2.3 土的三相组成

土由固体部分、液体部分和气体部分组成。固体部分构成土的骨架；水及水中溶解物为土的液体部分；空气及其他一些气体为土的气体部分。固、液、气三部分，统称为土的三相。当土中孔隙全部为水所充满时，称为饱和土；土中孔隙全部为气体所充满时，称为干土，饱和土和干土均为两相土。土的各组成部分（相）的性质、数量上的比例关系及相互作用，决定着土的物理性质。

2.3.1 土的固相

土的固相是指构成土的骨架部分，通常称为土颗粒或土粒。土粒的尺寸、形状、矿物成分以及土粒表面沉积的胶结物（如方解石、氧化铁或硅石）都对土的性状有明显的影响。

2.3.1.1 土粒粒组及级配

1.土粒粒组

土颗粒尺寸的差异可使土具有不同的性质，所以，工程中常采用土粒性质有明显差异的分界粒径作为划分粒组的依据。所谓粒组，是将工程性质相近的土粒归并成组。国内外广泛采用的粒组有漂石、卵石、砾、砂、粉粒和黏粒。漂石、卵石称巨粒组，砾、砂称粗粒组，粉粒、黏粒称为细粒组。表2-1是我国水利部现在采用的粒组分界（注：我国各部门粒组划分标准并不完全一致，使用时可参考相应规范及规程）。

土颗粒的形状是不规则的，它既不是球体，也不是正方体，但是，为研究方便，工程界常将土颗粒视为等效球体，称其直径为粒径。巨粒土、粗粒土的粒径常用过筛法确定其尺寸，而细粒土的粒径则需根据它在水中下沉的速度按球体换算。

2.土粒大小分析方法

实践中，常用的土粒大小分析方法有筛析法和密度计法。

筛析法系通过孔径不同的筛，区分不同粒径及其含量的方法。它适用于粒径大于0.075mm的土；密度计法系使用密度计，根据不同重量的土粒在水中下沉速度不同，而区分不同土粒径和含量的方法。它适用于粒径小于0.075mm的土。对粗细颗粒混杂的土，则需同时使用上述两种方法。图2-2为颗粒分析试验成果。两种试验方法的具体操作详见本书附录或SL 237—1999《土工试验规程》。

3.土粒的级配

土中各种粒组的重量占该土总重量的百分数，称为土粒的级配。土粒级配常用级配曲线表示，如图2-2所示。图中纵坐标为小于某粒径土粒的累积重量百分数（从小到大逐渐积累），横坐标则为土粒直径（mm），以对数值表示。横坐标采用对数尺度，可以把粒径相差上千倍的粗、细颗粒含量都表示出来，尤其能把百分含量小、但对土的性质有重要影响的黏粒部分清楚地表示出来。

土的粒径分布曲线可以反映出：

（1）粒组的范围及各粒组含量。在图2-2的曲线上，可以查得各粒组占土总重量的百分数。如砾粒占3.2%、砂粒占67.8%、粉粒占17.3%、黏粒占11.7%。

（2）土粒分布情况。图2-3中的曲线A及B所代表的两种土的粒径分布，都是连续的，曲线B平缓，A较陡，但都是渐变的，无明显的平缓段，这样的级配称为连续级配或正常级配。曲线C所代表的土，则缺乏某些粒径的土粒（如曲线中的水平段），这样的级配称为不连续级配或缺粒级配。土的级配情况是否良好，常用不均匀系数C_u和曲率系数C_c来描述

式中:d₆₀、d₃₀、d₁₀分别为粒径分布曲线上纵坐标为60%、30%和10%所对应的土粒粒径；d₁₀称为有效粒径；d₃₀称为连续粒径；d₆₀称为限制粒径。

不均匀系数C_u反映粒径曲线坡度的陡缓，表明土粒大小的不均匀程度。C_u值越大，粒径曲线坡度越缓，表明土粒大小越不均匀；反之，C_u值越小，曲线的坡度越陡，表明土粒大小越均匀。工程上常把C_u<5的土称为匀粒土；而把C_u≥5的土称为非匀粒土。曲率系数C_c反映粒径分布曲线的整体形状、连续性及细粒含量。研究指出：C_c<1.0的土往往级配不连续，C_c>3的土级配也是不连续的，土的C_c=1~3时，表明其级配的连续性较好。因此，欲要满足级配良好的要求，除土粒大小不均匀（C_u≥5）外，还要求曲线有较好的连续性，符合曲率系数C_c=1~3的条件。所以，工程中对粗粒土级配是否良好的判定规定如下：

1）级配良好的土。土的粒径分布曲线主段呈光滑下凹的形式，坡度较缓，土粒大小连续，能同时满足C_u≥5及C_c=1~3的条件，如图2-3中的B线所示。

2）级配不良的土。土的粒径分布曲线坡度较陡，即土粒大小比较均匀，或粒径分布虽然不均匀，但其粒径分布曲线不连续，出现水平段，表明有缺粒段，呈台阶状。级配不能同时满足C_u≥5及C_c=1~3两个条件，如图2-3中的A、C两土。

应当指出，对巨粒土、粗粒土较为规则的颗粒，一般用颗粒粒径大小来确定分布曲线，但对不规则的颗粒，其大小的定义并不十分准确，较好的做法是测量颗粒的体积，而不用人为定义的直径。这就需要测定颗粒体积的分布或孔隙大小分布，它对研究土的击实机理、渗透变形等土的力学特性更有实际意义。

【例2-1】 求如图2-3所示的(1)A、B、C三种不同粒径组成的土的砾粒、砂粒、粉粒及黏粒等粒组的含量；(2)土的不均匀系数C_u及曲率系数C_c；(3)对各曲线所表示的土的级配特性加以分析。

解:（1）由曲线A得知：

土样A中不含<0.005mm的黏粒；0.005~0.075mm的粉粒占5%；0.075~2mm的砂粒占100-5=95（%）。

虽然C_c在1~3之间，但C_u<5，曲线坡度陡，故为级配不良的土。

（2）由曲线B得知：

土样B黏粒占4%；粉粒占47-4=43（%）；砂粒占100-47=53（%）。

由于C_u及C_c两个条件都同时满足，故为级配良好的土。

（3）由曲线C得知：

土样C中不含<0.075mm的粉粒和黏粒；砂粒占57%；砾粒占100-57=43（%）。

虽然C_u>5，但因缺乏中间粒径（即粒径为1.0~2.0mm的含量为零），C_c不在1~之间，故为级配不良的土。

2.3.1.2 颗粒的比表面积

颗粒尺寸变化对土性质的影响与颗粒的比表面积有关。单位体积或单位质量颗粒的表面积，称为颗粒的比表面积，用F表示，单位为m²/cm³或m²/g。

一般说来，较大颗粒的比表面积较小，较小颗粒的比表面积较大。如1cm³的正方形块体，比表面积为6×10^-4m²/cm³，当切成8个边长为0.5cm的小块时，比表面积增加为12×10^-4m²/cm³。立方体边长与比表面积变化关系见表2-2。

颗粒比表面积的大小反映土的物理性质。比表面积增大，表面能随之增大。由于土颗粒与水之间存在着复杂的物理、化学作用，如颗粒小到一定程度，土就具有黏性；反之，颗粒大于某值后，颗粒间就没有黏性。

2.3.1.3 颗粒的矿物成分

1.原生矿物

原生矿物多由母岩经物理风化产生，矿物成分与母岩基本相同，且颗粒较大。如长石、石英多呈粒状，一般比较密实，有较好的透水性。云母则呈片状，其含量较多时，孔隙增大，压缩性增加。

2.次生矿物(系化学风化的产物)

次生矿物的难溶盐如CaCO₃和MgO，可在土粒间产生胶结作用，增加土的强度，减小土的压缩性；次生的可溶盐，如NaCl、CaSO₄等，遇水可溶解，因而使土的力学性质变差。黏土矿物是有代表性的次生矿物。当次生黏土矿物成分不同时，其性质也有很大差异。黏土矿物是构成黏土颗粒的主要成分。它与水之间存在复杂的物理化学作用，这对土的性质影响极大。因此，必须重视对黏土矿物的研究。

黏土矿物具有复合的铝-硅酸盐结构，是原生矿物化学风化后的产物。它的比表面积大、尺寸较小,且多呈扁平状,晶体表面上常带有负电荷。

黏土矿物种类繁多，最常见的有高岭石、伊利石和蒙脱石三种。它们的性质虽然不同，但在化学结构上却都是由两种基本的结晶单元所构成，即Si-O四面体和Al-OH八面体。多个四面体或八面体在平面上延伸，构成四面体或八面体层。

图2-4（a）为一个Si-O四面体单位，其四角是四个O^2-离子，中心是一个Si⁴⁺离子；图2-4（b）为一个Al-OH八面体单位，角上是六个OH^-离子，中心是一个Al³⁺离子。图2-5为一个四面体层和一个八面体层的示意图。

四面体层与八面体层以不同的方式结合在一起，构成不同的黏土矿物。

图2-6（a）为蒙脱石的层组示意图。它由两个Si-O四面体层夹一个Al-OH八面体层构成一个基本层组（图中阴影部分），多个层组重叠在一起，形成一个矿物颗粒。由于这种层组表面分布的都是O^2-离子，故相邻层组间的结合力很弱，可以吸进很多水分子，使其产生较大的体积膨胀。吸入的水分子可使颗粒从层组间断开，分成更小的颗粒，甚至可分成多个层组的颗粒。所以，蒙脱石的颗粒最小，与水作用能力（称亲水性）最强。

图2-6（b）为高岭石矿物的层组示意图。由一层四面体和一层八面体结合成基本层组 （图中阴影部分），多个基本层组重叠在一起，构成矿物颗粒。层组间以 O^2-与OH^-离子结合，结合力较强，水分子不能进入，难于从层组面间断开，天然颗粒常能保持较多层组 （如100个以上），所以高岭石颗粒较大，亲水性较弱。

伊利石的层组构造与蒙脱石基本相同（图中阴影部分），但层组间存在阳离子（一般为K⁺离子），使其结合力较蒙脱石大，颗粒大小与亲水性介于上述两种矿物之间，如图2-6（c）所示。表2-3给出了主要黏土矿物的尺寸特征。

3.有机质

土层中经常会含有有机质，土中有机质增加，可使土的性质明显变差。

2.3.1.4 固体颗粒的特性

以上介绍了土的颗粒粒组及级配、颗粒的比表面积和颗粒的矿物成分。它们是影响土物理性质的主要因素。以下简单介绍黏土颗粒在水介质中的某些特性。

1.黏土颗粒的带电性

（1）颗粒表面的带电性。试验证明，在一般水中，黏土颗粒表面都带有负电荷，侧面断口则可能带正电荷。一个黏土颗粒带电情况如图2-7所示。

（2）颗粒表面的双电层。颗粒表面带有不平衡的负电荷，吸引水溶液中与其电荷数相等的阳离子和极性水分子，如图2-8所示。

颗粒表面带有不平衡的负电荷称内层，吸附的阳离子及极性水分子称外层，合称双电层。外层又分为固定层和扩散层。固定层是指以很大引力吸附于颗粒表面的阳离子和极性水分子层，几乎固定于颗粒表面。固定层以外吸附的阳离子及极性水分子层称扩散层。

水分子是极性分子，因而可直接被颗粒表面的负电荷所吸引，或被阳离子吸引后，一起又被颗粒所吸引。颗粒表面的电引力可使水分子定向排列。所以，在固定层和扩散层范围内，也充满着被固体颗粒所吸引的水分子。

可见，颗粒带电性强，吸水能力就大。吸水能力大的土称亲水性强的土，反之称亲水性弱的土。

（3）影响双电层厚度的因素。颗粒表面电荷的多少决定着吸附异号离子和极性水分子的数量。

研究证明：土的矿物成分是影响颗粒表面电荷的基本因素。蒙脱石具有很大的比表面积，因而具有大量的不平衡电荷，伊利石次之，高岭石最少。试验表明，蒙脱石的吸附能力高出高岭石数十倍。

水溶液的pH值也是影响颗粒带电性的重要因素，一般pH值越高，土带负电荷的能力越大。

双电层的厚度既取决于颗粒表面的带电性，又取决于溶液中阳离子的价数和极性水分子作用。若颗粒表面带电性相同时，数量较少的高价离子即可与之平衡，而低价的则需较多数量才能与之平衡。前者双电层较薄，而后者双电层则较厚。所以，在含低价Na⁺离子海水中的土颗粒，具有较厚的双电层。

溶液中的离子与颗粒表面吸附的离子具有交换的能力，一般是溶液中高价离子置换土粒表面外层中的低价离子，此现象称为离子交换。利用离子交换可以改善土的工程性质。例如，将石灰掺入土中，Ca²⁺离子置换了Na⁺离子，土的性质即可改善。

2.土的黏性和可塑性

天然黏性土颗粒有黏在一起而不散开的性质，称为土的黏性。当两个颗粒靠近，双电层互相重叠时，共同吸附重叠区域的阳离子，包括离子所吸附的极性水分子。两个颗粒对这些阳离子和水分子的相互吸引作用，使两个颗粒互相连接，从而产生黏性。当颗粒越靠近，颗粒间距离越小时，颗粒对重叠区阳离子的引力越大，从而黏性也越大。上述颗粒间双电层互相吸引阳离子产生的黏性，破坏后是能够在短期内恢复的，称为原始黏性。还有一种黏性会随着土体结构的破坏而丧失，这种黏性称为结构黏性。

黏土在一定含水率范围内，在外力作用下，可以捏塑成各种形状而不断裂，外力取消后仍然保持被塑成的形状的性质称为可塑性。具有原始黏性的土颗粒之间发生错动变形时，黏性并不丧失，就是因为具有可塑性。只具有结构黏性的页岩颗粒间发生错动，使结构黏性破坏，颗粒不能再连接在一起，因而不具有可塑性。可塑性越高的土亲水性越强。有关可塑性更多内容详见2.5.2.3节。

3.收缩、膨胀与裂缝

水分减少时，土会发生收缩，这是因为水分蒸发使扩散层变薄而颗粒互相接近的缘故。所以，扩散层越厚，土的收缩性越大。

土收缩不均匀或收缩受限制时，就会产生裂缝。我国某水库黏土土坝就因天旱而发生过大的收缩裂缝，以至影响其使用。

较干的土可吸水膨胀，从而产生很大的膨胀压力。在建造建筑物时，必须考虑这一因素，有关土的收缩、膨胀和崩解更多内容详见2.5.2.4节。

2.3.2 土的液相

土的液相系指含有各种离子的水。土中水可分为下列各类：

2.3.2.1 结晶水

结晶水为存在于矿物结晶构造中的水，只有在高温下才能使之从矿物中析出，故可把它视作矿物本身的一部分。

2.3.2.2 结合水

结合水是指吸附于土粒表面成薄膜状的水。它受土粒表面引力的作用，而不服从静水力学规律，其冰点低于零度。

如前所述，黏土矿物颗粒^[1]具有较强的与水相互作用的能力。试验证明，这种亲水性的土粒在颗粒内部正负离子是平衡的，但在颗粒表面正负离子不平衡，因而颗粒表面常带负电荷。表面带有负电荷的黏土颗粒，其周围形成电场，在该电场中黏土颗粒与水中阳离子和极性水分子相互作用 （吸引），如图2-9所示。引力的强弱反映结合水不同类型，在靠近土粒表面的地方引力最大，土粒外围的水分子和阳离子被吸引在土粒表面附近，定向排列得十分紧密，失去了自由水的某些常见特性。有资料表明，这层水的密度大于1.0g/cm³，冰点最低可达零下几十摄氏度。通常把最靠近土颗粒表面固定层内的近似固体的一层水称为强结合水。土粒表面的引力随与土粒表面距离的增大而迅速降低。距土粒表面稍远处的扩散层内水分子虽然仍有定向排列的趋势，但不如强结合水那么紧密。因此，这层水有可能从结合水膜较厚的地方缓慢地迁移到较薄的地方，即有可能从一个土粒迁移到另一个土粒。这种运动与重力无关，而只与土粒表面的引力有关，称为弱结合水。

当两个土粒以结合水相互连接时，由于土粒相互受到表面引力的作用，因而在土粒间表现出一定的连接强度（如果在土粒表面上沉积着胶结物质也会增加土粒间的连接强度）。弱结合水膜越薄，土粒间距越小，引力越大，这时候连接强度就越高；反之，水膜越厚，土粒间距增大，引力降低，连接强度就减弱。因此，结合水厚度的变化和粒间胶结物质的存在，都会使土的黏性发生改变。

2.3.2.3 自由水

自由水是指在土粒表面引力作用范围以外的水。它与普通水一样，受重力支配，能传递静水压力并具有溶解能力。自由水包括毛细管水和重力水两种。

1.毛细管水

土中存在很多大小不同的孔隙，这些孔隙可连成细小的通道（毛细管），由于水和空气分界处弯液面上表面张力的作用，土中自由水从地下水位通过土的细小通道上升，形成毛细管水。砾粒土中毛细管水上升高度很小；粉粒土中则为数十厘米或更高，表面张力可将土粒拉紧，无黏性土也会显现一定的黏性（称假黏性），例如，砂土湿润时，表面张力可使坑壁直立，当砂土被水淹没或完全变干时，由于表面张力消失，坑壁便会崩塌。一般说来，黏土中毛细水上升高度较高（甚至高达2m或2m以上），变化范围也大。

2.重力水

重力水是指在重力作用下能在土体中发生流动，同时也对土粒产生浮力的水，在土力学的有关计算中，应当考虑到重力水的这些影响。

2.3.3 土的气相

土中的气体可分为与大气相通的和与大气不相通的两种。前者的成分与空气相似，受外荷作用时易被挤出土外，对土的力学性质影响很小；后者是封闭气体，它的成分可能是空气、水汽或天然气等，在外荷作用下可被压缩或溶解于水中，外荷减小时又能复原。封闭气体对土的性质有较大的影响。