土质学与土力学
人防教研室 赵佩胜
中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件
,土质学与土力学, 多媒体课件 人防工程教研室 赵佩胜 制作
第二章 粘性土的物理化学性质
对于粒径小于 0.002mm的粘土颗粒,
其形状大多成片状, 具很大的比表面, 相
互作用及与水的作用都很强烈, 而相互作
用与矿物的结晶结构有关, 因此, 先介绍
一些化学键的概念 。
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第一节 键力的基本概念
一, 化学键
1,离子键：一种元素失去电子成为阳离子,
另一种元素的原子得到电子而成为阴离子 。
2,共价键：两个原子以共用电子对构成联结 。
3,金属键：金属原子与自由电子及离子组成
的晶格相联结构成 。
化 学 键 是 主 键, 键 力 较 大, 影 响 范 围 为
0.1~0.2μm,其能量相当于 8.4~84J/kmol。
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二, 分子间键
分子间键也称范德华 （ Van der Waals） 键, 属于次键,
这与定向作用, 诱导作用和分散作用有关 。
三, 氢键
氢键是介于主键和次键之间的一种键力 。 产生的原因是：
氢原子在失去一个电子后成为裸露原子核, 当遇其他带负电
荷的原子时相互吸引形成氢键 。 由于氢离子尺寸很小, 只能
与两个相邻的原子结合 。 氢键的影响范围约为 0.2~0.3μm，
键能达 21~42J/kmol。
化学键组成了矿物本身的晶格, 而土粒间的分子引力及
氢键组成了土体的强度 （ 几种主要键力的作用范围 ） 。
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第二节 粘土矿物颗粒的结晶结构
粘土矿物大多是硅酸盐矿物, 经近代 X— 衍射法等测定,
粘土矿物的结晶结构主要由两个基本结构单元组成 。
1,硅氧四面体 （ 二氧化硅四面体 ）
中心是 Si4+,四个顶点是 O2-,四面均为等边三角形 。 在
矿物中组成六角形网格状或链状, 称硅氧层 （ 图 2-2） 。
2,氢氧化铝八面体
中心为 Al3+,六个顶点为 OH-,六个 OH-等距离排列,
八面体亦排列成网格状, 称八面体层 （ 片 ） （ 图 2-2） 。
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3,主要粘土矿物
（ 1） 高岭石 （ 二层型 ）,一层四面体和一层八面体叠成
晶片, 1:1型结构, 也称二层型 。 晶片间是 O与 OH相联结, 还
有氢键存在 。 晶片的长,宽,厚 =10:10:1,比表面积 15m2/g,物
理化学性质不活泼, 浸水后膨胀性较小 （ 图 2-3） 。
（ 2） 蒙脱石 （ 三层型 ）,两层四面体和一层八面体堆成
晶片, 晶片长,宽,厚 =100:100:1,层片间为 O与 O相联, 键力
较弱, 易为水分子分开, 比表面积 800m2/g,化学性质活泼,
遇水膨胀直至崩解, 是膨胀收缩土的主要成分 （ 图 2-4） 。
（ 3） 伊利石 （ 三层型 ）,晶片结构与蒙脱石一致, 局部
硅被铝代替形成同晶置换, 使晶体带负电吸附溶液中的 K+,联
结力增大, 其性质介于高岭石与蒙脱石之间 。 比表面积
80m2/g（ 图 2-5） 。
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第三节 粘土颗粒的胶体化学性质
一, 粘土颗粒表面带电的原因
1,断键：理想晶体内部电荷是平衡的, 但在边缘破裂
处, 由于破键而产生电荷不平衡, 一般粘土颗粒带负电, 个
别也带正电的断键 。
2,同晶置换作用：硅氧四面体中的硅被低价的铝置换,
八面体中的铝被铁, 镁等置换, 产生电荷不平衡, 负电荷多
而带负电 。
3,水化解离作用：次生 SiO2表面与水作用形成偏硅酸
层, 在水中解离为 H+和 SiO32-,H+离子向水中扩散, 而负离
子连着晶格使土粒带负电 。
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4,倍半氧化物的二重性：常用 R2O3表示, 其
带电具有二重性, 由溶液的 PH值决定, PH大带负
电 。 当不带电时水溶液的 PH值为两性体的等电 PH
值 。
5,选择性吸附作用：土粒只吸附与其本身晶格
中离子成分相同或相近的离子 。
粘土颗粒表面带电的因素很多, 要综合分析,
但总的来说是带负电的多 。
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2
33222
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二, 双电层的概念
粘粒表面带负电在土粒周围形成一个电场 。 水溶液中阳
离子 （ 水化阳离子 ） 在电场作用下被土粒吸引, 另一方面又
受布朗运动的扩散力作用 。 这两种相反作用的结果使土粒周
围产生阳离子不均匀分布 。
1,强结合水：紧靠土粒表面的水, 受到极强的静电引
力, 在土粒表面形成的吸附水层 。
2,弱结合水：紧靠强结合水外围的一层水膜, 孔隙水
中水化阳离子溶液逐渐减少, 至阳离子浓度正常为止称为扩
散 （ 又叫薄膜水 ） 。
土粒表面的负电荷, 吸附层和扩散层构成双电层, 土粒
表面负电荷为内层, 扩散层为外层 （ 图 2-7） 。
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三, 影响扩散层厚度的因素
土粒表面带电产生电场引起扩散层的存在, 扩散层的厚
度与电荷的多少, 即电位的大小有关 。 土粒表面带电荷量的
多少, 可用土粒表面的电位势表示 。 假设在扩散层以外正常
浓度处的电位为零, 土粒与水溶液分界面上的电位称热力电
位 。 表面负电荷大, 则电位也大 。 电位取决于土粒的矿物成
分, 粒度成分和水溶液的 PH值 。
1,扩散层的厚度
在扩散层中电位的变化规律可近似地表示为,
2,影响扩散层厚度的因素
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第四节 粘性土工程性质的利用和改良
一, 粘土颗粒表面的带电现象
列依斯 （ Reuss） 试验证明粘土粒带电, 而且
是负电荷, 实验装置见 图 2-6。
1,在阳极 （ +） 管中：水自下而上逐渐变浑浊,
水位下降 。 说明粘土粒带负电荷, 向阳极周围运动,
这种现象称为电泳 。
2,在阴极 （ － ） 管中：水仍然清澈, 但水位
上升, 说明有水向阴极渗透, 这种现象称为电渗 。
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二, 电渗排水和电化学加固
1,电渗排水
在渗透系数小于 10-6cm/s的饱和软粘土地层中
开挖基坑或其他地下工程中, 可用此法排水降低地
下水位 。
2,电化学加固
利用电渗进行注 （ 灌 ） 浆加固地基, 改良软粘
土的工程性质 。 注浆有单液和双液法 。
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The End
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图 2-1几种主要键力的作用范围
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图2-
2
四
面
体
片
与
八
面
体
片
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图 2-3高岭石的结晶结构
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图 2- 4蒙脱石的结晶结构
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图 2-5伊利石的结晶结构
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图2-
6
粘
土
颗
粒
表
面
的
带
电
现
象
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图 2-7双电层示意图
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图 2-8相互作用的双电层
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图2-
9
排
斥
势
能
曲
线
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图 2-10粒间相互作用的净势能曲线
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图 2-11塑性指数与粘粒含量间的关系
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图 2-12饱和粘性土典型干缩曲线
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图2-
13
反
复
干
湿
与
最
大
湿
胀
含
水
量
的
关
系
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图 2-14抗剪强度与联结数的关系
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图2
-15
固
结
压
力
与
含
水
量
、
抗
剪
强
度
,
联
结
数
之
间
的
关
系
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第二章 粘性土的物理化学性质
对于粒径小于 0.002mm的粘土颗粒,
其形状大多成片状, 具很大的比表面, 相
互作用及与水的作用都很强烈, 而相互作
用与矿物的结晶结构有关, 因此, 先介绍
一些化学键的概念 。
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第一节 键力的基本概念
一, 化学键
1,离子键：一种元素失去电子成为阳离子,
另一种元素的原子得到电子而成为阴离子 。
2,共价键：两个原子以共用电子对构成联结 。
3,金属键：金属原子与自由电子及离子组成
的晶格相联结构成 。
化 学 键 是 主 键, 键 力 较 大, 影 响 范 围 为
0.1~0.2μm,其能量相当于 8.4~84J/kmol。
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二, 分子间键
分子间键也称范德华 （ Van der Waals） 键, 属于次键,
这与定向作用, 诱导作用和分散作用有关 。
三, 氢键
氢键是介于主键和次键之间的一种键力 。 产生的原因是：
氢原子在失去一个电子后成为裸露原子核, 当遇其他带负电
荷的原子时相互吸引形成氢键 。 由于氢离子尺寸很小, 只能
与两个相邻的原子结合 。 氢键的影响范围约为 0.2~0.3μm，
键能达 21~42J/kmol。
化学键组成了矿物本身的晶格, 而土粒间的分子引力及
氢键组成了土体的强度 （ 几种主要键力的作用范围 ） 。
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第二节 粘土矿物颗粒的结晶结构
粘土矿物大多是硅酸盐矿物, 经近代 X— 衍射法等测定,
粘土矿物的结晶结构主要由两个基本结构单元组成 。
1,硅氧四面体 （ 二氧化硅四面体 ）
中心是 Si4+,四个顶点是 O2-,四面均为等边三角形 。 在
矿物中组成六角形网格状或链状, 称硅氧层 （ 图 2-2） 。
2,氢氧化铝八面体
中心为 Al3+,六个顶点为 OH-,六个 OH-等距离排列,
八面体亦排列成网格状, 称八面体层 （ 片 ） （ 图 2-2） 。
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3,主要粘土矿物
（ 1） 高岭石 （ 二层型 ）,一层四面体和一层八面体叠成
晶片, 1:1型结构, 也称二层型 。 晶片间是 O与 OH相联结, 还
有氢键存在 。 晶片的长,宽,厚 =10:10:1,比表面积 15m2/g,物
理化学性质不活泼, 浸水后膨胀性较小 （ 图 2-3） 。
（ 2） 蒙脱石 （ 三层型 ）,两层四面体和一层八面体堆成
晶片, 晶片长,宽,厚 =100:100:1,层片间为 O与 O相联, 键力
较弱, 易为水分子分开, 比表面积 800m2/g,化学性质活泼,
遇水膨胀直至崩解, 是膨胀收缩土的主要成分 （ 图 2-4） 。
（ 3） 伊利石 （ 三层型 ）,晶片结构与蒙脱石一致, 局部
硅被铝代替形成同晶置换, 使晶体带负电吸附溶液中的 K+,联
结力增大, 其性质介于高岭石与蒙脱石之间 。 比表面积
80m2/g（ 图 2-5） 。
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第三节 粘土颗粒的胶体化学性质
一, 粘土颗粒表面带电的原因
1,断键：理想晶体内部电荷是平衡的, 但在边缘破裂
处, 由于破键而产生电荷不平衡, 一般粘土颗粒带负电, 个
别也带正电的断键 。
2,同晶置换作用：硅氧四面体中的硅被低价的铝置换,
八面体中的铝被铁, 镁等置换, 产生电荷不平衡, 负电荷多
而带负电 。
3,水化解离作用：次生 SiO2表面与水作用形成偏硅酸
层, 在水中解离为 H+和 SiO32-,H+离子向水中扩散, 而负离
子连着晶格使土粒带负电 。
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带电具有二重性, 由溶液的 PH值决定, PH大带负
电 。 当不带电时水溶液的 PH值为两性体的等电 PH
值 。
5,选择性吸附作用：土粒只吸附与其本身晶格
中离子成分相同或相近的离子 。
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但总的来说是带负电的多 。
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二, 双电层的概念
粘粒表面带负电在土粒周围形成一个电场 。 水溶液中阳
离子 （ 水化阳离子 ） 在电场作用下被土粒吸引, 另一方面又
受布朗运动的扩散力作用 。 这两种相反作用的结果使土粒周
围产生阳离子不均匀分布 。
1,强结合水：紧靠土粒表面的水, 受到极强的静电引
力, 在土粒表面形成的吸附水层 。
2,弱结合水：紧靠强结合水外围的一层水膜, 孔隙水
中水化阳离子溶液逐渐减少, 至阳离子浓度正常为止称为扩
散 （ 又叫薄膜水 ） 。
土粒表面的负电荷, 吸附层和扩散层构成双电层, 土粒
表面负电荷为内层, 扩散层为外层 （ 图 2-7） 。
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三, 影响扩散层厚度的因素
土粒表面带电产生电场引起扩散层的存在, 扩散层的厚
度与电荷的多少, 即电位的大小有关 。 土粒表面带电荷量的
多少, 可用土粒表面的电位势表示 。 假设在扩散层以外正常
浓度处的电位为零, 土粒与水溶液分界面上的电位称热力电
位 。 表面负电荷大, 则电位也大 。 电位取决于土粒的矿物成
分, 粒度成分和水溶液的 PH值 。
1,扩散层的厚度
在扩散层中电位的变化规律可近似地表示为,
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一, 粘土颗粒表面的带电现象
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是负电荷, 实验装置见 图 2-6。
1,在阳极 （ +） 管中：水自下而上逐渐变浑浊,
水位下降 。 说明粘土粒带负电荷, 向阳极周围运动,
这种现象称为电泳 。
2,在阴极 （ － ） 管中：水仍然清澈, 但水位
上升, 说明有水向阴极渗透, 这种现象称为电渗 。
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二, 电渗排水和电化学加固
1,电渗排水
在渗透系数小于 10-6cm/s的饱和软粘土地层中
开挖基坑或其他地下工程中, 可用此法排水降低地
下水位 。
2,电化学加固
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面
体
片
与
八
面
体
片
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图 2- 4蒙脱石的结晶结构
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图 2-5伊利石的结晶结构
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粘
土
颗
粒
表
面
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带
电
现
象
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图 2-10粒间相互作用的净势能曲线
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13
反
复
干
湿
与
最
大
湿
胀
含
水
量
的
关
系
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图2
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固
结
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水
量
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联
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关
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