1、第一章土的化学性质1-1土的单相组成一、基本概念1、土：土是由岩石经过化学风化和物理风化后的产物。土是由各类大小不同的土粒按各类比列组成的集合体。土粒之间的孔隙中包含着水和二氧化碳，是一种单相体系。2、士的单相1）液相：包含无机矿物颗粒和有机质，是构成土的骨架的基本。2）气相：存在于孔隙中的水。3）液相：充填在土孔隙中的二氧化碳。综合：土是由固体颗粒，液体水和二氧化碳三部份组成，称为土的单相组成。土中的固体矿物构成骨架，骨架之间贯串着孔隙，孔隙中充填着水和空气，单相比列不同，土的状态和工程性质也不相同。固体+二氧化碳（液体=0）为干土，干黏土较硬，干砂松散；固体+液体+二氧化碳为湿土，湿的黏土多为可塑状态；固体+
2、液体（二氧化碳=0）为饱和土，饱和粉细砂受振动可能形成液化；饱和黏土地基沉降需很长时间才会稳定。由此可见，研究土的工程性质，首先从最基本的、组成土的单相，即固体相、水和二氧化碳本身开始研究。二、土的固体颗粒研究固体颗粒就要剖析粒径的大小及其在土中所占的比率，称为土的粒径骨料（细度成份）。止匕外，还要研究固体颗粒的矿物成份以及颗粒的形状。（一）粒径骨料（细度成份）随着颗粒大小不同，土可以具有很不相同的性质。颗粒的大小一般以粒径表示。工程上按粒径大小分组，称为粒组，即某一级粒径的变化范围。界定粒组的两个原则：（1）首先考虑到在一定的粒径变化范围内，具工程地质性质是相像的，若赶超了这个变化幅度就要导致质的
3、变化。（2）要考虑与目前细度成份的测定技术相适应。止匕外，要易于记忆。目前，我国广泛应用的粒组界定方案见教材P11表2-1所示。将粒径由大至小界定为六个粒组（1）漂石或块石组；（2）鹅卵石（砂砾）组；（3）卵石；（4）沙粒组；（5）粉粒组；（6）粘粒组实际上，土常是各类大小不太颗粒的混和体，较宽泛的说，以卵石和砾石为主要组成的土为粗粒土，亦称无黏性土。其特点为：孔隙大、透水性强，毛细上升，高度很小，既无可打造性，也无胀缩性，压缩性极弱，硬度较高。以粉粒、粘粒（或胶粒.5时，称为不均粒土；Cu10的士属骨料良好。2）.经验证明，当骨料连续时，Cc的范围约为13;因而当Cc3时，均表示级配线不连续。
4、从工程上看：Cu5且Cc=13的土，称为骨料良好的土；不能同时满足上述两个要求的土，称为骨料不良的土。（二）土粒成份土中固体部份的成份，绝大部份是矿物质，另外或多或少有一些有机质，而土粒的矿物成份主要决定于母岩的成份及其所经受的风化作用。不同的矿物成份对土的性质有着不同的影响，其中以泥岩组的矿物成份尤为重要。土中的矿物成份由右图所示：,原生矿物广黏土矿物不可溶性的倍半氧化物次生矿物:次生氧化物1P难溶盐L可溶性的人中溶盐广腐植质I易溶盐I有机质:壤土1、原生矿物由岩石经化学风化而成，其成份与母岩相同。包括：（1）单矿物颗粒：如常见的石英、长石、云母、角闪石与辉石等，土层为单矿物颗粒。（2）多矿物颗
5、粒：母岩残渣，如漂石、卵石与砂砾等颗粒为多矿物颗粒。但总的来说，土中原生矿物主要有：（1）硅酸脂类矿物；（2）氧化物类矿物；（3）硫醇矿物；（4）乙酸脂类矿物2、次生矿物岩屑经物理风化而成，其成份与母岩不同，为一种新矿物，颗粒细。包括1）,可溶的次生矿物；2）.不可溶性的次生矿物（1）可溶的次生矿物主要指各类矿物中化学性质开朗的K、Na、Ca、Mg及Cl、S等元素，这种元素呈阳离子及酸根离子，溶于水后，在迁移过程中，因蒸发浓缩作用产生可溶性的卤化物，硝酸盐和氯化盐。（2）不可溶的次生矿物有次生氢氧化铝，倍半氧化物，黏土矿物。1）.次生二氧化僚二硅酸盐，由氢氧化铝组成，比如：燧石、玛瑙、蛋白
6、石等都属这类矿物。2）.倍半氧化物是由三价的FeAl和O、OH、H2O等组成的矿物，可用R2O3表小诸如：针镍矿Fe2O3?H2O呈白色褐铁矿Fe2O3?3H2O呈白色顺德铝石Al2O3?H2O呈红色3）.黏土矿物成的硅氧晶圆；另一种是由AlOH八面体构成的铝氢氧晶圆，因这两种晶圆结合的情况不同，产生三种黏土矿物，蒙脱石，蒙牛石（水云母）、高岭石。X衍射剖析，晶格距离L电子显微镜法（几万几十万倍）样貌特点（摄像机）黏土矿物的鉴别方式差热剖析：加热后的化学物理变化过程黏土矿物的微观结构由两种原子层（晶面）构成：一种是由Si-O多面体构薄片鉴别三、土中水组成土的第二种主要成份是土中水。在自然条件下
7、，土中总是含水的。土中水可以处于液态、固态或气态。土中泥岩越多，即土的分散度越大，水对土的性质的影响也越大。研究土中水，必须考虑到水的存在状态及其与土粒的互相作用。存在于土粒矿物的晶体格架内部或是参与矿物构造中的水称为矿物内部结合水，它只有在比较高的气温（,随土粒的矿物成份不同而异）下才会化为气态水而与土粒分离，从土的工程性质上剖析，可以把矿物内部结合水当成矿物颗粒的一部份。存在于土中的液态水可分为结合水和自由水两大类。（一）结合水：系指受电分子吸引力吸附于土粒表面的土中水，这些电分子吸引力高达几千到几万个大气压，使水份子和土粒表面牢靠的黏结在一起。结合水因离颗粒表面远近不同，受
8、电场斥力的大小也不同，所以分为强结合水和弱结合水。1、强结合水（吸着水）系指靠近土粒表面的结合水，它的特点是：1）.没有溶化脂类的能力，2）.不能传递静水压力，3）.只有放热弄成蒸气时才会联通。3、有机质：蛭石、腐植广动动物残片这些水非常牢靠的结合在土粒表面上，其性质接近于固体，密度约为1.22.4g/cm3,冰点为78C,具有极大的粘滞度、弹性和抗剪硬度。若果将干燥的土移在天然温度的空气中，则土的质量将降低，直至土中吸着的强结合水达到最大吸着度为止。土粒越细，土的比表面积越大，则最大吸着度就越大。土层为1%,黏土为17%2、弱结合水（薄膜水）弱结合水毗邻于强结合水的外围产生一层结合水膜。它
9、仍然不能传递静水压力，但水膜较厚的弱结合水能向临近的较薄的水膜平缓联通。当土中富含较多的弱结合水时，土则具有一定的可塑性。土层比表面积较小，几乎不具可塑性，而黏土的比表面积较大，其可塑性范围较大。弱结合水离土粒表面积愈远，其深受的电分子吸引力愈弱小，并逐步过渡到自由水。（二）自由水自由水是存在于土粒表面电场影响范围以外的水。它的性质和普通水一样，能传递静水压力，冰点为0C,有溶化能力。自由水按其联通所遭到斥力的不同，可以分为重力水和毛细水1、重力水重力水是存在于地下水位一下的透水地层中的地下水，它是在重力或压力差作用下运动的自由水，对土粒有压强作用，重力水对土中的挠度状态和顶管土层、基坑以及
10、修筑地下构建物时所应采取的排水、防水举措有重要的影响。2、毛细水毛细水是遭到水与空气交界面处表面张力作用的自由水。其产生过程一般用数学学中毛细管现象解释。分布在土粒内部互相贯通的孔隙，可以看成是许多形状不一，半径各异，彼此连通的毛细管。结构水矿物成份水(结晶水强结合水综上：土中的水YL佛石水广结合水yj液态水I弱结合水I孔隙中的水固态水非结合水毛细水二气态水工重力水三、土中二氧化碳土的孔隙中没有被水抢占的部份都是二氧化碳。1、土中二氧化碳的来源土中二氧化碳的动因，除来自空气外，也可由生物物理作用和物理反应所生成。2、土中二氧化碳的特征(1)土中二氧化碳除富含空气中的主要成份O2外，浓度最多的是水汽,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浓度比空气中少(空气中为：20.9%,土中为：10.3%)土中二氧化碳CO2浓度比空气中高好多(空气为0.03%,土中为10%)土中二氧化碳中放射性元素的浓度比在空气中的浓度大2000倍。3、土中二氧化碳按其所处状态和结构特性，可分为以下几大类：吸附氨气、溶解二氧化碳、密闭二氧化碳及自由二氧化碳。(1)吸附氨气：因为分子引力作用，土粒不但能吸附水份子，并且能吸附氨气，土粒吸附氨气的长度不超过23个分子层。土中吸附二氧化碳的浓度决定于矿物成份、分散程度、孔隙度、湿度及二氧化碳成份等。在自然条件下，在荒漠地区的表层中可能碰到比较大的二氧化碳吸附量。(2)溶化二氧化碳：在土的气相中
12、主要溶化有：CO2、O2水汽(H2O);其次为H2、Cl2、CH4；其溶化数值取决于水温、压力、气体的化学物理及氨水的物理成份。溶化二氧化碳的作用主要为：a.改变水的结构及氨水的性质，对土粒施加力学作用；b.当T、P增高时，在土中可产生密闭二氧化碳。c.可加速物理潜蚀过程。(3)自由二氧化碳自由二氧化碳与大气连通，对土的性质影响不大。(4)密闭二氧化碳封闭二氧化碳的容积与压力有关，压力减小，则容积缩小；压力降低，则容积减小。因而密闭二氧化碳的存在降低了土的弹性。密闭二氧化碳可增加地基的沉降量，但当其忽然排除时，可引起基础与建筑物的变型。密闭二氧化碳在不可排水的条件下，因为密闭二氧化碳可压缩性会导致土的压密。密闭气体的存在能减少地层透
13、水性，阻塞土中的渗透通道，降低土的渗透性。1-2土的结构一、土的构造土颗粒之间的互相排列和连续方式，称为土的结构。常见的土结构有以下三种：1、单粒结构(诫(-)粗颗粒土，如砾石、砂等。2、蜂窝结构()当土颗粒较细(粒级在0.020.002mm范围)，在水底单个下沉，见到已沉积的土粒，因为土粒之间的分子吸力小于颗粒自重土中水的密度怎么算，则正常土粒被吸引不再下沉，产生很大孔隙的蜂窝状结构。3、絮状结构()粒径大于0.005mm的黏土颗粒，在水底常年漂浮并在水底运
14、动时，产生小链环状的土集粒而下沉。这些小链环遇到另一小链环被吸引，产生大链环状的片状结构，此种结构在海积黏土中常见。上述三种结构中，以密实的单粒结构土的工程性质最好，蜂窝状其次，丝状结构最差。后两种结构土，如因震动破坏天然结构，则硬度低，压缩性大，不可用作天然地基。二、土的构造同一地层中，土颗粒之间互相关系的特点称为土的构造。觉见的有下述几种：1.层状构造地层由不同颜色，不同粒径的土组成层理，平原地区的层理一般为水平层理。层状构造是泥岩土的一个重要特点。2.分散构造：地层中土粒分布均匀，性质相仿，如砂，砾石层为分散构造。3.结核状构造在泥岩土中掺有粗颗粒或各类结核，如含磁石的粉质黏土，
15、含砂砾的冰磺土等。其工程性质取决于泥岩土部份。4.节理状构造土层中有好多不连续的小节理，有的硬塑与坚硬状态的黏土因此种构造。节理硬度低，渗透性高，工程性质差。1-3土的化学性质土是土粒（固体相）土中水的密度怎么算，水（液体相）和空气（二氧化碳相）两者所组成的；土的化学性质就是研究单相的质量与容积间的互相比列关系以及固、液两相互相作用表现下来的性质。土的化学性质指标，可分为两类：一类是必须通过试验测定的，如含水量，密度和土粒比重；另一类是可以依照试验测定的指标换算的；如孔隙比，孔隙率和饱和度等。一、土的基本化学性质土的单相图（见教材P62图）（一）土粒密度（）土粒密度是指固体颗粒的质
16、量ms与其容积Vs之比；即土粒的单位容积质量：I:ms3:s-g/cm土粒密度仅与组成土粒的矿物密度有关，而与土的孔隙大小和含水多少无关。实际上是土中各类矿物密度的加权平均值。土层的土粒密度通常为：2.65g/cm3左右粉质泥岩的土粒密度通常为：2.68g/cm3粉质黏土的土粒密度通常为：2.682.72g/cn?黏土的土粒密度通常为：2.7-2.75g/cm3土粒密度是实测指标。（二）土的密度（）土的密度是指土的总质量m与总体积V之比，也即为土的单位容积的质量其中：V=Vs+Vv;m=ms+mw按孔隙中充水程度不同，有天然密度，干密度，饱和密度之分。1.天然密度（湿密
17、度）（）天然状态下土的密度称天然密度，以下式表示:土的密度取决于土粒的密度，孔隙容积的大小和孔隙中水的质量多少，它综合反映了土的物质组成和结构特点。砂砾通常是1.4g/cm3粉质泥岩及粉质黏土1.4g/cm3黏土为1.4g/cm3壤土沼泽土：1.4g/cm3土的密度可在室外及野外现场直接测定。室外通常采用“环拳法”测定,称得环刀内土样质量，求得环刀体积；二者之比值。2.干密度()一V一VsVvg/cm3土的孔隙中完全没有水时的密度，称干密度；是指土单位容积中土粒的重量，即：固体颗粒的质量与土的总体积之比值。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，它常常通过土的密度及含水率估算得来，但也可以实测。士的干密度通常常在1.41.7g/cm3在工程上常把干密度作为评定基岩紧密程度的标准，以控制土层工程的施3.饱和密度()土的孔隙完全被水饱含时的密度称为饱和密度。即，土的孔隙中全部饱含液态水时的单位容积质量，可用下式表示：g/cm3式中：Pw:水的密度(工程估算中可取1g/cm3)土的饱和密度的常见值为1.82.30g/cm3据悉：(1)浮密度土的浮密度是土单位容积中土粒质量与同体积水的质量之差，即p=(ms-Vs(3W)/V或P=由此可见：同一种土在容积不变的条件
19、下，它的各类密度在数值上有如下关系：:s.：sa-：.：d.：(2)容重：单位容积的重量(三)土的含水性土的含水性指土中含水情况，说明土的干湿程度。1.含水率(含水量)土的含水量定义为土中水的质量与土粒质量之比，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与干密度估算得到：一sw=s100%：s室外测定：通常用“洪湿法”，先称小块原状土样的湿土质量，之后放在烤箱内维持摄氏度烘至恒重，再称干土质量，湿、干土质量之差与干土质量的比值就是土的含水量。天然状态下土的含水率称土的天然含水率。通常土层天然含水率都不超过40%,以1030%最为常见；十月黏土大
20、多在1080%之间，常见值2050%土的孔隙全部被普通液态水饱含时的含水率称饱和含水率wsat=%msPw水的密度，又称饱和水容度。饱和含水率又称饱和水密度，它既反映了水底孔隙饱含普通液态水时的含水特点，又反映了孔隙的大小。土的含水率又可分为容积含水率与引用容积含水率：容积含水率nw：为土中水的容积与容积之比。Vwnw=学100%引用容积含水率ew：为土中水的容积与土粒容积之比。ew=-w100%V2.饱和度（定义为：土中孔隙水的容积与孔隙容积之比，以百分率表示，即：sr=vw100%Vv或天然含水率与饱和含水率之比：wsr=100%wsat
21、饱和度愈大，表明土中孔隙中充水愈多，它在0100%;干燥时Sr=0o孔隙全部为水充填时，Sr=100%。工程上Sr作为土层温度界定的标准。Sr80%饱和的工程研究中，通常将Sr小于95%的天然黏性土视为完全饱和土；而泥岩Sr小于80%时就觉得已达到饱和了。（四）土的孔隙性孔隙性指土中孔隙的大小，数目、形状、性质以及连通情况。1.孔隙率（）与孔隙比（）孔隙率（n）：是土的孔隙容积与泥岩积之比，或单位容积土中孔隙的容积,以百分率表示，即：Vvn=100%V孔隙比：定义为土中孔隙容积与土粒容积之比，以小数表示，即：Vve二一Vs孔隙比和孔隙率（度）都是用以表示孔隙体
22、积浓度的概念。二者有如下关系:n=e或e=n1e1-n土的孔隙比或孔隙度都可拿来表示同一种土的松，密程度。它随土产生过程中所受的压力、粒径骨料和颗粒排列的状况而变化。通常说：粗粒土的孔隙度小，泥岩土的孔隙度大。孔隙比e是个重要的化学性指标，可以拿来评价天然坝体的密实程度。-般e1.0的土是疏松的无压缩性土饱和含水率是用质量百分比来反映土的孔隙性结构指标的，它与孔隙率和孔隙比，有如下关系：n=wsat*d,w：se=Wsat-w2,土层的相对密度对于土层，孔隙比有最大值与最小值，即最松散状态和最紧密状态的孔隙比。emin:通常采用“振击法”测定；emax:通常用“松砂器法”测定。土层的松密程度还可
23、以用相对密度来评价:-enin式中：max：最大孔隙比。emin:最小孔隙比。e：天然孔隙比。土层按相对密度分类：0Dr0,33疏松的0.33Dr0.66中密的0.66Dr1密实的一般填土的相对密度的实用表达式为：d-,=-；dmax-dmind由于最大或最小干密度可直接求得。Dr在工程上常应用于：（1）评价土层地基的容许承载力；（2）评价余震区砂体液化；（3）评价土层的硬度稳定性。例题：某日然地层，密度为1.47g/cm3,含水量13%,由试验求得该土层的最小干密度为1.20g/cm3;最大干密度为1.66g/cm3;问该地层处于哪种状态？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该地层处于疏松状态（五）基本化学性质指标间的互相关系1、孔隙比与孔隙率的关系设基岩内土粒容积Vs=1,则孔隙容积Vv=e,基岩容积V=Vs+Vv=1+e,2、干密度与湿密度和含水量的关系设基岩容积V=1,则基岩内土粒质量ms=Pd,水的质量：mw=-于是由：-=一=wVn1-wVV3、孔隙比与比重和干密度的关系
25、设基岩内土粒容积Vs=1,则孔隙容积Vv=e,土粒质量ms=Ps,于是：因为是,由4=七或六e&_1Dd4、饱和度与含水量，比重和孔隙比的关系设基岩内土粒容积Vs=1,则孔隙容积Vv=e,土粒质量ms=Ps,孔隙水质重mw=w：s孔隙底泥积：Vw二健徨出.Sr=wSr=Vvee:?we当Sr=100%时，土饱和,则:e=WmGs式中：wm饱和含水量，Gs:土粒比重。常见的化学性质指标及互相关系换算公式见教材P69表5-5例题：某原状土样，经试验测得天然密度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和饱和度
26、Sr。解：绘单相草图(1)设土的容积V=1.0cm3按照密度定义得：m=W=1.671=1.67g(2)按照含水量定义得：mw=wms=0.129ms从单相图可知：m==ma=0mw+ms=m,即0.129ms+ms=1..671.129=1.18gmw=1.67-1.48=0.19g(3)依据土粒比重定义：土粒的质量与同容积纯蒸储水在4摄氏度时质量之比,即Gs-Gs=2.67%=1=2.671=2.67g/.48=0.：s2.67(4)Vw=mw=0.W0=0.:w1.0(5)从单相可知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)依据孔隙比定义：e=Vv得.2560.19e=w=0..554Dn=%=52.2211.093（7）按照孔隙度定义：n=Vv得V或n=-=0.805=0.446=44.610.805(8)依据饱和度定义：Sr=Vw得VvSr=Vw=019=0.426=42.6%VaVw0.2560.19例题.薄壁采样器采取的土样，测出其容积V与重量分别为38.4cm3和67.21g,把土样装入烤箱烘干，并在烤箱内冷却到温度后，测得重量为49.35g。试求土
28、样的P（天然密度），Pd（干密度），w（含水量），e（孔隙比），n（孔隙率），饱和度。（Gs=2.69）26911-1=1.0931.285Sr,2.36.192.69.89.07%e1.093第二节土的水理性质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）稠度与液性指数黏性土的化学状态常以稠度来表示。稠度的含义是指
29、土体在各类不同的温度条件下，受外力作用后所具有的活动程度。黏性土的稠度，可以决定黏性土的热学性质及其在建筑物作用下的性状。在土质学中，常采用下述稠度状态来区别黏性土在各类不同水温条件下所具备的化学状态。黏性土的标准稠度及其特点稠度状态稠度的特点标准气温或稠度界线液体状液流状呈薄层流动黏结界限液限Wc黏着性界限沸程Wp收缩界限Ws粘流状（黏结状）呈厚层流动塑体状粘塑状具有塑体的性质，并黏着其他物体稠塑状具有塑体的性质，但不黏着其他物体固体状半固体状失掉塑体性质，具有半固体性质固体状具有固体性质相邻两稠度状态，既互相区别又是逐步过渡的，稠度状态之间的转变界限叫稠度界限，用含水量表示，称界限含水量。
30、在稠度的各界限值中，塑性上限（Wl）和塑性下限（Wp）的实际意义最大它们是区别三大稠度状态的具体界限，简称液限和沸程。土所处的稠度状态，通常用液性指数II（即稠度指标B）来表示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数（IL）黏性土的化学状态可分为:坚硬：IL0软塑：0.75IL1硬塑：0|L1可塑：|L16流动灵敏度高的土，其结构性愈高，受扰动后土的硬度增加就愈多，施工时应非常注意保护土层，使结构不扰动，防止增加地基硬度。黏结性：当黏性土结构受扰动时，土的硬度增加。但静置一段时间，土的硬度又渐渐下降，这些性质称为土的溶胀性。这是因为土粒、离子和水份子体系随时间而趋向新的平衡状态之故。
