第1章 土的组成

黏土的电泳和电渗现象(列依斯, 1809)
（3）同晶置换：矿物晶格中高价的阳离子 被低价的离子置换，因而产生过剩的未饱和负电 荷，如硅片中的Si4+被Al3+置换，铝片中的Al3+被 Mg2+置换 ；
（4）边缘断链：理想晶体内部的电荷是平 衡的，但在颗粒的边缘处，产生断裂后，晶体连 续性受到破坏，造成电荷不平衡，因而比表面积 越大，表面能也越大。
200g
10
5 10 2 16 1 18 0.5 24
22
0.25
38
0.075
72
P
筛分法就是用
% 一套孔径(mm)：
95 10、5、2、l、0.5、
87 0.25、0.075的标准
筛子，将烘干且分
78
66
散了的200g有代表性的试样倒入标 准筛内摇振，然后分别称出留在各
55 筛子上的土重，并计算出各粒组的
• 晶层间是O2-对O2-的连结，联结力很 弱，水很容易进入晶层之间。
• 每一颗粒能组叠的晶层数较少。颗粒 大小约为0.1～1m ，厚约0.001～ 0.01m。
• 主要特征：颗粒细微，具有显著的吸 水膨胀、失水收缩的特性，或者说亲
水能力强。
依硅片和铝片组叠形式的不同，可分成如下三种类型：
高岭石 蒙脱石 伊利石
高粒岭 石 径 比表面积 胀缩性 渗透性 强度 压缩性
大
中
10-20m伊2/利g 石80-100m2/g
小
中
大
中
大
中
小
中
蒙脱石
小 蒙 脱 石 800m2/g
大 小 小 大
§1.4 黏土颗粒与水的相互作用
1.4.2 黏土矿物与水的相互作用
1. 黏土的电泳和电渗现象(列依斯, 1809) 放阳极的筒中水位下降，水 逐渐变浑；放阴极的筒中水位逐 渐上升。 黏土颗粒带一定的负电荷， 在电场作用下向阳极移动，称为 电泳；而极性水分子与水中的阳 离子形成水化离子，在电场作用 下这类水化离子向负极移动，称 为电渗。
1.2.1 土粒的粒度成分 1.土粒粒度与粒组 自然界中的土是由大小不同的颗粒组成，土粒的大小称为 粒度，以粒径表示。 为了便于研究，工程上把大小相近的土粒合并为组称为粒 组。
§1.2 土中固体颗粒
各粒组随分界尺寸的不同，物理力学性质呈现 一定质的变化，划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。
§1.2 土中固体颗粒
§1.2 土中固体颗粒
为了定量表示土颗粒的均匀程度和级配 的优劣，取如下的粒径作为特征粒径：
d10 —小于此种粒径的土的质量占总土质 量的10%；
d30 —小于此种粒径的土的质量占总土质
量的30%；
d60 —小于此种粒径的土的质量占总土质
量的60%。
§1.2 土中固体颗粒
确定粒径级配的两个定量指标： 不均匀系数Cu —反映大小不同粒组的分布情况， 即土粒大小或粒度均匀程度。
§1.3 土中水和土中气
1.3.1 土中水 1. 结合水 结合水是指受电分子吸引力吸附于土粒表面的土中水。 结合水按吸附能力分为强结合水和弱结合水。 强结合水是指紧靠土粒表面的结合水膜，没有溶解盐 类的能力，不能传递静水压力，具有抗剪强度。黏性土中 只含有强结合水时，呈固体状态。 弱结合水是紧靠在强结合水的外围而形成的结合水膜， 也不能传递静水压力。当土中含有较多的弱结合水时，土 具有一定的可塑性，对黏性土的黏性特点和工程性质有很 大影响。
黏土的电泳和电渗现象(列依斯, 1809)
研究表明，片状的黏土颗粒表面是由于下列 原因带有负电荷。
（1）离解作用：黏土矿物颗粒与水作用离 解成更微小的颗粒，离解后阳离子扩散到水中。 阴离子留在颗粒表面；
（2）吸附作用：溶于水的微小黏土颗粒把 水分子中的与本身结晶格架相似或相同的离子选 择性地吸附到自己表面；
§1.1 概述
土的三种组成部分本身的性质以及它们之间 的比例关系和相互作用决定土的物理力学性质。 因此，研究土的性质，首先必须研究土的三相组 成。 构成土骨架，起决定作用 次要作用
固相 + 液相 + 气相
重要影响
§1.2 土中固体颗粒
土中固体颗粒是三相组成的主体，其粒度成分、矿物成 分决定着土的工程性质。研究固体颗粒就要分析粒径大小及不 同尺寸颗粒在土中所占比例的百分比，称为土的粒径级配。
• 云母在碱性介质中风化的产物。
• 与蒙脱石相似，由两层硅片夹一层铝 片所形成的三层结构，但晶层之间有 钾离子连结。
• 主要特征：连结强度弱于高岭石而高 于蒙脱石，其特征也介于两者之间。
黏土矿 物的晶 格构造
比表面积 ：单位质量土颗粒所 拥有的总表面积。对于黏性土， 其大小反映土颗粒与四周介质， 特别是水，高相岭互石作用的强烈程伊度利。石
§1.4 黏土颗粒与水的相互作用
2.双电层概念
内电层：土粒表面的负电荷
强结合水
外
电
固定层
层
弱结合水
扩散层
§1.4 黏土颗粒与水的相互作用
扩散层水膜厚度对黏性土的工程性质影响很大， 扩散层厚度大，土的塑性就大，膨胀与收缩性也大。 在实践中利用这个原理改良土质，用三价及二价离 子处理黏土，使扩散层中高价阳离子的浓度增加。 扩散层变薄，从而增加土的强度和稳定性，减少了 膨胀性。例如在处理膨胀土地基时掺入石灰，用石 灰中的钙离子置换土中低价的钠离子。从而减小了 膨胀土的胀缩性。
§1.3 土中水和土中气
2. 自由水 自由水是存在于土粒表面电场影响范围以外的 水，能传递静水压力。按其移动所受作用力的不同， 分为重力水和毛细水。 重力水是存在于地下水位以下的透水土层中的 地下水，它是在重力或水头压力下运动的自由水。 重力水具有溶解能力、能够传递静水压力、对 土粒有浮力作用、其渗流产生动水压力，产生流砂 或管涌，导致渗透破坏。
对级配不连续的土，即级配累计曲线呈台阶
状，仅采用单一指标Cu，则难以有效判定土的级 配好与差。
曲率系数Cc（用以判定土的连续性）Cc＝1～ 3，土的级配连续； Cc＞3或Cc＜1 ，累积曲线明 显弯曲而呈阶梯状，粒度成分不连续，主要由大
颗粒和小颗粒组成，缺少中间颗粒。
Cc
d320 d10 d60
§1.2 土中固体颗粒
36 相对含量，即得土的颗粒级配。
筛分法原理图
§1.2 土中固体颗粒
水分法（比重计法） 利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同
来确定小于某粒径的土粒含量。
§1.2 土中固体颗粒
3.粒度成分分布曲线
粒径(mm)
沉降分析结果
粒径(mm) 0.05 0.01 百分数P(%) 26 13.5
由于粒径土中所含粒组的
黏土的电泳和电渗现象(列依斯, 1809)
在开挖基坑时，流入坑内的地下水和地面水 如不及时排走，会造成土壁塌方，还会影响地基 承载力。因此，要进行基坑降水，保持土体的干 燥。
在土的渗透系数很低（K＜0.1m/d）时，采 用电渗井点降水。以轻型井点或喷射井点的井管 作为阴极，并在其内侧相距1.2m处增设对应的垂 直阳电极，阳极可用钢筋或其他金属材料插入， 通电后土层中的水分子就能迅速渗入井管周围， 经井点管快速排出，地下水位逐渐下降。
§1.2 土中固体颗粒
次生矿物：原生矿物经化学风化后所形成的新
的矿物，成分与母岩成分完全不同。土中的次生矿
物主要是黏土矿物，此外还有无定形氧化物胶体和
可溶盐类。
性质较不稳定，具有较强的亲
水性，遇水易膨胀的特点。颗粒较细，多呈针状、
片状、扁平状。
有机质：微生物参与风化过程，在土中产生有
机质成分，一般以腐殖质为主，具有比黏土矿物更
因此，在完全浸没或完全干燥条件下，弯液面消失， 毛细力变为零，则就不存在假黏聚力。
§1.3 土中水和土中气
土的毛细现象对工程建筑的影响 （1）建筑物地基冻害
地基冻结→冻胀力 地基冻融→融陷 （2）建筑物地下结构侧壁过分潮湿 （3）建筑物地下钢筋混凝土结构侵蚀 （4）引起沼泽化 （5）引起盐渍化
§1.3 土中水和土中气
§1.3 土中水和土中气
毛细水是存在于地下水位以上，受到水与空气交界 面处表面张力作用的自由水。毛细水存在于直径0.002～ 0.5mm孔隙中，砂土、粉土和粉质黏土中毛细水含量较 大。
在水、气界面上，由于弯液面表面张力的存在，以 及水与土粒表面的浸润作用，孔隙水压力小于孔隙内的 大气压力。于是，沿着毛细弯液面的切线方向，将产生 迫使相邻土粒挤紧的压力，即毛细压力。由毛细压力所 造成无黏性土间的连结力，称为假黏聚力。
2. 粒度成分分析试验 粒度成分（颗粒级配）是指土中各种不同 粒组的相对含量（以干土质量的百分比表示）。 为了解各粒组的相对含量，必须先将各粒 组分离开，再分别称重。这就是粒径级配的分 析方法。 筛分法：适用于粒径大于0.075mm的土粒。 水分法：适用于粒径小于0.075mm的土粒。
§1.2 Leabharlann 中固体颗粒固体颗粒矿物成分
§1.2 土中固体颗粒
矿物成分取决于母岩的矿物成分和风化作用。 原生矿物：岩浆在冷凝过程中形成的矿物，常 见的如石英、云母、长石等。原生矿物颗粒是原岩 经物理风化形成的，其物理化学性质较稳定，成分 与母岩完全相同。一般颗粒较粗，呈粒状、椭圆状、 浑圆状、棱角状等。 由原生矿物组成的土，若级配好，则具有密度 大、强度高、压缩性低的特点。
• 晶层间通过氢键联结，联结力强，晶 格不能自由活动，水难以进入晶格间
• 能组叠很多晶层，多达百个以上，成 为一个颗粒。颗粒长宽约0.3-3m， 厚约0.03-1m。
• 主要特征：颗粒较粗，不容易吸水膨 胀和失水收缩，或者说亲水能力差。
依硅片和铝片组叠形式的不同，可分成如下三种类型：
高岭石 蒙脱石 伊利石
§1.4 黏土颗粒与水的相互作用