重的百分數(shù)，橫坐標用對數(shù)坐標表示土的粒徑。6土的物質組成與結構構造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!

●不均勻系數(shù)Cｕ反映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、其級配越良好，作為填方工程的土料時，則比較容易獲得較大的密實度。●曲率系數(shù)Cc描寫累積曲線的分布范圍，反映曲線的整體形狀。曲線平緩，粒徑大小相差懸殊，土粒不均勻。顆粒級配可以在一定程度上反映土的某些性質。

對于級配良好（Cｕ>5，且Cc=1-3)的土，較粗顆粒間的孔隙被較細的顆粒所填充，因而土的密實度較好，相應的地基土的強度和穩(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工程的填方土料。7土的物質組成與結構構造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!原生礦物的主要特點是：

顆粒粗大，物理、化學性質比較穩(wěn)定，抗水性和抗風化能力較強，親水性弱或較弱。它們對土的工程性質的影響比其它幾種礦物要小得多，主要差別表現(xiàn)在顆粒形狀、堅硬程度和抗風化穩(wěn)定性等幾方面。

例如，分別由石英和云母類礦物組成的土，盡管土的粒度成分和密實度相同。但由于石英的堅硬程度、抗風化能力遠大于云母，故主要由石英顆粒組成的土，其強度將遠大于由云母顆粒組成（或含云母較多）的土，其變形相應也小得多。8土的物質組成與結構構造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!（1）游離氧化物這是由三價的Fe、Al，二價的Si和O、OH、H2O等組成的礦物，如針鐵礦（Fe2O3·H2O）、褐鐵礦（Fe2O3·3H2O）、三水鋁石（Al2O3·2H2O）、二氧化硅（SiO2·nH2O）等。

（2）粘土礦物粘土礦物是原生礦物長石、云母等硅酸鹽礦物經化學風化形成的，硅酸鹽礦物由兩部分構成，即硅氧四面體和鋁氫氧八面體。9土的物質組成與結構構造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!鋁氫氧八面體：

由六個氫氧離子圍繞一個鋁離子構成的八面體晶片（圖2-3a）。由八面體組合的網(wǎng)片中每個氫氧離子均為三個相鄰的八面體共有，許多八面體以這種方式連結在一起，形成八面體單位的片狀結構（圖2-3b）。鋁為正三價，氫氧為負一價，每個八面體只能以兩個負電荷抵消鋁離子的兩個正電荷，還剩下一個正電荷，故每個八面體都是正一價的。10土的物質組成與結構構造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁!

硅氧四面體和鋁氫氧八面體這兩種基本單元以不同的比例組合，就形成了不同類型的粘土礦物。

土中常見的粘土礦物有高嶺石、伊利石、蒙脫石三大類。11土的物質組成與結構構造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!高嶺石的微結構形貌特征12土的物質組成與結構構造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁!這種連結既弱也不穩(wěn)固，水分子很容易楔入其間，以致將其分散為極細小的鱗片狀顆粒，并使晶格沿垂直方向膨脹。故含蒙脫石礦物較多的土對環(huán)境的干濕變化比較敏感：土體濕度增高時，體積膨脹并形成膨脹壓力；土體失水時，體積收縮并產生收縮裂隙。而且這種脹縮變形可隨環(huán)境變化往復發(fā)生，導致土的強度衰減。13土的物質組成與結構構造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!c.伊利石：伊利石是含鉀量高的原生礦物經化學風化的初期產物，其晶格構造與蒙脫石相似，也是兩片硅氧四面體夾鋁氧八面體構成，不同的是四面體中Si4+被Al3+所替代，由K+離子補償晶層正電荷的不足。伊利石相鄰晶胞間由鉀離子連結，這種連結較之高嶺石層間的氫鍵連結為弱，但比蒙脫石層間的水分子連結要強，所以它形成的片狀顆粒大小處于蒙脫石和高嶺石之間，其工程性質也介于兩者之間。14土的物質組成與結構構造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!（三）有機質工程上俗稱的軟土（包括淤泥和淤泥質土）及泥炭土中富含有機質。

土中的有機質是動、植物殘骸和微生物以及它們的各種分解和合成產物。通常把分解不完全的動、植物殘骸稱為泥炭，其主要成分是纖維素；把分解完全的動、植物殘骸稱為腐殖質。有機質對土的工程性質的影響主要取決于其齡期、分解程度，即取決于有機質的數(shù)量及性質。

從工程觀點看，有機質（特別是分解完全的腐殖質）會導致土的塑性增強，壓縮性增高，滲透性減小，強度降低。

一般地，土中有機質含量超過1%時，采用堆載預壓和水泥土攪拌進行處理不會取得明顯改良效果。

15土的物質組成與結構構造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁!16土的物質組成與結構構造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁!2.自由水(非結合水)

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，土粒表面吸引力居次要地位，這部分水稱為非結合水，它包括毛細水和重力水。(1)毛細水

毛細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)象是毛細管壁對水的吸力和水的表面張力共同作用的結果。(2)重力水

重力水是存在于地下水位以下的透水土層中的地下水。它是在重力或壓力差作用下運動的自由水，對土粒有浮力作用。重力水只受重力控制，不受土粒表面吸引力的影響。17土的物質組成與結構構造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁!第四節(jié)

土的結構和構造一土的結構1.定義：

指土顆粒的大小、形狀、表面特征，相互排列及其聯(lián)結關系的綜合特征。2.分類：單粒結構砂層，礫石層土的結構蜂窩結構粉粒絮狀結構粘粒

18土的物質組成與結構構造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁!第二節(jié)土的粒度成分一土的顆粒級配

1.土顆粒的大小直接決定土的性質.

2.粒徑——顆粒直徑大小.

3.界限粒徑——劃分粒組的分界尺寸。

4.粒組——將粒徑大小接近、礦物成分和性質相似的土粒歸并為一個組別即稱為粒組?？蓜澐郑?002020.050.005mm漂石卵石礫石砂粒粉粒粘粒

19土的物質組成與結構構造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁!5.顆粒級配——土粒的大小及組成情況，通常以土中各個粒組的相對含量來表示，稱為土的顆粒級配。●級配的測試方法：—篩析法（>0.075mm),比重計法(<0.075mm)20土的物質組成與結構構造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁!①不均勻系數(shù)定義為（Cu）

②曲率系數(shù)定義為（Cc）

式中：d60—限定粒徑。當小于某粒徑的土粒質量累計百分數(shù)為60%時，相應的粒徑稱為d60。d10—有效粒徑。當小于某粒徑的土粒質量累計百分數(shù)為10%時，相應的粒徑稱為d10。d30—當小于某粒徑的土粒質量累計百分數(shù)為30%時的粒徑用d30表示。21土的物質組成與結構構造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁!第三節(jié)土的礦物成分和化學成分一土的礦物成分

土中的固體顆粒是由礦物構成的。按其成因和成分可分為原生礦物、次生礦物、有機質等。（一）原生礦物

土中的原生礦物是巖石風化過程中的產物，保持了母巖的礦物成分和晶體結構，常見的如石英、長石、角閃石、云母等。這些礦物是組成土中卵石、礫石、砂粒和某些粉粒的主要成分。22土的物質組成與結構構造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁!（二）次生礦物

母巖風化后及在風化搬運過程中，如果原來的礦物因氧化、水化及水解、溶解等化學風化作用而進一步分解，就會形成一種新礦物，這就是次生礦物，其顆粒比原生礦物細小得多。自然界土體中常見次生礦物又分為兩種類型:可溶性次生礦物,通常以離子狀態(tài)存在于土的孔隙溶液中。陽離子有K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe2+等，陰離子有C1-、SO42+、HCO3-、S2-等。

不可溶性次生礦物,包括游離氧化物和粘土礦物。

23土的物質組成與結構構造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁!硅氧四面體：

由一個硅原子和四個氧原子以相等距離堆成四面體形狀，硅居其中央，氧占據(jù)四個頂點（圖2-2a）。四面體中的三個氧被共用，橫向連結成六角形的網(wǎng)格（圖2-2b）。四面體的底在一個平面上，所有尖端指向同一方向。每個硅原子有四個正電荷，每個氧原子有兩個負電荷，這樣四面體排列成的六角網(wǎng)格片狀結構中，每個硅氧四面體都具有一個負電荷。24土的物質組成與結構構造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第24頁!25土的物質組成與結構構造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第25頁!a.高嶺石：一層硅氧四面體晶片和一層鋁氧八面體晶片結合，形成一個單位晶胞，如圖1-2b。由于每個硅氧四面體具有一個負電荷，每個鋁氧八面體帶有一個正電荷，使兩者以離子鍵（氫鍵）形成牢固連結，形成一個單位晶胞。高嶺石的構造就是這種晶胞在水平面上無限延伸，沿垂直方向相互重疊而成。高嶺石晶胞間具有較強的氫鍵連結，水較難滲入其間，其顆粒一般較粗，親水性弱，因而主要由這類礦物組成的土，膨脹性和壓縮性都較低。26土的物質組成與結構構造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第26頁!b.蒙脫石：

蒙脫石單位晶胞的上下面均為硅氧四面體晶片，中間夾一個鋁氧八面體晶片，如圖1-2a。蒙脫石的構造就是許多上述晶胞在水平面上延伸，并順著垂直方向一層層疊置而成的。由于晶胞兩邊都為帶負電荷的硅氧四面體，相鄰晶胞間由相同的氧原子相接。27土的物質組成與結構構造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第27頁!蒙脫石的微結構形貌特征28土的物質組成與結構構造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第28頁!伊利石的微結構形貌特征29土的物質組成與結構構造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第29頁!第三節(jié)土中的水和氣體一土中的水

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)、液態(tài)、氣態(tài)。

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合水、毛細水、重力水。后兩者也稱為非結合水（自由水）。30土的物質組成與結構構造共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第30頁!1．結合水

土顆粒表面帶有一定的電荷，當土粒與水相接觸時，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合水。雙電層的厚薄也反映了結合水的厚薄，結合水具有與一般自由水不同的性質，其密度較大、粘滯度高、流動性差、冰點低、比熱較大、介電常數(shù)較低。這種差異隨距離增加而減弱。

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