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土,是指尚未固結成岩的松、軟堆積物。主要為第四紀的產物。土與岩石的根本區別是土不具有剛性的聯結,物理狀態多變,力學強度低等。土由各類岩石經風化作用而成。土位於地殼的表層,是人類工程經濟活動的主要地質環境。土與岩石一起是工程岩土學的研究對象。

1 土 -土

2 土 -正文

土
尚未固結成岩的松、軟堆積物。主要為第四紀的產物。土與岩石的根本區別是土不具有剛性的聯結,物理狀態多變,力學強度低等。土由各類岩石經風化作用而成。土位於地殼的表層,是人類工程經濟活動的主要地質環境。土與岩石一起是工程岩土學的研究對象。
  土的基本特徵 ①土與岩石一樣是自然歷史產物。土的性質由其地質成因、形成時間、地點、環境、方式,以及後生演化和現時產出的條件決定。如乾旱區形成的黃土,濕熱區形成的紅土,靜水區形成的淤泥,它們在性質上截然有別。②土是由固、液、氣體多相組成的體系。固相是土的主要成分,稱為土的骨架。土顆粒間的孔隙可被液體或氣體充填。完全被水充滿時,形成二相體系的飽水土,性質柔軟;完全被氣體充滿時,則形成二相體系的干土,其性質有的鬆散,有的堅硬。土的孔隙中有液、氣體共存時,則形成濕土,其性質介於飽水土和干土之間,屬三相體系。土中各相系組成的質和量,以及它們之間的相互作用是控制土的工程性質的主要因素。③土是分散體系。根據土顆粒的大小(分散程度),土可分為粗分散體系(粒徑大於2微米),細分散體系(粒徑2~0.1微米),膠體體系(粒徑0.1~0.01微米),分子體系(粒徑小於0.01微米)。土的工程性質隨著分散程度的變化而改變。④土是多礦物組合體。一種土含有5~10種或更多的礦物,其中次生礦物是主要成分。土遇水產生膠體化學特性,土粒間形成受結合水控制的特殊聯結。這是促使粘土產生複雜性質的根本原因。
  土的物質成分 一般包括粒度成分、礦物成分和液相成分。
  ①粒度成分。土粒按粒徑大小及其性質的近似性歸併成粒組,用各粒組佔總土重的百分數表示土的粒度成分。粒度分析結果用累積曲線圖和分佈曲線(柱狀)圖(圖1、2)表示。據累積曲線可圖解出d10d30d50d60等特徵粒徑值。d10為有效粒徑,累積百分含量為10%的粒徑,是土的有代表性的粒徑,常用於計算潛蝕、透水性和毛細管性的經驗公式中;d50為平均粒徑,指累積含量為50%的粒徑;d30d60為限制粒徑,指累積含量分別為30%和60%的粒徑。此外,不均勻係數Cu=d60/d10和曲率係數土也是表示粒度成分的定量指標。分佈曲線圖中具有一個較窄的峰者,稱單分散土;具有兩個峰者,稱雙分散土;峰多而平緩者,稱多分散土。
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  ②礦物成分。土中的粗碎屑顆粒多由石英、長石、雲母等原生礦物組成。原生礦物經風化,可溶物被溶蝕后形成不溶於水的次生礦物。其顆粒很細小(小於0.001毫米),是構成粘土的主要成分,故稱粘土礦物。主要代表性粘土礦物是高嶺石、蒙脫石和伊利石。它們的比表面積大、陽離子交換吸附能力強,是控制粘性土產生塑性、膨脹性、收縮性等特殊性質的主要因素。
  ③液相成分。土中的液相成分通常不全是自由水。根據水分子的活動性可分為毛細管水、結合水、結構水等類型。結合水是土粒與水發生複雜物理-化學作用的產物。土粒表面常分佈有具遊離電價的原子或離子,它們能吸引極性水分子形成水化膜。在水化膜中直接與土粒相接觸,並牢固被吸引的水稱吸附結合水(強結合水)。遠離顆粒表面的水構成濃差滲透吸附結合水(弱結合水)。結合水形成的形式如圖 3。土強、弱結合水構成土粒表面雙電層的反離子層,其中弱結合水大體相當於擴散層。結合水的發育是決定粘性土工程性質的主要因素。土中存在一定數量的可溶鹽(NaCl、Na2SO4、CaCl2)。土中的水是水溶液。粘土膠粒從介質水溶液中吸附和交換分子、離子的能力稱土的吸附能力。吸附有物理吸附(無極性吸附)和物理-化學吸附(極性吸附)。後者對土的工程性質的形成和演化有重要影響。在自然條件下,土粒表面荷負電,故陽離子吸附最普遍。吸附陽離子可與其他陽離子按化學當量進行離子交換。 100克干土能吸附陽離子的最大量稱交換容量,以毫克當量表示。粘土膠體通常呈兩性膠體,在等電點以下荷正電,將吸附交換陰離子(Cl、PO婯等),在富含鋁及水鋁英石的粘土中常見此種情況。
  土的結構特徵 土的結構是土的存在形式,是土中礦物顆粒的相互關係。土的結構特徵除土顆粒的大小、形狀、表面特性及粒度級配特徵外,還包括顆粒間的排列與集合關係,孔隙的大小,顆粒間聯結的特點等。
  土的結構類型有下列幾種:①散粒結構,為粗粒土所特有。其特點是土粒大、比表面積小、粒間無結構聯結,只靠重力相互堆砌而成。按排列程度又可分為疏鬆與緻密兩種。經洪水快速搬運堆積的砂土易於形成疏鬆結構。其特點是孔隙度高,經動荷載作用后易產生壓密變形。海岸帶磨圓度好的砂多具緻密結構。其特點是孔隙度低,經動、靜荷載作用均不易產生重大變形。②團聚結構,為粘性土特有。其特點是粘土粒子很少單獨存在,而是彼此結合成團聚體。按粒度和團聚體排列的形式此類結構又可分為蜂窩狀、骨架狀、基質狀、紊流狀、層流狀、疇狀、偽球狀和海綿狀等8種類型(圖4)。土前 5種為沉積粘土的典型結構,后3種則為殘積或熱液成因粘土的典型結構。蜂窩狀結構是靜水環境中新近沉積粘土的典型結構。它的特點是孔隙度大(60~90%),濕度高(55~300%),強度低,壓縮性強和各向同性。骨架狀結構比蜂窩狀結構密實,富含粉粒(40~60%),且多處於粘粒包裹之中,具觸變性。基質狀結構以粘粒團聚體為基底,粉砂粒鑲嵌其中,具弱、中等壓密性,是沖積土的典型結構。紊流狀結構系蜂窩狀結構或基質狀結構經成岩壓密形成的,具明顯各向異性,各向異性剪切係數達2.5。在已固結的海積粘土中常見層流狀結構,淡水湖相粘土經後生成岩壓密,亦可有這種結構,它比紊流狀結構的定向程度更高。疇狀結構是殘積高嶺土的典型結構,與長石風化密切相關,在花崗岩風化土中最常見。偽球狀和海綿狀結構是熱液成因粘土的代表結構。
  土的物態特徵 由於土的各物質組成之間的比例和排列不同而表現出的土的輕重、乾濕和松密等自然屬性。表徵土的物態特徵的指標如下:①土粒密度,土中固體顆粒的質量與其體積之比,即土粒的單位體積的質量;②天然密度,天然狀態下,土的總質量與總體積之比;③干密度,土的孔隙中完全沒有水時,土的單位體積的質量;④含水率,土中所含水分的質量與固體顆粒質量之比,常以百分數表示;⑤孔隙率:土的孔隙體積與土的總體積之比,常以百分率表示;⑥孔隙比,土的孔隙體積與土粒體積之比,常用小數表示;⑦飽和度,土的孔隙中水的充填度,即土中水的體積與孔隙體積的百分比值。
  土的分類 地殼上的土,種類繁多,為便於研究與實際應用,可按土的工程性質近似地歸類,粒度組成一直是土的分類的基本依據。世界上幾個國家的土的粒組界限值見表。
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按粒度,土首先分為顆粒直徑大於0.074毫米者占 50%以上的粗粒土和顆粒直徑小於0.074毫米者佔50%以上的細粒土,粗粒土再細分的標準仍是粒度組成,顆粒直徑大於 2毫米者佔50%以上的為礫石類土,否則為砂類土。但細粒土的性質與粒度的關係不如其與水的關係密切,故世界各國普遍採用塑性指標作為劃分細粒土的標準。分類方法是將實際測得的塑性指標值點在塑性圖上,據其位置歸類(圖5)。此外,還有以地質成因或礦物成分為劃分標準的分類法。
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土的水理性質

土的水理性質一般指的是粘性土的液限、塑限(由實驗室測得)及由這兩個指標計算得來的液性指數和塑性指數。這幾個指標也是工程中必需提供的。對於飽和粘性土還有靈敏度和觸變性。

粘性土由於含水量的不同,分為固態、可塑狀態和流動狀態,這即是粘性土的稠度狀態。各稠度狀態間的臨界含水量稱界限含水量,界限含水量隨粘粒含量和礦物成份的不同變化較大,也反映出工程地質性質的顯著差別。因此界限含水量及界限含水量與天然含水量的關係,即塑性指數和液性指數,往往作為土的分類和確定地基承載力的重要參數。

天然狀態下的粘性土具有一定的結構。當受到外來因素的擾動時,土粒間的膠結物質以及土粒、離子、水分子所組成的平衡體系受到破壞,土的強度降低和壓縮性增大。土的結構性對強度的這種影響,一般用靈敏度來反映。

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