土力學(xué)第二章粘性土的物理化學(xué)性質(zhì)（62內(nèi)容豐富）

第二章粘粘性土土的物理理化學(xué)性性質(zhì)內(nèi)容提要要本章主要要討論決決定粘性性土的宏宏觀物理理化學(xué)性性質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)構(gòu)特征。主要包包括：鍵力的基基本概念念粘土礦物物顆粒的的結(jié)晶結(jié)結(jié)構(gòu)粘土顆粒粒的膠體體化學(xué)性性質(zhì)粘性土工工程性質(zhì)質(zhì)的利用用和改良良粘性土特特有的性性質(zhì)及成成因粘性土隨隨著含水水量的不不同會呈呈現(xiàn)不同同的物理理狀態(tài)。。這種性質(zhì)主要要取決于粘粒粒組的含含量與粘粒的礦物成成分。比表面積所謂比表面積積就是單位體體積內(nèi)顆粒表表面積的總和和。顆粒越細(xì)，比比表面積越大大，表面能越越大。粘土礦物的粒粒徑小于0.005mm，具有很大的比比表面積。粘性土物理化化學(xué)特性的本本質(zhì)粘土礦物可分分為蒙脫石、伊利石和高嶺石三種類型。它它們各自具有有不同的結(jié)晶晶結(jié)構(gòu)特征。。結(jié)晶結(jié)構(gòu)特征征：即組成礦礦物的原子和和分子的排列以及它們之間間的聯(lián)結(jié)力。粘性土的各種種工程性質(zhì)（（可塑性、壓壓縮性、強(qiáng)度度等）主要受受組成粘性土土的粘土礦物的結(jié)結(jié)晶結(jié)構(gòu)特征征以及礦物顆粒與周周圍介質(zhì)的相相互作用所制約。鍵力第一節(jié)鍵力力的基本概念念所謂鍵力是指指組成粘土礦礦物的原子與與原子之間或或分子與分子子之間的一種種聯(lián)結(jié)力。鍵力的類型：：化學(xué)鍵分子鍵氫鍵化學(xué)鍵原子與原子之之間的聯(lián)結(jié)稱稱為化學(xué)鍵，也稱為主鍵或高能鍵。根據(jù)聯(lián)結(jié)的形形式又可分為為離子鍵、共價(jià)鍵和金屬鍵三種。離子鍵離子鍵是一種種化學(xué)聯(lián)結(jié)。。不同元素的原原子通過化學(xué)學(xué)反應(yīng)，一種種元素的原子子失去其最外外電子層中的的一個(gè)或多個(gè)個(gè)電子成為陽陽離子，而另另一種元素的的原子獲得一一個(gè)或多個(gè)電電子成為陰離離子。陽離子與陰離離子之間的靜靜電引力所形形成的鍵力即即為離子鍵。。離子鍵是無方方向性的。共價(jià)鍵共價(jià)鍵是同一一種元素的兩兩個(gè)原子以共共有的外層電電子聯(lián)結(jié)而成成同種元素的的分子。共價(jià)鍵是有方方向性的，方方向角稱為鍵角。金屬鍵金屬元素中的的自由電子將將金屬原子或或離子聯(lián)結(jié)而而成金屬晶格格，這種聯(lián)結(jié)結(jié)力即為金屬鍵?？偨Y(jié)不同元素的原原子通過化學(xué)學(xué)反應(yīng)構(gòu)成一一種新的物質(zhì)質(zhì)分子，異性性原子之間的的聯(lián)結(jié)力稱為為離子鍵。兩個(gè)同性原子子形成同一元元素分子的聯(lián)聯(lián)結(jié)力稱為共價(jià)鍵。通過自由電子子將原子或離離子聯(lián)結(jié)成金金屬晶格的聯(lián)聯(lián)結(jié)力為金屬鍵。離子鍵、共價(jià)價(jià)鍵和金屬鍵鍵都屬于主鍵。主鍵的影響范范圍最小，約約為0.1~0.2μm，而其聯(lián)結(jié)能能最大，相當(dāng)當(dāng)于8.4～84J/kmol?？偨Y(jié)分子鍵分子鍵又稱范德華（VanDerWaals）鍵或次鍵、低能鍵。所謂分子鍵就就是指分子與與分子之間的的聯(lián)結(jié)力。分子間鍵力的的影響范圍比比離子鍵力大大得多，約為為0.3～10μm，但其鍵能則比比離子鍵能小小得多，約為為2.1～21J/kmol。分子鍵的形成成與影響因素素由于分子的正正電荷與負(fù)電電荷的分布不不對稱形成極性分子，在極性分子子間相反電荷荷的偶極端相相互接近時(shí)相相互吸引就產(chǎn)產(chǎn)生分子鍵。。分子鍵的產(chǎn)生生是與分子的的定向作用、誘導(dǎo)作用和分散作用有關(guān)。分子鍵的能量量大小與溫度度有關(guān)，當(dāng)溫溫度升高時(shí)，，其能量就減減小。氫鍵氫鍵是介于主主鍵和次鍵之之間的一種鍵鍵力。氫原子失去一一個(gè)電子成為為一個(gè)裸露的的原子核，當(dāng)當(dāng)它與帶負(fù)電電荷的原子相相互吸引時(shí)，，即構(gòu)成特殊殊的氫鍵。由于氫離子尺尺寸小，只允允許與兩個(gè)相相鄰原子靠攏攏，故氫鍵只只能連接兩個(gè)個(gè)原子。氫鍵的影響范范圍很小，約約為0.2～0.3μm，鍵能達(dá)21～42J/kmol。鍵力與強(qiáng)度土粒本身的強(qiáng)強(qiáng)度是由主鍵形成的；土粒與土粒之之間、土粒與與水分子之間間的吸引力由由次鍵和氫鍵形成；土粒之間的聯(lián)聯(lián)結(jié)力遠(yuǎn)小于于土粒本身的的強(qiáng)度，土體體的強(qiáng)度主要要取決于土粒之間的聯(lián)聯(lián)結(jié)。第二節(jié)粘土土礦物顆粒的的結(jié)晶結(jié)構(gòu)粘土礦物結(jié)晶晶結(jié)構(gòu)組成粘土礦物結(jié)晶晶結(jié)構(gòu)的基本本結(jié)構(gòu)單元：：硅氧四面體氫氧化鋁八面面體（三水鋁鋁石八面體））硅氧四面體晶晶體單元四個(gè)氧離子構(gòu)構(gòu)成一個(gè)等邊邊的四面體，，四面體四個(gè)個(gè)面均為等邊邊三角形，在在四面體的中中心位置有一一個(gè)硅離子。。(硅-氧四面體)六個(gè)硅-氧四面體組成成一個(gè)硅片，每個(gè)四面體體底面上有一一個(gè)氧離子與與相鄰四面體體共用。氫氧化鋁八面面體結(jié)晶單元元由6個(gè)氧或氫氧離子以相相等的距離排排列，鋁原子子居中。（鋁—?dú)溲醢嗣骟w）4個(gè)鋁—?dú)溲醢嗣骟w組組成一個(gè)鋁片，每個(gè)氫氧離離子都被相鄰鄰兩個(gè)鋁離子子所共有。粘土礦物的結(jié)結(jié)晶結(jié)構(gòu)粘土礦物根據(jù)據(jù)四面體片（（硅片）與八八面體片（鋁鋁片）的不同同組合堆疊形形式，形成了了三種主要的的粘土礦物：：高嶺石蒙脫石伊利石高嶺石由一個(gè)四面體體片與一個(gè)八八面體片重復(fù)復(fù)堆疊而成。。稱為1:1型結(jié)構(gòu)單位層層，也稱為二二層結(jié)構(gòu)型。。蒙脫石由兩個(gè)四面體體晶片中間夾夾一個(gè)八面體體晶片堆疊而而成。稱為2:1型結(jié)構(gòu)單位層層，亦稱為三三層結(jié)構(gòu)型。。蒙脫石伊利石伊利石的晶格格構(gòu)造與蒙脫脫石相似，同同屬2:1型結(jié)構(gòu)單位層層，但在四面面體片之間六六角形網(wǎng)格眼眼中央嵌有一一個(gè)鉀離子。。三種粘土礦物物物理性質(zhì)的的比較粒徑比表面積脹縮性性強(qiáng)度壓縮性性大10-20m2/g小大小中80-100m2/g中中中小800m2/g大小大高嶺石伊利石蒙脫石9克蒙脫土的總總表面積大約約與一個(gè)足球球場一樣大分析四面體片和八八面體片之間間都是共用一一個(gè)原子，所所以四面體片片與八面體片片間的鍵力為為主鍵聯(lián)結(jié)，，但結(jié)構(gòu)單位位層間的聯(lián)結(jié)結(jié)則比較薄弱弱。當(dāng)具有不同晶晶體結(jié)構(gòu)的粘粘土礦物與周周圍介質(zhì)接觸觸時(shí)，就會顯顯示出不同的的工程性質(zhì)。。高嶺石的物理理性質(zhì)高嶺石類粘土土礦物中，結(jié)結(jié)構(gòu)單位層之之間為氧與氫氫氧或氫氧與與氫氧離子相相聯(lián)結(jié)，單位位層與單位層層之間除范德華鍵外，還有氫鍵，能提供較強(qiáng)強(qiáng)的聯(lián)結(jié)力。。高嶺石在水中中，結(jié)構(gòu)單位位層之間不會會分散，晶格格活動(dòng)性小，，浸水后結(jié)構(gòu)構(gòu)單位層間的的距離變化很很小，所以高嶺石的膨脹脹性和壓縮性性都很小。蒙脫石的物理理性質(zhì)蒙脫石類粘土土礦物中，結(jié)結(jié)構(gòu)單位層之之間為氧與氧氧聯(lián)結(jié)，其鍵鍵力很弱，易易為具有氫鍵鍵的強(qiáng)極化水水分子楔入所所分開。組成蒙脫石類類粘土礦物的的八面體結(jié)構(gòu)構(gòu)單元中會產(chǎn)產(chǎn)生水化陽離離子，水化陽陽離子進(jìn)入結(jié)結(jié)構(gòu)單位層之之間使層間距距離增大。蒙脫石的晶格格活動(dòng)性極大大，膨脹性與與壓縮性都比比高嶺石大得得多。伊利石的的物物理性質(zhì)伊利石礦物在在單位層面之之間嵌有帶正正電荷的鉀離離子，單位層層之間的聯(lián)結(jié)結(jié)強(qiáng)度介于高高嶺石和蒙脫脫石之間，其其膨脹性及壓壓縮性也介于于高嶺石和蒙蒙脫石之間。。第三節(jié)粘粘土顆粒的的膠體化學(xué)學(xué)性質(zhì)粘土顆粒的的粒徑非常常微小（小小于0.005mm），在介質(zhì)質(zhì)中具有明明顯的膠體體化學(xué)特性性（如具有有吸附能力），這起源源于粘土顆粒表表面帶電性性。粘土顆粒表表面帶電的的成因邊緣破鍵造造成電荷不不平衡同晶置換作作用水化解離作作用選擇性吸附附邊緣破鍵造造成電荷不不平衡理想晶體的的內(nèi)部正負(fù)負(fù)電荷是平平衡的，粘粘土顆粒粒粒徑非常微微小，是一一個(gè)高分散散體系，在在顆粒外部部邊緣處結(jié)結(jié)晶格架的的連續(xù)性受受到破壞，，從而造成成電荷的不不平衡。這這些被破壞壞的鍵常使使粘土顆粒粒帶有凈負(fù)負(fù)電荷。顆粒越細(xì)，，破鍵越多多，所以比比表面越大大，表面能能就越大。。同晶置換作作用硅氧四面體體中的硅原原子常為鋁鋁或其它低低價(jià)的陽離離子置換；；氫氧化鋁鋁八面體中中的鋁原子子又常為鐵鐵、鎂離子子所置換，，置換后引引起電荷的的不平衡，，在顆粒表表面產(chǎn)生了了過剩的未未飽和負(fù)電電荷，使粘粘土顆粒表表面帶負(fù)電電。水化解離作作用粘土礦物顆顆粒表面與與水作用，，會形成一一層偏硅酸酸（H2SiO3），偏硅酸酸在水中離離解為H＋和SiO32－離子，H＋向水溶液中中擴(kuò)散，而而硅酸根SiO32－與晶格不分分離，從而而使顆粒表表面帶有負(fù)負(fù)電荷。選擇性吸附附選擇性吸附附所謂選擇性性吸附，就就是顆粒只只吸附與其其本身晶格格中離子成成分相同或或相近的離離子。例如，CaCO3在Na2CO3溶液中只吸吸附CO32－，如把CaCO3置于CaCl2溶液中，則則吸附Ca2+。三類粘土礦礦物工程性性質(zhì)的比較較礦物顆粒的的直徑：高高嶺石>伊利石>蒙脫石。蒙脫石的比比表面積為為高嶺石的的80倍，為伊利利石的10倍。蒙脫石塑性性指數(shù)可達(dá)達(dá)100～650；壓縮性為為高嶺石的的5～15倍；有效內(nèi)內(nèi)摩擦角也也最小。雙電層的概概念土中水與礦礦物顆粒的的相互作用用粘土礦物晶晶格構(gòu)造不不同，對工工程性質(zhì)的的影響，本本質(zhì)上是這這些礦物的的顆粒與土土中水相互互作用的反反映。土中水與固固體顆粒之之間并不是是機(jī)械地混混合，而是是有機(jī)地參參加土的結(jié)結(jié)構(gòu)，是一一種復(fù)雜的的物理化學(xué)學(xué)作用。土的性質(zhì)不不僅取決于于水的絕對對含量，而而且取決于于水的存在在形態(tài)、結(jié)結(jié)構(gòu)以及介介質(zhì)的物理理?xiàng)l件和化化學(xué)成分。。水分子的極極性水具有許多多特點(diǎn)，如如介電常數(shù)數(shù)高、表面面張力小、、壓縮性低低等。水分子是一一個(gè)極性分分子，氫原原子一端顯顯示正電荷荷，氧原子子一端顯示示負(fù)電荷，，在電場作作用下具有有定向排列列的特性；；同時(shí)它極極易與被溶溶解的物質(zhì)質(zhì)，如水中中的陽離子子結(jié)合而形形成水化離離子。結(jié)合水的形形成由于土顆粒粒表面通常常帶有負(fù)電電荷，因此此水在帶電電固體顆粒粒之間受到到電荷電場場的（吸引）作用，水水分子和水水化陽離子子就會向顆顆粒周圍聚聚集。土中水的類類型根據(jù)受土顆顆粒表面靜靜電作用的的強(qiáng)弱，可可以將土中中水劃分為為三種類型型：強(qiáng)結(jié)合水弱結(jié)合水自由水1—雙電層；2—吸附層（固固定層）；；3—擴(kuò)散層；4—吸附結(jié)合層層；5—滲透吸附層層；6—自由水強(qiáng)結(jié)合水強(qiáng)結(jié)合水是是指緊靠土土顆粒表面面的水，受受土顆粒表表面電荷的的靜電引力力最強(qiáng)。強(qiáng)結(jié)合水的的特征和物物理性質(zhì)：：沒有溶解能能力，不能能傳遞靜水水壓力；極其牢固地地結(jié)合在土土顆粒表面面上，不能能自由移動(dòng)動(dòng)，只有吸吸熱變成蒸蒸汽時(shí)才能能移動(dòng)。性質(zhì)接近于于固體，具具有極大的的粘滯性，，具有一定定的抗剪強(qiáng)強(qiáng)度；密度約為1.2～2.4g／cm3，冰點(diǎn)為－－78℃。強(qiáng)結(jié)合水如果將完全干燥的土移置在在天然濕度度的空氣中中，則土的的重量將增增加，直到到土中吸附附強(qiáng)結(jié)合水水達(dá)到最大大容量為止止。土顆粒粒越細(xì)，土土的比表面面積越大，，則最大吸吸濕容量就就越大。強(qiáng)結(jié)合水層層稱為吸附層或固定層。弱結(jié)合水弱結(jié)合水就就是緊靠強(qiáng)強(qiáng)結(jié)合水外外圍的一層層水膜。在在這層水膜膜范圍內(nèi)的的水分子和和水化陽離離子仍然受受到一定程程度的靜電電引力，離離土顆粒表表面距離越越遠(yuǎn)，受到到的靜電引引力越小。。弱結(jié)合水不不能傳遞靜靜水壓力，，但水膜較較厚處的弱弱結(jié)合水能能向鄰近較較薄水膜處處緩慢轉(zhuǎn)移移。弱結(jié)合水層層稱為擴(kuò)散層。固定層和和擴(kuò)散層與與土粒表面面負(fù)電荷一一起構(gòu)成所所謂雙電層。熱力電位電動(dòng)電位內(nèi)層固定層擴(kuò)散層自由水?dāng)U散層厚度度的影響因因素?cái)U(kuò)散層的厚厚度首先取取決于內(nèi)層熱力電電位。當(dāng)內(nèi)層電位位一定時(shí)，，擴(kuò)散層的的厚度可隨隨外界條件件的變化而而變化：水溶液中水水化陽離子子的價(jià)數(shù)；；水化陽離子子的濃度；；水化陽離子子的直徑；；陽離子交換換的能力。。擴(kuò)散層厚度度

對粘性性土工程性性質(zhì)的影響響擴(kuò)散層水膜膜厚度對粘粘性土的工工程性質(zhì)有有直接的影影響。水膜厚度大大，土的塑塑性高；土土顆粒之間間的距離相相對也大，，因此土體體的膨脹性性和收縮性性大，土的的壓縮性也也大，而強(qiáng)強(qiáng)度相對降降低。自由水自由水又稱稱重力水，，是指不受受土粒表面面電荷電場場影響的水水。自由水的性性質(zhì)和普通通水一樣，，能傳遞靜靜水壓力，，在水頭差差作用下發(fā)發(fā)生流動(dòng)，，冰點(diǎn)為0℃，具有溶解解能力。第四節(jié)粘粘性土工程程性質(zhì)的的利用和改改良電滲排水和和電化學(xué)加加固電滲試驗(yàn)現(xiàn)象：在陽極管中中，水自下下而上地渾渾濁起來，，與此同時(shí)時(shí)，水位逐逐漸下降；；在陰極管中中，水仍是是極其清澈澈，但水位位逐漸上升升。原因：粘土顆粒向向陽極移動(dòng)動(dòng)；水分子及水水化陽離子子向陰極移移動(dòng)。電滲排水和和電化學(xué)加加固電泳與電滲在電場作用下下，帶有負(fù)負(fù)電荷的粘粘土顆粒向向陽極移動(dòng)動(dòng)，這種電電動(dòng)現(xiàn)象稱稱為電泳。水分子及水水化陽離子子向陰極移移動(dòng)，這種種電動(dòng)現(xiàn)象象稱為電滲。電滲排水和和電化學(xué)加加固電滲排水在滲透系數(shù)數(shù)小于10-6cm/s的飽和軟粘粘土地層中中開挖基坑坑或進(jìn)行其其它地下工工程活動(dòng)，，可以采用用電滲排水水的方法降降低地下水水位。電滲排水和和電化學(xué)加加固電化學(xué)加固固利用電滲電電泳原理來來改良軟粘粘土的工程程性質(zhì)。雙液灌漿：：在陽極管管內(nèi)灌入氯氯化鈣溶液液，在陰極極管內(nèi)灌入入水玻璃溶溶液，通直直流電后生生成一種不不可溶的二二氧化硅凝凝膠。二氧化硅凝凝膠既填充充了土中的的孔隙，又又可提高顆顆粒之間的的膠結(jié)力，，從而使土土體的強(qiáng)度度提高。粘性土的結(jié)結(jié)構(gòu)性粘性土的結(jié)結(jié)構(gòu)性粘性土結(jié)構(gòu)構(gòu)性的產(chǎn)生生粘土顆粒在在沉積過程程中，除受受重力作用用外，還受受到靜電的的吸力和排排斥作用。。粘性土的結(jié)結(jié)構(gòu)性粘性土的結(jié)結(jié)構(gòu)類型