孔隙含水层

土的压实原理_地质与岩土力学基

情景7　土的形成、状态、类型及土的物理指标

【学习目标】

1.了解岩土工程中土的概念，风化的意义，风化带，风化壳，第四季沉积物。

2.掌握土的三相组成，各种性质和状态。

3.掌握土的物理性质、状态指标。

4.理解土的压实性及掌握击实试验操作。

5.掌握岩土工程分类。

【能力要求】

1.能够阐述土的物理性质指标和状态指标的定义及表达式，能根据指标判别土的性状。

2.能够利用三相简图进行指标间的相互换算。

3.能够利用规范法对土进行工程分类、定名。

4.能够独立测定土的密度、含水量以及液塑限联合测定。

5.能够完成土的击实试验。

【必要的理论知识与资料】

7.1　土的概念

土在日常生活里是一个宽泛的概念，不同的生活状态里人们的认识与表达不尽相同，学习者可以思考土的概念由来。

《说文》土:地之吐生物者也。二象地之下，地之中，物出形也。相关的词汇有尘土，泥土，土壤，土地，领土，国土等等，它的时空感、质感、运动感、功能等都在不同的词汇里显露出来。

它的特点是细小、堆积、也易运动，可扰动，可飞扬，可流淌，它的个体是什么?它的堆积体是什么?它的功能是靠什么作用和表现的?这些都是我们思考土体的基本疑问。

与整个地球相比，土占很小的比例，它是地质作用的产物，简单地说土是岩石风化的自然产物。在漫长的地质年代中，地壳表层的岩石在风化、剥蚀、搬运、堆积的各个阶段形成大小悬殊的颗粒，就是土。在不同的自然环境中，由各种营力的地质作用生成了不同类型的土;而土历经压密固结、胶结硬化也可再生成岩石。现在所见到的土是近期地质历史——第四纪以来生成的尚未固结的松散物质。

由原岩风化产物——碎屑物质，经各种外力地质作用(剥蚀、搬运、沉积)形成尚未胶结硬化的沉积物(层)，通称“第四纪沉积物(层)”或“土”。这个定义所涵盖的范围已经远远大于农业活动里的土壤概念。这个“第四纪沉积物(层)”或“土”沉积在地表，覆盖在基岩之上，人类活动在它之上，各种建筑物往往就建造在它上面，所以土体物质和它的存在空间是工程建设的基本载体和存在空间，认真研究土体物质的组成、发展、运动、特性以及与土建工程活动的相关性就是非常必要和必需的了。

7.2　风化作用与风化物状态

在沉积岩的形成过程里，我们已经明白了地质历史中风化作用的巨大意义，在当下的地球现实环境里，我们依然要明白风化作用的巨大意义，今天的意义在于对岩石的破坏，对已经形成土体的深入改造，风化不会停止，岩石与土体的变化也不会停止，我们必须牢牢记住一切存在的物质、物体都在变动变化之中，原有的一切都会不复存在，都将以新的面目出现。

只是在这些变化之中，有些物质的、功能的变化在给定的时间段变化缓慢，有些变化则充满了不确定性和多变性，我们必须充分意识到这些和分析造成这些不同的原因，才会科学应对自然变化对人类工程活动的影响。

昼夜和季节的气温变化，可使地表各种原岩、土体不断发生热胀挤压、脱离，冷缩拉断、开裂等机械破碎。水和水溶液的存在，可使原岩以及土体不断发生水化、氧化、碳酸盐化、溶解以及缝隙水冻胀引起崩裂等化学变化和机械破碎。动植物和微生物的活动，也可使原岩、土体不断发生机械破碎和化学变化(图7－1，7－2)。岩石、土体经深度风化后结构变化、破坏，它的强度降低、透水性增强。风化作用不但是一种对颗粒物的改变，也是对整体构架的改变，在大的地理分布和小的土体空间里都因为风化的各种作用而产生相应的变化。在较小的土体空间里，各种运动、扰动、淋溶、沉积使土体呈现出各向不同的诸多性质和层化、斑块化等。

风化作用根据其性质和影响因素的不同分为物理风化、化学风化和生物风化三种类型。

三种风化作用，实际上不是孤立进行的。如物理风化使岩石逐渐破碎，增大了岩石的孔隙率和表面积，为化学风化创造了有利的条件;反过来，化学风化则使所形成的碎屑发生质的变化，颗粒变得更小并使岩石松软、体积膨胀，从而有利于再次的物理风化的进行。一般的说物理风化在先，化学在细小层次跟进，再由生物风化积极主动全面铺开。各种风化作用一般是同步进行，只是在某一地区的特定自然地理环境下，通常以一种风化作用占主导地位。

图7－1　岩石风化过程示意图

图7－2　根劈作用

7.2.1　岩石风化带的划分

岩石风化的程度和深度各地不一。风化作用在地表最明显，随着深度的增加，其影响逐渐减弱以至消失。

被风化了的岩石圈的疏松表层称风化壳。在全球各地由于风化的原因差异，形成了各种不同形貌的风化物，往往具有明显的地域特点，充分表现出地带性和非地带性的规律。深刻认识风化壳的特点，对于工程建设有莫大帮助，对于工程与环境的适应性预判和分析未来面临的变化和变化速率都有很好的指导意义。

在工程点的垂直观察分析中，岩石风化后的工程地质性质变化很大，为了选择合适的水工建筑场地和确定基础开挖深度，以保证建筑物的稳定，对岩石风化程度、风化深度必须进行了解。对于岩石风化带界限的划分和风化带的命名，不同的工程实践有不同的划分依据和命名方法。一般是根据岩石风化后的颜色、结构、矿物成分及物理力学性质等方面的变化，将风化岩石划分为全风化、强风化、中等风化和微风化4个带。下表(表7－1)中所列四个风化带，不是在任何风化岩石的垂直剖面上都能见到的，由于水流冲刷等外力的影响，常保留其中2～3个带。也可能由于堆积覆盖而造成类似重复的较多层次等。

表7－1　岩石的风化程度分级表

续表

注:①波速比Kv为风化岩石与新鲜岩石压缩波速度之比。②风化系数Kf为风化岩石与新鲜岩石饱和单轴抗压强度之比。③岩石风化强度，除按表列特征和定量指标划分外，也可根据当地经验划分。④花岗岩类岩石，可采用标准贯入试验划分，N≥50为强风化;50＞N≥30为全风化;N＜30为残积土。⑤泥岩和半成岩，可不进行风化程度划分。

7.2.2　第四纪沉积物

第四纪沉积物是这一地质时期环境信息的主要载体，是研究第四纪古环境的物质基础。沉积物成因类型的判别，主要依据沉积物产出部位的地貌、沉积体的形态、沉积物的结构和构造、沉积物的物质组成、生物化石的种类及排列方式、地球化学指标。第四季沉积物的分析是对所处工程环境的地质历史把握，方便人们系统和完整分析土体变化，为工程建设提供变化因子和地下物质范围判读，避免地质勘探的支离破碎和低效。

第四纪沉积物的成因类型，根据沉积物形成的环境和作用应力，分为陆相、海陆过渡相和海相三大类，各种成因类型又可进一步划分为若干亚类。

7.2.2.1.　残积物

残积物是指原岩表面经过风化作用而残留在原地的碎屑物。残积物主要分布在岩石出露地表及经受强烈风化作用的山区、丘陵地带与剥蚀平原。残积物组成物质为棱角状的碎石、角砾、砂粒和黏性土。残积物裂隙多、无层次、不均匀，如以残积物作为建筑物地基，应当注意不均匀沉降和土坡稳定问题。

7.2.2.2.　坡积物

坡积物是片流和重力共同作用下，在斜坡地带堆积的沉积物。它是山区公路及引水设施等勘测设计中经常遇到的第四纪陆相沉积物中的一个成因类型。它顺着坡面沿山坡的坡脚或山坡的凹坡呈缓倾斜裙状分布，所以在地貌学上称为坡积裙。

坡积物的上部常与残积物相接，堆积的厚度也不均匀，一般上薄下厚。坡积物底面的倾斜度取决于基岩，颗粒自上而下呈现由粗到细的分选现象，其矿物成分与下伏基岩无关。作为地基时，坡积物易产生不均匀沉降，且极易沿下卧岩层面产生滑动面失稳。这些在工程设计、施工中都需要予以足够的重视。

7.2.2.3.　洪积物

由洪流搬运、沉积而形成的堆积物称为洪积物。洪积物一般分布在山谷中或山前平原上。在谷口附近多为粗颗粒碎屑物，远离谷口颗粒逐渐变细，这是因为地势越来越开阔，使得山洪的流速逐渐减缓。其地貌特征是靠谷口处窄而陡，离谷后逐渐变为宽而缓，形如扇状，称为洪积扇。洪积物作为建筑物地基时，应注意不均匀沉降。

7.2.2.4.　冲积物

冲积物是河流在河床中或溢出河床的堆积物。冲积物是平原区地下主要含水层系和工程建筑基础。冲积物主要分布在河床、冲积扇、冲积平原或三角洲中，其成分非常复杂，河流汇水面积内的所有岩石和土都能成为该河流冲积层的物质来源。冲积物的分选性好，层理明显，磨圆度高。山区河流沉积物较薄，颗粒较粗，透水性很大，抗剪强度高，承载力较高，几乎不可压缩，是良好的地基地层。但在山区河谷地带进行工程建设时，必须考虑山洪、滑坡和崩塌等不良地质现象的发生。

7.2.2.5.　淤积物

一般由湖沼沉积而形成的堆积物称为淤积物，主要包括湖相沉积物和沼泽沉积物等。湖相沉积物包括粗颗粒的湖边沉积物和细颗粒的湖心沉积物。后者主要为黏土和淤泥，夹有粉细砂薄层呈带状黏土，强度低，压缩性大。湖泊逐渐淤塞和陆地沼泽化，演变成沼泽。沼泽沉积物即沼泽土，主要为半腐烂的植物残余物一年年积累起来形成的泥炭所组成。泥炭的含水量极高，透水性很低，压缩性很大，不宜作为永久建筑物的地基。

7.2.2.6.　冰碛物与冰水沉积物

冰川融化，其搬运物就地堆积形成冰碛物。冰碛物的主要特点是巨大的石块和泥质混合在一起，粒度相差悬殊，缺乏分选，磨圆差，棱角分明，不具成层性，砾石表面常具有磨光面或冰川擦痕，砾石因长期受冰川压力作用而弯曲变形。

冰雪融化形成的水流可冲刷和搬运冰碛物进行再沉积，形成冰水沉积物。冰水沉积物具有一定程度分选和良好的层理。

7.2.2.7.　风积物

风积物是指经过风的搬运而沉积下来的堆积物。风积物主要以风积砂为主，其次为黄土风积物的成分由砂和粉粒组成，其岩性松散，一般分选性好，孔隙度高，活动性强，通常不具层理，只有在沉积条件发生变化时才发生层理和斜层理，工程性能较差。

7.2.2.8.　混合成因的沉积物

混合成因的沉积物保持原成因特征，常见的有残积坡积物、坡积洪积物和洪积冲积物等。

7.3　土的三相组成

通常情况下，土是一种松散物质，在这些松散的矿物颗粒之间存在着许多孔隙，通常孔隙中会有液体(一般是水)和气体(一般是空气)。故此，土是由土颗粒、水、空气三部分组成，也就土是具有三相性。当然也有特殊情况比如严格意义上的干土是由土颗粒、空气两部分组成;完全饱和土是由土颗粒、水、两部分组成。

显然，地基中的土的工程性质与组成土的这三部分的性质及其之间的比例密切相关。因此，我们应该研究其组成及其相互关系。

7.3.1　土中的固体颗粒(土颗粒)

土粒主要是由矿物颗粒构成，是土的骨架，是决定土的工程特性的主要成分。土粒的大小和形状，矿物成分及组成情况对土的物理力学性质有很多的影响。

(1)土粒的矿物成分。

土粒的矿物成分主要决定于母岩的成分及其所受的风化作用，不同的矿物成分有着不同的影响，其中以细粒组的矿物成分尤为重要。其矿物成分为三类:

①原生矿物。

由岩石经物理风化而成，其成分与母岩相同，如漂石、卵石和圆砾的组成主要是岩石碎屑、母岩。

②次生矿物。

由岩石经化学风化而成，改变了母岩的成分，生成很细小的新的矿物，如黏粒主要由蒙脱石、伊里石和高岭石组成，由于蒙脱石矿物的组成结构不稳定，由其组成的土体也就有着较强的与水作用的能力，工程性质很不稳定。而高岭石矿物本身结构稳定，与水作用能力较弱，由其组成的土体也就结构较稳定，工程性质较好。伊利石上很细小的扁平颗粒，其颗粒表面带有电荷，具有很强的与水作用能力。

③腐殖质。

腐殖质定义:已死的生物体在土壤中经微生物分解而形成的有机物质。黑褐色，含有植物生长发育所需要的一些元素，能改善土壤，增加肥力。腐殖质帮助空气和水进入土体空隙，自身消解也增加土体的空隙，它产生或提供植物必需的氮，硫黄，钾和磷。动植物残体在微生物作用下形成简单化合物的同时又重新合成复杂的高分子化合物。腐殖质的存在使生物风化更为活跃，加剧土体的变化。如果土中腐殖质含量高，使土的压缩性增大，不宜作为建筑材料。

(2)土粒大小与工程性质。

自然界中土颗粒的大小各异，相差悬殊，如巨粒土漂石粒径大于200mm，而细粒土粘粒粒径小于0.005mm，二者粒径相差超过4万倍。总而言之，土粒大小对土的性质起着决定性作用。为了便于研究，把土粒按粒径大小为原则划分为6个粒组，用数学数轴的方式表达如图7－3所示。

图7－3　土的粒径分组

每个粒组内的土的工程性质相似。通常境况下，粗大颗粒的土黏结力小，表面所带电荷少，搬运路径短。因此，性质简单。而细小颗粒土，经化学风化作用形成的次生矿物和生成过程中混入的有机物质。黏结力大，搬移路径长，性质复杂，具有很强的与水作用能力。而且颗粒愈小，表面积愈大，颗粒表面所带电荷愈多，则其与水作用的能力愈强。

(3)土的粒径级配。

天然土很少是某一个粒组的土，往往由多个粒组混合而成，土粒有大有小。工程中常用土中各粒组的相对含量占总质量的百分数来表示，就是土的粒径级配。这也是粗粒土的分类定名的标准。

确定粒组相对含量的方法，工程中常用下列两种试验方法，相互配合使用。

①筛分法。

适用于土粒粒径小于、等于60mm，大于0.075mm的土。其主要试验设备为一套标准的分析筛，筛子孔径分别为20，10，5，2，1，0.5，0.25，0.075mm。将干土样倒入标准筛中，盖严上盖，置于筛分机上振筛10～15min，而后按照试验标准称量。

②密度计法。

适用于土粒粒径小于0.075mm的土。是将定量的土样与水混合倾注量筒中，使悬液体积到1000mm，悬液经过搅拌大小颗粒均匀地分布于水中，因此悬液的浓度上下一致。然而颗粒相同的土粒依照司笃克定律将以等速下降，经过一定时间后量得某一深度悬液的比重与原来的悬液的比重相比较，即可求出小于某批径的百分数。

将筛分析和比重计试验的结果绘制在以土的粒径为横坐标(为对数坐标)，小于某粒径之土质量百分数为纵坐标，得到的曲线称土的粒径级配累积曲线常用图7－4表示。

土的粒径级配累积曲线是土工上最常用的曲线，从这曲线上可以直接了解土的粗细、粒径分布的均匀程度和级配的优劣。由曲线的坡度还可鉴别土的均匀程度。如曲线较平缓，表示土粒粒径大小相差悬殊，土粒不均匀，既级配良好;如曲线较陡，表示粒径相差不大，土粒均匀，即级配不良。

图7－4　土的级配曲线

工程上常采用不均匀系数Cu和曲率系数Cc来衡量土粒级配的不均匀程度:

式中:

d10——小于某粒径的土粒质量累计百分数为10%时，相应的粒径称为有效粒径。

d30——小于某粒径的土粒质量累计百分数为30%时的粒径。

d60——小于某粒径的土粒质量累计百分数为60%时，该粒径称为控制粒径。

不均匀系数Cu反映大小不同粒组的分布情况。Cu越大表示土粒大小的分布范围越大，颗粒大小越不均匀，其级配越良好，作为填方工程的土料时，则比较容易获得较大的密实度。

曲线系数Cc描写的是累积曲线的分布范围，反映曲线的整体形状;或称反映累积曲线的斜率是否连续。

在一般情况下:①工程上把Cu≤5的土看做是均粒土，属级配不良;Cu＞5时，称为不均粒土;Cu＞10的土属级配良好。②经验证明，当级配连续时，Cc的范围约为1～3;因此当Cc＜1或Cc＞3时，均表示级配线不连续。

严格来看，评价地基土的级配是否良好时，应该把满足Cu≥5且Cc=1～3的土，称为级配良好的土;不能同时满足上述两个要求的土，称为级配不良的土。

【例题7.1】如图7－4两种土的级配曲线分别为A和B，试评价这两种土级配是否良好。

【解】根据上述，评价地基土的级配是否良好时，需要通过Cu及Cc进行判断，从图可知A曲线:

d10=0.74mm　d30=3.8mm　d60=16mm

满足Cu≥5且Cc=1～3，可以判断A曲线级配良好。

同理可以知道曲线B的:d10=0.13mm、d30=0.32mm、d60=1.3mm

可以得到:Cu=10，Cc=0.61

也是不能满足上述条件，所以级配不良。

7.3.2　土中水

组成土的第二种主要成分是土中水。在自然条件下，土中总是含水的。土中水可以处于液态、固态或气态。土中细粒越多，即土的分散度越大，水对土的性质的影响也越大。

研究土中水，必须考虑到水的存在状态及其与土粒的相互作用。

存在于土粒矿物的晶体格架内部或是参与矿物构造中的水称为矿物内部结合水，它只有在比较高的温度(80～680℃，随土粒的矿物成分不同而异)下才能化为气态水而与土粒分离，从土的工程性质上分析，可以把矿物内部结合水当做矿物颗粒的一部分。

存在于土中的液态水可分为结合水和自由水两大类。

(1)结合水。

指受电分子吸引力吸附于土粒表面的土中水，这种电分子吸引力高达几千到几万个大气压，使水分子和土粒表面牢固的粘结在一起。

结合水因离颗粒表面远近不同，受电场作用力的大小也不同，所以分为强结合水和弱结合水。

①强结合水。

系指紧靠土粒表面的结合水，它的特征是:没有溶解盐类的能力;不能传递静水压力;只有吸热变成蒸汽时才能移动。

这种水极其牢固地结合在土粒表面上，其性质接近于固体，密度约为1.2～2.4g/cm3，冰点为－78℃，具有极大的粘滞度、弹性和抗剪强度。

如果将干燥的土移在天然湿度的空气中，则土的质量将增加，直到土中吸着的强结合水达到最大吸着度为止。

土粒越细，土的比表面积越大，则最大吸着度就越大。

②弱结合水。

弱结合水紧靠于强结合水的外围形成一层结合水膜。它仍然不能传递静水压力，但水膜较厚的弱结合水能向临近的较薄的水膜缓慢移动。

当土中含有较多的弱结合水时，土则具有一定的可塑性。砂土比表面积较小，几乎不具可塑性，而粘土的比表面积较大，其可塑性范围较大。

弱结合水离土粒表面积愈远，其受到的电分子吸引力愈弱小，并逐渐过渡到自由水。

(2)自由水。

自由水是存在于土粒表面电场影响范围以外的水。它的性质和普通水一样，能传递静水压力，冰点为0℃，有溶解能力。

自由水按其移动所受到作用力的不同，可以分为重力水和毛细水。

①重力水。

重力水是存在于地下水位一下的透水土层中的地下水，它是在重力或压力差作用下运动的自由水，对土粒有浮力作用，重力水对土中的应力状态和开挖基槽、基坑以及修筑地下构筑物时所应采取的排水、防水措施有重要的影响。

②毛细水。

毛细水是受到水与空气交界面处表面张力作用的自由水。其形成过程通常用物理学中毛细管现象解释。分布在土粒内部相互贯通的孔隙，可以看成是许多形状不一，直径各异，彼此连通的毛细管。

7.3.3　土中气体

土的孔隙中没有被水占据的部分都是气体。土中气体的成因，除来自空气外，也可由生物化学作用和化学反应所生成。

土中气体按其所处状态和结构特点，可分为以下几大类:密闭气体和自由气体。

(1)自由气体。

自由气体与大气连通，对土的性质影响不大。

(2)密闭气体。

封闭气体的体积与压力有关，压力增大，则体积缩小;压力减少，则体积增大。因此密闭气体的存在增加了土的弹性。

密闭气体可降低地基的沉降量，但当其突然排除时，可导致基础与建筑物的变形。

密闭气体在不可排水的条件下，由于密闭气体可压缩性会造成土的压密。密闭气体的存在能降低土层透水性，阻塞土中的渗透通道，减少土的渗透性。

当由于不透水性土层中气体为封闭气泡时，土体表现为弹性和不透水性。在填土施工时，一般表现为“橡皮土”，因此在黏性土作填料时一般要掺入透水性较好的砂土。高压缩性土层中一般可能存在可燃气体，施工时也应加以注意。在进行人工挖孔桩基施工或打井时，还应注意深部土层致密、干燥，土中气体较少(缺氧)导致安全事故的可能，此时应采取较好的向孔内通风的措施。土中气体也影响土体的力学性质，在某些特殊情况下，也应加以注意。

7.4　土的物理性质、水理性质和力学性质

土的松散与密实程度，主要取决于土的三相各自在数量上所占的比例。也就是说，我们从工程力学的角度研究土的物理力学性质，就必然要研究土的三相比例关系。

7.4.1　土的三相图

为便于说明和计算土的物理性质指标，采用如图7－5所示的土的三相组成比例示意图。

从三相比例图中，可得到土中各部分质量之间和体积之间的基本关系为:

图7－5　土的三相草图

式中:V，Vs，Vw，Va，VV分别表示土的总体积、土粒体积、土中水的体积、土中空气的体积及孔隙体积;m，ms，mw，ma分别表示土的总质量、土粒质量、土中水的质量、土中空气的质量，由于空气质量很小，可以忽略不计;

7.4.2　土的物理性质

土的物理性质指标，可分为两类:一类是必须通过试验测定的，称为基本指标或实测指标，如天然密度、含水率和土粒比重;另一类是可以根据试验测定的指标换算而得到的，称为推到指标或换算指标，如孔隙比，孔隙率和饱和度等。

(1)土的基本指标。

①土的天然密度ρ(湿密度)。

物理意义　　在天然状态时单位体积的土质量，g/cm3。

常见值　　ρ=1.6～2.2g/cm3

测定方法　　土的密度可在室内及野外现场直接测定。室内一般采用“环刀法”测定。

②含水率ω。

物理意义　　土中水的质量与土粒质量之比，以百分数表示。

测定方法　　室内测定:一般用“洪干法”。

③土粒比重ds。

物理意义　　土粒在105～110℃温度下烘至恒重时的质量与同体积4℃时纯水的质量之比，以百分数表示。

测定方法　　比重瓶法。

(2)土的推导物理指标。

①干密度ρd。

物理意义　　土的孔隙中完全没有水时的密度，就是土单位体积中土粒的质量。

常见值　　土的干密度一般常在1.4～1.7g/cm3

工程应用　　在工程上常把干密度作为评定土体紧密程度的标准，以控制填土工程的施工质量。

②饱和密度ρsat。

物理意义　　土的孔隙完全被水充满时的密度称为饱和密度;即土的孔隙中全部充满液态水时的单位体积质量。

常见值　1.8～2.30g/cm3。

③浮密度ρ'。

物理意义　　土的浮密度是单位体积土中，土粒质量与同体积水的质量之差。

④饱和度sr。

物理意义　　土中孔隙水的体积与孔隙体积之比，以百分数表示。

饱和度愈大，表明土中孔隙中充水愈多，它在0～100%;干燥时sr=0;孔隙全部为水充填时，sr=100%。工程研究中，一般将sr大于95%的天然粘性土视为完全饱和土;而砂土sr大于80%时就认为已达到饱和了(表7－2)。

表7－2　工程上sr作为砂土湿度划分的标准

⑤孔隙比e。

物理意义　　土中孔隙体积与土粒体积之比，以小数表示。

孔隙比e是个重要的物理性指标，可以用来评价天然土层的密实程度。一般e＜0.6的土是密实的低压缩性土;e＞1.0的土是疏松的无压缩性土。

⑥孔隙率n。

物理意义　　土的孔隙体积与土体积之比，或单位体积土中孔隙的体积，以百分数表示。

土的孔隙比或孔隙度都可用来表示同一种土的松，密程度。它随土形成过程中所受的压力、粒径级配和颗粒排列的状况而变化。一般说:粗粒土的孔隙度小，细粒土的孔隙度大。

(3)基本指标与推导指标的关系。

若假设土体内土粒体积Vs=1.0，则土的三相组成比例示意图变为如图7－6所示。

①孔隙比与孔隙率的关系。

因为Vs =1.0，依据e=，则孔隙体积Vv=e，土体体积V=Vv+Vs=1+e

②孔隙比与比重和干密度的关系。

得:

图7－6　土的三相组成比例示意图

③饱和度与含水量，比重和孔隙比的关系。

当Sr=100%时，土完全饱和时，则:e=ωds。

常见的物理性质指标及相互关系换算公式见表7－3。

表7－3　常见物理性质指标及相互关系换算表

【例题7.2】某原状土样，经试验测得天然密度ρ=1.67g/cm3，含水量ω=12.9%，土粒比重的ds=2.67，求干密度ρd，孔隙比e，孔隙度n和饱和度sr。

例题7.2　土的三相示意图

【解】绘三相草图

(1)设土的体积V=1cm3

根据密度定义得:m=ρV=1.67×1=1.67g。

(2)根据含水量ω=×100%得:mw=ωms= 0.129ms，又知道ma=0

因为m=mw+ms，即0.129ms+ms=1.67

(3)根据土粒比重ds=2.67，依据公式ds=(ρw=1g/cm3)，

可知:

(5)从三相图可知V=Va+Vw+VS=1cm3，则有:

Va=1－Vw－Vs=1－0.554－0.190=0.256cm3，

所以Vv=V－Vs=1－0.554=0.446cm3。

(6)根据孔隙比定义:e=

得

(7)根据孔隙度定义:n=得

(8)根据饱和度定义:Sr=

得

(9)根据干密度定义:ρd=得

【例题7.3】薄壁取样器采取的土样，测出其体积与质量分别为38.4cm3和67.21g，把土样放入烘箱烘干，并在烘箱内冷却到室温后，测得重量为49.35g，土粒比重ds=2.69。试求土样的ρ(天然密度)，ρd(干密度)，ω(含水量)，e(孔隙比)，n(孔隙率)，sr(饱和度)。

【解】依据土的物理指标定义可知:

(1)天然密度ρ==1.750g/cm3;

(2)干密度ρd==1.285g/cm3;

(3)含水量ω=×100%=36.19%;

(4)孔隙比e=－1=1.093;

(5)孔隙率n=　1×100%=52.22%;

(6)饱和度sr==89.07%。

7.5　土的物理状态

7.5.1　无粘性土的密实度

无粘性土如砂、卵石均为单粒结构，它们主要的物理状态指标为密实度，即单位土体中固体颗粒的含量。其密实度与其工程性质有着密切的关系，密实的无粘性土由于压缩性小，抗剪强度高，承载力大，可作为建筑物的良好地基。但如处于疏松状态，尤其是细砂和粉砂，其承载力就有可能很低，因为疏松的单粒结构是不稳定的，在外力作用下很容易产生变形，且强度也低，很难作天然地基。如它位于地下水位以下，在动荷载作用下还有可能由于超静水压力的产生而发生液化。例如，我国海城1975年2月4日的7.3级地震，震中区以西25～60km的下辽河平原，发生强烈砂土液化，大面积喷砂冒水，许多道路、桥梁、工业设施、民用建筑遭受破坏。1976年7月28日唐山的7.8级地震，也引起大区域的砂土液化。因此，凡工程中遇到无粘性土时，首先要注意的就是它的密实度。

工程中依据什么作为划分密实度的标准呢?

对于同一种无粘性土，当其孔隙比小于某一限度时，处于密实状态，随着孔隙比的增大，则处于中密、稍密直到松散状态。无粘性土的这种特性，是因为它所具有的单粒结构决定的。

(1)用孔隙比e为标准。

我国1974年颁布的《工业与民用建筑地基基础设计规范》中曾规定以孔隙比e作为无粘性土密实度的划分标准。

对同一种土，孔隙比愈大，则土愈松散。

但是仅用孔隙比存在问题，没有考虑到颗粒级配这一重要因素对砂土密实状态的影响，并且在具体的工程中，难于取得砂土原状土样。

(2)室内测试孔隙比确定相对密实度的方法(表7－4)。

为了克服上述方法的缺陷，以相对密实度判断。

无粘性土的相对密实度Dr是将现场土的天然孔隙比e与该种土所能达到最密实时的孔隙比emin和最疏松时的孔隙比emax相对比的方法，来表示孔隙比为e时土的密实度。表达式为:

无粘性土的最小孔隙比是最紧密状态的孔隙比，用符号emin表示，emin一般采用“振击法”测定;无粘性土的最大孔隙比是土处于最疏松状态时的孔隙比，用符号emin表示，emin一般用“松砂器法”测定。

当e=emax时，表示土处于最疏松状态，此时Dr=0;

当e=emin时，表示土处于最密实状态，此时Dr=1.0。

在理论上，通过相对密实度Dr比孔隙比e能够更合理确定土的密实状态，但是测定e，emin，emax困难，通常多用于填方工程的质量控制中，对于天然土尚难以应用。

通常无粘性土的相对密度的还可以表达为:

式中ρdmin，ρdmax为最大、最小干密度。

表7－4D　r判定砂土密实度的标准

Dr在工程上常应用于:评价砂土地基的允许承载力;评价地震区砂体液化;评价砂土的强度稳定性。

【例题7.4】某砂试样，通过试验测定ds=2.65，ω=10%，ρ=1.65g/cm3。砂样处于最密实状态时称得干砂质量为ms1=1.65kg，处于最松散状态时称得干砂质量为ms2= 1.35kg。试求相对密实度Dr，并判断该砂层处于哪种状态?

【解】依据孔隙比公式:，则可得到此砂土的天然孔隙比:

令砂样体积V=1，故此砂土的天然干密度:

又依据此ρd=，令砂样体积V=1，ms1=1.65kg，可得砂土的最大干密度:

同理可以得到，最小干密度

所以Dr=0.55

因为0.33＜Dr ＜0.67，所以该砂处于中密状态。

(3)用原位试验N或N63.5为标准。

依《规范》GB5007－2002确定无粘性土的密实度，利用标准贯入试验、静力触探等原位测试方法来评价砂土的密实度得到了工程技术人员的广泛采用。砂土根据标准贯入试验的锤击数N分为松散，稍密、中密及密实四种密实度，其划分标准见表7－5。

表7－5　砂土密实度划分

7.5.2　粘性土的物理状态指标

颗粒大小决定着颗粒表面与水作用能力的大小，因此ω不同，其土的工程性质也不同。

(1)粘性土界限含水量。

粘性土由于其含水量的不同，而分别处于固态、半固态、可塑状态及流动状态。可塑状态就是当粘性土在某含水量范围内，可用外力塑成任何形状而不发生裂纹，并当外力移去后仍能保持既得的形状。土的这种性能叫做可塑性。粘性土由一种状态转到另一种状态的分界含水量，叫做界限含水量，它对粘性土的分类及工程性质的评价有重要意义。实际意义最大为塑限ωp和液限ωl，如图7－7所示。

图7－7　粘性土界限含水

土由可塑状态转到流动状态的界限含水量叫做液限，用符号ωl表示，土由半固态转到可塑状态的界限含水量叫做塑限，用符号ωp表示，它们都以百分数表示。目前通常采用液限联合仪来测定粘性土的塑限ωp和液限ωl。

(2)粘性土的塑性指数和液性指数。

①塑性指数。

是指液限和塑限的差值(省去%符号)，即土处在可塑状态的含水量变化范围用符号Ip表示，即:

通过公式7.14可以看出，塑性指数Ip愈大，土处于可塑状态的含水量范围也愈大。塑性指数的大小与土中结合水的可能含量有关，土中结合水的含量与土的颗粒组成、土粒的矿物成分以及土中水的离子成分和浓度等因素有关。从土的颗粒来说，土粒越细、且细颗粒(粘粒)的含量越高，则其比表面和可能的结合水含量愈高，因而Ip也随之增大;从矿物成分来说，粘土矿物可能具有的结合水量大(其中尤以蒙脱石类为最大)，因而Ip也大;从土中水的离子成分和浓度来说，当水中高价阳离子的浓度增加时，土粒表面吸附的反离子层的厚度变薄，结合水含量相应减少，Ip也小，反之随着反离子层中的低价阳离子的增加，Ip变大。

由于塑性指数在一定程度上综合反映了影响粘性土特征的各种重要因素，因此，在工程上常按塑性指数对粘性土进行分类。

《建筑地基基础设计规范》规定，粘性土按塑性指数Ip值可划分为:当Ip＞17为粘土，当10＜Ip≤17时，为粉质粘土;塑性指数数值愈大，土的塑性愈强，土中粘粒含量越多。

②液性指数。

粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比，用符号IL表示，即:

从式中可见，当土的天然含水量ω小于ωp时，IL小于0，天然土处于坚硬状态;当ω大于ωl时，IL大于1，天然土处于流动状态;当ω在ωp与ωl之间时，即IL在0～1之间，则天然土处于可塑状态。

因此可以利用液性指数IL来表示粘性土所处的软硬状态。IL值愈大，土质愈软，反之，土质愈硬。

《建筑地基基础设计规范》规定粘性土根据液性指数值划分为坚硬，硬塑、可塑、软塑及流塑五种软硬状态，其划分标准见表7－6。

表7－6　按液性指数(IL)粘性土的物理状态

【例题7.5】从某地基取原状土样，测的土的液限为37.4%，塑限为23.0%，天然含水量为26.0%，问地基土哪类土，处于何种状态?

【解】已知:ωl=37.4%　ωp=23.0%　　ω=16.0%

通过公式Ip=wL－wp=37.4%－23%=14.4

因为10＜Ip≤17

所以地基土为粉质粘土。

又知道IL==0.21

因为0＜IL≤0.25

所以该地基土处于硬塑状态。

7.6　土的压实原理

在工程建设中经常要进行填土压实，例如，路基、堤坝、挡土墙、平整场地以及埋设管道、建筑物基坑回填等。为了增加填土的密实度，提高其强度，减少沉降量，降低透水性，通常采用分层碾压、夯实和振动的方法来处理地基。土体能够通过碾压、夯实和振动等方法调整土粒排列，进而增加密实度的性质称为土的压实性。

工程实践表明，对于过湿的粘性土进行碾压或夯实会出现软弹现象(俗称橡皮土)，土体不易被压实，对于很干的土进行碾压或夯实也不能充分夯实。因此，对应最佳的夯实效果，存在一个适宜的含水量大小。在一定的压实功能作用下，使土最容易被压实，并能达到最大密实度时的含水量，称为土的最优含水量ωop，相应的干密度则称为最大干密度ρdmax。

7.6.1　击实试验

土的压实性可通过在实验室或现场进行击实试验来进行研究。室内击实试验方法如下:将同一种土配制成5份以上不同含水量的试样，用同样的压实功能分别对每一份试样分三层进行击实，然后测定各试样击实后的含水量ω和湿密度ρ，计算出干密度ρd，从而绘出一条ω－ρd关系曲线，即击实曲线。如图7－8。由图可知，在一定击实功能下，只有当含水量达到某一特定值时，土才被击实至最大干密度。含水量大于或小于此特定值，其对应的干密度都小于最大干密度。这一特定含水量即为最优含水量ωop。

图7－8　粘性土的击实曲线

7.6.2　影响压实效果的因素

影响土的压实效果的主要因素是:土的含水量、压实功能和土的性质。

(1)土的含水量。

含水量较小时，土中水主要是强结合水，土粒间摩擦力、粘结力都很大，土粒的相对移动有困难，因而不易被压实;当含水量适当增大时，土中结合水膜变厚，土粒之间的联接力减弱而使土粒易于移动，压实效果变好;但当含水量继续增大，以致出现自由水，击实时孔隙中过多的水分不易立即排出，势必阻止土粒的靠拢，则压实效果反而下降。

试验统计证明:粘性土的最优含水量ωop与土的塑限ωp有关，大致为ωop=ωp±2%。土中粘土矿物含量大，则最优含水量越大。

图7－9　压实功对压实曲线的影响

(2)压实功能。

夯击的压实功能与夯锤的重量、落高、夯击次数以及被夯击土的厚度等有关;碾压的压实功能则与碾压机具的重量、接触面积、碾压遍数以及土层的厚度等有关。

对于同类土，如图7－9，由3曲线至1曲线，随着压实功能的增大，最大干密度相应增大，而最优含水量减小。所以，在压实工程中，若土的含水量较小，则需选用夯实能量较大的机具，才能将土压实至最大干密度;在碾压过程中，如未能将土压至最密实程度，则需增大压实功能(选用功能较大的机具或增加碾压遍数等);若土的含水量较大，则应选用压实功能较小的机具，否则会出现“橡皮土”现象。因此，若要把土压实至工程需要的干密度，必须合理控制压实时土的含水量，选用适合的压实功能。

(3)土的性质。

土的颗粒粗细、级配、矿物成分和添加的材料等因素对压实效果有影响。颗粒越粗的土，其最大干密度越大，而最优含水量越小;颗粒级配越均匀，压实曲线的峰值范围就越宽广而平缓;对于粘性土，压实效果与其中的粘土矿物成分含量有关;添加木质素和铁基材料可改善土的压实效果。

砂性土也可用类似粘性土的方法进行试验。干砂在压力和振动作用下，容易密实;稍湿的砂土，因有毛细压力作用使砂土互相靠紧，阻止颗粒移动，击实效果不好;饱和砂土，毛细压力消失，击实效果良好。

(4)压实填土的质量指标。

压实填土的质量以压实系数λc控制。压实系数为压实填土的控制干密度ρd与最大干密度ρdmax的比值，即

压实填土的最大干密度ρdmax宜采用击实试验或由现场试验来测定。当无试验资料时，最大干密度可按下式计算:

式中:ρdmax——分层压实填土的最大干密度;

　　　η——经验系数，粉质粘土取0.96，粉土取0.97;

　　　wop——填料的最优含水量。

当填料为碎石或卵石时，其最大干密度可取2.0～2.2t/m3。

压实填土的质量应根据结构类型和压实填土所在部位按表7－7的数值确定。

表7－7　压实填土的质量控制

注:地坪垫层以下及基础底面标高以上的压实填土，压实系数不应小于0.94。

7.7　岩土的工程分类

从工程角度来说，岩土分类系统是把不同的岩土分别分列到各个具有相似性质的组合中去，以便人们有可能依据同类岩土一致的性质去评价其性能，或提供给人们一个比较确切的描述岩土的方法。岩土的工程分类是为工程服务的，而各类工程的岩土工程问题侧重点有所不同，因而形成了服务于不同类型工程的分类体系，但分类必然要遵循同类土的工程性质最大程度相似和异类土工程性质显著差异的原则来选择分类指标和确定分类界线。目前岩土的分类方法很多，本节主要对《建筑地基基础设计规范》和《岩土工程勘察规范》中的岩土分类作以介绍。

7.7.1　分类的目的、原则和分类体系

土的分类体系就是根据土的工程性质差异将土划分成一定的类别，目的在于通过通用的鉴别标准，便于在不同土类间作有价值的比较、评价、积累以及学术与经验的交流。

分类原则如下:

(1)分类要简明，既要能综合反映土的主要工程性质，又要测定方法简单，使用方便。

(2)土的分类体系所采用的指标要在一定程度上反映不同类工程用土的不同特性。

岩体的分类体系有:

(1)建筑工程系统分类体系侧重作为建筑地基和环境的岩土，例如:《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2002)地基土分类方法、《岩土工程勘察规范》(GB50021—2001)岩土的分类。

(2)工程材料系统分类体系侧重把土作为建筑材料，用于路堤、土坝和填土地基工程。研究对象为扰动土，例如:《土的分类标准》(GBJ145—90)工程用土的分类和《公路土工试验规程》(JTJ051—93)土的工程分类。

7.7.2　分类方法

(1)岩石的分类和鉴定。

岩石是天然形成的具有一定结构构造的由一种矿物或多种矿物组成的集合体。具有各种结构面的原位岩石的综合体称为岩体。岩石按其成因分为岩浆岩、沉积岩和变质岩。岩石(体)作为建筑物的地基和建筑场地，可根据其强度、风化程度、岩体结构特征等进行工程分类。

①岩石质量指标(RQD)。

用直径为75mm的金刚石钻头和双层岩芯管在岩石中钻进，连续取芯，回次钻进所取岩芯中，长度大于10cm的岩芯段长度之和与该回次进尺的比值，以百分数表示，见表7－8。

表7－8　岩石质量指标的划分

②岩石按风化程度分类。

岩石风化后，其结构构造、矿物成分发生变化，强度降低，工程性质变坏，直接影响岩石作为工程地基、工程环境或工程材料的质量。岩石按风化程度可划分为六个级别，见表7.1。

③岩石的坚硬程度等级可根据岩块的饱和单轴抗压强度frk定量分类(表7－9)。

表7－9　岩石坚硬程度的定量分类

④岩体的完整性程度等级按表7－10定量划分。

表7－10　岩体的完整性程度等级定量划分

注:完整性系数为岩体压缩波速度与岩块压缩波速度之比的平方，选定岩体和岩块测定波速时应注意代表性。

(2)地基土的分类和鉴定。

根据土粒大小、土的塑性指数把地基土分为碎石土、砂土、粉土和粘性土四大类。

①碎石土的分类。

粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50%的土称为碎石土(表7－11)。

表7－11　碎石土的分类

注:定名时应根据颗粒级配由大到小以最先符合者确定

②砂土的分类。

粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50%的土，且粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50%的土称为砂土(表7－12)。

表7－12　砂土的分类

注:定名时应根据颗粒级配由大到小以最先符合者确定

③粉土的分类。

粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50%，塑性指数IP≤10的土称为粉土。

④粘性土的分类。

粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重50%，塑性指数IP＞10的土称为粘性土。粘性土根据塑性指数细分(表7－13)。

表7－13　粘性土的分类

注:塑性指数由相应于76g圆锥体沉入土样中深度为10mm测定的液限计算而得。

⑤特殊土的分类。

对特殊成因和年代的土类应结合其成因和年代特征定名，特殊性土除应描述上述相应土类规定的内容外，尚应描述其特殊成分和特殊性质;如对淤泥尚需描述嗅味，对填土尚需描述物质成分、堆积年代、密实度和厚度的均匀程度等。

【思考题】

1.什么是土的物理性质指标?哪些是直接测定的指标?哪些是计算指标?

2.甲土的含水量大于乙土，试问甲土的饱和度是否大于乙土?

3.甲乙两土的天然重度和含水量相同，相对密度不同，饱和度哪个大?

4.为什么仅用天然含水量说明不了粘性土的物理状态，而用液性指数却能说明?

5.在填方压实工程中，土体是否能压实到完全饱和状态?为什么?

【练习题】

1.有一完全饱和的原状土样切满于容积为21.7cm3的环刀内，称得总质量为72.49g，经105℃烘干至恒重为61.28g，已知环刀质量为32.54g，土粒相对密度(比重)为2.74，试求该土样的湿密度、含水量、干密度及孔隙比(要求按三项比例指标定义求解)。

2.某原状土样的密度为1.85g/cm3、含水量为34%、土粒相对密度为2.71，试求该土样的饱和密度、有效密度和有效重度(先导得公式然后求解)。

3.某砂土土样的密度为1.77g/cm3，含水量为9.8%，土粒相对密度为2.67，烘干后测定最小孔隙比为0.461，最大孔隙比为0.943，试求孔隙比和相对密度，判断该砂土的密实度。

4.某一完全饱和粘性土试样的含水量为30%，土粒相对密度为2.73，液限为33%，塑限为17%，试求孔隙比、干密度和饱和密度，并按塑性指数和液性指数分别定出该粘性土的分类名称和软硬状态。

5.经测定，某地下水位以下砂层的饱和密度为1.991g/cm3，土粒相对密度为2.66，最大干密度为1.67g/cm3，最小干密度为1.39g/cm3，试判断该砂土的密实程度。