1、第一章土的化學性質1-1土的單相組成一、基本概念1、土：土是由巖石經過化學風化和物理風化后的產物。土是由各類大小不同的土粒按各類比列組成的集合體。土粒之間的孔隙中包含著水和二氧化碳，是一種單相體系。2、士的單相1）液相：包含無機礦物顆粒和有機質，是構成土的骨架的基本。2）氣相：存在于孔隙中的水。3）液相：充填在土孔隙中的二氧化碳。綜合：土是由固體顆粒，液體水和二氧化碳三部份組成，稱為土的單相組成。土中的固體礦物構成骨架，骨架之間貫串著孔隙，孔隙中充填著水和空氣，單相比列不同，土的狀態和工程性質也不相同。固體+二氧化碳（液體=0）為干土，干黏土較硬，干砂松散；固體+液體+二氧化碳為濕土，濕的黏土多為可塑狀態；固體+
2、液體（二氧化碳=0）為飽和土，飽和粉細砂受振動可能形成液化；飽和黏土地基沉降需很長時間才會穩定。由此可見，研究土的工程性質，首先從最基本的、組成土的單相，即固體相、水和二氧化碳本身開始研究。二、土的固體顆粒研究固體顆粒就要剖析粒徑的大小及其在土中所占的比率，稱為土的粒徑骨料（細度成份）。止匕外，還要研究固體顆粒的礦物成份以及顆粒的形狀。（一）粒徑骨料（細度成份）隨著顆粒大小不同，土可以具有很不相同的性質。顆粒的大小一般以粒徑表示。工程上按粒徑大小分組，稱為粒組，即某一級粒徑的變化范圍。界定粒組的兩個原則：（1）首先考慮到在一定的粒徑變化范圍內，具工程地質性質是相像的，若趕超了這個變化幅度就要導致質的
3、變化。（2）要考慮與目前細度成份的測定技術相適應。止匕外，要易于記憶。目前，我國廣泛應用的粒組界定方案見教材P11表2-1所示。將粒徑由大至小界定為六個粒組（1）漂石或塊石組；（2）鵝卵石（砂礫）組；（3）卵石；（4）沙粒組；（5）粉粒組；（6）粘粒組實際上，土常是各類大小不太顆粒的混和體，較寬泛的說，以卵石和礫石為主要組成的土為粗粒土，亦稱無黏性土。其特點為：孔隙大、透水性強，毛細上升，高度很小，既無可打造性，也無脹縮性，壓縮性極弱，硬度較高。以粉粒、粘粒（或膠粒.5時，稱為不均粒土；Cu10的士屬骨料良好。2）.經驗證明，當骨料連續時，Cc的范圍約為13;因而當Cc3時，均表示級配線不連續。
4、從工程上看：Cu5且Cc=13的土，稱為骨料良好的土；不能同時滿足上述兩個要求的土，稱為骨料不良的土。（二）土粒成份土中固體部份的成份，絕大部份是礦物質，另外或多或少有一些有機質，而土粒的礦物成份主要決定于母巖的成份及其所經受的風化作用。不同的礦物成份對土的性質有著不同的影響，其中以泥巖組的礦物成份尤為重要。土中的礦物成份由右圖所示：,原生礦物廣黏土礦物不可溶性的倍半氧化物次生礦物:次生氧化物1P難溶鹽L可溶性的人中溶鹽廣腐植質I易溶鹽I有機質:壤土1、原生礦物由巖石經化學風化而成，其成份與母巖相同。包括：（1）單礦物顆粒：如常見的石英、長石、云母、角閃石與輝石等，土層為單礦物顆粒。（2）多礦物顆
5、粒：母巖殘渣，如漂石、卵石與砂礫等顆粒為多礦物顆粒。但總的來說，土中原生礦物主要有：（1）硅酸脂類礦物；（2）氧化物類礦物；（3）硫醇礦物；（4）乙酸脂類礦物2、次生礦物巖屑經物理風化而成，其成份與母巖不同，為一種新礦物，顆粒細。包括1）,可溶的次生礦物；2）.不可溶性的次生礦物（1）可溶的次生礦物主要指各類礦物中化學性質開朗的K、Na、Ca、Mg及Cl、S等元素，這種元素呈陽離子及酸根離子，溶于水后，在遷移過程中，因蒸發濃縮作用產生可溶性的鹵化物，硝酸鹽和氯化鹽。（2）不可溶的次生礦物有次生氫氧化鋁，倍半氧化物，黏土礦物。1）.次生二氧化僚二硅酸鹽，由氫氧化鋁組成，比如：燧石、瑪瑙、蛋白
6、石等都屬這類礦物。2）.倍半氧化物是由三價的FeAl和O、OH、H2O等組成的礦物，可用R2O3表小諸如：針鎳礦Fe2O3?H2O呈白色褐鐵礦Fe2O3?3H2O呈白色順德鋁石Al2O3?H2O呈紅色3）.黏土礦物成的硅氧晶圓；另一種是由AlOH八面體構成的鋁氫氧晶圓，因這兩種晶圓結合的情況不同，產生三種黏土礦物，蒙脫石，蒙牛石（水云母）、高嶺石。X衍射剖析，晶格距離L電子顯微鏡法（幾萬幾十萬倍）樣貌特點（攝像機）黏土礦物的鑒別方式差熱剖析：加熱后的化學物理變化過程黏土礦物的微觀結構由兩種原子層（晶面）構成：一種是由Si-O多面體構薄片鑒別三、土中水組成土的第二種主要成份是土中水。在自然條件下
7、，土中總是含水的。土中水可以處于液態、固態或氣態。土中泥巖越多，即土的分散度越大，水對土的性質的影響也越大。研究土中水，必須考慮到水的存在狀態及其與土粒的互相作用。存在于土粒礦物的晶體格架內部或是參與礦物構造中的水稱為礦物內部結合水，它只有在比較高的氣溫（,隨土粒的礦物成份不同而異）下才會化為氣態水而與土粒分離，從土的工程性質上剖析，可以把礦物內部結合水當成礦物顆粒的一部份。存在于土中的液態水可分為結合水和自由水兩大類。（一）結合水：系指受電分子吸引力吸附于土粒表面的土中水，這些電分子吸引力高達幾千到幾萬個大氣壓，使水份子和土粒表面牢靠的黏結在一起。結合水因離顆粒表面遠近不同，受
8、電場斥力的大小也不同，所以分為強結合水和弱結合水。1、強結合水（吸著水）系指靠近土粒表面的結合水，它的特點是：1）.沒有溶化脂類的能力，2）.不能傳遞靜水壓力，3）.只有放熱弄成蒸氣時才會聯通。3、有機質：蛭石、腐植廣動動物殘片這些水非常牢靠的結合在土粒表面上，其性質接近于固體，密度約為1.22.4g/cm3,冰點為78C,具有極大的粘滯度、彈性和抗剪硬度。若果將干燥的土移在天然溫度的空氣中，則土的質量將降低，直至土中吸著的強結合水達到最大吸著度為止。土粒越細，土的比表面積越大，則最大吸著度就越大。土層為1%,黏土為17%2、弱結合水（薄膜水）弱結合水毗鄰于強結合水的外圍產生一層結合水膜。它
9、仍然不能傳遞靜水壓力，但水膜較厚的弱結合水能向臨近的較薄的水膜平緩聯通。當土中富含較多的弱結合水時，土則具有一定的可塑性。土層比表面積較小，幾乎不具可塑性，而黏土的比表面積較大，其可塑性范圍較大。弱結合水離土粒表面積愈遠，其深受的電分子吸引力愈弱小，并逐步過渡到自由水。（二）自由水自由水是存在于土粒表面電場影響范圍以外的水。它的性質和普通水一樣，能傳遞靜水壓力，冰點為0C,有溶化能力。自由水按其聯通所遭到斥力的不同，可以分為重力水和毛細水1、重力水重力水是存在于地下水位一下的透水地層中的地下水，它是在重力或壓力差作用下運動的自由水，對土粒有壓強作用，重力水對土中的撓度狀態和頂管土層、基坑以及
10、修筑地下構建物時所應采取的排水、防水舉措有重要的影響。2、毛細水毛細水是遭到水與空氣交界面處表面張力作用的自由水。其產生過程一般用數學學中毛細管現象解釋。分布在土粒內部互相貫通的孔隙，可以看成是許多形狀不一，半徑各異，彼此連通的毛細管。結構水礦物成份水(結晶水強結合水綜上：土中的水YL佛石水廣結合水yj液態水I弱結合水I孔隙中的水固態水非結合水毛細水二氣態水工重力水三、土中二氧化碳土的孔隙中沒有被水搶占的部份都是二氧化碳。1、土中二氧化碳的來源土中二氧化碳的動因，除來自空氣外，也可由生物物理作用和物理反應所生成。2、土中二氧化碳的特征(1)土中二氧化碳除富含空氣中的主要成份O2外，濃度最多的是水汽,CO2,N2,C
11、H4,H2s等二氧化碳，并富含一定放射性元素(2)土中二氧化碳O2濃度比空氣中少(空氣中為：20.9%,土中為：10.3%)土中二氧化碳CO2濃度比空氣中高好多(空氣為0.03%,土中為10%)土中二氧化碳中放射性元素的濃度比在空氣中的濃度大2000倍。3、土中二氧化碳按其所處狀態和結構特性，可分為以下幾大類：吸附氨氣、溶解二氧化碳、密閉二氧化碳及自由二氧化碳。(1)吸附氨氣：因為分子引力作用，土粒不但能吸附水份子，并且能吸附氨氣，土粒吸附氨氣的長度不超過23個分子層。土中吸附二氧化碳的濃度決定于礦物成份、分散程度、孔隙度、濕度及二氧化碳成份等。在自然條件下，在荒漠地區的表層中可能碰到比較大的二氧化碳吸附量。(2)溶化二氧化碳：在土的氣相中
12、主要溶化有：CO2、O2水汽(H2O);其次為H2、Cl2、CH4；其溶化數值取決于水溫、壓力、氣體的化學物理及氨水的物理成份。溶化二氧化碳的作用主要為：a.改變水的結構及氨水的性質，對土粒施加力學作用；b.當T、P增高時，在土中可產生密閉二氧化碳。c.可加速物理潛蝕過程。(3)自由二氧化碳自由二氧化碳與大氣連通，對土的性質影響不大。(4)密閉二氧化碳封閉二氧化碳的容積與壓力有關，壓力減小，則容積縮小；壓力降低，則容積減小。因而密閉二氧化碳的存在降低了土的彈性。密閉二氧化碳可增加地基的沉降量，但當其忽然排除時，可引起基礎與建筑物的變型。密閉二氧化碳在不可排水的條件下，因為密閉二氧化碳可壓縮性會導致土的壓密。密閉氣體的存在能減少地層透
13、水性，阻塞土中的滲透通道，降低土的滲透性。1-2土的結構一、土的構造土顆粒之間的互相排列和連續方式，稱為土的結構。常見的土結構有以下三種：1、單粒結構(誡(-)粗顆粒土，如礫石、砂等。2、蜂窩結構()當土顆粒較細(粒級在0.020.002mm范圍)，在水底單個下沉，見到已沉積的土粒，因為土粒之間的分子吸力小于顆粒自重土中水的密度怎么算，則正常土粒被吸引不再下沉，產生很大孔隙的蜂窩狀結構。3、絮狀結構()粒徑大于0.005mm的黏土顆粒，在水底常年漂浮并在水底運
14、動時，產生小鏈環狀的土集粒而下沉。這些小鏈環遇到另一小鏈環被吸引，產生大鏈環狀的片狀結構，此種結構在海積黏土中常見。上述三種結構中，以密實的單粒結構土的工程性質最好，蜂窩狀其次，絲狀結構最差。后兩種結構土，如因震動破壞天然結構，則硬度低，壓縮性大，不可用作天然地基。二、土的構造同一地層中，土顆粒之間互相關系的特點稱為土的構造。覺見的有下述幾種：1.層狀構造地層由不同顏色，不同粒徑的土組成層理，平原地區的層理一般為水平層理。層狀構造是泥巖土的一個重要特點。2.分散構造：地層中土粒分布均勻，性質相仿，如砂，礫石層為分散構造。3.結核狀構造在泥巖土中摻有粗顆粒或各類結核，如含磁石的粉質黏土，
15、含砂礫的冰磺土等。其工程性質取決于泥巖土部份。4.節理狀構造土層中有好多不連續的小節理，有的硬塑與堅硬狀態的黏土因此種構造。節理硬度低，滲透性高，工程性質差。1-3土的化學性質土是土粒（固體相）土中水的密度怎么算，水（液體相）和空氣（二氧化碳相）兩者所組成的；土的化學性質就是研究單相的質量與容積間的互相比列關系以及固、液兩相互相作用表現下來的性質。土的化學性質指標，可分為兩類：一類是必須通過試驗測定的，如含水量，密度和土粒比重；另一類是可以依照試驗測定的指標換算的；如孔隙比，孔隙率和飽和度等。一、土的基本化學性質土的單相圖（見教材P62圖）（一）土粒密度（）土粒密度是指固體顆粒的質
16、量ms與其容積Vs之比；即土粒的單位容積質量：I:ms3:s-g/cm土粒密度僅與組成土粒的礦物密度有關，而與土的孔隙大小和含水多少無關。實際上是土中各類礦物密度的加權平均值。土層的土粒密度通常為：2.65g/cm3左右粉質泥巖的土粒密度通常為：2.68g/cm3粉質黏土的土粒密度通常為：2.682.72g/cn?黏土的土粒密度通常為：2.7-2.75g/cm3土粒密度是實測指標。（二）土的密度（）土的密度是指土的總質量m與總體積V之比，也即為土的單位容積的質量其中：V=Vs+Vv;m=ms+mw按孔隙中充水程度不同，有天然密度，干密度，飽和密度之分。1.天然密度（濕密
17、度）（）天然狀態下土的密度稱天然密度，以下式表示:土的密度取決于土粒的密度，孔隙容積的大小和孔隙中水的質量多少，它綜合反映了土的物質組成和結構特點。砂礫通常是1.4g/cm3粉質泥巖及粉質黏土1.4g/cm3黏土為1.4g/cm3壤土沼澤土：1.4g/cm3土的密度可在室外及野外現場直接測定。室外通常采用“環拳法”測定,稱得環刀內土樣質量，求得環刀體積；二者之比值。2.干密度()一V一VsVvg/cm3土的孔隙中完全沒有水時的密度，稱干密度；是指土單位容積中土粒的重量，即：固體顆粒的質量與土的總體積之比值。g/cm3干密度反映了土的孔隙生，因此
18、可用以估算土的孔隙率，它常常通過土的密度及含水率估算得來，但也可以實測。士的干密度通常常在1.41.7g/cm3在工程上常把干密度作為評定基巖緊密程度的標準，以控制土層工程的施3.飽和密度()土的孔隙完全被水飽含時的密度稱為飽和密度。即，土的孔隙中全部飽含液態水時的單位容積質量，可用下式表示：g/cm3式中：Pw:水的密度(工程估算中可取1g/cm3)土的飽和密度的常見值為1.82.30g/cm3據悉：(1)浮密度土的浮密度是土單位容積中土粒質量與同體積水的質量之差，即p=(ms-Vs(3W)/V或P=由此可見：同一種土在容積不變的條件
19、下，它的各類密度在數值上有如下關系：:s.：sa-：.：d.：(2)容重：單位容積的重量(三)土的含水性土的含水性指土中含水情況，說明土的干濕程度。1.含水率(含水量)土的含水量定義為土中水的質量與土粒質量之比，以百分率表示，即w=mw100%J一口100%msms土的含水率也可用土的密度與干密度估算得到：一sw=s100%：s室外測定：通常用“洪濕法”，先稱小塊原狀土樣的濕土質量，之后放在烤箱內維持攝氏度烘至恒重，再稱干土質量，濕、干土質量之差與干土質量的比值就是土的含水量。天然狀態下土的含水率稱土的天然含水率。通常土層天然含水率都不超過40%,以1030%最為常見；十月黏土大
20、多在1080%之間，常見值2050%土的孔隙全部被普通液態水飽含時的含水率稱飽和含水率wsat=%msPw水的密度，又稱飽和水容度。飽和含水率又稱飽和水密度，它既反映了水底孔隙飽含普通液態水時的含水特點，又反映了孔隙的大小。土的含水率又可分為容積含水率與引用容積含水率：容積含水率nw：為土中水的容積與容積之比。Vwnw=學100%引用容積含水率ew：為土中水的容積與土粒容積之比。ew=-w100%V2.飽和度（定義為：土中孔隙水的容積與孔隙容積之比，以百分率表示，即：sr=vw100%Vv或天然含水率與飽和含水率之比：wsr=100%wsat
21、飽和度愈大，表明土中孔隙中充水愈多，它在0100%;干燥時Sr=0o孔隙全部為水充填時，Sr=100%。工程上Sr作為土層溫度界定的標準。Sr80%飽和的工程研究中，通常將Sr小于95%的天然黏性土視為完全飽和土；而泥巖Sr小于80%時就覺得已達到飽和了。（四）土的孔隙性孔隙性指土中孔隙的大小，數目、形狀、性質以及連通情況。1.孔隙率（）與孔隙比（）孔隙率（n）：是土的孔隙容積與泥巖積之比，或單位容積土中孔隙的容積,以百分率表示，即：Vvn=100%V孔隙比：定義為土中孔隙容積與土粒容積之比，以小數表示，即：Vve二一Vs孔隙比和孔隙率（度）都是用以表示孔隙體
22、積濃度的概念。二者有如下關系:n=e或e=n1e1-n土的孔隙比或孔隙度都可拿來表示同一種土的松，密程度。它隨土產生過程中所受的壓力、粒徑骨料和顆粒排列的狀況而變化。通常說：粗粒土的孔隙度小，泥巖土的孔隙度大。孔隙比e是個重要的化學性指標，可以拿來評價天然壩體的密實程度。-般e1.0的土是疏松的無壓縮性土飽和含水率是用質量百分比來反映土的孔隙性結構指標的，它與孔隙率和孔隙比，有如下關系：n=wsat*d,w：se=Wsat-w2,土層的相對密度對于土層，孔隙比有最大值與最小值，即最松散狀態和最緊密狀態的孔隙比。emin:通常采用“振擊法”測定；emax:通常用“松砂器法”測定。土層的松密程度還可
23、以用相對密度來評價:-enin式中：max：最大孔隙比。emin:最小孔隙比。e：天然孔隙比。土層按相對密度分類：0Dr0,33疏松的0.33Dr0.66中密的0.66Dr1密實的一般填土的相對密度的實用表達式為：d-,=-；dmax-dmind由于最大或最小干密度可直接求得。Dr在工程上常應用于：（1）評價土層地基的容許承載力；（2）評價余震區砂體液化；（3）評價土層的硬度穩定性。例題：某日然地層，密度為1.47g/cm3,含水量13%,由試驗求得該土層的最小干密度為1.20g/cm3;最大干密度為1.66g/cm3;問該地層處于哪種狀態？解：已知：,4
24、7w=13%:dmin=1.20g/cm3：dmax=1.66g/-由公式：p=得Pd=1.30g/:d一：dmin：dmax1.30-1.201.66八8Dr=:=0.-：dmin,1.66-1.201.30Dr=0.28:二0.33該地層處于疏松狀態（五）基本化學性質指標間的互相關系1、孔隙比與孔隙率的關系設基巖內土粒容積Vs=1,則孔隙容積Vv=e,基巖容積V=Vs+Vv=1+e,2、干密度與濕密度和含水量的關系設基巖容積V=1,則基巖內土粒質量ms=Pd,水的質量：mw=-于是由：-=一=wVn1-wVV3、孔隙比與比重和干密度的關系
25、設基巖內土粒容積Vs=1,則孔隙容積Vv=e,土粒質量ms=Ps,于是：因為是,由4=七或六e&_1Dd4、飽和度與含水量，比重和孔隙比的關系設基巖內土粒容積Vs=1,則孔隙容積Vv=e,土粒質量ms=Ps,孔隙水質重mw=w：s孔隙底泥積：Vw二健徨出.Sr=wSr=Vvee:?we當Sr=100%時，土飽和,則:e=WmGs式中：wm飽和含水量，Gs:土粒比重。常見的化學性質指標及互相關系換算公式見教材P69表5-5例題：某原狀土樣，經試驗測得天然密度P=1.67g/cm3含水量w=12。9%,7d-1土粒比重Gs=2.67,求孔隙比e,孔隙度n和飽和度
26、Sr。解：繪單相草圖(1)設土的容積V=1.0cm3按照密度定義得：m=W=1.671=1.67g(2)按照含水量定義得：mw=wms=0.129ms從單相圖可知：m==ma=0mw+ms=m,即0.129ms+ms=1..671.129=1.18gmw=1.67-1.48=0.19g(3)依據土粒比重定義：土粒的質量與同容積純蒸儲水在4攝氏度時質量之比,即Gs-Gs=2.67%=1=2.671=2.67g/.48=0.：s2.67(4)Vw=mw=0.W0=0.:w1.0(5)從單相可知V二=1cm3或Va=1-V
27、w-Vs=1-0.554-0.190=0..Vv=V-Vs=1-0.554=0.446(6)依據孔隙比定義：e=Vv得.2560.19e=w=0..554Dn=%=52.2211.093（7）按照孔隙度定義：n=Vv得V或n=-=0.805=0.446=44.610.805(8)依據飽和度定義：Sr=Vw得VvSr=Vw=019=0.426=42.6%VaVw0.2560.19例題.薄壁采樣器采取的土樣，測出其容積V與重量分別為38.4cm3和67.21g,把土樣裝入烤箱烘干，并在烤箱內冷卻到溫度后，測得重量為49.35g。試求土
28、樣的P（天然密度），Pd（干密度），w（含水量），e（孔隙比），n（孔隙率），飽和度。（Gs=2.69）26911-1=1.0931.285Sr,2.36.192.69.89.07%e1.093第二節土的水理性質Va-VwV0.2560.19=0.446=44.6%..40=1.750g/-mv49.3538.40=1.285g/-ms67.21-49.35100%s=100%=36.19%.35、粘性土的稠度（和塑性（）（一）稠度與液性指數黏性土的化學狀態常以稠度來表示。稠度的含義是指
29、土體在各類不同的溫度條件下，受外力作用后所具有的活動程度。黏性土的稠度，可以決定黏性土的熱學性質及其在建筑物作用下的性狀。在土質學中，常采用下述稠度狀態來區別黏性土在各類不同水溫條件下所具備的化學狀態。黏性土的標準稠度及其特點稠度狀態稠度的特點標準氣溫或稠度界線液體狀液流狀呈薄層流動黏結界限液限Wc黏著性界限沸程Wp收縮界限Ws粘流狀（黏結狀）呈厚層流動塑體狀粘塑狀具有塑體的性質，并黏著其他物體稠塑狀具有塑體的性質，但不黏著其他物體固體狀半固體狀失掉塑體性質，具有半固體性質固體狀具有固體性質相鄰兩稠度狀態，既互相區別又是逐步過渡的，稠度狀態之間的轉變界限叫稠度界限，用含水量表示，稱界限含水量。
30、在稠度的各界限值中，塑性上限（Wl）和塑性下限（Wp）的實際意義最大它們是區別三大稠度狀態的具體界限，簡稱液限和沸程。土所處的稠度狀態，通常用液性指數II（即稠度指標B）來表示W--Wp式中：W三天然含水量Wl液限含水量Wp一沸程含水量按液性指數（IL）黏性土的化學狀態可分為:堅硬：IL0軟塑：0.75IL1硬塑：0|L1可塑：|L16流動靈敏度高的土，其結構性愈高，受擾動后土的硬度增加就愈多，施工時應非常注意保護土層，使結構不擾動，防止增加地基硬度。黏結性：當黏性土結構受擾動時，土的硬度增加。但靜置一段時間，土的硬度又漸漸下降，這些性質稱為土的溶脹性。這是因為土粒、離子和水份子體系隨時間而趨向新的平衡狀態之故。
