土力學(xué)基礎(chǔ)知識解析

土力學(xué)基礎(chǔ)知識解析五、土壤中的有機質(zhì)1概述土壤中的有機質(zhì)存在是土區(qū)別于一般固體物質(zhì)的主要特性之一，有機質(zhì)是土壤固相物質(zhì)最易變化的部分，性質(zhì)最不穩(wěn)定的組分，含有機質(zhì)的土壤力學(xué)性質(zhì)研究一直是土力學(xué)界關(guān)注的問題，也是目前為止研究最薄弱的領(lǐng)域。土壤中的有機質(zhì)可分為兩大類：（1）非腐殖質(zhì)：化學(xué)成分與生物體相同的普通有機化合物，如低分子有機酸、單糖、氨基酸、蛋白質(zhì)、纖維、木質(zhì)素、脂蠟和色素等。（2）腐殖質(zhì)：動植物遺體在土壤中發(fā)生化學(xué)變化后生成的新的特殊化合物，到目前為止還不知道確切的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的物質(zhì)，如泥炭、底泥等但是，土壤中的腐殖質(zhì)和非腐殖質(zhì)并無清楚的界限，沒有辦法將他們完全分別開來。這是由于：一方面他們在土壤中通過不同的力彼此結(jié)合在一起；另一方面，它們的某些組分還是相同的。同時，土壤中的有機質(zhì)通過物理的或（和）化學(xué)的力與土的固體顆粒相結(jié)合，結(jié)合的牢固程度各不相同，有些結(jié)合得很牢固，以至于不改變其礦物成分就沒有辦法將其分離。土壤中的有機物性質(zhì)在土壤中處于不斷變化中。如動物殘骸和植物殘體中的易分解部分在土壤中的半衰減期一般小于3個月（0.25年），它們不斷分解為CO2、H2O和各種中間物質(zhì)，并轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)和微生物。土壤中的腐殖質(zhì)仍然在不斷礦化和轉(zhuǎn)化為微生物，不過其分解速率比非腐殖質(zhì)慢得多。2土壤中有機無機復(fù)合體的數(shù)量土壤中的腐殖質(zhì)不僅與粘土顆粒有相互作用，長期共存，并且有一部分腐殖質(zhì)與粘粒結(jié)合得非常緊密，構(gòu)成有機無機復(fù)合體，一般物理化學(xué)手段不能將其分離。土壤中的有機無機復(fù)合現(xiàn)象不僅發(fā)生在粘粒晶體表面，還可以發(fā)生在晶層間。土壤中有機無機復(fù)合體的數(shù)量指有機物與無機物相互復(fù)合而構(gòu)成復(fù)合體的數(shù)量，而沒有復(fù)合的有機部分和無機部分不計在內(nèi)。實驗上，將土壤中游離的有機質(zhì)用重液（H2O2)法除去后，量測土壤中有機無機復(fù)合體中的含C量占土壤總含C量的百分數(shù)稱為有機無機復(fù)合度。表3測試結(jié)果表明土壤中大多數(shù)有機質(zhì)以有機無機復(fù)合體形式存在。表3土壤中的總C含量和有機無機復(fù)合度土壤全碳含量（%）有機無機復(fù)合度（%）資料來源灰壤1.689.6Xah1959棕壤3.268.1Roulet1963高原荒漠土0.3493.5傅積平1978石灰性潮土0.6793.5傅積平1978中性潮土0.9292.6傅積平19783土壤有機無機復(fù)合的機理土壤中有機化合物與粘粒的復(fù)合機理比較復(fù)雜，結(jié)合的方式很多，主要是通過庫倫引力和范德華力作用。（1）庫侖引力：庫倫引力是正負電荷間的靜電吸引力，帶負電的粘土顆粒與帶正點的有機物膠體顆粒吸引在一起。（2）范德華力：分子中的電子旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的振動偶極間的相互作用力。是大分子量的有機物與粘土顆粒結(jié)合的主要作用力。4土壤中有機無機復(fù)合體的性質(zhì)由前面的分析結(jié)果可見，土壤中的有機碳中50%～90%是一有機無機復(fù)合體形態(tài)存在。有機膠體與無機土粒復(fù)合后，使土壤的穩(wěn)定性和表面性質(zhì)都發(fā)生變化。（1）粘性土的微團聚體有兩種：1）完全由無機膠體團聚的原生微團聚體；2）由有機無機復(fù)合體團聚的基本微團聚體。原生微團聚體是由粘土顆粒經(jīng)范德華力或陽離子凝聚而成，團聚體較密實，孔隙小，孔隙率低，滲透性低，抗剪強度較高，粒間連接較強。原生微團聚體中，水是定向顆粒間的結(jié)合鍵，粘粒間靠吸著水膜相互連接，當含水率低時，吸著水膜變薄，連接增強，含水率增加，顆粒間連接減小，直至土粒呈流動性?；疚⒘F聚體是有機無機復(fù)合體團聚體，有機膠體常覆蓋于無機粘?；蛘沉F聚體外表，它有降低粘粒間內(nèi)聚力的作用。當團聚體表面基本都被活性有機物覆蓋，則相鄰顆粒或團聚體間的內(nèi)聚力很小甚至為0，這時土壤將具有水穩(wěn)定性好、疏松多孔、內(nèi)聚力小的特殊粘土。在水中不膨脹但易分解成單?；虮砻嬗杏袡C質(zhì)覆蓋的團粒。如蒙脫石顆粒吸附蛋白質(zhì)后，憎水性提高，吸水性和膨脹性都降低。如有一類粘土為分散土，其成因就是在土粒或土團外有憎水的有機膠粒覆蓋，遇水作用極易分散成單個的膠粒而漂浮于水中。但是，若蛭石粘土顆粒外覆蓋丁基、丙基、戊基銨后，膨脹性將大增；小的烷基銨離子可由鈣蒙脫石中換出部分鈣離子，這時也會引起蒙脫石的膨脹性增加。*可見：有機質(zhì)可能降低土的膨脹性，也可能增加土的膨脹性。（2）有機無機復(fù)合體土壤的結(jié)構(gòu)性土壤團聚體中含有與之結(jié)合的有機質(zhì)后，將使土壤的粗孔隙增加，在孔隙中形成疏水性膠膜，從而阻止?jié)B透水流對土壤團聚體的破壞作用，增強土的滲透性和滲透穩(wěn)定性。六、土壤中的水1概述充填于土?？紫吨械乃蜌?，對土的性質(zhì)影響很大。同時，這兩個組分更容易隨外界條件改變而變化。如大氣降水或干旱都使地下水位升降，土中水和氣的比例發(fā)生明顯的變化，即含水率和飽和度的變化，從而使土體的性質(zhì)和狀態(tài)發(fā)生變化。特別是土中水的水量和類型直接決定著土的性狀。2土中水的類型自然界的土中水在氣溫影響下狀態(tài)發(fā)生變化，可以呈固態(tài)（冰）、液態(tài)和氣態(tài)（水蒸汽)存在。廣義而言，土顆粒礦物內(nèi)部的結(jié)晶水和層狀硅酸鹽中的OH-1離子也屬于水。各種形態(tài)的水在土中存在的位置和活動能力是不同的。有的在常溫常壓下即可以移動或轉(zhuǎn)化，有的需要在高溫或高壓下才能轉(zhuǎn)化和移動。土質(zhì)學(xué)中，按照土中水存在的狀態(tài)和所處位置將其分為如下主要類型：（1）固態(tài)水1）礦物中的化學(xué)結(jié)合水：結(jié)構(gòu)水、結(jié)晶水、沸石水2）土壤孔隙中的固態(tài)水：冰（2）液態(tài)水1）土粒表面的吸著水：強吸著水、弱吸著水2）土壤孔隙中的非吸著水：毛細水、重力水（3）氣態(tài)水水蒸汽，因為在土壤中存在比例很低，經(jīng)?？梢院雎?。3土中水的特征（1）礦物中的化學(xué)結(jié)合水

1）結(jié)構(gòu)水：以O(shè)H-或H+離子形式存在于礦物晶格的固定位置上，如粘土礦物中Al-OH八面體中的OH-就屬于這種類型的水，一般不呈水分子，只有加熱到4500～5000C時，這些離子才從晶格中析出而成水，同時礦物的化學(xué)成分發(fā)生變化。2）結(jié)晶水：以水分子的形式存在于礦物格的固定位置上，比例固定。如石膏：CaSO4·2H2O、蘇打NaCO3·10H2O等的水都是結(jié)晶水。結(jié)晶水在加熱到1500C～4000C即可析出。結(jié)晶水析出后礦物成分變化。3）沸石水：以水分子形式存在于礦物相鄰晶胞之間的水，水量不固定，不影響礦物的晶格構(gòu)造，析出時也不改變礦物化學(xué)性質(zhì)，加熱到800C到1200C即可析出。如方解石、蒙脫石、伊利石晶胞間的水。（2）土粒表面的吸著水水分子由兩個H+及一個O-2構(gòu)成，整個水分子是中性的。由于水分子鍵角大約為1050，電荷分布不對稱而呈偶極分子。水中的陽離子吸引水分子的陰極而形成水化陽離子。O2-H+H+1050H2O分子Na+H2O水化陽離子

粘土顆粒表面帶有一定的負電荷，當土粒與水相接觸時，由于靜電作用力，將吸引水化陽離子和水分子，在土粒周圍形成一定厚度的水膜，這個水膜中的水主要受靜電引力作用，與一般的水的性質(zhì)有明顯區(qū)別，叫表面吸著水。吸著水的主要性質(zhì)有：3,粘滯度高，流動性差，在小的水力梯度下不流動，不符合Darcy定律；2)比熱達1.1cal/g，介電常數(shù)低于正常水，冰點低于00C;3)粘土顆粒間通過共用吸著水膜連接，使粘土具有粘性、可塑性；4)在壓力作用下，吸著水膜緩慢變薄，使粘土具有流變性；5)根據(jù)吸著水所受靜電引力的強弱可分為強吸著水和弱吸著水。（3）土壤孔隙中的毛細水毛細水是受毛細管作用和重力作用共同控制其運動的水。我們可以把土的孔隙看作連續(xù)的變截面毛細管。將毛細管放在水中，管中的水位會上升到一定的高度，毛細管的直徑越細，管內(nèi)水位上升的越高，這種使管內(nèi)水位上升的力叫毛細吸力。毛細管示意圖在常溫常壓下均勻的毛細管中水的毛細上升高度hc與毛細管半徑r有如下關(guān)系：當r=0.1mm時，hc=150mm,這與砂土（粒徑0.5～1mm)的情況相當；粘土的孔隙直徑約為0.1μm，按上式計算的hc將達到150m,實際上粘土的hc大約3

～4m。造成這樣大的差別主要原因是砂土中的孔隙大小是變化的，其中細的孔隙先被毛細水站滿，阻止了毛細水上升，大的孔隙中，毛細水上升高度有限。（4）孔隙中的重力水和固態(tài)水土孔隙中的重力水指存在與孔隙中僅受重力作用的液態(tài)自由水，在土中的運動滿足水力學(xué)的一般方程和達西定律。土孔隙中的固態(tài)水即冰，是土中溫度降到00C以下時，孔隙中的重力水凝結(jié)成固態(tài)的冰。水結(jié)冰后體積會膨脹，冰具有一般固體的性質(zhì)，凍結(jié)后的土體強度會大幅提高。溫度升高后，孔隙中的冰又融化成水，土體強度迅速降低。對于凍土的性質(zhì)和土在凍融過程中的變形和破壞特性，專門形成了凍土力學(xué)分支學(xué)科。4土中的氣體土中的氣體主要是空氣和水汽，有時也有沼氣等。與大氣成分相比，土中氣體CO2含量偏高，O2含量相對降低。當土的孔隙中氣體占的體積超過5%，我們就認為該土為非飽和土，在受力過程中的變形和強度性質(zhì)與飽和土有顯著差別，研究非飽和土的力學(xué)性質(zhì)已經(jīng)形成了一門新的分支學(xué)科：非飽和土力學(xué)。5土中水的能量土質(zhì)學(xué)討論土中水的能量是指土體孔隙水的機械能，即動能和勢能。由于土體中的孔隙水運動速度很慢，動能可以忽略不計，所以土中水的能量通常就是指土中水的勢能，簡稱土水勢。用土水勢的概念可以把土體吸持水分的能力和孔隙水的遷移規(guī)律很方便表達出來。飽和土中的孔隙水穩(wěn)定滲流和非飽和土中水分轉(zhuǎn)移規(guī)律都是孔隙水從土水勢高的地方向低的地方運動。當土中各點水的勢能相等時，土中水就處于平衡狀態(tài)。土中不同點的勢能差就是孔隙水運動的動力，這種動力可以由多種因素引起，如：重力作用、壓力作用、毛細力（表面張力）作用、孔隙水中離子濃度變化、孔隙水溫度變化等。（1）土水勢的組成和表示方法土體中，控制孔隙水運動的勢能叫土水勢，土的總土水勢可由以下部分組成：

總土水勢；重力勢；基質(zhì)勢；溶質(zhì)勢；壓力勢；荷載勢；勢能的單位即功的單位，以N·m或J表示。土水勢的單位因所采用水的單位重量或單位體積等不同的形式，可以表達成如下：1）單位質(zhì)量水的勢能（比水勢），單位J/kg2）單位容積水的勢能（容積勢）,單位N/m2,kPa3）單位重量水的勢能（重量勢）,單位m由于重量勢的單位最簡單，土質(zhì)學(xué)中經(jīng)常采用這一表述方法。（2）土水勢各分量的物理意義和計算方法1）重力勢重力式就是地球的萬有引力對引力場中水的作用，其大小決定于土中水所處的位置和參照面的位置。如右圖中，參照面以上的A點重力勢為正，參照面以下的B點重力勢為負。AB2)壓力勢壓力勢是由靜水壓力在孔隙水中的傳遞產(chǎn)生的，因此只能存在于地下水位以下的飽和土中，在地下水位以上的非飽和土中壓力勢為0。計算壓力勢的參照面經(jīng)常選在地下水位面，如右圖中A點的壓力勢：注意這時A點還有重力勢：A點總土水勢：因此，地下水位以下所有點土水勢都為0，水不會流動。3）基質(zhì)勢基質(zhì)勢是由固體顆?；|(zhì)與水之間的相互作用引起的，較干的土與自由水相接觸時，會將水吸引到土中來，說明較干的土具有較低的土水勢。這種概念最早由Buckingham于1907年提出，他稱之為毛細勢，后來叫成基質(zhì)勢。4）溶質(zhì)勢土中水溶解有各種溶質(zhì)離子，溶質(zhì)離子對水分子具有吸引力。溶質(zhì)勢是土中水與純水之間的勢能差，純水的溶質(zhì)勢為零，土中水的溶質(zhì)勢為負。由于土中溶質(zhì)離子濃度通常不高，溶質(zhì)勢經(jīng)?？梢院雎圆挥?。5）荷載勢荷載勢是由外加荷載或土的自重引起的孔隙水的勢能。土在外荷或自重作用下產(chǎn)生變形的過程中，將使孔隙水產(chǎn)生附加的孔隙水應(yīng)力，這種應(yīng)力就是荷載勢。荷載勢的大小相當于欠固結(jié)飽和土體中由自重產(chǎn)生的孔隙水應(yīng)力，或者飽和土在外加荷載作用下引起的超靜孔隙水應(yīng)力。6）土水勢小結(jié)對于土體，在不同條件下，土水勢各分量的組合是不同的。對飽和土來講，總土水勢應(yīng)包括重力勢、壓力勢、荷載勢等；對非飽和土，總土水勢通常包括重力勢、基質(zhì)勢、荷載勢等。（3）土的水分特征曲線非飽和土的基質(zhì)勢可以通過張力計、壓力板膜儀等試驗方法確定，對一定的土體，基質(zhì)勢與它的含水率之間有一定的對應(yīng)關(guān)系，這種關(guān)系稱之為土的水分特征曲線。不同的土，以及土的吸水和脫水的水分特征曲線是不同的。同種土的原狀土和重塑土的水分特征曲線也不同。6非飽和土中水的運動非飽和土中水的運動比飽和土中復(fù)雜，它的運動不僅與多孔介質(zhì)的孔隙幾何特性有關(guān)，還受土體的含水率、飽和度、土水勢的變化控制，以及與