土的物质组成
土的物质组成及土水相互作用
第2章土的物质组成及土水相互作用2.1 概述土是自然界中性质最为复杂多变的物质。
土的物质成分起源于岩石的风化（物理风化和化学风化）。
地壳表层的坚硬岩石，在长期的风化、剥蚀等外力作用下，破碎成大小不等的颗粒，这些颗粒在各种形式的外力作用下，被搬运到适当的环境里沉积下来，就形成了土。
初期形成的土是松散的，颗粒之间没有任何联系。
随着沉积物逐渐增厚，产生上覆土层压力，使得较早沉积的颗粒排列渐趋稳定，颗粒之间由于长期的接触产生了一些胶结，加之沉积区气候干湿循环、冷热交替的持续影响，最终形成了具有某种结构连结的地质体（工程地质学中称为土体），并通常以成层的形式（土层）广泛覆盖于前第四纪坚硬的岩层（岩体）之上。
天然形成的土通常由固体颗粒、液体水和气体三个部分（俗称三相）组成。
固体颗粒是土的最主要物质成分，由许多大小不等、形态各异的矿物颗粒按照各种不同的排列方式组合在一起，构成土的骨架，亦称土粒。
天然土体中土粒的粒径分布范围极广，不同土粒的矿物成分和化学成分也不一样，其差别主要由形成土的母岩成分及搬运过程中所遭受的地质引力所控制。
土是松散沉积物，土粒间存在孔隙，通常由液体的水溶液和气体充填。
天然土体孔隙中的水并非纯水，其中溶解有多种类型和数量不等的离子或化合物（电解质）。
若将土中水作为纯净的水看待，根据土粒对极性水分子吸引力的大小，则吸附在土粒表面的水有结合水和非结合水之分。
对于非饱和土而言，孔隙中的气体通常为空气。
土的上述三个基本组成部分不是彼此孤立地、机械地混合在一起，而是相互联系、相互作用，共同形成土的基本特性。
特别是细小的土粒具有较大的表面能量，它们与土中水相互作用，由此产生一系列表面物理化学现象，直接影响着土性质的形成和变化。
土的结构这一术语主要用于从微观的尺度描述土粒的排列组合和粒间连结，而土的构造则从宏观上反映了不同土层（包括夹层）的空间组合特征。
土的成分和结构共同决定了土的工程性质。
本章关于土的物质组成、土水相互作用和土的结构构造的阐述，构成了土质学的主要研究内容。
土的物质组成和结构
⼟的物质组成和结构第⼀章⼟的物质组成和结构第⼀节⼟的形成⼀、⼟和⼟体的概念1．⼟(soil)地球表⾯30－80km厚的范围是地壳。
地壳中原来整体坚硬的岩⽯，经风化、剥蚀搬运、沉积，形成固体矿物、⽔和⽓体的集合体称为⼟。
⼟是由固体相、液相、⽓体三相物质组成；或⼟是由固体相、液体相、⽓体相和有机质（腐殖质）相四相物质组成。
不同的风化作⽤，形成不同性质的⼟。
风化作⽤有下列三种：物理风化、化学风化、⽣物风化。
2．“⼟体”(soil mass)⼟体不是⼀般⼟层的组合体，⽽是与⼯程建筑的稳定、变形有关的⼟层的组合体。
⼟体是由厚薄不等，性质各异的若⼲⼟层，以特定的上、下次序组合在⼀起的。
⼆、⼟和⼟体的形成和演变地壳表⾯⼴泛分布着的⼟体是完整坚硬的岩⽯经过风化、剥蚀等外⼒作⽤⽽⽡解的碎块或矿物颗粒，再经⽔流、风⼒或重⼒作⽤、冰川作⽤搬运在适当的条件下沉积成各种类型的⼟体。
再搬运过程中，由于形成⼟的母岩成分的差异、颗粒⼤⼩、形态，矿物成分⼜进⼀步发⽣变化，并在搬运及沉积过程中由于分选作⽤形成在成分、结构、构造和性质上有规律的变化。
⼟体沉积后：a.将经过⽣物化学及物理化学变化，即成壤作⽤，形成⼟壤（1）靠近地表的⼟体b. 未形成⼟壤的⼟，继续受到风化、剥蚀、侵蚀⽽再破碎、再搬运、再沉积等地质作⽤。
（2）时代较⽼的⼟，在上覆沉积物的⾃重压⼒及地下⽔的作⽤下，经受成岩作⽤，逐渐固结成岩，强度增⾼，成为“母岩”。
总之，⼟体的形成和演化过程，就是⼟的性质和变化过程，由于不同的作⽤处于不同的作⽤阶段，⼟体就表现出不同的特点。
三、⼟的基本特征及主要成因类型（⼀）⼟的基本特征从⼯程地质观点分析，⼟有以下共同的基本特征：1．⼟是⾃然历史的产物⼟是由许多矿物⾃然结合⽽成的。
它在⼀定的地质历史时期内，经过各种复杂的⾃然因素作⽤后形成各类⼟的形成时间、地点、环境以及⽅式不同，各种矿物在质量、数量和空间排列上都有⼀定的差异，其⼯程地质性质也就有所不同。
土的物质组成与结构(精)
2. 确定相应于某一累积百分含量的粒径
有效粒径（d10）：小于某粒径的土粒质量累计百分数 为10％时，相应的粒径称为有效粒径（d10）。
平均粒径d50）：系指土中大于此粒径和小于此粒径的 土的含量均占50％
限制粒径（d60）或称限定粒径（d60）：当小于某粒径 的土粒质量累计百分数为60％时，该粒径称为控制粒径。
d30：小于某粒径的土粒质量累计百分数为30％时的粒 径用d30表示。
3. 不均匀系数的确定
定义土的不均匀系数为： Cu d60
d10
不均匀系数反映大小不同粒组的分布情况。越大表示 土粒大小的分布范围越大，颗粒大小越不均匀，其级 配越良好，作为填方工程的土料时，则比较容易获得 较大的密实度。
三、有机质
有机质是土中动植物残骸在微生物作用下 分解形成的产物。
它可分为两类：
—类是分解不完全的植物及各种生物有机体的残骸； 泥炭、淤泥
另一类是分解完全的腐殖质。
特点：
有机质亲水性强，当土中有机质含量增多时，土的 可塑性和压缩性增大，强度降低，对工程建筑不利。 是有害成分！
次粘 生土 矿矿 物物
高岭土 伊利石 蒙脱石
倍半氧化物 （Al2O3 - Fe2O3）
难溶盐 （CaCO3，MgCO3）
腐殖质
第三节 土中的水
一、土中水的基本类型与特征
水是土的基本组成部分之一，它在土中以不同 形式和不同状态存在，不同的水对土的工程地 质性质影响是不同的。
土中水的分类
（一）矿物矿物中的结合水
定义土的粒径级配累积曲线的曲率系数为：
Cc
d
2 30
d60 d10
第二章 土壤的基本物质组成
母质
土壤的形成
土壤的形成是风化作用和成土作用共同 作用的结果。
只有在生物特别是高等绿色植物出现 后，不仅大大加速了风化作用，而且能累积 养分，促进肥力的发展，生物的出现标志着 成土过程的开始。
土壤的形成是多种因素综合作用的结果。
19世纪俄国土壤学家B.B.道库恰耶夫，总结
认为成土因素主要有五个： 母质、气候、
物理风化
岩石风化
（2）化学风化
岩石在水、水溶液和空气中氧、CO2等作 用下由于溶解、水化、水解、碳酸化以及氧 化等作用下发生成分和性质变化的风化作用， 称为化学风化。
主要包括：溶解作用、水解作用、水化作用、 氧化作用等。 其中水解作用能使岩石中的矿物发生彻底分解， 引起岩石内部矿物组成和性质的彻底改变，所以水 解作用被认为是化学风化中最主要的作用。
动物：土壤中的动物从微小的原生动物到高 等脊椎动物在土壤中都有独特的生活方式， 它们参与了一些有机残体的分解破碎作用以 及搬运、疏松土壤和母质的作用，某些动物 还参与土壤结构的形成，有的脊椎动物能够 翻动土壤，改变土壤的剖面层次。
微生物：土壤中的微生物种类多、数量大， 在土壤形成中一方面能促进有机体分解；另 一方面又合成腐殖质，其后再进行分解，这 样就形成了土壤物质的循环。 另外，固氮菌能固定空气中的氮素，有的细 菌能促进矿物的分解、增加养分的有效性。
土壤矿物质是地壳中的化学元素在各种地质
作用下形成的自然产物，是岩石的组成单位 ，约 3000多种。
按照矿物的起源可分为：
原生矿物：在风化过程中没有改变化学组 成而遗留在土壤中的一类矿物。 次生矿物：原生矿物在风化和成土作用下， 新形成的矿物。
成土矿物
4.1 土的组成
为60％时，该粒径称为限定粒径d60。
➢不均匀系数Cu：d60与d10之比值反映颗粒级配的不
均匀程度，称为不均匀系数Cu： Cu愈大，表示土粒愈不均匀；
Cu
=
d 60 d10
工程上把Cu＜5的土看作是级配不良的土；
Cu＞10的土则视为级配良好的土。
二、固体颗粒
6. 表征土粒特征的概念
➢ 曲率系数（Cc）：用于来说明累积曲线的弯曲情况，
从而分析评述土粒度成分的组合特征：
Cc
=
d320 d10 d 60
式中d10，d60的意义同上，d30为相应累积含量为30％ 的粒径值。
Cc值在1～3之间的土级配较好。Cc＜1或Cc＞3的土，
累积曲线都明显弯曲（凹面朝下或朝上）而呈阶梯状，粒
度成分不连续，主要由大颗粒和小颗粒组成，缺少中间颗源自粒。变形。二、固体颗粒
4. 粒度成分对土工程性质影响的实质
➢ 1）组成土的颗粒大小不同，土的比表面不同，则土 粒与水（或气）作用的表面能大小不同。因此，不同 大小颗粒与水（或气）相互作用的程度，以至含水的 种类、性质和数量不同。 ➢ 土的比表面一般用单位体积所有土粒的总表面积表 示。由于土粒大小不同而造成比表面数值上的巨大变 化，必然导致土的性质的突变。 ➢ 2）天然土中不同大小颗粒的组成矿物类型不同，直 接影响土的工程特性。
➢比表面：单位体积所具有的土粒的总表面积。
二、固体颗粒
2. 土的粒组划分标准
➢ 工程上粒组的划分要保证： 同一粒组中土粒的工程性质：相近； 相近且与相邻粒组土粒的性质：有明显差别。
➢ 划分方法不完全一致，一般采用的粒组划分及各粒 组土粒的性质特征见下表。表中根据界限粒径200、 20、2、0.075和0.005mm把土粒分为六大粒组：
土壤基本物质组成土壤矿物质
土壤基本物质组成土壤矿物质
石 英 SiO2
不易分化，使土壤中砂粒的主要来源
返回
土壤基本物质组成土壤矿物质
正长石 KAlSi3O8
斜长石
Na（AlSi3O8）·CaAl2Si2O8）
较易风化，风化后产生高岭土、二氧化硅和盐基物质， 正长石含钾较多， 是土壤中钾素和粘粒的主要来源
土壤基本物质组成土壤矿物质
土壤基本物质组成土壤矿物质
共性：没有碎屑的块状构造；没有规则的层次排列；不含化石。 例如: 玄武岩、石英、花岗岩、正长岩
花岗岩 喷出性岩浆岩
玄武岩
侵入性岩浆岩土壤基本物质组成土壤矿物质
（2)沉积岩
又称次生岩，是裸露于地表的各种类型的岩石经风 化作用而破坏，经各种地质动力作用搬运后沉积，再 经压力胶结作用重新固结成岩，也有由生物遗体、残 骸堆积沉积而成。
变质岩
土壤基本物质组成土壤矿物质
土壤基本物质组成土壤矿物质
3.岩石的风化
岩石的风化作用：岩石在地表受到种种外力作用，逐 渐破碎成为疏松物质，这一过程叫做风化作用。所产 生的疏松物质就是土壤母质。
土壤基本物质组成土壤矿物质
风化作用的类型
A. 物理风化作用
指使岩石产生物理变化而成为碎屑状态的过程，特点是成 分未变。 1、主要是温度引起岩石的热力学变化--昼夜温差、冻结。 2、盐类结晶的裂胀作用、流水冲刷和磨蚀、风砂磨蚀
返回
土壤基本物质组成土壤矿物质
橄揽石（Mg，Fe）2SiO4
易风化，风化后形成蛇纹石
返回
土壤基本物质组成土壤矿物质
方解石 CaCO3
土的物质组成与结构构造
〔一〕原生矿物
土中的原生矿物是岩石风化过程中的产物， 保持了母岩的矿物成分和晶体结构，常见的如 石英、长石、角闪石、云母等。这些矿物是组 成土中卵石、砾石、砂粒和某些粉粒的主要成11
原生矿物的主要特点是： 颗粒粗大，物理、化学性质比较稳定，抗水性和
抗风化能力较强，亲水性弱或较弱。它们对土的工程 性质的影响比其它几种矿物要小得多，主要差异表现 在颗粒形状、坚硬程度和抗风化稳定性等几方面。
8
①不均匀系数定义为〔Cu〕 ②曲率系数定义为〔Cc〕
Cu
d 60 d 10
C
d2 30
c dd
10 60
式中：
d60—限定粒径。当小于某粒径的土粒质量累计 百分数为 60%时，相应的粒径称为d60 。 d10—有效粒径。当小于某粒径的土粒质量累计 百分数为10%时，相应的粒径称为d10。 d30—当小于某粒径的土粒质量累计百分数为 30%时的粒径用d30表示。
状构造中，因裂隙强度低、渗透性大，工程性质
差。
b2
33
对于级配良好〔 Cｕ>5，且Cc=1-3)的土，较 粗颗粒间的孔隙被较细的颗粒所填充，因而土的 密实度较好，相应的地基土的强度和稳定性也较 好．透水性和压缩性也较小，可用作堤坝或其它 土建工程的填方土料。
10
第三节 土的矿物成分和化学成分
一 土的矿物成分
土中的固体颗粒是由矿物构成的。按其成 因和成分可分为原生矿物、次生矿物、有机质
例如，分别由石英和云母类矿物组成的土，尽管 土的粒度成分和密实度相同。但由于石英的坚硬程度、 抗风化能力远大于云母，故主要由石英颗粒组成的土， 其强度将远大于由云母颗粒组成〔或含云母较多〕的 土，其变形相应也小得多。
12
土壤的结构组成
土壤的结构组成
土壤的结构组成包括：
1. 矿质颗粒：主要由砂、粉砂、粘土和漂砾等颗粒组成。
矿质颗粒的大小和比例决定了土壤的质地，影响其透水性和透气性。
2. 有机物质：主要由植物残体和动物残体分解而来，包括有机质和腐殖质。
有机物质能增加土壤保水能力、改善土壤结构、提供养分等。
3. 水分：土壤中的水分主要存在于微孔隙和粘结水中。
合适的水分含量对于植物生长非常重要。
4. 空气：空气存在于土壤微孔隙内。
土壤中的空气对于植物根系通气和微生物活动至关重要。
5. 微生物：土壤中存在大量的微生物，如细菌、真菌和原生动物等。
微生物的存在对于土壤的生物化学循环、有机物分解和养分转化起重要作用。
6. 土壤生物：包括土壤动物和植物根系。
土壤动物包括蚯蚓、昆虫、螨类等，它们的活动能改善土壤结构和模糊土壤中的养分。
植物根系能固定土壤、增加土壤的稳定性，以及吸收水分和养分。
这些组成部分相互作用形成了土壤的复杂结构，影响着土壤的物理性质、化学性质和生物性质。
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100
10
95
16
87 筛 18 78 分 24 66 法
22 55
38 36
72
静水沉降 法
小于某粒径之土质量百分数P（％） 10 5.0 1.0 0.5 0.10 0.05 0.01 0.005 0.001
100
90
土的累积曲线
80
70
60
50
40
30
20
10
0
粒径(mm)
粒径(mm) 0.05 0.01 百分数P(%) 26 13.5
80 70
表示，Cu 5，称为不均
60
匀土，反之称为均匀土
50
40
连续程度: 用曲率系数
30
Cc = d302 / (d60 ×d10 )
20 10
度量, Cc=1~3为连续级
0
配, >3或<1为不连续级配
d60 d50 d30
d10
粒径(mm)
粒组含量用于土的分类定名； 不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度：
Cu 5为不均匀土； Cu 5为 均匀土
曲率系数Cc用于判定土的连续程度：
Cc =1~3为级配连续土；Cc>3 或 Cc<1为级配不连续土
不均匀系数Cu和曲率系数Cc 用于判定土的级配优劣：
Cu 5且 Cc=1t;1为 级配 不良的土
3.土的粒度成分分类
第一章 土的物质组成与结构构造
一、土和土体的概念
1. 土：分布在地壳表层。是岩石在漫长的地质作用过程中形成的，具有一
定的矿物成分的松散物质。
风化、剥蚀、搬运、沉积
岩石
胶结、地质成岩作用
土
2.土层：由于沉积间断，使土呈层状分布，这层状分布的土，叫土层。 3.土体：是指由性质各异、厚度不等的若干土层组成的，并与建筑物
中砂
粒径d>0.25mm的土粒含量>50%
细砂
粒径d>0.075mm的土粒含量>85%
粉砂
粒径d>0.075mm的土粒含量>50%
三、土中矿物成分
原生矿物 - 石英、长石、云母等
固体成分
矿物质 次生矿物
有机质
可溶盐 无定形氧化物胶体 粘土矿物
具有和原生矿物很不相同的特性 对粘土性质的影响很大
亲水性强，强度低
的稳定、变形有关的土层组合体。也称建筑地基土体、工程土体。
固体颗粒
土中水 土中气体
固相
液相 气相
构成土体骨架 起决定作用
重要影响
次要作用
饱和土 ：土体孔隙完全被水充满 干 土 ：土体孔隙完全被气充满 非饱和土：孔隙中水和气均存在
土体的三相构成
二、土的粒度成分（土的颗粒级配）
• 粒组 按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类 • 界限粒径（关键点）
0.005 10
斜率: 某粒径范围内颗 粒的含量
陡-相应粒组含量多 缓-相应粒组含量少 平台-相应粒组缺乏
特征粒径: d50 : 平均粒径 d60 : 控制粒径 d10 : 有效粒径 d30
小于某粒径之土质量百分数（％） 10 5.0 1.0 0.5 0.10 0.05 0.01 0.005 0.001
漂石 (( 块石) 粒 卵石 (碎石) 粒
砾粒 粗砾 细砾
砂粒
粉粒 粘粒
d>200 200≥d>60
60≥d>20 20≥d>2 2≥d>0.075
0.075≥d>0.005 d≥0.005
土的分类
首先根据巨、粗、细三大粒组的含量分为四大类，即： 1）巨粒土：
巨粒组(d>60mm)含量>50%的土为巨粒土。又细分 为漂石、卵石、混合土漂石、混合土卵石四类；表1-3 2）巨粒混合土： 巨粒组含量为15%-50%的土为巨粒混合土。又细分为
粒组含量 粒径d>200mm的土粒含量>50% 粒径d>20mm的土粒含量>50%
粒径d>2mm的土粒含量>50%
2、砂土:
为粒径d>2mm的土粒含量<50%，而粒径d>0.075mm的土 粒含量>50%的土。
再按下表细分： 土的名称
粒组含量
砾砂
粒径d>2mm的土粒含量在25—50%
粗砂
粒径d>0.5mm的土粒含量>50%
土的累积曲线
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10 0
d60 d50 d30
d10
粒径(mm)
小于某粒径之土质量百分数（％） 10 5.0 1.0 0.5 0.10 0.05 0.01 0.005 0.001
土的粗细度：用d50 表示
土的累积曲线
100
土的不均匀程度：用不
90
均匀系数： Cu = d60 / d10
分类国标有两类：
1、《土的分类标准》 2、《岩土工程勘察规范》中的分类标准
1)《土的分类标准》中的方法：
1990年12月颁布GBJ145-90。
主要包括以下几部分： 粒组划分方案； 土的分类； 土的简易鉴定、描述、分类等等。
粒组划分（表1-1)
粒组统称
粒组名称
粒径范围 (( mm) )d
巨粒 粗粒 细粒
2)《岩土工程勘察规范》中的分类标准
首先粒度成分将土分为四大类， 即：碎石土、砂土、粉土和粘性土
然后在大类下再细分
1、碎石土: 为粒径d>2mm的土粒含量>50%的土。
再按下表细分：
土的 名称 漂石 块石 卵石 砾石 圆砾 角砾
颗粒形状
圆、次圆为主 棱角为主
圆、次圆为主 棱角为主
圆、次圆为主 棱角为主
2.矿物成分与粒组的关系 两者的关系与土的成因有关
3.粘土矿物的结构及对工程性质的影响
粘土矿物是一种复合的铝-硅盐晶体，颗粒呈片状，是由硅 片和铝片构成的晶包所组叠而成，可分成高岭石、伊利石和 蒙特石三种类型。
漂石混合土、卵石混合土二类；表1-3
巨粒土
>50%
3）粗粒土： 粗粒组d=0.075-60mm含量>50%的土为粗粒土。 砾类土分为3类；表1-4 砂类土分为3类；表1-5
4）细粒土： 细粒组d≤0.005含量≥50%的土为细粒土。
又分为细粒土和含粗粒的细粒土两类 另外，土中含部分有机质的称为有机质土。
质量百分数来表示（各粒组占土粒总质量的百分数）
分析方法——颗粒分析：
• 筛分法：适用于粗粒土 孔径大小不同的筛子 • 静水沉降法：适用于细粒土 常采用密度计法
表述方法: 累积曲线
§1.2 土的三相组成 – 固体颗粒
孔径
10 5.0 2.0 1.0 0.5 0.25 0.1 (0.075)
200g筛土余 P
巨粒
d
(mm)
60
0.075
粗粒
细粒
砾粒
砂粒 粉粒 粘粒
粗 中 细 粗 中细
20
60
5
2
0.5 0.25
0.075
0.005
粗粒土：以砾石和砂砾为主要组成的土，也称无粘性土。
细粒土：以粉粒、粘粒为主要组成的土，也称粘性土。
2、粒度成分（颗粒级配）的分析方法及表示法
粒度成分（颗粒级配） ：各粒组的相对含量，用