在土力学中,土壤分为三大类:非__粘性土黏性土_和_有机质土壤。此外还有岩石,但它们不属于土力学研究范围,而是属于学科_岩石力学_。

无黏结土

散粒土非黏性土 是指其组分不受任何胶结材料结合的土体。在干燥状态下,即不受潮湿影响时,散粒土的固体颗粒在土体中完全自由存在,它们之间只有摩擦,称为内摩擦。散粒土包括:

  • 块体,粒径 200 – 2000 mm
  • 碎石,粒径 60 – 200 mm
  • 碎石,粒径 2 – 60 mm
  • 砂,粒径 0,02 – 2 mm
  • 尘土,粒径 0,002 – 0,02 mm。

需要指出的是,细粉组有时也被称为淤泥(英语 silt,德语 Schluff)。然而,在我们这里,淤泥意味着一种有机成因的特定土类,因此将这个名称用于上述组分可能会引起误解。

砂土

图 1 - 砂性土

黏结土

黏性_或_凝聚性土_是指其固体成分彼此通过内聚力结合在一起的土。凝聚性土可能具有非常不稳定的物理性质,这些性质很容易在水的作用下发生变化。黏性土包括含有粒径小于 0,002 mm 的固体成分的土。以粒径 0,002 – 0,0002 mm 为主的土称为_粘土,如果这些成分的粒径为 0,0002 – 0,00002 mm,则称为_胶体粘土_。

在自然界中,纯黏土很少见,通常会与其他成分混合,如砂和粉尘,这称为 壤土;含石灰石的黏土称为 泥灰质黏土(泥灰),含镁的黏土称为 uma。通常认为,含有超过 50% 黏性成分的土壤称为 肥黏土,或简称为 黏土;而黏性成分少于 50% 的土壤称为 黏质土。含有少于 5% 黏性成分的土壤,则认为具有非黏聚性土壤的特性。

判断某种土壤属于哪一类的最快、最简单的方法,是将试样干燥后尝试用手指捏碎。无黏性土会立即散开。黏性土会在手指下碎成较小的块,而黏土会变得几乎像石头一样硬。

黏土

图 2 - 黏土

有机成因土壤

这些土壤主要由大量有机或植物性材料组成,并含有黏土及其他成分。由于含有有机成分,这些土壤极不稳定,且强烈吸水,因此是不稳定的,既不能作为承重土层,也不能作为土工建筑材料。这类土壤包括 腐殖土淤泥泥炭

腐殖土 是位于地壳表层的肥沃土壤,通常厚度为几分米。它由含有大量细菌的有机物和矿物质混合而成。在修筑土方路堤、道路路面以及类似的土工作业中,以及在取土场开挖用于土工建筑物材料时,应挖除并清除整个腐殖土层,因为它只能用于保护土坡免受水流冲刷。

土壤剖面中的腐殖质层

图 3 - 腐殖土

_淤泥_由有机物质与矿物质的混合物组成,其中有机物以极细颗粒形式存在,矿物质如黏土、粉尘和砂。它存在于古河道和古湖泊的底部。

_泥炭_由大量以纤维形式存在的植物和有机物质组成,矿物质含量较少。

土的成因

如果对地壳作一个剖面,我们会发现它通常由_表层_ ——厚度较小的腐殖土,以及由一种或多种不同成分和不同厚度层组成的_下层土_,最后是_坚硬岩石_所构成。表层土主要由植物和有机物质的分解形成,而下层土则由坚硬岩石的分解形成。

坚硬岩石的风化是由于_大气作用_或_火山作用_而发生的。大气作用可以是机械的,也可以是化学的。如果坚硬岩石的分解过程是矿物与氧结合,则为_氧化风化_;如果是与水结合,则为_水化风化_。火山作用属于化学作用。由于高温,坚硬岩石会转变为火山灰。

坚硬岩石的破碎及其转化为土壤的过程,可以在原地“in situ”进行,也可以伴随运输进行。破碎颗粒可由_水_搬运,此时形成冲积土;由_风_搬运时,形成风成土;由_冰_搬运时,则形成冰川土。在破碎岩块及小碎屑的运输过程中,它们还会因碰撞、摩擦和冲刷而进一步细化,因为在运输过程中它们会受到这些作用。由于这种作用,破碎块体的棱角会变圆,新碎屑会继续细化,其棱角又再次变圆,如此循环,直至运输结束。固体成分的大小和形状取决于岩石强度、运输距离、运输方式等。因此,土中固体颗粒的形状差异很大:圆形、椭圆形、带尖锐或圆钝边缘的、三角形等。尺寸为 0,02 – 0,002 mm 的固体颗粒,在土力学中称为_粉尘_,大多呈圆形或椭圆形。尺寸小于 0,002 mm、称为_黏土_的这类颗粒,则呈片状。砂、砾石和卵石等较大颗粒可具有不同形状:立方形、圆形、板状等。立方形颗粒较难改变形状,板状颗粒则更容易。因此,以板状颗粒为主的土壤,其组成容易发生变化。

需要指出的是,某些已完全形成的土壤,有时会后来又被新的沉积物覆盖,因此先前形成的土壤保留在深处,而在新沉积层上又形成另一种土壤,这种土壤未必与先前土壤有任何联系。这样一种先前形成、后来又被新沉积层覆盖的土壤称为 埋藏土。这类土壤多为曾经耕作过的耕地,后来被风成黄土粉尘覆盖,但沉积物也可能是河流沉积。埋藏土可凭其深色加以识别;如果这一过程反复发生,则可出现多层这样的土层。

冲积土

冲积土是在水流搬运过程中由固体颗粒沉积形成的。沉积受多种因素影响,其中最重要的是水流速度、搬运物颗粒大小以及盐、石灰等其他成分的含量。在水流速度较大时,只有较粗颗粒会沉积,而细颗粒不会沉积,而是继续被输送。因此,较粗的固体颗粒会沉积在水流上游、靠近源头的部位,因为那里流速较大。随着水流速度降低,会沉积越来越细的颗粒。在静水中,没有水流时,通常沉积最细的固体颗粒。凡是水流减缓之处,都会形成大量沉积,例如河水漫溢出河床而形成的洪泛区、河口、坝前等。

胶体黏土极细颗粒的沉降,由于当尺寸小于 0,0002 mm 的微粒浸没在水中时所产生的电化学作用,可能无限期地持续。此时固体颗粒带有同种电荷(负电),因此彼此排斥,并在液体中运动,颗粒越小,速度越大。这就是布朗运动。由于这些运动,水中固体颗粒的沉降大为减慢,且可无限期持续。

冲积土

图 4 - 冲积土

风成土

风成土是由风搬运的固体颗粒沉积形成的。风成土分为两种:黄土_和_沙丘。_黄土_由粒径约为0,05 mm或略小的固体颗粒组成,颗粒之间由碳酸钙胶结。因此,黄土在干燥状态下具有很高的强度。黄土中的开挖边坡可以在很高的高度上保持垂直边壁。然而,一旦黄土受水浸泡较强,就会失去强度并容易发生滑动。贝扎尼亚高地(Bežanijske kose)贝尔格莱德黄土堆积层的实例众所周知,其垂直边壁可保持在超过20m的高度。然而,在边缘附近建有居民区的地段,例如泽蒙的Čunarska街,由于生活用水排放使黄土高原边坡旁持续受潮,黄土边坡便会坍塌,边缘附近黄土土体的稳定性受到威胁。

沙丘 是风吹堆积的松散沙粒形成的可移动沙丘。这些沙丘在风力作用下会迅速被吹散并重新形成,因此会对房屋和交通工具造成掩埋和倾覆危险。

风成土

图 5 - 风成土

冰川土壤

冰川土是由冰搬运固体土粒形成的。冰川土的组成不同于冲积土,因为它由粒径大致相近的固体颗粒组成,即冰融化后留下的砾石、碎石(冰碛)或砂。在古冰川湖的层中存在冰川壤土。

冰川土

图 6 - 冰川土