§2.2土的三相组成及土的结构 一、土的固相 (一)、土的矿物成分 土粒的矿旷物成分不同、粗细不同、形状不同、土的性质也不同。 矿物成分(1)成土母岩的成分 (2)所经受的风化作用①物理风化一一原生矿物（化学成分无变化》 ②化学风化一一次生矿物（化学成分变化） 原生矿物：岩浆在冷凝过程中形成的矿物，其成分与母岩相同，颗粒大，比 表面积小（单位体积内颗粒的总表面积），与水的作用能力弱，抗 水性和抗风化作用强，工程性质较稳定。石英、长石、云母。 次生矿物：原生矿物经化学风化作用后形成的新的矿物，颗粒细小，呈片状， 比表面积大，与水的作用能力强。 (1)三大黏土矿物 ①高岭石（土）：颗粒相对较大，亲水性较弱，晶体结构较稳定 ②伊利石（土）：介于两者之间，较接近蒙脱石 ③蒙脱石（土）：透水性小，多个晶体层结构不稳定、颗粒最小、亲水性 (2)水溶盐①难溶：石灰石CaC0 ②中溶：石膏CaS0.2H.0 ③易溶：NaCl、KC1、CaCl2:K、Na的S0,、C0,盐 土中的有机质一一亲水性强，压缩性大，强度低 (二)土粒粒组 粒度：土粒的大小 粒组：按土颗粒粒径(d)大小将土颗粒分组。 界限粒径：划分粒组的分界尺寸。 土的粒组了巨粒：>60mm 粗粒：0.07560mm C细粒：≤0.075mm (三)颗粒分析试验 方法：(1)筛分法：适用60一0.075m的粗粒土（风干且分散的有代表性的试样） (2)沉降分析法：适用小于0.075m的细粒土：理论基础是司笃克斯定律， 即球状的细颗粒在水中的下沉速度与颗粒直径的平方
§2.2 土的三相组成及土的结构 一、土的固相 （一）、土的矿物成分 土粒的矿物成分不同、粗细不同、形状不同、土的性质也不同。 矿物成分（1）成土母岩的成分 （2）所经受的风化作用①物理风化——原生矿物（化学成分无变化） ②化学风化——次生矿物（化学成分变化） 原生矿物：岩浆在冷凝过程中形成的矿物，其成分与母岩相同，颗粒大，比 表面积小(单位体积内颗粒的总表面积)，与水的作用能力弱，抗 水性和抗风化作用强，工程性质较稳定。石英、长石、云母。 次生矿物：原生矿物经化学风化作用后形成的新的矿物，颗粒细小，呈片状， 比表面积大，与水的作用能力强。 （1） 三大黏土矿物 ①高岭石（土）：颗粒相对较大，亲水性较弱，晶体结构较稳定 ②伊利石（土）：介于两者之间，较接近蒙脱石 ③蒙脱石（土）：透水性小，多个晶体层结构不稳定、颗粒最小、亲水性 （2）水溶盐①难溶：石灰石 CaCO3 ②中溶：石膏 CaSO4.2H2O ③易溶：NaCl、 KCl 、CaCl2 ； K 、Na 的 SO4 2-、CO3 2-盐 土中的有机质——亲水性强，压缩性大，强度低 （二）土粒粒组 粒度：土粒的大小。 粒组：按土颗粒粒径（d）大小将土颗粒分组。 界限粒径：划分粒组的分界尺寸。 土的粒组 巨粒：>60mm 粗粒：0.075～60mm 细粒：≤0.075mm （三）颗粒分析试验 方法：（1）筛分法：适用 60—0.075mm 的粗粒土(风干且分散的有代表性的试样) （2）沉降分析法：适用小于 0.075mm 的细粒土；理论基础是司笃克斯定律, 即球状的细颗粒在水中的下沉速度与颗粒直径的平方
成正比。 密度计法：将悬液搅拌均匀后，放入密度计（比重计），隔不同时间测读密度 计读数和悬浮液表面到浮泡中心处的沉降距离。 ,移液管法：按规定时间把土样吸出，然后烘干土样，记录留下来的土颗粒质量。 表11 土的粒组 粒 粒径范《 粒组 漂石（块石）粒 2阅 那石〔鲜石)粒 200一60 粗际粒 60一20 细酥粒 202 粗粒组 相砂拉 20.5 砂粒 中砂毅 0.5-0.25 细粒 25 0.0750.00 粒 0.005-0.00 粒 <0.002 (四)土的颗粒级配 (1)颗粒级配曲线 根据颗粒大小分析试验结果，可以绘制颗粒级配累积曲线（横坐标为粒径 用对数坐标表示：纵坐标为小于某粒径的土重含量，用常数坐标表示)。 (2)级配良好与否的判别 定性判别 (1)坡度渐变 大小连续一 一连续级配 (级配曲线) (2)水平段（台阶） 一一缺乏某些粒径 一不连续级配 (3)曲线形状平缓一一粒径变化范围大一一不均匀一一良好 ((4)曲线形状较陡一一变化范围小一一均匀一一不良 定量别了1)不匀系数C,C一是 (2)曲率系数C。= % (d60一小于某粒径的土粒质量占土总质量60%的粒径，称限定粒径。 d1。一小于某粒径的土粒质量占土总质量10%的粒径，称有效粒径。 Cd0-小于某粒径的土粒质量占土总质量30%的粒径，称中值粒径。 二、土的液相 (一)土中水的存在状态
成正比。 密度计法：将悬液搅拌均匀后，放入密度计（比重计），隔不同时间测读密度 计读数和悬浮液表面到浮泡中心处的沉降距离。 移液管法：按规定时间把土样吸出，然后烘干土样，记录留下来的土颗粒质量。 （四）土的颗粒级配 （1）颗粒级配曲线 根据颗粒大小分析试验结果，可以绘制颗粒级配累积曲线（横坐标为粒径， 用对数坐标表示；纵坐标为小于某粒径的土重含量，用常数坐标表示）。 （2）级配良好与否的判别 定性判别 （1）坡度渐变——大小连续——连续级配 （级配曲线） （2）水平段（台阶）——缺乏某些粒径——不连续级配 （3）曲线形状平缓——粒径变化范围大——不均匀——良好 （4）曲线形状较陡——变化范围小——均匀——不良 定量判别 （1）不均匀系数 10 60 d d Cu = 10 60 d d Cu = （2）曲率系数 60 10 2 30 d d d Cc = 60 d — 小于某粒径的土粒质量占土总质量 60%的粒径，称限定粒径。 10 d — 小于某粒径的土粒质量占土总质量 10%的粒径，称有效粒径。 30 d — 小于某粒径的土粒质量占土总质量 30%的粒径，称中值粒径。 二、土的液相 （一）土中水的存在状态
,固态水：又称矿物内部结晶水或内部结合水，是指存在于土粒矿物的晶体格架 内部或是参与矿物构造的水。 液态水：分为结合水和自由水。 气态水：土中气的一部分。 自由水：是指存在于土粒表面电场影响范围以外的土中水。性质和普通水一样， 能传递静水压力，冰点为0℃，有溶解盐类的能力。分为毛细水和重 力水。 ,结合水：是指水受电分子吸引力作用吸附于土粒表面的土中水。分为强结合水 和弱结合水。 强结合水：紧靠土粒表面，性质接近于固体，密度为1.2~1.4gcm3,冰点为 -8℃，不传递静水压力，具有极大的粘滞度、弹性和抗剪强度。 ~弱结合水：在强结合水以外，电场作用范围以内，电场作用力随远离颗粒而减 弱，是一种粘滞水膜，受力时能由水膜较厚处缓慢转移到水膜较薄 处：能产生变形，但不因重力作用而流动，与土的可塑性、土的冻 胀有关。 「重力水：存在于地下水位以下，土颗粒电分子引力范围以外的水，在重力作用 下运动。 毛细水：受到水与空气交界面处表面张力的作用、存在于地下水位以上的透水 层中自由水。 (二)粘土颗粒与水的相互作用 (1)粘土颗粒表面的带电现象 粘土颗粒带有负电荷。 电泳：固体颗粒在直流电作用下向某一电极移动的现象。 电渗：水分子向相反电极移动的现象。工程的电渗排水法 (2)双电层与扩散层概念 ,固定层：在最靠近土粒表面处，静电引力最强，把水化离子和极性水分子牢固 地吸附在颗粒表面上而形成。 扩散层：在固定层外围，静电引力比较小，因此水化离子和极性水分子的活动 性比固定层中大些而形成。 固定层和扩散层中所含的阳离子与土粒表面的负电荷的电位相反，称为反离 子，两者合称反离子层。 双电层：反离子层和土粒表面负电荷一起构成。 (3)毛细水 毛细水：是受水与空气界面的表面张力作用而存在于细孔隙中的自由水
固态水：又称矿物内部结晶水或内部结合水，是指存在于土粒矿物的晶体格架 内部或是参与矿物构造的水。 液态水：分为结合水和自由水。 气态水：土中气的一部分。 自由水：是指存在于土粒表面电场影响范围以外的土中水。性质和普通水一样， 能传递静水压力，冰点为 0℃，有溶解盐类的能力。分为毛细水和重 力水。 结合水：是指水受电分子吸引力作用吸附于土粒表面的土中水。分为强结合水 和弱结合水。 强结合水：紧靠土粒表面，性质接近于固体，密度为 1.2～1.4g/cm3,冰点为 -78℃，不传递静水压力，具有极大的粘滞度、弹性和抗剪强度。 弱结合水：在强结合水以外，电场作用范围以内，电场作用力随远离颗粒而减 弱，是一种粘滞水膜，受力时能由水膜较厚处缓慢转移到水膜较薄 处；能产生变形，但不因重力作用而流动，与土的可塑性、土的冻 胀有关。 重力水：存在于地下水位以下，土颗粒电分子引力范围以外的水，在重力作用 下运动。 毛细水：受到水与空气交界面处表面张力的作用、存在于地下水位以上的透水 层中自由水。 （二）粘土颗粒与水的相互作用 （1）粘土颗粒表面的带电现象 粘土颗粒带有负电荷。 电泳：固体颗粒在直流电作用下向某一电极移动的现象。 电渗：水分子向相反电极移动的现象。工程的电渗排水法。 （2）双电层与扩散层概念 固定层：在最靠近土粒表面处，静电引力最强，把水化离子和极性水分子牢固 地吸附在颗粒表面上而形成。 扩散层：在固定层外围，静电引力比较小，因此水化离子和极性水分子的活动 性比固定层中大些而形成。 固定层和扩散层中所含的阳离子与土粒表面的负电荷的电位相反，称为反离 子，两者合称反离子层。 双电层：反离子层和土粒表面负电荷一起构成。 （3）毛细水 毛细水：是受水与空气界面的表面张力作用而存在于细孔隙中的自由水
毛细现象：毛细水沿着细的孔隙向上及向其它方向移动的现象。 造成：「地下室过分潮湿： 引起路基冻害： (引起土的沼泽化和盐渍化。 毛细水上升高度：在实际工程中，可通过实地调查、观测、当地的经验或经验公 式计算。 经验认为：「碎石土无毛细现象 砂土上升高度0.2-0.3米 粉土上升高度0.91.5米 毛细压力（毛细粘聚力或粘聚力）：在水和空气分界面上产生的表面张力总是沿 着弯液面切线方向作用的，它促使两个颗粒互相靠拢，在土粒的接触面 上产生了的压力。 (4)土的冻胀 陈胀：当大气负温传入土中时，土中的自由水首先冻结成冰晶体，随着气温的继 续下降，弱结合水的最外层也开始冻结，使冰品体逐渐扩大：另一方面， 结合水膜的减薄，使得水膜中的离子浓度增加，土粒就产生了渗透压力。 在这两种引力作用下，未冻结区的水分（弱结合水和自由水）就会不断地向 冻结区迁移和积聚，使冰晶体不断扩大，在土层中形成冰夹层，土体随之发生隆 起，即冻胀现象。 影响冻胀的因素： 土的因素：细粒土（粉砂、粉士、粉质粘土和粉质亚砂土）冻胀现象严重。由于 具有显著的毛细现象，毛细水上升高度大，上升速度快，具有较通畅 的水源补给通道：土颗粒细，比表能大，土的矿物成分亲水性强，有 较多的结合水。粘土虽有较厚的结合水膜，但毛细孔隙小，水分迁移 阻力大，冻胀性小。 水的因素：冻结区附近地下水位较高，毛细水上升高度能够达到或接近冻结线， 使冻结区能得到外部水源的补给，冻胀现象严重。 「开敞型冻胀：冻结过程中有水源补给，冻胀强。 (封闭型冻胀：冻结过程中无水源补给，冻胀弱。 温度的因素：当气温骤降且冷却强度很大时，土的冻结面迅速向下推移，即冻 结速度快，此时，土中弱结合水来不及向冻结区迁移就在原地冻 结成冰，毛细通道被晶体所阻塞，冻胀不明显：若气温缓慢下降， 冷却强度小，但负温持续时间较长，未冻区水分不断地向冻结区 迁移积聚，冻胀明显
毛细现象：毛细水沿着细的孔隙向上及向其它方向移动的现象。 造成： 地下室过分潮湿； 引起路基冻害； 引起土的沼泽化和盐渍化。 毛细水上升高度：在实际工程中，可通过实地调查、观测、当地的经验或经验公 式计算。 经验认为： 碎石土无毛细现象 砂土上升高度 0.2-0.3 米 粉土上升高度 0.9-1.5 米 毛细压力（毛细粘聚力或粘聚力）：在水和空气分界面上产生的表面张力总是沿 着弯液面切线方向作用的，它促使两个颗粒互相靠拢，在土粒的接触面 上产生了的压力。 （4）土的冻胀 冻胀：当大气负温传入土中时，土中的自由水首先冻结成冰晶体，随着气温的继 续下降，弱结合水的最外层也开始冻结，使冰晶体逐渐扩大；另一方面， 结合水膜的减薄，使得水膜中的离子浓度增加，土粒就产生了渗透压力。 在这两种引力作用下，未冻结区的水分（弱结合水和自由水）就会不断地向 冻结区迁移和积聚，使冰晶体不断扩大，在土层中形成冰夹层，土体随之发生隆 起，即冻胀现象。 影响冻胀的因素： 土的因素：细粒土（粉砂、粉土、粉质粘土和粉质亚砂土）冻胀现象严重。由于 具有显著的毛细现象，毛细水上升高度大，上升速度快，具有较通畅 的水源补给通道；土颗粒细，比表能大，土的矿物成分亲水性强，有 较多的结合水。粘土虽有较厚的结合水膜，但毛细孔隙小，水分迁移 阻力大，冻胀性小。 水的因素：冻结区附近地下水位较高，毛细水上升高度能够达到或接近冻结线， 使冻结区能得到外部水源的补给，冻胀现象严重。 开敞型冻胀：冻结过程中有水源补给，冻胀强。 封闭型冻胀：冻结过程中无水源补给，冻胀弱。 温度的因素：当气温骤降且冷却强度很大时，土的冻结面迅速向下推移，即冻 结速度快，此时，土中弱结合水来不及向冻结区迁移就在原地冻 结成冰，毛细通道被晶体所阻塞，冻胀不明显；若气温缓慢下降， 冷却强度小，但负温持续时间较长，未冻区水分不断地向冻结区 迁移积聚，冻胀明显
三、土的气相 粗颗粒：土中的气体与大气相通，对土的力学性质影响不大： 细颗粒：存在与大气隔绝的封闭气泡，使土的压缩性提高，透水性减小。 封闭气泡：随着压力的增大，封闭气泡可能压缩或溶解于水中，压力减小时，气 泡会恢复原状或重新游离出来。 四、土的结构与构造 (一)土的结构：土粒单元的大小、形状、相互排列及其联结关系等因素形成的 综合特征。 (1)单粒结构：粗大土粒（少0.075mm)在水或空气中下沉而形成的，分子吸引 力相对很小，颗粒间几乎无联结。 紧密：土粒排列紧密，在动、静荷载作用下都不会产生较大沉降，强度大，压 缩性小，是较为良好的天然地基。 疏松：骨架不稳定，当受到振动或其他外力作用时，土粒易于发生移动，土中 孔隙剧烈成少，引起土体较大变形，不宜作为建筑物的地基。 (2)蜂窝结构：主要由粉粒(d=0.005~0.075mm)组成。单个土粒下沉碰上已 沉积的土粒时，由于引力大于重力，土粒停留在最初的接触点 不在下沉，逐步形成土粒链，土粒链组成弓架结构，类似峰窝 可承担一定的水平静荷载，但当其承受较高水平荷载或动力荷 载时，结构将破坏，导致严重的地基沉降。 (3)絮凝结构：粘粒(K0.005mm)或胶粒(k0.002mm),其重力作用小，能够 在水中长期悬浮，不因自重而下沉。结构极不稳定，随着溶液 性质的改变或受到震荡后可重新分散。 粒间排斥力：土粒靠近时土粒反离子层间孔隙水的渗透压力产生的渗透斥力。 与双电层的厚度、水溶液的性质、温度等有关， 粒间吸引力：主要指范德华力。与土粒大小、形状、矿物成分、表面电荷等有关。 「胶溶状态：以斥力为主，则土粒间凝聚受阻，土悬浮液处于分散状态。 胶凝状态：以引力为主，则产生凝聚。 (二)土的构造：同一土层中的物质成分和颗粒大小等相近的各部分之间的相互 关系的特征。 厂成层性：最主要的特征，即层理构造，是在土的形成过程中，由不同阶段沉 积 的物质成分、颗粒大小或颜色不同，而沿竖向呈现的成层特征。 裂隙性：大大降低土体强度和稳定性，增大透水性，对工程不利。 此外，注意土中有无包裹物（腐殖物、贝壳、结核体等）、天然或人为孔洞
三、土的气相 粗颗粒：土中的气体与大气相通，对土的力学性质影响不大; 细颗粒：存在与大气隔绝的封闭气泡，使土的压缩性提高，透水性减小。 封闭气泡：随着压力的增大，封闭气泡可能压缩或溶解于水中，压力减小时，气 泡会恢复原状或重新游离出来。 四、土的结构与构造 （一）土的结构：土粒单元的大小、形状、相互排列及其联结关系等因素形成的 综合特征。 （1）单粒结构：粗大土粒（d>0.075mm）在水或空气中下沉而形成的，分子吸引 力相对很小，颗粒间几乎无联结。 紧密：土粒排列紧密，在动、静荷载作用下都不会产生较大沉降，强度大，压 缩性小，是较为良好的天然地基。 疏松：骨架不稳定，当受到振动或其他外力作用时，土粒易于发生移动，土中 孔隙剧烈减少，引起土体较大变形，不宜作为建筑物的地基。 （2）蜂窝结构：主要由粉粒（d=0.005～0.075mm）组成。单个土粒下沉碰上已 沉积的土粒时，由于引力大于重力，土粒停留在最初的接触点 不在下沉，逐步形成土粒链，土粒链组成弓架结构，类似蜂窝。 可承担一定的水平静荷载，但当其承受较高水平荷载或动力荷 载时，结构将破坏，导致严重的地基沉降。 （3）絮凝结构：粘粒（d<0.005mm）或胶粒（d<0.002mm），其重力作用小，能够 在水中长期悬浮，不因自重而下沉。结构极不稳定，随着溶液 性质的改变或受到震荡后可重新分散。 粒间排斥力：土粒靠近时土粒反离子层间孔隙水的渗透压力产生的渗透斥力。 与双电层的厚度、水溶液的性质、温度等有关， 粒间吸引力：主要指范德华力。与土粒大小、形状、矿物成分、表面电荷等有关。 胶溶状态：以斥力为主，则土粒间凝聚受阻，土悬浮液处于分散状态。 胶凝状态：以引力为主，则产生凝聚。 （二）土的构造：同一土层中的物质成分和颗粒大小等相近的各部分之间的相互 关系的特征。 成层性：最主要的特征，即层理构造，是在土的形成过程中，由不同阶段沉 积 的物质成分、颗粒大小或颜色不同，而沿竖向呈现的成层特征。 裂隙性：大大降低土体强度和稳定性，增大透水性，对工程不利。 此外，注意土中有无包裹物（腐殖物、贝壳、结核体等）、天然或人为孔洞