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====== 第一章 土的组成与结构 ======

===== 1.1 土的成因 =====

土是地壳表面的岩石经过长期风化、剥蚀、搬运、沉积等自然作用形成的松散堆积物。了解土的成因对于理解土的工程性质具有重要意义。

==== 1.1.1 风化作用 ====

风化作用是指地表或接近地表的岩石在温度变化、水、氧气、二氧化碳及生物等因素作用下，发生物理崩解和化学分解的过程。

**物理风化**

物理风化是指岩石在不改变化学成分的情况下，仅发生机械破碎的过程。主要类型包括：

- **温度风化**：岩石表面昼夜或季节温差引起热胀冷缩，导致表层剥落
- **冰劈作用**：水渗入岩石裂隙，冻结时体积膨胀约9%，产生巨大压力使岩石崩解
- **盐结晶作用**：含盐溶液在岩石孔隙中结晶膨胀，使岩石破碎

物理风化的特点是：仅改变岩石的颗粒大小和形状，不改变矿物成分。

**化学风化**

化学风化是指岩石在水、氧气、二氧化碳等作用下发生化学反应，形成新矿物的过程。主要类型包括：

- **溶解作用**：可溶性矿物（如石膏、方解石）被水溶解
- **水化作用**：矿物与水结合，体积膨胀，如硬石膏水化为石膏
- **氧化作用**：含铁矿物与氧气反应，如黄铁矿氧化为褐铁矿
- **碳酸化作用**：含碳酸的水与矿物反应，如长石风化为高岭石

**生物风化**

生物风化是指生物活动对岩石的破坏作用，包括：
- 植物根系生长产生的机械压力
- 微生物代谢产生的有机酸腐蚀岩石
- 动物挖掘活动

==== 1.1.2 土的搬运与沉积 =====

风化产物经过各种地质营力搬运，在适宜环境下沉积形成土。

**搬运方式**

| 搬运介质 | 典型土类 | 特点 |
|---------|---------|------|
| 水（河流） | 冲积土 | 分选性好，磨圆度高 |
| 水（湖泊） | 湖积土 | 颗粒细，富含有机质 |
| 水（海洋） | 海积土 | 含盐分，层理明显 |
| 风 | 风积土 | 颗粒均匀，磨圆度高 |
| 冰川 | 冰碛土 | 分选性差，颗粒混杂 |
| 重力 | 坡积土 | 分选性差，厚度不均 |

**沉积环境**

不同的沉积环境形成不同类型的土：
- **残积土**：岩石风化后未经搬运而残留在原地的土
- **坡积土**：风化产物在重力作用下沿山坡堆积的土
- **洪积土**：暂时性洪水搬运沉积的土
- **冲积土**：河流搬运沉积的土，工程性质较好
- **湖积土**：湖泊中沉积的土，常含有机质
- **海积土**：海洋中沉积的土，含盐量高
- **冰碛土**：冰川搬运沉积的土，分选性差
- **风积土**：风力搬运沉积的土，如黄土

===== 1.2 土的三相组成 =====

土是由固体颗粒（固相）、水（液相）和空气（气相）组成的三相体系。三相之间的比例关系决定了土的物理状态和工程性质。

==== 1.2.1 固相——土颗粒 ====

固相是土的骨架，由各种矿物颗粒组成。土颗粒的矿物成分、大小、形状和表面特征对土的工程性质有重要影响。

**土粒的矿物成分**

土粒的矿物成分按其成因可分为原生矿物和次生矿物。

*原生矿物*

原生矿物是母岩经物理风化后保留下来的矿物，化学成分未发生变化。常见的原生矿物有：
- **石英(SiO₂)**：硬度高，化学性质稳定，是砂土和粉土的主要成分
- **长石**：包括正长石、斜长石等，易风化，风化产物为高岭石等粘土矿物
- **云母**：片状矿物，硬度低，易剥落成薄片
- **角闪石、辉石**：暗色矿物，易化学风化

*次生矿物*

次生矿物是原生矿物经化学风化后形成的新矿物，主要是粘土矿物。常见的粘土矿物有：

- **高岭石(Al₂Si₂O₅(OH)₄)**：
  - 1:1型层状硅酸盐
  - 晶层间以氢键连接，联结牢固
  - 亲水性较弱，遇水膨胀性小
  - 可塑性较低

- **蒙脱石(Al₂Si₄O₁₀(OH)₂·nH₂O)**：
  - 2:1型层状硅酸盐
  - 晶层间以分子间力连接，联结较弱
  - 亲水性强，遇水膨胀显著
  - 可塑性高

- **伊利石(KAl₂(AlSi₃O₁₀)(OH)₂)**：
  - 2:1型层状硅酸盐
  - 晶层间有钾离子连接
  - 性质介于高岭石和蒙脱石之间

*有机质*

土中的有机质主要来源于生物遗体的分解。有机质含量高的土（如泥炭土、有机质土）具有以下特点：
- 高压缩性
- 高含水量
- 低强度
- 易产生不均匀沉降

**土粒粒度成分**

土粒按粒径大小可分为若干粒组，各粒组的工程性质不同。

| 粒组名称 | 粒径范围(mm) | 主要工程特性 |
|---------|-------------|-------------|
| 漂石（块石） | >200 | 透水性大，强度高 |
| 卵石（碎石） | 200~60 | 透水性大，强度高 |
| 砾石（角砾） | 60~2 | 透水性大，强度高 |
| 砂粒 | 2~0.075 | 透水性较大，强度较高 |
| 粉粒 | 0.075~0.005 | 透水性小，易液化 |
| 粘粒 | <0.005 | 透水性很小，可塑性大 |

**粒度分析方法**

- **筛分法**：适用于粒径大于0.075mm的土粒
- **沉降法（比重计法）**：适用于粒径小于0.075mm的土粒

**粒度分布曲线**

以土粒粒径的对数为横坐标，以小于某粒径的土粒质量百分数为纵坐标，可绘制粒度分布曲线。

从粒度分布曲线可以得到以下特征指标：
- **有效粒径d₁₀**：累计百分含量为10%对应的粒径
- **中值粒径d₃₀**：累计百分含量为30%对应的粒径
- **限定粒径d₆₀**：累计百分含量为60%对应的粒径
- **不均匀系数Cᵤ**：$C_u = \frac{d_{60}}{d_{10}}$
- **曲率系数C꜀**：$C_c = \frac{d_{30}^2}{d_{10} \times d_{60}}$

不均匀系数Cᵤ反映土粒粒径的不均匀程度。Cᵤ越大，土粒越不均匀。工程上一般认为：
- Cᵤ < 5：均匀土，级配不良
- Cᵤ ≥ 5且C꜀ = 1~3：级配良好
- Cᵤ > 10：级配良好

==== 1.2.2 液相——土中水 ====

土中水按其存在形态和与土粒的相互作用可分为不同类型。

**结合水**

结合水是指受土粒表面电场力作用而吸附在土粒表面的水。根据受电场力作用的强弱，可分为：

*强结合水（吸着水）*
- 紧贴土粒表面，厚度约几个水分子
- 受电场力极大，密度大（1.2~2.4 g/cm³）
- 冰点低，-78℃才冻结
- 不能传递静水压力
- 不具溶解能力
- 不表现流动性

*弱结合水（薄膜水）*
- 位于强结合水外侧，厚度可达数百个水分子
- 受电场力较弱，密度约1.0~1.7 g/cm³
- 冰点低于0℃
- 不能自由流动，但可在电场力梯度作用下移动
- 对粘性土的可塑性、压缩性有重要影响

**自由水**

自由水是指不受土粒表面电场力影响的水，其性质与普通水相同。

*重力水*
- 存在于土粒孔隙中，在重力作用下可自由流动
- 能传递静水压力
- 对土的力学性质产生重要影响

*毛细水*
- 受表面张力作用而存在于土粒孔隙中的水
- 存在于地下水位以上的包气带中
- 产生毛细压力，使湿砂具有假凝聚力
- 毛细水上升高度：$h_c = \frac{4T\cos\alpha}{\gamma_w d}$
  - 其中T为表面张力，α为接触角，γᵥ为水的重度，d为孔隙直径

**气态水和固态水**

- **气态水**：以水汽形式存在于土孔隙中
- **固态水**：以冰的形式存在于土中，冻土中常见

==== 1.2.3 气相——土中气体 ====

土中气体存在于土粒未被水占据的孔隙中。

**自由气体**
- 与大气连通的气体
- 对土的力学性质影响较小
- 在荷载作用下易排出

**封闭气体**
- 被水包围，与大气隔绝的气体
- 不易排出，增加土的弹性
- 阻塞渗流通道，降低渗透性
- 在压力作用下可能溶解于水

===== 1.3 土的结构 =====

土的结构是指土粒或土粒集合体的排列、联结形式及其相互关系。土的结构对其物理力学性质有重要影响。

==== 1.3.1 单粒结构 ====

单粒结构是由粗大土粒（砂粒、砾石）在重力作用下沉积形成的结构。

**特点**：
- 土粒之间以点接触为主
- 孔隙较大
- 强度高，压缩性低
- 透水性强

**按密实程度分类**：
- **密实单粒结构**：土粒紧密排列，孔隙比小，强度最高
- **疏松单粒结构**：土粒松散排列，孔隙比大，易压缩

**工程意义**：
单粒结构的砂土和砾石土是良好的天然地基材料和填筑材料。疏松的饱和粉细砂在地震等动荷载作用下可能发生液化。

==== 1.3.2 蜂窝结构 ====

蜂窝结构是由粉粒（粒径0.005~0.075mm）在水中下沉时，由于颗粒间引力大于重力而形成的拱状结构。

**特点**：
- 土粒以面-边接触为主
- 孔隙较大，含有大量封闭孔隙
- 具有一定的强度
- 压缩性中等

**工程意义**：
蜂窝结构的粉土具有较高的孔隙比，沉积后容易压密，产生较大沉降。

==== 1.3.3 絮状结构 ====

絮状结构是由粘粒（粒径<0.005mm）集合体在水中下沉时形成的结构。由于粘粒极细，表面带负电，在水中形成胶体，相互排斥；但当电解质浓度增加或遇到相反电荷时，粘粒会凝聚成絮状物下沉。

**特点**：
- 土粒以面-面接触为主
- 孔隙很大，孔隙比可达1.0~2.5
- 压缩性高
- 强度低
- 具有显著的触变性

**工程意义**：
絮状结构的粘性土压缩性高，强度低，是工程处理的重点。海洋沉积的粘土常具有这种结构。

==== 1.3.4 土的结构性 =====

土的结构性是指由于土粒的排列、联结方式等因素造成的土的性质对土的结构的依赖性。

**结构性对土性质的影响**：

- **灵敏性**：原状土与重塑土无侧限抗压强度之比称为灵敏度Sₜ
  $S_t = \frac{q_u(原状)}{q_u(重塑)}$
  - Sₜ = 1~2：低灵敏性
  - Sₜ = 2~4：中灵敏性
  - Sₜ = 4~8：高灵敏性
  - Sₜ > 8：极高灵敏性

- **触变性**：粘性土在扰动后强度降低，静置后强度又逐渐恢复的性质

- **节理和裂隙**：使土体呈现各向异性，强度降低

===== 1.4 土的构造 =====

土的构造是指同一土层中，物质成分和颗粒大小等相近的各部分之间的相互关系特征。

**层理构造**

层理是土沉积过程中，由于沉积环境变化而形成的成层特征。按层理形态可分为：
- **水平层理**：细层呈水平状，常见于湖泊、海洋沉积
- **斜层理**：细层与层面斜交，常见于河流沉积
- **交错层理**：多组不同方向的斜层理交错

**裂隙构造**

粘性土因干湿交替、冻融循环等形成的裂隙。裂隙使土体强度降低，渗透性增大。

**结核构造**

土中分布的钙质、铁质等结核体。

===== 本章例题 =====

**例题1-1** 某土样的颗粒分析结果如下表所示，试绘制粒度分布曲线，并确定d₁₀、d₃₀、d₆₀、Cᵤ和C꜀。

| 筛孔直径(mm) | 2.0 | 1.0 | 0.5 | 0.25 | 0.075 | 0.05 | 0.01 |
|-------------|-----|-----|-----|------|-------|------|------|
| 留筛质量(g) | 0 | 15 | 30 | 85 | 110 | 55 | 25 |
| 底盘 | | | | | | | 30 |

**解**：

总质量 = 15+30+85+110+55+25+30 = 350g

计算累计通过百分数：

| 筛孔(mm) | 留筛(g) | 累计留筛(g) | 通过(g) | 通过百分数(%) |
|---------|--------|------------|--------|--------------|
| 2.0 | 0 | 0 | 350 | 100 |
| 1.0 | 15 | 15 | 335 | 95.7 |
| 0.5 | 30 | 45 | 305 | 87.1 |
| 0.25 | 85 | 130 | 220 | 62.9 |
| 0.075 | 110 | 240 | 110 | 31.4 |
| 0.05 | 55 | 295 | 55 | 15.7 |
| 0.01 | 25 | 320 | 30 | 8.6 |
| 底盘 | 30 | 350 | 0 | 0 |

从曲线或内插法求得：
- d₁₀ = 0.013 mm
- d₃₀ = 0.075 mm
- d₆₀ = 0.28 mm

$C_u = \frac{d_{60}}{d_{10}} = \frac{0.28}{0.013} = 21.5$

$C_c = \frac{d_{30}^2}{d_{10} \times d_{60}} = \frac{0.075^2}{0.013 \times 0.28} = 1.54$

由于Cᵤ = 21.5 > 5且C꜀ = 1.54在1~3之间，故该土级配良好。

===== 本章习题 =====

1. 简述物理风化与化学风化的区别与联系。

2. 高岭石、蒙脱石、伊利石三种粘土矿物的晶体结构有何不同？它们的工程性质有何差异？

3. 什么是土的不均匀系数和曲率系数？它们各有什么工程意义？

4. 土中水的类型有哪些？各类水对土的工程性质有何影响？

5. 土的结构类型有哪些？各类结构的工程特点是什么？

6. 某土样的颗粒分析结果如下：d₁₀=0.02mm，d₃₀=0.08mm，d₆₀=0.25mm。试判断该土的级配情况。

7. 为什么粘性土具有可塑性，而砂土不具有可塑性？

8. 什么是土的灵敏度？灵敏度高的土有什么工程特点？

---
*本章完*