土的三相组成

土的三相包括固相、液相和气相。土的三相物质组成是很复杂的。

1.1.1　土的固相

土的固相物质分无机矿物颗粒和有机质，称为土的骨架。矿物颗粒由原生矿物和次生矿物组成。原生矿物是指岩浆在冷凝过程中形成的矿物，如石英、长石、云母等。原生矿物经化学风化作用后发生化学变化而形成新的次生矿物，如三氧化二铁、三氧化二铝、次生二氧化硅、黏土矿物、碳酸盐等。次生矿物按其与水的作用可分为可溶的或不可溶的，可溶的按其溶解难易程度又可分为易溶的、中溶的和难溶的。次生矿物的成分和性质均较复杂，对土的工程性质影响也较大。

在风化过程中，往往有微生物的参与，在土中产生有机质成分，如多种复杂的腐殖质矿物。此外，在土中还会有动植物残骸体等有机残余物，如泥炭等。有机质对土的工程性质影响很大。但目前对土的有机质组成的研究还很不够。

1.1.2　土的液相

土的液相是指土孔隙中存在的水。一般把土中的水看成是中性的，无色、无味、无嗅，其密度为1g/cm3，重度为9.81kN/m3，在0℃时冻结，在100℃时沸腾。但实质上，土中水是成分复杂的电解质水溶液，它与土粒间有着复杂的相互作用。

由于土的颗粒表面通常带有负电荷，因此水在带电固体颗粒之间受到表面电荷电场的作用，水分子和水化阳离子就会向颗粒周围聚集，如图1.1所示。根据受颗粒表面静电引力作用的强弱，土孔隙中的水可以划分为三种类型：强结合水、弱结合水和自由水。

图1.1　结合水形成的一般图示

1—双电层；2—吸附层；3—扩散层；4—吸附结合水；5—渗透吸附水；6—自由水

1）强结合水

强结合水是指紧靠土颗表面的水，受表面电荷静电引力最强。静电引力把极性水分子和水化阳离子牢固地吸附在颗粒表面上形成固定层。这部分水的特征是没有溶解能力，不能传递静水压力，不能自由移动，只有吸热变成蒸汽时才能移动。它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，冰点极低，有时甚至在－78℃都不冻结，具有极大的黏滞性。如果将完全干燥的土移置在天然湿度的空气中，则土的质量将增加，直到土中吸着强结合水达到最大容量为止。土颗粒越细，土的比表面越大，则最大吸湿容量就越大。强结合水层也称为吸附层或固定层，其厚度很薄，一般仅为1～2个水分子的厚度。

2）弱结合水

弱结合水就是紧靠强结合水外围的一层水膜。在这层水膜范围内的水分子和水化阳离子仍受到一定程度的静电引力，离颗粒表面距离越远，受静电引力越小。这部分的水仍然不能传递静水压力，但水膜较厚的弱结合水能向邻近较薄水膜处缓慢转移。弱结合水层称为扩散层。固定层和扩散层与土层表面负电荷一起构成所谓的双电层。

3）自由水

在结合水膜以外的水，为正常的液态水溶液，它受重力的控制而流动，能传递静水压力，称为自由水。自由水又包括毛细水及重力水。毛细水是受毛细作用控制的水，它除了受重力作用外，还受到表面张力引起的毛细作用的支配。可以把土的孔隙看作是连续的变截面的毛细管，毛细管中毛细水的上升高度取决于毛细管的直径，毛细管直径越小，上升高度越高。土中的毛细水也会从潜水而上升到一定的高度。毛细水对公路路基的干湿状态及冻害有重要的影响，对砂类土的强度也有一定的影响。重力水是只受重力控制的自由水，它不受表面张力的影响，在重力或压力差作用下在土中渗流。

土中除结合水、自由水等液态水外，还可能有气态水（呈水蒸汽形态的水）和固态水（呈冰形态的水）存在。不同形态的水，在一定条件下会相互转化，并对土的性质起着重要作用。

1.1.3　土的气相

土的气相主要指土孔隙中充填的空气。土的含气量与含水率有密切关系。土孔隙中占优势的是气体还是水，土的性质会有很大的不同。

土中的气体可分为与大气连通的和不连通的两类。与大气连通的气体对土的工程性质影响不大，在受到外力作用时，这种气体能很快地从孔隙中被挤出。而与大气不连通的密封气体对土的工程性质影响较大。在受到外力作用时，随着压力的增大，这种气泡被压缩或溶解于水中，压力减小时，气泡会恢复原状或重新游离出来。这种含气体的土称为非饱和土。非饱和土的工程性质研究已形成土力学的一个新分支。