大地工程原理 第二章 土壤之來源與粒徑

土壤之來源與粒徑 2.1 概述 2.2 岩石的輪迴與土壤來源 2.3 岩石組成礦物、岩石與岩石結構 2.4 土壤顆粒的尺寸 2.5 黏土礦物 2.6 比重（Gs） 第二章 土壤之來源與粒徑 第15頁

土壤之來源與粒徑 2.7 土壤的機械分析 2.8 粒徑分布曲線 2.9 顆粒形狀 2.10 總結 第二章 土壤之來源與粒徑 第15頁

2.1 岩石的輪迴與土壤來源 在本章中，我們將討論以下項目： 地殼熔岩固化而產生不同類型岩石之來源。 岩石受機械與化學風化而變成土壤。 2.1 岩石的輪迴與土壤來源 在本章中，我們將討論以下項目： 地殼熔岩固化而產生不同類型岩石之來源。 岩石受機械與化學風化而變成土壤。 決定一土體內土壤顆粒尺寸之分布。 黏土礦物之組成。黏土礦物是一土體有塑性之主要原因。 土體內顆粒之各種不同形狀。 第二章 土壤之來源與粒徑 第16頁

2.2 岩石的輪迴與土壤來源 根據其來源，岩石可以分成三種基本類型：火成岩（igneous）、沉積岩（sedimentary）和變質岩（metamorphic）。圖2.1 展示不同類別岩石之間輪迴的變化與過程。此過程也稱為岩石輪迴（rock cycle）。 第二章 土壤之來源與粒徑 第16頁

2.2 岩石的輪迴與土壤來源 壓實，膠結，結晶 沉積 沉積岩 搬運，沖蝕， 風化 變質 變質岩 火成岩 熔化 圖2.1 岩石輪迴 岩漿 2.2 岩石的輪迴與土壤來源 變質岩 沉積岩 變質 壓實，膠結，結晶 岩漿 火成岩 沉積 熔化 搬運，沖蝕， 風化 圖2.1 岩石輪迴 第二章 土壤之來源與粒徑 第17頁 圖2.1

火成岩 火成岩是從地殼內所噴出熔化之岩漿（magma）凝固而成。岩漿可以從地殼之破裂帶噴出（fissure eruption）或火山口噴出（volcanic eruption），然後在地球表面冷卻。有時候岩漿在地表下就已失去流動性，冷卻而形成侵入岩（intrusive igneous rocks）或稱深成岩（plutons）。侵入岩也可能因為過去覆蓋在其上之材料受到不斷地沖蝕而暴露出來。 第二章 土壤之來源與粒徑 第16頁

火成岩 Bowen 反應原理（Bowen’s reaction principle）── 敘述岩漿冷卻時新礦物形成的順序。礦物結晶成長變大時，其中一部分會下沉。還沉浮在液態熔岩中的結晶與剩餘的岩漿，在溫度繼續下降時形成新的礦物。這樣的程序不斷地進行直到全部的岩漿凝固為止。 第二章 土壤之來源與粒徑 第17頁

火成岩 Bowen 將這些反應分成兩類： (1) 不連續性鐵鎂反應系列（discontinuous ferromagnesian reaction series），如此形成之礦物在化學組成與結晶架構上都不一樣； (2) 連續性斜長石反應系列（continuous plagioclase feldspar reaction series），如此而產生之礦物其化學組成不同，但結晶架構相似。 第二章 土壤之來源與粒徑 第17頁

火成岩 抗風化性 較低 在較高溫下 結晶 橄欖石 鉀長石 輝石 角閃石 鈉長石 不連續 鐵鎂系列 連續性 斜長石系列 黑雲母 正長石 （鉀長石） 白雲母 抗風化性 較高 在較低溫下 結晶 圖2.2 Browen反應系列 石英 第二章 土壤之來源與粒徑 第18頁 圖2.2

火成岩 第二章 土壤之來源與粒徑 第18頁 表2.1

火成岩 不同形式的火成岩就是依據各種不同礦物比例而形成。花崗岩（granite）、輝長石（gabbro）和玄武岩（basalt）是我們在野外常見的一些火成岩。 第二章 土壤之來源與粒徑 第18頁

火成岩 表2.2列舉一些火成岩的組成。 第二章 土壤之來源與粒徑 第18-20頁

火成岩 第二章 土壤之來源與粒徑 第19頁 圖2.3

火成岩 第二章 土壤之來源與粒徑 第19頁 圖2.4

風化 第二章 土壤之來源與粒徑 第21頁 圖2.5

風化 第二章 土壤之來源與粒徑 第22頁 圖2.6

風化 第二章 土壤之來源與粒徑 第23頁 圖2.7

風化 風化（weathering）是岩石經過機械（mechanical）或化學程序（chemical processes），而分解成細小顆粒的過程。機械風化可能來自於岩體受溫度持續的增高與降低，而使岩石隨著膨脹與收縮，最後分解。 機械風化僅將大岩塊變成更小之碎片，但化學成分不變。 第二章 土壤之來源與粒徑 第20頁

風化 在化學風化的過程中，原有的岩石礦物經過化學反應而轉換成新礦物。大氣層中的二氧化碳與水合成碳酸，它再與現有岩石作用而形成新的礦物和可溶性鹽。地下水中之可溶性鹽和有機物腐敗而產生之有機酸也會促成化學風化。以下式子是正長石經過風化而變成黏土礦物、矽和可容性鉀碳化合物的一個例子： 第二章 土壤之來源與粒徑 第20.23頁

風化 鐵鎂礦物中之鐵和鎂也會形成其他礦物，如赤鐵礦（hematite）和褐鐵礦（limonite）。 長石、鐵鎂礦物、雲母經由化學風化而產生塑性的黏土礦物。黏土礦物可以分為三大類： (1) 高嶺土（kaolinite）； (2) 伊利石（illite）； (3)蒙脫土（montmorillonite）。 第二章 土壤之來源與粒徑 第23-24頁

風化物的搬運 岩石風化後的產物可能停在原位，或被冰、水、風與重力作用搬移到別處。 第二章 土壤之來源與粒徑 第24頁

風化物的搬運 被搬運過的土壤可以根據其搬運與沉積的方法分 成以下數類︰ 冰河土（glacial soils）──被冰河搬運然後沉積的土 壤。 沖積土（alluvial soils）── 被流水搬運然後沿著河 岸沉積的土壤。 湖積土（lacustrine soils）──在靜止的湖水中沉積的 土壤。 海積土（marine soils）──在海洋中沉積的土壤。 風積土（aeolian soils）── 被風搬運然後沉積的土 壤。 崩積土（colluvial soils）──受重力破壞，如地滑而 移動過的土壤。 第二章 土壤之來源與粒徑 第24頁

沉積岩 由風化而產生的礫石、砂土、粉土和黏土，有可能受到覆土壓力及介質，如二氧化鐵、鈣、白雲石和石英等之膠結，而變得更緊密。膠結介質通常是溶於地下水中。它在流過土壤顆粒間時，這些膠結介質會填充於顆粒間的空隙而形成沉積岩。如此形成的岩石稱為碎屑沉積岩（detrital sedimentary rocks）。 第二章 土壤之來源與粒徑 第24頁

沉積岩 所有碎屑岩都有碎屑（clastic）組織。下表展示一些具有碎屑組織之碎屑岩： 第二章 土壤之來源與粒徑 第24頁

沉積岩 沉積岩也可經由化學程序形成，稱之為化學沉積岩（chemical sedimentary rock）。 第二章 土壤之來源與粒徑 第25頁

沉積岩 第二章 土壤之來源與粒徑 第25頁 圖2.8

變質岩 變質作用（metamorphism）是指岩石的組成與外觀受高壓與高溫之影響，在沒有溶解的情況下發生改變的一種過程。變質作用會產生新的礦物，礦物顆粒因為受剪力的影響，而使得變質岩有薄層重疊（葉理）的外觀。 第二章 土壤之來源與粒徑 第26頁

2.3 岩石組成礦物、岩石與岩石結構 圖2.9 一些典型的岩石組成礦物：(a) 石英；(b) 正長石；(c) 斜長石；(d) 白雲母；(e) 黑雲母；(f) 鈣鐵榴石；(g) 方解石；(h) 白雲石；(i) 綠泥石（Dr. Sanjay K. Shukla, Edith Cowan University, Perth, Australia 提供） 第二章 土壤之來源與粒徑 第27頁 圖2.9

2.3 岩石組成礦物、岩石與岩石結構 圖2.9 （續） 第二章 土壤之來源與粒徑 第27頁 圖2.9（續）

2.3 岩石組成礦物、岩石與岩石結構 圖2.9 （續） 第二章 土壤之來源與粒徑 第27頁 圖2.9（續）

2.3 岩石組成礦物、岩石與岩石結構 圖2.9 （續） 第二章 土壤之來源與粒徑 第28頁 圖2.9（續）

2.3 岩石組成礦物、岩石與岩石結構 圖2.9 （續） 第二章 土壤之來源與粒徑 第28頁 圖2.9（續）

2.3 岩石組成礦物、岩石與岩石結構 圖2.10 一些典型的岩石：(a) 花崗岩；(b) 玄武岩；(c) 流紋岩；(d) 砂岩；(e) 石灰岩；(f) 礫岩；(g) 大理石；(h) 板岩；(i) 雲母片岩；(j) 褶皺的片岩（圖(a) 至(i) 為Dr. Sanjay K. Shukla, Edith Cowan University, Perth, Australia 提供；(j) 為Dr. Nagaratnam Sivakugan, James Cook University, Townsville, Australia 提供） 第二章 土壤之來源與粒徑 第29頁 圖2.10

2.3 岩石組成礦物、岩石與岩石結構 圖2.10 （續） 第二章 土壤之來源與粒徑 第29頁 圖2.10（續）

2.3 岩石組成礦物、岩石與岩石結構 圖2.10 （續） 第二章 土壤之來源與粒徑 第29頁 圖2.10（續）

2.3 岩石組成礦物、岩石與岩石結構 圖2.10 （續） 第二章 土壤之來源與粒徑 第29頁 圖2.10（續）

2.3 岩石組成礦物、岩石與岩石結構 圖2.10 （續） 第二章 土壤之來源與粒徑 第29頁 圖2.10（續）

2.3 岩石組成礦物、岩石與岩石結構 第二章 土壤之來源與粒徑 第31頁 圖2.11

2.3 岩石組成礦物、岩石與岩石結構 第二章 土壤之來源與粒徑 第31頁 圖2.11

2.4 土壤顆粒的尺寸 土壤通常根據其主要顆粒尺寸的大小分成礫石（gravel）、砂土（sand）、粉土（silt）或黏土（clay）。 2.4　土壤顆粒的尺寸 土壤通常根據其主要顆粒尺寸的大小分成礫石（gravel）、砂土（sand）、粉土（silt）或黏土（clay）。 第二章 土壤之來源與粒徑 第32頁

2.4　土壤顆粒的尺寸 第二章 土壤之來源與粒徑 第32頁 表2.3

2.4 土壤顆粒的尺寸 麻省理工學院 美國農業部 美國州高速公路與 交通主管協會 統一土壤分類系統 粒徑（mm） 礫石 砂土 粉土 2.4　土壤顆粒的尺寸 麻省理工學院 美國農業部 美國州高速公路與 交通主管協會 統一土壤分類系統 粒徑（mm） 礫石 砂土 粉土 粉土與黏土 黏土 圖2.12 不同系統中土壤分類之粒徑範圍 第二章 土壤之來源與粒徑 第33頁 圖2.12

2.4　土壤顆粒的尺寸 第二章 土壤之來源與粒徑 第33頁 圖2.13

2.4　土壤顆粒的尺寸 第二章 土壤之來源與粒徑 第34頁 圖2.14

2.5　黏土礦物 黏土礦物是以鋁和矽為主要成分之化合物，由兩種基本單元組成：(1) 矽四邊體（silica tetrahedron）；和(2) 鋁八邊體（alumina octahedron）。每一四邊體單元由四個氧原子環繞一個矽原子所組成（圖2.15(a)）。矽片（silica sheet）就是由四邊體鋁單元結合而成（圖2.15(b)）。四邊體底部之三個氧原子與鄰近之四邊體共用。 第二章 土壤之來源與粒徑 第35頁

2.5　黏土礦物 每一個八邊體單元由六個氫氧環繞一個鋁原子所組成（圖2.15(c)），八邊體氫氧化鋁單元之結合則形成八邊體片（octahedral sheet）。〔八邊體片有時也稱之為三水鋁石片（gibbsite sheet）── 圖2.15(d)。〕有時八邊體單元中之鋁原子被鎂取代，那麼這八邊體片就稱為水鎂石片（brucite sheet）。 第二章 土壤之來源與粒徑 第35頁

2.5 黏土礦物 及 氧 及 矽 氧 氫氣 鋁 矽 圖2.15 (a) 矽四邊體；(b) 矽片（根據Grim, 1959。ASCE 授權） 2.5　黏土礦物 及 氧 及 矽 氧 氫氣 鋁 矽 圖2.15 (a) 矽四邊體；(b) 矽片（根據Grim, 1959。ASCE 授權） 第二章 土壤之來源與粒徑 第36頁 圖2.15

2.5　黏土礦物 氧 氫氣 鋁 矽 及 圖2.15 (c) 鋁八邊體；(d) 八邊體（三水鋁石）片（根據Grim, 1959。ASCE 授權） 第二章 土壤之來源與粒徑 第36頁 圖2.15

2.5 黏土礦物 氧 氫氣 鋁 矽 圖2.15 (e) 矽－三水鋁石片單元（根據Grim, 1959。ASCE 授權） 2.5　黏土礦物 氧 氫氣 鋁 矽 圖2.15 (e) 矽－三水鋁石片單元（根據Grim, 1959。ASCE 授權） 第二章 土壤之來源與粒徑 第36頁 圖2.15

2.5　黏土礦物 三種重要黏土之一的高嶺土（kaolinite），是由矽－三水鋁石片以1：1 的架構重疊而成。每單位質量土料所有之總表面積定義為比面積（specific surface）。 第二章 土壤之來源與粒徑 第35頁

2.5 黏土礦物 氧 氫氣 鋁 矽 圖2.16 高嶺土之原子結構（根據Grim, 1959。ASCE 授權） 2.5　黏土礦物 氧 氫氣 鋁 矽 圖2.16 高嶺土之原子結構（根據Grim, 1959。ASCE 授權） 第二章 土壤之來源與粒徑 第37頁 圖2.16

2.5 黏土礦物 三水鋁石片 矽片 三水鋁石片 矽片 三水鋁石片 矽片 鉀 圖2.17 (a) 高嶺土之結構示意圖 2.5　黏土礦物 三水鋁石片 矽片 三水鋁石片 矽片 三水鋁石片 矽片 鉀 圖2.17 (a) 高嶺土之結構示意圖 第二章 土壤之來源與粒徑 第37頁 圖2.17(a)

2.5　黏土礦物 第二章 土壤之來源與粒徑 第38頁 圖2.18

2.5　黏土礦物 伊利石（illite）是由一層三水鋁石片與兩層矽片──一片在上、一片在下（圖2.19 與2.17(b)）疊合而成。伊利石有時又稱為黏土雲母（clay mica）。分子中之一個或數個單元被取代，而不改變其結晶架構稱為同晶置換（isomorphous substitution）。 第二章 土壤之來源與粒徑 第35頁

2.5 黏土礦物 氧 氫氣 鋁 鉀 矽 圖2.19 伊利石原子結構（根據Grim, 1959。ASCE 授權） 2.5　黏土礦物 氧 氫氣 鋁 鉀 矽 圖2.19 伊利石原子結構（根據Grim, 1959。ASCE 授權） 第二章 土壤之來源與粒徑 第38頁 圖2.19

2.5 黏土礦物 矽片 三水鋁石片 矽片 鉀 矽片 三水鋁石片 矽片 三水鋁石片 矽片 鉀 圖2.17 (b) 伊利石之結構示意圖 2.5　黏土礦物 矽片 三水鋁石片 矽片 鉀 矽片 三水鋁石片 矽片 三水鋁石片 矽片 鉀 圖2.17 (b) 伊利石之結構示意圖 第二章 土壤之來源與粒徑 第37頁 圖2.17(b)

2.5　黏土礦物 蒙脫土（montmorillonite）之結構與伊利石類似，也就是一層三水鋁石片夾在兩層矽片之間（參見圖2.20 與2.17(c)）。 第二章 土壤之來源與粒徑 第35頁

2.5 黏土礦物 交換性正離子 nH2O 氧 氫氣 鋁、鐵、鎂 矽、偶爾有鋁 2.5　黏土礦物 交換性正離子 nH2O 氧 氫氣 鋁、鐵、鎂 矽、偶爾有鋁 圖2.20 蒙脫土原子結構（根據Grim, 1959。ASCE 授權） 第二章 土壤之來源與粒徑 第39頁 圖2.20

2.5 黏土礦物 矽片 三水鋁石片 矽片 nH2O與交換離子 矽片 基本單元 距離──從9.6Ǻ 到完全分離 三水鋁石片 矽片 三水鋁石片 2.5　黏土礦物 矽片 三水鋁石片 矽片 nH2O與交換離子 矽片 基本單元 距離──從9.6Ǻ 到完全分離 三水鋁石片 矽片 三水鋁石片 矽片 鉀 圖2.17 (c) 蒙脫土之結構示意圖 第二章 土壤之來源與粒徑 第37頁 圖2.17(c)

2.5　黏土礦物 第二章 土壤之來源與粒徑 第39頁 圖2.21

2.5 黏土礦物 黏土顆粒在其表面帶有負電。這是因為同晶置換與顆粒邊緣的破裂所造成。表面積愈大，則負電愈強。 2.5　黏土礦物 黏土顆粒在其表面帶有負電。這是因為同晶置換與顆粒邊緣的破裂所造成。表面積愈大，則負電愈強。 第二章 土壤之來源與粒徑 第40頁

2.5　黏土礦物 在乾黏土中，負電價被交換性正離子如Ca2+、Mg2+、Na+ 和K+ 所平衡，這些正離子受靜電吸引而附在土壤顆粒周圍。黏土中加入水後，這些正離子與少許負離子在黏土顆粒四周浮動。這一組構稱之為擴散電雙層（diffuse double layer）（圖2.22(a)）。正電離子之濃度隨著與土壤顆粒表面之距離而減低（圖2.22(b)）。 第二章 土壤之來源與粒徑 第40頁

2.5 黏土礦物 離子濃度 正離子 負離子 黏土顆粒表層 與黏土顆粒距離 圖2.22 擴散電雙層 2.5　黏土礦物 離子濃度 正離子 負離子 黏土顆粒表層 與黏土顆粒距離 圖2.22 擴散電雙層 第二章 土壤之來源與粒徑 第40頁 圖2.22

2.5　黏土礦物 水分子是有極性的（polar）。環繞在氧原子外之氫原子排列並非對稱，兩者間的跨角為105° （圖2.23），使得水分子一邊帶正電另一邊帶負電，這種分子結構稱為雙極（dipole）。 氧 氫 氫 圖2.23 水的雙極性 第二章 土壤之來源與粒徑 第40-41頁 圖2.23

2.5　黏土礦物 正電離子又被黏土顆粒所吸附。水被黏土顆粒吸附的第三種機制是氫鍵（hydrogen bonding），水中的氫原子被黏土顆粒表面之氧原子吸引。 第二章 土壤之來源與粒徑 第41頁

2.5 黏土礦物 雙極水分子 正離子 雙極水分子 黏土顆粒 圖2.24 擴散電雙層中對雙極性分子之吸引 2.5　黏土礦物 雙極水分子 正離子 雙極水分子 黏土顆粒 圖2.24 擴散電雙層中對雙極性分子之吸引 第二章 土壤之來源與粒徑 第41頁 圖2.24

2.5　黏土礦物 圖2.24 顯示所有可能將水吸附在黏土顆粒表面的機制。水與黏土顆粒表面的吸附力隨著兩者間的距離增大而減低。被吸附在黏土顆粒表面的水稱之為電雙層水（double-layer water）。最接近黏土顆粒表面的電雙層水，被黏土非常強力地吸附，稱為吸附水（absorbed water）。吸附水的黏滯性比自由（不受吸附的）水為高。 第二章 土壤之來源與粒徑 第41頁

2.5 黏土礦物 典型蒙脫土顆粒，1,000Ǻ 寬，10Ǻ 厚 蒙脫土結晶 吸附水 高嶺土結晶 電雙層水 2.5　黏土礦物 典型蒙脫土顆粒，1,000Ǻ 寬，10Ǻ 厚 蒙脫土結晶 吸附水 高嶺土結晶 電雙層水 圖2.25 吸附在黏土表面的水（根據Lambe, 1958。ASCE 授權） 第二章 土壤之來源與粒徑 第42頁 圖2.20(a)

2.5 黏土礦物 典型高嶺土顆粒，10,000Ǻ 寬，1,000Ǻ 厚 吸附水 蒙脫土結晶 高嶺土結晶 電雙層水 2.5　黏土礦物 典型高嶺土顆粒，10,000Ǻ 寬，1,000Ǻ 厚 蒙脫土結晶 吸附水 高嶺土結晶 電雙層水 圖2.25 吸附在黏土表面的水（根據Lambe, 1958。ASCE 授權） 第二章 土壤之來源與粒徑 第42頁 圖2.20(b)

2.6 比重（Gs） 比重（specific gravity）之定義是某材料單位重與水單位重的比值。 第二章 土壤之來源與粒徑 第43頁 表2.4

2.7　土壤的機械分析 機械分析（mechanical analysis）是指算出土壤中顆粒尺寸的範圍，以各種尺寸顆粒之乾重占總重之百分比來表示。量測土壤顆粒尺寸分布的方法一般有兩種： (1) 篩分析（sieve analysis）適用於大於0.075 mm 之顆粒； (2) 比重計分析（hydrometer analysis）適用於小於0.075 mm 之顆粒。以下兩節將簡述篩分析與比重計分析的基本原理。 第二章 土壤之來源與粒徑 第43頁

2.7　土壤的機械分析 第二章 土壤之來源與粒徑 第44頁 表2.5

2.7　土壤的機械分析 一般用來做篩分析的篩子直徑為203 mm。進行篩分析時，必須將土壤烘乾，把大土塊輕打成較小的顆粒，然後將土壤放入一疊由上而下減小篩孔之篩子中搖動（篩子最底下有個盤子）。 第二章 土壤之來源與粒徑 第44頁

2.7 土壤的機械分析 圖2.26 顯示在實驗室內做篩分析用的一組篩子與震動器。此類試驗最小的篩號是美國標準200 號篩。 2.7　土壤的機械分析 圖2.26 顯示在實驗室內做篩分析用的一組篩子與震動器。此類試驗最小的篩號是美國標準200 號篩。 第二章 土壤之來源與粒徑 第44-45頁 圖2.26

2.7　土壤的機械分析 篩分析結果的計算過程： 求出停留在每一個篩上的土壤質量（也就是 M1、 M2、… Mn ）和底盤上土壤的質量（也就是Mp ）。 求出全部土壤的質量：M1 + M2 + … +Mi + … + Mi + … + Mn + Mp ＝ΣM。 求出在每一個篩上方所有累積的土壤質量。對第i 個篩而言，這是M1 + M2 + … + Mi 。 通過第i 個篩的土壤質量則是ΣM －(M1 + M2 + … + Mi ) 。 通過第i 個篩的土壤質量百分比（或小於第i 個篩的百分比）為 第二章 土壤之來源與粒徑 第44-45頁

2.7　土壤的機械分析 當小於每一個篩號土壤的百分比計算完畢（步驟5）之後，將結果畫在半對數的圖紙（圖2.27）上縱座標（數學比例）對應小於每一個篩號土壤的百分比，而篩孔尺寸顯示於橫座標（對數比例）。此圖形稱之為粒徑分布曲線（particle-size distribution curve）。 第二章 土壤之來源與粒徑 第45頁

2.7　土壤的機械分析 通過百分比 顆粒尺寸（mm）―― 對數比例 圖2.27 粒徑分布曲線 第二章 土壤之來源與粒徑 第46頁 圖2.27

比重計分析 比重計分析是根據土壤顆粒在水中沉澱的原理，當土壤試體懸浮在水中，其中之土粒根據不同的形狀、尺寸、重量和水的黏滯性，而以不同的速度下沉。為簡便起見，假設所有的土粒都是圓球形，且土粒沉澱的速度可以斯托克定律（Stokes’ law）來敘述。 第二章 土壤之來源與粒徑 第46頁

比重計分析 根據此定律 (2.1) 其中v＝速度 ρs＝土壤顆粒之單位重 ρw＝水單位重 η＝水之黏滯性 D ＝土壤顆粒之直徑 第二章 土壤之來源與粒徑 第46頁

比重計分析 第二章 土壤之來源與粒徑 第47頁 表2.6

比重計分析 第二章 土壤之來源與粒徑 第48頁 讀2.28&圖2.29

比重計分析 圖2.30 比重計試驗中L之定義 第二章 土壤之來源與粒徑 第49頁 圖2.30

比重計分析 第二章 土壤之來源與粒徑 第50頁 表2.7

比重計分析 統一分類 砂土 粉土與黏土 篩分析 比重計分析 篩號 比 它 細 小 的 百 分 顆粒直徑（mm）── 對數比例 篩分析 圖2.31 粒徑分布曲線── 篩分析與比重計 第二章 土壤之來源與粒徑 第51頁 圖2.31

2.8 粒徑分佈曲線 粒徑分布曲線可以為土壤提供以下四種參數（圖2.32）︰ 2.8　粒徑分佈曲線 粒徑分布曲線可以為土壤提供以下四種參數（圖2.32）︰ 有效粒徑（effective size）（D10）︰此參數對應粒徑分布曲線中10% 比它細的粒徑。顆粒性土壤的有效粒徑，是用來估計土壤水力傳導性很好的一個量測值。 均勻係數（uniformity coefficient）（Cu）︰此係數的定義為 其中D60 = 粒徑分布曲線中60% 比它細的粒徑。 (2.9) 第二章 土壤之來源與粒徑 第51頁

2.8 粒徑分佈曲線 (2.11) 曲率係數( coefficient of gradation ) ( Cc ) ：此係數的定義為 2.8　粒徑分佈曲線 曲率係數( coefficient of gradation ) ( Cc ) ：此係數的定義為 淘選係數 ( sorting coefficient ) ( S0 ) ：這是另一個量測均勻度的參數，通常會在地質相關作業中用到，它的定義為 (2.10) (2.11) 第二章 土壤之來源與粒徑 第51-52頁

2.8 粒徑分佈曲線 顆粒尺寸（mm）── 對數比例 圖2.32 D75、D60、D30、D25 及D10 之定義 2.8　粒徑分佈曲線 顆粒尺寸（mm）── 對數比例 圖2.32 D75、D60、D30、D25 及D10 之定義 第二章 土壤之來源與粒徑 第52頁 圖2.32

2.8　粒徑分佈曲線 第二章 土壤之來源與粒徑 第52頁

2.8 粒徑分佈曲線 不良級配 比 它 細 小 的 百 分 優良級配 越級配 顆粒尺寸（mm）── 對數比例 圖2.33 粒徑分布曲線 2.8　粒徑分佈曲線 不良級配 比 它 細 小 的 百 分 優良級配 越級配 顆粒尺寸（mm）── 對數比例 圖2.33 粒徑分布曲線 第二章 土壤之來源與粒徑 第53頁 圖2.33

例題 2.1 以下是篩分析結果： 第二章 土壤之來源與粒徑 第53頁

例題 2.1 進行必要計算並畫出粒徑分布曲線。 從粒徑分布曲線決定D10、 D30 與D60。 計算均勻係數，Cu。 計算曲率係數，Cc。 例題 2.1 進行必要計算並畫出粒徑分布曲線。 從粒徑分布曲線決定D10、 D30 與D60。 計算均勻係數，Cu。 計算曲率係數，Cc。 第二章 土壤之來源與粒徑 第53頁

例題 2.1 －解(a) 以下表展示通過篩孔土壤之百分比。 第二章 土壤之來源與粒徑 第54頁

例題 2.1 －解(a) 粒徑分布曲線展示於圖2.34。 更 細 土 壤 百 分 比 （%） 顆粒尺寸（mm）── 對數比例 圖2.34 第二章 土壤之來源與粒徑 第54頁

例題 2.1 －解(b) 從圖2.34， 第二章 土壤之來源與粒徑 第54頁

例題 2.1 －解(c) 均勻係數， 第二章 土壤之來源與粒徑 第55頁

例題 2.1 －解(d) 曲率係數， 第二章 土壤之來源與粒徑 第55頁

例題 2.2 一土壤之粒徑分布特性如下： 第二章 土壤之來源與粒徑 第55頁

例題 2.2 畫出粒徑分布曲線。 使用MIT 系統，決定礫石、砂土、粉土與黏土之百分比。 使用USDA 系統重做b 部分。 例題 2.2 畫出粒徑分布曲線。 使用MIT 系統，決定礫石、砂土、粉土與黏土之百分比。 使用USDA 系統重做b 部分。 使用AASHTO 系統重做b 部分。 第二章 土壤之來源與粒徑 第55頁

例題 2.2 －解(a) 粒徑分布曲線展示於圖2.35。 更 細 土 壤 百 分 比 （%） 顆粒尺寸（mm）── 對數比例 圖2.35 第二章 土壤之來源與粒徑 第55-56頁

例題 2.2 －解(b) 從圖2.35 之繪圖， 通過2 mm = 100% 通過0.06 mm = 95% 所以， 礫石：0% 砂土：100%−95% = 5% 粉土：95% − 42% = 53% 黏土：42% − 0% = 42% 第二章 土壤之來源與粒徑 第55-56頁

例題 2.2 －解(c) 通過2 mm = 100% 通過0.05 mm = 94% 通過0.002 mm = 42% 所以， 礫石：0% 砂土：100% − 94% = 6% 粉土：94% − 42% = 52% 黏土：42% − 0% = 42% 第二章 土壤之來源與粒徑 第56-57頁

例題 2.2 －解(d) 通過2 mm = 100% 通過0.075 mm = 96% 通過0.002 mm = 42% 所以， 礫石：0% 砂土：100% − 96% = 4% 粉土：96% − 42% = 54% 黏土：42% − 0% = 42% 第二章 土壤之來源與粒徑 第57頁

2.9 顆粒形狀 土壤之顆粒形狀與粒徑分布一樣，對土壤物理性質有重大影響。但是，由於土壤之顆粒形狀難以量測，所以沒有受到重視。土壤之顆粒形狀約略可分成三種類型： 圓胖型（bulky）。 平扁型（flaky）。 細針型（needle shaped）。 第二章 土壤之來源與粒徑 第57頁

2.9 顆粒形狀 圓胖型顆粒（bulky particles）大多是岩石和礦物經由機械風化而形成。地質師用稜角形（angular）、次稜角形（subangular）、次圓形（subrounded）與圓形（rounded）來描述圓胖型顆粒。 第二章 土壤之來源與粒徑 第57頁

2.9 顆粒形狀 第二章 土壤之來源與粒徑 第58頁 圖2.36

2.9 顆粒形狀 稜角度（angularity）定義為 (2.12) 第二章 土壤之來源與粒徑 第58頁

2.9 顆粒形狀 圓胖型顆粒的球度（sphericity）定義為 其中De ＝顆粒對等之直徑＝ (2.13) V＝顆粒體積 Lp ＝顆粒長度 2.9 顆粒形狀 圓胖型顆粒的球度（sphericity）定義為 其中De ＝顆粒對等之直徑＝ V＝顆粒體積 Lp ＝顆粒長度 (2.13) 第二章 土壤之來源與粒徑 第58頁

2.10 總結 岩石可分三種基本類別：(a) 火成岩；(b) 沉積岩；與(c) 變質岩。 土體是岩石經過機械或化學風化所產生。 2.10 總結 岩石可分三種基本類別：(a) 火成岩；(b) 沉積岩；與(c) 變質岩。 土體是岩石經過機械或化學風化所產生。 根據顆粒大小，我們可以將土壤分成礫石、砂土、粉土及黏土。根據統一土壤分類系統，現在已是被廣泛與接受，礫石、砂土及細料（粉土及黏土）之尺寸界線如下： 礫石 76.2 mm-4.75 mm 砂 4.75 mm-0.075 mm 細料（粉土與黏土） < 0.075 mm 第二章 土壤之來源與粒徑 第59頁

2.10 總結 黏土通常是由含雲母、黏土礦物，以及其他礦物、扁平形狀之微細或次微細顆粒所組成。 黏土礦物是以鋁和矽為主要成分之化合物。 2.10 總結 黏土通常是由含雲母、黏土礦物，以及其他礦物、扁平形狀之微細或次微細顆粒所組成。 黏土礦物是以鋁和矽為主要成分之化合物。 黏土表面帶有負電，與水接觸後在黏土顆粒周圍形成一擴散電雙層，這是黏土會有塑性的原因。 機械分析是用來求出土體中顆粒尺寸範圍的方法。其中有兩部分──篩分析（對> 0.075 mm 之顆粒）與比重計分析（對< 0.075 mm之顆粒）。 第二章 土壤之來源與粒徑 第59頁

2.10 總結 在篩分析中 在比重計分析中，比某一顆粒尺寸（D）細小土壤之百分比使用在一指定時間所得比重計讀數（L）以及公式(2.5) 來決定。 第二章 土壤之來源與粒徑 第59頁