土力学基础知识--1

当层间电荷为0时，没有额外的层间阳离子，这时矿物只有 较好的解理而缺乏膨胀性；当层间电荷为0.25-0.6时,遇水 膨胀失水收缩；当层间电荷为0.6-0.9时，层间化学键增强 遇水膨胀有限；当层间电荷为1以上时，没有膨胀性。
层状硅酸盐矿物分类
类型 1:1 类 0 0 0.25-0.6 2:1 0.6-0.9 0.9-1 >1 族 高岭～蛇纹石 叶腊石～滑石 蒙皂石 蛭石 水云母 云母 亚族 高岭 蛇纹石 叶腊石 滑石 蒙脱石 皂石 二八面体 三八面体 二八面体 三八面体 白云母 黑云母 种 高岭石 埃洛石 迪恺石 纤蛇纹石 叶蛇纹石 鳞蛇纹石 叶腊石 滑石 蒙脱石 拜来石 绿脱石 皂石 汉克脱石 锌皂石 粘粒蛭石 蛭石 伊利石 海绿石 绿地石 白云母 钠云母 黑云母 金云母
膨胀土放大2000倍后的片状矿物图像
膨胀土放大10,000后的图片，显示片状、板状矿物
2 硅酸盐和层状硅酸盐
地球上硅酸盐矿物约占自然界已知矿物种类的1/3，占岩石 圈重量的80%～90%，是主要的造岩矿物。 硅酸盐是由硅酸阴离子和各种金属阳离子组成的盐类，其骨 干是硅离子和氧离子。 层状硅酸盐通常是由Si—O四面积层和Al—OH八面体层组成。 由硅氧配位组成的四面体[SiO4]4-是最稳定的基本结构单 元，硅氧四面体可以呈孤立的岛状形式，也可以通过公用 氧离子相互连接成其它形状：环状、链状、层状等。 层状硅酸盐晶体结构中，除了层状硅氧四面体层外，还有 Al—OH八面体层与硅氧四面体层共同形成粘土矿物晶胞。
3 氧化物的功能
（1）氧化物的巨大表面使其具有较大活性
氧化物名称 无定形含水氧化铁 纤铁矿 针铁矿 赤铁矿 三水铝石 比表面积范围 m2/g 203～280 108～187 17～90 22～89 47～58 均值+标准差 m2/g 241±54 134±46 52±29 49±35 52±8
二氧化锰
（2）氧化硅 在大多数土壤中，硅是氧之后的最丰富元素。其形态从氧化 硅直到复杂的硅酸盐。次生氧化硅可呈胶体形式出现，如 蛋白石；也可呈隐晶和微晶结构，如方英石、磷英石、次 生石英等。 氧化硅凝胶是一种活性很高的吸附剂，具有很大的表面积和 孔隙率，在pH>3.5时带负电荷，在成土过程中形成一种活 性表面。 由于氧化硅凝胶的胶结作用，使土壤孔隙率增大，脆性增加。
2. 晶片的组合
粘土矿物晶体通常有四面体片和八面体片组合形成层状 硅酸盐的晶层。粘土矿物晶体的晶胞按照两种晶片的配 合比例分为1:1和2:1两大类型。
1:1型晶胞
2:1型晶胞
3 典型粘土矿物晶体结构
高岭石的晶体结构， 典型的高岭石晶体由 70～100层晶胞组成
蒙脱石的晶体结构， 典型的蒙脱石晶体由 几层～十几层晶胞组 成
侵蚀形成的石山地貌
角峰——冰川的侵蚀作用
峡湾—— 冰川侵蚀作用
U形谷—— 冰川侵蚀作用形成
海
浪
侵 蚀 作 用
成土作用
冰川堆积
风沙堆积作用——漫天黄沙的塔克拉玛干沙漠
新月型沙丘——风力堆积作用形成
风力堆积作用
戈壁 沙漠 黄土
移动沙丘的构造
静止沙丘的构造
带有大量沙粒的气流，如果遇到灌丛或石块，风沙受阻堆 积下来，就形成沙丘。如果没有植被的滞阻，沙丘在风力作用下 则成为流动沙丘，它会淹没农田村舍，破坏交通。
95±5
（2）氧化物的胶结作用使粘土颗粒聚集 （3）氧化物胶体的两性离解可使其带正电， 与带负电的粘土颗粒发生反应而降低粘土 矿物的阳离子交换量 （4）氧化铝吸附氧化硅胶体发生化学反应成 为粘土矿物颗粒
四、粘土矿物鉴定
粘土矿物鉴定的方法有很多，但到目前为止，还没有一种方 法能够比较准确确定各种粘土中的粘土矿物的含量。由于 天然粘土中往往存在多种粘土矿物，常需要几种方法综合 分析，才能比较准确鉴定土中存在的矿物种类。
土质学基础-1
一、土的来源与物质组成 1 土的来源
土是母岩经过风化作用、搬运作用、沉积作用形 成的松散堆积物质。因此，土是由岩石风化而来 的。 另一方面：沉积岩是土经过成岩作用形成的岩石， 因此，土和岩石实际上是互为物质来源，在地质 历史时期是相互转化的。
岩土循环过程示意图
火山爆发的熔岩流
火山爆发场景
冰岛火山爆发照片
花岗岩风化Hale Waihona Puke Baidu用
风力侵蚀：海蚀风 台 湾 野
柳
风 景 区 女
王
头 石
风力侵蚀作用：
风蚀城堡、风蚀柱、
风蚀蘑菇、风蚀洼地
戈壁滩
流水的侵蚀作用
V形谷——流水侵蚀作用
怒江大峡谷
崎岖不平的云贵高原
南方红壤水土流失造成红色沙漠
河流沟谷、峡谷 瀑
布
水流冲刷 水流冲刷侵蚀 侵蚀作用 作用
2 主要粘粒氧化物的性质
(1) 氧化铁
土壤中的氧化铁颗粒可以在粘粒范围，也可以更大。一 般土壤中，铁氧化物含量可达到土壤总重的4%～25%。 主要特点： 1）大多数情况下是含量最高的氧化物，活动性也高，环境 条件稍微变化都会对铁氧化物形态和性质发生影响； 2）氧化铁在土壤团聚体形成过程中起到重要胶结作用，要 分析粘粒的胶体性质通常要经过去铁处理； 3）由氧化铁胶结的土壤通常渗透性低、孔隙小，孔隙率低， 土壤脱水后易形成结核和硬壳，造成土壤板结。我国红 壤是含铁高的典型土壤。
（3）氧化铝 土壤中的各种游离铝构成不同形态的转化序列，在土壤形成 过程中从离子态→无定形态→晶质态的老化过程中。土壤 中的铝与氧形成六配位化合物，为次生粘土矿物形成提供 铝氧片，铝还可以与Si-O四面体中的Si发生同晶置换，成 为次生粘土矿物的一部分。 土壤中的活性铝含量与土壤风化成都相关，风化程度越高， 交换型铝含量越低，铝从水溶性羟基铝→可交换的氧化铝 凝胶→三水铝石→八面体铝氧片方向转变。
4 其它方法
染色法、红外光谱法、能谱法、电子显微镜法等
五、土壤中的有机质
1 概述 土壤中的有机质存在是土区别于一般固体物质的主要特性之 一，有机质是土壤固相物质最易变化、性质最不稳定的组 分，含有机质的土壤力学性质研究一直是土力学界关注的 问题，也是目前为止研究最薄弱的领域。 土壤中的有机质可分为两大类： （1）非腐殖质：化学成分与生物体相同的普通有机化合物， 如低分子有机酸、单糖、氨基酸、蛋白质、纤维、木质素、 脂蜡和色素等。 （2）腐殖质：动植物遗体在土壤中发生化学变化后生成的 新的特殊化合物，到目前为止还不知道确切的物理性质和 化学性质的物质，如泥炭、底泥等
3 按照土堆积的地点与母岩的关系分类
（1）残积土：母岩风化后未经搬运而与母岩处于 同一地点的土叫残积土 （2）坡积土：母岩风化后经过重力短距离搬运的 土 （3）运积土：岩石风化后经过搬运作用而存在于 与母岩有一定距离的土。
运积土按照搬运力不同分： 1）洪积土；2）冰渍土；3）冲积土；4）风积土
4 按照土的沉积环境分类
土质学主要集中研究土的三相组成对土性质影响最 显著的粘性土的物理力学性质。实际上即使是纯 的砂土，土的三相比例变化也对其性质具有极大 的影响。
二、 晶体粘土矿物结构
1. 粘土矿物的基本特性
土壤中的晶体粘土矿物是母岩在经受化学风化而成土过程中 形成的层状硅酸盐晶体矿物。 晶体粘土矿物常呈薄片状、板条状、管状、纤维状等形态， 厚度在1/10～1/1000μm量级，长度和宽度一般在几微米 以内。 粘土矿物内部电荷经常处于不平衡状态，因此表面可吸附阳 离子和水分子，在水中能分散成胶体悬浮状态。 由于粘土矿物具有可塑性、粘结性、膨胀性、阳离子交换与 吸附特性等特殊性质，是土壤中最活跃的成分之一，因此 成为土质学的主要研究对象。
K+
K+
K+
伊利石的晶体结构，典型的伊利石 晶体由十几～几十层晶胞组成
4 层状硅酸盐的矿物分类
前面介绍的几种矿物是土体中最常见的粘土矿物。实际上层
状硅酸盐类矿物还有几十种。层状硅酸盐矿物分类首先按 照组成矿物的两种晶片比例不同分成1:1的二片型硅酸盐 和2:1的三片型硅酸盐两大类。然后按照晶层间的电荷数 分类，再将八面体片中通过同型替代而生成的不同阳离子 成分将其分成亚类，最后根据具体矿物成分划分到种。
1 土中粘粒氧化物的存在状态
土中粘粒氧化物在成土过程中总是处于非晶质到晶质 的老化过程中，在有机物作用下可以由晶质到非晶质方向 活化。 非晶质的氧化物胶体常称作无定形物质，比表面积很 大，如无定形Fe(OH)3为303m2/g, Al(OH)3达到441m2/g。 土壤中的氧化物以单粒、凝胶、氢氧聚合物等形式存 在。还经常与层状硅酸盐矿物相结合，使粘土矿物的负电 荷数量下降，阳离子交换量降低，土粒间连接增强。 土壤中的氧化物还可参与次生粘土矿物的生成，如 Fe2O3和Al2O3共存时，在一定条件下能生成蒙脱石。
3 层状硅酸盐粘土矿物晶体结构
（1）基本晶片
组成晶体最基本的单元叫晶片，粘土矿物最基本的晶片通 常由Si—O四面积层和Al—OH八面体层组成。 Si—O四面 积层由硅氧四面体公用氧离子展布而成； Al—OH八面体 层由Al—OH八面体公用OH离子展布而成。
Si—O四面体、四面体层排列和符号
Al—OH八面体、八面体层和符号
（1）残积土 （2）动水沉积土：坡积土，洪积土，冲击土 （3）静水沉积土：湖相沉积土，海相沉积土 （4）风积土 （5）冰渍土
5 土的三相系
土与一般固体物质性质有极大的不同，就是因为组 成土体是三相系，三相之间的相互作用和三相比 例的变化及各相的物质组成变化是土的性质变化 的内因。 土的三相：指土矿物颗粒组成的固相，土孔隙中的 水组成的液相和土孔隙中的气体组成的气相。
3 化学分析法
化学分析是测定粘土的化学全量，常用氧化物含量表示，如 SiO2、TiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO、MnO、CaO、K2O、 Na2O、SO3、H2O等。然后采用最优拟合的方法，根据不 同矿物分子式，推算它所包含的矿物种类和含量。但因为 粘土中往往含多种矿物，这种推算的精度比较差。
三、土壤中的氧化物
土壤中的粘粒矿物组成，除了层状硅酸盐晶体矿物外，还 有铁、锰、铝、钛、硅等氧化物及其水合物。虽然氧化物 矿物在绝大多数土壤中数量上是次要成分，但它们所取的 作用都是不能忽视的。 土壤中的粘粒含量极其矿物组成是成土过程的产物，也是 成土条件的反映。由于土壤中粘粒氧化物既有晶体状态， 也有非晶体状态，还经常与粘土矿物胶结在一起，因此其 分离困难，造成研究程度弱。
1 差热分析法
是粘土矿物鉴定的最常用方法，利用不同晶体在加热过程中 发生相变而吸热或放热的原理来鉴定粘土矿物。
高岭石
水化埃洛石
蒙脱石
伊利石
蛭石
2 X射线衍射分析
X射线衍射分析是研究晶体构造和鉴定晶体粘土矿物最常用 的方法。原理是利用单色光通过晶体不同层面后产生反射 线会存在相位差而出现干涉现象得到晶体参数。
5.典型粘土矿物的基本物理力学性质
（1）高岭石的理论结构式为：Al4Si4O10(OH)8，不含层间水，但常含有石英、云 母、长石、蒙脱石等杂质。晶胞厚度7.2A，晶体由70～100层晶胞组成。比重 2.58～2.61，塑性指数17～25，残余内摩擦角100～130，水稳定性好。 （2）伊利石的理论结构式为：KAl2(AlSi3O10)(OH)2nH2O,典型的伊利石含K2O 6.3%，阳离子交换量大约在10～40毫克当量/100g，具有一定的吸水膨胀特 性，晶胞厚度10A，比重2.6～3.0，残余内摩擦角90～110。 （3）蒙脱石的理论结构式为：Al2Si4O10(OH)2· 2O,阳离子交换量大约在70～ nH 130毫克当量/100g，具有一定的吸水膨胀特性，晶胞厚度12A～19A，比重 2.2～2.7，塑性指数100～650，残余内摩擦角40～100
黄土高原
流水沉积
山区洪积扇
河流中的沉积和冲刷阶地（渭河流域）
河口三角洲
2 土中矿物
（1）原生矿物：母岩中的矿物未经改变留在土体中 的矿 物叫原生矿物。主要是性质稳定的石英、长石、云母 （2）次生矿物：土壤形成过程中以及土壤形成以后生成的 新的无机矿物。传统指次生粘土矿物：高岭石、伊利石、 蒙脱石。 （3）水溶盐：存在于土壤孔隙水中的可溶性盐。 （4）有机质：存在于土壤中的动植物分解的残骸，彻底分 解的有机质称为腐殖质。 （5）次生氧化物和难溶盐：存在于土颗粒间起胶结作用的 物质，使土的性质随时间变化。