第一节 土的物质组成
土是由固体颗粒、水和气体三部分组成的，称为土的三相组成。土中固体矿物构成骨架，骨架之间贯穿着孔隙，孔隙中充满着水和空气，三相比例不同，土的状态和工程性质也不相同。研究土的工程性质，首先应从土的三相开始研究。
一、土的固体颗粒
土的固体相物质包括无机矿物颗粒和有机质，是构成土的骨架最基本的物质，称为土粒。其大小和形状、矿物成分及其组合情况是决定土物理力学性质的重要因素。
（一）土的矿物成分
土中的矿物成分可分为原生矿物和次生矿物两大类。土粒的矿物成分主要决定于母岩的成分及其所经受的风化作用。不同的矿物成分对土的性质有着不同的影响，其中以细粒组的矿物成分尤为重要。
原生矿物是指在岩浆冷凝过程中形成的矿物，如石英、长石、云母等。由它们构成的粗粒土，矿物成分与母岩一致，由于其颗粒大、比表面积小、与水作用的能力弱、其抗水性和抗风化作用的能力强，工程性质较为稳定。如果级配良好，则土的密实度大、强度高、压缩性低，可作为良好的工程场地。
次生矿物是原生矿物经化学风化作用后形成的新矿物，其颗粒细小，常呈片状，是黏性土的主要组成部分。由于其粒径非常小（小于0．002mm），具有很大的比表面积，与水的作用能力很强，能发生一系列复杂的物理、化学变化，导致土的性质突变。另外，对土的工程性质影响较大的，还有土粒间各种相互作用力的影响，而粒间的相互作用力又与矿物颗粒本身的结晶结构特征有关，也就是说，与组成矿物的原子和分子的排列有关、与原子分子间的键力有关。
黏土矿物是一种复合的铝-硅酸盐晶体，颗粒呈片状，是由硅片和铝片的晶胞所组叠而成。黏土矿物按硅片和铝片组叠形式的不同，可以分为蒙脱石、伊利石和高岭石三种主要类型。
（二）土的粒度成分
天然土体土粒大小变化悬殊，大的有几十厘米，小的只有千分之几毫米，形状也不一样，有块状、粒状、片状等。这与土的矿物成分有关，也与土粒所经历的风化、搬运过程有关。
土粒的大小用颗粒的直径表示称为粒度，单位是mm。在工程中，粒度不同、矿物成分不同，土的工程性质也就不尽相同。例如颗粒粗大的卵石、砾石和砂，大多数为浑圆和棱角状的石英颗粒，具有较大的透水性而无黏性；颗粒细小的黏粒，则属于呈针状或片状的黏土矿物，具有黏滞性而透水性低。因此工程上常把大小、性质相近的土粒合并为一组，称为粒组。对于粒组的划分，目前各个国家、各个部门并不统一，表2-1为一种常用的粒组划分标准，也是国标《土的工程分类标准》（GB／T 50145—2007）所采用的方法。
表2-1 粒组划分标准（GB／T 50145—2007）
1．粒度成分及其表示方法
土的粒度成分是指土中各种不同粒组的相对含量（以干土质量百分比表示），它可以用来描述土中不同粒径颗粒的分布特征。常用的粒度成分表示方法有表格法、累计曲线法和三角坐标法，其中表格法、累计曲线法是最常用的方法。
1）表格法
表格法以列表形式直接表达各粒组的相对含量。表2-2给出了三种土样的粒度成分分析结果。
2）累计曲线法
累计曲线法是一种图示的方法，通常用半对数纸绘制，横坐标表示某一粒径，纵坐标表示小于某一粒径的土粒的百分含量。表2-2中所列的三种土的粒径级配累计曲线如图2-1所示。土的粒径级配累计曲线是土工上最常用的曲线，从该曲线上可以直接了解土的粗细、粒径分布的均匀程度和级配的优劣。
在粒径级配累计曲线上，可确定两个描述土的级配指标。
不均匀系数（Cu）：
表2-2 粒度成分分析结果
图2-1 土的粒径级配累计曲线
曲率系数（Cc）：
式中：d 10——累计曲线百分含量为10%的粒径，即土的有效粒径；
d 30——累计曲线百分含量为30%的粒径；
d 60——累计曲线百分含量为60%的粒径，即土的限制粒径。
不均匀系数（Cu）反映大小不同粒组的分布情况。Cu越大表示土粒大小的分布范围越大，颗粒大小越不均匀，其级配越良好。但如果Cu过大，可能缺失中间粒径属不连续级配，需要同时用曲率系数来评价。
曲率系数（Cc）描述的是累计曲线的分布范围，反映曲线的整体形状，能够反映累计曲线是否连续。
在一般情况下，把Cu≤5的土看作是均匀粒土，属级配不良；Cu＞5时的土，称为不均匀粒土；Cu＞10的土属级配良好。经验证明，当级配连续时，Cc的范围为1～3，因此，当Cc＜1或Cc＞3时，均表示级配不连续。
因此综合起来，Cu≥5且Cc为1～3的土，称为级配良好的土；不能同时满足上述两个要求的土，称为级配不良的土。
2．粒度成分分析方法
我们知道，土体是多种不同粒组的混合物。以砾石和砂粒为主要成分的土称为粗粒土，也称为无黏性土；以粉粒、黏粒和胶粒为主的土，称为细粒土，也称为黏性土。显然，土的性质取决于不同粒组的相对含量。为了确定各粒组的相对含量，需用试验的方法将粒组区分开来，这种试验方法统称为颗粒分析试验。其试验方法有筛分法和静水沉降法两种。
1）筛分法
筛分法适用于粒径大于0．075mm（或0．074mm，按筛的规格而言）的土。它是利用一套孔径大小不同的筛子（如孔径为60mm、40mm、20mm、10mm、5mm、2mm、1mm、0．5mm、0．25mm、0．1mm、0．075mm），将事先称过质量的烘干土样过筛，称量留在各筛上的质量，然后计算相应的百分数。
2）静水沉降分析法
沉降分析法用于分析粒径小于0．075mm的土，根据斯托克斯（Stokes）公式（2-3），球状的细颗粒在水中的下沉速度与颗粒直径的平方成正比。因此，可以利用粗颗粒下沉速度快、细颗粒下沉速度慢的原理，把颗粒按下沉速度进行粗细分组。实验室常用密度记法和移液管法来进行。
式中：d——球形颗粒的粒径，mm；
v——球形颗粒在液体中的稳定沉降速度，m／s。
二、土中的水和气体
（一）土中的水
组成土的第二种主要成分是土中的水。在自然条件下，土中总是含水的。土孔隙中的水可以处于液态、固态或气态。土中细粒越多，则土的分散度越大，水对土的性质的影响也越大。研究土中的水，必须考虑到水的存在状态及其与土粒的相互作用。
存在于土孔隙中的液态水可分为结合水、毛细水和自由水三大类。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构水，它只有在比较高的温度（80～680℃，随土粒的矿物成分不同而异）下，才能化为气态水而与土粒分离，从土的工程性质上分析，可以把矿物内部结合水当作矿物颗粒的一部分。
1．结合水
结合水是指受电分子吸引力吸附于土粒表面的土中水，这种电分子吸引力高达几千到几万个大气压，使水分子和土粒表面牢固地黏结在一起。结合水因离颗粒表面远近不同，受电场作用力的大小也不同，所以分为强结合水和弱结合水。
1）强结合水（吸着水）
强结合水是指紧靠土粒表面的结合水，它的特征是：没有溶解盐类的能力；不能传递静水压力；只有吸热变成蒸气时才能移动。
这种水极其牢固地结合在土粒表面上，其性质接近于固体，密度为1．2～2．4g／cm3，冰点为-78℃，具有极大的黏滞度、弹性和抗剪强度。如果将干燥的土放在天然湿度的空气中，则土的质量将增加，直到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，则其最大吸着度就越大，砂土的吸着度为1%，黏土的吸着度为17%。
2）弱结合水（薄膜水）
弱结合水紧靠强结合水的外围形成一层结合水膜。它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缓慢移动。当土中含有较多的弱结合水时，其具有一定的可塑性。砂土的比表面积较小，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愈远，其受到的电分子吸引力愈小，并逐渐过渡到自由水。
2．毛细水
毛细水是受到水与空气交界面处表面张力作用的自由水。其形成过程通常用物理学中毛细管现象解释。分布在土粒内部相互贯通的孔隙，可以看成是许多形状不一、直径各异、彼此连通的毛细管。
3．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，其冰点为0℃，有溶解能力。自由水按其移动所受到作用力的不同，通常称为重力水。
重力水是存在于地下水位以下的透水土层中的地下水，它是在重力或压力差作用下运动的自由水，对土粒有浮力作用，重力水对土中的应力状态和开挖基槽、基坑以及修筑地下构筑物时所应采取的排水、防水措施有重要的影响。
（二）土中气体
土的孔隙中没有被水占据的部分都是气体。土中气体除来自空气外，也可由生物化学作用和化学反应所生成。土中含有O2、水蒸气、CO2、N2、CH4、H2S等气体。土中O2含量比空气中少，CO2含量比空气中高很多。
土中气体按其所处状态和结构特点，可分为吸附气体、溶解气体、自由气体及密闭气体。
1．吸附气体
由于分子引力作用，土粒不但能吸附分子，而且能吸附气体，土粒气体的厚度不超过2个分子层。土中吸附气体的含量取决于矿物成分、分散程度、孔隙度、湿度及气体成分等。在自然条件下，在沙漠地区的表层中可能会遇到比较大的气体吸附量。
2．溶解气体
在土的液相中主要溶解有CO2、O2、水蒸气，其次为H 2、Cl2、CH 4。其溶解数值取决于温度、压力、气体的物理和化学性质及溶液的化学成分。
3．自由气体
自由气体与大气连通，对土的性质影响不大。
4．密闭气体
密闭气体的体积与压力有关，压力增大则体积缩小，压力减少则体积增大，因此密闭气体的存在增加了土的弹性。密闭气体可降低地基的沉降量，但当其突然被排除时，可导致地基与建筑物的变形。密闭气体在不可排水的条件下，由于密闭气体的可压缩性会造成土的压密。密闭气体的存在能降低土层透水性，阻塞土中的渗透通道，减小土的渗透性。
三、土的结构与构造
在漫长的地质年代里，由各种物理的、化学的、物理-化学的及生物的因素综合作用，形成土的各种结构和构造，使得大自然的土具有各种各样的工程特征。研究土的工程性质必须重视对土的结构性的分析，掌握有关土的结构、构造的知识。
（一）土的结构
土的结构是指土粒（或团粒）的大小、形状、互相排列及联结的特征。
土的结构是在成土过程中逐渐形成的，它反映了土的成分、成因和年代对土的工程性质的影响。例如西北黄土的大孔隙结构是在干旱的气候条件下形成的，而西南的红黏土是在湿热的气候条件下形成的，这两种土虽然都具有大孔隙，但成因不同，土粒间的胶结物质不同，工程性质也就截然不同。土的结构按其颗粒的排列和联结可分为如图2-2所示的三种基本类型。
图2-2 土的结构基本类型
1．单粒结构
单粒结构是碎石土和砂土的结构特征。其特点是土粒间没有联结存在或联结非常微弱，可以忽略不计。疏松状态的单粒结构在荷载作用下，特别在振动荷载作用下会趋向密实，土粒移向更稳定的位置，同时产生较大的变形；密实状态的单粒结构在剪应力作用下会发生剪胀，特点是体积膨胀、密度变松。单粒结构的紧密程度取决于矿物成分、颗粒形状、粒度成分及级配的均匀程度。片状矿物颗粒组成的砂土最为疏松；浑圆的颗粒组成的土比带棱角的容易趋向密实；土级配愈不均匀，结构愈紧密。
2．蜂窝状结构
蜂窝状结构是以粉粒为主的土的结构特征。粒径为0．002～0．02mm的土粒在水中沉积时，基本上是单个颗粒下沉，在下沉过程中碰上已沉积的土粒时，若土粒间的引力相对自重而言已经足够大时，则此颗粒就停留在最初的接触位置上不再下沉，形成大孔隙的蜂窝状结构。
3．絮状结构
絮状结构是黏土颗粒特有的结构。悬浮在水中的黏土颗粒，当介质发生变化时，土粒互相聚合，以边—边、面—边的接触方式形成絮状物下沉，沉积为大孔隙的絮状结构。
（二）土的构造
在同一土层中的物质成分和颗粒大小等都相近的各部分之间的相互关系的特征，称为土的构造。常见土的构造类型有如下类型。
（1）层理构造。主体由成分相同或相近的土粒组成基本的土层或层理，再由基本的土层单元平行组成复合土层（图2-3）。多见于古平坦地区形成的土层。它是在土的形成过程中，由于不同阶段沉积的物质成分、颗粒大小或颜色不同，而沿竖向呈现的成层特征。
（2）分散构造。由均匀分布的土粒组成的构造。如单一的砂层、卵石层。
（3）结核状构造。由均匀分布的土粒和成分各异、大小不等的结核所共同组成的构造。如含姜结石的黄土。
图2-3 土的层理构造
1．淤泥夹黏土透镜体；2．黏土尖灭层；3．砂土夹黏土层；4．砾石层；5．基岩
（4）裂缝状构造。由形态各异、大小不等的土块和切割土块的裂缝所共同组成的构造。如干的膨胀土、黄土。
（5）粗石状构造。由相互挤靠着的粗大岩石碎屑像砌石一样堆积形成的构造。岩堆、泥石流上游堆积及山区河流上游的河床沉积物等常具有这种构造特征。
（6）假斑状构造。在较细颗粒组成的土体中，混杂着一些粗大土粒，且粗大的土粒间互不接触所形成的构造。洪积扇中上部位和冰积层等具有这种特征。
（7）透镜体构造。指具有某些方面特征的土体单元与其周围土层的边界线构成透镜体状的构造。
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