土的物质组成

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。

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

因此称为“永久负电荷。”
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(2) 粘粒双电层的特征
粘粒双电层形成的原因: 由于粘粒具有较大的比表面能,可与空隙溶 液相互作用在其表面形成了双电层。 双电层的结构： 决定电位离子层 双电层 构成固定层的部分——受粘粒表面的吸着力形成。 反号离子层 构成扩散层——受离子本身热运动引起的扩散作用力。

1.2.2 土中的气体
土中的气体主要为空气和水气，对土体的工程地质性质影响较小，它
能影响土体的强度和变形。 1.土的气体成分：土的气体成分以氧气、二氧化碳和氮气为主。 2.土中气体的状态：土孔隙中的气体有以下几种存在形式，①封闭气体； ②游离状态的气体；③吸附状态的气体。 这三种状态气体可以互相转变，具有密切的联系。
2.土的物质组成
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土的概念
土：土是一种物质材料，由固体颗粒、液体水和气体组成。 固体颗粒是土的主要的物质成分,是土的骨架主体。固相颗粒是构成土的 主体，是最稳定，变化最小的成分，在三相之间相互作用过程中居主导 地位。 土的三相基本组成相互联系，相互作用，共同形成土的工程地质性质， 是构成土的工程地质性质的基础。 土的三相物质间的关系:由于它们组成的自身特性，土中的相对比例不同， 因此是决定土的工程地质性质的最本质的因素。 研究土的工程地质性质通过以下三个方面:土的粒度成分、土的矿 物成分、土的化学成分。
原生矿物
次生矿物
有机质
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2.土的矿物成分与粒组的关系 表1-3

土的矿物成分与粒组的关系
性质
无连结，无可塑性，无膨胀性，低 压缩，高强度。 空隙较大，透水性强，压缩性弱， 强度较高。 透水性弱，一定的压缩性，强度较 低。 透水性弱，有可塑性，胀缩性。
粒组名称

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：