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。
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
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
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。
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)：
- 蒙脱石(Al₂Si₄O₁₀(OH)₂·nH₂O)：
- 伊利石(KAl₂(AlSi₃O₁₀)(OH)₂)：
*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
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：$h_c = \frac{4T\cos\alpha}{\gamma_w d}$
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
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
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。
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。
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。
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。
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
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。
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。
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*