1.2 土的三相组成及结构

1.2.1 土中的固体颗粒（固相）

土的固相是土中最主要的组成部分，它由各种矿物成分组成，有时还包括土中所含的有机质。土粒的矿物成分不同、粗细不同、形状不同，土的性质也不同。

（一）粒径级配

1．粒组及其划分原则

土颗粒的大小常以粒径来表示。土的粒径大小对于土的性质有着重要影响，粒径相近时，土的矿物成分接近，所呈现出的物理力学性质基本相同。因此，通常将颗粒大小和性质相近的土粒划分为一组，称为粒组。粒组之间的分界粒径称为界限粒径。

2．粒组划分方案

我国不同行业对粒组的划分略有不同，交通部《公路土工试验规程》（JTGE40－2007）粒组划分标准见表1-1。

表1-1 土的粒组划分

（二）土粒成分

土的矿物成分取决于成土母岩的成分以及所经受的风化作用。按所经受的风化作用不同，土的矿物成分可分为原生矿物和次生矿物两大类。

1．原生矿物

岩石经物理风化作用后破碎形成的矿物颗粒，称原生矿物。原生矿物在风化过程中，其化学成分并没有发生变化，它与母岩的矿物成分是相同的。常见的原生矿物有石英、长石和云母等。

2．次生矿物

岩石经化学风化作用所形成的矿物颗粒，称次生矿物。次生矿物的矿物成分与母岩不同。常见的次生矿物有高岭石、伊利石（水云母）和蒙脱石（微晶高岭石）等三大粘土矿物。另外，还有溶于水的次生矿物，称水溶盐。

3．有机质

土中的有机质是在土的形成过程中动、植物的残骸及其分解物，与土混合沉积在一起，经生物化学作用生成的物质，其成分比较复杂，主要是植物残骸、未完全分解的泥碳和完全分解的腐植质。当有机质含量超过5 %时，称为有机土。有机质亲水性很强，并易于分解，因此有机土压缩性大、强度低。有机土不能作为工程的填筑土料，否则会影响工程的质量。

1.2.2 土中的水（液相）

水在土中以固态、液态、气态三种形式存在，液态水对土的性能影响较大，液态水可分为结合水和自由水。

（一）结合水

研究表明，大多数粘土颗粒表面带有负电荷，因而围绕土粒周围形成了一定强度的电场，使孔隙中的水分子极化，这些极化后的水分子和水溶液中所含的阳离子（如钾、钠、钙、镁等阳离子），在电场力的作用下定向地吸附在土颗粒周围，形成一层不可自由移动的水膜，该水膜称为结合水，结合水又可根据受电场力作用的强弱分成强结合水和弱结合水。

1．强结合水

强结合水（又称吸着水），是指被强电场力紧紧地吸附在土粒表面附近的结合水。这部分水膜因受电场力大，与土粒表面结合的十分紧密，所以分子排列密度大，其密度约为1.2~2.4g/cm³，冰点很低，可达-78℃，沸点较高，在105℃以上才蒸发，强结合水很难移动，没有溶解能力，不传递静水压力，失去了普通水的基本特性，其性质接近于固体，具有很大的粘滞性、弹性和抗剪强度。

2．弱结合水

弱结合水（又称薄膜水），是指分布在强结合水外围的结合水。这部分水膜由于距土粒表面较远，受电场力作用较小，它与土粒表面的结合不如强结合水紧密。其密度约为1.0~1.7g/cm³，冰点低于0℃，不传递静水压力，也不能在孔隙中自由流动，只能以水膜的形式由水膜较厚处缓慢移向水膜较薄的地方，这种移动不受重力影响。

（二）自由水

土孔隙中位于结合水以外的水称自由水。自由水由于不受土粒表面静电场力的作用，且可在孔隙中自由移动，按其运动时所受的作用力不同，可分为重力水和毛细水。

1．重力水

受重力作用而运动的水称重力水。重力水位于地下水位以下，重力水与一般水一样，可以传递静水和动水压力，具有溶解能力，可溶解土中的水溶盐，使土的强度降低，压缩性增大；可以对土颗粒产生浮托力，使土的重力密度减小；它还可以在水头差的作用下形成渗透水流，并对土粒产生渗透力，使土体发生渗透变形。

2．毛细水

土中存在着很多大小不同的孔隙，这些孔隙有的可以相互连通形成弯曲的细小通道（毛细管），由于水分子与土粒表面之间的附着力和水表面张力的作用，地下水将沿着土中的细小通道上升，形成一定高度的毛细水带，地下水位以上的自由水称为毛细水。

毛细水上升的高度取决于土的粒径、矿物成分、孔隙的大小和形状等因素，一般粘性土上升的高度较大，而砂土的上升高度较小，在工程实践中毛细水的上升可能使地基浸湿（如图1-5所示），使地下室受潮或使地基、路基产生冻胀，造成土地盐渍化等问题。

图1-5 土中毛细水上升

1.2.3 土中气体（气相）

土中气体，除来自空气外，生物化学作用和化学反应也可生成。常将土中的气体分为与大气连通的自由气体和以气泡形式存在的封闭气体。封闭气体可以使土的弹性增大，延长土的压缩过程，使土层不易压实。此外，封闭气体还能阻塞土内的渗流通道，使土的渗透性减小。

1.2.4 土的结构与构造

1.土的结构

  土的结构是指土粒或粒团的排列方式及其粒间或粒团间联接的特征，它与土的矿物成分、颗粒形状和沉积条件有关。通常土的结构可分为三种基本类型，即单粒结构、蜂窝结构和絮凝结构，如图1-6所示。

图1-6 土的结构

（1）单粒结构

粗粒土(如砂土和砂砾石土等)由于其比表面积小，在沉积过程中，主要依靠自重下沉。下沉过程中的土颗粒一旦与已经沉积稳定的颗粒相接触，找到自己的平衡位置而稳定下来，就形成点与点接触的单粒结构。疏松排列的单粒结构，由于孔隙大，在荷载作用下，土粒易发生移动，引起土体变形，承载力也较低，特别是饱和状态的细砂、粉砂及匀粒粉土，受振动荷载作用后，易产生液化现象。

（2）蜂窝结构

较细的土粒(主要指粉粒和部分粘粒)，由于土粒细、比表面积大，粒间引力大于下沉土粒的重量，在自重作用下沉积时，碰到正在下沉或已经沉稳的土粒，在粒间接触点上产生联接，逐渐形成链环状团粒，很多这样的链环状团粒联接起来，形成孔隙较大的蜂窝结构。

（3）絮状结构

极细小的粘土颗粒(颗粒直径d<0.002mm)，能在水中长期悬浮，一般不以单粒下沉，而是聚合成絮状团粒下沉。下沉后接触到已经沉稳的絮状团粒时，由于引力作用又产生联接，最终形成孔隙很大的絮凝结构。

蜂窝结构和絮凝结构的特点都是土中孔隙较多，结构不稳定，相对于单粒结构而言，具有较大的压缩性，强度也较低。

2．土的构造

土的构造是指同一土层中，土粒或土粒集合体之间相互关系的特征。常见的有：①层状构造：层状构造是由不同性质或不同粒径的土，在垂向上的规律排列。②分散构造：土粒分布均匀，性质相近。③结核状构造：在细粒土中含有粗颗粒或结核，如含礓（jiang）石的粘土。④裂隙状构造：裂隙状构造指土中存在的各种裂隙，如黄土中的柱状节理等。通常分散构造的土工程性质较好，裂隙状构造的土工程性质最差。