1.2 土的组成

土是由岩石经过物理风化和化学风化作用后的产物，是由各种大小不同的土粒按各种比例组成的集合体，土粒之间的孔隙中包含着水和气体，是一种三相体系，即土的固体颗粒称为固相；土体孔隙中的水称为液相；而孔隙中的空气则称为气相。土的Η 与颗粒之间的相互联结或架叠构成土的骨架。当土骨架的孔隙全部被水占满时，这种土称为饱和土；有时一部分被水占据，另一部分被气体占据，称为非饱和土；当骨架的孔隙仅含空气时，就称为干土。这三种组成部分本身的性质以及它们之间的比例关系和相互作用决定了土的物理力学性质。因此，研究土的性质，首先必须研究土的三相组成。

1.2.1 土的固相

土的固体颗粒是三相体系中的主体，它的矿物成分、Η 大小、形状与级配对土物理力学性质起决定性的作用。

1.土粒的矿物成分

形成土粒的矿物成分各不相同，主要取决于成土母岩的矿物成分及其风化作用。成土矿物分为两大类：原生矿物和次生矿物。

（1）原生矿物。原生矿物是由岩石经过物理风化生成的，其成分与母岩相同。它包括单矿物Η （如石英、长石、云母等）和多矿物Η （如漂石、卵石、砾石等）。

（2）次生矿物。次生矿物是由原生矿物经过化学风化后形成的新矿物，其成分与母岩完全不相同，主要是黏土矿物，常见的黏土矿物有高岭土、伊利石和蒙脱石三类。

在风化过程中，由于微生物作用，土中产生复杂的腐殖质矿物，此外，还会有动植物残体如泥炭等有机物。有机Η 紧紧地吸附在无机矿物Η 的表面形成了颗粒间的连接，但是这种连接的稳定性较差。如土中腐殖质含量多，会使土的压缩性增大。有机质含量超过3%～5%的土应予注明，不宜作为填筑材料。

土Η 的成分、特点及对工程性质的影响如表1-2所示。

2.颗粒的大小和土的颗粒级配

天然土是由大小不同的颗粒组成的，土粒的大小称为粒度。土Η 的大小相差悬殊，从大于几十厘米的漂石到小于几微米的胶粒。土Η 的大小与土的物理力学性质有密切的关系。例如，粗Η 的砾石具有很大的透水性，完全没有黏性和可塑性，而细Η 的黏土则透水性很小，黏性和可塑性较大。

1）土粒粒组成分

工程上常用不同粒径Η 的相对含量来描述土的颗粒组成情况，这种指标称为粒度成分。天然土的粒径一般是连续变化的，为了描述的方便，工程上常把大小相近的土粒合并为组，称为粒组，如表1-3所示。粒组间的分界线是人为划定的，划分时应使粒组界限与粒组性质的变化相适应，并按一定的比例递减关系划分粒组的界限值。

2）土的Η 大小分析试验

土中某粒组的土粒含量定义为该粒组中土粒质量与干土总质量之比，以百分数表示。土中各粒组的相对含量称为土的Η 级配。确定粒径分布范围的试验称为土的Η 大小分析试验。常用的试验方法有两种，对粒径大于0.075mm的土Р 用筛分析的方法，而对小于0.075mm的土粒则用密度计法和移液管法。

筛分法是利用一套孔径由大到小的筛子。将按规定方法取得的干土样倒入依次叠好的筛中，置于筛析机上震摇10～15min。由上而下顺序称出留在各级筛及底盘上的土粒质量，即可求得各个粒组的相对含量。

密度计法是利用大小不同的土粒在水中的沉降速度不同来确定小于某粒径的土粒含量的方法，具体方法步骤详见《土工试验方法标准》（GB/T50123—1999）等。

3）土Η 级配曲线

Η 分析试验结果可用表或曲线来表示。用表表示的常见于土工试验成果表（表1-4），如图1-1所示的为根据Η 分析试验结果，绘制的粒径级配曲线。

实践证明，表示土样级配组成情况的较理想的方法是粒径级配累积曲线法。在半对数坐标纸上，纵坐标表示小于某粒径的土占土总质量的百分数；横坐标表示土的粒径，用对数表示，可以把相差几千、几万倍的Η 的含量表达得更清楚。由曲线的坡度陡缓可以大致判断土的均匀程度。在图1-1中，曲线分别表示两个土样颗粒组成情况，曲线陡者（曲线b）表示粒径相差不大，土粒较均匀；曲线缓者（曲线a）则表示粒径相差悬殊，土粒级配良好。

按粒径分布曲线可求得：

（1）土中各粒组的土粒含量，用于粗粒土的分类和大致评估土的工程性质；

（2）某些特征粒径，用于建筑材料的选择和评价土级配的好坏。

在工程上采用不均匀系数Cu来定量地分析Η 级配的不均匀程度：

Cc为土Η 的曲率系数，表示土颗粒组成的又一特征：

式中，d10，d30，d60分别为相当于累计百分含量为10%，30%和60%的粒径，其中d10为有效粒径，d60为限制粒径。

不均匀系数Cu反映大小不同粒组的分布情况。工程上把Cu＜5（如土样b）的土称为匀粒土，级配不良；Cu越大，表示粒组分布范围比较广，Cu＞5（如土样a）的土视为不均匀，即级配良好。但如Cu过大，表示可能缺失中间粒径，属不连续级配，故需同时用曲率系数来评价。曲率系数则是描述累计曲线整体形状的指标。我国《土的工程分类标准》（GB/T 50145—2007）规定：对于细粒含量＜5%的砾石类土和砂类土级配满足Cu≥5且1≤Cc≤3为级配良好，否则为级配不良。

不均匀系数Cu具有工程意义。如在填土工程中，可根据不均匀系数Cu的值来选择土料。若Cu较大，则土粒不太均匀，此类土较易夯实，能获得较大的密实度。

1.2.2 土的液相

土在自然条件下总是含水的，可处于液态、气态或固态。其中，固态水主要存在于冻土层中，气态水对土的性质影响不大。这里主要讨论土的液态水，其类型和数量对土的状态和性质都有重大影响。按照水与土相互作用程度的强弱，可将土中水分为结合水和自由水两大类，如表1-5所示。

1.结合水

结合水是由土Η 表面电分子力吸附在土粒表面的一层水。结合水又可分为强结合水和弱结合水（图1-2）。

1）强结合水

强结合水存在于最靠近土Η 表面处，水分子和水化离子排列得非常紧密，以致其密度大于1，并有过冷现象（即温度降到零度以下而不发生冻结的现象）。它的特征为：无溶解能力，不受重力作用，不传递静水压力，温度在105℃以上时才能蒸发，冰点为-78℃，密度为1.2～2.4g/cm3。这种水牢固地结合在土粒表面，其性质接近于固体，具有极大的黏滞性、弹性及抗剪强度。当黏土中仅含强结合水时，黏土呈固体状态；砂土只含强结合水时呈散粒状态。

2）弱结合水（薄膜水）

在距土粒表面较远地方的结合水称为弱结合水，也称薄膜水，由于引力降低，弱结合水的水分子的排列不如强结合水紧密，弱结合水可从较厚水膜或浓度较低处缓慢地迁移到较薄的水膜或浓度较高处，这种运动与重力无关，这层不能传递静水压力的水定义为弱结合水。弱结合水的存在，使土具有可塑性。

2.自由水

自由水存在于土粒电场影响范围以外，其性质与普通水相同，服从重力定律，传递静水压力，冰点为0℃，具有溶解能力。

自由水按其移动所受作用力的不同，可分为毛细水和重力水。

1）毛细水

毛细水是受水与空气交界面的张力作用而存在于细小孔隙中的自由水，一般存在于地下水位以上的透水层中。

毛细水不仅受到重力的作用，还受到表面张力的支配，能沿着土的细孔隙从潜水面上升到一定的高度。如图1-3所示，它表示表面张力的作用，地下水沿着不规则的毛细管上升到自由水位以上高度处，形成毛细上升带。毛细上升带的上升高度与孔隙的大小有关：孔隙较大的粗粒土，一般无毛细现象；土Η 愈细，毛细水上升愈高，粉土中毛细水上升高度最大，往往可达2m。

在工程中常需研究毛细水的上升高度和速度，因为毛细水的上升会使地基潮湿，强度降低，变形增大，另外，毛细水上升的高度对公路路基土的干湿状态、建筑物底层的防潮有重要影响。在寒冷地区要注意冻胀问题。

2）重力水

重力水位于地下水位以下，在重力或压力差作用下能在土中渗流，对于土Η 和结构物都有浮力作用，在土力学计算中应当考虑这种渗流及浮力的作用力。在1.6节中将进一步讨论重力水的渗流问题。

1.2.3 土的气相

土中气体指存在于土孔隙中未被水占据的部分。

土中气体可分为两种类型：流通气体和密闭气体。

流通气体是指与大气连通的气体，常见于无黏性的粗粒土中。当土受到外力作用时，气体很快就会从孔隙中排出，对土的工程性质没有多大的影响。

密闭气体是指与大气隔绝的以气泡形式出现的气体，常见于黏性细粒土中。对土的工程性质有很大的影响。在压力作用下这种气体可被压缩或溶解于水中，而当压力减小时，气泡会恢复原状或重新游离出来。含气体的土称为非饱和土，非饱和土的工程性质研究已成为土力学的一个新分支。

1.2.4 土的结构

土的结构是指土粒单元的大小、形状、相互排列及联结的特征。土的结构一般可分为单粒结构、蜂窝结构和絮状结构三种基本类型。

1.单粒结构

单粒结构是砂、砾等粗粒土在沉积过程中形成的代表性结构。由于砂、砾的颗粒比较大，在沉积过程中土粒间的分子吸引力与其重力相比可以忽略不计，即土粒在沉积过程中主要受重力控制。当土粒在重力作用下下沉时，一旦与已沉稳的土粒相接触，就滚落到平衡位置形成单粒结构。这种结构的特征是土粒之间以点与点的接触为主。根据其排列情况，又可分为紧密和疏松两种情况，如图1-4所示。

呈紧密状单粒结构的土，强度大，压缩性小，是良好的天然地基。但具有疏松单粒结构的土，其骨架是不稳定的，当受到震动及其他外力作用时，变形很大。这种土层如未经处理一般不宜作为建筑物的地基。

2.蜂窝结构

蜂窝状结构是以粒径在0.02mm以下为主的土的结构特征。粉粒在水中下沉过程中，接触到已下沉的土Η ，由于颗粒间的引力大于自重力，就停留在接触点上不再下沉，形成具有很大孔隙的蜂窝结构，如图1-5所示。

3.絮状结构

絮状结构是黏土Η （粒径＜0.005mm）特有的结构，这些颗粒不因自重而下沉，长期悬浮在水中，形成孔隙很大的絮状结构，如图1-6所示。