1、土質(zhì)學(xué)基礎(chǔ),一、土的來源與物質(zhì)組成,1 土的來源 土是母巖經(jīng)過風(fēng)化作用、搬運(yùn)作用、沉積作用形成的松散堆積物質(zhì)。因此，土是由巖石風(fēng)化而來的。 另一方面：沉積巖是土經(jīng)過成巖作用形成的巖石，因此，土和巖石實際上是互為物質(zhì)來源，在地質(zhì)歷史時期是相互轉(zhuǎn)化的。,巖土循環(huán)過程示意圖,火山爆發(fā)的熔巖流,火山爆發(fā)場景,冰島火山爆發(fā)照片,花崗巖風(fēng)化作用,臺 灣 野 柳 風(fēng) 景 區(qū),女 王 頭 石,風(fēng)力侵蝕：海蝕風(fēng),風(fēng)力侵蝕作用： 風(fēng)蝕城堡、風(fēng)蝕柱、 風(fēng)蝕蘑菇、風(fēng)蝕洼地,戈壁灘,流水的侵蝕作用,V形谷流水侵蝕作用,怒江大峽谷,崎嶇不平的云貴高原,南方紅壤水土流失造成紅色沙漠,瀑 布,河流溝谷、峽谷,侵蝕形成的石山地

2、貌,角峰冰川的侵蝕作用,U形谷 冰川侵蝕作用形成,峽灣 冰川侵蝕作用,海 浪 侵 蝕 作 用,成土作用,冰川堆積,風(fēng)沙堆積作用漫天黃沙的塔克拉瑪干沙漠,新月型沙丘風(fēng)力堆積作用形成,帶有大量沙粒的氣流，如果遇到灌叢或石塊，風(fēng)沙受阻堆積下來，就形成沙丘。如果沒有植被的滯阻，沙丘在風(fēng)力作用下則成為流動沙丘，它會淹沒農(nóng)田村舍，破壞交通。,風(fēng)力堆積作用,戈壁 沙漠 黃土,黃土高原,流水沉積,山區(qū)洪積扇,河流中的沉積和沖刷階地（渭河流域）,2 土中礦物,（1）原生礦物：母巖中的礦物未經(jīng)改變留在土體中 的礦物叫原生礦物。主要是性質(zhì)穩(wěn)定的石英、長石、云母 （2）次生礦物：土壤形成過程中以及土壤形成以后生成的新

3、的無機(jī)礦物。傳統(tǒng)指次生粘土礦物：高嶺石、伊利石、蒙脫石。 （3）水溶鹽：存在于土壤孔隙水中的可溶性鹽。 （4）有機(jī)質(zhì)：存在于土壤中的動植物分解的殘骸，徹底分解的有機(jī)質(zhì)稱為腐殖質(zhì)。 （5）次生氧化物和難容鹽：存在于土顆粒間起膠結(jié)作用的物質(zhì)，使土的性質(zhì)隨時間變化。,3 按照土堆積的地點與母巖的關(guān)系分類,（1）殘積土：母巖風(fēng)化后未經(jīng)搬運(yùn)而與母巖處于同一地點的土叫殘積土 （2）坡積土：母巖風(fēng)化后經(jīng)過重力短距離搬運(yùn)的土 （3）運(yùn)積土：巖石風(fēng)化后經(jīng)過搬運(yùn)作用而存在于與母巖有一定距離的土。 運(yùn)積土按照搬運(yùn)力不同分： 1）洪積土；2）冰漬土；3）沖積土；4）風(fēng)積土,4 按照土的沉積環(huán)境分類,（1）殘積土 （2

4、）動水沉積土：坡積土，洪積土，沖擊土 （3）靜水沉積土：湖相沉積土，海相沉積土 （4）風(fēng)積土 （5）冰漬土,5 土的三相系,土與一般固體物質(zhì)性質(zhì)有極大的不同，就是因為組成土體是三相系，三相之間的相互作用和三相比例的變化及各相的物質(zhì)組成變化是土的性質(zhì)變化的內(nèi)因。 土的三相：指土礦物顆粒組成的固相，土孔隙中的水組成的液相和土孔隙中的氣體組成的氣相。 土質(zhì)學(xué)主要集中研究土的三相組成對土性質(zhì)影響最顯著的粘性土的物理力學(xué)性質(zhì)。實際上即使是純的砂土，土的三相比例變化也對其性質(zhì)具有極大的影響。,二、 晶體粘土礦物結(jié)構(gòu),1. 粘土礦物的基本特性 土壤中的晶體粘土礦物是母巖在經(jīng)受化學(xué)風(fēng)化而成土過程中形成的層狀硅

5、酸鹽晶體礦物。 晶體粘土礦物常呈薄片狀、板條狀、管狀、纖維狀等形態(tài)，厚度在1/101/1000m量級，長度和寬度一般在幾微米以內(nèi)。 粘土礦物內(nèi)部電荷經(jīng)常處于不平衡狀態(tài)，因此表面可陽離子和水分子，在水中能分散成膠體懸浮狀態(tài)。 由于粘土礦物具有可塑性、粘結(jié)性、膨脹性、陽離子交換與吸附特性等特殊性質(zhì)，是土壤中最活躍的成分之一，因此成為土質(zhì)學(xué)的主要研究對象。,膨脹土放大2000倍后的片狀礦物圖像,膨脹土放大10,000后的圖片，顯示片狀、板狀礦物,2 硅酸鹽和層狀硅酸鹽,地球上硅酸鹽礦物約占自然界已知礦物種類的1/3，占巖石圈重量的80%90%，是主要的造巖礦物。 硅酸鹽是由硅酸陰離子和各種金屬陽離子

6、組成的鹽類，其骨干是硅離子和氧離子。 層狀硅酸鹽通常是由SiO四面積層和AlOH八面體層組成。由硅氧配位組成的四面體SiO44-是最穩(wěn)定的基本結(jié)構(gòu)單元，硅氧四面體可以呈孤立的島狀形式，也可以通過公用氧離子相互連接成其它形狀：環(huán)狀、鏈狀、層狀等。 層狀硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)中，除了層狀硅氧四面體層外，還有AlOH八面體層與硅氧四面體層共同形成粘土礦物晶胞。,3 層狀硅酸鹽粘土礦物晶體結(jié)構(gòu),（1）基本晶片 組成晶體最基本的單元叫晶片，粘土礦物最基本的晶片通常由SiO四面積層和AlOH八面體層組成。 SiO四面積層由硅氧四面體公用氧離子展布而成； AlOH八面體層由AlOH八面體公用OH離子展布而成。,Al

7、OH八面體、八面體層和符號,SiO四面體、四面體層排列和符號,2. 晶片的組合 粘土礦物晶體通常有四面體片和八面體片組合形成層狀硅酸鹽的晶層。粘土礦物晶體的晶胞按照兩種晶片的配合比例分為1:1和2:1兩大類型。,1:1型晶胞,2:1型晶胞,3 典型粘土礦物晶體結(jié)構(gòu),高嶺石的晶體結(jié)構(gòu)，典型的高嶺石晶體由70100層晶胞組成,蒙脫石的晶體結(jié)構(gòu)，典型的蒙脫石晶體由幾層十幾層晶胞組成,K+,K+,K+,伊利石的晶體結(jié)構(gòu)，典型的伊利石晶體由十幾幾十層晶胞組成,4 層狀硅酸鹽的礦物分類,前面介紹的幾種礦物是土體中最常見的粘土礦物。實際上層狀硅酸鹽類礦物還有幾十種。層狀硅酸鹽礦物分類首先按照組成礦物的兩種晶

8、片比例不同分成1:1的二片型硅酸鹽和2:1的三片型硅酸鹽兩大類。然后按照晶層間的電荷數(shù)分類，再將八面體片中通過同型替代而生成的不同陽離子成分將其分成亞類，最后根據(jù)具體礦物成分劃分到種。 當(dāng)層間電荷為0時，沒有額外的層間陽離子，這時礦物只有較好的解理而缺乏膨脹性；當(dāng)層間電荷為0.25-0.6時,遇水膨脹失水收縮；當(dāng)層間電荷為0.6-0.9時，層間化學(xué)鍵增強(qiáng)遇水膨脹有限；當(dāng)層間電荷為1以上時，沒有膨脹性。,層狀硅酸鹽礦物分類,5.典型粘土礦物的基本物理力學(xué)性質(zhì),（1）高嶺石的理論結(jié)構(gòu)式為：Al4Si4O10(OH)8，不含層間水，但常含有石英、云母、長石、蒙脫石等雜質(zhì)。晶胞厚度7.2A，晶體由70

9、100層晶胞組成。比重2.582.61，塑性指數(shù)1725，殘余內(nèi)摩擦角100130，水穩(wěn)定性好。 （2）伊利石的理論結(jié)構(gòu)式為：KAl2(AlSi3O10)(OH)2nH2O,典型的伊利石含K2O 6.3%，陽離子交換量大約在1040毫克當(dāng)量/100g，具有一定的吸水膨脹特性，晶胞厚度10A，比重2.63.0，殘余內(nèi)摩擦角90110。 （3）蒙脫石的理論結(jié)構(gòu)式為：Al2Si4O10(OH)2nH2O,陽離子交換量大約在70130毫克當(dāng)量/100g，具有一定的吸水膨脹特性，晶胞厚度12A19A，比重2.22.7，塑性指數(shù)100650，殘余內(nèi)摩擦角40100,三、土壤中的氧化物,土壤中的粘粒礦物組成

10、，除了層狀硅酸鹽晶體礦物外，還有鐵、錳、鋁、鈦、硅等氧化物及其水合物。雖然氧化物礦物在絕大多數(shù)土壤中數(shù)量上是次要成分，但它們所取的作用都是不能忽視的。 土壤中的粘粒含量極其礦物組成是成土過程的產(chǎn)物，也是成土條件的反映。由于土壤中粘粒氧化物既有晶體狀態(tài)，也有非晶體狀態(tài)，還經(jīng)常與粘土礦物膠結(jié)在一起，因此其分離困難，造成研究程度弱。,1 土中粘粒氧化物的存在狀態(tài) 土中粘粒氧化物在成土過程中總是處于非晶質(zhì)到晶質(zhì)的老化過程中，在有機(jī)物作用下可以由晶質(zhì)到非晶質(zhì)方向活化。 非晶質(zhì)的氧化物膠體常稱作無定形物質(zhì)，比表面積很大，如無定形Fe(OH)3為303m2/g, Al(OH)3達(dá)到441m2/g。 土壤中的

11、氧化物以單粒、凝膠、氫氧聚合物等形式存在。還經(jīng)常與層狀硅酸鹽礦物相結(jié)合，使粘土礦物的負(fù)電荷數(shù)量下降，陽離子交換量降低，土粒間連接增強(qiáng)。 土壤中的氧化物還可參與次生粘土礦物的生成，如Fe2O3和Al2O3共存時，在一定條件下能生成蒙脫石。,2 主要粘粒氧化物的性質(zhì) (1) 氧化鐵 土壤中的氧化鐵顆粒可以在粘粒范圍，也可以更大。一般土壤中，鐵氧化物含量可達(dá)到土壤總重的4%25%。主要特點： 1）大多數(shù)情況下是含量最高的氧化物，活動性也高，環(huán)境條件稍微變化都會對鐵氧化物形態(tài)和性質(zhì)發(fā)生影響； 2）氧化鐵在土壤團(tuán)聚體形成過程中起到重要膠結(jié)作用，要分析粘粒的膠體性質(zhì)通常要經(jīng)過去鐵處理； 3）由氧化鐵膠結(jié)的

12、土壤通常滲透性低、孔隙小，孔隙率低，土壤脫水后易形成結(jié)核和硬殼，造成土壤板結(jié)。我國紅壤是含鐵高的典型土壤。,（2）氧化硅 在大多數(shù)土壤中，硅是氧之后的最豐富元素。其形態(tài)從氧化硅直到復(fù)雜的硅酸鹽。次生氧化硅可呈膠體形式出現(xiàn)，如蛋白石；也可呈隱晶和微晶結(jié)構(gòu)，如方英石、磷英石、次生石英等。 氧化硅凝膠是一種活性很高的吸附劑，具有很大的表面積和孔隙率，在pH3.5時帶負(fù)電荷，在成土過程中形成一種活性表面。 由于氧化硅凝膠的膠結(jié)作用，使土壤孔隙率增大，脆性增加。,（3）氧化鋁 土壤中的各種游離鋁構(gòu)成不同形態(tài)的轉(zhuǎn)化序列，在土壤形成過程中從離子態(tài)無定形態(tài)晶質(zhì)態(tài)的老化過程中。土壤中的鋁與氧形成六配位化合物，為

13、次生粘土礦物形成提供鋁氧片，鋁還可以與Si-O四面體中的Si發(fā)生同晶置換，成為次生粘土礦物的一部分。 土壤中的活性鋁含量與土壤風(fēng)化成都相關(guān)，風(fēng)化程度越高，交換型鋁含量越低，鋁從水溶性羥基鋁可交換的氧化鋁凝膠三水鋁石八面體鋁氧片方向轉(zhuǎn)變。,3 氧化物的功能,（1）氧化物的巨大表面使其具有較大活性,（2）氧化物的膠結(jié)作用使粘土顆粒聚集 （3）氧化物膠體的兩性離解可使其帶正電，與帶負(fù)電的粘土顆粒發(fā)生反應(yīng)而降低粘土礦物的陽離子交換量 （4）氧化鋁吸附氧化硅膠體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)成為粘土礦物顆粒,四、粘土礦物鑒定,粘土礦物鑒定的方法有很多，但到目前為止，還沒有一種方法能夠比較準(zhǔn)確確定各種粘土中的粘土礦物的含量

14、。由于天然粘土中往往存在多種粘土礦物，常需要幾種方法綜合分析，才能比較準(zhǔn)確鑒定土中存在的礦物種類。 1 差熱分析法 是粘土礦物鑒定的最常用方法，利用不同晶體在加熱過程中發(fā)生相變而吸熱或放熱的原理來鑒定粘土礦物。,高嶺石,水化埃洛石,蒙脫石,伊利石,蛭石,2 X射線衍射分析,X射線衍射分析是研究晶體構(gòu)造和鑒定晶體粘土礦物最常用的方法。原理是利用單色光通過晶體不同層面后產(chǎn)生反射線會存在相位差而出現(xiàn)干涉現(xiàn)象得到晶體參數(shù)。,3 化學(xué)分析法 化學(xué)分析是測定粘土的化學(xué)全量，常用氧化物含量表示，如SiO2、TiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO、MnO、CaO、K2O、Na2O、SO3、H2O等。然后采用

15、最優(yōu)擬合的方法，根據(jù)不同礦物分子式，推算它所包含的礦物種類和含量。但因為粘土中往往含多種礦物，這種推算的精度比較差。 4 其它方法 染色法、紅外光譜法、能譜法、電子顯微鏡法等,五、土壤中的有機(jī)質(zhì),1 概述 土壤中的有機(jī)質(zhì)存在是土區(qū)別于一般固體物質(zhì)的主要特性之一，有機(jī)質(zhì)是土壤固相物質(zhì)最易變化、性質(zhì)最不穩(wěn)定的組分，含有機(jī)質(zhì)的土壤力學(xué)性質(zhì)研究一直是土力學(xué)界關(guān)注的問題，也是目前為止研究最薄弱的領(lǐng)域。 土壤中的有機(jī)質(zhì)可分為兩大類： （1）非腐殖質(zhì)：化學(xué)成分與生物體相同的普通有機(jī)化合物，如低分子有機(jī)酸、單糖、氨基酸、蛋白質(zhì)、纖維、木質(zhì)素、脂蠟和色素等。 （2）腐殖質(zhì)：動植物遺體在土壤中發(fā)生化學(xué)變化后生成的

16、新的特殊化合物，到目前為止還不知道確切的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的物質(zhì)，如泥炭、底泥等,但是，土壤中的腐殖質(zhì)和非腐殖質(zhì)并無清楚的界限，沒有辦法將他們完全分別開來。這是由于：一方面他們在土壤中通過不同的力彼此結(jié)合在一起；另一方面，它們的某些組分還是相同的。 同時，土壤中的有機(jī)質(zhì)通過物理的或（和）化學(xué)的力與土的固體顆粒相結(jié)合，結(jié)合的牢固程度各不相同，有些結(jié)合得很牢固，以至于不改變其礦物成分就沒有辦法將其分離。 土壤中的有機(jī)物性質(zhì)在土壤中處于不斷變化中。如動物殘骸和植物殘體中的易分解部分在土壤中的半衰減期一般小于3個月（0.25年），它們不斷分解為CO2、H2O和各種中間物質(zhì)，并轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)和微生物。 土

17、壤中的腐殖質(zhì)仍然在不斷礦化和轉(zhuǎn)化為微生物，不過其分解速率比非腐殖質(zhì)慢得多。,2 土壤中有機(jī)無機(jī)復(fù)合體的數(shù)量,土壤中的腐殖質(zhì)不僅與粘土顆粒有相互作用，長期共存，并且有一部分腐殖質(zhì)與粘粒結(jié)合得非常緊密，構(gòu)成有機(jī)無機(jī)復(fù)合體，一般物理化學(xué)手段不能將其分離。 土壤中的有機(jī)無機(jī)復(fù)合現(xiàn)象不僅發(fā)生在粘粒晶體表面，還可以發(fā)生在晶層間。土壤中有機(jī)無機(jī)復(fù)合體的數(shù)量指有機(jī)物與無機(jī)物相互復(fù)合而構(gòu)成復(fù)合體的數(shù)量，而沒有復(fù)合的有機(jī)部分和無機(jī)部分不計在內(nèi)。 實驗上，將土壤中游離的有機(jī)質(zhì)用重液（H2O2)法除去后，量測土壤中有機(jī)無機(jī)復(fù)合體中的含C量占土壤總含C量的百分?jǐn)?shù)稱為有機(jī)無機(jī)復(fù)合度。表3測試結(jié)果表明土壤中大多數(shù)有機(jī)質(zhì)以有

18、機(jī)無機(jī)復(fù)合體形式存在。,表3 土壤中的總C含量和有機(jī)無機(jī)復(fù)合度,3 土壤有機(jī)無機(jī)復(fù)合的機(jī)理,土壤中有機(jī)化合物與粘粒的復(fù)合機(jī)理比較復(fù)雜，結(jié)合的方式很多，主要是通過庫倫引力和范德華力作用。 （1）庫侖引力：庫倫引力是正負(fù)電荷間的靜電吸引力，帶負(fù)電的粘土顆粒與帶正點的有機(jī)物膠體顆粒吸引在一起。 （2）范德華力：分子中的電子旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的振動偶極間的相互作用力。是大分子量的有機(jī)物與粘土顆粒結(jié)合的主要作用力。,4 土壤中有機(jī)無機(jī)復(fù)合體的性質(zhì),由前面的分析結(jié)果可見，土壤中的有機(jī)碳中50%90%是一有機(jī)無機(jī)復(fù)合體形態(tài)存在。有機(jī)膠體與無機(jī)土粒復(fù)合后，使土壤的穩(wěn)定性和表面性質(zhì)都發(fā)生變化。 （1）粘性土的微團(tuán)聚

19、體有兩種： 1）完全由無機(jī)膠體團(tuán)聚的原生微團(tuán)聚體； 2）由有機(jī)無機(jī)復(fù)合體團(tuán)聚的基本微團(tuán)聚體。 原生微團(tuán)聚體是由粘土顆粒經(jīng)范德華力或陽離子凝聚而成，團(tuán)聚體較密實，孔隙小，孔隙率低，滲透性低，抗剪強(qiáng)度較高，粒間連接較強(qiáng)。 原生微團(tuán)聚體中，水是定向顆粒間的結(jié)合鍵，粘粒間靠吸著水膜相互連接，當(dāng)含水率低時，吸著水膜變薄，連接增強(qiáng)，含水率增加，顆粒間連接減小，直至土粒呈流動性。,當(dāng)基本微粒團(tuán)聚體是有機(jī)無機(jī)復(fù)合體團(tuán)聚體時，有機(jī)膠體常覆蓋于無機(jī)粘?；蛘沉F(tuán)聚體外表，它有降低粘粒間內(nèi)聚力的作用。當(dāng)團(tuán)聚體表面基本都被活性有機(jī)物覆蓋，則相鄰顆粒或團(tuán)聚體間的內(nèi)聚力很小甚至為0，這時土壤將具有水穩(wěn)定性好、疏松多孔、內(nèi)聚

20、力小的特殊粘土。在水中不膨脹但易分解成單?；虮砻嬗杏袡C(jī)質(zhì)覆蓋的團(tuán)粒。如蒙脫石顆粒吸附蛋白質(zhì)后，憎水性提高，吸水性和膨脹性都降低。 如有一類粘土為分散土，其成因就是在土?；蛲翀F(tuán)外有憎水的有機(jī)膠粒覆蓋，遇水作用極易分散成單個的膠粒而漂浮于水中。 但是，若蛭石粘土顆粒外覆蓋丁基、丙基、戊基銨后，膨脹性將大增；小的烷基銨離子可由鈣蒙脫石中換出部分鈣離子，這時也會引起蒙脫石的膨脹性增加。 *可見：有機(jī)質(zhì)可能降低土的膨脹性，也可能增加土的膨脹性。,（2）有機(jī)無機(jī)復(fù)合體土壤的結(jié)構(gòu)性 土壤團(tuán)聚體中含有與之結(jié)合的有機(jī)質(zhì)后，將使土壤的粗孔隙增加，在孔隙中形成疏水性膠膜，從而阻止?jié)B透水流對土壤團(tuán)聚體的破壞作用，增強(qiáng)

21、土的滲透性和滲透穩(wěn)定性。,六、土壤中的水,1 概述 充填于土?？紫吨械乃蜌猓瑢ν恋男再|(zhì)影響很大。同時，這兩個組分更容易隨外界條件改變而變化。如大氣降水或干旱都使地下水位升降，土中水和氣的比例發(fā)生明顯的變化，即含水率和飽和度的變化，從而使土體的性質(zhì)和狀態(tài)發(fā)生變化。特別是土中水的水量和類型直接決定著土的性狀。,2 土中水的類型 自然界的土中水在氣溫影響下狀態(tài)發(fā)生變化，可以呈固態(tài)（冰）、液態(tài)和氣態(tài)（水蒸汽)存在。廣義而言，土顆粒礦物內(nèi)部的結(jié)晶水和層狀硅酸鹽中的OH-1離子也屬于水。各種形態(tài)的水在土中存在的位置和活動能力是不同的。有的在常溫常壓下即可以移動或轉(zhuǎn)化，有的需要在高溫或高壓下才能轉(zhuǎn)化和移動

22、。,按照土中水存在的狀態(tài)和所處位置將其分為如下主要類型： （1）固態(tài)水 1）礦物中的化學(xué)結(jié)合水：結(jié)構(gòu)水、結(jié)晶水、沸石水 2）土壤孔隙中的固態(tài)水：冰 （2）液態(tài)水 1）土粒表面的吸著水：強(qiáng)吸著水、弱吸著水 2）土壤孔隙中的非吸著水：毛細(xì)水、重力水 （3）氣態(tài)水 水蒸汽，因為在土壤中存在比例很低，經(jīng)?？梢院雎?。,3 土中水的特征,（1）礦物中的化學(xué)結(jié)合水 1）結(jié)構(gòu)水：以O(shè)H-或H+離子形式存在于礦物晶格的固定位置上，如粘土礦物中Al-OH八面體中的OH-就屬于這種類型的水，一般不呈水分子，只有加熱到45005000C時，這些離子才從晶格中析出而成水，同時礦物的化學(xué)成分發(fā)生變化。 2）結(jié)晶水：以水分

23、子的形式存在于礦物格的固定位置上，比例固定。如石膏：CaSO42H2O、蘇打NaCO310H2O等的水都是結(jié)晶水。結(jié)晶水在加熱到1500C 4000C即可析出。結(jié)晶水析出后礦物成分變化。,3）沸石水：以水分子形式存在于礦物相鄰晶胞之間的水，水量不固定，不影響礦物的晶格構(gòu)造，析出時也不改變礦物化學(xué)性質(zhì)，加熱到800C到1200C即可析出。如方解石、蒙脫石、伊利石晶胞間的水。 （2）土粒表面的吸著水 水分子由兩個H+及一個O-2構(gòu)成，整個水分子是中性的。由于水分子鍵角大約為1050，電荷分布不對稱而呈偶極分子。水中的陽離子吸引水分子的陰極而形成水化陽離子。,O2-,H+,H+,1050,H2O分子

24、,Na+,H2O,水化陽離子,粘土顆粒表面帶有一定的負(fù)電荷，當(dāng)土粒與水相接觸時，由于靜電作用力，將吸引水化陽離子和水分子，在土粒周圍形成一定厚度的水膜，這個水膜中的水主要受靜電引力作用，與一般的水的性質(zhì)有明顯區(qū)別，叫表面吸著水。 吸著水的主要性質(zhì)有： 1) 密度大1.21.4g/cm3,粘滯度高，流動性差，在小的水力梯度下不流動，不符合Darcy定律； 2) 比熱達(dá)1.1cal/g，介電常數(shù)低于正常水，冰點低于00C; 3) 粘土顆粒間通過共用吸著水膜連接，使粘土具有粘性、可塑性； 4) 在壓力作用下，吸著水膜緩慢變薄，使粘土具有流變性； 5) 根據(jù)吸著水所受靜電引力的強(qiáng)弱可分為強(qiáng)吸著水和弱吸

25、著水。,（3）土壤孔隙中的毛細(xì)水 毛細(xì)水是受毛細(xì)管作用和重力作用共同控制其運(yùn)動的水。我們可以把土的孔隙看作連續(xù)的變截面毛細(xì)管。 將毛細(xì)管放在水中，管中的水位會上升到一定的高度，毛細(xì)管的直徑越細(xì)，管內(nèi)水位上升的越高，這種使管內(nèi)水位上升的力叫毛細(xì)吸力。,毛細(xì)管示意圖,在常溫常壓下均勻的毛細(xì)管中水的毛細(xì)上升高度hc與毛細(xì)管半徑r有如下關(guān)系： 當(dāng)r=0.1mm時，hc=150mm,這與砂土（粒徑0.51mm)的情況相當(dāng)；粘土的孔隙直徑約為0.1m，按上式計算的hc將達(dá)到150m,實際上粘土的hc大約3 4m。造成這樣大的差別主要原因是砂土中的孔隙大小是變化的，其中細(xì)的孔隙先被毛細(xì)水站滿，阻止了毛細(xì)水上

26、升，大的孔隙中，毛細(xì)水上升高度有限。,（4）孔隙中的重力水和固態(tài)水 土孔隙中的重力水指存在與孔隙中僅受重力作用的液態(tài)自由水，在土中的運(yùn)動滿足水力學(xué)的一般方程和達(dá)西定律。 土孔隙中的固態(tài)水即冰，是土中溫度降到00C以下時，孔隙中的重力水凝結(jié)成固態(tài)的冰。水結(jié)冰后體積會膨脹，冰具有一般固體的性質(zhì)，凍結(jié)后的土體強(qiáng)度會大幅提高。溫度升高后，孔隙中的冰又融化成水，土體強(qiáng)度迅速降低。對于凍土的性質(zhì)和土在凍融過程中的變形和破壞特性，專門形成了凍土力學(xué)分支學(xué)科。,4 土中的氣體,土中的氣體主要是空氣和水汽，有時也有沼氣等。與大氣成分相比，土中氣體CO2含量偏高，O2含量相對降低。當(dāng)土的孔隙中氣體占的體積超過5%

27、，我們就認(rèn)為該土為非飽和土，在受力過程中的變形和強(qiáng)度性質(zhì)與飽和土有顯著差別，研究非飽和土的力學(xué)性質(zhì)已經(jīng)形成了一門新的分支學(xué)科：非飽和土力學(xué)。,5 土中水的能量 土質(zhì)學(xué)討論土中水的能量是指土體孔隙水的機(jī)械能，即動能和勢能。由于土體中的孔隙水運(yùn)動速度很慢，動能可以忽略不計，所以土中水的能量通常就是指土中水的勢能，簡稱土水勢。 用土水勢的概念可以把土體吸持水分的能力和孔隙水的遷移規(guī)律很方便表達(dá)出來。飽和土中的孔隙水穩(wěn)定滲流和非飽和土中水分轉(zhuǎn)移規(guī)律都是孔隙水從土水勢高的地方向低的地方運(yùn)動。當(dāng)土中各點水的勢能相等時，土中水就處于平衡狀態(tài)。 土中不同點的勢能差就是孔隙水運(yùn)動的動力，這種動力可以由多種因素引

28、起，如：重力作用、壓力作用、毛細(xì)力（表面張力）作用、孔隙水中離子濃度變化、孔隙水溫度變化等。,（1）土水勢的組成和表示方法 土體中，控制孔隙水運(yùn)動的勢能叫土水勢，土的總土水勢可由以下部分組成：,總土水勢；,重力勢；,基質(zhì)勢；,溶質(zhì)勢；,壓力勢；,荷載勢；,勢能的單位即功的單位，以Nm或J表示。土水勢的單位因所采用水的單位重量或單位體積等不同的形式，可以表達(dá)成如下： 1）單位質(zhì)量水的勢能（比水勢），單位J/kg 2）單位容積水的勢能（容積勢）,單位N/m2, kPa 3）單位重量水的勢能（重量勢）,單位m,由于重量勢的單位最簡單，土質(zhì)學(xué)中經(jīng)常采用這一表述方法。,（2）土水勢各分量的物理意義和計算

29、方法,1）重力勢 重力式就是地球的萬有引力對引力場中水的作用，其大小決定于土中水所處的位置和參照面的位置。,如右圖中，參照面以上的A點重力勢為正，參照面以下的B點重力勢為負(fù)。,A,B,2) 壓力勢 壓力勢是由靜水壓力在孔隙水中的傳遞產(chǎn)生的，因此只能存在于地下水位以下的飽和土中，在地下水位以上的非飽和土中壓力勢為0。,計算壓力勢的參照面經(jīng)常選在地下水位面，如右圖中A點的壓力勢：,注意這時A點還有重力勢：,A點總土水勢：,因此，地下水位以下所有點土水勢都為0，水不會流動。,3）基質(zhì)勢 基質(zhì)勢是由固體顆?；|(zhì)與水之間的相互作用引起的，較干的土與自由水相接觸時，會將水吸引到土中來，說明較干的土具有較低

30、的土水勢。,這種概念最早由Buckingham于1907年提出，他稱之為毛細(xì)勢，后來叫成基質(zhì)勢。,4）溶質(zhì)勢 土中水溶解有各種溶質(zhì)離子，溶質(zhì)離子對水分子具有吸引力。溶質(zhì)勢是土中水與純水之間的勢能差，純水的溶質(zhì)勢為零，土中水的溶質(zhì)勢為負(fù)。由于土中溶質(zhì)離子濃度通常不高，溶質(zhì)勢經(jīng)?？梢院雎圆挥嫛?5）荷載勢 荷載勢是由外加荷載或土的自重引起的孔隙水的勢能。土在外荷或自重作用下產(chǎn)生變形的過程中，將使孔隙水產(chǎn)生附加的孔隙水應(yīng)力，這種應(yīng)力就是荷載勢。荷載勢的大小相當(dāng)于欠固結(jié)飽和土體中由自重產(chǎn)生的孔隙水應(yīng)力，或者飽和土在外加荷載作用下引起的超靜孔隙水應(yīng)力。,6）土水勢小結(jié) 對于土體，在不同條件下，土水勢各分

31、量的組合是不同的。對飽和土來講，總土水勢應(yīng)包括重力勢、壓力勢、荷載勢等；對非飽和土，總土水勢通常包括重力勢、基質(zhì)勢、荷載勢等。,（3）土的水分特征曲線,非飽和土的基質(zhì)勢可以通過張力計、壓力板膜儀等試驗方法確定，對一定的土體，基質(zhì)勢與它的含水率之間有一定的對應(yīng)關(guān)系，這種關(guān)系稱之為土的水分特征曲線。,不同的土，以及土的吸水和脫水的水分特征曲線是不同的。,同種土的原狀土和重塑土的水分特征曲線也不同。,6 非飽和土中水的運(yùn)動,非飽和土中水的運(yùn)動比飽和土中復(fù)雜，它的運(yùn)動不僅與多孔介質(zhì)的孔隙幾何特性有關(guān)，還受土體的含水率、飽和度、土水勢的變化控制，以及與溫度、溶質(zhì)濃度等眾多因素有關(guān)。所以非飽和土中水的運(yùn)動

32、規(guī)律研究比飽和土的起步晚，程度差。 采用土水勢理論，就有可能定性、定量描述非飽和土體中水的運(yùn)動規(guī)律，并將非飽和與飽和土中水的運(yùn)動方程統(tǒng)一起來。 非飽和土是三相系，孔隙中的氣體對孔隙水的運(yùn)動有影響，但在建模時，忽略其影響，并不考慮溫度的變化對孔隙水運(yùn)動的作用。,（1）廣義達(dá)西定律,非飽和土中水的運(yùn)動方程，最早有Richards(1931)提出：,非飽和土中的水流通量（或平均流速），cm/s,土水勢梯度，,用水頭表示，cm,非飽和土的導(dǎo)水率，是體積含水率,的函數(shù),非飽和土的體積含水率，與重量含水率有如下關(guān)系：,從前述公式可見，非飽和土的廣義達(dá)西定律與飽和土的達(dá)西定律形式上完全相同，將滲透系數(shù)換成了

33、導(dǎo)水率，水頭換成了土水勢。 與飽和土的滲透系數(shù)可以看作常數(shù)不同，非飽和土的導(dǎo)水率是土的體積含水率的函數(shù)，在孔隙水的運(yùn)動過程中，由于土體的體積含水率不斷變化，土體的導(dǎo)水率也是不斷變化的，不能看作常數(shù)。 非飽和土的導(dǎo)水率與體積含水率的關(guān)系需要由試驗獲得，見下圖：,砂性土,粘性土,（2）非飽和土中的水流方程,假定非飽和土中含水率變化不引起土體體積變化，且在等溫條件下發(fā)生水流運(yùn)動。根據(jù)流入微分體的水量與流出微分體的水量之差等于dt時段內(nèi)微分體內(nèi)水量的增加，得到如下連續(xù)性方程：,將廣義達(dá)西定律代入上式得到：,粘性土的強(qiáng)度和變形機(jī)理,七、粘性土的強(qiáng)度機(jī)理,1 顆粒強(qiáng)度 粘土礦物顆粒晶格內(nèi)的原子、離子的相互

34、作用是使固體具有力學(xué)強(qiáng)度的根本原因。粘性土的顆粒強(qiáng)度，大致上象化學(xué)連接的強(qiáng)度一樣，由分子內(nèi)力（離子鍵、共價鍵、極性鍵等）連接的，分子內(nèi)力的影響范圍在12A，分子鍵的鍵能大約20 200千卡/克分子。這個鍵能在普通工程荷載作用下基本不引起變形。,2 土體強(qiáng)度,粘性土的顆粒之間，通過凝聚力連接著，使其宏觀上出現(xiàn)了力學(xué)強(qiáng)度和抗水性。力學(xué)強(qiáng)度表現(xiàn)在土體能抗壓、抗剪、抗拉等強(qiáng)度方面，抗水性表現(xiàn)在能抵抗?jié)B透力的破壞作用。 3 土體的凝聚力 土體的凝聚力按照產(chǎn)生的機(jī)理和時間分為原始凝聚力和固化凝聚力。 重塑土的凝聚力為土的原始凝聚力，它的大小與土的顆粒成分、密度、含水率等有關(guān)； 原狀土與重塑土之間凝聚力的差

35、為土的固化凝聚力。固化凝聚力是土體形成后，在密度、含水率不變的條件下的強(qiáng)度增長部分。,（1）原始凝聚力 土的原始凝聚力是由于分子間的作用，即范德華力引起。是由于帶電荷的離子運(yùn)動中產(chǎn)生的定向作用、誘導(dǎo)作用、分散作用等方式形成的。 分子間的范德華力影響距離可超過5A，鍵能約在0.5 5千卡、克分子。原始凝聚力的大小與顆粒性質(zhì)有關(guān)（是否帶電荷、帶電荷數(shù)量等）、還與顆粒間的距離有關(guān)。在外力壓密過程中，顆粒間距減小，原始凝聚力將增加。,（2）固化凝聚力 天然的粘土沉積物，從它形成的那一刻即開始了巖化作用過程。在巖化階段，除去壓密作用外，還進(jìn)行著各種化學(xué)的、物理化學(xué)的和生物化學(xué)的作用過程，這些作用促進(jìn)了沉

36、積物的石化作用，使土體的凝聚力不斷增加。這種增加的凝聚力稱作固化凝聚力。其產(chǎn)生機(jī)理主要有： 1）膠結(jié)作用：土的孔隙中的硅、鐵等氧化物，借助于某種化學(xué)方法沉淀下來就可形成連接粘土顆粒的薄膜。此外還有碳酸鹽等微溶、可溶鹽的沉淀也能形成顆粒間的連接，還有生物化學(xué)作用也能形成土粒間的有機(jī)、無機(jī)膠結(jié)。 2）再結(jié)晶作用：細(xì)粒粘土礦物和次生氧化物在成土后從非晶體到晶體，從隱晶、微晶到細(xì)晶和晶體的結(jié)晶過程，能使粘土礦物團(tuán)聚成團(tuán)聚體。,3）后來物質(zhì)的膠結(jié)作用 陸上巖石風(fēng)化后，經(jīng)水流搬運(yùn)到先前沉積的土的區(qū)域，從水中析出的方解石、次生氧化物膠體，可溶鹽等膠結(jié)物在土中沉積，是土體的連接不斷增強(qiáng)。 粘性土層的固化凝聚力

37、是非常大的，它不僅增加了土體的強(qiáng)度，還阻止了土體在上復(fù)土層作用下壓密。粘性土在天然狀態(tài)下的強(qiáng)度 固化凝聚力可以是抗水性的，也可以是非抗水性的。粘性土有抗水性的固化物膠結(jié)時，單個土塊在水中可以長時間浸泡而不會崩解；若是非抗水性膠結(jié)，土塊浸泡在水中會較快崩解。,土體在沉積后，固化凝聚力可以增長很快，表現(xiàn)在抗剪強(qiáng)度不斷增長，這種增長可以用土體完全擾動后的靜置期間強(qiáng)度增長來體現(xiàn)。,一種帶狀粘土的強(qiáng)度隨時間的變化,實際上，不僅僅粘性土在沉積后，土體強(qiáng)度會隨時間增長，砂性土在自然環(huán)境下，沉積后強(qiáng)度也會隨時間增長。由下圖可見：相同干密度的砂土，天然土不人工填砂的強(qiáng)度高。,貫入針插入土10cm所需擊數(shù),砂土的

38、干密度,天然沖擊砂層,人工填砂,粘性土在天然狀態(tài)下的強(qiáng)度由原始凝聚力+固化凝聚力組成。由于這一緣故，引起粘性土的結(jié)構(gòu)特性。 由于粘性土具有原始凝聚力，使土體具有可塑性和流變特性。 由于粘性土具有固化凝聚力，使土體在比較低的壓力作用下，產(chǎn)生類似于固體的彈性變形；當(dāng)壓力超過一定值后，產(chǎn)生流動變形。 固化凝聚力是分散的土顆粒連接成團(tuán)聚體。粘土的團(tuán)聚體破壞的過程，也是固化凝聚力消失的過程，稱為膠溶作用。,八、粘性土的變形特征,1 一般固體的變形特征 當(dāng)固體受力時，就逐步發(fā)生彈性變形和塑性變形，直到破壞。 彈性壓縮變形的實質(zhì)是原子（離子、分子）間的距離縮短、斥力增加的過程。外壓力被固體顆粒間的斥力平衡著

39、。 塑形體是這樣的物質(zhì)：在不太大的外力作用下能保持自身的形狀不變，可是當(dāng)剪力大于某一極限時，它就發(fā)生隨時間逐漸增長的剪切變形，這叫塑性變形。 彈性變形和塑性變形是晶體結(jié)構(gòu)具有的特點。非晶質(zhì)的特點是在壓力作用下能夠發(fā)生粘滯流動變形。 粘滯流動與塑性變形的區(qū)別：（1）粘滯流動是各向同性的；（2）由于溫度改變，粘滯流動變化非常劇烈，還沒有固化作用。,若物體在同一應(yīng)力作用下，不僅發(fā)生可逆的彈性變形，還發(fā)生不可逆的粘滯流動，我們稱之為粘彈性體。 粘彈性體的變形究竟以彈性變形為主還是以粘滯流動為主，隨觀測歷時而定，或者確切地說隨觀測歷史與其松弛周期的比而定。 松弛：設(shè)物體在t=0的時刻，由作用力P產(chǎn)生的變

40、形為s。為保持s不變，作用力P要不斷減小，這種應(yīng)變恒定，應(yīng)力不斷減小的過程叫松弛。 松弛周期：引起某一給定變形s的應(yīng)力 p從初始值減小到它的1/e(e2.718)所需要的時間叫松弛周期T.,粘滯系數(shù),剪切模量,松弛周期對粘彈性體是一個重要指標(biāo)。物體的松弛周期越長，為發(fā)現(xiàn)該物體的流變特性需要的時間越長。如水的松弛周期為10-11s，只有當(dāng)水上作用的荷載作用時間短于10-11s時，才主要表現(xiàn)出彈性變形，否則只能看到它的流動特性；玻璃的松弛周期T為幾百年，因此，在玻璃上作用荷載在幾年時間內(nèi)，發(fā)生的基本為彈性變形，若觀測時間達(dá)幾千年，玻璃主要表現(xiàn)為粘性流動。,2 粘性土的變形特征 粘性土顆粒具有很高的

41、強(qiáng)度，有試驗顯示，即使受到23.6GPa的壓力，顆粒大小仍幾乎沒有改變。 但粘性土體在幾十到幾百kPa的壓力作用下都會產(chǎn)生較大的壓縮和剪切變形。粘性土的變形首先是具有不均勻性特征： （1）晶體顆粒的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于顆粒間的連接強(qiáng)度，粘性土的變形基本由連接強(qiáng)度破壞引起； （2）土體中個顆粒之間的連接強(qiáng)度差別很大，有些連接很強(qiáng)，有些連接很弱，因此在外力作用下，顆粒間的連接破壞是從連接弱的到連接強(qiáng)的逐漸破壞過程； （3）土體孔隙所占體積與土顆粒所占體積是同階的，土體變形基本有孔隙體積減小產(chǎn)生的； （4）粘土顆粒外和連接點被吸著水包圍，吸著水在外力作用下逐漸轉(zhuǎn)化成自由水，使土體不斷發(fā)生變形。,2.1 粘性土

42、的彈性變形 當(dāng)粘性土的固化凝聚力還沒有消失以前，土在荷載作用下的行為原則上與一般固體沒有本質(zhì)區(qū)別。若土體顆粒間的剪應(yīng)力小于土體的凝聚力（原始凝聚力+固化凝聚力）時，土體僅發(fā)生彈性變形，這時的變形量很小。 2.2 粘性土的結(jié)構(gòu)變形 當(dāng)采用重塑土進(jìn)行壓縮試驗時，即使在很小的壓力下，也會產(chǎn)生較大的壓縮變形，通過加壓-卸載試驗發(fā)現(xiàn)，發(fā)生的變形基本都是不可恢復(fù)的變形，同時，完成變形需要相當(dāng)長的時間，與土是否飽和沒有太大關(guān)系。這種與時間有關(guān)的不可恢復(fù)的變形叫做結(jié)構(gòu)變形。,土的結(jié)構(gòu)變形的最大特點是：單位體積內(nèi)顆粒數(shù)目的不斷增多。土體在壓密過程中，單位體積內(nèi)顆粒數(shù)量不斷增加，扁平的顆粒會逐漸把它的主面調(diào)整到垂

43、直壓力作用線的方向上。,孔隙比,壓力,具有結(jié)構(gòu)凝聚力的原狀土要發(fā)生結(jié)構(gòu)變形，所受的剪應(yīng)力必須大于凝聚力，同時因壓力作用而形成的脫離原連接的顆?；蚪Y(jié)構(gòu)單元必須小得足以落入土的孔隙內(nèi)，即：,壓力增加前顆粒接觸處的剪應(yīng)力；,壓力增加后顆粒接觸處的剪應(yīng)力增量；,原始凝聚力；,固化凝聚力；,脫離原連接的顆?；蚪Y(jié)構(gòu)單元的直徑；,接受顆?；蚪Y(jié)構(gòu)單元落入的孔隙直徑；,上面的兩個條件一個不滿足時，結(jié)構(gòu)變形即終止。,(a),(b),若是土體因條件(a)不滿足而終止結(jié)構(gòu)變形，土體在壓密過程中的強(qiáng)度會增長；若是土體因條件(b)不滿足而終止結(jié)構(gòu)變形，則土體即使發(fā)生壓密，強(qiáng)度卻不增長。,2.3 粘性土的吸附變形 對于均質(zhì)

44、固體，受力后立即產(chǎn)生壓縮，外力消失時，變形立即恢復(fù)。 對于非均值的粘性土，受到外力作用時，外力由一個顆粒傳遞到另一個顆粒上去，顆粒間的接觸面通常很小，這些地方總發(fā)生應(yīng)力集中，所以即使外力不大，顆粒接觸處的應(yīng)力也會使薄膜水發(fā)生移動，水膜不斷變薄，土體顆粒間的距離縮小，發(fā)生體積壓縮；當(dāng)外力消失后，顆粒接觸處的接觸力減小，水分子又向顆粒接觸處一定，顆粒間距增加，土體體積膨脹。 這種壓縮和膨脹都是一個緩慢的時間過程，這種可恢復(fù)的變形稱作粘性土的吸附變形。,3 結(jié)構(gòu)變形的歷時,土力學(xué)中，一般用固結(jié)理論來確定粘性土壓縮變形所需要的時間。固結(jié)理論的基本假設(shè)是：當(dāng)土體中沒有水的時候，土骨架變形立即發(fā)生，當(dāng)有水

45、的時候，骨架變形出現(xiàn)延遲，同時，在壓縮剛開始的時候，荷載全部由孔隙水承擔(dān)。 首先從工程實例來看，無水的時候，土的變形是不是立即完成。某堆石壩在施工期間由于堆筑體在上復(fù)壓力作用下體積壓縮產(chǎn)生的最大沉降達(dá)到壩高的8%，進(jìn)入運(yùn)行期后，該壩最大沉降在兩年內(nèi)又增加了最大壩高的0.61%。某些造在黃土地基上的建筑物，沉陷可達(dá)到1m以上，同時需要幾個月到數(shù)年才完成。,上面的工程實例表明，即使土體中沒有水或不飽和，土體的壓縮變形也需要很長時間才能穩(wěn)定。這是因為，土體的變形主要是結(jié)構(gòu)變形，在結(jié)構(gòu)變形期間，土顆粒需要移動比較大的距離并進(jìn)入另外一些顆粒組成的孔隙中。土顆粒位移和克服阻力進(jìn)入孔隙都需要時間。 用風(fēng)干的

46、土粉末和飽和土進(jìn)行壓縮試驗，結(jié)果顯示，干粉末土的壓縮穩(wěn)定時間并不比飽和土快。,孔隙比,固結(jié)時間,干粉末,飽和土膏,4 粘性沉積層的天然壓縮和固化,（1）粘性土的壓縮與顆粒成分的關(guān)系 如右圖，塑性指數(shù)高的土初始孔隙比大，壓縮性高，但壓力大到一定的時候，幾種土的壓縮曲線將重合。,孔隙比,壓力（kPa),高液限粘土,低液限粘土,粉質(zhì)粘土,（2）粘性土的壓縮與介質(zhì)的關(guān)系 粘性土在自然界中的含水率在大范圍內(nèi)變化，含水率不同會影響粘土的壓縮過程，我們看兩種極端的情況： 1）空氣介質(zhì)：將干土試樣碾成粉末，讓其在空氣中堆積作為處于風(fēng)干狀態(tài)的土樣進(jìn)行壓縮； 2）飽水介質(zhì)：將同樣的粘土粉末加水?dāng)嚢璩蓱乙?，然后在?jīng)水中沉積，再受力壓縮； 上述兩種極端情況的壓縮曲線見下圖：,