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1、2 2 土的物质组成和结构土的物质组成和结构2.1 土的基本特性土的基本特性2.2 土的粒度成分土的粒度成分2.3 土的矿物成分土的矿物成分2.4 土的化学成分土的化学成分2.5 土中的水和气土中的水和气2.6 土与水的相互作用土与水的相互作用3）土是分散体系）土是分散体系l由二相或更多相所构成的体系，其一相或某一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，称为些相分散在另一相中，称为分散体系分散体系。多相组。多相组成的土是分散体系。成的土是分散体系。l根据固相土粒的大小程度，将土划分为：根据固相土粒的大小程度，将土划分为：l粗分散体系粗分散体系(2 m)l细分散体系细分散体系
2、(20.1 m)l胶体体系胶体体系(0.10.01 m)l分子体系分子体系(0.01 m)。l分散体系的性质随着分散程度的变化而变化分散体系的性质随着分散程度的变化而变化。 l研究表明，粗分散体系与细分散体系及胶研究表明，粗分散体系与细分散体系及胶体体系的差别很大。体体系的差别很大。细分散体系和胶体体细分散体系和胶体体系具有许多的共性系具有许多的共性。因此，一般将细分散。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。散部分加以研究。l土的细分散体系具有特殊的矿物成分，具土的细分散体系具有特殊的矿物成分，具有很高的分散性和比表面积，因而
3、具有巨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，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在固、液相界面上具有很强的物理化学化学活性。土中细分散颗粒含量的增多是形成活性。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。黏性土工程性质的决定因素。l任何土类具有存在一定的能量，在砂土和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黏性土中，其总能量是由内部能量和表面能量之和构成的。能量之和构成的。内部能量与其土粒体积内部能量与其土粒体积成正比成正比，而，而表面能量则与土粒的表面积成表面能量则与土粒的表面积成正比
4、正比。l砂土及其它碎屑土的砂土及其它碎屑土的比表面积比表面积很小，所以很小，所以表面能有限，表面能有限，砂土砂土在物理在物理化学方面，很化学方面，很大程度上是大程度上是惰性的、不亲水惰性的、不亲水的。的。l黏性土黏性土的比表面积和表面能均很大，因此，的比表面积和表面能均很大，因此，具有较大的物理具有较大的物理化学活性和亲水性化学活性和亲水性，表，表现为现为极强的黏着性和塑性极强的黏着性和塑性。4）土是多矿物组合体）土是多矿物组合体l土中含有土中含有510种甚至更多的矿物，种甚至更多的矿物，其中除其中除原生矿物原生矿物外，外，次生黏土矿物次生黏土矿物是主要成分。是主要成分。黏土矿物黏土矿物的粒径
5、很小的粒径很小(0.075mm）采用）采用筛析法筛析法（筛分法）（筛分法）l细粒土（粒径细粒土（粒径0.075mm）则采用）则采用静水沉降分析法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土的粒度分析数据。（1）筛析法）筛析法适用条件：适用于粒径界于适用条件：适用于粒径界于600.075mm之间的土。之间的土。主要设备：是一套标准分析筛，筛子的主要设备：是一套标准分析筛，筛子的孔径分别为：孔径分别为：l粗筛：粗筛：60、40、20、10、5、2mml细筛：细筛：1.0、0.5、0.25、0.075mm。l可根据土的性质和工程要求
6、适当增减不同可根据土的性质和工程要求适当增减不同筛径的分析筛。筛径的分析筛。试验要求：试验要求：应符合应符合土工试验方法标准土工试验方法标准(GB/T50123-1999)的规定的规定。优优 点：简单易行。点：简单易行。标准分析筛标准分析筛 振筛机振筛机（2）沉降分析法）沉降分析法适用条件：粒径小于适用条件：粒径小于0.075mm的土。的土。原理：根据土粒在悬液中的沉降速率与粒径的平方成原理：根据土粒在悬液中的沉降速率与粒径的平方成正比的正比的Stocks公式来确定各粒组相对含量的方法。静水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，中土粒在有效重力和液
7、体阻力的共同作用下匀速下沉，可用下列公式表示：可用下列公式表示：d颗粒直径颗粒直径(mm)； 纯水的动力粘滞系数纯水的动力粘滞系数(10-6kPa s)； s土颗粒密度土颗粒密度(g/cm3)； w水的密度水的密度(g/cm3)；g重力加速度重力加速度(cm/s2)；L某一时间内土粒沉降距离某一时间内土粒沉降距离(cm)；t沉降时间沉降时间(s)。tLg1800dwsStocks公式公式（mm）Stocks公式公式试验方法：试验方法：l密度计法密度计法l移液管法移液管法l虹吸比重瓶法虹吸比重瓶法l方法不同，但原理均为方法不同，但原理均为Stocks公式。公式。试验要求：应符合试验要求：应符合土
8、工试验方法土工试验方法标准标准（GB/T50123-1999）的规定。）的规定。3土的粒度成分的表示方法土的粒度成分的表示方法(1) 列表法列表法优点：可以清楚地说明各粒组的含量优点：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缺点：大量土样进行对比时较困难粒组（粒组（mm）粒度成分粒度成分(以质量以质量%计计)土样土样1土样土样2土样土样310-510-55-25-22-12-11-0.51-0.50.5-0.250.5-0.250.25-0.100.25-0.100.10-0.050.10-0.050.05-0.010.05-0.010.01-0.0050.01-0.0050.
9、005-0.0020.005-0.002 0.0020.002- -3.13.160.60.14.414.440540526.026.09.09.0- - - - -25.025.020.020.012.312.38.08.08.28.24.94.94.64.68.18.14.24.25.25.21.51.5- - - - - -8.08.014.414.437.637.611.111.118.918.910.010.0(2) 累计曲线法累计曲线法（粒径分布曲线图）（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
10、试验结果含量为纵坐标，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，因此累计曲线为数的形式，因此累计曲线为半对数曲线半对数曲线。累积含量百分比是指小于（或大于）某粒径的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。所有土颗粒占全部土颗粒的质量百分比。优点：优点：便于多个土样的粒度成分对比；便于多个土样的粒度成分对比；缺点：缺点：当土样数量很多时，较烦乱，不易分辨。当土样数量很多时，较烦乱，不易分辨。粒度成分曲线020
11、4060801001200.0010.010.1110粒径dx（mm）累积百分含量xd（%）系列1系列2系列3d10d10d60d50d50d60用途：用途：l累计曲线形态能较直观地表示出土累计曲线形态能较直观地表示出土的粒度级配：的粒度级配：累计曲线平缓，说明土中各粒组累计曲线平缓，说明土中各粒组的含量差别不大，土的分选性较的含量差别不大，土的分选性较差，级配良好；差，级配良好；累计曲线窄陡，土的分选性好，累计曲线窄陡，土的分选性好，土粒均匀，级配不良。土粒均匀，级配不良。l累计曲线给出一些累计曲线给出一些定量的信息定量的信息：任一粒径区段的百分含量；任一粒径区段的百分含量；任一百分含量的最
12、大粒径；任一百分含量的最大粒径；有效粒径有效粒径d10粒径分布曲线上小于该粒粒径分布曲线上小于该粒径的土粒质量占土总质量的径的土粒质量占土总质量的10%的粒径；的粒径；中间粒径中间粒径d30粒径分布曲线上小于该粒粒径分布曲线上小于该粒径的土粒质量占土总质量的径的土粒质量占土总质量的30%的粒径；的粒径；平均粒径平均粒径d50粒径分布曲线上小于该粒粒径分布曲线上小于该粒径的土粒质量占土总质量的径的土粒质量占土总质量的50%的粒径；的粒径；限制粒径限制粒径d60 粒径分布曲线上小于该粒粒径分布曲线上小于该粒径的土粒质量占土总质量的径的土粒质量占土总质量的60%的粒径。的粒径。不均匀系数不均匀系数C
13、u反映土颗粒粒径分反映土颗粒粒径分布均匀性的系数布均匀性的系数曲率系数曲率系数Cc反映土颗粒粒径分布反映土颗粒粒径分布曲线形态的系数曲线形态的系数1060ddCu6010230dddCcl定量信息的用途：定量信息的用途：不均匀系数不均匀系数Cu用于评价土用于评价土层的机械潜蚀、流土（砂）层的机械潜蚀、流土（砂）等渗透变形的工程地质问等渗透变形的工程地质问题题平均粒径平均粒径d50和不均匀系数和不均匀系数用于判别砂土的振动液化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在水文地质和工程地质中具有特殊的意义：的意义：由一种粒径土粒组成的理想均粒土，如由一种粒径土粒组成的理想均粒土，如
14、与另一种非均粒土具有相同的透水性，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，大致相等。因此，一般认为， d10为最为最具有代表性的粒径。该数据广泛应用于具有代表性的粒径。该数据广泛应用于机械潜蚀、透水性、毛细性等的经验公机械潜蚀、透水性、毛细性等的经验公式中。式中。用用d10估算非均质砂的渗透系数公式：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，根据不均是国际通用的指标，根据不均匀系数、曲率系数进行匀系数、曲率系数进行土的级配分类土的级配分类：u当当Cu
15、 5且且1 Cc 3时，为级配良好的土时，为级配良好的土，即为非均粒土，表明土中各粒组的含即为非均粒土，表明土中各粒组的含量相差不大，大小颗粒混杂，累计曲量相差不大，大小颗粒混杂，累计曲线平缓；线平缓；u若不能同时满足上述两个条件，则为若不能同时满足上述两个条件，则为级配不良的土级配不良的土，即均粒土，颗粒大小，即均粒土，颗粒大小较均匀，累计曲线的中段显得陡直。较均匀，累计曲线的中段显得陡直。l特征粒径举例：特征粒径举例：有效粒径有效粒径 d10=0.10,0.10mm的颗粒占的颗粒占总质量的总质量的10%中间粒径中间粒径 d30=0.22,0.22mm的颗粒占的颗粒占总质量的总质量的30%平
16、均粒径平均粒径 d50=0.33,0.33mm的颗粒占的颗粒占总质量的总质量的50%界限粒径界限粒径 d60=0.39,60mm）含量大于）含量大于15%的土为的土为巨粒类土巨粒类土。试样中粗粒组含量大于试样中粗粒组含量大于50%的土为的土为粗粒类土粗粒类土。其中，。其中，砾粒组含量大于砂粒组的土为砾粒组含量大于砂粒组的土为砾类土砾类土；砾粒组含量；砾粒组含量不大于砂粒组的土为不大于砂粒组的土为砂类土砂类土。试样中细粒组含量不小于试样中细粒组含量不小于50%的土为的土为细粒类土细粒类土。其。其中，粗粒组含量不大于中，粗粒组含量不大于25%的土为的土为细粒土细粒土；粗粒组；粗粒组含量大于含量大于
17、25%且不大于且不大于50%的土为的土为含粗粒的细粒土含粗粒的细粒土；有机质含量小于有机质含量小于10%且不小于且不小于5%的土为的土为有机质土有机质土。可利用可利用塑性图塑性图对细粒类土进一步划分。对细粒类土进一步划分。巨粒类土的分类巨粒类土的分类：土类土类粒组含量粒组含量土类名称土类名称巨粒土巨粒土巨粒含量巨粒含量75%漂石含量大于卵石含量漂石含量大于卵石含量漂石漂石(块石块石)土土漂石含量不大于卵石含量漂石含量不大于卵石含量卵石卵石(碎石碎石)土土混合巨粒土混合巨粒土50%巨粒含巨粒含量量 75%漂石含量大于卵石含量漂石含量大于卵石含量混合漂石混合漂石(块石块石)土土漂石含量不大于卵石含
18、量漂石含量不大于卵石含量混合卵石混合卵石(碎石碎石)土土巨粒混合土巨粒混合土15%巨粒含巨粒含量量 50%漂石含量大于卵石含量漂石含量大于卵石含量漂石漂石(块石块石)混合混合土土漂石含量不大于卵石含量漂石含量不大于卵石含量卵石卵石(碎石碎石)混合混合土土注：巨粒混合土可根据所含粗粒或细粒的含量进行细分。注：巨粒混合土可根据所含粗粒或细粒的含量进行细分。砾类土的分类砾类土的分类：土类土类粒组含量粒组含量土类名称土类名称砾土砾土细粒含量细粒含量5%级配级配Cu 5，1 Cc 3级配良好砾土级配良好砾土级配不能同时满足级配不能同时满足上述要求上述要求级配不良砾土级配不良砾土含细粒土砾土含细粒土砾土5
19、% 细粒含量细粒含量15% 含细粒土砾土含细粒土砾土细粒土质砾土细粒土质砾土15% 细粒含量细粒含量50%细粒组中粉粒含量细粒组中粉粒含量不大于不大于50%黏土质砾土黏土质砾土细粒组中粉粒含量细粒组中粉粒含量大于大于50%粉土质砾土粉土质砾土砂类土的分类砂类土的分类：土类土类粒组含量粒组含量土类名称土类名称砂土砂土细粒含量细粒含量5%级配级配Cu 5，1 Cc 3级配良好砂土级配良好砂土级配不能同时满足级配不能同时满足上述要求上述要求级配不良砂土级配不良砂土含细粒土砂土含细粒土砂土5% 细粒含量细粒含量15% 含细粒土砂土含细粒土砂土细粒土质砂土细粒土质砂土15% 细粒含量细粒含量200mm的
20、颗粒质量超过总质量的的颗粒质量超过总质量的50%的的土为漂石土（颗粒以圆形及亚圆形为主）或土为漂石土（颗粒以圆形及亚圆形为主）或块石土（颗粒以棱角形为主）。块石土（颗粒以棱角形为主）。l粒径粒径20mm的颗粒质量超过总质量的的颗粒质量超过总质量的50%的的土为卵石土（颗粒以圆形及亚圆形为主）或土为卵石土（颗粒以圆形及亚圆形为主）或碎石土（颗粒以棱角形为主）。碎石土（颗粒以棱角形为主）。l粒径粒径2mm的颗粒质量超过总质量的的颗粒质量超过总质量的50%的土的土为圆砾土（颗粒以圆形及亚圆形为主）或角为圆砾土（颗粒以圆形及亚圆形为主）或角砾土（颗粒以棱角形为主）。砾土（颗粒以棱角形为主）。(2) 砂
21、土砂土粒径大于粒径大于2mm的颗粒质量不超过总质量的的颗粒质量不超过总质量的50%，粒径大于粒径大于0.075mm的颗粒质量超过总质量的的颗粒质量超过总质量的50%的土称为砂土。的土称为砂土。进一步划分为：进一步划分为：l粒径粒径2mm的颗粒质量占总质量的的颗粒质量占总质量的25%50%的土为砾砂土。的土为砾砂土。l粒径粒径0.5mm的颗粒质量的颗粒质量总质量的总质量的50%的土为的土为粗砂土。粗砂土。l粒径粒径0.25mm的颗粒质量的颗粒质量总质量的总质量的50%的土的土为中砂土。为中砂土。l粒径粒径0.075mm的颗粒质量的颗粒质量总质量的总质量的85%的土的土为细砂土。为细砂土。l粒径粒
22、径0.075mm的颗粒质量的颗粒质量总质量的总质量的50%的土的土为粉砂土。为粉砂土。土定名的原则：土定名的原则：l碎石土和砂土分类定名时，碎石土和砂土分类定名时，应根据颗粒级配由大到小应根据颗粒级配由大到小以最先符合者确定。以最先符合者确定。举例举例:l例例1：某砂土样，经筛析试验，得到各：某砂土样，经筛析试验，得到各粒组含量的百分比为：粒组含量的百分比为：l解：土在分类和定名时，应根据颗粒解：土在分类和定名时，应根据颗粒级配由大到小以最先符合者确定。土级配由大到小以最先符合者确定。土样中样中2mm的颗粒含量为的颗粒含量为8%+22%=30%，超过了，超过了25%，但不，但不到到50%，因此
23、，该土样应定名为砾砂，因此，该土样应定名为砾砂土。土。粒径粒径mm55220.50.50.250.250.0752mm的颗粒占的颗粒占10%，不足不足25%，不能定为砾砂土；，不能定为砾砂土；0.5mm的的颗粒占颗粒占10%+23%=33%，也不足，也不足50%，不能定为粗砂土；不能定为粗砂土；0.25mm的颗粒占的颗粒占10+23+27=60%，超过了，超过了50%，该土样，该土样应定为中砂土。应定为中砂土。粒径粒径mm5220.50.50.250.250.0754液相化学成分采用提取液方法测定。液相化学成分采用提取液方法测定。2 2 土的物质组成和结构土的物质组成和结构2.1 土的基本特性
24、土的基本特性2.2 土的粒度成分土的粒度成分2.3 土的矿物成分土的矿物成分2.4 土的化学成分土的化学成分2.5 土中的水和气土中的水和气2.6 土与水的相互作用土与水的相互作用1、土中的水、土中的水水是土中最为常见的液相。水在中的多少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，一般用含水量（率）表示，土中含水量的土中含水量的变化是土的工程性质变化的最重要的原因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，水是控间接地与土的含水量有关。因此，水是控制土的工程性质的重要因素，也是引起土
25、制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。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土中的水可根据其储存部位分为矿物中的结合水矿物中的结合水结构水结构水结晶水结晶水沸石水沸石水空隙中的水空隙中的水结合水结合水毛细水毛细水重力水重力水气态水气态水固体冰固体冰其中，其中，土粒表面的结合水对土尤其黏性土的土粒表面的结合水对土尤其黏性土的工程性质影响极大工程性质影响极大。2、土中的气体、土中的气体土中的气体主要为空气和水汽，有时还有土中的气体主要为空气和水汽，有时还有较多的较多的CO2、沼气、沼气、H2S等。等。与土中的液与土中的液体相比，气体对土的工程性质的影响要小体
26、相比，气体对土的工程性质的影响要小得多得多。主要的影响为：主要的影响为：密闭气体影响土的强度和变形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过多的水气在土粒表面凝聚形成结合水CO2、沼气、沼气、H2S等有毒有害气体的存等有毒有害气体的存在影响施工和建筑物的安全使用在影响施工和建筑物的安全使用 2 2 土的物质组成和结构土的物质组成和结构2.1 土的基本特性土的基本特性2.2 土的粒度成分土的粒度成分2.3 土的矿物成分土的矿物成分2.4 土的化学成分土的化学成分2.5 土中的水和气土中的水和气2.6 黏性土与水的相互作用黏性土与水的相互作用2.7 土的结构和土体结构土的结构和
27、土体结构黏粒是土中高度分散的颗黏粒是土中高度分散的颗粒，包括黏土矿物、氧化粒，包括黏土矿物、氧化物、有机质等。由于颗粒物、有机质等。由于颗粒细小，接近于胶体的颗粒，细小，接近于胶体的颗粒，因而表现出一系列胶体的因而表现出一系列胶体的特性。引起的原因是黏粒特性。引起的原因是黏粒表面带电。表面带电。2、黏粒表面带电的成因、黏粒表面带电的成因黏粒表面带电主要的黏粒表面带电主要的4种途径：种途径：1）选择性吸附选择性吸附l黏粒与其他胶粒一样，表面具有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
28、表面带电。格架中相同或相似的离子，使黏粒表面带电。l例如，将难溶的方解石（例如，将难溶的方解石（ CaCO3 ）颗粒放入）颗粒放入含含Na2CO3溶液中，颗粒表面将吸附溶液中的溶液中，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，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；但若将方解石方解石颗粒表面带的是负电；但若将方解石颗粒放在颗粒放在CaCl2溶液中，则溶液中，则Ca2+成为电位离子，成为电位离子，Cl-为反离子，方解石颗粒表面带的是正电。为反离子，方解石颗粒表面带的是正电。2）水化解离作用水化解离作用l黏粒表面与水作用后生成离子发生黏粒表面与水作用后生
29、成离子发生基，而后离解，再选择性地吸附与基，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矿物晶体格架上性质相同或相似的离子，使黏粒表面带电。离子，使黏粒表面带电。l黏土矿物中含有黏土矿物中含有Al2O3和和SiO2成分，成分，在与水接触时，黏土矿物基面、断在与水接触时，黏土矿物基面、断口处口处Al2O3和和SiO2离解而使黏土矿物离解而使黏土矿物带电，电荷的性质与介质的带电，电荷的性质与介质的PH值有值有关。关。l（1）Al2O3（注意两性体）的离解（注意两性体）的离解Al2O3与水作用形成的离子发生基为与水作用形成的离子发生基为Al(OH)3：Al2O3+3H2O=2Al(OH)
30、3Al(OH)3是两性体是两性体，在不同的，在不同的PH值下，值下，离解方式是不同的离解方式是不同的:PH8.1时，为酸式分解时，为酸式分解 Al(OH)3Al(OH)2O-+H+PH8.1时，黏粒吸附时，黏粒吸附Al(OH)2O-而带负电；而带负电；当溶液当溶液PH7.0蒙脱石蒙脱石47.550高岭石高岭石25粒组粒组(mm)0.01-0.0050.005-0.0040.004-0.0030.003-0.0020.002-0.001Al3+H+Ba2+Ca2+Mg2+HN4+K+Na+Li+（3）天然土中常见的交换阳离子成分）天然土中常见的交换阳离子成分天然土中常见阳离子的成分取决于空天然土
31、中常见阳离子的成分取决于空隙溶液的成分。常见的为隙溶液的成分。常见的为Ca2+、Mg2+、K+、Na+、H+等，以等，以Ca2+最为常见。最为常见。土中交换离子成分常与土的成因类型土中交换离子成分常与土的成因类型及沉积环境有关：及沉积环境有关：在淡水沉积的土中，除含在淡水沉积的土中，除含Ca2+外还可含外还可含H+；在由岩浆岩风化产物形成的冲积黏土中，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，交换阳离子在现代海相沉积物中，交换阳离子Na+广广泛分布。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在湿热地区，经过长期溶滤
32、的土中往往含较多的交换离子离子H+。当土中含有。当土中含有H+时称为时称为“非饱和土非饱和土”。我国南。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。换容量。在干旱半干旱地区，由于土面蒸发强烈，地下水中的在干旱半干旱地区，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，富盐类通过毛细作用在表土层中积累，形成盐碱土，富含含Na+，潮湿时由于，潮湿时由于Na+可使扩散层增厚而导致土层泥可使扩散层增厚而导致土层泥泞不堪。泞不堪。含有不同交换离子的土具有不同的物理力学性质。含有不同交换离子的土具有不同的物理力学性质。含
33、含Na+黏性土的膨胀性、收缩性、塑性和压缩性黏性土的膨胀性、收缩性、塑性和压缩性较含较含Ca2+黏性土大，而抗剪强度、透水性前者较黏性土大，而抗剪强度、透水性前者较后者小。如含交换后者小。如含交换Na+高的土易发生管涌，这是高的土易发生管涌，这是因为水化膜增厚使土粒间连接力减小。通常黏性因为水化膜增厚使土粒间连接力减小。通常黏性土中土中Na+含量占总交换容量的含量占总交换容量的15%时，土将有严时，土将有严重的管涌能力。重的管涌能力。（4）离子交换的工程意义）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，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
34、分散程度和结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，构特征，从而改变土的工程性质。因此，可以利可以利用离子交换来改变土的物理力学性质，从而达到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土体改良的目的。如加固地基强度的电动硅化法，。如加固地基强度的电动硅化法，就是利用就是利用Al3+去交换土中的去交换土中的Ca2+、Na+等离子，使等离子，使土粒水化膜厚度变薄，增强颗粒之间的连接，从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。而提高土体强度。了解离子交换还可了解离子交换还可预测由于工程建筑影响自然条预测由于工程建筑影响自然条件改变
35、而引起的土的物理力学性质的改变，从而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措施在工程建筑中提出适当的预防措施。3）黏性土的电动现象）黏性土的电动现象黏性土中的水分子及水化黏性土中的水分子及水化阳离子在电场的作用下能阳离子在电场的作用下能穿过黏性土的空隙向负极穿过黏性土的空隙向负极运动的现象称为运动的现象称为电渗电渗；而；而黏粒在电场的作用下能向黏粒在电场的作用下能向正电极的运动的现象称为正电极的运动的现象称为电泳电泳。电渗和电泳总称为。电渗和电泳总称为电动现象电动现象。这个现象早在。这个现象早在1809年由莫斯科大学的列年由莫斯科大学的列依斯教授经实验发现的。依斯
36、教授经实验发现的。电动现象说明黏粒是带负电动现象说明黏粒是带负电的。电的。通电后，阳极水管中水自通电后，阳极水管中水自下而上逐渐混浊，水位下下而上逐渐混浊，水位下降；阴极水管中水保持清降；阴极水管中水保持清澈，水位上升。澈，水位上升。若将电极直接插入黏土块若将电极直接插入黏土块中，通电后，阳极周围土中，通电后，阳极周围土逐渐变干，阴极周围土变逐渐变干，阴极周围土变得更湿。得更湿。黏性土的电动现象在工程上的应用：黏性土的电动现象在工程上的应用：电渗排水电渗排水一些淤泥质软土及黏土类土，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由于渗透系数过小，无法用水泵进行基坑排水，这时可沿
37、基坑四周设置管井作为集排水，这时可沿基坑四周设置管井作为集水阴极，用废铁管作为阳极打入基坑土中，水阴极，用废铁管作为阳极打入基坑土中，通上直流电，即形成电渗排水。通上直流电，即形成电渗排水。电渗沉桩电渗沉桩利用正在下沉的桩作为阴极，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，以提高使流向阴极的水降低桩的摩擦力，以提高施工效率。施工效率。缩短黏性土的固结时间缩短黏性土的固结时间通过电渗排水，通过电渗排水，还可使水从黏性土中尽快排出，以缩短黏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。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）凝聚和分散作用
38、颗粒之间相互结合称为颗粒之间相互结合称为凝聚作用；凝聚作用；颗粒之间相互分离称为颗粒之间相互分离称为分散作用。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；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。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，黏土矿物基面与作用下的凝聚，如酸
39、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，发生断口带异号电荷，形成不同性质的双电层，发生异电作用凝聚，结果使黏粒边异电作用凝聚，结果使黏粒边面结合。面结合。凝聚在自然条件下可有电解质凝聚和干燥凝聚在自然条件下可有电解质凝聚和干燥凝聚两种方式。凝聚两种方式。电解质凝聚电解质凝聚是通过离子交是通过离子交换使扩散层变薄产生的凝聚。换使扩散层变薄产生的凝聚。干燥凝聚干燥凝聚则则是土中水分蒸发导致介质中离子浓度提高，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。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
40、度。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。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。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。浓度，使扩散层厚度变厚，颗
41、粒分散。电解质凝聚的集聚体通过离子交换使扩散层变厚，电解质凝聚的集聚体通过离子交换使扩散层变厚，土粒分散。对于静电凝聚的集聚体可通过改变土土粒分散。对于静电凝聚的集聚体可通过改变土的的PH值或用含高价阴离子团的无机盐类做分散值或用含高价阴离子团的无机盐类做分散剂以改变断口的双电层性质，使其断口的双电层剂以改变断口的双电层性质，使其断口的双电层与基面双电层性质一致而相斥，导致颗粒分离。与基面双电层性质一致而相斥，导致颗粒分离。分散作用在工程上也有一定的用途，例如配置钻分散作用在工程上也有一定的用途，例如配置钻探所用的泥浆、粒度分析中的静水沉降法等都要探所用的泥浆、粒度分析中的静水沉降法等都要利用
42、分散作用的原理。利用分散作用的原理。5）触变与陈化）触变与陈化（1）触变）触变当黏粒发生凝聚，如果受到震动、搅拌、超当黏粒发生凝聚，如果受到震动、搅拌、超声波、电流等外力作用时，往往会产生液化声波、电流等外力作用时，往往会产生液化或由凝聚状态过渡到溶胶或悬液状态；当这或由凝聚状态过渡到溶胶或悬液状态；当这些外力消失后，又重新凝结，这种现象称为些外力消失后，又重新凝结，这种现象称为触变触变。含水量高、结构分散的黏性土常具有触变特含水量高、结构分散的黏性土常具有触变特性。当在振动荷载作用下（如地震、车辆运性。当在振动荷载作用下（如地震、车辆运行、机械震动、爆破等），土的结构遭受破行、机械震动、爆破
43、等），土的结构遭受破坏，土的强度突然消失而液化；当动力停止坏，土的强度突然消失而液化；当动力停止后，又能恢复原有的强度。从液化到重新凝后，又能恢复原有的强度。从液化到重新凝聚的时间称为触变期，是衡量土的触变性的聚的时间称为触变期，是衡量土的触变性的指标。触变期越小的土触变性越大。指标。触变期越小的土触变性越大。土的触变是由于黏粒间的结合水在震动土的触变是由于黏粒间的结合水在震动力的作用下部分转化为自由水，使土的力的作用下部分转化为自由水，使土的结构破坏，颗粒间失去连接。一般土中结构破坏，颗粒间失去连接。一般土中黏粒含量高，黏土矿物亲水性大，含水黏粒含量高，黏土矿物亲水性大，含水量大时，容易触变
44、。所以，石英颗粒构量大时，容易触变。所以，石英颗粒构成的土不具有触变性。成的土不具有触变性。土的触变可引起地面沉降、斜坡滑动，土的触变可引起地面沉降、斜坡滑动，严重威胁建筑物的安全。在工程中可以严重威胁建筑物的安全。在工程中可以利用触变来提高钻探及打桩的施工效率，利用触变来提高钻探及打桩的施工效率，或利用触变压密提高桩的承载力。或利用触变压密提高桩的承载力。（2）陈化）陈化有触变性的土，经过一定时间后会失去原有触变性的土，经过一定时间后会失去原有的触变性，这种性质称为有的触变性，这种性质称为陈化陈化。导致陈化的原因很多，如黏粒结晶生长、导致陈化的原因很多，如黏粒结晶生长、土的分散性降低等使颗粒
45、变粗大，亲水性土的分散性降低等使颗粒变粗大，亲水性降低；脱水而体积缩小，使黏性土的胶体降低；脱水而体积缩小，使黏性土的胶体体系发生变化；等等。体系发生变化；等等。2 2 土的物质组成和结构土的物质组成和结构2.1 土的基本特性土的基本特性2.2 土的粒度成分土的粒度成分2.3 土的矿物成分土的矿物成分2.4 土的化学成分土的化学成分2.5 土中的水和气土中的水和气2.6 土与水的相互作用土与水的相互作用2.7 土的结构和土体结构土的结构和土体结构1 1、土的结构和土体结构的概念、土的结构和土体结构的概念 1)土的结构土的结构是指土颗粒本身的特点（包括土颗粒的大是指土颗粒本身的特点（包括土颗粒的
46、大小、形状、磨圆度、表面特征即粗糙度）、小、形状、磨圆度、表面特征即粗糙度）、土粒间的相互关系（包括颗粒排列关系及土粒间的相互关系（包括颗粒排列关系及连接特征）和孔隙特征的总称。连接特征）和孔隙特征的总称。土的结构主要是土的结构主要是土的微观特征土的微观特征。土的粒度。土的粒度成分是土的重要结构指标，反映了土粒的成分是土的重要结构指标，反映了土粒的大小及其含量。颗粒的大小和形状及表面大小及其含量。颗粒的大小和形状及表面特征不同，形成的结构类型不一，土的工特征不同，形成的结构类型不一，土的工程性质也不同。程性质也不同。2)土体结构土体结构又称土的构造又称土的构造是指整个土体构成上的不均匀特征的综
47、合，是指整个土体构成上的不均匀特征的综合，包括土体形成的层理、夹层、透镜体、结包括土体形成的层理、夹层、透镜体、结核、组成颗粒大小悬殊等，以及后期改造核、组成颗粒大小悬殊等，以及后期改造过程中产生的节理、裂隙等不连续面在土过程中产生的节理、裂隙等不连续面在土体内的排列、组合特征。也就是指土层的体内的排列、组合特征。也就是指土层的组合和被节理、裂隙等切割后形成的土块组合和被节理、裂隙等切割后形成的土块在土体内的排列、组合方式。土中的层面在土体内的排列、组合方式。土中的层面或结构面是土体单元体或结构面是土体单元体(土体基本组成单位土体基本组成单位)的分界面。的分界面。土体结构是土体结构是土的宏观结
48、构特征土的宏观结构特征。2 2、土的结构连接、土的结构连接 1)土的结构连接的概念土的结构连接的概念组成土的颗粒之间的连结、组合关系通组成土的颗粒之间的连结、组合关系通常称为常称为结构连结结构连结，简称连结。是土的重，简称连结。是土的重要结构特征，决定着土的性质。它直接要结构特征，决定着土的性质。它直接决定着土的强度和稳定性等物理力学性决定着土的强度和稳定性等物理力学性质。质。2)土的结构连接的类型土的结构连接的类型（1）按照土中连结物质的不同，可将土的结）按照土中连结物质的不同，可将土的结构连结分为：构连结分为：结合水连结（水胶连结）结合水连结（水胶连结）通过公共水化膜将通过公共水化膜将颗粒
49、连结在一起。颗粒连结在一起。毛细水连结（水连结）毛细水连结（水连结）土颗粒通过毛细孔隙土颗粒通过毛细孔隙中的毛细压力作用连结在一起。中的毛细压力作用连结在一起。胶结连结胶结连结土粒由某些胶结物质（盐类的结晶）土粒由某些胶结物质（盐类的结晶）胶结起来形成的连结。胶结起来形成的连结。冰连结冰连结孔隙中的水结成冰而将土粒连结在一孔隙中的水结成冰而将土粒连结在一起。是一种暂时性的连结，融化后失去。起。是一种暂时性的连结，融化后失去。无连结无连结粗砂土及砾类土等粗粒土，颗粒之间粗砂土及砾类土等粗粒土，颗粒之间无任何连结力，处于完全松散状态。无任何连结力，处于完全松散状态。（2）按连结力的性质分为：）按连
50、结力的性质分为：化学连结化学连结静电连结静电连结离子离子静电连结静电连结毛细力连结、分子连结毛细力连结、分子连结磁性连结；等磁性连结；等上述连接划分涉及连结的本质。上述连接划分涉及连结的本质。 3 3、土的结构类型、土的结构类型 1)单粒结构单粒结构（1）单粒结构及其基本特征）单粒结构及其基本特征巨粒土和粗粒土通常具有单一颗粒相互堆砌在巨粒土和粗粒土通常具有单一颗粒相互堆砌在一起的一起的单粒结构单粒结构。单粒结构是土颗粒在水中或空气中由于重力作单粒结构是土颗粒在水中或空气中由于重力作用堆积而形成，颗粒粗大，颗粒间的分子引力用堆积而形成，颗粒粗大，颗粒间的分子引力很小，粒间几乎没有连结或连结很微