3.3 土组构的多尺度定义

自太沙基建立土力学学科以来，土的骨架体系就被当作土受力变形演变的基本研究对象。实际上，土中的骨架是由众多形状不同、大小各异的颗粒或颗粒集合体构成的，颗粒或颗粒集合体相互接触和连接形成了充填液相、气相的孔隙。土达到一定的应力状态后，颗粒或集合体间的连接会发生破坏，但颗粒和集合体本身并不会发生破坏，这表明颗粒及集合体本身的强度大于颗粒或集合体间的连接强度。因此，可认为这种具有一定的强度、刚度和外部轮廓的颗粒或颗粒集合体在土体中相当于基本单元体，土的基本单元体既可为独立颗粒，也可为颗粒粒组。土的组构体系中，基本单元体或基本单元体集合体可形成不同形式的土组构单元，由不同类型和数目组构单元相互作用形成的组构体系具有不同的尺度。

3.3.1 基本单元体

在土组构的研究中，基本单元体是最基本要素，它是受外力作用的具有一定轮廓边界的单元。根据物质组成和形态，基本单元体可以分为粒状体和片状体两种类型。粒状体包括各种规则或不规则的碎屑颗粒、凝聚体和由黏粒无定形物质包裹的外包颗粒；片状体包括叠聚体、絮凝体和黏土基质体。若主要的基本单元体是粒状体，可称为粒状体结构体系；若主要的基本单元体是片状体，则称为片状体结构体系。

粒状体主要包括3种类型的基本单元体：一是碎屑颗粒中的“粗碎屑”（粒径大于50μm）和“细碎屑”（粒径为2～50μm），它们可直接构成粒状体的基本单元体；二是“微碎屑”（粒径小于2μm）和黏土颗粒经胶结作用形成的粉粒大小的凝聚体；三是凝聚体和碎屑颗粒外部包裹黏土片“包膜”而形成的外包型颗粒。粒状体一般是构成无黏性土的基本单元体。

片状体是主要分布于黏土中的基本单元体，一般由黏土片相互连接形成。由于土体沉积物大多是在静水或动水中沉积形成的，悬液中颗粒的连接可以反映土组构形成与演变的特性。砂土等粗粒土在悬液中通常形成粒状基本单元体，而黏土悬浮液中基本单元体的形式和连接方式通常更为复杂。

在黏土沉积过程中，悬浮液中的黏土片一边沉降，一边做不规则布朗运动，它们可能会保持分散，也可能因为静电引力等作用相互吸引形成由多个黏土片面对面联合而成的聚集体，可称为“畴”，也可能进一步由分散黏土片或黏土“畴”按边界对边界、边界对面或面对面连接形式形成絮凝基本单元体。主要的连接方式及形成的基本单元体如图3.1所示。片状体按单片是否面对面联合可分为分散型或聚集型，也可按单片或聚集“畴”是否絮凝分为絮凝型或散凝型，连接方式的具体分类如下。

图3.1 黏土悬浮液中黏土片的连接方式

（1）分散型：黏土片分离、无面对面的连接。

（2）聚集型：多个黏土片形成面对面（FF）的连接。

（3）絮凝型：黏土单片或聚集体以边对边（EE）或边对面（EF）的形式连接成絮凝。

（4）散凝型：黏土单片或聚集体间没有直接接触或连接，保持分散。

实际上黏土基本单元体的形式更为复杂，可能存在多种复合形式。既可由黏土单片形成聚集型片组或絮凝成基团，也可再由基团与有机质、微碎屑等物质连接形成宏观上类似于粗颗粒的粒状基本单元体。总体来说，黏性土在复杂沉积、固结和地质历史作用下可形成许多特殊土，如湿陷性黄土、膨胀土、红土、盐渍土等，组成这些特殊土的基本单元体存在着或大或小的差异，物理力学性质也不同。

3.3.2 组构单元

实际上土的组构是非常复杂的，在某种特定土体中并不存在一种或几种典型的基本单元，而是以几种基本组构元素的过渡形式存在的。比如说，很多黏土中并非只有片状体，而是粒状体与片状体共存的，形成的是介于二者之间的复杂结构体系。对土体微观组构进行分析时，首先要判断土体内是粒状结构体系还是片状结构体系抑或是粒状与片状共存的结构体系。对于不同的结构体系，应判断占主导的是什么类型的基本单元体，再深入研究基本单元体的性质。在此之后，对基本单元体的排列方式和连接方式进行分析与评价。基于上述的分析结果就可对土体性质进行大概的预测。

简单来说，黏土等细粒土中大多为多粒组构形式，具体形式如图3.1所示；而砂土等粗粒土多为单粒组构形式。总体来说，组构单元存在三类分组，具体形式如图3.2所示。

图3.2（一） 土体基本组构单元示意图

图3.2（二） 土体基本组构单元示意图

（1）单粒组构：单粒尺度上的相互作用形式。

（2）多粒组构：由一种或多种单粒组合而成的具有特定物理边界和力学性质的颗粒集合体。

（3）孔隙空间：土体组构中由液体或气体充填的孔隙。

3.3.3 组构的多尺度定义

土组构具有多种尺度，由微观到宏观可归为以下三类。

（1）微观组构：微观组构由颗粒或颗粒聚集体及粒间小孔隙组成。常规的微观组构单元尺寸为几十微米。

（2）细观组构：细观组构由微观组构聚集体及其间孔隙组成。常规的细观组构单元尺寸为数百微米。

（3）宏观组构：宏观组构指含三相特征的组构，且存在节理、裂隙、裂纹、孔洞、片层等宏观特征。

土的力学性质及流动性质在不同程度上取决于这3个层次的组构。例如，含细粒土的渗透系数几乎完全由宏观组构和细观组构控制。与时间相关的变形，如蠕变和二次压缩，几乎完全由细观组构和微观组构控制。

在进行土物理力学性质研究时，需要考虑不同组构单元的尺度及特性，同时需要确定对研究来说有意义的组构尺度。例如，对于一个水利工程中的压实黏土垫层，其内部有均匀、密实的颗粒聚集体，因此材料整体具有非常低的渗透系数。但是，如果这个垫层由于收缩作用产生了裂缝，垫层的渗透则主要集中于这些裂缝中，小尺度组构的影响就很小了。同理，完整均匀软黏土的强度很大程度上受微观颗粒分布排列方式控制，而含裂隙硬质黏土的性质则主要受微裂隙特性控制。