论文部分内容阅读
（山东省建筑科学研究院 山东 济南 250031）
【摘 要】从土的微观结构角度出发，论述了粘性土含水量变化对其工程性质的影响，其中包括土的抗剪强度，渗透固结性，粘性，击实性等，从而总结出一些基本规律，为工程实践提供必要的理论依据。
【关键词】粘性土；含水量；工程性质
Influence of Water Content to Cohesive Soil Engineering Qualities Discussed from Microcosmic
Zheng Shu-hai，Mei Zuo-yun
(Shandong province construction science and research institute Jinan Shandong 250031)
【Abstract】This article will discuss the influence of water content to cohesive soil from microcosmic, including the soil's shear strength, permeability, consolidations, cohesion etc. In order to guide our practical work, there is some basic theory laws offered here.
【Key words】Cohesive soil；Water content；Engineering qualities
作为建筑物地基的土，是土力学研究的主要对象。了解土的工程性质，在此基础上提供指导工程实践的基本理论或规律，是十分必要的。含水量变化对土工程性质的影响是至关重要的，而要真正了解土的工程性质，就应从微观角度去研究和理解。
1.粘性土的微观结构
土是岩土风化的产物，而岩土又是一种或多种矿物的集合体。粘土矿物是次生矿物中数量最多的一种，是由各种硅酸盐矿物分解形成的含水硅酸盐矿物，颗粒极细小，是粘粒组中的主要矿物。粘土矿物种类繁多，可分为晶体和非晶体两大类，以晶体矿物为主，非晶体矿物很少。所谓晶体是指原子、离子在空间有规律的排列，不同的几何排列形式称为晶体结构，组成晶体结构的最小单元称为晶胞。粘土矿物晶胞是由硅氧四面体和氢氧八面体两种基本结构单元组成的。由八面体和四面体层相互叠接而成的矿物称为层状结构矿物，主要类型有高岭石、蒙脱石、伊里石等。其中，高岭石晶胞内的电荷是平衡的，晶胞之间的氧原子和氢氧根相连接，氢氧根中的氢与相邻晶胞中的氧形成氢键，起着连接作用，故性质比较稳定，水分子不易进入晶胞间而发生膨胀；蒙脱石组属三层结构。它由两层硅氧四面体层夹一层氢氧化铝八面体层构成。作为单个粘土片的蒙脱石只有几层，其特点是两层之间以氧原子与氧原子相联，靠分子间的相互作用力（范得华力）相互连接，连接力很弱，水分子容易进入晶胞间，使晶胞距离增大。因此，蒙脱石的晶格是活动的，吸水后体积会发生膨胀，体积可增大数倍，脱水后则可收缩；伊里石也是三层结构，与蒙脱石不同的是类质同类置换主要发生在硅四面体中，约20％的硅被铝、铁置换，由此而产生的不平衡电荷由进入晶胞之间的钾、钠离子（主要是钾）来平衡，钾键起到晶胞与晶胞之间的连接作用，连接力较强，因此水分子不易进入，遇水膨胀、脱水收缩的能力低于蒙脱石，单片厚为十几层，其力学性质介于高岭石与蒙脱石之间。此外，还有绿泥石、水铝英石，但比较少见。
由于粘土颗粒极细，具有巨大的表面积和带电性，当其与水相遇时，将发生复杂的物理化学变化，具有胶体分散系的一些特征。
表面带有一定量的负电荷的粘粒，由于静电引力的作用，在水溶液中将吸引水中的阳离子到土粒表面来；另一方面，阳离子又受到热运动的扩散作用，要离开土粒表面。因此阳离子的分布是不均匀的，越靠近表面，静电作用力越大，吸引力越强，阳离子浓度也越大；随着离土粒表面 距离的增加，静电引力降低，阳离子浓度下降。直至孔隙中水溶液的浓度正常为止，这个层称为反离子层。同样，阴离子的浓度，越靠近表面浓度越低，随着距离的增加，阴离子浓度也逐渐增加，直至达到正常浓度为止。土粒表面的负电荷与土粒表面影响的阳离子层（反离子层）合起来称为双电层。
2.含水量及其对土工程性质的影响
土含水量指土中水与土粒的质量之比。它表示土的干湿程度，含水量越高说明土越湿，一般说来也越软，土的工程性质也会随之改变。土的工程性质主要有抗剪强度、渗透固结性、粘性、击实性等。
2.1 含水量对土抗剪强度的影响。
含水量变化时，可使粘土具有不同的状态。含水量很大时，土表现为浆液状，呈粘质流动的液体，当施加剪力时，泥浆将连续的变形，土的抗剪强度极低；随着含水量的减少，土浆变稠，逐渐变成可塑的土块（可塑态），土会显示出一定的抗剪强度，含水量再减少，土就进入半固体（半固态），强度继续提高；再而成为固体（固态），土能承受较大的剪切应力，在外力作用下不再具有塑性体特征，而呈现具有脆性的固体特征。
2.2 含水量对土渗透性的影响。
粘性土的渗透性小，自由水的渗流受到结合水的粘滞作用产生很大的阻力，只有克服结合水的抗剪强度后才能开始渗流。因此，修建在粘性土地基上的建筑物承受荷载作用，产生沉降的时间往往很长。固结所需时间也较长。而含水量越高，这种现象也就越明显。
2.3 含水量对土粘性的影响。
粘性表现为粘性土内部，弱结合水在粘粒间造成的联结力(粘聚力)，同时也表现为粘附它物上的能力，也主要是弱结合水在粘粒与它物表面之间造成的联结力（粘聚力）。研究及经验表明，固态粘性土是没有粘性的，流态粘性土的粘性很弱，含水量从某值起增加，粘聚力、粘着力会明显增加，但含水量超过某值后，又会显著减少。
2.4 含水量对土击实性的影响。
土的变密由于土受击实时孔隙减小所致，孔隙减小的原因有：土团被击散，土粒排列方向变得更有规则（定向性）；土粒（尤其是粒状颗粒）棱角破碎，粒间联结力被破坏以及水被挤出，气被挤出或被压缩等。
当粘性土的含水量小时，在一定击实功作用下，虽然这时土粒外围水膜较薄，粒间联结力较大，可以抵消部分击实功的作用，土团不易被打散，同时，这是土的排列方向很不规则（片架结构），所以土的干密度较小。然而，在含水量达到最优含水量之前，总的说来，土中气体大都与外界连通，在击时功作用下，气体方被排出，随着含水量的增加，薄膜水与力间联结力对击时功的抵消作用越来越小。加之土团间水分的润滑作用使土易于变密，因而会出现击实曲线上一开始干密度随含水量增大而增大的现象。
当土的含水量接近最优含水量时，土中仍存有封闭气体，击实时水、气都不易被排出，土中出现孔隙压力。它会抵抗击实功的作用，这时含水量的变化对干密度的影响就不那么明显（击实曲线的坡度平缓），但这是土粒的水膜较厚，粒间联结力就较小，这就是的土粒在击实功作用下排列更为定向。
当土的含水量超过最优含水量时，水分的增多就会使击实前土的干密度变小。且这时土中空气基本为封闭形式的，土中水和气的孔隙压力又对击实功起抵消作用，故击实效果不显著。只是这时水膜更厚，土粒更易被击成为定向排列（片堆结构）。此时，土的密度随含水量的增多而减小。
3.结语
土具有极其复杂的微观结构和工程性质，工程人员必须从微观角度来认真研究土的性质，才能真正掌握土的工程性质及基本规律，积累经验，更好的指导工程实践。含水量作为影响土性质的一个重要因素更应引起足够的重视。
随着含水量的增加，粘性土的抗剪强度会显著降低，渗透固结所需时间相应变长，土的粘性是以某一含水量值为界，先增加后减小，击实效果则是以最优含水量为界从显著到不显著。
参考文献
［1］ 钱家欢，殷宗泽主编《土工原理与计算》，中国水利水电出版社，1980
［2］ 冯国栋主编《土力学》，水利水电出版社，1986
［3］ 赵明华等主编《土力学地基与基础疑难释义附解题指导》，中国建筑工业出版社，1998
［4］ 东南大学等《地基及基础》，中国建筑工业出版社，1998
【摘 要】从土的微观结构角度出发，论述了粘性土含水量变化对其工程性质的影响，其中包括土的抗剪强度，渗透固结性，粘性，击实性等，从而总结出一些基本规律，为工程实践提供必要的理论依据。
【关键词】粘性土；含水量；工程性质
Influence of Water Content to Cohesive Soil Engineering Qualities Discussed from Microcosmic
Zheng Shu-hai，Mei Zuo-yun
(Shandong province construction science and research institute Jinan Shandong 250031)
【Abstract】This article will discuss the influence of water content to cohesive soil from microcosmic, including the soil's shear strength, permeability, consolidations, cohesion etc. In order to guide our practical work, there is some basic theory laws offered here.
【Key words】Cohesive soil；Water content；Engineering qualities
作为建筑物地基的土，是土力学研究的主要对象。了解土的工程性质，在此基础上提供指导工程实践的基本理论或规律，是十分必要的。含水量变化对土工程性质的影响是至关重要的，而要真正了解土的工程性质，就应从微观角度去研究和理解。
1.粘性土的微观结构
土是岩土风化的产物，而岩土又是一种或多种矿物的集合体。粘土矿物是次生矿物中数量最多的一种，是由各种硅酸盐矿物分解形成的含水硅酸盐矿物，颗粒极细小，是粘粒组中的主要矿物。粘土矿物种类繁多，可分为晶体和非晶体两大类，以晶体矿物为主，非晶体矿物很少。所谓晶体是指原子、离子在空间有规律的排列，不同的几何排列形式称为晶体结构，组成晶体结构的最小单元称为晶胞。粘土矿物晶胞是由硅氧四面体和氢氧八面体两种基本结构单元组成的。由八面体和四面体层相互叠接而成的矿物称为层状结构矿物，主要类型有高岭石、蒙脱石、伊里石等。其中，高岭石晶胞内的电荷是平衡的，晶胞之间的氧原子和氢氧根相连接，氢氧根中的氢与相邻晶胞中的氧形成氢键，起着连接作用，故性质比较稳定，水分子不易进入晶胞间而发生膨胀；蒙脱石组属三层结构。它由两层硅氧四面体层夹一层氢氧化铝八面体层构成。作为单个粘土片的蒙脱石只有几层，其特点是两层之间以氧原子与氧原子相联，靠分子间的相互作用力（范得华力）相互连接，连接力很弱，水分子容易进入晶胞间，使晶胞距离增大。因此，蒙脱石的晶格是活动的，吸水后体积会发生膨胀，体积可增大数倍，脱水后则可收缩；伊里石也是三层结构，与蒙脱石不同的是类质同类置换主要发生在硅四面体中，约20％的硅被铝、铁置换，由此而产生的不平衡电荷由进入晶胞之间的钾、钠离子（主要是钾）来平衡，钾键起到晶胞与晶胞之间的连接作用，连接力较强，因此水分子不易进入，遇水膨胀、脱水收缩的能力低于蒙脱石，单片厚为十几层，其力学性质介于高岭石与蒙脱石之间。此外，还有绿泥石、水铝英石，但比较少见。
由于粘土颗粒极细，具有巨大的表面积和带电性，当其与水相遇时，将发生复杂的物理化学变化，具有胶体分散系的一些特征。
表面带有一定量的负电荷的粘粒，由于静电引力的作用，在水溶液中将吸引水中的阳离子到土粒表面来；另一方面，阳离子又受到热运动的扩散作用，要离开土粒表面。因此阳离子的分布是不均匀的，越靠近表面，静电作用力越大，吸引力越强，阳离子浓度也越大；随着离土粒表面 距离的增加，静电引力降低，阳离子浓度下降。直至孔隙中水溶液的浓度正常为止，这个层称为反离子层。同样，阴离子的浓度，越靠近表面浓度越低，随着距离的增加，阴离子浓度也逐渐增加，直至达到正常浓度为止。土粒表面的负电荷与土粒表面影响的阳离子层（反离子层）合起来称为双电层。
2.含水量及其对土工程性质的影响
土含水量指土中水与土粒的质量之比。它表示土的干湿程度，含水量越高说明土越湿，一般说来也越软，土的工程性质也会随之改变。土的工程性质主要有抗剪强度、渗透固结性、粘性、击实性等。
2.1 含水量对土抗剪强度的影响。
含水量变化时，可使粘土具有不同的状态。含水量很大时，土表现为浆液状，呈粘质流动的液体，当施加剪力时，泥浆将连续的变形，土的抗剪强度极低；随着含水量的减少，土浆变稠，逐渐变成可塑的土块（可塑态），土会显示出一定的抗剪强度，含水量再减少，土就进入半固体（半固态），强度继续提高；再而成为固体（固态），土能承受较大的剪切应力，在外力作用下不再具有塑性体特征，而呈现具有脆性的固体特征。
2.2 含水量对土渗透性的影响。
粘性土的渗透性小，自由水的渗流受到结合水的粘滞作用产生很大的阻力，只有克服结合水的抗剪强度后才能开始渗流。因此，修建在粘性土地基上的建筑物承受荷载作用，产生沉降的时间往往很长。固结所需时间也较长。而含水量越高，这种现象也就越明显。
2.3 含水量对土粘性的影响。
粘性表现为粘性土内部，弱结合水在粘粒间造成的联结力(粘聚力)，同时也表现为粘附它物上的能力，也主要是弱结合水在粘粒与它物表面之间造成的联结力（粘聚力）。研究及经验表明，固态粘性土是没有粘性的，流态粘性土的粘性很弱，含水量从某值起增加，粘聚力、粘着力会明显增加，但含水量超过某值后，又会显著减少。
2.4 含水量对土击实性的影响。
土的变密由于土受击实时孔隙减小所致，孔隙减小的原因有：土团被击散，土粒排列方向变得更有规则（定向性）；土粒（尤其是粒状颗粒）棱角破碎，粒间联结力被破坏以及水被挤出，气被挤出或被压缩等。
当粘性土的含水量小时，在一定击实功作用下，虽然这时土粒外围水膜较薄，粒间联结力较大，可以抵消部分击实功的作用，土团不易被打散，同时，这是土的排列方向很不规则（片架结构），所以土的干密度较小。然而，在含水量达到最优含水量之前，总的说来，土中气体大都与外界连通，在击时功作用下，气体方被排出，随着含水量的增加，薄膜水与力间联结力对击时功的抵消作用越来越小。加之土团间水分的润滑作用使土易于变密，因而会出现击实曲线上一开始干密度随含水量增大而增大的现象。
当土的含水量接近最优含水量时，土中仍存有封闭气体，击实时水、气都不易被排出，土中出现孔隙压力。它会抵抗击实功的作用，这时含水量的变化对干密度的影响就不那么明显（击实曲线的坡度平缓），但这是土粒的水膜较厚，粒间联结力就较小，这就是的土粒在击实功作用下排列更为定向。
当土的含水量超过最优含水量时，水分的增多就会使击实前土的干密度变小。且这时土中空气基本为封闭形式的，土中水和气的孔隙压力又对击实功起抵消作用，故击实效果不显著。只是这时水膜更厚，土粒更易被击成为定向排列（片堆结构）。此时，土的密度随含水量的增多而减小。
3.结语
土具有极其复杂的微观结构和工程性质，工程人员必须从微观角度来认真研究土的性质，才能真正掌握土的工程性质及基本规律，积累经验，更好的指导工程实践。含水量作为影响土性质的一个重要因素更应引起足够的重视。
随着含水量的增加，粘性土的抗剪强度会显著降低，渗透固结所需时间相应变长，土的粘性是以某一含水量值为界，先增加后减小，击实效果则是以最优含水量为界从显著到不显著。
参考文献
［1］ 钱家欢，殷宗泽主编《土工原理与计算》，中国水利水电出版社，1980
［2］ 冯国栋主编《土力学》，水利水电出版社，1986
［3］ 赵明华等主编《土力学地基与基础疑难释义附解题指导》，中国建筑工业出版社，1998
［4］ 东南大学等《地基及基础》，中国建筑工业出版社，1998